鄂尔多斯市煤炭资源覆盖面广，随着对煤炭资源的需求量不断增大，煤炭的大规模开采导致矿区周边生态环境不断恶化，煤炭资源开采与生态修复的矛盾突出^[1]。井工开采方式造成大面积地表塌陷。此外，地表塌陷导致地质结构被破坏，造成水土流失、土壤养分流失、土壤肥力降低，对植被生长造成负面影响^[2]，进而导致脆弱的生态系统退化。随着绿色矿山建设和矿山地质环境治理 “十四五”规划的实施，在西部半干旱煤矿区生态脆弱区进行土壤改良具有重要意义。

自然条件下生态恢复非常缓慢，近年来，国内外学者通过各种人工生态工程修复方法进行煤矿区生态恢复。为了使植被能快速有效恢复，最有效的途径是施肥^[3]。生活污水厂污泥堆肥是一种营养丰富的肥料，污泥中富含有机碳、氮、磷和微量营养元素，这使其具有独特的施肥优势^[4]。在污泥无害化处理后施入土地，能够改善土壤结构，同时可以将污泥进行减量化和资源化。污泥不但能够改善土壤理化性质^[5]，同时也含有一些植物所需要的养分，对化肥能够起到部分替代作用。有研究表明，在利用堆肥后的城市污泥基础上进行植物种植，对土壤的改良效果更好^[6]。用 30% 污泥堆肥与 70% 的土壤混合，可以显著增加柿树蕨的株高、地径和生物量^[7]。由此可见，污泥堆肥有明显的促生作用，可以作为土壤的改良剂。

微生物菌剂因其具有价格低、无二次污染和具有良好的土壤改良效果等诸多特点，现已成为矿区生态修复的研究热点^[8]。微生物菌剂在矿区土壤改良过程中能够快速且高效地分解有机质以加速自身活动，同时具有溶解土壤中难溶或不溶性的磷元素、钾元素的特性，有利于土壤有机质在植物生长时更高效地被吸收和利用，以此进行土壤修复和改良并且提高土壤养分的利用率。巴氏芽孢杆菌是一种微生物矿化菌，可以改善土体力学性质，防止水土流失。巨大芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌是分别具有解磷、解钾功能的细菌；解磷菌、解钾菌可以将土壤中难溶的磷、钾转化为有效磷、速效钾，可增加土壤的有效养分。研究表明，微生物菌剂使用后，能够显著提高番茄幼苗的株高和生物量，对番茄的茎粗和根的质量也有促进作用^[9]。微生物菌剂与微生物菌肥联合施用可有效促进番茄植株生长，增加番茄产量，提高果实品质^[10]。常规和灭菌复合微生物菌剂均可以提高棉花叶片内光合色素含量，以及叶片内超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶 （POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性，提高植物抗逆境胁迫能力^[11]。微生物菌剂对温室辣椒幼苗的生长和光合特性有一定影响，其中芽孢杆菌类菌剂能够显著提高辣椒的根长、株高、生物量以及辣椒叶片中的叶绿素 a 和总叶绿素含量^[12]。目前，对于污泥堆肥和微生物菌剂的多数研究都集中于传统农业作物的生长和产量方面，复合微生物菌剂和城市污泥堆肥的协同作用对煤矿区植物生长影响的研究少有报道。因此，了解城市污泥堆肥联合微生物菌剂对煤矿区植物生长和养分的影响，对于矿区生态修复工作具有重要意义。

本研究以鄂尔多斯煤矿区—红庆河煤矿采煤塌陷地为研究区，选择沙打旺作为供试植物，开展污泥堆肥和 3 种微生物菌剂进行配施，通过测定土壤养分含量和沙打旺生长特征，研究污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺生长和土壤养分的影响，探究污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺生长的促进作用，为矿区生态修复提供理论参考和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗的红庆河煤矿采煤塌陷地，地处毛乌素沙漠东北部。研究区属于干旱半干旱的大陆性高原气候，年平均气温 6.2℃，年均降水量 340～420 mm，年均蒸发量 2534.2 mm。研究区土壤类型为栗钙土，土壤干旱，贫瘠，结构疏松，容易发生水土流失。植被类型以草甸或沙生植物为主，主要植物种有沙柳 （Salix psammophila）、柠条（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、沙蒿（Artemisia arenaria）等。0～20 cm 土层土壤 pH 为 6.87，有机质含量 3.97 g/kg，全氮含量 0.44 g/kg，碱解氮含量 25 mg/kg，有效磷含量 6.5 mg/kg，速效钾含量 83.33 mg/kg。

1.2 试验材料

供试植物为豆科牧草沙打旺（Astragalus adsurgens），其具有抗旱、耐风沙、耐瘠薄以及较好的固氮作用，适宜在煤矿区周边生长。

供试城市污泥堆肥来自内蒙古自治区包头市再生水资源及污水处理有限责任公司，城市污泥堆肥是由污水厂污泥、玉米秸秆和玉米芯堆肥腐熟后的产物。所得污泥堆肥基本理化特性为 pH 8.00，含水率 15.1%，有机质 326.8 g/kg，总氮 12.4 g/kg，总磷 8.55 g/kg，总钾 6.48 g/kg。城市污泥堆肥中主要重金属和有机污染物含量如表1 所示，该污泥堆肥重金属和有机污染物含量均符合《农用污泥中污染物控制标准》（GB 4284—2018）中的农田标准。

供试菌剂（菌粉）：巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）、胶冻样芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus） 来自内蒙古科技大学矿区生态修复团队实验室；巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）来自上海沪峥生物科技有限公司。3 种菌剂的有效活菌数分别为 1000 亿、100 亿、200 亿个 /kg。

1.3 试验设计

试验区布设8个5 m×7 m 的试验小区，分别设置：①对照（CK）、②巴士芽孢杆菌（P）、 ③ 巨大芽孢杆菌（B）、 ④ 胶冻样芽孢杆菌 （K）、⑤污泥堆肥（W）、⑥污泥堆肥与巴氏芽孢杆菌（WP）、⑦巴氏芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌（PBK）、⑧污泥堆肥与巴氏芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌 （WPBK）8 个组别，每个处理 3 个重复。2022 年6 月进行土地旋耕，耕深 20 cm 左右。微生物菌剂与污泥堆肥施入土壤 7 d 后，将沙打旺种子进行统一播种。具体试验用量见表2。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 植物样品的采集与测定

于植物样品生长末期在每个分组内选取长势均匀的单位样方（1 m×1 m）。对样方内的沙打旺进行株高、根长和盖度的测量。挖掘样方内沙打旺样品，装入密封袋带回实验室，清理根系后，采用烘干法测定沙打旺干重。光合色素测定采用丙酮法，取植物叶片样品研磨离心后提取上清液，用分光光度计测定 663、646、470 nm 处的吸光度并计算叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素含量。沙打旺株高和根长使用直尺测量，用目测法^[13] 测量各组的盖度（沙打旺地上部叶片垂直投影面积，m²）。地上、地下部干重采用电子天平测量。植物脯氨酸、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT） 活性使用上海酶联生物科技有限公司试剂盒测定。

1.4.2 土壤样品的采集与测定

在样方内采用五点法进行土样采集，将挖出的沙打旺的根际土壤进行收集，装入无菌自封袋，风干后过 2 mm 筛，用于测定土壤理化性质。土壤 pH 采用 pH 计测定；土壤有机质含量采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取，重铬酸钾氧化法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；有效磷采用 0.5 mol/L 碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；速效钾采用 1 mol/L 中性醋酸铵溶液浸提-火焰光度法测定。

1.5 数据处理与分析

数据采用 Excel 365 进行统计分析，采用 SPSS 25.0 进行单因素分析和差异显著性比较（P<0.05）。使用 Pearson 检验对沙打旺生长指标和土壤养分指标进行相关性分析并使用 Origin 2021 绘图。

2 结果与分析

2.1 污泥堆肥与微生物菌剂对土壤理化性质的影响

2.1.1 污泥堆肥与微生物菌剂对土壤 pH 和有机质的影响

不同处理对土壤 pH 和有机质的影响见图1。由图1a 可知，施加污泥堆肥和 3 种微生物菌剂能够影响土壤 pH，不同处理组土壤 pH 增加了 0.13～0.39，总体 pH 变化较小。由图1b 可知，不同处理间有机质含量具有显著差异。其中，以 WP 处理有机质含量达到最高，为 19.6 g/kg。其次为 P 组和 WPBK 组，分别为 16.37 和 15.63 g/kg。

注：小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.1.2 污泥堆肥与微生物菌剂对土壤养分的影响

不同处理对土壤养分的影响见图2。由图2 可知，与 CK 相比，添加污泥堆肥和微生物菌剂处理能够显著提高土壤全氮、有效磷、碱解氮和速效钾含量。土壤全氮、有效磷、碱解氮和速效钾分别有不同程度的增加，增幅分别为16%～74%、12.50%～258.72%、4.05%～74.32%、 14.9%～54.51%。WP 组对土壤有机质、全氮和碱解氮提升效果最为明显，分别为 139.02%、74% 和 74.32%。W 组对土壤有效磷提升效果最明显，为 258.72%。PBK 组对土壤速效钾提升效果最明显，为 54.51%。

2.2 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺生长的影响

2.2.1 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺叶绿素的影响

如表3 所示，与 CK 相比，除 K 组处理外，其余处理组的叶绿素 a 含量均显著提高，WPBK 组对叶绿素 a 含量提升最显著。WPBK 组和 P 组对叶绿素 b 含量的提升最显著，分别提高了 71.43%、 107.14%。WPBK 组和 P 组对类胡萝卜素含量的提升最显著，分别提高了 59.18%、53.06%。

注：同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。下同。

2.2.2 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺长势的影响

从表4 可知，WPBK 组、WP 组和 PBK 组显著提高了沙打旺的株高、根长和盖度，与 CK 相比， WPBK 组显著提高了 81.5%、155.45%、210%，WP 组显著提高了 62.14%、149.71%、170.27%，PBK 组显著提高了 25.31%、86.4%、158.36%。

2.2.3 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺生物量的影响

从图3 可知，WPBK 组显著提高了沙打旺地上部、地下部干重，分别提高了 140.38% 和 208.27%。

2.3 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺抗逆性的影响

不同处理都提高了沙打旺的抗逆性。从图4a 可知，与 CK 相比，所有处理的脯氨酸平均含量均有所增加，增幅在 57.21%～202.75%。其中，WP 组较 CK 提升 202.75%，效果最显著。从图4b 可知，各处理组 SOD 活性相比 CK 组提升了 17.8%～187.15%，与 CK 相比，除 B 组、K 组外均显著提高了 SOD 活性，其中，P 组较CK 提升 187.15%，提升最显著。 WPBK 组较 CK 提升 139.20%，提升较为显著。从图4c 可知，与 CK 相比，不同处理的 CAT 含量均不同程度提升，其中 P 组较 CK 提升 833.33%，提升效果最显著，W 组较 CK 提升 777.78%，WPBK 组与 PBK 组的 CAT 含量无显著差异。从图4d 可知，与 CK 相比，不同处理组的 POD 活性除 WP 组外均得到显著提高，增幅在 9.43%～104.91%，其中W组较CK 增加 104.91% 且提升最显著，WPBK 组较 CK 增加 93.96%。

2.4 土壤养分、沙打旺长势和抗逆性相关性分析

将沙打旺的生长指标、土壤养分指标和抗逆性指标做相关性分析，从相关性热图（图5）中可以看出，叶绿素 a 含量与沙打旺的生长指标呈显著正相关（P<0.05）。类胡萝卜素含量与叶绿素 a、b 含量呈显著正相关（P<0.05）。SOD 活性与地下生物量、叶绿素 a 含量、类胡萝卜素含量呈显著正相关 （P<0.05）。CAT 含量与 SOD、POD 活性呈显著正相关（P<0.05）。土壤全氮含量与地下生物量、根长、盖度、脯氨酸含量呈显著正相关（P<0.05）。

注：* 表示相关性在 P<0.05 水平显著。

3 讨论

3.1 污泥堆肥与微生物菌剂对土壤养分的影响

土壤的 pH 对有机质、矿物质的分解和土壤养分循环起着重要作用，合适的 pH 有利于植物的生长^[14]。本研究发现，处理后总体 pH 都大于 7，这可能与微生物菌剂的用量有关。研究表明，土壤 pH 与芽孢杆菌量呈正相关^[15]，所以加入微生物菌剂会导致土壤 pH 的改变。土地塌陷改变了土壤化学微环境，打破了土壤养分平衡，导致土壤养分流失^[16]，土壤有机质和速效养分是衡量土壤肥力的标志。本研究中，添加微生物菌剂处理的有机质提升较为明显，而添加菌剂的 W 组有机质提升相对较小，这与有机质的形成途经有关。有机质的合成主要通过植物残渣的降解和微生物的代谢活动完成。有研究表明，复合菌剂中的微生物可以加速植物残渣的降解，促进土壤有机质的形成^[17-18]。本研究发现，污泥堆肥与微生物菌剂对土壤养分有促进作用。这与 Kong 等^[19]和柳晓磊等^[20]的研究结果相似：施加微生物菌剂可以显著提高土壤有机碳、全氮、有效磷、碱解氮和速效钾的含量。可见，污泥堆肥和功能细菌的联合施用对土壤养分含量提升显著，进而改善土壤养分状况。沙打旺的生长需要各种微量元素，城市污泥堆肥中含有各种微量元素，有利于沙打旺吸收养分和生长。在本研究中，WP 组处理下的有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量最高，而 WPBK 组的有机质、全氮、有效磷和碱解氮含量反而低于 WP 组，可能是 3 种微生物和植物竞争土壤中的养分所导致的，有待进一步探究。WPBK 组的速效钾含量高于 WP 组，说明胶质芽孢杆菌的添加可以增加土壤中速效钾的含量，这与马鸣超等^[21]的研究结果相似：接种胶质类芽孢杆菌和慢生大豆根瘤菌可以改善土壤速效钾含量。

3.2 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺生长的影响

植物的株高、根长、生物量等能直接反应出不同处理组对植物的促生效果。本研究发现，与单施污泥堆肥相比，WPBK 组对沙打旺生长有明显的促进作用。这与林子然等^[22]的研究结果一致：微生物菌剂可显著提高植物的株高、生物量和叶绿素含量，促进植物生长。叶绿素含量是植物光合作用的重要指标，体现了植株营养和生长发育状况。叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素是叶绿素最主要的 3 种类型。本研究发现，WPBK 组对叶绿素含量提升明显。这与王君正^[23]的研究结果一致：添加甲基营养型芽孢杆菌于育苗基质内，提高了黄瓜幼苗的光合色素含量。原因可能是微生物菌剂可以通过多种途径来调节植物功能基因的表达，从而增加叶片细胞中叶绿素的含量^[24]。污泥堆肥含有植物生长的必要养分元素，而这些养分元素如镁、锰、锌等又是叶绿素形成所依赖的^[25]，同时施加城市污泥堆肥和微生物菌剂后光合色素含量（除叶绿素 b 外）有所提升，因此可以推断，城市污泥堆肥通过提供这些养分元素促进了光合色素的形成，进而促进植物的生长。沙打旺生长需要多种金属元素积累，城市污泥堆肥含有的养分元素能满足沙打旺生长的需求，证明了城市污泥堆肥对沙打旺的生长有促进作用。WPBK 组的株高、根长、盖度提升最显著，可能是因为污泥堆肥与微生物菌剂显著提高了土壤的速效养分的释放，尤其是速效钾可促进植物体内糖的转化^[26]。

3.3 污泥堆肥与微生物菌剂对沙打旺抗逆性的影响

植物在生长过程中会衰老，其细胞内会产生更多的活性氧（ROS）、超氧基自由基，ROS 可破坏植物细胞膜结构，导致作物早衰减产^[27]。SOD、 POD 和 CAT 等是植物重要的保护酶，当植物遇到逆境胁迫时，植物体内的 SOD、POD 和 CAT 会清除体内的活性氧，进而减少植物的伤害^[28]。SOD、 POD、CAT 活性越高，清除自由基的能力就越强，植物的抗旱能力也就越强。渗透调节是植物适应干旱胁迫的一种重要生理保护机制，脯氨酸被认为是理想的渗透调节物质，它与其他有机溶质具有调节细胞渗透势、维持膨压、保护和稳定大分子物质的功能，从而使体内各种与膨压有关的生理过程得以正常进行^[29]。脯氨酸含量的高低能反映草坪植物抗旱性的强弱^[30]。与 CK 相比，脯氨酸的含量均有所提升，这与姜懿轩等^[31]的研究结果一致：施加微生物菌剂后，白刺花幼苗叶片和人参叶片的脯氨酸含量增加。干旱区沙打旺叶片脯氨酸含量上升，说明沙打旺在适应干旱半干旱的生境。本研究结果表明，沙打旺叶片中 SOD、POD 和 CAT 活性在 WPBK 组提升明显，说明污泥堆肥与 3 种微生物菌剂联合施用加速激活了植物体内的活性氧清除系统，减轻对植物细胞膜的破坏，最终提高了沙打旺的抗旱性。另外，由于微生物分泌的有益物质可以改善根际环境，增强植物体内抗氧化酶活性，进而提高抗性。有研究表明，施用复合微生物菌剂能显著提高花生根、茎、叶中的 SOD、POD 和 CAT 活性，增强其抗逆能力^[32]，这与本研究结果相似。证明污泥堆肥和微生物菌剂可以提高沙打旺的抗逆性。

4 结论

4.1 污泥堆肥与微生物菌剂联合施用提升了干旱半干旱采煤塌陷地的土壤养分

污泥堆肥和微生物菌剂联合施用可以改善土壤理化性质、提高土壤肥力。WP 组显著提升了土壤中有机质、全氮、有效磷、碱解氮和速效钾含量， WPBK 组碱解氮含量提升较小，因此，对于土壤养分最优组合为 WP 组。施加污泥对氮和磷的影响较大，显著提高了氮、磷的含量，但对钾的影响相对较小。采煤塌陷地有效磷含量较少，应适当补充磷肥。

4.2 污泥堆肥与微生物菌剂联合施用促进了沙打旺的生长并提高了其抗逆性

污泥堆肥与微生物菌剂联合施用可以促进沙打旺的生长。WPBK 组显著提高沙打旺的株高、根长、盖度、地上生物量、地下生物量、叶绿素 a、叶绿素 b、类胡萝卜素含量，分别提高了 81.5%、 155.45%、210%、140.38%、208.27%、274.80%、 71.43%、59.18%。污泥堆肥与微生物菌剂联合施用可以增强沙打旺的抗逆性。

从土壤养分、沙打旺生理指标和抗逆性指标综合考虑，WPBK 组的效果最佳，可以作为干旱半干旱区采煤塌陷地修复的措施。另外，WP 组在沙打旺促生、土壤养分提高方面也有很好的效果，但对植物抗逆性的效果一般。

参考文献