菌剂配施有机肥下植物-土壤-微生物生态化学计量特征及内稳性——以内蒙矿区排土场中药复垦模式为例.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 3 资助项目:内蒙古自治区科技计划项目(2 0 1 7 0 1 0 2 4);辽宁工程技术大学学科创新团队项目(L NTU 2 0 T D-0 1)第一作者:郑笑影(1 9 9 8),女,硕士研究生,主要从事生态恢复研究。E-m a i l:a 1 2 6 9 3 8 0 3 8 41 6 3.c o m 通信作者:王东丽(1
2、 9 8 6),女,博士,副教授,主要从事植被恢复与生态修复研究。E-m a i l:s t a r h o m e 0 5 2 21 6 3.c o m菌剂配施有机肥下植物-土壤-微生物生态化学计量特征及内稳性 以内蒙矿区排土场中药复垦模式为例郑笑影1,王东丽1,赵晓亮1,连 昭1,王 东2,邰姗姗1,谢 伟3,郭建军3(1.辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;2.辽宁工程技术大学矿业学院,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;3.内蒙古神东天隆集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯0 1 7 0 0 0)摘要:生态化学计量学是研究生态系统与多重化学元素平衡的有效方
3、法,明确不同施肥制度对植物土壤微生物连续体碳、氮、磷含量及其生态化学计量比的影响,可为揭示生态系统养分循环、实现矿山复垦农业系统元素平衡及可持续发展提供参考依据。以武家塔露天煤矿排土场复垦地为研究对象,设置微生物菌剂配施不同有机肥(A 1 B 0、A 2 B 0、A 3 B 0、A 1 B 1、A 2 B 1、A 3 B 1)6个施肥处理,结合苦参的种植,研究其植物土壤微生物碳氮磷特征及内稳性。结果表明:(1)与单施有机肥相比,有机肥配施微生物菌剂对茎叶磷、土壤碳氮磷和微生物量氮影响显著(p0.0 5),但对根系养分影响不显著。其中,微生物菌剂与A 1有机肥配施下对土壤全磷影响最大,增加9 0
4、.0 6%;与A 2有机肥配施下,对土壤有机碳和生物量氮影响最大,分别增加1 0 4.6 0%和7 1.9 5%;与A 3有机肥配施下,对茎叶全磷和土壤全氮影响显著,茎叶全磷减少1 8 3.9 6%,土壤全氮增加2 9.1 4%。(2)施肥处理下,相比于茎叶和微生物,苦参根系内稳性较弱,对于外源养分的输入比较敏感。(3)施肥处理下,植物根系养分与土壤及土壤微生物之间相关性较强,因此可通过根系敏感协调各组分的养分平衡,以维持植物体的稳定。研究结果可为矿山复垦农业系统的养分管理提供科学依据和技术支撑。关键词:矿区土地复垦;微生物菌剂;有机肥;化学计量学;内稳态;养分循环中图分类号:S 1 5 4.
5、4 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 3 5 2-1 1D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 4 3E c o s t o i c h i o m e t r i cC h a r a c t e r i s t i c sa n dI n t e r n a l S t a b i l i t yo fP l a n t-S o i l-M i c r o b i a lE c o s y s t e mU n d e rO r g a n i cF e r t i
6、l i z e rA p p l i c a t i o nw i t hF u n g i c i d e s-A nE x a m p l eo fT r a d i t i o n a lC h i n e s eM e d i c i n eR e c l a m a t i o nM o d e l i nA M i n i n gS i t e i nI n n e rM o n g o l i aZ HE NGX i a o y i n g1,WANGD o n g l i1,Z HAOX i a o l i a n g1,L I ANZ h a o1,WANGD o n g2,
7、T A IS h a n s h a n1,X I E W e i3,GUOJ i a n j u n3(1.C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0;2.S c h o o l o fM i n e sE n g i n e e r i n g,L i a o n i n gT e c h n i
8、c a lU n i v e r s i t y,F u x i n,L i a o n i n g1 2 3 0 0 0;3.S h e n d o n g t i a n l o n gG r o u pC o r p o r a t i o nL t d.,O r d o s,I n n e rM o n g o l i a0 1 7 0 0 0)A b s t r a c t:E c o c h e m o m e t r i c s i sa ne f f e c t i v em e t h o dt os t u d yt h eb a l a n c eo fe c o s y
9、 s t e ma n dm u l t i p l ec h e m i c a le l e m e n t s,a n dt oc l a r i f yt h ei m p a c to fd i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o ns y s t e m so nt h ec a r b o n,n i t r o g e n,p h o s p h o r u sc o n t e n ta n dt h e i r e c o s t o i c h i o m e t r i c r a t i oo f p l a n t-s o i
10、l-m i c r o b i a l c o n t i n u u m,w h i c hc a np r o v i d e a f e a s i b l eb a s i sf o r r e v e a l i n g t h en u t r i e n t c y c l eo f e c o s y s t e ma n d r e a l i z i n g t h e e l e m e n t b a l a n c e a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fm i n i n gr e c l a m a
11、 t i o na g r i c u l t u r a ls y s t e m.I nt h i ss t u d y,t h er e c l a i m e dl a n do ft h ew a s t ed u m po f Wu j i a t ao p e n-p i t c o a lm i n ew a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t,a n ds i xf e r t i l i z a t i o nt r e a t m e n t sw e r es e tu p,i n c l u d i n gs i
12、n g l ea p p l i c a t i o no fo r g a n i cf e r t i l i z e rw i t ht h r e eg r e e nm a n u r er a t i o s(A 1 B 0,A 2 B 0,A 3 B 0)a n dm i c r o b i a li n o c u l u m w i t hd i f f e r e n t o r g a n i c f e r t i l i z e r s(A 1 B 1,A 2 B 1,A 3 B 1).T h e c h a r a c t e r i s t i c so f c
13、a r b o n,n i t r o g e na n dp h o s p h o r u so fp l a n t-s o i l-m i c r o b i a le c o s y s t e m w e r es t u d i e di nc o m b i n a t i o n w i t ht h ep l a n t i n go fS o p h o r af l a v e s c e n s.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)C o m p a r e d w i t ht h es i n g l ea p p l
14、i c a t i o no fo r g a n i cf e r t i l i z e r,t h ec o m b i n a t i o no f o r g a n i c f e r t i l i z e r a n dm i c r o b i a l i n o c u l u mh a da s i g n i f i c a n t e f f e c t o ns t e ma n d l e a f p h o s p h o r u s,s o i l c a r b o n,n i t r o g e n,p h o s p h o r u sa n dm i
15、c r o b i a lb i o m a s sn i t r o g e n(p0.0 5),b u th a dn os i g n i f i c a n te f f e c to nr o o tn u t r i e n t.Am o n gt h e m,t h ec o m b i n a t i o no fm i c r o b i a li n o c u l u ma n dA 1o r g a n i cf e r t i l i z e rh a dt h eg r e a t e s t i m p a c to ns o i l t o t a lp h o
16、 s p h o r u s,i n c r e a s i n gb y9 0.0 6%.U n d e rt h ec o m b i n a t i o na p p l i c a t i o no fA 2o r g a n i c f e r t i l i z e r,t h es o i lo r g a n i cc a r b o na n db i o m a s sn i t r o g e nw e r ea f f e c t e dm o s to b v i o u s l y,i n c r e a s i n gb y1 0 4.6 0%a n d7 1.9
17、 5%,r e s p e c t i v e l y.U n d e rt h ec o m b i n a t i o na p p l i c a t i o no fA 3o r g a n i cf e r t i l i z e r,t h et o t a lp h o s p h o r u s i ns t e ma n d l e a f a n ds o i l t o t a l n i t r o g e nw e r es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e d.T h e t o t a l p h o s p h o r u
18、 s i ns t e ma n d l e a fd e c r e a s e db y1 8 3.9 6%,w h i l es o i l t o t a ln i t r o g e ni n c r e a s e db y2 9.1 4%.(2)U n d e rt h ef e r t i l i z a t i o nt r e a t m e n t,c o m p a r e dt ot h es t e ma n dl e a fa n dm i c r o o r g a n i s m s,t h ei n t e r n a ls t a b i l i t yo
19、 fS.f l a v e s c e n sr o o tw a sw e a k e ra n dm o r es e n s i t i v e t oe x o g e n o u sn u t r i e n t i n p u t s.(3)U n d e r f e r t i l i z a t i o nt r e a t m e n t,t h e r ew a sas t r o n gc o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a n tr o o tn u t r i e n t sa n ds o i
20、 la n ds o i lm i c r o o r g a n i s m s,s ot h en u t r i e n tb a l a n c eo f e a c hc o m p o n e n t c o u l db ec o o r d i n a t e dt h r o u g hr o o t s e n s i t i v i t yt om a i n t a i np l a n t s t a b i l i t y.K e y w o r d s:l a n dr e c l a m a t i o n i nm i n i n ga r e a;m i c
21、 r o b i a la g e n t s;o r g a n i cf e r t i l i z e r;e c o s t o i c h i o m e t r i c;i n t e r n a ls t a b i l i t y;n u t r i e n t c y c l i n g 生态化学计量学是结合生物学、化学以及其他多门学科的一种新兴科学,研究主要集中于生态系统过程中能量和多种化学元素的平衡关系,并为研究植物的养分平衡状况提供一种重要的技术手段1-2。生态化学计量学理论认为,在一定的承受范围内,生物体可通过调节自身的元素平衡来保证其内部环境的相对稳定,使其在外部环
22、境因子影响下也能够正常生长发育,这种内稳性是生物体在发展演变过程中逐渐完善的一种保护机制,是生态化学计量学存在的前提和基础3。碳、氮、磷的化学计量特征常被用于研究生态系统不同组成部分之间的反馈和相互关系,探索生物过程中各个元素之间的相互作用和平衡4。植物、土壤和微生物具有不同的碳、氮、磷化学计量特征,这些计量特征共同参与养分的循环过程。在植物土壤系统中,土壤为植物及微生物的生命活动提供生长场所和营养元素,相应地,植物凋落物和微生物的分解过程也为土壤提供养分来源5。土壤养分状况一方面取决于研究区的土壤性质;另一方面,又受到外界环境的影响,尤其易受到人类活动(如施肥)的影响。施肥可提高植物生物量,
23、调节土壤养分以及影响土壤微生物的活性,从而对植物土壤微生物系统养分循环途径产生影响6。有机肥和微生物菌剂是2种重要的土壤改良肥料。内蒙古地区牧业发达,每年能产生大量牛粪,将其发酵成有机肥料,不仅可以减少粪污对环境的破坏,还可代替化肥改善土壤的理化性质,提高作物的产量7。微生物菌剂可通过扩大植物根系和土壤的接触面积,释放煤矸石中难溶性养分,提高基质肥力,进而促进矿区废弃地植物的生长发育8。此外,有研究9表明,微生物可以把矿山污染区域污染物吸纳进细胞内,再通过自身分泌的胞外酶代谢降解。目前,微生物菌剂因其价格低廉、不产生二次污染且效果好已成为矿区环境修复的研究热点1 0,但多数研究1 1都集中在植
24、物生长和土壤改良方面,而忽略菌剂对植物土壤养分循环机制的研究,有机肥与微生物菌剂的协同作用及机制研究更为罕见。黄土区排土场由于其特殊的地理位置和过度的人为扰动,造成排土场稳定性差、土质结构松散、植被生长困难、易发生滑坡、泥石流等地质灾害的现象,严重制约该地区的可持续发展1 2。近年来,随着我国矿区经济转型及可持续发展的需求日益增大,基于生态重建并进行多元化土地复垦的探索对于区域生态环境、经济发展及社会稳定具有重要的现实意义1 3。生态学理论为该地区的土地复垦过程提供了新思路。白一茹等1 4研究黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤碳氮磷及其生态 化学计量特 征 的 影 响;高 德 新等1 5探究黄土
25、高原地区植被恢复过程中土壤与叶片的生态化学计量特征;温晨等1 6研究半干旱黄土小流域不同植被类型下植物与土壤的生态化学计量特征。这些研究表明,植物生长过程可能受到氮或磷元素的限制,但多数研究只关注于黄土区自然生态系统,对于黄土区矿区复垦地的研究较少。同时,很多研究忽略对于植物和微生物内稳性的研究。植物和微生物的内稳性反映了其对环境变化的响应策略,而菌剂和有机肥的施用是否会改变土壤养分含量,从而353第5期 郑笑影等:菌剂配施有机肥下植物土壤微生物生态化学计量特征及内稳性导致植物和微生物内稳态发生改变,现如今尚未有明确的结论。因此,为了进一步明确施肥处理对黄土区排土场植物土壤微生物生态化学计量学
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