辛芝紅， 李君劍*， 趙小娜， 周小梅

1.山西大學黃土高原研究所， 山西 太原 030006 2.山西大學生命科學學院， 山西 太原 030006

煤礦區(qū)不同復墾年限的土壤有機碳礦化和酶活性特征

辛芝紅1， 李君劍1*， 趙小娜1， 周小梅2

1.山西大學黃土高原研究所， 山西 太原 030006 2.山西大學生命科學學院， 山西 太原 030006

為了解煤礦區(qū)長期復墾的生態(tài)效應，在晉西北安太堡礦區(qū)不同復墾年限的樣地采集土壤樣品，研究土壤中w(SOC)、w(易降解碳1)、w(易降解碳2)和w(TN)以及有機碳礦化速率和酶活性隨復墾年限的變化趨勢. 結果表明：①隨著復墾年限的延長，土壤容重、pH和w(易降解碳1)顯著降低，而w(SOC)、w(TN)、w(易降解碳2)、有機碳礦化潛勢和累積量及酶活性均呈增加趨勢，復墾年限為23 a的土壤中w(SOC)和w(TN)的最高值分別為22.67和1.21 mgg；②相較于土壤中w(SOC)和w(TN)，w(易降解碳2)、有機碳礦化潛勢和酶活性隨復墾年限延長的變化更為顯著，其中過氧化氫酶活性隨復墾年限的變幅最大，相較于活性最低樣地，25 a樣地的酶活性提高了232%，可達156.27 mg(kg·h)；③土壤容重與過氧化氫酶、蔗糖酶活性均呈顯著負相關，與多酚氧化酶活性呈正相關. pH與w(易降解碳1)、多酚氧化酶活性均呈顯著正相關，而與蔗糖酶活性呈負相關；④主成分分析表明，土壤綜合肥力指標隨復墾進程的推進逐年提高，從-1.19提高至0.86，綜合肥力指標和復墾年限間的相關系數(shù)可達到0.987 (P<0.001). 可見，綜合肥力指標可更全面地指示生態(tài)修復進程中的土壤演替進程.

復墾年限； 易降解碳； 有機碳礦化； 酶活； 綜合肥力指標

Abstract： Ecological restoration is important for mining areas. However, the succession of soil fertility with different reclamation times remains unknown. We collected soil samples from reclaimed mine sites with different reclamation times in Antaibao coal mining area, in northwest Shanxi. Soil liable carbon, organic carbon mineralization and enzymes were studied with reclamation time, which is important to evaluate the ecological effects of reclamation in the future. The results indicated: (1) Soil physical-chemical characteristics, liable carbon, carbon mineralization and four enzyme activities under different reclamation times (from 10 to 25 years) were tested in Antaibao mining area, Shanxi Province. Soil bulk density, pH and liable carbon 1 decreased with reclamation time, but soil organic carbon, total nitrogen, liable carbon 2, carbon mineralization cumulative quantity and potential, and enzyme activities increased with reclamation time. The highest soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) were respectively 22.67 mg/g and 1.21 mg/g in the 23-a site. (2) Compared to SOC and TN, the more significant improvement patterns with reclamation years were found in liable carbon 2, carbon mineralization cumulative quantity and potential, and enzyme activities. Catalase under the 25-a site was 232% higher than in the 12-a site, reaching 156.27 mg/(kg·h), which indicated the most evident variation with reclamation time. (3) Soil bulk density demonstrated significantly negative correlation with sucrose and catalase enzymes, but positive correlation with polyphenol oxidase activity. Soil pH correlated significantly with liable carbon 1, polyphenol oxidase and sucrose. Soil urease did not correlate with any physical-chemical characteristics. (4) The integrated fertility index analyzed through Principal Component Analysis improved with reclamation time, and the highest and lowest integrated fertility indexes were 0.86 and -1.19 in 25-a and 10-a reclaimed sites, respectively. Reclamation time was strongly correlated with the integrated fertility index, with coefficient 0.987 (P<0.001), which indicated that the integrated fertility index is a compressive index for assessing soil quality during ecological restoration processes.

Keywords： reclaimed time; liable carbon; organic carbon mineralization; enzyme activity; integrated fertility index

生態(tài)修復和礦區(qū)復墾已成為許多國家持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，我國礦產(chǎn)資源過度開發(fā)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，導致土壤團聚體破壞，土壤肥力降低、理化和生物特性惡化. 受損生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)恢復措施受到了廣泛關注，其發(fā)展水平對于人類的生存狀態(tài)有著極其重要的影響. 長期礦區(qū)生態(tài)修復需達到植物生長和土壤微生物代謝間的營養(yǎng)循環(huán)平衡[1- 2]，土壤結構和容重均會直接影響恢復植被群落的穩(wěn)定性，從而也影響上述平衡過程的建立. 廢棄地恢復的目標是提高堆積廢棄物的穩(wěn)定性、控制污染、改善景觀和消除對人類的危害[3]，生態(tài)修復方案實施應考慮到土壤結構和肥力、微生物群落、表層土管理以及營養(yǎng)循環(huán). 目前主要通過調查土壤理化性質等質量[4]及植被演替特征方面來評價復墾效果[5- 6]. 而對復墾生態(tài)效應的敏感指標如土壤易降解碳含量、有機碳礦化和酶活性的研究較少.

土壤有機碳按其化學特性劃分為易降解和難降解有機碳，含量較少的易降解碳主要影響碳循環(huán)，影響土壤微生物生物量和活性，是反映土壤有機碳礦化過程特征的敏感指標[7]. 土壤酶參與多種生物化學過程，是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要動力和陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能基礎. 土壤酶與土壤主要理化特征相關，且其活性對污染非常敏感，因此土壤酶可作為土壤質量評價的良好指標[8- 10]. 土壤碳礦化是碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，主要指受土壤微生物驅動、由土壤酶介導、分解和利用土壤中活性有機組分來完成自身代謝，同時釋放出CO2的過程，是土壤中重要的生物化學過程，直接關系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應、溫室氣體的形成及土壤質量的保持等[11- 12].

目前關于山西高原煤礦區(qū)不同植被復墾方式對土壤碳礦化過程和土壤酶活性的研究[13- 14]表明，土壤易降解碳、有機碳礦化和酶活性特征可敏感指示復墾方式的生態(tài)效果. 關于山西高原礦區(qū)不同復墾階段的土壤有機碳礦化和酶活性特征的研究較少. 因此，筆者通過研究雁北安太堡露天礦區(qū)7個不同復墾年限的植被群落特征，測定樣地的土壤理化特征、易降解碳、有機碳礦化速率和四種主要酶(包括多酚氧化酶、脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶)活性，分析不同復墾年限間檢測指標的差異性及相關性，利用主成分分析土壤理化和生物特征，進而計算出土壤綜合肥力指標，以期揭示礦區(qū)復墾進程中土壤理化和生物特性的演替特征，為不同復墾階段的植被管理提供指導.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安太堡煤礦礦區(qū)(112°11′E～113°30′E、39°23′N～39°37′N)地處黃土高原東部，屬溫帶半干旱大陸型季風氣候，年均溫6.2 ℃，年均降水量約為450 mm，年均蒸發(fā)量約為 2 160 mm. 地帶性土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡帶. 海拔為 1 300～1 400 m，為黃土低山丘陵，是黃土高原典型的生態(tài)脆弱區(qū). 安太堡礦區(qū)是晉陜蒙地區(qū)最早開展礦區(qū)植被修復的區(qū)域，植被復墾后初期進行澆灌管理，于3 a后停止?jié)补?，因此對該礦區(qū)不同復墾年限的植被土壤質量演替動態(tài)的研究，將有助于晉陜蒙干旱半干旱區(qū)復墾植被的選擇和管理.

1.2 樣品采集

該研究包括7個不同復墾年限(10、12、15、18、20、23和25 a)的復墾地作為研究樣地，各樣地的復墾植被和物種多樣性見表1. 于2013年6月，去凋落物后，土鉆隨機6個樣點取0～10 cm樣品并混勻.

表1 礦區(qū)不同復墾年限植被組成和特征

每個樣地包括3個重復小區(qū)(5 m×5 m)，小區(qū)采樣方式為多點混合土樣樣品處理法，去除地表植被和覆蓋物，土鉆取樣(0～10 cm)并混勻. 一部分風干研磨過篩用于土壤理化性質測定，另一部分4 ℃保存用于土壤有機碳礦化和酶活性測定.

1.3 樣品分析

土壤容重采用環(huán)刀法測定；pH采用土水比為 1∶5 的溶液測定；w(SOC)采用重鉻酸鉀氧化法測定；w(TN)采用凱氏定氮法測定.w(易降解碳1)和w(易降解碳2)按照Rovira等[15]的酸水解法，具體步驟：將研細的土樣500 mg放入可離心的硬質試管中，加入2.5 mol/L的H2SO420 mL，搖勻加蓋，放入石蠟浴105 ℃條件下加熱30 min，離心后吸出水解液，再加入20 mL蒸餾水，混勻后離心，洗液加到水解液中，這部分水解液經(jīng)重鉻酸鉀氧化法測定所得即為w(易降解碳1)；將試管中沒水解的剩余物60 ℃烘干，加入13 mol/L的H2SO42 mL，振蕩過夜，然后加水稀釋該酸到1 mol/L，在105 ℃下加熱3 h，依上述方法收回水解液，這部分水解液所測即為w(易降解碳2)[15]. 土壤有機碳礦化速率采用室內(nèi)培養(yǎng)堿液吸收法，在25 ℃恒溫下培養(yǎng)63 d，培養(yǎng)前期每2 d測定1次，后期每周測定1次[16]；土壤多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性分別采用鄰苯三酚、3,5-二硝基水楊酸、靛酚藍和2,3,5-氯化三苯基四氮唑比色法[17]測定.

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤有機碳礦化潛勢主要是易降解碳分解速率所決定，因此應用一階動態(tài)方程〔見式(1)〕[18]〕分析不同處理下土壤有機碳礦化動態(tài). 單因素模型是基于土壤礦化量和時間成正比擬合得來的.

Ct=Cp(1-e-kt)

(1)

式中：Cp為有機碳礦化潛勢；k為礦化常數(shù)；t為時間，d；Ct為td內(nèi)有機碳礦化累積量，mg/kg.

植被多樣性采用豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分析[19]. 不同復墾年限間的土壤理化性質、易降解碳和酶活性的差異性，通過one-way analysis of variance分析進行Duncan檢驗；不同檢測指標間進行Pearson相關性分析；綜合肥力指標(integrated fertility index，IFI)采用主成分分析(principal component analysis，PCA)確定，其計算方法見式(2)[20]：

IFI=∑aiZi/∑ai

(2)

式中，ai為主成分評價值，Zi為各主成分的評價值，IFI為綜合肥力指標.

2 結果與討論

2.1 土壤理化特征

從表2可看出，隨著復墾進程的推進，土壤理化特征均有顯著的變化. 隨復墾進程的推移，土壤容重逐步降低，土壤pH隨復墾年限的延長呈降低的趨勢；w(SOC)隨復墾年限的變化趨勢并不一致，23 a樣地的w(SOC)最高，為22.67 mg/g.w(TN)整體上呈現(xiàn)隨復墾年限的延長而逐漸增加的趨勢，其最高值也是出現(xiàn)在23 a樣地(1.21 mg/g). 18 a樣地的C/N最高，顯著高于其他樣地(12 a樣地除外)，其他樣地間的差異不顯著.

表2 不同復墾年限的土壤理化特征

注：數(shù)值為平均值±標準偏差，不同字母表示不同植被之間P<0.05水平上差異顯著.

圖1 不同復墾年限土壤易降解碳含量Fig.1 Soil liable carbon content under different reclaimed time

2.2 土壤易降解碳和有機碳礦化

從圖1可看出，復墾年限為10和12 a樣地土壤中w(易降解碳1)分別為0.27和0.31 mg/kg，且顯著高于其他復墾年限較長的5個樣地. 復墾年限超過20 a的樣地土壤中w(易降解碳2)顯著高于其他復墾年限較短的樣地，其中復墾年限為25 a的樣地土壤中w(易降解碳2)可達到0.63 mg/kg，是復墾年限低于20 a樣地含量的2倍左右.

圖2 不同復墾年限下的土壤有機碳礦化累積量Fig.2 Soil cumulative carbon mineralization dynamics under different reclaimed year

土壤有機碳礦化累積量變化動態(tài)和一階動力學擬合曲線如圖2所示，不同復墾年限的擬合水平均達到極顯著水平(P<0.001). 隨復墾年限的延長，有機碳礦化累積量從76.10 mg/kg增至107.49 mg/kg，有機碳礦化潛勢呈現(xiàn)相同的增加趨勢，其變化范圍為72.26～102.90 mg/(kg·d).

2.3 土壤酶活性

四種酶活性隨復墾年限變化表現(xiàn)出增加趨勢，但復墾年限對四種酶活性的影響并不一致(見圖3). 土壤脲酶活性的最低值和最高值分別出現(xiàn)在復墾年限為10 a〔162.97 mg/(kg·h)〕和23 a〔24.18 mg/(kg·h)〕的樣地，且與其他復墾年限的差異顯著. 土壤多酚氧化酶活性在復墾10～20 a間無顯著變化，復墾年限為25 a的土壤多酚氧化酶活性為184.94 mg/(kg·h)，顯著高于其他樣地. 土壤過氧化氫酶活性在復墾 10～15 a間變化并不顯著〔46.97～66.93 mg/(kg·h)〕，但在15～20 a間顯著增加，20 a后趨于穩(wěn)定，25 a土壤過氧化氫酶活性達到最高，為156.27 mg/(kg·h). 土壤蔗糖酶活性隨復墾年限呈增加趨勢，但在復墾20 a的樣地中其活性較低，在25 a樣地中其活性顯著高于其他樣地. 總的來說，隨礦區(qū)復墾年限的增加，四種土壤酶活性均呈顯著增加趨勢，脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性提高了1倍左右，過氧化氫酶活性提高了232%.

圖3 不同復墾年限下的土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activities under different reclaimed time

2.4 土壤綜合肥力指標和各檢測指標間的相關性

對土壤理化性質、易降解碳、有機碳礦化累積量和有機碳礦化潛勢及酶活性進行主成分分析，提取到3個主成分，其得分分別為8.50、1.83和1.21，前3個特征值的累積貢獻率為88.81%，7個樣地各主成分評價值和綜合肥力指標(IFI)見表3. 綜合肥力指標隨復墾年限延長有所增加，在復墾10～15 a間綜合肥力指標為負值(-1.19～-0.25)，18 a樣地的綜合肥力指標為0.20，到25 a時綜合肥力指標最大，為0.86. 對綜合肥力指標和復墾年限之間進行相關性分析表明，二者之間呈線性相關，其相關系數(shù)可達0.987(見圖4).

表3 不同復墾年限下土壤綜合肥力指標

圖4 復墾年限與土壤綜合肥力指標間的相關性Fig.4 The linear regressions between reclaimed year and soil integrated fertility index

土壤理化特征與酶活性間的Pearson相關性見表4. 土壤容重與有機碳礦化累積量、有機碳礦化潛勢、過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性也均呈顯著負相關，而與多酚氧化酶活性呈正相關. pH與w(易降解碳1)、多酚氧化酶活性、蔗糖酶活性顯著相關.w(易降解碳2)與過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性間顯著相關. 而w(易降解碳) 與有機碳礦化累積量、有機碳礦化潛勢均不相關. 脲酶活性與各檢測指標均不相關，而過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性與環(huán)境因子間呈現(xiàn)出較強的相關性.

2.5 討論

該研究結果表明，土壤容重隨著復墾年限的增加而逐步降低，這主要是由于復墾初期為了提高覆土的穩(wěn)定性，使用大型機械壓實了土壤，隨復墾年限的增加，大量有機質輸入以及植物根系的生長，會改善土壤結構. 在煤礦塌陷區(qū)的研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著復墾年限的增加，土壤容重降低，孔隙度和顆粒分形維數(shù)增大[21]. 植物生長根系分泌的有機質和枯落物的輸入隨著復墾年限的增加而增多，造成了土壤pH降低、w(SOC)和w(TN)增加(見表2)，相類似的結果在其他研究[22- 23]中也有報道.

w(易降解碳1)、w(易降解碳2)隨復墾年限表現(xiàn)出相反趨勢(見圖1)，這可能與土壤粒徑分布有關. 在復墾年限較短的樣地中，土壤團粒結構較差，對易降解有機質的保護較差，因此在低濃度H2SO4條件下可浸提出更多的易降解碳1，因此在復墾年限較短樣地的w(易降解碳1)較高. 在培養(yǎng)初期，復墾年限較短樣地的有機碳礦化速率較高(見圖2)，這與在太湖復墾區(qū)的研究結果[24]一致. 但隨培養(yǎng)時間的延長，復墾年限較長樣地的礦化速率較高，這主要是w(易降解碳2)較高所致. 已有研究[25]表明，土壤粒徑分布影響有機質穩(wěn)定性，分形維數(shù)越高表明土壤結構越緊密，在分型維數(shù)較高的土壤中有機質穩(wěn)定性高.w(易降解碳1)、w(易降解碳2)與蔗糖酶活性間的相關性呈相反趨勢(見表4)，這可能由于在w(易降解碳1)較低的樣地中，只有需要較多的蔗糖酶降解有機質才可滿足植物和微生物生長代謝所需能量，因此在w(易降解碳1)較高的樣地，其蔗糖酶含量較低.

表4 土壤理化特征和酶活性間Pearson相關性分析

注：** 表示在0.01水平上相關 (雙尾)；*表示在0.05水平上相關 (雙尾)；-表示負相關；ns表示在0.05水平上不相關(雙尾).

該研究中土壤酶活性和w(SOC)之間并不相關，而與w(易降解碳1)、w(易降解碳2)間存在顯著的相關性(見表4). 在鹽堿地的復墾中發(fā)現(xiàn)酶活性與pH呈負相關[26]，筆者也發(fā)現(xiàn)蔗糖酶活性與pH呈顯著負相關. 有研究報道，pH為3.1～7.1的土壤中脲酶活性與pH間呈顯著的正相關[27]，而筆者研究中pH與脲酶活性之間并不相關，這可能是由于筆者研究中土壤pH僅局限于7.32～7.91(見表1). 土壤過氧化氫酶活性隨礦區(qū)復墾進程而顯著提高(見圖3)，在對未干擾地、復墾地和未復墾地的土壤過氧化氫酶的研究中，復墾地的過氧化氫酶活性會顯著高于未復墾地[28]. 在復墾進程中土壤酶活性的提高，主要是由于土壤有機質等營養(yǎng)物質的累積、植物根系和枯落物的輸入，導致土壤微生物群落組成的變化，從而影響土壤酶活性的變化[13,29]. 在長期的復墾過程中發(fā)現(xiàn)，隨著復墾進程的推進，土壤有機質、有機碳礦化潛勢、酶活性和微生物量均呈增加趨勢[30- 31]，在該研究中發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性和綜合肥力指標也隨土壤復墾時間延長而增大(見圖3、表3).

4 結論

a) 在礦區(qū)修復進程中土壤結構和營養(yǎng)水平均有所提高，壓實板結的覆土容重有所降低. 在安太堡礦區(qū)，隨著復墾年限的增加，土壤w(易降解碳2)和碳礦化潛勢均顯著提高，相對于復墾年限10 a的樣地，25 a樣地的土壤中w(易降解碳2)和有機碳礦化潛勢提高幅度分別為92%和40%.

b) 隨礦區(qū)復墾年限的增加，四種土壤酶活性均呈顯著增加趨勢，脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性提高了1倍左右，過氧化氫酶活性提高了232%，可見酶活性比土壤碳氮更能敏感指示土壤質量的演變.

c) 檢測指標間的相關性不同，反映了不同指標隨復墾年限的變化趨勢不一致. 利用主成分分析土壤綜合肥力指標發(fā)現(xiàn)，其與復墾年限呈極顯著正相關，說明土壤綜合肥力指標可更全面地指示生態(tài)修復進程中的土壤演替進程.

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Characteristics of Soil Organic Carbon Mineralization and Enzyme Activities in Coal Mining Area after Different Reclamation Times

XIN Zhihong1, LI Junjian1*, ZHAO Xiaona1, ZHOU Xiaomei2

1.Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2.College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China

X53

1001- 6929(2017)10- 1580- 07

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.86

2017-01-19

2017-06-20

國家自然科學基金項目(41271530，41201374)

辛芝紅(1990-)，女，山西臨縣人，18234057470@163.com.

*責任作者，李君劍(1975-)，男，山西汾陽人，副教授，博士，主要從事礦區(qū)土壤修復研究，lijunjian@sxu.edu.cn

辛芝紅,李君劍,趙小娜,等.煤礦區(qū)不同復墾年限的土壤有機碳礦化和酶活性特征[J].環(huán)境科學研究,2017,30(10):1580- 1586.

XIN Zhihong,LI Junjian,ZHAO Xiaona,etal.Characteristics of soil organic carbon mineralization and enzyme activities in coal mining area after different reclamation times[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1580- 1586.