施肥對(duì)干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤質(zhì)量的影響及其評(píng)價(jià)

珊 丹，郭建英*，榮 浩，王小莉，張鐵鋼，邢恩德，吳旭南

(1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.蘇尼特金曦黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟蘇尼特右旗 011216)

金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中，深埋于地下的礦石暴露于地表，各種伴生元素釋放到環(huán)境介質(zhì)中，開(kāi)采產(chǎn)生的尾礦目前已成為我國(guó)工礦企業(yè)中年產(chǎn)生量最大、對(duì)環(huán)境和生態(tài)景觀影響巨大的大宗工業(yè)固體廢物[1]。礦渣、尾礦石混合堆放形成的尾礦庫(kù)改變了土體結(jié)構(gòu)，打亂了重金屬元素在地殼中的自然分布，也會(huì)對(duì)周邊土壤、地表水和地下水造成污染，尾礦庫(kù)既是礦山采選中必不可少的生產(chǎn)設(shè)施，同時(shí)也是重大的環(huán)境污染源和高勢(shì)能危險(xiǎn)源[2]。黃金礦山尾礦的化學(xué)成分主要為SiO2，同時(shí)含有一定量的CaO、Fe2O3、Al2O3、MgO和少量的貴金屬(Au、Ag等)、重金屬(Cu、Pb、Zn等)，其礦物組成主要以石英、長(zhǎng)石、云母、黏土和殘余金屬礦物為主，主要污染物含有氰化物、汞和各種浮選藥劑等[3-4]。地處干旱半干旱草原生態(tài)脆弱區(qū)的金屬礦山尾礦庫(kù)土壤中重金屬等有害物質(zhì)含量較高，土壤中微生物活性差、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，土壤的pH值波動(dòng)幅度大，同時(shí)由于自然降水量偏低、無(wú)霜期較短等氣候條件使該地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)更為困難。

修復(fù)污染土壤對(duì)自然界物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)都具有重要作用。但礦山廢棄地土壤生態(tài)修復(fù)需要針對(duì)退化土壤的某種性狀缺陷而進(jìn)行。如：加拿大在礦山生態(tài)修復(fù)中利用魚(yú)粉生物炭、鈣基膨潤(rùn)土、覆蓋木纖維等來(lái)降低土壤中重金屬污染[5]；英國(guó)研究者采用生物炭和蚯蚓培育技術(shù)修復(fù)土壤中的重金屬污染[6]；澳大利亞研究人員研究發(fā)現(xiàn)土壤種子庫(kù)是重建采礦場(chǎng)地生態(tài)系統(tǒng)、抵抗干旱擾動(dòng)的關(guān)鍵[7]；孫清斌等[8]研究了施用客土、鋸末、有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥等外源物對(duì)胡枝子修復(fù)尾礦庫(kù)土壤中重金屬污染的效果，并通過(guò)適宜的土壤生態(tài)修復(fù)方法緩解礦山尾礦庫(kù)土壤的養(yǎng)分不足和環(huán)境脅迫。

土壤質(zhì)量作為土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量和健康質(zhì)量的綜合量度，是土壤維持生產(chǎn)力、環(huán)境凈化能力以及保障動(dòng)植物健康能力的集中體現(xiàn)[9]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)可以直接或者間接地反映生態(tài)系統(tǒng)的變化，也可以反映人類(lèi)干擾所產(chǎn)生的效應(yīng)。而采用數(shù)學(xué)方法對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可以更直觀地表現(xiàn)出土壤污染的總體情況。根據(jù)評(píng)價(jià)的目的性和針對(duì)性，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)選用的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)皆有不同[10]。如：張建輝[11]采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)川江流域土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；陳龍乾等[12]利用復(fù)墾土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；李月芬等[13]采用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)吉林草原土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)；陳吉等[14]利用主成分分析法對(duì)不同施肥土壤質(zhì)量狀況進(jìn)行了分類(lèi)研究；謝軍等[15]采用內(nèi)梅羅指數(shù)法、因子分析法和相關(guān)系數(shù)法對(duì)不同施肥模式土壤的綜合肥力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

目前土壤質(zhì)量定量化評(píng)價(jià)方法較多，而針對(duì)不同研究層次可用于解決不同的問(wèn)題。本研究針對(duì)干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤特征、自然氣候條件、生態(tài)建設(shè)需求，通過(guò)微生物菌肥、有機(jī)肥野外施用試驗(yàn)，研究了施用微生物菌肥、有機(jī)肥對(duì)尾礦庫(kù)土壤中有益酶活性、土壤養(yǎng)分的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)不同施肥方式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，探討適合干旱半干旱地區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)特殊土壤生境的施肥方式，研究成果可為干旱半干旱草原區(qū)金屬礦廢棄地土壤生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與完善生態(tài)建設(shè)方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

蘇尼特金曦黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司畢力赫金礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟蘇尼特右旗朱日和鎮(zhèn)境內(nèi)，面積約為96.0 hm2。畢力赫金礦處于內(nèi)蒙古高原中部，屬中溫帶干旱半干旱氣候，多年平均降水量為209 mm，年均蒸發(fā)量為2 384 mm，年均風(fēng)速為4.6 m/s，年均氣溫為4.3 ℃，無(wú)霜期為135 d；畢力赫金礦所處草原區(qū)域土壤為栗鈣土，擾動(dòng)前地表植被為低山丘陵干草原草場(chǎng)類(lèi)，以小針茅(Stipaklemenzii)、無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)為主要建群種，植被覆蓋度達(dá)30%～40%[16]。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置在畢力赫金礦尾礦庫(kù)平臺(tái)，該尾礦庫(kù)為溝谷形，溝谷兩側(cè)為山坡，山坡坡度約為35°～38°，面積為30.0 hm2。尾礦礦漿經(jīng)壓濾后輸送進(jìn)尾礦庫(kù)，再由推土機(jī)進(jìn)行堆積、碾壓，尾礦庫(kù)渣面覆土后采取種植沙蒿(Artemisiadesertorum)、檸條(CaraganaKorshinskii)，撒播草木樨(Melilotussuaveolens)的方式恢復(fù)植被，尾礦庫(kù)平臺(tái)、邊坡覆土深度為50～80 cm。根據(jù)對(duì)尾礦庫(kù)覆土后原狀土壤的理化性質(zhì)和土壤中主要重金屬元素的分析結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)土壤以粒徑大于0.05 mm的細(xì)沙為主，土壤質(zhì)量較差，養(yǎng)分含量低，其中，尾礦庫(kù)土壤中(0～20 cm土層)主要養(yǎng)分全氮含量為0.112 g/kg、全磷含量為0.340 g/kg、全鉀含量為18.75 g/kg、速效氮含量為13.150 mg/kg、速效磷含量為1.072 mg/kg、速效鉀含量為43.78 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量為2.714 g/kg、全鹽含量為0.49%，土壤的pH值為9.27；尾礦庫(kù)土壤中(0～20cm土層)主要重金屬元素的含量分別為Cu 12.28 mg/kg、Zn 50.57 mg/kg、Cr 28.09 mg/kg、Cd 0.067 mg/kg、As 10.99 mg/kg、Hg 0.057 mg/kg、Pb 10.05 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的禾神元多效微生物菌肥(液體)由神州漢邦(北京)生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)提供，有效活菌數(shù)地衣芽孢桿菌≥2.0 億/g[農(nóng)業(yè)部登記證：微生物肥(2010)準(zhǔn)字(0620)號(hào)]；有機(jī)肥選擇發(fā)酵型牛糞顆粒。根據(jù)推薦施用量，微生物菌肥設(shè)3個(gè)水平[施用量分別為1 L/m2(L1)、2 L/m2(L2)、3 L/m2(L3)]、有機(jī)肥設(shè)3個(gè)水平[施用量分別為100 g/m2(S1)、200 g/m2(S2)、300 g/m2(S3)]和1個(gè)不施肥對(duì)照處理[(CK)]，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)共15個(gè)處理(見(jiàn)表1)，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)規(guī)格為2 m×5 m，小區(qū)間距為1.0 m。2020年5月初植物返青后進(jìn)行野外施肥試驗(yàn)，微生物菌肥施用前，以1∶200倍的清水稀釋后攪拌5～10 min，隨后以不同施用量噴施于地表，有機(jī)肥按不同施用量均勻撒于地表。

表1 各處理施肥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

植物生長(zhǎng)末期(2020年9月初)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)供試植物根際周邊隨機(jī)采集0～30 cm土壤樣品，每小區(qū)3次重復(fù)。土樣采集后過(guò)2 mm土壤分析篩，4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤中過(guò)氧化氫酶活性采用KMnO4滴定法測(cè)定；土壤中蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定；土壤中脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[17]。土壤的理化性質(zhì)采用常規(guī)的農(nóng)化分析方法[18]測(cè)定，其中：土壤的pH值采用pH酸度計(jì)電位法(水∶土=1∶1)測(cè)定；土壤中有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤中全氮含量采用半微量凱氏蒸餾法測(cè)定；土壤中全磷含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤中全鉀含量采用NaOH熔融火焰光度法測(cè)定；土壤中堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤中速效磷含量、速效鉀含量采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法和NH4Ac浸提火焰光度法測(cè)定，土壤中全鹽含量采用烘干質(zhì)量法測(cè)定。

1.4 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文采用灰色關(guān)聯(lián)度法分析評(píng)價(jià)不同施肥水平的土壤養(yǎng)分狀況[19-20]，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)以k表示?；疑P(guān)聯(lián)度分析包括以下3個(gè)步驟：

(1) 參考數(shù)列確定。設(shè)參考指標(biāo)數(shù)列X0和被評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)列Xi為

X0=(X0(1)，X0(2)，…，X0(k))

(1)

Xi=(Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(k)) (i=1，2，…，n)

(2)

由于各項(xiàng)指標(biāo)的單位各不相同，需采用歸一化方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)歸一化處理使所有數(shù)據(jù)在0～1的范圍內(nèi)。正向指標(biāo)的處理方法為Xi(k)=Xi(k)/X0(k)；逆向指標(biāo)的處理方法為Xi(k)=1-(Xi(k)/X0(k))(其中，Xi(k)為參評(píng)指標(biāo)實(shí)際值，i=1，2，…，n；X0(k)為參考數(shù)列值)。

(2) 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算。設(shè)X0為參考數(shù)列，Xi為比較數(shù)列，先求比較數(shù)列Xi和參考數(shù)列X0各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的絕對(duì)值，其計(jì)算公式為

△i(k)=|X0(k)-Xi(k)|

(3)

然后找出二級(jí)最大差與二級(jí)最小差，計(jì)算出關(guān)聯(lián)系數(shù)，其計(jì)算公式為

Li(k)=(△min+ρ△max)/(△i(k)+ρ△max)

(4)

式中：Li(k)為比較數(shù)列Xi對(duì)參考數(shù)列X0在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)，即第k個(gè)時(shí)刻比較曲線Xi與參考曲線X0的相對(duì)值；△i(k)為k時(shí)刻參考序列X0與比較序列Xi的絕對(duì)差；△min為計(jì)算中序列在各個(gè)時(shí)刻絕對(duì)差中的最小值；△max為計(jì)算中序列在各個(gè)時(shí)刻絕對(duì)差中的最大值；ρ為取值范圍在[0，1]之間的分辨系數(shù)，分辨系數(shù)為定性分析的人為系數(shù)，實(shí)際是人為給定的，主要用來(lái)削弱△max值過(guò)大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，本文中ρ取值為0.5。

(3) 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算?；疑P(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為

(5)

式中:ri為灰色關(guān)聯(lián)度;Li(k)為關(guān)聯(lián)系數(shù)。

為了更客觀、真實(shí)地計(jì)算各指標(biāo)的重要性，本文引入變異系數(shù)法來(lái)計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重Wi，其計(jì)算公式為:

Wi=ri/∑ri

(6)

從而可計(jì)算得到灰色綜合評(píng)判值G(k)：

G(k)=∑Li(k)Wi

(7)

不同施肥處理各指標(biāo)的差異性采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)、灰色綜合評(píng)判值等采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)尾礦庫(kù)土壤中酶活性的影響

不同施肥處理下尾礦庫(kù)土壤中酶活性的測(cè)定結(jié)果，見(jiàn)表2。

由表2可知：不施肥的對(duì)照處理組(CK)土壤中過(guò)氧化氫酶活性為0.516 mL/g，施肥后各處理組土壤中過(guò)氧化氫酶活性均高于CK組，其中L2S3、L3S3組土壤中過(guò)氧化氫酶活性最高，分別為0.611 mL/g、0.579 mL/g，各施肥處理組中只有L2S3、L3S3組與CK組之間的土壤中過(guò)氧化氫酶活性變化差異達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，說(shuō)明單獨(dú)施用微生物菌肥或有機(jī)肥、微生物菌肥與有機(jī)肥配合施用施肥量較低時(shí)均對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響不明顯；不同施肥處理下土壤中蔗糖酶活性的變化較大，CK組土壤中蔗糖酶活性為2.322 mg/g，施肥處理后土壤中蔗糖酶活性的變化范圍在2.697～2.387 mg/g之間，不同施肥處理組土壤中蔗糖酶活性由高到低的順序表現(xiàn)為L(zhǎng)3S3>L2S3>L3S2>L1S3>L3S1>L2S1>L2S2>L1S2>S3>S2>L3>L1S1>L2>S1>L1>CK，有機(jī)肥與微生物菌肥配合施用的土壤中蔗糖酶活性與CK組之間的差異達(dá)到顯著水平(p<0.05)，表明配合施肥更有利于增加土壤中蔗糖酶活性；各施肥處理后土壤中脲酶活性的平均值為1.396 mg/g，CK組土壤中脲酶活性為0.712 mg/g，各施肥處理組與CK組之間的土壤中脲酶活性變化差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，說(shuō)明施肥處理明顯提高了土壤中脲酶活性，并且單獨(dú)施用一種肥料或兩種肥料的配合施用對(duì)土壤中脲酶活性均有明顯的影響，L3S3組土壤中脲酶活性最高(1.504 mg/ g)，其次為L(zhǎng)3S2組(1.49 mg/g)，這兩個(gè)處理組與其他施肥處理組之間的土壤中脲酶活性變化差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)。

表2 不同施肥處理下尾礦庫(kù)土壤中酶活性的測(cè)定結(jié)果

2.2 施肥對(duì)土壤中主要養(yǎng)分和pH值的影響

不同施肥處理下土壤中主要養(yǎng)分和pH值的變化，見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)：金屬礦山尾礦庫(kù)土壤的酸堿度處于較高水平，不施肥樣地的土壤pH值達(dá)到9.27，施用微生物菌肥或有機(jī)肥能使土壤pH值降低，各施肥處理組與CK組之間的土壤pH值變化差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，但各施肥處理組土壤的pH值均在8.5以上，尾礦庫(kù)土壤呈強(qiáng)堿性[見(jiàn)圖1(i)];各施肥處理組土壤中全鹽含量的變化在0.30%～0.55 %之間，土壤表層鹽分含量偏高，施肥處理對(duì)土壤中全鹽含量的影響不明顯[見(jiàn)圖1(h)]；金屬礦山尾礦庫(kù)原狀土壤中有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為2.71 g/kg，明顯低于蘇尼特右旗草原土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量(9.92 g/kg)[21]，各施肥處理組土壤中有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度增加，對(duì)比分析施用的兩種肥料，有機(jī)肥處理土壤中平均有機(jī)質(zhì)含量比施用微生物菌肥高35.1%，且L1S3、L2S2、L2S3組土壤中有機(jī)質(zhì)含量要顯著高于其他施肥處理組(p<0.05)，說(shuō)明施用有機(jī)肥可以補(bǔ)充土壤中有機(jī)質(zhì)[見(jiàn)圖1(g)]；金屬礦山尾礦庫(kù)原狀土壤中氮元素含量明顯偏低，土壤中全氮、速效氮含量分別為0.112 g/kg、13.150 mg/kg，施肥處理后土壤中全氮和速效氮含量增加，平均值達(dá)到0.317 g/kg、55.075 mg/kg，說(shuō)明施肥對(duì)土壤中氮元素的積累影響較明顯，經(jīng)方差顯著性分析，微生物菌肥和有機(jī)肥配合施用后土壤中全氮和速效氮含量要顯著高于單獨(dú)施用微生物菌肥或有機(jī)肥(p<0.05)[見(jiàn)圖1(a)、圖1(d)]；與CK組相比，施肥處理后土壤中全磷含量未表現(xiàn)出明顯的增加，各施肥處理組之間土壤中全磷含量也沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，說(shuō)明施肥對(duì)土壤中全磷的影響較小，但施肥能明顯提高土壤中速效磷的含量，經(jīng)方差顯著性檢驗(yàn)，各施肥處理組土壤中速效磷含量顯著高于CK組(p<0.05)，各施肥處理組之間土壤中速效磷含量也有明顯的差異，單獨(dú)施用有機(jī)肥的土壤中速效磷含量明顯低于單獨(dú)施用微生物菌肥的土壤，配合施肥中L3S2、L3S3組土壤中速效磷含量要顯著高于其他處理組(p<0.05)，說(shuō)明配合施肥時(shí)采用較高的施用量能明顯提高土壤中速效磷的水平[見(jiàn)圖1(b)、圖1(e)]；與CK組相比，各施肥處理組土壤中全鉀含量未表現(xiàn)出明顯的增加，各施肥處理組之間土壤中全鉀含量也沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，說(shuō)明施肥對(duì)土壤中全鉀的影響較小，但各施肥處理組土壤中速效鉀含量明顯高于CK組(p<0.05)，各施肥處理組之間土壤中速效鉀含量沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，說(shuō)明施用微生物菌肥和有機(jī)肥均能提高土壤中速效鉀的含量[見(jiàn)圖1(c)、圖1(f)]。

圖1 不同施肥處理下土壤中主要養(yǎng)分和pH值的變化

2.3 尾礦庫(kù)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

本文以土壤中過(guò)氧化氫酶活性(C1)、蔗糖酶活性(C2)、脲酶活性(C3)、全氮含量(C4)、全磷含量(C5)、全鉀含量(C6)、速效氮含量(C7)、速效磷含量(C8)、速效鉀含量(C9)、有機(jī)質(zhì)含量(C10)、全鹽含量(C11)和土壤pH值(C12)作為干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤質(zhì)量水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照灰色理論將本研究所涉及的15種施肥方式作為一個(gè)灰色系統(tǒng)，每種施肥方式即為該系統(tǒng)中的一個(gè)因素。根據(jù)土壤質(zhì)量目標(biāo)，構(gòu)造一個(gè)理想的施肥方式，其各項(xiàng)土壤主要肥力指標(biāo)所構(gòu)成的數(shù)列為參考數(shù)列，并選擇各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)中的最優(yōu)指標(biāo)作為參考數(shù)列，分析所有參與施肥處理的各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)構(gòu)成比較數(shù)列。由于各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)的量綱不同，首先對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，經(jīng)過(guò)歸一化處理后的結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)、灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式，計(jì)算出經(jīng)過(guò)歸一化處理后各項(xiàng)土壤質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)(Li(k))、灰色關(guān)聯(lián)度(ri)和綜合評(píng)判值(G(k))，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 土壤質(zhì)量各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化處理結(jié)果

表4 不同施肥方式下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)(Li(k))、灰色關(guān)聯(lián)度(ri)和綜合評(píng)價(jià)值(G(k))

由表4可知：土壤質(zhì)量各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度值ri大小順序依次為脲酶活性(0.901)>全氮含量(0.819)>全磷含量(0.780)>速效磷含量(0.749)>速效氮含量(0.720)>有機(jī)質(zhì)含量(0.716)>過(guò)氧化氫酶活性(0.713)>蔗糖酶活性(0.654)>速效鉀含量(0.653)>全鉀含量(0.642)>全鹽含量(0.603)>土壤pH值(0.584)，這12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，脲酶活性、全氮含量、全磷含量、速效磷含量和速效氮含量5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與參考數(shù)列指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度較大，說(shuō)明土壤中脲酶活性和氮、磷元素含量對(duì)干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤質(zhì)量的影響更為重要；不同施肥方式的土壤質(zhì)量灰色綜合評(píng)判值G(k)表現(xiàn)為L(zhǎng)1S3>L3S3>L2S3>L3S1>L2S2>L3S2>L1S2>L3>L2S1>L1S1>L2>L1>S3>S2>S1。灰色關(guān)聯(lián)度與綜合評(píng)判值反映了不同施肥方式后土壤肥力的變化，灰色關(guān)聯(lián)度與綜合評(píng)價(jià)值越大，反映這種施肥方式下的土壤質(zhì)量越高，表4結(jié)果表明：施用微生物菌肥的土壤質(zhì)量要優(yōu)于施用有機(jī)肥；微生物菌肥與有機(jī)肥配合施用的土壤養(yǎng)分狀況要優(yōu)于單獨(dú)施用菌肥或單獨(dú)施用有機(jī)肥；15種施肥方式中，L1S3、L3S3、L2S3、L3S1、L2S2施肥處理組的土壤質(zhì)量狀況相對(duì)較好，說(shuō)明適量的微生物菌肥和有機(jī)肥配合施用能有效提高土壤質(zhì)量，改善土壤的養(yǎng)分狀況。

3 討 論

干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)的極端條件限制了動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)，在尾礦庫(kù)的早期生態(tài)修復(fù)中，一般的常規(guī)方法很難顯現(xiàn)出明顯的效果，改善尾礦庫(kù)土壤環(huán)境和質(zhì)量以保證植物正常生長(zhǎng)發(fā)育是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)快速恢復(fù)的前提。微生物菌肥是一種對(duì)環(huán)境友好的新型生物肥料，具有無(wú)毒害、無(wú)污染、可調(diào)節(jié)土壤微生物群系、提高土壤質(zhì)量、增強(qiáng)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收等特點(diǎn)[22-23]。目前，國(guó)內(nèi)外在利用微生物菌肥促進(jìn)植物生長(zhǎng)、減少環(huán)境污染等方面已有諸多研究成果，微生物菌肥改善土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性、加速土壤養(yǎng)分分解的作用機(jī)制也比較明確[24-27]。有機(jī)肥是富含有機(jī)質(zhì)的原料經(jīng)好氧微生物發(fā)酵后的產(chǎn)物，具有培肥、改良土壤的功效，施用有機(jī)肥是維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量平衡的重要措施[28]。對(duì)于自然環(huán)境、土壤條件都不適合生態(tài)恢復(fù)的草原礦區(qū)排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)等廢棄地來(lái)說(shuō)，通過(guò)施用微生物菌肥和有機(jī)肥來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有益微生物群落、提高土壤養(yǎng)分、降低土壤重金屬污染、促進(jìn)植被恢復(fù)與重建，已成為解決生態(tài)脆弱區(qū)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)初期植被建植困難、覆蓋率偏低、水土流失嚴(yán)重等問(wèn)題的有效方法之一。微生物菌肥施入土壤后增加了有益微生物數(shù)量，群體的協(xié)同作用將有利于增加有益酶活性[29]，本試驗(yàn)不同施肥處理后土壤中脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性都有不同程度的增加，這與Marcote等[30]、賀文員等[31]的研究結(jié)果相一致。通過(guò)對(duì)比分析不同施肥方式下土壤中有益酶活性，結(jié)果顯示單獨(dú)施用微生物菌肥、有機(jī)肥以及配合施肥土壤中脲酶活性均有明顯增加，其中配合施肥更有利于提高土壤中蔗糖酶活性，與土壤中脲酶、蔗糖酶活性變化相比，施肥對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響相對(duì)不明顯。土壤中脲酶活性反映了土壤供氮的水平與能力，是決定土壤中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，已有研究表明土壤中總氮、無(wú)機(jī)氮、有機(jī)質(zhì)含量與土壤中脲酶活性具有極顯著的正相關(guān)關(guān)系[32]。金屬礦山尾礦庫(kù)原狀土壤中氮元素含量較低，施肥后土壤中氮元素含量明顯增加，施肥增加了土壤中的氮源，進(jìn)而為土壤中脲酶的產(chǎn)生和活性的提高提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。蔗糖酶主要參與碳水化合物的轉(zhuǎn)化，試驗(yàn)施用的牛糞有機(jī)肥中含有大量的碳水化合物，為細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物提供了豐富的碳源，而微生物菌肥提供了大量有益微生物菌群，因此配合施肥提高了土壤中蔗糖酶活性。賀文員等[31]研究了生物有機(jī)肥對(duì)水稻土壤中酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用微生物菌肥對(duì)土壤中脲酶活性有促進(jìn)作用；邵麗等[33]研究了玉米施用無(wú)機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥、生物復(fù)混肥后土壤中酶活性的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物復(fù)混肥處理可顯著影響土壤中蔗糖酶和脲酶活性；孫瑞蓮等[34]研究表明，玉米秸稈有利于提高土壤中轉(zhuǎn)化酶活性，有機(jī)肥主要提高土壤中脲酶和磷酸酶活性，但長(zhǎng)期施肥不能增強(qiáng)土壤中過(guò)氧化氫酶活性；鄧歐平等[35]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞還田處理能提高土壤中過(guò)氧化氫酶活性，秸稈和豬糞還田處理能提高土壤中蔗糖酶活性；陳娟麗等[36]研究了復(fù)合菌肥與化肥配施對(duì)高寒區(qū)土壤中酶活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同比例配施處理后，土壤中脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性均增加，但施肥對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響較小。不同施肥方式下土壤中脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性的變化存在差異主要與試驗(yàn)區(qū)土壤條件、氣候環(huán)境、施用肥料成分、植物組成等因素激活或抑制不同土壤酶的活性有關(guān)，而不同土壤微生物種群在代謝等過(guò)程中釋放的酶種類(lèi)、數(shù)量也不同，土壤中添加微生物菌劑和有機(jī)肥勢(shì)必會(huì)影響土壤中微生物種群，進(jìn)而不同程度地改變了土壤中酶的活性[37]。因此，對(duì)于肥料成分、配施比例、施用方法等因素與土壤中微生物種群、土壤中酶的活性之間的相關(guān)關(guān)系研究還需要進(jìn)一步深入。

有研究表明[38]，施用微生物菌肥能降低土壤pH值、電導(dǎo)率和全鹽量，本研究中各施肥處理組土壤的pH值與不施肥處理組之間的土壤pH值變化差異明顯，但土壤的pH值均在8.5以上，蘇尼特右旗草原土壤的平均pH值為8.84[21]，施肥雖然降低了土壤的酸堿度，但并未改變土壤的強(qiáng)堿性。堿性土壤會(huì)抑制土壤中微生物的活動(dòng)，不同程度地會(huì)降低土壤中養(yǎng)分的有效性，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，這也是草原金屬礦廢棄地植被恢復(fù)困難的原因之一。施肥措施對(duì)土壤中全鹽含量的影響不明顯，其原因可能是施用的有機(jī)肥本身無(wú)機(jī)礦物含量較高，施入土壤后鹽分降低幅度不大[39]。根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，施肥對(duì)草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤養(yǎng)分的改善有積極的作用，各施肥處理后土壤中有機(jī)質(zhì)含量均增加，與施用微生物菌肥相比，施用有機(jī)肥更能有效補(bǔ)充土壤中的有機(jī)質(zhì)。這是由于牛糞有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量達(dá)20%、氮含量為0.34%～0.80%、五氧化二磷含量為0.16%、氧化鉀含量為0.4%[40]，配合施肥主要利用了有機(jī)肥中豐富的有機(jī)質(zhì)和大量的養(yǎng)分元素，從而彌補(bǔ)了微生物菌肥中有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸及糖類(lèi)等物質(zhì)的不足。施肥明顯提高了土壤中氮、磷、鉀元素含量，尤其在金屬礦山尾礦庫(kù)比較貧瘠的土壤環(huán)境，施肥對(duì)于土壤中速效養(yǎng)分積累的影響要明顯高于全效養(yǎng)分。這是由于有機(jī)肥中含有大量的有機(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)物質(zhì)和有益微生物，微生物肥料的加入增加了土壤對(duì)肥料的利用率，而微生物肥料中的有益微生物在其生命活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生大量的次生代謝產(chǎn)物有機(jī)酸，不斷釋放土壤中的遲效態(tài)氮磷鉀，進(jìn)一步提高了土壤養(yǎng)分的有效性。已有研究表明，施用微生物肥料可以增加土壤中速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量等[24,40]。微生物肥料中的解磷解鉀菌對(duì)土壤中難分解的一些礦物成分也能起到一定的溶解作用，游離的礦物元素更有利于植物的吸收[41]。施肥在一定程度上降低了土壤的pH值，有利于土壤中氮、磷、鉀的有效轉(zhuǎn)化，這也是施肥后土壤中速效養(yǎng)分含量增加的原因之一[42]。宋雙雙等[43]的研究結(jié)果表明，保水劑與微生物菌劑對(duì)土壤具有保氮釋磷促鉀效應(yīng)，對(duì)土壤中速效氮、磷、鉀含量具有顯著的促進(jìn)作用，可提高土壤中可供植物吸收利用的有效養(yǎng)分。

本研究采用灰色關(guān)聯(lián)度法以土壤中3個(gè)有益酶活性(土壤氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶)和土壤9個(gè)化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全鹽含量、pH值)作為干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)不同施肥方式的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，土壤中脲酶活性和氮、磷元素含量對(duì)土壤質(zhì)量的影響更明顯，土壤中脲酶活性與土壤中微生物數(shù)量、全氮含量和全磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)槊甘且环N專(zhuān)屬性很強(qiáng)的水解酶，可以有效提高土壤中銨態(tài)氮的含量，促進(jìn)植物吸收，反映土壤的氮素狀況[28]。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)果表明：施用微生物菌肥的土壤質(zhì)量要優(yōu)于施用有機(jī)肥；配合施肥的土壤養(yǎng)分狀況要優(yōu)于單獨(dú)施用某一種肥料；在配合施肥不同組合中，并非最大施用量作用下土壤質(zhì)量最高，故在綜合考慮施肥效果和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，選擇何種施肥方式還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 干旱半干旱草原區(qū)金屬礦山尾礦庫(kù)采用施肥措施能提高土壤中有益酶活性，配合施肥土壤中蔗糖酶活性明顯高于不施肥處理土壤(p<0.05)，說(shuō)明配合施肥更有利于提高土壤中蔗糖酶活性；各施肥處理組與不施肥組之間的土壤中脲酶活性變化差異均達(dá)到顯著性水平(p<0.05)，單獨(dú)施肥或配合施肥對(duì)土壤中脲酶活性都有積極的作用；施肥后土壤中過(guò)氧化氫酶活性高于不施肥處理土壤，與土壤中脲酶、蔗糖酶活性變化相比，施肥對(duì)土壤中過(guò)氧化氫酶活性的影響相對(duì)不明顯。

(2) 金屬礦山尾礦庫(kù)土壤的酸堿度處于較高水平，施肥措施能降低土壤的pH值，但土壤的pH值仍在8.5以上，屬?gòu)?qiáng)堿性土壤；尾礦庫(kù)土壤表層鹽分含量偏高，施肥措施對(duì)土壤全鹽含量的影響不明顯；各施肥處理土壤中有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的增加，施用有機(jī)肥土壤中有機(jī)質(zhì)平均含量比施用微生物菌肥高35.1%，表明有機(jī)肥比微生物菌肥更能有效補(bǔ)充土壤中的有機(jī)質(zhì)。

(3) 金屬礦山尾礦庫(kù)原狀土壤養(yǎng)分匱乏，土壤中氮、磷含量偏低，施肥能明顯增加土壤中全氮和速效氮含量，配合施肥對(duì)土壤中氮元素的影響要顯著高于單獨(dú)施肥土壤；施肥對(duì)土壤中全磷、全鉀的影響較小，但能明顯提高土壤中速效磷和速效鉀含量，施用微生物菌肥對(duì)土壤中速效磷含量的促進(jìn)作用要高于有機(jī)肥，施用微生物菌肥和有機(jī)肥均能提高土壤中速效鉀的含量。

(4) 采用灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)金屬礦山尾礦庫(kù)土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：土壤中脲酶活性、全氮含量、全磷含量、速效磷含量和速效氮含量5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)與參考數(shù)列指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度較大；L1S3、L3S3、L2S3、L3S1、L2S2施肥處理組土壤質(zhì)量相對(duì)較好，表明配合施肥更能有效提高土壤質(zhì)量，改善土壤的養(yǎng)分狀況。