安太堡露天矿复垦地不同林龄对土壤酶活性和微生物区系的影响

王宇宏，王翔，李晋川，岳建英，郭春燕，卢宁，杨生权

（山西省生物研究所，山西太原030006）

安太堡露天矿复垦地不同林龄对土壤酶活性和微生物区系的影响

王宇宏，王翔，李晋川，岳建英，郭春燕，卢宁，杨生权

（山西省生物研究所，山西太原030006）

为研究不同植被恢复年限对复垦土壤生物肥力的影响和作用，通过野外调查及采样分析，对安太堡露天煤矿复垦区不同恢复年限下土壤的理化性质、土壤酶活性、土壤微生物数量和多样性进行了研究。结果表明，不同复垦年限的土壤酶活性不同，复垦20 a的土壤酶活性优于复垦15，10 a和对照；不同复垦年限对土壤微生物数量和多样性的影响作用不同，复垦20 a的土壤微生物数量和多样性高于复垦15，10 a和对照。植被恢复可以促进土壤生态肥力提高，改善土壤质量。

不同林龄；酶活性；微生物区系；安太堡露天矿复垦地

煤矿开采是我国重要的化石能源获取途径之一，但随着开采也带来了环境破坏、污染、生态功能减弱等问题。安太堡露天矿区地处黄土高原东部，属于黄土丘陵强烈侵蚀生态脆弱系统[1]，因此，进行生态恢复对保护其周围环境尤为重要[2]。目前，煤矿区植被恢复对土壤影响的研究主要集中在不同复垦模式对土壤的理化性质、酶活性及微生物数量的影响等方面[3-6]，而对于不同恢复年限对土壤质量改善的影响尚无相关报道。

本研究以安太堡露天矿复垦地不同复垦年限样地为研究对象，对其土壤理化性质、酶活性和微生物区系等多种指标进行测定分析，了解不同种植年限对土壤质量恢复的影响，以期为矿区生态治理和植被恢复提供一定理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

平朔矿区地处黄土高原晋陕蒙接壤的黑三角地带，位于山西省北部朔州市境内，地理坐标为东经112°11′～113°30′，北纬39°23′～39°37′[7]。冬春干旱少雨、寒冷、多风，夏秋降水集中、温凉少风。矿区目前总体上呈农业耕作景观[1]。

1.2 样品采集与制备

试验选取立地条件基本一致的10，15，20 a的安太堡露天矿复垦区人工林地为研究对象，每个样地设置0.5 hm2的标准试验区，样地基本情况如表1所示。用土钻法在每个标准地沿“S”型采集5个点的土壤，然后用四分法取土装袋，每个研究样地采集0～5，5～10，10～15，15～20 cm土层的新鲜土样，取土前先除去土壤表面的植被层，铲除表面1 cm左右的表土。将样品带回实验室风干过筛装袋，冷藏保存，用于不同土壤指标的测定。采样时间为2013年7月。

表1 样地基本情况

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤理化指标的测定土壤酸碱度采用电位法；含水量使用烘干法；田间持水量和容重采用环刀法；土壤有机碳采用外热-重铬酸钾容量法；全氮采用凯氏法；碱解氮采用碱解扩散法；全磷和速效磷采用钼锑抗比色法[8]。

1.3.2 土壤酶活性的测定土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法；脲酶采用苯酚钠比色法；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；多酚氧化酶采用焦性没食子酸比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[9]。

1.3.3 土壤微生物多样性的测定土壤微生物主要类群数量的测定采用稀释涂布平板法[10]。

土壤微生物的多态性测定：在王齐赞等[11]的方法上进行适度改良，使用变性梯度凝胶电泳测定分析细菌群落的多样性；在Lisa等[12]的方法上进行适度调整，使用变性梯度凝胶电泳测定分析真菌群落的多态性。

1.4 数据处理

用Excel 2003和SPSS 19.0对测得的数据进行统计分析；用Quantaty one 4.6.2软件对所得图片进行分析，用Shannon-Wiener指数表示土壤微生物群落多样性。

2 结果与分析

2.1 不同林龄人工林地土壤理化性质的变化

土壤是生态系统的载体，复垦土地的土壤质量不仅与植被以及土壤微生物有着密切的关系，同时也在一定程度上反映了人工重建生态系统的演替程度。土壤酸碱度是土壤的基本理化性质之一，与其他土壤理化性质有着天然的关联；土壤有机质为地上植被提供所需的各种营养物质，同时也影响着土壤的结构和物理性状；土壤氮、磷是植物和土壤微生物必需的营养元素[13]。不同植被林龄及对照的土壤理化指标的测定结果如表2所示。

表2 不同植被林龄及对照土壤理化指标

由表2可知，恢复20 a的样地土壤田间持水量高于15 a样地和CK，但差异不显著。20 a样地的pH值高于10，15 a，但低于CK。20 a样地的土壤容重显著低于其他样地和CK。20 a样地的土壤有机碳0～10 cm土层低于10，15 a，但无显著差异。碱解氮0～10 cm土层20 a样地低于10 a，但高于15 a和CK；10～20 cm土层中20 a显著高于CK，同时与15 a样地无显著差异。全氮含量在0～10 cm土层则表现出20 a样地显著低于10，15 a样地，10～20 cm表现为20 a显著高于15 a和CK，与10 a间差异不显著。全磷含量则为0～10 cm土层20 a显著高于15 a样地，与10 a样地和CK间无显著差异。20 a的速效磷含量显著高于其他样地。在同一林龄，土壤有机碳、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量随着土壤深度的增加而呈现减少趋势。

2.2 不同林龄人工林地土壤酶活性的变化

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白质，对土壤的生化反应过程有着直接的影响。土壤酶的活性强弱可以较直接地反映出土壤生化反应的方向和强度。对土壤酶活性的研究有助于了解土壤肥力状况和演变规律[14]。

从表3可以看出，不同林龄土壤酶活性不同。从土壤蔗糖酶活性来看，0～5 cm土层20 a林龄样地的活性最高且显著高于其他样地，在5～10 cm土层中20 a林龄样地显著高于CK和10 a林龄样地，10～15 cm土层则表现为20 a林龄样地显著高于10 a林龄样地，15～20 cm土层则是20 a林龄样地显著高于10 a林龄样地和CK；脲酶的活性则有所不同，在4个土层中20 a样地均显著高于其他样地；过氧化氢酶表现出4个土层中15 a林龄样地显著高于10，20 a和CK的变化趋势；多酚氧化酶活性在0～15 cm土层中表现为20 a林龄样地显著高于其他样地，但在15～20 cm土层中20 a林龄样地显著高于15 a林龄样地和CK，与10 a林龄样地无显著差异；对于碱性磷酸酶，在0～10 cm土层中4个样地均无显著差异，在10～15 cm土层，15 a林龄样地最高且显著高于20，10 a林龄样地，在15～20 cm土层则是CK最高，15 a林龄样地显著高于20，10 a林龄样地。从土壤酶活性垂直分布情况来看，总体上随着土壤深度的增加，土壤酶活性呈递减趋势。

表3 不同植被林龄及对照土壤酶活性mg/（100 g·h）

2.3 不同林龄人工林地土壤微生物数量变化

土壤微生物是土壤生态环境条件变化的敏感指标之一，土壤微生物种群的多样性在一定程度上可反映出土壤的质量状况[15-16]。

从表4可以看出，不同样地土壤微生物种群数量各不相同。从细菌数量来看，0～5 cm土层20 a林龄样地显著高于其他样地，5～10 cm土层中20 a林龄样地显著高于CK，但是在10～20 cm土层中，则是10 a林龄样地显著高于其他样地；真菌的数量也表现为20 a林龄样地最高且显著高于CK；放线菌数量的变化规律与细菌、真菌不同，在0～15 cm土层表现为20 a林龄样地样地数量显著高于其他样地，在15～20 cm土层中各样地数量无显著差异；在4个土层的土壤中固氮菌的数量均为20 a林龄样地显著高于其他样地；反硝化细菌的数量变化规律不明显，在0～10 cm土层中，CK显著高于其他样地，而在10～20 cm土层中则是15 a林龄样地显著高于其他样地。

表4 不同植被林龄及对照土壤的微生物数量

2.4 不同林龄人工林地土壤微生物的多样性

图1是不同植被恢复年限人工林土壤细菌群落DGGE图谱。从图1可以看出，经过变性梯度凝胶电泳分离到不同的条带。各样地间既具有共有条带又具有特异性条带，其中，OPT和SQG样地的条带较多。

从表5可以看出，3个样地及对照间细菌群落的相似性不同，其中，WPT和SQG的细菌群落相似性最高，同时，在不同的样地间细菌群落具有一定的共同性，为43.4%。

表5 不同林龄人工林地土壤细菌群落的相似性%

表6是不同样地土壤细菌和真菌的多样性结果。由表6可知，不同样地细菌和真菌多样性明显不同。细菌方面，SQG的多样性指数最高，为2.14，其次是OPT，为2.08，二者的多样性指数较为接近。真菌方面，SQG的多样性指数最高，其次是WPT。

表6 不同林龄人工林地土壤细菌和真菌的多样性

图2是不同植被恢复年限人工林土壤真菌群落DGGE电泳图谱国。由图2可知，经过变性梯度凝胶电泳分离到不同的条带，各样地间既具有共有条带又具有特异性条带，其中，OPT和SQG样地的条带较多。

从表7可以看出，WPT与CK的真菌群落相似性最高，同时，在不同的样地间真菌群落具有一定的共同性，为28.5%。

表7 不同林龄人工林地土壤真菌群落的相似性%

3 讨论与结论

煤矿开采作为矿区环境污染的主要来源，其生态恢复相关研究得到了越来越多的关注[17]。本研究从不同恢复年限对土壤理化性质、酶活性和微生物群落差异的影响进行了分析，旨在探究恢复年限对土壤质量的影响。

3.1 不同植被恢复年限对土壤理化性质的影响

与对照相比，3种不同林龄的试验样地土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量均有提高，说明植被恢复在一定程度上提高了土壤质量。这可能是因为植被通过自身生长，更多的分泌物和残体使得土壤碳源、氮源以及磷源得到了增长，从而改善了土壤的理化性质[18]。总体来看，在3种不同恢复年限中，20 a林龄样地的各项指标综合来看要优于15，10 a。贾晓红等[19]研究表明，随植被恢复时间的延长土壤元素含量增加，与本研究结果相似。植被恢复增加了土壤各类元素的储量，提升了土壤肥力。

3.2 不同植被恢复年限对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤微生物促进土壤的物质代谢和营养物质转化的载体，在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用[20-21]。矿区3种生态重建年限样地与对照相比，土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶和碱性磷酸酶活性均有提高。有研究表明，不同类型的植被重建对酶活性影响不同。植被恢复后，土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性的增强，表明土壤中碳素、氮素和磷素营养循环强度有较大程度的提高。不同植被恢复年限样地的土壤酶的活性较对照有所提高，说明土壤酶的活性与植被恢复年限存在一定程度的关联。有研究表明，植被恢复对土壤酶活性有着促进、改善的作用[22]。也有研究发现，随着植被种植年限的增加，其土壤酶活性得到提高[23-24]。本研究试验区土地复垦是在完全重构土壤的基础上进行的，土壤生态破坏严重，矿质元素转化较慢。然而，随着植被恢复的进行，土壤生物学条件得到好转，生态体系初步建成，土壤酶活性也得以增强。此外，从土壤垂直剖面来看，不同恢复年限植被下土壤均表现出上层土壤的酶活性高于下层土壤的趋势，也与一些学者的研究结果相似[25]。

3.3 不同植被恢复年限对土壤微生物区系的影响

土壤微生物作为整个陆地生态系统的组成部分，在土壤生态肥力和植被生产力和生态系统功能等方面发挥着不可替代的作用[26-28]。因此，土壤微生物的数量与多态性在复垦区土壤生态重建中具有着独特的意义。

本研究中，细菌、真菌、放线菌和固氮菌数量随着林龄增大而增加，不同林龄间差异显著。其中，细菌数量在土壤微生物中占据绝对优势，真菌的数量最少，这与陆梅等[29]的研究结果一致。说明在一定的土壤环境下，细菌群落对土壤生物活性起着重要作用[30]。有学者对植被恢复过程中的土壤微生物数量进行研究，结果表明，油松、刺槐能有效地改善土壤的持水性和通气状况，为微生物发育提供丰富的基质，从而促进微生物的生长[31]。本研究中，刺槐作为一种固氮植物，对土壤细菌群落可能具有一定的影响。此外，植物根系向土壤分泌各类生化物质，能促进微生物对土壤养分物质的吸收、利用和转化[32]。不同树种或同一树种的不同发育阶段其分泌物的组成和含量不同，直接影响着微生物的种群结构和数量分布。研究表明，土壤微生物学相关指标可作为土壤生态系统恢复的敏感指标之一[33]。

本研究中，通过PCR-DGGE分析不同林龄的植被恢复样地土壤细菌、真菌群落有明显不同。这可能是因为不同植被恢复年限形成不同的土壤生态环境，为土壤微生物生长提供不同的食物来源和生长条件，导致微生物种群结构多样化。说明随着恢复年限的增加，土壤微生物群落多样性增加。可见，种植年限对植被恢复效果有一定影响。因此，在下一步研究中应结合多种方法来探索种植年限通过何种因子来影响植被恢复效果，以期为改善黄土高原露天煤矿植被恢复提供更加重要的科学依据。

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Effect of Different Forest Age on Soil Enzyme Activities and Microbial Flora after Opencast Mine Reclamation in Antaibao

WANGYuhong，WANGXiang，LI Jinchuan，YUE Jianying，GUOChunyan，LUNing，YANGShengquan
（Shanxi Biology Institute，Taiyuan 030006，China）

To research the effects of different reclamation years on reclaimed soil biological fertility quality,the soil physicochemical properties,soil enzymatic activity and soil microbe were studied in reclaimed soil with different reclamation years in Antaibao large opencast coal mine.The results showed that the soil enzyme activities were different in different reclamation years.The soil enzyme activity of 20 years was better than that of 15,10 years and CK.The effects of different reclamation years on soil microbial quantity and diversity were different.The amounts of soil microbe and diversity of microbial biomass reclaimed 20 years were higher than that of15,10 years and CK.Vegetation restoration could promote soil ecological fertility and improve soil quality.

different forest age;enzymatic activity;microbial flora;Antaibao surface mine reclamation

Q948

A

1002-2481（2016）11-1653-06

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.11.19

2016-07-10

山西省科技重大专项（20121101007）；山西省科技攻关项目（20140313001-1）

王宇宏（1979-），女，山西怀仁人，助理研究员，硕士，主要从事农学及土壤生态学研究工作。王翔为通信作者。