不同復(fù)墾年限煤矸山土壤微生物功能菌變化及其影響因素

張小玲, 于亞軍

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 山西 臨汾 041000)

土壤微生物功能菌是指執(zhí)行同一種功能的相同或不同形態(tài)的土壤微生物[1]，能迅速對土壤微環(huán)境的變化做出反應(yīng)，可較早地指示土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，反映出土壤質(zhì)量和健康狀況[2]。土壤微生物功能菌可為土壤性質(zhì)的變化趨勢提供可靠的依據(jù)，是土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的重要生物學(xué)指標(biāo)[3]。煤矸山是煤矸石堆存形成的，其大量堆存不僅破壞和占用土地，而且可能引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題[4]。所以，對煤矸山進(jìn)行復(fù)墾治理是改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效途徑[5]。目前，采用推平覆土造地后進(jìn)行植被綠化是我國北方地區(qū)對早期形成的煤矸山復(fù)墾治理的主要方式[6]。但是煤矸山推平覆土?xí)r通過碾壓、鏟平等工程技術(shù)措施形成的“重構(gòu)土壤”改變了土壤的水、肥、氣、熱等特性[7]，并可能受到底層煤矸石中重金屬污染的脅迫，使土壤微生物功能菌數(shù)量變化，從而影響土壤中營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和肥力釋放，造成復(fù)墾重構(gòu)土壤質(zhì)量狀況較差。當(dāng)前，已有利用微生物活性反映礦區(qū)破壞土壤質(zhì)量演變狀況的相關(guān)研究報(bào)道[8-9]。但利用土壤微生物功能菌揭示煤矸山復(fù)墾重構(gòu)土壤質(zhì)量演化狀況的研究報(bào)道并不多見。因此，研究不同復(fù)墾年限煤矸山土壤微生物功能菌變化特征及其與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，可以揭示不同復(fù)墾年限煤矸山土壤質(zhì)量的變化情況及其主要的驅(qū)動因子，有助于指導(dǎo)煤矸山“因時制宜”的開展植被復(fù)墾。本文以山西省霍州曹村煤礦3種年限煤矸山復(fù)墾地為研究對象，分析不同復(fù)墾年限土壤性質(zhì)和微生物功能菌數(shù)量的差異，揭示土壤理化性質(zhì)對微生物功能菌數(shù)量的影響，以期為煤矸山植被復(fù)墾工作提供理論指導(dǎo)，也可為煤矸山復(fù)墾地土壤質(zhì)量的評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省霍州市曹村礦區(qū)，本區(qū)屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫12.2℃，年均降雨量353～688 mm，降水年內(nèi)分配不勻，主要集中在7，8，9月共3個月，年日照時數(shù)2 265.1 h，全年無霜期170～230 d。研究樣區(qū)位于該礦南下莊矸石山(36°30′47.9″N,111°42′10.6″E)，海拔(561±4) m，地貌為低山丘陵，土壤類型為褐土。該矸石山復(fù)墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6萬m2，垂直高度約50 m。矸石山于2008年、2010年和2012年分別對東面、南面和西面山頭進(jìn)行推平覆土(覆土土壤均取自煤矸山附近，覆土厚度為100～120 cm)。覆土造地后分別栽植桃樹(Prunuspersica)、石榴樹(PunicagranatumL.)和棗樹(ZiziphusjujubaMill.)，株行距均約為2 m×3 m，由此形成3種復(fù)墾年限的果園。復(fù)墾后，果園水肥管理措施與當(dāng)?shù)仄胀ü麍@一致，在每年初春施用牛、羊糞等有機(jī)肥，施肥量均約為600 kg/hm2，果園每年初春和入冬時各澆水1次，澆水量均約為5 000 m3/hm2。

2 材料與方法

2.1 土樣采集

以年限為4 a(R4a)，6 a(R6a)和8 a(R8a)的復(fù)墾地為研究樣地，以煤矸山附近原地貌普通果園為對照(CK)，采樣時間為2016年10月，采樣時為了盡量消除覆土作業(yè)時造成的土壤空間異質(zhì)性，每個樣地隨機(jī)選取3 個樣方(10 m×10 m)，各樣方內(nèi)用S型在距果樹基部1～2 m取5點(diǎn)，由此形成3個重復(fù)樣。采樣土層為0—10 cm和10—20 cm，用土鉆(直徑5 cm)取樣。樣品分3部分，一份裝入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室測定含水量，另外兩份裝入無菌密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，一份新鮮土樣過2 mm篩后測定土壤微生物功能菌數(shù)量，另一份自然風(fēng)干過篩后測定土壤理化性質(zhì)。

2.2 土樣分析與處理

土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤含水量測定用烘干法(105℃，8 h)；土壤pH值測定采用電位法(水∶土為5∶1)；土壤堿解氮含量的測定采用NaOH—H3BO3法；有效磷采用碳酸氫納浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨—火焰光度計(jì)法；土壤微生物好氧固氮菌、氨化細(xì)菌、纖維素分解菌和有機(jī)磷細(xì)菌測定用最大或然數(shù)法(MPN)，無機(jī)磷細(xì)菌測定用稀釋涂布平板法。

利用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(Duncan多重比較)、簡單相關(guān)分析(Pearson檢驗(yàn)法)和主成分分析，制圖采用Origin 8.6軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種復(fù)墾年限樣地土壤理化性質(zhì)的差異

表1是R4a，R6a和R8a和CK樣地土壤理化性質(zhì)差異情況?？梢?，在0—10 cm土層，隨復(fù)墾年限的增加，土壤pH值無差異，含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均明顯增加，但速效鉀含量下降。在10—20 cm土層，土壤性質(zhì)變化趨勢與0—10 cm相似，也表現(xiàn)為土壤pH值無差異，含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷含量隨復(fù)墾年限增加呈增加趨勢，速效鉀呈降低趨勢。此外，與CK相比，3種復(fù)墾年限樣地0—10 cm土層土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均明顯偏低，在10—20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量明顯偏低，而在兩土層中pH值均偏高。

3.2 3種復(fù)墾年限樣地土壤微生物功能菌總量的差異

圖1A是R4a，R6a，R8a和CK樣地土壤微生物功能菌總量的差異(因無機(jī)磷細(xì)菌與其他菌群計(jì)數(shù)單位不同，所以此處僅統(tǒng)計(jì)除無機(jī)磷細(xì)菌外的其他功能菌)。從中可見，在0—10 cm土層，與R4a相比，R6a，R8a樣地土壤微生物功能菌的總量明顯增加。在10—20 cm土層，R6a樣地與R4a樣地相比，微生物功能菌總量明顯增加，但R8a與R6a相比無明顯差異。同時3種復(fù)墾年限樣地0—10，10—20 cm土層微生物功能菌總量均低于CK樣地。

表1 3種復(fù)墾樣地和CK樣地土壤理化性質(zhì)

注：同一土層后不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.3 3種復(fù)墾年限樣地各土壤功能菌數(shù)量變化特征

圖1B—1F分別是R4a，R6a，R8a和CK樣地土壤微生物好氧固氮菌、氨化細(xì)菌、纖維素分解菌、有機(jī)磷細(xì)菌、無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量的變化。在0—10 cm土層，5種土壤微生物功能菌變化趨勢不同。好氧固氮菌、氨化細(xì)菌、有機(jī)磷細(xì)菌和無機(jī)磷細(xì)菌含量均隨復(fù)墾年限的增加而增加。其中，好氧固氮菌和氨化細(xì)菌增幅最明顯。而纖維素分解菌數(shù)量在R6a樣地中增加，但在R8a樣地中降低。在10—20 cm土層中，土壤微生物功能菌的變化趨勢與0—10 cm土層一致，也表現(xiàn)為好氧固氮菌、氨化細(xì)菌、有機(jī)磷細(xì)菌和無機(jī)磷細(xì)菌含量隨復(fù)墾年限的增加而增加，但纖維素分解菌數(shù)量呈先增后減的趨勢。同時，與CK相比，3種復(fù)墾樣地除有機(jī)磷菌在0—10 cm土層無顯著差異外，其余功能菌數(shù)量在0—10，10—20 cm土層均明顯偏低。

圖13種復(fù)墾樣地和CK樣地土壤微生物功能菌群總量及各功能菌群量

3.4 3種復(fù)墾年限樣地土壤微生物功能菌數(shù)量與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

3.4.1 土壤微生物功能菌與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析 表2是3種復(fù)墾樣地土壤微生物功能菌數(shù)量與土壤理化性質(zhì)關(guān)系。從中可見，好氧固氮菌數(shù)量與土壤含水量和土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，氨化細(xì)菌數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷呈正相關(guān)，但與pH值呈負(fù)相關(guān)；纖維素分解菌數(shù)量與有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，和pH值呈負(fù)相關(guān)；有機(jī)磷細(xì)菌與有效磷含量呈正相關(guān)。無機(jī)磷細(xì)菌與土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)。此外，從各功能菌受土壤理化性質(zhì)影響程度的差異來看，氨化細(xì)菌和纖維素分解菌數(shù)量與土壤理化性質(zhì)因子相關(guān)系數(shù)的絕對值之和(∑r)最大，表明其受土壤理化性質(zhì)的影響最大。

3.4.2 土壤理化性質(zhì)的主成分分析 表3是3種復(fù)墾樣地土壤理化性質(zhì)主成分分析的結(jié)果。從中可見，由6個土壤理化性質(zhì)指標(biāo)所表征的影響因子的主成分1與主成分2的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到87.2%，可以用來反映煤矸山土壤微生物功能菌系統(tǒng)內(nèi)的變異情況。從貢獻(xiàn)率和特征值來看，各主成分評價(jià)煤矸山土壤微生物功能菌的影響力依次為主成分1(PC1)>主成分2(PC2)。由第一、二主成分的系數(shù)來看，第一主成分主要由有效磷、堿解氮、含水量、pH值、有機(jī)質(zhì)決定。有效磷是影響第一主成分的主要因子。第二主成分由速效鉀決定其大小。

表2 3種復(fù)墾年限樣地土壤微生物功能菌數(shù)量與土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：自由度為22，*表示在p<0.05水平顯著，**表示p<0.01水平顯著，∑r為對應(yīng)列相關(guān)系數(shù)絕對值之和。

表3 3種樣地土壤理化性質(zhì)的主成分分析結(jié)果

4 討 論

研究表明，土壤微生物功能菌在土壤形成及養(yǎng)分供給中起重要作用，可用來判斷土壤的熟化程度[10]。本研究中，3種復(fù)墾年限樣地土壤微生物功能菌總量隨復(fù)墾年限增加呈增加趨勢，表明煤矸山植被復(fù)墾有效地改善了土壤微生物的生長環(huán)境，促進(jìn)了功能菌數(shù)量的增加。同時，3種復(fù)墾樣地土壤理化性質(zhì)的主成分分析結(jié)果表明，含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷是影響微生物功能菌數(shù)量的重要因子。同時，3種樣地土壤性質(zhì)的差異也顯示隨著復(fù)墾年限的增加土壤水肥狀況明顯變優(yōu)，如與R4a樣地相比，R6a樣地0—10 cm土層含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷分別增加76.5%，34.7%，133.6%和18.3%，R8a樣地相比R6a樣地分別增加24.1%，116.6%，0.5%和132.6%。由此可見，煤矸山植被復(fù)墾后，隨著施肥、澆水等田間管理措施的實(shí)施，復(fù)墾果園土壤氮、磷等養(yǎng)分含量增加，土壤貯水能力也提高，微生物生存環(huán)境有了明顯改善，使土壤微生物功能菌數(shù)量明顯增加。同時，研究發(fā)現(xiàn)，纖維素分解菌數(shù)量與其他功能菌數(shù)量變化不同，表現(xiàn)為先上升后下降，造成這種現(xiàn)象的原因可能在于，隨復(fù)墾年限增加，土壤熟化程度不斷提高，因而土壤中纖維素類物質(zhì)在R6a樣地含量增加，但R8a樣地相對有所降低，造成纖維素分解菌數(shù)量也有所下降，這在其他研究中也有類似發(fā)現(xiàn)[11]。此外，研究也發(fā)現(xiàn)，雖然煤矸山復(fù)墾土壤功能菌數(shù)量隨復(fù)墾年限的增加明顯增加，但即使在最大復(fù)墾年限R8a樣地中，土壤微生物功能菌數(shù)量仍低于當(dāng)?shù)仄胀ü麍@(CK)，這說明在最大年限8 a內(nèi)，煤矸山復(fù)墾土壤質(zhì)量仍未達(dá)到與當(dāng)?shù)仄胀ü麍@相當(dāng)?shù)乃健?/p>

5 結(jié) 論

(1) 隨著復(fù)墾年限的增加，3種復(fù)墾年限樣地0—10 cm和10—20 cm土層均表現(xiàn)為土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量增加，速效鉀含量降低。與CK相比，3種復(fù)墾年限樣地0—10 cm土層土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷含量均明顯偏低，在10—20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量明顯偏低。

(2) 3種復(fù)墾樣地土壤微生物功能菌總量隨復(fù)墾年限的增加呈增加趨勢，但仍低于原地貌普通果園(CK)；3種復(fù)墾年限土壤各類微生物功能菌數(shù)量的差異表現(xiàn)為：好氧固氮菌、氨化細(xì)菌、有機(jī)磷細(xì)菌、無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量隨復(fù)墾年限的增加而增加，而纖維素分解菌數(shù)量呈先增后減的趨勢。

(3) 3種復(fù)墾樣地土壤功能菌數(shù)量與土壤性質(zhì)間的相關(guān)分析表明，氨化細(xì)菌和好氧纖維素分解菌受土壤理化性質(zhì)的影響最大；主成分分析結(jié)果表明，有效磷、堿解氮、含水量是影響土壤微生物功能菌數(shù)量的主要因子。

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