微生物对矿山复垦地土壤基质的改良作用

杜慧平，刘利军，闫双堆

（1.山西省农业科学院，山西太原030006；2.山西省环境科学研究所，山西太原030027；3.山西农业大学资源与环境学院，山西太谷030801）

矿山开采造成大规模的土地破坏，在中国乃至世界，都是一个十分严重且日益受到高度重视的问题，我国矿区破坏土地面积累计已达2.88万km2，并且每年以大约467 km2的速度增长。山西是我国的能源重化工基地，因采煤、采石、采矿、挖沙、取土以及堆放工业废弃物已造成0.27万km2的废弃地，大约近0.13万km2的耕地已被挖损、塌陷、压占[1-2]，这些废弃地目前大部分荒芜不能利用，已对当地的工农业生产和社会稳定造成巨大威胁。在矿山废弃地生态恢复中，土壤基质改良是首先要解决的问题，也是核心问题。

微生物是土壤的重要组成部分，它的种类、组成、数量及其演替是反映土壤性质和土壤熟化程度的重要标志[3]。土壤微生物是稳定生态系统、监测土壤质量变化的敏感指标[4-5]。因此，对矿区的废弃地进行复垦离不开微生物的参与，有益微生物可通过多方面的作用加速复垦进程，促进植物生长发育。我国的土地复垦工作起步较晚，新技术和理论研究相对较少。

本文着重介绍微生物在矿山复垦土地基质改良过程中的作用及其效果。

1 矿业废弃地及土地复垦的特点及方法

1.1 矿业废弃地的特点

矿业废弃地是指在采矿活动中被破坏的、未经治理而无法使用的土地[6]。矿业废弃地主要包括废石堆废弃地、塌陷和矿坑废弃地、尾矿废弃地、交通和建筑废弃地。其共同特征为：表土层破坏，缺乏植物能够自然生根和伸展的介质；物理结构不良、持水保肥能力差；极端贫瘠，缺乏植物生长所需的基本营养物质；重金属含量过高、极端pH值、干旱或生理干旱等限制了植物生长的基质环境。

1.2 矿业废弃地复垦基质改良的共同目标

土地复垦的目的是恢复土地的生产力和经济利用价值，是生态重建的前期工程，其最终目标是生态重建。土壤是陆地生态系统的核心和植物生长的介质，在矿山废弃地生态恢复中，土壤基质改良是首先需要解决的问题。土壤基质改良的方法很多，但都必须实现以下基本目标：营造适合植物生长的介质；去除基质中的有毒有害物质；改善介质（土壤基质）的物理结构；改善土壤基质的水分、养分状况。

1.3 土壤基质改良的方法

土壤基质改良的方法有物理改良法、化学改良法、生物改良法。

物理改良的方法主要有表土保护利用法、客土覆盖法、施用有机物法，是保持、改良、利用表层土壤的物理性状；化学改良的方法主要有酸碱中和法、离子拮抗法、施肥法，是通过向土壤中添加一定的化学物质，以调节土壤pH值、固定有毒离子、增加营养物质来改善土壤化学组成；生物改良的方法主要有微生物改良法、植物改良法、土壤动物改良法、植物-微生物及动物联合改良法，是利用微生物、植物、土壤动物的生命代谢活动，降低有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使受污染的土壤环境能够部分或完全地恢复到原始状态的过程[7]。

2 微生物在矿山复垦地土壤基质改良中的重要作用

土壤微生物是指在土壤中生活着的种类繁多的微生物，如细菌、放线菌、真菌、土壤藻类和微小动物等，超过10万余种，每克土壤的微生物数以亿计，在土壤中组成一个复杂的食物网系统，是土壤活性酶的重要来源，其主要聚集在表土层中，多以微菌落的形式分布在土壤颗粒和有机物表面及植物根际，直接参与土壤呼吸等各种地球化学循环过程，支配着50%～70%的土壤呼吸速率[8-9]。矿区土壤多为养分贫瘠、土壤结构性差、微生物含量低的自然生土，在进行工程复垦重构的过程中又经过人为扰动，极严重地破坏了微生物生存和繁衍的条件，微生物数量和种类受到很大影响。土壤微生物作为土壤中一个非常重要的组成成分，它对矿山复垦地的土壤性质、土壤肥力的形成以及作物生长都起着至关重要的作用。

2.1 微生物对矿山复垦地土壤有机质积累的作用

经工程措施复垦处理后，土地的土壤有机质含量极低。土壤肥力形成的实质是土壤有机质的合成和分解，而有机质的合成和分解都必须有微生物的参与。土壤微生物（细菌、真菌、放线菌和藻类）在土壤中数量大、繁殖快。土壤中的细菌在有机质和无机质的转化过程中起着重要的作用，特别是在分解植物不能直接利用的复杂含氮化合物转化为铵的氨化作用过程中，作用尤为重要。自养型细菌可以利用氧化无机物产生的化学能或太阳能作为自身的能量，从空气中吸收CO2转化为有机物，起到积累土壤有机质的作用。而好养型细菌、真菌、放线菌在分解有机物的过程中起着重要作用，氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌则在土壤氮素循环中起着重要作用。土壤微生物主宰着土壤总的代谢活动，在多种土壤微生物的共同作用下分解有机质、合成腐殖质，使土壤有机质逐步得到积累，并且在其生命代谢过程中将土壤基质中有限的营养元素周而复始地利用，从而保证了植物整个生长发育过程中对养分的需求。

2.2 微生物对矿山复垦地土壤矿质元素转化的作用

在新复垦的土壤中有效矿质养分含量极低。微生物在其生命活动过程中通过分泌酸性物质，可以降低微区域的pH值，有利于矿质养分的溶解和吸收。如各种溶磷、溶钾微生物可以将土壤中难溶的磷、钾分解出来，转化为作物可以吸收利用的有效态磷、钾[10]。Arscher证实，根际细菌促进植物生长的作用之一是促进土壤中锰的还原和提高植物对锰的吸收[11]。VI菌根能与多种植物的根系共生，其菌丝可以吸收更多的营养元素供植物利用，特别是对土壤中活动性差、移动缓慢的元素，如 P，Zn，Cu，Ca 等有较强的吸收作用[12]。

2.3 微生物对矿山复垦地土壤中有害物质的分解和固定作用

在新复垦的矿业废弃地土壤中往往存在各种污染物，这些物质通常会抑制植物生长，而在土壤中种类极多的微生物中有一些可以适应特异的污染环境，在代谢的同时能起到消除或减轻污染毒害的作用。如氧化亚铁硫杆菌在pH值为3时能将Fe2+氧化成Fe3+；假单胞菌属一些抗汞的微生物，能把甲基汞还原成元素汞；土生假丝酵母、粉红粘帚酶和青霉等能使砷酸盐形成甲基砷；光合紫细菌则能使氧化元素硒转化为硒酸盐。藻类可有效地吸收和富集重金属元素，富集倍数可达几千倍，因此在重金属污染区接种藻类，可大大降低锌、镉、铜、钙、镁等污染元素的含量。苔藓是一种高富砷的低等生物，其对砷的富集可达0.125%；研究还表明，苔藓中砷会不断挥发，可大大增加苔藓对砷的吸收。在有钼污染的地区接种VA菌根（泡囊-丛枝菌根）不仅有利于对磷的吸收，而且还有利于对钼的吸收，从而降低钼的污染，并可促进根系生长和根瘤形成，进而促进地上部分生长，使植株健壮。VA菌根在铜污染土壤上也具有潜在的应用前景[13]。

3 微生物改良技术在矿区土地复垦中的应用及其前景

微生物改良技术是利用微生物的接种优势，对复垦区土壤进行综合治理与改良的一项生物技术措施[3]。借助向新建植的植物接种微生物，在改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时，利用植物根际微生物的生命活动，使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系，增加土壤生物活性，加速复垦地土壤基质的改良，加快自然土壤向农业土壤的转化过程，使生土熟化，提高土壤肥力，从而缩短复垦周期。微生物复垦技术在我国发展也较快，特别是微生物肥料已在复垦土壤培肥方面取得了较好效果，它在提高矿山复垦地生产能力和矿土培肥方面，与单纯施用化学肥料或依靠混入各种土壤改性添加剂的方法相比较，效果更为突出。

3.1 微生物改良技术在矿区土地复垦中的应用丛枝菌根真菌的菌丝对水分的吸收利用十

分显著，接种菌根真菌可提高植物对干旱胁迫的

抵抗能力[14-15]。Li等[16]采用根室培养方法研究矿区土壤证明，在养分胁迫条件下，VA菌根真菌约可向植物提供生长所需的80%磷、50%锌和铜，植物生长良好，因此微生物的存在无疑增强了植物对其逆境的抵抗能力。洪坚平等[17]在山西阳泉矿区进行生物修复试验，在不同的处理区分别种植沙打旺、红豆草、多变小冠花、山野豌豆、扁茎黄芪等6种豆科植物以及沙生冰草、无芒雀麦、苇状羊茅等禾本科植物，结果表明，各复垦区经过4年的不同种植措施后，土壤养分和微生物数量分布状况均有较大改善，各处理区土壤有机质均比复垦前提高了2～3倍，速效氮、磷、钾也均有较大幅度的提高。方辉等[18]通过调查安太堡大型露天矿区西排土场植被恢复与土壤微生物的关系后认为，土壤中微生物量与土壤中的水分、速效磷、土壤有机质、有效性氮有明显的关系，微生物总量与速效磷含量和有机质含量成正比，放线菌与速效磷之间呈极显著相关。

王红新等[15]利用微生物复垦技术，以唐山市马兰庄铁矿区复垦土壤和尾矿为基质，接种VA等菌根进行了室内盆栽试验研究，结果表明，菌根植株地上的磷浓度是非菌根植株的2倍；接种菌根真菌使植株从土壤或尾矿中吸收的钾增加；接种AM菌根后，铝对玉米的毒害作用大大减轻。

矿区土地复垦的实践表明，微生物加速了新复垦矿区土壤中各种有机物质、矿物质的转化过程，可以有效改善其微环境，降低土壤pH值，促进植物对土壤有效养分的利用，也可以减轻一些有害物质对植物的毒害作用。在应用微生物改善基质的过程中，只有根据微生物的代谢特点，创造适合于微生物生命活动的土壤环境，即添加有机物、保持适宜的土壤水分、保证土壤的良好通气性、维持适宜的酸碱度等，才能使微生物获得足够的养分和能量，并形成一个良好的微生物生态系统，从而发挥其对土壤基质有效的改良作用。

3.2 微生物改良技术在矿区土地复垦中的应用前景

采用现代微生物工艺技术代替以昂贵化学制剂作添加材料改良贫瘠土壤[19]，是目前国内外生物复垦技术的主要研究方向。我国地域广阔、资源丰富、生态环境复杂多样，开发微生物接种资源具有巨大潜力。微生物的接种可以考虑选择抗污染的细菌，许多细菌具有抗污染的特性，因此在矿区土壤复垦中接种抗污染菌是一种去除污染物的有效方法。这些细菌有的能把污染物质作为自己的营养物质，把污染物质分解成无污染物质或者是把高毒物质转化为低毒物质，如在铁污染的土壤中可以接种铁氧化菌，不仅效果好，而且比传统的方法节约费用；在汞污染的河泥中，存在的一些抗汞微生物，能把甲基汞还原成元素汞，从而降低汞的毒害。还可以接种营养微生物，因矿区废弃地的植物营养物质非常贫瘠，接种能提供营养的微生物对废弃地的生态恢复无疑有很大的促进作用。有的微生物不仅能去除污染物，而且还能为群落的其他个体提供有利的条件。有研究表明，在铅锌矿尾砂库的生态恢复中，把根瘤菌接种到银合欢等豆科植物的根部，能促进根瘤的形成，进而促进地上部分的生长，使植株健壮；在有钼污染的地区接种菌根不仅有利于植物对磷的吸收，而且还有利于对钼的吸收，从而降低钼的污染[20]。深入系统地研究菌株的生长、发育、种群的生态分布，对筛选不同生态环境下的优良菌种，加快菌种在矿区复垦中的实际应用，如提高植物的耐盐性、抗旱性及抗重金属毒性方面具有重要的作用。

4 结语

矿山废弃地的复垦与生态重建工作是当今世界关注的重要问题之一，土地被破坏后很可能因风蚀、雨蚀引起大气及水系等的次生危害，可以说土地复垦是矿区生态环境修复的核心任务，而基质改良又是进行土地复垦的关键。利用微生物改良方法可以在有效改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时，利用植物根际微生物的生命活动，使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系，增加土壤生物活性，加速复垦地土壤的基质改良，加快自然土壤向农业土壤的转化过程，使生土熟化、土壤肥力提高，从而缩短复垦周期。微生物复垦技术在国外复垦中有较快的发展，特别是微生物肥料已在复垦土壤培肥中得到工业化应用。因此，微生物改良技术用于矿山土壤改良，恢复废弃地土地生产力，使之达到当地农业生产水平，已成为当今矿区土地复垦技术的研究热点。

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