土壤微生物及酶活性對露天礦不同土壤重構方式的響應特征

王 凡，曹銀貴, 2，王玲玲，閆 石，張振佳，白中科,2

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035;3.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000)

0 引 言

內蒙古錫林浩特草原區(qū)土壤以砂壤土為主，表土層薄且貧瘠，是制約草原生產力的重要因素。東部草原區(qū)現(xiàn)有大量以露天開采為主的大型煤電基地，高強度的煤炭開采給原本就存在表土稀缺問題的草原帶來了土地破壞、水土流失、土壤沙化等一系列問題。同時，煤電基地的開發(fā)還產生了大量的工業(yè)固廢，例如巖土剝離物、煤頂板、粉煤灰等工業(yè)固廢，固廢的大量堆積對脆弱的草原環(huán)境產生了較大的潛在危害。隨著經濟的高速發(fā)展和礦產資源高強度的開發(fā)，礦區(qū)已成為當今世界退化最為嚴重的生態(tài)系統(tǒng)之一[1-3]，礦區(qū)開采和利用煤炭過程中對地表土壤和植被的破壞以及固體廢棄物堆積造成的污染，在占用大量的土地資源的同時還破壞了礦區(qū)土壤系統(tǒng)生物多樣性，導致土壤微生物群落的結構特征受到了極大的干擾和破壞，土壤質量也受到影響。土壤細菌群落結構特征和變化規(guī)律能夠反映礦區(qū)復墾地土壤微生物群落多樣性和生態(tài)功能,反應土壤復墾水平和質量。但由于礦區(qū)采礦活動產生的巖土剝離物尚未熟化，營養(yǎng)貧瘠，其微生物活性也減弱[1-5]，為恢復礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和遏制土地銳減的趨勢，大力開展礦區(qū)土地復墾工作已成為當今之重[1-3,6]。 植被的恢復與重建是礦區(qū)土地復墾與生態(tài)修復的主要工作內容之一[7]，且與土壤微生物、酶活性等土壤因子關系密切[8]。土壤微生物在生態(tài)系統(tǒng)中至關重要，土壤微生物作為土壤微生物的重要組成部分，在改善土壤質量方面具有重要作用[9]，探索不同植被恢復條件下土壤微生物群落特征可為生態(tài)恢復提供重要信息。土壤微生物作為土壤中的分解者，不僅能夠分解土壤中的有機物，還能夠分解植物殘體中的木質素和纖維素，對陸地系統(tǒng)中的碳循環(huán)至關重要[10-11]，除此之外，部分土壤微生物在提高植物抗逆性方面發(fā)揮著重要作用[12]。植物和微生物產生的酶在土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量流動中起著重要作用。例如，蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶與土壤中的碳、氮、磷循環(huán)密切相關[13]。土壤酶在許多土壤生態(tài)過程中發(fā)揮著重要作用，與土壤微生物群落密切相關，可以快速響應植被恢復下微生物群落的變化。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤微生物和養(yǎng)分在有機物質分解轉化過程中起主導作用，影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質循環(huán)，反映出土壤質量和健康狀況等[14-15]；土壤酶能參與多種反應，是有機質代謝及污染物降解的驅動力，是土壤環(huán)境質量評價不可缺少的重要生物學指標[16-18]。在國內外學者對礦區(qū)復墾土壤中的微生物進行研究中，包含了針對復墾后土壤微生物的生物量及其數(shù)量進行研究,主要研究區(qū)域有加拿大阿爾伯塔省的半干旱草原區(qū)，中國安徽的低山丘陵區(qū)和山西的黃土高原區(qū)，以及PALMER等對山區(qū)采礦區(qū)的土壤微生物，但對于草原露天煤礦區(qū)土壤重構對微生物及酶活性影響缺乏研究。研究分析內容主要包括對復墾前后不同復墾年限、不同植被模式下土壤細菌、真菌、放線菌的生物量及其數(shù)量變化[35-38]。研究土壤養(yǎng)分和酶活性以及微生物數(shù)量對復墾的響應，對于采取合理的復墾方式以加快恢復礦區(qū)生態(tài)具有重要意義[1-3,6]。國外的復墾工作研究起步較早，主要集中在土壤重構及其基本特性等方面[1-5]，而我國土地復墾工作起步較晚，大量的學者在土地復墾與土壤重構的研究方面取得了較大的進展，初步建立了利用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物進行土壤重構的原理和方法[6,19-20]，以及不同重構方式與固體廢棄物不同配比下復墾植被恢復的效果研究[32-33]，并且進行了植被構建、土壤養(yǎng)分和防治水土流失等的研究[6,19-20]，但對于適合于東部草原區(qū)矸石風化物以及粉煤灰混合形成的重構土壤的植被恢復狀況和酶活性以及微生物數(shù)量等方面的研究較少。因此，針對東部草原區(qū)露天煤礦開采以及煤電基地生產所帶來的工業(yè)固廢以及表土稀缺等問題，探究以煤電基地工業(yè)固廢為材料開展土地復墾工作，并探究不同土壤重構方式對微生物及酶活性影響。

1 研究區(qū)概況

勝利煤田位于內蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市西北部勝利蘇木境內。南東邊界距市區(qū)約2 km，其地理坐標為：東經115°30′～116°26′，北緯43°57′～44°14′。本區(qū)屬半干旱草原氣候，冬寒夏炎，年溫差較大。降雨在時間上較為集中，每年6—8月份降水占全年降水量的71%。凍結期為10月初至12月上旬，解凍期為翌年3月末至4月中旬，凍土深度2.40～2.89 m。露天礦區(qū)土壤類型主要包含栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等，該部分土壤有機質含量較高，土壤肥力較好；而部分地段由于草場退化，以形成沙化、礫石化栗鈣土，植被覆蓋率低，形成強烈侵蝕的生態(tài)脆弱草原區(qū)，對環(huán)境改變較為敏感。隨著煤炭開采工作的進行，植被遭到嚴重的破壞，草原生態(tài)系統(tǒng)功能不斷退化。勝利露天煤礦內排土場重構土壤區(qū)在2019年進行了有效的土地復墾與植被重建，自然植物組成有克氏針茅、大針茅、糙隱子草、冷蒿、羊草、洽草、冰草、錦雞兒等，而人工復墾與植被重建先鋒植被為紫花苜蓿。研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

2 材料與方法

位于內排土場的研究區(qū)內，采用了3種不同的重構方式重構土壤：第1種為表層50 cm采礦剝離的原地貌表層土壤，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第2種為表層50 cm的采礦剝離原地貌表層土壤(表土)、煤矸石(煤頂板)的混合物，配比為2∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體；第3種為表層50 cm的采礦剝離的原地貌表層土壤(表土)、煤矸石(煤頂板)、粉煤灰的混合物，配比為3∶4∶3，下面全部為采礦剝離物自然堆積體。試驗區(qū)設置方式為3種重構方式的3個小田塊構成一個大田塊，共4個大田塊。重構土壤剖面如圖2所示。

圖2 重構土壤剖面Fig.2 Reconstruct soil profile

為了研究排土場重構土壤的不同重構方式田塊之間以及同種重構方式田塊內的植被恢復差異性與土壤微生物和酶活性之間的關系，以及對引起差異性的相關因素進行探究。在研究中采用了單因素方差分析法，利用SPSS Statistics 25的方差分析功能，針對選取的田塊，根據(jù)已劃分不同長勢等級的植被及對應的土壤微生物含量、酶活性等進行分析。對露天礦區(qū)重構土壤微生物及酶活性與重構方式之間的變量關系進行探究，以揭示土地復墾與生態(tài)修復過程中微生物活性與不同重構方式之間的相關關系。

2.1 參數(shù)測定

土壤微生物數(shù)量測定的顯微計數(shù)法是由MARTILAINEN等[39]在1990年提出的，土壤酶和微生物的測定指標包括：蔗糖酶、磷酸酶、脲酶，細菌、真菌、放線菌等6個指標。土壤微生物主要類群數(shù)量的測定采用稀釋涂布平板法。細菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌使用孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌使用高氏一號培養(yǎng)基。蔗糖酶的測定使用DNS試劑并與標準葡萄糖曲線進行比對的方法，脲酶的測定使用苯酚鈉比色法，磷酸酶的測定使用磷酸苯二鈉比色法。

對采集的草本樣品放入烘箱內進行恒溫烘干處理，烘箱內溫度保持在65 ℃，烘干48 h，直至將草樣烘干至恒重，利用草樣干重數(shù)值代表地上生物量。

2.2 統(tǒng)計分析方法

對于研究區(qū)內不同長勢等級的植被及對應的土壤微生物含量、酶活性等的數(shù)據(jù)使用SPSS Statistics 25軟件的方差分析功能進行數(shù)據(jù)處理，并使用origin 2019軟件對數(shù)據(jù)進行繪圖。首先針對不同植被長勢等級下對應的草樣干重使用單因素方差分析(one-way ANOVA)以及最小顯著差數(shù)法(LSD)，以確定對植被長勢等級定性分級的正確性，分析過程中將顯著性水平(sig)設置為0.05。在此基礎上，分別對同等植被長勢—不同復墾方式、不同植被長勢—相同復墾方式下的土壤微生物和酶活性進行差異顯著性分析，即分析巖土田塊(S)、巖土煤矸石混合田塊(SG)以及巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中植被長勢等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的差異性。

3 結果與分析

3.1 田塊選取與采樣

2019年5月，內蒙古錫林浩特勝利露天煤礦內排土場的重構土壤試驗區(qū)經過復墾后播種紫花苜蓿，土地復墾標準參考《土地復墾質量控制標準》TD/T 1036—2013以及《高標準基本農田建設標準》TD/T 1033—2012，紫花苜蓿種植管理標準參考DB51/T 406—2004。2019年8月對當年復墾后的復墾區(qū)進行了田塊調查和取樣，對位于內排土場的具有相同土壤重構方式的4個大田塊所種植苜蓿的大田塊采集土壤樣本以及植被樣本。為了使田塊中被選定的各樣點代表不同的植被恢復水平，在取樣的田塊內對各樣點的植被長勢進行了定量的分級，同時考慮到不同構建田塊內植被恢復的整體水平具有差異性，實際的分級是在3個不同構建田塊內分別進行的，因此本次樣點的選定能夠代表田塊內的不同植被恢復水平。在每個單獨的田塊內基于樣線法，在田塊內分別設置12個樣點，植被恢復水平根據(jù)植被的長勢由優(yōu)至劣定義為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個等級，每個等級下設置3個草本樣方1 m×1 m，3個土樣樣點，采樣深度20 cm，將3個樣點采集到的土樣混合。

在選取的草本樣方內，收割所有草本地面以上的部分，裝入保鮮袋內帶回實驗室烘干稱重。每個樣方中使用土鉆取表層土樣(0～20 cm)設置3個重復，并將相同等級土樣混合均勻并去除植物根系后放入無菌密封袋保存，并放入加冰袋的保溫箱內送至檢測單位測定微生物數(shù)量以及酶活性。

3種不同重構方式(S、SG、SGA)下12個小田塊內各等級植被等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點的植被干重均值如圖3所示，從圖3可以看出，各復墾方式下的田塊內，不同植被等級樣點的植被干重均值的數(shù)值特征表現(xiàn)為除等級Ⅲ、Ⅳ差異不顯著外(P>0.05)，其它各個植被等級之間均兩兩差異極顯著(P<0.01)，這可能是由于等級Ⅲ樣點發(fā)生燒苗現(xiàn)象之后，植被沒有得到后續(xù)恢復所導致的。

S—巖土田塊；SG—巖土煤矸石混合田塊；SGA—巖土煤矸石粉煤灰混合田塊；下同圖3 不同植被等級下地表植被干重特征Fig.3 Dry weight characteristics of surface vegetation underdifferent vegetation grades

針對3種不同重構方式(S、SG、SGA)下12個小田塊內植被等級Ⅲ、Ⅳ樣點的植被干重單因素方差分析差異不顯著，進一步對2種等級進行獨立樣本t檢驗，不同復墾方式下的田塊內，等級Ⅲ、Ⅳ樣點的植被干重均值的數(shù)值特征表現(xiàn)為巖土田塊(S)內兩等級間差異顯著外(P<0.05)，巖土矸石田塊(SG)內兩等級之間差異極顯著(P<0.01)，巖土矸石粉煤灰田塊(SGA)內兩等級間差異不顯著(P>0.05)。

3.2 不同重構方式下復墾田塊土壤微生物特征

3.2.1 不同重構方式下復墾田塊土壤微生物數(shù)量特征

3種不同重構方式下重構土壤的土壤微生物數(shù)量及總體特征見表1，不同復墾方式之間以及不同植被等級下各類別土壤微生物的數(shù)量特征存在差異。從各植被等級所對應樣點的微生物數(shù)量均值來看，不同復墾方式的各植被等級下，隨著植被等級的降低微生物數(shù)量呈下降的趨勢；根據(jù)微生物數(shù)量的均值進行分析可以得到，不同重構方式下的田塊之間，土壤微生物數(shù)量最多的田塊為巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中細菌數(shù)量的總體均值77.20×105cfu/g是巖土田塊(S)總體均值64.75×105cfu/g的1.19倍，是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值60.55×105cfu/g的1.27倍；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中真菌數(shù)量的總體均值0.088 3×105cfu/g是巖土田塊(S)總體均值0.041 9×105cfu/g的2.11倍，是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值0.067 9×105cfu/g的1.30倍；巖土田塊(S)中放線菌數(shù)量的總體均值0.557 0×105cfu/g是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值0.345 6×105cfu/g的2.11倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值0.452 0×105cfu/g的1.30倍。

表1 不同重構方式下土壤微生物數(shù)量及總體特征

從變異系數(shù)均值分析，不同復墾方式之間以及不同植被等級下各類別土壤微生物的數(shù)量特征均存在一定變異，且均表現(xiàn)為強變異程度。巖土田塊(S)中不同植被等級下各類別土壤微生物中真菌的變異系數(shù)均值最高，為59.55%，放線菌最低，為45.91%；巖土煤矸石混合田塊(SG)中不同植被等級下各類別土壤微生物中的變異系數(shù)均值差別較小，變化范圍為36.84%～38.01%；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中不同植被等級下各類別土壤微生物中細菌的變異系數(shù)均值最高，為52.74%，真菌最低，為30.74%。

3.2.2 不同植被等級下土壤微生物數(shù)量變化特征

3種不同重構方式(S、SG、SGA)下各等級植被等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點的重構土壤的土壤微生物數(shù)量差異分析結果如圖4所示，細菌數(shù)量在3種微生物中占有絕對優(yōu)勢，其次是放線菌，真菌的數(shù)量最少。研究表明，土壤微生物與土壤質量的關系十分緊密,土壤微生物不但能分解動植物殘體、礦化有機質，還對腐殖質和團聚體的形成、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)揮作用[21]。同時，土壤微生物生物量較大程度上代表著土壤活性以及有機質的儲量[22]。

從圖4可以看出，不同植被等級下，各類土壤微生物在數(shù)量上均呈現(xiàn)出隨著植被等級的降低而減少的趨勢。各復墾方式下，微生物總量表現(xiàn)為重構土壤巖土田塊(S)各植被等級下差異顯著(P<0.05)，重構土壤巖土煤矸石田塊(SG)，巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)各植被等級下差異不顯著(P>0.05)，這一結果是由占微生物整體數(shù)量99%以上的細菌所導致的；真菌在各復墾方式以及各植被等級下差異不顯著(P>0.05)，但其數(shù)量特征表現(xiàn)為隨著植被等級的降低，真菌數(shù)量均呈現(xiàn)出下降的趨勢；放線菌在各復墾方式下，SG的植被等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下差異不顯著(P>0.05)，SGA的各植被等級下差異不顯著(P>0.05)，巖土田塊(S)的等級Ⅰ與其他3個等級差異顯著(P<0.05)，且異常表現(xiàn)為小于其他3個植被等級下的微生物數(shù)量，這可能是由于此處樣方內植被的侵入物種單株重量較大所導致的。

圖4 不同植被等級下微生物數(shù)量變化特征Fig.4 Variation characteristics of microbial quantity under different vegetation grades

3.2.3 不同重構方式土壤微生物數(shù)量變化特征

3種不同重構方式(S、SG、SGA)下各相同植被等級的土壤微生物數(shù)量差異分析結果如圖5所示。從圖5可以看出，不同重構方式下，各類土壤微生物均呈現(xiàn)出細菌在數(shù)量上占絕對的優(yōu)勢。等級Ⅰ的各復墾方式下，各種微生物數(shù)量均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)；等級Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的各復墾方式下，細菌和放線菌數(shù)量均表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)，真菌在3種復墾方式下表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)。

圖5 不同土壤重構方式下微生物數(shù)量變化特征Fig.5 Variation characteristics of microbial quantity under different soil reconstruction methods

3.3 不同重構方式下復墾田塊土壤酶活性特征

3.3.1 不同重構方式下復墾田塊土壤酶活性特征

3種不同重構方式下重構土壤的土壤酶活性總體特征見表2，從表2可知，不同復墾方式之間以及不同植被等級下各類別土壤酶的活性存在差異。從各植被等級所對應樣點的土壤酶濃度均值來看，不同復墾方式的各植被等級下，隨著植被等級的降低土壤酶濃度呈下降的趨勢；根據(jù)土壤酶濃度的均值進行分析可以得到，不同重構方式下的田塊之間，土壤酶濃度最高的田塊為巖土煤矸石混合田塊(SG)。巖土煤矸石混合田塊(SG)中脲酶濃度的總體均值2.451×10-2mg/(g·h)是巖土田塊(S)總體均值1.566×10-2mg/(g·h)的1.57倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.440×10-2mg/(g·h)的1.70倍；巖土煤矸石混合田塊(SG)中蔗糖酶濃度的總體均值2.049×10-2mg/(g·h)是巖土田塊(S)總體均值1.339×10-2mg/(g·h)的1.53倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.589×10-2mg/(g·h)的1.29倍；巖土田塊(S)中磷酸酶濃度的總體均值2.296×10-2mg/(g·h)是巖土煤矸石混合田塊(SG)總體均值1.641×10-2mg/(g·h)的1.40倍，是巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)總體均值1.868×10-2mg/(g·h)的1.23倍。

從變異系數(shù)均值分析，不同復墾方式之間以及不同植被等級下各類別土壤酶活性的酶濃度數(shù)量特征均存在一定變異，且均表現(xiàn)為強變異程度。巖土田塊(S)中不同植被等級下各類別土壤酶活性中的脲酶變異系數(shù)均值最高，為71.71%，磷酸酶最低，為45.91%；巖土煤矸石混合田塊(SG)不同植被等級下各類別土壤酶活性中的蔗糖酶變異系數(shù)均值最高，為63.83%，脲酶最低，為41.29%；巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中不同植被等級下各類別土壤微生物中脲酶和蔗糖酶的變異系數(shù)均值均相對較高，為56.69%和56.07%，磷酸酶最低，為29.77%。

3.3.2 不同植被等級下土壤酶濃度變化特征

3種不同重構方式(S、SG、SGA)下各等級植被等級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)樣點的重構土壤的土壤酶濃度差異分析結果如圖6所示，3種酶的濃度均值由高到低依次表現(xiàn)為磷酸酶、脲酶、蔗糖酶。土壤酶由微生物與作物根系等共同作用而產生，是土壤最重要活性成分之一[23]，它參與土壤所有的生物化學過程，其活性的高低既能反映土壤中生化過程的相對強度，又能迅速響應復墾措施以及復綠方式對重構的復墾土壤質量的影響，反映土壤質量的變化[24-25]。

從圖6可以看出，不同土壤重構方式下，各類土壤酶濃度均呈現(xiàn)出隨著植被等級的降低而減少的趨勢。各復墾方式下，土壤酶濃度總量表現(xiàn)為各植被等級下差異顯著(P<0.05)，且均呈現(xiàn)出下降趨勢，S的等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤酶濃度均表現(xiàn)為下降趨勢，等級Ⅲ到等級Ⅳ表現(xiàn)為突然的上升，這是由于脲酶在巖土田塊(S)中的濃度由等級Ⅲ到等級Ⅳ的突增所導致的；磷酸酶在3種不同的重構均表現(xiàn)為等級Ⅰ與其它等級差異顯著(P<0.05)，但等級Ⅱ、Ⅲ之間差異不顯著(P>0.05)；脲酶在3種不同的重構表現(xiàn)為，在巖土田塊(S)中的濃度等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之間差異不顯著(P>0.05)，等級Ⅳ與前3個等級差異顯著(P<0.05)，且濃度值突增，這種現(xiàn)象可能是由于等級Ⅳ的樣方內較為干燥，使得尿素的水解過程(CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH3)由于缺少水分無法進行，脲酶無法通過催化尿素水解產生消耗，從而使得脲酶的濃度升高；蔗糖酶在不同重構方式下的各植被等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ之間均表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)，且酶濃度的數(shù)值特征均表現(xiàn)為隨著植被等級的降低而降低。

圖6 不同植被等級下土壤酶濃度變化特征Fig.6 Variation characteristics of soil enzyme concentration under different vegetation grades

3.3.3 不同重構方式土壤酶活性變化特征

3種不同重構方式(S、SG、SGA)下各相同植被等級土壤酶濃度數(shù)量差異分析結果如圖7所示。從圖7可以看出，在等級Ⅰ的各復墾方式下，磷酸酶在3種重構方式下差異顯著(P<0.05)，且在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。脲酶和蔗糖酶在3種重構方式下差異不顯著(P>0.05)，且在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級Ⅱ的各復墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在S中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，脲酶和蔗糖酶均表現(xiàn)為在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級Ⅲ的各復墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在3種復墾方式下濃度數(shù)值較為均一，脲酶和蔗糖酶均表現(xiàn)為在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土田塊(S)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)；在等級Ⅳ的各復墾方式下，3種酶的濃度差異特征均表現(xiàn)為在3種重構方式下差異不顯著(P>0.05)，數(shù)值特征表現(xiàn)為磷酸酶在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，但數(shù)值差異較小，脲酶在巖土田塊(S)中的濃度高于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)，在巖土煤矸石田塊(SG)中的濃度高于巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。蔗糖酶在3種重構土壤中的濃度在數(shù)值上差異較小，且表現(xiàn)為在巖土田塊(S)中的濃度略低于巖土煤矸石田塊(SG)、巖土煤矸石粉煤灰田塊(SGA)。

表2 不同重構方式下土壤酶活性及總體特征

圖7 不同土壤重構方式下土壤酶濃度變化特征Fig.7 Variation characteristics of soil enzyme concentration under different soil reconstruction methods

4 討 論

植被在土地復墾與生態(tài)修復過程中有著重要的作用，植被是改善復墾田塊和重構土壤的質量的重要因素。在土壤生物組分中，土壤微生物和土壤酶在土壤物質和能量的轉化過程中起著至關重要的作用，土壤微生物群落的變化能夠迅速反映外來異生物質對土壤環(huán)境質量的影響，以及植被的恢復過程。土壤微生物數(shù)量增多，使得復墾田塊對有機物的分解能力得到增強，進而提高復墾田塊的物質循環(huán)能力。土壤酶活性的增強，能夠促進土壤中有機質的轉化、將有機質分解為植物可以直接利用的礦質元素。微生物數(shù)量與酶活性狀況的改善，同樣會提高植被群落的地上生物量以及地表的植被覆蓋度。

1)當年復墾的3種重構土壤，相同重構方式下，長勢較好的植被，其根際土壤微生物數(shù)量較多(P<0.05)。土壤微生物的數(shù)量均表現(xiàn)為細菌最多，且占到的數(shù)量比例均在99.00%以上；放線菌和真菌含量極少，分別為0.70%與0.10%。這與樊文華等[26]和王艷超等[27]研究成果基本一致。在不同的重構方式下，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的細菌和真菌數(shù)量均高于其它2種重構方式的田塊，這與胡振琪等[28-29]研究基本一致，這是由于重構土壤中粉煤灰的加入可以降低煤矸石的酸性和重金屬污染，同時煤矸石中的大量含碳化合物和腐殖酸類化合物可以為土壤微生物的生存提供生存的養(yǎng)分。因此，巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中的微生物數(shù)量總體優(yōu)于其他2種重構方式下的田塊。巖土田塊(S)中的放線菌數(shù)量高于其他2種重構方式的田塊，這可能是由于煤矸石吸熱這一特性，導致在日照強度較大的時間內，地溫快速升高并維持在相對較高的水平[42]。添加煤矸石的重構土壤，其地溫在每天內都呈現(xiàn)出相較于未添加煤矸石田塊更大的波動，放線菌在較高的波動范圍內受到高溫脅迫，導致數(shù)量維持在較低的水平，而細菌和真菌的溫度耐受性較高。未添加煤矸石田塊的低溫相對較低，低溫變化較小，適宜真菌生存，這與Barcenas等[30]的研究結果基本保持一致。因此，在植被自然恢復的基礎上增加一定程度的人工干預調控地溫等因素，可以降低高溫等對土壤微生物的生存脅迫。

2)土壤酶是由土壤微生物產生的，具有催化作用的一類蛋白質，控制其他變量不變的條件下，土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性成正比。3種重構土壤，在相同重構方式下，長勢較好的植被，其根際土壤酶活性較強(P<0.05)。脲酶與蔗糖酶在巖土煤矸石混合田塊(SG)中的濃度均值均高于其他2種復墾方式的田塊，脲酶的活性是土壤有機氮向土壤有效氮轉化能力和土壤無機氮的供應能力[31]，且?guī)r土煤矸石混合田塊(SG)的土壤的孔隙度較其他2種重構方式的較大，持水能力較強，土壤水可以增加水溶性的營養(yǎng)物質，在增加土壤微生物數(shù)量的同時也使得土壤酶的活性較強，蔗糖酶也可以增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質；磷酸酶在巖土田塊(S)中濃度高于其他2種復墾方式的田塊，土壤磷酸酶是催化土壤中磷酸單酯和磷酸二酯的酶，它能將有機磷酯分解為無機磷酸，土壤有機磷可以在它的作用下才可以轉變?yōu)榭晒┲参镂盏臒o機磷[40-41]，巖土田塊(S)中磷酸酶濃度較高可能是由于有機磷酸酯較少，磷酸酶得不到消耗所導致，在土地復墾工作的后期管護和之后的復墾工作中，可以在巖土(S)重構方式下的田塊中適當補充磷肥，增加土壤中的有機磷酸酯，以充分發(fā)揮磷酸酶的催化作用，改善植被的恢復水平。

3)巖土煤矸石混合田塊(SG)與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性要高于巖土田塊(S)，這可能是由于矸石的良好保水性能和粉煤灰較強的吸水性給土壤微生物提供了適宜的生存環(huán)境[43]，利用采礦固廢解決東部草原礦區(qū)土地復墾表土稀缺的問題可能是較理想的土壤重構模式。草原區(qū)露天煤礦開采區(qū)的植被恢復過程中，土壤微生物、酶活性與植被的恢復生長互相作用，共同推動植被恢復演替進展，同時也推動土壤微生物、酶活性與土壤質量的改善提高，二者之間表現(xiàn)為正向互作效應。

5 結 論

1)在3種重構方式下的復墾田塊中，不同重構方式下均表現(xiàn)為土壤微生物的數(shù)量比例細菌占99.00%以上，放線菌占到約0.70%，真菌數(shù)量比例最少，約為0.10%。不同重構方式下田塊之間的微生物數(shù)量的差異表現(xiàn)為：巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的細菌和真菌數(shù)量均高于其他2種重構方式的田塊，巖土田塊(S)中的放線菌數(shù)量高于其他2種重構方式的田塊。

2)巖土田塊(S)與巖土煤矸石混合田塊(SG)中相同種類酶的含量差異較小，但與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)中蔗糖酶含量與前2種復墾方式差異較小，脲酶含量較前2種復墾方式低10.00%、磷酸酶含量較前2種復墾方式高10.00%。

3)不同重構方式下田塊之間的酶濃度的差異表現(xiàn)為：磷酸酶在巖土田塊(S)中濃度高于其他2種復墾方式的田塊，脲酶與蔗糖酶在巖土煤矸石混合田塊(SG)中的濃度均高于其他2種復墾方式的田塊；相同構造方式下田塊內的微生物與酶活性表現(xiàn)為隨著植被等級的增高而降低。

4)總體上來看，巖土煤矸石混合田塊(SG)與巖土煤矸石粉煤灰混合田塊(SGA)的土壤微生物數(shù)量與土壤酶活性要高于巖土田塊(S)，這可能是由于位于表層0～20 cm的矸石所具有的良好保水性和粉煤灰較強的吸水性給土壤微生物提供了水分充裕的生存環(huán)境，利用采礦固廢解決東部草原礦區(qū)土地復墾表土稀缺的問題可能是較理想的土壤重構模式。