采礦廢棄地土壤微生物數(shù)量與理化性狀相關(guān)分析

摘要：以黃石市黃荊山采礦廢棄地為研究對(duì)象，對(duì)土壤微生物數(shù)量與土壤性狀的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了探討。經(jīng)多元線性逐步回歸和直接通徑分析發(fā)現(xiàn)，含水量和全氮是影響真菌數(shù)量的主要因子，其中含水量的影響最大；有機(jī)質(zhì)、pH和速效氮是影響細(xì)菌數(shù)量的主要因子，其中有機(jī)質(zhì)的影響最大；有機(jī)質(zhì)和含水量是影響放線菌數(shù)量的主要因子，其中有機(jī)質(zhì)的影響最大；速效氮、全氮和速效磷是影響固氮菌數(shù)量的主要因子，其中速效氮的影響最大。未發(fā)現(xiàn)真菌、細(xì)菌、放線菌及固氮菌數(shù)量與速效鉀含量之間有顯著的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：采礦廢棄地；土壤微生物數(shù)量；土壤理化性狀；相關(guān)性；黃石

中圖分類號(hào)：S718.8；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）12-3060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.017

Abstract：The abandoned quarries of Huangjing Mountain in Huangshi city was studied. The correlation between soil microbial quantity and soil physical and chemical properties was discussed. The multiple linear regression and path analysis revealed that， soil water content and total nitrogen were the main influencing factors relating to the fungi amount， and soil water content was the biggest influencing factor. Organic matter， pH and available nitrogen were the main influencing factors to the bacteria amount， and organic matter was the biggest influencing factor. Organic matter and soil water content were the main influencing factors to the actinomycete amount， and organic matter was the biggest influencing factor. Available nitrogen， total nitrogen and available phosphorus were the main influencing factors to the azotobacter amount， and available nitrogen was the biggest influencing factor. The correlation between soil microbial quantity and available potassium was not found.

Key words：abandoned quarries； soil microbial quantity； soil physical and chemical properties； correlation； Huangshi

自20世紀(jì)80年代以來，城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展加大了石材的開發(fā)利用，開山取石成為一項(xiàng)重要的生產(chǎn)活動(dòng)，但簡單的露天剝離開采工藝形成了大量的廢棄地，帶來了水土流失、環(huán)境污染、自然景觀破壞等一系列問題，采礦廢棄地的生態(tài)恢復(fù)研究正逐步成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。目前關(guān)于此方面的研究主要集中在工程技術(shù)措施[2]、植物物種選擇[3]及群落演替[4]、土壤修復(fù)及變化[5]等方面，但對(duì)不同人工植被群落中的土壤微生物數(shù)量分布與土壤因子關(guān)系的深入研究鮮見報(bào)道。

土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，更是土壤分解系統(tǒng)的主要成分，在影響土壤生物活性及養(yǎng)分組成、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、促進(jìn)土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等方面發(fā)揮著重要作用[6]；同時(shí)由于微生物對(duì)土壤環(huán)境的變化非常敏感，可作為監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，其多樣性研究已逐漸成為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7]。本研究以采礦廢棄地人工植被群落為研究對(duì)象，對(duì)其土壤微生物數(shù)量分布及土壤理化性狀的相關(guān)性進(jìn)行了深入探討，旨在進(jìn)一步豐富采礦廢棄地人工生態(tài)恢復(fù)理論，并提供相關(guān)的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地概況

試驗(yàn)地位于湖北省黃石市黃荊山北麓的采礦廢棄地，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.4 ℃，年平均降雨量1 382 mm，巖石較堅(jiān)硬且呈微-中風(fēng)化，巖性主要為石灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，均為裸巖，70°以上邊坡面積達(dá)80%以上，幾乎無植被覆蓋。2009年，黃石市針對(duì)廢棄地中不同的立地類型，采取平臺(tái)、飄臺(tái)、燕巢種植、客土噴播等方法進(jìn)行了植被恢復(fù)[8]，種植土壤均為客土配置而成，經(jīng)過5年的生長恢復(fù)后，于2015年6月對(duì)各樣地進(jìn)行了植被調(diào)查，各樣地具體情況見表1。

1.2 樣品采集方法

選取坡向、坡位等立地條件基本一致的典型小區(qū)作為采樣地點(diǎn)，于2015年6月采用“S”形法5點(diǎn)取樣，利用不銹鋼管取土器垂直取0～20 cm土層，取樣量基本保持一致，同一樣地土樣集中混勻，并用四分法混合收集，現(xiàn)場(chǎng)編號(hào)保存于滅菌塑料封口袋。當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室后分裝一份土壤樣品置于4 ℃冰箱中保存，用于測(cè)量土壤微生物數(shù)量。剩余樣品研磨粉碎、過2 mm篩，用于測(cè)定土壤理化性狀。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定，含水量采用烘干法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀-容量法，全氮測(cè)定采用半微量凱氏定氮法，速效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法，速效磷測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測(cè)定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[9]。采用稀釋涂布平板法記數(shù)土壤微生物數(shù)量[10]。馬鈴薯蔗糖培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌，牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌，高氏1號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌，阿須貝氏培養(yǎng)基培養(yǎng)固氮菌。真菌用10-2、10-3、10-4稀釋液涂抹平板，細(xì)菌用10-7、10-8、10-9稀釋液涂抹平板，放線菌和固氮菌用10-3、10-4、10-5稀釋液涂抹平板，固氮菌用10-7、10-8、10-9稀釋液涂抹平板，每個(gè)處理重復(fù)3次，接種后置于25～30 ℃培養(yǎng)室內(nèi)培養(yǎng)，細(xì)菌培養(yǎng)2～3 d、真菌培養(yǎng)5～7 d、放線菌及固氮菌培養(yǎng)7～10 d，分類鑒定并計(jì)數(shù)。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物數(shù)量與土壤性狀之間的相關(guān)性分析

土壤微生物數(shù)量與土壤因子之間存在著密切聯(lián)系，土壤養(yǎng)分和水分可為土壤微生物提供生長發(fā)育的必備條件，土壤酸堿度對(duì)土壤中的生物活性及有效養(yǎng)分有顯著影響。從土壤因子之間的相關(guān)性分析（表2）可見，有機(jī)質(zhì)與全氮、速效氮呈極顯著正相關(guān)，與速效磷呈顯著正相關(guān)；全氮與速效氮、速效磷呈顯著正相關(guān)；速效磷與速效鉀呈顯著正相關(guān)，其他因子之間相關(guān)性不顯著。從土壤微生物數(shù)量的相關(guān)性分析（表3）可知，真菌與放線菌呈顯著正相關(guān)，細(xì)菌與固氮菌呈顯著正相關(guān)，其他因子之間相關(guān)性不顯著。由表4可知，土壤因子與土壤微生物數(shù)量之間的相關(guān)系數(shù)各有差異，真菌數(shù)量與含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系；細(xì)菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)、全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與速效氮、速效磷、速效鉀呈顯著正相關(guān)關(guān)系；放線菌數(shù)量與含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系；固氮菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)、速效氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全氮、速效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系。總體來說，有機(jī)質(zhì)、全氮與四大類微生物數(shù)量之間均表現(xiàn)出了較高的相關(guān)程度，而速效鉀和pH與四大類微生物數(shù)量之間卻幾乎無明顯的相關(guān)性。

2.2 土壤微生物數(shù)量與土壤性狀的多元線性回歸分析

為進(jìn)一步探討土壤微生物數(shù)量與土壤因子之間的關(guān)系，以真菌數(shù)量（y1）、細(xì)菌數(shù)量（y2）、放線菌數(shù)量（y3）、固氮菌數(shù)量（y4）作為因變量，pH（x1）、含水量（x2）、有機(jī)質(zhì)（x3）、全氮（x4）、速效氮（x5）、速效磷（x6）、速效鉀（x7）為自變量，對(duì)其進(jìn)行逐步線性回歸分析，通過引入自變量和根據(jù)自變量對(duì)模型貢獻(xiàn)大小進(jìn)行選擇并剔除，建立最優(yōu)關(guān)系模型，分別為：①真菌數(shù)量與土壤因子的最優(yōu)關(guān)系模型為y1=0.606 4+0.074 1x2+0.735 1x4，表明真菌數(shù)量隨著含水量和全氮含量的升高而增加；②細(xì)菌數(shù)量與土壤因子的最優(yōu)關(guān)系模型為y2=7.239 1-1.224 4x1+0.070 7x3+0.016 9x5，表明細(xì)菌數(shù)量隨有機(jī)質(zhì)和速效氮含量的升高而增加，隨pH的降低而增加；③放線菌數(shù)量與土壤因子的最優(yōu)關(guān)系模型為y3=-1.694 2+0.134 2x2+0.078 9x3，表明放線菌數(shù)量隨著含水量和有機(jī)質(zhì)含量的升高而增加；④固氮菌數(shù)量與土壤因子的最優(yōu)關(guān)系模型為y4=-0.013 2+0.783 8x4+0.019 5x5-0.014 5x6，表明固氮菌數(shù)量隨著全氮和速效氮含量的升高而增加，隨著速效磷含量的升高而減少。

2.3 土壤性狀對(duì)土壤微生物數(shù)量的通徑分析

通徑分析是回歸分析的拓展，可以更好地處理自變量和因變量之間的復(fù)雜關(guān)系。對(duì)主要土壤因子進(jìn)行了通徑分析后的結(jié)果見表5，由表5可知，影響真菌數(shù)量的土壤因子直接通徑系數(shù)大小順序?yàn)楹?gt;全氮，表明含水量對(duì)真菌數(shù)量的影響最大；影響細(xì)菌數(shù)量的土壤因子直接通徑系數(shù)大小順序?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)>pH>速效氮，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)細(xì)菌數(shù)量的影響最大；影響放線菌數(shù)量的土壤因子直接通徑系數(shù)大小順序?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)>含水量，表明有機(jī)質(zhì)對(duì)放線菌數(shù)量的影響也最大，但其直接通徑系數(shù)并未達(dá)到顯著水平；影響固氮菌數(shù)量的土壤因子直接通徑系數(shù)大小順序?yàn)樗傩У?gt;速效磷>全氮，表明速效氮是影響固氮菌數(shù)量的最關(guān)鍵因子，上述結(jié)果與簡單相關(guān)分析的結(jié)果一致。

3 討論

植被恢復(fù)后產(chǎn)生持續(xù)的凋落物和腐爛的根系，進(jìn)一步增加了有機(jī)質(zhì)的積累，促進(jìn)了有機(jī)物質(zhì)的礦化和再合成，同時(shí)恢復(fù)植被中豆科植物居多，在生長過程中固氮作用較大，故全氮、速效氮、速效磷含量易受其影響，而速效鉀含量雖然與有機(jī)質(zhì)含量存在一定的相關(guān)性，但這種相關(guān)性并不顯著，這可能與不同的林分組成有關(guān)。真菌與放線菌在微生物中充當(dāng)著特殊分解者的作用，它們都具有豐富的酶系統(tǒng)，能夠分解難分解物質(zhì)，且喜分布于類似的土壤環(huán)境中，兩者之間息息相關(guān)；同時(shí)前人的研究結(jié)果顯示，通常情況下細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量會(huì)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增多，細(xì)菌和固氮菌之間存在著顯著的相關(guān)性，與本研究結(jié)果基本一致。

土壤微生物是土壤中有機(jī)物的重要分解者，與土壤理化性質(zhì)變化息息相關(guān)，土壤微生物能充分反映土地利用及其生態(tài)功能的變化，可作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指示指標(biāo)[11]。植被恢復(fù)會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生積極影響，這與土壤中的生物量密切相關(guān)，如凋落物、根系分泌物等。許多學(xué)者對(duì)兩者之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，楊寧等[12]對(duì)不同植被恢復(fù)階段的丘陵坡地進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷等與微生物量碳有較大的關(guān)聯(lián)度。趙萌等[13]則發(fā)現(xiàn)杉木林地中土壤中的微生物總數(shù)及細(xì)菌、放線菌的數(shù)量會(huì)隨著土壤含水率的升高而顯著增加，細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量隨著土壤有機(jī)碳、全氮含量的升高而增加。邵寶林等[14]則對(duì)橫斷山北部高山區(qū)35個(gè)樣點(diǎn)的土樣進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，放線菌數(shù)量與pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系，真菌數(shù)量與土壤全鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。王岳坤等[15]對(duì)海南清瀾港紅樹林的土壤微生物數(shù)量與土壤因子關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌數(shù)量與土壤pH、含水量、全磷含量、全鉀含量明顯相關(guān)；放線菌的數(shù)量與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、有效鉀含量明顯相關(guān)；真菌數(shù)量與土壤pH、全鉀含量明顯相關(guān)。由本研究中通徑分析可知，含水量和全氮是影響真菌數(shù)量的主要因子，其中含水量的直接作用最大，這可能是由于真菌能在潮濕氣候環(huán)境下大量繁殖，受水分條件影響較大有關(guān)；有機(jī)質(zhì)、pH和速效氮是影響細(xì)菌數(shù)量的主要因子，其中有機(jī)質(zhì)的影響最大，這與細(xì)菌較強(qiáng)的分解能力聯(lián)系緊密，它們能促進(jìn)植物殘?bào)w的分解，使土壤中有機(jī)物質(zhì)顯著增加；有機(jī)質(zhì)和含水量是影響放線菌數(shù)量的主要因子，其中有機(jī)質(zhì)的直接作用最大，這可能與其特殊分解作用有關(guān)；速效氮、全氮和速效磷是影響固氮菌數(shù)量的主要因子，其中速效氮的直接作用最大，這主要是由于植被恢復(fù)后特別是豆科植物的固氮菌增多，使土壤中氮含量增加。以上結(jié)果可以看出，由于受到不同林分組成、植被覆蓋率、水熱條件等因素的影響，土壤微生物數(shù)量與土壤理化性狀之間的相關(guān)關(guān)系也不盡相同。此外，本研究未發(fā)現(xiàn)真菌、細(xì)菌、放線菌及固氮菌數(shù)量與速效鉀含量之間存在顯著相關(guān)性，但它們之間還是存在一定程度的相關(guān)性，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊冰冰，夏漢平，黃 娟.采石場(chǎng)石壁生態(tài)恢復(fù)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（2）：181-186.

[2] BEIKIRCHER B，F(xiàn)LORINETH F，MAYR S. Restoration of rocky slopes based on planted gabions and use of drought-preconditioned woody species[J]. Ecological Engineering，2010，36（4）：421-426.

[3] MEIRA-NETO J A，CLEMENTE A，OLIVEIRA G，et al. Post-fire and post-quarry rehabilitation successions in Mediterranean-like ecosystems：Implications for ecological restoration[J]. Ecological Engineering，2011，37（8）：1132-1139.

[4] GILARDELLI F，SGORBATI S，ARMIRAGLIO S，et al.Ecological filtering and plant traits variation across quarry geomorphological surfaces：Implication for Restoration[J]. Environmental Management，2015，55（2）：132-139.

[5] 曲國輝，郭繼勛.松嫩平原不同演替階段植物群落和土壤特性的關(guān)系[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2003，12（1）：18-22.

[6] SCHOLLE G，WOLTERS V，JOERGENSEN R G.Effects of mesofauna exclusion on the microbial biomass in two modern profiles[J].Biology and Fertility of Soils，1992，12（4）：253-260.

[7] 周麗霞，丁明懋.土壤微生物學(xué)特性對(duì)土壤健康的指示作用[J].生物多樣性，2007，15（2）：162-171.

[8] 周 瓊，許建新，秦永宏，等.黃石市巖質(zhì)邊坡生態(tài)修復(fù)綜合技術(shù)應(yīng)用探討[J].中國水利，2011（2）：36-38.

[9] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].第三版.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[10] 沈 萍，范秀容，李廣武.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[11] BRADY N C，WEIL R R.Organisms and ecology of the soil[A].The Nature and Properties of Soils[M]. Upper Saddle River：Prentice Hall，2008.

[12] 楊 寧，鄒冬生，楊滿元，等.衡陽紫色土丘陵坡地植被不同恢復(fù)階段土壤微生物量碳的變化及其與土壤理化因子的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22（1）：25-30.

[13] 趙 萌，方 晰，田大倫.第2代杉木人工林地土壤微生物數(shù)量與土壤因子的關(guān)系[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43（6）：7-12.

[14] 邵寶林，龔國淑，張世熔，等.橫斷山北部高山區(qū)不同生態(tài)條件下土壤微生物數(shù)量及其與生態(tài)因子的相關(guān)性[J].生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（8）：885-890.

[15] 王岳坤，洪 葵.紅樹林土壤因子對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2005，26（3）：109-114.