矿区土壤微生物技术的应用

矿区土壤微生物技术的应用

中国是世界上最大的能源生产国和消费国。2012年，中国能源消费总量为36.2亿吨，比2011年增加了3.9%，煤炭消费总量增加了2.5%。采矿业的发展一方面促进了国民经济的增长,使人们生活水平得以提高;另一方面又不可避免地破坏了矿区生态环境,如煤矿开采占用大量土地资源,影响土地耕作和植被生长。必须通过矿区土地复垦,改善矿区生态环境,提高土地生产力,特别是要快速恢复矿区土壤质量,因为土壤的稳定性在于土壤质量的好坏,这取决于土壤的物理结构、化学属性及生物肥力3个方面。由土壤微生物参与的矿化-同化、氧化-还原反应,可以促进植物养料转化,帮助降解污染物,对矿区土地的复垦具有重要的意义。土壤微生物复垦技术的研究,是近年来的研究热点,同时也是难点。目前的工作重点是:提出增加土壤养分利用与改善土壤生态环境的措施,提高土壤潜在元素的利用率,以促进营养物质更容易被生物所吸收,从而提高农产品质量和土壤环境质量。目前,有关我国煤矿区废弃地复垦研究较多,但有关微生物复垦技术在矿区复垦中的应用研究较少。事实上,对矿区土壤系统进行生态恢复,不仅要对地上部分的植被进行恢复,还应对土壤微生物生态群落进行恢复,重建土壤微生物生态系统。笔者旨在通过对矿区微生物复垦技术的理论进行研究,为我国北方煤矿区生物复垦提供理论借鉴。1生物修复技术我国在矿区土地复垦方面已经取得了一定的成绩,但目前大部分复垦措施仍停留在工程复垦水平上,通过一系列土木工程措施简单整理利用矿区环境,暂缓人地矛盾,而土地复垦的最终目的是生态复垦,只有实行生物复垦技术才能高效地提高复垦土壤的肥力、恢复植被、实现工矿区废弃地的可持续利用。因此,目前国际上通常运用微生物修复技术来提高矿区土壤肥力和土壤生物活性。与工程复垦方法相比,生物修复具有费用低、环境影响小、不会造成二次污染、处理效果好、操作简单等优点。用现代微生物工艺技术代替从前以昂贵的化学制剂作为添加材料改良贫瘠土壤,是目前国内外微生物复垦技术的主要研究方向。发挥土壤微生物的优势,通常采取向新建植的植物中接种微生物菌剂的措施,如接种丛枝菌根真菌、根瘤菌,这些菌剂不仅可以改善植物的营养条件,促进植物的生长发育;还能利用植物根际微生物自身的生命活动,重新建立土壤微生物与植物的共生体系,改变土壤结构,提高土壤肥力,增加土壤生物活性;除此之外,对植物接种微生物菌剂形成优势菌群之后,可以抑制有害微生物在植物根系生态系统中大量繁殖,减少病原菌对植物的侵害。微生物在代谢过程中会产生多种代谢产物,如有机物酸和酶类,这些产物能快速活化土壤养分,从而缩短矿区复垦周期。2微生物技术在矿区恢复中的作用2.1微生物与土壤肥力运用传统工程复垦方式进行矿区复垦会对土壤造成严重破坏,如采用推土机等重型机械开挖土地,颠倒了土壤剖面层次,致使土壤肥力下降、土壤养分空间变异增大,重型机械平整土地致使复垦后土壤容重增大、土壤孔隙度减小,阻碍了植物的生长发育。焦晓燕等研究了采煤塌陷地复垦方式对土壤理化性质的影响,结果表明,无论选择表土剥离还是混推复垦的方式,重型机械的施工会将土壤压实,尤其体现在20~40cm土壤剖面层次上,土壤容重达1.69~1.74g/cm3,土壤总孔隙度为34%。丛枝菌根的菌丝体在土壤团聚体的形成和稳定中起着重要作用,菌根真菌能维持土壤大团聚体的组成,菌丝和根的断裂片段又可以参与微团聚体的组成,同时,由真菌产生的多糖类物质具有保持土壤水分的能力,因此,土壤的稳定性能够依靠菌根技术实现,菌根对改善土壤结构起到促进作用。在矿区土壤中存在一些较难降解的腐殖质,会直接阻碍土壤团粒结构的形成,并且会降低土壤的疏松度,而通过生物有机肥中的多种土壤微生物共同作用,可以很好地降解这些腐殖质,并逐步积累土壤有机质,改善土壤质量,提高土壤养分。微生物复垦技术可以很好地改良土壤的物理性质,包括土壤的体积质量、通气度以及孔隙度等,土壤微生物与植物分泌物、矿物胶体和有机胶体相结合,可以改善土壤结构。矿区复垦土壤十分贫瘠,常勃测定山西长治矿区复垦地土壤得出,有机质含量0.597%,氮、磷、钾含量分别为0.05%,0.005%,2.0%。除了施加有机肥和化肥外,微生物肥料是目前加快矿区土壤肥力恢复的最好方法。试验证明,微生物肥料能够显著增加土壤肥力,据中国农业科学院土肥所测定,固氮菌每667m2能固定45kg氮,磷细菌每667m2能释放出P2O530kg,钾细菌每667m2能释放出K2O45kg。综合分析得出,可减少化肥用量10%~30%。常勃研究指出,施用菌剂能够增加矿区复垦土壤养分含量,土壤有机质增加了9.55g/kg,比对照提高了16.8%,且与对照间差异达到了显著水平,说明使用菌剂有提高土壤养分、熟化土壤的作用。武胜林等采用生物复垦措施后,新土壤层的土壤结构明显地得到改善,土壤容重明显降低,理化特性得到改善,试种的作物产量比工程复垦后土壤的产量明显增加,基本接近普通农田的水平。2.2复垦土壤微生物活性高质量的土壤应该由良好的生物活性以及稳定的微生物种群构成。土壤生物活性是由土壤中的微生物、土壤酶参与的一系列土壤生化反应,可以表示土壤熟化的程度,体现土壤肥力的强弱。土壤微生物的数量分布,不仅能够反映土壤养分状况和土壤的透气性能,而且还是土壤微生物活性的具体体现。细菌、真菌、放线菌数量的多少与其发挥的生态功能密切相关,其数量的减少表示土壤质量的下降。阳文锐等研究发现,EM堆肥处理的微生物总量比传统堆肥处理高11.61%,说明施用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学反应都有土壤微生物的参与,作物的残根败叶和施入土壤中的有机肥料,只有经过土壤微生物的作用,才能腐烂分解,并形成腐殖质。由于复垦土壤比较贫瘠,缺乏土壤养分,致使植物不能良好地生长,而土壤微生物不仅能储存土壤养分,还能活化土壤潜在养分,并可增加土壤养分的有效性。复垦土壤中常常含有金属元素,导致土壤重金属污染,土壤微生物对重金属离子具有生物固持作用。李艳军研究发现,在一些被重金属污染的土壤中仍存在长势相对良好的植物,由于土壤微生物中的真菌能保护植物根系,长势良好植物的菌根能够使植物免遭重金属的毒害。试验表明,土壤酶的形成与积累主要是依靠土壤中微生物的活动,土壤酶活性的大小能够体现土壤微生物代谢活动的旺盛程度。在土壤中已发现50~60种酶,研究较多的有氧化还原酶、水解酶、转化酶等。哈兹耶夫研究指出,土壤氧化还原酶可鉴别土壤类型,反映土壤熟化程度,评价土壤肥力。也有学者在研究土壤酶活性与土壤肥力二者间的关系时发现,不是所有的土壤酶都可评价土壤肥力,有一些土壤酶具有专属性,所以,用单一的土壤酶活性来评价土壤总肥力是不准确的,应当用与土壤肥力因素相关的土壤酶活性的总体来表征土壤肥力水平,这样才能全面反映土壤质量的好坏。土壤酶和土壤微生物活性一方面可以很好地分解、合成土壤有机物质,恢复土壤微生物生态群落;另一面可促进植物生长,增加作物产量。常勃试验表明,施用生物菌肥对塌陷复垦土壤生物活性有促进作用,并能够改善油菜品质。栗丽等研究表明,通过施用生物有机肥,将大量的酶类带入土壤,直接加酶给土壤,是一种快速有效提高土壤酶活性的技术措施,腐解和正在腐解的生物有机肥,不仅为土壤微生物提供了丰富的营养物质,同时也是土壤酶的良好基质。2.3微生物群落结构和功能多样性土壤微生物能促进土壤养分的转化与循环,是土壤中重要的分解者,土壤微生物对外界环境变化的敏感度高于土壤的理化性质,因此,土壤质量的灵敏性常用土壤微生物的性质来表征。在土壤微生物学研究中,常把土壤微生物的生物量与微生物多样性作为最重要的指标。土壤生物区系的变化和生物化学过程间的相互关系能够反映土壤微生物多样性,土壤微生物多样性不仅能体现出微生物群落的稳定性,还可反映出土壤生态机制和土壤胁迫对群落的影响。随着科技的不断发展,土壤微生物测试技术已有很大进步,土壤微生物群落结构的测定方法也得到了迅速发展,如生物标志物法、磷酯脂肪酸分析法、核酸分析法等,其能更好地准确评价土壤微生物群落结构和土壤微生物多样性,为正确有效地评价矿区复垦土壤质量提供了技术保证。矿区复垦土壤中,微生物种群的多少能够体现出复垦土壤的性质,在一定程度上还可以作为评价矿山复垦土壤的性质演变指标。通过对复垦土壤的微生物多样性进行研究,可以为进一步矿区复垦土壤有机质转化、养分循环及固碳功能等方面提供理论依据。李江用生物菌肥对矿区复垦土壤的微生物群落和功能多样性进行分析指出,对不同年限复垦土壤基质中接种丛枝菌根真菌,会使全磷、速效磷、有机质及微生物数量明显增加。许剑敏采用室内盆栽模拟试验分析生物菌肥对复垦土壤熟化的效果,结果表明,在复垦3a的土壤上施用生物菌肥,与对照相比,土壤中的全磷、速效磷、有机质含量分别提高7.1%,27.9%和30.2%,细菌、真菌、放线菌数量分别增长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态系统循环,决定有机质的周转过程,促进植物生长并提高土壤肥力,潜在地影响植物多样性。常勃研究指出,不同微生物菌剂对土壤中微生物数量和结构有很大的影响,菌剂处理的油菜根际微生物总量和各个含量都比对照高。其中,微生物总量提高了2.3%~66.4%。胡可等研究指出,施用生物有机肥可显著提高土壤微生物中三大菌群的数量,并能改善微生物营养条件,使微生物保持较高活性,提高土壤微生物多样性。肖相政等采用盆栽方法研究发现,施用生物有机肥会对不同类群微生物的生长产生影响,并能够改善土壤微生物群落结构。3研究热点应是生物、有机、养分循环利用技术微生物复垦技术在矿区土地复垦中将有广阔的应用前景。针对矿区工程复垦地土壤特点和土地复垦现状,笔者建议要大力推广采用微生物复垦技术对土壤进行改良,以提高土地质量,使矿区复垦工作向更高层次发展。国际上对矿区生态恢复方面的研究重点是菌根的研究与应用,而我国对此研究起步较晚,大部分研究仍停留在实验室阶段,今后菌根研究的重点应放在如何加快菌根基础研究的积累,将菌根有效地应用到实际生产中。近几年,国际上已将分子技术运用到菌根研究中,而我国还未见报道。因此,今后菌根研究的热点应是分子水平的研究。现代微生物工艺技术在矿区复垦中的应用研究,是国外复垦新技术研究的热点,并已初见成效。开发这项技术对于迅速重建矿区土壤生态系统,无疑是一项艰巨的科学工作,也是微生物复垦技术的趋势之一。对于废弃地的植被恢复,其研究热点是如何促进废弃地养分循环和营养元素的累积,加速废弃地有机质及N素的积累可以通过利用豆科植物根瘤菌共生体的固氮作用来实现。就微生物菌肥而言,单一的接种剂虽然有一定的增产功效,但比较容易受到外界环境的影响,所以在种类上,应该由单一的接种剂逐步向生物、有机、无机复混肥方向发展,只有将生物菌与有机肥和化肥配合施用才有较好的发展前途。今后在选择菌种方面也应该由单一菌种向复合菌种发展,国内现阶段趋向于选择固氮菌、磷细菌和钾细菌等多功能菌复合。芽孢杆菌与无芽孢杆菌相较,更耐高温和干燥,并具有较强的抗逆性,利于在矿区恶劣环境中生存,所以在今后菌种