礦區復墾與微生物生態恢復研究

宋莉 武曉燕 秦潔

摘要：礦區是當今陸地生態系統破壞和退化最嚴重的區域之一，礦區復墾與生態恢復已成為國內外備受關注的研究領域。以往礦區生態恢復的研究主要集中于地上部分植被的恢復，而忽視了地下土壤微生物生態系統的重建。本文通過對礦區土壤微生物的生態特征、生態功能及其穩定性恢復的分析和研究，以期為礦區復墾和微生物生態恢復提供理論依據和借鑒意義。

關鍵詞：礦區;土壤微生物;生態恢復;植物恢復

1前言

礦區復墾是針對采礦活動造成的土地破壞而進行的一系列治理措施，通過恢復和重建礦區土壤的生態穩定性，使其達到可供利用的狀態，從而提高土地資源利用率，促進生態良性循環。土壤微生物數量龐大、生物多樣性豐富、生態功能活躍，對于維持土壤生態系統的可持續性非常重要。因此，在恢復一個受損礦區土壤生態系統時，不僅要恢復地上部分的植被，還要恢復地下部分土壤微生物群落，重建礦區微生物生態系統。

2礦區土壤微生物生態特征

2.1礦區土壤微生物量和區系結構

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，是土壤有機質中最活躍和最易變化的部分。土壤微生物量是土壤養分的儲備庫，是評價土壤質量和土壤恢復性能的重要依據之一。張彥等研究發現，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?？赡艿脑蛉缦拢阂?、重金屬對細胞的結構和功能有破壞作用，高含量的重金屬會抑制細胞的活性，加速細胞死亡，從而降低微生物量;二、在土壤環境受重金屬污染嚴重時，土壤微生物需要過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。

微生物主要包括細菌、真菌和放線菌這三大類。龍健等通過對浙江哩浦銅礦廢棄地土壤微生物區系的分析發現，與非礦區對照土壤相比，礦區廢棄地不同污染程度的土壤微生物總數下降了68.43%～80.32%，其中細菌、放線菌數量分別下降了71.49%～82.50%、15.14%～42.99%，真菌數量的變幅較小，表明細菌對重金屬污染的反應最為敏感，其次是放線菌，而真菌對環境的適應性和抗逆性較強[5]。

2.2礦區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構差異，從而反映出土壤中養分的循環轉化過程?；谖⑸锢锰荚茨芰Φ牟煌?，Biolog生態盤分析法已被廣泛應用到土壤微生物群落功能多樣性的研究中。該方法重復性強、靈敏度高、分辨力強，且無需分離培養純種微生物，是土壤微生物群落結構測定的一種快速、可靠的方法。

滕應等的研究結果顯示，侵蝕土壤微生物群落代謝剖面及群落豐富度、Shannon指數均顯著低于無明顯侵蝕土壤，表明礦區水土流失減少了能利用有關碳源的微生物數量，降低了微生物對單一碳源的利用能力，導致土壤微生物群落功能多樣性下降。李江等利用biolog技術分析不同復墾時期土壤微生物群落功能多樣性，發現土壤復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菌種種群，使受損土壤恢復到正常水平。

2.3礦區土壤微生物活性

土壤微生物活性與土壤酶活性密切相關。土壤酶活性的高低可較敏感地反映土壤中各種養分的轉化強度和方向，是礦區污染生態效應的重要指示。張涪平等的研究表明，隨著藏中礦區土壤重金屬污染的加劇，土壤酶活性逐漸降低，這可能與重金屬對酶產生的抑制作用有關。李智蘭通過對安徽廬江釩礦區復墾土壤的研究發現，隨著復墾年限的增加，土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性均有所增加，說明礦區復墾能夠改善土壤質量和土壤肥力。

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

3礦區土壤微生物生態恢復

3.1礦區土壤微生物生態功能

土壤微生物是復雜的土壤生態系統中極其重要的組成部分，在土壤演化過程特別是有機質和氮、磷、鉀等養分元素的轉化和循環過程中發揮著關鍵作用。土壤微生物在土壤生態系統中承擔著多重身份，作為生產者能夠利用太陽能或化學能合成自身生命活動所需的能量，例如光合細菌、硝化細菌等;同時，土壤微生物又作為消費者和分解者，通過分解土壤中的有機質獲取能量并釋放營養元素，加速有機質中養分的循環和利用。

土壤作為土壤微生物直接生存和作用的場所，其結構的好壞、理化性質的優劣和環境的變化，都會影響到土壤微生物的活性、數量、分布和多樣性，從而影響到土壤微生物的群落結構和生態功能。礦區微生物生態恢復就是通過采取各種措施使受損礦區微生物生態系統的結構和功能恢復到受損前的穩定狀態。微生物生態恢復是礦區生態重建中至關重要的一環，對整個礦區的生態系統恢復有著重要意義。

3.2植物對礦區土壤微生物生態的恢復

在對礦區土壤微生物生態進行恢復時，選擇種植抗逆性強、生長周期短、生物量大、改土效果好等生態功能明顯的植物種類是恢復礦區土壤微生物生態的重要途徑。目前已有眾多研究者研究了植物種植對土壤微生物的影響，張變華等通過對比玉米、大豆、毛苕子、苜蓿及自然恢復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量高于其他處理，且微生物活性最強，說明種植毛苕子有利于礦區復墾土壤中微生物多樣性的增加，可以作為礦區復墾的先鋒植物。

同樣，不同種植方式也會對土壤微生物產生顯著影響。章家恩等研究發現，玉米/花生間作與單作相比能顯著提高玉米和花生根區的土壤微生物數量，并在一定程度上提高土壤微生物群落結構多樣性和代謝活性。這種現象可能由于間作作物的根系疊加交錯相互作用，且根系分泌物旺盛豐富，有利于土壤微生物的生長繁殖，進而促進了土壤養分的轉化和提高。由于礦區具有地域性、多樣性、復雜性的特點，在實際應用中具體選擇哪一種植物或哪一種種植方式進行恢復，均有待進一步地研究和完善。

3.3菌劑對礦區土壤微生物生態的恢復

菌劑恢復即利用微生物的接種優勢，向土壤中接種功能性微生物，使得失去微生物活性的礦區土壤重新建立和恢復土壤微生物體系，增加土壤微生物活性和多樣性，加快礦區土壤復墾進程。李江通過研究生物菌肥對礦區復墾土壤微生物群落和功能多樣性的影響指出，在土壤基質中接種AM真菌，會使微生物數量明顯增加，微生物活性和多樣性明顯改善，并恢復至正常水平，說明接種AM真菌能夠改善礦區土壤微生物生態環境。常勃研究了不同的微生物菌劑對礦區土壤微生物數量、酶活性和養分含量的影響，結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量增加，同時有益微生物大量繁殖，抑制了有害菌的生長，促進了各種酶的分泌，進而增強了土壤酶活性。

4結論及展望

土壤微生物對于土壤生態系統的穩定及其生態功能的發揮至關重要，因此，礦區復墾不能僅僅局限于地上植被的恢復，還要重視地下生態系統的恢復，實現礦區土壤微生物生態與地上植被之間的良性互動，促進地下和地上生態系統的恢復和協調發展。目前我們對于土壤微生物的研究相對較少，今后應加大對礦區土壤微生物的研究力度，全面剖析其生態功能，為制定更加全面科學的礦區土地復墾方式及復墾效果評價指標體系提供一定的借鑒。