時(shí)間序列下煤矸石充填復(fù)墾耕地和林地的土壤碳動(dòng)態(tài)特征

馬騰輝 ，李 蓉 ，王 坤 ，渠俊峰,,4

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省煤基溫室氣體減排與資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 徐州 221008；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；3.徐州市生態(tài)文明建設(shè)研究研究, 江蘇 徐州 221116；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 低碳能源研究院, 江蘇 徐州 221008）

0 引 言

中國(guó)作為世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，其產(chǎn)量和消耗量約占全球總量的一半，煤炭資源的長(zhǎng)期開(kāi)采為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)重大貢獻(xiàn)的同時(shí)也引發(fā)了許多地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，特別是中東部高潛水位礦區(qū)的井工開(kāi)采活動(dòng)造成了大面積土地塌陷[1]，而該地區(qū)是典型的煤炭開(kāi)采與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重疊區(qū)域，土地塌陷不僅破壞了大量?jī)?yōu)質(zhì)農(nóng)田，威脅國(guó)家糧食安全[2]，并且塌陷導(dǎo)致的土地荒廢和積水會(huì)嚴(yán)重破壞原有生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[3]。為緩解煤炭開(kāi)采造成的耕地壓力、恢復(fù)土壤質(zhì)量并保持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，針對(duì)塌陷的土地采取以煤矸石或粉煤灰等充填的方式進(jìn)行了大量復(fù)墾還田工程，但與自然土壤相比，復(fù)墾土壤為重構(gòu)土壤，其土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和有機(jī)碳含量會(huì)因?yàn)閺?fù)墾過(guò)程中的機(jī)械碾壓和壓實(shí)等過(guò)程受到較大改變[4]，并對(duì)植物和微生物生長(zhǎng)狀況產(chǎn)生巨大影響[5]。作為不同于自然土壤生態(tài)系統(tǒng)的具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體，其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性決定了復(fù)墾區(qū)重構(gòu)土壤的有機(jī)碳特征及其循環(huán)過(guò)程必然區(qū)別與其他自然生態(tài)系統(tǒng)[6-7]。

土壤有機(jī)碳( SOC)作為表征土壤肥力變化的一個(gè)重要指標(biāo)，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[8]，在礦區(qū)復(fù)墾土壤的早期成土過(guò)程與生態(tài)功能重建中起著關(guān)鍵作用[9]，其質(zhì)量和數(shù)量影響了土壤物理化學(xué)特征、生物特征及其過(guò)程，并在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及全球碳平衡等方面都有重要作用和意義[10-11]。早期的研究表明，采煤沉陷導(dǎo)致的土地?fù)p毀會(huì)使土壤有機(jī)碳快速下降，其有機(jī)碳降幅最高可達(dá)81%[12]，在復(fù)墾初期土壤中的碳密度下降明顯，隨著復(fù)墾年限的增加，復(fù)墾土壤固碳能力會(huì)逐漸提高，使退化土壤由碳排放的源重新變成重要的碳匯。然而與土壤有機(jī)碳的緩慢恢復(fù)相比，土壤微生物量碳等活性有機(jī)碳指標(biāo)對(duì)復(fù)墾土壤的早期變化更為敏感[13]。并且不同復(fù)墾方式及利用管理方式的復(fù)墾土壤間微生物量碳儲(chǔ)量有顯著差異[14]。另外，有研究表明，盡管時(shí)間對(duì)土壤碳庫(kù)和相關(guān)養(yǎng)分指標(biāo)的恢復(fù)具有積極的影響，但由于土壤母質(zhì)、復(fù)墾過(guò)程和復(fù)墾后土地利用方式的不同，其恢復(fù)規(guī)律不盡相同[15-16]。

當(dāng)前關(guān)于采煤沉陷后復(fù)墾土壤碳的研究成為熱點(diǎn)，而相同尺度下研究復(fù)墾耕地和林地土壤碳特征的極少。因此，為推動(dòng)礦區(qū)復(fù)墾地可持續(xù)利用和發(fā)展，緩解當(dāng)前固碳減排壓力，積極開(kāi)展充填復(fù)墾土壤碳特征研究顯得尤為重要。旨在揭示復(fù)墾重構(gòu)土壤在耕地和林地2 種利用方式下土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)特征，探究復(fù)墾后土壤有機(jī)碳變化規(guī)律及其相關(guān)性因素，以期進(jìn)一步加深對(duì)全球背景下復(fù)墾土壤碳循環(huán)的響應(yīng)及其機(jī)制的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省鄒城市西北部東灘礦區(qū)采煤沉陷復(fù)墾地(116°46′30″～117°28′54″E，35°8′12″～35°32′54″N)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，年平均降雨量686.5 mm，年平均無(wú)霜期209.3 d,年平均氣溫14.9 ℃，日平均氣溫≥10 ℃的積溫為4 696.7 ℃，自然土壤類型為黃潮亞土。

東灘礦區(qū)塌陷地從2001 年開(kāi)始采用表土剝離-煤矸石充填復(fù)墾法陸續(xù)復(fù)墾。先在地表未沉陷或沉陷初期預(yù)先剝離表土堆存，待采煤沉陷穩(wěn)定后，采用全厚充填法，將沉陷區(qū)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高并平整壓實(shí)，平均矸石充填層厚度4～6 m；最后將預(yù)先剝離并儲(chǔ)存的表土進(jìn)行回填并平整，土壤類型為潮土，上層覆土厚度約80 cm，復(fù)墾后為土地利用類型有耕地、林地和撂荒地，耕地以大豆-小麥輪作為主，林地以種植速生楊為主，撂荒地復(fù)墾后無(wú)人為管理，雜草叢生。由于塌陷區(qū)復(fù)墾工程在不同年份開(kāi)展，為研究提供了十分完善的時(shí)間序列。同時(shí)，所選樣地除復(fù)墾年限不同外，其地形、氣候、土壤母質(zhì)、種植模式、耕作方式、施肥方式等條件基本一致。

1.2 土壤樣品采集與處理

在研究區(qū)內(nèi)控制立地因子基本一致的條件下，試驗(yàn)選取了4 種復(fù)墾年限(3、6、9、12 a)的樣地采集土壤樣品（圖1），研究區(qū)復(fù)墾土壤主要有耕地和林地兩種土地利用類型，其中復(fù)墾林地只選取了3 a和12 a 年限的樣地。采用S 形多點(diǎn)采樣法，每個(gè)年限樣地各設(shè)置6 個(gè)采樣點(diǎn)，采樣前清除地表植被及雜物，每個(gè)樣點(diǎn)用內(nèi)徑3.5 cm、長(zhǎng)為80 cm 不銹鋼取樣器分別取0～20、20～40 和40～60 cm 土壤各6 管，并按采樣深度混勻?yàn)橐粋€(gè)樣品。同時(shí)，以礦區(qū)內(nèi)部未受塌陷影響的正常耕地和林地作為對(duì)照，耕地輪作方式以及林地種植樹(shù)種與研究區(qū)相同。

圖1 研究區(qū)位置及土壤樣地分布Fig.1 Location and soil sampling of the study area

樣品密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室后分為兩部分，一部分樣品室內(nèi)自然風(fēng)干，除去土壤動(dòng)植物殘?bào)w和矸石等雜質(zhì)，研磨過(guò)2 mm 篩后混合均勻，用于測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)；另一部分土壤鮮樣用無(wú)菌袋密封后于4 ℃冷藏，用于測(cè)定土壤微生物量碳，由于試驗(yàn)條件的限制，僅測(cè)定了表層0～20 cm 深度土樣的微生物量碳。

1.3 分析測(cè)試方法

土壤pH 值(水土比2.5∶1)用數(shù)字酸度計(jì)測(cè)定；土壤堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有機(jī)碳(SOC)的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法[17]，土壤微生物量碳(MBC)測(cè)定采用氯仿熏蒸K2SO4提取-SOC 儀測(cè)定法[18]；MBC=(熏蒸浸提液中SOC-未熏蒸浸提液中SOC)/0.411。土壤總碳(TC)、總氮(TN)的含量用碳氮元素分析儀(FlashEA 1112 Series NC Analyzer, Thermo Fisher Scientific, USA)分析測(cè)試；土壤無(wú)機(jī)碳(SIC)的含量通過(guò)總碳(TC)減去有機(jī)碳(SOC)含量計(jì)算得到。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016 整理后，采用SPSS 18.0 軟件的單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan 檢驗(yàn)對(duì)不同復(fù)墾年限及對(duì)照之間的土壤性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行方差分析及差異顯著性檢驗(yàn)，用Person 分析法進(jìn)行相關(guān)分析，使用Sigmaplot12.0 軟件作圖。結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤理化特征

從表1 可以看出，不同復(fù)墾年限的耕地和林地土壤pH、AN、AP 和TN 的變化特征各不相同。其中，pH 值差異不顯著，均呈堿性，且與對(duì)照相比顯著偏高。復(fù)墾耕地土壤AN 含量隨著復(fù)墾時(shí)間呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但均低于對(duì)照；復(fù)墾耕地表層0～20 cm土壤AP、TN 含量隨復(fù)墾時(shí)間呈遞增趨勢(shì)，復(fù)墾到9 a后耕地表層土壤TN 含量已與對(duì)照無(wú)顯著差異，到12 a 時(shí)土壤表層AP 含量與對(duì)照耕地差異不顯著。而復(fù)墾林地土壤各層AN、AP 含量均呈現(xiàn)12 a＜3 a，TN 含量為3 a＞12 a，且均與對(duì)照相比差距較大。

表1 復(fù)墾土壤的一些基本特性Table 1 Some basic properties of reclaimed soils

從土壤深度變化上看，復(fù)墾土壤pH、TN 值均呈現(xiàn)表層高于下層，隨著深度的增加土壤pH 緩慢減小，這與對(duì)照土壤完全相反，而TN 含量變化趨勢(shì)與對(duì)照相同。整體而言，復(fù)墾耕地土壤AN 隨著土壤深度的下降而下降，且不同土壤深度的土壤AN 含量均低于對(duì)照；而AP 含量均呈現(xiàn)表層顯著高于下層，這與對(duì)照相似。復(fù)墾林地土壤AN 含量，直到12 a 時(shí)才呈現(xiàn)于對(duì)照相同規(guī)律，但相比對(duì)照仍有顯著差異，而復(fù)墾林地土壤AP 含量與對(duì)照相比無(wú)明顯變化規(guī)律。

2.2 時(shí)間序列下的土壤有機(jī)碳特征

由表2 及圖2 所示，復(fù)墾耕地和復(fù)墾林地不同土壤深度的SOC 含量均隨時(shí)間呈增加的趨勢(shì)。相同復(fù)墾年限下，耕地土壤SOC 含量較高于林地，復(fù)墾12 a 后耕地各層土壤SOC 含量為林地土壤的1.25～1.51 倍。在土壤深度變化上，從0～20 cm 到20～40 cm 再到40～60 cm，除了復(fù)墾耕地3 a 外，其余復(fù)墾時(shí)間內(nèi)土壤SOC 含量均呈現(xiàn)明顯的上層高于下層，耕地高于林地，復(fù)墾低于對(duì)照。

表2 復(fù)墾耕地和復(fù)墾林地的土壤有機(jī)碳含量Table 2 Soil organic carbon content of reclaimed cropland and reclaimed forest land

圖2 不同土壤深度的復(fù)墾耕地和復(fù)墾林地SOC 含量變化Fig.2 Changes in soil organic carbon of reclaimed cropland and reclaimed forest land with different soil depths

從時(shí)間序列上來(lái)看，在0～20 cm 土壤深度上，復(fù)墾耕地SOC 含量的增長(zhǎng)率為8.4%、7.75%、17.18%，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，由3 a 到12 a 的增長(zhǎng)率為36.88%，而復(fù)墾林地的SOC 含量由3 a 到12 a 的增長(zhǎng)率為23.07%；在20～40 cm 土壤深度上，復(fù)墾耕地SOC含量的增長(zhǎng)率為55.07%、28.97%、9.8%，呈快速下降趨勢(shì)，由3 a 到12 a 的增長(zhǎng)率為119.53%，而復(fù)墾林地的SOC 含量由3 a 到12 a 的增長(zhǎng)率為88.7%；在40～60 cm 土壤深度上，復(fù)墾耕地SOC 含量的增長(zhǎng)率為3.8%、34.88%、23.11%，增長(zhǎng)率先升后降，由3～12 a 的增長(zhǎng)率為72.44%，而復(fù)墾林地的SOC 含量由3 a～12 a 的增長(zhǎng)率為90.45%。由此可見(jiàn)，在0～20 cm、20～40 cm 土壤深度范圍內(nèi)，復(fù)墾耕地的SOC 含量以及增長(zhǎng)率都要顯著高于復(fù)墾林地，而在40～60 cm 土壤深度范圍內(nèi)，復(fù)墾耕地SOC 含量雖然高于復(fù)墾林地，但同期增長(zhǎng)率卻有所不及。復(fù)墾到12 a 時(shí)，耕地土壤0～20 cm 的SOC 含量與對(duì)照相比差異不顯著，林地土壤40～60 cm 的SOC 含量與對(duì)照相比差異不顯著。隨著復(fù)墾時(shí)間的增長(zhǎng)，在0～20 cm 土壤深度上，耕地土壤與對(duì)照相比SOC 含量分別偏低35.86%、30.47%、25.08%、12.21%，林地土壤與對(duì)照相比分別偏低48.81%、36.99%。在20～40 cm 土壤深度上，耕地土壤與對(duì)照相比SOC含量分別偏低63.01%、42.63%、26.01%、18.79%，林地土壤與對(duì)照相比分別偏低57.47%、19.75%。在40～60 cm 土壤深度上，耕地土壤與對(duì)照相比SOC含量分別偏低48.26%、41.27%、27.53%、10.78%，林地土壤與對(duì)照相比在3 a 時(shí)偏低40.22%，而在12 a時(shí)增長(zhǎng)了13.86%。說(shuō)明土壤SOC 含量隨著時(shí)間不斷增加，逐漸接近對(duì)照水平。

2.3 時(shí)間序列下的土壤總碳和土壤無(wú)機(jī)碳特征

從圖3-圖6 中可以看出，復(fù)墾耕地和林地土壤TC 含量以及SIC 占TC 比例整體都高于對(duì)照。復(fù)墾耕地土壤各層TC 含量在3 a 和6 a 期間顯著高于9 a 和12 a 期間，整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，這主要與SIC 含量的變化有關(guān)。復(fù)墾林地的土壤TC 含量在各層都表現(xiàn)為持續(xù)上升。復(fù)墾耕地在3 a 到9 a 期間，SIC 占TC 的比例在0～20 cm 的情況為：65.30%、64.73%、26.30%。在20～40 cm 的情況為：86.21%、75.06%、32.43%。在40～60 cm 的情況為：80.61%、81.47%、48.22%?？梢钥闯鲈趶?fù)墾初期無(wú)機(jī)碳占比巨大，這可能于煤矸石混雜有關(guān)，但隨著時(shí)間增長(zhǎng)各土壤深度的SIC 含量有明顯的波動(dòng)下降趨勢(shì)。而復(fù)墾林地在3 a～12 a 期間，除0～20 cm 深度SIC 占TC 比例有所增長(zhǎng)外，其余都呈下降趨勢(shì)。

圖3 0～20 cm 深度復(fù)墾土壤TC 含量變化Fig.3 Variation of TC content of reclaimed soil at 0-20 cm depth

圖4 20～40 cm 深度復(fù)墾土壤TC 含量變化Fig.4 Variation of TC content of reclaimed soil at 20-40 cm depth

圖5 40～60 cm 深度復(fù)墾土壤TC 含量變化Fig.5 Variation of TC content of reclaimed soil at 40-60 cm depth

圖6 SIC 占TC 比例示意Fig.6 Schematic diagram of SIC to TC ratio

2.4 時(shí)間序列下的土壤微生物量碳和微生物熵特征

從圖7 中可以看出，復(fù)墾后的土壤微生物量碳(MBC)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。復(fù)墾到9 a 時(shí)耕地土壤MBC已與對(duì)照無(wú)顯著差異，到12 a 時(shí)已顯著高于對(duì)照含量。復(fù)墾耕地與林地相比，土壤MBC 含量增速更快；相同復(fù)墾年限的耕地和林地土壤相比，耕地土壤MBC 含量均顯著高于林地，復(fù)墾到12 a 時(shí)林地土壤MBC 含量仍顯著低于對(duì)照。

圖7 復(fù)墾耕地和復(fù)墾林地土壤微生物量碳和微生物熵的變化Fig.7 Changes in microbial carbon and microbial entropy in soils of reclaimed cropland and reclaimed forest land

耕地土壤微生物熵(q(MBC))與MBC 變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的規(guī)律。復(fù)墾6、9 和12 a 的耕地土壤微生物熵均顯著高于對(duì)照；復(fù)墾3 a 和12 a的林地土壤微生物熵均顯著低于對(duì)照林地。與此同時(shí)，復(fù)墾3 a 的林地土壤微生物熵要高于復(fù)墾耕地。

2.5 時(shí)間序列下的土壤碳與土壤物理和化學(xué)特性之間的相關(guān)性分析

由表3 的相關(guān)分析結(jié)果表明，復(fù)墾土壤SOC 與MBC、TN、AN 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01)，與q(MBC)、AP 均呈顯著正相關(guān)性(p＜0.05)，與pH 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)。MBC 與TN、AN 呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.01)，與q(MBC)、AP 均呈顯著正相關(guān)性(p＜0.05)，與TC 呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)。pH 與AN、AP 均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.01)，與TN 呈顯著負(fù)相關(guān)性(p＜0.05)。

表3 土壤碳和土壤基本屬性之間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation among soil carbon and soil basic properties

3 討 論

時(shí)間是土壤形成過(guò)程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[19]，研究中復(fù)墾土壤SOC 含量隨著復(fù)墾時(shí)間逐漸增加，表明在相似的成土條件下，時(shí)間對(duì)于復(fù)墾土壤SOC 演變有積極的影響[20]，反映復(fù)墾土壤有巨大的固碳潛力。研究中，雖然土壤SOC 含量隨復(fù)墾年限不斷增加，但增長(zhǎng)速率較為緩慢，復(fù)墾12 a 時(shí)的耕地和林地土壤SOC 含量?jī)H為復(fù)墾3 a 的1.2～2.2 倍，且均低于對(duì)照土壤。ZHAO 等[21]的研究表明露天礦區(qū)林草生態(tài)系統(tǒng)重建下SOC 含量增長(zhǎng)較快，復(fù)墾13 a 時(shí)的SOC 含量已達(dá)到復(fù)墾4 年時(shí)的3.1 倍。這多是由于林草生態(tài)系統(tǒng)重建過(guò)程中，地上植被生物量及凋落物持續(xù)增加并腐殖化，可有效改善土壤質(zhì)地，促進(jìn)土壤SOC 的快速積累；而在農(nóng)業(yè)利用方式下，雖然有根系和凋落物不斷進(jìn)入土壤以及大量有機(jī)肥和化肥的施用，但每年地上作物絕大部分被移除，同時(shí)機(jī)械翻耕又進(jìn)一步破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，在一定程度上減緩了土壤SOC 的積累速率[7]；研究中復(fù)墾林地土壤SOC 含量增速也較慢，這多與林草混合生態(tài)系統(tǒng)和純單一樹(shù)種林地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤SOC 恢復(fù)的影響不同有關(guān)，在林草混合生態(tài)系統(tǒng)中，植物根系在0～60 cm 均有大量分布，且凋落物種類和數(shù)量均較多[22]，并且王蕾等[23]的研究表明，在煤矸石復(fù)墾土壤中復(fù)墾草地土壤總有機(jī)碳含量高于復(fù)墾林地，所以林草生態(tài)系統(tǒng)中土壤SOC 增長(zhǎng)速度高于本研究樣地。另外，本研究中，復(fù)墾林地各層SOC 含量均低于對(duì)應(yīng)復(fù)墾年限耕地土壤，與對(duì)照林地相比，僅40～60 cm 深度的SOC 含量高于對(duì)照，這說(shuō)明與農(nóng)業(yè)利用方式下相比，林地利用方式下無(wú)肥料的施加會(huì)更多的限制0～40 cm 復(fù)墾土壤SOC 的增長(zhǎng)速率。與0～40 cm 土層不同，林地40～60 cm 深度土壤SOC含量與對(duì)照林地?zé)o顯著差異，這主要是由于林地中樹(shù)木根系的持續(xù)增加，使根系分泌物等經(jīng)過(guò)分解轉(zhuǎn)化以及合成作用形成更多的土壤腐殖質(zhì)[24]。

在本研究中，盡管復(fù)墾土壤SOC 含量顯著低于對(duì)照農(nóng)田，但TC 含量高于對(duì)照農(nóng)田。主要在于兩種利用方式下復(fù)墾土壤SIC 含量較高，在2.43～16.02 g/kg，占TC 的26.30%～86.21%。這與CHAUDHURI[19]等的研究不同，該研究發(fā)現(xiàn)在美國(guó)西弗吉尼亞州的復(fù)墾土壤中SIC 含量低于TC 含量的4%，這與復(fù)墾過(guò)程中大量矸石的混雜有關(guān)。相關(guān)分析表明，土壤SIC含量與SOC、AN 呈顯著負(fù)相關(guān)，與pH 呈顯著正相關(guān)，這說(shuō)明土壤中較高的SIC 含量多是由于混入矸石的影響，而新鮮矸石往往偏堿性，表層矸石在不斷分解的同時(shí)，其中的Ca、Mg、K 等堿性金屬化合物也會(huì)部分溶解，不斷消耗土壤中H+，使復(fù)墾土壤偏堿性，這與胡振琪等[25]研究結(jié)果相似。同時(shí)，復(fù)墾后耕地和林地利用方式下，土壤SIC 含量較高的情況均沒(méi)有得到改善，這也促使我們對(duì)未來(lái)復(fù)墾工藝提出更高的要求，從而更加科學(xué)合理地開(kāi)展礦區(qū)復(fù)墾工作。

土壤MBC 在植物養(yǎng)分利用、有機(jī)質(zhì)分解和土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其既是土壤C、N、P 等養(yǎng)分快速的源和庫(kù)，也是污染物降解的媒介，同時(shí)是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和肥力綜合狀況的重要指標(biāo)之一[26-27]。研究中土壤MBC 含量在復(fù)墾3～12 a 期間耕地從104.07 mg/kg 增至362.59 mg/kg，林地從79.57 mg/ kg 增至110.94 mg/kg，2 種利用方式下土壤MBC 含量均呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中復(fù)墾9 a 的耕地土壤MBC 含量已與對(duì)照無(wú)顯著差異，復(fù)墾12 a的耕地土壤MBC 含量已顯著高于對(duì)照，這與多數(shù)研究成果相似[15-16]。研究中，復(fù)墾到12 a 時(shí)林地土壤MBC 含量仍顯著低于對(duì)照水平，與樊文華等[28]的研究相似，這說(shuō)明復(fù)墾后的耕作施肥等活動(dòng)相比與林地、草原的自然狀態(tài)下會(huì)更利于土壤微生物的增長(zhǎng)。同時(shí)相關(guān)分析顯示，土壤MBC 含量與SOC 含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這與多數(shù)學(xué)者[29-31]的研究結(jié)果一致，表明土壤有機(jī)質(zhì)是土壤微生物的重要能量來(lái)源，而復(fù)墾后耕作過(guò)程中的有機(jī)碳輸入會(huì)極大促進(jìn)微生物群落的生長(zhǎng)，土地利用類型的變化影響凋落物分解向土壤微生物提供可利用碳的數(shù)量和質(zhì)量，刺激群落的活性，從而促使耕地土壤MBC 含量更快速的增長(zhǎng)。

土壤q(MBC)是指土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳總量的比值，可以解釋為底物碳的可利用度或被微生物固定的總有機(jī)碳的比例[32]，它將微生物可礦化碳與微生物量有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是反映環(huán)境因素、管理措施等變化對(duì)微生物碳庫(kù)影響的一個(gè)敏感性指標(biāo)[33],能有效地指示土壤養(yǎng)分的變化，同時(shí)能夠預(yù)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)長(zhǎng)期變化或監(jiān)測(cè)土地退化及恢復(fù)，可以避免由于土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異而難以說(shuō)明的缺點(diǎn)[34-35]。研究指出，土壤q(MBC)越高則土壤碳積累越多，且隨恢復(fù)微生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量發(fā)生改變[36]。研究表明，復(fù)墾后耕地土壤的q(MBC)呈增加的趨勢(shì)，且復(fù)墾6 a 后已高于對(duì)照土壤。這說(shuō)明隨復(fù)墾土壤的農(nóng)業(yè)利用進(jìn)程，土壤碳素有效性和土壤固碳能力相應(yīng)增強(qiáng)，復(fù)墾后耕地土壤環(huán)境逐步改善，更利于土壤微生物的生存，微生物數(shù)量開(kāi)始逐步增加，且復(fù)墾耕地土壤環(huán)境與對(duì)照相比更有利于微生物的生存，這是否與復(fù)墾土壤環(huán)境中特定的微生物群落有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。同時(shí)研究表明覆土厚度對(duì)復(fù)墾土壤內(nèi)的微生物活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，這也值得在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)一步探索，也為復(fù)墾工藝的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。復(fù)墾3 a 的林地土壤q(MBC)高于同復(fù)墾年限耕地，這說(shuō)明復(fù)墾初期(3 a)林地土壤環(huán)境更有利于微生物生長(zhǎng)；復(fù)墾3 a 和12 a 林地土壤q(MBC)差異不顯著，且均低于對(duì)照，多是由于林地土壤環(huán)境無(wú)人為干擾，微生物群落可以較快達(dá)到相對(duì)均衡穩(wěn)定的狀態(tài),復(fù)墾后土壤微生物群落的演替規(guī)律需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

1）時(shí)間對(duì)礦區(qū)復(fù)墾耕地土壤和林地土壤有機(jī)碳的積累以及微生物量碳的恢復(fù)具有積極的作用。土壤速效磷、堿解氮和全氮含量均隨復(fù)墾年限有增加的趨勢(shì)，但復(fù)墾后較高的土壤pH 環(huán)境可能會(huì)限制土壤質(zhì)量的改善，影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及其有效性，建議合理規(guī)劃灌排配套設(shè)施，調(diào)節(jié)土壤中水分循環(huán)，洗淋排除土壤中的鹽分，從而降低PH 值，同時(shí)也可通過(guò)增施有機(jī)肥、綠肥、改良劑等來(lái)改善土壤理化性質(zhì)。

2）復(fù)墾后土壤總碳含量整體上與對(duì)照農(nóng)田無(wú)明顯差異，甚至高于對(duì)照農(nóng)田，這與復(fù)墾土壤中較高比例的無(wú)機(jī)碳含量有關(guān)，這也對(duì)今后復(fù)墾工藝提出了更高的要求。建議在表土剝離的過(guò)程中要注意保存和控制好表土的量，選擇合適的覆土厚度對(duì)復(fù)墾土壤生產(chǎn)力也會(huì)有一定的影響，在復(fù)墾過(guò)程中要因地制宜進(jìn)行土壤深松并逐年加深耕層，調(diào)整土壤構(gòu)造狀況，使土壤疏松通氣，增強(qiáng)肥料溶解能力，加速土壤有機(jī)碳的積累，減少充填材料產(chǎn)生的負(fù)面影響，保證復(fù)墾土壤的生產(chǎn)力。

3）2 種土地利用方式下土壤微生物量碳均隨復(fù)墾年限不斷增加，而與耕地土壤微生物熵逐年增加不同，林地土壤微生物熵相對(duì)一致，這種差異與不同土地利用方式中物質(zhì)循環(huán)過(guò)程特性和人為施肥管理水平等活動(dòng)均有不同程度的關(guān)系，而關(guān)于復(fù)墾后土壤微生物群落的演替規(guī)律仍有待于進(jìn)一步深入研究。