王宇宏，王翔，李晉川，岳建英，郭春燕，盧寧，楊生權

（山西省生物研究所，山西太原030006）

安太堡露天礦復墾地不同林齡對土壤酶活性和微生物區(qū)系的影響

王宇宏，王翔，李晉川，岳建英，郭春燕，盧寧，楊生權

（山西省生物研究所，山西太原030006）

為研究不同植被恢復年限對復墾土壤生物肥力的影響和作用，通過野外調查及采樣分析，對安太堡露天煤礦復墾區(qū)不同恢復年限下土壤的理化性質、土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量和多樣性進行了研究。結果表明，不同復墾年限的土壤酶活性不同，復墾20 a的土壤酶活性優(yōu)于復墾15，10 a和對照；不同復墾年限對土壤微生物數(shù)量和多樣性的影響作用不同，復墾20 a的土壤微生物數(shù)量和多樣性高于復墾15，10 a和對照。植被恢復可以促進土壤生態(tài)肥力提高，改善土壤質量。

不同林齡；酶活性；微生物區(qū)系；安太堡露天礦復墾地

煤礦開采是我國重要的化石能源獲取途徑之一，但隨著開采也帶來了環(huán)境破壞、污染、生態(tài)功能減弱等問題。安太堡露天礦區(qū)地處黃土高原東部，屬于黃土丘陵強烈侵蝕生態(tài)脆弱系統(tǒng)[1]，因此，進行生態(tài)恢復對保護其周圍環(huán)境尤為重要[2]。目前，煤礦區(qū)植被恢復對土壤影響的研究主要集中在不同復墾模式對土壤的理化性質、酶活性及微生物數(shù)量的影響等方面[3-6]，而對于不同恢復年限對土壤質量改善的影響尚無相關報道。

本研究以安太堡露天礦復墾地不同復墾年限樣地為研究對象，對其土壤理化性質、酶活性和微生物區(qū)系等多種指標進行測定分析，了解不同種植年限對土壤質量恢復的影響，以期為礦區(qū)生態(tài)治理和植被恢復提供一定理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤的黑三角地帶，位于山西省北部朔州市境內，地理坐標為東經(jīng)112°11′～113°30′，北緯39°23′～39°37′[7]。冬春干旱少雨、寒冷、多風，夏秋降水集中、溫涼少風。礦區(qū)目前總體上呈農(nóng)業(yè)耕作景觀[1]。

1.2 樣品采集與制備

試驗選取立地條件基本一致的10，15，20 a的安太堡露天礦復墾區(qū)人工林地為研究對象，每個樣地設置0.5 hm2的標準試驗區(qū)，樣地基本情況如表1所示。用土鉆法在每個標準地沿“S”型采集5個點的土壤，然后用四分法取土裝袋，每個研究樣地采集0～5，5～10，10～15，15～20 cm土層的新鮮土樣，取土前先除去土壤表面的植被層，鏟除表面1 cm左右的表土。將樣品帶回實驗室風干過篩裝袋，冷藏保存，用于不同土壤指標的測定。采樣時間為2013年7月。

表1 樣地基本情況

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化指標的測定土壤酸堿度采用電位法；含水量使用烘干法；田間持水量和容重采用環(huán)刀法；土壤有機碳采用外熱-重鉻酸鉀容量法；全氮采用凱氏法；堿解氮采用堿解擴散法；全磷和速效磷采用鉬銻抗比色法[8]。

1.3.2 土壤酶活性的測定土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法；脲酶采用苯酚鈉比色法；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；多酚氧化酶采用焦性沒食子酸比色法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[9]。

1.3.3 土壤微生物多樣性的測定土壤微生物主要類群數(shù)量的測定采用稀釋涂布平板法[10]。

土壤微生物的多態(tài)性測定：在王齊贊等[11]的方法上進行適度改良，使用變性梯度凝膠電泳測定分析細菌群落的多樣性；在Lisa等[12]的方法上進行適度調整，使用變性梯度凝膠電泳測定分析真菌群落的多態(tài)性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和SPSS 19.0對測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；用Quantaty one 4.6.2軟件對所得圖片進行分析，用Shannon-Wiener指數(shù)表示土壤微生物群落多樣性。

2 結果與分析

2.1 不同林齡人工林地土壤理化性質的變化

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的載體，復墾土地的土壤質量不僅與植被以及土壤微生物有著密切的關系，同時也在一定程度上反映了人工重建生態(tài)系統(tǒng)的演替程度。土壤酸堿度是土壤的基本理化性質之一，與其他土壤理化性質有著天然的關聯(lián)；土壤有機質為地上植被提供所需的各種營養(yǎng)物質，同時也影響著土壤的結構和物理性狀；土壤氮、磷是植物和土壤微生物必需的營養(yǎng)元素[13]。不同植被林齡及對照的土壤理化指標的測定結果如表2所示。

表2 不同植被林齡及對照土壤理化指標

由表2可知，恢復20 a的樣地土壤田間持水量高于15 a樣地和CK，但差異不顯著。20 a樣地的pH值高于10，15 a，但低于CK。20 a樣地的土壤容重顯著低于其他樣地和CK。20 a樣地的土壤有機碳0～10 cm土層低于10，15 a，但無顯著差異。堿解氮0～10 cm土層20 a樣地低于10 a，但高于15 a和CK；10～20 cm土層中20 a顯著高于CK，同時與15 a樣地無顯著差異。全氮含量在0～10 cm土層則表現(xiàn)出20 a樣地顯著低于10，15 a樣地，10～20 cm表現(xiàn)為20 a顯著高于15 a和CK，與10 a間差異不顯著。全磷含量則為0～10 cm土層20 a顯著高于15 a樣地，與10 a樣地和CK間無顯著差異。20 a的速效磷含量顯著高于其他樣地。在同一林齡，土壤有機碳、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)減少趨勢。

2.2 不同林齡人工林地土壤酶活性的變化

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白質，對土壤的生化反應過程有著直接的影響。土壤酶的活性強弱可以較直接地反映出土壤生化反應的方向和強度。對土壤酶活性的研究有助于了解土壤肥力狀況和演變規(guī)律[14]。

從表3可以看出，不同林齡土壤酶活性不同。從土壤蔗糖酶活性來看，0～5 cm土層20 a林齡樣地的活性最高且顯著高于其他樣地，在5～10 cm土層中20 a林齡樣地顯著高于CK和10 a林齡樣地，10～15 cm土層則表現(xiàn)為20 a林齡樣地顯著高于10 a林齡樣地，15～20 cm土層則是20 a林齡樣地顯著高于10 a林齡樣地和CK；脲酶的活性則有所不同，在4個土層中20 a樣地均顯著高于其他樣地；過氧化氫酶表現(xiàn)出4個土層中15 a林齡樣地顯著高于10，20 a和CK的變化趨勢；多酚氧化酶活性在0～15 cm土層中表現(xiàn)為20 a林齡樣地顯著高于其他樣地，但在15～20 cm土層中20 a林齡樣地顯著高于15 a林齡樣地和CK，與10 a林齡樣地無顯著差異；對于堿性磷酸酶，在0～10 cm土層中4個樣地均無顯著差異，在10～15 cm土層，15 a林齡樣地最高且顯著高于20，10 a林齡樣地，在15～20 cm土層則是CK最高，15 a林齡樣地顯著高于20，10 a林齡樣地。從土壤酶活性垂直分布情況來看，總體上隨著土壤深度的增加，土壤酶活性呈遞減趨勢。

表3 不同植被林齡及對照土壤酶活性mg/（100 g·h）

2.3 不同林齡人工林地土壤微生物數(shù)量變化

土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境條件變化的敏感指標之一，土壤微生物種群的多樣性在一定程度上可反映出土壤的質量狀況[15-16]。

從表4可以看出，不同樣地土壤微生物種群數(shù)量各不相同。從細菌數(shù)量來看，0～5 cm土層20 a林齡樣地顯著高于其他樣地，5～10 cm土層中20 a林齡樣地顯著高于CK，但是在10～20 cm土層中，則是10 a林齡樣地顯著高于其他樣地；真菌的數(shù)量也表現(xiàn)為20 a林齡樣地最高且顯著高于CK；放線菌數(shù)量的變化規(guī)律與細菌、真菌不同，在0～15 cm土層表現(xiàn)為20 a林齡樣地樣地數(shù)量顯著高于其他樣地，在15～20 cm土層中各樣地數(shù)量無顯著差異；在4個土層的土壤中固氮菌的數(shù)量均為20 a林齡樣地顯著高于其他樣地；反硝化細菌的數(shù)量變化規(guī)律不明顯，在0～10 cm土層中，CK顯著高于其他樣地，而在10～20 cm土層中則是15 a林齡樣地顯著高于其他樣地。

表4 不同植被林齡及對照土壤的微生物數(shù)量

2.4 不同林齡人工林地土壤微生物的多樣性

圖1是不同植被恢復年限人工林土壤細菌群落DGGE圖譜。從圖1可以看出，經(jīng)過變性梯度凝膠電泳分離到不同的條帶。各樣地間既具有共有條帶又具有特異性條帶，其中，OPT和SQG樣地的條帶較多。

從表5可以看出，3個樣地及對照間細菌群落的相似性不同，其中，WPT和SQG的細菌群落相似性最高，同時，在不同的樣地間細菌群落具有一定的共同性，為43.4%。

表5 不同林齡人工林地土壤細菌群落的相似性%

表6是不同樣地土壤細菌和真菌的多樣性結果。由表6可知，不同樣地細菌和真菌多樣性明顯不同。細菌方面，SQG的多樣性指數(shù)最高，為2.14，其次是OPT，為2.08，二者的多樣性指數(shù)較為接近。真菌方面，SQG的多樣性指數(shù)最高，其次是WPT。

表6 不同林齡人工林地土壤細菌和真菌的多樣性

圖2是不同植被恢復年限人工林土壤真菌群落DGGE電泳圖譜國。由圖2可知，經(jīng)過變性梯度凝膠電泳分離到不同的條帶，各樣地間既具有共有條帶又具有特異性條帶，其中，OPT和SQG樣地的條帶較多。

從表7可以看出，WPT與CK的真菌群落相似性最高，同時，在不同的樣地間真菌群落具有一定的共同性，為28.5%。

表7 不同林齡人工林地土壤真菌群落的相似性%

3 討論與結論

煤礦開采作為礦區(qū)環(huán)境污染的主要來源，其生態(tài)恢復相關研究得到了越來越多的關注[17]。本研究從不同恢復年限對土壤理化性質、酶活性和微生物群落差異的影響進行了分析，旨在探究恢復年限對土壤質量的影響。

3.1 不同植被恢復年限對土壤理化性質的影響

與對照相比，3種不同林齡的試驗樣地土壤有機質、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量均有提高，說明植被恢復在一定程度上提高了土壤質量。這可能是因為植被通過自身生長，更多的分泌物和殘體使得土壤碳源、氮源以及磷源得到了增長，從而改善了土壤的理化性質[18]。總體來看，在3種不同恢復年限中，20 a林齡樣地的各項指標綜合來看要優(yōu)于15，10 a。賈曉紅等[19]研究表明，隨植被恢復時間的延長土壤元素含量增加，與本研究結果相似。植被恢復增加了土壤各類元素的儲量，提升了土壤肥力。

3.2 不同植被恢復年限對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤微生物促進土壤的物質代謝和營養(yǎng)物質轉化的載體，在土壤物質循環(huán)和能量轉化過程中起著重要作用[20-21]。礦區(qū)3種生態(tài)重建年限樣地與對照相比，土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶和堿性磷酸酶活性均有提高。有研究表明，不同類型的植被重建對酶活性影響不同。植被恢復后，土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性的增強，表明土壤中碳素、氮素和磷素營養(yǎng)循環(huán)強度有較大程度的提高。不同植被恢復年限樣地的土壤酶的活性較對照有所提高，說明土壤酶的活性與植被恢復年限存在一定程度的關聯(lián)。有研究表明，植被恢復對土壤酶活性有著促進、改善的作用[22]。也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著植被種植年限的增加，其土壤酶活性得到提高[23-24]。本研究試驗區(qū)土地復墾是在完全重構土壤的基礎上進行的，土壤生態(tài)破壞嚴重，礦質元素轉化較慢。然而，隨著植被恢復的進行，土壤生物學條件得到好轉，生態(tài)體系初步建成，土壤酶活性也得以增強。此外，從土壤垂直剖面來看，不同恢復年限植被下土壤均表現(xiàn)出上層土壤的酶活性高于下層土壤的趨勢，也與一些學者的研究結果相似[25]。

3.3 不同植被恢復年限對土壤微生物區(qū)系的影響

土壤微生物作為整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，在土壤生態(tài)肥力和植被生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面發(fā)揮著不可替代的作用[26-28]。因此，土壤微生物的數(shù)量與多態(tài)性在復墾區(qū)土壤生態(tài)重建中具有著獨特的意義。

本研究中，細菌、真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量隨著林齡增大而增加，不同林齡間差異顯著。其中，細菌數(shù)量在土壤微生物中占據(jù)絕對優(yōu)勢，真菌的數(shù)量最少，這與陸梅等[29]的研究結果一致。說明在一定的土壤環(huán)境下，細菌群落對土壤生物活性起著重要作用[30]。有學者對植被恢復過程中的土壤微生物數(shù)量進行研究，結果表明，油松、刺槐能有效地改善土壤的持水性和通氣狀況，為微生物發(fā)育提供豐富的基質，從而促進微生物的生長[31]。本研究中，刺槐作為一種固氮植物，對土壤細菌群落可能具有一定的影響。此外，植物根系向土壤分泌各類生化物質，能促進微生物對土壤養(yǎng)分物質的吸收、利用和轉化[32]。不同樹種或同一樹種的不同發(fā)育階段其分泌物的組成和含量不同，直接影響著微生物的種群結構和數(shù)量分布。研究表明，土壤微生物學相關指標可作為土壤生態(tài)系統(tǒng)恢復的敏感指標之一[33]。

本研究中，通過PCR-DGGE分析不同林齡的植被恢復樣地土壤細菌、真菌群落有明顯不同。這可能是因為不同植被恢復年限形成不同的土壤生態(tài)環(huán)境，為土壤微生物生長提供不同的食物來源和生長條件，導致微生物種群結構多樣化。說明隨著恢復年限的增加，土壤微生物群落多樣性增加?？梢?，種植年限對植被恢復效果有一定影響。因此，在下一步研究中應結合多種方法來探索種植年限通過何種因子來影響植被恢復效果，以期為改善黃土高原露天煤礦植被恢復提供更加重要的科學依據(jù)。

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Effect of Different Forest Age on Soil Enzyme Activities and Microbial Flora after Opencast Mine Reclamation in Antaibao

WANGYuhong，WANGXiang，LI Jinchuan，YUE Jianying，GUOChunyan，LUNing，YANGShengquan
（Shanxi Biology Institute，Taiyuan 030006，China）

To research the effects of different reclamation years on reclaimed soil biological fertility quality,the soil physicochemical properties,soil enzymatic activity and soil microbe were studied in reclaimed soil with different reclamation years in Antaibao large opencast coal mine.The results showed that the soil enzyme activities were different in different reclamation years.The soil enzyme activity of 20 years was better than that of 15,10 years and CK.The effects of different reclamation years on soil microbial quantity and diversity were different.The amounts of soil microbe and diversity of microbial biomass reclaimed 20 years were higher than that of15,10 years and CK.Vegetation restoration could promote soil ecological fertility and improve soil quality.

different forest age;enzymatic activity;microbial flora;Antaibao surface mine reclamation

Q948

A

1002-2481（2016）11-1653-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.19

2016-07-10

山西省科技重大專項（20121101007）；山西省科技攻關項目（20140313001-1）

王宇宏（1979-），女，山西懷仁人，助理研究員，碩士，主要從事農(nóng)學及土壤生態(tài)學研究工作。王翔為通信作者。