不同作物對采煤復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分及酶活性的影響

孫樂樂，查建軍，馬志帥，孫慶業(yè)

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

【研究意義】兩淮煤炭基地地處高潛水區(qū)域，大量的煤炭開采不僅導(dǎo)致了一定的生態(tài)環(huán)境問題，還形成了大面積的采煤沉陷積水區(qū)[1]。為緩解因農(nóng)田喪失而導(dǎo)致的礦農(nóng)矛盾，兩淮地區(qū)采取多種方式對采煤沉陷區(qū)實(shí)施土地復(fù)墾，增加陸地面積[2-4]。相對于長期農(nóng)業(yè)耕作的農(nóng)田，人工復(fù)墾的采煤沉陷區(qū)的表層土壤往往具有緊實(shí)度高、養(yǎng)分貧瘠等問題，對種作物的生長造成不良影響[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】為改善復(fù)墾區(qū)表層土壤板結(jié)、貧瘠的不良性質(zhì)，往往采用人工種植植物(尤其是豆科植物)方式提高土壤的肥力。植物的生長不僅能夠有效提高表層土壤中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分含量，還能夠有效降低土壤容重、改善表層土壤的結(jié)構(gòu)[3-4]。研究表明，種植于復(fù)墾區(qū)土壤上的植物使表層土壤中有機(jī)質(zhì)、總氮、有效磷含量增加，但不同植物在改善復(fù)墾區(qū)表層土壤理化性質(zhì)方面存在一定的差異[2-3]。土壤中的各種酶通過參與碳、氮、磷、硫等元素的轉(zhuǎn)化不僅促進(jìn)土壤中元素循環(huán)，同時(shí)也為植物所需養(yǎng)分的及時(shí)滿足提供保障，因此土壤酶活性往往是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[6]。研究表明在復(fù)墾過程中不同植物對土壤酶活性的影響是十分顯著的[3,7-8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】兩淮采煤沉陷區(qū)所處區(qū)域主要以旱作為主，主要種植方式為小麥-玉米輪作，油料作物大豆、芝麻等也有一定種植規(guī)模。近年來，隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，飼料作物的種植面積也逐漸增加。本研究以淮南潘集新近復(fù)墾的采煤復(fù)墾地為研究對象，分別種植油料作物芝麻(Sesamumindicum)和黃豆(Glycinemax)、飼料作物紫花苜蓿(Medicagosativa)和蘇丹草(Sorghumsudanense)以及糧食作物玉米(Zeamays)，通過分析不同作物對復(fù)墾區(qū)表層土壤中養(yǎng)分和酶活性的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在探索出一套既能夠使復(fù)墾區(qū)土地得到有效利用，同時(shí)又能使表層土壤養(yǎng)分和酶活性得到有效提高的采煤沉陷復(fù)墾區(qū)作物種植模式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮南潘集采煤復(fù)墾區(qū)地處黃淮平原南端、南鄰淮河，為暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均溫度為15 ℃左右，年降雨量937 mm，年均相對濕度76 %，年日照時(shí)數(shù)2279.2 h，無霜期224 d，降雨主要集中于6-9月。自20世紀(jì)80年代以來，隨著幾個(gè)大型煤礦井先后在本區(qū)建成投產(chǎn)，目前該地區(qū)已形成多處采煤沉陷積水區(qū)，通過“非充填采煤沉陷地生態(tài)修復(fù)模式”和“充填采煤沉陷地生態(tài)修復(fù)模式”[9]，該區(qū)域采煤沉陷區(qū)土地已得到較好的利用。本研究所在區(qū)域即為一處采用充填采煤沉陷地生態(tài)修復(fù)模式建立的復(fù)墾區(qū)，復(fù)墾后的區(qū)域分別種植了桃、楊樹等木本植物，局部區(qū)域作為農(nóng)作物種植區(qū)種植小麥、玉米和黃豆等農(nóng)作物。

1.2 作物種植設(shè)計(jì)

2017年5月，在淮南潘集東辰生態(tài)園區(qū)選擇一塊地勢平坦、新近復(fù)墾的區(qū)域作為試驗(yàn)地。試驗(yàn)地共設(shè)置18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每小區(qū)面積15 m2(長×寬=5 m×3 m)，各個(gè)小區(qū)之間保留2 m間隙。共種植5種作物：玉米(株距×行距=50 cm×50 cm、每穴定植1株)、芝麻(株距×行距=20 cm×20 cm、每穴定植1株)、黃豆(株距×行距=20 cm×20 cm、每穴定植1株)、紫花苜蓿(株距×行距=50 cm×50 cm、每穴定植3株)、蘇丹草(株距×行距=30 cm×30 cm、每穴定植1株)，作物采用穴播方式，每種作物3個(gè)重復(fù)小區(qū)(試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列)。同時(shí)設(shè)置3個(gè)不種植作物對照小區(qū)。

1.3 土壤采集與預(yù)處理

生長季結(jié)束時(shí)(2017年11月)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采用對角線布點(diǎn)法采集3個(gè)土壤亞樣品混合成一個(gè)土樣(采集深度：0～20 cm)，采集的土壤樣品現(xiàn)場裝入密封袋內(nèi)，放置于放有冰袋的保溫盒內(nèi)。野外采集的土壤樣品除部分新鮮樣用于氨氮、硝氮的測定外，其余樣品于室內(nèi)風(fēng)干、研磨過1和0.125 mm篩備用。

1.4 土壤化學(xué)性質(zhì)與酶活性的測定

土壤 pH 值用酸度計(jì)測定(水∶土 = 5 mL∶1 g)，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮用凱氏定氮法測定，新鮮土壤樣品中的銨氮和硝氮采用NaCl提取、靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度法測定，土壤有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

SPSS 19.0 軟件用于不同處理土壤養(yǎng)分和酶活性數(shù)據(jù)分析，其中單因素方差分析(Duncan法)用于比較不同處理之間的差異，雙變量相關(guān)分析(Pearson 2-tailed test)用于土壤養(yǎng)分與土壤酶活性間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作物對復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分的影響

表1表明，復(fù)墾區(qū)表層土壤基本處于弱堿性，與未種植作物的對照相比，所種植的5種作物均顯著降低了表層土壤的pH，平均降低0.29～0.31個(gè)單位，但所種植的5種作物之間表層土壤的pH并無差異。新復(fù)墾的區(qū)域表層土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量很低，二者的含量分別僅為0.26 %和175.3 mg/kg。種植一季5種作物之后，表層土壤中有機(jī)質(zhì)和總氮含量顯著增加，增加量平均達(dá)到115 %～185 %。黃豆的種植不僅顯著提升了復(fù)墾區(qū)表層土壤中總氮的含量，也增加了銨氮含量。對銨氮而言，兩種豆科植物(黃豆、紫花苜蓿)和蘇丹草對銨氮含量的提升能力高于玉米和芝麻。盡管作物的種植并未增加表層中硝態(tài)氮含量，但所種植的5種作物均能夠顯著提升表層土壤中有效磷的含量，有效磷含量平均增加了61 %～152 %，其中芝麻和黃豆對有效磷含量的提升效果較玉米、紫花苜蓿和蘇丹草顯著。

綜合表1數(shù)據(jù)可以看出，在所種植的5種作物中，黃豆的種植根有利于復(fù)墾區(qū)表層土壤中氮素積累，而芝麻種植則更有利于提升表層土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量。這一結(jié)果表明，在5種作物中，芝麻和黃豆兩種油料作物更有利于復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分狀況的改善，其次為2種飼料作物(紫花苜蓿和蘇丹草)，糧食作物玉米對于表層土壤養(yǎng)分改善效果最差。

表1 表層土壤化學(xué)性質(zhì) (n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

注：同列內(nèi)不同字母表示顯著性差異(P≤0.05)，下同。

表2 表層土土壤酶活性(n=3，平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

2.2 種植不同植物土壤酶活性的差異

從表2可以看出，作物的種植對表層土壤中過氧化氫酶活性并未產(chǎn)生顯著影響。與未種植作物的對照相比，僅有種植黃豆的試驗(yàn)小區(qū)中表層土壤中脲酶活性顯著增加(增加了513 %)。雖然玉米、芝麻、紫花苜蓿和蘇丹草的種植提高了土壤脲酶的活性，但脲酶活性的提高(提高了182 %～335 %)并未達(dá)到顯著水平。即使在同一處理中，不同試驗(yàn)小區(qū)脲酶活性也存在較大的變化，脲酶活性波動(dòng)性很大。

不同于過氧化氫酶和脲酶，作物的種植顯著提高了復(fù)墾區(qū)表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性。與未種植作物的對照區(qū)相比，作物的種植使復(fù)墾區(qū)表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性平均分別提高了1611 %～2393 %和374 %～469 %。如同脲酶一樣，即使在同一處理中，不同試驗(yàn)小區(qū)堿性磷酸酯酶活性的波動(dòng)性也很大，從而表現(xiàn)出較大的標(biāo)準(zhǔn)誤。

綜合比較5種作物對表層4種土壤酶活性的影響，可以看出芝麻對于能夠有效提升表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性，而黃豆不僅可以提高表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性，同時(shí)也能提高脲酶活性。相比于糧食作物玉米和兩種飼草作物，通過種植兩種油料作物實(shí)現(xiàn)新復(fù)墾表層土壤酶活性的提高是較為適宜的選擇。

2.3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)性

土壤養(yǎng)分含量與酶活性高低是反映土壤肥力和土壤健康狀況的重要指標(biāo)，二者之間相互聯(lián)系、相互影響。相關(guān)分析(表3)發(fā)現(xiàn)，表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性與pH與呈極顯著的負(fù)相關(guān)，而與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；總氮與脲酶、堿性磷酸酯酶呈極顯著正相關(guān)，有效磷也與蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性呈顯著和極顯著的正相關(guān)。過氧化氫酶活性與所測定的各項(xiàng)土壤化學(xué)指標(biāo)之間并無相關(guān)性；土壤中的銨氮、硝態(tài)氮也與所測定的4種土壤酶活性物相關(guān)性。

3 討 論

在采煤沉陷區(qū)填充復(fù)墾過程中，由于填充在表層的土壤一般來自于其他地方的C層土壤，加之施工過程中大型機(jī)械的碾壓，從而導(dǎo)致填充復(fù)墾區(qū)表層土壤具有貧瘠、板結(jié)的問題[16-17]。貧瘠的土壤導(dǎo)致作物生長所需的養(yǎng)分供給嚴(yán)重不足，而板結(jié)又直接影響作物根系的生長和伸展[16]，另外某些煤礦復(fù)墾區(qū)的表層土壤中還存在著重金屬污染問題[18-19]，采煤復(fù)墾區(qū)這些惡劣的土壤理化性質(zhì)嚴(yán)重限制了作物的生長。

表3土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系

注：*表示相關(guān)系數(shù) 在P< 0.05 水平上顯著相關(guān)；**表示相關(guān)系數(shù) 在P<0 .01 水平上顯著相關(guān)。

已有的研究表明，采煤沉陷區(qū)表層養(yǎng)分含量一般處于較低的水平[20-21]。本研究中，對照區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)平均含量僅為2.6和0.175 g/kg，均處于極缺乏水平。盡管5種作物種植一季之后，有機(jī)質(zhì)和總氮含量提高到5.5～7.4和0.385～0.575 g/kg，但仍然處于極缺乏-缺乏水平。周育智[22]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潘集采煤沉陷復(fù)墾區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量介于4.49～6.53 g/kg，處于有機(jī)質(zhì)極缺乏-缺乏水平，這與本研究結(jié)果基本一致。

為了提高復(fù)墾區(qū)表層土壤中作物生長所需的養(yǎng)分，經(jīng)常采用人工施肥措施(如投施化學(xué)肥料、增施有機(jī)肥等[17，23])提高復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量。研究也發(fā)現(xiàn)，作物種類(或植被類型)對復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量也產(chǎn)生顯著的影響[2]?？傮w而言，本研究中經(jīng)濟(jì)作物芝麻和黃豆更有利于復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量的增加，飼料作物紫花苜蓿和蘇丹草次之，糧食作物玉米最差。相對于玉米和兩種飼草作物，黃豆和芝麻不僅有利于復(fù)墾區(qū)表層土壤中有機(jī)質(zhì)和總氮含量的增加，也有利于有效磷含量的提升。不同植物對土壤養(yǎng)分的改善不僅與根系分泌物類型、植物凋落物成分與數(shù)量等有關(guān)，還與植物-根際微生物相互協(xié)作等過程密切相關(guān)。

5種作物種植均導(dǎo)致復(fù)墾區(qū)表層土壤pH下降、有機(jī)質(zhì)和總氮含量增加。表層土壤pH、有機(jī)質(zhì)和總氮的變化一方面與作物根際分泌物有關(guān)另一方面與植物凋落物的分解轉(zhuǎn)化有關(guān)。劉鵬等[24]和陳利等[25]研究表明黃豆和玉米的根際能夠分泌檸檬酸，等有機(jī)酸，賀根和[26]等發(fā)現(xiàn)芝麻的根際也能夠分泌氨基酸、糖類等有機(jī)物，紫花苜蓿的根系分泌物包括酯類、醇類、酸類、酚類等有機(jī)物[27]。根際所分泌的這些有機(jī)物質(zhì)不僅能夠?qū)е峦寥纏H下降[24]、增加表層土壤中的有機(jī)質(zhì)和氮素含量，也能夠?qū)е峦寥乐械V物態(tài)磷酸鹽向磷酸根轉(zhuǎn)化，提升土壤中有效磷的轉(zhuǎn)化[27]。

本研究中，復(fù)墾區(qū)表層土壤總氮含量的增加還與幾種作物根際自由固氮微生物或固氮根瘤的固氮作用有關(guān)。在5種作物中，黃豆和紫花苜蓿為具有根瘤固氮作用的豆科植物，盡管芝麻、玉米和蘇丹草不具有固氮根瘤，但研究表明土壤中生活著大量的自由固氮細(xì)菌，這些自由固氮細(xì)菌(尤其是生活于根際的自由固氮細(xì)菌)能夠通過固氮作用增加土壤中氮素含量[28-30]，這些自由固氮微生物固氮能力受到植物種類的影響，這也部分解釋了為何本研究中3種非豆科作物種植能夠提高表層土壤中總氮含量、且不同作物在提高土壤表層氮素含量存在差異。

土壤酶活性往往是指示土壤性質(zhì)變化的重要指標(biāo)[31-33]。本研究中，5種作物的生長不僅改善了復(fù)墾區(qū)表層土壤的養(yǎng)分狀況，同時(shí)使得某些土壤酶活性增加，表明了5種作物的種植有效地改良了復(fù)墾區(qū)表層土壤的性質(zhì)。土壤酶活性增加一方面不僅與土壤本身理化性質(zhì)的改善有關(guān)，另一方面還與植物根系分泌物有關(guān)。本研究中隨著有機(jī)質(zhì)、有效磷含量的增加以及pH的降低，蔗糖酶和堿性磷酸酯酶的活性增加，其他的研究也表明，礦業(yè)廢棄地生態(tài)恢復(fù)過程中隨著土壤中養(yǎng)分狀態(tài)的改善，某些土壤酶活性也得到提高[34-36]。本研究中，種植不同作物的表層土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性也存在一定的差異，李娟等研究表明作物種類種類能夠顯著影響土壤酶活性[37]，姜科和禾本科植物能夠降低脲酶活性，但來自同一科的不同種類植物在降低脲酶活性之間存在差異；姜科3種植物種植均能增加土壤蔗糖酶活性，不同植物種類之間也存在差異。盡管一些研究者將不同作物對土壤酶活性的影響歸結(jié)于土壤養(yǎng)分的差異導(dǎo)致[37-38]，但也有研究表明不同植物根際分泌物類型、數(shù)量等差異以及根際微生物組成、數(shù)量的差異也是導(dǎo)致酶活性差異的原因[39-40]。黃豆對表層土壤中脲酶活性提高更為顯著，芝麻對堿性磷酸酯酶活性和蘇丹草對蔗糖酶活性的提高更為明顯，不同作物導(dǎo)致不同土壤酶活性的差異可能與不同作物根系分泌物的類型、數(shù)量及微生物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4 結(jié) 論

種植玉米、芝麻、黃豆、紫花苜蓿和蘇丹草5種作物均能夠提高采煤復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分及酶活性。芝麻和黃豆兩種油料作物更有利于復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分狀況的改善，其次兩種飼料作物(紫花苜蓿和蘇丹草)，糧食作物玉米對于表層土壤養(yǎng)分改善效果最差；芝麻和黃豆有效提升了表層土壤中蔗糖酶和堿性磷酸酯酶活性，同時(shí)黃豆還能夠提高表層土壤中脲酶活性。相比于糧食作物玉米和兩種飼草作物，通過種植兩種油料作物實(shí)現(xiàn)新復(fù)墾表層土壤酶活性的提高是更合適的選擇。由于本次研究僅為一個(gè)生長季的數(shù)據(jù)，不同作物對復(fù)墾區(qū)表層土壤養(yǎng)分積累和酶活性的長期影響可能存在的重金屬對油料品質(zhì)的影響等仍有待于開展進(jìn)一步研究。