我国“相对富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋决定了煤炭资源在我国一次能源格局中的主体地位，且在未来相当长的时期内不会发生根本性改变[1-2]。黄河流域作为著名的能源流域，其煤炭资源的经济可采量和生产量都高居全国首位[3]。目前我国规划建设的14个大型煤炭基地中有9个集中分布于黄河流域，是我国最重要的煤炭生产区[4]。据统计，2019年全国煤炭生产总量为38.5亿t，其中70%以上的产量来自黄河流域[5]。因此，黄河流域煤炭资源的高效绿色开采对保障国家能源安全和支撑黄河流域高质量发展都具有十分重要的意义。
陕北作为黄河流域中游重要的煤炭生产基地，在向全国输送优质煤炭的同时，也造成了区域脆弱生态环境的严重损害[6]。受陕北煤炭资源赋存和开采特征的影响，采动地裂缝成为该矿区最典型的采动损害类型，其生态环境的破坏效应最为显著[7]。土壤是地表生态环境系统的关键要素之一，不仅直接反映生态环境的质量，而且深刻影响着生态环境的稳定性[8-9]。因此，研究煤矿区采动地裂缝对土壤特性的影响规律逐渐成为研究热点。目前，国内外主要研究成果集中在采动地裂缝对以含水率、孔隙度为代表的土壤物理特性，以氮、磷、钾、有机质为代表的养分特性，以根际微生物、酶为代表的生物特性的影响规律[10]。张延旭等[11]认为采煤沉陷产生的地裂缝是土壤含水量的下降的主要原因，土壤含水率随采动地裂缝宽度的增加逐渐减小;许传阳等[12]发现采动地裂缝导致了土壤水分、氮的流失，距采动地裂缝距离越近，土壤含水量和有效氮质量分数越低;QUADROS等[13]研究发现采煤塌陷产生的采动地裂缝使得土壤孔隙度增加，在水蚀与风蚀作用下土壤发生酸化、有机质减小等，造成裂缝区土壤恶化;毕银丽等[14]研究了神东矿区裂缝经过的沙柳根际微生物数量和酶活性的时空演变特征。
然而，土壤微生物和土壤酶作为最敏感的土壤生物特性指标，不仅可以指示土壤肥力状况、生物化学活性及其动态变化特征，更重要的是对人为干扰响应灵敏，能在较短时间内反映出土壤质量的变化[15-16]，在一定程度上比静态的土壤理化指标更有实际意义[17]。但目前，综合考虑土壤理、化、生三大特性相互作用的采动地裂缝在小空间尺度上影响土壤微生物和土壤酶的相关研究还不充分。鉴于此，笔者以陕北煤矿区典型采动地裂缝周围土壤(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)为研究对象，细致剖析土壤微生物和酶活性的变化特征，结合土壤主要理化特性指标，精准解译采动地裂缝在小空间尺度上对土壤微生物和土壤酶的影响规律。不仅对丰富和深化煤矿区采动地裂缝对土壤质量影响规律的研究具有重要的科学价值，而且对陕北煤炭开采损害区的土壤微生物精准修复具有重要的实践意义。
1 研究区概况
研究区位于陕北煤矿区柠条塔井田，地理坐标为109.67°E～110.9°E，38.22°N～39.45°N，如图1所示。该区域气候类型为典型的中温带半干旱大陆性气候，四季冷热多变，昼夜温差悬殊，年均降雨量为194.7～531.6 mm，且主要集中在7—9月。研究区隶属黄土沟壑区，土壤类型以黄绵土为主，土壤偏碱性，机械组成粗，土壤贫瘠，缺氮少磷，有机质质量分数低，植被类型以沙蒿、沙柳灌丛为主，长芒草草丛次之。
图1 研究区位置示意
Fig.1 Schematic diagram of the location of the study area
柠条塔井田主采煤层为2-2煤层，煤层埋深2～247 m，采用长壁综合机械化开采方法，采厚2.5～4.0 m。高强度的地下开采使得该井田采动地裂缝显著发育。据最新调查结果，该井田采动地裂缝主要发育在沉陷区内部及回采巷道边界处，且多以宽0.2～0.4 m、长0～50 m、深0～1 m的几何形态出现，该类采动地裂缝约占调查总数的50%。
2 材料与方法
2.1 样品采集
以陕北柠条塔井田北翼单一煤层开采典型工作面范围作为采样区，中心坐标为110.188°E,39.088°N。采样区地貌属黄土丘陵沟壑类型，区内发育多个坡向为西南方向的黄土坡面，平均坡度22°，平均坡长50 m，坡形近似为均匀型，坡面植被类型以黑沙蒿+蒙古莸+长芒草草地植被群落为主，植被盖度约为43%。区内黄土坡面上发育多组弧形采动地裂缝，近似垂直于地下工作面推进方向(西南方向)展布，形成时间约为3个月，裂缝平均间距10 m。采动地裂缝的宽度由坡顶向坡脚逐渐变小，坡顶处裂缝宽度一般大于40 cm，坡脚处裂缝宽度一般小于 20 cm。
根据采样区实际情况，设计如下采样方案(图2):① 在坡面上随机选择宽度为20～40 cm、深度为20～30 cm的3条采动地裂缝作为采样目标;② 在每条裂缝上布设间距为10 m的5个采样断面，每个断面上沿裂缝法向方向布置水平距离为20，40，60 cm等3个采样点;每个采样点用土钻分层采集垂直深度为0～10，10～20，20～40，40～60 cm等4层土壤，并将每条采动地裂缝所有断面上相同水平距离和垂直深度的土壤混合后装入干净的聚乙烯采样袋，做好标记，立即放于便携冷藏箱内;③ 在采样工作面西北方向500 m以外的未开采区内选择坡度、坡长、坡形、坡向、植被盖度及群落类型相似的黄土坡面作为对照，随机布置3个采样点采集各层土壤，将相同垂直深度的土壤混合后装入干净的聚乙烯采样袋，做好标记，立即放于便携冷藏箱内;④ 采样工作历时1 d，于2019-06-30完成，当天天气晴，温度为16～26 ℃，共计采集土壤样品64个;⑤ 所有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数量及酶活性指标;另一半用于测定土壤主要理化指标。
图2 采样示意
Fig.2 Sampling diagram
2.2 测定方法
采用绝对定量PCR方法分析土壤DNA样品细菌、真菌和放线菌中的基因拷贝数，获得所测土壤样品中细菌、真菌、放线菌的数量。土壤酶活性采用酶标仪进行检测，蔗糖酶(又名转化酶)活性的测定采用3,5二硝基水杨酸比色法;过氧化氢酶的活性测定采用高锰酸钾滴定法;脲酶活性的测定采用苯酚钠比色法;磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法;土壤含水率采用烘干法;土壤孔隙度采用环刀法;土壤粒径采用激光衍射法;土壤pH采用电位测定法;土壤有机质采用燃烧氧化-非分散红外法;土壤有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;土壤有效钾采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度计法;土壤铵态氮采用KCL浸提-A33流动分析仪法测定。所有样品的各项指标均平行测定3次。
2.3 数据处理
采用 SPSS21.0和Excel对数据统计和分析，进行显著分析和相关性分析，显著性分析采用单因素方差分析，显著水平设为0.05，Pearson相关性系数检验沉陷区采动地裂缝周围土壤微生物数量和酶活性与土壤理化性质的相关性。
3 结果与讨论
3.1 测定结果
为了全面而细致的分析采动地裂缝对土壤微生物和酶活性的影响，除了测定3种微生物、4种酶活性以外，还测定了8项主要理化性质。土壤微生物、酶活性、理化性质测定结果见表1。
3.2 结果分析
3.2.1 采动地裂缝发育后土壤微生物的变化规律
根据表1，绘制了采动地裂缝周围不同水平距离及埋深的土壤微生物数量对比图，如图3所示。
由表1和图3可知，采动地裂缝的发育会显著降低周围土壤(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)中细菌、放线菌、真菌的数量，而且越靠近采动地裂缝，降幅越大。随着距采动地裂缝水平距离的增加，垂直深度60 cm以浅土壤中细菌、放线菌、真菌数量的平均降幅依次由36.68%，32.50%，41.22%(水平距离为20 cm)减小到10.21%，10.92%，17.45%(水平距离为60 cm)，前者分别是后者的3.59，2.98，2.36倍;随着垂直深度的增加，水平距离60 cm以内各层土壤中细菌、放线菌数量的平均降幅差异不大，均在20%～25%，真菌数量的平均降幅差异较大，由32.03%(垂直深度为0～10 cm)减小到21.54%(垂直深度为40～60 cm)，前者是后者的1.49倍。上述结果与王锐等[18]研究结果基本一致。由此可见，采动地裂缝对周围土壤中细菌、放线菌数量的负效应主要表现出水平差异特征，且随着水平距离的增加而明显减弱;采动地裂缝对土壤真菌数量的负效应则表现出水平、垂直双向差异特征，且随着水平距离、垂直深度的增加而明显减弱。基于线性回归模型，预测当水平距离分别超过75，79，91 cm时，采动地裂缝对周围土壤中细菌、放线菌、真菌数量的负效应基本消失(式(1)～(3));当垂直深度大于135 cm时，采动地裂缝不再对土壤真菌数量产生负影响(式(4))。
图3 采动地裂缝周围不同水平距离及土层深度的土壤微生物数量对比
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为采动地裂缝水平方向周围土壤细菌数量相对于自然土壤的降幅，%;δf为采动地裂缝水平方向周围土壤放线菌数量相对于自然土壤的降幅，%;δz1为采动地裂缝水平方向周围土壤真菌数量相对于自然土壤的降幅，%;δz2为采动地裂缝垂直深度周围土壤真菌数量相对于自然土壤的降幅，%;d为距采动地裂缝的水平距离，cm;h为距采动地裂缝的垂直深度，cm;R2为相关系数。
根据表1，采动地裂缝周围土壤(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)主要理化性质会发生恶化，对土壤微生物造成显著的负影响。随着距采动地裂缝水平距离的增加，垂直深度60 cm以浅土壤中铵态氮、有机质、有效磷、有效钾、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%(水平距离为20 cm)减小到24.31%，9.51%，12.61%，4.11%，4.93%，2.36%，1.98%，26.20%(水平距离为60 cm)，前者分别是后者的1.21，2.99，1.57，1.58，1.31，1.81，1.56，2.68倍;随着垂直深度的增加，水平距离60 cm以内各层土壤铵态氮、有机质、黏粒的平均降幅依次由29.66%，38.92%，10.17%(垂直深度为0～10 cm)减小到25.54%，9.62%，1.45%(垂直深度为40～60 cm)，前者分别是后者的1.16，4.04，7.01倍，有效磷、有效钾、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。上述结果与许传阳等[12]研究结果基本一致。经相关性检验，土壤有机质质量分数、铵态氮质量分数、有效磷质量分数、黏粒质量分数与细菌数量的相关系数依次为0.933，0.819，0.881，0.876，与放线菌数量的相关系数依次为0.964，0.836，0.819，0.891，与真菌数量的相关系数依次为0.940，0.914，0.824，0.852，均达到极显著正相关水平(P<0.01);而土壤有效钾、pH、含水率与土壤真菌、细菌、放线菌数量相关性均不显著。该结果中土壤含水率、pH与微生物数量的相关性与前人结果不一致[12,19]，可能是本研究中的采动地裂缝因产生时间短使得土壤水分、酸碱度变化不大所致。由此可见，采动地裂缝周围土壤中真菌、细菌、放线菌数量空间变化特征与土壤有机质、铵态氮、有效磷及黏粒质量分数存在高度的一致性。
表1 采动地裂缝周围土壤微生物数量、土壤酶活性及主要理化指标检测结果
Table 1 Test results of the number of soil microorganisms, soil enzyme activities and main physical and chemical indicators
around mining ground fissures
水平距离/cm采样深度/cm细菌数量放线菌数量真菌数量蔗糖酶活性过氧化氢酶活性脲酶活性磷酸酶活性0～103.75±0.51a7.75±1.56a1.91±0.36a2.95±0.50a2.15±0.56a0.31±0.08a0.83±0.16a2010～202.18±0.42b4.98±0.89b1.33±0.29ab1.11±0.39b2.07±0.39a0.19±0.05b0.67±0.09b20～401.46±0.31bc3.75±0.64b1.19±0.14b0.86±0.24bc1.95±0.24a0.16±0.04b0.57±0.04b40～601.03±0.25c2.57±0.58b0.93±0.18b0.25±0.10c1.90±0.28a0.13±0.02b0.45±0.08c0～104.38±0.39a9.33±1.39a2.13±0.29a3.16±0.59a2.31±0.39a0.36±0.09a1.17±0.09a4010～202.92±0.27b5.46±0.77b1.87±0.17ab1.52±0.47b2.29±0.17a0.27±0.07ab0.93±0.07b20～401.89±0.16c4.08±0.76b1.60±0.16bc0.98±0.26bc2.19±0.16a0.21±0.03b0.72±0.10c40～601.75±0.15c3.45±0.61b1.25±0.14c0.38±0.11c2.16±0.11a0.15±0.01b0.54±0.06d0～104.97±0.42a10.48±1.49a2.71±0.22a3.76±0.49a2.39±0.49a0.42±0.05a1.58±0.21a6010～203.01±0.36b6.88±0.86b2.08±0.16b2.52±0.36b2.30±0.36a0.26±0.06b1.17±0.16b20～402.01±0.33c4.56±0.73c1.53±0.13c1.05±0.23c2.23±0.33a0.23±0.03b0.94±0.09b40～601.82±0.24c3.47±0.54c1.28±0.14c0.42±0.14c2.15±0.24a0.19±0.04b0.61±0.09c0～105.10±0.25a11.27±1.25a3.31±0.25a4.27±0.55a2.59±0.25a0.56±0.05a1.88±0.25a对照组10～203.83±0.38b8.11±0.86b2.55±0.16b2.95±0.36b2.49±0.16a0.35±0.06b1.30±0.16b20～402.75±0.38c5.17±0.44c1.92±0.14c1.16±0.24c2.44±0.14a0.28±0.04bc1.01±0.06b40～602.19±0.37c3.82±0.37c1.47±0.17d0.46±0.17d2.41±0.17a0.23±0.03c0.66±0.07c水平距离/cm采样深度/cm有机质质量分数铵态氮质量分数有效磷质量分数有效钾质量分数pH含水率/%黏粒质量分数/%孔隙度/%0～101.61±0.17a3.26±0.06a0.29±0.01a121.99±2.63ab8.98±0.11a8.60±0.08b9.97±0.39a56.23±5.89a2010～201.52±0.04a2.99±0.12a0.24±0.01b99.65±0.53c8.90±0.34a8.68±0.16b9.52±0.38a—20～401.19±0.05b2.52±0.22b0.21±0.01c113.76±10.93bc8.87±0.22a9.80±0.51a9.39±0.33a—40～600.76±0.03c2.14±0.06c0.18±0.01d136.11±9.78a8.89±0.42a10.76±0.97a7.83±0.18b—0～102.51±0.03a3.41±0.12a0.30±0.01a127.19±6.24a9.05±0.50a8.70±0.19c10.07±0.39a49.26±3.78b4010～201.83±0.12b3.14±0.11b0.26±0.01b98.50±1.79b9.01±0.38a9.04±0.20c9.78±0.11a—20～401.20±0.07c2.64±0.16c0.23±0.01c117.76±14.20ab8.95±0.71a9.77±0.31b8.28±0.70b—40～600.78±0.02d2.24±0.04d0.20±0.01d135.42±18.53a8.90±0.68a10.70±0.37a7.98±0.69b—0～103.16±0.01a3.61±0.10a0.30±0.01a125.63±4.28a9.12±0.12a8.75±0.08d10.23±0.17a41.67±4.34c6010～202.19±0.15b3.31±0.08b0.26±0.01b99.61±6.16b9.04±0.27ab9.06±0.25c9.95±0.34b—20～401.21±0.06c2.66±0.08c0.23±0.01c121.22±15.08a8.99±0.36ab9.84±0.06b8.97±0.41b—40～600.78±0.04d2.29±0.04d0.21±0.01d136.32±6.76a8.92±0.26b10.92±0.12a8.24±0.78b—0～103.45±0.06a5.52±0.08a0.31±0.01a142.90±2.57a9.35±0.66a8.99±0.18d11.21±0.57a33.02±3.01d对照组10～202.48±0.04b5.18±0.12b0.30±0.01b108.03±3.16b9.28±0.57ab9.23±0.17c9.85±0.47b—20～401.34±0.05c3.19±0.07c0.28±0.01c114.43±4.83a9.15±0.44b9.98±0.11b9.36±0.51b—40～600.85±0.03d2.46±0.04d0.25±0.01d139.81±5.89a9.02±0.58c11.32±0.22a8.84±0.71b—
注:同一指标同列数据后不同字母表示在 0.05 的水平上差异显著。细菌、放线菌、真菌数量单位为104 cfu/g;蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性单位为mg/(g·24 h);有机质质量分数、有效钾质量分数、有效磷质量分数单位为mg/kg;铵态氮质量分数单位为g/kg。
3.2.2 采动地裂缝发育后土壤酶活性的变化规律
根据表1数据，绘制了不同水平距离、不同埋深土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性对比图，如图4所示。
图4 采动地裂缝周围不同水平距离及土层深度的土壤酶活性对比
Fig.4 Comparison of soil enzyme activities at different horizontal distances and soil depths around mining ground fissures
由表1和图4可知，采动地裂缝的发育会显著降低周围土壤(水平距离60 cm以内、垂直深度60 cm以浅)中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性，而且越靠近采动地裂缝，降幅越大。随着距采动地裂缝水平距离的增加，垂直深度60 cm以浅土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅依次由41.20%，18.78%，44.17%，44.92%(水平距离为20 cm)减小到14.90%，8.69%，21.49%，10.12%(水平距离为60 cm)，前者分别是后者的2.76，2.16，2.05，4.44倍;随着垂直深度的增加，水平距离60 cm以内土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性的平均降幅差异不大，均在12%～30%(10～20 cm土层蔗糖酶活性除外)，磷酸酶活性的平均降幅由36.53%(垂直深度为0～10 cm)减小到19.19%(垂直深度为40～60 cm)，前者是后者的1.90倍。上述结果与杜涛等、王锐等[14,18]研究结果基本一致。由此可见，采动地裂缝对周围土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶活性的负效应主要表现出水平差异特征，且随着水平距离的增加而明显减弱;采动地裂缝对土壤磷酸酶活性的负效应表现出水平、垂直双向差异特征，且随着水平距离、垂直深度的增加而明显减弱。基于线性回归模型，预测当水平距离分别超过72，82，89，96 cm时，采动地裂缝对周围土壤中磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶活性的负效应基本消失(式(5)～(8));当垂直深度大于103 cm时，采动地裂缝不再对土壤磷酸酶活性产生负影响(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为采动地裂缝水平方向土壤磷酸酶活性相对于自然土壤的降幅，%;δz为采动地裂缝水平方向土壤蔗糖酶活性相对于自然土壤的降幅，%;δg为采动地裂缝水平方向土壤过氧化氢酶活性相对于自然土壤的降幅，%;δn为采动地裂缝水平方向土壤脲酶活性相对于自然土壤的降幅，%;δl2为采动地裂缝垂直深度土壤磷酸酶活性相对于自然土壤的降幅，%。
经相关性检验，土壤有机质质量分数、铵态氮质量分数、有效磷质量分数、黏粒质量分数与蔗糖酶活性的相关系数依次为0.956，0.791，0.846，0.891，与过氧化氢酶活性的相关系数依次为0.919，0.824，0.876，0.860，与脲酶活性的相关系数依次为0.635，0.801，0.751，0.681，与磷酸酶活性的相关系数依次为0.951，0.773，0.874，0.845，均达到极显著正相关水平(P<0.01);而土壤有效钾、pH、含水率与土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性相关性均不显著。该结果没有发现土壤含水率、pH与土壤酶活性之间具有显著的相关性，与前人结果不一致[12,19]，可能与本研究中的采动地裂缝产生时间短有关。由此可见，采动地裂缝周围土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性的空间变化特征与土壤有机质、铵态氮、有效磷及黏粒质量分数存在高度的一致性。
4 讨 论
采动地裂缝产生后，一方面使得裂缝处及附近土壤的孔隙特征发生改变，孔隙度显著增大，为土壤空气、水分等流体组分的迁移转化提供了更多更大的空间，以致土壤的水、肥、气、热及机械组成等条件发生变化，进而引起土壤微生物的生理胁迫和酶活性的下降[20];另一方面，使得裂缝周围土壤中植物根系的自然性状严重受损，进而引起土壤微生物和酶的损害[21]。
土壤水分作为半干旱气候条件下控制土壤微生物数量和活性的重要环境因子，对微生物的细胞结构以及吸收、代谢水分养分等生理功能都会产生重要影响[22]。采动地裂缝的发育使得土壤孔隙增多、增大，不仅降低了土壤的持水能力，增强了降水和地表径流的入渗作用，而且扩大了土壤与空气的接触面积，加剧了土壤水分的蒸发[22-23]，最终导致土壤水分大量损失，已有研究表明采动地裂缝会造成土壤水分损失60%左右[23]。土壤水分产生的“双向”大量流失会明显提升土壤溶液的浓度，引发土壤微生物细胞与微生境间的水势增高，使得微生物细胞膜的渗透压增大，细胞内水分向微生境扩散，造成细胞因大量脱水而发生质壁分离，吸收、转运、代谢养分的功能减弱，最终导致微生物活性下降甚至死亡。该效应对于喜湿环境的真菌和依赖土壤水移动的细菌则更加明显[24]。这与本研究中采动地裂缝导致土壤真菌数量平均下降幅度最大、细菌次之的结果较为吻合。土壤微生物作为土壤酶的重要来源之一，其受损程度必然影响到对各类土壤酶的分泌功能，加之土壤水分减少对土壤酶活性的抑制作用[25]，2者共同导致土壤酶的数量逐渐降低。这与本研究中采动地裂缝周围土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶都出现明显减少的结果相一致。需要说明的是，本研究结果显示采动地裂缝周围土壤的含水率较对照组仅平均下降了6%，且与细菌、真菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性的相关性均未达到显著性水平，这可能与裂缝形成时间短，对土壤水分及土壤微生物、酶活性的损害效应尚未充分显现有关。
土壤温度作为影响微生物和酶的重要环境因子之一，对土壤微生物的存活、繁殖、呼吸状态以及酶活性都具有显著的控制作用。采动地裂缝的发育不仅提高了空气、热量向土壤的侵入强度，而且减弱了土壤热传导功能，以致热量在局部土壤的异常聚集或消散，引起局部土壤温度的“过高”或“过低”，这种现象在昼夜、季节温差大的研究区则更加突出。土壤温度的增高一般有利于土壤微生物的生长代谢和酶活性的提升，但在缺水的条件下反而对微生物、酶产生消极影响[26]。“过高”的土壤温度会导致微生物细胞中蛋白质、核酸等发生不可逆的破坏，土壤酶发生钝化甚至完全失活，进而造成土壤微生物死亡和土壤酶活性降低;“过低”的土壤温度则会减弱微生物的呼吸作用，降低微生物氧化分解反应的速率，导致停止繁殖的现象[27]。因此，由于采动地裂缝发育导致的土层移动变形程度往往在裂缝处最大，越向两侧越小，以致因土壤孔隙度、水分变化而产生的温度异常在裂缝处最为明显，对土壤微生物和酶的负影响也最大。这可能是导致越靠近采动地裂缝，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。
土壤团聚体和黏粒质量分数对土壤微生物及酶也具有重要影响。土壤团聚体不仅为土壤微生物及酶提供生存活动的场所，而且还为土壤微生物的繁殖、代谢提供丰富的养分[28]。有研究表明，土壤中80%～90%的细菌和大量的真菌孢子都附着在土壤团聚体表面，土壤团聚体的结构越稳定，土壤酶的活性越高[29]。土壤黏粒不仅是土壤团聚体形成的关键成分，更会直接影响土壤微生物和酶。研究发现土壤微生物和酶集中存在于团聚状的黏粒中[29-30]，且粒径越小，微生物多样性越大，酶活性越高[29]。采动地裂缝的发育造成土壤孔隙度增大、含水率下降，引起或加剧了水、气侵蚀效应和土壤颗粒的聚沉效应，导致土壤黏粒质量分数明显减少，破坏了土壤团聚体的稳定结构，促进了土壤团聚体的崩解。这不仅造成附着在土壤团聚体或黏粒表面的好氧兼厌氧类土壤微生物、各类土壤酶因失去生存场所和养分来源大量死亡，也使得土壤团聚体内部的厌氧类土壤微生物暴露于外部空气中而活性锐减。
土壤有机质作为土壤微生物的重要能源和营养源[31]，对微生物的生存、繁殖、代谢都具有非常重要的作用。采动地裂缝的发育使得有机质在地表径流作用下沿土壤孔隙和地裂缝向深层土壤迁移流失，同时孔隙度的增大还会提高有机质的氧化分解速率，导致有机质质量分数显著降低[32]。本研究结果显示采动地裂缝的出现使得周围土壤有机质质量分数平均下降约34%。由于土壤中细菌、真菌的绝大部分菌属都与碳循环密切相关，因此裂缝区土壤有机质的流失会导致微生物碳源缺少，土壤对微生物的能量和营养供应能力随之下降，抑制了土壤微生物的生长繁殖，以致细菌、真菌的相对丰度降低[33]。与此同时，土壤有机质的减少也使得参与有机质转化、分解的蔗糖酶、过氧化氢酶[20,34]的活性大大降低。此外，由于绝大部分土壤微生物是黏附在土壤有机质或矿物-有机物复合体表面，以单个微生物群落或生物膜的形式存在，因此土壤有机质的减少就意味着微生物生存载体的减少，从而导致土壤微生物酶分泌功能的下降，甚至加剧了土壤微生物的死亡。这可能是导致越靠近采动地裂缝，土壤有机质质量分数越低，土壤微生物及蔗糖酶、过氧化氢酶活性下降幅度越大的原因之一。
土壤氮、磷、钾养分也显著影响着土壤微生物数量及酶活性。铵态氮作为土壤微生物的另一重要营养源，对微生物的生存繁殖也产生显著影响[35]。有效磷、有效钾对于土壤细菌网络的扩展和群落稳定性的提升具有重要意义[36]。采动地裂缝造成变多、增大的土壤孔隙为土壤养分的氧化和挥发提供了更多的通道，从而导致土壤氮、磷、钾的大量淋失和流失[37]。本研究结果显示采动地裂缝的发育使得周围土壤铵态氮、有效磷、有效钾质量分数分别平均下降约30%，20%和8%。由于绝大部分微生物均参与土壤的氮循环，因此裂缝区土壤氮素的流失造成微生物生长繁殖所需的氮源减少，从而导致土壤微生物的养分供给不足，抑制了土壤微生物的生长繁殖能力，使得微生物数量减少[38]。与此同时，土壤铵态氮的减少使得深度参与氮素转化、循环的脲酶[39]的活性大大降低，有效磷质量分数的减少也使得与土壤磷素转化密切相关的磷酸酶的活性降低[40]。这可能是导致越靠近采动地裂缝，土壤铵态氮、有效磷、有效钾质量分数越低，土壤微生物及脲酶、磷酸酶活性下降幅度越大的原因之一。
土壤中的植物根系与微生物及酶具有非常密切的关系。一方面，植物根系通过与土壤微生物形成稳定的“根菌群落”，对土壤微生物和酶活性产生重要的影响。在植物根系分泌的糖、氨基酸、有机酸等有机物的趋化作用下，土壤中的细菌、真菌等微生物向根际土壤大量聚集、繁殖[41]。同时植物根系又是土壤酶的另一重要来源，通过根系分泌物向土壤中释放各种土壤酶[42]。采动地裂缝使得裂缝处及附近土层发生开裂、错位等严重的移动变形，造成植物水平根系的机械拉伤或拉断，甚至会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丧失，进而引起根际微生物生存繁殖必需的碳源、氮源等营养物质的短缺和群落结构的破坏[21]，最终导致根际微生物数量和活性降低。植物根系分泌功能的减弱叠加上根际微生物数量的降低，2者共同导致土壤酶活性的下降。另一方面，植物根系通过穿插等物理加固[43]和分泌根系物生化黏结[44]，形成更加稳定的“根-土复合体”，具有更好的抗侵蚀能力[45]。采动地裂缝对植物根系的损伤引起“根-土复合体”结构的破坏，不仅造成游离态氮、磷、钾等养分的流失[45]，威胁到土壤微生物及酶的能源和养分供应，而且导致土壤黏粒质量分数的降低，减少了土壤微生物及酶的生存载体[28,30]，最终导致土壤微生物数量和酶活性的下降。由于裂缝处土层的移动变形程度往往最大，越向两侧越小，以致裂缝处植被根系及“根菌群落”、“根-土复合体”的破坏程度最为严重，对土壤微生物和酶的损害也最大。这可能是导致越靠近采动地裂缝，土壤微生物和酶活性下降幅度越大的原因之一。
综上所述，越靠近采动地裂缝，土壤的物理特性、养分特性、植被质量越差，自我修复潜力越低，土壤微生物和酶活性受胁迫程度越大，其数量及活性越低。因此，在进行采动地裂缝发育区土壤精准修复时，对于靠近裂缝处的区域，建议采用微生物引种、土壤改良、施肥等人工修复措施，对于远离裂缝处的区域，建议采用封育保护等自然恢复措施。
5 结 论
(1)陕北煤矿区采动地裂缝对周围土壤微生物数量和酶活性负效应主要表现为水平差异特征，且随着距采动地裂缝水平距离的增加而明显减弱。基于实测数据和线性回归模型，发现当距采动地裂缝的水平距离分别超过72，75，79，82，89，91，96 cm时，采动地裂缝对土壤磷酸酶、细菌、放线菌、蔗糖酶、过氧化氢酶、真菌、脲酶的负影响基本消失。因此，陕北煤矿区采动地裂缝对周围土壤微生物的损害主要集中在水平距离1 m以内，其可作为陕北煤炭开采损害区土壤微生物精准修复的靶向区域。
(2)陕北煤矿区采动地裂缝周围土壤微生物数量、酶活性在小空间尺度上的变化特征与土壤黏粒、有机质、铵态氮、有效磷质量分数都存在高度的一致性，相关系数分别超过0.8和0.6，均达到极显著正相关水平(P<0.01)。土壤有机质质量分数也应作为陕北煤矿区采动地裂缝影响土壤微生物和酶活性的重要指示性因素。
(3)在水平方向上，靠近采动地裂缝，越应采用微生物引种、土壤改良与施肥等人工修复方式进行精准修复，越远离采动地裂缝，越应采用封育保护等自然恢复方式进行精准修复;在垂直方向上，建议根据实际情况采取“自然恢复为主、人工修复为辅”的方式开展土壤微生物精准修复。
致谢 感谢西安科技大学毕银丽教授给予论文的宝贵意见和重要指导！
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