微生物對礦山復墾地土壤基質(zhì)的改良作用

杜慧平，劉利軍，閆雙堆

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學院，山西太原030006；2.山西省環(huán)境科學研究所，山西太原030027；3.山西農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山西太谷030801）

礦山開采造成大規(guī)模的土地破壞，在中國乃至世界，都是一個十分嚴重且日益受到高度重視的問題，我國礦區(qū)破壞土地面積累計已達2.88萬km2，并且每年以大約467 km2的速度增長。山西是我國的能源重化工基地，因采煤、采石、采礦、挖沙、取土以及堆放工業(yè)廢棄物已造成0.27萬km2的廢棄地，大約近0.13萬km2的耕地已被挖損、塌陷、壓占[1-2]，這些廢棄地目前大部分荒蕪不能利用，已對當?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會穩(wěn)定造成巨大威脅。在礦山廢棄地生態(tài)恢復中，土壤基質(zhì)改良是首先要解決的問題，也是核心問題。

微生物是土壤的重要組成部分，它的種類、組成、數(shù)量及其演替是反映土壤性質(zhì)和土壤熟化程度的重要標志[3]。土壤微生物是穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)、監(jiān)測土壤質(zhì)量變化的敏感指標[4-5]。因此，對礦區(qū)的廢棄地進行復墾離不開微生物的參與，有益微生物可通過多方面的作用加速復墾進程，促進植物生長發(fā)育。我國的土地復墾工作起步較晚，新技術和理論研究相對較少。

本文著重介紹微生物在礦山復墾土地基質(zhì)改良過程中的作用及其效果。

1 礦業(yè)廢棄地及土地復墾的特點及方法

1.1 礦業(yè)廢棄地的特點

礦業(yè)廢棄地是指在采礦活動中被破壞的、未經(jīng)治理而無法使用的土地[6]。礦業(yè)廢棄地主要包括廢石堆廢棄地、塌陷和礦坑廢棄地、尾礦廢棄地、交通和建筑廢棄地。其共同特征為：表土層破壞，缺乏植物能夠自然生根和伸展的介質(zhì)；物理結(jié)構不良、持水保肥能力差；極端貧瘠，缺乏植物生長所需的基本營養(yǎng)物質(zhì)；重金屬含量過高、極端pH值、干旱或生理干旱等限制了植物生長的基質(zhì)環(huán)境。

1.2 礦業(yè)廢棄地復墾基質(zhì)改良的共同目標

土地復墾的目的是恢復土地的生產(chǎn)力和經(jīng)濟利用價值，是生態(tài)重建的前期工程，其最終目標是生態(tài)重建。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心和植物生長的介質(zhì)，在礦山廢棄地生態(tài)恢復中，土壤基質(zhì)改良是首先需要解決的問題。土壤基質(zhì)改良的方法很多，但都必須實現(xiàn)以下基本目標：營造適合植物生長的介質(zhì)；去除基質(zhì)中的有毒有害物質(zhì)；改善介質(zhì)（土壤基質(zhì)）的物理結(jié)構；改善土壤基質(zhì)的水分、養(yǎng)分狀況。

1.3 土壤基質(zhì)改良的方法

土壤基質(zhì)改良的方法有物理改良法、化學改良法、生物改良法。

物理改良的方法主要有表土保護利用法、客土覆蓋法、施用有機物法，是保持、改良、利用表層土壤的物理性狀；化學改良的方法主要有酸堿中和法、離子拮抗法、施肥法，是通過向土壤中添加一定的化學物質(zhì)，以調(diào)節(jié)土壤pH值、固定有毒離子、增加營養(yǎng)物質(zhì)來改善土壤化學組成；生物改良的方法主要有微生物改良法、植物改良法、土壤動物改良法、植物-微生物及動物聯(lián)合改良法，是利用微生物、植物、土壤動物的生命代謝活動，降低有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害化，從而使受污染的土壤環(huán)境能夠部分或完全地恢復到原始狀態(tài)的過程[7]。

2 微生物在礦山復墾地土壤基質(zhì)改良中的重要作用

土壤微生物是指在土壤中生活著的種類繁多的微生物，如細菌、放線菌、真菌、土壤藻類和微小動物等，超過10萬余種，每克土壤的微生物數(shù)以億計，在土壤中組成一個復雜的食物網(wǎng)系統(tǒng)，是土壤活性酶的重要來源，其主要聚集在表土層中，多以微菌落的形式分布在土壤顆粒和有機物表面及植物根際，直接參與土壤呼吸等各種地球化學循環(huán)過程，支配著50%～70%的土壤呼吸速率[8-9]。礦區(qū)土壤多為養(yǎng)分貧瘠、土壤結(jié)構性差、微生物含量低的自然生土，在進行工程復墾重構的過程中又經(jīng)過人為擾動，極嚴重地破壞了微生物生存和繁衍的條件，微生物數(shù)量和種類受到很大影響。土壤微生物作為土壤中一個非常重要的組成成分，它對礦山復墾地的土壤性質(zhì)、土壤肥力的形成以及作物生長都起著至關重要的作用。

2.1 微生物對礦山復墾地土壤有機質(zhì)積累的作用

經(jīng)工程措施復墾處理后，土地的土壤有機質(zhì)含量極低。土壤肥力形成的實質(zhì)是土壤有機質(zhì)的合成和分解，而有機質(zhì)的合成和分解都必須有微生物的參與。土壤微生物（細菌、真菌、放線菌和藻類）在土壤中數(shù)量大、繁殖快。土壤中的細菌在有機質(zhì)和無機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中起著重要的作用，特別是在分解植物不能直接利用的復雜含氮化合物轉(zhuǎn)化為銨的氨化作用過程中，作用尤為重要。自養(yǎng)型細菌可以利用氧化無機物產(chǎn)生的化學能或太陽能作為自身的能量，從空氣中吸收CO2轉(zhuǎn)化為有機物，起到積累土壤有機質(zhì)的作用。而好養(yǎng)型細菌、真菌、放線菌在分解有機物的過程中起著重要作用，氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌則在土壤氮素循環(huán)中起著重要作用。土壤微生物主宰著土壤總的代謝活動，在多種土壤微生物的共同作用下分解有機質(zhì)、合成腐殖質(zhì)，使土壤有機質(zhì)逐步得到積累，并且在其生命代謝過程中將土壤基質(zhì)中有限的營養(yǎng)元素周而復始地利用，從而保證了植物整個生長發(fā)育過程中對養(yǎng)分的需求。

2.2 微生物對礦山復墾地土壤礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化的作用

在新復墾的土壤中有效礦質(zhì)養(yǎng)分含量極低。微生物在其生命活動過程中通過分泌酸性物質(zhì)，可以降低微區(qū)域的pH值，有利于礦質(zhì)養(yǎng)分的溶解和吸收。如各種溶磷、溶鉀微生物可以將土壤中難溶的磷、鉀分解出來，轉(zhuǎn)化為作物可以吸收利用的有效態(tài)磷、鉀[10]。Arscher證實，根際細菌促進植物生長的作用之一是促進土壤中錳的還原和提高植物對錳的吸收[11]。VI菌根能與多種植物的根系共生，其菌絲可以吸收更多的營養(yǎng)元素供植物利用，特別是對土壤中活動性差、移動緩慢的元素，如 P，Zn，Cu，Ca 等有較強的吸收作用[12]。

2.3 微生物對礦山復墾地土壤中有害物質(zhì)的分解和固定作用

在新復墾的礦業(yè)廢棄地土壤中往往存在各種污染物，這些物質(zhì)通常會抑制植物生長，而在土壤中種類極多的微生物中有一些可以適應特異的污染環(huán)境，在代謝的同時能起到消除或減輕污染毒害的作用。如氧化亞鐵硫桿菌在pH值為3時能將Fe2+氧化成Fe3+；假單胞菌屬一些抗汞的微生物，能把甲基汞還原成元素汞；土生假絲酵母、粉紅粘帚酶和青霉等能使砷酸鹽形成甲基砷；光合紫細菌則能使氧化元素硒轉(zhuǎn)化為硒酸鹽。藻類可有效地吸收和富集重金屬元素，富集倍數(shù)可達幾千倍，因此在重金屬污染區(qū)接種藻類，可大大降低鋅、鎘、銅、鈣、鎂等污染元素的含量。苔蘚是一種高富砷的低等生物，其對砷的富集可達0.125%；研究還表明，苔蘚中砷會不斷揮發(fā)，可大大增加苔蘚對砷的吸收。在有鉬污染的地區(qū)接種VA菌根（泡囊-叢枝菌根）不僅有利于對磷的吸收，而且還有利于對鉬的吸收，從而降低鉬的污染，并可促進根系生長和根瘤形成，進而促進地上部分生長，使植株健壯。VA菌根在銅污染土壤上也具有潛在的應用前景[13]。

3 微生物改良技術在礦區(qū)土地復墾中的應用及其前景

微生物改良技術是利用微生物的接種優(yōu)勢，對復墾區(qū)土壤進行綜合治理與改良的一項生物技術措施[3]。借助向新建植的植物接種微生物，在改善植物營養(yǎng)條件、促進植物生長發(fā)育的同時，利用植物根際微生物的生命活動，使失去微生物活性的復墾區(qū)土壤重新建立和恢復土壤微生物體系，增加土壤生物活性，加速復墾地土壤基質(zhì)的改良，加快自然土壤向農(nóng)業(yè)土壤的轉(zhuǎn)化過程，使生土熟化，提高土壤肥力，從而縮短復墾周期。微生物復墾技術在我國發(fā)展也較快，特別是微生物肥料已在復墾土壤培肥方面取得了較好效果，它在提高礦山復墾地生產(chǎn)能力和礦土培肥方面，與單純施用化學肥料或依靠混入各種土壤改性添加劑的方法相比較，效果更為突出。

3.1 微生物改良技術在礦區(qū)土地復墾中的應用叢枝菌根真菌的菌絲對水分的吸收利用十

分顯著，接種菌根真菌可提高植物對干旱脅迫的

抵抗能力[14-15]。Li等[16]采用根室培養(yǎng)方法研究礦區(qū)土壤證明，在養(yǎng)分脅迫條件下，VA菌根真菌約可向植物提供生長所需的80%磷、50%鋅和銅，植物生長良好，因此微生物的存在無疑增強了植物對其逆境的抵抗能力。洪堅平等[17]在山西陽泉礦區(qū)進行生物修復試驗，在不同的處理區(qū)分別種植沙打旺、紅豆草、多變小冠花、山野豌豆、扁莖黃芪等6種豆科植物以及沙生冰草、無芒雀麥、葦狀羊茅等禾本科植物，結(jié)果表明，各復墾區(qū)經(jīng)過4年的不同種植措施后，土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量分布狀況均有較大改善，各處理區(qū)土壤有機質(zhì)均比復墾前提高了2～3倍，速效氮、磷、鉀也均有較大幅度的提高。方輝等[18]通過調(diào)查安太堡大型露天礦區(qū)西排土場植被恢復與土壤微生物的關系后認為，土壤中微生物量與土壤中的水分、速效磷、土壤有機質(zhì)、有效性氮有明顯的關系，微生物總量與速效磷含量和有機質(zhì)含量成正比，放線菌與速效磷之間呈極顯著相關。

王紅新等[15]利用微生物復墾技術，以唐山市馬蘭莊鐵礦區(qū)復墾土壤和尾礦為基質(zhì)，接種VA等菌根進行了室內(nèi)盆栽試驗研究，結(jié)果表明，菌根植株地上的磷濃度是非菌根植株的2倍；接種菌根真菌使植株從土壤或尾礦中吸收的鉀增加；接種AM菌根后，鋁對玉米的毒害作用大大減輕。

礦區(qū)土地復墾的實踐表明，微生物加速了新復墾礦區(qū)土壤中各種有機物質(zhì)、礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，可以有效改善其微環(huán)境，降低土壤pH值，促進植物對土壤有效養(yǎng)分的利用，也可以減輕一些有害物質(zhì)對植物的毒害作用。在應用微生物改善基質(zhì)的過程中，只有根據(jù)微生物的代謝特點，創(chuàng)造適合于微生物生命活動的土壤環(huán)境，即添加有機物、保持適宜的土壤水分、保證土壤的良好通氣性、維持適宜的酸堿度等，才能使微生物獲得足夠的養(yǎng)分和能量，并形成一個良好的微生物生態(tài)系統(tǒng)，從而發(fā)揮其對土壤基質(zhì)有效的改良作用。

3.2 微生物改良技術在礦區(qū)土地復墾中的應用前景

采用現(xiàn)代微生物工藝技術代替以昂貴化學制劑作添加材料改良貧瘠土壤[19]，是目前國內(nèi)外生物復墾技術的主要研究方向。我國地域廣闊、資源豐富、生態(tài)環(huán)境復雜多樣，開發(fā)微生物接種資源具有巨大潛力。微生物的接種可以考慮選擇抗污染的細菌，許多細菌具有抗污染的特性，因此在礦區(qū)土壤復墾中接種抗污染菌是一種去除污染物的有效方法。這些細菌有的能把污染物質(zhì)作為自己的營養(yǎng)物質(zhì)，把污染物質(zhì)分解成無污染物質(zhì)或者是把高毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為低毒物質(zhì)，如在鐵污染的土壤中可以接種鐵氧化菌，不僅效果好，而且比傳統(tǒng)的方法節(jié)約費用；在汞污染的河泥中，存在的一些抗汞微生物，能把甲基汞還原成元素汞，從而降低汞的毒害。還可以接種營養(yǎng)微生物，因礦區(qū)廢棄地的植物營養(yǎng)物質(zhì)非常貧瘠，接種能提供營養(yǎng)的微生物對廢棄地的生態(tài)恢復無疑有很大的促進作用。有的微生物不僅能去除污染物，而且還能為群落的其他個體提供有利的條件。有研究表明，在鉛鋅礦尾砂庫的生態(tài)恢復中，把根瘤菌接種到銀合歡等豆科植物的根部，能促進根瘤的形成，進而促進地上部分的生長，使植株健壯；在有鉬污染的地區(qū)接種菌根不僅有利于植物對磷的吸收，而且還有利于對鉬的吸收，從而降低鉬的污染[20]。深入系統(tǒng)地研究菌株的生長、發(fā)育、種群的生態(tài)分布，對篩選不同生態(tài)環(huán)境下的優(yōu)良菌種，加快菌種在礦區(qū)復墾中的實際應用，如提高植物的耐鹽性、抗旱性及抗重金屬毒性方面具有重要的作用。

4 結(jié)語

礦山廢棄地的復墾與生態(tài)重建工作是當今世界關注的重要問題之一，土地被破壞后很可能因風蝕、雨蝕引起大氣及水系等的次生危害，可以說土地復墾是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復的核心任務，而基質(zhì)改良又是進行土地復墾的關鍵。利用微生物改良方法可以在有效改善植物營養(yǎng)條件、促進植物生長發(fā)育的同時，利用植物根際微生物的生命活動，使失去微生物活性的復墾區(qū)土壤重新建立和恢復土壤微生物體系，增加土壤生物活性，加速復墾地土壤的基質(zhì)改良，加快自然土壤向農(nóng)業(yè)土壤的轉(zhuǎn)化過程，使生土熟化、土壤肥力提高，從而縮短復墾周期。微生物復墾技術在國外復墾中有較快的發(fā)展，特別是微生物肥料已在復墾土壤培肥中得到工業(yè)化應用。因此，微生物改良技術用于礦山土壤改良，恢復廢棄地土地生產(chǎn)力，使之達到當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，已成為當今礦區(qū)土地復墾技術的研究熱點。

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