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陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响

宋世杰, 王艺, 彭芮思, 张玉玲, 唐利君, 程霞

宋世杰,王 艺,彭芮思,等. 陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响[J]. 煤炭科学技术,2023,51(12):110−124

. DOI: 10.12438/cst.2023-0924
引用本文:

宋世杰,王 艺,彭芮思,等. 陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响[J]. 煤炭科学技术,2023,51(12):110−124

. DOI: 10.12438/cst.2023-0924

SONG Shijie,WANG Yi,PENG Ruisi,et al. Effects of coal mining subsidence on soil microorganisms and enzyme activities in different landform types of northern Shaanxi[J]. Coal Science and Technology,2023,51(12):110−124

. DOI: 10.12438/cst.2023-0924
Citation:

SONG Shijie,WANG Yi,PENG Ruisi,et al. Effects of coal mining subsidence on soil microorganisms and enzyme activities in different landform types of northern Shaanxi[J]. Coal Science and Technology,2023,51(12):110−124

. DOI: 10.12438/cst.2023-0924

陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目(41402308);陕西省重点研发计划资助项目(2023-YBSF-458);陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室重点基金资助项目(DZBZ2022Z-03)

详细信息
    作者简介:

    宋世杰: (1983—),男,山东济南人,副教授,博士。E-mail:kkkbff@163.com

  • 中图分类号: TD88; S152

Effects of coal mining subsidence on soil microorganisms and enzyme activities in different landform types of northern Shaanxi

Funds: 

National Natural Science Foundation of China(41402308); Key Research and Development Program of Shaanxi Province (2023-YBSF-458); Key Fund Support Project of Shaanxi Province Key Laboratory of Geological Security for Green Coal Development (DZBZ2022Z-03)

  • 摘要:

    深刻认识采煤沉陷的衍生生态损害效应已经成为当前修复西部煤矿区生态环境采动损害的关键基础科学问题和研究热点。掌握不同地貌类型单元采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律有利于西部采煤沉陷区的生态环境保护与修复。以陕北煤矿区榆树湾井田(风沙地貌)、柠条塔井田北翼(黄土地貌)的典型沉陷坡面土壤为研究对象,分别采集不同坡面部位(垂直深度为0~60 cm)的土壤样品,分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性,细致分析土壤微生物数量和酶活性在沉陷坡面上的空间变化特征,综合土壤主要理化特性,揭示不同地貌类型下采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律。结果表明:①风沙地貌类型单元和黄土地貌类型单元的采煤沉陷都会导致沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性显著降低,土壤微生物数量的降幅分别达到8.27%~42.39%和11.53%~45.95%,土壤酶活性的降幅分别达到6.52%~39.83%和9.09%~42.42%;随坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,该效应对于土壤3种微生物和4种酶呈现出不同的变化特征;②黄土地貌类型单元的采煤沉陷对“坡中部位的0~10 cm土层+各类土壤微生物数量和酶活性”的降低效应最为显著,风沙地貌单元的采煤沉陷对“坡中部位的0~10 cm土层+土壤放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性”“坡中部位的10~20 cm土层+土壤细菌、真菌数量”“坡中部位的20~40 cm土层+土壤过氧化氢酶活性”的降低效应最为显著,其可作为陕北采煤沉陷区坡面土壤微生物修复的靶向区域;③无论在风沙地貌类型单元还是黄土地貌类型单元,土壤真菌数量和脲酶活性对采煤沉陷最为敏感,其降幅分别达到23.28%~45.95%和22.78%~42.42%,二者可作为分析陕北矿区采煤沉陷损害土壤微生物特性的标志物;④无论在风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面,土壤中速效磷、有机质含量与土壤微生物和酶活性的相关系数最高,分别超过0.8和0.7,可作为采煤沉陷影响土壤微生物特性的关键指示性因素。

    Abstract:

    A profound understanding of the derivative ecological damage effects of coal mining subsidence has become a key basic scientific issue and research hotspot for repairing ecological environment damage caused by mining in western coal mining areas. Grasping how coal mining subsidence in different geomorphic units affects soil microorganisms and enzyme activities is beneficial for the ecological environment protection and restoration of coal mining subsidence areas in the western region. The typical subsidence slope soil of the Yushuwan mine field (aeolian landform) and the north wing of the Ningtiaota mine field (loess landform) in northern Shaanxi coal mine area were selected as the research objects, while the soil samples from different slope parts (vertical depth of 0~60 cm) were collected, respectively. Absolute quantitative PCR and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) methods were used to determine the number of soil bacteria, actinomycetes and fungi, as well as the activities of sucrase, catalase, urease and phosphatase, respectively. The spatial variation characteristics of soil microbial quantity and enzyme activity on subsidence slope were thoroughly analyzed, while the main physical and chemical soil properties were comprehensively integrated to reveal the impact of coal mining subsidence on soil microorganism and enzyme activity under different landform types. The results showed that: ① Coal mining subsidence in both aeolian landform and loess landform type unit could significantly reduce the number of soil microorganisms and enzyme activity on the subsidence slope. The decrease in soil microbial quantity reached 8.27%-42.39% and 11.53%-45.95%, respectively, while the decrease in soil enzyme activity reaches 6.52%-39.83% and 9.09%-42.42%, respectively. With the transition from the top of the slope to the middle of the slope and then to the foot of the slope, the reduction effect exhibited different variation characteristics for three soil microorganisms and four enzymes; ② The coal mining subsidence of loess landform type unit performed the most significant reduction effect on various soil microbial quantity and enzyme activity in “middle part of slope 0~10 cm soil layer”. Meanwhile, the coal mining subsidence of aeolian landform unit presented the most significant reduction effects on the soil actinomycetes quantity and invertase, urease and phosphatase activities in “middle part of slope 0~10 cm soil layer”, and soil bacteria and fungi quantity in “middle part of slope 10~20 cm soil layer”, as well as soil catalase activity in “middle part of slope 20~40 cm soil layer”. Therefore, it can be served as a targeted area for slope soil microbial remediation in coal mining subsidence areas of northern Shaanxi; ③ Whether in the units of aeolian landform or loess landform, the number of soil fungi and urease activity were the most sensitive indicators to coal mining subsidence, with decreases of 23.28%-45.95% and 22.78%-42.42%, respectively. Moreover, the two indicators can be used as markers to analyze the microbial characteristics of soil damaged by coal mining subsidence in northern Shaanxi mining area; ④ The correlation coefficients between soil available phosphorus and organic matter content and soil microbes and enzyme activities were the highest, exceeding 0.8 and 0.7, respectively, on both wind-sand and loess subsidence slopes. They can be served as key indicator factors for coal mining subsidence affecting soil microbial characteristics.

  • “缺油、少气、相对富煤”的能源禀赋格局决定了煤炭资源在我国能源安全中的压舱石地位[1]。2022年,全国煤炭产量约为45亿t,同比增长9%[2],由此可见,煤炭在保障国家能源安全和支撑国民经济发展方面将继续发挥兜底保障作用[3]。随着我国煤炭资源开发重心“战略西移”进程的持续加快,陕北优质大煤田成为重要接续地之一[4]。然而,受煤炭资源埋深浅、开采规模大、地表生态脆弱等因素的影响,陕北矿区采煤沉陷及其衍生生态损害问题非常突出[5]。据最新不完全统计数据,陕北矿区采煤沉陷面积已超过300 km2[6],平均塌陷率在0.24 hm2/万t左右,而采煤沉陷导致的植被退化、土壤质量下降、水土流失等衍生生态损害问题屡见不鲜[7],成为陕北煤矿区生态环境保护与高质量发展的重大制约因素。

    土壤作为地表生态系统的关键构成要素,具有维持生态系统代谢循环的重要作用[8],不仅深刻影响着地表生态系统的稳定性[9],更是在沉陷过程中地下采煤扰动破坏效应向地表生态系统传播扩散的起点[10]。因此,研究采煤沉陷对土壤特性的影响规律和机理逐渐成为煤矿区生态修复领域的研究热点。目前,国内外相关研究成果主要集中在采煤沉陷对土壤物理、化学特性影响方面,而土壤生物特性方面则相对较少。王双明等[11]采用因子分析法评价神木北部矿区不同沉陷年限下的土壤质量,发现沉陷5 a后地表土壤物理性质逐渐恢复,沉陷10 a后土壤速效养分和有机质仍未完全恢复,且地表沉陷对土壤速效养分损害具有延续性;毕银丽等[9]利用经典统计学等方法,研究了陕北采煤沉陷地微生物复垦区土壤全氮、有机质和速效磷的空间异质性,发现土壤全氮、有机质和速效磷的含量均呈现出中等强度变异,存在空间自相关性;胡振琪等[12]研究了神东矿区煤炭开采对土地生态的影响,发现土壤理化特性一般在2 a内逐渐修复,但沉陷盆地边缘则需要更长时间;卞正富等[13]通过对神东矿区煤炭开采引起的生态环境损伤特征进行研究,发现采煤沉陷地大量的地裂缝会引起浅层土壤水分变化,且距离裂缝越近,裂缝密度越高,土壤含水量越低;笔者等[14]结合土壤主要理化特性指标,探索了陕北采煤沉陷区采动地裂缝对土壤微生物特性的影响,发现采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的负效应主要表现为水平差异特征,且随着水平距离增加而减弱;VISHWAKARMA等[15]通过物理化学分析和统计分析,检验了采煤沉陷对原生土壤理化性质的影响,发现沉陷区底部土壤有效氮、磷和钾含量均有所增加;宋子恒等[16]探究了陕北采煤沉陷区土壤微生物受扰动特性,研究发现边缘沉陷区与未开采区土壤因子及微生物多样性的差异主要集中在距边缘沉陷区小于300 m的未开采区。

    土壤微生物和土壤酶不仅可以反映土壤理化性状及其动态变化过程[17],而且可以快速感知和响应人为干扰[13],准确指征土壤质量的变化特征[18],以致经常被用作最敏感、最具实用价值的土壤生物特性指标[19]。目前,从土壤理、化、生三大特性相互作用的角度,开展不同地貌类型单元下采煤沉陷影响土壤微生物和土壤酶的基本规律研究还不充分。鉴于此,笔者以陕北矿区内不同地貌类型单元(黄土地貌、风沙地貌)沉陷坡面土壤为研究对象,检测分析土壤微生物和土壤酶的变化特征,结合土壤主要理化特性指标,精细阐释采煤沉陷在坡面尺度上对土壤微生物和土壤酶的影响规律。研究结果不仅可以丰富和深化采煤沉陷对土壤质量影响规律研究,而且对陕北采煤沉陷区的土壤微生物精准修复提供科学指导。

    陕北煤矿区位于黄土高原的中西部和毛乌素沙漠南部边缘,地势呈西北高而东南低,海拔高度在1200~1300 m范围内,属于中温带半干旱大陆性气候,冬季严寒,夏季炎热,年平均气温约7 ℃,年均降雨量在400 m左右,主要集中在7~9月,土壤类型以风沙土、栗钙土、黄绵土为主,地表植被多为地带性针茅群系类型,种类单一,区内生态环境脆弱、抗扰动能力较差[5],开采沉陷是整个矿区最严重的地质生态环境问题。

    研究区根据地貌类型不同可划分为风沙地貌区和黄土地貌区。以榆树湾井田为风沙地貌区的代表性井田,其地理坐标为E109°52′39′′~E110°00′47′′,N38°28′42′′~N38°35′56′′,隶属榆林市榆阳区金鸡滩乡和大河塔乡及神木县大保当乡管辖。井田面积为88.9 km2,主采煤层为2−2号煤层,埋藏浅、厚度变化小、顶板基岩薄,煤层埋深为110~300 m,平均采厚为11.62 m,采用长壁全部跨落大采高综合机械化采煤方法[20],该开采方法会造成地表大面积沉陷,并表现为连续的下沉移动形态,下沉系数一般在0.65左右。以柠条塔井田为黄土地貌区的代表性井田,其地理坐标为E110°09′30′′~E110°16′23′′,N38°57′24′′~N39°07′57′′,隶属于陕西省榆林市神木县孙家岔镇、麻家塔乡行政管辖。井田面积为119.8 km2,主采煤层为2−2号煤层,埋藏浅、厚度大、上覆基岩薄,煤层埋深为2~247 m,平均采厚为6.11 m,采用长壁式综合机械化开采方法,顶板管理采用全部垮落法,以致地表沉陷明显,并表现为非连续的下沉移动形态,下沉系数一般在0.7左右[21],研究区位置如图1所示。

    图  1  研究区概况
    Figure  1.  Overview of study area

    分别将榆树湾井田、柠条塔井田的煤层开采典型工作面范围作为风沙地貌区、黄土地貌区的采样区域,选取形成时间为1~2 a的沉陷坡面进行采样,且沉陷坡面位于采煤沉陷区中间,采煤工作面上方,坡面倾向平与工作面推进方向相一致。其中,榆树湾井田采样区中心坐标为E109.93°,N38.51°,区内采煤沉陷前、后坡面平均坡度分别为17°、20°,平均坡长为48 m,坡型为均匀坡,坡向为西南方向,植被类型主要以沙蒿、沙柳等为主[22],植被覆盖度约为31%;柠条塔井田采样区中心坐标为E110.22°,N39.09°,区内采煤沉陷前、后坡面平均坡度分别为20°、22°,平均坡长为50 m,坡型为均匀坡,坡向为西南方向,植被类型大多为草地植被,包括黑沙蒿、蒙古莸等,植被覆盖度约为43%。根据采动损害部位分区性特征将沉陷坡上部10 m划分为坡顶,中间部分30 m划分为坡中,下部10 m划分为坡脚[7]

    根据采样区实际情况,考虑采煤沉陷主要影响土壤垂直深度范围为0~60 cm[23],设计如下采样方案:①在风沙地貌、黄土地貌采样区内选取形态相似的沉陷坡面各3个;②分别在沉陷坡面坡顶、坡中、坡脚3个部位随机布设3个1 m×1 m的采样方进行采样,并按照五点采样法在每个样地采集土壤样品,且风沙地貌区、黄土地貌区分别使用剖面取土法、土钻取土法分层采集垂直深度为0~10、10~20、20~40、40~60 cm 4个深度的土壤样品,混合相同垂直深度的土壤,装入干净的聚乙烯采样袋,标记编号;③在风沙地貌区、黄土地貌采样工作面500 m以外的未开发区内选择坡度、坡长、坡形、坡向、植被覆盖度及群落类型相似的坡面作为对照相似的坡面作为对照,按照上述相同的方法采集土壤样品。所有的土壤样品带回实验室后立即置于−80 ℃冰箱内保存,每个土壤样品各取一半用于测定土壤微生物的数量及酶活性指标,另一半用于测定土壤主要理化指标,采煤沉陷前后与采样示意如图2所示。

    图  2  沉陷前后对比与采样示意
    Figure  2.  Comparison before and after subsidence and sampling

    采用绝对定量PCR方法测定土壤微生物数量。采用酶标仪检测土壤酶活性,采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性,采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性,采用苯酚钠比色法测定脲酶活性,采用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性。采用烘干法测定土壤含水率;采用环刀法测定土壤容重;采用Mastersizer 2000型激光粒度仪测定土壤机械组成;采用PHS-2型酸度计测定土壤pH值;采用燃烧氧化−非分散红外法测定土壤有机质;采用半微量凯氏定氮法测定土壤速效氮;采用NaHCO3浸提−钼锑抗比色法测定土壤速效磷;采用乙酸铵浸提−火焰光度计法测定土壤速效钾。每个样品的各项指标平均测定3次。

    试验数据使用SPSS22.0软件进行数理统计分析,采用单因素方差分析法进行显著性分析,显著水平设为0.05,采用单样本K-S检验法和Person相关性系数法对土壤微生物数量和酶活性与土壤理化性质进行相关性分析。相关图件采用ArcMap10.2、CorelDRAW、Origin2021软件绘制。

    根据土壤微生物数量测定结果,绘制了不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同坡面部位、不同土壤垂直深度的土壤微生物数量对比图,如图3所示。不同地貌类型单元采煤沉陷坡面土壤细菌、放线菌、真菌数量与土壤理化性质的相关系数见表1

    图  3  不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同部位及深度土壤微生物数量对比
    Figure  3.  Comparison of soil microbial quantity in different parts and depths of coal mining subsidence slope in different landform types
    表  1  土壤微生物数量与土壤理化性质的相关系数
    Table  1.  Correlation coefficient between soil microbial quantity and soil physical and chemical properties
    地形地貌 部位 微生物种类 土壤理化性质相关系数
    含水率 黏粒 pH 有机质 速效氮 速效磷 速效钾
    风沙地貌 坡顶 细菌 −0.457 0.966** 0.086 0.967** 0.941** 0.933** 0.959**
    放线菌 −0.478 0.965** 0.115 0.973** 0.946** 0.937** 0.954**
    真菌 −0.423 0.959** 0.060 0.941** 0.963** 0.955** 0.986**
    坡中 细菌 −0.347 0.962** 0.145 0.934** 0.971** 0.966** 0.970**
    放线菌 −0.317 0.976** 0.269 0.974** 0.933** 0.904** 0.928*
    真菌 −0.385 0.947** 0.126 0.937** 0.982** 0.986** 0.982**
    坡脚 细菌 −0.289 0.980** 0.712** 0.952** 0.947** 0.981** 0.958**
    放线菌 −0.206 0.972** 0.731** 0.987** 0.982** 0.985** 0.991**
    真菌 −0.295 0.969** 0.755** 0.981** 0.945** 0.974** 0.962**
    黄土地貌 坡顶 细菌 −0.326 0.892** 0.044 0.976** 0.898** 0.945** 0.946**
    放线菌 −0.535 0.963** −0.059 0.944** 0.886** 0.918** 0.896**
    真菌 −0.444 0.886** −0.187 0.938** 0.841** 0.994** 0.855**
    坡中 细菌 −0.641* 0.931** −0.060 0.900** 0.875** 0.897** 0.896**
    放线菌 −0.589* 0.917** 0.055 0.904** 0.949** 0.862** 0.923**
    真菌 −0.562 0.806** −0.223 0.876** 0.911** 0.956** 0.853**
    坡脚 细菌 −0.509 0.953** 0.663* 0.897** 0.871** 0.933** 0.858**
    放线菌 −0.326 0.932** 0.698* 0.968** 0.957** 0.983** 0.945**
    真菌 −0.448 0.914** 0.606* 0.868** 0.810** 0.890** 0.838**
     注:**表示在0.01水平上极显著相关,*表示在0.05水平上显著相关。
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    表1图3可知:

    1)在风沙地貌类型下,相对于对照组,风沙沉陷坡面坡顶部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了30.06%(P<0.05)、22.02%(P<0.05)、36.11%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了24.16%、20.87%、33.24%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了25.85%、19.97%、31.30%,在40~60 cm土层依次减少了29.33%、17.80%、31.66%;坡中部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了36.29%(P<0.05)、26.04%(P<0.05)、40.49%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了39.27%(P<0.05)、23.96%、42.39%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了31.88%、22.03%、39.70%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了33.94%、23.35%、40.06%;坡脚部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了28.01%(P<0.05)、21.17%(P<0.05)、27.45%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了25.03%(P<0.05)、18.30%(P<0.05)、24.27%(P<0.05), 在20~40 cm土层依次减少了20.95%、13.75%、24.75%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了18.67%、8.27%、23.28%。由此可见:①随着风沙坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,采煤沉陷导致土壤中细菌、放线菌、真菌数量下降的效应均呈现先增大后减小的变化特征;②风沙沉陷坡面土壤中细菌数量在坡顶0~10 cm、坡中10~20 cm、坡脚0~10 cm降幅明显,尤以坡中10~20 cm土层最为显著,放线菌数量在坡顶0~10 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm降幅明显,尤以坡中0~10 cm土层最为显著,真菌数量在坡顶0~10 cm、坡中10~20 cm、坡脚0~10 cm降幅明显,尤以坡中10~20 cm土层最为显著;③在任意坡面部位,采煤沉陷降低土壤真菌数量的作用最为显著,降幅达到24.94%~40.66%;④当土壤垂直深度超过20 cm时,采煤沉陷对风沙全坡面土壤中细菌和放线菌数量的降低效应基本消失,当土壤垂直深度超过40 cm时,采煤沉陷对风沙全坡面土壤中真菌数量的降低效应基本消失。

    2)在黄土地貌类型下,相对于对照组,黄土沉陷坡面坡顶部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了34.10%(P<0.05)、25.78%(P<0.05)、40.81%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了30.47%(P<0.05)、25.82%(P<0.05)、37.71%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了25.25%、22.29%、35.11%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了24.90%、19.21%、34.46%(P<0.05);坡中部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了36.48%(P<0.05)、30.02%(P<0.05)、45.95%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了33.40%(P<0.05)、29.56%(P<0.05)、42.96%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了30.61%(P<0.05)、26.04%(P<0.05)、42.89%(P<0.05), 在40~60 cm土层依次减少了24.88%、25.29%、39.46%(P<0.05);坡脚部位土壤细菌、放线菌、真菌数量在0~10 cm土层依次减少了25.47%(P<0.05)、24.09%(P<0.05)、29.97%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了28.63%(P<0.05)、21.11%(P<0.05)、26.52%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了23.30%(P<0.05)、16.41%、25.72%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了22.18%(P<0.05)、11.53%、25.28%(P<0.05)。由此可见:①随着黄土坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,采煤沉陷导致黄土坡面土壤中细菌、放线菌、真菌数量下降的效应均呈现先增大后减小的变化特征;②黄土沉陷坡面土壤中细菌数量在坡顶0~10 cm、坡中0~10 cm、坡脚10~20 cm土层降幅明显,放线菌数量在坡顶10~20 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm土层降幅明显,真菌数量在坡顶0~10 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm降幅明显,3种土壤微生物数量降幅均在坡中0~10 cm土层最为显著;③在任意坡面部位,采煤沉陷降低土壤真菌数量的作用最为显著,降幅达到37.02%~42.82%;④当土壤垂直深度超过40 cm时,采煤沉陷对黄土全坡面土壤中放线菌数量的降低效应基本消失。

    3)风沙沉陷坡面0~60 cm土壤细菌、放线菌、真菌数量的平均降幅在坡顶部位依次为27.35%、20.16%、33.08%(P<0.05),在坡中部位依次为35.34%(P<0.05)、23.85%、40.66%(P<0.05),在坡脚部位依次为23.17%(P<0.05)、15.37%、24.94%(P<0.05);黄土沉陷坡面0~60 cm土壤细菌、放线菌、真菌数量的平均降幅在坡顶部位依次为28.68%(P<0.05)、23.28%(P<0.05)、37.02%(P<0.05),在坡中部位依次为31.34%(P<0.05)、27.73%(P<0.05)、42.82%(P<0.05),在坡脚部位依次为24.90%(P<0.05)、18.29%(P<0.05)、26.87%(P<0.05)。由此可见,①“地貌类型+坡面部位”耦合下土壤细菌数量降幅由大到小排序为:风沙坡中部位>黄土坡中部位>黄土坡顶部位>风沙坡顶部位>黄土坡脚部位>风沙坡脚部位;放线菌及真菌数量降幅由大到小排序均为:黄土坡中部位>风沙坡中部位>黄土坡顶部位>风沙坡顶部位>黄土坡脚部位>风沙坡脚部位;②采煤沉陷对风沙坡面和黄土坡面土壤中细菌、放线菌、真菌数量降低的效应均在坡中部位最显著。

    4)经相关性检验,风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面土壤中细菌、放线菌、真菌数量与土壤黏粒、有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量的相关系数均超过0.8,达到极显著正相关水平(P<0.01)。其中,在风沙沉陷坡面上,坡顶、坡中、坡脚部位的土壤细菌数量分别与土壤有机质、速效氮、速效磷含量相关系数最高;土壤放线菌数量分别与土壤有机质、黏粒、速效钾含量相关系数最高;土壤真菌数量分别与土壤速效钾、速效磷、有机质含量相关系数最高。在黄土沉陷坡面上,坡顶、坡中、坡脚部位的土壤细菌数量分别与土壤有机质、黏粒、黏粒含量相关系数最高;土壤放线菌数量分别与土壤黏粒、速效氮、有机质含量相关系数最高;土壤真菌数量分别与土壤速效磷、速效磷、黏粒含量相关系数最高。由此可见,无论是风沙沉陷坡面还是黄土沉陷坡面,土壤微生物数量与土壤速效养分、细颗粒和有机质含量在坡面空间尺度上存在高度的一致性,其中有机质、速效磷含量与土壤微生物数量在不同的坡面部位上均具有较强的相关性,具有良好的指示作用。

    根据土壤酶活性测定结果,绘制了不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同坡面部位、不同土壤垂直深度的土壤酶活性对比图,如图4所示。不同地貌类型单元采煤沉陷坡面土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性与土壤理化性质的相关系数见表2

    图  4  不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同部位及深度土壤酶活性对比
    Figure  4.  Comparison of soil enzyme activities in different parts and depths of coal mining subsidence slope in different landform types
    表  2  土壤酶活性与土壤理化性质的相关系数
    Table  2.  Correlation coefficient between soil enzyme activity and soil physical and chemical properties
    地形地貌 部位 微生物种类 土壤理化性质相关系数
    含水率 黏粒 pH 有机质 速效氮 速效磷 速效钾
    风沙地貌 坡顶 蔗糖酶 −0.512 0.855** −0.148 0.833** 0.881** 0.934** 0.921**
    脲酶 −0.608* 0.911** −0.049 0.932** 0.899** 0.947** 0.917**
    过氧化氢酶 −0.357 0.824** 0.154 0.907** 0.808** 0.819** 0.831**
    磷酸酶 −0.534 0.930** −0.002 0.935** 0.920** 0.989** 0.962**
    坡中 蔗糖酶 −0.357 0.770** −0.158 0.723** 0.894** 0.948** 0.898**
    脲酶 −0.421 0.914** 0.229 0.922** 0.871** 0.863** 0.865**
    过氧化氢酶 −0.381 0.967** 0.138 0.928** 0.951** 0.958** 0.957**
    磷酸酶 −0.471 0.930** 0.040 0.905** 0.945** 0.982** 0.951**
    坡脚 蔗糖酶 −0.466 0.816** 0.462 0.869** 0.889** 0.933** 0.923**
    脲酶 −0.483 0.910** 0.510 0.914** 0.882** 0.956** 0.914**
    过氧化氢酶 −0.286 0.958** 0.671* 0.914** 0.903** 0.941** 0.922**
    磷酸酶 −0.381 0.854** 0.472 0.915** 0.883** 0.922** 0.926**
    黄土地貌 坡顶 蔗糖酶 −0.488 0.851** −0.270 0.894** 0.789** 0.970** 0.777**
    脲酶 −0.308 0.909** 0.169 0.958** 0.940** 0.912** 0.961**
    过氧化氢酶 −0.085 0.742** 0.329 0.852** 0.837** 0.732** 0.846**
    磷酸酶 −0.462 0.986** −0.012 0.972** 0.937** 0.949** 0.921**
    坡中 蔗糖酶 −0.503 0.749** −0.292 0.842** 0.870** 0.954** 0.803**
    脲酶 −0.538 0.867** −0.014 0.897** 0.877** 0.892** 0.880**
    过氧化氢酶 −0.477 0.923** 0.021 0.931** 0.848** 0.935** 0.913**
    磷酸酶 −0.626* 0.861** −0.177 0.891** 0.926** 0.851** 0.890**
    坡脚 蔗糖酶 −0.475 0.870** 0.761** 0.851** 0.885** 0.951** 0.803**
    脲酶 −0.420 0.976** 0.730** 0.921** 0.890** 0.905** 0.899**
    过氧化氢酶 0.039 0.850** 0.873** 0.935** 0.876** 0.875** 0.942**
    磷酸酶 −0.292 0.908** 0.741** 0.923** 0.901** 0.966** 0.899**
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    表2图4可知:

    1)在风沙地貌类型下,相对于对照组,风沙沉陷坡面坡顶部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了24.75%(P<0.05)、33.08%(P<0.05)、9.28%(P<0.05)、22.22%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了20.89%(P<0.05)、31.48%(P<0.05)、7.25%、19.19%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了19.33%、30.12%(P<0.05)、7.81%、20.47%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了20.76%、32.65%、8.20%、19.27%;坡中部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了35.20%(P<0.05)、39.83%(P<0.05)、7.17%、26.20%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了30.84%(P<0.05)、37.37%(P<0.05)、7.98%、23.76%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了30.31%、37.80%(P<0.05)、9.41%(P<0.05)、24.79%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了29.85%、38.00%(P<0.05)、7.69%、24.47%;坡脚部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了19.68%(P<0.05)、26.46%(P<0.05)、9.06%(P<0.05)、21.81%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了16.53%(P<0.05)、22.88%(P<0.05)、6.52%、19.63%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了17.89%、24.59%(P<0.05)、7.48%、19.15%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了16.33%、22.78%(P<0.05)、7.88%、20.26%(P<0.05)。由此可得,①随着风沙坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,采煤沉陷导致土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性下降的效应均呈现先增大后减小的变化趋势;而导致过氧化氢酶活性下降的效应呈现减小的变化趋势;②风沙沉陷坡面土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性均在坡顶0~10 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm土层降幅明显,3种土壤酶活性降幅均在坡中0~10 cm土层最为显著,土壤中过氧化氢酶活性在坡顶0~10 cm、坡中20~40 cm、坡脚0~10 cm土层降幅明显,尤以坡中20~40 cm土层最为显著;③在任意坡面部位,采煤沉陷降低土壤脲酶的作用最为显著,降幅达到24.18%~38.25%;④当土壤垂直深度超过20 cm时,采煤沉陷对风沙全坡面土壤中蔗糖酶活性的降低效应基本消失,当土壤垂直深度超过40 cm时,采煤沉陷对风沙全坡面土壤中过氧化氢酶和磷酸酶活性的降低效应基本消失。

    2)在黄土地貌类型下,相对于对照组,黄土沉陷坡面坡顶部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了29.31%(P<0.05)、34.88%(P<0.05)、10.73%(P<0.05)、32.41%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了31.47%(P<0.05)、35.24%(P<0.05)、11.70%(P<0.05)、29.05%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了27.86%、32.10%(P<0.05)、9.09%(P<0.05)、30.20%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了27.54%、33.33%、9.16%(P<0.05)、29.84%(P<0.05);坡中部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了31.53%(P<0.05)、42.42%(P<0.05)、12.81%(P<0.05)、34.74%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了30.61%(P<0.05)、41.07%(P<0.05)、11.28%(P<0.05)、31.64%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了26.22%、41.89%>(P<0.05)、10.21%(P<0.05)、30.89%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了26.16%、40.82%、9.76%(P<0.05)、32.63%(P<0.05);坡脚部位土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性在0~10 cm土层依次减少了27.29%(P<0.05)、29.89%(P<0.05)、11.68%(P<0.05)、24.74%(P<0.05),在10~20 cm土层依次减少了28.37%(P<0.05)、29.30%(P<0.05)、11.55%(P<0.05)、23.04%(P<0.05),在20~40 cm土层依次减少了24.72%、32.06%(P<0.05)、10.78%(P<0.05)、21.88%(P<0.05),在40~60 cm土层依次减少了25.00%、30.67%、10.81%(P<0.05)、21.79%(P<0.05)。由此可见:①随着黄土坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,采煤沉陷导致黄土坡面土壤中脲酶、磷酸酶活性下降的效应均呈现先增大后减小的变化特征,而导致蔗糖酶和过氧化氢酶活性下降的效应却分别呈现持续减小和持续增大的变化特征;②黄土沉陷坡面土壤中蔗糖酶活性在坡顶10~20 cm、坡中0~10 cm、坡脚10~20 cm土层降幅明显,脲酶活性在坡顶10~20 cm、坡中0~10 cm、坡脚20~40 cm土层降幅明显,过氧化氢酶活性在坡顶10~20 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm土层降幅明显,磷酸酶活性在坡顶0~10 cm、坡中0~10 cm、坡脚0~10 cm土层降幅明显,4种土壤酶活性降幅均在坡中0~10 cm土层最为显著;③在任意坡面部位,采煤沉陷降低土壤脲酶活性的作用最为显著,降幅达到30.48%~41.55%;④当土壤垂直深度超过20 cm时,采煤沉陷对黄土全坡面土壤中蔗糖酶活性的降低效应基本消失,当土壤垂直深度超过40 cm时,采煤沉陷对黄土全坡面土壤中脲酶活性的降低效应基本消失。

    3)风沙沉陷坡面0~60 cm土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性的平均降幅在坡顶部位依次为21.43%(P<0.05)、31.83%(P<0.05)、8.13%(P<0.05)、20.29%(P<0.05),在坡中部位依次为31.55%、38.25%(P<0.05)、8.06%(P<0.05)、24.81%(P<0.05),在坡脚部位依次为17.61%(P<0.05)、24.18%(P<0.05)、7.74%(P<0.05)、20.21%(P<0.05);黄土沉陷坡面0~60 cm土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性的平均降幅在坡顶部位依次为29.04%(P<0.05)、33.89%(P<0.05)、10.17%(P<0.05)、30.37%(P<0.05),在坡中部位依次为28.63%(P<0.05)、41.55%(P<0.05)、10.99%(P<0.05)、32.48%(P<0.05),在坡脚部位依次为26.35%(P<0.05)、30.48%(P<0.05)、11.21%、22.86%(P<0.05)。由此可见,①“地貌类型+坡面部位”耦合下土壤蔗糖酶活性降幅由大到小排序为:风沙坡中部位>黄土坡顶部位>黄土坡中部位>黄土坡脚部位>风沙坡顶部位>风沙坡脚部位;脲酶活性降幅由大到小排序为:黄土坡中部位>风沙坡中部位>黄土坡顶部位>风沙坡顶部位>黄土坡脚部位>风沙坡脚部位;过氧化氢酶活性降幅由大到小排序为黄土坡脚部位>黄土坡中部位>黄土坡顶部位>风沙坡顶部位>风沙坡中部位>风沙坡脚部位;磷酸酶活性降幅由大到小排序为黄土坡中部位>黄土坡顶部位>风沙坡中部位>黄土坡脚部位>风沙坡顶部位>风沙坡脚部位;②采煤沉陷对风沙坡面土壤中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和黄土坡面土壤中脲酶、磷酸酶活性降低的效应均在坡中部位最显著,对风沙坡面土壤中过氧化氢酶、黄土坡面土壤中蔗糖酶和黄土坡面土壤中过氧化氢酶活性降低的效应分别在坡顶和坡脚部位最显著。

    4)经相关性检验,风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性与土壤黏粒、有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量的相关系数均超过0.7,达到极显著正相关水平(P<0.05)。其中,在风沙沉陷坡面上,坡顶、坡中、坡脚部位的土壤蔗糖酶活性均与土壤速效磷含量相关系数最高;土壤脲酶活性分别与土壤速效磷、有机质、速效磷含量相关系数最高;土壤过氧化氢酶活性分别与土壤有机质、黏粒、黏粒含量相关系数最高;土壤磷酸酶活性均与土壤速效磷含量相关系数最高。在黄土沉陷坡面上,坡顶、坡中、坡脚部位的土壤蔗糖酶活性均与土壤速效磷含量相关系数最高;土壤脲酶活性分别与土壤速效钾、有机质、黏粒含量相关系数最高;土壤过氧化氢酶活性分别与土壤有机质、速效磷、速效钾含量相关系数最高;土壤磷酸酶活性分别与土壤黏粒、速效氮、速效磷含量相关系数最高。由此可见,风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面土壤酶活性与土壤速效养分、细颗粒和有机质含量在坡面空间尺度上存在高度的一致性,其中有机质、速效磷含量与土壤酶活性在不同的坡面部位上均具有较强的相关性,具有良好的指示作用。

    由于地貌外在形态和土体内在结构的差异,使得陕北黄土地貌类型单元和风沙地貌类型单元的微地形(坡面)在采煤沉陷过程中表现出截然不同的移动变形特征,以致坡面土壤的机械组成、水、肥、气、热条件以及植被性状发生差异化的改变,并最终深刻影响着土壤微生物和酶活性。黄土地貌类型单元的地表形态以粱峁起伏、沟壑纵横为特征,加之黄土的垂直节理发育、湿陷性、高孔隙比等属性,使得地表在采煤沉陷过程中表现出鲜明的非连续移动变形特征,尤以坡面沉陷变形最为明显。在采煤沉陷过程中,黄土坡面的坡顶部位不仅会发生垂直下沉和水平变形,还会受到地表倾斜的影响,产生沿着坡面倾向的移动变形,导致坡顶部位土壤的“拉张效应”非常显著;坡中部位的地表坡度呈现增大的趋势,造成坡中部位出现明显的“变陡效应”;坡脚部位在沟谷土体和对面坡体下沉移动的双重挤压条件下,出现地表抬升现象,导致坡脚部位土壤的“挤压效应”明显[7]。风沙地貌类型单元的地表形态以松散堆积、开阔平缓为特征,加之风沙土的孔隙度大、流动性强,高入渗性等属性[24],使得地表在采煤沉陷过程中表现出鲜明的连续移动变形特征。在采煤沉陷过程中,风沙坡面以整体性移动为主,且各部位连通性较强,以致坡面不同部位的移动变形差异不明显。

    1)在黄土地貌类型下,沉陷坡面坡顶部位“拉张效应”一方面使得土壤孔隙增多,提高了土壤通气性,增强了土壤空气与大气的交换能力,在导致厌氧型微生物数量锐减的同时,也为好氧型微生物提供了良好环境条件,促进其生长繁殖,而好氧型微生物约为土壤微生物总量的60%~80%[25],以致部分抵消了采煤沉陷对微生物数量的负影响,且土壤氧气含量通过直接影响微生物数量而间接影响酶活性,并与蔗糖酶活性成正相关[26];另一方面使得土壤孔隙率增大,壤中流的形成速度加快,地表径流的入渗作用加强,扩大了土壤水分的蒸发面积,导致土壤水分“双向”流失,以致微生物的代谢活性和呼吸底物的扩散受到限制,微生物活性下降甚至死亡,进而影响到土壤微生物对各类土壤酶的分泌功能,加之土壤水分减少会抑制土壤酶活性[27],二者均会造成酶活性降低。温度也是影响土壤微生物和酶的重要因素之一,强烈的拉伸作用使得土层开裂,改变了原有土壤孔隙特征,降低了土壤的热传导性能,以致土壤温度不均衡,出现局部温度“过高”或“过低”的现象。土壤温度过高会破坏微生物细胞中的蛋白质或核酸[14],使得土壤酶钝化或失活[28],过低则会减弱微生物的呼吸作用[14],不利于微生物生长繁殖,而土壤微生物是土壤酶的重要来源之一,其受损程度必然影响其对各类土壤酶的分泌功能,进而导致酶活性降低。但也有研究发现,当土壤水分含量较低时,温度对土壤微生物的影响可能会被自身调节所降低[29],进而使得部分采煤沉陷对微生物数量的降低效应减弱。在“拉张效应”作用下,植物根系严重机械拉伤,部分根系因裸露在外而干枯死亡[7],导致植物根系分泌功能降低,根际微生物因缺少生存繁殖必需的营养物质而大量死亡[14],而土壤微生物和植物根系均是土壤酶的重要来源[30],其受损程度必然对土壤酶活性有抑制作用。但有研究表明,土壤疏松使得植物根系细胞的呼吸作用和对养分的吸收能力增强,植被因其抗沉陷干扰能力不同逐渐演变形成新物种[31],导致植被受损程度降低,减弱了采煤沉陷对土壤微生物和酶的负效应。与此同时,“拉张效应”还使得植物根系对土壤养分的拦截和保护功能降低,土壤中有机质、氮、磷、钾元素大量流失。土壤有机质不仅是土壤微生物的重要的碳源和氮源,对土壤微生物的繁殖、代谢起关键作用,也是土壤微生物和酶的有机载体,影响土壤酶的稳定性[32]。绝大部分微生物均参与土壤的氮循环[33],土壤速效氮的流失不仅导致微生物生长繁殖所需的氮源减少,抑制微生物生长繁殖,也使得参与氮素转化、循环的脲酶活性降低[14]。速效磷是影响土壤微生物生长和酶活性的另一重要养分因子,其含量降低会对土壤微生物的群落结构产生不利影响[34],也使得与土壤磷素转化密切相关的磷酸酶的活性下降[35]。速效钾作为驱动土壤真菌群落结构变化的重要因子,也对土壤微生物也有显著影响[36]。此外,土壤有机质和黏粒以复合形式形成土壤团聚体,且土壤有机质作为主要胶结物质维持土壤团聚体的稳定性[37],土壤黏粒对微生物在团聚体上的分布和活性有较大影响[38],而采煤沉陷加剧了土壤颗粒的聚沉效应,导致土壤有机质和黏粒含量减少,土壤团聚体破坏崩解,以致各类土壤微生物和酶因失去生存场所和养分来源大量死亡[14]。但有研究表明,随着土壤黏粒含量降低,土壤通气透水性增强,土壤有机质积累的时间更短,更有利于土壤微生物的生长[39],而土壤微生物是土壤酶的主要来源,进而抵消部分采煤沉陷对土壤酶活性的负影响。“拉张效应”使得坡顶部位土壤受到强烈的拉伸作用,土壤孔性变化最为明显,土壤孔隙度增幅达到最大,导致采煤沉陷对土壤微生物和酶的正负效应均十分显著,以致正负效应相互叠加,部分负效应被正效应冲抵,这可能是黄土坡面坡顶部位土壤微生物数量和酶活性虽然整体呈现下降趋势,但不是受采煤沉陷影响最显著的部位的重要原因。

    2)在黄土地貌类型下,沉陷坡面坡中部位“变陡效应”使得原有土壤孔隙特征改变,加剧了空气、热量对土壤的侵入,土壤微生物和酶的生存繁殖条件改变,引起了土壤微生物的生理胁迫,以致部分微生物由于不能适应生存环境的改变而停止繁殖甚至死亡[40],而土壤酶也因失去主要来源而降低其活性。与此同时,地表坡度增大使得土壤受垂直坡面的压力减小,而受沿坡面倾向方向的力增大[41],导致土壤水分、黏粒大量流失。但坡顶部位流失的土壤水分、黏粒等会对坡中部位进行补给,从而减弱部分采煤沉陷对土壤的负影响。此外,“变陡效应”还会严重破坏坡面植被的生境,导致植被对土壤养分的拦截与保护功能受损[7]。“变陡效应”使得坡中部位地表整体移动和倾斜作用增强,土壤孔性变化较为明显,土壤孔隙率的增幅较大,但小于坡顶部位,叠加上坡顶部位的“补给效应”,二者共同导致采煤沉陷对土壤微生物和酶的正负效应不同程度的有所减弱,但考虑到坡顶部位的“补给效应”主要体现在土壤机械组成、水分、养分条件上,而对土壤气、热、植被状况的影响不大,且土壤的孔性结构改变对其他理化特性的影响呈非线性特征,正效应的降幅可能比负效应更大,以致采煤沉陷对土壤微生物和酶的正效应被大幅削弱,而负效应产生的结果被放大,最终导致采煤沉陷对土壤微生物数量和酶活性的负效应占主导地位,这可能是采煤沉陷整体上对黄土坡面坡中部位土壤微生物数量和酶活性的降低效应最大的重要原因。

    3)在黄土地貌类型下,“挤压效应”使得坡脚部位土壤形成堆积体形态[7],土壤孔隙率的增幅最小,土壤温度的局部差异性减小,且大量在坡顶和坡中部位流失的土壤水分、养分、黏粒等在坡脚处汇集,以致采煤沉陷对土壤的机械组成、水、肥、气、热条件及植被性状的负影响显著降低。由于坡脚部位土壤孔隙度的增幅小于坡顶、坡中部位,以致采煤沉陷对坡脚部位土壤的损害程度最低,进而导致采煤沉陷对土壤微生物和酶的正效应和负效应均不同程度地降低。考虑到坡顶、坡中部位均会对坡脚部位进行补给,坡脚部位的补给作用显著提高,土壤机械组成、水分、养分条件有明显改善,且采煤对坡脚部位土壤气、热、植被状况等因素的负影响均最小,以致正效应减弱的强度比负效应小,最终导致采煤沉陷对土壤微生物和酶的正效应被强化,负效应产生的影响被削弱,这可能是采煤沉陷整体上对黄土坡面坡脚部位土壤微生物数量和酶活性的降低效应最小的重要原因。

    4)在风沙地貌类型下,采煤沉陷后,土体错落松动,显著增大了风沙土的松散化程度,使得风沙土通气、透水的大孔隙数量增多,而保水、保肥的小孔隙数量减少,土壤与外界的呼吸交换由间接变为直接[42],且水、气侵蚀效应和土壤颗粒的聚沉效应加剧,土壤水分、养分、黏粒等小粒径颗粒大量散失,以致土壤抗风蚀能力减弱,风沙土质地进一步粗化。土壤水是风沙区限制植被生长的关键因素[43],当土壤含水量低于植物干旱胁迫阈值时,必然会影响植物的生理生态,本研究结果显示,风沙沉陷坡面土壤含水量均低于10%,植物生长受到干旱胁迫[44],危及植物生长,同时,采煤沉陷引起植物位移,植株撕裂,根系拉断枯萎死亡[45],二者共同导致土壤植物根系严重受损,植物根系的分泌功能以及对土壤养分的保护功能降低。需要说明的是,风沙沉陷坡面土壤具有显著的“自修复”趋势及自修复能力[46],一方面,在土体自身重力及风沙流、降雨入渗等因素的作用下,采空区土壤中的大孔隙被填埋,土壤紧实度增加,孔隙度减小,土壤的物理性质有所改善,土壤质量逐渐恢复[24],另一方面,植物在土壤水肥环境剧变后,表现出其抗逆性,促使植物对环境重新适应并对土壤环境进行修复[47],且植被的表聚效应使得土壤养分流失速度减弱[48]。综上,由于风沙土的“自修复”特性,采煤沉陷对土壤的负效应减弱,这可能是采煤沉陷对风沙地貌区土壤微生物数量和酶活性的降低效应小于黄土地貌区的重要原因。

    此外,不同沉陷状态对土壤微生物和酶的影响有差异[49],风沙坡面和黄土坡面在采煤沉陷后分别表现为均匀沉陷和非均匀沉陷,均匀沉陷区土壤生物特性的受损程度小于非均匀沉陷区,研究结论也间接印证上述问题,即风沙沉陷坡面土壤微生物特性受损的效应小于黄土沉陷坡面。还有学者研究发现不同沉陷深度对土壤也有显著影响[50]。综上所述,不同沉陷状态和沉陷深度均是影响土壤微生物和酶的重要因素,值得进一步深化研究。

    1)陕北煤矿区采煤沉陷对不同地貌类型单元下的地表坡面均会产生显著降低土壤微生物数量和酶活性的效应,其中风沙沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性的降幅分别达到8.27%~42.39%和6.52%~39.83%,黄土沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性的降幅分别达到11.53%~45.95%和9.09%~42.42%,且随着沉陷坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换,该效应会因土壤微生物和酶种类的不同而表现出不同的空间变化特征。

    2)在陕北煤矿区黄土地貌类型单元下,采煤沉陷降低坡面各类土壤微生物数量和酶活性的效应以坡中部位的0~10 cm土层最为显著;在风沙地貌类型单元下,采煤沉陷降低坡面土壤放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性的效应以坡中部位的0~10 cm土层最为显著,而降低坡面土壤细菌及真菌数量、土壤过氧化氢酶活性的效应分别以坡中部位的10~20 cm土层、坡中部位的20~40 cm最为显著,这些部位可作为陕北采煤沉陷区坡面土壤微生物修复的靶向区域;此外,无论在风沙地貌类型单元还是黄土地貌类型单元,土壤真菌数量和脲酶活性对采煤沉陷最为敏感,可作为分析陕北矿区采煤沉陷损害土壤微生物特性的标志物。

    3)陕北煤矿区风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量与土壤微生物数量及酶活性在坡面尺度上存在高度的一致性,相关系数分别超过0.8和0.7,达到极显著正相关水平(P<0.01),其中速效磷、有机质含量与土壤微生物和酶活性的相关系数最高,可作为采煤沉陷影响土壤微生物特性的关键指示性因素。

  • 图  1   研究区概况

    Figure  1.   Overview of study area

    图  2   沉陷前后对比与采样示意

    Figure  2.   Comparison before and after subsidence and sampling

    图  3   不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同部位及深度土壤微生物数量对比

    Figure  3.   Comparison of soil microbial quantity in different parts and depths of coal mining subsidence slope in different landform types

    图  4   不同地貌类型单元采煤沉陷坡面不同部位及深度土壤酶活性对比

    Figure  4.   Comparison of soil enzyme activities in different parts and depths of coal mining subsidence slope in different landform types

    表  1   土壤微生物数量与土壤理化性质的相关系数

    Table  1   Correlation coefficient between soil microbial quantity and soil physical and chemical properties

    地形地貌 部位 微生物种类 土壤理化性质相关系数
    含水率 黏粒 pH 有机质 速效氮 速效磷 速效钾
    风沙地貌 坡顶 细菌 −0.457 0.966** 0.086 0.967** 0.941** 0.933** 0.959**
    放线菌 −0.478 0.965** 0.115 0.973** 0.946** 0.937** 0.954**
    真菌 −0.423 0.959** 0.060 0.941** 0.963** 0.955** 0.986**
    坡中 细菌 −0.347 0.962** 0.145 0.934** 0.971** 0.966** 0.970**
    放线菌 −0.317 0.976** 0.269 0.974** 0.933** 0.904** 0.928*
    真菌 −0.385 0.947** 0.126 0.937** 0.982** 0.986** 0.982**
    坡脚 细菌 −0.289 0.980** 0.712** 0.952** 0.947** 0.981** 0.958**
    放线菌 −0.206 0.972** 0.731** 0.987** 0.982** 0.985** 0.991**
    真菌 −0.295 0.969** 0.755** 0.981** 0.945** 0.974** 0.962**
    黄土地貌 坡顶 细菌 −0.326 0.892** 0.044 0.976** 0.898** 0.945** 0.946**
    放线菌 −0.535 0.963** −0.059 0.944** 0.886** 0.918** 0.896**
    真菌 −0.444 0.886** −0.187 0.938** 0.841** 0.994** 0.855**
    坡中 细菌 −0.641* 0.931** −0.060 0.900** 0.875** 0.897** 0.896**
    放线菌 −0.589* 0.917** 0.055 0.904** 0.949** 0.862** 0.923**
    真菌 −0.562 0.806** −0.223 0.876** 0.911** 0.956** 0.853**
    坡脚 细菌 −0.509 0.953** 0.663* 0.897** 0.871** 0.933** 0.858**
    放线菌 −0.326 0.932** 0.698* 0.968** 0.957** 0.983** 0.945**
    真菌 −0.448 0.914** 0.606* 0.868** 0.810** 0.890** 0.838**
     注:**表示在0.01水平上极显著相关,*表示在0.05水平上显著相关。
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    表  2   土壤酶活性与土壤理化性质的相关系数

    Table  2   Correlation coefficient between soil enzyme activity and soil physical and chemical properties

    地形地貌 部位 微生物种类 土壤理化性质相关系数
    含水率 黏粒 pH 有机质 速效氮 速效磷 速效钾
    风沙地貌 坡顶 蔗糖酶 −0.512 0.855** −0.148 0.833** 0.881** 0.934** 0.921**
    脲酶 −0.608* 0.911** −0.049 0.932** 0.899** 0.947** 0.917**
    过氧化氢酶 −0.357 0.824** 0.154 0.907** 0.808** 0.819** 0.831**
    磷酸酶 −0.534 0.930** −0.002 0.935** 0.920** 0.989** 0.962**
    坡中 蔗糖酶 −0.357 0.770** −0.158 0.723** 0.894** 0.948** 0.898**
    脲酶 −0.421 0.914** 0.229 0.922** 0.871** 0.863** 0.865**
    过氧化氢酶 −0.381 0.967** 0.138 0.928** 0.951** 0.958** 0.957**
    磷酸酶 −0.471 0.930** 0.040 0.905** 0.945** 0.982** 0.951**
    坡脚 蔗糖酶 −0.466 0.816** 0.462 0.869** 0.889** 0.933** 0.923**
    脲酶 −0.483 0.910** 0.510 0.914** 0.882** 0.956** 0.914**
    过氧化氢酶 −0.286 0.958** 0.671* 0.914** 0.903** 0.941** 0.922**
    磷酸酶 −0.381 0.854** 0.472 0.915** 0.883** 0.922** 0.926**
    黄土地貌 坡顶 蔗糖酶 −0.488 0.851** −0.270 0.894** 0.789** 0.970** 0.777**
    脲酶 −0.308 0.909** 0.169 0.958** 0.940** 0.912** 0.961**
    过氧化氢酶 −0.085 0.742** 0.329 0.852** 0.837** 0.732** 0.846**
    磷酸酶 −0.462 0.986** −0.012 0.972** 0.937** 0.949** 0.921**
    坡中 蔗糖酶 −0.503 0.749** −0.292 0.842** 0.870** 0.954** 0.803**
    脲酶 −0.538 0.867** −0.014 0.897** 0.877** 0.892** 0.880**
    过氧化氢酶 −0.477 0.923** 0.021 0.931** 0.848** 0.935** 0.913**
    磷酸酶 −0.626* 0.861** −0.177 0.891** 0.926** 0.851** 0.890**
    坡脚 蔗糖酶 −0.475 0.870** 0.761** 0.851** 0.885** 0.951** 0.803**
    脲酶 −0.420 0.976** 0.730** 0.921** 0.890** 0.905** 0.899**
    过氧化氢酶 0.039 0.850** 0.873** 0.935** 0.876** 0.875** 0.942**
    磷酸酶 −0.292 0.908** 0.741** 0.923** 0.901** 0.966** 0.899**
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-06-24
  • 网络出版日期:  2023-11-14
  • 刊出日期:  2023-12-30

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