煤矸石基质酸度大及植物营养元素缺乏。煤矸石堆场废弃地土壤基质具有有机质数量少、氮磷含量低、孔隙性及结构性差的特点，微生物繁殖慢及活性弱，植物萌发及生长困难，从而阻碍了煤矸石堆场及周边环境的生态恢复。煤矸石山植被恢复模式及其生态效应的研究已成为矿山生态修复的主要内容之一^[1-3]。目前对煤矿废弃地人工种植的林草模式及生态修复效果方面已有一些研究^[4-14]，魏怀建等^[4]研究了淮南大通煤矸石充填复垦区3种典型植被恢复模式下土壤物理性质与有机无机复合体的关系，植被恢复降低复垦土壤的密度而增加其总孔隙度，特别是臭椿(Ailanthus altissima)+草本恢复模式效果最佳^[3]。赵韵美等^[5]对阜新矿区不同植被恢复模式下煤矿废弃地土壤养分特征进行研究，发现沙棘(Hippophae rhamnoides)+紫穗槐(Amorpha fruticosa)混交林、白榆(Ulmus pumila)+紫穗槐混交林、菊芋(Helianthus tuberosus)林模式均能有效改善土壤养分特征，其中沙棘+紫穗槐混交林恢复模式效果最为明显。可见，煤矸石山植被恢复过程逐渐改善煤矸石基质的水分及养分状况，进一步促进煤矸石堆场植物的生长发育，土壤-植被复合系统的建立改善煤矿区的生态环境；而且随着植被覆盖度的增加及凋落物数量的增多，微生物数量及多样性逐步增加，土壤肥力水平不断提高^[15-18]。近年来贵州中西部多数关闭的小煤窑矿区生态环境治理取得较明显的效果，多年露天堆放的煤矸石堆场出现以自然生长的马尾松(Pinus massoniana)、光皮桦(Betula luminifera)、类芦(Neyraudia)及毛果金星蕨(Parathelypteris chinensis)为优势植物种的植被恢复^[19]。目前对煤矸石堆场自然恢复植被后植生基质养分变化与微生物多样性变化之间的相关性还缺乏深入的研究。土壤养分含量及其生物有效性的提高对促进矿区废弃地植物生长有着重要作用，在适宜的土壤环境条件下土壤微生物群落多样性的增加可以调控养分的转化和释放，有利于提高土壤有效养分的含量水平^{[5, 15]}。笔者通过对不同自然植被类型下煤矸石基质养分及微生物多样性变化进行研究，深入探讨煤矸石基质有效性养分变化与微生物群落多样性之间的关联性，旨在为煤矿区煤矸石堆场的生态环境治理及生态修复提供科学依据。

研究区位于贵阳市花溪区麦坪乡及久安乡，属低中山地貌及亚热带季风性湿润气候，年均气温在14.0~15.0 ℃，年降雨量1 200~1 300 mm。植被为光皮桦及针阔混交林，土壤多为黄壤及石灰土。该煤矿区曾是贵阳市主要产煤区，20世纪80年代开始煤矿开采，20世纪90年代出现大量小煤窑，2000年底通过煤矿整治后小煤矿井全部关闭。多年开采废弃的煤矸石露天堆放在矿井周边，煤矸石堆存已有30~40 a之久。经长期风化的煤矸石基质上出现自然生长的一些植物种群，采用常规植物样地调查方法对该区未经人工干预的煤矸石堆场上自然生长的植物群落组成和物种多样性进行调查，植物群落优势种为马尾松、光皮桦、类芦等(表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 调查区不同植被恢复类型下煤矸石堆场的物种组成 Tab. 1 Species composition on coal gangue dumps under different vegetation restoration types in the survey area 植被类型 Vegetation type 植被覆盖率 Vegetation coverage/% 主要植物名称，密度 Main plant name，density/(Plants·m-2) 优势物种 Dominant species 马尾松幼林 Pinus massoniana young forest 80~90 乔木层：马尾松。Tree layer：Pinus massoniana，0.56~0.82 灌木层：油茶。Shrub layer：Camellia oleifera，0.08~0.34 草本层：白茅。Herb layer：Imperata cylindrica，3.12~9.52 马尾松，高度为1.5~2.0 m。Pinus massoniana, and height is 1.5-2.0 m 光皮桦+茅栗幼林 Betula luminifera+Castanea seguinii young forest 85~90 乔木层：光皮桦。Tree layer：Betula luminifera，0.31~0.58 茅栗Castanea seguinii，0.05~0.16 灌木层：青冈。Shrub layer：Cyclobalanopsis argyrotricha，0.12~0.37 草本层：白茅。Herb layer：Imperata cylindrica，4.56~10.11 光皮桦，高度为1.0~1.5 m。Betula luminifera, and height is 1.0-1.5 m. 类芦草丛 Neyraudia grass 85~90 灌木层：茅栗。Shrub layer：Castanea seguinii, 0.15~0.29 草本层：类芦。Herb layer：Neyraudia, 3.52~10.10 白茅Imperata cylindrica, 1.25~3.59 毛果金星蕨Parathelypteris chinensis, 0.12~1.33 类芦，高度为0.5~1.0 m。Neyraudia, and height is 0.5-1.0 m 裸地 Bare land 1~5 草本层：稀少的狗牙根。Herb layer：Few Cynodon dactylon, 1.53~3.26 白三叶Trifolium repens 0.55~1.15 狗牙根Cynodon dactylon

表 1 调查区不同植被恢复类型下煤矸石堆场的物种组成 Tab. 1 Species composition on coal gangue dumps under different vegetation restoration types in the survey area

在调查区内选择有代表性的马尾松幼林、光皮桦+茅栗(Castanea seguinii)幼林和类芦草丛3种植被类型(表 1)的煤矸石堆场作为采样区，其优势植物分别是马尾松、光皮桦和类芦。选择地形、坡度相对一致的煤矸石堆场设置样地，样地大小为20 m×10 m，分别在样地内调查植物的种类和数量，木本植物在样区内全部清点计数，草本植物在有代表性1 m×2 m样区内调查统计。在每个样地内离植物根系50 cm以外区域，按常规土壤采样方法进行表层(0~30 cm)煤矸石基质混合样品采集，即非根区混合样；同时，采集马尾松、光皮桦和类芦根区(优势植物根系0~10 cm范围内)表层(0~30 cm)煤矸石基质混合样品；每种植被类型设置3块样地，共采集到9个根区混合样和9个非根区混合样。同时，在3种植被类型对应采样区域，采集3个裸露地表层(0~30 cm)煤矸石基质混合样品。采集的每个煤矸石样品取部分新鲜样品装入无菌封口塑料袋内，混合均匀后置于冰块上运至实验室，作微生物群落功能多样性的测定；剩余的大部分煤矸石样品置于实验室自然风干，研磨后过2 mm筛备用。

pH采用酸度计法(土水比1∶2.5)测定，有机碳采用重铬酸钾容量法、碱解氮采用扩散吸收法、有效磷采用Olsen法测定，速效钾采用乙酸铵溶液提取-火焰分光光度法测定。

将取得的新鲜样品调节土壤水分至田间持水量的45%左右，置于4 ℃的冰箱内保存，取样后48 h内应用BIOLOG^TM的生态测试板(ECO MicroPlate)进行微生物群落功能多样性分析，称取10 g新鲜样品加入内有90 mL无菌水的三角瓶中，加无菌棉花塞，在20 r/min下振荡30 min。然后，静置15 min，取上清液，在无菌操作台中按逐步稀释法进行稀释，接种时稀释液导入到一次性无菌接种巢中，用移液枪将稀释液接种到生态测试板上，将接种好的测试板加盖在(25±1) ℃下培养168 h。每隔24 h用BIOLOG MicroStation自动读数装置在590 nm下读取吸光值。

微生物的整体代谢活性采用平均每孔颜色变化率AWCD(average well color development)来表示，它能够在一定程度上反映微生物群落的数量和结构特征，运用96 h数据来进行多样性指数的计算。Shannon指数H，用以表征土壤中微生物群落丰富度; Simpson指数D，用以表征土壤中微生物群落优势度^[17]。实验数据统计分析采用DPS软件进行配对t检验和方差分析(Fisher's least significant difference, LSD)。

煤矸石中有机质数量少、氮磷含量低，通过对不同类型植被下煤矸石基质中有机碳(C)及有效性氮(N)、磷(P)和钾(K)含量变化的分析，从表 2可以看出，植被自然恢复过程中煤矸石基质有机碳及有效性氧、磷、钾质量分数均出现不同程度的增加，有机碳质量分数范围达34.5~98.6 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数范围分别为55.8~123.8、0.4~1.3和53.0~93.0 mg/kg，其作用的大小顺序为光皮桦+茅栗幼林 > 马尾松幼林 > 类芦草丛；光皮桦+茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛植被的煤矸石基质中有机碳质量分数分别比裸地提高3.01、2.56和1.62倍，而碱解氮质量分数则分别增加3.36、2.53和1.40倍；此外，光皮桦+茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛的煤矸石基质中有效磷质量分数分别比裸地提高2.10、1.37和1.33倍，而速效钾质量分数则分别增加80.34%、29.60%和48.63%。多重比较结果表明：光皮桦+茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛下煤矸石基质中有机碳和碱解氮质含量均显著地高于裸露的煤矸石基质，光皮桦+茅栗幼林下煤矸石基质中有效磷和速效钾含量显著地大于裸露的煤矸石基质，马尾松幼林下煤矸石基质中速效钾含量显著地高于裸露的煤矸石基质。从3种植被类型来看，光皮桦+茅栗幼林、马尾松幼林和类芦草丛下煤矸石基质中有机碳含量未出现明显的差异性，但3种植被类型之间煤矸石基质中碱解氮含量出现显著性差别，且光皮桦+茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质中碱解氮含量均显著地高于类芦草丛；光皮桦+茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质中，有效磷含量与类芦草丛煤矸石基质也未出现显著性差异，但光皮桦+茅栗幼林煤矸石基质中速效钾含量显著地大于类芦草丛煤矸石基质；而光皮桦+茅栗幼林和马尾松幼林的煤矸石基质之间有效磷和速效钾含量均未出现显著性的差别。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同植被类型下煤矸石基质养分质量分数的变化 Tab. 2 Changes in the nutrient contents of coal gangue matrix under different vegetation types   g/kg 采样区域 Sampling area 有机碳 Organic carbon 碱解氮 Available nitrogen 有效磷 Available phosphorus 速效钾 Available potassium 马尾松幼林非根区Pinus massoniana young forest non-rhizosphere area 74.8±20.5b 98.8±5.9c 0.71±0.26ab 61.3±10.4bc 光皮桦+茅栗幼林非根区Betula luminifera+Castanea seguinii young forest non-rhizosphere area 84.3±15.8b 122.2±2.0d 0.93±0.35b 85.3±11.6c 类芦草丛非根区Neyraudia grass non-rhizosphere area 55.0±19.4b 67.1±11.2b 0.70±0.30ab 70.3±6.5ab 裸地Bare land 21.0±4.3a 28.0±2.2a 0.30±0.10a 47.3±4.7a 马尾松根区Pinus massoniana rhizosphere area 83.1±15.8a 134.7±29.2a 0.87±0.31a 94.0±13.7ab 光皮桦根区Betula luminifera rhizosphere area 118.6±16.6b 175.8±7.6b 1.33±0.72a 99.7±10.4b 类芦根区Neyraudia rhizosphere area 81.2±10.3a 112.7±11.7a 0.47±0.15a 74.6±12.0a 注：表中数据为每种植被类型或优势种3个重复的平均值±标准差，同列不同小写字母之间表示差异达到显著水平(P < 0.05). Notes: The data in the table are the mean ± standard deviation of nutrient contents in three repeat soils of each vegetation type or dominant species. Different lowercase letters in the same column indicate that the difference reaches a significant level (P < 0.05).

表 2 不同植被类型下煤矸石基质养分质量分数的变化 Tab. 2 Changes in the nutrient contents of coal gangue matrix under different vegetation types

从马尾松、光皮桦和类芦根区来看，煤矸石基质有机碳及有效性氮、磷和钾含量的大小顺序均为光皮桦 > 马尾松 > 类芦。光皮桦根区煤矸石基质中有机碳及碱解氮含量显著地高于马尾松和类芦，光皮桦根区煤矸石基质中速效钾含量也显著地大于类芦，但光皮桦和马尾松根区煤矸石基质中速效钾含量未出现显著性的差别；而马尾松、光皮桦和类芦根区煤矸石基质中有效磷含量均未出现显著性差异。

由图 1a可以看出，3种植被类型下煤矸石基质中微生物的AWCD值整体趋势都是在培养初期增高较大，而在培养中后期增长减缓，不同植被类型下煤矸石基质的微生物AWCD值的大小顺序为光皮桦+茅栗幼林 > 类芦草丛 > 马尾松幼林。由图 1b可见，3种优势植物根际区煤矸石基质微生物的AWCD值的大小表现为光皮桦>类芦>马尾松。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同植被类型及优势植物根区下煤矸石基质微生物的AWCD曲线 Fig. 1 Average well color development(AWCD) curves of coal gangue matrix microorganisms under different vegetation or dominant plant rhizosphere area

运用培养96 h时的AWCD值计算微生物群落Shannon丰富度指数H和Simpson优势度指数D(表 3)，对3种植被下煤矸石基质微生物群落的H和D进行方差分析，马尾松幼林、光皮桦+茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落H均显著地高于裸露的煤矸石基质，马尾松幼林、光皮桦+茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落H分别比裸地提高37.95%、59.64%和43.98%，而且光皮桦+茅栗幼林煤矸石基质中微生物群落H显著大于马尾松幼林，光皮桦+茅栗幼林与类芦草丛煤矸石基质之间微生物群落丰富度指数H未出现显著性差异。

表 3(Tab. 3)

表 3 不同植被类型下煤矸石基质微生物多样性的变化 Tab. 3 Changes in microbial diversity of coal gangue matrix under different vegetation types 采样区域 Sampling area pH (H2O) Shannon丰富度指数 Shannon richness index H Simpson优势度指数 Simpson dominance index D 马尾松幼林非根区Pinus massoniana young forest non-rhizosphere area 3.58±0.12a 2.29±0.16b 8.17±0.49ab 光皮桦+茅栗幼林非根区Betula luminifera+Castanea seguinii young forest non-rhizosphere area 4.88±0.38b 2.65±0.24a 11.07±1.92a 类芦草丛非根区Neyraudia grass non-rhizosphere area 3.74±0.33a 2.39±0.14ab 9.58±3.50ab 裸地Bare land 3.44±0.09a 1.66±0.11c 6.83±0.51b 马尾松根区Pinus massoniana rhizosphere area 3.76±0.16a 2.40±0.12a 9.56±0.52a 光皮桦根区Betula luminifera rhizosphere area 5.04±0.13b 2.98±0.23b 15.67±1.60b 类芦根区Neyraudia rhizosphere area 4.25±0.76ab 2.81±0.08b 11.46±1.59a 注：表中数据为每种植被类型或优势种3个重复平均值±标准差，同列不同小写字母之间表示差异达到显著水平(P < 0.05)。Notes: The data in the table are the three repeated mean ± standard deviation of each vegetation type or dominant species. Different lowercase letters in the same column indicate that the difference reaches a significant level (P < 0.05).

表 3 不同植被类型下煤矸石基质微生物多样性的变化 Tab. 3 Changes in microbial diversity of coal gangue matrix under different vegetation types

马尾松幼林、光皮桦+茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落D分别比裸地增加19.62%、62.08%和40.26%；但3种植被类型之间煤矸石基质中微生物群落D未出现显著性差别，其中仅光皮桦+茅栗幼林煤矸石基质中微生物群落D显著地高于裸露的煤矸石基质。从优势植物来看，光皮桦根区煤矸石基质中微生物群落H和D显著地高于马尾松，类芦根区煤矸石基质中微生物群落也显著地高于马尾松，但二者之间煤矸石基质中微生物群落D没有显著的差别。

马尾松幼林、光皮桦+茅栗幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落H和D与煤矸石基质的pH值和有机碳及有效性氮、磷、钾含量存在明显的关联性，从表 4看出，植被区煤矸石基质的微生物群落H和D均与pH值呈显著性正相关，植被区煤矸石基质的微生物群落H与有机质碳、碱解氮质量分数呈极显著的正相关，其与有效碳、有效钾含量也存在显著的正相关关系；植被区煤矸石基质的微生物群落D与碱解氮含量呈极显著的正相关。

表 4(Tab. 4)

表 4 煤矸石基质微生物多样性指标与pH值和养分指标的相关系数 Tab. 4 Correlation coefficient between microbial diversity index of coal gangue matrix and nutrient index 采样区域 Sampling area 微生物指标 Microbiological indicator 煤矸石基质养分指标 Nutrient index of coal gangue matrix pH 有机碳 Organic carbon 碱解氮 Available nitrogen 有效磷 Available phosphorus 速效钾 Available potassium 植被区 Shannon丰富度指数Shannon richness index 0.663* 0.799** 0.875** 0.624* 0.684* Vegetation region Simpson优势度指数Simpson dominance index 0.618* 0.372 0.700** 0.357 0.437 优势植物根区 Shannon丰富度指数Shannon richness index 0.694* 0.474 0.265 0.424 0.132 Dominant plant rhizosphere area Simpson优势度指数Simpson dominance index 0.880** 0.703* 0.369 0.607 0.392 注：*表示显著水平(P < 0.05)，**表示极显著水平(P < 0.01)。Notes: * indicates the level of significance (P < 0.05), and ** indicates the level of especially significance (P < 0.01).

表 4 煤矸石基质微生物多样性指标与pH值和养分指标的相关系数 Tab. 4 Correlation coefficient between microbial diversity index of coal gangue matrix and nutrient index

从优势植物种类来看，根区煤矸石基质的微生物群落H和D均与pH值呈显著性正相关，仅根区煤矸石基质的微生物群落D与有机磷碳含量呈显著正相关，但根区煤矸石基质的微生物群落H和D与有效性氮、磷和钾含量均存在一定程度的正相关关系。综上所述，植被恢复后煤矸石基质中有机碳和有效性氮含量出现显著性增加，有效性磷和钾含量也出现不同程度的提高，从而明显地增加了煤矸石基质微生物群落多样性。

煤矸石堆场自然植被恢复过程中植物凋落物及根系分泌物增加了有机质的来源，煤矸石基质中有机磷及有效性氮、磷和钾含量均出现不同程度的提高，特别是有机碳及有效性氮出现显著性增加，从而明显地提高了煤矸石基质微生物群落多样性。从本研究结果看出不同植被类型下煤矸石基质的微生物群落H与有机碳和有效性氮、磷和钾含量存在显著性的正相关关系，微生物群落D也与有机碳含量呈显著的正相关；光皮桦+茅栗幼林、类芦草丛、马尾松幼林的煤矸石基质中微生物群落丰富度指数H和D均显著地高于裸露的煤矸石基质，特别是光皮桦+茅栗幼林；说明植被恢复方式对土壤微生物群落影响主要是通过影响微生物生长代谢所需的有机碳和氮等营养物质来实现。据李君剑等^[16]对山西省安太堡煤矿复垦区5种植被恢复方式下土壤微生物和酶活性变化的研究，不同植被方式对土壤理化特征(pH值、有机碳、氮等)、参与氮代谢的3类菌群(固氮菌、硝化细菌和反硝化细菌)均有显著影响，土壤总氮含量与固氮菌和硝化细菌数量均显著相关，而蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶与有机碳和总氮之间呈显著正相关。刺槐(Robina pseudoacocia)-油松(Pinus tabuliformis)混交林是晋西北干旱区矿区复垦优选的植被恢复模式。于淼等^[18]认为随着复垦年限的延长，土壤中的微生物数量、根系真菌菌株数量、根系真菌多样性指数逐年递增。可见，自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落组成结构和多样性都出现明显的增加，微生物对植物凋落物进行分解，能够促进煤矸石基质中有机质的矿化作用和植物营养元素的转化与供给，从而进一步促进植物的生长。

植物根系分泌的氨基酸、维生素、胞外酶等物质会影响微生物的数量和多样性，并且促进微生物对煤矸石基质中营养物质的转化与吸收，植物的根际分泌物改变了根际微域微生物原有的碳源和能源利用方式，使优势植物根际微生物群落多样性出现明显的增加。本研究结果也表明，光皮桦根区煤矸石基质中微生物群落丰富度指数H和优势度指数D显著地高于马尾松，类芦根区煤矸石基质中微生物群落丰富度指数H也显著地高于马尾松。说明不同优势植物种类产生的根际效应对微生物种群及多样性的影响也存在较大的差异。特别是马尾松生长对煤矸石基质中微生物群落H和D显著地低于光皮桦和类芦，这方面值得深入探讨。

除有机碳及有效性氮、磷等营养物质外，煤矸石基质酸度下降也是影响微生物的群落结构和功能多样性的主导因素。从本研究结果看出，光皮桦+茅栗幼林、马尾松幼林、类芦草丛的煤矸石基质中微生物群落H和D与煤矸石基质的pH值存在极密切的关联性，植被自然恢复后煤矸石基质的酸度均出现明显的下降(表 3)，特别是光皮桦+茅栗幼林下的煤矸石基质及光皮桦根区的煤矸石基质。由于煤矸石基质酸度大及植物营养元素缺乏，植被恢复后煤矸石基质酸度的降低也有利于微生物的生长，同时酸度降低也能减少煤矸石基质中重金属的有效性及活性。可见，植被自然恢复不仅使煤矸石基质中有机物及有效性养分含量的增加，进而促进微生物生长及其活性，且植被恢复过程中通过影响煤矸石基质的pH、有效性重金属含量、水分状况等，对微生物多样性产生明显的调控作用。而微生物群落组成结构和多样性的增加更加促进植物的生长。因而，需要对煤矸石自然植被恢复中基质的物理、化学和生物之间变化进行系统研究，才能全面了解不同类型植物在煤矸石堆场生态修复过程中作用效果。

1) 植被自然恢复过程中煤矸石基质中有机磷含量、有效性氮含量出现显著性增加，有效性磷和钾含量也出现不同程度的提高，其作用的大小顺序为光皮桦+茅栗幼林 > 马尾松幼林 > 类芦草丛。优势植物根区煤矸石基质中有机磷及有效性氮、磷和钾含量的大小顺序均为光皮桦 > 类芦 > 马尾松，特别是有机碳及碱解氮含量。

2) 自然恢复植被后煤矸石基质中微生物群落H和D均出现显著地增加，其大小顺序为光皮桦+茅栗幼林 > 类芦草丛 > 马尾松幼林。光皮桦根区煤矸石基质中微生物群落H和D显著地高于马尾松，类芦根区煤矸石基质中微生物群落H也显著地大于马尾松。

3) 不同植被类型下煤矸石基质中微生物群落H和D均与碱解氮含量呈极显著的正相关，而微生物群落H还与有机质碳、有效磷、有效钾含量存在显著的正相关关系。此外，煤矸石基质的微生物群落H和D均与pH值呈显著性正相关。自然恢复植被后煤矸石基质的微生物群落多样性出现明显的增加，微生物作为煤矸石基质中物质转化和养分循环的核心驱动力，对增进煤矸石基质养分转化和物质循环具有积极意义。