袁喆 吳祥云 王道涵

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，阜新，123000)

責(zé)任編輯:王廣建。

海州礦位于遼寧省阜新市，曾經(jīng)是亞洲最大的露天煤礦，多年來煤炭開采過程中形成的排土場不僅占?jí)毫藢氋F的土地資源，而且造成周邊土壤、水體以及大氣環(huán)境的污染等問題也日益突出［1］。目前，國內(nèi)外對礦區(qū)排土場的研究主要集中于土壤質(zhì)量演變特征、水土流失防治效果、植被重建技術(shù)、恢復(fù)植被群落多樣性特征等［2-4］方面，而將土壤酶活性和微生物種群數(shù)量與土壤環(huán)境相結(jié)合的研究較少。土壤酶活性不僅可以表征土壤物質(zhì)能量代謝旺盛程度，也可以反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的強(qiáng)弱［5-6］，土壤微生物群落是影響土壤生態(tài)過程的一個(gè)重要因素，同時(shí)也是土壤中植物有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫，對土壤的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用［7］。因此，本文通過對不同植被恢復(fù)類型下土壤酶活性和微生物種群數(shù)量的特征的探討，并將兩者與土壤理化性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在為排土場選取適合的植被恢復(fù)類型和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為遼寧省阜新市海州露天礦排土場，排土場東西長7 km，南北寬3 km，占地面積14 km2，平面呈弧形條帶，地勢東高西低，最高海拔320 m。該地區(qū)年平均降水量539 mm，降水集中于7—9月，年平均蒸發(fā)量達(dá)1 800 mm，年平均氣溫7.3 ℃，晝夜溫差大，相對濕度50%～60%，是典型的北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。其土質(zhì)是由露天礦排出的頁巖、砂巖構(gòu)成［8］。

2 研究方法

本研究于2014年7月中旬進(jìn)行采樣，根據(jù)排土場不同植被恢復(fù)類型，選取刺槐林(Robinia pseudoacacia Linn.)、榆樹林(Ulmus pumila Linn.)、荊條林(Vitex negundo var.heterophylla (Franch.)Rehd.)、杠柳林(Periploca sepium Bunge)和玉米農(nóng)作物(Zea mays)5 種植被恢復(fù)類型作為研究對象。每種植被恢復(fù)類型設(shè)置1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地按照“S”型設(shè)置5 個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)分別采集距離地表0～10 cm 和＞10～20 cm 處的土樣，將5 個(gè)樣點(diǎn)土樣混合均勻，并將土樣除去雜質(zhì)及石礫等過篩，裝入塑封袋中。一部分土樣置于冰箱中4 ℃保存，用于土壤酶活性和土壤微生物種群數(shù)量的測定，另一部分于室內(nèi)自然風(fēng)干過篩，供土壤理化性狀的測定。農(nóng)田為覆土8 a，株距和壟距分別為25、45 cm。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地林分情況

土壤酶活性測定:過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法、脲酶活性測定采用次氯酸鈉比色法、蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法［9］。

土壤微生物種群測定:土壤細(xì)菌數(shù)量測定采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基法、土壤真菌數(shù)量測定采用馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基法、土壤放線菌數(shù)量測定采用改良高氏1 號(hào)培養(yǎng)基法［9］。

土壤理化性質(zhì)測定:土壤理化性質(zhì)具體測定方法參見《土壤農(nóng)化學(xué)分析方法》［10］，結(jié)果見表2。

土壤溫度采用曲管地溫表進(jìn)行測定，分別測得5 cm 和15 cm 處的溫度，代表0～10 cm 和＞10～20 cm 土層溫度。

表2 不同植被恢復(fù)類型土壤理化性質(zhì)

土壤生物活性試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均為三次重復(fù)的平均值，其間的差異采用Duncan 檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析，并對土壤生物活性和土壤理化性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，所有數(shù)據(jù)均運(yùn)用SPSS16.0 統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被恢復(fù)類型土壤酶活性

土壤酶參與了一切復(fù)雜的生物化學(xué)過程，包括枯落物的分解、腐殖質(zhì)及各種有機(jī)化合物的分解與合成，是土壤質(zhì)量方面的敏感性指標(biāo)，并且不同的植被恢復(fù)類型酶活性也存在差異［11-12］。由表3可知，喬木林0～10 cm 土層過氧化氫酶活性高于灌木林和玉米作物，其中榆樹林顯著高于(P＜0.05)灌木林和玉米作物，而刺槐林與其差異并不顯著(P＞0.05)，喬木林在＞10～20 cm 土層過氧化氫酶活性顯著高于其他3 種植被恢復(fù)類型。由于生物呼吸和有機(jī)物分解過程中產(chǎn)生過氧化氫，而過氧化氫酶能夠分解這些對植物和土壤產(chǎn)生毒害作用的過氧化氫，喬木林群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物呼吸和有機(jī)物分解作用強(qiáng)，因此，喬木林過氧化氫酶活性高于其他植被恢復(fù)類型。玉米作物脲酶活性顯著高于其他4 種植被恢復(fù)類型，刺槐林與杠柳林、榆樹林與荊條林在0～10 cm土層脲酶活性并無顯著差異，榆樹林、荊條林和杠柳林在＞10～20 cm 土層脲酶活性差異不顯著。而不同植被恢復(fù)類型之間土壤蔗糖酶活性均存在顯著差異，其中玉米作物蔗糖酶活性最高。土壤脲酶和蔗糖酶是較為理想的肥力指標(biāo)［13］，脲酶與土壤中氮的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，它可以反映土壤供氮的水平與能力，蔗糖酶對土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)的增加起著重要的作用，它能夠表征土壤生物學(xué)活性強(qiáng)度。在作物生長期施肥是必不可少的增產(chǎn)措施，也正是由于人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使土壤有效養(yǎng)分發(fā)生了改變，從而影響土壤酶活性的變化。

從垂直方向上看，不同植被恢復(fù)類型兩層土壤過氧化氫酶并無明顯規(guī)律變化，說明土層深度對過氧化氫酶活性影響不大，這與王銳［14］的研究結(jié)果一致，除刺槐林外其他4 種植被恢復(fù)類型0～10 cm 土層土壤脲酶活性均高于＞10～20 cm 土層，而蔗糖酶活性則明顯表現(xiàn)出0～10 cm 土層高于＞10～20 cm土層。這是由于0～10 cm 土層植物根密集，微生物數(shù)量多，動(dòng)植物殘?bào)w多集中于該土層中，同時(shí)這也充分證明了土壤酶主要來源于土壤微生物和植物分泌物這一說法［15］。

3.2 不同植被恢復(fù)類型土壤微生物數(shù)量特征

土壤微生物具有數(shù)量多、繁殖快、活動(dòng)性強(qiáng)等特征，對植物有非常重要的影響。其種類和數(shù)量隨土壤環(huán)境和土層深度不同而變化，他們在土壤中進(jìn)行氧化、硝化、氨化、固氮、硫化等過程，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。由表4可知，不同植被恢復(fù)類型微生物種群數(shù)量存在顯著差異(P ＜0.05)。杠柳林和玉米作物在0～10 cm 土層細(xì)菌數(shù)量顯著高于其他植被恢復(fù)類型，玉米作物與杠柳林之間細(xì)菌的數(shù)量無明顯差異(P＞0.05);榆樹林真菌數(shù)量顯著低于其他4 種植被恢復(fù)類型，而其他4 種植被恢復(fù)類型間差異不明顯;玉米農(nóng)作物放射菌數(shù)量顯著高于其他植被恢復(fù)類型，喬木林之間則無明顯差異。刺槐林和荊條林在＞10～20 cm 土層細(xì)菌數(shù)量略高些，且刺槐林顯著高于其他4 種植被恢復(fù)類型;刺槐林真菌數(shù)量顯著高于其他植被恢復(fù)類型，而其他4種植被恢復(fù)類型間差異并不明顯;放射菌則是玉米作物顯著高于其他植被恢復(fù)類型。

表3 不同植被恢復(fù)類型土壤酶活性

植物通過其凋落物和分泌物為土壤微生物提供營養(yǎng)，促進(jìn)土壤微生物的多樣性［16］，土壤細(xì)菌幾乎參與了土壤中的所有生物化學(xué)過程，具有快速生長的能力，能旺盛地分解各種自然物質(zhì)，土壤真菌參與動(dòng)、植物殘?bào)w的分解，成為土壤中碳、氮循環(huán)不可缺少的動(dòng)力，放線菌能降解土壤中難溶性有機(jī)物質(zhì)，以獲得細(xì)胞代謝所需的各種營養(yǎng)，對有機(jī)物的礦化有著重要作用。刺槐林有豐富的枯枝落葉層，這些枯落物的氧化分解為微生物活動(dòng)提供了良好的生存環(huán)境，同時(shí)刺槐林的固氮作用提高了土壤氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，有利于微生物活動(dòng)。玉米農(nóng)作物顯著高于其他植被恢復(fù)類型可能是因?yàn)檗r(nóng)田耕作導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)的改變，如孔隙度、持水性以及養(yǎng)分條件變化，為微生物提供了適宜的養(yǎng)分條件，從而影響了微生物的數(shù)量。

從垂直方向上看，刺槐林和荊條林在0～10 cm土層細(xì)菌數(shù)量略低于＞10～20 cm 土層，而不同植被恢復(fù)類型真菌數(shù)量和放線菌數(shù)量均是0～10 cm 土層高于＞10～20 cm，且0～10 cm 土層微生物總數(shù)量高于＞10～20 cm 土層。因?yàn)?～10 cm 土層土壤中有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和水分條件較好，土壤溫度、土壤含氧量和通氣狀況更適宜土壤微生物生存，所以微生物活動(dòng)旺盛，數(shù)量較多。

表4 不同植被恢復(fù)類型土壤微生物數(shù)量

3.3 土壤酶活性、微生物種群與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表5可知。脲酶與土壤pH 值、全K、堿解N、有效K 和有機(jī)質(zhì)達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與含水率和有效P 達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01);蔗糖酶與土壤溫度、全N、全P、和有機(jī)質(zhì)達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系，與土壤含水率、pH 值和有效P 達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系;細(xì)菌數(shù)量與全K 和有效K 達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系;真菌數(shù)量與全K、堿解N 和有效K 達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系;放射菌數(shù)量與含水率和有效P 均達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系，與pH 值達(dá)到極顯著相關(guān)關(guān)系。因此，不同種類的土壤酶和微生物均與土壤環(huán)境有不同程度的相關(guān)性，說明土壤生物活性能夠很好的代表土壤養(yǎng)分狀況，是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)，他們在影響土壤質(zhì)量的同時(shí)也被土壤理化性質(zhì)影響著，這與其他學(xué)者研究結(jié)果一致［13，17］。也可以得出土壤生物活性不僅僅受某一單一因素影響，而是土壤理化性質(zhì)和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

在不同土層中，喬木林過氧化氫酶活性顯著高于(P＜0.05)其他植被恢復(fù)類型，玉米作物脲酶活性和蔗糖酶活性顯著高于其他植被恢復(fù)類型，這是由于喬木林穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了生物呼吸和有機(jī)物分解作用，使喬木林過氧化氫酶活性高于其他植被恢復(fù)類型，而農(nóng)田中土壤養(yǎng)分的改變使玉米作物脲酶活性和蔗糖酶活性高于其他植被恢復(fù)類型。

表5 土壤酶活性和微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

在0～10 cm 土層中玉米作物微生物種群數(shù)量顯著高于(P＜0.05)其他植被恢復(fù)類型;在＞10～20 cm 土層中刺槐林細(xì)菌數(shù)量和真菌數(shù)量、玉米作物放線菌數(shù)量顯著高于其他植被恢復(fù)類型。刺槐林豐富的枯枝落葉層和固氮作用、農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的改變，為微生物提供了適宜的生存條件，更利于微生物的活動(dòng)，從而影響了微生物種群數(shù)量。

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