陜北煤礦區采動地裂縫對土壤微生物和酶活性的影響

宋世杰，張玉玲，王雙明，杜 麟，劉萌楠

(1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054; 2.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室，陜西 西安 710054)

我國“相對富煤、缺油、少氣”的能源資源稟賦決定了煤炭資源在我國一次能源格局中的主體地位，且在未來相當長的時期內不會發生根本性改變[1-2]。黃河流域作為著名的能源流域，其煤炭資源的經濟可采量和生產量都高居全國首位[3]。目前我國規劃建設的14個大型煤炭基地中有9個集中分布于黃河流域，是我國最重要的煤炭生產區[4]。據統計，2019年全國煤炭生產總量為38.5億t，其中70%以上的產量來自黃河流域[5]。因此，黃河流域煤炭資源的高效綠色開采對保障國家能源安全和支撐黃河流域高質量發展都具有十分重要的意義。

陜北作為黃河流域中游重要的煤炭生產基地，在向全國輸送優質煤炭的同時，也造成了區域脆弱生態環境的嚴重損害[6]。受陜北煤炭資源賦存和開采特征的影響，采動地裂縫成為該礦區最典型的采動損害類型，其生態環境的破壞效應最為顯著[7]。土壤是地表生態環境系統的關鍵要素之一，不僅直接反映生態環境的質量，而且深刻影響著生態環境的穩定性[8-9]。因此，研究煤礦區采動地裂縫對土壤特性的影響規律逐漸成為研究熱點。目前，國內外主要研究成果集中在采動地裂縫對以含水率、孔隙度為代表的土壤物理特性，以氮、磷、鉀、有機質為代表的養分特性，以根際微生物、酶為代表的生物特性的影響規律[10]。張延旭等[11]認為采煤沉陷產生的地裂縫是土壤含水量的下降的主要原因，土壤含水率隨采動地裂縫寬度的增加逐漸減小;許傳陽等[12]發現采動地裂縫導致了土壤水分、氮的流失，距采動地裂縫距離越近，土壤含水量和有效氮質量分數越低;QUADROS等[13]研究發現采煤塌陷產生的采動地裂縫使得土壤孔隙度增加，在水蝕與風蝕作用下土壤發生酸化、有機質減小等，造成裂縫區土壤惡化;畢銀麗等[14]研究了神東礦區裂縫經過的沙柳根際微生物數量和酶活性的時空演變特征。

然而，土壤微生物和土壤酶作為最敏感的土壤生物特性指標，不僅可以指示土壤肥力狀況、生物化學活性及其動態變化特征，更重要的是對人為干擾響應靈敏，能在較短時間內反映出土壤質量的變化[15-16]，在一定程度上比靜態的土壤理化指標更有實際意義[17]。但目前，綜合考慮土壤理、化、生三大特性相互作用的采動地裂縫在小空間尺度上影響土壤微生物和土壤酶的相關研究還不充分。鑒于此，筆者以陜北煤礦區典型采動地裂縫周圍土壤(水平距離60 cm以內、垂直深度60 cm以淺)為研究對象，細致剖析土壤微生物和酶活性的變化特征，結合土壤主要理化特性指標，精準解譯采動地裂縫在小空間尺度上對土壤微生物和土壤酶的影響規律。不僅對豐富和深化煤礦區采動地裂縫對土壤質量影響規律的研究具有重要的科學價值，而且對陜北煤炭開采損害區的土壤微生物精準修復具有重要的實踐意義。

1 研究區概況

研究區位于陜北煤礦區檸條塔井田，地理坐標為109.67°E～110.9°E，38.22°N～39.45°N，如圖1所示。該區域氣候類型為典型的中溫帶半干旱大陸性氣候，四季冷熱多變，晝夜溫差懸殊，年均降雨量為194.7～531.6 mm，且主要集中在7—9月。研究區隸屬黃土溝壑區，土壤類型以黃綿土為主，土壤偏堿性，機械組成粗，土壤貧瘠，缺氮少磷，有機質質量分數低，植被類型以沙蒿、沙柳灌叢為主，長芒草草叢次之。

圖1 研究區位置示意Fig.1 Schematic diagram of the location of the study area

檸條塔井田主采煤層為2-2煤層，煤層埋深2～247 m，采用長壁綜合機械化開采方法，采厚2.5～4.0 m。高強度的地下開采使得該井田采動地裂縫顯著發育。據最新調查結果，該井田采動地裂縫主要發育在沉陷區內部及回采巷道邊界處，且多以寬0.2～0.4 m、長0～50 m、深0～1 m的幾何形態出現，該類采動地裂縫約占調查總數的50%。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

以陜北檸條塔井田北翼單一煤層開采典型工作面范圍作為采樣區，中心坐標為110.188°E,39.088°N。采樣區地貌屬黃土丘陵溝壑類型，區內發育多個坡向為西南方向的黃土坡面，平均坡度22°，平均坡長50 m，坡形近似為均勻型，坡面植被類型以黑沙蒿+蒙古蕕+長芒草草地植被群落為主，植被蓋度約為43%。區內黃土坡面上發育多組弧形采動地裂縫，近似垂直于地下工作面推進方向(西南方向)展布，形成時間約為3個月，裂縫平均間距10 m。采動地裂縫的寬度由坡頂向坡腳逐漸變小，坡頂處裂縫寬度一般大于40 cm，坡腳處裂縫寬度一般小于 20 cm。

根據采樣區實際情況，設計如下采樣方案(圖2):① 在坡面上隨機選擇寬度為20～40 cm、深度為20～30 cm的3條采動地裂縫作為采樣目標;② 在每條裂縫上布設間距為10 m的5個采樣斷面，每個斷面上沿裂縫法向方向布置水平距離為20，40，60 cm等3個采樣點;每個采樣點用土鉆分層采集垂直深度為0～10，10～20，20～40，40～60 cm等4層土壤，并將每條采動地裂縫所有斷面上相同水平距離和垂直深度的土壤混合后裝入干凈的聚乙烯采樣袋，做好標記，立即放于便攜冷藏箱內;③ 在采樣工作面西北方向500 m以外的未開采區內選擇坡度、坡長、坡形、坡向、植被蓋度及群落類型相似的黃土坡面作為對照，隨機布置3個采樣點采集各層土壤，將相同垂直深度的土壤混合后裝入干凈的聚乙烯采樣袋，做好標記，立即放于便攜冷藏箱內;④ 采樣工作歷時1 d，于2019-06-30完成，當天天氣晴，溫度為16～26 ℃，共計采集土壤樣品64個;⑤ 所有土壤樣品帶回實驗室后立即置于-80 ℃冰箱內保存，每個土壤樣品各取一半用于測定土壤微生物數量及酶活性指標;另一半用于測定土壤主要理化指標。

圖2 采樣示意Fig.2 Sampling diagram

2.2 測定方法

采用絕對定量PCR方法分析土壤DNA樣品細菌、真菌和放線菌中的基因拷貝數，獲得所測土壤樣品中細菌、真菌、放線菌的數量。土壤酶活性采用酶標儀進行檢測，蔗糖酶(又名轉化酶)活性的測定采用3,5二硝基水楊酸比色法;過氧化氫酶的活性測定采用高錳酸鉀滴定法;脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法;磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法;土壤含水率采用烘干法;土壤孔隙度采用環刀法;土壤粒徑采用激光衍射法;土壤pH采用電位測定法;土壤有機質采用燃燒氧化-非分散紅外法;土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤有效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計法;土壤銨態氮采用KCL浸提-A33流動分析儀法測定。所有樣品的各項指標均平行測定3次。

2.3 數據處理

采用 SPSS21.0和Excel對數據統計和分析，進行顯著分析和相關性分析，顯著性分析采用單因素方差分析，顯著水平設為0.05，Pearson相關性系數檢驗沉陷區采動地裂縫周圍土壤微生物數量和酶活性與土壤理化性質的相關性。

3 結果與討論

3.1 測定結果

為了全面而細致的分析采動地裂縫對土壤微生物和酶活性的影響，除了測定3種微生物、4種酶活性以外，還測定了8項主要理化性質。土壤微生物、酶活性、理化性質測定結果見表1。

3.2 結果分析

3.2.1采動地裂縫發育后土壤微生物的變化規律

根據表1，繪制了采動地裂縫周圍不同水平距離及埋深的土壤微生物數量對比圖，如圖3所示。

由表1和圖3可知，采動地裂縫的發育會顯著降低周圍土壤(水平距離60 cm以內、垂直深度60 cm以淺)中細菌、放線菌、真菌的數量，而且越靠近采動地裂縫，降幅越大。隨著距采動地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中細菌、放線菌、真菌數量的平均降幅依次由36.68%，32.50%，41.22%(水平距離為20 cm)減小到10.21%，10.92%，17.45%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的3.59，2.98，2.36倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內各層土壤中細菌、放線菌數量的平均降幅差異不大，均在20%～25%，真菌數量的平均降幅差異較大，由32.03%(垂直深度為0～10 cm)減小到21.54%(垂直深度為40～60 cm)，前者是后者的1.49倍。上述結果與王銳等[18]研究結果基本一致。由此可見，采動地裂縫對周圍土壤中細菌、放線菌數量的負效應主要表現出水平差異特征，且隨著水平距離的增加而明顯減弱;采動地裂縫對土壤真菌數量的負效應則表現出水平、垂直雙向差異特征，且隨著水平距離、垂直深度的增加而明顯減弱。基于線性回歸模型，預測當水平距離分別超過75，79，91 cm時，采動地裂縫對周圍土壤中細菌、放線菌、真菌數量的負效應基本消失(式(1)～(3));當垂直深度大于135 cm時，采動地裂縫不再對土壤真菌數量產生負影響(式(4))。

圖3 采動地裂縫周圍不同水平距離及土層深度的土壤微生物數量對比Fig.3 Comparison of the number of soil microorganism sat different horizontal distances and soil depths around mining ground fissures

δx=-0.662d+49.73,R2=0.999

(1)

δf=-0.540d+42.78,R2=0.993

(2)

δz1=-0.592d+53.67,R2=0.992

(3)

δz2=-0.250h+33.62,R2=0.963

(4)

式中，δx為采動地裂縫水平方向周圍土壤細菌數量相對于自然土壤的降幅，%;δf為采動地裂縫水平方向周圍土壤放線菌數量相對于自然土壤的降幅，%;δz1為采動地裂縫水平方向周圍土壤真菌數量相對于自然土壤的降幅，%;δz2為采動地裂縫垂直深度周圍土壤真菌數量相對于自然土壤的降幅，%;d為距采動地裂縫的水平距離，cm;h為距采動地裂縫的垂直深度，cm;R2為相關系數。

根據表1，采動地裂縫周圍土壤(水平距離60 cm以內、垂直深度60 cm以淺)主要理化性質會發生惡化，對土壤微生物造成顯著的負影響。隨著距采動地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中銨態氮、有機質、有效磷、有效鉀、黏粒、含水率、pH的平均降幅和孔隙度的平均增幅依次由29.31%，28.46%，19.86%，6.51%，6.46%，4.26%，3.14%，70.29%(水平距離為20 cm)減小到24.31%，9.51%，12.61%，4.11%，4.93%，2.36%，1.98%，26.20%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的1.21，2.99，1.57，1.58，1.31，1.81，1.56，2.68倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內各層土壤銨態氮、有機質、黏粒的平均降幅依次由29.66%，38.92%，10.17%(垂直深度為0～10 cm)減小到25.54%，9.62%，1.45%(垂直深度為40～60 cm)，前者分別是后者的1.16，4.04，7.01倍，有效磷、有效鉀、pH、含水率的平均降幅均不大，依次在15.0%，8.0%，2.5%，3.0%左右。上述結果與許傳陽等[12]研究結果基本一致。經相關性檢驗，土壤有機質質量分數、銨態氮質量分數、有效磷質量分數、黏粒質量分數與細菌數量的相關系數依次為0.933，0.819，0.881，0.876，與放線菌數量的相關系數依次為0.964，0.836，0.819，0.891，與真菌數量的相關系數依次為0.940，0.914，0.824，0.852，均達到極顯著正相關水平(P<0.01);而土壤有效鉀、pH、含水率與土壤真菌、細菌、放線菌數量相關性均不顯著。該結果中土壤含水率、pH與微生物數量的相關性與前人結果不一致[12,19]，可能是本研究中的采動地裂縫因產生時間短使得土壤水分、酸堿度變化不大所致。由此可見，采動地裂縫周圍土壤中真菌、細菌、放線菌數量空間變化特征與土壤有機質、銨態氮、有效磷及黏粒質量分數存在高度的一致性。

表1 采動地裂縫周圍土壤微生物數量、土壤酶活性及主要理化指標檢測結果Table 1 Test results of the number of soil microorganisms, soil enzyme activities and main physical and chemical indicators around mining ground fissures

3.2.2采動地裂縫發育后土壤酶活性的變化規律

根據表1數據，繪制了不同水平距離、不同埋深土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性對比圖，如圖4所示。

圖4 采動地裂縫周圍不同水平距離及土層深度的土壤酶活性對比Fig.4 Comparison of soil enzyme activities at different horizontal distances and soil depths around mining ground fissures

由表1和圖4可知，采動地裂縫的發育會顯著降低周圍土壤(水平距離60 cm以內、垂直深度60 cm以淺)中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶的活性，而且越靠近采動地裂縫，降幅越大。隨著距采動地裂縫水平距離的增加，垂直深度60 cm以淺土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅依次由41.20%，18.78%，44.17%，44.92%(水平距離為20 cm)減小到14.90%，8.69%，21.49%，10.12%(水平距離為60 cm)，前者分別是后者的2.76，2.16，2.05，4.44倍;隨著垂直深度的增加，水平距離60 cm以內土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅差異不大，均在12%～30%(10～20 cm土層蔗糖酶活性除外)，磷酸酶活性的平均降幅由36.53%(垂直深度為0～10 cm)減小到19.19%(垂直深度為40～60 cm)，前者是后者的1.90倍。上述結果與杜濤等、王銳等[14,18]研究結果基本一致。由此可見，采動地裂縫對周圍土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性的負效應主要表現出水平差異特征，且隨著水平距離的增加而明顯減弱;采動地裂縫對土壤磷酸酶活性的負效應表現出水平、垂直雙向差異特征，且隨著水平距離、垂直深度的增加而明顯減弱?；诰€性回歸模型，預測當水平距離分別超過72，82，89，96 cm時，采動地裂縫對周圍土壤中磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性的負效應基本消失(式(5)～(8));當垂直深度大于103 cm時，采動地裂縫不再對土壤磷酸酶活性產生負影響(式(9))。

δl1=-0.87d+62.573,R2=0.999

(5)

δz=-0.658d+53.95,R2=0.997

(6)

δg=-0.252 3d+22.537,R2=0.836

(7)

δn=-0.567d+54.53,R2=0.974

(8)

δl2=-0.355 3h+36.654,R2=0.945

(9)

式中，δl1為采動地裂縫水平方向土壤磷酸酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δz為采動地裂縫水平方向土壤蔗糖酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δg為采動地裂縫水平方向土壤過氧化氫酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δn為采動地裂縫水平方向土壤脲酶活性相對于自然土壤的降幅，%;δl2為采動地裂縫垂直深度土壤磷酸酶活性相對于自然土壤的降幅，%。

經相關性檢驗，土壤有機質質量分數、銨態氮質量分數、有效磷質量分數、黏粒質量分數與蔗糖酶活性的相關系數依次為0.956，0.791，0.846，0.891，與過氧化氫酶活性的相關系數依次為0.919，0.824，0.876，0.860，與脲酶活性的相關系數依次為0.635，0.801，0.751，0.681，與磷酸酶活性的相關系數依次為0.951，0.773，0.874，0.845，均達到極顯著正相關水平(P<0.01);而土壤有效鉀、pH、含水率與土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性相關性均不顯著。該結果沒有發現土壤含水率、pH與土壤酶活性之間具有顯著的相關性，與前人結果不一致[12,19]，可能與本研究中的采動地裂縫產生時間短有關。由此可見，采動地裂縫周圍土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性的空間變化特征與土壤有機質、銨態氮、有效磷及黏粒質量分數存在高度的一致性。

4 討 論

采動地裂縫產生后，一方面使得裂縫處及附近土壤的孔隙特征發生改變，孔隙度顯著增大，為土壤空氣、水分等流體組分的遷移轉化提供了更多更大的空間，以致土壤的水、肥、氣、熱及機械組成等條件發生變化，進而引起土壤微生物的生理脅迫和酶活性的下降[20];另一方面，使得裂縫周圍土壤中植物根系的自然性狀嚴重受損，進而引起土壤微生物和酶的損害[21]。

土壤水分作為半干旱氣候條件下控制土壤微生物數量和活性的重要環境因子，對微生物的細胞結構以及吸收、代謝水分養分等生理功能都會產生重要影響[22]。采動地裂縫的發育使得土壤孔隙增多、增大，不僅降低了土壤的持水能力，增強了降水和地表徑流的入滲作用，而且擴大了土壤與空氣的接觸面積，加劇了土壤水分的蒸發[22-23]，最終導致土壤水分大量損失，已有研究表明采動地裂縫會造成土壤水分損失60%左右[23]。土壤水分產生的“雙向”大量流失會明顯提升土壤溶液的濃度，引發土壤微生物細胞與微生境間的水勢增高，使得微生物細胞膜的滲透壓增大，細胞內水分向微生境擴散，造成細胞因大量脫水而發生質壁分離，吸收、轉運、代謝養分的功能減弱，最終導致微生物活性下降甚至死亡。該效應對于喜濕環境的真菌和依賴土壤水移動的細菌則更加明顯[24]。這與本研究中采動地裂縫導致土壤真菌數量平均下降幅度最大、細菌次之的結果較為吻合。土壤微生物作為土壤酶的重要來源之一，其受損程度必然影響到對各類土壤酶的分泌功能，加之土壤水分減少對土壤酶活性的抑制作用[25]，2者共同導致土壤酶的數量逐漸降低。這與本研究中采動地裂縫周圍土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶都出現明顯減少的結果相一致。需要說明的是，本研究結果顯示采動地裂縫周圍土壤的含水率較對照組僅平均下降了6%，且與細菌、真菌、放線菌、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶活性的相關性均未達到顯著性水平，這可能與裂縫形成時間短，對土壤水分及土壤微生物、酶活性的損害效應尚未充分顯現有關。

土壤溫度作為影響微生物和酶的重要環境因子之一，對土壤微生物的存活、繁殖、呼吸狀態以及酶活性都具有顯著的控制作用。采動地裂縫的發育不僅提高了空氣、熱量向土壤的侵入強度，而且減弱了土壤熱傳導功能，以致熱量在局部土壤的異常聚集或消散，引起局部土壤溫度的“過高”或“過低”，這種現象在晝夜、季節溫差大的研究區則更加突出。土壤溫度的增高一般有利于土壤微生物的生長代謝和酶活性的提升，但在缺水的條件下反而對微生物、酶產生消極影響[26]?！斑^高”的土壤溫度會導致微生物細胞中蛋白質、核酸等發生不可逆的破壞，土壤酶發生鈍化甚至完全失活，進而造成土壤微生物死亡和土壤酶活性降低;“過低”的土壤溫度則會減弱微生物的呼吸作用，降低微生物氧化分解反應的速率，導致停止繁殖的現象[27]。因此，由于采動地裂縫發育導致的土層移動變形程度往往在裂縫處最大，越向兩側越小，以致因土壤孔隙度、水分變化而產生的溫度異常在裂縫處最為明顯，對土壤微生物和酶的負影響也最大。這可能是導致越靠近采動地裂縫，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤團聚體和黏粒質量分數對土壤微生物及酶也具有重要影響。土壤團聚體不僅為土壤微生物及酶提供生存活動的場所，而且還為土壤微生物的繁殖、代謝提供豐富的養分[28]。有研究表明，土壤中80%～90%的細菌和大量的真菌孢子都附著在土壤團聚體表面，土壤團聚體的結構越穩定，土壤酶的活性越高[29]。土壤黏粒不僅是土壤團聚體形成的關鍵成分，更會直接影響土壤微生物和酶。研究發現土壤微生物和酶集中存在于團聚狀的黏粒中[29-30]，且粒徑越小，微生物多樣性越大，酶活性越高[29]。采動地裂縫的發育造成土壤孔隙度增大、含水率下降，引起或加劇了水、氣侵蝕效應和土壤顆粒的聚沉效應，導致土壤黏粒質量分數明顯減少，破壞了土壤團聚體的穩定結構，促進了土壤團聚體的崩解。這不僅造成附著在土壤團聚體或黏粒表面的好氧兼厭氧類土壤微生物、各類土壤酶因失去生存場所和養分來源大量死亡，也使得土壤團聚體內部的厭氧類土壤微生物暴露于外部空氣中而活性銳減。

土壤有機質作為土壤微生物的重要能源和營養源[31]，對微生物的生存、繁殖、代謝都具有非常重要的作用。采動地裂縫的發育使得有機質在地表徑流作用下沿土壤孔隙和地裂縫向深層土壤遷移流失，同時孔隙度的增大還會提高有機質的氧化分解速率，導致有機質質量分數顯著降低[32]。本研究結果顯示采動地裂縫的出現使得周圍土壤有機質質量分數平均下降約34%。由于土壤中細菌、真菌的絕大部分菌屬都與碳循環密切相關，因此裂縫區土壤有機質的流失會導致微生物碳源缺少，土壤對微生物的能量和營養供應能力隨之下降，抑制了土壤微生物的生長繁殖，以致細菌、真菌的相對豐度降低[33]。與此同時，土壤有機質的減少也使得參與有機質轉化、分解的蔗糖酶、過氧化氫酶[20,34]的活性大大降低。此外，由于絕大部分土壤微生物是黏附在土壤有機質或礦物-有機物復合體表面，以單個微生物群落或生物膜的形式存在，因此土壤有機質的減少就意味著微生物生存載體的減少，從而導致土壤微生物酶分泌功能的下降，甚至加劇了土壤微生物的死亡。這可能是導致越靠近采動地裂縫，土壤有機質質量分數越低，土壤微生物及蔗糖酶、過氧化氫酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤氮、磷、鉀養分也顯著影響著土壤微生物數量及酶活性。銨態氮作為土壤微生物的另一重要營養源，對微生物的生存繁殖也產生顯著影響[35]。有效磷、有效鉀對于土壤細菌網絡的擴展和群落穩定性的提升具有重要意義[36]。采動地裂縫造成變多、增大的土壤孔隙為土壤養分的氧化和揮發提供了更多的通道，從而導致土壤氮、磷、鉀的大量淋失和流失[37]。本研究結果顯示采動地裂縫的發育使得周圍土壤銨態氮、有效磷、有效鉀質量分數分別平均下降約30%，20%和8%。由于絕大部分微生物均參與土壤的氮循環，因此裂縫區土壤氮素的流失造成微生物生長繁殖所需的氮源減少，從而導致土壤微生物的養分供給不足，抑制了土壤微生物的生長繁殖能力，使得微生物數量減少[38]。與此同時，土壤銨態氮的減少使得深度參與氮素轉化、循環的脲酶[39]的活性大大降低，有效磷質量分數的減少也使得與土壤磷素轉化密切相關的磷酸酶的活性降低[40]。這可能是導致越靠近采動地裂縫，土壤銨態氮、有效磷、有效鉀質量分數越低，土壤微生物及脲酶、磷酸酶活性下降幅度越大的原因之一。

土壤中的植物根系與微生物及酶具有非常密切的關系。一方面，植物根系通過與土壤微生物形成穩定的“根菌群落”，對土壤微生物和酶活性產生重要的影響。在植物根系分泌的糖、氨基酸、有機酸等有機物的趨化作用下，土壤中的細菌、真菌等微生物向根際土壤大量聚集、繁殖[41]。同時植物根系又是土壤酶的另一重要來源，通過根系分泌物向土壤中釋放各種土壤酶[42]。采動地裂縫使得裂縫處及附近土層發生開裂、錯位等嚴重的移動變形，造成植物水平根系的機械拉傷或拉斷，甚至會使部分根系裸露在外干枯死亡，以致植物根系的分泌功能大大降低甚至喪失，進而引起根際微生物生存繁殖必需的碳源、氮源等營養物質的短缺和群落結構的破壞[21]，最終導致根際微生物數量和活性降低。植物根系分泌功能的減弱疊加上根際微生物數量的降低，2者共同導致土壤酶活性的下降。另一方面，植物根系通過穿插等物理加固[43]和分泌根系物生化黏結[44]，形成更加穩定的“根-土復合體”，具有更好的抗侵蝕能力[45]。采動地裂縫對植物根系的損傷引起“根-土復合體”結構的破壞，不僅造成游離態氮、磷、鉀等養分的流失[45]，威脅到土壤微生物及酶的能源和養分供應，而且導致土壤黏粒質量分數的降低，減少了土壤微生物及酶的生存載體[28,30]，最終導致土壤微生物數量和酶活性的下降。由于裂縫處土層的移動變形程度往往最大，越向兩側越小，以致裂縫處植被根系及“根菌群落”、“根-土復合體”的破壞程度最為嚴重，對土壤微生物和酶的損害也最大。這可能是導致越靠近采動地裂縫，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。

綜上所述，越靠近采動地裂縫，土壤的物理特性、養分特性、植被質量越差，自我修復潛力越低，土壤微生物和酶活性受脅迫程度越大，其數量及活性越低。因此，在進行采動地裂縫發育區土壤精準修復時，對于靠近裂縫處的區域，建議采用微生物引種、土壤改良、施肥等人工修復措施，對于遠離裂縫處的區域，建議采用封育保護等自然恢復措施。

5 結 論

(1)陜北煤礦區采動地裂縫對周圍土壤微生物數量和酶活性負效應主要表現為水平差異特征，且隨著距采動地裂縫水平距離的增加而明顯減弱?；趯崪y數據和線性回歸模型，發現當距采動地裂縫的水平距離分別超過72，75，79，82，89，91，96 cm時，采動地裂縫對土壤磷酸酶、細菌、放線菌、蔗糖酶、過氧化氫酶、真菌、脲酶的負影響基本消失。因此，陜北煤礦區采動地裂縫對周圍土壤微生物的損害主要集中在水平距離1 m以內，其可作為陜北煤炭開采損害區土壤微生物精準修復的靶向區域。

(2)陜北煤礦區采動地裂縫周圍土壤微生物數量、酶活性在小空間尺度上的變化特征與土壤黏粒、有機質、銨態氮、有效磷質量分數都存在高度的一致性，相關系數分別超過0.8和0.6，均達到極顯著正相關水平(P<0.01)。土壤有機質質量分數也應作為陜北煤礦區采動地裂縫影響土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。

(3)在水平方向上，靠近采動地裂縫，越應采用微生物引種、土壤改良與施肥等人工修復方式進行精準修復，越遠離采動地裂縫，越應采用封育保護等自然恢復方式進行精準修復;在垂直方向上，建議根據實際情況采取“自然恢復為主、人工修復為輔”的方式開展土壤微生物精準修復。

致謝感謝西安科技大學畢銀麗教授給予論文的寶貴意見和重要指導！