榮 穎 王 淳 孫光林 胡振琪 郭政良

(1.中原工學院系統(tǒng)與工業(yè)工程技術研究中心,河南 鄭州 451191;2.山東農業(yè)大學資源與環(huán)境學院,山東 泰安 271000;3.土肥高效利用國家工程研究中心,山東 泰安 271000;4.中原工學院建筑工程學院,河南 鄭州 451191;5.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇 徐州 221116)

煤炭資源的大規(guī)模開采,在滿足我國經濟建設需要的同時,也帶來了一系列的生態(tài)環(huán)境問題和社會問題[1]。相較于地下井工開采,露天開采具有成本低和安全系數(shù)高等特點,我國露天煤礦開采比例已由原來的不足10%提高到16.9%[2]。露天礦開采需剝離礦層上方的全部表土和巖層,極易損毀土地和生態(tài)環(huán)境。而我國露天煤礦恰恰主要分布在生態(tài)環(huán)境脆弱的西部地區(qū),使得該區(qū)域土地生態(tài)呈現(xiàn)出強烈擾動的態(tài)勢[3]。因此,西部露天礦區(qū)土地復墾成為我國亟待解決的重要問題。

土壤是植物賴以生存的介質,復墾后的土壤條件直接影響到植物生長狀況。因此,土壤重構是土地復墾的研究重點和核心任務[4]。表土資源是土壤重構的首要選擇,而西部露天礦區(qū)因表土稀缺導致排土場覆土厚度不足,嚴重影響了復墾土壤質量的提升[5]。同時,當?shù)氐V區(qū)以風沙土為主要土壤類型,其土壤質地較粗且養(yǎng)分含量較低,結構性差,漏水漏肥嚴重,難以滿足植物生長的需要。使用化肥和有機肥等改良材料可以在一定程度上提高土壤肥力,但其本身價格較高,且改良效果不全面。因此,充分利用礦區(qū)當?shù)卦牧?高效低成本地進行土壤重構和改良是當前研究熱點。況欣宇等[6]研究發(fā)現(xiàn):將表土、煤矸石及巖土剝離物為原材料以一定比例混合時,能夠顯著提高草木樨生物量。郭振等[7]基于砒砂巖與沙土二者在顆粒組成方面的互補特性,將砒砂巖與沙土按一定比例進行配比,發(fā)現(xiàn)砒砂巖可以提高沙土的生物多樣性。劉新梅等[8]研究表明:在復墾土壤中添加泥炭、腐植酸和蛭石等改良劑,可以提高復墾土壤總有機碳含量和增強團聚體穩(wěn)定性。曹勇等[9]研究發(fā)現(xiàn):沙土可以改良采礦伴生黏土的物理結構,提升采礦伴生黏土水分和養(yǎng)分保持效應。已有相關研究主要聚焦在當?shù)氐V區(qū)改良材料選擇及其研制方面,多基于植物生長差異、土壤物理結構、養(yǎng)分含量或微生物活性等指標中一個或者兩個評價其改良效果,對于土壤性質—微生物活性—植物生長的協(xié)同效應研究則較少涉及。

針對西部露天礦區(qū)土地生態(tài)修復過程中存在的障礙因子,本研究從充分利用礦區(qū)當?shù)爻Ｒ姷脑牧铣霭l(fā),利用風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈、腐植酸等材料復合成不同配比的重構土壤,通過室內盆栽試驗對重構土壤的理化性質、微生物活性及植物生長狀況進行研究,優(yōu)選出重構土壤的最佳配比。紫花苜蓿為內蒙古礦區(qū)適生植物,屬于豆科固氮植物,具有培肥土壤的效果,因此選擇紫花苜蓿作為宿主植物。本研究旨在降低礦區(qū)土地生態(tài)修復成本和快速提高修復效果的同時,解決煤矸石和玉米秸稈等固體廢棄物堆置造成的環(huán)境問題,為礦區(qū)土壤重構及固體廢棄物的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括風沙土、紅黏土、玉米秸稈、煤矸石和腐植酸,其中風沙土、紅黏土、玉米秸稈取自神東天隆集團武家塔礦區(qū),煤矸石取自陜西省神木縣北部的大海則礦區(qū),腐植酸來自神東天隆腐植酸科技有限公司。玉米秸稈、煤矸石風干后用大型磨粉機磨碎至2 mm粉末狀備用;風沙土、紅黏土、腐植酸經室內風干、去雜、研磨、過2 mm篩后備用。5種材料的基本理化性狀參數(shù)見表1。

表1 不同試驗材料的背景值Table 1 Background values of different test materials

1.2 試驗設計

試驗于內蒙古鄂爾多斯伊金霍洛旗的日光溫室(109°47′05.04″E,39°32′59.21″N)內進行,整個試驗周期為63 d。首先經過前期篩選,將風沙土與紅黏土按照1∶2質量比進行復配;然后向復配土中同時添加煤矸石、玉米秸稈、腐植酸3種培肥材料,3種培肥材料按與復配土的質量百分比設置3個梯度,形成重構土壤,采用L9(34)正交試驗進行優(yōu)化設計(表2),同時以未添加改良材料的風沙土作為對照(CK)。試驗共10個處理,每個處理重復3次,隨機區(qū)組排列。試驗開始時將重構土壤均勻攪拌,裝入19 cm(盆高)×20 cm (盆口直徑)×16 cm (盆底直徑)的塑料盆內,每盆5 kg。

表2 試驗設計方案Table 2 Test design schemes

紫花苜蓿種子催芽后均勻播種于各盆,每盆20粒,出苗7 d后每盆留苗10棵。每天17∶00點按稱重法測定土壤含水量并補充水分到田間持水量的70%左右。為了平衡日光溫室不同空間在光照、溫度、濕度上的差異,每7 d將以兩條中軸線為基準的對稱位置上的塑料盆互換位置。

1.3 測定項目與方法

(1)土壤樣品采集和測定。原狀土樣利用100 cm3體積的環(huán)刀采取,用于測定土壤容重、土壤總孔隙度、飽和含水量、毛管持水量及田間持水量。另分別采集兩份土樣,一部分土樣風干后剔除雜物過2 mm篩,用于分析土壤顆粒組成、全氮、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀及pH值;另一部分土樣用自封袋密封后冷藏于4℃冰柜中,用于測定微生物數(shù)量。土壤顆粒組分采用BT-9300H激光粒度分析儀測定,土壤容重、總孔隙度、飽和含水量、毛管持水量及田間持水量采用環(huán)刀法測定,土壤水穩(wěn)性團聚體采用濕篩法測定[10-11]。土壤全氮采用硫酸消煮-凱式定氮法測定,有機質采用重鉻酸鉀容量法測定,堿解氮采用堿解擴散法測定,速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定,土壤 pH值采用 pH計(水土比 2.5∶1)測定[12]。土壤可培養(yǎng)微生物(細菌、真菌、放線菌)采用稀釋平板計數(shù)法測定[13]。

(2)植物樣品采集和測定。紫花苜蓿地上部分刈割后置于105℃烘箱中殺青30 min,75℃烘至恒重,獲得地上部分生物量。根系用水洗凈后先掃描成TIF圖像文件,然后用WinRHIZO軟件處理,分析根表面積、根長和根直徑指標。取部分植株樣品研磨至粉末狀后,用 H2SO4-H2O2進行消解,植株全氮、全磷、全鉀含量分別采用凱式定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)歸納整理和作圖,采用SPSS軟件進行單因素方差分析,不同處理間采用Duncan法檢驗各處理平均數(shù)在P＜0.05水平的差異顯著性[14-15],利用Pearson相關分析檢驗生物量與土壤性質指標間的相關性。

2 結果與分析

2.1 不同基質對紫花苜蓿生長的影響

不同重構土壤材料配比處理能促進紫花苜蓿的生長。通過分析不同配比對紫花苜蓿生長指標的影響(表3)可知:重構土壤紫花苜蓿的生物量、吸氮量、吸磷量、吸鉀量、根長、根直徑和根表面積均高于對照處理,其中,T6處理(風沙土與紅黏土1∶2、15%煤矸石、5%玉米秸稈、0.05%腐植酸)達到最大值,同時也顯著高于 CK(P＜0.05),比 CK分別提高了624.76%、78.47%、324.14%、82.05%、131.80%、239.20%和650.45%。由于各材料在理化性質上存在明顯的不同,不同重構材料用量配比對紫花苜蓿生長狀況影響存在差別。重構土壤9個處理間總體表現(xiàn)為:T1、T4及T7處理間紫花苜蓿生長指標沒有顯著差異,雖然高于對照處理,但未達到顯著性差異,且均顯著低于其他處理;T3、T6、T9處理之間只有生物量這一指標差異顯著;T5處理的吸氮量和根直徑與T2、T8之間存在顯著差異,與T6無差異。這說明利用風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈、腐植酸5種材料混合得到的重構土壤具有可行性,但要求這5種材料以一定的比例進行混合,從方差分析結果來看,重構土壤中的玉米秸稈和煤矸石用量是影響紫花苜蓿生長狀況的關鍵變量,當風沙土與紅黏土1∶2、15%煤矸石、5%玉米秸稈及0.05%腐植酸混合得到的重構土壤,最適合紫花苜蓿生長。

表3 不同配比對紫花苜蓿生長指標的影響Table 3 Effect of different reconstructed soil ratio on the alfalfa growth indicators

2.2 不同基質物理性狀

對于空白處理的風沙土而言(CK),黏粒含量僅為3.30%,砂粒含量高達90.30%,質地類別為砂土(表4),因而其難以形成穩(wěn)定的土壤結構,漏水漏肥嚴重。在風沙土中添加紅黏土、煤矸石、玉米秸稈、腐植酸4種材料后,砂粒含量顯著降低,黏粒和粉粒含量顯著增加,土壤質量類型呈現(xiàn)由質地不良的砂土到質地良好的砂壤改變。重構土壤9個處理間砂粒、粉粒和黏粒含量未達到顯著性差異,土壤質地屬于砂壤,這說明在風沙土中添加紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸4種材料后,質地類型不良的砂質性土壤在一定程度上得到了改善,這也從質地類型上說明了利用5種材料混合得到的重構土壤具有可行性,其中紅黏土能顯著改善風沙土在土壤顆粒級配方面的固有缺陷。

表4 不同配比對土壤顆粒組成的影響Table 4 Effect of different reconstructed soil ratio on soil particle composition

通過分析不同配比對土壤物理性狀的影響(表5)可知:與空白處理的風沙土相比(CK),重構土壤方案對應的容重顯著降低,其中T6處理容重最小,較CK處理下降了19.75%,與CK、T1和T7處理差異顯著,T1、T7處理與CK未達到顯著差異水平。重構土壤方案的總孔隙度較CK明顯升高,其中T6處理的總孔隙度達到最高值,較CK處理提高了30.45%,與CK、T1和T7處理差異達到顯著水平。重構土壤方案改變了土壤水分特性,其中T6處理的飽和含水量、毛管持水量及田間持水量均為最大值,較CK處理顯著提高了91.60%、144.58%、147.41%,且其田間持水量顯著高于其他處理。由此可見,加入紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸以后,土壤容重顯著降低,總孔隙度明顯增加,保水儲水能力顯著提高,為紫花苜蓿生長發(fā)育提供了良好環(huán)境。

表5 不同配比對土壤物理性狀的影響Table 5 Effect of different reconstructed soil ratio on soil physical properties

通常認為粒徑大于0.25 mm的土壤團聚體對土壤肥力具有重要影響。重構土壤方案的水穩(wěn)性團聚體含量較CK處理顯著提高,其中＞1 mm水穩(wěn)性團聚體含量顯著增加,但不同重構土壤處理0.25～0.50 mm、0.5～1.0 mm團聚體含量差異不顯著,T3、T6和T9處理的1～2 mm、2～5 mm、＞5 mm的含量均顯著高于其他處理。可見,紅黏土、玉米秸稈、煤矸石、腐植酸的加入能促使沙質土壤小粒級顆粒向大粒級顆粒團聚,形成更多的大粒級顆粒,從而使土壤團聚體粒徑分布更為均勻,土壤結構逐漸改善。

2.3 不同基質化學性狀

重構土壤處理顯著改善了土壤養(yǎng)分含量。如表6所示,除了土壤全氮含量外,各重構土壤處理養(yǎng)分含量與CK處理差異顯著,其中,T6處理的有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀含量均為最大值,分別比CK提高了1141.17%、269.98%、1 974.61%、620.45%。各重構土壤處理之間的養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為:T1、T4和T7處理顯著低于其他處理,T3、T6和T9處理顯著高于其他處理。對照處理pH值為9.03,基質環(huán)境呈堿性,添加紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸處理后,重構土壤pH值降低至8.28～8.91,均顯著低于CK處理,其中T6處理的pH值最小,較CK降低了8.31%。說明紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐殖酸的加入能有效改善土壤質量,從方差分析的結果來看,玉米秸稈用量是影響重構土壤養(yǎng)分含量的關鍵變量,玉米秸稈用量在1%水平時對土壤的養(yǎng)分含量影響較小,表現(xiàn)為T1、T4及T7處理的養(yǎng)分含量明顯低于其他處理,在試驗范圍內的最高水平5%時的效果最好,即玉米秸稈在重構土壤中的比例控制在3%～5%時,重構土壤養(yǎng)分含量較高。

表6 不同配比對土壤化學性狀的影響Table 6 Effect of different reconstructed soil ratio on soil chemical properties

2.4 不同基質生物學性狀

通過分析不同配比對土壤生物指標的影響(表7)可知:未做任何處理的風沙土(CK)中,細菌、真菌及放線菌的數(shù)量極少,而重構土壤基質的細菌、真菌及放線菌的數(shù)量均顯著高于對照處理,其中細菌的數(shù)量占絕對優(yōu)勢,其次是放線菌,真菌數(shù)量最少,表明添加不同改良材料能夠影響土壤微生物的數(shù)量。根據(jù)方差分析結果,各重構土壤處理對細菌、真菌及放線菌的數(shù)量影響不同,其中T2處理的土壤細菌和放線菌數(shù)量均為最高值,T6處理的土壤真菌數(shù)量為最高值,分別較CK處理增加了1 078.26%、1 211.25%、1 854.55%;T2、T3和T6處理之間的微生物數(shù)量差異不顯著;T1、T4和T7處理的微生物數(shù)量雖然顯著高于CK,但仍顯著低于其他重構土壤處理。這是由于各材料在理化性質上存在明顯的不同,材料間不同比例的混合對于土壤微生物數(shù)量的影響也存在差別。從方差分析結果來看,玉米秸稈用量在1%水平時(T1、T4和T7處理),土壤中細菌、真菌、放線菌數(shù)量顯著低于其他重構土壤處理,隨著玉米秸稈用量的增加,細菌、放線菌和真菌的數(shù)量增加;煤矸石在重構土壤中的比例控制在10%～15%時,重構土壤微生物數(shù)量較高。

表7 不同配比對土壤生物指標的影響Table 7 Effect of different reconstructed soil ratio on soil biological properties

2.5 生物量與土壤性質指標間的相關分析

由相關分析結果可知(表8):除了與重構土壤容重和pH值表現(xiàn)為極顯著負相關外(P＜0.01),生物量與其他表征土壤性質的各指標呈顯著或極顯著正相關(P＜0.01或P＜0.05),說明風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸混合基質可以顯著協(xié)調紫花苜蓿生長所必需的水肥能力。土壤容重除了與pH值呈極顯著正相關外(P＜0.01),與其他指標均表現(xiàn)為顯著或極顯著負相關(P＜0.05或P＜0.01),其他土壤各指標間均呈顯著或極顯著正相關(P＜0.05或P＜0.01)。進一步表明:土壤理化性質和微生物活性之間存在一定的耦合關系,土壤容重和pH值的降低在改善土壤物理性狀和增強微生物活性的同時,進而提高土壤養(yǎng)分含量,促進植物生長發(fā)育,紫花苜蓿生 長與基質理化性狀和微生物活性存在協(xié)同效應。

表8 生物量與土壤各指標Pearson相關性分析Table 8 Pearson correlation coefficients between alfalfa biomass and soil characteristics

3 討 論

3.1 不同土壤重構材料特性的差異和互補性質

由于質地、結構性及礦物特征等方面的差異,風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸5種材料在土壤養(yǎng)分和水分保持方面具有不同的特性。風沙土最大的特點是結構性差,有效養(yǎng)分、微生物數(shù)量少,漏水漏肥嚴重;紅黏土則與風沙土在質地結構上互補,其結構性好,持水性強,但有效養(yǎng)分和微生物數(shù)量少。煤矸石和玉米秸稈是煤炭生產和農業(yè)生產帶來的副產品,其隨意堆放和不當處理帶來了一系列環(huán)境問題[16-17],但煤矸石和玉米秸稈本身比表面積大,含有多種微量元素和營養(yǎng)成分。腐植酸具有廣泛的來源和分布,在調節(jié)土壤pH值和提高土壤養(yǎng)分有效性方面有促進作用。因此基于5種材料特性互補,5種材料重構成土具有可行性,但不同配比下,重構土壤理化性質和生物學性質具有較大差異。

3.2 不同配比對土壤理化性質和生物學性質的影響

對于風沙土而言,黏粒和砂粒含量極少,難以形成穩(wěn)定的土壤結構,需要添加黏粒或者增加有機物質來改良其固有缺陷。風沙土與紅黏土經物理混合后,紅黏土的粉粒和黏粒填充了風沙土砂粒間的非毛管孔隙,增加了毛管孔隙度,降低了風沙土的滲漏性,形成具有相對較好質地的重構土壤。室內分析結果表明,風沙土與紅黏土混合形成的重構土壤的黏粒和粉粒含量均顯著高于對照風沙土,土壤結構也發(fā)生改變,＞1 mm和＞5 mm水穩(wěn)性團聚體顯著提高,為植物生長提供了良好的結構基礎[18]。另外,由于各改良材料具有較大的表面積和疏松性、多孔性結構,可吸持大量水分,各重構土壤處理的容重降低,土壤孔隙度和含水量顯著增加,這與柴冠群等[19]、馮瑞云等[20]的研究結果類似。

風沙土中缺乏有機質以及氮、磷、鉀等礦物質元素,pH值呈堿性。重構土壤處理的全氮、有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀的含量均顯著提高,且土壤的pH值降低,這說明重構土壤中的礦物質養(yǎng)分得到活化和改良,從而改善了紫花苜蓿植株的生長環(huán)境。這是由于煤矸石、玉米秸稈、腐植酸等改良材料本身含有一定的氮、磷、鉀及各種微量元素[19-23],在改良材料自身作用和協(xié)同作用下,重構土壤各處理的有機質和養(yǎng)分含量較對照處理顯著提高,且重構土壤處理組之間的有機質和養(yǎng)分含量存在明顯差異。

土壤理化性狀的改善為微生物提供棲息場所,反過來促進了土壤微生物群落的生長和新陳代謝,土壤中微生物在有機質分解、腐殖質形成及土壤養(yǎng)分轉化等過程中起著關鍵性的作用,土壤中微生物數(shù)量的變化不僅是反映土壤質量變化的活指標,也是土壤生物活性的具體體現(xiàn)[24]。重構土壤的細菌、真菌和放線菌數(shù)量較對照風沙土均有顯著增加,表明重構土壤對刺激土壤中微生物的生長有一定的作用,這與范富等[25]和楊文平等[26]的研究結果類似。不同配比重構土壤的微生物活性差異明顯,這是由于不同添加物含有的微生物種類和數(shù)量不同,且與添加物引起的土壤環(huán)境的間接改變有關。重構土壤后微生物數(shù)量增加,一定程度上是土壤質量提高的表征,進而促進了土壤微生態(tài)環(huán)境的改善。

4 結 論

(1)利用風沙土、紅黏土、煤矸石、玉米秸稈及腐植酸5種材料復合成不同配比的重構土壤具有可行性,既可解決原表土稀缺和土壤養(yǎng)分貧瘠的問題,又可降低礦區(qū)土地生態(tài)修復成本,減輕煤矸石和玉米秸稈堆置對環(huán)境造成的污染。

(2)不同重構土壤配比均可以顯著改善土壤物理結構,增加土壤養(yǎng)分含量,提高土壤微生物的活性,促進紫花苜蓿生長,其中風沙土與紅黏土按1∶2復配,同時添加15%煤矸石、5%玉米秸稈及0.05%腐植酸,土壤重構效果最佳。

(3)玉米秸稈和煤矸石用量是影響紫花苜蓿生長狀況的關鍵變量,紫花苜蓿生物量與重構土壤理化性質和微生物活性存在協(xié)同效應。

(4)本研究結果均來自室內盆栽試驗,實地條件下重構土壤配比對土壤和植物的作用機制尚未明晰,需要開展田間試驗進一步深入研究。