礦區(qū)土壤微生物技術(shù)的應(yīng)用

礦區(qū)土壤微生物技術(shù)的應(yīng)用

中國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國。2012年，中國能源消費總量為36.2億噸，比2011年增加了3.9%，煤炭消費總量增加了2.5%。采礦業(yè)的發(fā)展一方面促進了國民經(jīng)濟的增長,使人們生活水平得以提高;另一方面又不可避免地破壞了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,如煤礦開采占用大量土地資源,影響土地耕作和植被生長。必須通過礦區(qū)土地復(fù)墾,改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,提高土地生產(chǎn)力,特別是要快速恢復(fù)礦區(qū)土壤質(zhì)量,因為土壤的穩(wěn)定性在于土壤質(zhì)量的好壞,這取決于土壤的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)屬性及生物肥力3個方面。由土壤微生物參與的礦化-同化、氧化-還原反應(yīng),可以促進植物養(yǎng)料轉(zhuǎn)化,幫助降解污染物,對礦區(qū)土地的復(fù)墾具有重要的意義。土壤微生物復(fù)墾技術(shù)的研究,是近年來的研究熱點,同時也是難點。目前的工作重點是:提出增加土壤養(yǎng)分利用與改善土壤生態(tài)環(huán)境的措施,提高土壤潛在元素的利用率,以促進營養(yǎng)物質(zhì)更容易被生物所吸收,從而提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量。目前,有關(guān)我國煤礦區(qū)廢棄地復(fù)墾研究較多,但有關(guān)微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)復(fù)墾中的應(yīng)用研究較少。事實上,對礦區(qū)土壤系統(tǒng)進行生態(tài)恢復(fù),不僅要對地上部分的植被進行恢復(fù),還應(yīng)對土壤微生物生態(tài)群落進行恢復(fù),重建土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)。筆者旨在通過對礦區(qū)微生物復(fù)墾技術(shù)的理論進行研究,為我國北方煤礦區(qū)生物復(fù)墾提供理論借鑒。1生物修復(fù)技術(shù)我國在礦區(qū)土地復(fù)墾方面已經(jīng)取得了一定的成績,但目前大部分復(fù)墾措施仍停留在工程復(fù)墾水平上,通過一系列土木工程措施簡單整理利用礦區(qū)環(huán)境,暫緩人地矛盾,而土地復(fù)墾的最終目的是生態(tài)復(fù)墾,只有實行生物復(fù)墾技術(shù)才能高效地提高復(fù)墾土壤的肥力、恢復(fù)植被、實現(xiàn)工礦區(qū)廢棄地的可持續(xù)利用。因此,目前國際上通常運用微生物修復(fù)技術(shù)來提高礦區(qū)土壤肥力和土壤生物活性。與工程復(fù)墾方法相比,生物修復(fù)具有費用低、環(huán)境影響小、不會造成二次污染、處理效果好、操作簡單等優(yōu)點。用現(xiàn)代微生物工藝技術(shù)代替從前以昂貴的化學(xué)制劑作為添加材料改良貧瘠土壤,是目前國內(nèi)外微生物復(fù)墾技術(shù)的主要研究方向。發(fā)揮土壤微生物的優(yōu)勢,通常采取向新建植的植物中接種微生物菌劑的措施,如接種叢枝菌根真菌、根瘤菌,這些菌劑不僅可以改善植物的營養(yǎng)條件,促進植物的生長發(fā)育;還能利用植物根際微生物自身的生命活動,重新建立土壤微生物與植物的共生體系,改變土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,增加土壤生物活性;除此之外,對植物接種微生物菌劑形成優(yōu)勢菌群之后,可以抑制有害微生物在植物根系生態(tài)系統(tǒng)中大量繁殖,減少病原菌對植物的侵害。微生物在代謝過程中會產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物,如有機物酸和酶類,這些產(chǎn)物能快速活化土壤養(yǎng)分,從而縮短礦區(qū)復(fù)墾周期。2微生物技術(shù)在礦區(qū)恢復(fù)中的作用2.1微生物與土壤肥力運用傳統(tǒng)工程復(fù)墾方式進行礦區(qū)復(fù)墾會對土壤造成嚴(yán)重破壞,如采用推土機等重型機械開挖土地,顛倒了土壤剖面層次,致使土壤肥力下降、土壤養(yǎng)分空間變異增大,重型機械平整土地致使復(fù)墾后土壤容重增大、土壤孔隙度減小,阻礙了植物的生長發(fā)育。焦曉燕等研究了采煤塌陷地復(fù)墾方式對土壤理化性質(zhì)的影響,結(jié)果表明,無論選擇表土剝離還是混推復(fù)墾的方式,重型機械的施工會將土壤壓實,尤其體現(xiàn)在20~40cm土壤剖面層次上,土壤容重達1.69~1.74g/cm3,土壤總孔隙度為34%。叢枝菌根的菌絲體在土壤團聚體的形成和穩(wěn)定中起著重要作用,菌根真菌能維持土壤大團聚體的組成,菌絲和根的斷裂片段又可以參與微團聚體的組成,同時,由真菌產(chǎn)生的多糖類物質(zhì)具有保持土壤水分的能力,因此,土壤的穩(wěn)定性能夠依靠菌根技術(shù)實現(xiàn),菌根對改善土壤結(jié)構(gòu)起到促進作用。在礦區(qū)土壤中存在一些較難降解的腐殖質(zhì),會直接阻礙土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,并且會降低土壤的疏松度,而通過生物有機肥中的多種土壤微生物共同作用,可以很好地降解這些腐殖質(zhì),并逐步積累土壤有機質(zhì),改善土壤質(zhì)量,提高土壤養(yǎng)分。微生物復(fù)墾技術(shù)可以很好地改良土壤的物理性質(zhì),包括土壤的體積質(zhì)量、通氣度以及孔隙度等,土壤微生物與植物分泌物、礦物膠體和有機膠體相結(jié)合,可以改善土壤結(jié)構(gòu)。礦區(qū)復(fù)墾土壤十分貧瘠,常勃測定山西長治礦區(qū)復(fù)墾地土壤得出,有機質(zhì)含量0.597%,氮、磷、鉀含量分別為0.05%,0.005%,2.0%。除了施加有機肥和化肥外,微生物肥料是目前加快礦區(qū)土壤肥力恢復(fù)的最好方法。試驗證明,微生物肥料能夠顯著增加土壤肥力,據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院土肥所測定,固氮菌每667m2能固定45kg氮,磷細菌每667m2能釋放出P2O530kg,鉀細菌每667m2能釋放出K2O45kg。綜合分析得出,可減少化肥用量10%~30%。常勃研究指出,施用菌劑能夠增加礦區(qū)復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量,土壤有機質(zhì)增加了9.55g/kg,比對照提高了16.8%,且與對照間差異達到了顯著水平,說明使用菌劑有提高土壤養(yǎng)分、熟化土壤的作用。武勝林等采用生物復(fù)墾措施后,新土壤層的土壤結(jié)構(gòu)明顯地得到改善,土壤容重明顯降低,理化特性得到改善,試種的作物產(chǎn)量比工程復(fù)墾后土壤的產(chǎn)量明顯增加,基本接近普通農(nóng)田的水平。2.2復(fù)墾土壤微生物活性高質(zhì)量的土壤應(yīng)該由良好的生物活性以及穩(wěn)定的微生物種群構(gòu)成。土壤生物活性是由土壤中的微生物、土壤酶參與的一系列土壤生化反應(yīng),可以表示土壤熟化的程度,體現(xiàn)土壤肥力的強弱。土壤微生物的數(shù)量分布,不僅能夠反映土壤養(yǎng)分狀況和土壤的透氣性能,而且還是土壤微生物活性的具體體現(xiàn)。細菌、真菌、放線菌數(shù)量的多少與其發(fā)揮的生態(tài)功能密切相關(guān),其數(shù)量的減少表示土壤質(zhì)量的下降。陽文銳等研究發(fā)現(xiàn),EM堆肥處理的微生物總量比傳統(tǒng)堆肥處理高11.61%,說明施用EM堆肥可提高土壤微生物活性、增加微生物分布密度。土壤中大部分生物化學(xué)反應(yīng)都有土壤微生物的參與,作物的殘根敗葉和施入土壤中的有機肥料,只有經(jīng)過土壤微生物的作用,才能腐爛分解,并形成腐殖質(zhì)。由于復(fù)墾土壤比較貧瘠,缺乏土壤養(yǎng)分,致使植物不能良好地生長,而土壤微生物不僅能儲存土壤養(yǎng)分,還能活化土壤潛在養(yǎng)分,并可增加土壤養(yǎng)分的有效性。復(fù)墾土壤中常常含有金屬元素,導(dǎo)致土壤重金屬污染,土壤微生物對重金屬離子具有生物固持作用。李艷軍研究發(fā)現(xiàn),在一些被重金屬污染的土壤中仍存在長勢相對良好的植物,由于土壤微生物中的真菌能保護植物根系,長勢良好植物的菌根能夠使植物免遭重金屬的毒害。試驗表明,土壤酶的形成與積累主要是依靠土壤中微生物的活動,土壤酶活性的大小能夠體現(xiàn)土壤微生物代謝活動的旺盛程度。在土壤中已發(fā)現(xiàn)50~60種酶,研究較多的有氧化還原酶、水解酶、轉(zhuǎn)化酶等。哈茲耶夫研究指出,土壤氧化還原酶可鑒別土壤類型,反映土壤熟化程度,評價土壤肥力。也有學(xué)者在研究土壤酶活性與土壤肥力二者間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),不是所有的土壤酶都可評價土壤肥力,有一些土壤酶具有專屬性,所以,用單一的土壤酶活性來評價土壤總肥力是不準(zhǔn)確的,應(yīng)當(dāng)用與土壤肥力因素相關(guān)的土壤酶活性的總體來表征土壤肥力水平,這樣才能全面反映土壤質(zhì)量的好壞。土壤酶和土壤微生物活性一方面可以很好地分解、合成土壤有機物質(zhì),恢復(fù)土壤微生物生態(tài)群落;另一面可促進植物生長,增加作物產(chǎn)量。常勃試驗表明,施用生物菌肥對塌陷復(fù)墾土壤生物活性有促進作用,并能夠改善油菜品質(zhì)。栗麗等研究表明,通過施用生物有機肥,將大量的酶類帶入土壤,直接加酶給土壤,是一種快速有效提高土壤酶活性的技術(shù)措施,腐解和正在腐解的生物有機肥,不僅為土壤微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì),同時也是土壤酶的良好基質(zhì)。2.3微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性土壤微生物能促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán),是土壤中重要的分解者,土壤微生物對外界環(huán)境變化的敏感度高于土壤的理化性質(zhì),因此,土壤質(zhì)量的靈敏性常用土壤微生物的性質(zhì)來表征。在土壤微生物學(xué)研究中,常把土壤微生物的生物量與微生物多樣性作為最重要的指標(biāo)。土壤生物區(qū)系的變化和生物化學(xué)過程間的相互關(guān)系能夠反映土壤微生物多樣性,土壤微生物多樣性不僅能體現(xiàn)出微生物群落的穩(wěn)定性,還可反映出土壤生態(tài)機制和土壤脅迫對群落的影響。隨著科技的不斷發(fā)展,土壤微生物測試技術(shù)已有很大進步,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的測定方法也得到了迅速發(fā)展,如生物標(biāo)志物法、磷酯脂肪酸分析法、核酸分析法等,其能更好地準(zhǔn)確評價土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤微生物多樣性,為正確有效地評價礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量提供了技術(shù)保證。礦區(qū)復(fù)墾土壤中,微生物種群的多少能夠體現(xiàn)出復(fù)墾土壤的性質(zhì),在一定程度上還可以作為評價礦山復(fù)墾土壤的性質(zhì)演變指標(biāo)。通過對復(fù)墾土壤的微生物多樣性進行研究,可以為進一步礦區(qū)復(fù)墾土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)及固碳功能等方面提供理論依據(jù)。李江用生物菌肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤的微生物群落和功能多樣性進行分析指出,對不同年限復(fù)墾土壤基質(zhì)中接種叢枝菌根真菌,會使全磷、速效磷、有機質(zhì)及微生物數(shù)量明顯增加。許劍敏采用室內(nèi)盆栽模擬試驗分析生物菌肥對復(fù)墾土壤熟化的效果,結(jié)果表明,在復(fù)墾3a的土壤上施用生物菌肥,與對照相比,土壤中的全磷、速效磷、有機質(zhì)含量分別提高7.1%,27.9%和30.2%,細菌、真菌、放線菌數(shù)量分別增長28.2%,32.2%和22.8%。土壤微生物群落也可以支配碳元素和氮元素的生態(tài)系統(tǒng)循環(huán),決定有機質(zhì)的周轉(zhuǎn)過程,促進植物生長并提高土壤肥力,潛在地影響植物多樣性。常勃研究指出,不同微生物菌劑對土壤中微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)有很大的影響,菌劑處理的油菜根際微生物總量和各個含量都比對照高。其中,微生物總量提高了2.3%~66.4%。胡可等研究指出,施用生物有機肥可顯著提高土壤微生物中三大菌群的數(shù)量,并能改善微生物營養(yǎng)條件,使微生物保持較高活性,提高土壤微生物多樣性。肖相政等采用盆栽方法研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機肥會對不同類群微生物的生長產(chǎn)生影響,并能夠改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。3研究熱點應(yīng)是生物、有機、養(yǎng)分循環(huán)利用技術(shù)微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)土地復(fù)墾中將有廣闊的應(yīng)用前景。針對礦區(qū)工程復(fù)墾地土壤特點和土地復(fù)墾現(xiàn)狀,筆者建議要大力推廣采用微生物復(fù)墾技術(shù)對土壤進行改良,以提高土地質(zhì)量,使礦區(qū)復(fù)墾工作向更高層次發(fā)展。國際上對礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)方面的研究重點是菌根的研究與應(yīng)用,而我國對此研究起步較晚,大部分研究仍停留在實驗室階段,今后菌根研究的重點應(yīng)放在如何加快菌根基礎(chǔ)研究的積累,將菌根有效地應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。近幾年,國際上已將分子技術(shù)運用到菌根研究中,而我國還未見報道。因此,今后菌根研究的熱點應(yīng)是分子水平的研究?，F(xiàn)代微生物工藝技術(shù)在礦區(qū)復(fù)墾中的應(yīng)用研究,是國外復(fù)墾新技術(shù)研究的熱點,并已初見成效。開發(fā)這項技術(shù)對于迅速重建礦區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng),無疑是一項艱巨的科學(xué)工作,也是微生物復(fù)墾技術(shù)的趨勢之一。對于廢棄地的植被恢復(fù),其研究熱點是如何促進廢棄地養(yǎng)分循環(huán)和營養(yǎng)元素的累積,加速廢棄地有機質(zhì)及N素的積累可以通過利用豆科植物根瘤菌共生體的固氮作用來實現(xiàn)。就微生物菌肥而言,單一的接種劑雖然有一定的增產(chǎn)功效,但比較容易受到外界環(huán)境的影響,所以在種類上,應(yīng)該由單一的接種劑逐步向生物、有機、無機復(fù)混肥方向發(fā)展,只有將生物菌與有機肥和化肥配合施用才有較好的發(fā)展前途。今后在選擇菌種方面也應(yīng)該由單一菌種向復(fù)合菌種發(fā)展,國內(nèi)現(xiàn)階段趨向于選擇固氮菌、磷細菌和鉀細菌等多功能菌復(fù)合。芽孢桿菌與無芽孢桿菌相較,更耐高溫和干燥,并具有較強的抗逆性,利于在礦區(qū)惡劣環(huán)境中生存,所以在今后菌種