采煤塌陷復(fù)墾區(qū)先鋒植物根際微生物數(shù)量的變化

侯穎　丁錦平

摘要：采用以空間代替時(shí)間的方法，研究了采煤塌陷區(qū)復(fù)墾后土壤自然演替狀況下先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化，探討不同先鋒植物根際微生物變化的特征和規(guī)律。結(jié)果表明，不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同，其中，復(fù)墾1年后的土壤，狗尾草的根際細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量及微生物總量均大于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，復(fù)墾3年后則相反；兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)而顯著增加，其中，細(xì)菌和放線茵數(shù)量增加的較快，因此，細(xì)菌所占微生物總量的比例隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)而增加，而真菌的比例降低。復(fù)墾后土壤上的先鋒植物根際效應(yīng)十分明顯，從微生物類(lèi)群來(lái)看，根際效應(yīng)是真菌>放線茵>細(xì)菌，從植物類(lèi)別來(lái)看，復(fù)墾1年后的土壤上，先鋒植物狗尾草的根際效應(yīng)大于刺兒菜，但復(fù)墾3年后則相反，說(shuō)明隨著物種和時(shí)間的變化，根際效應(yīng)也發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：采煤塌陷區(qū)；復(fù)墾地；先鋒植物；根際微生物

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)利用為社會(huì)進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但同時(shí)也嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，如煤炭井工開(kāi)采引起大面積地表塌陷，從而造成地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，并產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題。因此，中國(guó)在《土地復(fù)墾規(guī)定》的基礎(chǔ)上于2011年又頒布了《土地復(fù)墾條例》，以期提高復(fù)墾土地的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

在塌陷區(qū)土地復(fù)墾過(guò)程中，土壤質(zhì)量和植被的恢復(fù)是受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵。而在土壤一植被的復(fù)雜關(guān)系中，土壤微生物起著非常重要的作用。一方面，土壤微生物將有機(jī)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)養(yǎng)分，以利于植物吸收利用；另一方面，植物通過(guò)其根際分泌物為微生物提供重要的能量物質(zhì)，影響著土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝活性。有關(guān)采煤塌陷復(fù)墾區(qū)土壤微生物的研究大多集中在土壤微生物與土壤性質(zhì)的關(guān)系、不同復(fù)墾模式及年限對(duì)土壤微生物的影響、不同施肥對(duì)土壤微生物的影響以及微生物在土壤修復(fù)中的應(yīng)用等方面，對(duì)工程復(fù)墾后土壤自然恢復(fù)狀況下先鋒植物根際微生物的研究較少。

土壤微生物與植物根際微環(huán)境進(jìn)行著復(fù)雜頻繁的相互作用，不同植物根分泌物的種類(lèi)和數(shù)量不同，因此對(duì)根際微生物的影響不同。采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤上種植的先鋒植物的根系分泌物為微生物提供重要的能量物質(zhì)，其成分和數(shù)量影響著微生物的種類(lèi)和數(shù)量。因此，本試驗(yàn)采用以空間代替時(shí)間的方法，對(duì)塌陷區(qū)復(fù)墾后土壤自然演替狀況下先鋒植物根際微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量進(jìn)行研究，探討不同先鋒植物根際微生物變化的特征和規(guī)律，對(duì)討論自然環(huán)境狀態(tài)下土壤發(fā)育過(guò)程有著重要意義。同時(shí)探索塌陷復(fù)墾區(qū)先鋒植物根際微生物的變化特征及植物與微生物的關(guān)系，對(duì)選擇適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的鄉(xiāng)土先鋒植物以及礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)中人工利用有益微生物具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1.材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)六大無(wú)煙煤生產(chǎn)基地之一——河南省永城采煤區(qū)范圍內(nèi)，介于東經(jīng)115°58′-116°39′、北緯33°42′-34°18′，平均海拔33 m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱的大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.3℃，年降雨量874 mm，年均日照時(shí)間2 318 h。區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型簡(jiǎn)單，主要分布有潮土和砂漿黑土2個(gè)土類(lèi)，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，呈弱堿性或中性（pH7.0-8.5）。采煤塌陷后的區(qū)域采用“挖深墊淺”的方法進(jìn)行工程復(fù)墾，工程復(fù)墾后的土壤質(zhì)量較低，因此，復(fù)墾初期大部分土地處在撂荒狀態(tài)。

1.2土壤樣品采集與處理

在研究區(qū)選取復(fù)墾工藝相同但復(fù)墾年限不同的復(fù)墾區(qū)（復(fù)墾年限分別是1年和3年）進(jìn)行采樣，并以附近未受影響的正常農(nóng)田作為對(duì)照。在不同復(fù)墾年限區(qū)和農(nóng)田內(nèi)分別選取3個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)分別選取生長(zhǎng)健壯的先鋒植物狗尾草和刺兒菜3株，按物種采用抖動(dòng)法采集根際土壤，土壤混合均勻作為一個(gè)樣品。將土壤分別置于無(wú)菌自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，放入冰箱4℃保存待用。

1.3土壤微生物數(shù)量測(cè)定

細(xì)菌、真菌、放線菌計(jì)數(shù)采用平板稀釋涂布法。細(xì)菌培養(yǎng)用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基分別進(jìn)行培養(yǎng)，具體測(cè)定方法參考文獻(xiàn)。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)主要采用方差分析的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)和圖表采用軟件SPSS 19.0和Excel 2010完成。

2.結(jié)果與分析

2.1不同先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化

不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同。由表1可知，復(fù)墾1年后的土壤，其先鋒植物狗尾草的根際細(xì)菌和放線菌數(shù)量均顯著大于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，由于細(xì)菌占微生物總量的絕大部分，因此，狗尾草的根際微生物總量也顯著大于刺兒菜的根際微生物總量，分別為31.2×10⁴CFU/g和20.9×10⁴CFU/g；相反，復(fù)墾3年后的土壤，狗尾草的根際細(xì)菌和放線菌數(shù)量均小于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，相應(yīng)地，其根際微生物總量也顯著小于刺兒菜的根際微生物總量，分別為67.7×10⁴CFU/g和96.9×10⁴CFU/g；但不同先鋒植物之間真菌數(shù)量的差異并不顯著。

不同先鋒植物根際微生物的組成比例也不同。由表1可知，復(fù)墾1年后的土壤，狗尾草的根際細(xì)菌、真菌和放線菌的比例分別為77.6%、13.1%和9.3%，而刺兒菜的根際細(xì)菌、真菌和放線菌的比例分別為74.2%、16.8%和9.1%，其中，刺兒菜的根際真菌占微生物總量的比例大于狗尾草；相反，復(fù)墾3年后的土壤，刺兒菜的根際真菌所占微生物總量的比例卻小于狗尾草。可見(jiàn)，隨復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，不同先鋒植物根際細(xì)菌和放線菌的組成比例變化基本一致，而真菌的比例在不同先鋒植物間差異加大。

2.2不同復(fù)墾年限先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化

由表1可知，兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均隨復(fù)墾年限的延長(zhǎng)而顯著增加。其中，復(fù)墾3年后的狗尾草的根際細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量是復(fù)墾1年后的2.3、1.4和2.2倍，而復(fù)墾3年后的刺兒菜的根際細(xì)菌、真菌和放線菌是復(fù)墾1年后的5.3、1.8和4.9倍?？梢?jiàn)，隨復(fù)墾年限的增加，細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加的較快。但與對(duì)照相比，無(wú)論是根際微生物總量還是各類(lèi)群的數(shù)量均顯著小于對(duì)照。隨復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，兩種先鋒植物根際細(xì)菌所占微生物總量的比例均增加，復(fù)墾1年和3年后狗尾草細(xì)菌所占比例分別為77.6%和81.8%，刺兒菜的分別為74.2%和84.0%：真菌所占比例降低，復(fù)墾1年和3年后狗尾草真菌所占比例分別為13.1%和8.6%，刺兒菜的分別為16.8%和6.4%，真菌所占比例均高于對(duì)照：放線菌所占比例變化不顯著。

2.3采煤塌陷復(fù)墾區(qū)不同先鋒植物的根際效應(yīng)

植物生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)根分泌的方式向根周?chē)尫鸥鞣N化合物，因此，根際微生物在數(shù)量和質(zhì)量上與根際以外的微生物不同，這兩者的數(shù)量比稱為根際效應(yīng)（R/S），表示植物根系對(duì)微生物的影響程度。由圖1可知，復(fù)墾后土壤上的先鋒植物根際效應(yīng)十分明顯，且不同先鋒植物的根際效應(yīng)不同。由圖1A可知，復(fù)墾1年的土壤上，先鋒植物狗尾草的總微生物根際效應(yīng)為1.9，刺兒菜的為1.2，但復(fù)墾3年后則相反，狗尾草和刺兒菜總微生物根際效應(yīng)分別為3.2和4.5，說(shuō)明隨著物種和時(shí)間的變化，根際效應(yīng)也發(fā)生變化。從微生物類(lèi)群來(lái)看（圖1B），真菌的根際效應(yīng)最明顯，其R/S為14.5-68.3：其次是放線菌，其R/S為2.8～29.0；細(xì)菌的根際效應(yīng)最小，其R/S為0.9-4.3。且隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，細(xì)菌的根際效應(yīng)顯著增加，但真菌和放線菌的則降低。

3.小結(jié)與討論

根際微生物是聚居在根際土壤，以根際分泌物為主要營(yíng)養(yǎng)的一群微生物。因此，根分泌物為土壤微生物提供大量的營(yíng)養(yǎng)和能源物質(zhì)，直接影響著根際微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)。不同植物根分泌物的種類(lèi)和數(shù)量不同，因此，對(duì)微生物的影響往往也存在差異。本研究表明，采煤塌陷復(fù)墾后的土壤上不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同，復(fù)墾1年的土壤，先鋒植物狗尾草的根際各類(lèi)群微生物數(shù)量均大于相應(yīng)的刺兒菜的根際微生物，但復(fù)墾3年的土壤上先鋒植物的根際微生物數(shù)量則相反。原因可能是狗尾草為一年生植物，而刺兒菜為多年生植物，隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，多年生植物根分泌物逐年積累，為微生物提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而根系提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，根際微生物就越豐富。

土壤微生物數(shù)量及組成受土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、土壤質(zhì)地、植被組成和覆蓋度的綜合影響，因此，土壤微生物3大類(lèi)群的數(shù)量及其組成的變化可以敏感地反映土壤質(zhì)量的變化。采用“挖深墊淺”的模式進(jìn)行土地復(fù)墾，原耕作層與深層土壤相混合，破壞了原有的土壤結(jié)構(gòu)，使復(fù)墾土地較貧瘠，因此，土壤微生物數(shù)量顯著低于對(duì)照。但隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，由于地上植物的生長(zhǎng)和土壤熟化程度增加，根際土壤微生物數(shù)量發(fā)生變化。本研究表明，復(fù)墾后的土壤隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均顯著增加，這一結(jié)果與樊文華等對(duì)復(fù)墾區(qū)土壤微生物的研究結(jié)果相一致。但由于不同類(lèi)群微生物數(shù)量增加的幅度不同，從而導(dǎo)致微生物組成也隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)而變化。本研究中，隨著復(fù)墾年限的延長(zhǎng)，細(xì)菌所占微生物比例增加，而真菌所占比例顯著降低。這可能與土壤中有機(jī)質(zhì)含量增加有關(guān)。有研究表明，土壤中細(xì)菌數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)。而真菌是好氣性微生物，在塌陷區(qū)復(fù)墾工程實(shí)施初期，復(fù)墾土壤疏松，通氣狀況良好，真菌數(shù)量迅速增加，但隨著復(fù)墾年限延長(zhǎng)，土壤密度增加而孔隙度逐漸下降，透氣性變差，因此抑制了真菌數(shù)量的增加。

根際效應(yīng)體現(xiàn)了植物根系與微生物的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，根際效應(yīng)越明顯，說(shuō)明其根際分泌物比較旺盛，即其生長(zhǎng)越好。本研究表明，土壤微生物總量在總體上均表現(xiàn)出正的根際效應(yīng)，即根際微生物數(shù)量高于非根際土壤。根際效應(yīng)越明顯，說(shuō)明根際分泌物就越旺盛，土壤的修復(fù)效果也越好，因此，在復(fù)墾初期種植適當(dāng)?shù)闹参锬芨玫馗纳仆寥赖馁|(zhì)量。但不同植物的根際效應(yīng)不同，也表明它們?cè)诟纳仆寥蕾|(zhì)量方面存在差異。本研究中，隨著物種和時(shí)間的變化，根際效應(yīng)也發(fā)生變化。其中，復(fù)墾1年的土壤上，先鋒植物狗尾草的根際效應(yīng)大于刺兒菜，但復(fù)墾3年后的根際效應(yīng)則相反?？赡茉蚴菑?fù)墾1年的土壤上，一年生狗尾草的須根系最大程度地提供了與微生物接觸的根表面積，促進(jìn)了微生物數(shù)量增加：而多年生的刺兒菜是直根系，在復(fù)墾1年的時(shí)候根表面積相對(duì)較小，但隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng)，根系的增加和根分泌物在同一地點(diǎn)多年的積累都促進(jìn)了微生物數(shù)量的增加，因此，其根際效應(yīng)反而大于狗尾草的根際效應(yīng)。

采煤塌陷復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量的主要衡量指標(biāo)之一是土壤微生物的數(shù)量和組成比例，而在復(fù)墾初期，先鋒植物的根際微生物在整個(gè)土壤微生物群落中占有重要地位。因此，開(kāi)展先鋒植物根際微生物的研究是深入認(rèn)識(shí)復(fù)墾初期植物類(lèi)型與土壤微生物相互作用過(guò)程及機(jī)制的關(guān)鍵，有助于闡明土壤生態(tài)系統(tǒng)演變的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)于合理開(kāi)展復(fù)墾土壤的恢復(fù)有理論指導(dǎo)意義。但如何將自然演替狀態(tài)下先鋒植物根際微生物的變化規(guī)律應(yīng)用在人為干擾下復(fù)墾土壤的恢復(fù)中還有待進(jìn)一步研究。