采煤塌陷复垦区先锋植物根际微生物数量的变化

侯颖　丁锦平

摘要：采用以空间代替时间的方法，研究了采煤塌陷区复垦后土壤自然演替状况下先锋植物根际微生物数量和组成的变化，探讨不同先锋植物根际微生物变化的特征和规律。结果表明，不同先锋植物其根际微生物的数量不同，其中，复垦1年后的土壤，狗尾草的根际细菌、真菌和放线菌数量及微生物总量均大于刺儿菜的根际微生物数量，复垦3年后则相反；两种先锋植物根际微生物的数量均随着复垦年限的延长而显著增加，其中，细菌和放线茵数量增加的较快，因此，细菌所占微生物总量的比例随着复垦年限延长而增加，而真菌的比例降低。复垦后土壤上的先锋植物根际效应十分明显，从微生物类群来看，根际效应是真菌>放线茵>细菌，从植物类别来看，复垦1年后的土壤上，先锋植物狗尾草的根际效应大于刺儿菜，但复垦3年后则相反，说明随着物种和时间的变化，根际效应也发生变化。

关键词：采煤塌陷区；复垦地；先锋植物；根际微生物

矿产资源的开发利用为社会进步及经济发展做出了巨大贡献，但同时也严重破坏了矿区的生态环境，如煤炭井工开采引起大面积地表塌陷，从而造成地质结构破坏，并产生一系列的生态环境问题和社会问题。因此，中国在《土地复垦规定》的基础上于2011年又颁布了《土地复垦条例》，以期提高复垦土地的社会效益、经济效益和生态效益。

在塌陷区土地复垦过程中，土壤质量和植被的恢复是受损生态系统恢复的关键。而在土壤一植被的复杂关系中，土壤微生物起着非常重要的作用。一方面，土壤微生物将有机养分转化成无机养分，以利于植物吸收利用；另一方面，植物通过其根际分泌物为微生物提供重要的能量物质，影响着土壤微生物的群落结构和代谢活性。有关采煤塌陷复垦区土壤微生物的研究大多集中在土壤微生物与土壤性质的关系、不同复垦模式及年限对土壤微生物的影响、不同施肥对土壤微生物的影响以及微生物在土壤修复中的应用等方面，对工程复垦后土壤自然恢复状况下先锋植物根际微生物的研究较少。

土壤微生物与植物根际微环境进行着复杂频繁的相互作用，不同植物根分泌物的种类和数量不同，因此对根际微生物的影响不同。采煤塌陷区复垦土壤上种植的先锋植物的根系分泌物为微生物提供重要的能量物质，其成分和数量影响着微生物的种类和数量。因此，本试验采用以空间代替时间的方法，对塌陷区复垦后土壤自然演替状况下先锋植物根际微生物群落结构和数量进行研究，探讨不同先锋植物根际微生物变化的特征和规律，对讨论自然环境状态下土壤发育过程有着重要意义。同时探索塌陷复垦区先锋植物根际微生物的变化特征及植物与微生物的关系，对选择适合当地环境的乡土先锋植物以及矿区生态恢复中人工利用有益微生物具有重要的理论与现实意义。

1.材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于中国六大无烟煤生产基地之一——河南省永城采煤区范围内，介于东经115°58′-116°39′、北纬33°42′-34°18′，平均海拔33 m，属暖温带半湿润半干旱的大陆性季风气候，年均气温14.3℃，年降雨量874 mm，年均日照时间2 318 h。区内土壤类型简单，主要分布有潮土和砂浆黑土2个土类，土壤有机质含量低，呈弱碱性或中性（pH7.0-8.5）。采煤塌陷后的区域采用“挖深垫浅”的方法进行工程复垦，工程复垦后的土壤质量较低，因此，复垦初期大部分土地处在撂荒状态。

1.2土壤样品采集与处理

在研究区选取复垦工艺相同但复垦年限不同的复垦区（复垦年限分别是1年和3年）进行采样，并以附近未受影响的正常农田作为对照。在不同复垦年限区和农田内分别选取3个采样点，每个采样点内分别选取生长健壮的先锋植物狗尾草和刺儿菜3株，按物种采用抖动法采集根际土壤，土壤混合均匀作为一个样品。将土壤分别置于无菌自封袋中，带回实验室，放入冰箱4℃保存待用。

1.3土壤微生物数量测定

细菌、真菌、放线菌计数采用平板稀释涂布法。细菌培养用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌用马丁氏培养基、放线菌用改良高氏1号培养基分别进行培养，具体测定方法参考文献。

1.4数据处理与分析

数据主要采用方差分析的方法进行统计分析，数据和图表采用软件SPSS 19.0和Excel 2010完成。

2.结果与分析

2.1不同先锋植物根际微生物数量和组成的变化

不同先锋植物其根际微生物的数量不同。由表1可知，复垦1年后的土壤，其先锋植物狗尾草的根际细菌和放线菌数量均显著大于刺儿菜的根际微生物数量，由于细菌占微生物总量的绝大部分，因此，狗尾草的根际微生物总量也显著大于刺儿菜的根际微生物总量，分别为31.2×10⁴CFU/g和20.9×10⁴CFU/g；相反，复垦3年后的土壤，狗尾草的根际细菌和放线菌数量均小于刺儿菜的根际微生物数量，相应地，其根际微生物总量也显著小于刺儿菜的根际微生物总量，分别为67.7×10⁴CFU/g和96.9×10⁴CFU/g；但不同先锋植物之间真菌数量的差异并不显著。

不同先锋植物根际微生物的组成比例也不同。由表1可知，复垦1年后的土壤，狗尾草的根际细菌、真菌和放线菌的比例分别为77.6%、13.1%和9.3%，而刺儿菜的根际细菌、真菌和放线菌的比例分别为74.2%、16.8%和9.1%，其中，刺儿菜的根际真菌占微生物总量的比例大于狗尾草；相反，复垦3年后的土壤，刺儿菜的根际真菌所占微生物总量的比例却小于狗尾草。可见，随复垦年限的延长，不同先锋植物根际细菌和放线菌的组成比例变化基本一致，而真菌的比例在不同先锋植物间差异加大。

2.2不同复垦年限先锋植物根际微生物数量和组成的变化

由表1可知，两种先锋植物根际微生物的数量均随复垦年限的延长而显著增加。其中，复垦3年后的狗尾草的根际细菌、真菌和放线菌数量是复垦1年后的2.3、1.4和2.2倍，而复垦3年后的刺儿菜的根际细菌、真菌和放线菌是复垦1年后的5.3、1.8和4.9倍。可见，随复垦年限的增加，细菌和放线菌数量增加的较快。但与对照相比，无论是根际微生物总量还是各类群的数量均显著小于对照。随复垦年限的延长，两种先锋植物根际细菌所占微生物总量的比例均增加，复垦1年和3年后狗尾草细菌所占比例分别为77.6%和81.8%，刺儿菜的分别为74.2%和84.0%：真菌所占比例降低，复垦1年和3年后狗尾草真菌所占比例分别为13.1%和8.6%，刺儿菜的分别为16.8%和6.4%，真菌所占比例均高于对照：放线菌所占比例变化不显著。

2.3采煤塌陷复垦区不同先锋植物的根际效应

植物生长过程中，通过根分泌的方式向根周围释放各种化合物，因此，根际微生物在数量和质量上与根际以外的微生物不同，这两者的数量比称为根际效应（R/S），表示植物根系对微生物的影响程度。由图1可知，复垦后土壤上的先锋植物根际效应十分明显，且不同先锋植物的根际效应不同。由图1A可知，复垦1年的土壤上，先锋植物狗尾草的总微生物根际效应为1.9，刺儿菜的为1.2，但复垦3年后则相反，狗尾草和刺儿菜总微生物根际效应分别为3.2和4.5，说明随着物种和时间的变化，根际效应也发生变化。从微生物类群来看（图1B），真菌的根际效应最明显，其R/S为14.5-68.3：其次是放线菌，其R/S为2.8～29.0；细菌的根际效应最小，其R/S为0.9-4.3。且随着复垦年限的延长，细菌的根际效应显著增加，但真菌和放线菌的则降低。

3.小结与讨论

根际微生物是聚居在根际土壤，以根际分泌物为主要营养的一群微生物。因此，根分泌物为土壤微生物提供大量的营养和能源物质，直接影响着根际微生物的数量和种群结构。不同植物根分泌物的种类和数量不同，因此，对微生物的影响往往也存在差异。本研究表明，采煤塌陷复垦后的土壤上不同先锋植物其根际微生物的数量不同，复垦1年的土壤，先锋植物狗尾草的根际各类群微生物数量均大于相应的刺儿菜的根际微生物，但复垦3年的土壤上先锋植物的根际微生物数量则相反。原因可能是狗尾草为一年生植物，而刺儿菜为多年生植物，随着复垦年限的延长，多年生植物根分泌物逐年积累，为微生物提供更多的营养物质，而根系提供的营养物质越多，根际微生物就越丰富。

土壤微生物数量及组成受土壤营养状况、土壤质地、植被组成和覆盖度的综合影响，因此，土壤微生物3大类群的数量及其组成的变化可以敏感地反映土壤质量的变化。采用“挖深垫浅”的模式进行土地复垦，原耕作层与深层土壤相混合，破坏了原有的土壤结构，使复垦土地较贫瘠，因此，土壤微生物数量显著低于对照。但随着复垦年限延长，由于地上植物的生长和土壤熟化程度增加，根际土壤微生物数量发生变化。本研究表明，复垦后的土壤随着时间的延长，两种先锋植物根际微生物的数量均显著增加，这一结果与樊文华等对复垦区土壤微生物的研究结果相一致。但由于不同类群微生物数量增加的幅度不同，从而导致微生物组成也随着复垦年限的延长而变化。本研究中，随着复垦年限的延长，细菌所占微生物比例增加，而真菌所占比例显著降低。这可能与土壤中有机质含量增加有关。有研究表明，土壤中细菌数量与土壤有机质含量呈正相关。而真菌是好气性微生物，在塌陷区复垦工程实施初期，复垦土壤疏松，通气状况良好，真菌数量迅速增加，但随着复垦年限延长，土壤密度增加而孔隙度逐渐下降，透气性变差，因此抑制了真菌数量的增加。

根际效应体现了植物根系与微生物的关系，一般来说，根际效应越明显，说明其根际分泌物比较旺盛，即其生长越好。本研究表明，土壤微生物总量在总体上均表现出正的根际效应，即根际微生物数量高于非根际土壤。根际效应越明显，说明根际分泌物就越旺盛，土壤的修复效果也越好，因此，在复垦初期种植适当的植物能更好地改善土壤的质量。但不同植物的根际效应不同，也表明它们在改善土壤质量方面存在差异。本研究中，随着物种和时间的变化，根际效应也发生变化。其中，复垦1年的土壤上，先锋植物狗尾草的根际效应大于刺儿菜，但复垦3年后的根际效应则相反。可能原因是复垦1年的土壤上，一年生狗尾草的须根系最大程度地提供了与微生物接触的根表面积，促进了微生物数量增加：而多年生的刺儿菜是直根系，在复垦1年的时候根表面积相对较小，但随着复垦时间的延长，根系的增加和根分泌物在同一地点多年的积累都促进了微生物数量的增加，因此，其根际效应反而大于狗尾草的根际效应。

采煤塌陷复垦区土壤质量的主要衡量指标之一是土壤微生物的数量和组成比例，而在复垦初期，先锋植物的根际微生物在整个土壤微生物群落中占有重要地位。因此，开展先锋植物根际微生物的研究是深入认识复垦初期植物类型与土壤微生物相互作用过程及机制的关键，有助于阐明土壤生态系统演变的动态过程，对于合理开展复垦土壤的恢复有理论指导意义。但如何将自然演替状态下先锋植物根际微生物的变化规律应用在人为干扰下复垦土壤的恢复中还有待进一步研究。