2種利用類型煤矸山復墾重構土壤的微生物量碳、氮含量與酶活性

畢斌 任珊珊 郭李凱 于亞軍

摘要：土壤微生物量碳、氮含量與酶活性可以作為評價土壤質量恢復的敏感因子，因此開展煤矸山重構土壤微生物量碳、氮含量與酶活性研究對于分析復墾土壤質量恢復狀況十分必要。以山西省長治市王莊煤矸山復墾6年的林地（SL）、草地（GL）為研究對象，分析2種利用類型煤矸山土壤微生物量碳、氮含量與酶（堿性磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、脫氫酶）活性的差異。結果表明：林地微生物量碳含量與堿性磷酸酶活性、脫氫酶活性分別比草地高393%、128%、289%；微生物量氮含量與脲酶、過氧化氫酶活性分別比草地低4%、5%、57%。相關性分析表明：微生物量碳含量與脫氫酶、堿性磷酸酶活性主要受有機質、全氮含量的影響，而微生物量氮含量與脲酶、過氧化氫酶活性主要受堿解氮含量的影響；0～10 cm土層草地有機質、全氮含量分別比林地低15%、7%，堿解氮含量比林地高50%，導致2種復墾樣地之間微生物量碳、氮含量與酶活性存在明顯差異。綜合試驗結果可知，林地有助于微生物量碳含量與堿性磷酸酶、脫氫酶活性的提高，草地有助于微生物量氮含量與脲酶、過氧化氫酶活性的提高。

關鍵詞：復墾土壤；土壤微生物量碳、氮含量；土壤酶活性；煤矸山

中圖分類號： S153.6；X825文獻標志碼：

文章編號：1002-1302（2016）08-0511-04

煤矸石是井工開采和洗煤排出的廢棄物，是礦區主要污染源之一，目前其綜合利用率不足20%，因此多棄置于地表形成矸石山[1]，不僅占用大量土地，而且對當地的生態環境構成嚴重威脅[2]。因此，采用推平覆土后進行植被綠化是煤矸山治理的主要措施之一[3]。但是煤矸山推平覆土時通過工程技術措施（如鏟平、碾壓）形成的“重構土壤”改變了原有土壤的水、肥、氣、熱等理化性質，進而影響土壤微生物、酶直接參與的諸如養分循環、有機質分解等諸多生態過程，而土壤酶、微生物是生態系統物質轉化和能量循環的驅動力[4]，且對外界脅迫比動植物反應敏感，其活性、生物量能夠反映土壤的肥力水平，常被作為評價土壤恢復質量的敏感因子[5-6]。因此，開展煤矸山重構土壤微生物、酶活性的研究對于分析復墾土壤質量恢復狀況十分必要，也有助于評價矸石山復墾治理后水肥狀況恢復的效果。

山西省長期進行高強度煤炭開采，已囤積超過10億t煤矸石，形成了300多座矸石山，產生了一系列生態環境問題[7]。近年來，山西省加大了矸石山的治理力度，多個煤矸山通過覆土復墾的方法得到治理[8]。因此，以山西省為研究區開展復墾矸石山土壤微生物、酶活性狀況研究具有典型性。本研究以山西省長治市潞安礦區王莊煤礦復墾煤矸山為例，以復墾6年的林地（SL）、草地（GL）為研究對象，分析2種利用類型復墾煤矸山土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）含量，以及土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性，同時分析土壤微生物量碳、氮含量，酶活性與土壤主要養分狀況的關系，以此研究2種利用類型煤矸山土壤微生物量碳、氮含量與酶活性的差異，可以為煤矸山復墾植被類型的選擇提供理論依據，也可為礦區復墾、土壤生態系統的恢復、重建提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于山西省長治市潞安礦區，地處黃土高原東南部太行山脈，上黨盆地的中部。該區為溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫為9.5 ℃，年均日照時間為2 518 h，無霜期為 160 d 左右，年均降水量為550～650 mm，年均蒸發量為 650～750 mm，降水年際變化和年內變化均很大，其中夏秋季降水量占全年的71.6%。

研究樣地位于該礦區王莊煤礦西矸石山，地理位置為36°22′02.2″N、113°01′29.1″E，海拔959 m，該矸石山形成于20世紀90年代，矸石存放量約為156萬m3，占地約 7.7萬m2，南北寬220 m，東西長400 m，垂直高度35 m，該矸石山一部分于2009年完成推平覆土，復墾后植被類型為灌木林地、草地，灌木林地主要植物為火炬樹（Rhus typhina Nutt）、連翹（Forsythia suspensa）、荊條（Vitex negundo var. heterophylla），郁閉度約為0.23；草地的主要植物為白羊草[Bothriochloa is chaemum（L.）Keng]、羊胡子草（Carex rigescens）、狗尾草[Setaira viridis（L.）Beauv）]，草高約15～20 cm，覆蓋度約為71%。矸石山的另一部分于2014年完成推平覆土，目前處于裸地狀態，前后2次覆土土壤均取自礦區附近，土壤性質基本一致，覆土厚度均為100～120 cm。

1.2土樣采集與分析

1.2.1土樣采集本研究以2009年復墾的6年林地、草地為樣地，同時以2014年新復墾裸地為對照（CK），土樣采集時間為2015年4月，采樣時在樣地中選擇3個樣方，每個樣方中用對角線法取5點混合形成1個樣品，最后形成3個重復樣。采樣分0～10、10～20 cm 2個土層，用土鉆取土，樣品帶回實驗室后分為2份，1份新鮮土樣過篩后測定土壤微生物量碳氮含量、酶活性，1份自然風干后過篩，測定土壤養分含量。

1.2.2土樣分析土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤全氮、堿解氮含量的測定采用凱氏定氮法、NaOH-H3BO3法；土壤全磷、有效磷含量的測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；分析方法均按照《土壤農業化學分析方法》[9]進行。

土壤微生物量碳、氮含量的測定采用三氯甲烷熏蒸提取法[10]；土壤堿性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h內1 g土壤中釋出酚的質量（mg）表示其活性；土壤過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法，以24 h內1 g土壤消耗的0.1 mol/L KMnO4體積（mL）表示；土壤脲酶活性的測定采用靛酚藍比色法，以24 h內1 g土壤中氨態氮（NH3-N）的質量（mg）表示；土壤脫氫酶活性的測定采用比色法，以24 h內1 g土壤生成的三苯基甲臜（TPF）質量（μg）表示[11]。數據分析采用Excel 2003、SPSS 10.0統計軟件進行，多重比較采用Duncans新復極差法。

2結果與分析

2.12種利用類型復墾煤矸山的土壤養分狀況

從表1可以看出，在0～10 cm土層，復墾林地土壤有機質、全氮含量分別比復墾草地高18%、8%，但全磷、堿解氮、有效磷含量明顯低于復墾草地，分別比復墾草地低28%、33%、33%；在10～20 cm土層，2種復墾樣地的差異主要體現在全磷、堿解氮、有效磷含量，復墾草地分別比林地高43%、101%、43%。

從2種復墾樣地與新復墾裸地（CK）的比較來看，在0～10 cm土層，各養分含量顯著升高，復墾林地的有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量分別增長73.1%、250.4%、625%、99.7%、22.4%；復墾草地的有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量分別增長47.2%、225.6%、125.0%、2003%、82.2%。10～20 cm土層各養分含量變化與0～10 cm 土層一致，2種樣地均有不同程度的增長，復墾林地有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量分別增長33.4%、140%、64.3%、4.1%、14.4%；草地有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量分別增長32.0%、12.7%、135.7%、109.4%、63.7%?？梢婍肥浇浿脖粡蛪?年后，土壤有機質、氮、磷養分含量均有明顯提高，但林地、草地2種利用類型土壤養分含量存在差異，這可能是由植被類型的差異造成進入土壤的植物凋落物的量和降解難易程度不同引起的

2.22種復墾類型煤矸山土壤微生物量碳氮含量的差異

由圖1-a可知，2種復墾樣地土壤微生物量碳含量的平均狀況為復墾林地大于復墾草地；從各土層的差異來看，0～10 cm土層復墾林地微生物量碳含量是復墾草地的4.93倍，在10～20 cm土層2種樣地無明顯差異。由圖1-b可知，2種復墾樣地微生物量氮含量在0～10 cm土層無明顯差異，在10～20 cm土層差異明顯，草地比林地高47%，這意味著林地能夠促使土壤中更多的碳積累在微生物體內，而草地層促使土壤中更多的氮積累在微生物體內。

與新復墾裸地（CK）相比，2種復墾樣地微生物量碳氮含量的差異主要在0～10 cm，復墾6年林地微生物量碳、氮含量分別為CK的13.59、8.89倍，復墾6年草地微生物量碳、氮含量分別為CK的2.76、9.28倍。這種差異可能是由于草地、林地每年均有較多枯枝落葉進入土壤為微生物提供更多的分解物質，因此2種復墾樣地與CK相比微生物生物量升高；但草地、林地輸入的有機物質的數量、質量不同，導致微生物量存在很大差異。

2.32種復墾類型煤矸山土壤酶活性的差異

脲酶活性可以指示土壤氮素循環及其相關的土壤活性[12]。由圖2-a可知，2種復墾樣地土壤脲酶活性相比較，復墾草地上下各土層分別比林地高5%、7%；與新復墾裸地相比較，2種復墾樣地土壤脲酶活性明顯提高，復墾6年草地、林地在0～10 cm土層分別增長21%、15%，10～20 cm土層分別增長55%、44%?？梢姴莸馗欣陔迕富钚缘奶岣?，能進一步增加土壤中可直接被植物吸收利用的氮素含量，提高氮素的利用效率，加速土壤氮素循環，更有利于土壤質量的改善。

堿性磷酸酶能夠促進有機磷化合物的水解、提高土壤磷元素的有效性[16]。由圖2-b可知，2種復墾樣地的土壤堿性磷酸酶活性相比，復墾6年林地明顯高于草地，上、下各土層分別比草地高128%、101%；與新復墾裸地相比較，復墾6年林地上、下各土層堿性磷酸酶活性分別增長173%、130%，草地上、下各土層堿性磷酸酶活性分別增長20%、14%?？梢娡羀CM（25]壤堿性磷酸酶活性因植被恢復方式有明顯的差異，林地更[CM）]

有利于堿性磷酸酶活性的提高，能進一步促進有機磷向無機磷轉化，從而為植物生長提供更好的立地條件。

脫氫酶活性能較好地表征土壤中微生物的氧化能力[17]。由圖2-c可知，復墾林地脫氫酶活性在0～10 cm土層明顯高于復墾草地，是復墾草地的3.89倍；在10～20 cm土層，二者無明顯差異。與新復墾裸地相比，2種復墾樣地脫氫酶活性在上、下各土層不同程度地增加，0～10 cm土層林地、草地脫氫酶活性分別為新復墾裸地的13.27、3.92倍，10～20 cm土層脫氫酶活性分別為新復墾裸地的1.55、1.61倍?？梢姴煌脖换謴头绞骄刹煌潭鹊馗纳泼摎涿富钚?，但林地的修復效果明顯高于草地，表明林地土壤中微生物的氧化能力更強。

過氧化氫酶能促進過氧化氫分解，有效防止過氧化氫對生物體的毒害作用[18]。由圖2-d可知，復墾6年草地上、下各土層過氧化氫酶活性分別比復墾林地高125%、158%；2種復墾樣地與新復墾裸地相比，0～10 cm土層林地、草地過氧化氫酶活性分別提高32%、197%；10～20 cm土層過氧化氫酶活性分別提高26%、99%。表明采取不同的植被恢復措施后土壤的氧化還原能力都有很大的增強，從而有利于土壤中某些有毒物質的轉化，但是草地的過氧化氫酶活性更高、氧化還原能力更強，能進一步促進有機質的轉化。

2.4土壤微生物量碳、氮含量和酶活性與主要土壤養分含量的相關性

由表2可知，微生物量碳含量與有機質、全氮含量顯著相關；微生物量氮含量與有機質含量顯著相關，與全氮、堿解氮含量極顯著相關，說明土壤微生物在土壤能量與物質循環中起到巨大的作用。由表2還可以看出，脲酶活性與全氮、堿解氮含量顯著或極顯著相關，且與有機質含量極顯著相關；脫氫酶活性與全氮、有效磷含量顯著或極顯著相關；過氧化氫酶活性與有機質、堿解氮含量極顯著相關；堿性磷酸酶活性與有機質含量極顯著相關，與全氮、全磷、有效磷含量顯著相關。

從以上土壤酶活性與微生物量碳、氮含量及土壤養分含量的相關性分析結果來看，土壤酶活性和微生物量碳、氮含量能很好地反映煤矸石復墾重構土壤的肥力狀況，可以作為評價土壤質量的生物學指標。

3討論

土壤微生物對土壤環境的變化極為敏感，不同的土地利用方式會使土壤微生物量產生差異[19-20]。本研究表明，林地

微生物量碳含量高于草地，微生物量氮含量則低于草地。相關性分析表明，植被類型影響微生物量，主要是通過影響微生物生長代謝所需要的有機質、氮素等基質來實現，微生物量碳含量主要受有機質含量的影響，而微生物量氮含量主要受全氮、堿解氮含量的影響。2種復墾樣地有機質、氮素等養分含量高于新復墾裸地，因此微生物量碳、氮含量在2種樣地中明顯較高，說明植被復墾提高了土壤碳、氮養分狀況。但是2種復墾樣地相比較，0～10 cm土層草地有機質含量比林地低15%，草地堿解氮含量比林地高50%，導致林地微生物量碳含量高于草地，微生物量氮含量則低于草地?？梢?，采用林地復墾模式有利于微生物量碳含量的提高，草地復墾模式有利于微生物量氮含量的提高。

土壤酶參與土壤中各種生物化學過程，其活性能表征土壤養分轉化、運移能力的強弱，是土壤肥力評價的重要指標之一[11，17]。研究結果表明，2種復墾樣地與新復墾裸地相比，4種土壤酶活性顯著提升；2種復墾樣地相比較，脲酶、過氧化氫酶活性以草地高于林地，而堿性磷酸酶、脫氫酶活性則相反。相關性分析表明，4種酶活性主要與有機質、全氮含量相關，2種復墾樣地有機質、全氮含量顯著高于新復墾裸地，可見土壤養分含量增加，供微生物代謝的底物濃度增加，從而提高微生物的代謝產酶能力，使復墾樣地4種酶活性不同程度地提高，表明礦區經復墾之后土壤養分轉化能力有所提高；但是草地有機質、全氮含量高于林地，導致脫氫酶、堿性磷酸酶活性表現為林地高于草地。此外，脲酶、過氧化氫酶活性還與堿解氮含量極顯著相關，草地堿解氮含量極顯著高于林地，導致草地脲酶、過氧化氫酶活性高于林地?？梢娏值赜兄诿摎涿?、堿性磷酸酶活性的提高，草地有助于脲酶、過氧化氫酶活性的提高。

4結論

2種復墾樣地微生物量碳、氮含量存在顯著差異，且可不同程度地改善酶活性。復墾林地微生物量碳含量是草地的4.93倍，而草地微生物量氮含量比林地高47%；復墾林地的堿性磷酸酶、脫氫酶活性分別比復墾草地高128%、289%，脲酶、過氧化氫酶活性分別比復墾林地高15%、125%。

相關性分析表明，微生物量碳含量，以及脫氫酶、堿性磷酸酶活性主要受有機質、全氮含量的影響，而微生物量氮含量，以及脲酶、過氧化氫酶活性主要受堿解氮含量的影響。2種復墾樣地相比較可知，0～10 cm土層草地有機質、全氮含量分別比林地低15%、7%，草地堿解氮含量比林地高50%，導致林地微生物量碳含量，以及堿性磷酸酶、脫氫酶活性高于草地，微生物量氮含量、脲酶活性、過氧化氫酶活性則低于草地。結果表明林地有助于微生物量碳含量與堿性磷酸酶、脫氫酶活性的提高，草地有助于微生物量氮含量與脲酶、過氧化氫酶活性的提高。

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