武家塔露天煤矿复垦土壤中微生物-中蒙草药体系应用研究

刘宝勇 李昕 连昭

摘要 為探究不同微生物-中蒙草药体系在矿区土地复垦中的应用前景，选取武家塔露天煤矿复垦区3种适生中蒙草药及2种微生物菌剂不同组合体系为对象，研究不同体系下中蒙草药株高、根长、茎粗、干重和叶绿素含量变化，以及复垦土壤中碱解氮、有效磷和有效钾3种有效养分含量变化。结果表明，板蓝根施用混合菌剂其地上、地下和全株干重分别提高100.9%、75.5%和88.1%。防风施用胶质芽孢杆菌菌剂其茎粗增加100.0%，地下干重提高55.6%。黄芩施用枯草芽孢杆菌菌剂其地上、地下和全株干重分别提高48.5%、114.0%和43.3%。3种中蒙草药中黄芩对微生物菌剂促生作用响应时间较短。对板蓝根施用混合菌剂，防风施用胶质芽孢杆菌菌剂，黄芩施用枯草芽孢杆菌菌剂可以获得较好的促生效果。与中蒙草药单独种植比较，碱解氮含量在不同组合体系下均有增加。有效磷含量在胶质芽孢杆菌与板蓝根和防风组合体系下增加明显。有效钾含量在胶质芽孢杆菌和混合菌剂与黄芩组合体系下增加明显。综上所述，微生物-中蒙草药体系在促进中蒙草药生长的同时能够改良土壤速效养分含量。可以依据该研究结果选取合适的微生物-中蒙草药体系应用于该矿区土地复垦。

关键词 武家塔露天煤矿;枯草芽孢杆菌;胶质芽孢杆菌;中蒙草药;土地复垦

中图分类号 X172  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2020）18-0080-06

Abstract In order to research on the application prospect of different MicrobesChinese Mongolian herbs system in land reclamation of mining areas， three Chinese Mongolian herbs in Wujiata Openpit Coal Mine area and two Microbes were selected as the research object. The changes of plant height， root length， stem diameter， dry weight， chlorophyll content of Chinese Mongolian herbs and the content change of alkalihydrolyzed nitrogen， available phosphorus and available potassium in reclaimed soil were studied. The results showed that the aboveground dry weight， underground dry weight and whole plant dry weight of Isatis tinctoria were increased by 100.9%， 75.5% and 88.1% respectively under Bacillus subtilis and Bacillus mucilaginosus mixed inoculation. The stem diameter of Saposhnikovia divaricate was increased by 100.0%， and the underground dry weight of Saposhnikovia divaricate was increased by 55.6%， under Bacillus mucilaginosus inoculation. The aboveground dry weight， underground dry weight and whole plant dry weight of Scutellaria baicalensis were increased by 48.5%， 114.0% and 43.3% respectively， under Bacillus subtilis inoculation. Response time to microbial inoculants of Scutellaria baicalensis was shortest in three kinds of Chinese Mongolian herbs. Isatis tinctoria inoculated with mixed microbial inoculum， Saposhnikovia divaricate inoculated with Bacillus mucilaginosus， Scutellaria baicalensis inoculated with Bacillus subtilis could obtain a better growth promotion effects. Comparing with single planting， the content of alkalihydrolyzed nitrogen increased under different combinations. The content of available phosphorus increased significantly under two combination systems， Bacillus mucilaginosusIsatis tinctorial and Bacillus mucilaginosusSaposhnikovia divaricata. The available potassium content increased significantly under two combination systems， Bacillus mucilaginosusScutellaria baicalensis and mixed microbial inoculumScutellaria baicalensis. In summary， MicrobesChinese Mongolian herbs system could promote the growth of herbs and improve the content of soil available nutrients. According to this study， suitable MicrobesChinese Mongolian herbs system can be selected and applied in land reclamation of mining area.

Key words Wujiata Openpit Coal Mine;Bacillus subtilis;Bacillus mucilaginosus;Chinese Mongolian herbs;Land reclamation

在矿区土地复垦过程中施用适当的微生物，有利于复垦植物的生长及对土壤养分的利用。微生物复垦技术是利用微生物的生理特性，对复垦区土壤进行综合修复与改良的一项生物技术措施。微生物菌剂可以溶解土壤中难溶或不溶性的磷元素、钾元素，提高土壤养分的利用率，使土壤中的有机物更高效被植物所吸收利用[1]。借助向新建植的植物接种微生物，可以改善植物的营养条件，促进植物生长，利用植物根际微生物的生命活动，使贫瘠无生命活力的复垦区土壤重新恢复土壤微生物体系，提高土壤肥力，增加土壤生物种类，从而缩短复垦周期。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）是革兰氏阳性杆状好养型细菌，广泛分布在土壤及腐败的有机物中，促进作物吸收养分和生长发育，还可固氮、解磷、解钾，增加土壤养分，改良土壤结构，提高根际土壤细菌多样性和群落结构稳定性[2]。胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）是一类能分解土壤和硅酸盐矿物的化能异养型好氧菌，可以使土壤中难溶性的K、P、Si等物质转变为利于植物生长的物质，还可产生多种生物活性物质，促进植物生长[3]。同时胶质芽孢杆菌还具有一定的固氮能力，是一种常用的微生物肥料添加菌种[4]。

内蒙古地区具有丰富的中蒙草药物种资源。多数中蒙草药具有耐土壤贫瘠干旱特性，同时能够改良土壤养分状况，在内蒙古矿区土地复垦中具有重要的应用价值[5]。通过前期中蒙草药矿区适生物种筛选研究，选取板蓝根（Isatis tinctoria）、防风（Saposhnikovia divaricata）和黄芩（Scutellaria baicalensis）作为试验对象。

笔者通过在矿区复垦土壤中加入微生物菌剂，分析微生物菌剂对中蒙草药的生长情况以及两者协同作用对复垦土壤养分的影响，旨在探究矿区复垦土壤不同微生物-中蒙草药协同修复体系在矿区复垦土壤改良过程中的作用，为矿区土地复垦提供新的模式及理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

武家塔露天煤矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇（110°05′55″～110°10′48″E，39°15′16″～39°17′50″N）。该地区地形特征为西北高、东南低，标高为1 106.55 m。该地区气候属于半干旱半沙漠的高原大陆性气候。矿区气候常年多风干旱，冬季严寒，夏季炎热干燥，全年少雨，温差较大。受风沙和干旱的影响，植被逐渐退化，天然植被以沙生植物为主，地表植被覆盖率低，沙漠化现象严重。矿区草原植被广泛发育，草类多由多年生的草群组成，而又以丛生禾本科为主，其次是油蒿和豆科杂草，灌木和半灌木占较大比重[6]。

1.2 研究方法

1.2.1 中蒙草药栽植与微生物添加。

选取完整饱满的板蓝根（I. tinctoria）、防风（S. divaricata）和黄芩（S. baicalensis）种子用于种植试验。直径9 cm育苗盆底部置放2层滤纸，添加矿区新排土250 g（取自鄂尔多斯市武家塔露天矿4号排土场，为沙质土，风干过1 mm 筛）。播种前每盆各加15 mL植物低氮营养液。每个育苗盆播种20粒种子。播种后每盆各加15 mL菌剂，包括浓度为0.2%的枯草芽孢杆菌菌剂水溶液（山东绿陇生物科技有限公司，芽孢数≥ 2×1010 CFU/g）与0.2%的胶质芽孢杆菌菌剂水溶液（山东蓝宝石生物科技有限公司，芽孢数≥ 5×109 CFU/g），及以上2种浓度菌剂1∶1混合溶液，对照组以15 mL无菌水代替。

在播种后第15天开始定期测定幼苗株高。在第41天结束试验，测量最终株高、茎粗、根长，并采集幼苗根际土壤样品。叶绿素含量测定使用美能达SPAD-502手持叶绿素计，叶绿素相对含量以SPAD值表示。截断幼苗，将地上部分和地下部分放入烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃烘干至恒重后测量干重。计算根冠比、G值和壮苗指数。

根冠比=地下部干重/地上部干重

G值=全株干样质量/育苗天数

壮苗指数=（茎粗/株高+地下部干重/地上部干重）×全株干重

1.2.2 幼苗根际土壤样品处理与有效养分检测。

风干的幼苗根际土壤样品，孔径1 mm的筛子筛选后用于土壤有效养分测定。土壤有效磷含量测量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[7];土壤碱解氮含量测量采用碱解扩散法[8]。

土壤有效钾含量测量采用NH4OAc浸提-原子吸收分光光度计法。在装有5 g根际土壤样品的三角瓶中加入50 mL醋酸铵溶液（1 mol/L），振荡30 min后3 000 r/min离心10 min，使用定性滤纸过滤取上清液。在上清液中添加10 mL 过氧化氢溶液（含量30%）煮沸10 min去除有机质。使用孔径022 μm的微孔滤膜抽滤除杂质，用醋酸铵溶液定容至50 mL。使用原子吸收分光光度计测定钾元素含量（北京普析通用TAS-990AFG型，钾灯波长为766.5 nm）。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS 22.0软件对试验数据进行统计分析，对中蒙草药生长指标和土壤养分进行相关性分析。使用Ducan检验对各指标进行显著性差异分析，显著性水平为0.05。采用Excel 2016绘制图表。

2 结果与分析

2.1 微生物菌剂对中蒙草药生长的影响

3种中蒙草药生长指标测定结果见图1。由图1可知，株高：板蓝根与防风幼苗在种植初期对照组株高均高于微生物处理组，试验结束时混合菌剂处理组株高高于其他处理;黄芩幼苗的枯草芽孢杆菌处理组株高始终高于其他处理。根长：板蓝根幼苗的混合菌剂处理组测定值最高，其他2种中蒙草药幼苗不同处理间根长无较大差异。茎粗：经混合菌剂处理的板蓝根幼苗茎粗比对照组高13.5%，经胶质芽孢杆菌处理的防风幼苗茎粗比对照组高100.0%，经枯草芽孢杆菌处理的黄芩幼苗茎粗比对照组高21.0%。干重：地上部分干重，混合菌剂处理的板蓝根幼苗比对照组高100.9%，混合菌剂处理的防风幼苗比对照组高56.0%，胶质芽孢杆菌处理的黄芩幼苗比照组高48.5%;地下部分干重，混合菌剂处理的板蓝根幼苗比对照组高75.5%，胶質芽孢杆菌处理的防风幼苗比对照组高556%，枯草芽孢杆菌处理的黄芩幼苗比对照组高114.0%;全株干重，混合菌剂处理的板蓝根幼苗比对照组高88.1%，混合菌剂处理的防风幼苗比对照组高46.9%，胶质芽孢杆菌处理的黄芩幼苗比对照组高43.3%。叶绿素含量：混合菌剂和胶质芽孢杆菌处理的防风幼苗分别比对照组高21.6%、17.1%，其他2种中蒙草药幼苗不同处理间叶绿素含量无较大差异。

3种中蒙草药根冠比、G值和壮苗指数见表1。根冠比：经胶质芽孢杆菌处理的板蓝根幼苗和防风幼苗根冠比均高于其他处理，经枯草芽孢杆菌处理的黄芩幼苗根冠比高于其他处理。G值：经混合菌剂处理的板蓝根幼苗和防风幼苗、经胶质芽孢杆菌处理的黄芩幼苗G值均高于其他处理。壮苗指数：经混合菌剂处理的板蓝根幼苗、经胶质芽孢杆菌处理的防风幼苗、经枯草芽孢杆菌处理的黄芩幼苗壮苗指数均高于其他处理。

2.2 微生物与中蒙草药共同作用对土壤养分的影响

由图2可知，板蓝根与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌共同作用使土壤碱解氮含量比对照组增加了9.3%、18.0%。防风与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和混合菌剂共同作用使土壤碱解氮含量比对照组增加了430%、328%和495%。黄芩与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和混合菌剂共同作用使土壤碱解氮含量增加了64%、66%和35%。根据《第二次全国土壤普查技术规程》中全国土壤普查土壤养分分级和丰缺度标准，不同处理下土壤碱解氮含量虽有较大提升，但都处于6级（极缺）水平。

板蓝根与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌共同作用使土壤有效磷含量比对照组增加了7.6%、23.3%，有效磷含量等级为3级（中等）。防风与胶质芽孢杆菌共同作用使土壤有效磷含量比对照组增加49.0%，使有效磷含量等级由4级（稍缺）提升为3级（中等）。黄芩与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌共同作用使土壤有效磷含量比对照组减少了74.7%、386%;使有效磷含量等级由3级（中等）降低为5级（缺）和4级（稍缺）。

板蓝根与枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌、混合菌剂共同作用使土壤有效钾含量比对照组减少了4.9%、6.6%、8.6%。防风与胶质芽孢杆菌共同作用使土壤有效钾含量比对照组减少了15.2%。黄芩与胶质芽孢杆菌、混合菌剂共同作用使土壤有效钾含量比对照组增加了19.3%、13.3%，与枯草芽孢杆菌共同作用使土壤有效鉀含量比对照组减少了13.3%。不同处理下土壤有效钾含量都处于6级（极缺）水平。

2.3 相关性分析

对3种中蒙草药生长指标与土壤养分含量进行相关性分析，结果见表2。

对照处理条件：叶绿素、株高、根长、干重之间相关关系显著，相互影响。碱解氮与株高极显著正相关（P<0.01），与叶绿素显著正相关。有效磷与株高极显著正相关（P<001）。有效钾与株高显著正相关（P<0.05），与有效磷显著正相关（P<0.05）。

枯草芽孢杆菌处理条件：叶绿素与株高、根长、地下部分干重极显著相关（P<0.01）。有效磷与主根长极显著正相关（P<0.05），与叶绿素极显著正相关（P<0.01），与地下部分干重极显著正相关（P<0.01）。有效钾与主根长极显著负相关（P<0.01），与地下部分干重显著负相关，与有效磷极显著负相关（P<0.01）。

胶质芽孢杆菌处理条件：叶绿素与主根长极显著正相关（P<0.01）。地下部分干重与叶绿素显著正相关（P<0.05）。

混合菌剂处理条件：根长与叶绿素、地下部分干重极显著正相关（P<0.01）。地下部分干重与叶绿素、地上部分干重极显著正相关（P<0.01）。碱解氮与叶绿素显著负相关（P<0.05）。有效磷与株高显著正相关。有效钾与主根长显著正相关，与茎粗显著正相关（P<0.05）。

3 讨论

3.1 微生物菌剂对3种中蒙草药的促生作用

枯草芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌可以在矿区土地复垦中起到植物根际促生菌（Plant growthpromoting rhizobacteria，PGPR）的功能。植物根际促生菌能够通过多种直接或间接作用机制影响植物的生长，随着其应用领域的拓展，成为逐渐取代化肥和农药的生态制剂[9-10]。枯草芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌促进农作物生长的效果在多个研究中得到验证。枯草芽孢杆菌能够提高黄瓜幼苗一级根的长度[11];促进紫花苜蓿种子萌发，提高幼苗叶绿素含量和地上部分和地下部分干重以及耐盐性[12];促进小麦种子萌发和幼苗生长，提高叶绿素和渗透调节物质含量[13];增加平邑甜茶幼苗在苹果连作土壤中栽培时的干重、株高和茎粗[14]。胶质芽孢杆菌能够增加黄瓜、茄子及辣椒3种蔬菜幼苗的根长和干重[15]，提高烟草红花大金元和云烟85 2个品种幼苗的根系总长和总生物量[16]。

该研究中，3种中蒙草药对微生物菌剂促生作用的响应时间和响应程度具有差异性。在种植初期添加菌剂的板蓝根幼苗和防风幼苗株高与对照组比较没有明显优势，种植后期经混合菌剂处理的板蓝根幼苗和防风幼苗株高高于对照组;而黄芩幼苗在枯草芽孢杆菌的作用下株高一直高于对照组。可见，黄芩对微生物促生作用的响应时间较短，板蓝根和防风响应时间相对较长。响应程度的差异性体现在枯草芽孢杆菌能够增加防风和黄芩幼苗的茎粗，而对板蓝根幼苗没有明显影响。胶质芽孢杆菌在增加板蓝根和防风茎粗的同时会降低黄芩的茎粗。以上2种芽孢杆菌能够提高板蓝根和黄芩幼苗的干重，而对防风幼苗没有明显影响。混合菌剂能够提高板蓝根和防风幼苗的株高、茎粗和干重，但会降低黄芩幼苗的相关指标。

针对复垦矿区多风干旱的气候条件，为增强中蒙草药幼苗对复垦矿区环境的适应能力，应考虑提高其抗旱性、保水性以及幼苗素质，而这些特性可以用幼苗干重、根冠比和壮苗指数进行评价[17-19]。依据该研究结果综合比较，认为在矿区土壤复垦过程中，对板蓝根幼苗施用2种芽孢杆菌混合菌剂，防风幼苗施用胶质芽孢杆菌菌剂，黄芩幼苗施用枯草芽孢杆菌菌剂，可以对相应的中蒙草药幼苗产生较好的促生作用。

3.2 微生物-中蒙草药体系与土壤有效养分变化的关系

氮元素作为植物体内叶绿素的组成部分，土壤中的丰缺状况与叶片中叶绿素含量有着密切的关系，叶绿素的增加可以促进植物光合作用及光合产物的积累[20]。该研究中，3种微生物-中蒙草药体系均能增加土壤碱解氮含量。对照组的土壤碱解氮与叶绿素为显著正相关（P<0.05），而施加混合菌剂的土壤碱解氮与叶绿素为显著负相关（P<0.05）。说明对照组植物光合作用主要吸收土壤原本游离在外的氮元素，而试验组施加的微生物菌剂有解磷解钾固氮的效果，试验组植物吸收了大量的被微生物菌剂活化的磷元素供给自身光合作用。试验组叶绿素与土壤碱解氮显著负相关（P<0.05），因微生物能够活化土壤中的氮元素，使其能够被植物直接吸收利用，植物吸收了土壤中更多的氮元素。

郭轶敏等[21]研究表明土壤磷含量增加，植物株高会增加。该研究中，胶质芽孢杆菌与板蓝根和防风组合体系能够增加土壤有效磷含量。试验组有效磷与株高显著相关（P<0.05），且植物最终株高为试验组最高，说明施加微生物菌剂能够促进3种中蒙草药的生长。相关性分析结果表明，经枯草芽孢杆菌处理的植物叶绿素与土壤有效磷呈极显著相关（P<0.01），相关性大于对照组，且试验组植物叶绿素含量高于对照组，说明施加微生物菌剂能够显著提高土壤有效磷含量，并提高植物叶绿素含量，而叶绿素影响植物光合作用和有机物的积累。增加土壤微生物的活性和含量，改善植物根际微环境，进而促进植物生长发育。这与岳辉等[22]的研究结果一致。

尚海丽等[23]研究表明，解钾细菌在土壤钾亏缺时，显著促进植物对磷的吸收。该研究中，胶质芽孢杆菌和混合菌剂与黄芩组合有利于提高土壤有效钾含量。对照组株高与有效磷为极显著（P<0.01）正相关，与有效钾为显著（P<0.05）正相关;经枯草芽孢杆菌处理的植物根长与有效磷为极显著正相关（P<0.01），与有效钾为极显著负相关（P<0.05）。地下部分干重与有效磷为极显著正相关（P<0.01），与有效钾为显著负相关（P<0.05）。矿区土壤贫瘠，植物生长需要通过根部从基质中吸收所需养分，从而导致土壤养分含量的降低。而施加的微生物菌剂促进了植物对磷元素的吸收，同时也活化更多的钾元素供植物根系吸收利用，试验组植物根系吸收土壤钾元素的能力更强，所以植物根系各项指标与土壤有效钾为负相关关系。这与陈钦程等[24]、钱奎梅等[24]的研究证实植物对有效钾的吸收利用会使土壤中的有效钾含量降低的结果一致。

4 结论

（1）3种中蒙草药对微生物菌剂促生作用的响应时间具有差异性。黄芩对微生物促生作用的响应时间较短，板蓝根和防风响应时间相对较长。

（2）3种中蒙草药对微生物菌剂促生作用的响应程度具有差异性。通过幼苗干重、根冠比和壮苗指数进行评价，对板蓝根施用2种芽孢杆菌混合菌剂，防风施用胶质芽孢杆菌菌剂，黄芩施用枯草芽孢杆菌菌剂，可以获得較好的促生作用。

（3）与中蒙草药单独种植比较，3种微生物-中蒙草药体系均能增加土壤碱解氮含量。胶质芽孢杆菌与板蓝根和防风组合体系有利于增加土壤有效磷含量。胶质芽孢杆菌和混合菌剂与黄芩组合体系有利于提高土壤有效钾含量。

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