微生物复垦技术在矿区生态重建中的应用

常 勃，李建华，卢朝东，靳东升，张 强，郜春花，武文丽

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030006）

我国是世界上开发利用矿产资源历史最为悠久的国家之一。我国矿业的发展为5 000 a 来中华民族的生存发展和中华文明的延续与发扬建立了不可磨灭的历史功勋，为中华人民共和国成立60 a 来的经济建设、社会发展和人民生活水平的提高作出了巨大贡献。然而，矿业为我国国民经济建设作出重大贡献的同时，也对矿区生态环境造成了不利的影响。为了在开发矿产资源的同时最大限度地减少对土地的占用，并且增加可利用土地，进行矿区复垦土壤的改良非常必要。土壤微生物是土壤的重要组成部分，是反映土壤性质和土壤熟化程度的重要标志，且与土壤中的物质转化、植被的生长和繁育密切相关[1]。

因此，采用微生物技术改良矿区复垦土壤，在发展矿业经济的同时，可保护生态环境，实现可持续发展，是一项有战略意义和现实意义的研究内容。

1 微生物复垦技术概述

微生物复垦技术是利用微生物的接种优势，对复垦区土壤进行综合治理与改良的一项生物技术措施。该技术是借助向新建植的植物接种微生物，在改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时，利用植物根际微生物的生命活动，使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系，增加土壤生物，加速复垦土壤的基质改良以及自然土壤向农业土壤的转化过程，使生土熟化，提高土壤肥力，从而缩短复垦周期[2]。

微生物复垦技术是目前国内外矿区复垦技术的主要研究方向，该技术在国外受到较大关注并有较快发展，特别是微生物肥料已在复垦土壤培肥中得到工业化应用，包括固氮菌、磷细菌、钾细菌肥料及复合菌肥技术等。近年来，菌根技术已成为矿区土壤培肥的研究重点，并已取得较好的效果。我国在微生物复垦技术方面的研究发展也较快，特别是微生物肥料已经取得了明显的应用效果，其在提高矿山复垦地生产力和矿土培肥方面效果突出。

2 微生物复垦技术在矿区土壤中的应用研究

2.1 微生物技术对矿区复垦土壤肥力和土壤结构的改变

新复垦土地中，耕作层土壤大多是未经过生物作用和腐殖化过程的自然土，即使剥离土壤中有极少数的腐殖土，也由于机械化剥离作业而严重破坏了微生物生存和繁衍的条件[3]，土壤有机质含量少，较为贫瘠，pH 值较高，对植物的生长不利。养分含量低是复垦土壤上植物不能正常生长的关键限制因子，而许多土壤微生物具有活化土壤潜在养分、增加土壤养分有效性的特性。

磷元素是矿区复垦土壤最主要的限制因子。但是土壤中的磷绝大部分为植物不能直接吸收的有机和无机磷。使用磷肥虽可满足植物对磷的需要，但利用率较低，而解磷微生物最重要的作用就是溶解土壤中的难溶性或不溶性磷素[4]。Richards[5]认为，在植物生长过程中磷元素供应不足时，将会导致幼苗生长不良而死亡。张文敏等[6]通过盆栽试验证明，微生物菌剂具有改善植物磷营养状况的能力。

Harris[7]研究还指出，在煤矿废弃地上自然发生的豆科植物虽然种类较多，但是由于它们不是该植被中的主体，或者由于煤矿废弃地中严重缺磷而使固氮效率很低，因而它们对废弃地氮素的积累所起的作用不大。因此，初始种植各种豆科植物时，必须用人工接种的办法弥补土壤中自然根瘤菌的不足。经过人工选育的优势菌株，其侵染力强，固氮活性高，用其制成菌剂作人工接种，对新复垦地初期种植的豆科植物来说，可以增加侵染，帮助豆科作物有效利用大气中的氮素，迅速培肥复垦贫瘠土壤，是一种经济有效的土壤培肥技术措施。

李建华等[8]研究表明，双接种菌根真菌和根瘤菌能活化土壤，显著增加土壤可供植株利用的有效态氮、磷的含量。许剑敏[9]采用室内盆栽模拟试验，通过研究1，2，3 a 矿区复垦土壤中全磷、速效磷、有机质变化，发现加入生物菌肥后，不同年限复垦土壤中全磷、速效磷、有机质明显增加，并且随着复垦年限的增加，土壤肥力增加。

复垦土壤是经过机械扰动后重新构建的土壤结构，它不仅贫瘠而且土壤结构不良，压实比较严重。微生物能够分泌出一些多糖类物质，黏结分散的土粒，维持土壤的稳定性，改善土壤的团粒结构，利于植物的定植和对养分的吸收。Tisdall 等[10]研究表明，菌根有助于土壤大团聚体的形成，真菌产生的多糖类物质有可能具有增加矿物强度和保持水分的能力，因此认为，菌根具有维持土壤稳定性和改善土壤结构的作用。Miller[11]发现，在菌根植物生长的土壤中，土壤水稳定团聚体、土壤总孔隙度和土壤渗透势都比无菌根植物的土壤状况好。还有研究发现，施用生物菌肥能改善土壤的团粒结构，能迅速熟化土壤、固定空气中的氮素、参与养分的转化、促进作物对养分的吸收、分泌激素刺激作物根系发育、抑制有害微生物的活动等。

2.2 微生物技术对矿区复垦土壤微生物活性的改变

矿区土壤在复垦过程中伴随有多种废弃物，会抑制土壤微生物的活动，而且矿区复垦土壤中也缺少熟化土，其微生物活性微乎其微，必须通过人为创造有助于植被生长的环境来进行矿区生态恢复，包括恢复土壤层和植被等[12]。

土壤酶是土壤中的生物催化剂，具有加速土壤生化反应速率的功能。土壤中的一切生化过程，包括动植物和微生物残体的分解及其合成有机化合物的水解与转化，腐殖物质的合成与分解以及某些无机物的氧化与还原，都是在土壤酶的参与下进行和完成的。土壤中酶活性的高低和微生物数量的多少可以代表土壤中物质代谢的旺盛程度，在一定程度上反映作物对氮素的吸收利用与生长发育状况等，是土壤肥力的一个重要指标。提高土壤酶和土壤微生物活性，有助于恢复土壤微生物生态群落，重建土壤微生物生态系统，能够促进植物生长，防治和减轻病虫危害，增加作物产量。李江[13]研究发现，向复垦土壤中接种丛枝菌根真菌可显著提高土壤微生物活性和群落功能多样性。李金岚等[14]通过向采煤沉陷区复垦土壤中施加微生物菌肥，结果表明，随着生物菌肥施入量的增加，土壤过氧化氢酶活性逐渐增强；施加适当量时，土壤蔗糖酶活性和脲酶活性逐渐增强。

2.3 丛枝菌根技术在矿区土壤复垦中的应用

丛枝菌根是一种内生菌根真菌，能在植物根细胞内产生“泡囊”和“丛枝”2 大典型结构，名为泡囊—丛枝菌根。由于部分真菌不在根内产生泡囊，但都形成丛枝，故简称丛枝菌根（AM）[15]。陆地90%以上的有花植物都能够与它形成菌根共生体[16]。丛枝菌根能维持土壤的稳定性，并起到改善土壤结构，扩大植物根吸收面积，促进植物根生长的作用；能促进植物吸收利用矿质养分和水分；强化植物对各种形态磷、钙和一些微量元素的吸收；菌根在干旱条件下能增加植物对水分的吸收，而且还可以调节过剩水分，提高植物抗旱和抗涝能力；可以增强植物对高温及低温的抵抗能力；能在其周围形成无害的微生物相，使植物增加抗病能力[17]。

矿区复垦土壤经过机械对土层的剥离，扰动了土壤结构，微生物群减少，同时也破坏了地下菌丝桥，使复垦工作难以顺利进行[18]。张文敏等[6]在矿山复垦试验中发现，当大量丛枝菌根形成以后，可以加速土壤培肥，有效改良复垦土壤基质。郁纪东[19]在煤矸石、粉煤灰培植条件下，对刺槐、苜蓿、高羊茅分别接种从枝菌根真菌，结果表明，菌根能有效促进植物生长。毕银丽等[20]在煤矸石山上接种丛枝菌根发现，接种菌根对宿主白蜡的侵染率高，菌根真菌与当地先锋植物的亲和程度较高；接种菌根能促进植株生长，增加植被的盖度和物种的丰度；接种菌根真菌后，植株根系发育良好，菌丝总长度较长，扩大了根系的作用范围，植株的成活率提高，在自然生态系统中接种菌根真菌具有抵抗干旱等不良环境的能力，有利于生态系统的恢复与稳定。大量研究表明，将丛枝菌根接种到复垦土壤中，可改善其微环境，降低土壤pH 值，增加植物对土壤有效养分的利用，是一种很好的微生物复垦措施。

另外，生物菌肥可以通过提高土壤供肥能力，增强根系活力，改善植物营养，刺激植株生长，增加叶绿素含量和叶面积，减少呼吸作用，最终使作物获得增产。栗丽等[21]研究表明，添加微生物菌肥可以提高油菜产量，同时改善了油菜的品质。微生物还可以通过多种直接或间接作用影响环境中重金属的活性。如微生物可以通过电性吸附和专性吸附直接将重金属离子富集于细胞表面，降低重金属在环境中的生物有效性；微生物的氧化还原作用可以改变变价重金属离子的价态，降低重金属在环境中的毒性[22]。

3 微生物复垦技术在矿区生态重建中应用的发展前景及对策

微生物复垦技术是目前国内外治理煤矿污染的新方法，其应用于煤矿废弃地的修复，具有成本低、适用性强、无二次污染等特点，具有良好的发展前景。但目前我国的微生物复垦技术在应用中仍存在一定的问题，需要我们进一步努力。

3.1 专门立法，完善相关的法律法规

我国土地资源丰富，但人均量较少。为了顺应经济的快速发展，大量地开采矿产资源，造成了环境的污染和土地的破坏，使土地复垦旧账未还，新账又欠，土地复垦速度远远赶不上破坏速度。虽然我国已经制定了很多关于土地复垦方面的法律，但还不够健全，规定也比较笼统，操作性不强，政府监管力度也不够。因此，必须在修订完善现有政策法规的基础上，制定一套行之有效的法律措施来监督和管理我国的矿区复垦工作。

3.2 加强监督力度，强化宣传培训工作

虽然一些地方官员已经意识到矿区复垦的重要性和采矿业对土地资源的严重破坏，但在处理政绩观和科学发展观的时候，往往更关心眼前利益，对企业的监督和管理不到位。一些矿山企业缺乏土地复垦责任意识，为追求利润最大化，不愿主动开展复垦工作。因此，需要加强监督力度，对矿区进行经常性的检查、指导和督促，对不合格的矿山企业追究其法律责任。相关部门需要对各级人员开展政策、法律、法规和技术培训，并推广微生物复垦技术。还应该在公众范围内大量普及矿业土地复垦的重要性及培养公众参与矿业土地复垦意识，让公众积极参与矿业土地复垦活动，并鼓励社会资金参与到土地复垦中来。

3.3 加大科研力度

我国对微生物复垦技术的科研投入还很小，多数仅限于实验室范围。微生物的专一性较强，其活性受外界因素的影响较大，这制约着微生物复垦技术的发展。而丛枝菌根真菌与寄主植物的专一性不强，一种菌根真菌能够同时与多种植物建立共生关系，有利于提高生态系统中自然资源的利用，加速养分的循环，提高养分利用率，对于植物群落的稳定和演化发挥着重要作用。因此，可以筛选矿区土著菌种，与内生菌根和其他优势菌种复配，构建适合当地矿区土壤的耐贫瘠、抗逆性强的多功能菌株。

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