煤矸石山不同植被根際可培養微生物數量的動態變化

甄莉娜， 李 俠， 李 朕， 劉麗珍， 衛振華， 郭彤彤， 王潤梅*

(1.山西大同大學生命科學學院應用生物技術研究所， 山西 大同 037009；2.山西大學生命科學學院， 山西 太原 030006)

山西省是重要的煤炭生產基地，產煤量可占到全國總產量的四分之一[1]。煤矸石是煤炭開采和加工中產生的廢棄物，矸石的堆放破壞了原地貌植被，矸石養分含量低，重金屬含量高，植物在矸石山上生長緩慢、生物量低，植被種類少。

土壤微生物在植物凋落物降解、養分循環、土壤結構、生物固氮等方面發揮著重要的作用[2]。在礦區土壤修復過程中，微生物群落會隨著礦區修復進程的推移而不斷改變，礦區微生物群落的演替，對礦區生態恢復具有積極作用[3]。因而微生物群落的變化可以作為恢復進展的指標，為加速礦區修復提供參考依據[4]。礦區微生物群落結構與土壤理化性質之間相互影響，不斷改變著植物有機體的生長策略和組成模式[5-6]。

煤礦開采降低了土壤微生物的生物量和活性，其中微生物活性常通過測定土壤微生物數量、酶活性或呼吸熵來評價[7]。如Chen等在內蒙古錫林郭勒煤礦區土壤微生物研究中，以細菌酸微菌目(Acidimicrobiales)、根瘤菌目(Rhizobiales)等為分析對象，發現煤礦開采區降低了土壤微生物多樣性[8]。郭曉明等發現在采煤沉陷區土壤微生物數量以及各種土壤酶活性均有所下降[9]。隨著礦區土壤修復時間的增加，微生物量隨之發生改變，以往研究發現不同植被類型和修復時間顯著影響著礦區土壤微生物的群落結構，其中細菌和真菌的數量表現出相反的變化趨勢[10]。在高寒煤礦恢復初期，細菌數量隨著修復時間的增加而降低，而真菌和放線菌數量則不斷增加[11]。有研究發現安太堡露天煤礦區不同修復植被類型通過影響土壤養分含量、酶活性等指標增加了土壤肥力[12]。于亞軍等發現喬木和灌木對煤矸石山土壤的改良效果優于草本植物，且土壤有機質和含水量是造成不同植被表層土壤微生物數量和酶活性差異的重要原因[13]。

土壤微生物尤其是真菌將植物和土壤連接在一起，而植被類型等生物因子對微生物數量和活性有明顯的影響，喬木、灌木和草本植物地下根系結構、分布、養分需求和根系分泌物不同，造成根際土壤微環境的差異，進而影響了根際細菌、放線菌及真菌的數量和活性[14-15]。研究不同植被種類間土壤微生物數量差異，對于礦區生態系統的修復具有廣泛的意義。以往研究大都集中在人工覆土矸石山土壤微生物中，且采樣次數單一，而關于自然修復煤矸石山土壤微生物動態變化的研究較少[16-17]。本文以大同晉華宮礦自然修復的煤矸石山為研究對象，分別在春季、夏季和秋季3個季節，比較3種植被種類(草本植物、灌木和喬木)土壤中不同深度細菌、放線菌和真菌數量，以及微生物數量與土壤理化性質間的相關性，探明3大微生物類群與不同植被類型之間的關系，以期為以后的礦區生態修復提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大同位于我國中北部，是晉、冀、蒙3省的交界地帶，試驗地位于晉華宮礦煤矸石山區(113°13′65″N，40°10′41″ E)，氣候為大陸性半干旱季風氣候，晝夜溫差較大，天氣干燥寒冷，大風天氣較多。春季平均氣溫6.5℃～9.1℃，降雨較少，平均降水量僅為56.1 mm(占全年14.6%)；夏季氣候溫和，平均氣溫在19℃～21.8℃，雨水集中，平均降水量為246.9 mm(占全年64.3%)；秋季平均氣溫在5.8℃～8.4℃，平均降水量為72.96 mm(占全年19%)。晉華宮礦煤矸石山自然定居植物群落結構簡單(表1)，以草本植物為主，禾本科、菊科植物占優勢，蓋度為82%，灌木和喬木蓋度較低，分別為10%和3%。矸石山植物群落結構不穩定，仍處于演替的初級階段。

表1 研究區植被類型Table 1 Vegetation types in the study area

1.2 土樣采集與分析

以大同礦區晉華宮礦自然堆放60年煤矸石山為試驗地，于2018年5月4號(春季)，7月20日(夏季)，10月8日(秋季)3個時間點采集土壤樣品，設置 3個采樣區(面積為 20 m×20 m)，每個采樣區內3種植被類型(草本植物、灌木和喬木)和對照(裸地)分別選3個取樣點。在不同樣點利用土壤剖面法，在植物根圍分別取3個深度為0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm的土壤樣品，每層取3份土壤混合成一個樣品，立即帶回實驗室，所有樣品分為2份，1份新鮮土壤用于微生物測定，另1份土壤樣品風干后過2 mm篩，用于分析土壤理化性質。

利用稀釋平板法測定土壤中可培養微生物數量，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌采用改良高氏一號培養基，真菌采用馬丁氏—孟加拉紅培養基。采用酸度計測定土壤pH值，重鉻酸鉀—濃硫酸氧化比色法測定土壤中有機質含量，堿解擴散法測定土壤速效氮含量，碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，乙酸銨浸提—火焰光度計法測定速效鉀含量[18-19]。

1.3 數據處理

采用Excel 2013 和統計分軟件析SPSS(IBM SPSS Statistics V22.0)進行數據整理、制圖和統計分析，Duncan法進行差異顯著性檢驗，顯著性水平0.05，采用Pearson相關系數分析法評價微生物數量與土壤理化性質間的關系。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型對土壤微生物數量的影響

2.1.1土壤細菌數量的季節變化動態 由表2可知，草本植物、灌木和喬木0～30 cm土層細菌數量均顯著高于裸地，與對照相比分別增加了88.2%,157%和102%。在3個土層范圍內，草本植物、灌木和喬木均增加了煤矸石山土壤的細菌數量且差異顯著(P<0.05)，其中0～10 cm分別是裸地的1.93,1.78和1.46倍，10～20 cm分別是裸地的1.58,1.78和1.69倍，20～30 cm分別是裸地的2.50,4.87和4.71倍，裸地和草本植物土壤細菌數量在0～30 cm范圍內表現出逐漸降低的趨勢，0～10 cm土層含量最高，灌木0～20 cm土層細菌數量均高于20～30 cm，喬木在3個土層范圍內差異不顯著。

晉華宮礦煤矸石山對照或不同植被類型，其著生土壤的細菌數量均表現出明顯的季節動態，在0～30 cm土層范圍內夏季>春季>秋季。春季草本植物著生土壤細菌含量最高，與裸地相比增加了190.2%，夏季灌木表層土壤中細菌數量顯著高于其他土層，與裸地相比增加了202%。

表2 煤矸石山植被類型對土壤細菌數量的影響Table 2 Impact of vegetation types on soil bacteria in coal gangue hill

2.1.2土壤放線菌數量的季節變化動態 由表3可知，草本植物、灌木和喬木土壤中放線菌數量均顯著高于裸地，分別是裸地的2.44，2.20和1.61倍(P<0.05)。與對照相比草本植物、灌木和喬木在0～10 cm土層的放線菌數量分別增加了132%，119%和48.0%，10～20 cm分別高出103.8%，90.5%和30.7%，20～30 cm分別增加了244.0%，178.5%和140.3%，灌木和草本植物在0～30 cm土層放線菌數量最高，由上至下均表現出逐漸遞減的趨勢，喬木在0～10 cm土層放線菌數量高于10～30 cm土層，裸地土層0～20 cm土層放線菌數量顯著高于20～30 cm(P<0.05)。

土壤放線菌數量的季節變化規律與細菌不同，在0～30 cm土層范圍內表現為春季>夏季>秋季。春季草本植物和灌木著生土壤放線菌含量最高，與裸地相比分別增加了1.87倍和1.71倍，差異顯著(P<0.05)，夏季草本植物、灌木和喬木表層土壤中放線菌數量分別是裸地的3.76，3.24和2.42倍，差異顯著(P<0.05)，秋季以喬木土壤中放線菌數量最多，是裸地的3.52倍。

表3 煤矸石山植被類型對土壤放線菌數量的影響Table 3 Impact of vegetation types on soil actinomycetes in coal gangue hill

2.1.3土壤真菌數量的季節變化動態 由表4可知，草本植物、灌木和喬木3種植被類型均顯著增加了土壤中真菌的數量，增幅高于細菌和放線菌，分別是裸地的3.95，2.87，3.50倍。在0～10 cm，草本植物、灌木和喬木均顯著增加了煤矸石山土壤的真菌數量，分別是裸地的2.44，2.50和2.48倍，10～20 cm分別是裸地的3.62，3.05和3.13倍，在20～30 cm范圍內，草本植物和喬木分別是裸地的3.72和2.81倍。在0～20 cm范圍內，3類植物土壤真菌數量差異不大，均表現為表層含量最高。

土壤真菌數量的季節變化規律與細菌和放線菌不同，灌木和喬木0～30 cm土層真菌數量均值表現為秋季最高。春季草本植物、灌木和喬木著生土壤的真菌數量是裸地的5.89，2.34和4.10倍，夏季3類植物與裸地相比分別高出1.59，1.50和1.75倍，秋季分別高出2.55，2.73和2.66倍，均差異顯著(P<0.05)。

表4 煤矸石山植被類型對土壤真菌數量的影響Table 4 Effect of vegetation types on the quantity of soil fungi in coal gangue hill

2.2 土壤理化性質的季節變化動態

如圖1所示，土壤pH值表現出季節變化差異，秋季>春季>夏季，同一土層表現出裸地最高，灌木和喬木較低，同一植被土壤pH值有隨土層深度增加而增加的趨勢。秋季0～10 cm土層喬木pH值顯著小于草本植物、灌木和裸地(P<0.05)。如圖2所示，隨著土層的加深土壤有機質含量表現出降低趨勢，春季0～20 cm土層范圍內灌木顯著高于喬木和裸地(P<0.05)，3種植被類型均顯著增加了20～30 cm土壤有機質含量(P<0.05)。夏季灌木有機質在0～30 cm范圍內均顯著高于其它處理；秋季0～10 cm范圍內草本植物顯著高于裸地、喬木和灌木(P<0.05)，10～20 cm范圍內草本植物和灌木顯著高于裸地和喬木(P<0.05)。草本植物和喬木表現出秋季>春季>夏季，而灌木土壤有機質含量夏季和秋季含量較高。

裸地和草本植物速效氮含量基本上表現為表層土壤含量最高，隨著土層加深而不斷降低的趨勢。春季和秋季灌木在10～20 cm土層速效氮含量顯著高于其它處理(P<0.05)。春季和夏季裸地0～30 cm土壤速效氮含量顯著低于3種植被處理(P<0.05)。秋季0～10 cm和20～30 cm土層草本植物土壤速效氮含量高于其它處理(圖3)。春季和夏季土壤速效磷含量高于秋季。不同植被類型速效磷含量均表現出隨著土層的加深而降低的趨勢。秋季裸地0～30 cm速效磷含量均顯著低于植被處理(P<0.05)(圖4)。如圖5所示，土壤速效鉀含量夏季含量最高，表現出隨著土層的加深而遞減的趨勢。草本植物在20～30 cm速效鉀含量顯著高于裸地、灌木和喬木(P<0.05)，秋季和春季草本植物0～30 cm速效鉀總量均高于其它處理。夏季3種植被類型在0～30 cm土層均顯著增加了土壤速效鉀含量(P<0.05)。裸地0～10 cm土層速效鉀含量顯著低于其它處理(P<0.05)。

圖1 不同植被類型土壤pH值變化Fig.1 Dynamics of soil pH in different vegetation types注：圖中數據不同小寫字母表示同一季節不同植被同層之間的差異顯著(P<0.05),下同Note:The letters in the figure indicate the difference between vegetation types at the same soil layer in the same season is significantat the 0.05 level,the same as below

圖2 不同植被類型土壤有機質變化Fig.2 Dynamics of soil organic matter in different vegetation types

圖3 不同植被類型土壤速效氮變化Fig.3 Dynamics of soil available nitrogen in different vegetation types

圖4 不同植被類型土壤速效磷變化Fig.4 Dynamics of soil available phosphorus in different vegetation types

2.3 土壤理化性質對微生物影響分析

由表5可知，細菌數量與速效氮含量顯著正相關，與速效磷和速效鉀含量呈極顯著正相關(P<0.01)；放線菌與速效鉀顯著正相關(P<0.05)，而與速效磷極顯著正相關，細菌和放線菌數量均與pH呈極顯著負相關(P<0.01)；真菌與速效氮、速效鉀和有機質之間有顯著的正相關性(P<0.05)。

表5 微生物數量和土壤理化性質分析Table 5 Analysis of microbial quantity and physical and chemical properties of soil

2.4 土壤理化性質對微生物數量的逐步回歸分析

用土壤pH值、有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量作為自變量，細菌、放線菌和真菌數量分別作為因變量進行逐步回歸分析，結果顯示對于土壤細菌數量，僅土壤pH值進入回歸方程，回歸方程為：細菌數量=10 995-1 420.22×土壤pH值，在此模型中土壤pH值解釋了53.4%的細菌數量變異；對于放線菌而言，僅速效磷含量進入回歸方程，回歸方程為：放線菌數量=速效磷×18.81-47.89，土壤速效磷含量解釋了46.3%的放線菌數量變異；對于真菌，僅有機質含量進入回歸方程，回歸方程為：真菌數量=有機質×5.62 + 12.66，土壤有機質含量解釋了16.2%的真菌數量變異(表6)；土壤pH值、速效磷及有機質分別是影響土壤細菌、放線菌和真菌數量的主要因子。

表6 土壤理化性質對微生物數量的逐步回歸分析Table 6 Stepwise regression analysis of soil physical and chemical properties on microbial quantity

3 討論

土壤微生物的種類和數量易受植被類型、土壤理化性質、溫度等外界因素的影響。李君劍等[14]人研究表明煤礦區土壤降低了土壤酶活性、微生物數量和微生物碳氮含量，而植被的種植可以改變土壤養分，減少煤矸石風化物中重金屬含量[6]。本文研究煤矸石山不同季節3種植被類型對土壤細菌、放線菌和真菌微生物數量的影響。與裸地相比，草本植物、灌木和喬木均顯著增加了細菌、放線菌和真菌的數量，與李鵬飛[15]和王雅[20]的研究結論相同。本研究發現植被著生對真菌的增益高于其它2種微生物，李鵬飛等在礦區重構土壤理化性質研究中發現，草本植物、灌木和喬木均顯著增加了土壤真菌的多樣性[15]，這可能是由于大部分真菌和放線菌自養能力較強，能夠在養分貧瘠的環境中獲取養料，而細菌的生存依賴于有機物的含量。不同植被類型通過對地下積累物的影響，改變礦區土壤中的不同微生物類群，如參與氮循環的微生物類群[21]。土壤中的礦質元素循環受微生物活動所調節，微生物將有機物質形成腐殖質并釋放養分，進而轉化成微生物生物量，土壤中微生物量的增加促使養分保蓄作用增強[22]。

本研究表明，草本植物和灌木對表層土壤微生物數量的增加效果好于喬木。草本植物對0～10 cm土層的細菌數量的增加量最高，3種植被類型對放線菌數量的增加效果為：草本植物>灌木>喬木，灌木和喬木能更好的增加10～30 cm土層的細菌數量，這可能是由于草本植物根系淺，表層土壤有機質積累量高，而喬木灌木根系深，能夠增加深層土壤中的養分含量，這也體現了在煤矸石山恢復初期植被出現的先后順序為：草本植物、灌木和喬木，隨著植被多樣性的增加，土壤的改良進程向多元化、深層次發展。通過增加表層基質含水量和有機質含量，露天煤礦人工種草可以顯著增加土壤微生物的數量，種草可以使細菌和真菌數量分別增加4倍之多，草本植物在表層土壤當中對微生物數量的增益效果較好[21]。

本研究中植被著生對不同土層土壤細菌、放線菌和真菌數量增加量不同，其中20～30 cm土層細菌和放線菌的增加量要高于0～20 cm，植被著生對10～20 cm和20～30 cm土層真菌數量的增加效果要好于表層土壤。本研究中土壤有機質含量解釋了16.2%的真菌數量變異，與細菌相比，真菌生長繁殖所需營養要求低，所含碳元素比例高于細菌，植被生長產生了大量的有機質，更有利于真菌的生長。牛天心在補連塔礦采陷區調查了土壤微生物數量發現細菌占比為88.67%～97.75%，真菌最少，土壤細菌數量隨著土層加深而降低[23]。

土壤微生物群落結構與活力因季節更替引起的變化，比因施肥和土地利用方式引起的變化大[24-25]。本研究中3種微生物數量表現出了不同的季節規律，春季草本植物和喬木顯著增加了土壤細菌含量，草本植物和灌木在春夏季對土壤放線菌數量增加效果好，秋季灌木和喬木顯著增加了放線菌數量，3種植被類型在3個季節均增加了土壤的真菌數量。本研究發現低溫對細菌和放線菌的數量影響較大，而對真菌數量影響較小，這可能是由于真菌適溫偏低，對重金屬元素的耐受性和富集性較強[26]。有研究發現9月份土壤細菌和放線菌數量顯著高于5月，而真菌數量沒有明顯的變化規律，與本試驗研究結果不同[23]。

有研究發現在煤礦地有機質、速效磷、速效鉀含量均隨土層深度的增加而降低，而土壤含水量和pH值則隨土層深度的增加而增加，與本研究結果一致[23]。本研究中春夏季灌木顯著增加了土壤0～30 cm范圍內有機質含量，秋季灌木和草本植物在0～20 cm土層內顯著增加了有機質含量。李鵬飛等[15]研究發現3種植被類型改善了土壤有機質、氮、磷含量、酶活性和含水量，其中灌木的增加效果要好于另外2種植被類型。孫夢媛等[27]在生態恢復研究中發現喬木、灌木與草本植物相組合可增加土壤養分含量和微生物數量。不同植被類型根際的有機物的積累量和吸收轉化率不同，導致土壤養分含量的改變，進而影響土壤中微生物含量[21]，有研究發現與草本植物相比，喬木和灌木根系可達到較深的層次，并且在矸石基質中穿透作用力強，對矸石山土壤理化性狀均有較好的改良效果，其中喬木對土壤有機質的積累作用效果更好[8,28-29]。也有研究發現草地對尾礦土壤理化性質綜合改良效果要好于喬木和灌木，不同植被類型對土壤養分含量有顯著性影響[22]。

4 結論

植被通過增加土壤中有機質和速效養分含量，增加了煤矸石山3類微生物的數量，對真菌數量的增加量要高于細菌和放線菌，植被著生對10～30 cm土層真菌數量的增加效果要好于表層土壤，3種微生物數量表現出了不同的季節變化規律。3種植被類型均增加了土壤有機質、速效氮和速效鉀的含量，降低了土壤pH值。春夏季灌木顯著增加了土壤有機質含量，秋季灌木和草本植物在0～20 cm土層內顯著增加了有機質含量。春季和秋季草本植物速效磷總量均高于其它處理。速效磷、速效鉀和pH值與細菌有極顯著相關性，放線菌與速效磷、pH值之間有極顯著的相關性。