礦區(qū)塌陷復(fù)墾地土壤養(yǎng)分及酶活性的變化

喬志偉，李金嵐，洪堅(jiān)平，謝英荷

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

由于大規(guī)模采煤，礦區(qū)土地塌陷，使得山西省成為全國(guó)礦區(qū)土地破壞最嚴(yán)重的省份之一[1]。在轉(zhuǎn)型發(fā)展的今天，土地問(wèn)題日益嚴(yán)重，土地的復(fù)墾可以在一定程度上解決人地矛盾和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。但礦區(qū)被破壞的土地肥力低[2]，土壤結(jié)構(gòu)不良，土壤壓實(shí)現(xiàn)象比較嚴(yán)重[3]；土壤中的微生物區(qū)系稀少，生物多樣性較少且生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差[4-5]，而提高復(fù)墾土壤的肥力是土地復(fù)墾成功與否的關(guān)鍵所在[6-9]。土壤酶是一種由生物產(chǎn)生的、具有蛋白質(zhì)性質(zhì)的高分子生物催化劑，具有加速土壤生化反應(yīng)的功能。土壤中的一切生化過(guò)程，包括動(dòng)植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w的分解及其有機(jī)質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，都是在酶的參與下進(jìn)行和完成的[10]。由于土壤酶在土壤有機(jī)質(zhì)分解和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)中扮演重要角色[11-12]，可以作為衡量土壤質(zhì)量的一個(gè)潛在指標(biāo)[13]。

在長(zhǎng)治襄垣五陽(yáng)煤礦的采煤沉陷區(qū)復(fù)墾土壤上通過(guò)不同施肥處理和玉米試驗(yàn)，研究復(fù)墾土壤養(yǎng)分和酶活性的情況，旨在為培肥土壤提供理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間 試驗(yàn)地位于長(zhǎng)治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)西山底村，該地為采煤塌陷后經(jīng)混推造地的土壤，地力貧瘠，有機(jī)質(zhì)6.28 g/kg，全氮0.06 g/kg，堿解氮 25.86 mg/kg，速效磷 4.46 mg/kg，速效鉀133.9 mg/kg。于2009年4月27日播種玉米，10月10日收獲。土樣采集時(shí)間為玉米的4個(gè)生育期，即苗期（6月2日），拔節(jié)期（7月15日），抽雄期（8月20日），成熟期（10月10日）。采樣深度為0～20 cm，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按S形路線(xiàn)多點(diǎn)（10個(gè)點(diǎn)）采樣，混合后作為該小區(qū)的代表樣品。

1.1.2 供試作物 供試作物為玉米，品種為瑞普9號(hào)。

1.1.3 供試肥料 供試化肥為尿素（N 46%）、磷酸一銨（有效N 11%，P2O544%）、硫酸鉀（K2O 50%）。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥基本養(yǎng)分含量：雞糞47.5%（N 2.8%，P 1.4%，K 0.8%，有機(jī)質(zhì) 23.5%），尿素20.1%，磷酸一銨13%，氯化鉀15.2%，腐植酸5%，硫酸鋅1%。菌肥由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)按照等量施肥的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)處理分別為（1）對(duì)照（CK）：不施肥；（2）化肥（C）：施入尿素630 kg/hm2，磷酸一銨879 kg/hm2，硫酸鉀 481.5 kg/hm2；（3）化肥 + 有機(jī)肥（CM）：尿素600 kg/hm2，磷酸一銨為813 kg/hm2，硫酸鉀為473.1 kg/hm2，雞糞為 1 398 kg/hm2；（4）化肥 + 有機(jī)肥 +菌肥（CMB）：尿素為 600 kg/hm2，磷酸一銨為 813 kg/hm2，硫酸鉀為 473.1 kg/hm2，雞糞為1 398 kg/hm2，菌肥用量67.5 kg/hm2。試驗(yàn)小區(qū)面積為163.2 m2，每小區(qū)重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 土壤樣品的采集與處理 每個(gè)小區(qū)按S形路線(xiàn)多點(diǎn)采樣，混勻后用四分法取約1 kg田間采回的土樣過(guò)2 mm篩，剔除植物殘?jiān)螅徊糠直４嬗?℃冰箱中，用于進(jìn)行酶活性分析；其余土壤風(fēng)干，用于土壤基本物理性狀的測(cè)定。

1.3.2 土壤養(yǎng)分的測(cè)定[14]土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀用NH4OAC浸提，火焰光度法測(cè)定；土壤全氮用濃硫酸消煮-半微量凱氏法測(cè)定；土壤全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀用NaOH熔融-原子吸收法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定。

1.3.3 土壤酶活性的測(cè)定[15]土壤磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；土壤脲酶用次氯酸鈉比色法測(cè)定；土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)礦區(qū)塌陷復(fù)墾土壤養(yǎng)分的影響

礦區(qū)土地復(fù)墾的主要限制因子是土壤肥力和pH值過(guò)低以及N，P和有機(jī)質(zhì)缺乏，重金屬含量較高。經(jīng)過(guò)不同的施肥處理，土壤中的堿解氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)和全氮含量均有所提高（表1）。

表1 玉米生育期內(nèi)不同施肥處理礦區(qū)塌陷復(fù)墾土壤的養(yǎng)分含量

從表1可以看出，在玉米各生育時(shí)期，各種施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的提高是不相同的。在苗期，3種施肥處理堿解氮含量明顯高于CK，且各處理之間差異顯著，C處理比CK提高70%，CM處理比CK提高52%，CMB處理比CK提高了42%，含量大小順序?yàn)镃＞CM＞CMB＞CK。在拔節(jié)期，含量大小順序?yàn)镃M＞CMB＞C＞CK。抽雄期，含量大小順序?yàn)镃M＞CMB＞C＞CK。成熟期，含量大小順序?yàn)镃MB＞CM＞C＞CK。

對(duì)于全氮，在苗期，C處理比CK提高11%，CM處理比CK提高60%，CMB處理比CK提高79%，含量大小順序依次為CMB＞CM＞C＞CK，CM和CMB處理之間差異顯著，且二者顯著高于CK和C處理，CK和C處理之間差異不顯著；拔節(jié)期，各處理之間全氮含量差異不顯著；抽雄期，各種處理土壤全氮含量差不多，處理之間差異不顯著；成熟期，含量大小順序依次為CM＞CMB＞C＞CK，其中CM和CMB這2個(gè)施肥處理全氮含量顯著高于CK，且二者之間差異顯著，但C處理與CK之間差異不顯著。

不同施肥處理對(duì)土壤速效磷含量都有不同程度的提高，玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、成熟期C處理相對(duì)于各時(shí)期的CK提高42%～53%，CM處理相對(duì)于各時(shí)期的CK提高64%～76%，CMB處理相對(duì)于各時(shí)期的CK提高71%～80%。CM和CMB處理在玉米生育期內(nèi)對(duì)土壤速效磷的提高幅度明顯高于C處理，說(shuō)明施用有機(jī)肥對(duì)土壤磷的轉(zhuǎn)化作用較明顯。

不同施肥處理對(duì)土壤速效鉀含量都有不同程度的提高，玉米苗期至抽雄期各處理之間差異不顯著，成熟期3種施肥處理的速效鉀含量明顯高于CK處理。

有機(jī)質(zhì)是反映土壤質(zhì)量的直接指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)含量的高低可以反映出土壤質(zhì)量的好壞。不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量都有不同程度的影響，苗期，C處理比CK提高32%，CM處理比CK提高81%，CMB處理比CK提高100%，含量大小依次為CMB＞CM＞C＞CK，各處理之間差異顯著；拔節(jié)期，C處理比CK提高了32%，CM處理比CK提高74%，CMB處理比CK提高95%，含量大小依次為CMB＞CM＞C＞CK，各處理之間差異顯著；抽雄期，C處理比CK提高9%，CM處理比 CK提高 121%，CMB處理比 CK提高107%，含量大小依次為CM＞CMB＞C＞CK，各處理之間差異顯著；成熟期，C處理比CK提高38%，CM處理比CK提高84%，CMB處理比CK提高102%，含量大小依次為CMB＞CM＞C＞CK，3種施肥處理有機(jī)質(zhì)含量都顯著高于對(duì)照處理，但3種處理之間差異不顯著。

2.2 不同施肥處理對(duì)礦區(qū)塌陷復(fù)墾土壤酶活性的影響

2.2.1 不同處理對(duì)土壤脲酶活性的影響 脲酶能酶促尿素的水解，對(duì)尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化具有較大影響。因此，脲酶活性與土壤供N能力有密切的關(guān)系，對(duì)施入土壤尿素的利用率影響很大。

從圖1可以看出，玉米各生育時(shí)期不同施肥處理土壤脲酶含量是不同的。在苗期，C處理土壤脲酶含量最大，比CK增加38%；其次是CM；CMB增加最小，只增加了4%。在拔節(jié)期，脲酶含量大小依次為CM＞CMB＞C＞CK，各施肥處理分別比不施肥處理提高62%，54%，14%。在抽雄期，以CMB提高最大，增加71%。在成熟期，土壤脲酶含量CM，CMB，C分別比CK提高了82%，73%，14%。苗期C處理施入尿素較多，直接刺激土壤脲酶的產(chǎn)生，含量較其他處理高。在其他生育時(shí)期，均是CM和CMB處理脲酶含量增加多，說(shuō)明有機(jī)肥和菌肥對(duì)于土壤脲酶活性影響較大，并且是長(zhǎng)期的。從圖1還可以看出，在抽雄期，可能是由于氣候干旱，水分缺乏（水分是酶反應(yīng)的介質(zhì)），脲酶活性較低。

2.2.2 不同處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響 通過(guò)玉米大田試驗(yàn)，不同的施肥處理對(duì)礦區(qū)塌陷復(fù)墾土壤蔗糖酶活性的影響分析如圖2所示。

從圖2可以看出，玉米生育期內(nèi)不同施肥處理對(duì)土壤蔗糖酶活性都有顯著提高，其中CM和CMB處理對(duì)蔗糖酶活性的提高明顯高于C處理，C處理高于CK，且各處理之間差異顯著（P＜0.05）。苗期，以CMB處理蔗糖酶活性最高，含量依次為CMB＞CM＞C＞CK。拔節(jié)期，同樣以CMB處理活性最高，不施肥處理含量最低，CMB，CM，C處理分別比CK增加了101%，48%，21%。抽雄期，以CM處理蔗糖酶活性最高。成熟期，以CMB處理蔗糖酶活性最高。總體看，CM和CMB處理對(duì)蔗糖酶活性提高作用明顯。經(jīng)回歸分析，有機(jī)質(zhì)與蔗糖酶的相關(guān)系數(shù)為0.93，二者之間差異極顯著。CM和CMB處理都施有有機(jī)肥，有機(jī)肥分解產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)，因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)是土壤微生物的碳源和能源[16-19]，而蔗糖酶正是把高分子量蔗糖分子分解成能夠被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖的水解酶，為土壤生物體提供充分能源的酶類(lèi)，故CM和CMB處理土壤蔗糖酶含量較高。

2.2.3 不同處理對(duì)土壤磷酸酶活性的影響 從圖3可以看出，3種施肥處理在玉米整個(gè)生育期內(nèi)對(duì)磷酸酶活性都有提高作用。C處理在玉米生育期內(nèi)相對(duì)于各時(shí)期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了14%～67%，CM處理在玉米生育期內(nèi)相對(duì)于各時(shí)期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了16%～106%，CMB處理在玉米生育期內(nèi)相對(duì)于各時(shí)期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了26%～143%。

土壤磷酸酶含量在玉米各個(gè)時(shí)期都是施肥處理高于對(duì)照，且3種施肥處理與CK相比，差異顯著。

在苗期，CMB含量最高，C和CM處理之間差異不顯著。在拔節(jié)期，以CM含量最高，CMB次之。在抽雄期，以CMB含量最高，C和CM處理之間差異不顯著。在成熟期，以CMB含量最高，與其他3種處理差異顯著?？傮w看，CMB處理對(duì)土壤磷酸酶含量影響最大，能顯著提高土壤磷酸酶的活性。經(jīng)回歸分析，土壤磷酸酶與速效磷之間的相關(guān)系數(shù)為0.71，呈顯著水平。

3 結(jié)論

3.1 不同施肥處理礦區(qū)塌陷復(fù)墾地玉米生長(zhǎng)期土壤養(yǎng)分的變化

不同施肥處理對(duì)土壤堿解氮都有不同程度的提高，化肥、化肥+有機(jī)肥、化肥+有機(jī)肥+菌肥處理分別提高4%～40%，25%～52%，24%～52%，對(duì)照土壤堿解氮含量在玉米整個(gè)生育期變化不大。3 種施肥處理堿解氮含量在拔節(jié)期和抽雄期略有下降，成熟期又有所回升。

不同時(shí)期不同施肥處理對(duì)全氮的影響不同，化肥、化肥+ 有機(jī)肥、化肥+ 有機(jī)肥+ 菌肥處理分別提高2%～11%，10%～60%，9%～79%，基本上表現(xiàn)為化肥+ 有機(jī)肥和化肥+ 有機(jī)肥+ 菌肥2種施肥處理土壤全氮含量高于其他處理，而抽雄期對(duì)照全氮含量略高于施肥處理。

在玉米整個(gè)生育期內(nèi)施肥處理土壤中的速效磷含量明顯高于對(duì)照，化肥、化肥+有機(jī)肥、化肥+ 有機(jī)肥+ 菌肥處理分別比對(duì)照提高42%～53%，64%～76%，71%～80%，且化肥+ 有機(jī)肥、化肥+有機(jī)肥+菌肥與化肥處理之間差異顯著，但化肥+ 有機(jī)肥與化肥+ 有機(jī)肥+ 菌肥處理之間差異不顯著。

不同施肥處理對(duì)土壤速效鉀含量都有不同程度的提高，化肥、化肥+ 有機(jī)肥、化肥+ 有機(jī)肥+ 菌肥處理分別比對(duì)照提高了1%～38%，16%～32%，21%～47%，玉米苗期至抽雄期各處理之間差異不顯著，成熟期3 種施肥處理顯著高于對(duì)照。

3.2 不同施肥處理礦區(qū)塌陷復(fù)墾地玉米生長(zhǎng)期土壤酶活性的變化

玉米生育期內(nèi)不同施肥處理對(duì)土壤脲酶活性都有所提高，對(duì)土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均有顯著提高，其中化肥+有機(jī)肥和化肥+有機(jī)肥+菌肥處理對(duì)蔗糖酶活性的提高明顯高于化肥和不施肥處理。

綜上所述，有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥和生物肥料混合施用來(lái)復(fù)墾土壤，才能快速培肥土壤，從而達(dá)到復(fù)墾的目的。

［1］王巧妮，陳新生，張智光.我國(guó)采煤塌陷地復(fù)墾的現(xiàn)狀、問(wèn)題和原因分析[J].能源環(huán)境保護(hù)，2008，22（5）：49-53.

［2］ Chen H，Zheng Y，Zhu Y.Phosphorus：a limiting factor for restoration of soil fertility in a newly reclamated coal mined site in Xuzhou，China[J].Land Degradation&Development，1996，9（2）：176-183．

［3］Wei Z Y，Hu Z Q，Bai Z K.The loose heaped ground method of soil reconstruction on the stack piles of open pit coalmine[J].Journal ofChina Coal Society，2001，26（1）：18-21．

［4］Bi Y L，Hu Z Q.Respective of applying VA mycorrhiza to reclamation[C]//Mine Land Reclamation and Ecological Restoration f or 21 Century—Beijing international symposium on land reclamation.Beijing：China Coal Industry Publishing House，2000：555-559．

［5］范繼香，郜春花，盧朝東，等.礦區(qū)土壤微生物多樣性研究概述[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（3）：55-58.

［6］胡振琪.露天煤礦土地復(fù)墾研究 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995．

［7］ Moffat A J，Mcneill J D.Reclaiming disturbed land for forestry[M].London：HMSO，1994：112．

［8］劉飛，陸林.采煤塌陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)研究進(jìn)展[J].自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（4）：613-620．

［9］李新舉，胡振琪，李晶，等.采煤塌陷地復(fù)墾土壤質(zhì)量研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（6）：617-622.

［10］李春霞，陳阜，王俊忠，等.秸稈還田與耕作方式對(duì)土壤酶活性動(dòng)態(tài)變化的影響[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006（11）：68-70.

［11］Jin K，Sleutel S，Buchan D，et al.Changes ofsoil enzyme activities under different tillage practices in the Chinese Loess Plateau[J].Soil&Tillage Research，2009，104：115-120.

［12］賈偉，周懷平，解文艷，等.長(zhǎng)期秸稈還田秋施肥對(duì)褐土微生物碳、氮量和酶活性的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2008，23（2）：138-142.

［13］ Bandic A K，Dick R P.Field management effects on enzyme activities[J].SoilBiology&Biochemistry，1999，31：1471-1479.

［14］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［15］關(guān)松萌.土壤酶及其研究方法[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［16］邱莉萍，劉軍，王益權(quán)，等.土壤酶活性與土壤肥力的關(guān)系研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2004，10（3）：277-280.

［17］袁玲，鄭蘭君.長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤酶活性和氮磷養(yǎng)分的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1997，3（4）：300-306.

［18］李科江，張素芳.半干旱區(qū)長(zhǎng)期施肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1999，5（1）：21-25.

［19］Mandal A，Patra A K，Singh D，et al.Effect of long-term application of manure and fertilizer on biological and biochemical activities in soil during crop development stages[J].Bioresour Techn，2007，98：3585-3592.?