自然恢复植被对煤矸石基质有...分及微生物群落多样性的影响_刘元生.pdf

第 卷 第 期 年 月中 国 水 土 保 持 科 学 自然恢复植被对煤矸石基质有效性养分及微生物群落多样性的影响刘元生，陈祖拥，刘 方，朱 健，卜通达（贵州大学环境与资源研究所，贵阳）摘要：为探讨不同自然植被类型下煤矸石基质养分和微生物群落多样性变化及其关联性，对贵州中部关闭煤矿区煤矸石堆场自然恢复的马尾松幼林、光皮桦 茅栗幼林和类芦草丛 类植被进行调查，采集其优势植物（马尾松、光皮桦和类芦），分析煤矸石基质样品。结果表明：植被自然恢复过程中煤矸石基质的有机碳及有效性氮、磷和钾含量均出现不同程度的增加，其作用的大小顺序为光皮桦 茅栗幼林 马尾松幼林 类芦草丛，种植被类型之间煤矸石基质的碱解氮含量出现显著性差异，光皮桦 茅栗幼林和马尾松幼林下煤矸石基质的有机碳及碱解氮含量均显著地高于类芦草丛。自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落丰富度指数和优势度指数均显著高于裸露的煤矸石基质，特别是光皮桦 茅栗幼林。煤矸石基质的微生物群落丰富度指数与有机质碳、碱解氮、有效磷、和速效钾含量存在显著性正相关，而微生物群落优势度指数与碱解氮含量呈极显著正相关。自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落多样性明显增加，对增进煤矸石基质养分转化和物质循环具有积极意义。关键词：自然恢复植被；煤矸石；有效性养分；微生物群落多样性；煤矿区中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：修回日期：项目名称：国家自然科学基金“煤矿废弃地煤矸石 水界面锰迁移的生态规律与调控机制”（）；贵州省科技计划项目（黔科合平台人才 号）；贵州大学人才引进基金（贵大人基合字 号）第一作者简介：刘元生（），男，硕士，副教授。主要研究方向：土壤资源利用与改良。：，（，）：，（），（，），中国水土保持科学 年），（）（），（）（），），：；煤矸石基质酸度大及植物营养元素缺乏。煤矸石堆场废弃地土壤基质具有有机质数量少、氮磷含量低、孔隙性及结构性差的特点，微生物繁殖慢及活性弱，植物萌发及生长困难，从而阻碍了煤矸石堆场及周边环境的生态恢复。煤矸石山植被恢复模式及其生态效应的研究已成为矿山生态修复的主要内容之一。目前对煤矿废弃地人工种植的林草模式及生态修复效果方面已有一些研究，魏怀建等研究了淮南大通煤矸石充填复垦区 种典型植被恢复模式下土壤物理性质与有机无机复合体的关系，植被恢复降低复垦土壤的密度而增加其总孔隙度，特别是臭椿（）草本恢复模式效果最佳。赵韵美等对阜新矿区不同植被恢复模式下煤矿废弃地土壤养分特征进行研究，发现沙棘（）紫穗槐（）混交林、白榆（）紫穗槐混交林、菊芋（）林模式均能有效改善土壤养分特征，其中沙棘 紫穗槐混交林恢复模式效果最为明显。可见，煤矸石山植被恢复过程逐渐改善煤矸石基质的水分及养分状况，进一步促进煤矸石堆场植物的生长发育，土壤 植被复合系统的建立改善煤矿区的生态环境；而且随着植被覆盖度的增加及凋落物数量的增多，微生物数量及多样性逐步增加，土壤肥力水平不断提高。近年来贵州中西部多数关闭的小煤窑矿区生态环境治理取得较明显的效果，多年露天堆放的煤矸石堆场出现以自然生长的马尾松（）、光皮桦（）、类芦（）及毛果金星蕨（）为优势植物种的植被恢复。目前对煤矸石堆场自然恢复植被后植生基质养分变化与微生物多样性变化之间的相关性还缺乏深入的研究。土壤养分含量及其生物有效性的提高对促进矿区废弃地植物生长有着重要作用，在适宜的土壤环境条件下土壤微生物群落多样性的增加可以调控养分的转化和释放，有利于提高土壤有效养分的含量水平，。笔者通过对不同自然植被类型下煤矸石基质养分及微生物多样性变化进行研究，深入探讨煤矸石基质有效性养分变化与微生物群落多样性之间的关联性，旨在为煤矿区煤矸石堆场的生态环境治理及生态修复提供科学依据。研究区概况研究区位于贵阳市花溪区麦坪乡及久安乡，属低中山地貌及亚热带季风性湿润气候，年均气温在.，年降雨量 。植被为光皮桦及针阔混交林，土壤多为黄壤及石灰土。该煤矿区曾是贵阳市主要产煤区，世纪 年代开 第 期刘元生等：自然恢复植被对煤矸石基质有效性养分及微生物群落多样性的影响始煤矿开采，世纪 年代出现大量小煤窑，年底通过煤矿整治后小煤矿井全部关闭。多年开采废弃的煤矸石露天堆放在矿井周边，煤矸石堆存已有 之久。经长期风化的煤矸石基质上出现自然生长的一些植物种群，采用常规植物样地调查方法对该区未经人工干预的煤矸石堆场上自然生长的植物群落组成和物种多样性进行调查，植物群落优势种为马尾松、光皮桦、类芦等（表）。材料与方法.样地设置与样品采集在调查区内选择有代表性的马尾松幼林、光皮桦 茅栗（）幼林和类芦草丛 种植被类型（表）的煤矸石堆场作为采样区，其优势植物分别是马尾松、光皮桦和类芦。选择地形、坡度相对一致的煤矸石堆场设置样地，样地大小为 ，分别在样地内调查植物的种类和数量，木本植物在样区内全部清点计数，草本植物在有代表性 样区内调查统计。在每个样地内离植物根系 以外区域，按常规土壤采样方法进行表层（）煤矸石基质混合样品采集，即非根区混合样；同时，采集马尾松、光皮桦和类芦根区（优势植物根系 范围内）表层（）煤矸石基质混合样品；每种植被类型设置 块样地，共采集到 个根区混合样和 个非根区混合样。同时，在 种植被类型对应采样区域，采集 个裸露地表层（）煤矸石基质混合样品。采集的每个煤矸石样品取部分新鲜样品装入无菌封口塑料袋内，混合均匀后置于冰块上运至实验室，作微生物群落功能多样性的测定；剩余的大部分煤矸石样品置于实验室自然风干，研磨后过 筛备用。表 调查区不同植被恢复类型下煤矸石堆场的物种组成 植被类型 植被覆盖率 主要植物名称，密度 ，（）优势物种 马尾松幼林 乔木层：马尾松。：，.灌木层：油茶。：，.草本层：白茅。：，.马尾松，高度为.。，.光皮桦 茅栗幼林 乔木层：光皮桦。：，.茅栗 ，.灌木层：青冈。：，.草本层：白茅。：，.光皮桦，高度为.。，.类芦草丛 灌木层：茅栗。：，.草本层：类芦。：，.白茅 ，.毛果金星蕨 ，.类 芦，高 度 为.。，.裸地 草本层：稀少的狗牙根。：，.白三叶 .狗 牙 根 .煤矸石基质养分测定 采用酸度计法（土水比 .）测定，有机碳采用重铬酸钾容量法、碱解氮采用扩散吸收法、有效磷采用 法测定，速效钾采用乙酸铵溶液提取 火焰分光光度法测定。.煤矸石基质微生物群落多样性测定将取得的新鲜样品调节土壤水分至田间持水量的 左右，置于 的冰箱内保存，取样后 内应用 的生态测试板（）进行微生物群落功能多样性分析，称取 新鲜样品加入内有 无菌水的三角瓶中，加无菌棉花塞，在 下振荡 。然后，静置 ，取上清液，在无菌操作台中按逐步稀释法进行稀释，接种时稀释液导入到一次性无菌接种巢中，用移液枪将稀释液接种到生态测试板上，将接种好的测试板加盖在（）下培养 。每隔 用 自动读数装置在 下读取吸光值。中国水土保持科学 年.数据分析微生物的整体代谢活性采用平均每孔颜色变化率（）来表示，它能够在一定程度上反映微生物群落的数量和结构特征，运用 数据来进行多样性指数的计算。指数，用以表征土壤中微生物群落丰富度；指数，用以表征土壤中微生物群落优势度。实验数据统计分析采用 软件进行配对 检验和方差分析（，）。结果与分析.对煤矸石基质有效性养分含量的影响煤矸石中有机质数量少、氮磷含量低，通过对不同类型植被下煤矸石基质中有机碳（）及有效性氮（）、磷（）和钾（）含量变化的分析，从表 可以看出，植被自然恢复过程中煤矸石基质有机碳及有效性氧、磷、钾质量分数均出现不同程度的增加，有机碳质量分数范围达.，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数范围分别为.、.和.，其作用的大小顺序为光皮桦 茅栗幼林 马尾松幼林 类芦草丛；光皮桦 茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛植被的煤矸石基质中有机碳质量分数分别比裸地提高.、.和.倍，而碱解氮质量分数则分别增加.、.和.倍；此外，光皮桦 茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛的煤矸石基质中有效磷质量分数分别比裸地提高.、.和.倍，而速效钾质量分数则分别增加.、.和.。多重比较结果表明：光皮桦 茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛下煤矸石基质中有机碳和碱解氮质含量均显著地高于裸露的煤矸石基质，光皮桦 茅栗幼林下煤矸石基质中有效磷和速效钾含量显著地大于裸露的煤矸石基质，马尾松幼林下煤矸石基质中速效钾含量显著地高于裸露的煤矸石基质。从 种植被类型来看，光皮桦 茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛下煤矸石基质中有机碳含量未出现明显的差异性，但 种植被类型之间煤矸石基质中碱解氮含量出现显著性差别，且光皮桦 茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质中碱解氮含量均显著地高于类芦草丛；光皮桦 茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质中，有效磷含量与类芦草丛煤矸石基质也未出现显著性差异，但光皮桦 茅栗幼林煤矸石基质中速效钾含量显著地大于类芦草丛煤矸石基质；而光皮桦 茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质之间有效磷和速效钾含量均未出现显著性的差别。从马尾松、光皮桦和类芦根区来看，煤矸石基质有机碳及有效性氮、磷和钾含量的大小顺序均为光皮桦 马尾松 类芦。光皮桦根区煤矸石基质中有机碳及碱解氮含量显著地高于马尾松和类芦，光皮桦根区煤矸石基质中速效钾含量也显著地大于类芦，但光皮桦和马尾松根区煤矸石基质中速效钾含量未出现显著性的差别；而马尾松、光皮桦和类芦根区煤矸石基质中有效磷含量均未出现显著性差异。表 不同植被类型下煤矸石基质养分质量分数的变化 采样区域 有机碳碱解氮有效磷速效钾 马尾松幼林非根区 .光皮桦 茅栗幼林非根区 .类芦草丛非根区 .裸地 .马尾松根区 .光皮桦根区 .类芦根区 .注：表中数据为每种植被类型或优势种 个重复的平均值 标准差，同列不同小写字母之间表示差异达到显著水平（.）：（.）第 期刘元生等：自然恢复植被对煤矸石基质有效性养分及微生物群落多样性的影响.对煤矸石基质微生物群落功能多样性的影响由图 可以看出，种植被类型下煤矸石基质中微生物的 值整体趋势都是在培养初期增高较大，而在培养中后期增长减缓，不同植被类型下煤矸石基质的微生物 值的大小顺序为光皮桦 茅栗幼林 类芦草丛 马尾松幼林。由图 可见，种优势植物根际区煤矸石基质微生物的 值的大小表现为光皮桦 类芦 马尾松。图 不同植被类型及优势植物根区下煤矸石基质微生物的 曲线 （）运用培养 时的 值计算微生物群落 丰富度指数 和 优势度指数（表），对 种植被下煤矸石基质微生物群落的 和 进行方差分析，马尾松幼林、光皮桦 茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落 均显著地高于裸露的煤矸石基质，马尾松幼林、光皮桦 茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落 分别比裸地提高.、.和.，而且光皮桦 茅栗幼林煤矸石基质中微生物群落 显著大于马尾松幼林，光皮桦 茅栗幼林与类芦草丛煤矸石基质之间微生物群落丰富度指数 未出现显著性差异。表 不同植被类型下煤矸石基质微生物多样性的变化 采样区域（）丰富度指数 优势度指数 马尾松幼林非根区 .光皮桦 茅栗幼林非根区 .类芦草丛非根区 .裸地 .马尾松根区 .光皮桦根区 .类芦根区 .注：表中数据为每种植被类型或优势种 个重复平均值 标准差，同列不同小写字母之间表示差异达到显著水平（.）。：（.）马尾松幼林、光皮桦 茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石 基 质 中 微 生 物 群 落 分 别 比 裸 地 增 加.、.和.；但 种植被类型之间煤矸石基质中微生物群落 未出现显著性差别，其中仅光皮桦 茅栗幼林煤矸石基质中微生物群落 显著地高于裸露的煤矸石基质。从优势植物来看，中国水土保持科学 年光皮桦根区煤矸石基质中微生物群落 和 显著地高于马尾松，类芦根区煤矸石基质中微生物群落也显著地高于马尾松，但二者之间煤矸石基质中微生物群落 没有显著的差别。.煤矸石基质根际微生物多样性与 值和养分含量的关联性马尾松幼林、光皮桦 茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落 和 与煤矸石基质的 值和有机碳及有效性氮、磷、钾含量存在明显的关联性，从表 看出，植被区煤矸石基质的微生物群落 和 均与 值呈显著性正相关，植被区煤矸石基质的微生物群落 与有机质碳、碱解氮质量分数呈极