煤矿区不同复垦年限的土壤有机碳矿化和酶活性特征

辛芝红， 李君剑*， 赵小娜， 周小梅

1.山西大学黄土高原研究所， 山西 太原 030006 2.山西大学生命科学学院， 山西 太原 030006

煤矿区不同复垦年限的土壤有机碳矿化和酶活性特征

辛芝红1， 李君剑1*， 赵小娜1， 周小梅2

1.山西大学黄土高原研究所， 山西 太原 030006 2.山西大学生命科学学院， 山西 太原 030006

为了解煤矿区长期复垦的生态效应，在晋西北安太堡矿区不同复垦年限的样地采集土壤样品，研究土壤中w(SOC)、w(易降解碳1)、w(易降解碳2)和w(TN)以及有机碳矿化速率和酶活性随复垦年限的变化趋势. 结果表明：①随着复垦年限的延长，土壤容重、pH和w(易降解碳1)显著降低，而w(SOC)、w(TN)、w(易降解碳2)、有机碳矿化潜势和累积量及酶活性均呈增加趋势，复垦年限为23 a的土壤中w(SOC)和w(TN)的最高值分别为22.67和1.21 mgg；②相较于土壤中w(SOC)和w(TN)，w(易降解碳2)、有机碳矿化潜势和酶活性随复垦年限延长的变化更为显著，其中过氧化氢酶活性随复垦年限的变幅最大，相较于活性最低样地，25 a样地的酶活性提高了232%，可达156.27 mg(kg·h)；③土壤容重与过氧化氢酶、蔗糖酶活性均呈显著负相关，与多酚氧化酶活性呈正相关. pH与w(易降解碳1)、多酚氧化酶活性均呈显著正相关，而与蔗糖酶活性呈负相关；④主成分分析表明，土壤综合肥力指标随复垦进程的推进逐年提高，从-1.19提高至0.86，综合肥力指标和复垦年限间的相关系数可达到0.987 (P<0.001). 可见，综合肥力指标可更全面地指示生态修复进程中的土壤演替进程.

复垦年限； 易降解碳； 有机碳矿化； 酶活； 综合肥力指标

Abstract： Ecological restoration is important for mining areas. However, the succession of soil fertility with different reclamation times remains unknown. We collected soil samples from reclaimed mine sites with different reclamation times in Antaibao coal mining area, in northwest Shanxi. Soil liable carbon, organic carbon mineralization and enzymes were studied with reclamation time, which is important to evaluate the ecological effects of reclamation in the future. The results indicated: (1) Soil physical-chemical characteristics, liable carbon, carbon mineralization and four enzyme activities under different reclamation times (from 10 to 25 years) were tested in Antaibao mining area, Shanxi Province. Soil bulk density, pH and liable carbon 1 decreased with reclamation time, but soil organic carbon, total nitrogen, liable carbon 2, carbon mineralization cumulative quantity and potential, and enzyme activities increased with reclamation time. The highest soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) were respectively 22.67 mg/g and 1.21 mg/g in the 23-a site. (2) Compared to SOC and TN, the more significant improvement patterns with reclamation years were found in liable carbon 2, carbon mineralization cumulative quantity and potential, and enzyme activities. Catalase under the 25-a site was 232% higher than in the 12-a site, reaching 156.27 mg/(kg·h), which indicated the most evident variation with reclamation time. (3) Soil bulk density demonstrated significantly negative correlation with sucrose and catalase enzymes, but positive correlation with polyphenol oxidase activity. Soil pH correlated significantly with liable carbon 1, polyphenol oxidase and sucrose. Soil urease did not correlate with any physical-chemical characteristics. (4) The integrated fertility index analyzed through Principal Component Analysis improved with reclamation time, and the highest and lowest integrated fertility indexes were 0.86 and -1.19 in 25-a and 10-a reclaimed sites, respectively. Reclamation time was strongly correlated with the integrated fertility index, with coefficient 0.987 (P<0.001), which indicated that the integrated fertility index is a compressive index for assessing soil quality during ecological restoration processes.

Keywords： reclaimed time; liable carbon; organic carbon mineralization; enzyme activity; integrated fertility index

生态修复和矿区复垦已成为许多国家持续发展战略的重要组成部分，我国矿产资源过度开发对生态环境造成了严重破坏，导致土壤团聚体破坏，土壤肥力降低、理化和生物特性恶化. 受损生态系统的生态恢复措施受到了广泛关注，其发展水平对于人类的生存状态有着极其重要的影响. 长期矿区生态修复需达到植物生长和土壤微生物代谢间的营养循环平衡[1- 2]，土壤结构和容重均会直接影响恢复植被群落的稳定性，从而也影响上述平衡过程的建立. 废弃地恢复的目标是提高堆积废弃物的稳定性、控制污染、改善景观和消除对人类的危害[3]，生态修复方案实施应考虑到土壤结构和肥力、微生物群落、表层土管理以及营养循环. 目前主要通过调查土壤理化性质等质量[4]及植被演替特征方面来评价复垦效果[5- 6]. 而对复垦生态效应的敏感指标如土壤易降解碳含量、有机碳矿化和酶活性的研究较少.

土壤有机碳按其化学特性划分为易降解和难降解有机碳，含量较少的易降解碳主要影响碳循环，影响土壤微生物生物量和活性，是反映土壤有机碳矿化过程特征的敏感指标[7]. 土壤酶参与多种生物化学过程，是土壤生态系统代谢的重要动力和陆地生态系统的功能基础. 土壤酶与土壤主要理化特征相关，且其活性对污染非常敏感，因此土壤酶可作为土壤质量评价的良好指标[8- 10]. 土壤碳矿化是碳循环的重要环节之一，主要指受土壤微生物驱动、由土壤酶介导、分解和利用土壤中活性有机组分来完成自身代谢，同时释放出CO2的过程，是土壤中重要的生物化学过程，直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成及土壤质量的保持等[11- 12].

目前关于山西高原煤矿区不同植被复垦方式对土壤碳矿化过程和土壤酶活性的研究[13- 14]表明，土壤易降解碳、有机碳矿化和酶活性特征可敏感指示复垦方式的生态效果. 关于山西高原矿区不同复垦阶段的土壤有机碳矿化和酶活性特征的研究较少. 因此，笔者通过研究雁北安太堡露天矿区7个不同复垦年限的植被群落特征，测定样地的土壤理化特征、易降解碳、有机碳矿化速率和四种主要酶(包括多酚氧化酶、脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶)活性，分析不同复垦年限间检测指标的差异性及相关性，利用主成分分析土壤理化和生物特征，进而计算出土壤综合肥力指标，以期揭示矿区复垦进程中土壤理化和生物特性的演替特征，为不同复垦阶段的植被管理提供指导.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安太堡煤矿矿区(112°11′E～113°30′E、39°23′N～39°37′N)地处黄土高原东部，属温带半干旱大陆型季风气候，年均温6.2 ℃，年均降水量约为450 mm，年均蒸发量约为 2 160 mm. 地带性土壤为栗钙土与栗褐土的过渡带. 海拔为 1 300～1 400 m，为黄土低山丘陵，是黄土高原典型的生态脆弱区. 安太堡矿区是晋陕蒙地区最早开展矿区植被修复的区域，植被复垦后初期进行浇灌管理，于3 a后停止浇灌，因此对该矿区不同复垦年限的植被土壤质量演替动态的研究，将有助于晋陕蒙干旱半干旱区复垦植被的选择和管理.

1.2 样品采集

该研究包括7个不同复垦年限(10、12、15、18、20、23和25 a)的复垦地作为研究样地，各样地的复垦植被和物种多样性见表1. 于2013年6月，去凋落物后，土钻随机6个样点取0～10 cm样品并混匀.

表1 矿区不同复垦年限植被组成和特征

每个样地包括3个重复小区(5 m×5 m)，小区采样方式为多点混合土样样品处理法，去除地表植被和覆盖物，土钻取样(0～10 cm)并混匀. 一部分风干研磨过筛用于土壤理化性质测定，另一部分4 ℃保存用于土壤有机碳矿化和酶活性测定.

1.3 样品分析

土壤容重采用环刀法测定；pH采用土水比为 1∶5 的溶液测定；w(SOC)采用重铬酸钾氧化法测定；w(TN)采用凯氏定氮法测定.w(易降解碳1)和w(易降解碳2)按照Rovira等[15]的酸水解法，具体步骤：将研细的土样500 mg放入可离心的硬质试管中，加入2.5 mol/L的H2SO420 mL，摇匀加盖，放入石蜡浴105 ℃条件下加热30 min，离心后吸出水解液，再加入20 mL蒸馏水，混匀后离心，洗液加到水解液中，这部分水解液经重铬酸钾氧化法测定所得即为w(易降解碳1)；将试管中没水解的剩余物60 ℃烘干，加入13 mol/L的H2SO42 mL，振荡过夜，然后加水稀释该酸到1 mol/L，在105 ℃下加热3 h，依上述方法收回水解液，这部分水解液所测即为w(易降解碳2)[15]. 土壤有机碳矿化速率采用室内培养碱液吸收法，在25 ℃恒温下培养63 d，培养前期每2 d测定1次，后期每周测定1次[16]；土壤多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性分别采用邻苯三酚、3,5-二硝基水杨酸、靛酚蓝和2,3,5-氯化三苯基四氮唑比色法[17]测定.

1.4 数据分析

土壤有机碳矿化潜势主要是易降解碳分解速率所决定，因此应用一阶动态方程〔见式(1)〕[18]〕分析不同处理下土壤有机碳矿化动态. 单因素模型是基于土壤矿化量和时间成正比拟合得来的.

Ct=Cp(1-e-kt)

(1)

式中：Cp为有机碳矿化潜势；k为矿化常数；t为时间，d；Ct为td内有机碳矿化累积量，mg/kg.

植被多样性采用丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数分析[19]. 不同复垦年限间的土壤理化性质、易降解碳和酶活性的差异性，通过one-way analysis of variance分析进行Duncan检验；不同检测指标间进行Pearson相关性分析；综合肥力指标(integrated fertility index，IFI)采用主成分分析(principal component analysis，PCA)确定，其计算方法见式(2)[20]：

IFI=∑aiZi/∑ai

(2)

式中，ai为主成分评价值，Zi为各主成分的评价值，IFI为综合肥力指标.

2 结果与讨论

2.1 土壤理化特征

从表2可看出，随着复垦进程的推进，土壤理化特征均有显著的变化. 随复垦进程的推移，土壤容重逐步降低，土壤pH随复垦年限的延长呈降低的趋势；w(SOC)随复垦年限的变化趋势并不一致，23 a样地的w(SOC)最高，为22.67 mg/g.w(TN)整体上呈现随复垦年限的延长而逐渐增加的趋势，其最高值也是出现在23 a样地(1.21 mg/g). 18 a样地的C/N最高，显著高于其他样地(12 a样地除外)，其他样地间的差异不显著.

表2 不同复垦年限的土壤理化特征

注：数值为平均值±标准偏差，不同字母表示不同植被之间P<0.05水平上差异显著.

图1 不同复垦年限土壤易降解碳含量Fig.1 Soil liable carbon content under different reclaimed time

2.2 土壤易降解碳和有机碳矿化

从图1可看出，复垦年限为10和12 a样地土壤中w(易降解碳1)分别为0.27和0.31 mg/kg，且显著高于其他复垦年限较长的5个样地. 复垦年限超过20 a的样地土壤中w(易降解碳2)显著高于其他复垦年限较短的样地，其中复垦年限为25 a的样地土壤中w(易降解碳2)可达到0.63 mg/kg，是复垦年限低于20 a样地含量的2倍左右.

图2 不同复垦年限下的土壤有机碳矿化累积量Fig.2 Soil cumulative carbon mineralization dynamics under different reclaimed year

土壤有机碳矿化累积量变化动态和一阶动力学拟合曲线如图2所示，不同复垦年限的拟合水平均达到极显著水平(P<0.001). 随复垦年限的延长，有机碳矿化累积量从76.10 mg/kg增至107.49 mg/kg，有机碳矿化潜势呈现相同的增加趋势，其变化范围为72.26～102.90 mg/(kg·d).

2.3 土壤酶活性

四种酶活性随复垦年限变化表现出增加趋势，但复垦年限对四种酶活性的影响并不一致(见图3). 土壤脲酶活性的最低值和最高值分别出现在复垦年限为10 a〔162.97 mg/(kg·h)〕和23 a〔24.18 mg/(kg·h)〕的样地，且与其他复垦年限的差异显著. 土壤多酚氧化酶活性在复垦10～20 a间无显著变化，复垦年限为25 a的土壤多酚氧化酶活性为184.94 mg/(kg·h)，显著高于其他样地. 土壤过氧化氢酶活性在复垦 10～15 a间变化并不显著〔46.97～66.93 mg/(kg·h)〕，但在15～20 a间显著增加，20 a后趋于稳定，25 a土壤过氧化氢酶活性达到最高，为156.27 mg/(kg·h). 土壤蔗糖酶活性随复垦年限呈增加趋势，但在复垦20 a的样地中其活性较低，在25 a样地中其活性显著高于其他样地. 总的来说，随矿区复垦年限的增加，四种土壤酶活性均呈显著增加趋势，脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性提高了1倍左右，过氧化氢酶活性提高了232%.

图3 不同复垦年限下的土壤酶活性Fig.3 Soil enzyme activities under different reclaimed time

2.4 土壤综合肥力指标和各检测指标间的相关性

对土壤理化性质、易降解碳、有机碳矿化累积量和有机碳矿化潜势及酶活性进行主成分分析，提取到3个主成分，其得分分别为8.50、1.83和1.21，前3个特征值的累积贡献率为88.81%，7个样地各主成分评价值和综合肥力指标(IFI)见表3. 综合肥力指标随复垦年限延长有所增加，在复垦10～15 a间综合肥力指标为负值(-1.19～-0.25)，18 a样地的综合肥力指标为0.20，到25 a时综合肥力指标最大，为0.86. 对综合肥力指标和复垦年限之间进行相关性分析表明，二者之间呈线性相关，其相关系数可达0.987(见图4).

表3 不同复垦年限下土壤综合肥力指标

图4 复垦年限与土壤综合肥力指标间的相关性Fig.4 The linear regressions between reclaimed year and soil integrated fertility index

土壤理化特征与酶活性间的Pearson相关性见表4. 土壤容重与有机碳矿化累积量、有机碳矿化潜势、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性也均呈显著负相关，而与多酚氧化酶活性呈正相关. pH与w(易降解碳1)、多酚氧化酶活性、蔗糖酶活性显著相关.w(易降解碳2)与过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性间显著相关. 而w(易降解碳) 与有机碳矿化累积量、有机碳矿化潜势均不相关. 脲酶活性与各检测指标均不相关，而过氧化氢酶活性和蔗糖酶活性与环境因子间呈现出较强的相关性.

2.5 讨论

该研究结果表明，土壤容重随着复垦年限的增加而逐步降低，这主要是由于复垦初期为了提高覆土的稳定性，使用大型机械压实了土壤，随复垦年限的增加，大量有机质输入以及植物根系的生长，会改善土壤结构. 在煤矿塌陷区的研究中也发现，随着复垦年限的增加，土壤容重降低，孔隙度和颗粒分形维数增大[21]. 植物生长根系分泌的有机质和枯落物的输入随着复垦年限的增加而增多，造成了土壤pH降低、w(SOC)和w(TN)增加(见表2)，相类似的结果在其他研究[22- 23]中也有报道.

w(易降解碳1)、w(易降解碳2)随复垦年限表现出相反趋势(见图1)，这可能与土壤粒径分布有关. 在复垦年限较短的样地中，土壤团粒结构较差，对易降解有机质的保护较差，因此在低浓度H2SO4条件下可浸提出更多的易降解碳1，因此在复垦年限较短样地的w(易降解碳1)较高. 在培养初期，复垦年限较短样地的有机碳矿化速率较高(见图2)，这与在太湖复垦区的研究结果[24]一致. 但随培养时间的延长，复垦年限较长样地的矿化速率较高，这主要是w(易降解碳2)较高所致. 已有研究[25]表明，土壤粒径分布影响有机质稳定性，分形维数越高表明土壤结构越紧密，在分型维数较高的土壤中有机质稳定性高.w(易降解碳1)、w(易降解碳2)与蔗糖酶活性间的相关性呈相反趋势(见表4)，这可能由于在w(易降解碳1)较低的样地中，只有需要较多的蔗糖酶降解有机质才可满足植物和微生物生长代谢所需能量，因此在w(易降解碳1)较高的样地，其蔗糖酶含量较低.

表4 土壤理化特征和酶活性间Pearson相关性分析

注：** 表示在0.01水平上相关 (双尾)；*表示在0.05水平上相关 (双尾)；-表示负相关；ns表示在0.05水平上不相关(双尾).

该研究中土壤酶活性和w(SOC)之间并不相关，而与w(易降解碳1)、w(易降解碳2)间存在显著的相关性(见表4). 在盐碱地的复垦中发现酶活性与pH呈负相关[26]，笔者也发现蔗糖酶活性与pH呈显著负相关. 有研究报道，pH为3.1～7.1的土壤中脲酶活性与pH间呈显著的正相关[27]，而笔者研究中pH与脲酶活性之间并不相关，这可能是由于笔者研究中土壤pH仅局限于7.32～7.91(见表1). 土壤过氧化氢酶活性随矿区复垦进程而显著提高(见图3)，在对未干扰地、复垦地和未复垦地的土壤过氧化氢酶的研究中，复垦地的过氧化氢酶活性会显著高于未复垦地[28]. 在复垦进程中土壤酶活性的提高，主要是由于土壤有机质等营养物质的累积、植物根系和枯落物的输入，导致土壤微生物群落组成的变化，从而影响土壤酶活性的变化[13,29]. 在长期的复垦过程中发现，随着复垦进程的推进，土壤有机质、有机碳矿化潜势、酶活性和微生物量均呈增加趋势[30- 31]，在该研究中发现，土壤酶活性和综合肥力指标也随土壤复垦时间延长而增大(见图3、表3).

4 结论

a) 在矿区修复进程中土壤结构和营养水平均有所提高，压实板结的覆土容重有所降低. 在安太堡矿区，随着复垦年限的增加，土壤w(易降解碳2)和碳矿化潜势均显著提高，相对于复垦年限10 a的样地，25 a样地的土壤中w(易降解碳2)和有机碳矿化潜势提高幅度分别为92%和40%.

b) 随矿区复垦年限的增加，四种土壤酶活性均呈显著增加趋势，脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性提高了1倍左右，过氧化氢酶活性提高了232%，可见酶活性比土壤碳氮更能敏感指示土壤质量的演变.

c) 检测指标间的相关性不同，反映了不同指标随复垦年限的变化趋势不一致. 利用主成分分析土壤综合肥力指标发现，其与复垦年限呈极显著正相关，说明土壤综合肥力指标可更全面地指示生态修复进程中的土壤演替进程.

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Characteristics of Soil Organic Carbon Mineralization and Enzyme Activities in Coal Mining Area after Different Reclamation Times

XIN Zhihong1, LI Junjian1*, ZHAO Xiaona1, ZHOU Xiaomei2

1.Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2.College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China

X53

1001- 6929(2017)10- 1580- 07

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.86

2017-01-19

2017-06-20

国家自然科学基金项目(41271530，41201374)

辛芝红(1990-)，女，山西临县人，18234057470@163.com.

*责任作者，李君剑(1975-)，男，山西汾阳人，副教授，博士，主要从事矿区土壤修复研究，lijunjian@sxu.edu.cn

辛芝红,李君剑,赵小娜,等.煤矿区不同复垦年限的土壤有机碳矿化和酶活性特征[J].环境科学研究,2017,30(10):1580- 1586.

XIN Zhihong,LI Junjian,ZHAO Xiaona,etal.Characteristics of soil organic carbon mineralization and enzyme activities in coal mining area after different reclamation times[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1580- 1586.