不同复垦年限煤矸山土壤微生物功能菌变化及其影响因素

张小玲, 于亚军

(山西师范大学 地理科学学院, 山西 临汾 041000)

土壤微生物功能菌是指执行同一种功能的相同或不同形态的土壤微生物[1]，能迅速对土壤微环境的变化做出反应，可较早地指示土壤生态系统功能的变化，反映出土壤质量和健康状况[2]。土壤微生物功能菌可为土壤性质的变化趋势提供可靠的依据，是土壤环境质量评价的重要生物学指标[3]。煤矸山是煤矸石堆存形成的，其大量堆存不仅破坏和占用土地，而且可能引发生态环境问题[4]。所以，对煤矸山进行复垦治理是改善矿区生态环境的有效途径[5]。目前，采用推平覆土造地后进行植被绿化是我国北方地区对早期形成的煤矸山复垦治理的主要方式[6]。但是煤矸山推平覆土时通过碾压、铲平等工程技术措施形成的“重构土壤”改变了土壤的水、肥、气、热等特性[7]，并可能受到底层煤矸石中重金属污染的胁迫，使土壤微生物功能菌数量变化，从而影响土壤中营养物质循环和肥力释放，造成复垦重构土壤质量状况较差。当前，已有利用微生物活性反映矿区破坏土壤质量演变状况的相关研究报道[8-9]。但利用土壤微生物功能菌揭示煤矸山复垦重构土壤质量演化状况的研究报道并不多见。因此，研究不同复垦年限煤矸山土壤微生物功能菌变化特征及其与土壤理化性质之间的关系，可以揭示不同复垦年限煤矸山土壤质量的变化情况及其主要的驱动因子，有助于指导煤矸山“因时制宜”的开展植被复垦。本文以山西省霍州曹村煤矿3种年限煤矸山复垦地为研究对象，分析不同复垦年限土壤性质和微生物功能菌数量的差异，揭示土壤理化性质对微生物功能菌数量的影响，以期为煤矸山植被复垦工作提供理论指导，也可为煤矸山复垦地土壤质量的评价提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省霍州市曹村矿区，本区属温带大陆性气候，年均气温12.2℃，年均降雨量353～688 mm，降水年内分配不匀，主要集中在7，8，9月共3个月，年日照时数2 265.1 h，全年无霜期170～230 d。研究样区位于该矿南下庄矸石山(36°30′47.9″N,111°42′10.6″E)，海拔(561±4) m，地貌为低山丘陵，土壤类型为褐土。该矸石山复垦时矸石堆存量约为200万t，占地约1.6万m2，垂直高度约50 m。矸石山于2008年、2010年和2012年分别对东面、南面和西面山头进行推平覆土(覆土土壤均取自煤矸山附近，覆土厚度为100～120 cm)。覆土造地后分别栽植桃树(Prunuspersica)、石榴树(PunicagranatumL.)和枣树(ZiziphusjujubaMill.)，株行距均约为2 m×3 m，由此形成3种复垦年限的果园。复垦后，果园水肥管理措施与当地普通果园一致，在每年初春施用牛、羊粪等有机肥，施肥量均约为600 kg/hm2，果园每年初春和入冬时各浇水1次，浇水量均约为5 000 m3/hm2。

2 材料与方法

2.1 土样采集

以年限为4 a(R4a)，6 a(R6a)和8 a(R8a)的复垦地为研究样地，以煤矸山附近原地貌普通果园为对照(CK)，采样时间为2016年10月，采样时为了尽量消除覆土作业时造成的土壤空间异质性，每个样地随机选取3 个样方(10 m×10 m)，各样方内用S型在距果树基部1～2 m取5点，由此形成3个重复样。采样土层为0—10 cm和10—20 cm，用土钻(直径5 cm)取样。样品分3部分，一份装入铝盒带回实验室测定含水量，另外两份装入无菌密封袋带回实验室，一份新鲜土样过2 mm筛后测定土壤微生物功能菌数量，另一份自然风干过筛后测定土壤理化性质。

2.2 土样分析与处理

土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法；土壤含水量测定用烘干法(105℃，8 h)；土壤pH值测定采用电位法(水∶土为5∶1)；土壤碱解氮含量的测定采用NaOH—H3BO3法；有效磷采用碳酸氢纳浸提—钼锑抗比色法；速效钾用醋酸铵—火焰光度计法；土壤微生物好氧固氮菌、氨化细菌、纤维素分解菌和有机磷细菌测定用最大或然数法(MPN)，无机磷细菌测定用稀释涂布平板法。

利用Excel 2010对数据进行整理，用SPSS 17.0统计软件进行单因素方差分析(Duncan多重比较)、简单相关分析(Pearson检验法)和主成分分析，制图采用Origin 8.6软件。

3 结果与分析

3.1 3种复垦年限样地土壤理化性质的差异

表1是R4a，R6a和R8a和CK样地土壤理化性质差异情况。可见，在0—10 cm土层，随复垦年限的增加，土壤pH值无差异，含水量、有机质、碱解氮、有效磷含量均明显增加，但速效钾含量下降。在10—20 cm土层，土壤性质变化趋势与0—10 cm相似，也表现为土壤pH值无差异，含水量、有机质、碱解氮和有效磷含量随复垦年限增加呈增加趋势，速效钾呈降低趋势。此外，与CK相比，3种复垦年限样地0—10 cm土层土壤含水量、有机质、碱解氮、有效磷含量均明显偏低，在10—20 cm土层，土壤有机质和有效磷含量明显偏低，而在两土层中pH值均偏高。

3.2 3种复垦年限样地土壤微生物功能菌总量的差异

图1A是R4a，R6a，R8a和CK样地土壤微生物功能菌总量的差异(因无机磷细菌与其他菌群计数单位不同，所以此处仅统计除无机磷细菌外的其他功能菌)。从中可见，在0—10 cm土层，与R4a相比，R6a，R8a样地土壤微生物功能菌的总量明显增加。在10—20 cm土层，R6a样地与R4a样地相比，微生物功能菌总量明显增加，但R8a与R6a相比无明显差异。同时3种复垦年限样地0—10，10—20 cm土层微生物功能菌总量均低于CK样地。

表1 3种复垦样地和CK样地土壤理化性质

注：同一土层后不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。

3.3 3种复垦年限样地各土壤功能菌数量变化特征

图1B—1F分别是R4a，R6a，R8a和CK样地土壤微生物好氧固氮菌、氨化细菌、纤维素分解菌、有机磷细菌、无机磷细菌数量的变化。在0—10 cm土层，5种土壤微生物功能菌变化趋势不同。好氧固氮菌、氨化细菌、有机磷细菌和无机磷细菌含量均随复垦年限的增加而增加。其中，好氧固氮菌和氨化细菌增幅最明显。而纤维素分解菌数量在R6a样地中增加，但在R8a样地中降低。在10—20 cm土层中，土壤微生物功能菌的变化趋势与0—10 cm土层一致，也表现为好氧固氮菌、氨化细菌、有机磷细菌和无机磷细菌含量随复垦年限的增加而增加，但纤维素分解菌数量呈先增后减的趋势。同时，与CK相比，3种复垦样地除有机磷菌在0—10 cm土层无显著差异外，其余功能菌数量在0—10，10—20 cm土层均明显偏低。

图13种复垦样地和CK样地土壤微生物功能菌群总量及各功能菌群量

3.4 3种复垦年限样地土壤微生物功能菌数量与土壤理化性质之间的关系

3.4.1 土壤微生物功能菌与土壤理化性质的相关分析 表2是3种复垦样地土壤微生物功能菌数量与土壤理化性质关系。从中可见，好氧固氮菌数量与土壤含水量和土壤有机质呈正相关，氨化细菌数量与土壤有机质和有效磷呈正相关，但与pH值呈负相关；纤维素分解菌数量与有机质含量呈正相关，和pH值呈负相关；有机磷细菌与有效磷含量呈正相关。无机磷细菌与土壤含水量、土壤有机质呈正相关。此外，从各功能菌受土壤理化性质影响程度的差异来看，氨化细菌和纤维素分解菌数量与土壤理化性质因子相关系数的绝对值之和(∑r)最大，表明其受土壤理化性质的影响最大。

3.4.2 土壤理化性质的主成分分析 表3是3种复垦样地土壤理化性质主成分分析的结果。从中可见，由6个土壤理化性质指标所表征的影响因子的主成分1与主成分2的累积方差贡献率达到87.2%，可以用来反映煤矸山土壤微生物功能菌系统内的变异情况。从贡献率和特征值来看，各主成分评价煤矸山土壤微生物功能菌的影响力依次为主成分1(PC1)>主成分2(PC2)。由第一、二主成分的系数来看，第一主成分主要由有效磷、碱解氮、含水量、pH值、有机质决定。有效磷是影响第一主成分的主要因子。第二主成分由速效钾决定其大小。

表2 3种复垦年限样地土壤微生物功能菌数量与土壤性质的相关系数

注：自由度为22，*表示在p<0.05水平显著，**表示p<0.01水平显著，∑r为对应列相关系数绝对值之和。

表3 3种样地土壤理化性质的主成分分析结果

4 讨 论

研究表明，土壤微生物功能菌在土壤形成及养分供给中起重要作用，可用来判断土壤的熟化程度[10]。本研究中，3种复垦年限样地土壤微生物功能菌总量随复垦年限增加呈增加趋势，表明煤矸山植被复垦有效地改善了土壤微生物的生长环境，促进了功能菌数量的增加。同时，3种复垦样地土壤理化性质的主成分分析结果表明，含水量、有机质、碱解氮和有效磷是影响微生物功能菌数量的重要因子。同时，3种样地土壤性质的差异也显示随着复垦年限的增加土壤水肥状况明显变优，如与R4a样地相比，R6a样地0—10 cm土层含水量、有机质、碱解氮和有效磷分别增加76.5%，34.7%，133.6%和18.3%，R8a样地相比R6a样地分别增加24.1%，116.6%，0.5%和132.6%。由此可见，煤矸山植被复垦后，随着施肥、浇水等田间管理措施的实施，复垦果园土壤氮、磷等养分含量增加，土壤贮水能力也提高，微生物生存环境有了明显改善，使土壤微生物功能菌数量明显增加。同时，研究发现，纤维素分解菌数量与其他功能菌数量变化不同，表现为先上升后下降，造成这种现象的原因可能在于，随复垦年限增加，土壤熟化程度不断提高，因而土壤中纤维素类物质在R6a样地含量增加，但R8a样地相对有所降低，造成纤维素分解菌数量也有所下降，这在其他研究中也有类似发现[11]。此外，研究也发现，虽然煤矸山复垦土壤功能菌数量随复垦年限的增加明显增加，但即使在最大复垦年限R8a样地中，土壤微生物功能菌数量仍低于当地普通果园(CK)，这说明在最大年限8 a内，煤矸山复垦土壤质量仍未达到与当地普通果园相当的水平。

5 结 论

(1) 随着复垦年限的增加，3种复垦年限样地0—10 cm和10—20 cm土层均表现为土壤含水量、有机质、碱解氮、有效磷含量增加，速效钾含量降低。与CK相比，3种复垦年限样地0—10 cm土层土壤含水量、有机质、碱解氮、有效磷含量均明显偏低，在10—20 cm土层，土壤有机质和有效磷含量明显偏低。

(2) 3种复垦样地土壤微生物功能菌总量随复垦年限的增加呈增加趋势，但仍低于原地貌普通果园(CK)；3种复垦年限土壤各类微生物功能菌数量的差异表现为：好氧固氮菌、氨化细菌、有机磷细菌、无机磷细菌数量随复垦年限的增加而增加，而纤维素分解菌数量呈先增后减的趋势。

(3) 3种复垦样地土壤功能菌数量与土壤性质间的相关分析表明，氨化细菌和好氧纤维素分解菌受土壤理化性质的影响最大；主成分分析结果表明，有效磷、碱解氮、含水量是影响土壤微生物功能菌数量的主要因子。

参考文献:

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