植被混凝土基材微生物活性對不同水泥含量的響應

吳 彬，夏振堯，趙 娟，楊悅舒，李銘怡，許文年

（1.三峽大學 生物與制藥學院，湖北 宜昌443002；2.三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌443002；3.安琪酵母股份有限公司，湖北 宜昌443003；4.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌443002）

植被混凝土生態防護技術（CBS）是一種效果較好的邊坡生態防護技術，它將邊坡防護與坡面的植被恢復相結合起來，實現了生態修復與邊坡防護的有機結合，解決了傳統的工程護坡技術不能解決的基礎建設與生態環境結合的重大難題［1］。植被混凝土生態基材是把水泥、土、有機質物質、植被混凝土綠化添加劑、混合植物種子（混合撒播狗牙根、黑麥草、高羊茅等草種）、水按一定的組成比例均勻混合而成［2］。水泥是配制植被混凝土基材時不可或缺的交聯劑，其對混凝土基材的結構穩定及防止侵蝕意義重大，但水泥在水化時會使植被混凝土基材呈強堿性，對植被混凝土基材產生較長期的不良影響，因而不利于植被群落的恢復與重建。

土壤基材中的生物種類、數量、活性與土壤質量有著密切的關系，尤其是土壤微生物和土壤酶活性，影響著植被的生長發育。有人利用土壤微生物及其活性作為反映土壤質量變化的生物學指標［3］，因此，對植被混凝土基材中水泥含量與基材微生物活性進行研究具有重要的意義。本文以常用護坡草本生長下的植被混凝土基材作為研究對象，選擇脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶、微生物量碳、微生物量氮做為因子，對樣地土壤生物活性指數（SBAI）做了綜合計算，對確定植被混凝土基材中水泥的最佳含量、指導優質生態型植被混凝土基材研發，具有重要的意義。

1 材料和方法

試驗材料有土、水泥、有機質、植被混凝土綠化添加劑和水。土樣選取三峽大學翠亭山某位置表土（0—20cm），土壤類型為黃棕壤，堿性土，其天然含水率為24%，天然密度為 1.78g／cm3，干密度為2.64g／cm3。水泥為 P 0.325 普通硅酸鹽水泥，干密度為3.10g／cm3；有機質采用鋸末，烘干后天然密度為0.43g／cm3。植被混凝土綠化添加劑為三峽大學綠野環保工程有限公司生產的專利產品LY—2型混凝土綠化添加劑，水為自來水。

試驗樣地設置在湖北省宜昌市三峽大學的翠屏山上，樣地分7大塊，尺寸皆為0.9m×1m，水泥的加量分別 為 0%，2%，4%，6%，8%，10%，12%。每塊樣地再均分為0.3m×1m的3小塊，分別單播狗牙根和紫花苜蓿，中間的一塊為空白對照。先將挖回的土樣風干，用鐵鍬碾碎過1cm篩，然后按照植被混凝土基材的配方加入一定量的有機質和添加劑等物質，攪拌均勻后分層平鋪到劃定的地塊上（四周用擋板圍起固定），每鋪厚約3cm土層后用噴壺將土樣充分潤濕，當土層總厚度約大于10cm時完成鋪土。草種的播種密度采用常用的草坪建植單播密度，分別為狗牙根10g／m2，紫花苜蓿5g／m2。鋪設樣地最后2cm的土層時，將稱好的種子與適量攪拌均勻的植被混凝土基材充分混合，均勻撒播到樣地上，進行一定的鎮壓。21塊樣地統一管理，定期澆水、及時清理雜草和防治病蟲害。

樣地種植時間是2010年8月，土壤樣品取樣時間為2011年7月。取樣時先把每小塊樣地平均分成3塊，用來做3個重復，從每塊小樣地挖取新鮮土壤（取樣深度為垂直表面4～8cm處），剔除土壤中的植物殘根等雜質。測定時，新鮮土過2.5mm篩，4℃下保存，于一周內測定土壤酶活性，微生物量碳、微生物氮。

土壤生物活性指數（SBAI）是綜合評價土壤生物學性質指數，是土壤酶與土壤微生物量因子綜合作用的反映。土壤生物活性的綜合評價可分為3個步驟：因子的選擇、權重的確定以及綜合指數的獲得。由于土壤生物學性質的變化具有連續性，故其評價指標采用連續性的隸屬度函數［4］。依據主成分因子負荷量值的正負情況，確定隸屬度函數的升降類型。根據本研究的計算結果與前人的研究情況決定3個土壤酶及2個微生物量因子都采用升型分布函數［5］。

升型分布函數的計算公式為：

式中：xi——生物活性因子的活性值〔mg／（g·d）〕；ximax，ximin——生物活性因子（i）的最大值和最小值。

土壤性質的各個因子的表征意義和重要性不同，所以通常采用權重系數來表征各因子的重要程度。本研究利用主成分法分析方差貢獻率大小以及因子負荷量來計算各因子作用的大小，獲得其權重系數。利用式（2）計算：

式中：Wi——權重；Ci——第i個因子的公因子方差；C——公因子方差之和。

土壤生物活性評價指數計算公式為：

式中：SBAI（xi）——生物活性因子的隸屬度值；wi——生物活性因子（i）的權重。

基材微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法，即0.5mol／L K2SO4浸提（水土比為4∶1），土壤微生物量碳、氮含量以熏蒸和不熏蒸的碳、氮含量之差除以相應得轉化系數（均為0.45）得到［6］；脲酶采用苯酚—次氯酸鈉比色法，活性以24h后1.0g土壤中NH3—N的毫克數表示［7］；轉化酶采用3，5—二硝基水楊酸比色法測定，活性以24h后1.0g土壤中葡萄糖的毫克數表示；堿性磷酸酶以磷酸苯二鈉比色法，活性以24h后1.0g土壤中苯酚的微克數表示［8］；原始數據合成、統計計算使用 Microsoft Excel 2003，Word 2003軟件處理，采用SPSS統計分析軟件進行顯著性差異分析。圖表采用Origin軟件繪制。

2 結果分析

2.1 樣地基材生物活性指數主成分分析結果及權重計算

生物活性指數KMO檢驗用于研究變量之間的偏相關性。一般KMO統計量大于0.9時效果最佳，0.7以上可以接受，0.5以下不宜作因子分析［9］。7月土壤酶 KMO檢驗值為0.752，Bartlett球形檢驗近似卡方為64.428，故可以作因子分析。

表1為7月生物活性指數主成分貢獻率與累計貢獻率統計結果，一般要求提取的主成份能夠解釋總體的80%～85%以上，可以比較好地解釋原有變量所包含的信息。本研究提取3個公共因子，累計貢獻率為96.992%，能夠較好的解釋原有變量所包含的信息。

表1 生物活性因子主成分方差貢獻率與累計貢獻率

表2表明，每個變量的共性方差均在0.5以上，且大多數接近或超過0.7，說明3個公因子能夠較好地反映客觀原變量的大部分信息。

表2 變量的共同度

通過表3可以看出，第1公因子主要代表了脲酶、轉化酶、堿性磷酸酶這幾個變量信息，第2公因子主要代表了微生物量碳、微生物量氮的信息，第3共因子主要代表了微生物量氮的信息。通過各生物活性因子在每個主成分中所占的比重計算出分權重，再根據各主成分貢獻率在前3個累計貢獻率的比重最后計算出每個土壤酶因子的總權重系數。經計算土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、微生物量碳和微生物量氮的總權重系數分別為0.207，0.191，0.191，0.197以及0.211。

表3 生物活性因子公因子方差、權重和綜合權重

2.2 樣地基材生物活性指數分析

各樣地基材生物活性指數如圖1所示。由圖1可以看出土壤生物活性指數基本表現為低水泥含量樣地大于高水泥含量樣地。水泥含量0%紫花苜蓿樣地的生物活性指數最高，為0.693。其次是水泥含量4%狗牙根樣地和水泥含量2%狗牙根樣地的0.691，0.670。水泥含量10%狗牙根樣地、12%對照樣地及10%對照樣地的生物活性指數最低，分別為0.176，0.121，0.083。高水泥含量的樣地與低水泥含量的樣地相比，生物活性指數偏低，水泥含量10%對照樣地、水泥含量12%對照樣地及水泥含量10%狗牙根樣地的生物活性指數分別排倒數第1，2，3位，說明高水泥濃度不利于土壤的生物活性。另一方面，水泥含量一定的情況下，對照樣地的生物活性會比單播狗牙根、紫花苜蓿樣地的生物活性低。這說明植被的生長活動對土壤的生物活性有較好的影響。

圖1 不同樣地基材生物活性指數

將同一水泥梯度下的3塊樣地的生物活性指數取平均值后得到圖2。由圖2可知，2011年7月平均生物活性指數基本隨水泥含量的增大而變大。平均生物活性指數最高為0%水泥含量樣地的0.665。其次是2%，4%，6%水泥含量樣地的0.621，0.597，0.542，這3者之間無顯著性差異。平均生物活性指數最低為10%水泥樣地的0.151。

圖2 同一水泥梯度3塊樣地基材平均生物活性指數

3 結論

對各樣地取樣土壤生物活性指數的綜合計算結果表明，低水泥含量樣地土壤生物活性指數相對較高，且同等水泥梯度下，對照樣地比狗牙根樣地、紫花苜蓿樣地的土壤生物活性指數低；水泥含量4%，6%，8%的樣地土壤生物活性較接近，但平均說來4%，6%水泥含量樣地比8%水泥含量樣地的生物活性指數要更高。說明水泥的不利于基材的生物活性指數；植物在一定程度上能夠改良土壤生物活性。

植被混凝土基材隨著水泥摻量的增大，基材強度增加；但工程實際應用中水泥摻量的減小利于植被在基材中的生長和發育。因此，在植被混凝土生態防護的工程實踐中，應根據邊坡情況及實施條件，計算植被混凝土基材保持自身穩定所必須的最小初期強度，再根據預測模型估計基材最小水泥摻量，既可保證程實施初期基材的自身穩定性，又有利于邊坡的微生物活性，為后期植被的恢復和持久生長提供有力的保證。

水泥作為基材的交聯劑對邊坡結構的穩定性意義重大，因此在考慮水泥對基材生物活性的影響的同時應該將基材（含植被根系）的結構力學耦合在一起進行研究，從基材活性和基材穩定性上選擇合適的水泥配比。

本研究采所選取的草本是較常規的草本，為推動植被護坡技術的發展，應加大對水泥堿性抗逆性強的植物的研究。因此，邊坡植被恢復理論的研究還需要一個長期歷程。

［1］ 許陽.五種先鋒物種對不同水泥含量的植被混凝土的生態學響應［D］.湖北 宜昌：三峽大學，2012：1－5.

［2］ 夏振堯，許文年，王樂華.植被混凝土生態護坡基材初期強度特性研究［J］.巖土力學，2011，32（6）：1719－1724.

［3］ 李潮海，王群，郝四平.土壤物理性質對土壤生物活性及作物生長的影響研究進展［J］.河南農業大學學報，2002，36（1）：32－37.

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［8］ 李偉，韋晶晶，劉愛民，等.吊蘭生長對鋅污染土壤微生物數量及土壤酶活性的影響［J］.水土保持學報，2013，27（2）：276－281.

［9］ 陳超，鄒瀅.SPSS 15.0常用功能與應用實例精講［M］.北京：電子工業出版社，2009.