永利露天煤礦排土場(chǎng)不同植被類型下土壤理化性質(zhì)和酶活性研究

肖 禮, 趙俊峰, 黃懿梅, 馬任甜, 方 瑛, 安韶山,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

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永利露天煤礦排土場(chǎng)不同植被類型下土壤理化性質(zhì)和酶活性研究

肖 禮1, 趙俊峰1, 黃懿梅1, 馬任甜1, 方 瑛1, 安韶山1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

以鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗永利露天煤礦排土場(chǎng)不同植被類型(苜蓿、沙打旺、沙打旺+油松)土壤為研究對(duì)象，以復(fù)墾1 a土壤為對(duì)照(CK)，探討了永利煤礦排土場(chǎng)不同植被類型條件下土壤理化性質(zhì)和酶活性變化特征，以及兩者之間的相關(guān)關(guān)系，為該區(qū)露天煤礦排土場(chǎng)的植被恢復(fù)工作提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：礦區(qū)復(fù)墾對(duì)土壤質(zhì)量有一定的改善，表現(xiàn)為沙打旺>苜蓿>沙打旺+油松>CK，土壤酶活也得到了一定改善。0—10 cm土層，沙打旺的有機(jī)碳為5.18 g/kg，顯著高于其他植被恢復(fù)措施，沙打旺對(duì)于改良土壤有一定的優(yōu)勢(shì)；土壤有機(jī)碳、全氮、酶活性隨著土層深度的加深而降低，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間存在不同程度的相關(guān)性，土壤磷酸酶、蔗糖酶與土壤容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系；不同植被類型間土壤酶活性亦存在顯著差異，土壤蔗糖酶表現(xiàn)為沙打旺>苜蓿>沙打旺+油松>CK，沙打旺脲酶顯著高于其他植被類型及CK。

永利煤礦; 植被類型; 理化性質(zhì); 土壤酶活

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭資源的開發(fā)利用在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中都發(fā)揮著重要作用。露天煤礦有實(shí)現(xiàn)集中開采，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，世界各采煤國(guó)家都優(yōu)先發(fā)展露天采煤作為增加煤產(chǎn)量的主要途徑。隨著露天煤礦的建設(shè)和發(fā)展，露天開采對(duì)礦區(qū)土地資源和生態(tài)環(huán)境的破壞日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1991—2000年的十年間，我國(guó)開采原煤約0.1 Gt左右，直接破壞土地估計(jì)22 000 hm2，到2020年，年均破壞土地面積約為6 600 hm2，其破壞速度是十分驚人的[1]。我國(guó)土地復(fù)墾時(shí)間較晚，主要采用填埋、剝離、覆土等簡(jiǎn)單措施，土地復(fù)墾基本上處于一種自然修復(fù)的狀態(tài)[2]。植被恢復(fù)是礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵，因?yàn)閹缀跛械淖匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)總是以植被恢復(fù)為前提的，故根據(jù)具體環(huán)境條件與需要選擇適宜的樹種是生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是土地復(fù)墾的核心[3]。植被恢復(fù)礦區(qū)的過(guò)程中，不僅能有效的改善礦區(qū)生態(tài)景觀環(huán)境，還能通過(guò)凋落物加速土壤肥力的恢復(fù)。土壤酶活性主要來(lái)自植物根系分泌物、動(dòng)植物殘?bào)w的腐爛分解，以及土壤中微生物活動(dòng)等，它是土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)[4]。它在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著非常重要的作用，其活性常被作為土壤肥力指標(biāo)[5-7]。目前，對(duì)露天煤礦復(fù)墾的研究多關(guān)注于土壤理化性質(zhì)和生物多樣性的研究，研究土壤酶活性以及理化性質(zhì)與土壤酶活之間關(guān)系的相對(duì)較少。本文對(duì)永利露天煤礦排土場(chǎng)不同植被類型下的土壤理化性質(zhì)和土壤酶活進(jìn)行分析探討，以期了解礦區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤的影響，為礦區(qū)植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

永利煤礦座落于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗烏蘭哈達(dá)鄉(xiāng)哈拉慶溝與賈明溝的范圍內(nèi)，現(xiàn)井田面積為3.567 km2，系露天開采A類煤礦。地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°12′，北緯39°43′，海拔高度在1 324～1 423 m。屬于典型的中溫帶半干旱大陸性氣候，常年平均溫度7℃，年積溫3 000℃，年日照在3 000 h以上。礦區(qū)屬干旱少雨的丘陵山區(qū)，全年降水量約為380 mm。

礦區(qū)屬于中部丘陵溝壑砒砂巖區(qū)，位于準(zhǔn)格爾旗西部，是由三世紀(jì)上統(tǒng)砂質(zhì)泥巖，中統(tǒng)的含礫砂巖，泥質(zhì)粉砂巖和棕紅色砂質(zhì)泥巖、砂礫砂巖構(gòu)成。植被均以其抗旱，抗貧瘠、生長(zhǎng)緩慢、種類單純?yōu)槠涮攸c(diǎn)。主要樹種以油松、側(cè)柏、杜松為主群系，多與闊葉楊、柳、榆、酸刺、檸條等組成喬灌混交林。

1.2樣品采集

2013年9月在內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗永利煤礦復(fù)墾區(qū)采集土壤樣品，依次取恢復(fù)10 a的苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(AstragalusadsurgensPall)、沙打旺+油松混交林(AstragalusadsurgensPall +PinustabulaeformisCarr)的典型樣地，選取3個(gè)采樣點(diǎn)作為野外重復(fù)，采用“S”形布點(diǎn)采樣法，同時(shí)選取復(fù)墾一年的苜蓿地作為CK對(duì)照，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)樣方，樣方面積分別為：?jiǎn)棠緲臃?0 m×20 m，草地樣方l m×l m。采用多點(diǎn)混合取樣法，按0—10 cm，10—20 cm兩層分別取混合樣，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，仔細(xì)除去其中可見(jiàn)的植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物。土樣風(fēng)干過(guò)2 mm篩后供土壤的酶活性與理化性質(zhì)分析用。

1.3樣品分析

1.3.1土壤理化性質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀—外加熱法，土壤全氮采用凱氏定氮法(KYD-9830)，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，土壤容重采用環(huán)刀法[8]。

1.3.2土壤酶活性脲酶活性測(cè)定采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[mg/(g·24 h)]，蔗糖酶活性測(cè)定用3，5-二硝基水楊酸比色法[mg/(g·24 h)]，堿性磷酸酶活性測(cè)定用磷酸苯二鈉比色法[mg/(g·24 h)][9]。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、單因素方差分析(One-Way ANOVA)以及多重比較，運(yùn)用Excel 2013數(shù)據(jù)處理和Origin 9.0圖型制作。

2　結(jié)果與分析

2.1不同植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同植被恢復(fù)類型土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。植被恢復(fù)方式不同，凋落物成分有所不同，從而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的形成產(chǎn)生影響也不同。土壤有機(jī)碳是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，不同植被類型間的差異顯著(p<0.05)，但各樣地有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0—10 cm>10—20 cm土層。0—10 cm土層和10—20 cm土層有機(jī)碳含量沙打旺顯著大于其他植被，沙打旺與油松混交、苜蓿大于CK。0—10 cm土層，沙打旺的有機(jī)碳為5.18 g/kg，顯著高于CK 2.55 g/kg，高于苜蓿1.73 g/kg。全氮含量0—10 cm土層沙打旺、沙打旺+油松混交林顯著大于苜蓿和CK，且沙打旺的含量是苜蓿的2倍，也說(shuō)明了沙打旺改良土壤的優(yōu)勢(shì)。速效磷含量在0—10 cm土層表現(xiàn)為CK>混交林>沙打旺>苜蓿地，前三者差異不顯著，而且沒(méi)有明顯規(guī)律，這是因?yàn)橥寥浪傩Я椎姆植稼厔?shì)主要與根系分布和不同植被對(duì)土壤剖面速效磷的吸收利用有關(guān)。土壤容重0—10 cm四者差異不顯著，10—20 cm土CK與沙打旺和混交林差異顯著。不同植被土壤基本理化性質(zhì)隨土層深度變化中土壤全氮、有機(jī)碳含量0—10 cm土層均大于10—20 cm土層，容重則相反，速效磷無(wú)此規(guī)律性。不同土層之間有機(jī)碳和全氮差異達(dá)到顯著水平。

表1　不同植被土壤基本理化性質(zhì)

2.2不同植被類型對(duì)土壤酶活的影響

土壤磷酸酶(圖1A)是一類能夠催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的水解酶，水解后釋放出無(wú)機(jī)磷和各種醇類作為植物磷素營(yíng)養(yǎng)，因此磷酸酶活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。0—10 cm土層，苜蓿地磷酸酶的含量為0.326 mg/(g·24 h)顯著高于沙打旺、混交林，顯著高于CK，且苜蓿是CK的1.8倍。10—20 cm土層各植被之間沒(méi)有顯著差異。除CK外，其他植被0—10 cm土層磷酸酶均大于10—20 cm土層。

土壤蔗糖酶(圖1B)可以增加土壤中易溶物質(zhì)，其活性與土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化和呼吸強(qiáng)度具有密切關(guān)系。不同植被之間均表現(xiàn)為0—10 cm土層大于10—20 cm土層。0—10 cm土層，沙打旺、混交林和苜蓿顯著大于CK。10—20 cm土層沙打旺顯著高于混交林、苜蓿和CK。這也與沙打旺有機(jī)碳顯著高于CK一致。

尿素水解后的某些酶統(tǒng)稱為脲酶(圖1C)，它是催化土壤中尿素唯一的酶類，其酶促水解產(chǎn)物為氨氣和二氧化碳，由此可見(jiàn)脲酶與土壤的供氮能力之間具有極其密切的聯(lián)系。因此土壤脲酶活性的高低常被用來(lái)表征土壤氮素的供應(yīng)程度大小。在0—10 cm土層中，沙打旺、混交林、苜蓿均顯著大于CK，10—20 cm土層混交林顯著大于苜蓿，與CK差異不顯著。不同植被之間均是0—10 cm土層大于10—20 cm。脲酶活性大致表現(xiàn)為混交林>沙打旺>苜蓿>CK。

2.3土壤酶活與理化性質(zhì)的相關(guān)分析

對(duì)土壤酶活性與土壤各理化性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)單相關(guān)分析。由表2可知，土壤磷酸酶活性與土壤有機(jī)碳、土壤容重顯著正相關(guān)，脲酶活性與土壤容重顯著正相關(guān)。蔗糖酶活性與容重相關(guān)性不顯著；三種酶活性與全氮、含水率、速磷相關(guān)性不顯著。

注:圖中不同小寫字母代表同一土層不同植被類型間的差異顯著。

圖1　不同植被類型對(duì)土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶的影響表2　土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

注:*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**.在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3　討 論

3.1不同植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

植被在改善土壤肥力方面具有重要作用，不同植被類型土壤養(yǎng)分含量具有明顯差異[10,11]。有機(jī)碳、氮及磷含量是礦區(qū)排土場(chǎng)土壤形成的關(guān)鍵因素[12-13]。從總體上來(lái)看，隨著土層深度的增加，各土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。相同土層中沙打旺、沙打旺+油松混交土壤養(yǎng)分含量最高，其次是苜蓿地，CK最低。這與薛立等[14]研究結(jié)果相似，與馬尾松純林相比，混交林的土壤有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分含量更高。這可能與次生闊葉林的植被種類多樣、凋落物量大等原因有關(guān)。土壤有機(jī)碳和全氮是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在本研究中可以發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳和全氮含量表現(xiàn)為沙打旺>苜蓿>沙打旺+油松>CK，其中苜蓿和沙打旺+油松差異不顯著。這也說(shuō)明了人工植被和混交林的凋落物和根系分泌物為土壤提供有機(jī)質(zhì)，使土壤的C，N肥力尤其是表層C，N肥力得到一定恢復(fù)。但是沙打旺的有機(jī)碳顯著大于沙打旺+油松混交林，這說(shuō)明油松的介入在一定程度上影響了土壤有機(jī)碳。土壤速效磷以CK最大，但各土層之間沒(méi)有規(guī)律性，土壤中的磷元素主要來(lái)源于母質(zhì)，初始土壤的含量影響較大[15]。但土壤速效磷除CK外，均是亞表層大于表層土壤，這可能是磷的淋溶結(jié)果。土壤容重是表征土壤物理屬性的一個(gè)綜合指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，致密緊實(shí)，土壤容重大[16]。這與本研究相似，可以看出10—20 cm土層沙打旺容重小于CK。陳建宇等[17]指出適合植被生長(zhǎng)的土壤容重為1.20～1.40 g/cm3，本研究中0—10 cm土層，除苜蓿地外都達(dá)到了要求。結(jié)合方差分析可以看出植被與土層深度對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響程度不同，土壤容重和速效磷在不同土層中的變化受植被恢復(fù)的影響顯著，不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的影響主要表現(xiàn)在土層深度上。

3.2不同植被類型對(duì)土壤酶活的影響

土壤酶是一種生物的催化劑，它主要的來(lái)源是土壤中的動(dòng)物、植物以及微生物[18]，參與土壤中各種有機(jī)質(zhì)的分解、合成與轉(zhuǎn)化，以及無(wú)機(jī)物質(zhì)的氧化與還原等過(guò)程。土壤酶活性可以反映土壤中生物代謝的強(qiáng)弱和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的速度，是土壤生態(tài)質(zhì)量的良好標(biāo)記[19]。土壤酶活性的高低還可以直接或間接反映土壤肥力和土壤健康程度[20]，可以作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的生物指標(biāo)[21]。不同植被下三種土壤酶活性土層差異顯著，且除CK酶活性外各酶活性都是隨土層加深而降低。三種酶活性總體表現(xiàn)為沙打旺>苜蓿>沙打旺+油松>CK，這與理化性質(zhì)類似，同時(shí)也表明了油松的加入在一定程度上降低了土壤酶活，進(jìn)一步說(shuō)明油松不利于礦區(qū)土壤恢復(fù)。土壤磷酸酶能催化磷酸脂的水解及無(wú)機(jī)磷酸的釋放，在土壤磷素循環(huán)中起重要作用。研究結(jié)果表明磷酸酶活性與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性極顯著，這與何鋼[22]等研究相似。脲酶能分解有機(jī)物質(zhì)，其水解成NH3和CO2，其中NH3是植物氮素營(yíng)養(yǎng)的直接來(lái)源，脲酶活性可以表示土壤氮素情況，但研究結(jié)果是脲酶酶活與全氮含量相關(guān)性不顯著，其可能的原因也是與研究的時(shí)間和土壤中氮素存在的含量有關(guān)，9月，各種植被剛經(jīng)歷根系生長(zhǎng)高峰，吸收的氮素營(yíng)養(yǎng)較多，土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)相對(duì)較少，再就是土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)不是以氨態(tài)氮形式存在，而是以硝態(tài)氮營(yíng)養(yǎng)形式存在[22]。

4　結(jié) 論

植被恢復(fù)過(guò)程中土壤，植被及地下土壤生物均發(fā)生了顯著的變化，大部分的研究表明植被恢復(fù)過(guò)程中土壤的物理化學(xué)性質(zhì)得到了改善[23-24]。不同植被類型與土層深度對(duì)土壤理化性質(zhì)有不同程度的影響。土壤養(yǎng)分和土壤酶是影響和評(píng)價(jià)土壤的的重要組成部分。從總體上來(lái)看，隨著土層深度的增加，各土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。不同植被恢復(fù)方式對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的影響主要表現(xiàn)在不同土層深度，有機(jī)碳和容重對(duì)土壤磷酸酶的影響呈顯著相關(guān)關(guān)系。沙打旺+油松混交林的土壤理化性質(zhì)和酶活總體上低于沙打旺，表明油松不利于礦區(qū)植被和土壤的恢復(fù)。同時(shí)也說(shuō)明沙打旺作為該排土場(chǎng)復(fù)墾土壤的改良作物具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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Study on Soil Enzyme Activities and Physical and Chemical Properties Under Different Vegetation Types in Yongli Opencast Coal Mine

XIAO Li1, ZHAO Junfeng1, HUANG Yimei1, MA Rentian1, FANG Ying1, AN Shaoshan1,2

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDryLandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling，Shaanxi712100,China)

In order to understand the effects on soil physical and chemical properties and enzyme activity variation in different vegetation types， three kinds of vegetation types(Medicagosativa,AstragalusadsurgensPall,AstragalusadsurgensPall +PinustabulaeformisCarr) were selected as research samples in Jungar Banner, Erdos. The studies were help understand the relationships between vegetation restoration and soil quality. The results showed that soil physical and chemical properties of different vegetation types had been improved, were characterized byAstragalusadsurgensPall >Medicagosativa>AstragalusadsurgensPall +PinustabulaeformisCar>CK; the soil organic carbon in 0—10 cm layer inAstragalusadsurgensPall community was 5.18 g/kg, which was significant higher than other vegetation types; soil organic matter, total nitrogen and enzyme activities under different vegetation types declined with increase of soil depths. There were significant correlations between soil enzyme activities and soil nutrients. Phosphatase and invertase were significantly positively correlated with soil bulk density, suggesting that soil bulk density had significant effects on soil enzyme activities. Soil enzyme activities also significantly differed from different vegetation types, with respect to invertase,AstragalusadsurgensPall >Medicagosativa>AstragalusadsurgensPall +PinustabulaeformisCar> CK. The invertase ofAstragalusadsurgensPall was twice higher thanAstragalusadsurgensPall +PinustabulaeformisCar, and urease inAstragalusadsurgensPall soil was significantly higher than other vegetation types.

Yongli coal mine; vegetation types; physical and chemical properties; soil enzyme activity

2015-07-08

2015-07-30

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目“晉陜蒙能源基地水土保持與受損生態(tài)系統(tǒng)重建關(guān)鍵技術(shù)與示范”(KZCX2-XB3-13)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41171226)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才(NCET-2-0479)

肖禮(1990—),男,重慶人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境工程效益評(píng)估。E-mail:xiaoli047@nwsuaf.edu.cn

黃懿梅(1971—),女,四川大竹人,副教授,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)、固體廢棄物處理。E-mail:ymhuang1971@nwsuaf.edu.cn

S154.2

A

1005-3409(2016)04-0089-05