煤矸石山土壤微生物數(shù)量和理化性質(zhì)的時空變化

李　俠，梅振芳，韓志平，何　廣，張弘弛

(1.山西大同大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 大同 037009； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 3.陜西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710000)

煤矸石是煤炭開采過程中排放最多的固體廢物，堆放的煤矸石向周圍土壤和空氣中不斷釋放有毒有害物質(zhì)。植物復(fù)墾是廢棄地最常采用的一種土壤修復(fù)方式，然而煤矸石山由于土壤養(yǎng)分含量低、結(jié)構(gòu)惡劣，尤其是土壤微生物的缺乏和不平衡，嚴重制約著植物的生長。土壤微生物可以分解煤矸石中難溶物質(zhì)，促進風(fēng)化和養(yǎng)分的釋放，還可以幫助植物固定空氣中的氮氣，菌根真菌通過根外菌絲可以吸收煤矸石風(fēng)化物中難移動性養(yǎng)分[1]；同時還參與土壤團聚體的形成，改良土壤結(jié)構(gòu)[2]。然而，也有一些微生物會引起植物病害甚至死亡。因此，土壤微生物是衡量土壤健康的一項重要指標(biāo)[3]。

近年來，關(guān)于不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物的研究異?；钴S。閻愛華等[4]研究核桃生態(tài)保持林時發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量隨核桃種植年限增長、土壤深度增加而逐漸增多，微生物可以有效改善土壤理化條件。在荒漠灌區(qū)發(fā)現(xiàn)，隨苜蓿種植年限的增加，細菌和放線菌數(shù)量均呈先增加后降低再增加的趨勢，真菌數(shù)量呈先增加后降低的趨勢[5]。王喜枝等[6]在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著大蒜連作時間的延長，土壤微生物數(shù)量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。蘇成西等[7]研究表明，退耕還林可顯著增加土壤微生物數(shù)量，不同退耕還林模式土壤微生物數(shù)量均表現(xiàn)為細菌>真菌>放線菌。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于煤矸石區(qū)各類群微生物數(shù)量的研究相對較少，且極少有解析引起微生物差異的驅(qū)動因子研究。為此，選取大同市3座排矸年限和空間位置不同的煤矸石山進行微生物數(shù)量的時空變化研究，同時分析土壤理化性質(zhì)以探討可能導(dǎo)致微生物數(shù)量發(fā)生變化的驅(qū)動因子，從而為我國北方煤礦區(qū)生態(tài)重建提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究在大同市礦區(qū)進行，該區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，夏季短暫少雨，冬季漫長寒冷，全年溫差較大，干燥多風(fēng)，年平均氣溫為5 ℃，年平均降水量為500 mm。選取礦區(qū)3座排矸年限和空間位置不同的煤矸石山進行土樣采集，分別是忻州窯礦舊煤矸石山(簡稱忻州窯礦)，排矸年限50～60 a；晉華宮礦舊煤矸石山(簡稱晉華宮舊礦)，排矸年限50～60 a；晉華宮礦新煤矸石山(簡稱晉華宮新礦)，排矸年限10～20 a。

1.2　土樣采集

2016年6月，分別在忻州窯礦、晉華宮舊礦和晉華宮新礦區(qū)取樣，同時以未受采煤影響的文瀛湖公園作為對照地取樣，在每個取樣地隨機選取3個樣方。每個樣方選5個點，去除表面的雜草后用土鉆取0～20 cm土樣，然后將5個點的土樣充分混勻作為一個待測樣品，每個樣品分成兩部分，一部分新鮮樣品用于微生物培養(yǎng)和計數(shù)，一部分風(fēng)干后測定土壤理化性質(zhì)。

1.3　測定項目及方法

細菌、真菌及放線菌分別使用牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基、改良的馬丁氏培養(yǎng)基和高氏一號培養(yǎng)基進行培養(yǎng)，病原菌采用PCNB培養(yǎng)基進行培養(yǎng)[8]，采用稀釋平板法分離計數(shù)。土壤pH 值采用酸度計測定，土壤EC值采用電導(dǎo)法測定，土壤全氮含量采用濃H2SO4消煮、全自動凱氏定氮儀測定，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—稀釋熱法測定，速效磷含量采用NaHCO3—鉬銻抗比色法測定[9]。

1.4　各類群微生物數(shù)量的變異強度和時空變異系數(shù)計算

不同煤矸石山間的時空變化用變異系數(shù)表示[10-11]，計算公式如下：

1.5　數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，其中多重比較采用Duncan’s新復(fù)極差法。

2　結(jié)果與分析

2.1　不同煤矸石山土壤微生物數(shù)量分析

從表1可發(fā)現(xiàn)，不同煤矸石山土壤微生物總量表現(xiàn)為忻州窯礦舊煤矸石山>晉華宮礦舊煤矸石山>文瀛湖公園>晉華宮礦新煤矸石山，彼此間差異顯著，忻州窯礦舊煤矸石山、晉華宮礦舊煤矸石山土壤微生物總量分別是晉華宮礦新煤矸石山的2.83、2.53倍，說明隨著排矸年限增加，微生物總量顯著增加。

進一步對各類微生物數(shù)量進行分析(表1)發(fā)現(xiàn)，不同礦區(qū)煤矸石山間土壤細菌、真菌、放線菌和病原菌數(shù)量總體上均存在顯著差異，不同微生物數(shù)量總體表現(xiàn)為細菌>放線菌>真菌>病原菌。細菌、真菌、病原菌數(shù)量均表現(xiàn)為忻州窯礦舊煤矸石山>晉華宮礦舊煤矸石山>晉華宮礦新煤矸石山，且差異均達到顯著水平，前兩者細菌數(shù)量分別是后者的3.09、2.73倍，真菌數(shù)量分別是后者的2.89、1.91倍，病原菌數(shù)量分別是后者的2.98、2.32倍；不同煤矸石山間放線菌數(shù)量則表現(xiàn)出相反的變化趨勢，表現(xiàn)為晉華宮礦新煤矸石山>晉華宮礦舊煤矸石山>忻州窯礦舊煤矸石山，且差異達到顯著水平，前者分別為后兩者的1.54、1.99倍，文瀛湖公園與晉華宮礦新煤矸石山差異不顯著?？梢姡S著排矸年限增加，細菌、真菌和病原菌數(shù)量增加，而放線菌數(shù)量減少。

表1　不同煤矸石山土壤微生物數(shù)量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，下同。

2.2　不同煤矸石山土壤理化性質(zhì)分析

從表2可以看出，土壤有機質(zhì)和全氮含量均表現(xiàn)為忻州窯礦舊煤矸石山>晉華宮礦舊煤矸石山>晉華宮礦新煤矸石山，三者之間差異顯著，前二者土壤有機質(zhì)含量分別是后者的5.99、1.87倍，全氮含量分別是后者的3.80、1.67倍；速效磷含量則表現(xiàn)為晉華宮礦新煤矸石山顯著高于晉華宮礦舊煤矸石山和忻州窯礦舊煤矸石山，分別是后兩座煤矸石山的3.18、3.45倍；3座煤矸石山土壤pH值和EC值均無顯著差異。

表2　不同煤矸石山土壤理化性質(zhì)

2.3　不同煤矸石山土壤理化性質(zhì)與微生物數(shù)量的相關(guān)分析

從表3可以發(fā)現(xiàn)，煤矸石山土壤細菌、真菌和病原菌數(shù)量與土壤有機質(zhì)、全氮含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤速效磷含量呈顯著或極顯著負相關(guān)，而放線菌數(shù)量表現(xiàn)出相反的規(guī)律；這幾類微生物數(shù)量與土壤pH、EC值均無顯著相關(guān)關(guān)系。

表3　煤矸石山土壤養(yǎng)分含量與微生物數(shù)量的相關(guān)性

注：*、*分別表示在0.05、0.01水平上顯著、極顯著相關(guān)。

2.4　煤矸石山土壤微生物數(shù)量和養(yǎng)分含量的時空變化

從圖1可以看出，煤矸石山土壤各類群微生物數(shù)量的空間變異系數(shù)均顯著低于時間變異系數(shù)，即不同年限的兩座煤矸石山間土壤微生物數(shù)量的變化要大于不同空間位置的兩座煤矸石山間的變化。從圖2可以看出，煤矸石山間土壤有機質(zhì)和全氮含量的空間變異系數(shù)均顯著高于時間變異系數(shù)，即不同空間位置的兩座煤矸石山間有機質(zhì)、全氮含量的變化大于不同年限的兩座煤矸石山間的變化，土壤速效磷含量表現(xiàn)出相反的趨勢。

*、*分別表示在0.05、0.01水平上顯著、極顯著，下同圖1　煤矸石山土壤微生物數(shù)量的時空變化

圖2　煤矸石山土壤養(yǎng)分含量的時空變化

3　結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，所有煤矸石山土壤微生物總體上均表現(xiàn)為細菌>放線菌>真菌，細菌在總微生物數(shù)量中占絕對優(yōu)勢，這與甄莉娜等[12]在農(nóng)牧交錯帶不同土地利用方式下及張喚等[13]在鹽堿化草地上的研究結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)，隨排矸年限增加，煤矸石山細菌、真菌和病原菌數(shù)量均大幅增加，且與土壤有機質(zhì)和全氮含量呈顯著正相關(guān)。張威等[14]也發(fā)現(xiàn)，在沙模化土壤修復(fù)過程中可培養(yǎng)微生物數(shù)量與土壤碳、氮含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系?？赡茉蚴请S著風(fēng)化年限增加，植被恢復(fù)程度較高，植物生長過程中釋放的分泌物及凋亡后的殘體為微生物提供了豐富的食物來源，提高了微生物數(shù)量，本研究中有機質(zhì)和全氮含量隨著排矸年限增加而提高也證實了這一點。鄭彬[15]研究也表明，有機質(zhì)等養(yǎng)分含量隨排矸年限增加而升高，與本研究結(jié)果基本一致。

馬守臣等[16]在山西長治司馬礦煤矸石山研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)墾年限增加，放線菌所占比例呈增加的趨勢，而本研究中放線菌數(shù)量卻隨著排矸年限增加而減少?？赡茉蚴欠啪€菌喜好水分含量低的環(huán)境，相比長治地區(qū)，大同地區(qū)水分含量較低，水分成為放線菌生長的首要制約因子，隨著排矸年限增加，植被覆蓋程度提高，相應(yīng)增加了煤矸石山水分含量，一定程度上抑制了放線菌生長。嚴家平等[17]研究風(fēng)化0～25 a的煤矸石發(fā)現(xiàn)，煤矸石表層土壤的pH、EC值在風(fēng)化10 a后達到一個相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。本研究中煤矸石山土壤pH、EC值沒有顯著變化的原因可能是采樣的3座煤矸石山風(fēng)化年限均超過10 a，pH、EC值已處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。

本研究發(fā)現(xiàn)，微生物數(shù)量在時間尺度上的變化大于空間尺度，原因可能是相比不同空間位置，不同年限煤矸石山的植被覆蓋程度差異較大，而微生物受植被覆蓋的影響較強，即對生物因素的依賴程度較高。王尚義等[18]對山西省河?xùn)|礦區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煤矸石植被恢復(fù)年限增加植被蓋度和生物量明顯提高；董小培[19]在研究烏魯木齊河源區(qū)土壤微生物時空變化時發(fā)現(xiàn)，相比海拔高度，植被類型在一定程度上決定細菌的生長；Vályi等[20]研究也表明，在較小取樣范圍叢枝菌根真菌群落主要受生物因素即植物的制約，這些研究從不同角度佐證了本研究中微生物數(shù)量對時間尺度有較強的敏感性。而土壤理化性質(zhì)，如有機質(zhì)和全氮含量在空間尺度的變化大于時間尺度，原因可能是土壤理化性質(zhì)受煤矸石山初始組成成分的影響較強，即對非生物因素的依賴程度較高。趙明松等[21]研究結(jié)果表明，土壤有機質(zhì)含量主要受土壤機械組成、成土母質(zhì)等非生物因素的制約。

總之，隨著排矸年限增加，煤矸石山細菌、真菌和病原菌數(shù)量大幅提高，均與土壤有機質(zhì)和全氮含量呈顯著正相關(guān)；而放線菌數(shù)量隨排矸年限增加而降低；排矸年限對煤矸石山微生物生長起主要的決定作用，空間位置對煤矸石山有機質(zhì)和全氮含量起主要的決定作用。