侯穎　丁錦平

摘要：采用以空間代替時間的方法，研究了采煤塌陷區(qū)復墾后土壤自然演替狀況下先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化，探討不同先鋒植物根際微生物變化的特征和規(guī)律。結果表明，不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同，其中，復墾1年后的土壤，狗尾草的根際細菌、真菌和放線菌數(shù)量及微生物總量均大于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，復墾3年后則相反；兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均隨著復墾年限的延長而顯著增加，其中，細菌和放線茵數(shù)量增加的較快，因此，細菌所占微生物總量的比例隨著復墾年限延長而增加，而真菌的比例降低。復墾后土壤上的先鋒植物根際效應十分明顯，從微生物類群來看，根際效應是真菌>放線茵>細菌，從植物類別來看，復墾1年后的土壤上，先鋒植物狗尾草的根際效應大于刺兒菜，但復墾3年后則相反，說明隨著物種和時間的變化，根際效應也發(fā)生變化。

關鍵詞：采煤塌陷區(qū)；復墾地；先鋒植物；根際微生物

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用為社會進步及經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，但同時也嚴重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，如煤炭井工開采引起大面積地表塌陷，從而造成地質結構破壞，并產(chǎn)生一系列的生態(tài)環(huán)境問題和社會問題。因此，中國在《土地復墾規(guī)定》的基礎上于2011年又頒布了《土地復墾條例》，以期提高復墾土地的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

在塌陷區(qū)土地復墾過程中，土壤質量和植被的恢復是受損生態(tài)系統(tǒng)恢復的關鍵。而在土壤一植被的復雜關系中，土壤微生物起著非常重要的作用。一方面，土壤微生物將有機養(yǎng)分轉化成無機養(yǎng)分，以利于植物吸收利用；另一方面，植物通過其根際分泌物為微生物提供重要的能量物質，影響著土壤微生物的群落結構和代謝活性。有關采煤塌陷復墾區(qū)土壤微生物的研究大多集中在土壤微生物與土壤性質的關系、不同復墾模式及年限對土壤微生物的影響、不同施肥對土壤微生物的影響以及微生物在土壤修復中的應用等方面，對工程復墾后土壤自然恢復狀況下先鋒植物根際微生物的研究較少。

土壤微生物與植物根際微環(huán)境進行著復雜頻繁的相互作用，不同植物根分泌物的種類和數(shù)量不同，因此對根際微生物的影響不同。采煤塌陷區(qū)復墾土壤上種植的先鋒植物的根系分泌物為微生物提供重要的能量物質，其成分和數(shù)量影響著微生物的種類和數(shù)量。因此，本試驗采用以空間代替時間的方法，對塌陷區(qū)復墾后土壤自然演替狀況下先鋒植物根際微生物群落結構和數(shù)量進行研究，探討不同先鋒植物根際微生物變化的特征和規(guī)律，對討論自然環(huán)境狀態(tài)下土壤發(fā)育過程有著重要意義。同時探索塌陷復墾區(qū)先鋒植物根際微生物的變化特征及植物與微生物的關系，對選擇適合當?shù)丨h(huán)境的鄉(xiāng)土先鋒植物以及礦區(qū)生態(tài)恢復中人工利用有益微生物具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

1.材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于中國六大無煙煤生產(chǎn)基地之一——河南省永城采煤區(qū)范圍內(nèi)，介于東經(jīng)115°58′-116°39′、北緯33°42′-34°18′，平均海拔33 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱的大陸性季風氣候，年均氣溫14.3℃，年降雨量874 mm，年均日照時間2 318 h。區(qū)內(nèi)土壤類型簡單，主要分布有潮土和砂漿黑土2個土類，土壤有機質含量低，呈弱堿性或中性（pH7.0-8.5）。采煤塌陷后的區(qū)域采用“挖深墊淺”的方法進行工程復墾，工程復墾后的土壤質量較低，因此，復墾初期大部分土地處在撂荒狀態(tài)。

1.2土壤樣品采集與處理

在研究區(qū)選取復墾工藝相同但復墾年限不同的復墾區(qū)（復墾年限分別是1年和3年）進行采樣，并以附近未受影響的正常農(nóng)田作為對照。在不同復墾年限區(qū)和農(nóng)田內(nèi)分別選取3個采樣點，每個采樣點內(nèi)分別選取生長健壯的先鋒植物狗尾草和刺兒菜3株，按物種采用抖動法采集根際土壤，土壤混合均勻作為一個樣品。將土壤分別置于無菌自封袋中，帶回實驗室，放入冰箱4℃保存待用。

1.3土壤微生物數(shù)量測定

細菌、真菌、放線菌計數(shù)采用平板稀釋涂布法。細菌培養(yǎng)用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌用改良高氏1號培養(yǎng)基分別進行培養(yǎng)，具體測定方法參考文獻。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)主要采用方差分析的方法進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)和圖表采用軟件SPSS 19.0和Excel 2010完成。

2.結果與分析

2.1不同先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化

不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同。由表1可知，復墾1年后的土壤，其先鋒植物狗尾草的根際細菌和放線菌數(shù)量均顯著大于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，由于細菌占微生物總量的絕大部分，因此，狗尾草的根際微生物總量也顯著大于刺兒菜的根際微生物總量，分別為31.2×10⁴CFU/g和20.9×10⁴CFU/g；相反，復墾3年后的土壤，狗尾草的根際細菌和放線菌數(shù)量均小于刺兒菜的根際微生物數(shù)量，相應地，其根際微生物總量也顯著小于刺兒菜的根際微生物總量，分別為67.7×10⁴CFU/g和96.9×10⁴CFU/g；但不同先鋒植物之間真菌數(shù)量的差異并不顯著。

不同先鋒植物根際微生物的組成比例也不同。由表1可知，復墾1年后的土壤，狗尾草的根際細菌、真菌和放線菌的比例分別為77.6%、13.1%和9.3%，而刺兒菜的根際細菌、真菌和放線菌的比例分別為74.2%、16.8%和9.1%，其中，刺兒菜的根際真菌占微生物總量的比例大于狗尾草；相反，復墾3年后的土壤，刺兒菜的根際真菌所占微生物總量的比例卻小于狗尾草?？梢?，隨復墾年限的延長，不同先鋒植物根際細菌和放線菌的組成比例變化基本一致，而真菌的比例在不同先鋒植物間差異加大。

2.2不同復墾年限先鋒植物根際微生物數(shù)量和組成的變化

由表1可知，兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均隨復墾年限的延長而顯著增加。其中，復墾3年后的狗尾草的根際細菌、真菌和放線菌數(shù)量是復墾1年后的2.3、1.4和2.2倍，而復墾3年后的刺兒菜的根際細菌、真菌和放線菌是復墾1年后的5.3、1.8和4.9倍?？梢姡S復墾年限的增加，細菌和放線菌數(shù)量增加的較快。但與對照相比，無論是根際微生物總量還是各類群的數(shù)量均顯著小于對照。隨復墾年限的延長，兩種先鋒植物根際細菌所占微生物總量的比例均增加，復墾1年和3年后狗尾草細菌所占比例分別為77.6%和81.8%，刺兒菜的分別為74.2%和84.0%：真菌所占比例降低，復墾1年和3年后狗尾草真菌所占比例分別為13.1%和8.6%，刺兒菜的分別為16.8%和6.4%，真菌所占比例均高于對照：放線菌所占比例變化不顯著。

2.3采煤塌陷復墾區(qū)不同先鋒植物的根際效應

植物生長過程中，通過根分泌的方式向根周圍釋放各種化合物，因此，根際微生物在數(shù)量和質量上與根際以外的微生物不同，這兩者的數(shù)量比稱為根際效應（R/S），表示植物根系對微生物的影響程度。由圖1可知，復墾后土壤上的先鋒植物根際效應十分明顯，且不同先鋒植物的根際效應不同。由圖1A可知，復墾1年的土壤上，先鋒植物狗尾草的總微生物根際效應為1.9，刺兒菜的為1.2，但復墾3年后則相反，狗尾草和刺兒菜總微生物根際效應分別為3.2和4.5，說明隨著物種和時間的變化，根際效應也發(fā)生變化。從微生物類群來看（圖1B），真菌的根際效應最明顯，其R/S為14.5-68.3：其次是放線菌，其R/S為2.8～29.0；細菌的根際效應最小，其R/S為0.9-4.3。且隨著復墾年限的延長，細菌的根際效應顯著增加，但真菌和放線菌的則降低。

3.小結與討論

根際微生物是聚居在根際土壤，以根際分泌物為主要營養(yǎng)的一群微生物。因此，根分泌物為土壤微生物提供大量的營養(yǎng)和能源物質，直接影響著根際微生物的數(shù)量和種群結構。不同植物根分泌物的種類和數(shù)量不同，因此，對微生物的影響往往也存在差異。本研究表明，采煤塌陷復墾后的土壤上不同先鋒植物其根際微生物的數(shù)量不同，復墾1年的土壤，先鋒植物狗尾草的根際各類群微生物數(shù)量均大于相應的刺兒菜的根際微生物，但復墾3年的土壤上先鋒植物的根際微生物數(shù)量則相反。原因可能是狗尾草為一年生植物，而刺兒菜為多年生植物，隨著復墾年限的延長，多年生植物根分泌物逐年積累，為微生物提供更多的營養(yǎng)物質，而根系提供的營養(yǎng)物質越多，根際微生物就越豐富。

土壤微生物數(shù)量及組成受土壤營養(yǎng)狀況、土壤質地、植被組成和覆蓋度的綜合影響，因此，土壤微生物3大類群的數(shù)量及其組成的變化可以敏感地反映土壤質量的變化。采用“挖深墊淺”的模式進行土地復墾，原耕作層與深層土壤相混合，破壞了原有的土壤結構，使復墾土地較貧瘠，因此，土壤微生物數(shù)量顯著低于對照。但隨著復墾年限延長，由于地上植物的生長和土壤熟化程度增加，根際土壤微生物數(shù)量發(fā)生變化。本研究表明，復墾后的土壤隨著時間的延長，兩種先鋒植物根際微生物的數(shù)量均顯著增加，這一結果與樊文華等對復墾區(qū)土壤微生物的研究結果相一致。但由于不同類群微生物數(shù)量增加的幅度不同，從而導致微生物組成也隨著復墾年限的延長而變化。本研究中，隨著復墾年限的延長，細菌所占微生物比例增加，而真菌所占比例顯著降低。這可能與土壤中有機質含量增加有關。有研究表明，土壤中細菌數(shù)量與土壤有機質含量呈正相關。而真菌是好氣性微生物，在塌陷區(qū)復墾工程實施初期，復墾土壤疏松，通氣狀況良好，真菌數(shù)量迅速增加，但隨著復墾年限延長，土壤密度增加而孔隙度逐漸下降，透氣性變差，因此抑制了真菌數(shù)量的增加。

根際效應體現(xiàn)了植物根系與微生物的關系，一般來說，根際效應越明顯，說明其根際分泌物比較旺盛，即其生長越好。本研究表明，土壤微生物總量在總體上均表現(xiàn)出正的根際效應，即根際微生物數(shù)量高于非根際土壤。根際效應越明顯，說明根際分泌物就越旺盛，土壤的修復效果也越好，因此，在復墾初期種植適當?shù)闹参锬芨玫馗纳仆寥赖馁|量。但不同植物的根際效應不同，也表明它們在改善土壤質量方面存在差異。本研究中，隨著物種和時間的變化，根際效應也發(fā)生變化。其中，復墾1年的土壤上，先鋒植物狗尾草的根際效應大于刺兒菜，但復墾3年后的根際效應則相反?？赡茉蚴菑蛪?年的土壤上，一年生狗尾草的須根系最大程度地提供了與微生物接觸的根表面積，促進了微生物數(shù)量增加：而多年生的刺兒菜是直根系，在復墾1年的時候根表面積相對較小，但隨著復墾時間的延長，根系的增加和根分泌物在同一地點多年的積累都促進了微生物數(shù)量的增加，因此，其根際效應反而大于狗尾草的根際效應。

采煤塌陷復墾區(qū)土壤質量的主要衡量指標之一是土壤微生物的數(shù)量和組成比例，而在復墾初期，先鋒植物的根際微生物在整個土壤微生物群落中占有重要地位。因此，開展先鋒植物根際微生物的研究是深入認識復墾初期植物類型與土壤微生物相互作用過程及機制的關鍵，有助于闡明土壤生態(tài)系統(tǒng)演變的動態(tài)過程，對于合理開展復墾土壤的恢復有理論指導意義。但如何將自然演替狀態(tài)下先鋒植物根際微生物的變化規(guī)律應用在人為干擾下復墾土壤的恢復中還有待進一步研究。