施肥方式对采煤塌陷地复垦土壤微生物群落的影响

侯 颖，丁锦平，裴冬丽

（商丘师范学院生物与食品学院/河南省植物与微生物互作重点实验室，河南 商丘 476000）

我国96%左右的的煤炭产量来自井工开采，井工开采造成的地面塌陷在我国区域广、面积大。随着煤炭工业的持续发展，土地塌陷面积还在逐年增加。因此，塌陷区的合理复垦是众多学者关注的重要课题之一[1-4]。特别是在我国中东部的高潜水位平原农业区，土地资源有限且人口众多，矿业和农业用地矛盾突出。因此，复垦后短时间内提高土壤质量，对增加农业用地，解决矿区土地利用矛盾具有重要意义。

提高土壤质量有诸多措施，包括物理技术、化学技术和生物学技术[5]，但不同的方法各有利弊。因此，近年来一些研究者开展了多种复垦措施对矿区土壤进行修复研究[6-7]，并取得了一定的成果。其中，以无机肥、有机肥和菌肥配施来提高土壤质量的研究最为广泛。多数研究结果认为，多种肥料的合理配施能显著改善土壤质量、提高土壤肥力和微生物的数量[8-11]。

绿肥是将植物生长过程中所产生的全部或部分绿色体，直接或异地翻压或者经堆沤后施用到土地中作肥料的一种技术，能有效增加土壤肥力、改善土壤结构[12]。但随着化肥工业的迅猛发展，化肥过量施用、盲目施用的问题日益突出，不仅增加了农业投入成本，还造成耕地质量不断下降、地下水和空气等环境污染等一系列问题。而合理施用绿肥，有助于用地养地、部分替代化肥，同时能固氮、吸碳，有利于改善生态环境、节能减耗、保障粮食安全，对我国传统农业发展具有重要意义[13]。对于采煤塌陷复垦初期的土壤，由于土壤结构被破坏，土壤保水保肥能力差，而绿肥能有效地改良土壤结构、增加有机质和氮磷钾等多种营养成分，因此，使用绿肥能更好地改善土壤理化性状[14]。但有关绿肥在采煤塌陷复垦初期土壤改良中的应用，尤其是绿肥与其他肥料的配施，以及不同品种绿肥的应用效果研究相对较少。

施肥可使土壤微生物群落结构发生显著变化，而施肥模式是影响土壤微生物群落结构的一个重要因素，不同施肥模式强烈影响土壤微生物的种群结构及数量[15]。土壤微生物是土壤质量变化的敏感指标，也是土壤质量的重要指示[16]，研究不同培肥处理对土壤微生物的影响，能够更早、更及时地反映土壤质量的变化，可以为复垦土壤的管理和修复提供科学依据。因此，我们以河南省永城采煤塌陷复垦区为对象，研究绿肥、化肥和菌肥的配施在复垦初期土壤质量改良中的应用效果，分析绿肥与其他肥料配施对复垦土壤微生物数量和群落结构的影响，以期为平原农业区采煤塌陷地复垦土壤的修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

河南省永城煤矿区（115°58′～116°39′E，33°42′～34°18′N）地处豫东平原农业区，属于大型平原矿区，也是新兴的我国六大无烟煤生产基地之一。属暖温带季风性半湿润气候区，平均海拔高33 m，年平均气温14.30℃，年降水量874 mm，无霜期207 d。该区老矿区土地塌陷十分严重，新建煤矿开采强度高、塌陷速度快，采煤沉陷已成为该区当前最突出、最紧迫的生态环境问题。

1.2 试验材料

试验于2015年在河南省永城市城郊煤矿塌陷复垦区进行，供试土壤为复垦1年土壤。供试绿肥为紫花苜蓿和黑麦草；化学肥料为复合肥（N-P2O5-K2O∶15-15-15）；菌肥为金宝贝微生物菌剂，由北京华夏康源科技有限公司提供，有效活菌数在4亿～8亿个/g。

1.3 试验方法

试验设黑麦草（T1）、紫花苜蓿（T2）、黑麦草+化肥（T3）、紫花苜蓿+化肥（T4）、黑麦草+菌肥（T5）、紫花苜蓿+菌肥（T6）、黑麦草+化肥+菌肥（T7）、紫花苜蓿+化肥+菌肥（T8）和不施肥（CK）9个处理，每个处理5次重复，小区面积40 m2，各小区之间用塑料薄膜隔开，防止小区间串水串肥。

2015年3月初按不同的试验处理每667 m2施用化肥（复合肥45 kg）或菌肥（2 kg）后，撒播黑麦草（每667 m2播种量1 kg）或紫花苜蓿（每667 m2播种量0.5 kg），当年6月份全部翻耕，把黑麦草或紫花苜蓿掩埋于土壤下，9月份取土壤样品作为试验材料。

土壤样品采集时间为2015年9月，各试验小区内按“S”形取样，采集0～20 cm土层样品，混匀，每个土样5次重复，取回后贮存于4℃冰箱供测微生物数量之用。

土壤可培养微生物采用平板分离计数法，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、放线菌采用改良高氏一号培养基、真菌采用孟加拉红培养基分别进行分离培养。

试验数据统计分析采用Microsoft Excel 2003软件，方差分析采用SPSS 17.0软件。

2 结果与分析

2.1 施肥处理对复垦土壤微生物总数的影响

由图1可知， T1～T8处理土壤微生物总数量均比CK显著增加，其中，T7、T8处理土壤微生物总数量最多。与CK相比， T7、T8处理微生物数量提高幅度分别为430.1%和387.9%，其次是T3、T4处理，其微生物数量提高幅度分别为342.9%和314.8%，而T1、T2、T5、T6处理增加幅度较小。因此，各种处理微生物总数量的变化为：T7、T8＞T3、T4＞T1、T2、T5、T6。

图1 各处理微生物总数量

2.2 施肥处理对复垦土壤不同微生物类群的影响

由表1可知，与CK相比，施肥处理均显著提高了不同微生物类群的数量，总体上，微生物类群在各施肥处理的数量变化顺序为：放线菌＞细菌＞真菌，其中，各施肥处理放线菌数量比CK增加2.4～5.8倍、细菌数量比CK增加2.0～4.2倍、真菌数量比CK增加1.5～3.5倍。其中，T7处理细菌和放线菌数量增加最多，分别比对照增加4.2倍和5.8倍，而T8处理真菌数量增加最多，比CK增加3.5倍。

不同施肥处理对微生物数量影响大小总体趋势为：绿肥+化肥+菌肥＞绿肥+化肥＞绿肥+菌肥＞绿肥。但不同施肥处理对不同微生物类群数量的影响仍有差异。其中，T7、T8处理提高了细菌、放线菌和真菌的数量，与其他各处理均有显著差异；T1、T2处理与T3、T4处理对细菌数量影响差异显著，但二者与T5、T6处理无显著差异；T1、T2处理和T5、T6处理对放线菌数量影响无显著差异，但二者均与T3、T4处理差异显著；T3、T4、T5、T6处理真菌数量均显著高于T1、T2处理。

表1 施肥处理对复垦土壤细菌、真菌、放线菌数量的影响

2.3 施肥处理对复垦土壤微生物群落组成的影响

土壤微生物是由多个种群组成的微生物群落，在土壤养分循环和能量转化过程中发挥着不同作用，其数量随地上植被、土壤养分、水分、物理性状的变化而变化。由表2可知，不同施肥处理后，土壤微生物各类群占微生物总数的比例均发生了变化，但细菌所占比例变化不显著，而放线菌和真菌所占比例在不同处理所占微生物总数的比例不同。其中，放线菌的比例在各处理下均比CK增加，表明施肥处理放线菌的增加幅度较大，且T1、T3、T5、T7处理放线菌的比例分别为11.5%、10.6%、10.8%和12.1%，均分别大于T2、T4、T6、T8处理，表明黑麦草处理比苜蓿更有利于放线菌的生长；相反，真菌的比例在各处理下均比CK降低，表明施肥处理真菌的增加幅度较小，且T2、T4、T6、T8处理真菌的比例分别为3.3%、3.0%、3.8%和4.0%，均分别大于T1、T3、T5、T7处理，表明苜蓿比黑麦草更有利于真菌的生长。

表2 施肥处理对复垦土壤细菌、真菌、放线菌占微生物总数比例的影响 （%）

3 结论与讨论

采煤塌陷区复垦土壤由于养分贫瘠、结构性差，其土壤微生物数量少，成为制约土壤生产力提高的重要因素。大量研究表明，不同的施肥处理措施能有效改善土壤质量，提高土壤中微生物的数量和活性[8，16]。其中，绿肥作为一种养分完全的生物肥源，分解快，肥效迅速，能增加土壤中的有机质和氮、磷、钾、钙、镁和各种微量元素，同时能改善土壤结构、提高土壤的保水保肥和供肥能力。本试验结果表明，无论是单独绿肥处理还是绿肥与化肥或菌肥配施，均能显著提高土壤中总的微生物数量，这与其他研究结果一致，主要是因为绿肥改善了土壤结构、为土壤微生物生长提供了养分和能源[17]。但不同的施肥处理对复垦土壤微生物的影响不同。本试验中，绿肥+菌肥对土壤总微生物数量的改善作用不如绿肥+化肥，可能的原因是菌肥作为生物肥料，是菌而不是肥，它本身并不含有植物生长发育需要的营养元素，而只是含有微生物，在土壤中通过参与土壤中物质和能量的转化、腐殖质的形成和分解、养分的释放等改善土壤的营养条件。因此，在短期实验中，其为土著微生物提供营养方面不如化学肥料迅速。绿肥+化肥+菌肥处理对土壤中微生物数量影响最大，该处理微生物总数显著高于对照和其他处理，这与胡可等[18]的研究结果一致。这可能是由于一方面化肥的施入可实现土壤氮、磷、钾等营养元素含量的迅速提高，为土壤微生物和地上植物生长快速地提供了无机养分，另一方面，随着地上植物（绿肥）的生长，植物地上部生物量和根系分泌物形成的有机物输送进土壤，有利于土壤微生物的繁衍，共同促进了微生物的生长。可见，绿肥+化肥+菌肥的培肥模式有助于改良土壤的微生物学特性，应进一步推广和利用。

施肥处理显著提高了微生物的数量，但不同微生物类群数量变化不同，可能是因为土壤结构、土壤营养物质含量和土壤pH值均在一定程度上决定了土壤微生物组成[19]，因此，微生物类群组成比例上的变化，可以敏感地反映土壤质量的变化[20]。本试验结果表明，在各施肥处理下微生物类群数量变化幅度的顺序为：放线菌＞细菌＞真菌，且与对照相比，放线菌占微生物总数的比例提高。不同施肥处理土壤中放线菌数量大幅度增加及比例的提高，可能是因为绿肥的施用，使植物在生长过程中向土壤输送了有机物质，且改善了土壤结构，因而适宜于放线菌的快速繁殖[21-22]。此外，本试验结果还表明，放线菌占微生物总数的比例在黑麦草、黑麦草+化肥、黑麦草+菌肥、黑麦草+化肥+菌肥处理中均高于苜蓿及其相应组合的处理。表明在复垦初期，黑麦草作为绿肥对土壤放线菌有更为明显的增加作用，主要是因为禾本科植物有非常发达的地下根茎，在生长过程中会将光合物质向地下大量转移，从而促进放线菌的生长[23]。因此，在复垦土壤的培肥模式选择中，应根据复垦土壤的性状而选择不同的模式。