淮南煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤理化性質(zhì)及其酶活性比較

崔魯楠,王 寧,李玉成,程 樺,鄭劉根,柳炳俊

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230601; 2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室,安徽 淮南232001)

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淮南煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤理化性質(zhì)及其酶活性比較

崔魯楠1,王 寧1,李玉成1,程 樺1,鄭劉根1,柳炳俊2

(1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,合肥 230601; 2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室,安徽 淮南232001)

采集淮南煤礦塌陷區(qū)3種塌陷類型——非穩(wěn)沉區(qū)、穩(wěn)沉區(qū)和修復(fù)區(qū)，分析了其各層土壤的理化性質(zhì)及酶活性，綜合評價了3種不同塌陷類型土壤生態(tài)肥力。結(jié)果表明：塌陷區(qū)在由非穩(wěn)沉區(qū)變?yōu)榉€(wěn)沉區(qū)的過程中，土壤的物理性能、土壤養(yǎng)分、酶活性總體呈下降趨勢；以土壤理化性質(zhì)和酶活性權(quán)重計算土壤綜合肥力指標(biāo)值(IFI)和土壤酶指數(shù)(ISE)，結(jié)果均顯示IFI與ISE值非穩(wěn)沉區(qū)最高，修復(fù)區(qū)較穩(wěn)沉區(qū)有所提高，土壤生物學(xué)肥力具有隨土壤層次深度增加而下降的變化特點；脲酶和蔗糖酶與土壤各理化性質(zhì)均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，表明脲酶和蔗糖酶可以作為評估煤礦塌陷區(qū)土壤肥力變化的有效性指標(biāo)。

煤礦塌陷區(qū); 塌陷類型; 土壤酶活性; 土壤生態(tài)肥力

煤炭是我國主要能源之一，占一次性能源使用量的75%左右[1]。采煤塌陷導(dǎo)致地表產(chǎn)生大量裂縫、裂隙[2]，進(jìn)而誘發(fā)地質(zhì)、土壤、水分等諸要素的響應(yīng)[3]，這些影響主要體現(xiàn)在對土壤的理化性質(zhì)和生物特性上。土壤酶活性是土壤生物活性的總體現(xiàn)，反映了土壤的綜合肥力特征及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程，所以它可以作為衡量土壤肥力水平高低的較好指標(biāo)，對于土壤生態(tài)系統(tǒng)的維持和生產(chǎn)力的恢復(fù)具有重要意義。目前，很多學(xué)者使用土壤酶活性變化來指示植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量狀況，并證實土壤酶可以用來表征煤礦區(qū)土壤復(fù)墾質(zhì)量[4-5]。對于淮南煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量變化已有不少學(xué)者進(jìn)行研究，但對淮南煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤酶活性變化及相關(guān)聯(lián)肥力評價的研究較少，尤其是以土壤養(yǎng)分和土壤酶活性來作為土壤生物學(xué)肥力評價指標(biāo)。土壤生態(tài)肥力是指在一定的環(huán)境條件下，土壤及其生物群落(微生物、動物與植物根系)之間長期協(xié)同進(jìn)化、相互適應(yīng)、相互作用而表現(xiàn)出的一種和諧共融特性，以及在該特性狀態(tài)下土壤保證植物生長所需物質(zhì)與能量的可獲得性和可持續(xù)的一種功能與能力[6]。根據(jù)淮南煤礦采煤塌陷區(qū)煤礦塌陷的分布特征及對地面的破壞程度不同，大致可將塌陷區(qū)分為穩(wěn)沉區(qū)、非穩(wěn)沉區(qū)。穩(wěn)沉區(qū)主要指地下煤已采完，地表塌陷已穩(wěn)定；非穩(wěn)沉區(qū)主要指第一水平或第二水平煤層正在采動，地表處于塌陷中；而目前淮南采煤塌陷區(qū)80%是非穩(wěn)沉區(qū)[7]。因此對于煤礦塌陷區(qū)特別是非穩(wěn)沉區(qū)的生態(tài)修復(fù)越來越受到人們的關(guān)注。

本文以淮南煤礦塌陷區(qū)的土壤為研究對象，通過測定和分析不同塌陷類型土壤酶活性及部分理化性質(zhì)，從土壤酶學(xué)角度結(jié)合土壤生物學(xué)肥力對淮南煤礦不同塌陷類型土壤質(zhì)量進(jìn)行評價，為礦區(qū)的土地資源保護(hù)與生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

淮南礦區(qū)地處安徽省中部，淮河的中游，處于暖溫和亞熱帶過渡地帶，年降水量893.4mm，年平均氣溫16.6℃，其煤炭總儲量占華東地區(qū)煤炭儲量的45%，據(jù)統(tǒng)計，淮南礦區(qū)自1949年以來，形成采煤塌陷區(qū)面積超過6 700 hm2[8]。其中后湖塌陷區(qū)與創(chuàng)大生態(tài)園位于潘集泥河塌陷區(qū)，深度1～5 m，未穩(wěn)沉；創(chuàng)大生態(tài)園采用挖深墊淺的方式進(jìn)行修復(fù)，矸石堆表面覆土，種植樹木、農(nóng)作物或蔬菜，覆土為黃棕壤，表面覆土厚度為20～40 cm；謝家集塌陷區(qū)主要是城西湖，深度5～20 m，穩(wěn)沉。本文所選擇的2種塌陷類型及修復(fù)區(qū)的樣地均選擇在塌陷水域旁，坡面坡度平緩，地表徑流對各地的影響無差異；氣候、氣溫及降水等因素對3個樣地的影響可以認(rèn)為沒有差異，這樣便于對不同塌陷類型土壤的分析結(jié)果進(jìn)行對比及判斷。

2　試驗材料與方法

2.1樣品采集與處理

采集了淮南煤礦塌陷區(qū)2種塌陷過程非穩(wěn)沉區(qū)(后湖塌陷區(qū)，F(xiàn)WC)，穩(wěn)沉區(qū)(謝家集塌陷區(qū),WC)和修復(fù)區(qū)(創(chuàng)大生態(tài)園，XF)作為對照，2014年11月現(xiàn)場采樣，記錄采樣區(qū)植被情況等，根據(jù)不同的塌陷類型共選定17個土壤樣點，每個樣點剖面均按0—10，10—20，20—30 cm分層采樣，共采集土壤樣品51個。采集各層土樣均1 kg放入自封袋內(nèi)。樣品帶回實驗室，揀去其中石塊、植物根系及雜物，經(jīng)冷凍干燥后按照四分法分別過20，60，100目尼龍篩，裝入自封袋并置于干燥器內(nèi)避光保存。

2.2測定方法

2.2.1土壤理化性質(zhì)測定土壤pH測定用酸度計；土壤粒徑用粒度分析儀[8](型號：LS13320ALM)；土壤C，N含量用元素分析儀[9]；土壤有機質(zhì)用燒失量法[10]；全磷用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；全鉀用NaOH熔融—等離子體光譜法；堿解性氮用堿解—擴(kuò)散法；速效磷用碳酸氫鈉浸提(1∶20)—鉬銻抗比色法。

土壤樣品的測定過程通過平行三樣、空白樣和土壤標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制，土壤標(biāo)準(zhǔn)品的回收率控制在80%～120%，土壤有效成分指標(biāo)測定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為遼寧棕壤GBW07412a(ASA-1a)，試驗試劑均為優(yōu)級純。試驗用水為去離子水。試驗數(shù)據(jù)處理與圖表分析用Origin 8.1，用SPSS 19進(jìn)行相關(guān)性分析。

表1　采樣區(qū)基本情況

2.3土壤酶指數(shù)

土壤中酶種類繁多，且每一種酶在土壤中發(fā)揮著不同的作用，單一的酶類在反映土壤酶的變化存在較大的片面性，為了全面揭示煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤酶活性的變化規(guī)律，在各種土壤酶的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用加權(quán)和法計算土壤酶指數(shù)(soil enzymes index，ISE)[12]。

2.4土壤生物學(xué)肥力的評價

應(yīng)用多元統(tǒng)計分析方法，以各主成分特征值貢獻(xiàn)率為權(quán)重，加權(quán)計算各樣地土壤生物學(xué)肥力指標(biāo)值(IFI)，以評價各區(qū)土壤的生物肥力特征。將pH、全氮、全磷、全鉀、堿解性氮、速效磷、有機質(zhì)、C/N、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，經(jīng)過主成分分析，得到變量，計算得分系數(shù)，進(jìn)而依據(jù)IFI公式得出不同樣地的IFI值[13-15]。

3　結(jié)果與分析

3.1土壤基本理化性質(zhì)

相關(guān)研究表明：土壤機械組成的改變使土壤的物理性能發(fā)生變化，在一定程度上說，土壤的形成就是黏粒的形成與機械組成的變化[16]。從表2可以看出，研究區(qū)0—30 cm深度內(nèi)的土壤主要由粉粒和砂粒組成，而黏粒所占比例最少。非穩(wěn)沉區(qū)土壤從上層到下層黏粒比例有所增高，黏粒所占比例：非穩(wěn)沉區(qū)>穩(wěn)沉區(qū)>修復(fù)區(qū)。這可能是由于在煤礦開采過程中引起的塌陷改變了原有土層結(jié)構(gòu)，使得土壤垂直裂隙增大，從而使耕作層土壤中的細(xì)小顆粒在地表徑流的作用下沿地裂縫流失，使得塌陷區(qū)物理性黏粒減少，從而使非穩(wěn)沉區(qū)的土壤黏粒要大于穩(wěn)沉區(qū)。研究區(qū)土壤pH差異性較大，非穩(wěn)沉區(qū)土壤呈弱酸性，穩(wěn)沉區(qū)與修復(fù)區(qū)呈弱堿性，并且各區(qū)土壤隨著土層加深，pH值增加。氮素是影響土壤肥力的重要指標(biāo)[17]，不同塌陷類型土壤全氮含量顯著不同，0—10 cm土層非穩(wěn)沉區(qū)全氮含量最高，顯著高于穩(wěn)沉區(qū)與修復(fù)區(qū)，10—20，20—30 cm土層也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，且速效磷含量與全氮表現(xiàn)為相同的趨勢。土壤堿解性氮較能反映出近期土壤內(nèi)氮素的供應(yīng)情況，研究區(qū)各塌陷類型土壤堿解性氮差異性顯著，尤其是非穩(wěn)沉區(qū)各層土壤堿解性氮明顯高于穩(wěn)沉區(qū)，且修復(fù)區(qū)的堿解性氮含量要高于穩(wěn)沉區(qū)，且有機質(zhì)含量與堿解性氮表現(xiàn)為相同的趨勢，此外，研究區(qū)各類型土壤的全磷、全鉀差異性較小。從表3可以看出，研究區(qū)土壤有機質(zhì)與土壤pH、土層深度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與含水率、堿解性氮、總氮、總鉀呈極顯著正相關(guān)，表明有機質(zhì)與氮極顯著相關(guān)并影響碳、氮的平衡。

表2　淮南礦區(qū)不同塌陷類型土壤基本理化性質(zhì)

注：砂粒(0.02～2 mm)，粉粒(0.02～0.002 mm)，黏粒(<0.002 mm)；相同字母表示不同類型不同層次同一指標(biāo)無顯著性差異(p<0.05)。

表3　土壤有機質(zhì)與理化性質(zhì)的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

3.2土壤酶活性

研究區(qū)土壤酶活性變化趨勢見圖1，可以看出，煤礦在由非穩(wěn)沉區(qū)變?yōu)榉€(wěn)沉區(qū)的過程中，土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而復(fù)墾區(qū)土壤蔗糖酶活性較穩(wěn)沉區(qū)有所提高，在0—10 cm非穩(wěn)沉區(qū)蔗糖酶活性最高，達(dá)到7.66 mg/(g·h)，而穩(wěn)沉區(qū)與非穩(wěn)沉區(qū)相比，其蔗糖酶活性降低了48%，并差異顯著；修復(fù)區(qū)較穩(wěn)沉區(qū)其蔗糖酶活性提高了36%，表明對塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾，在一定程度上土壤蔗糖酶活性有所提高。此外，隨著土層的加深，土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且各區(qū)不同土層的土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)出相似的規(guī)律。研究區(qū)土壤脲酶、過氧化氫酶和脫氫酶活性在各區(qū)不同層次的變化特征基本與土壤蔗糖酶一致，表現(xiàn)為非穩(wěn)沉區(qū)>修復(fù)區(qū)>穩(wěn)沉區(qū)，酶活性隨著土層加深而降低，這可能是由于穩(wěn)沉區(qū)較非穩(wěn)沉區(qū)塌陷時間長，土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化，生態(tài)條件逐漸惡化，導(dǎo)致土壤酶活性逐漸降低。

土壤酶活性的高低不僅表明土壤的養(yǎng)分狀況，而且在一定程度上反映土壤微生物的活動狀況，其中脫氫酶活性被認(rèn)為能夠較全面地反映土壤微生物特性，是土壤微生物生物活性的一個較好指標(biāo)[18]。與穩(wěn)沉區(qū)裸地相比，修復(fù)區(qū)的土壤的蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均有提高，分別為前者的1.35～1.59，1.14～1.27，1.06～1.14，1.41～1.53倍，這是由于修復(fù)區(qū)經(jīng)過復(fù)墾，坡面種植草本與小灌木，能夠緩解水土流失的現(xiàn)象，土壤表層凋落物量增加，土壤養(yǎng)分逐漸積累，使土壤微生物數(shù)量增加，土壤酶活性較穩(wěn)沉區(qū)得到了一定程度的提高。

3.3土壤酶活性與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性

由表4可知，pH值與所測定的幾種酶活性之間呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)，表明了隨著土壤pH值的增高，酶活性呈現(xiàn)下降的趨勢；土壤理化性質(zhì)各個指標(biāo)(包括全氮、全鉀、堿解性氮、速效磷、有機質(zhì)、碳氮比)與土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)；尤其是堿解性氮、有機質(zhì)與蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶相關(guān)性系數(shù)較高，從側(cè)面說明了土壤養(yǎng)分狀況改善與土壤酶活性增加之間的關(guān)系，也說明土壤酶活性與土壤生物學(xué)肥力有關(guān)并且可以作為衡量土壤生物學(xué)性狀高低的指標(biāo)之一，但不同塌陷類型土壤酶活性的差異可能還與不同植物根系所產(chǎn)生的各種酶的數(shù)量及植物群落對土壤動物和土壤微生物群落影響有關(guān)，這是因為土壤酶主要來自于土壤植物根系、土壤動物以及土壤微生物[19]。

注：相同字母表示不同類型同一種酶無顯著性差異(p<0.05)。

圖1煤礦塌陷區(qū)不同塌陷類型土壤酶活性

表4　土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

3.4土壤酶指數(shù)

使用土壤酶指數(shù)(ISE)作為酶因子的綜合作用表征，使酶活性的變化能夠客觀全面的表達(dá)，從而克服不同種類酶活性在土壤質(zhì)量改變中的片面性，從圖2可以看出，土壤酶指數(shù)(ISE)在各區(qū)之間明顯不同，并顯著差異。其中0—10 cm非穩(wěn)沉區(qū)土壤最高，達(dá)到0.76，其次為修復(fù)區(qū)，穩(wěn)沉區(qū)最低；垂直方向上，各區(qū)土壤土層自上而下土壤酶活性逐漸降低。

注：相同字母表示不同類型同一層次無顯著性差異(p<0.05)。

圖2不同塌陷類型土壤酶活性指數(shù)(ISE)

3.5土壤綜合肥力指標(biāo)值

土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性是反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的重要指標(biāo)，但土壤總體肥力水平取決于各項肥力指標(biāo)的平衡，以土壤理化性質(zhì)和酶活性指標(biāo)計算IFI。從圖3可以看出，各區(qū)土壤剖面不同土壤層次的土壤綜合肥力具有明顯的層次性差異，均表現(xiàn)為0—10 cm層>10—20 cm層>20—30 cm層的特點，表明各區(qū)土壤綜合肥力隨土層層次加深而下降。而不同塌陷類型土壤綜合肥力指標(biāo)表現(xiàn)為非穩(wěn)沉區(qū)>修復(fù)區(qū)>穩(wěn)沉區(qū)。這是由于穩(wěn)沉區(qū)相對于非穩(wěn)沉區(qū)，土壤塌陷嚴(yán)重，植被稀少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)條件惡劣，生物與土壤間物質(zhì)和能量交換能力減弱，自肥能力低，故土壤綜合肥力IFI值下降顯著；而修復(fù)區(qū)相對于穩(wěn)沉區(qū)，經(jīng)過一定植物修復(fù)，林(草)生長速度加快，光照、土壤水分條件得到一定程度的改善，土壤養(yǎng)分逐漸積累，同時土壤酶活性與微生物數(shù)量得到一定程度的恢復(fù)，故其土壤綜合肥力IFI值較穩(wěn)沉區(qū)有所提高。

圖3　不同塌陷類型土壤肥力綜合指標(biāo)值(IFI)

4　結(jié) 論

淮南煤礦塌陷區(qū)在由非穩(wěn)沉區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)沉區(qū)的過程中，土壤質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢；對塌陷區(qū)進(jìn)行復(fù)墾與植物修復(fù)對土壤質(zhì)量改善有一定作用；通過對不同塌陷類型土壤的理化性質(zhì)指標(biāo)與酶活性綜合比較，非穩(wěn)沉區(qū)相關(guān)指標(biāo)要優(yōu)于修復(fù)區(qū)，修復(fù)區(qū)要優(yōu)于穩(wěn)沉區(qū)；從土壤綜合肥力指標(biāo)值(IFI)評價得分值來看，非穩(wěn)沉區(qū)的土壤綜合肥力最好，全氮、全鉀、堿解性氮、速效磷、有機質(zhì)、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶等可以作為塌陷區(qū)土壤生態(tài)肥力評價的科學(xué)指標(biāo)，由于土壤脲酶和蔗糖酶與土壤理化性質(zhì)及其他酶活性指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，土壤脲酶和蔗糖酶可以作為評估煤礦塌陷區(qū)土壤肥力變化的有效性指標(biāo)。

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Comparison of Soil Physical and Chemical Properties and Soil Enzyme Activities in Different Types of Subsidence in Huainan Mining Subsidence Area

CUI Lunan1,WANG Ning1,LI Yucheng1,CHENG Hua1,ZHENG Liugen1,LIU Bingjun2

(1.School of Resources and Environmental Engineering,Anhui University,Hefei 230601,China; 2.National Engineering Laboratory of Ecological Environment Protection in Coal Mine,Huainan,Anhui 232001,China)

Three types of subsidence from coal mine subsidence in Huainan City were sellected for evaluation,including unstable subsidence area,stable subsidence area and restoration area.The soil physical chemical properties and soil enzyme of the soil layers were analyzed.The results showed that the soil physical properties,the soil nutrient and the soil enzyme decreased during the process of the change of unstable subsidence area into stable subsidence area.It was found that the unstable subsidence area had the highest integrated fertility index (IFI)and soil enzyme index values (ISE)and the integrated fertility index and soil enzymes index values of the restoration area was higher than the stable subsidence area.The soil biological fertility decreased with the increase of soil depth.Urease and invertase were highly obviously correlated with soil physical and chemical properties,suggesting that urease and invertase could be used as feasible indicators to assess change of soil nutrients in coal mining subsidence area.

mining subsidence; subsidence types; soil enzyme; soil biological fertility

2015-10-22

2015-11-08

十二五國家科技支撐計劃支撐項目(2012BAC10B02);國家自然科學(xué)基金(41373108);國家自然科學(xué)基金(41172121);安徽省自然科學(xué)基金(1208085ME66);安徽省教育廳重點資助項目(KJ2012A022);煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室科技攻關(guān)項目(HKKY-JT-JS2012);安大博士啟動基金(12333190121)

崔魯楠(1990—),男,山東威海人,碩士研究生,研究方向為礦區(qū)土壤修復(fù)。E-mail:cln199003@163.com

王寧(1971—),男,安徽安慶人,副教授,博士,主要從事環(huán)境化學(xué)研究。E-mail:ningwang0001@163.com

S153.6; S154.2

A

1005-3409(2016)05-0090-05