礦區(qū)復(fù)墾與微生物生態(tài)恢復(fù)研究

宋莉 武曉燕 秦潔

摘要：礦區(qū)是當(dāng)今陸地生態(tài)系統(tǒng)破壞和退化最嚴(yán)重的區(qū)域之一，礦區(qū)復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)已成為國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。以往礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的研究主要集中于地上部分植被的恢復(fù)，而忽視了地下土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的重建。本文通過(guò)對(duì)礦區(qū)土壤微生物的生態(tài)特征、生態(tài)功能及其穩(wěn)定性恢復(fù)的分析和研究，以期為礦區(qū)復(fù)墾和微生物生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：礦區(qū);土壤微生物;生態(tài)恢復(fù);植物恢復(fù)

1前言

礦區(qū)復(fù)墾是針對(duì)采礦活動(dòng)造成的土地破壞而進(jìn)行的一系列治理措施，通過(guò)恢復(fù)和重建礦區(qū)土壤的生態(tài)穩(wěn)定性，使其達(dá)到可供利用的狀態(tài)，從而提高土地資源利用率，促進(jìn)生態(tài)良性循環(huán)。土壤微生物數(shù)量龐大、生物多樣性豐富、生態(tài)功能活躍，對(duì)于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性非常重要。因此，在恢復(fù)一個(gè)受損礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，不僅要恢復(fù)地上部分的植被，還要恢復(fù)地下部分土壤微生物群落，重建礦區(qū)微生物生態(tài)系統(tǒng)。

2礦區(qū)土壤微生物生態(tài)特征

2.1礦區(qū)土壤微生物量和區(qū)系結(jié)構(gòu)

土壤微生物量是指土壤中體積小于5×10-3μm3的活的微生物總量，是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍和最易變化的部分。土壤微生物量是土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤恢復(fù)性能的重要依據(jù)之一。張彥等研究發(fā)現(xiàn)，隨著重金屬污染程度的加劇，土壤微生物量碳含量呈下降的趨勢(shì)。可能的原因如下：一、重金屬對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能有破壞作用，高含量的重金屬會(huì)抑制細(xì)胞的活性，加速細(xì)胞死亡，從而降低微生物量;二、在土壤環(huán)境受重金屬污染嚴(yán)重時(shí)，土壤微生物需要過(guò)度消耗能量以抵御重金屬的脅迫，因此抑制了其生物量的增加。

微生物主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌這三大類。龍健等通過(guò)對(duì)浙江哩浦銅礦廢棄地土壤微生物區(qū)系的分析發(fā)現(xiàn)，與非礦區(qū)對(duì)照土壤相比，礦區(qū)廢棄地不同污染程度的土壤微生物總數(shù)下降了68.43%～80.32%，其中細(xì)菌、放線菌數(shù)量分別下降了71.49%～82.50%、15.14%～42.99%，真菌數(shù)量的變幅較小，表明細(xì)菌對(duì)重金屬污染的反應(yīng)最為敏感，其次是放線菌，而真菌對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和抗逆性較強(qiáng)[5]。

2.2礦區(qū)土壤微生物群落功能多樣性

土壤微生物群落功能多樣性可以反映微生物的代謝功能和群落結(jié)構(gòu)差異，從而反映出土壤中養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程?；谖⑸锢锰荚茨芰Φ牟煌?，Biolog生態(tài)盤分析法已被廣泛應(yīng)用到土壤微生物群落功能多樣性的研究中。該方法重復(fù)性強(qiáng)、靈敏度高、分辨力強(qiáng)，且無(wú)需分離培養(yǎng)純種微生物，是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測(cè)定的一種快速、可靠的方法。

滕應(yīng)等的研究結(jié)果顯示，侵蝕土壤微生物群落代謝剖面及群落豐富度、Shannon指數(shù)均顯著低于無(wú)明顯侵蝕土壤，表明礦區(qū)水土流失減少了能利用有關(guān)碳源的微生物數(shù)量，降低了微生物對(duì)單一碳源的利用能力，導(dǎo)致土壤微生物群落功能多樣性下降。李江等利用biolog技術(shù)分析不同復(fù)墾時(shí)期土壤微生物群落功能多樣性，發(fā)現(xiàn)土壤復(fù)墾可明顯改善土壤微生物活性及分布均勻性，提高群落豐富度和常見(jiàn)菌種種群，使受損土壤恢復(fù)到正常水平。

2.3礦區(qū)土壤微生物活性

土壤微生物活性與土壤酶活性密切相關(guān)。土壤酶活性的高低可較敏感地反映土壤中各種養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度和方向，是礦區(qū)污染生態(tài)效應(yīng)的重要指示。張涪平等的研究表明，隨著藏中礦區(qū)土壤重金屬污染的加劇，土壤酶活性逐漸降低，這可能與重金屬對(duì)酶產(chǎn)生的抑制作用有關(guān)。李智蘭通過(guò)對(duì)安徽廬江釩礦區(qū)復(fù)墾土壤的研究發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均有所增加，說(shuō)明礦區(qū)復(fù)墾能夠改善土壤質(zhì)量和土壤肥力。

除此之外，微生物的代謝熵（qCO2）也是微生物活性的反映指標(biāo)之一。代謝熵是一定時(shí)期土壤基礎(chǔ)呼吸與微生物量碳的比值，用來(lái)表征單位生物量的微生物在單位時(shí)間里的呼吸強(qiáng)度。qCO2通常隨著土壤環(huán)境污染程度的增加而上升，表明在環(huán)境脅迫下，微生物維持生存需要消耗更多有機(jī)碳作為能量，并以CO2的形式釋放。張涪平等的研究證實(shí)了這一點(diǎn)，隨著藏中礦區(qū)土壤重金屬含量的增加，土壤基礎(chǔ)呼吸和qCO2顯著增加，土壤重金屬含量與土壤基礎(chǔ)呼吸和qCO2均呈顯著線性正相關(guān)。

3礦區(qū)土壤微生物生態(tài)恢復(fù)

3.1礦區(qū)土壤微生物生態(tài)功能

土壤微生物是復(fù)雜的土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，在土壤演化過(guò)程特別是有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的轉(zhuǎn)化和循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中承擔(dān)著多重身份，作為生產(chǎn)者能夠利用太陽(yáng)能或化學(xué)能合成自身生命活動(dòng)所需的能量，例如光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌等;同時(shí)，土壤微生物又作為消費(fèi)者和分解者，通過(guò)分解土壤中的有機(jī)質(zhì)獲取能量并釋放營(yíng)養(yǎng)元素，加速有機(jī)質(zhì)中養(yǎng)分的循環(huán)和利用。

土壤作為土壤微生物直接生存和作用的場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)的好壞、理化性質(zhì)的優(yōu)劣和環(huán)境的變化，都會(huì)影響到土壤微生物的活性、數(shù)量、分布和多樣性，從而影響到土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能。礦區(qū)微生物生態(tài)恢復(fù)就是通過(guò)采取各種措施使受損礦區(qū)微生物生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)到受損前的穩(wěn)定狀態(tài)。微生物生態(tài)恢復(fù)是礦區(qū)生態(tài)重建中至關(guān)重要的一環(huán)，對(duì)整個(gè)礦區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)有著重要意義。

3.2植物對(duì)礦區(qū)土壤微生物生態(tài)的恢復(fù)

在對(duì)礦區(qū)土壤微生物生態(tài)進(jìn)行恢復(fù)時(shí)，選擇種植抗逆性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期短、生物量大、改土效果好等生態(tài)功能明顯的植物種類是恢復(fù)礦區(qū)土壤微生物生態(tài)的重要途徑。目前已有眾多研究者研究了植物種植對(duì)土壤微生物的影響，張變?nèi)A等通過(guò)對(duì)比玉米、大豆、毛苕子、苜蓿及自然恢復(fù)5種種植處理得出，種植豆科植物毛苕子后土壤微生物的種類和數(shù)量高于其他處理，且微生物活性最強(qiáng)，說(shuō)明種植毛苕子有利于礦區(qū)復(fù)墾土壤中微生物多樣性的增加，可以作為礦區(qū)復(fù)墾的先鋒植物。

同樣，不同種植方式也會(huì)對(duì)土壤微生物產(chǎn)生顯著影響。章家恩等研究發(fā)現(xiàn)，玉米/花生間作與單作相比能顯著提高玉米和花生根區(qū)的土壤微生物數(shù)量，并在一定程度上提高土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性和代謝活性。這種現(xiàn)象可能由于間作作物的根系疊加交錯(cuò)相互作用，且根系分泌物旺盛豐富，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和提高。由于礦區(qū)具有地域性、多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具體選擇哪一種植物或哪一種種植方式進(jìn)行恢復(fù)，均有待進(jìn)一步地研究和完善。

3.3菌劑對(duì)礦區(qū)土壤微生物生態(tài)的恢復(fù)

菌劑恢復(fù)即利用微生物的接種優(yōu)勢(shì)，向土壤中接種功能性微生物，使得失去微生物活性的礦區(qū)土壤重新建立和恢復(fù)土壤微生物體系，增加土壤微生物活性和多樣性，加快礦區(qū)土壤復(fù)墾進(jìn)程。李江通過(guò)研究生物菌肥對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物群落和功能多樣性的影響指出，在土壤基質(zhì)中接種AM真菌，會(huì)使微生物數(shù)量明顯增加，微生物活性和多樣性明顯改善，并恢復(fù)至正常水平，說(shuō)明接種AM真菌能夠改善礦區(qū)土壤微生物生態(tài)環(huán)境。常勃研究了不同的微生物菌劑對(duì)礦區(qū)土壤微生物數(shù)量、酶活性和養(yǎng)分含量的影響，結(jié)果表明施用微生物菌劑使得微生物總量提高了2.3%-66.4%，且土壤中脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性也明顯提高，其中對(duì)磷酸酶活性的影響最為顯著?？赡茉蚴俏⑸锞鷦┑奶砑?，使得土壤中活性微生物數(shù)量增加，同時(shí)有益微生物大量繁殖，抑制了有害菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)了各種酶的分泌，進(jìn)而增強(qiáng)了土壤酶活性。

4結(jié)論及展望

土壤微生物對(duì)于土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及其生態(tài)功能的發(fā)揮至關(guān)重要，因此，礦區(qū)復(fù)墾不能僅僅局限于地上植被的恢復(fù)，還要重視地下生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土壤微生物生態(tài)與地上植被之間的良性互動(dòng)，促進(jìn)地下和地上生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和協(xié)調(diào)發(fā)展。目前我們對(duì)于土壤微生物的研究相對(duì)較少，今后應(yīng)加大對(duì)礦區(qū)土壤微生物的研究力度，全面剖析其生態(tài)功能，為制定更加全面科學(xué)的礦區(qū)土地復(fù)墾方式及復(fù)墾效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系提供一定的借鑒。