植被混凝土基材微生物活性對(duì)不同水泥含量的響應(yīng)

吳 彬，夏振堯，趙 娟，楊悅舒，李銘怡，許文年

（1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌443002；3.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌443003；4.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌443002）

植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)（CBS）是一種效果較好的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)，它將邊坡防護(hù)與坡面的植被恢復(fù)相結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)修復(fù)與邊坡防護(hù)的有機(jī)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)的工程護(hù)坡技術(shù)不能解決的基礎(chǔ)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境結(jié)合的重大難題［1］。植被混凝土生態(tài)基材是把水泥、土、有機(jī)質(zhì)物質(zhì)、植被混凝土綠化添加劑、混合植物種子（混合撒播狗牙根、黑麥草、高羊茅等草種）、水按一定的組成比例均勻混合而成［2］。水泥是配制植被混凝土基材時(shí)不可或缺的交聯(lián)劑，其對(duì)混凝土基材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及防止侵蝕意義重大，但水泥在水化時(shí)會(huì)使植被混凝土基材呈強(qiáng)堿性，對(duì)植被混凝土基材產(chǎn)生較長(zhǎng)期的不良影響，因而不利于植被群落的恢復(fù)與重建。

土壤基材中的生物種類、數(shù)量、活性與土壤質(zhì)量有著密切的關(guān)系，尤其是土壤微生物和土壤酶活性，影響著植被的生長(zhǎng)發(fā)育。有人利用土壤微生物及其活性作為反映土壤質(zhì)量變化的生物學(xué)指標(biāo)［3］，因此，對(duì)植被混凝土基材中水泥含量與基材微生物活性進(jìn)行研究具有重要的意義。本文以常用護(hù)坡草本生長(zhǎng)下的植被混凝土基材作為研究對(duì)象，選擇脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶、微生物量碳、微生物量氮做為因子，對(duì)樣地土壤生物活性指數(shù)（SBAI）做了綜合計(jì)算，對(duì)確定植被混凝土基材中水泥的最佳含量、指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)生態(tài)型植被混凝土基材研發(fā)，具有重要的意義。

1 材料和方法

試驗(yàn)材料有土、水泥、有機(jī)質(zhì)、植被混凝土綠化添加劑和水。土樣選取三峽大學(xué)翠亭山某位置表土（0—20cm），土壤類型為黃棕壤，堿性土，其天然含水率為24%，天然密度為 1.78g／cm3，干密度為2.64g／cm3。水泥為 P 0.325 普通硅酸鹽水泥，干密度為3.10g／cm3；有機(jī)質(zhì)采用鋸末，烘干后天然密度為0.43g／cm3。植被混凝土綠化添加劑為三峽大學(xué)綠野環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品LY—2型混凝土綠化添加劑，水為自來(lái)水。

試驗(yàn)樣地設(shè)置在湖北省宜昌市三峽大學(xué)的翠屏山上，樣地分7大塊，尺寸皆為0.9m×1m，水泥的加量分別 為 0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%。每塊樣地再均分為0.3m×1m的3小塊，分別單播狗牙根和紫花苜蓿，中間的一塊為空白對(duì)照。先將挖回的土樣風(fēng)干，用鐵鍬碾碎過1cm篩，然后按照植被混凝土基材的配方加入一定量的有機(jī)質(zhì)和添加劑等物質(zhì)，攪拌均勻后分層平鋪到劃定的地塊上（四周用擋板圍起固定），每鋪厚約3cm土層后用噴壺將土樣充分潤(rùn)濕，當(dāng)土層總厚度約大于10cm時(shí)完成鋪土。草種的播種密度采用常用的草坪建植單播密度，分別為狗牙根10g／m2，紫花苜蓿5g／m2。鋪設(shè)樣地最后2cm的土層時(shí)，將稱好的種子與適量攪拌均勻的植被混凝土基材充分混合，均勻撒播到樣地上，進(jìn)行一定的鎮(zhèn)壓。21塊樣地統(tǒng)一管理，定期澆水、及時(shí)清理雜草和防治病蟲害。

樣地種植時(shí)間是2010年8月，土壤樣品取樣時(shí)間為2011年7月。取樣時(shí)先把每小塊樣地平均分成3塊，用來(lái)做3個(gè)重復(fù)，從每塊小樣地挖取新鮮土壤（取樣深度為垂直表面4～8cm處），剔除土壤中的植物殘根等雜質(zhì)。測(cè)定時(shí)，新鮮土過2.5mm篩，4℃下保存，于一周內(nèi)測(cè)定土壤酶活性，微生物量碳、微生物氮。

土壤生物活性指數(shù)（SBAI）是綜合評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)性質(zhì)指數(shù)，是土壤酶與土壤微生物量因子綜合作用的反映。土壤生物活性的綜合評(píng)價(jià)可分為3個(gè)步驟：因子的選擇、權(quán)重的確定以及綜合指數(shù)的獲得。由于土壤生物學(xué)性質(zhì)的變化具有連續(xù)性，故其評(píng)價(jià)指標(biāo)采用連續(xù)性的隸屬度函數(shù)［4］。依據(jù)主成分因子負(fù)荷量值的正負(fù)情況，確定隸屬度函數(shù)的升降類型。根據(jù)本研究的計(jì)算結(jié)果與前人的研究情況決定3個(gè)土壤酶及2個(gè)微生物量因子都采用升型分布函數(shù)［5］。

升型分布函數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：xi——生物活性因子的活性值〔mg／（g·d）〕；ximax，ximin——生物活性因子（i）的最大值和最小值。

土壤性質(zhì)的各個(gè)因子的表征意義和重要性不同，所以通常采用權(quán)重系數(shù)來(lái)表征各因子的重要程度。本研究利用主成分法分析方差貢獻(xiàn)率大小以及因子負(fù)荷量來(lái)計(jì)算各因子作用的大小，獲得其權(quán)重系數(shù)。利用式（2）計(jì)算：

式中：Wi——權(quán)重；Ci——第i個(gè)因子的公因子方差；C——公因子方差之和。

土壤生物活性評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：SBAI（xi）——生物活性因子的隸屬度值；wi——生物活性因子（i）的權(quán)重。

基材微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法，即0.5mol／L K2SO4浸提（水土比為4∶1），土壤微生物量碳、氮含量以熏蒸和不熏蒸的碳、氮含量之差除以相應(yīng)得轉(zhuǎn)化系數(shù)（均為0.45）得到［6］；脲酶采用苯酚—次氯酸鈉比色法，活性以24h后1.0g土壤中NH3—N的毫克數(shù)表示［7］；轉(zhuǎn)化酶采用3，5—二硝基水楊酸比色法測(cè)定，活性以24h后1.0g土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示；堿性磷酸酶以磷酸苯二鈉比色法，活性以24h后1.0g土壤中苯酚的微克數(shù)表示［8］；原始數(shù)據(jù)合成、統(tǒng)計(jì)計(jì)算使用 Microsoft Excel 2003，Word 2003軟件處理，采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行顯著性差異分析。圖表采用Origin軟件繪制。

2 結(jié)果分析

2.1 樣地基材生物活性指數(shù)主成分分析結(jié)果及權(quán)重計(jì)算

生物活性指數(shù)KMO檢驗(yàn)用于研究變量之間的偏相關(guān)性。一般KMO統(tǒng)計(jì)量大于0.9時(shí)效果最佳，0.7以上可以接受，0.5以下不宜作因子分析［9］。7月土壤酶 KMO檢驗(yàn)值為0.752，Bartlett球形檢驗(yàn)近似卡方為64.428，故可以作因子分析。

表1為7月生物活性指數(shù)主成分貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，一般要求提取的主成份能夠解釋總體的80%～85%以上，可以比較好地解釋原有變量所包含的信息。本研究提取3個(gè)公共因子，累計(jì)貢獻(xiàn)率為96.992%，能夠較好的解釋原有變量所包含的信息。

表1 生物活性因子主成分方差貢獻(xiàn)率與累計(jì)貢獻(xiàn)率

表2表明，每個(gè)變量的共性方差均在0.5以上，且大多數(shù)接近或超過0.7，說明3個(gè)公因子能夠較好地反映客觀原變量的大部分信息。

表2 變量的共同度

通過表3可以看出，第1公因子主要代表了脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶這幾個(gè)變量信息，第2公因子主要代表了微生物量碳、微生物量氮的信息，第3共因子主要代表了微生物量氮的信息。通過各生物活性因子在每個(gè)主成分中所占的比重計(jì)算出分權(quán)重，再根據(jù)各主成分貢獻(xiàn)率在前3個(gè)累計(jì)貢獻(xiàn)率的比重最后計(jì)算出每個(gè)土壤酶因子的總權(quán)重系數(shù)。經(jīng)計(jì)算土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、微生物量碳和微生物量氮的總權(quán)重系數(shù)分別為0.207，0.191，0.191，0.197以及0.211。

表3 生物活性因子公因子方差、權(quán)重和綜合權(quán)重

2.2 樣地基材生物活性指數(shù)分析

各樣地基材生物活性指數(shù)如圖1所示。由圖1可以看出土壤生物活性指數(shù)基本表現(xiàn)為低水泥含量樣地大于高水泥含量樣地。水泥含量0%紫花苜蓿樣地的生物活性指數(shù)最高，為0.693。其次是水泥含量4%狗牙根樣地和水泥含量2%狗牙根樣地的0.691，0.670。水泥含量10%狗牙根樣地、12%對(duì)照樣地及10%對(duì)照樣地的生物活性指數(shù)最低，分別為0.176，0.121，0.083。高水泥含量的樣地與低水泥含量的樣地相比，生物活性指數(shù)偏低，水泥含量10%對(duì)照樣地、水泥含量12%對(duì)照樣地及水泥含量10%狗牙根樣地的生物活性指數(shù)分別排倒數(shù)第1，2，3位，說明高水泥濃度不利于土壤的生物活性。另一方面，水泥含量一定的情況下，對(duì)照樣地的生物活性會(huì)比單播狗牙根、紫花苜蓿樣地的生物活性低。這說明植被的生長(zhǎng)活動(dòng)對(duì)土壤的生物活性有較好的影響。

圖1 不同樣地基材生物活性指數(shù)

將同一水泥梯度下的3塊樣地的生物活性指數(shù)取平均值后得到圖2。由圖2可知，2011年7月平均生物活性指數(shù)基本隨水泥含量的增大而變大。平均生物活性指數(shù)最高為0%水泥含量樣地的0.665。其次是2%，4%，6%水泥含量樣地的0.621，0.597，0.542，這3者之間無(wú)顯著性差異。平均生物活性指數(shù)最低為10%水泥樣地的0.151。

圖2 同一水泥梯度3塊樣地基材平均生物活性指數(shù)

3 結(jié)論

對(duì)各樣地取樣土壤生物活性指數(shù)的綜合計(jì)算結(jié)果表明，低水泥含量樣地土壤生物活性指數(shù)相對(duì)較高，且同等水泥梯度下，對(duì)照樣地比狗牙根樣地、紫花苜蓿樣地的土壤生物活性指數(shù)低；水泥含量4%，6%，8%的樣地土壤生物活性較接近，但平均說來(lái)4%，6%水泥含量樣地比8%水泥含量樣地的生物活性指數(shù)要更高。說明水泥的不利于基材的生物活性指數(shù)；植物在一定程度上能夠改良土壤生物活性。

植被混凝土基材隨著水泥摻量的增大，基材強(qiáng)度增加；但工程實(shí)際應(yīng)用中水泥摻量的減小利于植被在基材中的生長(zhǎng)和發(fā)育。因此，在植被混凝土生態(tài)防護(hù)的工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)邊坡情況及實(shí)施條件，計(jì)算植被混凝土基材保持自身穩(wěn)定所必須的最小初期強(qiáng)度，再根據(jù)預(yù)測(cè)模型估計(jì)基材最小水泥摻量，既可保證程實(shí)施初期基材的自身穩(wěn)定性，又有利于邊坡的微生物活性，為后期植被的恢復(fù)和持久生長(zhǎng)提供有力的保證。

水泥作為基材的交聯(lián)劑對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性意義重大，因此在考慮水泥對(duì)基材生物活性的影響的同時(shí)應(yīng)該將基材（含植被根系）的結(jié)構(gòu)力學(xué)耦合在一起進(jìn)行研究，從基材活性和基材穩(wěn)定性上選擇合適的水泥配比。

本研究采所選取的草本是較常規(guī)的草本，為推動(dòng)植被護(hù)坡技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)加大對(duì)水泥堿性抗逆性強(qiáng)的植物的研究。因此，邊坡植被恢復(fù)理論的研究還需要一個(gè)長(zhǎng)期歷程。

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