微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)重建中的應(yīng)用

常 勃，李建華，盧朝東，靳東升，張 強(qiáng)，郜春花，武文麗

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030006）

我國是世界上開發(fā)利用礦產(chǎn)資源歷史最為悠久的國家之一。我國礦業(yè)的發(fā)展為5 000 a 來中華民族的生存發(fā)展和中華文明的延續(xù)與發(fā)揚(yáng)建立了不可磨滅的歷史功勛，為中華人民共和國成立60 a 來的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的提高作出了巨大貢獻(xiàn)。然而，礦業(yè)為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出重大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了不利的影響。為了在開發(fā)礦產(chǎn)資源的同時(shí)最大限度地減少對(duì)土地的占用，并且增加可利用土地，進(jìn)行礦區(qū)復(fù)墾土壤的改良非常必要。土壤微生物是土壤的重要組成部分，是反映土壤性質(zhì)和土壤熟化程度的重要標(biāo)志，且與土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、植被的生長和繁育密切相關(guān)[1]。

因此，采用微生物技術(shù)改良礦區(qū)復(fù)墾土壤，在發(fā)展礦業(yè)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，可保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是一項(xiàng)有戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義的研究內(nèi)容。

1 微生物復(fù)墾技術(shù)概述

微生物復(fù)墾技術(shù)是利用微生物的接種優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)墾區(qū)土壤進(jìn)行綜合治理與改良的一項(xiàng)生物技術(shù)措施。該技術(shù)是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(jìn)植物生長發(fā)育的同時(shí)，利用植物根際微生物的生命活動(dòng)，使失去微生物活性的復(fù)墾區(qū)土壤重新建立和恢復(fù)土壤微生物體系，增加土壤生物，加速復(fù)墾土壤的基質(zhì)改良以及自然土壤向農(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(fù)墾周期[2]。

微生物復(fù)墾技術(shù)是目前國內(nèi)外礦區(qū)復(fù)墾技術(shù)的主要研究方向，該技術(shù)在國外受到較大關(guān)注并有較快發(fā)展，特別是微生物肥料已在復(fù)墾土壤培肥中得到工業(yè)化應(yīng)用，包括固氮菌、磷細(xì)菌、鉀細(xì)菌肥料及復(fù)合菌肥技術(shù)等。近年來，菌根技術(shù)已成為礦區(qū)土壤培肥的研究重點(diǎn)，并已取得較好的效果。我國在微生物復(fù)墾技術(shù)方面的研究發(fā)展也較快，特別是微生物肥料已經(jīng)取得了明顯的應(yīng)用效果，其在提高礦山復(fù)墾地生產(chǎn)力和礦土培肥方面效果突出。

2 微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)土壤中的應(yīng)用研究

2.1 微生物技術(shù)對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤肥力和土壤結(jié)構(gòu)的改變

新復(fù)墾土地中，耕作層土壤大多是未經(jīng)過生物作用和腐殖化過程的自然土，即使剝離土壤中有極少數(shù)的腐殖土，也由于機(jī)械化剝離作業(yè)而嚴(yán)重破壞了微生物生存和繁衍的條件[3]，土壤有機(jī)質(zhì)含量少，較為貧瘠，pH 值較高，對(duì)植物的生長不利。養(yǎng)分含量低是復(fù)墾土壤上植物不能正常生長的關(guān)鍵限制因子，而許多土壤微生物具有活化土壤潛在養(yǎng)分、增加土壤養(yǎng)分有效性的特性。

磷元素是礦區(qū)復(fù)墾土壤最主要的限制因子。但是土壤中的磷絕大部分為植物不能直接吸收的有機(jī)和無機(jī)磷。使用磷肥雖可滿足植物對(duì)磷的需要，但利用率較低，而解磷微生物最重要的作用就是溶解土壤中的難溶性或不溶性磷素[4]。Richards[5]認(rèn)為，在植物生長過程中磷元素供應(yīng)不足時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致幼苗生長不良而死亡。張文敏等[6]通過盆栽試驗(yàn)證明，微生物菌劑具有改善植物磷營養(yǎng)狀況的能力。

Harris[7]研究還指出，在煤礦廢棄地上自然發(fā)生的豆科植物雖然種類較多，但是由于它們不是該植被中的主體，或者由于煤礦廢棄地中嚴(yán)重缺磷而使固氮效率很低，因而它們對(duì)廢棄地氮素的積累所起的作用不大。因此，初始種植各種豆科植物時(shí)，必須用人工接種的辦法彌補(bǔ)土壤中自然根瘤菌的不足。經(jīng)過人工選育的優(yōu)勢(shì)菌株，其侵染力強(qiáng)，固氮活性高，用其制成菌劑作人工接種，對(duì)新復(fù)墾地初期種植的豆科植物來說，可以增加侵染，幫助豆科作物有效利用大氣中的氮素，迅速培肥復(fù)墾貧瘠土壤，是一種經(jīng)濟(jì)有效的土壤培肥技術(shù)措施。

李建華等[8]研究表明，雙接種菌根真菌和根瘤菌能活化土壤，顯著增加土壤可供植株利用的有效態(tài)氮、磷的含量。許劍敏[9]采用室內(nèi)盆栽模擬試驗(yàn)，通過研究1，2，3 a 礦區(qū)復(fù)墾土壤中全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)加入生物菌肥后，不同年限復(fù)墾土壤中全磷、速效磷、有機(jī)質(zhì)明顯增加，并且隨著復(fù)墾年限的增加，土壤肥力增加。

復(fù)墾土壤是經(jīng)過機(jī)械擾動(dòng)后重新構(gòu)建的土壤結(jié)構(gòu)，它不僅貧瘠而且土壤結(jié)構(gòu)不良，壓實(shí)比較嚴(yán)重。微生物能夠分泌出一些多糖類物質(zhì)，黏結(jié)分散的土粒，維持土壤的穩(wěn)定性，改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，利于植物的定植和對(duì)養(yǎng)分的吸收。Tisdall 等[10]研究表明，菌根有助于土壤大團(tuán)聚體的形成，真菌產(chǎn)生的多糖類物質(zhì)有可能具有增加礦物強(qiáng)度和保持水分的能力，因此認(rèn)為，菌根具有維持土壤穩(wěn)定性和改善土壤結(jié)構(gòu)的作用。Miller[11]發(fā)現(xiàn)，在菌根植物生長的土壤中，土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體、土壤總孔隙度和土壤滲透勢(shì)都比無菌根植物的土壤狀況好。還有研究發(fā)現(xiàn)，施用生物菌肥能改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，能迅速熟化土壤、固定空氣中的氮素、參與養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收、分泌激素刺激作物根系發(fā)育、抑制有害微生物的活動(dòng)等。

2.2 微生物技術(shù)對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物活性的改變

礦區(qū)土壤在復(fù)墾過程中伴隨有多種廢棄物，會(huì)抑制土壤微生物的活動(dòng)，而且礦區(qū)復(fù)墾土壤中也缺少熟化土，其微生物活性微乎其微，必須通過人為創(chuàng)造有助于植被生長的環(huán)境來進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)，包括恢復(fù)土壤層和植被等[12]。

土壤酶是土壤中的生物催化劑，具有加速土壤生化反應(yīng)速率的功能。土壤中的一切生化過程，包括動(dòng)植物和微生物殘?bào)w的分解及其合成有機(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化，腐殖物質(zhì)的合成與分解以及某些無機(jī)物的氧化與還原，都是在土壤酶的參與下進(jìn)行和完成的。土壤中酶活性的高低和微生物數(shù)量的多少可以代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，在一定程度上反映作物對(duì)氮素的吸收利用與生長發(fā)育狀況等，是土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。提高土壤酶和土壤微生物活性，有助于恢復(fù)土壤微生物生態(tài)群落，重建土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)，能夠促進(jìn)植物生長，防治和減輕病蟲危害，增加作物產(chǎn)量。李江[13]研究發(fā)現(xiàn)，向復(fù)墾土壤中接種叢枝菌根真菌可顯著提高土壤微生物活性和群落功能多樣性。李金嵐等[14]通過向采煤沉陷區(qū)復(fù)墾土壤中施加微生物菌肥，結(jié)果表明，隨著生物菌肥施入量的增加，土壤過氧化氫酶活性逐漸增強(qiáng)；施加適當(dāng)量時(shí)，土壤蔗糖酶活性和脲酶活性逐漸增強(qiáng)。

2.3 叢枝菌根技術(shù)在礦區(qū)土壤復(fù)墾中的應(yīng)用

叢枝菌根是一種內(nèi)生菌根真菌，能在植物根細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生“泡囊”和“叢枝”2 大典型結(jié)構(gòu)，名為泡囊—叢枝菌根。由于部分真菌不在根內(nèi)產(chǎn)生泡囊，但都形成叢枝，故簡稱叢枝菌根（AM）[15]。陸地90%以上的有花植物都能夠與它形成菌根共生體[16]。叢枝菌根能維持土壤的穩(wěn)定性，并起到改善土壤結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大植物根吸收面積，促進(jìn)植物根生長的作用；能促進(jìn)植物吸收利用礦質(zhì)養(yǎng)分和水分；強(qiáng)化植物對(duì)各種形態(tài)磷、鈣和一些微量元素的吸收；菌根在干旱條件下能增加植物對(duì)水分的吸收，而且還可以調(diào)節(jié)過剩水分，提高植物抗旱和抗?jié)衬芰Γ豢梢栽鰪?qiáng)植物對(duì)高溫及低溫的抵抗能力；能在其周圍形成無害的微生物相，使植物增加抗病能力[17]。

礦區(qū)復(fù)墾土壤經(jīng)過機(jī)械對(duì)土層的剝離，擾動(dòng)了土壤結(jié)構(gòu)，微生物群減少，同時(shí)也破壞了地下菌絲橋，使復(fù)墾工作難以順利進(jìn)行[18]。張文敏等[6]在礦山復(fù)墾試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大量叢枝菌根形成以后，可以加速土壤培肥，有效改良復(fù)墾土壤基質(zhì)。郁紀(jì)東[19]在煤矸石、粉煤灰培植條件下，對(duì)刺槐、苜蓿、高羊茅分別接種從枝菌根真菌，結(jié)果表明，菌根能有效促進(jìn)植物生長。畢銀麗等[20]在煤矸石山上接種叢枝菌根發(fā)現(xiàn)，接種菌根對(duì)宿主白蠟的侵染率高，菌根真菌與當(dāng)?shù)叵蠕h植物的親和程度較高；接種菌根能促進(jìn)植株生長，增加植被的蓋度和物種的豐度；接種菌根真菌后，植株根系發(fā)育良好，菌絲總長度較長，擴(kuò)大了根系的作用范圍，植株的成活率提高，在自然生態(tài)系統(tǒng)中接種菌根真菌具有抵抗干旱等不良環(huán)境的能力，有利于生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與穩(wěn)定。大量研究表明，將叢枝菌根接種到復(fù)墾土壤中，可改善其微環(huán)境，降低土壤pH 值，增加植物對(duì)土壤有效養(yǎng)分的利用，是一種很好的微生物復(fù)墾措施。

另外，生物菌肥可以通過提高土壤供肥能力，增強(qiáng)根系活力，改善植物營養(yǎng)，刺激植株生長，增加葉綠素含量和葉面積，減少呼吸作用，最終使作物獲得增產(chǎn)。栗麗等[21]研究表明，添加微生物菌肥可以提高油菜產(chǎn)量，同時(shí)改善了油菜的品質(zhì)。微生物還可以通過多種直接或間接作用影響環(huán)境中重金屬的活性。如微生物可以通過電性吸附和專性吸附直接將重金屬離子富集于細(xì)胞表面，降低重金屬在環(huán)境中的生物有效性；微生物的氧化還原作用可以改變變價(jià)重金屬離子的價(jià)態(tài)，降低重金屬在環(huán)境中的毒性[22]。

3 微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)重建中應(yīng)用的發(fā)展前景及對(duì)策

微生物復(fù)墾技術(shù)是目前國內(nèi)外治理煤礦污染的新方法，其應(yīng)用于煤礦廢棄地的修復(fù)，具有成本低、適用性強(qiáng)、無二次污染等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。但目前我國的微生物復(fù)墾技術(shù)在應(yīng)用中仍存在一定的問題，需要我們進(jìn)一步努力。

3.1 專門立法，完善相關(guān)的法律法規(guī)

我國土地資源豐富，但人均量較少。為了順應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量地開采礦產(chǎn)資源，造成了環(huán)境的污染和土地的破壞，使土地復(fù)墾舊賬未還，新賬又欠，土地復(fù)墾速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上破壞速度。雖然我國已經(jīng)制定了很多關(guān)于土地復(fù)墾方面的法律，但還不夠健全，規(guī)定也比較籠統(tǒng)，操作性不強(qiáng)，政府監(jiān)管力度也不夠。因此，必須在修訂完善現(xiàn)有政策法規(guī)的基礎(chǔ)上，制定一套行之有效的法律措施來監(jiān)督和管理我國的礦區(qū)復(fù)墾工作。

3.2 加強(qiáng)監(jiān)督力度，強(qiáng)化宣傳培訓(xùn)工作

雖然一些地方官員已經(jīng)意識(shí)到礦區(qū)復(fù)墾的重要性和采礦業(yè)對(duì)土地資源的嚴(yán)重破壞，但在處理政績觀和科學(xué)發(fā)展觀的時(shí)候，往往更關(guān)心眼前利益，對(duì)企業(yè)的監(jiān)督和管理不到位。一些礦山企業(yè)缺乏土地復(fù)墾責(zé)任意識(shí)，為追求利潤最大化，不愿主動(dòng)開展復(fù)墾工作。因此，需要加強(qiáng)監(jiān)督力度，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行經(jīng)常性的檢查、指導(dǎo)和督促，對(duì)不合格的礦山企業(yè)追究其法律責(zé)任。相關(guān)部門需要對(duì)各級(jí)人員開展政策、法律、法規(guī)和技術(shù)培訓(xùn)，并推廣微生物復(fù)墾技術(shù)。還應(yīng)該在公眾范圍內(nèi)大量普及礦業(yè)土地復(fù)墾的重要性及培養(yǎng)公眾參與礦業(yè)土地復(fù)墾意識(shí)，讓公眾積極參與礦業(yè)土地復(fù)墾活動(dòng)，并鼓勵(lì)社會(huì)資金參與到土地復(fù)墾中來。

3.3 加大科研力度

我國對(duì)微生物復(fù)墾技術(shù)的科研投入還很小，多數(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室范圍。微生物的專一性較強(qiáng)，其活性受外界因素的影響較大，這制約著微生物復(fù)墾技術(shù)的發(fā)展。而叢枝菌根真菌與寄主植物的專一性不強(qiáng)，一種菌根真菌能夠同時(shí)與多種植物建立共生關(guān)系，有利于提高生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的利用，加速養(yǎng)分的循環(huán)，提高養(yǎng)分利用率，對(duì)于植物群落的穩(wěn)定和演化發(fā)揮著重要作用。因此，可以篩選礦區(qū)土著菌種，與內(nèi)生菌根和其他優(yōu)勢(shì)菌種復(fù)配，構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐V區(qū)土壤的耐貧瘠、抗逆性強(qiáng)的多功能菌株。

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