夾巖水利樞紐工程不同生態修復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厚基質噴播和液壓噴播2種修復模式邊坡，以自然草灌邊坡為對照，對生物量碳、氮進行監測并運用Biolog方法分析微生物功能多樣性和代謝活性。結果表明：土壤SMBC、sMBN按從大到小排序依次為自然草灌>厚基質噴播>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，表現出較高的空間異質性。建議根據各人工修復方式在坡面的異質性，做到分坡位精細化設計施工。

關鍵詞：邊坡生態修復;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 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.012

以水利、公路等為代表的工程建設，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方式來解決?，F有人工修復方式種類繁多，各有優缺點，在不同的立地條件下，其優缺點又會發生變化。此外，由于邊坡地形因子影響入射光、微環境溫度等因素，尤其是沿坡面水分含量分布以及可溶性營養物質的分布差異，人工邊坡修復方式應根據坡位異質性而有所調整或改進，但目前此方面的研究較少。

本文選取西南地區大型水利樞紐工程——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”），對該工程擾動區不同修復模式邊坡進行土壤微生物量碳氮、微生物群落結構及其功能多樣性進行研究，旨在了解不同修復模式以及各坡位間微生物生物量碳、氮含量、微生物群落結構及其功能多樣性差異，從土壤微生物量角度分析其土壤環境質量狀況，比較不同修復模式差異，分析各模式的不足之處，為工程擾動區人工植被修復技術的篩選和改進提供理論基礎。

1材料與方法

1.1研究區概況

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，兼顧發電等綜合效益。其水源樞紐區位于長江流域烏江水系一級支流六沖河，地形破碎、河流切割強烈、碳酸鹽巖類分布廣、石漠化發育，自然條件復雜，生態環境脆弱。

1.2樣區設置與土壤樣品采集

本研究根據生態修復模式，在夾巖水利工程擾動區內設置3個代表性邊坡樣區，液壓噴播邊坡位于上壩R1道路35kV變電站下邊坡;厚基質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噴播邊坡于2017年同期施工，基本信息與植被結構見表1。

2018年6月在各樣區采集土壤樣品。在每個邊坡樣區分別設置樣帶，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

土壤養分采用常規方法測定：有機碳（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連續烘干24h后計算得出，pH值用風干后過2mm篩的土樣采用酸度計進行測定（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數據處理與統計分析

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碳（全氮）-未熏蒸土壤提取的有機碳（全氮）;KEC（KEN）為轉換系數，取值0.45。

微生物碳熵：

qMBC=SMBC/土壤有機碳×100%

微生物氮熵：

qMBN=SMBN/土壤全氮×100%

2結果與分析

2.1不同修復措施下微生物量碳、氮特征

微生物量碳、氮作為土壤中的活性部分，其含量反映土壤環境質量。研究發現：人工邊坡生境的SMBC顯著低于自然邊坡生境。3種修復模式條件下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。研究結果表明，在人工修復的兩種措施中，微生物量均低于自然草灌邊坡，厚基質噴播環境質量水平優于液壓噴播。

SMBN含量除在厚基質噴播下邊坡較高外，同一修復類型SMBC、SMBN均沿下坡位、中坡位、上坡位呈現增加趨勢（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物質的循環周轉，對養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，自然草灌與厚基質噴播坡面在不同坡位間qMBC值有同樣的變化規律，依次均為L

自然草灌qMBN變化范圍為1.39-1.62;厚基質噴播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，表明兩種人工修復措施其邊坡的土壤氮循環均低于自然草灌邊坡。其中，qMBN在自然草灌邊坡3個坡位均表現最高，厚基質噴播在中坡位、下坡位均表現最低，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速率優于厚基質噴播。

2.2不同植被類型土壤微生物利用碳源動力學特征

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）。測定結果為：厚基質噴播AWCD值遠高于自然草灌AWCD值，表明在土壤微生物對土壤碳源利用程度上，厚基質噴播土壤微生物對土壤碳源利用遠高于自然草灌。

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板上連續培養，可以反映出微生物對這6類碳源的利用程度。結果表明（見圖6）：在碳源代謝方面，優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于其他修復類型邊坡土壤，而自然草灌邊坡的土壤最差。

3結論與建議

3.1不同修復類型土壤微生物的差異

總體上看，SMBN含量除在厚基質噴播下邊坡較高外，液壓噴播和厚基質噴播微生物SMBC、SMBN均低于自然草灌邊坡，厚基質噴播SMBC水平優于液壓噴播。液壓噴播及厚基質噴播在上坡位的土壤碳循環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速率優于厚基質噴播和自然草灌邊坡;厚基質邊坡在中坡位的土壤碳循環速率均劣于自然草灌邊坡。液壓噴播和厚基質噴播邊坡在各坡位的土壤氮循環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速率優于厚基質噴播。厚基質噴播土壤微生物對土壤碳源利用率遠高于自然草灌;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2種人工修復方式，其SMBC、SMBN、qMBN均低于自然草灌邊坡。采用人工修復技術依舊達不到自然條件下土壤發育程度。厚基質噴播技術與液壓噴播技術相比，同樣是在修復后，厚基質噴播SMBC、SMBN均高于液壓噴播，厚基質噴播修復邊坡環境質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，僅有厚基質噴播技術高于自然草灌邊坡。上述差異主要是與人工修復方式有關，土壤微生物作為土壤中的活性部分，由于土壤的理化性質受植物枯落物、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含量除在厚基質噴播下邊坡較高外，各邊坡SMBC與SMBN沿坡位變化呈現L

3.3建議

本文從人工修復效果的角度，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特征，表明不同的修復工藝、方式決定了修復后的土壤環境質量。而且由于坡面流失和坡底富集現象，導致土壤環境質量各項指標均不同程度的沿坡方向呈現空間異質性，建議根據各人工修復方式在坡面的異質性，從坡位角度分區域制定修復方案、調整施工工藝或基質配比，做到分坡位精細化設計施工。