李娜1,2，王金凤3，迟乃玉1，杨再超2*（1大连大学生命健康学院，辽宁大连116622；2六盘水师范学院生物科学与技术学院，贵州六盘水553004；3六盘水师范学院经济管理学院，贵州六盘水553004）
摘要： **喀斯特煤矸石山**生态环境恶劣，植物类型单一，探明煤矸石山风化土中**碳、氮、磷化学计量**和**酶活性特征**，对喀斯特煤矸石山植物恢复具有重要意义。选取喀斯特煤矸石山山顶、山腰、山脚的优势植物根际风化土为研究对象，以无植被生长的风化土为对照，对煤矸石山风化土中碳氮磷元素含量及酶活性进行分析。结果表明，自山顶至山脚风化土有机碳、全氮含量逐渐降低，全磷和速效养分含量先升高后降低。煤矸石山环境恶劣，导致除C/N外，**C/P和N/P均远小于我国陆地表层土壤平均水平**。自山顶至山脚，裸地风化土脲酶和磷酸酶活性呈逐渐上升趋势，而植物根际风化土呈逐渐下降趋势；蔗糖酶活性呈先上升后下降趋势。喀斯特煤矸石山风化土碳、氮、磷化学计量和酶活性特征具有**高度空间异质性**，**C/P、全磷含量和有机碳含量**是影响风化土酶活性变化的主控因子。
关键词： 喀斯特煤矸石山; 碳氮磷化学计量; 酶活性; 空间异质性; 植被恢复
土壤作为许多生态过程的重要物质载体[1]，可以为植物提供生长发育所必需的营养元素，且元素的含量变化会引起生态系统结构和功能[2-3]的改变。土壤的**化学计量**可以有效揭示生态系统功能的变异性，反映**土壤养分循环**[4]。**土壤酶**催化土壤中几乎所有的生理生化反应，它驱动土壤有机质的合成、分解和转化、养分循环以及无机物质的氧化和还原[5]，在土壤生态系统的**碳、氮、磷循环**中发挥着重要作用[6]。
因此，土壤中碳、氮、磷与酶活性联系紧密。贵州省六盘水市属典型的**喀斯特地貌**，同时也是享誉全国的“江南煤都”[7]。伴随煤炭大规模开采利用，产生的大量煤矸石堆积形成几乎无土的**煤矸石山**，对本就脆弱的生态环境造成更为严重的破坏。植被恢复在煤矸石山水土保持和水源涵养、改善土壤理化性质、减少养分流失、提高土壤肥力和土地承载力等方面具有重要作用。因此，研究**煤矸石山风化土壤的碳、氮、磷、酶活性特征**，对喀斯特煤矸石山植被恢复和生态管理具有重要意义[8]。
近年来，关于煤矸石山植被、土壤、酶活性已有大量研究，结果表明，植被恢复与土壤养分和酶活性密切相关。长期的雨水淋溶和浸泡造成煤矸石山山顶、山腰、山脚间温度、植被等具有较强的**空间异质性**，进而影响风化土碳、氮、磷元素含量和酶活性。基于此，对喀斯特煤矸石山山顶、山腰、山脚风化土中碳、氮、磷含量和酶活性展开研究，以期为**喀斯特煤矸石山植被恢复以及生态治理**提供理论依据。
1材料与方法
1.1 研究区概况
研究地位于贵州省六盘水市松河煤矿（104°39′E、26°1′N），属**喀斯特地貌**，为亚热带高原季风气候。研究地所处地区土壤主要为黄壤。通过野外调查和走访，松河煤矿煤矸石山废弃已有13余年，煤矸石山上的植被为自然恢复[11]，植被较为单一，在山顶、山腰、山脚均有分布的优势植物为禾本科的**五节芒**（Miscanthusfloridulus，简称MF）、菊科的**艾蒿**（Artemisiaargyi，简称AA）和廖科的**戟叶酸模**（Rumexhastatus，简称RH）。
1.2 样地设置与样品采集
在煤矸石山的山顶、山腰、山脚各随机设置3个样地，每个样地设置3个1m×1m的重复样方，每个重复样方随机采集3种优势植物的**根际风化土**，以无植被生长的煤矸石风化土作为对照（**CK**）。植物根际土壤的采集需将植物根系完整挖出，稍加抖动后取附着在根部的风化土。将采集的风化土放入自封袋中带回实验室备用，过筛后用于理化性质及酶活性的测定。
1.3 样品测定
风化土理化性质测定：pH采用电极法，**有机碳**（SOC）和有机质（SOM）采用重铬酸钾-外加热法，**全氮**（TN）采用凯氏定氮法，**碱解氮**（AN）采用碱解扩散法，**全磷**（TP）采用钼锑抗比色法，**速效磷**（OP）采用碳酸氢钠浸提法。
风化土酶活性测定：**脲酶**（URE）苯酚钠-次氯酸钠比色法，**蔗糖酶**（SST）3,5-二硝基水杨酸比色法，**磷酸酶**（PHO）磷酸苯二钠比色法，**过氧化氢酶**（CAT）高锰酸钾滴定法。
1.4 数据分析
试验数据的统计和初步分析利用Excel进行。单因素方差分析、多重比较（$\alpha$=0.05）和相关性分析均由SPASS22.0完成，**冗余分析**由Canoco5.0完成。采用Origin2021作图。
2结果与分析
2.1 风化土pH值、有机质变化特征
由图1可知，自山顶至山脚，裸地风化土**pH值**偏中性且呈逐渐下降趋势，而3种植物根际风化土pH偏碱性且无明显变化规律。裸地风化土和五节芒、艾蒿、戟叶酸模根际风化土**有机质含量**均在山顶最高；在山脚最低。由此可知，松河煤矿煤矸石山风化土有机质含量自山顶至山脚**显著降低**（P＜0.05）。
2.2 风化土碳氮磷含量及其化学计量比变化特征
由图2可知，裸地风化土和五节芒、艾蒿、戟叶酸模根际风化土**有机碳含量**、**全氮含量**自山顶至山脚均**显著降低**（P＜0.05）。
裸地风化土和五节芒、艾蒿、戟叶酸模根际风化土**全磷含量**、**碱解氮含量**、**速效磷含量**自山顶至山脚均呈**先上升后下降趋势**（P＜0.05）。
由此可知，松河煤矿煤矸石山风化土**碳氮比**自山顶至山脚逐渐降低。松河煤矿煤矸石山风化土**碳磷比**自山顶至山脚逐渐上升或逐渐下降。松河煤矿煤矸石山风化土**氮磷比**自山顶至山脚呈先下降后上升趋势。相比之下，松河煤矿煤矸石山风化土碳氮比略大于我国陆地表层土壤平均水平，而**碳磷比和氮磷比远小于我国陆地土壤平均水平**。
2.3 风化土酶活性变化特征
由图3可知，松河煤矿煤矸石山**裸地风化土脲酶活性**自山顶至山脚呈**逐渐上升趋势**（P＜0.05），而**植物根际风化土脲酶活性**自山顶至山脚呈**逐渐下降趋势**（P＜0.05）。
由此可知，松河煤矿煤矸石山裸地风化土**磷酸酶活性**自山顶至山脚呈**逐渐上升趋势**（P＜0.05），而植物根际风化土磷酸酶活性自山顶至山脚呈**逐渐下降趋势**（P＜0.05）。松河煤矿煤矸石山**蔗糖酶活性**自山顶至山脚呈**先上升后下降趋势**（P＜0.05）。
由此可知，松河煤矿煤矸石山风化土**过氧化氢酶活性**自山顶至山脚**无显著性差异**。
2.4 风化土酶活性与碳氮磷化学计量的关系
由表2可知，相关性分析表明，**URE与全氮呈显著正相关**；**CAT与C/N、C/P呈极显著正相关**，与TP、OP呈极显著负相关；**SST与AN、TP呈极显著正相关**。
2.5 风化土酶活性与环境因子的冗余分析
由表3可知，酶活性在第Ⅰ、Ⅱ轴的累计解释酶活性变化达**75.56%**，对酶活性与理化因子关系的累计解释量达99.96%，因此，前两轴可以较好反映两者关系。
由图4可知，**URE与SOC、TP、OP、TN、AN、C/N、C/P呈正相关**；**CAT与C/N、C/P呈正相关**；**SST与SOC、TN、AN、TP、OP呈正相关**。
由表4可知，重要性排序依次为**C/P＞TP＞SOC**＞N/P＞OP＞TN＞C/N＞pH＞AN，说明**C/P、TP、SOC是影响酶活性的主要驱动因素**。
3讨论
3.1 土壤碳氮磷含量及化学计量比特征
煤矸石山露天堆放，受长期雨水淋溶影响，其山顶、山腰、山脚土壤温度、水分、养分等资源分布不尽相同，使煤矸石山山顶、山腰、山脚呈现出**不同的小生境**。本研究中风化土**有机碳和全氮含量**自山顶至山脚呈现**逐渐降低**的趋势，这是由于山脚温度较高，加快了风化土有机碳的分解速率，而山顶温度较低，使得有机碳分解缓慢而产生积累。相关性分析与冗余分析显示，有机碳含量与全氮含量呈极显著正相关（P＜0.01）。
本研究中风化土**全磷和速效养分**（碱解氮、速效磷）含量自山顶至山脚呈现**先升高后降低的趋势**，在**山腰处出现累积现象**，可能是由于山腰处微生物量较大，代谢活动旺盛，促进有机物质的降解和矿化作用。因此，本研究区山腰处更有利于植被生长
**碳、氮和磷生态化学计量比**是生态系统过程和功能的一个重要特征。化学计量比能对营养限制和碳氮磷饱和度做出诊断和有效预测[19]，**C/N越小**，有机物分解速度越快；**C/P越高**，磷的有效性越低；**N/P**可确定养分限制的阈值[4,20]。本研究中，研究区土壤C/N、C/P和N/P范围分别为15.79~41.96、3.03~9.05和0.09~0.31。相比之下，本研究区的C/N偏高，而**C/P和N/P偏低**，由此可知，煤矸石山风化土有机质的分解较慢、积累较好，**磷的有效性较差**，**氮元素含量较少**。
3.2 风化土酶活性特征
**土壤酶**主要来自植物根系分泌物和动植物残体以及土壤微生物[24]，其为土壤中生物的代谢和分解提供动力，与土壤理化性质和环境条件密切相关[25-27]。土壤**有机碳含量**是土壤中酶底物的主要来源[28]。
土壤**脲酶**活性大小能直观表现土壤生化反应的方向和力度，其活性增强则能有效促使土壤中有机氮转变为有效的无机氮[30-32]。土壤**过氧化氢酶**反映土壤的生物活性与氧化程度[33]。土壤**蔗糖酶**活性大小可表征土壤肥力水平及土壤微生物活性酶促反应产物[34]。土壤**磷酸酶**催化有机磷矿化成无机磷，是评价土壤磷素的一个关键指标[35]。
本研究发现，煤矸石山山顶、山腰至山脚，裸地风化土**脲酶和磷酸酶活性呈逐渐升高趋势**，而植物根际风化土呈**逐渐下降趋势**。在酸性的裸地风化土中，影响脲酶活性的主导因素是**pH值**，而在碱性的植物根际风化土中，**全氮含量**取代pH值成为影响风化土脲酶的主导因素。风化土蔗糖酶在山腰处活性最高，呈现先上升后下降的趋势。由此进一步说明，**煤矸石山山腰处微生物量较大，代谢活动较为旺盛**。总而言之，煤矸石山山顶、山腰至山脚土风化土**水解酶类活性差异显著**，而过氧化氢酶类活性差异不显著。
4结论
研究区煤矸石山自山顶至山脚土壤**有机碳、全氮含量呈逐渐下降趋势**，**全磷和速效养分**（碱解氮、速效磷）含量呈**先上升后下降趋势**，且均具有显著性差异（P＜0.05）。土壤C/N、N/P远小于全国平均水平，C/N略大于全国平均水平，说明研究区煤矸石山土壤有机质分解较慢、积累较好，但**土壤磷的有效性较差，土壤氮元素含量较少**。研究区煤矸石山自山顶至山脚裸地土壤**脲酶和磷酸酶活性呈逐渐上升趋势**（P＜0.05），而植物根际土壤呈**逐渐下降趋势**（P＜0.05）；**蔗糖酶活性呈先上升后下降趋势**（P＜0.05）；过氧化氢酶活性无显著性差异。土壤**C/P、全磷、有机碳**是影响酶活性变化的主要因子。
