全 文 ：林业科学研究 2006, 19( 3): 400~ 403
Forest R esearch
文章编号: 10011498( 2006) 03040004
废弃柴河铅锌矿区土壤微生物特征调查研究*
姚 斌 1, 尚 鹤 1, 刘成志 2, 谷雪景 1
( 1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,国家林业局森林生态环境重点实验室,北京 100091;
2.辽宁省铁岭市林业科学研究院,辽宁 铁岭 110024)
关键词: 矿区复垦土壤;重金属污染;微生物区系; 土壤微生物特征
中图分类号: S154 文献标识码: A
收稿日期: 20051226
基金项目: 科技部基础公益专项 ( 2003) , 948项目 ( 200216 )和国家林业局森林生态环境重点实验室基金资助
作者简介: 姚 斌 ( 1973 ) ,男,贵州贵阳人, 助研, 博士.
* 致谢:微生物分析测定得到中国农业大学研究生袁铭、张强的大力协助,在此一并致谢.
Characteristics of SoilM icrobes in Reclaim edM ine Soil of ChaiHe
ZincleadM ineW asteland
YAO B in
1
, SHANG H e
1
, LIU Chengzhi2, GU Xuejing 1
( 1. In stitu te of Forest E cology, Environm en t and P rotection, CAF, Key Laboratory ofForest Ecology and Environm en,t State Fores try
Adm in istrat ion, B eijing 100091, Ch ina; 2. T iel ing In stitute of Forestry, L iaon ing P rovince, T ieling 112000, L iaoning, Ch ina)
Abstract: So il m icrobial features on ChaiH e Z inclead M ine w asteland and nonm ine so ils w ere studied. T he results
show ed that so ilm icoflora changed obv iously and total o fm ajor soilm icrobes declined. The am ount o fm icrobe decreased by
83. 03% ~ 93. 65 % in top soil ( 0~ 20 cm ) comparedw ith that o f the nonm ine so ils. M ine soils possessed obv iously dif
ferentm icrob ia l features higher in m icrobial basal resp iration strength, and m icrobial ecophysiolog ica l Cm ic /Corg and
qCO2, but low er in m icob ia lb iom ass com pared w ith the contro.l A ll of thesem ight lead to the mi pairm ent of turnover and
cycle ve locity of C, N nutrition elem ent in m ineso ils. It s onem ajor problem which should be solved in the process ion of
reclami ed m inesoi.l
K ey words: reclaim edm ine so ils; heavy meta l po llut ion; m icroflora; so ilm icrob ial characteristics
矿山开采过程中的废弃物 (如尾矿、废石等 )需
要大面积的堆置场所,从而导致对土地的大量占用
和对堆置场原有生态系统的破坏, 引起自然条件的
变化, 并形成限制植物 土壤生态系统良性循环的环
境因子 [ 1]。矿山废弃地不仅占用土地,污染环境, 制
约当地经济发展,而且也对当地社会产生不良影响。
通过复垦被破坏的土壤来增加土壤资源,是缓解人、
地矛盾和矿山环境建设的需要 [ 2 ]。目前, 我国对矿
山废弃地的生态恢复研究主要集中在以煤矿废弃地
为对象、以土地利用为主要目的土地复垦理论与技
术研究,以及以南方有色金属废弃地为研究对象、以
环境污染的控制和自然生态系统的恢复为主要目的
理论与技术研究 [ 3~ 5]。而对工矿区废弃地, 特别是
北方有色金属矿区复垦土壤微生物生态特征的研究
明显缺乏。因此, 积极开展这方面的研究,对于了解
矿山土壤生态系统退化的本质和成因是极有帮助
的,进而可以指导矿山废弃地的生态恢复与重建。
铁岭柴河铅锌尾矿废弃地是沿山冲倾倒的废矿渣及
地表剥离土堆积而成的。本文旨在通过对废弃 10 a
的柴河铅锌尾矿库土壤的微生物特征进行调查研
究,以期为我国北方同类矿山的复垦与生态重建提
供理论依据。
第 3期 姚 斌等:废弃柴河铅锌矿区土壤微生物特征调查研究
1 矿区概况和研究方法
1. 1 研究地区自然概况
柴河铅锌矿区位于辽宁省的铁岭市境内, 42
11!09∀N、124 18!24∀E, 海拔 300~ 350 m。属温带
半湿润大陆性季风气候区,年平均气温 7. 8 # , 1月
平均气温 - 12. 9 # , 7月平均气温为 24. 4 # ; 年降
水量 600~ 800 mm, 平均年降水量 654. 9 mm, 降水
随季节分配不均, 冬季仅为 17. 2 mm, 春季 113. 2
mm, 夏季降水量多达 440. 1 mm, 占全年降水量的
63. 0%, 秋季降水量为 130. 4mm。历年平均无霜期
135~ 155 d,最多达 207 d,最少 126 d。
1. 2 土壤样品的采集
作为研究样点的柴河铅锌尾矿废弃地位于一谷
地中, 三面环山。该样地已废弃 10 a,植被主要为草
丛, 以 白颖 苔草 ( Carex rigescens ( F ranch. ) V.
K recz. )群落为主, 占 50% 以上, 盖度为 0. 5 ~ 0. 7,
生长良好, 呈现 群集生长; 另 有少量野古 草
(Arund inella hirta ( Thunb. ) T anaka )、狗舌草 ( Te
phroserisK irilow ii ( Tercz. ex DC. ) Ho lub. )、白莲蒿
(Artem isia gmelinii W eb ex Stechm )、华北蓝盆花
(Scabiosa tschiliensis G run. )、小叶杨 (Popu lus simonii
Carr. )和绣球绣线菊 ( Sp iraea blumei G. Don)等。以
尾矿废弃地为中心,向废弃地外围,根据受重金属污
染程度及地上部分生物多样性状况, 选 3个取样点,
即在尾矿库 (重度污染 )、尾矿库附近山地 (中度污
染 )和矿床远离区的李地沟 (非矿区土壤 )。每个取
样点按 S型路线采集混合土样带回室内, 采样深度
为 0~ 20 cm,土壤样品装入无菌纸袋,立即带回实验
室。将一部分新鲜土壤研磨过 2 mm筛, 将土壤含
水量调节至田间含水量的 45%, 置于无菌纸袋中, 0
~ 4 # 保存供测试土壤微生物用; 另一部分土壤风
干后用来测定土壤基本理化性质和重金属含量。
1. 3 土壤基本理化性质和重金属含量
土壤基本理化性质按常规分析方法测定,结果
列于表 1。土壤总 Cu, Zn, Pb, Cd: 采用王水消煮 -
ICP法测定土壤重金属全量。有效 Cu, Zn, Pb, Cd:
采用 NH40ACICP法测定土壤重金属有效性。结果
列于表 2。
表 1 土壤基本理化性质
土样号 污染程度 pH 值 有机质 /
( g∃ kg- 1 )
全 N /
( g∃ kg- 1 )
碱解 N /
( m g∃ kg- 1 )
CEC /
( cmo l∃ kg- 1 )
机械组成 /%
2~ 0. 02mm 0. 02~ 0. 002 mm < 0. 002mm
1 重度污染 7. 24 8. 43 1. 29 164. 35 12. 54 50. 94 29. 21 19. 85
2 中度污染 7. 19 9. 54 1. 54 146. 57 10. 11 48. 28 26. 56 25. 16
3 非矿区土壤 6. 82 22. 15 3. 54 140. 78 9. 84 38. 74 36. 34 24. 92
表 2 土壤重金属含量分析结果
土样 全量 / ( mg∃ kg- 1 )
Cu C d Pb Zn
有效性 / ( m g∃ kg- 1 )
Cu Cd Pb Zn
1 103. 31 % 9. 46 50. 46 % 5. 68 1 100. 54 % 98. 2 591. 24 % 48. 25 13. 04 % 0. 32 5. 25 % 0. 52 117. 01 % 10. 12 43. 87 % 4. 12
2 31. 24 % 1. 12 25. 23 % 2. 14 546. 25 % 46. 38 381. 24 % 23. 68 3. 85 % 0. 42 1. 97 % 0. 17 67. 18 % 3. 96 28. 81 % 2. 25
3 29. 93 % 2. 54 14. 64 % 1. 25 339. 54 % 32. 65 223. 62 % 30. 28 0. 67 % 0. 08 0. 56 % 0. 01 7. 53 % 0. 64 15. 55 % 1. 08
1. 4 土壤微生物
微生物培养基和分离方法为:细菌,牛肉膏蛋白
胨琼脂平板表面涂布法; 真菌,马丁氏 (M art in)培养
基平板表面涂布法;放线菌,改良高氏一号合成培养
基平板表面涂布法。硝化细菌, Stephenson培养基
MPN法; 亚硝化细菌, M PN法; 固氮细菌, 阿西比
(A shby)无氮琼脂平板表面涂布法; 纤维素分解菌,
表面涂布法;氨化细菌,蛋白胨琼脂表面涂布法。
1. 5 土壤基础呼吸
称取 20 g新鲜土样于 500 mL培养瓶中, 并将
土壤均匀地平铺于底部,调节土壤含水量至田间持
水量的 60%。将一只 25 mL小烧瓶放在培养瓶内
的土壤上, 然后吸取 1mo l∃ L- 1NaOH溶液 10mL放
入其中,将培养瓶加盖密封, 于 28 # 恒温培养 1个
月,每隔 24 h取出测定 CO2释放量。
1. 6 土壤微生物量的测定
新鲜土壤,在 25 # ,并保持土壤含水量在 50%
田间持水量的条件下, 预培养 7 d,然后用氯仿熏蒸、
0. 5 mo l∃ L- 1 K2 SO 4溶液提取法测定微生物量, 提
取液中有机碳用可溶性碳自动分析仪测定 ( Sh imazu
TOC500), 微生物量 C计算采用转换系数 KEC为
0. 45。
401
林 业 科 学 研 究 第 19卷
2 结果与讨论
2. 1 矿山复垦土壤微生物区系
土壤微生物是维持土壤质量的重要组成部分,
对土壤中的动植物残体和土壤有机质及其有害物质
的分解、生物化学循环和土壤结构的形成过程起着
重要的调节作用 [ 6]。土壤微生物的数量分布亦是土
壤生物活性的具体体现。
2. 1. 1 土壤微生物区系 分析结果 (表 3)表明,与
对照 ( 3号 )土壤相比, 重度 ( 1号 )和中度污染 ( 2
号 )土壤的细菌、放线菌有明显差异,其中细菌、放线
菌数量分别下降 88. 56% ~ 95. 94% , 61. 54% ~
7619%, 敏感程度顺序为细菌 >放线菌 >真菌。
表 3 不同程度污染土壤微生物数量 103个∃ g- 1
土样号 细菌 真菌 放线菌 总数 氨化细菌 硝化细菌 纤维素分解菌 固氮菌
1 659. 25 878. 12 219. 56 1 156. 93 61. 44 0. 384 0. 059 0. 006
2 1 860. 32 978. 54 354. 78 3 093. 64 194. 99 1. 707 0. 022 0. 031
3 16 260. 54 1 050. 42 922. 52 18 233. 48 4 329. 48 397. 87 3. 455 0. 634
注:上表中微生物计数为每克干土。
从表 3中还可看出, 随着污染程度的减轻矿
区土壤放线菌数量增加, 可能与地上植物生长较
好、累积的凋落物含有较多木质化纤维成分 , 从
而刺激参与难分解物质转化的放线菌数量增加
有关。真菌的数量变幅不大, 可能的原因是作为
初级真核生物的真菌对环境的适应力和抗逆性
要强于细菌和放线菌 [ 6 ] , 从而表现出高浓度的重
金属对真菌生长具有刺激作用。从表 3中可知,
与非矿区土壤相比, 矿区土壤微生物总数下降了
83. 03% ~ 93. 65%。
2. 1. 2 土壤微生物主要生理类群 土壤微生物各
主要生理类群直接参与土壤中 C、N等营养元素循
环和能量流动,其数量和活性直接关系到土壤生态
系统的维持和改善。分析结果 (表 3)表明,随着重
金属污染程度的加剧, 土壤微生物中各主要生理类
群数量均呈下降的趋势, 对照 ( 3号 )土壤氨化细
菌、硝化细菌数量是重度污染土壤 ( 1号 )的 70. 46
倍和 1 03611倍; 为中度污染土壤的 22. 20倍和
233. 08倍。氨化细菌和硝化细菌直接参与分解土
壤中有机态 N, 尾矿库区土壤中这两类土壤微生物
数量减少, 降低了土壤的供 N能力。土壤中自生
固 N作用是土壤 N素的重要来源之一。从表 3可
见, 与对照 ( 3号 )土壤相比, 重度污染 ( 1号 )和中
度污染 ( 2号 )土壤的固 N菌数量减少趋势明显,
下降幅度达 9511% ~ 99. 01%, 土壤中自生固 N
菌数量下降, 这与土壤中的重金属污染和 pH值有
关。纤维素是组成枯枝落叶物的主要成分, 纤维素
分解菌积极参与植物残体中纤维素的分解, 与对照
( 3号 )土壤相比, 重度和中度污染的矿区土壤纤维
素分解菌数量下降 98. 29% ~ 99. 36% , 矿区土壤
纤维素分解菌数量降低,直接影响到植物残体的转
化速度, 使土壤中难分解植物残体的积累量增加。
由以上分析可见, 与对照 ( 3号 )土壤相比, 在矿区
内参与土壤中 C, N转化的氨化细菌、硝化细菌数
量明显降低;重金属污染加剧, 导致固 N菌数量减
少;纤维素分解菌数量降低, 使土壤中难分解的植
物残体积累。
因此,矿区土壤生态系统不利于有益微生物的
繁殖和活动, 因而大大削弱了土壤中 C, N营养元素
循环速率和能量流动, 这需要结合地上部分的植被
修复及其它措施来达到恢复矿山土壤微生物生态系
统稳定性的目的。
2. 2 土壤微生物特征参数的变化
2. 2. 1 土壤微生物商 微生物商是指土壤微生物
生物量碳与土壤有机碳总量的比值。近年来的研究
表明,微生物商 ( Cm ic /Corg )对重金属污染比较敏
感,是反映土壤生态系统中碳平衡的指标,当外界环
境发生改变时 Cm ic /C org的变化可以较早地被检测
出来。用微生物商来表示土壤过程或土壤质量的变
化,比单独应用微生物生物量或土壤有机总碳要有
效得多 [ 7 ]。
2. 2. 2 微生物代谢商 微生物代谢商是微生物基
础呼吸强度与微生物生物量的比值 ( qCO 2 = Rm ic /
Cm ic) ,即单位微生物量在单位时间的呼吸作用。它
将微生物生物量的大小与微生物的生物活性和功能
有机地联系起来, 能反映微生物对底物的利用效率,
与土壤微生物生态系统的演替密切相关。代谢商是
反映环境因子、管理措施变化和重金属污染对微生
物活性影响的一个敏感指标 [ 8]。
由图 1可见, 不同污染程度土壤微生物特征参
402
第 3期 姚 斌等:废弃柴河铅锌矿区土壤微生物特征调查研究
数的变化。从对照土样、中度污染到重度污染,土壤
微生物基础呼吸速率升高, 而土壤微生物生物量减
少, t检验表明它们之间存在显著的差异性 (P <
005) ,反映矿区土壤在重金属环境胁迫下, 微生物
生物量减少,但微生物的抗逆性导致其活动强度明
显增大 [ 9]。在这种情况下,土壤微生物需要消耗更
多的能源以维持生理需要。不同土样微生物特征的
变化从图 1可知, 微生物商 ( Cm ic /Corg )、代谢商
( qCO 2 )这 2个微生物生理生态参数也呈类似的变
化规律,图 1和 t检验 (P < 0. 05)表明, 从对照土壤
到重度污染 (废弃地中心 ) ,这 2个参数值都有显著
升高。表明矿区复垦土壤在重金属环境胁迫下, 微
生物代谢能力发生了明显改变, 产生高水平、不稳定
的微生物活动 [ 10]。
图 1 不同污染程度土样的微生物特征
3 结语
矿山废弃地是一类重金属含量极高, 对植物生
长产生毒害的特殊生境 [ 11]。调查研究结果表明, 柴
河铅锌尾矿区复垦土壤的微生物区系发生明显变
化,对重金属污染的敏感程度为:细菌 >放线菌 >真
菌。重金属污染对土壤微生物特征有显著影响, 使
土壤呼吸速率明显增加,但土壤微生物生物量却显
著下降。在这种逆境下, 微生物为维持其正常的生
命活动就需要消耗更多的能量, 导致土壤微生物对
能源碳的利用效率降低 [ 12]。可以看出, 在柴河铅锌
尾矿库土壤中虽然微生物生物量较低,但微生物的
生理活动非常活跃。呼吸强度升高, 对能量的消耗
速率加快,但利用效率明显不如对照土壤。从而削
弱了矿山复垦土壤中 C, N营养元素的循环速率和
能量流动,不利于有机质的累积。而矿山废弃地土
壤复垦的关键是增加植物的生长量, 增加土壤有机
质和腐殖质, 提高土壤肥力。由此可推断,此应为柴
河铅锌尾矿库区废弃地复垦和生态重建需要克服的
关键问题之一。
参考文献:
[ 1 ] 杨伟清.韶关 Pb /Zn矿区的重金属污染及生态退化与恢复 [ D] .
中山大学博士论文, 2005: 1 ~ 15
[ 2 ] 束文圣,叶志鸿,张志权,等.华南铅锌尾矿生态恢复的理论与实
践 [ J] .生态学报, 2003, 23: 1629~ 1639
[ 3 ] 白中科, 赵景奎,段永红,等.工矿区土地复垦与生态重建 [M ] .
北京:中国农业科学技术出版社, 2000
[ 4 ] 束文圣,黄铭洪.矿业废弃地的环境污染与生态恢复 [ A ] .见:黄
铭洪,环境污染与生态恢复 [M ] .北京:科学出版社, 2003: 136~
184
[ 5 ] 孙翠玲,苏铁成,郭玉文 矿山矸石台地植被恢复栽培模式研究
[ J]林业科学研究, 2005, 18( 3) : 356~ 361
[ 6 ] 许光辉, 李振高. 微生物生态学 [M ]. 南京:东南大学出版社,
1991: 175~ 182
[ 7 ] 孙波,赵其国,张桃林,等. 土壤质量与持续环境 & . 土壤质量
评价的生物学指标 [ J] .土壤, 1997, 29( 5) : 225~ 234
[ 8 ] F liebbach A, M artens R, Reb er H H. S oil m icrob ial b iom ass and
m icrob ial activ ity in soils treatedw ith h eavym etal con tam in ated sew
age sludge[ J] . Soil B io lB iochem, 1994, 26: 1201~ 1205
[ 9 ] Ch ander K, B rookes P C. M icrob ial b iom ass dynam ics during the
decomposit ion of glu cose and ma ise in m etal con tam inatedand non
con tam inated soils[ J] . So ilB iol B iochem, 1991, 23: 917~ 925
[ 10 ] B eyer L, S ieling K. The impact of a low humu s level in arab le soils
on m icrob ial p ropert ies, soil organ ic m at ter qual ity and crop yield
[ J] . B iol Fert ilS oils, 1999, 28 ( 2) : 156~ 161
[ 11 ] 刘成志, 尚鹤, 姚斌, 等. 柴河铅锌尾矿耐性植物与优势植物
的重金属含量研究 [ J] . 林业科学研究, 2005, 18 ( 3) : 246~
249
[ 12 ] Bardget R D, S aggar S. E ffects ofh eavy m etal con tam inat ion on the
shortterm decompos it ion of labelled 14C glu cose in a pastu re soil
[ J] Soil B iol B iochem, 1994, 26: 727~ 733
403