種植玉米對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響

籍晟煜，張強(qiáng)，靳東升，郜春花，李建華，盧晉晶，張?jiān)讫?/p>

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

土壤團(tuán)聚體是土粒之間通過(guò)各種作用力黏合或團(tuán)聚而成的直徑＜10 mm的小團(tuán)粒，大體呈球形，是最基本的土壤結(jié)構(gòu)單元，是良好的土壤結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量和比例能夠反映土壤結(jié)構(gòu)狀況[1]。而對(duì)團(tuán)聚體的分級(jí)研究當(dāng)中，習(xí)慣以0.25 mm為界將團(tuán)聚體劃分為大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）[2]。對(duì)于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性等特征的研究更多的是通過(guò)濕篩使團(tuán)聚體被水力分散后的土壤團(tuán)聚體，故水力作用導(dǎo)致團(tuán)聚體破碎之后分離所得的各粒級(jí)團(tuán)聚體為水穩(wěn)性團(tuán)聚體[3-4]。有研究發(fā)現(xiàn)，微團(tuán)聚體穩(wěn)定性較大團(tuán)聚體穩(wěn)定性更高[5]。這是因?yàn)榭紫遁^小、彎曲度大和容積密度高的微團(tuán)聚體的內(nèi)聚力與大團(tuán)聚體相比之下具有優(yōu)勢(shì)，各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性普遍存在著差異。因而，大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體都需要開(kāi)展深入研究，團(tuán)聚體含量能體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，含量不盡相同，土壤結(jié)構(gòu)也普遍存在差別，對(duì)保護(hù)碳的機(jī)制產(chǎn)生影響。表土中的有機(jī)碳大多存在于團(tuán)聚體中，而溫帶土層大團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量大多比微團(tuán)聚體高，這是由于大團(tuán)聚體的形成和微團(tuán)聚體存在著差異[5]。

礦上開(kāi)采以及在復(fù)墾過(guò)程中采取的各種措施等都會(huì)增加煤矸回填土壤復(fù)墾的難度，更多的是解決土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分（主要是有機(jī)質(zhì)）等影響復(fù)墾進(jìn)度的問(wèn)題[6]。大量研究表明，礦區(qū)開(kāi)墾土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H是煤礦開(kāi)采前表層土壤有機(jī)質(zhì)含量的20%～30%；土壤質(zhì)地較粗，特別是土壤團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體比例較小，僅為煤礦開(kāi)采前表層土壤的1/4左右；一般在復(fù)墾的初級(jí)階段，煤礦復(fù)墾土壤結(jié)構(gòu)中的團(tuán)聚體少，主要是由于其團(tuán)聚過(guò)程可能與正常土壤團(tuán)聚的過(guò)程存在差異[7-9]。羅紅燕等[10-12]研究指出，土壤的發(fā)育基石、對(duì)土地的利用方式以及采用的耕作措施等都會(huì)影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。在礦區(qū)土壤貧瘠、結(jié)構(gòu)較差、微生物活性低的情況下，一些耐瘠抗逆的植物，如豆科植物和禾本科草種往往作為先鋒植物進(jìn)入復(fù)墾土壤，來(lái)提高土壤的肥力[13-14]。因而煤礦復(fù)墾土壤團(tuán)聚體的構(gòu)成過(guò)程及主要影響因子還有待探究。

本研究將種植玉米（包括玉米根區(qū)和非根區(qū)）和自然恢復(fù)區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)碳進(jìn)行對(duì)照分析，旨在得出種植玉米對(duì)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳分布的積極作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

復(fù)墾土地礦區(qū)位于太原斷陷盆地西側(cè)的山西省古交市礦區(qū)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為9.5℃，平均降水量602 mm，降水量集中在夏季，每年11月開(kāi)始封凍，第2年4月解凍，冰凍期約5個(gè)月。2013年煤矸石填平后在填埋區(qū)展開(kāi)了以附近馬蘭黃土（黃土丘陵地帶的主要土壤）填土，經(jīng)12個(gè)月的自然沉降后，對(duì)土壤分析鑒定，明確該土地狀況可以開(kāi)始種植植物。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置玉米根區(qū)、玉米非根區(qū)和自然恢復(fù)3個(gè)處理。在煤矸石填土區(qū)開(kāi)展植物種植，設(shè)立玉米、自然恢復(fù)2種種植處理，進(jìn)行種植區(qū)和撂荒區(qū)比較。在試驗(yàn)田玉米生長(zhǎng)旺季降水量大、氣溫高的8月份，按照種植玉米與自然恢復(fù)處理采集根區(qū)與非根區(qū)的土壤樣品，每個(gè)處理3次重復(fù)，將收集的樣本保持原狀帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

采用濕篩法對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行分級(jí)。采用的儀器是團(tuán)聚體分析儀，共分9個(gè)粒級(jí)（≥2.00、＜2.00～1.00、＜1.00～0.50、＜0.50～0.25、＜0.25～0.15、＜0.15～0.10、＜0.10～0.05、＜0.05～0.02、＜0.02 mm）。具體操作：對(duì)土壤含量水測(cè)定后，稱(chēng)換算后土樣50 g，置于孔徑為2.00、1.00、0.50、0.25 mm等組成的套篩的最頂端一層，同時(shí)使水桶當(dāng)中其蒸餾水水面剛好淹沒(méi)最頂端的篩子，首先使土樣在蒸餾水中浸泡10 min，其次再以20～30次/min在水中上下振蕩30 min，最后需要將篩子里面的團(tuán)聚體用蒸餾水沖到燒杯（鋁盒）中，而在水桶當(dāng)中的團(tuán)聚體需要經(jīng)過(guò)20 min的沉降，最后將所有的團(tuán)聚體以及燒杯（鋁盒）在烘箱中60℃下烘干，并稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體的百分比[15]。

采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳含量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007軟件進(jìn)行整體梳理和分析，并且保證所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次重復(fù)，最后取平均值，并用SPSS軟件進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05）。

大團(tuán)聚體是粒徑＞0.25 mm的團(tuán)聚體，微團(tuán)聚體是＜0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體。

式中，R0.25為大團(tuán)聚體含量；Nr＞0.25表示粒徑＞0.25 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量；NT表示團(tuán)聚體的總質(zhì)量[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植玉米、自然恢復(fù)對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體的含量與分布

從表1、2可以看出，＞0.25 mm的大團(tuán)聚體在種植玉米根區(qū)與非根區(qū)復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中所占比例最小，為21.27%～26.58%。而自然恢復(fù)區(qū)，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＞0.25 mm的大團(tuán)聚體所占比例最大，為63.82%。在大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）中，均以＞2.00 mm和0.50～0.25 mm所占比例較大。與自然恢復(fù)相比，種植玉米明顯減少了土壤團(tuán)聚體當(dāng)中大團(tuán)聚體所占的比例，說(shuō)明種植會(huì)對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，在大團(tuán)聚體中，各粒級(jí)團(tuán)聚體所占比例大小為自然恢復(fù)＞玉米根區(qū)＞玉米非根區(qū)。種植玉米明顯提高了1.0～0.5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量。

表1 不同處理土壤大團(tuán)聚體的組成 %

種植玉米根區(qū)與非根區(qū)下＜0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體在復(fù)墾土壤團(tuán)聚體的比例最大，為73.42%～78.73%；而自然恢復(fù)區(qū)，其土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＜0.25 mm的大團(tuán)聚體所占比例最小，為36.18%左右；在微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）中，種植玉米均以0.25～0.15 mm和＜0.02 mm所占比例較大。與自然恢復(fù)相比，種植玉米均增加了0.25～0.15、0.15～0.1 mm粒徑的團(tuán)聚體所占的比例，說(shuō)明植物種植對(duì)土壤微團(tuán)聚體形成具有一定影響。在微團(tuán)聚體中，各粒級(jí)團(tuán)聚體所占比例從小到大表現(xiàn)為自然恢復(fù)＜玉米根區(qū)＜玉米非根區(qū)。

表2 不同處理土壤微團(tuán)聚體的組成 %

2.2 種植玉米、自然恢復(fù)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

由表3可知，R、S和自然恢復(fù)的大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性參數(shù)包括大團(tuán)聚體含量（R0.25）、幾何平均直徑（GMD）、平均質(zhì)量直徑（MWD），與自然恢復(fù)相比，種植玉米顯著降低了R0.25、MWD、GMD；對(duì)土壤分形維數(shù)（D）分析得出出，種植玉米后礦區(qū)土壤粒徑分形維數(shù)（D）在2.921左右，種植玉米增加了土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)。說(shuō)明種植玉米對(duì)土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)有顯著影響，不管是種植玉米根區(qū)還是玉米非根區(qū)，均促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表3 不同處理土壤大團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)

由表4可知，與自然恢復(fù)相比，種植玉米后的土壤微團(tuán)聚體含量增多，而平均質(zhì)量直徑（MWD）顯著降低；種植玉米后礦區(qū)土壤粒徑分形維數(shù)（D）在2.832～2.897，與自然恢復(fù)相比，種植玉米均顯著降低了土壤的分形維數(shù)，種植玉米進(jìn)一步提高了土壤微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

表4 不同處理土壤微團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)

2.3 種植玉米礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征

圖1可以說(shuō)明不同粒級(jí)團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳的含量以及分布狀況，礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的含量通過(guò)種植玉米有了明顯的增加。不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)大小是（＜1.00～0.50 mm）＞（＜0.50～0.25 mm）＞（＜2.00～1.00 mm）＞（＞2 mm）；土壤有機(jī)碳的分布主要集中的團(tuán)聚體粒徑范圍是1.00～0.25 mm和2～1 mm。總體上，＜0.25 mm的微團(tuán)聚體各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量小于＞0.25 mm的大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，較多的有機(jī)碳存在于大團(tuán)聚體中，而土壤中各粒徑團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量通過(guò)種植玉米得到了顯著增加；相同粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量是種植玉米優(yōu)于自然恢復(fù)，種植玉米根區(qū)較自然恢復(fù)區(qū)各級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別提高了47.11%、79.22%、274.67%、159.39%。說(shuō)明種植玉米根區(qū)對(duì)1.0～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量影響最大。

由圖2可知，礦區(qū)復(fù)墾土壤微團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量通過(guò)種植玉米得到了提高，不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的變化趨勢(shì)大小為（＜0.25～0.15 mm）＞（＜0.15～0.10 mm）＞（＜0.05～0.02 mm）＞（＜0.10～0.05 mm）＞（＜0.02 mm）；種植玉米根區(qū)較自然恢復(fù)區(qū)各級(jí)微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別提高了126.42%、130.09%、42.42%、46.06%、16.02%。說(shuō)明種植玉米根區(qū)對(duì)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量影響最大是＜0.15～0.10 mm粒徑。

2.4 種植玉米團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

從表5、6可以看出，種植玉米根區(qū)與非根區(qū)＜0.25 mm粒徑的微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，在大團(tuán)聚體中，≥2 mm、＜0.50～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較高；在微團(tuán)聚體中，＜0.25～0.15 mm、＜0.15～0.10 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較高。種植玉米根區(qū)與種植玉米非根區(qū)較自然恢復(fù)顯著降低了＞0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體有機(jī)碳的養(yǎng)分貢獻(xiàn)率，分別降低了47.55%和42.41%；不同處理對(duì)土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的養(yǎng)分貢獻(xiàn)率大小表現(xiàn)為自然恢復(fù)＞R＞S；種植玉米團(tuán)聚體當(dāng)中，微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率較大；在自然恢復(fù)團(tuán)聚體中，大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率較大；種植玉米增加了微團(tuán)聚體對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率，其中，微團(tuán)聚體中＜0.25～0.15 mm和＜0.15～0.10 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率提高幅度最大。

表5 不同粒徑大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 %

表6 不同粒徑微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 %

3 結(jié)論與討論

3.1 種植玉米對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

本研究結(jié)果顯示，在大團(tuán)聚體中，各粒級(jí)團(tuán)聚體所占比例大小為自然恢復(fù)＞玉米根區(qū)＞玉米非根區(qū)。土壤微團(tuán)聚體在團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)上占優(yōu)勢(shì)，種植玉米根區(qū)與非根區(qū)復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＜0.25 mm的微團(tuán)聚體所占比例最大，約為73.42%～78.73%。這與黃土高原地區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)松散、團(tuán)聚性較差相一致，可能是因?yàn)榈V區(qū)覆土，土壤形成的團(tuán)聚體構(gòu)造和植物根部的各種作用都被嚴(yán)重破壞，土壤中有機(jī)碳含量較低[18]。

評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)有R0.25、MWD和GMD，R0.25、MWD和GMD越大，說(shuō)明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越好[19]。土壤是一種帶有突出分形特性的多孔介質(zhì)，分形維數(shù)越低，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，分形維數(shù)是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的一個(gè)新指標(biāo)[20]。在大團(tuán)聚體中，種植玉米根區(qū)、玉米非根區(qū)、自然恢復(fù)區(qū)的D、R0.25、MWD和GMD相差不大，說(shuō)明在大團(tuán)聚體中，3個(gè)處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較接近。在微團(tuán)聚體中，種植玉米根區(qū)的R0.25、GMD比玉米非根區(qū)和自然恢復(fù)區(qū)都大，而種植玉米根區(qū)在分形維數(shù)（D）比玉米非根區(qū)和自然恢復(fù)區(qū)都小。說(shuō)明在微團(tuán)聚體中，種植玉米區(qū)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較高。種植玉米根區(qū)微團(tuán)聚體分形維數(shù)均低于非根際土壤，說(shuō)明與非根區(qū)相比，根區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較好，穩(wěn)定性更強(qiáng)[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，種植玉米根區(qū)與非根區(qū)對(duì)在土壤微團(tuán)聚體也能起到重要作用，土壤微團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性都受到植物種植的影響[22]。

3.2 種植玉米對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

種植玉米提高了土壤各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，同一粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量表現(xiàn)為種植玉米高于自然恢復(fù)，種植玉米根區(qū)較自然恢復(fù)區(qū)各級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別提高了47.11%、79.22%、274.67%、159.39%。DU等[23]研究發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體的成型是較小粒徑團(tuán)聚體在有機(jī)物等膠結(jié)劑的緊密結(jié)合，因此，隨著團(tuán)聚體粒徑的升高，粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也逐漸上升。種植玉米根區(qū)較自然恢復(fù)區(qū)各級(jí)微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別提高了126.42%、130.09%、42.42%、46.06%、16.02%。農(nóng)作物種植提高了各粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量。

大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）對(duì)自然恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率最大，種植玉米增加了微團(tuán)聚體對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率，其中微團(tuán)聚體中＜0.25～0.15 mm和＜0.15～0.10 mm這2個(gè)粒徑的團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率提高幅度較大。種植玉米根區(qū)的促進(jìn)作用最為顯著，其中對(duì)＞0.25 mm粒徑的大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的提高效果最為明顯[24]。整體選擇各粒徑土壤團(tuán)聚體總數(shù)與有機(jī)碳含量的關(guān)聯(lián)明確的土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，不僅揭示了各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，并能證明種植玉米對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響。

自然恢復(fù)荒地恢復(fù)過(guò)程土壤有機(jī)碳等進(jìn)一步得到提升，難降解有機(jī)碳和礦物結(jié)合有機(jī)碳是土壤中有機(jī)碳的存在形態(tài)；土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和有機(jī)碳的貯藏功能獲得必要的提升，黃土丘陵區(qū)自然恢復(fù)地恢復(fù)過(guò)程有助于提高土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)量[25]。說(shuō)明在自然恢復(fù)區(qū)，其團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)也會(huì)有所改善，但整體效果低于種植玉米。

綜上所述，種植玉米對(duì)于礦區(qū)煤矸石回填覆土的作用也是十分巨大的，但是其團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚體有機(jī)碳和土壤總有機(jī)碳總體還需進(jìn)一步研究。種植玉米后，其根區(qū)與非根區(qū)土壤團(tuán)聚體在團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)均有所改變，說(shuō)明種植玉米是礦區(qū)土地復(fù)墾的重要舉措。