何 冰 ,李廷亮 ,2,栗 麗 ,李 順 ,張 杰 ,逯家豪
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,山西 太谷030801;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,山西太谷030801)
隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,煤炭資源被大規(guī)模開 采,造成地表塌陷,土壤結(jié)構(gòu)破壞,引發(fā)了煤礦區(qū)土地生態(tài)環(huán)境惡化、土壤肥力下降以及耕地面積大量減少等一系列問題?;謴?fù)采煤塌陷區(qū)土地生產(chǎn)力,提高復(fù)墾土壤肥力,改善礦區(qū)土壤狀況,是當(dāng)前采煤塌陷區(qū)急需解決的問題[1-2]。
土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分,是土壤水肥氣熱的儲存空間,土壤結(jié)構(gòu)又影響著土壤的理化性質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)的分布和團(tuán)聚體分布,在礦區(qū)土地復(fù)墾中起到了至關(guān)重要的作用。肥料的長期施用會改變土壤系統(tǒng)中物質(zhì)的循環(huán),增強(qiáng)土壤碳、氮養(yǎng)分的供應(yīng),對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[3]。而有機(jī)碳是土壤肥力的重要組成部分,其含量反映的是土壤肥力的高低。土壤有機(jī)碳和全氮與土壤團(tuán)聚體不可分割,表土中近90%的土壤有機(jī)碳、氮存在于團(tuán)聚體中,而水穩(wěn)性團(tuán)聚體可以保護(hù)有機(jī)碳、氮,同時有機(jī)碳、氮的固定也影響著團(tuán)聚體的形成和轉(zhuǎn)化[4-7]。劉恩科等[8]在褐潮土上的研究表明,長期施肥對0.25~2 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的促進(jìn)作用最明顯。陳惟財(cái)?shù)萚9]關(guān)于紅壤性水稻土的研究發(fā)現(xiàn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體在耕作層以>5 mm粒徑含量最高,在犁底層以<0.25 mm粒徑含量最高。而韓新生等[10]通過測定發(fā)現(xiàn)表層土壤中水穩(wěn)性小團(tuán)聚體的含量所占比例最高,史奕等[11]在對黑土的研究中也認(rèn)為<1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體在施加化肥的影響下變化含量最高??梢姡┓试谝欢ǔ潭壬嫌绊懰€(wěn)性團(tuán)聚體含量及其有機(jī)碳、氮的含量,但土壤類型、理化性質(zhì)、肥料品種等對不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響也有所不同。綜合來看,施肥特別是施用有機(jī)肥有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其有機(jī)碳、氮含量的增加,但不同土壤條件下影響的程度有明顯差異[12-13]。
目前,關(guān)于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的研究大多側(cè)重于設(shè)施農(nóng)業(yè)、基本農(nóng)田土壤的研究,尤其是不同的土地利用方式、耕作措施下團(tuán)聚體特征的探討[14-15]。而山西采煤塌陷區(qū)覆蓋面積大,礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體水平低,土壤貧瘠,肥力較差,對該區(qū)域土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體水平的研究較少,尤其就不同培肥措施下復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布以及有機(jī)碳、氮含量的研究較為缺乏。
本文采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤為研究對象,研究了5種培肥措施對不同復(fù)墾年限(4年,8年)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及團(tuán)聚體碳、氮分布的影響,以期為采煤塌陷區(qū)土地恢復(fù)及肥力提升等工作提供理論參考。
試驗(yàn)基地位于山西省襄垣縣洛江溝采煤塌陷區(qū)(36°28'11.95″N,113°00'52.57″E),山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院于2007年與該基地簽訂設(shè)立,自2009年起,采用就地平整法復(fù)墾,主要種植玉米。該試驗(yàn)區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫8~9℃,年降水量532.8 mm,無霜期平均160 d。
本研究以基地復(fù)墾4年和8年(分別于2013年和2009年開始培肥熟化復(fù)墾)土壤為研究對象,研究采煤塌陷地復(fù)墾土壤在不同培肥措施下水穩(wěn)性團(tuán)聚體以及碳氮含量分布的變化規(guī)律。
試驗(yàn)設(shè)置5個培肥處理:(1)不施肥(CK);(2)單施化肥(CF);(3)單施有機(jī)肥(M);(4)有機(jī)肥+化肥(MCF);(5)生物有機(jī)肥+化肥(MCFB)。每個處理重復(fù)3次,另取未復(fù)墾生土(RS)和周邊未破壞多年種植熟土(US)作為培肥效果參照。除不施肥對照外,其余各處理均按等養(yǎng)分供應(yīng)量原則進(jìn)行設(shè)計(jì),具體見表1。試驗(yàn)供試有機(jī)肥為雞糞,含有機(jī)質(zhì):25.8%,N∶1.68%,P2O5∶2.46%,K2O∶1.35%;供試菌肥是將拉恩式菌、假單胞菌1、假單胞菌2制成混合磷細(xì)菌菌液后,與腐熟的雞糞以1∶9的比例混合均勻,制備成磷細(xì)菌肥,其活菌數(shù)≥0.5×108CFU·g-1。
表1 不同施肥處理的施肥量 (kg·hm-2)
1.3.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定 濕篩法[13],稱取干篩后各粒級團(tuán)粒體土壤樣品50 g,均勻放在孔徑分別為 2,1,0.5,0.25,0.053 mm 按順序組成的對應(yīng)粒徑套篩之上,將套篩放入水穩(wěn)性團(tuán)粒分析儀,加入蒸餾水至淹沒土樣(在整個套篩處于最上端時,最頂層篩的土樣保持被水淹沒),以35次·min-1上下震動30 min,將各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體少量多次洗入已知重量的干燥鋁盒中,在60℃下鼓風(fēng)烘干箱中烘干12 h,稱質(zhì)量,測定各級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。
1.3.2 土壤總有機(jī)碳、氮的測定 采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測定各粒級土壤中的有機(jī)質(zhì)含量和半微量開氏法測定土壤全氮含量[16]。
1.3.3 土壤碳氮儲量的計(jì)算 (1)各粒級團(tuán)聚體碳(氮)儲量比例
(2)各處理團(tuán)聚體總碳(氮)儲量
式中,Pi為第i級團(tuán)聚體碳(氮)儲量百分比(%);Qi為各粒級團(tuán)聚體總碳(氮)儲量(g·hm-2),Ci為第 i級團(tuán)聚體碳(氮)含量(g·kg-1);Wi為第 i級團(tuán)聚體重量百分?jǐn)?shù)(%);Z為單位面積耕層土壤重量(kg·hm-2)
所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過使用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算和整理,所有的測定結(jié)果均以三次平行測定結(jié)果的平均值來表示,使用SPSS19.0軟件檢驗(yàn)各處理間差異顯著性(P<0.05)。
由表2可知,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在復(fù)墾4年CF處理和復(fù)墾8年MCF處理表現(xiàn)為按如下粒徑順序依次減小:1~2 mm,>2 mm,0.5~1 mm,0.25~0.5 mm,0.053~0.25 mm,其他各處理均表現(xiàn)為隨粒徑的減小逐漸增加;各處理均以0.053~0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量最高,占團(tuán)聚體總量的35%(US)~50%(RS)。同一復(fù)墾年限不同施肥處理之間水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量無明顯變化規(guī)律;與未復(fù)墾生土相比較,除4年MCFB處理在1~2 mm有所降低外,其余各施肥處理均明顯提高了>2 mm、1~2 mm、0.5~1 mm 粒徑含量;與周邊農(nóng)田熟土相比較,主要降低了0.5~1 mm,除復(fù)墾8年CK以外的1~2 mm,以及除復(fù)墾8年MCFB處理以外的0.25~0.5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。與復(fù)墾4年相比,復(fù)墾 8年 MCF、MCFB處理分別在>2 mm,0.25~0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著增加了69%和15%,M和MCF處理在微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm)分別顯著減少了22%和14%,其他各有機(jī)肥處理在>2 mm,1~2 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量亦有不同程度的增加,但差異均不顯著??傮w來看,不同施肥處理下復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布均以0.053~0.25 mm最高,在有機(jī)肥參與下隨復(fù)墾年限增加,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體整體表現(xiàn)為微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm)減少,大團(tuán)聚體(>2 mm,1~2 mm)增加的趨勢。
表2 不同培肥處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量 (kg·hm-2)
由表3可知,各處理在不同復(fù)墾年限各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均明顯高于未復(fù)墾生土,但低于未破壞多年種植的熟土。復(fù)墾4年和復(fù)墾8年,有機(jī)碳含量在>2 mm,1~2 mm,0.5~1 mm 和0.25~0.5 mm粒徑均以M處理最高,除復(fù)墾8年0.25~0.5 mm粒徑外均顯著高于CK,在0.053~0.25 mm粒徑均以MCF處理最高,顯著高于CK。與復(fù)墾4年相比較,復(fù)墾8年M處理有機(jī)碳含量在>2 mm、1~2 mm、0.5~1 mm 粒徑均有所下降,其中在前兩個粒徑分別降低了13%和24%,差異顯著;CF、MCFB和CK處理均有所增加,其中CF和CK處理在>2 mm粒徑分別增加了19%和20%,CF和MCFB處理在1~2 mm分別增加了31%和18%,CF處理在0.5~1 mm粒徑增加了23%,差異均達(dá)顯著水平;MCF處理表現(xiàn)為>2mm和0.5~1mm粒徑下降而1~2mm粒徑增加,但增幅和降幅均未達(dá)顯著水平;在0.25~0.5 mm和0.053~0.25 mm兩個粒徑各處理在不同復(fù)墾年限之間有機(jī)碳含量差異均不顯著。綜合而言,各培肥處理均提高了水穩(wěn)性有機(jī)碳含量,尤其是大粒徑團(tuán)聚體(>2mm,1~2mm和0.5~1 mm),其中 M、MCF、MCFB 處理復(fù)墾土壤大粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm),以M處理效果最好,其土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK分別增加了5%~94%。
表3 不同培肥處理下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量 (kg·hm-2)
由表4可知,各處理在不同復(fù)墾年限各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳總儲量均明顯高于未復(fù)墾生土,但低于未破壞多年種植的熟土。復(fù)墾4年,有機(jī)碳總儲量表現(xiàn)為 M>MCF>CF>MCFB>CK,其中,>2 mm和1~2 mm粒徑土壤有機(jī)碳儲量所占比例在各處理間差異均不顯著,0.5~1 mm粒徑所占比例以M處理最高,顯著高于其他處理,0.25~0.5 mm粒徑所占比例以MCF最低,顯著低于MCF、MCFB和CK處理,0.053~0.25 mm粒徑所占比例以MCF處理最高,與其他處理差異不顯著;復(fù)墾8年,有機(jī)碳總儲量表現(xiàn)為MCF>M>CF>CK>MCFB,其中,>2 mm粒徑土壤有機(jī)碳儲量所占比例以MCF處理最高,與M處理差異不顯著,但顯著高于其他處理,2~1 mm和0.053~0.25 mm粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著,0.5~1 mm粒徑所占比例以CF處理最高,顯著高于MCF和MCFB,0.25~0.5 mm粒徑所占比例以MCFB處理最高,顯著高于MCF處理。與復(fù)墾4年相比較,復(fù)墾8年M和MCFB處理有機(jī)碳總儲量分別下降了7%和2%,其他處理均有所增加但差異不顯著,其中,M處理0.053~0.25 mm粒徑有機(jī)碳儲量所占比例下降而其他各粒級所占比例均有所增加,但差異均不顯著;CF處理>2 mm粒徑所占比例有所下降而其他各粒徑所占比例均有所增加,0.5~1 mm粒徑增加了5.77個百分點(diǎn),差異顯著;MCF和MCFB處理0.25~0.5mm和0.053~0.25mm 粒徑所占比例有所下降而其他粒徑所占比例均有所增加,MCF處理0.053~0.25 mm粒徑下降了4.56個百分點(diǎn),差異不顯著;CK則表現(xiàn)為0.25~0.5 mm粒徑所占比例下降而其他粒徑所占比例有所增加,但差異均不顯著。綜合而言,土壤各處理有機(jī)碳儲量均以0.053~0.25 mm粒徑所占比例最高,以>2 mm或1~2mm粒徑所占比例最低,與冷延慧[17]等研究一致;隨復(fù)墾年限的增加,M、MCF和MCFB處理均提高了大粒徑團(tuán)聚體(>2 mm,1~2 mm 和 0.5~1 mm)有機(jī)碳儲量,而降低了微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm)有機(jī)碳儲量;土壤有機(jī)碳總儲量以復(fù)墾4年M處理最高,顯著高于其他處理。
由表5可知,各處理在不同復(fù)墾年限各粒徑土壤團(tuán)聚體全氮含量均明顯高于未復(fù)墾生土,但低于未破壞多年種植的熟土。各處理各粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量在復(fù)墾4年和8年之間差異均不顯著,且均以M處理最高CK最低,M處理較CK分別增加了60%~114%和58%~94%,其中除了復(fù)墾8年0.25~0.5 mm粒徑差異不顯著外,其他均達(dá)顯著水平。
表4 不同培肥措施下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳儲量
由表6可知,各處理在不同復(fù)墾年限各粒徑土壤團(tuán)聚體全氮總儲量均明顯高于未復(fù)墾生土,但低于未破壞多年種植的熟土,各處理在不同復(fù)墾年限均表現(xiàn)為 M>MCFB>MCF>CF>CK。復(fù)墾 4年,>2 mm粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮儲量所占比例以CF處理最高,顯著高于M處理,1~2 mm,0.5~1 mm和0.25~0.5 mm粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著,0.053~0.25 mm粒徑所占比例以M處理最高,顯著高于CF和CK處理;復(fù)墾8年,>2 mm、0.5~1 mm粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮儲量所占比例分別以MCF和CF處理最高,顯著高于 MCFB 處理,1~2mm、0.25~0.5mm、0.053~0.25mm 粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著。與復(fù)墾4年相比較,復(fù)墾8年各土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮總儲量均有所增加,但差異均不顯著;各處理在各粒徑全氮儲量所占比例除MCF在>2 mm粒徑的增幅(3.77個百分點(diǎn))顯著外,其他無論是增或減,差異均不顯著。綜合而言,土壤各處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮儲量均以0.053~0.25mm粒徑所占比例最高;與未復(fù)墾生土相比顯著提高了>2 mm粒徑所占比例而降低了0.053~0.25 mm粒徑所占比例,與開墾多年熟土相比降低了0.5~1 mm粒徑所占比例;從土壤全氮總儲量看,復(fù)墾4年和8年均以M處理最高,顯著高于其他處理。
表5 不同培肥處理下各粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量 (kg·hm-2)
表6 不同培肥措施下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮儲量
本研究表明,不同復(fù)墾年限各施肥處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均以0.053~0.25 mm粒徑最高,這與鄭子成等[18]在不同土地利用方式下土壤團(tuán)聚體組成的研究中認(rèn)為濕篩處理下土壤團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒徑為主的結(jié)果一致,這說明水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布受施肥方式、土地利用方式等影響較小,可能與土壤質(zhì)地有關(guān);復(fù)墾4年和8年,單施有機(jī)肥(M)處理較未復(fù)墾生土均明顯提高了大粒徑團(tuán)聚體(>2 mm、1~2 mm、0.5~1 mm)含量,這與邢旭明等[19]在關(guān)于長期施肥對棕壤團(tuán)聚體組成的研究中認(rèn)為施有機(jī)肥可以增加大團(tuán)聚體含量,以及劉希玉等[20]在14年長期定位試驗(yàn)同樣認(rèn)為有機(jī)培肥有利于紅壤水稻土大粒徑團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體形成的結(jié)果基本一致;另外隨復(fù)墾年限的增加,單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施、生物有機(jī)肥與化肥配施處理均可在一定程度上提高>2 mm和1~2 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量,而降低0.053~0.25 mm粒徑含量,這應(yīng)該與土壤中有機(jī)物質(zhì)的累積有關(guān)。
本試驗(yàn)表明,復(fù)墾4年和復(fù)墾8年,各培肥處理以單施有機(jī)肥對復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的增幅最大,各團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較不施肥處理(CK)分別增加了 12%~94%和 5%~41%,這與高會議等[21]、陳曉芬等[22]的研究結(jié)果基本一致。其原因可能是有機(jī)肥作為有機(jī)質(zhì)來源輸入土壤后,較快的與礦物顆粒結(jié)合形成有機(jī)質(zhì)礦物復(fù)合體,與有機(jī)碳吸附,從而促進(jìn)各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加。同時,有機(jī)肥的增產(chǎn)效應(yīng)所帶入土壤的秸稈及根系膠結(jié)物質(zhì)對水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量也有一定的提高作用。單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施、生物有機(jī)肥與化肥配施處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳總體上以大團(tuán)聚體(>2 mm,1~2 mm 和 0.5~1 mm)含量最高,這可能是因?yàn)橛袡C(jī)碳輸入后在有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用下使小粒徑團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體,增加了大粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量[23]。Astrow等[24]通過13C示蹤法亦證實(shí)大粒徑團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多的有機(jī)碳。而李輝信等[25]研究認(rèn)為隨粒徑減小有機(jī)碳含量增加,以0.05~0.25 mm粒徑有機(jī)碳含量最高。這可能與不同研究土壤本身的性質(zhì)有關(guān),導(dǎo)致團(tuán)聚體所形成的膠結(jié)物質(zhì)的種類和數(shù)量也有差異[26]。各培肥處理不同復(fù)墾年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以0.053~0.25 mm粒徑有機(jī)碳儲量最大,這是因?yàn)樵摿剿€(wěn)性團(tuán)聚體含量最多,因此該粒徑為礦區(qū)復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)載體。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量及全氮儲量與有機(jī)碳的變化趨勢基本一致,這是因?yàn)橥寥乐?5%氮素以有機(jī)態(tài)氮的形式存在于有機(jī)質(zhì)中,而有機(jī)質(zhì)中碳素的變化必然也會引起有機(jī)氮的變化[27]。本試驗(yàn)所設(shè)置的生物有機(jī)肥與化肥配施處理對土壤團(tuán)聚體及其養(yǎng)分含量的綜合影響均弱于單施有機(jī)肥處理,這可能是由于本研究區(qū)處于干旱半干旱氣候,降水量少,蒸發(fā)量大,在復(fù)墾周年及作物生育期內(nèi)微生物活性總體偏低,此外還可能與復(fù)墾年限有關(guān),這還需進(jìn)一步研究。
綜合而言,不同施肥處理下復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布均以0.053~0.25 mm最高,在有機(jī)肥參與下隨復(fù)墾年限增加,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體整體表現(xiàn)為微團(tuán)聚體減少,大團(tuán)聚體增加的趨勢。綜合而言,各培肥處理均提高了水穩(wěn)性有機(jī)碳含量,尤其是大粒徑團(tuán)聚體(>2 mm,1~2 mm和0.5~1 mm),其中M、MCF、MCFB處理復(fù)墾土壤大粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm)。綜合而言,土壤各處理有機(jī)碳儲量均以0.053~0.25 mm粒級所占比例最高,以>2 mm或1~2 mm粒徑所占比例最低,與冷延慧等[17]研究一致;隨復(fù)墾年限的增加,M、MCF和MCFB處理均提高了大粒徑團(tuán)聚體(>2 mm,1~2 mm 和 0.5~1 mm)有機(jī)碳儲量,而降低了微團(tuán)聚體(0.053~0.25 mm)有機(jī)碳儲量;土壤有機(jī)碳總儲量以復(fù)墾4年M處理最高,顯著高于其他處理。綜合而言,土壤各處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮儲量均以0.053~0.25 mm粒徑所占比例最高;與未復(fù)墾生土相比顯著提高了>2 mm粒徑所占比例而降低了0.053~0.25 mm粒徑所占比例,與開墾多年熟土相比降低了0.5~1 mm粒徑所占比例;從土壤全氮總儲量看,復(fù)墾4年和8年均以M處理最高,顯著高于其他處理。