本文以我国华东地区采煤沉陷区复垦场地为研究对象,通过收集资料、场地调查和室内分析相结合的方法系统分析了:煤矸石充填复垦土壤生物学特性时空变化特征;煤矸石、粉煤灰及湖泊底泥三种物料对充填复垦土壤生物学特性的影响;通过相关性分析揭示充填复垦场地土壤生物学指标与土壤物理、化学、重金属含量之间的关系;利用激发效应机理,提出了加入小分子碳源、氮源改善充填复垦土壤生物学指标的措施。主要研究结论如下:(1)采煤沉陷区煤矸石充填复垦场地0-20cm和20-40cm土层土壤微生物数量、微生物量碳含量、微生物量氮含量、微生物熵、土壤基础呼吸速率、β-葡萄糖苷酶活性、过氧化氢酶活性、酸性磷酸酶活性、脲酶活性、蔗糖酶活性和芳基硫酸酯酶活性等生物学指标在复垦后呈增加趋势,土壤微生物代谢熵呈降低趋势。(2)分别采用全量数据集法和最小数据集法对煤矸石充填复垦土壤综合质量指数(SQI)进行评价,回归分析表明充填复垦土壤SQI值随复垦时间呈增加趋势,充填复垦土壤质量演替方向为正向演替;最小数据集法能代替全量数据集法对复垦土壤质量进行评价。(3)湖泊底泥充填复垦土壤生物学指标值高于煤矸石复垦场地和粉煤灰复垦场地土壤。湖泊底泥充填复垦土壤微生物数量、微生物量碳含量、微生物量氮含量、土壤基础呼吸速率、微生物代谢熵、β-葡萄糖苷酶活性、酸性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性等指标超过对照场地土壤,分别高出对照场地土壤4%、11.5%、43.1%、1.2%、39.8%、5.2%、9.9%、3.7%和8.7%。(4)基于全量数据集法和最小数据集法对煤矸石、粉煤灰与湖泊底泥充填复垦土壤质量综合指数进行评价,结果表明基于两种计算方法的SQI变化趋势一致。复垦土壤SQI从高到低依次是湖泊底泥复垦土壤、煤矸石复垦土壤与粉煤灰复垦土壤,两种方法评价结果差异较小,通过最小数据集法计算的SQI结果能表征复垦土壤质量情况。(5)煤矸石/粉煤灰抑制生长期内冬小麦的根长、根生物量、根系活力等指标。与对照土壤相比,煤矸石与粉煤灰降低了拔生长期内冬小麦根系分泌物产生速率Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。相关性分析表明冬小麦根系分泌物产生速率与根系活力成正相关。复垦土壤中煤矸石与粉煤灰对土壤氮素转化速率、多酚氧化酶活性、脲酶活性有抑制作用。相关性分析表明,复垦土壤氮素转化效率、土壤酶活性与冬小麦根系分泌物产生速率成正相关。(6)小分子碳源和氮源能通过激发效应提高复垦土壤生物学指标。与对照土壤相比,高浓度碳源(10 mg·g-1)提高土壤微生物量碳含量276.7%(7天)和184.4%(30天)、微生物量氮量129.8%(7天)和148.9%(30天)、β-葡萄糖苷酶活性89.1%(7天)和102.9%(30天)、酸性磷酸酶活性164.4%(7天)和130.3%(30天)、芳基硫酸酯酶活性541.1%(7天)和317.6%(30天)。高碳低氮组(10 mg·g-1葡萄糖和1mg·g-1硝酸铵)的对土壤生物学特性的激发作用也非常明显。复垦场地土壤中可利用碳源含量是影响复垦土壤生物学指标的限制性因子,碳源加入能迅速激活土壤生物学活性。相对于单一碳源或氮源的加入,调整复垦场地土壤碳氮比例要比单纯施肥更有利于复垦土壤生物学功能的恢复。