全 文 ：收稿日期:2008-03-12　　　接受日期:2008-06-20
基金项目:台州学院精品成果后续资助基金(2008-151);浙江省自然科学基金(Y507053)资助。
作者简介:张崇邦(1964—),男 ,黑龙江齐齐哈尔人 ,博士 ,教授 ,主要从事土壤微生物生态学研究。
Tel:0576-85137065, E-mai l:zhangcb@tzc.edu.cn
尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物
生物量 、呼吸速率及酶活性的影响
张崇邦 , 王 江 , 王美丽
(浙江省台州学院生命科学学院 , 浙江临海 317000)
摘要:为了认识重金属耐性植物五节芒(Miscanthus floridulus)对尾矿砂土壤的改良作用 , 在尾矿砂堆积地上选择 1
个裸露的尾矿砂样点(对照)和 4个五节芒定居的尾矿砂样点(RI、RII、RIII和 RIV)为样地 , 研究了土壤微生物生物
量 、呼吸速率和酶活性随五节芒定居梯度的变化规律以及这些微生物参数与土壤理化特性和重金属含量的关系。
结果发现 ,随着五节芒在尾矿砂上的定居 , 除土壤 pH 以外 ,土壤有机碳 、总氮 、总磷 、NH+4 -N、NO-3-N 和速效磷的含量
以及团聚体稳定性和最大持水量均显著提高(P < 0.05), 而土壤重金属总量与 DTPA 可提取量均显著下降(P <
0.05)。土壤微生物生物量碳 、氮 、磷 , 基础呼吸速率 ,基质诱导呼吸速率 , 10 种土壤酶活性均显著提高(P< 0.05),
但土壤呼吸熵和多酚氧化酶活性显著下降(P< 0.05)。主分量分析(PCA)结果表明 , 土壤微生物参数 、土壤理化特
性和土壤重金属数据均可显著区分出 5个研究样地;由典范相关分析(CCA)结果看出 , 土壤微生物参数总体变化
与土壤理化特性呈显著正相关(pH 除外), 与土壤重金属呈显著负相关。
关键词:五节芒;尾矿砂;微生物;重金属;理化性质
中图分类号:S154.1 　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-505X(2009)02-0386-09
Effects of natural inhabitation of Miscanthus floridulus on soil microbial biomass ,
respiration rate and enzyme activity in a mine tailing dump
ZHANG Chong-bang , WANG Jiang , WANG Mei-li
(School of Life Sciences , Taizhou University , Linhai , Zhejiang 317000 , China)
Abstract:To evaluate the ameliorative effects of Miscanthus floridulus , a well known heavy metal-tolerant plant species ,
a bare mine tailing site (control site)and four mine tailing sites(RI , RII , RIII and RIV)inhabited by Miscanthus
floridulus on the mine tailing sand were chosen for determining soil microbial biomass , respiration rate and enzyme activi-
ties , and the relationships between the microbial parameters.The results showed that except for the pH , soil organic car-
bon , total nitrogen , total phosphorus , NH+4 -N , NO-3-N , available phosphorus , aggregate stability and maximum water
holding capacity significantly increased(P<0.05)with the inhabitation of M.floridulus , while total or DTPA-ex-
tractable heavy metal contents significantly decreased (P <0.05).The inhabitation of M.floridulus signiciantly en-
hanced soil microbial carbon , nitrogen , phosphorus , basal respiration rate , substrate induced respiration rate and ten en-
zyme activities , but declinded the phenol oxidase activity and the respiration quotient(P<0.05).The principal com-
ponents analysis(PCA)showed that soil microbial parameters , physico-chemical and heavy metal properties all signifi-
cantly discriminated.The canonical correlation analysis(CCA)showed that the net microbial parameters were positively
related to the soil physico-chemical properties(except for pH), but negatively related to the heavy metal contents.
Key words:Miscanthus floridulus;mine tailing sand;microorganism;heavy metals;physico-chemical properties
植物营养与肥料学报 2009 , 15(2):386-394
Plant Nutrition and Fertilizer Science
　　矿业废弃地主要特征为重金属含量高 、极度酸
化 、营养极其贫乏以及土壤结构恶化[ 1] 。在筛选耐
性植物过程中 ,不仅要评价植物对重金属的耐性程
度及其能否对重金属进行有效固定或发挥减毒作
用 ,而且还应考虑植物能否对污染土壤进行有效改
良 ,也就是在一定的时间范围内能否有效地提高土
壤有机质等营养积累 、增加土壤团聚体稳定性 、促进
营养元素循环以及土壤微生物群落的演替等[ 2] 。耐
性植物只有实现上述两方面的作用 ,才能在植物修
复过程中促使其他环境下的植物入侵并定居在修复
地上 ,进而推动植物群落的演替 ,预测植物修复的成
功。所以 ,探究耐性植物对污染土壤的改良是耐性
植物应用潜力研究的一个重要方面[ 3] 。
五节 芒 (Miscanthus floridulus)属 禾 本 科
(Gramineae)、芒属(Miscanthus)的多年生草本植物 ,
主要分布于我国的台湾 、香港和其他亚热带地区[ 4] 。
五节芒依赖于种子和根状茎进行复合繁殖 ,根系发
达 、生物量大 ,生长快速 、抗逆性强 ,常生长在岩石缝
隙和石砾堆上[ 5] 。有关五节芒与重金属关系的研究
已有报道 ,如 Chiang[ 6]研究了来自污染与非污染环
境的五节芒对重金属 Pb的适应性 ,结果表明来自污
染环境的五节芒对重金属 Pb具有较高的耐性 ,而来
自非污染环境的五节芒对重金属 Pb则不具任何耐
性 ,因而得出“五节芒对重金属的耐性是环境适应的
结果”的结论。周兴等[ 7] 、任立民等[ 8]和田胜尼等[ 9]
分别对广西刁江流域和安徽有色金属矿区植物的调
查研究表明 ,五节芒对锰 、镍 、砷和锌具有较强的吸
收能力;孙健等[ 10] 对湖南郴州铅锌矿区土壤和植
物重金属污染进行了调查分析 ,提出五节芒对铅和
锌具有较强的吸收与转运能力 。上述研究得出同样
的结论 ,虽然五节芒对铅 、锌 、砷 、锰和镍等重金属均
具有较强的吸收能力 ,但均未达到超富集标准 ,被认
为属于重金属耐性植物 。根据 Boularbah 等[ 11]的标
准 ,五节芒可能属于重金属超耐性植物 。
然而 ,到目前为止 ,关于五节芒对矿业废弃地土
壤改良的效果还不清楚 ,这对于认识五节芒在矿业
废弃地植被重建过程中的作用是不全面的 。同时 ,
鉴于土壤微生物群落在生态系统中所发挥的重要作
用(物质循环和能量流动)及其对扰动的敏感性 ,将
土壤微生物参数用做评价土壤质量的指标已得到了
土壤学家以及生态学家们的广泛重视[ 12] 。土壤微
生物生物量碳 、氮和磷分别占土壤有机碳 、总氮和总
磷的 1%～ 4%、2%～ 6%和 1%～ 2%,因而 ,微生物
生物量碳 、氮和磷是土壤碳 、氮和磷库的重要组成成
分[ 13] 。土壤微生物基础呼吸 、酶活性以及矿化作用
等均与土壤团聚体稳定性 、植物营养的可获得性 、土
壤有机物的周转等密切相关 ,因而也常被建议作为
评估土壤质量变化的重要指标[ 14] 。基于国内外对
五节芒的研究现状 ,也基于作者自身的研究基础和
野外调查 ,本研究选择浙江省台州市三门 Pb/Zn冶
炼厂附近尾矿砂堆积地为研究样地 ,在确定五节芒
不同分布梯度的基础上 ,分别收集五节芒地上与地
下样品及根际土壤样品 ,测定植物生物量 、土壤微生
物生物量 、呼吸速率和酶活性 ,并结合土壤理化特性
和重金属含量分析 ,旨在为认识五节芒在非人工辅
助条件下对重金属污染土壤的改良潜力 ,以期为探
索一条成本低廉 、高效持续的植被恢复途径提供科
学依据 。
1　材料与方法
1.1　研究地区概况
三门 Pb/Zn 冶炼厂位于浙江省台州市(29°02′
17″N ,121°38′13″E),于 1992年关闭。该地的尾矿砂
是在选矿过程中 ,经过矿石的粉碎 ,定向的化学浸提
和浮选等一系列操作后被遗弃的矿石残余物。其成
分以沙粒和粉粒为主 ,重金属含量高 ,有机质极其贫
乏 。通过对三门 Pb/Zn冶炼厂的尾矿砂堆积地上的
植物进行调查发现 ,五节芒在尾矿砂堆积地上已成
功地自然定居 ,生长良好 ,覆盖了整个尾矿砂堆积地
面积的 80%以上;并且在早期定居的地段(尾矿砂
堆积地边缘)上还有零星的葛藤(Pueraria Lobata)、
白茅(Imperata cylindrica)、芦竹(Arundo donax)等植
物分布于五节芒种群落中。
1.2　野外调查与样品收集
主要根据五节芒的覆盖度(%),从小到大选定
4个定居梯度 ,即:RI 16.7%, RII 40%, RIII 70%,
RIV 88%;同时设置光板地做对照(BG 0%),总计 5
个梯度 。在每个梯度上 ,分别选择 5 个重复样地。
在每个样地中 ,首先用收割法收集 1 m ×1 m 样方
中的地上植物 ,去除上一年枯死部分 ,剪成小段 ,分
别放在牛皮纸袋中。同时挖出植物根系 ,用“抖土”
法收集根际土壤 ,即拔出根系 ,抖掉与根系粘附程度
较小的土 ,紧密附着在根上的土即为根际土[ 15] ;将
根际土样立即过 2mm筛 ,分成2份分装在塑料封口
袋中 。根系经清洗 ,剪成小段后同样放在牛皮纸袋
中 。根际土样1份保存在 4℃冰箱中用于分析微生
物指标;另 1份放在室温下风干 ,研磨后用于分析
土壤理化与重金属指标 。收集到的植物样品用于植
3872 期　　　 张崇邦 ,等:尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物生物量 、呼吸速率及酶活性的影响
物生物量分析 ,即将植物样品于干燥箱中 ,60℃下烘
干48 h ,称重 ,最后换算成 g/m2 。
1.3　测定项目与方法
1.3.1　土壤理化性质和金属的测定　采用常规土
壤化学法分析 ,土壤有机碳 —外加热法[ 16] ,全氮 —
凯式定氮法[ 17] ,全磷—钼蓝比色法[ 18] ,铵态氮与硝
态氮用气体蒸馏法[ 19] ,速效磷 —HCl-H2SO4浸提 —
钼锑抗比色法[ 18] , pH 值用 1 mol/L KCl 浸提(1∶
2.5),酸度计测定[ 20] ,最大田间持水量用水饱和烘
干称重法[ 21] ,土壤容重用烘干称重法 ,孔隙度根据
容重换算[ 22] 。土壤重金属(铅 、锌 、铜 、镉)的测定包
括总含量与 DTPA 可提取态含量 , 采用 Lindsay 和
Norvell[ 23]建议的方法进行 。
1.3.2　微生物生物量和呼吸速率的测定　土壤微
生物指标主要包括微生物生物量碳 、生物量氮和生
物量磷分别采用氯仿熏蒸提取滴定 、茚三酮和钼锑
抗比色法进行测定[ 24-26] ,基础呼吸与基质诱导呼吸
(SIR)用碱吸收滴定法测定[ 27-28] 。
1.3.3　土壤酶活性的测定　蛋白酶活性按 Ladd 和
Butler[ 29]建议的方法 ,转化酶与纤维素分解酶活性
按Schinner 和 vonMersi[ 30]的方法 , β-葡萄糖苷酶活
性按Hoffmann 和 Dedeken[ 31] 的方法 ,多酚氧化酶活
性按 Sinsabaugh 等[ 32] 的方法 ,脲酶活性按 Kandeler
和 Gerber[ 33]的方法 ,磷酸酶活性按 Hoffmann[ 34]的方
法 ,过氧化氢酶活性参照许光辉和郑洪元[ 35]的方
法 ,硝酸还原酶活性参照Abdelmagid 和 Tabatabai[ 36]
的方法 ,脱氢酶活性参照 Thalmann[ 37] 的方法 , 精氨
酸脱氨酶活性参照 Alef 和 Kleiner[ 38]的方法进行测
定。
1.4　统计分析
首先采用 SPPS10.0统计软件对所测定数据进
行单因素方差分析(One-way analysis of variance ,
ANOVA),以检验各指标平均值在5个研究样地之间
的差异显著性。同时 , 利用主分量分析(Principal
components analysis , PCA)的方法考察土壤理化特
性 、土壤重金属含量和土壤微生物参数能否清楚区
分 5个研究样地。在上述统计分析基础上 ,采用典
范相关分析(Canonical correlation analysis ,CCA)评估
土壤微生物参数与土壤理化特性和重金属含量之间
的关系。由于主分量分析中的每个主成分都是原始
变量的线性组合 ,因而每个主成分都是对原始变量
的总体反映;而且典范相关分析严格要求变量数应
小于样本数 ,所以我们将土壤微生物参数的主成分
(表示土壤微生物参数总体变化)作为因变量 ,分别
将土壤理化特性和重金属含量作为自变量进行两次
典范相关分析。
2　结果分析
2.1　土壤理化性质和重金属含量的动态变化
随着五节芒定居程度增加 ,样地中五节芒地上
与根系生物量呈现显著的增加趋势(P <0.05),尤
其是在 RIV 样地 , 地上与根系生物量竟分别高达
2260.28 、1111.36 g/m2(表 1)。五节芒根际土壤有机
碳在4个定居样地的积累量分别是裸露尾矿砂样地
的 1.6 、2.3 、3.1和5.6倍。与裸露尾矿砂样地相比 ,
4个五节芒定居地土壤有机碳 、全氮 、全磷 、NH+4 -N 、
NO
-
3-N和速效磷含量 ,土壤团聚体稳定性以及最大
持水量也不同程度的提高 , 而土壤 pH 却没有发生
显著变化。相关分析表明除有效磷以外的其他土壤
理化指标在各样地之间的变化分别与五节芒地上与
根系生物量呈不同程度的正相关(表 2)。
主分量分析(PCA)表明 ,前两个主成分分别解
释了 9个原始变量信息的 74.04%和 9.12%。根据
前两个主成分 PC1和 PC2 绘出主分量分析图(图
1),可以看出 ,9种土壤理化参数 PCA数据清楚地分
离了 5 个研究样地 ,并且样地 BG 、RI 、RII、RIII 和
RIV沿着 PC1轴的正方向依次排列 ,反映了随着五
节芒定居程度的提高使土壤理化特性得到进一步改
善的趋势。根据 PCA得出的相关距阵表明 ,五节芒
的定居对土壤团聚体稳定性与 NO-3 -N含量的改善
和提高发挥了重要作用(r =0.978和 0.961),其次
是土壤有机碳(r=0.899)、全磷(r=0.895)、速效磷
(r =0.847)、最大持水量(r =0.830)、NH+4 -N(r =
0.818)、全氮(r=0.803)、pH(r=-0.673)。
在所研究的土壤中 ,铅(Pb)和锌(Zn)的重金属
全量和DTPA 可提取量均最高 ,表明铅和锌是主要
重金属污染源(表 3)。与裸露尾矿砂样地相比 ,4个
五节芒定居地土壤重金属含量(包括全量和 DTPA
可提取量)均随着五节芒的定居程度显著性下降(P
<0.05)。相关分析表明 ,五节芒地上 、根系生物量
分别与土壤 DTPA-Pb含量呈显著性负相关(地上生
物量-DTPA-Pb:r = -0.560 , P <0.05;根系生
物量-DTPA-Pb:r = -0.559 , P<0.05)。
388 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 15 卷
表 1　土壤理化特性在 5 个样地中的变化(n = 5)
Table 1　Changes of soil physico-chemical properties in five sampling sites
土壤理化特性
Soil physico-chemical properties
样地 Sampling sites
BG RI RII RIII RIV
有机碳 Organic C(g/kg) 8.18 e 12.85 d 18.67 c 24.57 b 45.52 a
全氮 Total N(g/kg) 0.08 d 0.11 d 0.14 c 0.26 b 0.50 a
全磷 Total P(g/kg) 0.16 d 0.32 c 0.57 b 0.56 b 0.94 a
NH+4 -N(mg/ kg) 6.84 e 9.51 c 7.97 d 14.20 b 16.88 a
NO-3-N(mg/ kg) 1.79 e 4.23 d 12.90 c 28.81 b 43.48 a
速效磷 Avail.P(mg/ kg) 0.36 c 0.38 c 0.46 c 0.58 b 0.90 a
pH 7.26 a 7.20 a 7.14 a 7.03 a 7.08 a
团聚体稳定性 Aggregate stability(%) 1.31 e 7.02 d 13.89 c 24.22 b 33.35 a
最大持水量 Max.holding water(%) 16.18 d 24.47 c 28.47 b 32.62 a 33.48 a
地上生物量 Ground plant biomass(g/m2) 0 e 24.75 d 80.08 c 581.04 b 2260.28 a
根系生物量 Root biomass(g/m2) 0 e 11.26 d 38.49 c 285.01 b 1111.36 a
　　注:表中数据为 5个重复样品的平均值;同行中不同小写字母表示各样点间相同指标之间差异显著(P< 0.05);BG —光板地 , RI—定居
地 I , RII—定居地 II , RIII—定居地 III , RIV—定居地 IV;下同。
Note:Data were mean value calculated f rom 5 samples.Data followedby different letters of the same row indicated that difference between data were signifi-
cant at P< 0.05 level;BG—Bare ground , RI—Restoration site I , Restoration site II , RIII—Restoration site III , RIV—Restoration site IV;The same below.
表 2　土壤理化特性与植物生物量相关系数
Table 2　Coefficients between soil physico-chemical properties and plant biomass
项目 Item SOC　 TN　 TP　 NH+4-N　 NO-3-N　 AP　 pH　 SAS　 MHC　
GPB 0.932＊＊ 0.747＊＊ 0.793＊＊ 0.766＊＊ 0.89＊＊ 0.836＊＊ -0.387 0.833＊＊ 0.531＊
RPB 0.931＊＊ 0.747＊＊ 0.792＊＊ 0.766＊＊ 0.89＊＊ 0.836＊＊ -0.387 0.832＊＊ 0.53＊
　　注(Note):SOC—土壤有机碳 Soil organic carbon , TN—全氮Total N , TP—全磷 Total P , AP—土壤有效磷Available P , SAS—土壤团聚体稳定性
Soil aggregate stability , MHC—田间最大持水量 Maximum holding water , GPB—地上植物生物量 Ground plant biomas, RPB—根系生物量 Plant root
biomass.＊＊, ＊分别表示相关达 P< 0.01和P < 0.05显著水平 Indicated that the relationshipwere significant at P< 0.01 and P< 0.05 levels , re-
spectively.
图 1　土壤理化特性的主分量分析
Fig.1　The principal components analysis using
soil physico-chemical properties
[注(Note):图中每个菱形上的线分别代表 PC1和 PC2得分在横轴和
纵轴上的标准差(n = 5),下同。 Each horizontal and vertical bar on dia-
mond of this figure individually represents standard deviation of PC1 andPC2 a-
long the horizontal and vert ical axis.The same below.]
　　与土壤理化特性不同 ,在土壤重金属含量主分量
分析中 ,前两个主成分分别解释了 8个原始变量信息
的 93.56%和 4.61%(图 2)。8种土壤重金属 PCA数
据将 5 个研究样地分成 3组 ,即 RIV-RIII , RII -RI
和 BG。与土壤理化特性正相反 ,沿着 PC1 轴的正方
向依次排列样地 RIV 、RIII 、RII、RI 和 BG ,反映随着五
节芒定居程度的提高样地重金属含量逐渐降低的趋
势。根据 PCA 得出的相关距阵表明 ,五节芒定居对
降低土壤总锌和总铅作用最明显(r = 0.989 和
0.987),其次是土壤 DTPA-Zn(r =0.986)、DTPA-
Cd(r =0.974)、总镉(r =0.968)、DTPA-Cu(r =
0.935)、DTPA-Pb(r =0.913)。
3892 期　　　 张崇邦 ,等:尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物生物量 、呼吸速率及酶活性的影响
表 3　重金属在 5 个研究样地中的分布(mg/ kg , DW;n = 5)
Table 3　The distribution of heavy metals in the five sampling sites
项目 样地 Sampling sites
Items BG RI RII RIII RIV
全 Pb Total Pb 2630.19 a 870.12 b 320.74 c 170.58 d 158.99 e
全Zn Total Zn 4637.16 a 1366.15 b 1088.56 c 708.06 d 599.77 e
全 Cu Total Cu 91.32 a 37.29 b 30.01 c 28.87 d 21.96 e
全 Cd Total Cd 31.68 a 9.14 b 6.49 c 5.06 c 3.38 d
DTPA-Pb 52.54 a 16.79 b 13.17 c 11.40 d 10.46 d
DTPA-Zn 405.19 a 109.94 b 89.55 c 37.53 e 46.06 d
DTPA-Cu 29.34 a 11.83 b 10.00 b 2.66 c 2.18 c
DTPA-Cd 2.87 a 0.83 b 0.68 c 0.48 e 0.56 d
　　注:DTPA-Pb , -Zn , -Cu和-Cd分别为二乙三胺五乙酸可提取的重金属含量。
Note:DTPA-Pb , -Zn, -Cu and -Cd individually indicated ext ractable Pb , Zn, Cu and Cd extracted with diethylenet riaminepentaacetic acid.
图 2　土壤重金属含量的主分量分析
Fig.2　The principal components analysis(PCA)
using soil heavy metal contents
2.2　土壤微生物生物量的动态变化
图 3表明 ,与裸露尾矿砂样地相比 , 4个五节芒
定居地土壤微生物生物量碳 、氮和磷均随着五节芒
的定居程度显著提高(P <0.05),其中 4个五节芒
的定居地土壤微生物生物量碳分别为 0.21 、0.25 、
0.30 、0.36 mg/g ,分别相当于裸露尾矿砂样地(0.06
mg/g)的 3.5 、3.7 、5.0和 6.0倍 ,土壤微生物生物量
氮分别为0.49 、0.96 、1.63和 2.53 mg/g ,分别相当于
裸露尾矿砂样地(0.29 mg/g)的 1.7 、3.6 、5.6 和 8.7
倍 ,土壤微生物生物量磷分别为 5.71 、12.93 、16.63
和 35.34 mg/g , 分别相当于裸露尾矿砂样地(2.33
mg/g)的 2.5 、5.5 、7.1和 15.1倍。
图 3　土壤微生物生物量碳 、氮和磷在 5个研究样地中的变化
Fig.3　Changes in soil microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus of five sampling sites
2.3　土壤呼吸速率的动态变化
土壤微生物基础呼吸速率(BSA)在 5个研究样
地中的变化范围为 CO2 25～ 0.92 mg/(g·h);而土壤
基质诱导呼吸速率(SIR)变化范围为 CO2 1.00～
3.02 mg/(g·h)(图 4)。与裸露尾矿砂样地相比 ,土
壤微生物基础呼吸速率与基质诱导呼吸速率均随着
五节芒的定居程度显著提高(P< 0.05),基础呼吸
速率相当于裸露尾矿砂样地的 1.8 、2.8 、3.6和 3.7
390 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 15 卷
倍;基质诱导呼吸速率相当于裸露尾矿砂样地的
1.7 、1.9 、2.8和 3.0 倍。土壤微生物呼吸熵的变化
范围为 6.72～2.60(图 4),与裸露尾矿砂样地相比 ,
土壤微生物呼吸熵随着五节芒的定居程度显著下降
(P<0.05),但在 RII～ RIV样地之间却差异不显著
(P>0.05)。
图 4　土壤微生物呼吸速率及呼吸熵在 5 个研究样地中的变化
Fig.4　Changes in soil microbial respiration rate and its quotient of five sampling sites
(BSA—基础呼吸速率 Basal respiration rate;SIR—基质诱导呼吸速率 Substrate induced respiration rate)
2.4　土壤酶活性的动态变化
本研究分别测定了 11种与土壤碳 、氮和磷循环
以及土壤腐殖质转化直接有关的土壤酶活性 ,分析
了其变化规律 。表 4 看出 ,不同的土壤酶活性在 5
个研究样地中展示了不同的变化规律。与裸露尾矿
砂样地相比 ,土壤脱氢酶 、过氧化氢酶 、纤维素酶 、β
-葡萄糖苷酶 、蛋白酶 、脲酶 、硝酸还原酶和中性磷
酸酶活性均随着五节芒的定居程度显著提高(P <
0.05),而多酚氧化酶则呈不同程度的下降趋势。蔗
糖酶活性在 4个五节芒的定居样地中均显著地高于
裸露尾矿砂样地 ,但在 4 个五节芒的定居样地中却
先升高后下降。精氨酸脱氨酶在 5个研究样地中呈
逐渐提高的变化趋势 ,但在 RI～ RIII 样地中差异不
显著(P > 0.05),直到 RIV 样地才显著提高(P <
0.05)。
　　3种微生物生物量 、2种呼吸速率和 11种酶活
性的主分量分析表明 ,前 2个主成分分别解释了 16
个原始变量信息的68.41%和 8.32%(图 5)。16种
表 4　土壤酶活性在 5个样地中的变化(n = 5)
Table 4　Changes of soil enzyme activities in five sampling sites
酶活性 Enzyme activities 样地 Sampling sites
BG RI RII RIII RIV
脱氢酶 Dehydrogenase [ TPF μg/(g·h)] 0.01 d 0.01 c 0.01 c 0.14 b 0.05 a
过氧化氢酶 Catalase [ 0.1 mol/ L KMnO4 mL/(g·h)] 49.10 d 49.98 d 50.31 c 53.71 b 58.81 a
多酚氧化酶 Phenol oxidase[ PPGμg/(g·h)] 0.95 a 0.79 b 0.78 b 0.76 c 0.76 c
纤维素酶 CM-cellulase[ G mg/(g·h)] 0.001 d 0.002 c 0.002 b 0.002 b 0.003 a
蔗糖酶 Invertase[ G mg/(g·h)] 0.001 d 0.062 c 0.108 a 0.084 c 0.098 b
β-葡萄糖苷酶 β-glucosidase [ SAC μg/(g·h)] 0.001 c 0.001 c 0.002 b 0.002 b 0.003 a
蛋白酶 Protease [ TYRμg/(g·h)] 9.90 e 12.48 d 23.66 c 28.33 b 37.90 a
脲酶 Urease [ NH+4 -N μg/(g·h)] 0.14 d 0.16 d 0.28 c 0.50 b 0.62 a
精氨酸脱氨酶 Arginine deaminase[ NH+4 -Nμg/(g·h)] 3.08 c 3.32 b 3.37 b 3.41 b 5.17 a
硝酸还原酶 Nitrate reductase [ NH+4 -N μg/(g·h)] 0.03 c 0.02 c 0.03 c 0.05 b 0.37 a
中性磷酸酶 Neutral phosphastase[ PNPμg/(g·h)] 0.03 d 0.04 d 0.07 c 0.16 b 0.21 a
　　TPF—三苯基甲替Triphenyl formazan;PPG —红紫 精Orpurogallin;G —葡萄糖Gucose;SAC—水杨苷 Slicin;TYR—酪氨酸Trosine;PNP—对硝
基苯酚 P-nitrophenol
3912 期　　　 张崇邦 ,等:尾矿砂堆积地五节芒自然定居对土壤微生物生物量 、呼吸速率及酶活性的影响
土壤微生物参数的 PCA数据也清楚地分离了 5 个
研究样地。与土壤理化特性一致 ,样地 BG 、RI、RII 、
RIII 和 RIV也沿着 PC1 轴的正方向依次排列 ,反映
了随着五节芒定居程度的提高 ,土壤微生物群落的
总量及其活性也逐渐提高 ,正在发生正向演替 。根
据PCA得出的相关距阵表明 ,随着五节芒定居程度
的提高 ,土壤微生物生物量磷 、纤维素酶活性 、基质
诱导呼吸 、蛋白酶活性和基础呼吸得到明显的改善
(r=0.928 ,0.916 ,0.916 , 0.907 , 0.906),其次是土壤
β-葡萄糖苷酶(r=0.898)、微生物生物量氮(r =
0.891)、过氧化氢酶(r =0.888)、中性磷酸酶(r =
0.886)、脱氢酶(r= 0.875)、微生物生物量碳(r =
0.814)。
图 5　土壤微生物生物量 、呼吸速率以及酶活性的主分量分析
Fig.5　The principal components analysis(PCA)using
microbial biomass , respiration rate and enzyme activities
2.5　土壤微生物参数与土壤理化特性 、重金属的动
态关系
本研究采用典范相关分析(CCA)的方法来考察
土壤微生物生物量 、呼吸速率 、酶活性与土壤理化特
性 、重金属含量的动态关系 。由于典范相关分析严
格要求变量数应小于样本数 ,所以我们将土壤微生
物参数的主成分(表示土壤微生物参数总体变化)作
为因变量 ,分别将土壤理化特性和重金属含量作为
自变量进行两次典范相关分析。CCA 分析表明 ,对
于土壤微生物参数总体变化与土壤理化特性的关
系 ,第一对典范变量之间的相关性最显著的(R2 =
0.9987 ,Wilk s λ=0.00000065 , F =13.787 , P <
0.05),土壤微生物典范函数与土壤理化特性的相关
系数分别为:有机碳(r = 0.8940)、总氮(r =
0.8216)、总磷(r = 0.8793)、NH+4 -N(r = 0.7353)、
NO
-
3-N(r= 0.9797)、速效磷(r =0.7613)、pH(r =
-0.5798)、团聚体稳定性(r=0.9197)、最大持水量
(r=0.7622)、地上生物量(r=0.9008)和根系生物
量(r=0.9006)。对于土壤微生物参数总体变化与
土壤重金属含量的关系 ,第一对典范变量之间的相
关性也是最显著的(R 2 =0.8868 , Wilk s λ=
0.03089 , F =5.8786 , P < 0.05),土壤微生物典范
函数与土壤重金属含量的相关系数分别为:总Pb(r
=-0.8301)、总 Zn(r = -0.8007)、总 Cu(r =
-0.7948)、总 Cd(r =-0.7891)、DTPA-Pb(r =
-0.7032)、DTPA-Zn(r=-0.7759)、DTPA-Cu(r=
-0.8356)和 DTPA-Cd(r=-0.7477)。
3　讨论
尾矿沙是在选矿过程中 ,通过矿石的粉碎 ,定向
的化学浸提和浮选后被遗弃的矿石提取残余物 。其
成分以沙粒和粉粒为主 ,重金属含量高 、有机质极其
贫乏 ,是一种极难治理的矿业废弃地类型[ 39] 。本研
究结果表明 ,五节芒在尾矿砂土壤上的定居显著提
高了土壤有机碳 、总氮 、总磷 、NH+4 -N 、NO-3-N 和速效
磷的含量 ,强化了土壤团聚体稳定性 ,改善了尾矿砂
土壤的保水性能 ,因而表明随着五节芒在尾矿砂上
的定居 ,尾矿砂土壤营养库正在逐步地确立[ 40] 。土
壤理化特性的 PCA 分析结果也进一步地证明了这
一结论 。同时 ,与裸露的尾矿砂土壤相比 ,根际土壤
重金属总量均随着五节芒在尾矿砂土壤上的定居程
度而显著下降 ,这可能与五节芒在具体生长过程中
对重金属的吸收直接有关[ 7-9] 。另外土壤 DTPA 可
提取的重金属含量也随着五节芒在尾矿砂土壤上的
定居逐渐下降 ,说明五节芒定居有效地降低了土壤
重金属可获得性。其主要原因可能与土壤有机质含
量的显著提高有关 ,因为尽管已有的研究表明土壤
pH 的提高也可以有效降低土壤重金属可获得
性[ 41] ;但在本研究中 ,土壤 pH 在 5个研究样地中
并没有发生显著性变化 ,因此土壤 pH 并不是导致
尾矿砂土壤重金属可获得性下降的主要原因。同
时 ,已有研究也表明 ,土壤有机质或根系分泌物通过
螯合作用可以有效降低重金属的可获得性[ 42] 。本
研究中 ,根际土壤有机质含量随着五节芒的定居程
度显著提高 ,所以土壤有机质含量的提高可能是导
致尾矿砂土壤重金属可获得性下降的重要原因 。
土壤微生物生物量碳 、氮和磷的含量 ,土壤微生
物基础呼吸和基质诱导呼吸速率以及 10种土壤酶
活性也随着五节芒在尾矿砂土壤上的定居显著提
高 ,表明五节芒定居显著性地改善了尾矿砂土壤微
392 植 物 营 养 与 肥 料 学 报 15 卷
生物的生长及其活性 。CCA分析表明 ,土壤微生物
的总体变化(用主成分表示)与绝大多数土壤理化参
数呈显著正相关(除 pH 以外),进而进一步说明土
壤微生物参数是反映土壤水肥条件改善的重要指
标[ 12] 。然而 ,CCA 分析表明 ,土壤微生物的总体变
化与土壤重金属指标呈显著负相关 ,这种负相关性
是否说明目前尾矿砂根际土壤中的重金属含量仍然
对土壤微生物生长及其活性存在着抑制作用还有待
于通过实验室模拟分析做进一步验证 。然而 ,在本
研究中 ,土壤多酚氧化酶活性和呼吸熵均随着五节
芒在尾矿砂土壤上的定居不同程度地下降。土壤多
酚氧化酶主要来自于土壤真菌和细菌[ 43] ,主要将土
壤酚类化合物转化为醌类 ,因而在土壤腐殖质转化
方面发挥作用[ 44] 。土壤多酚氧化酶的下降趋势可
能与土壤有机质和氮素(总氮 、NH+4 -N 、NO-3-N)积累
有关 ,因为一些研究表明 ,土壤多酚氧化酶活性与土
壤腐殖质形成[ 45] 、有机质积累[ 46] 和土壤氮素增
加[ 47]均呈现负相关 ,至于呈现负相关的机制还需要
进一步探讨 。土壤呼吸熵 ,即单位微生物生物量呼
吸速率 ,常常被看作是反映土壤环境胁迫的微生物
生理指标[ 48] ,也就是当环境胁迫增大时 ,呼吸商趋
向于增大 ,反之则减小[ 49] 。因而 ,土壤呼吸熵随着
五节芒的定居而下降表明了尾矿砂土壤条件的改善
和土壤对微生物生长繁殖胁迫程度的下降。
对土壤理化特性 、重金属含量以及土壤微生物
参数的主分量分析表明 ,土壤理化特性和土壤微生
物参数均清楚地区分了未定居尾矿砂裸地与定居
地 ,并且沿着主成分轴 PC1的正方向表明了五节芒
的定居程度;而土壤重金属含量虽然也清楚地区分
了未定居尾矿砂裸地与定居地 ,但沿着主成分轴
PC1的正方向却表明了随着重金属含量提高五节芒
定居程度下降的趋势 ,因而表明五节芒定居显著地
改善了土壤生物与非生物学特性。
总之 ,目前的研究说明 ,随着五节芒在尾矿砂土
壤上的定居 ,土壤理化特性 、土壤微生物生物量 、土
壤呼吸速率和土壤酶活性均不同程度提高 ,而土壤
重金属含量却显著下降 ,预示了五节芒对尾矿砂土
壤具有显著的改良作用 。因此 ,在今后的重金属矿
业废弃地植被重建实践中 ,作为重金属耐性植物的
五节芒应该具有较大的应用价值。
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