平朔黃土露天礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物與酶活性分析

張振佳,曹銀貴,2,*,王舒菲,郭春燕,王 翔,盧 寧,周 偉,2,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 山西省生物研究院有限公司, 太原 030006

煤炭開(kāi)采為社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了動(dòng)力資源保障,但同時(shí)也對(duì)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞[1],帶來(lái)了一系列的社會(huì)發(fā)展問(wèn)題[2-3],使得礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)成為了世界上退化最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一[4-5]。當(dāng)前,由于煤炭開(kāi)采而引發(fā)的系列生態(tài)退化問(wèn)題已經(jīng)上升為全球問(wèn)題,土地復(fù)墾研究工作也因此受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和政府部門(mén)的重視,國(guó)外許多發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)等較早地開(kāi)展了礦區(qū)土地復(fù)墾的相關(guān)研究和工作[6],而中國(guó)的露天煤礦多集中在生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地區(qū)且在礦區(qū)土地復(fù)墾與土壤重構(gòu)方面的研究起步相對(duì)較晚,且損毀土地的復(fù)墾治理率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,煤礦開(kāi)采活動(dòng)已經(jīng)嚴(yán)重威脅到區(qū)域內(nèi)的生態(tài)和居住環(huán)境安全[7-8]。排土場(chǎng)是露天煤礦開(kāi)采形成土地?fù)p毀的主要類(lèi)型之一,是礦區(qū)高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),占?jí)毫舜罅客恋?破壞動(dòng)植物的生存環(huán)境,造成土壤功能的嚴(yán)重退化,對(duì)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)形成嚴(yán)重的威脅[9]。因此,對(duì)礦區(qū)排土場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建已經(jīng)成為礦區(qū)土地復(fù)墾研究的熱點(diǎn),同時(shí)對(duì)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤是地球表層的自然資源和環(huán)境的重要組成部分,露天煤礦的開(kāi)采對(duì)土壤系統(tǒng)的損毀極為嚴(yán)重。土壤微生物作為土壤的重要組成成分,參與了土壤系統(tǒng)內(nèi)的許多生物化學(xué)反應(yīng),對(duì)土壤中的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)以及養(yǎng)分的分解、形成、循環(huán)和轉(zhuǎn)化起到了關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)作用[10],在一定程度上保障著生態(tài)服務(wù)的可持續(xù)提供[11]。雖然微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)的占比較少,但其對(duì)土壤環(huán)境的變化狀況十分敏感,能夠及時(shí)反應(yīng)土壤質(zhì)量和土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[12]。土壤酶活性是表征土壤中生物活性的綜合指標(biāo),是土壤系統(tǒng)中各種生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑,能夠及時(shí)反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及土壤環(huán)境變化狀況[13],已經(jīng)成為研究土壤系統(tǒng)變化的重要生物指標(biāo)之一并被廣泛應(yīng)用[14]。礦區(qū)重構(gòu)土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與普通土壤存在很大區(qū)別[15],特別是復(fù)墾年限較少的土壤,以土壤理化性質(zhì)作為指標(biāo)評(píng)價(jià)其質(zhì)量狀況的敏感性不夠,而土壤微生物及酶活性作為反應(yīng)土壤環(huán)境質(zhì)量變化的敏感因子受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛重視[16]。捷克西北部煤礦的有關(guān)研究通過(guò)對(duì)比復(fù)墾草地和未復(fù)墾草地土壤微生物特性隨時(shí)間變化的特點(diǎn),表明復(fù)墾地的微生物生物量顯著高于未開(kāi)墾地,并強(qiáng)調(diào)對(duì)采礦后場(chǎng)地不同植被類(lèi)型下土壤化學(xué)和微生物特性的變化開(kāi)展研究是制定管理措施以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)功能的重要步驟[17]。對(duì)南非富煤地區(qū)露天煤礦的研究表明,表層土壤微生物群落受土壤性質(zhì)的影響不顯著,而底層土壤微生物群落受pH值、有機(jī)碳、總氮和總磷的影響顯著,采礦區(qū)微生物群落受損可能對(duì)微生物驅(qū)動(dòng)的土壤生物過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響,進(jìn)而可能會(huì)影響礦區(qū)土壤開(kāi)采后的土地利用[18]。美國(guó)Wyoming州東北部礦區(qū)的研究揭示了不同植被類(lèi)型和不同復(fù)墾時(shí)間段的土壤微生物濃度及群落結(jié)構(gòu)的變化,結(jié)果表明植被與微生物群落之間存在著顯著關(guān)系[19]。有關(guān)研究對(duì)比分析了澳大利亞Queensland中部礦區(qū)不同農(nóng)藝措施下煤礦廢棄地土壤微生物群落的功能多樣性、微生物活性及其理化性質(zhì),表明連作等農(nóng)藝處理不僅能提高微生物活性,而且對(duì)增加土壤微生物群落的功能多樣性具有建設(shè)性作用[20]。夏品華等[21]認(rèn)為通過(guò)利用土壤微生物群落和酶活性這些具有早期預(yù)警作用的生物學(xué)指標(biāo)能夠敏感地反應(yīng)復(fù)墾土壤質(zhì)量變化情況；王翔等[22]對(duì)安太堡露天礦不同植被恢復(fù)類(lèi)型復(fù)墾地的土壤養(yǎng)分和酶活性進(jìn)行差異性分析,以養(yǎng)分含量和酶活性權(quán)重計(jì)算復(fù)墾土壤綜合肥力指標(biāo)值,綜合評(píng)價(jià)不同植被類(lèi)型對(duì)復(fù)墾地土壤肥力的恢復(fù)效果；于亞軍等[23]分析了山西曹村礦復(fù)墾煤矸山的3種不同的植被復(fù)墾模式下0—20 cm土壤微生物及酶活性的差異,認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)和含水量不同是造成3 種復(fù)墾模式土壤微生物和酶活性差異的主要原因,喬木模式和灌木模式相比草本模式更有利于提高煤矸山復(fù)墾土壤質(zhì)量;趙中秋等[24]研究了不同植物種類(lèi)和復(fù)墾時(shí)間對(duì)土壤發(fā)育的影響,利用平板計(jì)數(shù)法檢測(cè)了不同復(fù)墾年限和復(fù)墾模式下的各類(lèi)微生物數(shù)量,研究認(rèn)為復(fù)墾時(shí)間和樹(shù)種選擇會(huì)對(duì)微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)造成重要影響。大量相關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)土壤微生物及酶活性對(duì)于采礦后植被重建過(guò)程和景觀(guān)的成功恢復(fù)具有重大意義,被廣泛認(rèn)可為評(píng)價(jià)土壤肥力和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[25-26]。

綜上,針對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤的相關(guān)研究國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展,但研究大多集中在復(fù)墾模式比較、植被的重建、土壤理化性質(zhì)監(jiān)測(cè)及土壤質(zhì)量的評(píng)估方面[20,24,27],對(duì)礦區(qū)重構(gòu)土壤的微生物生態(tài)研究存在明顯不足。其次由于植物物種多樣性評(píng)估可能受到了人工種植時(shí)間因素的嚴(yán)重影響[28],在短期內(nèi)可能具有誤導(dǎo)性缺陷,不能準(zhǔn)確反應(yīng)重構(gòu)土壤的早期恢復(fù)狀況,相關(guān)研究已經(jīng)表明復(fù)墾年限對(duì)土壤性質(zhì)有顯著影響[29],并且土壤微生物群落可以更準(zhǔn)確和及時(shí)地反映退化土地的恢復(fù)情況,能夠作為礦區(qū)復(fù)墾地成功恢復(fù)的早期指標(biāo)[30]。本文以中國(guó)平朔礦區(qū)不同復(fù)墾年限的排土場(chǎng)為研究對(duì)象,采用空間序列代替時(shí)間演替的方法,旨在探索礦復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量及酶活性的特征、差異及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以期為礦區(qū)重構(gòu)土壤的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中國(guó)平朔礦區(qū)地處黃土高原晉陜蒙接壤地帶,煤炭資源豐富,礦區(qū)土地利用格局復(fù)雜多樣,如圖1所示。該地區(qū)屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,降雨量較少并且在時(shí)間上分布差異較大。本區(qū)地帶性土壤主要以黃棉土、栗鈣土和紅黏土為主,呈微堿性和堿性,土壤有機(jī)質(zhì)含量低、結(jié)構(gòu)差、抗蝕能力弱,該礦區(qū)1985年開(kāi)始進(jìn)行初級(jí)的土地復(fù)墾工作,迄今為止已經(jīng)持續(xù)30余年。露天煤礦的開(kāi)采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)土壤形成了嚴(yán)重?fù)p毀,破壞土壤系統(tǒng),致使礦區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化。為了恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,保障礦區(qū)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展,平朔礦區(qū)開(kāi)展了礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建工作。作為本文研究區(qū)的7個(gè)復(fù)墾排土場(chǎng),在1992年、1994年、2003年、2004年、2012年和2014年相繼開(kāi)展了土地復(fù)墾與植被重建工作,主要復(fù)墾為草地與林地,種植植物為刺槐、榆樹(shù)、油松等。

圖1 研究區(qū)概況及樣點(diǎn)分布圖

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據(jù)復(fù)墾年限結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘,2019年7月在平朔煤礦的東露天外排土場(chǎng)、安太堡內(nèi)排場(chǎng)、南寺溝排土場(chǎng)、安太堡西擴(kuò)排土場(chǎng)、安家?guī)X內(nèi)排土場(chǎng)、安太堡西排土場(chǎng)、安太堡南排土場(chǎng)和非礦區(qū)北部的原地貌進(jìn)行樣地布設(shè)和土壤采樣,東露天外排土場(chǎng)為新形成未復(fù)墾的排土場(chǎng)和礦界之外的原地貌樣地作為對(duì)照。喬木樣地布設(shè)大小為10 m ×10 m,灌木樣地布設(shè)大小為5 m ×5 m,草本植物樣地布設(shè)大小為1 m×1 m,每個(gè)樣地布設(shè)3個(gè)土壤剖面。采樣時(shí)在每個(gè)土壤剖面里采集0—10、10—20 cm深度的土壤樣品,共選取樣地8個(gè),樣品24個(gè),每個(gè)樣品采集重量1 kg 左右,裝入無(wú)菌袋采集帶回實(shí)驗(yàn)室貯存于冰箱,對(duì)不同樣地的土壤樣品進(jìn)行土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的測(cè)定。綜合考慮排土場(chǎng)在復(fù)墾中進(jìn)行了土壤重構(gòu),排土場(chǎng)表面物質(zhì)組成均為深層土,復(fù)墾對(duì)土壤的影響最大的主要在表層,在此基礎(chǔ)上采用空間替代時(shí)間的方法,根據(jù)不同排土場(chǎng)的復(fù)墾時(shí)間的差異,樣地選擇復(fù)墾時(shí)間為6年、7年、15年、16年、25年、27年以及對(duì)照原地貌和未復(fù)墾地共8個(gè)樣地,分別對(duì)應(yīng)圖1和表1中的樣地S3、S6、S1、S5、S2、S4、S8和S7樣地,對(duì)應(yīng)編號(hào)R-6a、R-7a、R-15a、R-16a、R-25a、R-27a、OL和R-0a。

表1 采樣地基本信息

2.2 樣品測(cè)試方法

土壤微生物數(shù)量的測(cè)定采用稀釋涂布平板計(jì)數(shù)法。細(xì)菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌數(shù)量采用孟加拉紅培養(yǎng)基；放線(xiàn)菌數(shù)量采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基。接種后,用無(wú)菌玻璃涂布器涂布均勻,細(xì)菌、放線(xiàn)菌培養(yǎng)皿于37℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)3—5 d后進(jìn)行計(jì)數(shù)；真菌培養(yǎng)皿于28℃恒溫培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng)5—7 d進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算結(jié)果。

土壤蔗糖酶活性采用土壤蔗糖酶活性采用3-氨基-5-硝基水楊酸比色法測(cè)定；脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定；磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉方法測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

本文涉及的研究數(shù)據(jù)均使用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,SPSS 25.0 軟件進(jìn)行分析處理,Origin 2019進(jìn)行圖像繪制。不同年限復(fù)墾地土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)。對(duì)不同復(fù)墾年限的排土場(chǎng)的土壤微生物數(shù)量及酶活性進(jìn)行差異顯著性分析,sig值小于0.05時(shí),認(rèn)為2組數(shù)據(jù)之間存在顯著性差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 復(fù)墾地重構(gòu)土壤微生物數(shù)量特征

3.1.1復(fù)墾地重構(gòu)土壤微生物特征

復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量總體特征如表2所示,不同復(fù)墾年限的復(fù)墾地各類(lèi)土壤微生物數(shù)量在0—10 cm和10—20 cm顯示出不同的分布特征。從各類(lèi)微生物數(shù)量的均值來(lái)看,除原地貌之外,土壤微生物數(shù)量最多是樣地R-6a,其0—10 cm和10—20 cm深度的土壤細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量均值分別達(dá)到114.5000×105cfu/g、0.0790×105cfu/g、0.0490×105cfu/g和120.4000×105cfu/g、0.0830×105cfu/g、0.7167×105cfu/g,而樣地R-0a排土完畢而未進(jìn)行復(fù)墾的東露天排土場(chǎng)的微生物數(shù)量最少。另外,復(fù)墾時(shí)間較短的R-7a樣地的各類(lèi)微生物數(shù)量含量也相對(duì)較高。

表2 各剖面不同復(fù)墾年限土壤微生物數(shù)量及總體特征/(105 cfu/g)

從變異系數(shù)來(lái)看,在0—10 cm土層中,變異系數(shù)最大的為樣地R-16a,細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的變異系數(shù)達(dá)到12.23%、11.73%和11.01%,屬于中等變異程度,其余屬于弱變異程度。在10—20 cm土層中,變異系數(shù)最大的為樣地R-15a,細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的變異系數(shù)達(dá)到18.41%、17.60%和16.01%,與樣地R-6a和R-25a樣地共同屬于中等變異程度,其余樣地在10—20 cm土層中各類(lèi)微生物數(shù)量變化屬于弱變異程度。在0—20 cm土層中,0—10 cm土層與10—20 cm土層的微生物數(shù)量在不同復(fù)墾年限呈現(xiàn)出數(shù)量相當(dāng)?shù)奶卣?但在10—20 cm土層不同復(fù)墾年限的各類(lèi)微生物數(shù)量的變異程度總體上呈現(xiàn)出高于0—10 cm土層的特征。

3.1.2復(fù)墾地土壤酶活性特征

不同復(fù)墾年限的復(fù)墾地各類(lèi)土壤酶活性在0—10 cm和10—20 cm顯示出不同的分布特征如表3所示。首先比較各類(lèi)酶活性的均值最大值在0—10 cm土層,蔗糖酶、脲酶和磷酸酶3種土壤酶活性均值的最大值為R-6a樣地,蔗糖酶活性為1.0567 mg 100 g-1h-1,脲酶活性為3.3800 mg 100 g-1h-1以及磷酸酶活性為0.7700 mg 100 g-1h-1,而未復(fù)墾的東露天土壤酶活性最低；在10—20 cm土層,與0—10 cm土層的特征相似,R-6a樣地的酶活性最大,蔗糖酶活性達(dá)0.8100 mg 100 g-1h-1；脲酶和磷酸酶活性分別達(dá)2.7367 mg 100 g-1h-1和0.6333 mg 100 g-1h-1。

表3 各剖面不同復(fù)墾年限土壤酶活性及總體特征/(mg 100 g-1 h-1)

從變異系數(shù)角度看,在0—10 cm土層中,樣地R-27a變異系數(shù)值最大,蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的變異系數(shù)達(dá)到4.12%、3.01%和2.78%,屬于弱變異程度,所有研究樣地的變異系數(shù)在0—10 cm土層均小于10%,都屬于弱變異程度。在0—10 cm土層中,樣地R-25a的變異系數(shù)最大,蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的變異系數(shù)分別為5.75%、4.15% 和3.78%,仍屬于弱變異程度,所有其余樣地均為弱變異程度。

3.1.3土壤微生物數(shù)量及酶活性隨復(fù)墾時(shí)間的變化特征

不同復(fù)墾年限復(fù)墾樣地和原地貌樣地0—10、10—20、0—20 cm土層各類(lèi)土壤微生物數(shù)量隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)如圖2所示,不同種類(lèi)的微生物數(shù)量隨復(fù)墾年限的增加均有不同程度變化。不論復(fù)墾年限的時(shí)間長(zhǎng)短,細(xì)菌數(shù)量在3類(lèi)微生物中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是放線(xiàn)菌,真菌的數(shù)量最少；其中細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌的數(shù)量隨復(fù)墾年限的增加的變化趨勢(shì)在0—10、10—20、0—20 cm的變化趨勢(shì)相一致；各類(lèi)微生物數(shù)量的隨復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增長(zhǎng),后降低,而后又隨著復(fù)墾年限的增長(zhǎng)不斷增加的規(guī)律,這與于亞軍[22]研究復(fù)墾果園的土壤微生物濃度隨時(shí)間變化的結(jié)果存在一定差異,主要是受到礦區(qū)排土場(chǎng)土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及樣地選擇等因素的影響。在0—10 cm土層,在復(fù)墾6年的樣地R-6a,由于復(fù)墾時(shí)間較短且受到人為管護(hù)因素影響較大且樣地的表層覆土較好,此時(shí)土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)到1個(gè)峰值；在復(fù)墾6年之后0—10 cm土層中的細(xì)菌數(shù)量開(kāi)始下降,并在復(fù)墾15年時(shí)達(dá)到最小數(shù)值,但此時(shí)土壤細(xì)菌數(shù)量仍高于復(fù)墾年限為0的東露天排土場(chǎng)0—10cm土層的細(xì)菌數(shù)量；在復(fù)墾15年之后,復(fù)墾土壤0—10 cm土層中細(xì)菌數(shù)量開(kāi)始逐漸穩(wěn)定增長(zhǎng),漲幅也逐漸增大。在10—20 cm土層中,土壤細(xì)菌數(shù)量隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)與在0—10 cm土層的變化趨勢(shì)一致,真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量在0—10 cm與10—20 cm土層的變化趨勢(shì)也與細(xì)菌在0—10 cm和10—20 cm土層的變化趨勢(shì)相一致。

圖2 各類(lèi)微生物數(shù)量隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)

蔗糖酶、脲酶和磷酸酶3種土壤酶活性在0—10、10—20、0—20 cm土層中隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)如圖3所示。3種酶活性在0—10、10—20、0—20 cm土層中的變化趨勢(shì)相一致,同時(shí)與微生物數(shù)量在各個(gè)土層的變化趨勢(shì)也呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性,即3種酶活性隨復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增長(zhǎng),在復(fù)墾6年時(shí)酶活性達(dá)到1個(gè)峰值,隨后逐漸降低,在復(fù)墾時(shí)間15年時(shí)達(dá)到最小值,而后又隨著復(fù)墾年限的增長(zhǎng)不斷的增加的規(guī)律。此外,對(duì)于同一復(fù)墾年限的3種酶活性,無(wú)論是在0—10、10—20、0—20 cm土層中,脲酶活性始終最大,其次是蔗糖酶、磷酸酶最低。

圖3 各類(lèi)土壤酶活性隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)圖

3.2 不同復(fù)墾年限復(fù)墾地重構(gòu)土壤微生物數(shù)量及酶活性差異性分析

3.2.1不同復(fù)墾年限下土壤微生物數(shù)量差異性分析

如圖4和表4所示,在0—10、10—20、0—20 cm土層,不同復(fù)墾年限樣地的3類(lèi)微生物總數(shù)分布情況存在明顯的差異性。不同復(fù)墾年限研究樣地的微生物總數(shù)量均顯著少于原地貌的微生物數(shù)量,因?yàn)橥寥牢⑸锷嫠锠I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要來(lái)源是植物殘?bào)w,微生物的數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)的含量具有顯著相關(guān)關(guān)系[31],而露天煤礦開(kāi)采之后,排土場(chǎng)經(jīng)過(guò)地貌重塑,表層覆蓋的是經(jīng)過(guò)很大擾動(dòng)的土壤,破壞了原有土壤結(jié)構(gòu),復(fù)墾土壤的理化條件難以滿(mǎn)足微生物及植被生長(zhǎng)的要求,這使得微生物缺少生存繁衍所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等系列條件,在很大程度上限制了微生物數(shù)量的增多。由圖2可知,在土層深度為0—20 cm的原地貌(OL)3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量顯著高于不同年限復(fù)墾地土壤的3類(lèi)微生物總數(shù)量。在0—10 cm土層,原地貌(OL)的3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量為135.99×105cfu/g,復(fù)墾排土場(chǎng)的3類(lèi)微生物總數(shù)量在52.74×105cfu/g—5.26×105cfu/g；在10—20 cm的土層中,原地貌(OL)3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量為153.30.96×105cfu/g,復(fù)墾地3類(lèi)微生物總數(shù)量范圍在32.10×105cfu/g—100.15×105cfu/g。

由圖4可見(jiàn)已復(fù)墾排土場(chǎng)的微生物數(shù)量要高于排土完畢未復(fù)墾地。東露天(R-0a)排土場(chǎng)屬于排土完畢尚未復(fù)墾地,其表層土微生物數(shù)量最低,在0—10 cm和10—20 cm土層的3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量分別為52.74×105cfu/g和52.34×105cfu/g,而復(fù)墾16年的安家?guī)X(R-16a)排土場(chǎng)0—10 cm與10—20 cm土層的3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量分別達(dá)到71.69×105cfu/g和62.20×105cfu/g,與東露天(R-0a)未復(fù)墾地相比,分別增加了35.93%和18.84%,復(fù)墾16年后的排土場(chǎng)土壤微生物的數(shù)量明顯增加,與排土完畢而未復(fù)墾的東露天(R-0a)排土場(chǎng)(R-0a)差異明顯。而復(fù)墾27年的南排(R-27a)的3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量在0—10 cm和10—20 cm分別達(dá)到了93.02×105cfu/g和97.59×105cfu/g,達(dá)到原地貌3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量的68.40%和63.66%,但仍與原地貌(OL)3類(lèi)土壤微生物總數(shù)量存在顯著性差異。

圖4 不同復(fù)墾年限的樣地土壤微生物總量對(duì)比

整體來(lái)看,隨著復(fù)墾年限的增加復(fù)墾后排土場(chǎng)的微生物數(shù)量相比未復(fù)墾地均有一定程度的增加。在0—10 cm土層,內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)和南寺溝(R-7a)細(xì)菌、真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量較東露天(R-0a)具有顯著增加；西擴(kuò)(R-15a)細(xì)菌數(shù)量與東露天(R-0a)差異不顯著；安家?guī)X(R-16a)、西排(R-25a)、南排(R-27a)的微生物數(shù)量均顯著高于東露天(R-0a)。在10—20 cm土層中,東露天(R-0a)與內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)、南寺溝(R-7a)、南排(R-27a)和原地貌(OL)細(xì)菌數(shù)量差異性顯著；東露天(R-0a)和西擴(kuò)(R-15a)、安家?guī)X(R-16a)、西排(R-25a)的細(xì)菌數(shù)量差異不顯著；內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)細(xì)菌數(shù)量顯著高于除對(duì)照原地貌(OL)之外所有其他復(fù)墾年限的排土場(chǎng)；原地貌(OL)顯著高于其他復(fù)墾年限的排土場(chǎng)。此外,0—10 cm和10—20 cm土層的真菌和放線(xiàn)菌數(shù)量,其不同復(fù)墾年限樣地之間的差異性與細(xì)菌數(shù)量在0—10 cm和10—20 cm土層的差異性規(guī)律相一致。

由圖4可得0—10 cm和10—20 cm土層的各類(lèi)土壤微生物數(shù)量差異不顯著,故對(duì)0—20 cm土層的土壤微生物的類(lèi)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表4可知,在0—20 cm土層中,細(xì)菌數(shù)量隨復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢(shì)與微生物總數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的,這是由于無(wú)論復(fù)墾時(shí)間的長(zhǎng)短還是原地貌以及土壤構(gòu)成、植被類(lèi)型的存在差異,在土壤微生物3大類(lèi)群中,細(xì)菌數(shù)量都占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì),而真菌、放線(xiàn)菌的數(shù)量相對(duì)較少。結(jié)合采樣數(shù)據(jù)分析,3類(lèi)微生物群落占比存在明顯差異性,細(xì)菌在不同年限復(fù)墾的土壤的數(shù)量中均占到微生物總數(shù)的99.20%以上,其次是放線(xiàn)菌,占微生物總量0.06%以上；微生物數(shù)量中占比最小的是真菌。經(jīng)過(guò)復(fù)墾之后,復(fù)墾土壤的真菌、放線(xiàn)菌的相對(duì)數(shù)量均超過(guò)了原地貌。

表4 0—20 cm不同復(fù)墾年限土壤微生物種類(lèi)變化表

3.2.2不同復(fù)墾年限下土壤酶活性差異性分析

不同復(fù)墾年限下3種土壤酶活性差異狀況如圖5所示,單因素方差分析表明蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性在土層深度為0—10 cm和10—20 cm這2層之間并無(wú)顯著差異。在0—10 cm土層,東露天(R-0a)與內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)、南寺溝(R-7a)、安家?guī)X(R-16a)、西排(R-25a)南排(R-27a)的蔗糖酶活性差異性顯著,東露天(R-0a)與西擴(kuò)(R-15a)的蔗糖酶活性差異性不顯著；南寺溝(R-7a)和南排(R-27a)蔗糖酶活性差異性不顯著；安家?guī)X(R-16a)和西排(R-25a)蔗糖酶活性差異性不顯著。其次,在0—10 cm土層中的脲酶和磷酸酶活性表現(xiàn)出與蔗糖酶在不同復(fù)墾樣地之間的差異性一致。在10—20 cm土層,東露天(R-0a)與西擴(kuò)(R-15a)、安家?guī)X(R-16a)和西排(R-25a)之間的脲酶活性差異性不顯著;東露天(R-0a)與內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)、南寺溝(R-7a)和南排(R-27a)之間的脲酶活性差異性顯著；內(nèi)排土場(chǎng)(R-6a)、南寺溝(R-7a)和南排(R-27a)之間的脲酶活性差異性顯著。

圖5 不同復(fù)墾年限的樣地0—20 cm土層土壤酶活性差異

在3種酶活性中,脲酶活性最高,其次是蔗糖酶活性,磷酸酶活性最低。其次,不同復(fù)墾年限的重構(gòu)土壤酶活性均低于原地貌的土壤酶活性。與原地貌相比,在采礦擾動(dòng)進(jìn)行土壤重構(gòu)后,0—20 cm土層的酶活性與微生物數(shù)量在不同復(fù)墾年限下的變化規(guī)律相似,在排土完畢后土壤酶活性隨著復(fù)墾年限的先升高后降低,而后又逐漸增高。在0—20 cm土層,未復(fù)墾的東露天的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性相較于原地貌分別下降31.06%、25.69%和24.31%,兩者差異性顯著,同時(shí)間接證明了重構(gòu)土壤生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮、磷循環(huán)在煤礦開(kāi)采后受到了嚴(yán)重破壞。復(fù)墾27年的南排土場(chǎng)的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性相較于為未復(fù)墾地分別增加45.06%、34.57%和32.12%,兩者差異性顯著。

4 討論

4.1 不同復(fù)墾年限重構(gòu)土壤微生物數(shù)量及酶活性特征及差異性

土壤的形成是礦區(qū)土地生態(tài)功能能夠恢復(fù)最重要因素之一,而礦區(qū)開(kāi)采后的重構(gòu)土壤的理化性質(zhì)往往較差[31]。但土壤微生物及土壤酶活性能夠在一定程度上迅速地反應(yīng)復(fù)墾過(guò)程中土壤生物學(xué)質(zhì)量狀況的變化,同時(shí)與其發(fā)揮的生態(tài)功能密切相關(guān)[32-33]。本文研究表明不論復(fù)墾年限的時(shí)間長(zhǎng)短,細(xì)菌數(shù)量在3類(lèi)微生物中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是放線(xiàn)菌,真菌的數(shù)量最少。本文這一結(jié)論與譚宏偉[34]和王理德[13]的研究結(jié)論相一致,這是由于平朔礦區(qū)各個(gè)樣地的土壤偏堿性,此環(huán)境適宜細(xì)菌、放線(xiàn)菌的生長(zhǎng)繁殖而對(duì)真菌的生存不利,因此在一定程度上造成了細(xì)菌數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于真菌數(shù)量。其次,本研究發(fā)現(xiàn)3類(lèi)微生物數(shù)量和3種酶活性隨復(fù)墾年限的增加的變化趨勢(shì)在0—10、10—20、0—20 cm的變化趨勢(shì)相一致,微生物數(shù)量和酶活性隨復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增長(zhǎng)后降低,而后又隨著復(fù)墾年限增長(zhǎng)不斷增加的規(guī)律,這與Dangi[19]、于亞軍[23]、Kumar[29]、王繼萍[34]的研究結(jié)論相近,但同時(shí)存在一定差異。王繼萍等[35]對(duì)山西省曹村煤礦的土壤微生物研究表明,復(fù)墾果園土壤微生物總濃度和群落濃度均隨復(fù)墾年限增加而有不同程度的增加,表明隨年限增加煤矸山復(fù)墾土壤質(zhì)量狀況總體有所改善以及土壤中水肥條件和土壤pH 值等微生物生存環(huán)境也隨之明顯改善,但在最大復(fù)墾年限7a 內(nèi),土壤質(zhì)量仍難達(dá)到與普通果園相當(dāng)?shù)臓顩r。Kumar等[29]對(duì)印度煤礦已復(fù)墾2、5、9、15、21 a煤矸山進(jìn)行了研究并與附近的天然林進(jìn)行比較,對(duì)比不同恢復(fù)階段土壤性質(zhì)、微生物活性和生物群落結(jié)構(gòu)的變化,結(jié)果表明復(fù)墾年限是生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中土壤和植被組成變化的主要驅(qū)動(dòng)力。研究結(jié)果的差異性是因?yàn)橥寥牢⑸飻?shù)量與其所處土壤各相關(guān)因子的變化密不可分,由于研究區(qū)域和所選樣地的不同、復(fù)墾后期管護(hù)措施不同和礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性所致。同時(shí),依據(jù)R-6a、R-7a、R-15a、R-16a、R-25a、R-27a樣地微生物總數(shù)和酶活性均低于原地貌,也說(shuō)明在最大復(fù)墾年限 27年內(nèi),重構(gòu)土壤質(zhì)量仍難恢復(fù)到與原地貌普通農(nóng)地土壤水平相當(dāng)?shù)臓顩r,與Dangi的研究結(jié)果復(fù)墾土壤微生物群落在5—14年就基本可以恢復(fù)到正常水平存在一定差異,同時(shí)證明礦區(qū)土地復(fù)墾和生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)是1個(gè)復(fù)雜而長(zhǎng)期的過(guò)程,這也需要今后繼續(xù)深入持續(xù)地開(kāi)展相關(guān)研究。

研究結(jié)果顯示在復(fù)墾年限為6年時(shí),各類(lèi)土壤微生物數(shù)量及酶活性達(dá)到1個(gè)峰值,根據(jù)文獻(xiàn)資料和已有數(shù)據(jù)分析如下。首先樣地R-6a為內(nèi)排土場(chǎng),2013年開(kāi)始進(jìn)行土地復(fù)墾,復(fù)墾工作的開(kāi)展相較于其他排土場(chǎng)較晚,在進(jìn)行土壤重構(gòu)時(shí)具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；且樣地R-6a土壤表層的覆土類(lèi)型較優(yōu),表層覆土較厚,表層土壤狀況整體優(yōu)于其他不同復(fù)墾年限的樣地；在礦區(qū)復(fù)墾過(guò)程中恰恰是由于土壤基質(zhì)破壞了地表植被層,對(duì)土壤剖面進(jìn)行重構(gòu)使排土場(chǎng)地表物質(zhì)成為深層土[36],從而造成了復(fù)墾地表層土壤的理化性質(zhì)發(fā)生了重大變化,導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境惡化,造成土壤為土壤微生物生命活動(dòng)提供的能源和營(yíng)養(yǎng)變得匱乏,土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性也因此受到破壞性影響。其次,不同的土壤(包括不同的復(fù)墾年限、植被等)具有不同的理化性質(zhì),而不同的理化性質(zhì)無(wú)疑明顯影響土壤中的各類(lèi)微生物數(shù)量和酶活性；相關(guān)研究也已表明土壤微生物及酶活性不僅與養(yǎng)分有關(guān),還與土壤容重、土壤質(zhì)地、水分及地表的植被覆蓋等因素相關(guān)[37-38]。正是由于礦區(qū)重構(gòu)土壤的特殊性,不同排土工藝及覆土情況均會(huì)對(duì)復(fù)墾地土壤的理化性質(zhì)和土壤肥力狀況產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響到復(fù)墾地微生物數(shù)量及酶活性。因此分析不同復(fù)墾年限的復(fù)墾樣地之間的土壤微生物及酶活性的特征和差異性,進(jìn)一步開(kāi)展復(fù)墾地土壤微生物及酶活性影響因素探究顯得十分必要。

4.2 對(duì)礦區(qū)土地復(fù)墾研究的啟示與不足

礦區(qū)是當(dāng)今世界陸地生態(tài)系統(tǒng)被破壞和退化最嚴(yán)重的區(qū)域之一,在進(jìn)行露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建時(shí)不僅要恢復(fù)地表植被和生物,還應(yīng)重視地下土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建。土壤重構(gòu)是土地復(fù)墾的核心內(nèi)容,但礦區(qū)重構(gòu)土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu)與普通土壤存在很大區(qū)別,特別是復(fù)墾年限較少的土壤,單以其土壤理化性質(zhì)作為指標(biāo)評(píng)價(jià)其質(zhì)量狀況的敏感性不夠,有關(guān)研究已經(jīng)證實(shí)物種多樣性、土壤微生物群落的生化和代謝特征的變化反映了生態(tài)系統(tǒng)的土壤質(zhì)量狀況[39],有助于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的效果。其次植被生長(zhǎng)狀況及其多樣性也常常被用來(lái)表征礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)恢復(fù)的效果,但由于植物物種多樣性評(píng)估可能受到了人工種植時(shí)間因素的嚴(yán)重影響[27],在短期內(nèi)可能具有誤導(dǎo)性缺陷,不能準(zhǔn)確反應(yīng)重構(gòu)土壤的早期恢復(fù)狀況。相關(guān)研究已經(jīng)表明復(fù)墾年限對(duì)土壤性質(zhì)有顯著影響[29],并且土壤微生物可以更準(zhǔn)確和及時(shí)地反映退化土地的恢復(fù)情況,能作為礦區(qū)復(fù)墾地成功恢復(fù)的早期指標(biāo)[30]。同時(shí)土壤微生物數(shù)量的增加有利于保持土壤在復(fù)墾土地生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)壓力或干擾的穩(wěn)定性、抵抗力和恢復(fù)力[40],因此,開(kāi)展相關(guān)研究能夠在短時(shí)間內(nèi)及時(shí)反應(yīng)復(fù)墾地重構(gòu)土壤的變化,及時(shí)采取有效措施提高土壤質(zhì)量,保證重構(gòu)土壤的穩(wěn)定健康發(fā)展變化,為下一步開(kāi)展植被重建、生物多樣性保護(hù)奠定基礎(chǔ)。

本研究采用時(shí)空替代法研究了平朔黃土露天礦區(qū)復(fù)墾地表層土壤微生物數(shù)量及酶活性的特征及差異,研究存在以下不足與局限性。首先研究土壤微生物數(shù)量隨復(fù)墾時(shí)間變化的特征與差異性規(guī)律,應(yīng)當(dāng)控制其他變量一致,只考慮復(fù)墾時(shí)間的變化,但在大型露天煤礦經(jīng)過(guò)劇烈擾動(dòng)的復(fù)墾土壤中要做變量的一致是十分困難的。其次影響土壤微生物的因素是很復(fù)雜的,本研究只是分別選取不同復(fù)墾年限的復(fù)墾樣地作為研究樣地,同時(shí)存在樣地樣本數(shù)量相對(duì)較少的缺陷,可能造成本研究存在一些誤差?？傮w而言,隨著復(fù)墾時(shí)間的延長(zhǎng),土壤微生物及酶活性的總體變化趨勢(shì)是隨著復(fù)墾年限的增加而增長(zhǎng)的,在復(fù)墾6年后出現(xiàn)了微生物數(shù)量和酶活性降低的情況,這可能是因?yàn)樵谳^短的時(shí)間內(nèi)土壤環(huán)境和植被的變化可能會(huì)增加微生物種類(lèi),但復(fù)墾6年之后隨著露天礦排土場(chǎng)自然演替的進(jìn)行,會(huì)出現(xiàn)生物競(jìng)爭(zhēng)逐漸導(dǎo)致篩選更加合適的物種來(lái)穩(wěn)定復(fù)墾的生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論

(1)從微生物數(shù)量及酶活性的特征來(lái)看,無(wú)論復(fù)墾年限的時(shí)間長(zhǎng)短,細(xì)菌數(shù)量在3類(lèi)微生物數(shù)量中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其次是放線(xiàn)菌,真菌數(shù)量最少；不同年限復(fù)墾研究樣地的土壤細(xì)菌數(shù)量均占到微生物總數(shù)的99.20%以上,其次是放線(xiàn)菌,占微生物總量0.06%以上；微生物數(shù)量中占比最小的是真菌。經(jīng)過(guò)復(fù)墾之后,復(fù)墾地重構(gòu)土壤的真菌、放線(xiàn)菌的相對(duì)數(shù)量均超過(guò)了原地貌。脲酶活性在3種酶活性最大,其次是蔗糖酶活性,磷酸酶活性最低。

(2)從微生物數(shù)量和酶活性的變化狀況來(lái)看,3類(lèi)微生物數(shù)量和3種酶活性在0—10、10—20、0—20 cm土層隨復(fù)墾年限的變化趨勢(shì)相一致,均隨復(fù)墾時(shí)間的變化趨勢(shì)為先增長(zhǎng)后降低,而后又隨著復(fù)墾年限的增長(zhǎng)不斷增加,同時(shí)表明隨年限增加復(fù)墾地的土壤質(zhì)量狀況總體有所改良。

(3)差異性分析表明,復(fù)墾地土壤微生物和酶活性相較于未復(fù)墾均有不同程度的增加。復(fù)墾27a的南排土場(chǎng)的微生物數(shù)量在0—20 cm土層復(fù)墾后達(dá)到了189.3333×105cfu/g、0.1312×105cfu/g和1.1463×105cfu/g,復(fù)墾效果達(dá)到原地貌微生物數(shù)量的65.88%、66.46%和67.74%,顯著高于未復(fù)墾地但仍與原地貌土壤的各類(lèi)微生物數(shù)量存在顯著性差異。而復(fù)墾27a的南排土場(chǎng)在0—20 cm土層的蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別達(dá)到1.9600 mg 100 g-1h-1、6.3600 mg 100 g-1h-1和1.4533 mg 100 g-1h-1,復(fù)墾效果分別達(dá)到農(nóng)用地原地貌83.40%、86.30%和86.85%,較未復(fù)墾地的各類(lèi)酶活性濃度顯著增加。