王 凡，曹銀貴, 2，王玲玲，閆 石，張振佳，白中科,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035;3.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引 言

內(nèi)蒙古錫林浩特草原區(qū)土壤以砂壤土為主，表土層薄且貧瘠，是制約草原生產(chǎn)力的重要因素。東部草原區(qū)現(xiàn)有大量以露天開采為主的大型煤電基地，高強(qiáng)度的煤炭開采給原本就存在表土稀缺問題的草原帶來了土地破壞、水土流失、土壤沙化等一系列問題。同時(shí)，煤電基地的開發(fā)還產(chǎn)生了大量的工業(yè)固廢，例如巖土剝離物、煤頂板、粉煤灰等工業(yè)固廢，固廢的大量堆積對(duì)脆弱的草原環(huán)境產(chǎn)生了較大的潛在危害。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和礦產(chǎn)資源高強(qiáng)度的開發(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)開采和利用煤炭過程中對(duì)地表土壤和植被的破壞以及固體廢棄物堆積造成的污染，在占用大量的土地資源的同時(shí)還破壞了礦區(qū)土壤系統(tǒng)生物多樣性，導(dǎo)致土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)特征受到了極大的干擾和破壞，土壤質(zhì)量也受到影響。土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律能夠反映礦區(qū)復(fù)墾地土壤微生物群落多樣性和生態(tài)功能,反應(yīng)土壤復(fù)墾水平和質(zhì)量。但由于礦區(qū)采礦活動(dòng)產(chǎn)生的巖土剝離物尚未熟化，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)，大力開展礦區(qū)土地復(fù)墾工作已成為當(dāng)今之重[1-3,6]。 植被的恢復(fù)與重建是礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)的主要工作內(nèi)容之一[7]，且與土壤微生物、酶活性等土壤因子關(guān)系密切[8]。土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要，土壤微生物作為土壤微生物的重要組成部分，在改善土壤質(zhì)量方面具有重要作用[9]，探索不同植被恢復(fù)條件下土壤微生物群落特征可為生態(tài)恢復(fù)提供重要信息。土壤微生物作為土壤中的分解者，不僅能夠分解土壤中的有機(jī)物，還能夠分解植物殘?bào)w中的木質(zhì)素和纖維素，對(duì)陸地系統(tǒng)中的碳循環(huán)至關(guān)重要[10-11]，除此之外，部分土壤微生物在提高植物抗逆性方面發(fā)揮著重要作用[12]。植物和微生物產(chǎn)生的酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)中起著重要作用。例如，蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶與土壤中的碳、氮、磷循環(huán)密切相關(guān)[13]。土壤酶在許多土壤生態(tài)過程中發(fā)揮著重要作用，與土壤微生物群落密切相關(guān)，可以快速響應(yīng)植被恢復(fù)下微生物群落的變化。

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[14-15]；土壤酶能參與多種反應(yīng)，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)[16-18]。在國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤中的微生物進(jìn)行研究中，包含了針對(duì)復(fù)墾后土壤微生物的生物量及其數(shù)量進(jìn)行研究,主要研究區(qū)域有加拿大阿爾伯塔省的半干旱草原區(qū)，中國(guó)安徽的低山丘陵區(qū)和山西的黃土高原區(qū)，以及PALMER等對(duì)山區(qū)采礦區(qū)的土壤微生物，但對(duì)于草原露天煤礦區(qū)土壤重構(gòu)對(duì)微生物及酶活性影響缺乏研究。研究分析內(nèi)容主要包括對(duì)復(fù)墾前后不同復(fù)墾年限、不同植被模式下土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的生物量及其數(shù)量變化[35-38]。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)墾方式以加快恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)具有重要意義[1-3,6]。國(guó)外的復(fù)墾工作研究起步較早，主要集中在土壤重構(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，大量的學(xué)者在土地復(fù)墾與土壤重構(gòu)的研究方面取得了較大的進(jìn)展，初步建立了利用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物進(jìn)行土壤重構(gòu)的原理和方法[6,19-20]，以及不同重構(gòu)方式與固體廢棄物不同配比下復(fù)墾植被恢復(fù)的效果研究[32-33]，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[6,19-20]，但對(duì)于適合于東部草原區(qū)矸石風(fēng)化物以及粉煤灰混合形成的重構(gòu)土壤的植被恢復(fù)狀況和酶活性以及微生物數(shù)量等方面的研究較少。因此，針對(duì)東部草原區(qū)露天煤礦開采以及煤電基地生產(chǎn)所帶來的工業(yè)固廢以及表土稀缺等問題，探究以煤電基地工業(yè)固廢為材料開展土地復(fù)墾工作，并探究不同土壤重構(gòu)方式對(duì)微生物及酶活性影響。

1 研究區(qū)概況

勝利煤田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北部勝利蘇木境內(nèi)。南東邊界距市區(qū)約2 km，其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)115°30′～116°26′，北緯43°57′～44°14′。本區(qū)屬半干旱草原氣候，冬寒夏炎，年溫差較大。降雨在時(shí)間上較為集中，每年6—8月份降水占全年降水量的71%。凍結(jié)期為10月初至12月上旬，解凍期為翌年3月末至4月中旬，凍土深度2.40～2.89 m。露天礦區(qū)土壤類型主要包含栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等，該部分土壤有機(jī)質(zhì)含量較高，土壤肥力較好；而部分地段由于草場(chǎng)退化，以形成沙化、礫石化栗鈣土，植被覆蓋率低，形成強(qiáng)烈侵蝕的生態(tài)脆弱草原區(qū)，對(duì)環(huán)境改變較為敏感。隨著煤炭開采工作的進(jìn)行，植被遭到嚴(yán)重的破壞，草原生態(tài)系統(tǒng)功能不斷退化。勝利露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)重構(gòu)土壤區(qū)在2019年進(jìn)行了有效的土地復(fù)墾與植被重建，自然植物組成有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、錦雞兒等，而人工復(fù)墾與植被重建先鋒植被為紫花苜蓿。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

2 材料與方法

位于內(nèi)排土場(chǎng)的研究區(qū)內(nèi)，采用了3種不同的重構(gòu)方式重構(gòu)土壤：第1種為表層50 cm采礦剝離的原地貌表層土壤，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第2種為表層50 cm的采礦剝離原地貌表層土壤(表土)、煤矸石(煤頂板)的混合物，配比為2∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第3種為表層50 cm的采礦剝離的原地貌表層土壤(表土)、煤矸石(煤頂板)、粉煤灰的混合物，配比為3∶4∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置方式為3種重構(gòu)方式的3個(gè)小田塊構(gòu)成一個(gè)大田塊，共4個(gè)大田塊。重構(gòu)土壤剖面如圖2所示。

圖2 重構(gòu)土壤剖面Fig.2 Reconstruct soil profile

為了研究排土場(chǎng)重構(gòu)土壤的不同重構(gòu)方式田塊之間以及同種重構(gòu)方式田塊內(nèi)的植被恢復(fù)差異性與土壤微生物和酶活性之間的關(guān)系，以及對(duì)引起差異性的相關(guān)因素進(jìn)行探究。在研究中采用了單因素方差分析法，利用SPSS Statistics 25的方差分析功能，針對(duì)選取的田塊，根據(jù)已劃分不同長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的植被及對(duì)應(yīng)的土壤微生物含量、酶活性等進(jìn)行分析。對(duì)露天礦區(qū)重構(gòu)土壤微生物及酶活性與重構(gòu)方式之間的變量關(guān)系進(jìn)行探究，以揭示土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中微生物活性與不同重構(gòu)方式之間的相關(guān)關(guān)系。

2.1 參數(shù)測(cè)定

土壤微生物數(shù)量測(cè)定的顯微計(jì)數(shù)法是由MARTILAINEN等[39]在1990年提出的，土壤酶和微生物的測(cè)定指標(biāo)包括：蔗糖酶、磷酸酶、脲酶，細(xì)菌、真菌、放線菌等6個(gè)指標(biāo)。土壤微生物主要類群數(shù)量的測(cè)定采用稀釋涂布平板法。細(xì)菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌使用孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌使用高氏一號(hào)培養(yǎng)基。蔗糖酶的測(cè)定使用DNS試劑并與標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖曲線進(jìn)行比對(duì)的方法，脲酶的測(cè)定使用苯酚鈉比色法，磷酸酶的測(cè)定使用磷酸苯二鈉比色法。

對(duì)采集的草本樣品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行恒溫烘干處理，烘箱內(nèi)溫度保持在65 ℃，烘干48 h，直至將草樣烘干至恒重，利用草樣干重?cái)?shù)值代表地上生物量。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

對(duì)于研究區(qū)內(nèi)不同長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的植被及對(duì)應(yīng)的土壤微生物含量、酶活性等的數(shù)據(jù)使用SPSS Statistics 25軟件的方差分析功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并使用origin 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。首先針對(duì)不同植被長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)下對(duì)應(yīng)的草樣干重使用單因素方差分析(one-way ANOVA)以及最小顯著差數(shù)法(LSD)，以確定對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)定性分級(jí)的正確性，分析過程中將顯著性水平(sig)設(shè)置為0.05。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)同等植被長(zhǎng)勢(shì)—不同復(fù)墾方式、不同植被長(zhǎng)勢(shì)—相同復(fù)墾方式下的土壤微生物和酶活性進(jìn)行差異顯著性分析，即分析巖土田塊(S)、巖土煤矸石混合田塊(SG)以及巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中植被長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的差異性。

3 結(jié)果與分析

3.1 田塊選取與采樣

2019年5月，內(nèi)蒙古錫林浩特勝利露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)的重構(gòu)土壤試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過復(fù)墾后播種紫花苜蓿，土地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)參考《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》TD/T 1036—2013以及《高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》TD/T 1033—2012，紫花苜蓿種植管理標(biāo)準(zhǔn)參考DB51/T 406—2004。2019年8月對(duì)當(dāng)年復(fù)墾后的復(fù)墾區(qū)進(jìn)行了田塊調(diào)查和取樣，對(duì)位于內(nèi)排土場(chǎng)的具有相同土壤重構(gòu)方式的4個(gè)大田塊所種植苜蓿的大田塊采集土壤樣本以及植被樣本。為了使田塊中被選定的各樣點(diǎn)代表不同的植被恢復(fù)水平，在取樣的田塊內(nèi)對(duì)各樣點(diǎn)的植被長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行了定量的分級(jí)，同時(shí)考慮到不同構(gòu)建田塊內(nèi)植被恢復(fù)的整體水平具有差異性，實(shí)際的分級(jí)是在3個(gè)不同構(gòu)建田塊內(nèi)分別進(jìn)行的，因此本次樣點(diǎn)的選定能夠代表田塊內(nèi)的不同植被恢復(fù)水平。在每個(gè)單獨(dú)的田塊內(nèi)基于樣線法，在田塊內(nèi)分別設(shè)置12個(gè)樣點(diǎn)，植被恢復(fù)水平根據(jù)植被的長(zhǎng)勢(shì)由優(yōu)至劣定義為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)下設(shè)置3個(gè)草本樣方1 m×1 m，3個(gè)土樣樣點(diǎn)，采樣深度20 cm，將3個(gè)樣點(diǎn)采集到的土樣混合。

在選取的草本樣方內(nèi)，收割所有草本地面以上的部分，裝入保鮮袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重。每個(gè)樣方中使用土鉆取表層土樣(0～20 cm)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，并將相同等級(jí)土樣混合均勻并去除植物根系后放入無菌密封袋保存，并放入加冰袋的保溫箱內(nèi)送至檢測(cè)單位測(cè)定微生物數(shù)量以及酶活性。

3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下12個(gè)小田塊內(nèi)各等級(jí)植被等級(jí)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點(diǎn)的植被干重均值如圖3所示，從圖3可以看出，各復(fù)墾方式下的田塊內(nèi)，不同植被等級(jí)樣點(diǎn)的植被干重均值的數(shù)值特征表現(xiàn)為除等級(jí)Ⅲ、Ⅳ差異不顯著外(P>0.05)，其它各個(gè)植被等級(jí)之間均兩兩差異極顯著(P<0.01)，這可能是由于等級(jí)Ⅲ樣點(diǎn)發(fā)生燒苗現(xiàn)象之后，植被沒有得到后續(xù)恢復(fù)所導(dǎo)致的。

S—巖土田塊；SG—巖土煤矸石混合田塊；SGA—巖土煤矸石粉煤灰混合田塊；下同圖3 不同植被等級(jí)下地表植被干重特征Fig.3 Dry weight characteristics of surface vegetation underdifferent vegetation grades

針對(duì)3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下12個(gè)小田塊內(nèi)植被等級(jí)Ⅲ、Ⅳ樣點(diǎn)的植被干重單因素方差分析差異不顯著，進(jìn)一步對(duì)2種等級(jí)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不同復(fù)墾方式下的田塊內(nèi)，等級(jí)Ⅲ、Ⅳ樣點(diǎn)的植被干重均值的數(shù)值特征表現(xiàn)為巖土田塊(S)內(nèi)兩等級(jí)間差異顯著外(P<0.05)，巖土矸石田塊(SG)內(nèi)兩等級(jí)之間差異極顯著(P<0.01)，巖土矸石粉煤灰田塊(SGA)內(nèi)兩等級(jí)間差異不顯著(P>0.05)。

3.2 不同重構(gòu)方式下復(fù)墾田塊土壤微生物特征

3.2.1 不同重構(gòu)方式下復(fù)墾田塊土壤微生物數(shù)量特征

3種不同重構(gòu)方式下重構(gòu)土壤的土壤微生物數(shù)量及總體特征見表1，不同復(fù)墾方式之間以及不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物的數(shù)量特征存在差異。從各植被等級(jí)所對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)的微生物數(shù)量均值來看，不同復(fù)墾方式的各植被等級(jí)下，隨著植被等級(jí)的降低微生物數(shù)量呈下降的趨勢(shì)；根據(jù)微生物數(shù)量的均值進(jìn)行分析可以得到，不同重構(gòu)方式下的田塊之間，土壤微生物數(shù)量最多的田塊為巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中細(xì)菌數(shù)量的總體均值77.20×105cfu/g是巖土田塊(S)總體均值64.75×105cfu/g的1.19倍，是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值60.55×105cfu/g的1.27倍；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中真菌數(shù)量的總體均值0.088 3×105cfu/g是巖土田塊(S)總體均值0.041 9×105cfu/g的2.11倍，是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值0.067 9×105cfu/g的1.30倍；巖土田塊(S)中放線菌數(shù)量的總體均值0.557 0×105cfu/g是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值0.345 6×105cfu/g的2.11倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值0.452 0×105cfu/g的1.30倍。

表1 不同重構(gòu)方式下土壤微生物數(shù)量及總體特征

從變異系數(shù)均值分析，不同復(fù)墾方式之間以及不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物的數(shù)量特征均存在一定變異，且均表現(xiàn)為強(qiáng)變異程度。巖土田塊(S)中不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物中真菌的變異系數(shù)均值最高，為59.55%，放線菌最低，為45.91%；巖土煤矸石混合田塊(SG)中不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物中的變異系數(shù)均值差別較小，變化范圍為36.84%～38.01%；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物中細(xì)菌的變異系數(shù)均值最高，為52.74%，真菌最低，為30.74%。

3.2.2 不同植被等級(jí)下土壤微生物數(shù)量變化特征

3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下各等級(jí)植被等級(jí)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點(diǎn)的重構(gòu)土壤的土壤微生物數(shù)量差異分析結(jié)果如圖4所示，細(xì)菌數(shù)量在3種微生物中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是放線菌，真菌的數(shù)量最少。研究表明，土壤微生物與土壤質(zhì)量的關(guān)系十分緊密,土壤微生物不但能分解動(dòng)植物殘?bào)w、礦化有機(jī)質(zhì)，還對(duì)腐殖質(zhì)和團(tuán)聚體的形成、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)揮作用[21]。同時(shí)，土壤微生物生物量較大程度上代表著土壤活性以及有機(jī)質(zhì)的儲(chǔ)量[22]。

從圖4可以看出，不同植被等級(jí)下，各類土壤微生物在數(shù)量上均呈現(xiàn)出隨著植被等級(jí)的降低而減少的趨勢(shì)。各復(fù)墾方式下，微生物總量表現(xiàn)為重構(gòu)土壤巖土田塊(S)各植被等級(jí)下差異顯著(P<0.05)，重構(gòu)土壤巖土煤矸石田塊(SG)，巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)各植被等級(jí)下差異不顯著(P>0.05)，這一結(jié)果是由占微生物整體數(shù)量99%以上的細(xì)菌所導(dǎo)致的；真菌在各復(fù)墾方式以及各植被等級(jí)下差異不顯著(P>0.05)，但其數(shù)量特征表現(xiàn)為隨著植被等級(jí)的降低，真菌數(shù)量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；放線菌在各復(fù)墾方式下，SG的植被等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下差異不顯著(P>0.05)，SGA的各植被等級(jí)下差異不顯著(P>0.05)，巖土田塊(S)的等級(jí)Ⅰ與其他3個(gè)等級(jí)差異顯著(P<0.05)，且異常表現(xiàn)為小于其他3個(gè)植被等級(jí)下的微生物數(shù)量，這可能是由于此處樣方內(nèi)植被的侵入物種單株重量較大所導(dǎo)致的。

圖4 不同植被等級(jí)下微生物數(shù)量變化特征Fig.4 Variation characteristics of microbial quantity under different vegetation grades

3.2.3 不同重構(gòu)方式土壤微生物數(shù)量變化特征

3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下各相同植被等級(jí)的土壤微生物數(shù)量差異分析結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，不同重構(gòu)方式下，各類土壤微生物均呈現(xiàn)出細(xì)菌在數(shù)量上占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。等級(jí)Ⅰ的各復(fù)墾方式下，各種微生物數(shù)量均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)；等級(jí)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的各復(fù)墾方式下，細(xì)菌和放線菌數(shù)量均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)，真菌在3種復(fù)墾方式下表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)。

圖5 不同土壤重構(gòu)方式下微生物數(shù)量變化特征Fig.5 Variation characteristics of microbial quantity under different soil reconstruction methods

3.3 不同重構(gòu)方式下復(fù)墾田塊土壤酶活性特征

3.3.1 不同重構(gòu)方式下復(fù)墾田塊土壤酶活性特征

3種不同重構(gòu)方式下重構(gòu)土壤的土壤酶活性總體特征見表2，從表2可知，不同復(fù)墾方式之間以及不同植被等級(jí)下各類別土壤酶的活性存在差異。從各植被等級(jí)所對(duì)應(yīng)樣點(diǎn)的土壤酶濃度均值來看，不同復(fù)墾方式的各植被等級(jí)下，隨著植被等級(jí)的降低土壤酶濃度呈下降的趨勢(shì)；根據(jù)土壤酶濃度的均值進(jìn)行分析可以得到，不同重構(gòu)方式下的田塊之間，土壤酶濃度最高的田塊為巖土煤矸石混合田塊(SG)。巖土煤矸石混合田塊(SG)中脲酶濃度的總體均值2.451×10-2mg/(g·h)是巖土田塊(S)總體均值1.566×10-2mg/(g·h)的1.57倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.440×10-2mg/(g·h)的1.70倍；巖土煤矸石混合田塊(SG)中蔗糖酶濃度的總體均值2.049×10-2mg/(g·h)是巖土田塊(S)總體均值1.339×10-2mg/(g·h)的1.53倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.589×10-2mg/(g·h)的1.29倍；巖土田塊(S)中磷酸酶濃度的總體均值2.296×10-2mg/(g·h)是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值1.641×10-2mg/(g·h)的1.40倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.868×10-2mg/(g·h)的1.23倍。

從變異系數(shù)均值分析，不同復(fù)墾方式之間以及不同植被等級(jí)下各類別土壤酶活性的酶濃度數(shù)量特征均存在一定變異，且均表現(xiàn)為強(qiáng)變異程度。巖土田塊(S)中不同植被等級(jí)下各類別土壤酶活性中的脲酶變異系數(shù)均值最高，為71.71%，磷酸酶最低，為45.91%；巖土煤矸石混合田塊(SG)不同植被等級(jí)下各類別土壤酶活性中的蔗糖酶變異系數(shù)均值最高，為63.83%，脲酶最低，為41.29%；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中不同植被等級(jí)下各類別土壤微生物中脲酶和蔗糖酶的變異系數(shù)均值均相對(duì)較高，為56.69%和56.07%，磷酸酶最低，為29.77%。

3.3.2 不同植被等級(jí)下土壤酶濃度變化特征

3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下各等級(jí)植被等級(jí)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點(diǎn)的重構(gòu)土壤的土壤酶濃度差異分析結(jié)果如圖6所示，3種酶的濃度均值由高到低依次表現(xiàn)為磷酸酶、脲酶、蔗糖酶。土壤酶由微生物與作物根系等共同作用而產(chǎn)生，是土壤最重要活性成分之一[23]，它參與土壤所有的生物化學(xué)過程，其活性的高低既能反映土壤中生化過程的相對(duì)強(qiáng)度，又能迅速響應(yīng)復(fù)墾措施以及復(fù)綠方式對(duì)重構(gòu)的復(fù)墾土壤質(zhì)量的影響，反映土壤質(zhì)量的變化[24-25]。

從圖6可以看出，不同土壤重構(gòu)方式下，各類土壤酶濃度均呈現(xiàn)出隨著植被等級(jí)的降低而減少的趨勢(shì)。各復(fù)墾方式下，土壤酶濃度總量表現(xiàn)為各植被等級(jí)下差異顯著(P<0.05)，且均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，S的等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤酶濃度均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，等級(jí)Ⅲ到等級(jí)Ⅳ表現(xiàn)為突然的上升，這是由于脲酶在巖土田塊(S)中的濃度由等級(jí)Ⅲ到等級(jí)Ⅳ的突增所導(dǎo)致的；磷酸酶在3種不同的重構(gòu)均表現(xiàn)為等級(jí)Ⅰ與其它等級(jí)差異顯著(P<0.05)，但等級(jí)Ⅱ、Ⅲ之間差異不顯著(P>0.05)；脲酶在3種不同的重構(gòu)表現(xiàn)為，在巖土田塊(S)中的濃度等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間差異不顯著(P>0.05)，等級(jí)Ⅳ與前3個(gè)等級(jí)差異顯著(P<0.05)，且濃度值突增，這種現(xiàn)象可能是由于等級(jí)Ⅳ的樣方內(nèi)較為干燥，使得尿素的水解過程(CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH3)由于缺少水分無法進(jìn)行，脲酶無法通過催化尿素水解產(chǎn)生消耗，從而使得脲酶的濃度升高；蔗糖酶在不同重構(gòu)方式下的各植被等級(jí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之間均表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)，且酶濃度的數(shù)值特征均表現(xiàn)為隨著植被等級(jí)的降低而降低。

圖6 不同植被等級(jí)下土壤酶濃度變化特征Fig.6 Variation characteristics of soil enzyme concentration under different vegetation grades

3.3.3 不同重構(gòu)方式土壤酶活性變化特征

3種不同重構(gòu)方式(S、SG、SGA)下各相同植被等級(jí)土壤酶濃度數(shù)量差異分析結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在等級(jí)Ⅰ的各復(fù)墾方式下，磷酸酶在3種重構(gòu)方式下差異顯著(P<0.05)，且在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。脲酶和蔗糖酶在3種重構(gòu)方式下差異不顯著(P>0.05)，且在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級(jí)Ⅱ的各復(fù)墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構(gòu)方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在S中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，脲酶和蔗糖酶均表現(xiàn)為在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級(jí)Ⅲ的各復(fù)墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構(gòu)方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在3種復(fù)墾方式下濃度數(shù)值較為均一，脲酶和蔗糖酶均表現(xiàn)為在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級(jí)Ⅳ的各復(fù)墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構(gòu)方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，但數(shù)值差異較小，脲酶在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。蔗糖酶在3種重構(gòu)土壤中的濃度在數(shù)值上差異較小，且表現(xiàn)為在巖土田塊(S)中的濃度略低于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。

表2 不同重構(gòu)方式下土壤酶活性及總體特征

圖7 不同土壤重構(gòu)方式下土壤酶濃度變化特征Fig.7 Variation characteristics of soil enzyme concentration under different soil reconstruction methods

4 討 論

植被在土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)過程中有著重要的作用，植被是改善復(fù)墾田塊和重構(gòu)土壤的質(zhì)量的重要因素。在土壤生物組分中，土壤微生物和土壤酶在土壤物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用，土壤微生物群落的變化能夠迅速反映外來異生物質(zhì)對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，以及植被的恢復(fù)過程。土壤微生物數(shù)量增多，使得復(fù)墾田塊對(duì)有機(jī)物的分解能力得到增強(qiáng)，進(jìn)而提高復(fù)墾田塊的物質(zhì)循環(huán)能力。土壤酶活性的增強(qiáng)，能夠促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化、將有機(jī)質(zhì)分解為植物可以直接利用的礦質(zhì)元素。微生物數(shù)量與酶活性狀況的改善，同樣會(huì)提高植被群落的地上生物量以及地表的植被覆蓋度。

1)當(dāng)年復(fù)墾的3種重構(gòu)土壤，相同重構(gòu)方式下，長(zhǎng)勢(shì)較好的植被，其根際土壤微生物數(shù)量較多(P<0.05)。土壤微生物的數(shù)量均表現(xiàn)為細(xì)菌最多，且占到的數(shù)量比例均在99.00%以上；放線菌和真菌含量極少，分別為0.70%與0.10%。這與樊文華等[26]和王艷超等[27]研究成果基本一致。在不同的重構(gòu)方式下，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的細(xì)菌和真菌數(shù)量均高于其它2種重構(gòu)方式的田塊，這與胡振琪等[28-29]研究基本一致，這是由于重構(gòu)土壤中粉煤灰的加入可以降低煤矸石的酸性和重金屬污染，同時(shí)煤矸石中的大量含碳化合物和腐殖酸類化合物可以為土壤微生物的生存提供生存的養(yǎng)分。因此，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中的微生物數(shù)量總體優(yōu)于其他2種重構(gòu)方式下的田塊。巖土田塊(S)中的放線菌數(shù)量高于其他2種重構(gòu)方式的田塊，這可能是由于煤矸石吸熱這一特性，導(dǎo)致在日照強(qiáng)度較大的時(shí)間內(nèi)，地溫快速升高并維持在相對(duì)較高的水平[42]。添加煤矸石的重構(gòu)土壤，其地溫在每天內(nèi)都呈現(xiàn)出相較于未添加煤矸石田塊更大的波動(dòng)，放線菌在較高的波動(dòng)范圍內(nèi)受到高溫脅迫，導(dǎo)致數(shù)量維持在較低的水平，而細(xì)菌和真菌的溫度耐受性較高。未添加煤矸石田塊的低溫相對(duì)較低，低溫變化較小，適宜真菌生存，這與Barcenas等[30]的研究結(jié)果基本保持一致。因此，在植被自然恢復(fù)的基礎(chǔ)上增加一定程度的人工干預(yù)調(diào)控地溫等因素，可以降低高溫等對(duì)土壤微生物的生存脅迫。

2)土壤酶是由土壤微生物產(chǎn)生的，具有催化作用的一類蛋白質(zhì)，控制其他變量不變的條件下，土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性成正比。3種重構(gòu)土壤，在相同重構(gòu)方式下，長(zhǎng)勢(shì)較好的植被，其根際土壤酶活性較強(qiáng)(P<0.05)。脲酶與蔗糖酶在巖土煤矸石混合田塊(SG)中的濃度均值均高于其他2種復(fù)墾方式的田塊，脲酶的活性是土壤有機(jī)氮向土壤有效氮轉(zhuǎn)化能力和土壤無機(jī)氮的供應(yīng)能力[31]，且?guī)r土煤矸石混合田塊(SG)的土壤的孔隙度較其他2種重構(gòu)方式的較大，持水能力較強(qiáng)，土壤水可以增加水溶性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在增加土壤微生物數(shù)量的同時(shí)也使得土壤酶的活性較強(qiáng)，蔗糖酶也可以增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；磷酸酶在巖土田塊(S)中濃度高于其他2種復(fù)墾方式的田塊，土壤磷酸酶是催化土壤中磷酸單酯和磷酸二酯的酶，它能將有機(jī)磷酯分解為無機(jī)磷酸，土壤有機(jī)磷可以在它的作用下才可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┲参镂盏臒o機(jī)磷[40-41]，巖土田塊(S)中磷酸酶濃度較高可能是由于有機(jī)磷酸酯較少，磷酸酶得不到消耗所導(dǎo)致，在土地復(fù)墾工作的后期管護(hù)和之后的復(fù)墾工作中，可以在巖土(S)重構(gòu)方式下的田塊中適當(dāng)補(bǔ)充磷肥，增加土壤中的有機(jī)磷酸酯，以充分發(fā)揮磷酸酶的催化作用，改善植被的恢復(fù)水平。

3)巖土煤矸石混合田塊(SG)與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性要高于巖土田塊(S)，這可能是由于矸石的良好保水性能和粉煤灰較強(qiáng)的吸水性給土壤微生物提供了適宜的生存環(huán)境[43]，利用采礦固廢解決東部草原礦區(qū)土地復(fù)墾表土稀缺的問題可能是較理想的土壤重構(gòu)模式。草原區(qū)露天煤礦開采區(qū)的植被恢復(fù)過程中，土壤微生物、酶活性與植被的恢復(fù)生長(zhǎng)互相作用，共同推動(dòng)植被恢復(fù)演替進(jìn)展，同時(shí)也推動(dòng)土壤微生物、酶活性與土壤質(zhì)量的改善提高，二者之間表現(xiàn)為正向互作效應(yīng)。

5 結(jié) 論

1)在3種重構(gòu)方式下的復(fù)墾田塊中，不同重構(gòu)方式下均表現(xiàn)為土壤微生物的數(shù)量比例細(xì)菌占99.00%以上，放線菌占到約0.70%，真菌數(shù)量比例最少，約為0.10%。不同重構(gòu)方式下田塊之間的微生物數(shù)量的差異表現(xiàn)為：巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的細(xì)菌和真菌數(shù)量均高于其他2種重構(gòu)方式的田塊，巖土田塊(S)中的放線菌數(shù)量高于其他2種重構(gòu)方式的田塊。

2)巖土田塊(S)與巖土煤矸石混合田塊(SG)中相同種類酶的含量差異較小，但與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中蔗糖酶含量與前2種復(fù)墾方式差異較小，脲酶含量較前2種復(fù)墾方式低10.00%、磷酸酶含量較前2種復(fù)墾方式高10.00%。

3)不同重構(gòu)方式下田塊之間的酶濃度的差異表現(xiàn)為：磷酸酶在巖土田塊(S)中濃度高于其他2種復(fù)墾方式的田塊，脲酶與蔗糖酶在巖土煤矸石混合田塊(SG)中的濃度均高于其他2種復(fù)墾方式的田塊；相同構(gòu)造方式下田塊內(nèi)的微生物與酶活性表現(xiàn)為隨著植被等級(jí)的增高而降低。

4)總體上來看，巖土煤矸石混合田塊(SG)與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性要高于巖土田塊(S)，這可能是由于位于表層0～20 cm的矸石所具有的良好保水性和粉煤灰較強(qiáng)的吸水性給土壤微生物提供了水分充裕的生存環(huán)境，利用采礦固廢解決東部草原礦區(qū)土地復(fù)墾表土稀缺的問題可能是較理想的土壤重構(gòu)模式。