張　鵬,趙　洋,黃　磊,胡宜剛,韓　旭

1 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠試驗(yàn)研究站, 蘭州　730000 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州　730070

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植被重建對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)土壤酶活性的影響

張鵬1, *,趙洋1,黃磊1,胡宜剛1,韓旭2

1 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠試驗(yàn)研究站, 蘭州730000 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州730070

摘要:植被重建是露天煤礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵措施,深入了解植被建設(shè)對(duì)土壤酶活性的影響,對(duì)于合理選擇適宜于礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的人工植被和加速礦區(qū)土壤生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。通過(guò)野外調(diào)查采樣和室內(nèi)分析,研究了黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)植被重建和恢復(fù)對(duì)淺層(0—20 cm)土壤酶活性(包括3種氧化還原酶：過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、脫氫酶,4種水解酶：蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、纖維素酶)的影響。結(jié)果表明：相比未進(jìn)行植被建設(shè)的新排土場(chǎng)裸地,植被重建顯著改善了土壤酶活性和理化性質(zhì),建植18a后土壤酶活性可恢復(fù)到天然植被區(qū)的65%—76%,水解酶恢復(fù)速率(平均為86.9%)快于氧化還原酶(平均為42.7%),其中土壤磷酸酶恢復(fù)速率最快(平均為天然植被區(qū)的154.7%),其次為蔗糖酶(74.3%)、纖維素酶(59.9%)、脲酶(58.5%)、過(guò)氧化氫酶(52.1%)和脫氫酶(38.1%),多酚氧化酶恢復(fù)最慢(為37.8%)。植被恢復(fù)進(jìn)程中,建植10a期土壤酶活性年均恢復(fù)速率最快(平均為6.0%/a),15a變緩(4.8%/a),18a迅速降低(3.2%/a)。同時(shí)植被配置類(lèi)型對(duì)土壤酶活性影響顯著,土壤酶活性與土壤主要理化因子具有較高的相關(guān)性。上述結(jié)果反映了植被重建能顯著改善礦區(qū)排土場(chǎng)的土壤酶活性,植被恢復(fù)進(jìn)程中水解酶恢復(fù)速率快于氧化還原酶,恢復(fù)初期快于后期,但土壤酶活性的恢復(fù)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：排土場(chǎng)；植被重建；植被演替；土壤肥力；土壤酶活性；恢復(fù)速率

采礦業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)采在為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的同時(shí),不可避免地破壞大量土地并引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前煤礦開(kāi)采造成年增沉陷地面積約2.7—4.2萬(wàn)hm2；年增煤矸石約3億t,總占地達(dá)4萬(wàn)hm2,而傳統(tǒng)的土地復(fù)墾率尚不到20%[1]。我國(guó)超過(guò)70%的煤炭產(chǎn)自西部,露天開(kāi)采需要?jiǎng)冸x上覆巖土層,對(duì)土地資源的破壞更加嚴(yán)重,露天開(kāi)采每萬(wàn)噸煤,破壞土地面積0.22 hm2,其中直接挖掘破壞土地面積0.12 hm2,外排土場(chǎng)占用0.10 hm2,土地復(fù)墾率僅有2%。露天開(kāi)采對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與肥力破壞性強(qiáng),造成排土場(chǎng)水土流失嚴(yán)重、滲透性差、土壤貧瘠、生態(tài)修復(fù)難度大,排土場(chǎng)植被重建和土壤生境恢復(fù)是一項(xiàng)艱巨而又亟待解決的難題[2- 3]。

人工植被建設(shè)是受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要途徑,也是最有效的恢復(fù)方法之一。國(guó)內(nèi)外大量以植被建設(shè)為主的生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐和研究表明,受損系統(tǒng)土壤生境的恢復(fù)是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程,如何恢復(fù)受損的土壤系統(tǒng),促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)功能的提高,是生態(tài)恢復(fù)的前沿難點(diǎn)問(wèn)題,土壤生境的恢復(fù)是生態(tài)系統(tǒng)全面恢復(fù)的根本[4- 8]。土壤酶是高分子有機(jī)物催化分解的一類(lèi)具有蛋白性質(zhì)的生物催化劑,主要來(lái)源于土壤微生物的活動(dòng)、植物根系分泌物和腐解的動(dòng)植物殘?bào)w,參與土壤中各種有機(jī)質(zhì)的分解、合成、轉(zhuǎn)化及與無(wú)機(jī)物質(zhì)的氧化還原等過(guò)程,其活性與土壤理化特性、微生物及土壤類(lèi)型等關(guān)系密切,可以很好地指示土壤有機(jī)物分解、元素循環(huán)和微生物養(yǎng)分需求等土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化,是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)[9- 11]。近年來(lái),有關(guān)煤礦區(qū)復(fù)墾適生先鋒植物種的選育、土壤改良及生物復(fù)墾技術(shù)等生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐工作和研究有了長(zhǎng)足發(fā)展,但也有部分人工植被因?yàn)橹参锓N類(lèi)單一、抗逆性差,僅表現(xiàn)出生態(tài)治理的短期行為；尤其在一些干旱缺水的地區(qū),露天開(kāi)采造成的擾動(dòng)和破壞由于氣候條件的影響而變得更為嚴(yán)重,礦區(qū)人工植被恢復(fù)的長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)仍不明顯[1,12- 13]。本研究以黑岱溝露天煤礦排土場(chǎng)人工植被恢復(fù)區(qū)為研究對(duì)象,分析植被重建及恢復(fù)過(guò)程中土壤酶活性的演變過(guò)程,探討土壤酶活性在評(píng)價(jià)煤礦區(qū)人工植被恢復(fù)過(guò)程中的生態(tài)意義,為黃土高原露天煤礦生態(tài)脆弱區(qū)植被恢復(fù)與生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

黑岱溝露天煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部,礦區(qū)地貌為典型的黃土丘陵溝壑區(qū),面積約52.11 km2(39°43′—39°49′ N, 111°13′—111°20′ E),海拔1025—1302 m。該區(qū)氣候?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶詺夂?年均溫7.2 ℃,≥10 ℃年積溫3350 ℃。年均降水量401.6 mm,集中在7—9月,約占全年降水量的60%—70%。年蒸發(fā)量為1824.7—2896.1 mm。地帶性土壤為以砒沙巖為母巖的栗褐土,礦區(qū)土壤主要為黃綿土,土質(zhì)疏松,抗沖蝕性差,微堿性,肥力低下[14]。

礦區(qū)內(nèi)地帶性植被屬暖溫型草原帶,植被稀疏低矮,蓋度一般在30%以下。人工林以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、小葉楊(Populussimonii)、錦雞兒(Caraganamirophylla)、沙棘(Hippophaerhamnoides)等植物為主；荒坡主要為鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、本氏針茅(Stipabungeana)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、沙蒿(Artemisiaarenaria)、狗尾草(Setariaviridis)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)、賴(lài)草(Leymussecalinus)等組成的處于不同恢復(fù)階段的草本植物群落[2]。

1.2野外調(diào)查與樣品采集

2013年8月在黑岱溝露天煤礦北排土場(chǎng)(1995年建植)選擇4種植被配置類(lèi)型,即“草本”、“喬木”、“喬+草”、“喬+灌+草”；在東排土場(chǎng)(1998年建植)、西排土場(chǎng)(2003年建植)選擇常見(jiàn)的“喬+灌+草”配置類(lèi)型；同時(shí)選擇內(nèi)排土場(chǎng)裸地(2010年排土,未進(jìn)行植被建設(shè))、相鄰的撂荒地(1998年撂荒)和天然植被區(qū)進(jìn)行植被調(diào)查和取樣(各樣地基本情況見(jiàn)表1)。在每樣地隨機(jī)設(shè)置3個(gè)10 m × 10 m的大樣方用于木本植物的調(diào)查,同時(shí)在每個(gè)大樣方內(nèi)再隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m × 1 m的小樣方用于草本植物的調(diào)查。在各樣地大樣方內(nèi)按S型選取6點(diǎn),每點(diǎn)用土鉆采集0—20 cm土壤,3次重復(fù)。各樣方多點(diǎn)采集土樣混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室經(jīng)處理后用于土壤理化指標(biāo)和土壤酶活性的測(cè)定。

表1　樣地基本概況

1.3測(cè)定方法

過(guò)氧氫化酶(Catalase, CAT)采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,多酚氧化酶(Polyphenol oxidase, POL)采用鄰苯三酚比色法測(cè)定,脫氫酶(Dehydrogenase, DEH)采用TTC分光光度法測(cè)定,蔗糖酶(Sucrase, SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,脲酶(Urease, URE)采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定,磷酸酶(Phosphatase, PHO)采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,纖維素酶(Cellulase, CEL)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[9,16]。

表2　不同植被類(lèi)型及恢復(fù)階段土壤基本理化性質(zhì)

BL: 新排土場(chǎng)未進(jìn)行植被建設(shè)的裸地；ASH10: 建植10a的喬+灌+草型植被；ASH15: 建植15a的喬+灌+草型植被；ASH18: 建植18a的喬+灌+草型植被；AH18: 建植18a的喬+草型植被；A18: 建植18a的喬木型植被；H18: 建植18a的草本型植被；AL: 撂荒15a的撂荒地；NV: 天然植被； 表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列不同小寫(xiě)字母表示不同樣地土壤理化指標(biāo)具有差異顯著性(P<0.05)

1.4土壤酶恢復(fù)速率綜合評(píng)價(jià)

采用土壤酶恢復(fù)速率[11]來(lái)評(píng)價(jià)植被重建對(duì)土壤酶活性的影響,計(jì)算公式如下：

(1)

式中，RRecovery指植被恢復(fù)區(qū)土壤酶相對(duì)天然植被區(qū)土壤酶活性的恢復(fù)速率,A指土壤酶活性,下標(biāo)R指植被恢復(fù)區(qū),D指未進(jìn)行植被建設(shè)的新排土場(chǎng),N指天然植被區(qū)。

為評(píng)價(jià)植被重建后不同恢復(fù)階段土壤酶活性的年均恢復(fù)速率,選擇不同年份建植的同一人工植被類(lèi)型(喬+灌+草)來(lái)計(jì)算各恢復(fù)階段的土壤酶年均恢復(fù)速率[11]計(jì)算公式如下：

(2)

式中，RStage指不同恢復(fù)階段土壤酶恢復(fù)速率(用%/a表示),Astart和Aend指植被建設(shè)開(kāi)始(用新排土場(chǎng)未進(jìn)行植被建設(shè)的裸地代替)和結(jié)束時(shí)的土壤酶活性,T指植被重建后恢復(fù)時(shí)間(a)。

1.5數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)中的最小顯著差數(shù)法(LSD)分析不同植被類(lèi)型、恢復(fù)階段土壤酶活性的差異顯著性；用二元變量相關(guān)(Pearson)分析土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 11.5下完成。數(shù)據(jù)整理、計(jì)算與作圖均采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行。

2結(jié)果與分析

2.1不同植被類(lèi)型、恢復(fù)階段土壤酶活性的變化

方差分析顯示7種土壤酶活性在9個(gè)樣地間具有較高的差異顯著性(圖1)。除磷酸酶外,其余6種土壤酶活性都表現(xiàn)為撂荒地和天然植被區(qū)顯著高于人工植被區(qū),未進(jìn)行植被建設(shè)的裸地最低,差異顯著。撂荒地和天然植被區(qū)過(guò)氧化氫酶活性平均為13.5 (mL/g, 1h),是人工植被區(qū)(取平均值)和裸地的1.4和1.6倍；多酚氧化酶活性為7.2 (mg/kg, 24h),是人工植被和裸地的1.5和1.6倍；脫氫酶活性為11.9 (μg/g, 24h),是人工植被和裸地的1.5倍；蔗糖酶活性為591.9 (mg/kg, 24h),是人工植被和裸地的1.2和1.8倍；脲酶活性平均為33.8 (mg/kg, 24h),分別是人工植被和裸地的1.3和1.5倍；磷酸酶活性人工植被最高,為33.8 (mg/kg, 24h),分別是天然植被和裸地的1.2倍和2.2倍；纖維素酶活性為20.3 (mg/kg, 24h),是人工植被和裸地的1.3和1.7倍。

圖1　不同植被類(lèi)型及恢復(fù)階段土壤酶活性的變化Fig.1　Soil enzyme activities in different vegetation types and recovery stage不同大寫(xiě)字母表示土壤酶活性在不同植被類(lèi)型間具有差異顯著性(P<0.05),數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤

人工植被配置類(lèi)型對(duì)土壤酶活性影響顯著,建植18a人工植被區(qū)土壤過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)為喬+草型AH18、喬木型A18>草本型H18、喬+灌+草型ASH18,差異顯著(P=0.005)；多酚氧化酶活性為AH18> A18> H18、ASH18,差異顯著(P<0.001)；脫氫酶活性為AH18>A18、H18>ASH18,差異顯著(P<0.001)；蔗糖酶活性為AH18、A18>H18>ASH18,差異顯著(P<0.001)；脲酶活性表現(xiàn)為(AH18)>(A18)>(H18)>(ASH18),差異顯著(P<0.001)；磷酸酶活性為ASH18>H18>A18>AH18,差異顯著(P<0.001)；纖維素酶活性為AH18>A18>H18>ASH18,差異顯著(P<0.001) (圖1)。

同一類(lèi)型人工植被(喬+灌+草型,ASH)不同恢復(fù)階段(建植10、15、18a)各土壤酶活性表現(xiàn)各異,過(guò)氧化氫酶活性差異不顯著(P=0.061)；多酚氧化酶活性表現(xiàn)為15a>10a>18a,差異顯著(P<0.001)；脫氫酶活性表現(xiàn)為10a>15a>18a,差異顯著(P<0.001)；蔗糖酶活性表現(xiàn)為15a>10a>18a,差異顯著(P<0.001)；脲酶活性表現(xiàn)為15a>18a>10a,差異顯著(P<0.001)；磷酸酶活性表現(xiàn)為18a>15a、10a,差異顯著(P<0.001)；纖維素酶活性表現(xiàn)為15a>10a>18a,差異顯著(P<0.001)(圖1)。

2.2土壤酶活性與土壤理化因子的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(表3),除磷酸酶外,土壤有機(jī)質(zhì)與其余6種酶活性均顯著正相關(guān)；銨態(tài)氮和硝態(tài)氮與過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、纖維素酶均顯著正相關(guān)；速效磷與多酚氧化酶顯著負(fù)相關(guān),與磷酸酶顯著正相關(guān)；速效鉀與脫氫酶、多酚氧化酶顯著負(fù)相關(guān),與磷酸酶顯著正相關(guān)；電導(dǎo)率與過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶均顯著負(fù)相關(guān)；pH與脫氫酶、多酚氧化酶、纖維素酶顯著正相關(guān),與磷酸酶顯著負(fù)相關(guān)。

表3　土壤酶活性與理化因子相關(guān)性分析

*P< 0.05, **P< 0.01

2.3土壤酶恢復(fù)速率評(píng)價(jià)

撂荒地(AL)除多酚氧化酶和脫氫酶恢復(fù)速率達(dá)到天然植被的80%以上,其余5種酶恢復(fù)速率均已超過(guò)天然植被(>100%)(表4)。人工植被區(qū)過(guò)氧化氫酶活性恢復(fù)速率在人工植被AH18、A18和H18下較快,分別是天然植被區(qū)的75.9%、68.2%和49.8%,其它植被配置下恢復(fù)速率均不到天然植被區(qū)的一半(<50%)；多酚氧化酶恢復(fù)速率在ASH15和ASH10下最快,分別為96.1%和78.4%,在其它植被配置下均低于50%；脫氫酶恢復(fù)速率僅在ASH10下超過(guò)50%,為57.8%,其余植被配置下均低于50%；蔗糖酶恢復(fù)速率在6種人工植被下均超過(guò)50%,其中ASH10最快,為99.8%；脲酶恢復(fù)速率在AH18、ASH15和A18較快,分別為79.7%、75.3%和64.4%；磷酸酶恢復(fù)速率在ASH10和ASH15下達(dá)到70.7%和77.3%,其它植被配置下均超過(guò)100%,在ASH18和H18下恢復(fù)速率最快,是天然植被區(qū)的250.1%和211.1%；纖維素酶恢復(fù)速率在ASH15、AH18、ASH10和A18下較快,分別為81.4%、69.4%、67.3%和58.6%,其余植被下均低于50%(表4)。

在人工植被“喬+灌+草”建植10a的恢復(fù)進(jìn)程中,過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、脫氫酶和纖維素酶活性年均恢復(fù)速率最快,分別為4.63%/a、7.87%/a、5.80%/a和6.70%/a；在建植15a的恢復(fù)中,蔗糖酶和脲酶的恢復(fù)速率最快,為6.70%/a和5.03%/a；建植18a的恢復(fù)中,磷酸酶恢復(fù)速率最快,為10.90%/a,其余6種酶活性恢復(fù)速率在該階段最慢,均顯著低于10a和15a恢復(fù)階段(圖2)。

表4　不同植被類(lèi)型土壤酶活性恢復(fù)速率

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同行不同小寫(xiě)字母表示不同植被類(lèi)型下土壤酶活性恢復(fù)速率具有差異顯著性(P<0.05)

圖2　人工植被不同恢復(fù)階段土壤酶活性恢復(fù)速率Fig.2　Stage recovery rates of activities of soil enzyme　不同小寫(xiě)字母表示土壤酶活性恢復(fù)速率在不同植被恢復(fù)階段間具有差異顯著性(P<0.05),數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差

3討論

3.1植被配置類(lèi)型對(duì)土壤酶活性的影響

在植被恢復(fù)的生態(tài)實(shí)踐中,有關(guān)植被配置類(lèi)型對(duì)土壤酶影響的研究在不同區(qū)域和受損生態(tài)系統(tǒng)中均有報(bào)道,幾乎所有的研究都顯示植被建設(shè)會(huì)促進(jìn)土壤酶活性的恢復(fù),但不同植被配置對(duì)不同酶類(lèi)影響的報(bào)道差異較大[10- 11,17-23]。由于土壤酶類(lèi)對(duì)土壤理化性質(zhì)及其他環(huán)境因子的變化反應(yīng)敏感,能夠較早指示土壤肥力和生物活性的變化,可將其作為反映土壤營(yíng)養(yǎng)元素有效水平的一項(xiàng)生物指標(biāo)[18]。本研究中,9個(gè)樣地間7個(gè)土壤理化指標(biāo)(表2)和7個(gè)土壤酶指標(biāo)(圖1)差異明顯,植被重建顯著改善了土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性?？傮w而言,相比未進(jìn)行植被建設(shè)的新排土場(chǎng)裸地,人工植被建設(shè)顯著提高了7種土壤酶活性；但除磷酸酶外,人工植被重建后即使經(jīng)過(guò)18a的恢復(fù),其他6種土壤酶活性都顯著低于天然植被區(qū),說(shuō)明完全受損排土場(chǎng)土壤酶活性的恢復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。一般認(rèn)為植被重建主要通過(guò)以下幾個(gè)方面影響土壤酶活性：首先,植被重建促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的積累,改善土壤理化狀況,為酶類(lèi)提供豐富的碳源；其次,植被恢復(fù)促進(jìn)了土壤中植物根系的聚集,而根系代謝可釋放大量酶類(lèi),從而提高土壤酶活性；最后,植被重建可影響土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和通透性,改善土壤水分的滲透和運(yùn)移狀況,進(jìn)而促進(jìn)酶類(lèi)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和活性。研究區(qū)排土場(chǎng)常見(jiàn)的4種人工植被配置類(lèi)型在建植18a后其土壤酶活性變化不盡相同。其中6種土壤酶活性都表現(xiàn)為：?jiǎn)?草型最高,其次為喬木型,再次為草本型,喬-灌-草型最低；人工植被區(qū)顯著高于裸地,但均顯著低于撂荒地和天然植被區(qū)(圖1)。礦區(qū)排土場(chǎng)是煤炭開(kāi)采中上層剝離物經(jīng)一定的工藝和層次堆積填壓而成,原有的土體結(jié)構(gòu)和層次被完全破壞,肥力較差,抗風(fēng)蝕水蝕能力較低,且在堆排過(guò)程中經(jīng)大型機(jī)械碾壓,通透性較差,土壤酶活性低下。人工植被建設(shè)后改善了土壤理化性質(zhì)(表2),同時(shí)影響一年生草本定居[24]和生物土壤結(jié)皮的拓殖發(fā)育[2],進(jìn)而促進(jìn)了土壤酶活性的提高。

3.2土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性的關(guān)系

人工植被重建和恢復(fù)過(guò)程也是植物對(duì)土壤不斷適應(yīng)和改造的過(guò)程,不同的植物群落對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響不同,包括土壤酶在內(nèi)的土壤性質(zhì)的改變是植物改變的重要驅(qū)動(dòng)力之一[25]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中酶促底物的主要供給源,土壤中有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,幾乎與所有的土壤酶活性有關(guān)[9]。本研究中除磷酸酶外,其他6種酶活性均與土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)。土壤有效氮水平直接調(diào)控植物生理過(guò)程,同時(shí)影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程,與土壤酶類(lèi)關(guān)系密切[26- 27]。研究中除多酚氧化酶和脫氫酶外,過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均顯著正相關(guān)。土壤速效磷和速效鉀僅與多酚氧化酶、脫氫酶和磷酸酶具有較好的相關(guān)性,這或許是植被重建后改善了土壤淺層的磷鉀狀況,如研究區(qū)所有人工植被區(qū)土壤速效磷、速效鉀含量都接近和超過(guò)了天然植被區(qū)水平,說(shuō)明磷鉀已不再是限制因子,其相關(guān)性降低[21- 22]。此外,電導(dǎo)率與土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性顯著負(fù)相關(guān)；pH值與多酚氧化酶、脫氫酶、纖維素酶活性顯著正相關(guān),與磷酸酶活性顯著負(fù)相關(guān)。本研究中監(jiān)測(cè)的7種酶活性與主要土壤養(yǎng)分因子相關(guān)性顯著,說(shuō)明土壤酶在植被重建恢復(fù)過(guò)程中對(duì)于改善土壤質(zhì)量具有相當(dāng)重要的作用,它們直接影響著土壤養(yǎng)分的循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化。因此,在進(jìn)行煤礦區(qū)植被恢復(fù)的綜合評(píng)價(jià)時(shí),可將土壤酶作為評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)效果的一個(gè)指示指標(biāo)。

3.3植被重建恢復(fù)中的土壤酶恢復(fù)速率

由于缺少植被恢復(fù)中對(duì)土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),多數(shù)研究一般以空間代替時(shí)間的方法來(lái)評(píng)價(jià)恢復(fù)過(guò)程中土壤酶的變化,大部分研究結(jié)果顯示土壤酶活性均隨植被恢復(fù)進(jìn)程而提高,但其恢復(fù)速率在不同植被類(lèi)型下和恢復(fù)階段具有較大差異[18,20- 23,28]。如在黃土丘陵人工刺槐林的研究顯示,土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和淀粉酶都在建植10 a后迅速提高,20—25 a趨于平穩(wěn),此后略有下降,到50 a時(shí)達(dá)到最大值,可恢復(fù)到天然林的70%左右[22]。對(duì)秦嶺地區(qū)華北落葉松人工林的研究顯示,淺層土壤(0—20 cm)磷酸酶、脲酶在建植5—20 a恢復(fù)緩慢,30—40 a時(shí)最高；過(guò)氧化氫酶則在20 a時(shí)恢復(fù)最快,此后逐漸降低；蔗糖酶在建植5 a即達(dá)到最大值,10 a后迅速下降[28]。安太堡露天礦植被恢復(fù)區(qū)的研究顯示,不同植被配置對(duì)土壤酶恢復(fù)影響顯著,且土壤酶活性都隨恢復(fù)進(jìn)程而提高[20-21]。本研究中,7種土壤酶活性恢復(fù)速率在不同植被配置類(lèi)型和恢復(fù)階段差異較大(表4),總體來(lái)看,人工植被區(qū)水解酶(蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、纖維素酶)恢復(fù)速率較快,平均可恢復(fù)到天然植被區(qū)的86.9%,而氧化還原酶(過(guò)氧化氫酶、多酚氧化酶、脫氫酶)恢復(fù)速率較慢,是天然植被區(qū)的42.7%。這是因?yàn)槿斯ぶ脖唤⒑笱杆俑纳屏送寥览砘再|(zhì),尤其是草本的入侵生長(zhǎng)和生物土壤結(jié)皮的拓殖發(fā)育為土壤提供了易分解的活性碳[2,24]；同時(shí),土壤孔隙結(jié)構(gòu)和水分通氣條件得到改善,進(jìn)而促進(jìn)了土壤水解酶的恢復(fù)[10,29]。但也有相反的變化趨勢(shì)被證實(shí),如在沙坡頭地區(qū)人工固沙植被區(qū)50 a恢復(fù)期土壤酶恢復(fù)的研究中則發(fā)現(xiàn)氧化還原酶恢復(fù)速率快于水解酶,研究認(rèn)為偏堿性、低有機(jī)質(zhì)和低含水量的沙漠土及人工植被恢復(fù)過(guò)程中植被類(lèi)型的變化和生物土壤結(jié)皮的發(fā)育是主導(dǎo)因素[11]。此外,研究區(qū)相同類(lèi)型人工植被不同恢復(fù)階段土壤酶年均恢復(fù)速率差異較大(圖2),建植10、15、18 a喬-灌-草人工植被下土壤氧化還原酶和水解酶年均恢復(fù)速率分別為3.7%/a和5.6%/a；都表現(xiàn)為建植10 a后年均恢復(fù)速率最快,其次為15 a,建植18 a最慢。土壤酶恢復(fù)速率的變化與大部分研究一致,都顯示為植被恢復(fù)初期的土壤酶恢復(fù)速率較快,爾后變緩,此后逐漸提高[20-22, 28]。這與植被恢復(fù)的一般規(guī)律相符,在植被恢復(fù)前期,植物生長(zhǎng)較快,枯枝落葉和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)急劇增加,土壤酶活性迅速得到改善；此后隨著植被恢復(fù),喬灌生長(zhǎng)旺盛、群落郁閉度增大,光照強(qiáng)度降低,土壤水分消耗劇烈,水肥競(jìng)爭(zhēng)加劇,下層草本生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制,根系微生物活性減弱,土壤酶活性變緩或下降；到恢復(fù)后期,在自然稀疏等因素的作用下,群落郁閉度降低,光照養(yǎng)分得到改善,草本多樣性提高,生物土壤結(jié)皮蓋度增大,土壤代謝途徑更加多樣,土壤酶活性增強(qiáng)[20,22-24,28,30-31]。

4結(jié)論

植被重建顯著提高了露天煤礦排土場(chǎng)的土壤酶活性,但對(duì)于大部分土壤酶,18a的時(shí)間不足以使土壤酶活性恢復(fù)到天然植被區(qū)的水平,土壤酶活性的恢復(fù)需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。土壤酶活性與土壤主要理化指標(biāo)具有較強(qiáng)的相關(guān)性,可將土壤酶活性作為評(píng)價(jià)植被恢復(fù)效果的一個(gè)指示指標(biāo)。人工植被恢復(fù)進(jìn)程中土壤水解酶恢復(fù)速率快于氧化還原酶,恢復(fù)初期快于恢復(fù)后期。

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Effect of revegetation on soil extracellular enzyme activity in the dumping site of an open-pit coal mine in Heidaigou

ZHANG Peng1,*, ZHAO Yang1, HUANG Lei1, HU Yigang1, HAN Xu2

1ShapotouDesertExperimentalResearchStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China

Abstract：Soil enzymes are considered a key component of the soil, mediating the decomposition of organic matter and catalyzing key transformations of carbon, nitrogen, and phosphorus cycling. In addition, extracellular enzyme activities (EEAs) in soil can be used as a measure of soil health. Revegetation is an important method of promoting the ecological restoration of a damaged ecosystem; however, little research has been conducted on EEAs in arid areas during vegetation restoration and after revegetation. To elucidate the differences in EEAs among different vegetation types and restoration stages in the dumping site of an open-pit coal mine in Heidaigou in northwest China, different revegetation types (including revegetation established in different years—a bare plot in a new dump, an abandoned area, and natural vegetation) were selected in order to investigate the recovery of EEAs (including three types of oxidases—catalase, polyphenol oxidase, and dehydrogenase, and four types of hydrolases—invertase, urease, phosphatase, and cellulose). The results show that revegetation significantly improves both the soil′s physical-chemistry properties and the EEAs in dumping sites when these properties are compared to those of bare land. After 18 y of revegetation, the EEAs in the topsoil (0—20 cm) recovered to 65%—76% of that seen in the plot with natural vegetation. The recovery rates of hydrolases (average 86.9%) were greater than those of oxidases (average 42.7%), and the recovery rates of EEAs exhibited a decreasing trend from phosphatase (154.7%), invertase (74.3%), cellulase (59.9%), urease (58.5%), catalase (52.1%), and dehydrogenase (38.1%), to polyphenol oxidase (37.8%). During the restoration process, the annual recovery rate of EEAs in the first 10a (averaged 6.0%/a) was greater than that seen 15a (4.8%/a) and 18a (3.2%/a) after revegetation. Significant relationships were observed between EEAs and soil nutrients; therefore, EEAs could be used as biological indicators when assessing soil quality. Our study indicates that EEA recovery occurs over an extended period, and that specific enzyme activities can be used to examine the changes in microbial physiology under different revegetation types in an arid mining area.

Key Words:dumping site; revegetation; succession; soil fertility; soil extracellular enzyme activities; recovery

基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2-XB3- 13-03)；國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(41201086)；中國(guó)科學(xué)院“西部之光博士項(xiàng)目”資助

收稿日期:2015- 05- 23;

修訂日期:2016- 01- 07

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zhangp1419@163.com

DOI:10.5846/stxb201505231034

張鵬,趙洋,黃磊,胡宜剛,韓旭.植被重建對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)土壤酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(9):2715- 2723.

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