矿区复垦与微生物生态恢复研究

宋莉 武晓燕 秦洁

摘要：矿区是当今陆地生态系统破坏和退化最严重的区域之一，矿区复垦与生态恢复已成为国内外备受关注的研究领域。以往矿区生态恢复的研究主要集中于地上部分植被的恢复，而忽视了地下土壤微生物生态系统的重建。本文通过对矿区土壤微生物的生态特征、生态功能及其稳定性恢复的分析和研究，以期为矿区复垦和微生物生态恢复提供理论依据和借鉴意义。

关键词：矿区;土壤微生物;生态恢复;植物恢复

1前言

矿区复垦是针对采矿活动造成的土地破坏而进行的一系列治理措施，通过恢复和重建矿区土壤的生态稳定性，使其达到可供利用的状态，从而提高土地资源利用率，促进生态良性循环。土壤微生物数量庞大、生物多样性丰富、生态功能活跃，对于维持土壤生态系统的可持续性非常重要。因此，在恢复一个受损矿区土壤生态系统时，不仅要恢复地上部分的植被，还要恢复地下部分土壤微生物群落，重建矿区微生物生态系统。

2矿区土壤微生物生态特征

2.1矿区土壤微生物量和区系结构

土壤微生物量是指土壤中体积小于5×10-3µm3的活的微生物总量，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分。土壤微生物量是土壤养分的储备库，是评价土壤质量和土壤恢复性能的重要依据之一。张彦等研究发现，随着重金属污染程度的加剧，土壤微生物量碳含量呈下降的趋势。可能的原因如下：一、重金属对细胞的结构和功能有破坏作用，高含量的重金属会抑制细胞的活性，加速细胞死亡，从而降低微生物量;二、在土壤环境受重金属污染严重时，土壤微生物需要过度消耗能量以抵御重金属的胁迫，因此抑制了其生物量的增加。

微生物主要包括细菌、真菌和放线菌这三大类。龙健等通过对浙江哩浦铜矿废弃地土壤微生物区系的分析发现，与非矿区对照土壤相比，矿区废弃地不同污染程度的土壤微生物总数下降了68.43%～80.32%，其中细菌、放线菌数量分别下降了71.49%～82.50%、15.14%～42.99%，真菌数量的变幅较小，表明细菌对重金属污染的反应最为敏感，其次是放线菌，而真菌对环境的适应性和抗逆性较强[5]。

2.2矿区土壤微生物群落功能多样性

土壤微生物群落功能多样性可以反映微生物的代谢功能和群落结构差异，从而反映出土壤中养分的循环转化过程。基于微生物利用碳源能力的不同，Biolog生态盘分析法已被广泛应用到土壤微生物群落功能多样性的研究中。该方法重复性强、灵敏度高、分辨力强，且无需分离培养纯种微生物，是土壤微生物群落结构测定的一种快速、可靠的方法。

滕应等的研究结果显示，侵蚀土壤微生物群落代谢剖面及群落丰富度、Shannon指数均显著低于无明显侵蚀土壤，表明矿区水土流失减少了能利用有关碳源的微生物数量，降低了微生物对单一碳源的利用能力，导致土壤微生物群落功能多样性下降。李江等利用biolog技术分析不同复垦时期土壤微生物群落功能多样性，发现土壤复垦可明显改善土壤微生物活性及分布均匀性，提高群落丰富度和常见菌种种群，使受损土壤恢复到正常水平。

2.3矿区土壤微生物活性

土壤微生物活性与土壤酶活性密切相关。土壤酶活性的高低可较敏感地反映土壤中各种养分的转化强度和方向，是矿区污染生态效应的重要指示。张涪平等的研究表明，随着藏中矿区土壤重金属污染的加剧，土壤酶活性逐渐降低，这可能与重金属对酶产生的抑制作用有关。李智兰通过对安徽庐江钒矿区复垦土壤的研究发现，随着复垦年限的增加，土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶、碱性磷酸酶活性均有所增加，说明矿区复垦能够改善土壤质量和土壤肥力。

除此之外，微生物的代谢熵（qCO2）也是微生物活性的反映指标之一。代谢熵是一定时期土壤基础呼吸与微生物量碳的比值，用来表征单位生物量的微生物在单位时间里的呼吸强度。qCO2通常随着土壤环境污染程度的增加而上升，表明在环境胁迫下，微生物维持生存需要消耗更多有机碳作为能量，并以CO2的形式释放。张涪平等的研究证实了这一点，随着藏中矿区土壤重金属含量的增加，土壤基础呼吸和qCO2显著增加，土壤重金属含量与土壤基础呼吸和qCO2均呈显著线性正相关。

3矿区土壤微生物生态恢复

3.1矿区土壤微生物生态功能

土壤微生物是复杂的土壤生态系统中极其重要的组成部分，在土壤演化过程特别是有机质和氮、磷、钾等养分元素的转化和循环过程中发挥着关键作用。土壤微生物在土壤生态系统中承担着多重身份，作为生产者能够利用太阳能或化学能合成自身生命活动所需的能量，例如光合细菌、硝化细菌等;同时，土壤微生物又作为消费者和分解者，通过分解土壤中的有机质获取能量并释放营养元素，加速有机质中养分的循环和利用。

土壤作为土壤微生物直接生存和作用的场所，其结构的好坏、理化性质的优劣和环境的变化，都会影响到土壤微生物的活性、数量、分布和多样性，从而影响到土壤微生物的群落结构和生态功能。矿区微生物生态恢复就是通过采取各种措施使受损矿区微生物生态系统的结构和功能恢复到受损前的稳定状態。微生物生态恢复是矿区生态重建中至关重要的一环，对整个矿区的生态系统恢复有着重要意义。

3.2植物对矿区土壤微生物生态的恢复

在对矿区土壤微生物生态进行恢复时，选择种植抗逆性强、生长周期短、生物量大、改土效果好等生态功能明显的植物种类是恢复矿区土壤微生物生态的重要途径。目前已有众多研究者研究了植物种植对土壤微生物的影响，张变华等通过对比玉米、大豆、毛苕子、苜蓿及自然恢复5种种植处理得出，种植豆科植物毛苕子后土壤微生物的种类和数量高于其他处理，且微生物活性最强，说明种植毛苕子有利于矿区复垦土壤中微生物多样性的增加，可以作为矿区复垦的先锋植物。

同样，不同种植方式也会对土壤微生物产生显著影响。章家恩等研究发现，玉米/花生间作与单作相比能显著提高玉米和花生根区的土壤微生物数量，并在一定程度上提高土壤微生物群落结构多样性和代谢活性。这种现象可能由于间作作物的根系叠加交错相互作用，且根系分泌物旺盛丰富，有利于土壤微生物的生长繁殖，进而促进了土壤养分的转化和提高。由于矿区具有地域性、多样性、复杂性的特点，在实际应用中具体选择哪一种植物或哪一种种植方式进行恢复，均有待进一步地研究和完善。

3.3菌剂对矿区土壤微生物生态的恢复

菌剂恢复即利用微生物的接种优势，向土壤中接种功能性微生物，使得失去微生物活性的矿区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系，增加土壤微生物活性和多样性，加快矿区土壤复垦进程。李江通过研究生物菌肥对矿区复垦土壤微生物群落和功能多样性的影响指出，在土壤基质中接种AM真菌，会使微生物数量明显增加，微生物活性和多样性明显改善，并恢复至正常水平，说明接种AM真菌能够改善矿区土壤微生物生态环境。常勃研究了不同的微生物菌剂对矿区土壤微生物数量、酶活性和养分含量的影响，结果表明施用微生物菌剂使得微生物总量提高了2.3%-66.4%，且土壤中脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性也明显提高，其中对磷酸酶活性的影响最为显著。可能原因是微生物菌剂的添加，使得土壤中活性微生物数量增加，同时有益微生物大量繁殖，抑制了有害菌的生长，促进了各种酶的分泌，进而增强了土壤酶活性。

4结论及展望

土壤微生物对于土壤生态系统的稳定及其生态功能的发挥至关重要，因此，矿区复垦不能仅仅局限于地上植被的恢复，还要重视地下生态系统的恢复，实现矿区土壤微生物生态与地上植被之间的良性互动，促进地下和地上生态系统的恢复和协调发展。目前我们对于土壤微生物的研究相对较少，今后应加大对矿区土壤微生物的研究力度，全面剖析其生态功能，为制定更加全面科学的矿区土地复垦方式及复垦效果评价指标体系提供一定的借鉴。