夾巖水利樞紐工程不同生態(tài)修復(fù)模式邊坡土壤微生物量及其代謝特征

李杜娟 杜祥運

摘要：選取貴州夾巖水利工程擾動區(qū)厚基質(zhì)噴播和液壓噴播2種修復(fù)模式邊坡，以自然草灌邊坡為對照，對生物量碳、氮進(jìn)行監(jiān)測并運用Biolog方法分析微生物功能多樣性和代謝活性。結(jié)果表明：土壤SMBC、sMBN按從大到小排序依次為自然草灌>厚基質(zhì)噴播>液壓噴播;sMBc、SMBN.碳熵、氮熵、AWCD值以及微生物代謝水平在坡位間差異顯著，表現(xiàn)出較高的空間異質(zhì)性。建議根據(jù)各人工修復(fù)方式在坡面的異質(zhì)性，做到分坡位精細(xì)化設(shè)計施工。

關(guān)鍵詞：邊坡生態(tài)修復(fù);Biolog法;土壤微生物;邊坡植物;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：X171 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.012

以水利、公路等為代表的工程建設(shè)，往往會形成大面積土石裸露的高陡邊坡，通常是采取人工修復(fù)方式來解決?，F(xiàn)有人工修復(fù)方式種類繁多，各有優(yōu)缺點，在不同的立地條件下，其優(yōu)缺點又會發(fā)生變化。此外，由于邊坡地形因子影響入射光、微環(huán)境溫度等因素，尤其是沿坡面水分含量分布以及可溶性營養(yǎng)物質(zhì)的分布差異，人工邊坡修復(fù)方式應(yīng)根據(jù)坡位異質(zhì)性而有所調(diào)整或改進(jìn)，但目前此方面的研究較少。

本文選取西南地區(qū)大型水利樞紐工程——貴州夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖水利工程”），對該工程擾動區(qū)不同修復(fù)模式邊坡進(jìn)行土壤微生物量碳氮、微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能多樣性進(jìn)行研究，旨在了解不同修復(fù)模式以及各坡位間微生物生物量碳、氮含量、微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能多樣性差異，從土壤微生物量角度分析其土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，比較不同修復(fù)模式差異，分析各模式的不足之處，為工程擾動區(qū)人工植被修復(fù)技術(shù)的篩選和改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

夾巖水利工程位于貴州省西北部，項目等級為I等，以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合效益。其水源樞紐區(qū)位于長江流域烏江水系一級支流六沖河，地形破碎、河流切割強(qiáng)烈、碳酸鹽巖類分布廣、石漠化發(fā)育，自然條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境脆弱。

1.2樣區(qū)設(shè)置與土壤樣品采集

本研究根據(jù)生態(tài)修復(fù)模式，在夾巖水利工程擾動區(qū)內(nèi)設(shè)置3個代表性邊坡樣區(qū)，液壓噴播邊坡位于上壩R1道路35kV變電站下邊坡;厚基質(zhì)噴播位于大壩下游永久橋橋頭上邊坡;選取自然草灌邊坡作為對照，其位置位于上壩R1道路35kV變電站上邊坡。道路液壓噴播邊坡與厚基質(zhì)噴播邊坡于2017年同期施工，基本信息與植被結(jié)構(gòu)見表1。

2018年6月在各樣區(qū)采集土壤樣品。在每個邊坡樣區(qū)分別設(shè)置樣帶，每條樣帶選取下坡位、中坡位、上坡位3個樣方，每個樣方尺寸為40mx20m（長×寬），H、M以及L分別表示上坡、中坡以及下坡。

1.3樣品分析方法

土壤養(yǎng)分采用常規(guī)方法測定：有機(jī)碳（sOC）采用外加熱重鉻酸鉀氧化法，土壤全氮（TN）采用凱氏定氮儀測定，土壤含水量采用105°（2連續(xù)烘干24h后計算得出，pH值用風(fēng)干后過2mm篩的土樣采用酸度計進(jìn)行測定（土：水=1：2.5），土壤微生物生物量碳、氮（sMBC、SMBN）含量用氯仿熏蒸-K25O4浸提法測定。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤微生物生物量碳：

SMBC=Ec/k_EC

土壤微生物生物量氮：

SMBN=E_N/k_EN

式中，EC（EN）=熏蒸土壤提取的有機(jī)碳（全氮）-未熏蒸土壤提取的有機(jī)碳（全氮）;KEC（KEN）為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

微生物碳熵：

qMBC=SMBC/土壤有機(jī)碳×100%

微生物氮熵：

qMBN=SMBN/土壤全氮×100%

2結(jié)果與分析

2.1不同修復(fù)措施下微生物量碳、氮特征

微生物量碳、氮作為土壤中的活性部分，其含量反映土壤環(huán)境質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)：人工邊坡生境的SMBC顯著低于自然邊坡生境。3種修復(fù)模式條件下SMBC、SMBN之間差異顯著，依次為T>C>K。自然草灌SMBC、SMBN分別為958.25-1177.05mg/kg和85.85-116.05mg/kg;厚基質(zhì)噴播SMBC、SMBN分別為531.61-736.64mg/kg和57.65-73.21mg/kg;液壓噴播SMBC、SMBN在3個坡位均表現(xiàn)最低，分別為405.16-604.99mg/kg和37.83-62.16mg/kg（見圖1和圖2）。自然草灌SMBC、SMBN均值分別是厚基質(zhì)噴播的1.59-1.80倍和1.30-1.58倍，是液壓噴播的1.94-2.36倍和1.86-2.26倍。研究結(jié)果表明，在人工修復(fù)的兩種措施中，微生物量均低于自然草灌邊坡，厚基質(zhì)噴播環(huán)境質(zhì)量水平優(yōu)于液壓噴播。

SMBN含量除在厚基質(zhì)噴播下邊坡較高外，同一修復(fù)類型SMBC、SMBN均沿下坡位、中坡位、上坡位呈現(xiàn)增加趨勢（見圖1和圖2）。下坡位SMBC、SMBN變化范圍分別為405.16-958.25mg/kg和37.83-85.89mg/kg。中坡位SMBC、SMBN變化范圍分別為546.45-1081.13me，/kg和48.95-100.47mg/kg～上坡位SMBC、SMBN變化范圍分別為604.98-1177.05mg/kg和62.16-116.05mg/kg。SMBC、SMBN在坡位上變幅均較大，不同坡位間SMBC、SMBN含量依次均為L

土壤微生物碳熵、氮熵特征可以反映土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)周轉(zhuǎn)，對養(yǎng)分的積累或缺失起指示作用。自然草灌qMBC變化范圍為1.04～2.71;厚基質(zhì)噴播qMBC變化范圍為1.25-2.33;液壓噴播qMBC變化范圍為1.33-3.37（見圖3）。其中，自然草灌與厚基質(zhì)噴播坡面在不同坡位間qMBC值有同樣的變化規(guī)律，依次均為L

自然草灌qMBN變化范圍為1.39-1.62;厚基質(zhì)噴播qMBN變化范圍為0.41-1.12;液壓噴播qMBN變化范圍為0.79～0.97（見圖4）。自然草灌qMBN均值是厚基質(zhì)噴播的1.45-3.09倍，是液壓噴播的1.44-1.81倍，表明兩種人工修復(fù)措施其邊坡的土壤氮循環(huán)均低于自然草灌邊坡。其中，qMBN在自然草灌邊坡3個坡位均表現(xiàn)最高，厚基質(zhì)噴播在中坡位、下坡位均表現(xiàn)最低，液壓噴播在上坡位最低，表明液壓噴播邊坡中坡位以及下坡位的土壤氮循環(huán)速率優(yōu)于厚基質(zhì)噴播。

2.2不同植被類型土壤微生物利用碳源動力學(xué)特征

2.2.1土壤微生物利用全部碳源變化特征

AWCD值代表微生物群落對碳源利用的平均能力，本研究中對3個樣地中土壤微生物群落不間斷培育10d，每隔24h測定一次（見圖5）。測定結(jié)果為：厚基質(zhì)噴播AWCD值遠(yuǎn)高于自然草灌AWCD值，表明在土壤微生物對土壤碳源利用程度上，厚基質(zhì)噴播土壤微生物對土壤碳源利用遠(yuǎn)高于自然草灌。

不同坡位土壤的微生物對于Biolog平板不同碳源的整體利用程度也存在差異，表現(xiàn)為：自然草灌邊坡AWCD值在上坡位、中坡位以及下坡位均低于厚基質(zhì)噴播。液壓噴播AWCD值在上坡位最高，而在中坡位以及下坡位最低，表明厚基質(zhì)噴播土壤微生物碳源代謝水平高于自然草灌，液壓噴播土壤微生物碳源代謝水平在上邊坡最高，而在中邊坡、下邊坡最低。

2.2.2土壤微生物對不同碳源利用強(qiáng)度分析

ECO板上共計六大類31種碳源，將待測微生物在ECO板上連續(xù)培養(yǎng)，可以反映出微生物對這6類碳源的利用程度。結(jié)果表明（見圖6）：在碳源代謝方面，優(yōu)勢群落為氨基酸類代謝群落，其他類型的碳源利用程度則較低。液壓噴播邊坡土壤微生物的生理功能多樣性優(yōu)于其他修復(fù)類型邊坡土壤，而自然草灌邊坡的土壤最差。

3結(jié)論與建議

3.1不同修復(fù)類型土壤微生物的差異

總體上看，SMBN含量除在厚基質(zhì)噴播下邊坡較高外，液壓噴播和厚基質(zhì)噴播微生物SMBC、SMBN均低于自然草灌邊坡，厚基質(zhì)噴播SMBC水平優(yōu)于液壓噴播。液壓噴播及厚基質(zhì)噴播在上坡位的土壤碳循環(huán)速率劣于自然草灌邊坡;液壓噴播邊坡在中坡位以及下坡位的土壤碳循環(huán)速率優(yōu)于厚基質(zhì)噴播和自然草灌邊坡;厚基質(zhì)邊坡在中坡位的土壤碳循環(huán)速率均劣于自然草灌邊坡。液壓噴播和厚基質(zhì)噴播邊坡在各坡位的土壤氮循環(huán)均低于自然草灌邊坡;液壓噴播邊坡在中坡位以及下坡位的土壤氮循環(huán)速率優(yōu)于厚基質(zhì)噴播。厚基質(zhì)噴播土壤微生物對土壤碳源利用率遠(yuǎn)高于自然草灌;液壓噴播土壤微生物碳源代謝水平在上邊坡要高于厚基質(zhì)噴播，而在中邊坡、下邊坡土壤微生物碳源代謝水平要低于自然草灌邊坡。

夾巖水利工程擾動區(qū)2種人工修復(fù)方式，其SMBC、SMBN、qMBN均低于自然草灌邊坡。采用人工修復(fù)技術(shù)依舊達(dá)不到自然條件下土壤發(fā)育程度。厚基質(zhì)噴播技術(shù)與液壓噴播技術(shù)相比，同樣是在修復(fù)后，厚基質(zhì)噴播SMBC、SMBN均高于液壓噴播，厚基質(zhì)噴播修復(fù)邊坡環(huán)境質(zhì)量水平高于液壓噴播邊坡。而在碳源利用率以及微生物代謝水平上，僅有厚基質(zhì)噴播技術(shù)高于自然草灌邊坡。上述差異主要是與人工修復(fù)方式有關(guān)，土壤微生物作為土壤中的活性部分，由于土壤的理化性質(zhì)受植物枯落物、根系分泌物等因子的影響，即使在相同氣候類型下，也必須考慮土壤利用方式差異的影響。

3.2坡位對土壤微生物影響的差異

SMBN含量除在厚基質(zhì)噴播下邊坡較高外，各邊坡SMBC與SMBN沿坡位變化呈現(xiàn)L

3.3建議

本文從人工修復(fù)效果的角度，分析了土壤中生物量碳氮特征以及微生物利用碳源動力學(xué)特征，表明不同的修復(fù)工藝、方式?jīng)Q定了修復(fù)后的土壤環(huán)境質(zhì)量。而且由于坡面流失和坡底富集現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量各項指標(biāo)均不同程度的沿坡方向呈現(xiàn)空間異質(zhì)性，建議根據(jù)各人工修復(fù)方式在坡面的異質(zhì)性，從坡位角度分區(qū)域制定修復(fù)方案、調(diào)整施工工藝或基質(zhì)配比，做到分坡位精細(xì)化設(shè)計施工。