陜北煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫對土壤微生物和酶活性的影響

宋世杰，張玉玲，王雙明，杜 麟，劉萌楠

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開采地質(zhì)研究院，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

我國“相對富煤、缺油、少氣”的能源資源稟賦決定了煤炭資源在我國一次能源格局中的主體地位，且在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性改變[1-2]。黃河流域作為著名的能源流域，其煤炭資源的經(jīng)濟(jì)可采量和生產(chǎn)量都高居全國首位[3]。目前我國規(guī)劃建設(shè)的14個(gè)大型煤炭基地中有9個(gè)集中分布于黃河流域，是我國最重要的煤炭生產(chǎn)區(qū)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國煤炭生產(chǎn)總量為38.5億t，其中70%以上的產(chǎn)量來自黃河流域[5]。因此，黃河流域煤炭資源的高效綠色開采對保障國家能源安全和支撐黃河流域高質(zhì)量發(fā)展都具有十分重要的意義。

陜北作為黃河流域中游重要的煤炭生產(chǎn)基地，在向全國輸送優(yōu)質(zhì)煤炭的同時(shí)，也造成了區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重?fù)p害[6]。受陜北煤炭資源賦存和開采特征的影響，采動(dòng)地裂縫成為該礦區(qū)最典型的采動(dòng)損害類型，其生態(tài)環(huán)境的破壞效應(yīng)最為顯著[7]。土壤是地表生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的關(guān)鍵要素之一，不僅直接反映生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量，而且深刻影響著生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性[8-9]。因此，研究煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫對土壤特性的影響規(guī)律逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外主要研究成果集中在采動(dòng)地裂縫對以含水率、孔隙度為代表的土壤物理特性，以氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)為代表的養(yǎng)分特性，以根際微生物、酶為代表的生物特性的影響規(guī)律[10]。張延旭等[11]認(rèn)為采煤沉陷產(chǎn)生的地裂縫是土壤含水量的下降的主要原因，土壤含水率隨采動(dòng)地裂縫寬度的增加逐漸減小;許傳陽等[12]發(fā)現(xiàn)采動(dòng)地裂縫導(dǎo)致了土壤水分、氮的流失，距采動(dòng)地裂縫距離越近，土壤含水量和有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低;QUADROS等[13]研究發(fā)現(xiàn)采煤塌陷產(chǎn)生的采動(dòng)地裂縫使得土壤孔隙度增加，在水蝕與風(fēng)蝕作用下土壤發(fā)生酸化、有機(jī)質(zhì)減小等，造成裂縫區(qū)土壤惡化;畢銀麗等[14]研究了神東礦區(qū)裂縫經(jīng)過的沙柳根際微生物數(shù)量和酶活性的時(shí)空演變特征。

然而，土壤微生物和土壤酶作為最敏感的土壤生物特性指標(biāo)，不僅可以指示土壤肥力狀況、生物化學(xué)活性及其動(dòng)態(tài)變化特征，更重要的是對人為干擾響應(yīng)靈敏，能在較短時(shí)間內(nèi)反映出土壤質(zhì)量的變化[15-16]，在一定程度上比靜態(tài)的土壤理化指標(biāo)更有實(shí)際意義[17]。但目前，綜合考慮土壤理、化、生三大特性相互作用的采動(dòng)地裂縫在小空間尺度上影響土壤微生物和土壤酶的相關(guān)研究還不充分。鑒于此，筆者以陜北煤礦區(qū)典型采動(dòng)地裂縫周圍土壤(水平距離60 cm以內(nèi)、垂直深度60 cm以淺)為研究對象，細(xì)致剖析土壤微生物和酶活性的變化特征，結(jié)合土壤主要理化特性指標(biāo)，精準(zhǔn)解譯采動(dòng)地裂縫在小空間尺度上對土壤微生物和土壤酶的影響規(guī)律。不僅對豐富和深化煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫對土壤質(zhì)量影響規(guī)律的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值，而且對陜北煤炭開采損害區(qū)的土壤微生物精準(zhǔn)修復(fù)具有重要的實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北煤礦區(qū)檸條塔井田，地理坐標(biāo)為109.67°E～110.9°E，38.22°N～39.45°N，如圖1所示。該區(qū)域氣候類型為典型的中溫帶半干旱大陸性氣候，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊，年均降雨量為194.7～531.6 mm，且主要集中在7—9月。研究區(qū)隸屬黃土溝壑區(qū)，土壤類型以黃綿土為主，土壤偏堿性，機(jī)械組成粗，土壤貧瘠，缺氮少磷，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，植被類型以沙蒿、沙柳灌叢為主，長芒草草叢次之。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Schematic diagram of the location of the study area

檸條塔井田主采煤層為2-2煤層，煤層埋深2～247 m，采用長壁綜合機(jī)械化開采方法，采厚2.5～4.0 m。高強(qiáng)度的地下開采使得該井田采動(dòng)地裂縫顯著發(fā)育。據(jù)最新調(diào)查結(jié)果，該井田采動(dòng)地裂縫主要發(fā)育在沉陷區(qū)內(nèi)部及回采巷道邊界處，且多以寬0.2～0.4 m、長0～50 m、深0～1 m的幾何形態(tài)出現(xiàn)，該類采動(dòng)地裂縫約占調(diào)查總數(shù)的50%。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

以陜北檸條塔井田北翼單一煤層開采典型工作面范圍作為采樣區(qū)，中心坐標(biāo)為110.188°E,39.088°N。采樣區(qū)地貌屬黃土丘陵溝壑類型，區(qū)內(nèi)發(fā)育多個(gè)坡向?yàn)槲髂戏较虻狞S土坡面，平均坡度22°，平均坡長50 m，坡形近似為均勻型，坡面植被類型以黑沙蒿+蒙古蕕+長芒草草地植被群落為主，植被蓋度約為43%。區(qū)內(nèi)黃土坡面上發(fā)育多組弧形采動(dòng)地裂縫，近似垂直于地下工作面推進(jìn)方向(西南方向)展布，形成時(shí)間約為3個(gè)月，裂縫平均間距10 m。采動(dòng)地裂縫的寬度由坡頂向坡腳逐漸變小，坡頂處裂縫寬度一般大于40 cm，坡腳處裂縫寬度一般小于 20 cm。

根據(jù)采樣區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)如下采樣方案(圖2):① 在坡面上隨機(jī)選擇寬度為20～40 cm、深度為20～30 cm的3條采動(dòng)地裂縫作為采樣目標(biāo);② 在每條裂縫上布設(shè)間距為10 m的5個(gè)采樣斷面，每個(gè)斷面上沿裂縫法向方向布置水平距離為20，40，60 cm等3個(gè)采樣點(diǎn);每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆分層采集垂直深度為0～10，10～20，20～40，40～60 cm等4層土壤，并將每條采動(dòng)地裂縫所有斷面上相同水平距離和垂直深度的土壤混合后裝入干凈的聚乙烯采樣袋，做好標(biāo)記，立即放于便攜冷藏箱內(nèi);③ 在采樣工作面西北方向500 m以外的未開采區(qū)內(nèi)選擇坡度、坡長、坡形、坡向、植被蓋度及群落類型相似的黃土坡面作為對照，隨機(jī)布置3個(gè)采樣點(diǎn)采集各層土壤，將相同垂直深度的土壤混合后裝入干凈的聚乙烯采樣袋，做好標(biāo)記，立即放于便攜冷藏箱內(nèi);④ 采樣工作歷時(shí)1 d，于2019-06-30完成，當(dāng)天天氣晴，溫度為16～26 ℃，共計(jì)采集土壤樣品64個(gè);⑤ 所有土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后立即置于-80 ℃冰箱內(nèi)保存，每個(gè)土壤樣品各取一半用于測定土壤微生物數(shù)量及酶活性指標(biāo);另一半用于測定土壤主要理化指標(biāo)。

圖2 采樣示意Fig.2 Sampling diagram

2.2 測定方法

采用絕對定量PCR方法分析土壤DNA樣品細(xì)菌、真菌和放線菌中的基因拷貝數(shù)，獲得所測土壤樣品中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量。土壤酶活性采用酶標(biāo)儀進(jìn)行檢測，蔗糖酶(又名轉(zhuǎn)化酶)活性的測定采用3,5二硝基水楊酸比色法;過氧化氫酶的活性測定采用高錳酸鉀滴定法;脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法;磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法;土壤含水率采用烘干法;土壤孔隙度采用環(huán)刀法;土壤粒徑采用激光衍射法;土壤pH采用電位測定法;土壤有機(jī)質(zhì)采用燃燒氧化-非分散紅外法;土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤有效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計(jì)法;土壤銨態(tài)氮采用KCL浸提-A33流動(dòng)分析儀法測定。所有樣品的各項(xiàng)指標(biāo)均平行測定3次。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用 SPSS21.0和Excel對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)行顯著分析和相關(guān)性分析，顯著性分析采用單因素方差分析，顯著水平設(shè)為0.05，Pearson相關(guān)性系數(shù)檢驗(yàn)沉陷區(qū)采動(dòng)地裂縫周圍土壤微生物數(shù)量和酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。

3 結(jié)果與討論

3.1 測定結(jié)果

為了全面而細(xì)致的分析采動(dòng)地裂縫對土壤微生物和酶活性的影響，除了測定3種微生物、4種酶活性以外，還測定了8項(xiàng)主要理化性質(zhì)。土壤微生物、酶活性、理化性質(zhì)測定結(jié)果見表1。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1采動(dòng)地裂縫發(fā)育后土壤微生物的變化規(guī)律

根據(jù)表1，繪制了采動(dòng)地裂縫周圍不同水平距離及埋深的土壤微生物數(shù)量對比圖，如圖3所示。

由表1和圖3可知，采動(dòng)地裂縫的發(fā)育會(huì)顯著降低周圍土壤(水平距離60 cm以內(nèi)、垂直深度60 cm以淺)中細(xì)菌、放線菌、真菌的數(shù)量，而且越靠近采動(dòng)地裂縫，降幅越大。隨著距采動(dòng)地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的平均降幅依次由36.68%，32.50%，41.22%(水平距離為20 cm)減小到10.21%，10.92%，17.45%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的3.59，2.98，2.36倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內(nèi)各層土壤中細(xì)菌、放線菌數(shù)量的平均降幅差異不大，均在20%～25%，真菌數(shù)量的平均降幅差異較大，由32.03%(垂直深度為0～10 cm)減小到21.54%(垂直深度為40～60 cm)，前者是后者的1.49倍。上述結(jié)果與王銳等[18]研究結(jié)果基本一致。由此可見，采動(dòng)地裂縫對周圍土壤中細(xì)菌、放線菌數(shù)量的負(fù)效應(yīng)主要表現(xiàn)出水平差異特征，且隨著水平距離的增加而明顯減弱;采動(dòng)地裂縫對土壤真菌數(shù)量的負(fù)效應(yīng)則表現(xiàn)出水平、垂直雙向差異特征，且隨著水平距離、垂直深度的增加而明顯減弱?；诰€性回歸模型，預(yù)測當(dāng)水平距離分別超過75，79，91 cm時(shí)，采動(dòng)地裂縫對周圍土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量的負(fù)效應(yīng)基本消失(式(1)～(3));當(dāng)垂直深度大于135 cm時(shí)，采動(dòng)地裂縫不再對土壤真菌數(shù)量產(chǎn)生負(fù)影響(式(4))。

圖3 采動(dòng)地裂縫周圍不同水平距離及土層深度的土壤微生物數(shù)量對比Fig.3 Comparison of the number of soil microorganism sat different horizontal distances and soil depths around mining ground fissures

δx=-0.662d+49.73,R2=0.999

(1)

δf=-0.540d+42.78,R2=0.993

(2)

δz1=-0.592d+53.67,R2=0.992

(3)

δz2=-0.250h+33.62,R2=0.963

(4)

式中，δx為采動(dòng)地裂縫水平方向周圍土壤細(xì)菌數(shù)量相對于自然土壤的降幅，%;δf為采動(dòng)地裂縫水平方向周圍土壤放線菌數(shù)量相對于自然土壤的降幅，%;δz1為采動(dòng)地裂縫水平方向周圍土壤真菌數(shù)量相對于自然土壤的降幅，%;δz2為采動(dòng)地裂縫垂直深度周圍土壤真菌數(shù)量相對于自然土壤的降幅，%;d為距采動(dòng)地裂縫的水平距離，cm;h為距采動(dòng)地裂縫的垂直深度，cm;R2為相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)表1，采動(dòng)地裂縫周圍土壤(水平距離60 cm以內(nèi)、垂直深度60 cm以淺)主要理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生惡化，對土壤微生物造成顯著的負(fù)影響。隨著距采動(dòng)地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中銨態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉀、黏粒、含水率、pH的平均降幅和孔隙度的平均增幅依次由29.31%，28.46%，19.86%，6.51%，6.46%，4.26%，3.14%，70.29%(水平距離為20 cm)減小到24.31%，9.51%，12.61%，4.11%，4.93%，2.36%，1.98%，26.20%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的1.21，2.99，1.57，1.58，1.31，1.81，1.56，2.68倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內(nèi)各層土壤銨態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)、黏粒的平均降幅依次由29.66%，38.92%，10.17%(垂直深度為0～10 cm)減小到25.54%，9.62%，1.45%(垂直深度為40～60 cm)，前者分別是后者的1.16，4.04，7.01倍，有效磷、有效鉀、pH、含水率的平均降幅均不大，依次在15.0%，8.0%，2.5%，3.0%左右。上述結(jié)果與許傳陽等[12]研究結(jié)果基本一致。經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與細(xì)菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)依次為0.933，0.819，0.881，0.876，與放線菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)依次為0.964，0.836，0.819，0.891，與真菌數(shù)量的相關(guān)系數(shù)依次為0.940，0.914，0.824，0.852，均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(P<0.01);而土壤有效鉀、pH、含水率與土壤真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量相關(guān)性均不顯著。該結(jié)果中土壤含水率、pH與微生物數(shù)量的相關(guān)性與前人結(jié)果不一致[12,19]，可能是本研究中的采動(dòng)地裂縫因產(chǎn)生時(shí)間短使得土壤水分、酸堿度變化不大所致。由此可見，采動(dòng)地裂縫周圍土壤中真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量空間變化特征與土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在高度的一致性。

表1 采動(dòng)地裂縫周圍土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性及主要理化指標(biāo)檢測結(jié)果Table 1 Test results of the number of soil microorganisms, soil enzyme activities and main physical and chemical indicators around mining ground fissures

3.2.2采動(dòng)地裂縫發(fā)育后土壤酶活性的變化規(guī)律

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制了不同水平距離、不同埋深土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性對比圖，如圖4所示。

圖4 采動(dòng)地裂縫周圍不同水平距離及土層深度的土壤酶活性對比Fig.4 Comparison of soil enzyme activities at different horizontal distances and soil depths around mining ground fissures

由表1和圖4可知，采動(dòng)地裂縫的發(fā)育會(huì)顯著降低周圍土壤(水平距離60 cm以內(nèi)、垂直深度60 cm以淺)中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶的活性，而且越靠近采動(dòng)地裂縫，降幅越大。隨著距采動(dòng)地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅依次由41.20%，18.78%，44.17%，44.92%(水平距離為20 cm)減小到14.90%，8.69%，21.49%，10.12%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的2.76，2.16，2.05，4.44倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內(nèi)土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅差異不大，均在12%～30%(10～20 cm土層蔗糖酶活性除外)，磷酸酶活性的平均降幅由36.53%(垂直深度為0～10 cm)減小到19.19%(垂直深度為40～60 cm)，前者是后者的1.90倍。上述結(jié)果與杜濤等、王銳等[14,18]研究結(jié)果基本一致。由此可見，采動(dòng)地裂縫對周圍土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性的負(fù)效應(yīng)主要表現(xiàn)出水平差異特征，且隨著水平距離的增加而明顯減弱;采動(dòng)地裂縫對土壤磷酸酶活性的負(fù)效應(yīng)表現(xiàn)出水平、垂直雙向差異特征，且隨著水平距離、垂直深度的增加而明顯減弱?；诰€性回歸模型，預(yù)測當(dāng)水平距離分別超過72，82，89，96 cm時(shí)，采動(dòng)地裂縫對周圍土壤中磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性的負(fù)效應(yīng)基本消失(式(5)～(8));當(dāng)垂直深度大于103 cm時(shí)，采動(dòng)地裂縫不再對土壤磷酸酶活性產(chǎn)生負(fù)影響(式(9))。

δl1=-0.87d+62.573,R2=0.999

(5)

δz=-0.658d+53.95,R2=0.997

(6)

δg=-0.252 3d+22.537,R2=0.836

(7)

δn=-0.567d+54.53,R2=0.974

(8)

δl2=-0.355 3h+36.654,R2=0.945

(9)

式中，δl1為采動(dòng)地裂縫水平方向土壤磷酸酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δz為采動(dòng)地裂縫水平方向土壤蔗糖酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δg為采動(dòng)地裂縫水平方向土壤過氧化氫酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δn為采動(dòng)地裂縫水平方向土壤脲酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δl2為采動(dòng)地裂縫垂直深度土壤磷酸酶活性相對于自然土壤的降幅，%。

經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與蔗糖酶活性的相關(guān)系數(shù)依次為0.956，0.791，0.846，0.891，與過氧化氫酶活性的相關(guān)系數(shù)依次為0.919，0.824，0.876，0.860，與脲酶活性的相關(guān)系數(shù)依次為0.635，0.801，0.751，0.681，與磷酸酶活性的相關(guān)系數(shù)依次為0.951，0.773，0.874，0.845，均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(P<0.01);而土壤有效鉀、pH、含水率與土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性相關(guān)性均不顯著。該結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)土壤含水率、pH與土壤酶活性之間具有顯著的相關(guān)性，與前人結(jié)果不一致[12,19]，可能與本研究中的采動(dòng)地裂縫產(chǎn)生時(shí)間短有關(guān)。由此可見，采動(dòng)地裂縫周圍土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性的空間變化特征與土壤有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷及黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在高度的一致性。

4 討 論

采動(dòng)地裂縫產(chǎn)生后，一方面使得裂縫處及附近土壤的孔隙特征發(fā)生改變，孔隙度顯著增大，為土壤空氣、水分等流體組分的遷移轉(zhuǎn)化提供了更多更大的空間，以致土壤的水、肥、氣、熱及機(jī)械組成等條件發(fā)生變化，進(jìn)而引起土壤微生物的生理脅迫和酶活性的下降[20];另一方面，使得裂縫周圍土壤中植物根系的自然性狀嚴(yán)重受損，進(jìn)而引起土壤微生物和酶的損害[21]。

土壤水分作為半干旱氣候條件下控制土壤微生物數(shù)量和活性的重要環(huán)境因子，對微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及吸收、代謝水分養(yǎng)分等生理功能都會(huì)產(chǎn)生重要影響[22]。采動(dòng)地裂縫的發(fā)育使得土壤孔隙增多、增大，不僅降低了土壤的持水能力，增強(qiáng)了降水和地表徑流的入滲作用，而且擴(kuò)大了土壤與空氣的接觸面積，加劇了土壤水分的蒸發(fā)[22-23]，最終導(dǎo)致土壤水分大量損失，已有研究表明采動(dòng)地裂縫會(huì)造成土壤水分損失60%左右[23]。土壤水分產(chǎn)生的“雙向”大量流失會(huì)明顯提升土壤溶液的濃度，引發(fā)土壤微生物細(xì)胞與微生境間的水勢增高，使得微生物細(xì)胞膜的滲透壓增大，細(xì)胞內(nèi)水分向微生境擴(kuò)散，造成細(xì)胞因大量脫水而發(fā)生質(zhì)壁分離，吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝養(yǎng)分的功能減弱，最終導(dǎo)致微生物活性下降甚至死亡。該效應(yīng)對于喜濕環(huán)境的真菌和依賴土壤水移動(dòng)的細(xì)菌則更加明顯[24]。這與本研究中采動(dòng)地裂縫導(dǎo)致土壤真菌數(shù)量平均下降幅度最大、細(xì)菌次之的結(jié)果較為吻合。土壤微生物作為土壤酶的重要來源之一，其受損程度必然影響到對各類土壤酶的分泌功能，加之土壤水分減少對土壤酶活性的抑制作用[25]，2者共同導(dǎo)致土壤酶的數(shù)量逐漸降低。這與本研究中采動(dòng)地裂縫周圍土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶都出現(xiàn)明顯減少的結(jié)果相一致。需要說明的是，本研究結(jié)果顯示采動(dòng)地裂縫周圍土壤的含水率較對照組僅平均下降了6%，且與細(xì)菌、真菌、放線菌、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶活性的相關(guān)性均未達(dá)到顯著性水平，這可能與裂縫形成時(shí)間短，對土壤水分及土壤微生物、酶活性的損害效應(yīng)尚未充分顯現(xiàn)有關(guān)。

土壤溫度作為影響微生物和酶的重要環(huán)境因子之一，對土壤微生物的存活、繁殖、呼吸狀態(tài)以及酶活性都具有顯著的控制作用。采動(dòng)地裂縫的發(fā)育不僅提高了空氣、熱量向土壤的侵入強(qiáng)度，而且減弱了土壤熱傳導(dǎo)功能，以致熱量在局部土壤的異常聚集或消散，引起局部土壤溫度的“過高”或“過低”，這種現(xiàn)象在晝夜、季節(jié)溫差大的研究區(qū)則更加突出。土壤溫度的增高一般有利于土壤微生物的生長代謝和酶活性的提升，但在缺水的條件下反而對微生物、酶產(chǎn)生消極影響[26]?！斑^高”的土壤溫度會(huì)導(dǎo)致微生物細(xì)胞中蛋白質(zhì)、核酸等發(fā)生不可逆的破壞，土壤酶發(fā)生鈍化甚至完全失活，進(jìn)而造成土壤微生物死亡和土壤酶活性降低;“過低”的土壤溫度則會(huì)減弱微生物的呼吸作用，降低微生物氧化分解反應(yīng)的速率，導(dǎo)致停止繁殖的現(xiàn)象[27]。因此，由于采動(dòng)地裂縫發(fā)育導(dǎo)致的土層移動(dòng)變形程度往往在裂縫處最大，越向兩側(cè)越小，以致因土壤孔隙度、水分變化而產(chǎn)生的溫度異常在裂縫處最為明顯，對土壤微生物和酶的負(fù)影響也最大。這可能是導(dǎo)致越靠近采動(dòng)地裂縫，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤團(tuán)聚體和黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對土壤微生物及酶也具有重要影響。土壤團(tuán)聚體不僅為土壤微生物及酶提供生存活動(dòng)的場所，而且還為土壤微生物的繁殖、代謝提供豐富的養(yǎng)分[28]。有研究表明，土壤中80%～90%的細(xì)菌和大量的真菌孢子都附著在土壤團(tuán)聚體表面，土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤酶的活性越高[29]。土壤黏粒不僅是土壤團(tuán)聚體形成的關(guān)鍵成分，更會(huì)直接影響土壤微生物和酶。研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物和酶集中存在于團(tuán)聚狀的黏粒中[29-30]，且粒徑越小，微生物多樣性越大，酶活性越高[29]。采動(dòng)地裂縫的發(fā)育造成土壤孔隙度增大、含水率下降，引起或加劇了水、氣侵蝕效應(yīng)和土壤顆粒的聚沉效應(yīng)，導(dǎo)致土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少，破壞了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的崩解。這不僅造成附著在土壤團(tuán)聚體或黏粒表面的好氧兼厭氧類土壤微生物、各類土壤酶因失去生存場所和養(yǎng)分來源大量死亡，也使得土壤團(tuán)聚體內(nèi)部的厭氧類土壤微生物暴露于外部空氣中而活性銳減。

土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤微生物的重要能源和營養(yǎng)源[31]，對微生物的生存、繁殖、代謝都具有非常重要的作用。采動(dòng)地裂縫的發(fā)育使得有機(jī)質(zhì)在地表徑流作用下沿土壤孔隙和地裂縫向深層土壤遷移流失，同時(shí)孔隙度的增大還會(huì)提高有機(jī)質(zhì)的氧化分解速率，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低[32]。本研究結(jié)果顯示采動(dòng)地裂縫的出現(xiàn)使得周圍土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均下降約34%。由于土壤中細(xì)菌、真菌的絕大部分菌屬都與碳循環(huán)密切相關(guān)，因此裂縫區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的流失會(huì)導(dǎo)致微生物碳源缺少，土壤對微生物的能量和營養(yǎng)供應(yīng)能力隨之下降，抑制了土壤微生物的生長繁殖，以致細(xì)菌、真菌的相對豐度降低[33]。與此同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)的減少也使得參與有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、分解的蔗糖酶、過氧化氫酶[20,34]的活性大大降低。此外，由于絕大部分土壤微生物是黏附在土壤有機(jī)質(zhì)或礦物-有機(jī)物復(fù)合體表面，以單個(gè)微生物群落或生物膜的形式存在，因此土壤有機(jī)質(zhì)的減少就意味著微生物生存載體的減少，從而導(dǎo)致土壤微生物酶分泌功能的下降，甚至加劇了土壤微生物的死亡。這可能是導(dǎo)致越靠近采動(dòng)地裂縫，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，土壤微生物及蔗糖酶、過氧化氫酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分也顯著影響著土壤微生物數(shù)量及酶活性。銨態(tài)氮作為土壤微生物的另一重要營養(yǎng)源，對微生物的生存繁殖也產(chǎn)生顯著影響[35]。有效磷、有效鉀對于土壤細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和群落穩(wěn)定性的提升具有重要意義[36]。采動(dòng)地裂縫造成變多、增大的土壤孔隙為土壤養(yǎng)分的氧化和揮發(fā)提供了更多的通道，從而導(dǎo)致土壤氮、磷、鉀的大量淋失和流失[37]。本研究結(jié)果顯示采動(dòng)地裂縫的發(fā)育使得周圍土壤銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別平均下降約30%，20%和8%。由于絕大部分微生物均參與土壤的氮循環(huán)，因此裂縫區(qū)土壤氮素的流失造成微生物生長繁殖所需的氮源減少，從而導(dǎo)致土壤微生物的養(yǎng)分供給不足，抑制了土壤微生物的生長繁殖能力，使得微生物數(shù)量減少[38]。與此同時(shí)，土壤銨態(tài)氮的減少使得深度參與氮素轉(zhuǎn)化、循環(huán)的脲酶[39]的活性大大降低，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少也使得與土壤磷素轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的磷酸酶的活性降低[40]。這可能是導(dǎo)致越靠近采動(dòng)地裂縫，土壤銨態(tài)氮、有效磷、有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，土壤微生物及脲酶、磷酸酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤中的植物根系與微生物及酶具有非常密切的關(guān)系。一方面，植物根系通過與土壤微生物形成穩(wěn)定的“根菌群落”，對土壤微生物和酶活性產(chǎn)生重要的影響。在植物根系分泌的糖、氨基酸、有機(jī)酸等有機(jī)物的趨化作用下，土壤中的細(xì)菌、真菌等微生物向根際土壤大量聚集、繁殖[41]。同時(shí)植物根系又是土壤酶的另一重要來源，通過根系分泌物向土壤中釋放各種土壤酶[42]。采動(dòng)地裂縫使得裂縫處及附近土層發(fā)生開裂、錯(cuò)位等嚴(yán)重的移動(dòng)變形，造成植物水平根系的機(jī)械拉傷或拉斷，甚至?xí)共糠指德懵对谕飧煽菟劳?，以致植物根系的分泌功能大大降低甚至喪失，進(jìn)而引起根際微生物生存繁殖必需的碳源、氮源等營養(yǎng)物質(zhì)的短缺和群落結(jié)構(gòu)的破壞[21]，最終導(dǎo)致根際微生物數(shù)量和活性降低。植物根系分泌功能的減弱疊加上根際微生物數(shù)量的降低，2者共同導(dǎo)致土壤酶活性的下降。另一方面，植物根系通過穿插等物理加固[43]和分泌根系物生化黏結(jié)[44]，形成更加穩(wěn)定的“根-土復(fù)合體”，具有更好的抗侵蝕能力[45]。采動(dòng)地裂縫對植物根系的損傷引起“根-土復(fù)合體”結(jié)構(gòu)的破壞，不僅造成游離態(tài)氮、磷、鉀等養(yǎng)分的流失[45]，威脅到土壤微生物及酶的能源和養(yǎng)分供應(yīng)，而且導(dǎo)致土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，減少了土壤微生物及酶的生存載體[28,30]，最終導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量和酶活性的下降。由于裂縫處土層的移動(dòng)變形程度往往最大，越向兩側(cè)越小，以致裂縫處植被根系及“根菌群落”、“根-土復(fù)合體”的破壞程度最為嚴(yán)重，對土壤微生物和酶的損害也最大。這可能是導(dǎo)致越靠近采動(dòng)地裂縫，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。

綜上所述，越靠近采動(dòng)地裂縫，土壤的物理特性、養(yǎng)分特性、植被質(zhì)量越差，自我修復(fù)潛力越低，土壤微生物和酶活性受脅迫程度越大，其數(shù)量及活性越低。因此，在進(jìn)行采動(dòng)地裂縫發(fā)育區(qū)土壤精準(zhǔn)修復(fù)時(shí)，對于靠近裂縫處的區(qū)域，建議采用微生物引種、土壤改良、施肥等人工修復(fù)措施，對于遠(yuǎn)離裂縫處的區(qū)域，建議采用封育保護(hù)等自然恢復(fù)措施。

5 結(jié) 論

(1)陜北煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫對周圍土壤微生物數(shù)量和酶活性負(fù)效應(yīng)主要表現(xiàn)為水平差異特征，且隨著距采動(dòng)地裂縫水平距離的增加而明顯減弱。基于實(shí)測數(shù)據(jù)和線性回歸模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)距采動(dòng)地裂縫的水平距離分別超過72，75，79，82，89，91，96 cm時(shí)，采動(dòng)地裂縫對土壤磷酸酶、細(xì)菌、放線菌、蔗糖酶、過氧化氫酶、真菌、脲酶的負(fù)影響基本消失。因此，陜北煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫對周圍土壤微生物的損害主要集中在水平距離1 m以內(nèi)，其可作為陜北煤炭開采損害區(qū)土壤微生物精準(zhǔn)修復(fù)的靶向區(qū)域。

(2)陜北煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫周圍土壤微生物數(shù)量、酶活性在小空間尺度上的變化特征與土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)都存在高度的一致性，相關(guān)系數(shù)分別超過0.8和0.6，均達(dá)到極顯著正相關(guān)水平(P<0.01)。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也應(yīng)作為陜北煤礦區(qū)采動(dòng)地裂縫影響土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。

(3)在水平方向上，靠近采動(dòng)地裂縫，越應(yīng)采用微生物引種、土壤改良與施肥等人工修復(fù)方式進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)，越遠(yuǎn)離采動(dòng)地裂縫，越應(yīng)采用封育保護(hù)等自然恢復(fù)方式進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù);在垂直方向上，建議根據(jù)實(shí)際情況采取“自然恢復(fù)為主、人工修復(fù)為輔”的方式開展土壤微生物精準(zhǔn)修復(fù)。

致謝感謝西安科技大學(xué)畢銀麗教授給予論文的寶貴意見和重要指導(dǎo)！