夹岩水利枢纽工程不同生态修复模式边坡土壤微生物量及其代谢特征

李杜娟 杜祥运

摘要：选取贵州夹岩水利工程扰动区厚基质喷播和液压喷播2种修复模式边坡，以自然草灌边坡为对照，对生物量碳、氮进行监测并运用Biolog方法分析微生物功能多样性和代谢活性。结果表明：土壤SMBC、sMBN按从大到小排序依次为自然草灌>厚基质喷播>液压喷播;sMBc、SMBN.碳熵、氮熵、AWCD值以及微生物代谢水平在坡位间差异显著，表现出较高的空间异质性。建议根据各人工修复方式在坡面的异质性，做到分坡位精细化设计施工。

关键词：边坡生态修复;Biolog法;土壤微生物;边坡植物;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：X171 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.012

以水利、公路等为代表的工程建设，往往会形成大面积土石裸露的高陡边坡，通常是采取人工修复方式来解决。现有人工修复方式种类繁多，各有优缺点，在不同的立地条件下，其优缺点又会发生变化。此外，由于边坡地形因子影响入射光、微环境温度等因素，尤其是沿坡面水分含量分布以及可溶性营养物质的分布差异，人工边坡修复方式应根据坡位异质性而有所调整或改进，但目前此方面的研究较少。

本文选取西南地区大型水利枢纽工程——贵州夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩水利工程”），对该工程扰动区不同修复模式边坡进行土壤微生物量碳氮、微生物群落結构及其功能多样性进行研究，旨在了解不同修复模式以及各坡位间微生物生物量碳、氮含量、微生物群落结构及其功能多样性差异，从土壤微生物量角度分析其土壤环境质量状况，比较不同修复模式差异，分析各模式的不足之处，为工程扰动区人工植被修复技术的筛选和改进提供理论基础。

1材料与方法

1.1研究区概况

夹岩水利工程位于贵州省西北部，项目等级为I等，以供水和灌溉为主，兼顾发电等综合效益。其水源枢纽区位于长江流域乌江水系一级支流六冲河，地形破碎、河流切割强烈、碳酸盐岩类分布广、石漠化发育，自然条件复杂，生态环境脆弱。

1.2样区设置与土壤样品采集

本研究根据生态修复模式，在夹岩水利工程扰动区内设置3个代表性边坡样区，液压喷播边坡位于上坝R1道路35kV变电站下边坡;厚基质喷播位于大坝下游永久桥桥头上边坡;选取自然草灌边坡作为对照，其位置位于上坝R1道路35kV变电站上边坡。道路液压喷播边坡与厚基质喷播边坡于2017年同期施工，基本信息与植被结构见表1。

2018年6月在各样区采集土壤样品。在每个边坡样区分别设置样带，每条样带选取下坡位、中坡位、上坡位3个样方，每个样方尺寸为40mx20m（长×宽），H、M以及L分别表示上坡、中坡以及下坡。

1.3样品分析方法

土壤养分采用常规方法测定：有机碳（sOC）采用外加热重铬酸钾氧化法，土壤全氮（TN）采用凯氏定氮仪测定，土壤含水量采用105°（2连续烘干24h后计算得出，pH值用风干后过2mm筛的土样采用酸度计进行测定（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浸提法测定。

1.4数据处理与统计分析

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）=熏蒸土壤提取的有机碳（全氮）-未熏蒸土壤提取的有机碳（全氮）;KEC（KEN）为转换系数，取值0.45。

微生物碳熵：

qMBC=SMBC/土壤有机碳×100%

微生物氮熵：

qMBN=SMBN/土壤全氮×100%

2结果与分析

2.1不同修复措施下微生物量碳、氮特征

微生物量碳、氮作为土壤中的活性部分，其含量反映土壤环境质量。研究发现：人工边坡生境的SMBC显著低于自然边坡生境。3种修复模式条件下SMBC、SMBN之间差异显著，依次为T>C>K。自然草灌SMBC、SMBN分别为958.25-1177.05mg/kg和85.85-116.05mg/kg;厚基质喷播SMBC、SMBN分别为531.61-736.64mg/kg和57.65-73.21mg/kg;液压喷播SMBC、SMBN在3个坡位均表现最低，分别为405.16-604.99mg/kg和37.83-62.16mg/kg（见图1和图2）。自然草灌SMBC、SMBN均值分别是厚基质喷播的1.59-1.80倍和1.30-1.58倍，是液压喷播的1.94-2.36倍和1.86-2.26倍。研究结果表明，在人工修复的两种措施中，微生物量均低于自然草灌边坡，厚基质喷播环境质量水平优于液压喷播。

SMBN含量除在厚基质喷播下边坡较高外，同一修复类型SMBC、SMBN均沿下坡位、中坡位、上坡位呈现增加趋势（见图1和图2）。下坡位SMBC、SMBN变化范围分别为405.16-958.25mg/kg和37.83-85.89mg/kg。中坡位SMBC、SMBN变化范围分别为546.45-1081.13me，/kg和48.95-100.47mg/kg～上坡位SMBC、SMBN变化范围分别为604.98-1177.05mg/kg和62.16-116.05mg/kg。SMBC、SMBN在坡位上变幅均较大，不同坡位间SMBC、SMBN含量依次均为L

土壤微生物碳熵、氮熵特征可以反映土壤营养物质的循环周转，对养分的积累或缺失起指示作用。自然草灌qMBC变化范围为1.04～2.71;厚基质喷播qMBC变化范围为1.25-2.33;液压喷播qMBC变化范围为1.33-3.37（见图3）。其中，自然草灌与厚基质喷播坡面在不同坡位间qMBC值有同样的变化规律，依次均为L

自然草灌qMBN变化范围为1.39-1.62;厚基质喷播qMBN变化范围为0.41-1.12;液压喷播qMBN变化范围为0.79～0.97（见图4）。自然草灌qMBN均值是厚基质喷播的1.45-3.09倍，是液压喷播的1.44-1.81倍，表明兩种人工修复措施其边坡的土壤氮循环均低于自然草灌边坡。其中，qMBN在自然草灌边坡3个坡位均表现最高，厚基质喷播在中坡位、下坡位均表现最低，液压喷播在上坡位最低，表明液压喷播边坡中坡位以及下坡位的土壤氮循环速率优于厚基质喷播。

2.2不同植被类型土壤微生物利用碳源动力学特征

2.2.1土壤微生物利用全部碳源变化特征

AWCD值代表微生物群落对碳源利用的平均能力，本研究中对3个样地中土壤微生物群落不间断培育10d，每隔24h测定一次（见图5）。测定结果为：厚基质喷播AWCD值远高于自然草灌AWCD值，表明在土壤微生物对土壤碳源利用程度上，厚基质喷播土壤微生物对土壤碳源利用远高于自然草灌。

不同坡位土壤的微生物对于Biolog平板不同碳源的整体利用程度也存在差异，表现为：自然草灌边坡AWCD值在上坡位、中坡位以及下坡位均低于厚基质喷播。液压喷播AWCD值在上坡位最高，而在中坡位以及下坡位最低，表明厚基质喷播土壤微生物碳源代谢水平高于自然草灌，液压喷播土壤微生物碳源代谢水平在上边坡最高，而在中边坡、下边坡最低。

2.2.2土壤微生物对不同碳源利用强度分析

ECO板上共计六大类31种碳源，将待测微生物在ECO板上连续培养，可以反映出微生物对这6类碳源的利用程度。结果表明（见图6）：在碳源代谢方面，优势群落为氨基酸类代谢群落，其他类型的碳源利用程度则较低。液压喷播边坡土壤微生物的生理功能多样性优于其他修复类型边坡土壤，而自然草灌边坡的土壤最差。

3结论与建议

3.1不同修复类型土壤微生物的差异

总体上看，SMBN含量除在厚基质喷播下边坡较高外，液压喷播和厚基质喷播微生物SMBC、SMBN均低于自然草灌边坡，厚基质喷播SMBC水平优于液压喷播。液压喷播及厚基质喷播在上坡位的土壤碳循环速率劣于自然草灌边坡;液压喷播边坡在中坡位以及下坡位的土壤碳循环速率优于厚基质喷播和自然草灌边坡;厚基质边坡在中坡位的土壤碳循环速率均劣于自然草灌边坡。液压喷播和厚基质喷播边坡在各坡位的土壤氮循环均低于自然草灌边坡;液压喷播边坡在中坡位以及下坡位的土壤氮循环速率优于厚基质喷播。厚基质喷播土壤微生物对土壤碳源利用率远高于自然草灌;液压喷播土壤微生物碳源代谢水平在上边坡要高于厚基质喷播，而在中边坡、下边坡土壤微生物碳源代谢水平要低于自然草灌边坡。

夹岩水利工程扰动区2种人工修复方式，其SMBC、SMBN、qMBN均低于自然草灌边坡。采用人工修复技术依旧达不到自然条件下土壤发育程度。厚基质喷播技术与液压喷播技术相比，同样是在修复后，厚基质喷播SMBC、SMBN均高于液压喷播，厚基质喷播修复边坡环境质量水平高于液压喷播边坡。而在碳源利用率以及微生物代谢水平上，仅有厚基质喷播技术高于自然草灌边坡。上述差异主要是与人工修复方式有关，土壤微生物作为土壤中的活性部分，由于土壤的理化性质受植物枯落物、根系分泌物等因子的影响，即使在相同气候类型下，也必须考虑土壤利用方式差异的影响。

3.2坡位对土壤微生物影响的差异

SMBN含量除在厚基质喷播下边坡较高外，各边坡SMBC与SMBN沿坡位变化呈现L

3.3建议

本文从人工修复效果的角度，分析了土壤中生物量碳氮特征以及微生物利用碳源动力学特征，表明不同的修复工艺、方式决定了修复后的土壤环境质量。而且由于坡面流失和坡底富集现象，导致土壤环境质量各项指标均不同程度的沿坡方向呈现空间异质性，建议根据各人工修复方式在坡面的异质性，从坡位角度分区域制定修复方案、调整施工工艺或基质配比，做到分坡位精细化设计施工。