淮南煤矿塌陷区不同塌陷类型土壤理化性质及其酶活性比较

崔鲁楠,王 宁,李玉成,程 桦,郑刘根,柳炳俊

(1.安徽大学 资源与环境工程学院,合肥 230601; 2.煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽 淮南232001)



淮南煤矿塌陷区不同塌陷类型土壤理化性质及其酶活性比较

崔鲁楠1,王 宁1,李玉成1,程 桦1,郑刘根1,柳炳俊2

(1.安徽大学 资源与环境工程学院,合肥 230601; 2.煤矿生态环境保护国家工程实验室,安徽 淮南232001)

采集淮南煤矿塌陷区3种塌陷类型——非稳沉区、稳沉区和修复区，分析了其各层土壤的理化性质及酶活性，综合评价了3种不同塌陷类型土壤生态肥力。结果表明：塌陷区在由非稳沉区变为稳沉区的过程中，土壤的物理性能、土壤养分、酶活性总体呈下降趋势；以土壤理化性质和酶活性权重计算土壤综合肥力指标值(IFI)和土壤酶指数(ISE)，结果均显示IFI与ISE值非稳沉区最高，修复区较稳沉区有所提高，土壤生物学肥力具有随土壤层次深度增加而下降的变化特点；脲酶和蔗糖酶与土壤各理化性质均呈现极显著相关性，表明脲酶和蔗糖酶可以作为评估煤矿塌陷区土壤肥力变化的有效性指标。

煤矿塌陷区; 塌陷类型; 土壤酶活性; 土壤生态肥力

煤炭是我国主要能源之一，占一次性能源使用量的75%左右[1]。采煤塌陷导致地表产生大量裂缝、裂隙[2]，进而诱发地质、土壤、水分等诸要素的响应[3]，这些影响主要体现在对土壤的理化性质和生物特性上。土壤酶活性是土壤生物活性的总体现，反映了土壤的综合肥力特征及土壤养分转化过程，所以它可以作为衡量土壤肥力水平高低的较好指标，对于土壤生态系统的维持和生产力的恢复具有重要意义。目前，很多学者使用土壤酶活性变化来指示植被恢复过程中土壤质量状况，并证实土壤酶可以用来表征煤矿区土壤复垦质量[4-5]。对于淮南煤矿复垦区土壤质量变化已有不少学者进行研究，但对淮南煤矿塌陷区不同塌陷类型土壤酶活性变化及相关联肥力评价的研究较少，尤其是以土壤养分和土壤酶活性来作为土壤生物学肥力评价指标。土壤生态肥力是指在一定的环境条件下，土壤及其生物群落(微生物、动物与植物根系)之间长期协同进化、相互适应、相互作用而表现出的一种和谐共融特性，以及在该特性状态下土壤保证植物生长所需物质与能量的可获得性和可持续的一种功能与能力[6]。根据淮南煤矿采煤塌陷区煤矿塌陷的分布特征及对地面的破坏程度不同，大致可将塌陷区分为稳沉区、非稳沉区。稳沉区主要指地下煤已采完，地表塌陷已稳定；非稳沉区主要指第一水平或第二水平煤层正在采动，地表处于塌陷中；而目前淮南采煤塌陷区80%是非稳沉区[7]。因此对于煤矿塌陷区特别是非稳沉区的生态修复越来越受到人们的关注。

本文以淮南煤矿塌陷区的土壤为研究对象，通过测定和分析不同塌陷类型土壤酶活性及部分理化性质，从土壤酶学角度结合土壤生物学肥力对淮南煤矿不同塌陷类型土壤质量进行评价，为矿区的土地资源保护与生态重建提供科学依据。

1　研究区概况

淮南矿区地处安徽省中部，淮河的中游，处于暖温和亚热带过渡地带，年降水量893.4mm，年平均气温16.6℃，其煤炭总储量占华东地区煤炭储量的45%，据统计，淮南矿区自1949年以来，形成采煤塌陷区面积超过6 700 hm2[8]。其中后湖塌陷区与创大生态园位于潘集泥河塌陷区，深度1～5 m，未稳沉；创大生态园采用挖深垫浅的方式进行修复，矸石堆表面覆土，种植树木、农作物或蔬菜，覆土为黄棕壤，表面覆土厚度为20～40 cm；谢家集塌陷区主要是城西湖，深度5～20 m，稳沉。本文所选择的2种塌陷类型及修复区的样地均选择在塌陷水域旁，坡面坡度平缓，地表径流对各地的影响无差异；气候、气温及降水等因素对3个样地的影响可以认为没有差异，这样便于对不同塌陷类型土壤的分析结果进行对比及判断。

2　试验材料与方法

2.1样品采集与处理

采集了淮南煤矿塌陷区2种塌陷过程非稳沉区(后湖塌陷区，FWC)，稳沉区(谢家集塌陷区,WC)和修复区(创大生态园，XF)作为对照，2014年11月现场采样，记录采样区植被情况等，根据不同的塌陷类型共选定17个土壤样点，每个样点剖面均按0—10，10—20，20—30 cm分层采样，共采集土壤样品51个。采集各层土样均1 kg放入自封袋内。样品带回实验室，拣去其中石块、植物根系及杂物，经冷冻干燥后按照四分法分别过20，60，100目尼龙筛，装入自封袋并置于干燥器内避光保存。

2.2测定方法

2.2.1土壤理化性质测定土壤pH测定用酸度计；土壤粒径用粒度分析仪[8](型号：LS13320ALM)；土壤C，N含量用元素分析仪[9]；土壤有机质用烧失量法[10]；全磷用NaOH熔融—钼锑抗比色法；全钾用NaOH熔融—等离子体光谱法；碱解性氮用碱解—扩散法；速效磷用碳酸氢钠浸提(1∶20)—钼锑抗比色法。

土壤样品的测定过程通过平行三样、空白样和土壤标样进行质量控制，土壤标准品的回收率控制在80%～120%，土壤有效成分指标测定的标准物质为辽宁棕壤GBW07412a(ASA-1a)，试验试剂均为优级纯。试验用水为去离子水。试验数据处理与图表分析用Origin 8.1，用SPSS 19进行相关性分析。

表1　采样区基本情况

2.3土壤酶指数

土壤中酶种类繁多，且每一种酶在土壤中发挥着不同的作用，单一的酶类在反映土壤酶的变化存在较大的片面性，为了全面揭示煤矿塌陷区不同塌陷类型土壤酶活性的变化规律，在各种土壤酶的基础上，进一步采用加权和法计算土壤酶指数(soil enzymes index，ISE)[12]。

2.4土壤生物学肥力的评价

应用多元统计分析方法，以各主成分特征值贡献率为权重，加权计算各样地土壤生物学肥力指标值(IFI)，以评价各区土壤的生物肥力特征。将pH、全氮、全磷、全钾、碱解性氮、速效磷、有机质、C/N、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶数据进行标准化处理后，经过主成分分析，得到变量，计算得分系数，进而依据IFI公式得出不同样地的IFI值[13-15]。

3　结果与分析

3.1土壤基本理化性质

相关研究表明：土壤机械组成的改变使土壤的物理性能发生变化，在一定程度上说，土壤的形成就是黏粒的形成与机械组成的变化[16]。从表2可以看出，研究区0—30 cm深度内的土壤主要由粉粒和砂粒组成，而黏粒所占比例最少。非稳沉区土壤从上层到下层黏粒比例有所增高，黏粒所占比例：非稳沉区>稳沉区>修复区。这可能是由于在煤矿开采过程中引起的塌陷改变了原有土层结构，使得土壤垂直裂隙增大，从而使耕作层土壤中的细小颗粒在地表径流的作用下沿地裂缝流失，使得塌陷区物理性黏粒减少，从而使非稳沉区的土壤黏粒要大于稳沉区。研究区土壤pH差异性较大，非稳沉区土壤呈弱酸性，稳沉区与修复区呈弱碱性，并且各区土壤随着土层加深，pH值增加。氮素是影响土壤肥力的重要指标[17]，不同塌陷类型土壤全氮含量显著不同，0—10 cm土层非稳沉区全氮含量最高，显著高于稳沉区与修复区，10—20，20—30 cm土层也表现出相似的规律，且速效磷含量与全氮表现为相同的趋势。土壤碱解性氮较能反映出近期土壤内氮素的供应情况，研究区各塌陷类型土壤碱解性氮差异性显著，尤其是非稳沉区各层土壤碱解性氮明显高于稳沉区，且修复区的碱解性氮含量要高于稳沉区，且有机质含量与碱解性氮表现为相同的趋势，此外，研究区各类型土壤的全磷、全钾差异性较小。从表3可以看出，研究区土壤有机质与土壤pH、土层深度呈极显著负相关，与含水率、碱解性氮、总氮、总钾呈极显著正相关，表明有机质与氮极显著相关并影响碳、氮的平衡。

表2　淮南矿区不同塌陷类型土壤基本理化性质

注：砂粒(0.02～2 mm)，粉粒(0.02～0.002 mm)，黏粒(<0.002 mm)；相同字母表示不同类型不同层次同一指标无显著性差异(p<0.05)。

表3　土壤有机质与理化性质的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

3.2土壤酶活性

研究区土壤酶活性变化趋势见图1，可以看出，煤矿在由非稳沉区变为稳沉区的过程中，土壤蔗糖酶活性呈现逐渐下降的趋势，而复垦区土壤蔗糖酶活性较稳沉区有所提高，在0—10 cm非稳沉区蔗糖酶活性最高，达到7.66 mg/(g·h)，而稳沉区与非稳沉区相比，其蔗糖酶活性降低了48%，并差异显著；修复区较稳沉区其蔗糖酶活性提高了36%，表明对塌陷区进行复垦，在一定程度上土壤蔗糖酶活性有所提高。此外，随着土层的加深，土壤蔗糖酶活性呈现逐渐降低的趋势，且各区不同土层的土壤蔗糖酶活性表现出相似的规律。研究区土壤脲酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性在各区不同层次的变化特征基本与土壤蔗糖酶一致，表现为非稳沉区>修复区>稳沉区，酶活性随着土层加深而降低，这可能是由于稳沉区较非稳沉区塌陷时间长，土壤质量严重退化，生态条件逐渐恶化，导致土壤酶活性逐渐降低。

土壤酶活性的高低不仅表明土壤的养分状况，而且在一定程度上反映土壤微生物的活动状况，其中脱氢酶活性被认为能够较全面地反映土壤微生物特性，是土壤微生物生物活性的一个较好指标[18]。与稳沉区裸地相比，修复区的土壤的蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均有提高，分别为前者的1.35～1.59，1.14～1.27，1.06～1.14，1.41～1.53倍，这是由于修复区经过复垦，坡面种植草本与小灌木，能够缓解水土流失的现象，土壤表层凋落物量增加，土壤养分逐渐积累，使土壤微生物数量增加，土壤酶活性较稳沉区得到了一定程度的提高。

3.3土壤酶活性与土壤物理性质的相关性

由表4可知，pH值与所测定的几种酶活性之间呈现极显著的负相关，表明了随着土壤pH值的增高，酶活性呈现下降的趋势；土壤理化性质各个指标(包括全氮、全钾、碱解性氮、速效磷、有机质、碳氮比)与土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶都呈现极显著正相关；尤其是碱解性氮、有机质与蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶相关性系数较高，从侧面说明了土壤养分状况改善与土壤酶活性增加之间的关系，也说明土壤酶活性与土壤生物学肥力有关并且可以作为衡量土壤生物学性状高低的指标之一，但不同塌陷类型土壤酶活性的差异可能还与不同植物根系所产生的各种酶的数量及植物群落对土壤动物和土壤微生物群落影响有关，这是因为土壤酶主要来自于土壤植物根系、土壤动物以及土壤微生物[19]。

注：相同字母表示不同类型同一种酶无显著性差异(p<0.05)。

图1煤矿塌陷区不同塌陷类型土壤酶活性

表4　土壤酶活性与土壤理化性质的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上显著相关。

3.4土壤酶指数

使用土壤酶指数(ISE)作为酶因子的综合作用表征，使酶活性的变化能够客观全面的表达，从而克服不同种类酶活性在土壤质量改变中的片面性，从图2可以看出，土壤酶指数(ISE)在各区之间明显不同，并显著差异。其中0—10 cm非稳沉区土壤最高，达到0.76，其次为修复区，稳沉区最低；垂直方向上，各区土壤土层自上而下土壤酶活性逐渐降低。

注：相同字母表示不同类型同一层次无显著性差异(p<0.05)。

图2不同塌陷类型土壤酶活性指数(ISE)

3.5土壤综合肥力指标值

土壤养分含量和土壤酶活性是反映土壤养分供应能力的重要指标，但土壤总体肥力水平取决于各项肥力指标的平衡，以土壤理化性质和酶活性指标计算IFI。从图3可以看出，各区土壤剖面不同土壤层次的土壤综合肥力具有明显的层次性差异，均表现为0—10 cm层>10—20 cm层>20—30 cm层的特点，表明各区土壤综合肥力随土层层次加深而下降。而不同塌陷类型土壤综合肥力指标表现为非稳沉区>修复区>稳沉区。这是由于稳沉区相对于非稳沉区，土壤塌陷严重，植被稀少，水土流失严重，生态条件恶劣，生物与土壤间物质和能量交换能力减弱，自肥能力低，故土壤综合肥力IFI值下降显著；而修复区相对于稳沉区，经过一定植物修复，林(草)生长速度加快，光照、土壤水分条件得到一定程度的改善，土壤养分逐渐积累，同时土壤酶活性与微生物数量得到一定程度的恢复，故其土壤综合肥力IFI值较稳沉区有所提高。

图3　不同塌陷类型土壤肥力综合指标值(IFI)

4　结 论

淮南煤矿塌陷区在由非稳沉区转变为稳沉区的过程中，土壤质量呈现下降的趋势；对塌陷区进行复垦与植物修复对土壤质量改善有一定作用；通过对不同塌陷类型土壤的理化性质指标与酶活性综合比较，非稳沉区相关指标要优于修复区，修复区要优于稳沉区；从土壤综合肥力指标值(IFI)评价得分值来看，非稳沉区的土壤综合肥力最好，全氮、全钾、碱解性氮、速效磷、有机质、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、脱氢酶等可以作为塌陷区土壤生态肥力评价的科学指标，由于土壤脲酶和蔗糖酶与土壤理化性质及其他酶活性指标具有较好的相关性，土壤脲酶和蔗糖酶可以作为评估煤矿塌陷区土壤肥力变化的有效性指标。

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Comparison of Soil Physical and Chemical Properties and Soil Enzyme Activities in Different Types of Subsidence in Huainan Mining Subsidence Area

CUI Lunan1,WANG Ning1,LI Yucheng1,CHENG Hua1,ZHENG Liugen1,LIU Bingjun2

(1.School of Resources and Environmental Engineering,Anhui University,Hefei 230601,China; 2.National Engineering Laboratory of Ecological Environment Protection in Coal Mine,Huainan,Anhui 232001,China)

Three types of subsidence from coal mine subsidence in Huainan City were sellected for evaluation,including unstable subsidence area,stable subsidence area and restoration area.The soil physical chemical properties and soil enzyme of the soil layers were analyzed.The results showed that the soil physical properties,the soil nutrient and the soil enzyme decreased during the process of the change of unstable subsidence area into stable subsidence area.It was found that the unstable subsidence area had the highest integrated fertility index (IFI)and soil enzyme index values (ISE)and the integrated fertility index and soil enzymes index values of the restoration area was higher than the stable subsidence area.The soil biological fertility decreased with the increase of soil depth.Urease and invertase were highly obviously correlated with soil physical and chemical properties,suggesting that urease and invertase could be used as feasible indicators to assess change of soil nutrients in coal mining subsidence area.

mining subsidence; subsidence types; soil enzyme; soil biological fertility

2015-10-22

2015-11-08

十二五国家科技支撑计划支撑项目(2012BAC10B02);国家自然科学基金(41373108);国家自然科学基金(41172121);安徽省自然科学基金(1208085ME66);安徽省教育厅重点资助项目(KJ2012A022);煤矿生态环境保护国家工程实验室科技攻关项目(HKKY-JT-JS2012);安大博士启动基金(12333190121)

崔鲁楠(1990—),男,山东威海人,硕士研究生,研究方向为矿区土壤修复。E-mail:cln199003@163.com

王宁(1971—),男,安徽安庆人,副教授,博士,主要从事环境化学研究。E-mail:ningwang0001@163.com

S153.6; S154.2

A

1005-3409(2016)05-0090-05