改良劑對復墾土壤團聚體組成及其穩定性的影響

田 劍，樊文華，劉奮武，劉新梅，李二豹

（山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801）

土壤結構是土壤肥力的重要指標，是土壤物理性質的集中體現。土壤結構不僅是植物生長、土壤中水分運移的重要影響因素，而且土壤結構的保存和再生也成為保持土壤功能和確保土壤環境質量的關鍵[1-3]。土壤團聚體穩定性能夠很好地反映土壤結構的狀況[4]。有研究表明，良好結構的土壤往往具有穩定的團聚體，這些穩定的團聚體又維持了良好的土壤孔隙[5]。同時，團聚體也是土壤有機質分解轉化與腐殖質形成的主要場所，團聚體的形成作用被認為是土壤固碳的重要機制[6]。國內外學者研究認為，土壤的結構特性直接影響著土壤肥力和農作物的生長情況[7-8]。因此，土壤團聚體的穩定性對土壤肥力和結構的變化以及植被恢復具有非常重要的意義。

目前，常用土壤大團聚體的含量（＞0.25 mm）、土壤團聚體結構破壞率（PAD）、平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）和分形維數（D）等來評價土壤團聚體的穩定性[9-10]。其中，土壤大團聚體的含量、平均質量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團聚體越穩定[11]，土壤結構越好；土壤團聚體結構破壞率和分形維數越小，土壤團聚體分布狀況越好，土壤結構越穩定[12-13]。

目前，煤礦區土壤復墾已經成為全社會關注的重點和熱點，但對其研究主要側重于礦區生態環境重建，大部分集中在矸石山綠化、復墾土壤剖面重構、自然植被恢復等方面[14-16]；而且對土壤的復墾主要是對塌陷區進行挖、鏟、墊、平等處理，或露天礦排土場堆墊、覆土的重構土壤過程，在這個過程中，土壤的層次、結構等發生了很大的變化，土壤容重增加、團聚體數量下降，不僅影響了植物根系的生長發育和產量，而且造成土壤保水保肥能力下降[1，17]。可以看出，該復墾方式下的土壤質量遠遠低于正常的農田土壤，但當前對復墾土壤質量和結構的研究還相對較少。呂剛等[18]研究發現，復墾13 a 的海州露天礦中不同復墾模式表層土壤質量總體呈現出林地優于荒草地的趨勢，其中，荒草地的PAD 比灌木林地高出近3 倍。同時，使用土壤結構改良劑是改善土壤質量的重要措施[19-21]，但其還未應用在復墾土壤中。

本試驗采集了太原古交市屯蘭煤礦區復墾基地的土壤，采用室內培養試驗的方式，對土壤團聚體結構破壞率、平均質量直徑、幾何平均直徑和分形維數等反映土壤團聚體穩定性的指標進行了測定，分析了3 個月和6 個月時泥炭、腐植酸和蛭石不同梯度對復墾土壤團聚體穩定性的影響，以期為提高礦區復墾土壤質量、改善復墾土壤結構提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

供試土壤采集于太原古交市屯蘭煤礦區復墾基地（112°06′E，37°53′N）。該基地屬于典型的暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區，年平均降水450 mm，復墾開始時間為2012 年，復墾方式為充填復墾，復墾土壤為生土，初始肥力極低，有機質4.86 g/kg、堿解氮18.03 mg/kg、有效磷4.94 mg/kg、速效鉀91.77 mg/kg，pH 值為8.31。

1.2 試驗設計

試驗采用室內培養的方式，分析了短期內（3 個月和6 個月）不同改良劑對土壤團聚體穩定性的影響。分別于2018 年11 月28 日和2019 年2 月28 日即布置試驗3 個月和6 個月后進行破壞性采樣，風干后用于團聚體的干篩和濕篩。試驗采取完全隨機設計方案，于2018 年8 月28 日布置試驗，將采回的鮮土過8 mm 篩（避免大團聚體的破壞），加入不同量的改良劑（設3 個改良劑添加梯度：分別占土壤質量的1%、3%和5%）；同時以不添加改良劑為對照。改良劑和土壤混勻，裝入500 mL 燒杯，隨機放置。每個處理設置3 次重復，采樣重復3 次。培養期間土壤含水量調節至田間持水量的60%。

1.3 測定指標及方法

各級機械穩定性團聚體和水穩定性團聚體通過干篩法和濕篩法[22]進行分離提取，制備得到＞5、＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm共6 級土壤團聚體，并且計算各級團聚體組成。

土壤機械穩定性（干篩）和水穩定性（濕篩）＞0.25 mm 團聚體含量（R＞0.25）采用公式（1）[23]進行計算。

式中，Wi為i 粒級團聚體質量比例（%）；Xi為相鄰2 個團聚體的平均粒級（mm）。

土壤的分形維數（D）采用楊培嶺等[11]的土壤顆粒分形模型測定。

1.4 數據處理與分析

所有測得的數據均采用Excel（2010）、SPSS 13.0 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同改良劑對復墾土壤團聚體組成的影響

團聚體組成是衡量土壤肥力的重要指標。機械穩定團聚體是指具有抵抗外力破壞的團聚體，是土壤自然狀態下穩定的團聚體，常用干篩法進行測定。由圖1 可知，各處理機械穩定團聚體組成均呈V 字形分布，以＞5 mm 粒徑的團聚體含量最高，≤0.25 mm 粒徑的含量次之。3 個月時，泥炭處理下，各粒徑團聚體含量由大到小為＞5、≤0.25、＞2～5、＞1～2、＞0.25～0.50、＞0.5～1.0 mm，與CK 相比，＞5 mm 粒徑團聚體含量都有大幅增加，且隨泥炭濃度的增加而增加，5%泥炭處理下，＞5 mm 粒徑的團聚體占到了50%以上，與CK 相比增加了69.97%，≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量則逐漸降低；腐植酸處理下，各粒徑團聚體含量由大到小為＞5、≤0.25、＞1 ～2、＞2 ～5、＞0.25 ～0.50、＞0.5～1.0 mm，與CK 相比，＞5 mm 粒徑團聚體含量都有所增加，但隨著腐植酸濃度的增加，各粒徑團聚體含量變化不明顯；蛭石處理下，各粒徑團聚體含量由大到小為＞5、≤0.25、＞1～2、＞2～5、＞0.25～0.50、＞0.5～1.0，與其他處理不同的是，與CK 相比，隨著蛭石濃度的增加，＞5 mm 粒徑團聚體含量逐漸減少，5%蛭石處理下，＞5 mm 粒徑的團聚體僅占22.23%，較CK 減少了24.57%，≤0.25 mm粒徑的團聚體含量則逐漸增加，5%蛭石處理下較CK 增加了4.99%。在6 個月時，泥炭和蛭石處理下的各團聚體組成變化趨勢與3 個月時相同；腐植酸處理下，隨著腐植酸濃度的增加，＞5 mm 粒徑的團聚體逐漸增加，5%腐植酸處理時占到了59.26%，≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量則逐漸降低，且在5%腐植酸濃度梯度下，≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量下降到＞2～5、＞1～2 mm 粒徑團聚體的含量水平，僅占到了11.30%。

水穩性團聚體是指能夠抵抗水力分散的團聚體，能夠靈敏地反映土壤潛在的抗蝕能力[26]，常用濕篩法進行測定。由圖2 可知，各處理水穩性團聚體組成基本以≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量最高，＞5 mm 粒徑的團聚體含量最低。從3 個月的結果來看，泥炭處理下，隨著泥炭濃度的增加，≤0.25 mm粒徑團聚體含量逐漸減少，泥炭濃度達到5%時，≤0.25 mm 粒徑團聚體含量為63.76%，較CK 下降了5.87%，＞5 mm 粒徑和＞0.5～1.0 mm 粒徑的團聚體含量增加明顯，分別較CK 增加了288.00%和53.40%；腐植酸處理下，≤0.25 mm 粒徑團聚體含量明顯降低，腐植酸濃度在5%時，≤0.25 mm 粒徑團聚體含量為53.67%，較CK 下降了20.75%，但整體上隨著腐植酸濃度的增加，各粒徑團聚體含量變化不明顯；蛭石處理下，與CK 相比，整體變化不明顯，但在蛭石濃度達到5%時，＞0.5～1.0 mm 粒徑團聚體含量達到了19.21%，較CK 增加了76.56%。在6 個月時，泥炭處理下的各團聚體組成變化趨勢與3 個月時類似；腐植酸處理下則隨著腐植酸濃度的增加，≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量逐漸降低，3 個濃度梯度下≤0.25 mm 粒徑的團聚體含量在39.23%～57.49%，且在5%腐植酸濃度梯度下，＞5 mm 粒徑的團聚體含量達到了14.01%。

綜合干篩和濕篩的結果來看，機械穩定性團聚體以大團聚為主，水穩性團聚體以微小團聚體為主，整體上復墾土壤的抗侵蝕能力較差，但改良劑的加入一定程度上增加了復墾土壤的抗侵蝕能力。有研究表明[27-28]，團聚體的形成與穩定主要依賴于土壤中的有機質，有機質是土壤團聚體形成的重要膠結物。泥炭的加入增加了大團聚體的含量，但對抗侵蝕能力的提高有限，可能主要是因為泥炭有機質含量高、比表面積大、吸附螯合能力強、有較強的離子交換能力，同還提高了土壤中微生物的活性和代謝多樣性，有利于團聚體的形成；但同時泥炭透水性較強、灰分含量也比較高[29]，影響了水穩性團聚體的形成，從而導致抗侵蝕能力較弱。腐植酸的加入能夠有效地增加復墾土壤大團聚體的含量，同時也提高了抗侵蝕能力，且在6 個月后效果更加明顯，尤其是5%腐植酸處理下≤0.25 mm 的水穩性團聚體下降到了50%以下，可能是因為復墾土壤覆土為黃土，鈣離子含量較高，腐植酸當中的羥基、羧基和鈣在土壤中發生聚合反應，土壤結構發生改變，體積密度減小，孔隙率增大，使水穩定性能更高的團聚體數量增加[30]，從而加強了土壤的抗侵蝕能力；但其活性需要一定時間才能發揮，隨著時間的增加，控制力也會繼續加強，這與何坤[20]的研究結果類似，隨著腐植酸加入時間的增加，控制力繼續加強。蛭石的加入能夠迅速影響土壤團聚體組成，大團聚體的減少和微團聚體的增加在分篩時就可以看出，蛭石本身密度小、質量輕[31-32]、粒徑集中在微團聚體的水平，隨著濃度的增加，加劇影響了團聚體的組成，同時蛭石作為黏土礦物也因為其優秀的吸附能力在一定程度上增加了＞0.5～1.0、＞0.25～0.50 mm 粒徑的團聚體含量。

2.2 不同改良劑對復墾土壤團聚體穩定性的影響

以0.25 mm 為界限，團聚體被分為大團聚體（Macroaggregates）和微團聚體（Microaggregates）。不同粒徑團聚體在養分的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用[33]，SIX 等[34]研究發現，＞0.25 mm的團聚體是土壤中最好的結構體，其在土壤中所占的比例大小（R＞0.25）可用來反映土壤結構的優劣，其數量越大土壤肥力越高。

由圖3 可知，3 個月和6 個月時干篩法獲得的各處理機械穩定性R＞0.25在74.52%～88.70%，且各處理間無明顯差異。從濕篩法得到的各處理水穩性R＞0.25在28.16%～60.77%，3 個月時3%和5%腐植酸處理下的大團聚體含量與CK 相比顯著增加，分別增加了44.03%和43.57%；6 個月時3%和5%腐植酸處理下的大團聚體含量與CK 相比也顯著增加，且與其他處理間有顯著性差異（P＜0.05）。說明3%和5%腐植酸處理下的土壤有更強的穩定性和抗侵蝕能力。

團聚體破壞率（PAD）是表征土壤團聚體水穩性的主要指標，其值越小，團聚體穩定性越高[35]。由圖4 可知，不管是在3 個月還是在6 個月時腐植酸處理下PAD 都比較低，尤其是在3%和5%腐植酸處理下PAD 分別達到了41.95%、43.91%和43.84%、31.48%，與CK 相比顯著下降。在6 個月時，3%蛭石處理下與CK 相比也顯著降低，較CK 降低了31.68%，其他處理與CK 相比無顯著變化。

整體來看，在加入改良劑后不同程度上增加了R＞0.25的含量，降低了PAD。其中，腐植酸的效果最好，6 個月5%腐植酸處理下的PAD 達到31.48%，泥炭效果在機械穩定團聚體中較好，在水穩性團聚體中較差，蛭石整體效果較差。劉夢云等[36]研究發現，土壤中＞0.25 mm 粒徑團聚體含量越高，團聚體分布越集中，團聚體越不容易被破壞，土壤結構越穩定。由此可以看出，腐植酸的加入有效地增加了土壤團聚體的穩定性，減少了團聚體的破壞，改善了復墾土壤結構，提高了復墾土壤質量。

2.3 不同改良劑對復墾土壤團聚體直徑的影響

土壤團聚體平均質量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）能夠有效反映和評價土壤團聚體大小分布狀況及其穩定性。由圖5、6 可知，干篩條件下，3 個月時5%泥炭處理下的MWD（3.28）和GMD（2.20）最大；6 個月時5%腐植酸處理下的MWD（3.55）和GMD（2.48）最大。濕篩條件下，3 個月時各處理MWD 和GMD 變化不顯著；6 個月時5%腐植酸處理下的MWD（1.26）和GMD（0.63）最大，與CK相比差異顯著；蛭石處理下MWD 和GMD 均出現了比CK 小的現象，效果較差。

通常情況下，MWD 和GMD 值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩定性越強[37-39]。干篩條件下，泥炭處理的MWD、GWD 值最大，但濕篩條件下卻顯著低于腐植酸處理，驗證了之前提到的泥炭顯著增加了大團聚體的含量，但抗侵蝕能力不強的結論。在濕篩條件下，腐植酸MWD、GWD 值最大，說明腐植酸的加入有效改善了土壤質量，增強了團聚體穩定性，同時形成相當數量的膠結物質，使土壤團聚體不易在水中分散，同時增強了復墾土壤的抗侵蝕能力。

2.4 不同改良劑對復墾土壤團聚體分形維數的影響

通過回歸分析得到的不同改良劑處理下的土壤團聚體分形維數如圖7、8 所示，干篩條件下，3 個月和6 個月的土壤團聚體分形維數分別在2.48～2.69 和2.47～2.65，3 個月時5%泥炭處理下土壤團聚體分形維數最小，但與其他處理沒有顯著差異；6個月時5%腐植酸處理下土壤團聚體分形維數最小，但與其他處理沒有顯著差異。濕篩條件下，3 個月和6 個月的土壤團聚體分形維數分別在2.83～2.91 和2.76～2.91，3 個月和6 個月時都是在腐植酸處理下土壤團聚體分形維數最小，但與其他處理沒有顯著差異。

分形維數（D）與團聚體粒徑分布有關，也能較好地描述土壤團聚體數量組成，≤0.25 mm 團聚體含量越低，分形維數越小，說明其土壤結構穩定性越好[27，40-41]。綜上可知，不管是干篩還是濕篩分形維數的最低點均出現在腐植酸處理下，可以看出，腐植酸處理優于其他處理。充分說明腐植酸的加入對土壤結構的改善效果較好。

2.5 土壤團聚體組成各參數間相關性分析

由表1、2 可知，干篩和濕篩各處理的MWD 和GWD 呈極顯著正相關，且MWD、GWD 均與D 值呈極顯著負相關，干篩相關系數分別為0.988、-0.851和-0.896，濕篩相關系數分別為0.984、-0.865 和-0.938，即隨著MWD 和GWD 的增加，D 值減少。MWD 和GWD 與不同粒徑的團聚體含量有關。從表1 可以看出，MWD 和GWD 與＞5 mm 粒徑的機械穩定性團聚體呈極顯著正相關，與＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm 粒徑的機械穩定性團聚體呈極顯著或顯著負相關，以5 mm 團聚體粒級為其正負相關性界限；在水穩性團聚體分析中（表2），MWD 和GWD 與＞5、＞2～5、＞1～2 mm 粒徑的水穩性團聚體呈極顯著正相關，與≤0.25 mm 粒徑的水穩性團聚體呈極顯著負相關，以0.25 mm 團聚體粒級為其正負相關性界限。干篩條件下，＞5 mm 粒徑的機械穩定性團聚體與D 值呈極顯著負相關，＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm 粒徑的機械穩定性團聚體與D 值呈顯著正相關；濕篩條件下，＞5、＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0 mm 粒徑的水穩性團聚體與D 值呈極顯著負相關，≤0.25 mm 粒徑的水穩性團聚體與D 值呈極顯著正相關。

表1 土壤機械穩定性團聚體組成各參數間相關性分析

表2 土壤水穩性團聚體組成各參數間相關性分析

綜合評價可知，干篩條件下，＞5 mm 粒徑的團聚體與MWD 和GMD 呈極顯著正相關，與D 值呈極顯著負相關，改良劑的加入增加了復墾土壤中＞5 mm 粒徑團聚體的含量，從而導致了MWD 和GMD 的增加與D 值的減小；濕篩條件下，≤0.25 mm粒徑的團聚體與MWD 和GMD 呈極顯著負相關，與D 值呈極顯著正相關，改良劑的加入減少了復墾土壤中≤0.25 mm 粒徑的水穩性團聚體含量，使MWD 和GMD 減小，D 值增大。同時，土壤機械穩定團聚體和水穩性團聚體的MWD 與GMD 呈極顯著正相關，且二者均與分形維數D 值極顯著負相關。復墾土壤的MWD 和GMD 增大、D 值減小，表明MWD、GMD 和D 值能很好地反映復墾土壤的團聚體穩定性，且在表征過程中具有一致性。安婉麗等[42]和王志強等[39]的研究結果也發現，土壤團聚體MWD和GMD 總體顯著增大，D 值則顯著減小。

3 結論

本研究結果表明，使用改良劑能夠不同程度地改善復墾土壤質量，增強復墾土壤團聚體穩定性。泥炭的加入能夠提高復墾土壤機械穩定性團聚體的穩定性，但抗侵蝕能力較弱；腐植酸的加入有效提高了復墾土壤團聚體穩定性，增強了抗侵蝕能力，且在6 個月時效果更加明顯；蛭石的效果較差，對土壤穩定性的提高無明顯效果。

MWD 與GMD 呈極顯著正相關，且二者均與分形維數D 值呈極顯著負相關，MWD、GMD 和D 值能很好地反映復墾土壤的團聚體穩定性，且在表征過程中具有一致性。當土壤中加入5%的腐植酸進行改良后，土壤團聚體分形維數最小，團聚體最穩定。可見，改良劑對土壤結構的改善已有初步效果，但土壤肥力方面仍需進一步研究。