李 智 蘭

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030024)

礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物數(shù)量的影響

李 智 蘭

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 山西 太原 030024)

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“典型煤礦區(qū)煤矸石自燃源多環(huán)芳烴的形成機(jī)制與釋放模式”(41103052)

第一作者：李智蘭(1970—),女(漢族),山西省文水縣人,碩士,高級(jí)工程師,主要從事水土保持及環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。E-mail:zhilanlee@163.com。

摘要：[目的] 研究礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物的影響，并揭示其時(shí)空演變規(guī)律。[方法] 以安徽省廬江釩礦區(qū)碳質(zhì)頁(yè)巖風(fēng)化物區(qū)域的復(fù)墾土壤為對(duì)象，采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析的方法，對(duì)礦區(qū)復(fù)墾下的土壤養(yǎng)分、酶活性及微生物數(shù)量展開(kāi)調(diào)查。[結(jié)果] 隨著復(fù)墾年限的增加，土壤電導(dǎo)率、含水量和全鹽含量均明顯增加，土壤容重、pH值和總孔隙度則明顯降低；隨著復(fù)墾年限的增加，土壤全鉀和有效鉀含量均降低，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、微生物量碳和微生物量氮增加，而全磷和有效磷并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，其中土壤微生物量的變化幅度最大，對(duì)復(fù)墾的響應(yīng)最為敏感；隨著復(fù)墾年限的增加，礦區(qū)土壤蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性和微生物數(shù)量均有所增加，但其增加幅度逐漸減小，細(xì)菌數(shù)量處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，占到微生物總數(shù)的99.3%以上；隨著土層深度的增加，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分均呈降低趨勢(shì)，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，同層相比，基本呈現(xiàn)出：60 a>40 a>20 a>5 a規(guī)律，局部有所波動(dòng)。[結(jié)論] 礦區(qū)復(fù)墾能夠改善土壤質(zhì)量和土壤肥力；礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中通過(guò)影響土壤微生物活動(dòng)和代謝進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分及酶活性，同時(shí)土壤微生物與養(yǎng)分和酶活性等地下生態(tài)指標(biāo)之間在復(fù)墾過(guò)程中具有統(tǒng)一性。

關(guān)鍵詞：礦區(qū)復(fù)墾土壤； 土壤養(yǎng)分； 酶活性； 微生物數(shù)量

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和礦產(chǎn)資源高強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)，礦區(qū)已成為當(dāng)今世界退化最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一[1-3]，礦區(qū)開(kāi)采和利用過(guò)程中對(duì)地表的破壞以及固體廢棄物堆積造成的污染，不僅占用大量的耕地資源，而且破壞了礦區(qū)土壤系統(tǒng)生物多樣性，礦區(qū)基質(zhì)由于缺少熟化土壤，營(yíng)養(yǎng)貧瘠，其微生物活性也減弱[1-5]，為恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和遏制土地銳減的趨勢(shì)，大力開(kāi)展礦區(qū)土地復(fù)墾工作已成為當(dāng)今之重[1-3,6-9]。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤微生物和養(yǎng)分在有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過(guò)程中起主導(dǎo)作用，影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，反映出土壤質(zhì)量和健康狀況等[10-11]；土壤酶活性能參與多種反應(yīng)(如礦化—同化、氧化—還原等)，是有機(jī)質(zhì)代謝及污染物降解的驅(qū)動(dòng)力，是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)不可缺少的重要生物學(xué)指標(biāo)[12-14]。研究土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物數(shù)量對(duì)復(fù)墾的響應(yīng)，對(duì)于采取合理的復(fù)墾方式以加快礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要意義[1-3,6-9]。國(guó)外的復(fù)墾工作研究起步較早，主要集中在復(fù)墾土壤重構(gòu)及其基本特性等方面[1-5]，而我國(guó)土地復(fù)墾工作起步較晚，大量學(xué)者在復(fù)墾土壤研究方面取得一些進(jìn)展，初步建立了煤矸石、露天礦排土場(chǎng)等固體廢棄物復(fù)墾土壤重構(gòu)的原理和方法[6-9,15-16]，并且進(jìn)行了植被構(gòu)建、土壤養(yǎng)分和防治水土流失等的研究[6-9,15-16]，而對(duì)較長(zhǎng)時(shí)序以碳質(zhì)頁(yè)巖為主的矸石風(fēng)化物形成的復(fù)墾土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物數(shù)量等方面的研究少有報(bào)告。鑒于此，本研究以安徽廬江礦區(qū)碳質(zhì)頁(yè)巖風(fēng)化物區(qū)域的復(fù)墾土壤為對(duì)象，分析礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物數(shù)量的影響并揭示該區(qū)復(fù)墾過(guò)程中時(shí)空演變規(guī)律，為礦區(qū)復(fù)墾、土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

安徽省廬江礦區(qū)位于安徽省巢湖市西南緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°42′45″—118°26′07″，北緯31°15′30″—31°46′18″，屬于亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，春夏多雨，四季分明，年平均氣溫16.2 ℃，極端最高溫度39.4 ℃，極端最低溫度-8.7 ℃，1月平均氣溫2.3 ℃，7月平均氣溫28.9 ℃，日最大溫差13 ℃左右，近10 a來(lái)平均年降雨量為1 200～1 400 mm，多集中于7—9月，年平均相對(duì)濕度60%~70%，全年日照數(shù)2 200～2 500 h，無(wú)霜期180～250 d，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南季風(fēng)，年均風(fēng)速2.8 m/s，最大風(fēng)速15 m/s，礦區(qū)總面積15 km2，廬江釩礦區(qū)碳質(zhì)頁(yè)巖風(fēng)化物區(qū)域地貌為低山和丘陵地帶，海拔在150～320 m之間。

安徽省廬江釩礦區(qū)近百年的開(kāi)采形成了多座排土場(chǎng)，已進(jìn)入開(kāi)采晚期，礦區(qū)排棄物主要以碳質(zhì)頁(yè)巖為主，其巖性主要是碳質(zhì)頁(yè)巖、砂巖、硅質(zhì)頁(yè)巖及少量的石灰?guī)r和石英巖，原有的植被、地貌被排棄物覆蓋，自20世紀(jì)初期開(kāi)始堆積，在堆積過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有煤礦和釩礦存在，20世紀(jì)20年代末期停止堆積，復(fù)墾年限已達(dá)到60 a；周邊排土場(chǎng)堆積歷史較晚，自20世紀(jì)中期開(kāi)始堆積，逐層堆積的方式，復(fù)墾年限達(dá)到20和40 a，因此對(duì)復(fù)墾年限20和40 a礦區(qū)來(lái)說(shuō)，矸石堆積年限較長(zhǎng)的地區(qū)位于排土場(chǎng)底部，最上層為堆積年限較短矸石，其他排土場(chǎng)頂層近年來(lái)開(kāi)始大面積的復(fù)墾活動(dòng)，復(fù)墾時(shí)間距采樣時(shí)間(2013年)有5 a的復(fù)墾歷史。

1.2　研究方法

1.2.1樣品采集采樣時(shí)間為2013年8月，通過(guò)實(shí)地調(diào)查、查閱歷史資料以及訪問(wèn)當(dāng)?shù)乩系V工，根據(jù)矸石山堆積和復(fù)墾的歷史，分別選取不同復(fù)墾年限(5，20，40，60 a)的復(fù)墾地作為研究樣地。根據(jù)復(fù)墾后土壤風(fēng)化深度狀況，按“S”形多點(diǎn)采樣法在每個(gè)樣地用無(wú)菌小鐵鏟采集0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，采至矸石未風(fēng)化或風(fēng)化較微弱處為止，采樣時(shí)除去土壤表面動(dòng)植物殘?bào)w，所采土壤樣品充分混勻后用聚乙烯無(wú)菌塑料袋密封包好，并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析測(cè)定，所取土樣分為4份，一份裝自封袋中，測(cè)定土壤含水量(烘干法)，一份新鮮土樣過(guò)2 mm篩后測(cè)定土壤酶活性，一份自然風(fēng)干(20 d)去除碎片和部分根后過(guò)0.5 mm篩測(cè)定土壤養(yǎng)分及理化性質(zhì)，一份放入4 ℃冰箱中測(cè)定土壤微生物量，并在取樣點(diǎn)附近挖取剖面測(cè)定土壤容重(環(huán)刀法)計(jì)算土壤總孔隙度(%)[9]。

1.2.2樣品的測(cè)定(1) 土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量的測(cè)定。pH值采用電極電位法(1∶2.5土水比)測(cè)定；土壤電導(dǎo)率(5∶1水土比浸提液，μS/cm)采用P4多功能測(cè)定儀測(cè)定；全鹽采用電導(dǎo)法(%)；土壤有機(jī)碳(g/kg)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤全氮(g/kg)用全自動(dòng)凱氏定氮法；土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；有效磷(mg/kg)采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；堿解氮(mg/kg)采用NaOH—H3BO3法測(cè)定；全鉀(g/kg)采用火焰分光光度法；有效鉀采用乙酸銨浸提—原子吸收分光光度計(jì)法；土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[17]。 (2) 土壤微生物的數(shù)量測(cè)定。采用平板梯度稀釋法，其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基[18]。 (3) 土壤酶活性參照文獻(xiàn)[6]。土壤蔗糖酶活性采用3，5—二硝基水楊酸比色法﹝mg/(g·d)﹞；脫氫酶活性采用三苯基四唑氯化物(TTC)法〔μg/(g·d)〕；脲酶活性采用苯酚鈉比色法〔mg/(g·d)〕；磷酸酶活性〔mg/(g·d)〕測(cè)定采用磷酸苯二鈉法測(cè)定。

1.3　數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 18.0對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，顯著性分析采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)，Pearson相關(guān)性系數(shù)檢驗(yàn)擾動(dòng)區(qū)域和未擾動(dòng)區(qū)域植被與土壤因子的相關(guān)性，制圖采用Origin 7.5軟件。

2結(jié)果與分析

2.1　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表1可知，礦區(qū)復(fù)墾年限對(duì)土壤理化性質(zhì)有較大的影響，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤電導(dǎo)率、含水量和全鹽含量均明顯增加，主要是由于土壤入滲和持水能力增大，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤變得疏松，從而增加了對(duì)水分的滲透與蓄積能力，進(jìn)而增加了土壤中可溶性離子，導(dǎo)致電導(dǎo)率和全鹽含量均增加；而土壤容重、pH值和總孔隙度則明顯降低，隨復(fù)墾年限的增加土壤容重和總孔隙度降低，主要與植被地下根系在土壤中的空間分布有關(guān)。pH值的變化范圍在6.14～8.87，隨著復(fù)墾年限的增加，pH值逐年降低，并且降低幅度較大。

表1　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同

2.2　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由圖1可知，礦區(qū)復(fù)墾可以改善土壤質(zhì)量和土壤肥力。隨著復(fù)墾時(shí)間的增加，礦區(qū)復(fù)墾土壤的全鉀和有效鉀含量均降低，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、微生物量碳和微生物量氮有所升高，而全磷和有效磷并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。有機(jī)質(zhì)變化范圍在11.23～28.79 g/kg，最大值出現(xiàn)在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中，最小值在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中；從土壤氮素水平上可以看出，全氮變化在1.257～3.356 g/kg，而堿解氮變化在25.48～56.78 mg/kg，最大值均出現(xiàn)在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中，最小值分別在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中；從土壤磷素水平得知，全磷含量變化在0.997～1.187 g/kg，有效磷變化在41.37～43.56 mg/kg，并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律；從土壤鉀素水平看，全鉀變化在20.25～24.15 g/kg，有效鉀變化在1.87～6.87 mg/kg，最大值均出現(xiàn)在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中，最小值分別在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中；從土壤微生物量看，微生物量碳變化在126.38～200.36 mg/kg，微生物量氮變化在24.13～70.24 mg/kg，最大值均出現(xiàn)在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中，最小值分別在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中。

2.3　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性能夠靈敏地反映土壤管理措施的變化，可用于表征土壤養(yǎng)分循環(huán)速率。由表2可知，土壤酶活性均隨著礦區(qū)復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸提高，隨著復(fù)墾時(shí)間的增加，礦區(qū)蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性均有所增加。蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和堿性磷酸酶活性變化范圍分別在87.89～187.56 mg/(g·d)，0.21～0.68 mg/(g·d)，0.13～0.85 mg/(g·d)，82.64～321.56 mg/(g·d)，最大值均出現(xiàn)在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中，最小值分別在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中。

表2　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性的影響

圖1　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

2.4　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物的數(shù)量分布，不僅可以敏感地反映土壤質(zhì)量的變化，而且是土壤中生物活性的具體體現(xiàn)。根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到不同復(fù)墾年限下土壤微生物數(shù)量的變化(表3)。由表3可知，不同復(fù)墾年限的土壤各類群微生物數(shù)量與總微生物數(shù)量均存在較大差異，土壤微生物總數(shù)逐漸增加，細(xì)菌、真菌和放線菌與微生物總數(shù)的變化趨勢(shì)相一致，在組成微生物種群的細(xì)菌、放線菌和真菌三大類中，細(xì)菌數(shù)量處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，占到微生物總數(shù)的99.3%以上，放線菌和真菌所占的比例較少，從放線菌和真菌所占比例來(lái)看，放線菌近似相等于真菌。隨著復(fù)墾時(shí)間的增加，礦區(qū)復(fù)墾細(xì)菌、真菌和放線菌有所升高，細(xì)菌、真菌和放線菌變化范圍分別在425.12～1 045.12 cfu/g，2.56～8.13 cfu/g，0.42～8.01 cfu/g，最大值均出現(xiàn)在復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤中，最小值分別在復(fù)墾5 a的礦區(qū)土壤中。經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)可知，復(fù)墾40和60 a礦區(qū)土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)差異并不顯著(p>0.05)，顯著高于復(fù)墾5和20 a礦區(qū)土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)(p<0.05)，隨復(fù)墾年限的增加，礦區(qū)土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌和微生物總數(shù)逐漸增加，但其增加幅度逐漸減小。

表3　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.5　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性、微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

由圖2—3可知，礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性、微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分垂直分布具有顯著影響，隨著土層深度的增加，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分均呈降低趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，土壤表層以下，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分急劇降低，10 cm土層以下，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分下降幅度逐漸降低；同層相比，基本出現(xiàn)出60 a>40 a>20 a>5 a規(guī)律，局部有所波動(dòng)。

圖2　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

2.6　土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分相關(guān)分析

由表4可知，土壤有機(jī)碳與蔗糖酶、脫氫酶、磷酸酶和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與脲酶活性和放線菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；全氮與蔗糖酶、脫氫酶和脲酶呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與磷酸酶和細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；全磷與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；全鉀與蔗糖酶、脫氫酶和脲酶呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與細(xì)菌和放線菌呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；有效磷與蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、細(xì)菌和放線菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；堿解氮與脲酶、磷酸酶和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與蔗糖酶和放線菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；有效鉀與蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和真菌數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，與磷酸酶和放線菌數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；微生物量碳與蔗糖酶、脫氫酶、脲酶和細(xì)菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與磷酸酶、放線菌和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；微生物量氮與脲酶、細(xì)菌和放線菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與蔗糖酶、脫氫酶和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

3討論與結(jié)論

3.1　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤理化性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，影響土壤中水鹽溶解平衡，安徽廬江復(fù)墾區(qū)是以碳質(zhì)頁(yè)巖為主的較容易風(fēng)化的黏土礦物，由于受季風(fēng)氣候、生物和人為因素的影響，矸石風(fēng)化速度加快，在風(fēng)化過(guò)程中，碳質(zhì)頁(yè)巖中伴生的黃鐵礦在風(fēng)化過(guò)程中析出硫酸使得土壤呈現(xiàn)酸性[6,19-20]，隨著復(fù)墾時(shí)間的增加，矸石所含鉀、鈉等鹽基物質(zhì)在外界作用(如淋溶作用)影響下流失，當(dāng)堿性鹽基離子淋失后，土壤朝向酸性發(fā)展，導(dǎo)致土壤呈酸性[6,19-20]；而本研究還得出礦區(qū)復(fù)墾改善了土壤的通透性，具體表現(xiàn)為增加了土壤容重、pH值和總孔隙度，降低了土壤電導(dǎo)率、含水量和全鹽含量(表1)，主要是由于隨著礦區(qū)復(fù)墾年限的增加，土壤具有較好的保水和持水能力，土壤中的部分鹽分聚積，引起了金屬離子的溶解和電導(dǎo)率的增加，其土壤全量養(yǎng)分、有效養(yǎng)分及微生物活動(dòng)均受到一定的影響。

圖3　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性和微生物數(shù)量垂直分布的影響

3.2　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分不僅能反映土壤“營(yíng)養(yǎng)庫(kù)”中養(yǎng)分的貯量水平，而且在一定程度上能影響有效養(yǎng)分的供應(yīng)能力[10-11]。由圖2可知，隨著復(fù)墾時(shí)間的增加，礦區(qū)復(fù)墾土壤的全鉀和有效鉀含量均降低，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、微生物量碳和微生物量氮有所升高，而全磷和有效磷并沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。礦區(qū)土壤在復(fù)墾初期風(fēng)化速度較快，尤其是在外界因素作用下導(dǎo)致其養(yǎng)分增長(zhǎng)幅度更加明顯，這也是復(fù)墾60 a的礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量較高的原因；同時(shí)，礦區(qū)土壤屬于含碳礦物并且在排棄堆積過(guò)程中混有煤塊使得土壤中總有機(jī)質(zhì)較高，隨著復(fù)墾年限的增加，復(fù)墾土壤養(yǎng)分含量增加明顯，其中土壤中的有效磷、堿解氮含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，主要與復(fù)墾后土壤結(jié)構(gòu)和環(huán)境變化有利于氮磷積累及人為影響有關(guān)[6,8,19-21]；由于礦區(qū)復(fù)墾土壤風(fēng)化程度不同，鉀素被不斷釋放，也不斷被地表植被吸收利用及淋失，復(fù)墾區(qū)域內(nèi)植物對(duì)鉀素不斷的吸收利用及淋溶作用的影響使得復(fù)墾土壤內(nèi)部全鉀、速效鉀含量逐年減少，這與前人的研究結(jié)果一致[8,19-21]。由此可知，隨著復(fù)墾年限的增長(zhǎng)，除鉀外礦區(qū)土壤中養(yǎng)分含量不斷增多，尤其是全量態(tài)、有效態(tài)的氮含量以及微生物量碳和氮變化趨勢(shì)比較明顯。這說(shuō)明礦區(qū)土壤在長(zhǎng)期的自然、人為因素影響下，風(fēng)化作用加強(qiáng)，土壤開(kāi)始熟化。而礦區(qū)復(fù)墾并沒(méi)有引起全磷含量的下降，主要是由于磷素是一種沉積性元素，由母質(zhì)類型和成土條件決定，在土壤中的存在形式較穩(wěn)定、不易流失[8-9,21]，因此，礦區(qū)復(fù)墾沒(méi)有影響土壤全磷含量及其分布特征。

綜合來(lái)看，復(fù)墾后土壤養(yǎng)分變化幅度較大，說(shuō)明在礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中，土壤系統(tǒng)內(nèi)部因子處于動(dòng)態(tài)變化和平衡中，其中土壤微生物量的變化幅度最大，對(duì)復(fù)墾的響應(yīng)最為敏感。

表4　土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分相關(guān)分析

注：**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)，*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

3.3　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性的影響

蔗糖酶活性是表征土壤碳素循環(huán)和土壤微生物代謝活性的重要酶，能夠反映土壤有機(jī)碳累積與分解轉(zhuǎn)化規(guī)律[6,12-14]。由表2可知，礦區(qū)復(fù)墾后土壤蔗糖酶活性顯著增加，說(shuō)明土壤中有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化隨復(fù)墾時(shí)間延長(zhǎng)而更加強(qiáng)烈，同時(shí)植物的凋落物、根系的分泌物和衰亡的根增加了土壤有機(jī)物和土壤蔗糖酶轉(zhuǎn)化的底物；土壤脫氫酶活性作為微生物氧化還原系統(tǒng)的指標(biāo)，能較好地表征土壤中微生物的氧化能力[6,12-14]，礦區(qū)復(fù)墾為微生物的生長(zhǎng)和繁殖提供碳源，并改善土壤的微環(huán)境，從而增加了脫氫酶活性及其來(lái)源；脲酶活性可用以指示土壤氮素循環(huán)及其相關(guān)的土壤活性[6,12-14]，綜合分析圖1和表2可知，礦區(qū)復(fù)墾造成了土壤脲酶活性顯著增加，與同期土壤氮素含量變化一致；磷酸酶作為土壤中最活躍的一類酶能夠促進(jìn)有機(jī)磷化合物的水解和提高土壤磷元素的有效性，而本研究中礦區(qū)復(fù)墾增加了土壤磷酸酶活性，與同期土壤磷素的變化不盡一致，可能與磷素在土壤中的轉(zhuǎn)化和循環(huán)有關(guān)[6,8,19-21]。

3.4　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物三大類群的數(shù)量與其發(fā)揮的生態(tài)功能密切相關(guān)，其數(shù)量的增加反映出土壤質(zhì)量的改善[10-11,21]。礦區(qū)復(fù)墾增加了凋落物、根系的分泌物和衰亡的根、根際沉積物等，為微生物的生長(zhǎng)繁育提供了充足的能源，使微生物能夠在一定時(shí)間內(nèi)有效并快速恢復(fù)[6-9]，到復(fù)墾60 a，微生物總數(shù)平均可達(dá)1.06×108cfu/g，細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量隨著復(fù)墾年限的增加而增加，但其增加幅度逐漸減小(圖2)，主要是由于在礦區(qū)復(fù)墾中，土壤基質(zhì)破壞了地表植被層，并且對(duì)土壤剖面進(jìn)行了重構(gòu)，使排土場(chǎng)地表物質(zhì)成為深層土，使得作為微生物生命活動(dòng)所需能源較為缺乏，局部限制了土壤微生物數(shù)量。

3.5　礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性、微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

從土壤養(yǎng)分的垂直分布特征來(lái)看(圖2—3)，礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤酶活性、微生物數(shù)量、土壤養(yǎng)分垂直分布具有顯著影響，隨著土層深度的增加，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分均呈降低趨勢(shì)表現(xiàn)出明顯的“表聚性”。復(fù)墾區(qū)域碳質(zhì)頁(yè)巖是一種極容易風(fēng)化的巖石，隨著復(fù)墾年限的增加，土壤剖面酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分發(fā)生變化，由于表層的矸石受外界影響較大，相比剖面下層的矸石風(fēng)化程度強(qiáng)，表層微生物活動(dòng)、植物吸收利用以及淋溶作用使得復(fù)墾土壤剖面養(yǎng)分含量呈現(xiàn)“表聚性”[6-9,15]。土壤表層以下，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分急劇降低，10 cm土層以下，土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分下降幅度逐漸降低；同層相比，基本表現(xiàn)為：60 a>40 a>20 a>5 a，局部有所波動(dòng)，表明了礦區(qū)復(fù)墾增加了土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分(除了鉀素和磷素)，但并沒(méi)有改變它們的垂直分布特征，而不同復(fù)墾年限深層土壤酶活性、微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分變化趨勢(shì)并不大，可能是由復(fù)墾過(guò)程中表層、底層土混合產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)。

3.6　土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分相關(guān)分析

復(fù)墾后土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，土壤養(yǎng)分(除有效養(yǎng)分)與土壤酶活性和微生物數(shù)量基本呈正相關(guān)(表4)，表明了土壤有機(jī)質(zhì)作為碳源和其他營(yíng)養(yǎng)成分的來(lái)源，有利于微生物及酶活性活性的提高；而土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤有效含量之間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是由于隨著礦區(qū)復(fù)墾土壤中植被的恢復(fù)，植物生長(zhǎng)吸收了部分營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)植物生長(zhǎng)導(dǎo)致植物根際微生物活性有所升高，這與前人的研究結(jié)果一致[6-9,15,21]。綜合表2的結(jié)果表明，礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中通過(guò)影響土壤微生物活動(dòng)和代謝進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分及酶活性，它們之間可以看做相互作用和影響的一個(gè)地下有機(jī)整體，同時(shí)表明了土壤微生物與養(yǎng)分和酶活性等地下生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)之間的統(tǒng)一性。

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Soil Nutrients, Enzyme Activity and Microbe Quantity in Reclaimed Soil in Mining Area

LI Zhilan

(ShanxiWaterConservancyExplorationandDesignInstitute，Taiyuan，Shanxi030024，China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to illustrate the spatial-temporal change of soil nutrients, enzyme activity and microbe quantity when mined area was reclaimed. [Methods] Through collecting samples at different depths in soil with different reclaimed age in Lujiang mined area, soil nutrients, enzyme activity and microbe quantity were measured and soil physical-chemical indexes were investigated. [Results] The statistical analysis revealed that as reclamation years increased, the soil pH value, soil bulk density and total porosity reduced gradually and the soil electrical conductivity, moisture content and total salt increased gradually. Meanwhile, the total potassium and effective potassium content reduced, and organic matter, total nitrogen, alkali-hydrolyzale nitrogen, microbial biomass carbon and nitrogen increased gradually, while P had no obvious trend. Microbial biomass was most sensitive to mine reclamation with the largest variation. Soil urease, sucrase, dehydrogenase, alkaline phosphatase activity and microbe quantity increased with the increasing of reclamation years. In the mine soil, bacteria were predominant(more than 99.3% in amount), actinomyces ranked next, and fungi amount was the least among the three communities of soil microbes. With the increasing of depth, soil nutrients, enzyme activity and microbe quantity declined gradually, which implied that they had the “surface accumulation”. At the same soil layer with different reclamation years, soil nutrients, enzyme activity and microbe quantity largely ranked as: 60 a>40 a>20 a>5 a, though local fluctuation existed. [Conclusion] Mine reclamation could improve soil quality and soil fertility, and the soil microbial metabolism. The later could influence the soil nutrient and enzyme activity in the mine soil, which suggested that all the factors in soil system were in a dynamic change and in balance. They have two traits, one of the trait is that they interacte and influence each other as a combined unity, and the other one is that they behaved dynamically balanced. The two traits imply that have the uniformity and synchronicity in soil.

Keywords:reclaimed soil in mining area; soil nutrients; enzyme activity; microbe quantity

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0006-08

中圖分類號(hào)：S157.1， X171.1

收稿日期：2014-09-27修回日期：2014-10-24