種植玉米對礦區(qū)復墾土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳分布的影響

籍晟煜，張強，靳東升，郜春花，李建華，盧晉晶，張云龍

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

土壤團聚體是土粒之間通過各種作用力黏合或團聚而成的直徑＜10 mm的小團粒，大體呈球形，是最基本的土壤結構單元，是良好的土壤結構體，其數(shù)量和比例能夠反映土壤結構狀況[1]。而對團聚體的分級研究當中，習慣以0.25 mm為界將團聚體劃分為大團聚體（＞0.25 mm）和微團聚體（＜0.25 mm）[2]。對于土壤團聚體穩(wěn)定性等特征的研究更多的是通過濕篩使團聚體被水力分散后的土壤團聚體，故水力作用導致團聚體破碎之后分離所得的各粒級團聚體為水穩(wěn)性團聚體[3-4]。有研究發(fā)現(xiàn)，微團聚體穩(wěn)定性較大團聚體穩(wěn)定性更高[5]。這是因為孔隙較小、彎曲度大和容積密度高的微團聚體的內聚力與大團聚體相比之下具有優(yōu)勢，各個粒級團聚體的有機碳含量及穩(wěn)定性普遍存在著差異。因而，大團聚體和微團聚體都需要開展深入研究，團聚體含量能體現(xiàn)土壤結構的穩(wěn)定性，含量不盡相同，土壤結構也普遍存在差別，對保護碳的機制產生影響。表土中的有機碳大多存在于團聚體中，而溫帶土層大團聚體的有機碳含量大多比微團聚體高，這是由于大團聚體的形成和微團聚體存在著差異[5]。

礦上開采以及在復墾過程中采取的各種措施等都會增加煤矸回填土壤復墾的難度，更多的是解決土壤結構、土壤養(yǎng)分（主要是有機質）等影響復墾進度的問題[6]。大量研究表明，礦區(qū)開墾土壤有機質含量僅是煤礦開采前表層土壤有機質含量的20%～30%；土壤質地較粗，特別是土壤團聚體中微團聚體比例較小，僅為煤礦開采前表層土壤的1/4左右；一般在復墾的初級階段，煤礦復墾土壤結構中的團聚體少，主要是由于其團聚過程可能與正常土壤團聚的過程存在差異[7-9]。羅紅燕等[10-12]研究指出，土壤的發(fā)育基石、對土地的利用方式以及采用的耕作措施等都會影響土壤團聚體的穩(wěn)定性。在礦區(qū)土壤貧瘠、結構較差、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入復墾土壤，來提高土壤的肥力[13-14]。因而煤礦復墾土壤團聚體的構成過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)）和自然恢復區(qū)的土壤結構和土壤有機碳進行對照分析，旨在得出種植玉米對復墾土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳分布的積極作用。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

復墾土地礦區(qū)位于太原斷陷盆地西側的山西省古交市礦區(qū)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，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月開始封凍，第2年4月解凍，冰凍期約5個月。2013年煤矸石填平后在填埋區(qū)展開了以附近馬蘭黃土（黃土丘陵地帶的主要土壤）填土，經12個月的自然沉降后，對土壤分析鑒定，明確該土地狀況可以開始種植植物。

1.2 試驗方法

試驗設置玉米根區(qū)、玉米非根區(qū)和自然恢復3個處理。在煤矸石填土區(qū)開展植物種植，設立玉米、自然恢復2種種植處理，進行種植區(qū)和撂荒區(qū)比較。在試驗田玉米生長旺季降水量大、氣溫高的8月份，按照種植玉米與自然恢復處理采集根區(qū)與非根區(qū)的土壤樣品，每個處理3次重復，將收集的樣本保持原狀帶回實驗室。

1.3 測定項目及方法

采用濕篩法對團聚體進行分級。采用的儀器是團聚體分析儀，共分9個粒級（≥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：對土壤含量水測定后，稱換算后土樣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，同時使水桶當中其蒸餾水水面剛好淹沒最頂端的篩子，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聚體用蒸餾水沖到燒杯（鋁盒）中，而在水桶當中的團聚體需要經過20 min的沉降，最后將所有的團聚體以及燒杯（鋁盒）在烘箱中60℃下烘干，并稱質量，計算各粒級團聚體的百分比[15]。

采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳含量[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

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

大團聚體是粒徑＞0.25 mm的團聚體，微團聚體是＜0.25 mm粒徑的團聚體。

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

2 結果與分析

2.1 種植玉米、自然恢復對礦區(qū)復墾土壤團聚體的含量與分布

從表1、2可以看出，＞0.25 mm的大團聚體在種植玉米根區(qū)與非根區(qū)復墾土壤水穩(wěn)性團聚體中所占比例最小，為21.27%～26.58%。而自然恢復區(qū)，土壤水穩(wěn)性團聚體均以＞0.25 mm的大團聚體所占比例最大，為63.82%。在大團聚體（＞0.25 mm）中，均以＞2.00 mm和0.50～0.25 mm所占比例較大。與自然恢復相比，種植玉米明顯減少了土壤團聚體當中大團聚體所占的比例，說明種植會對土壤團聚體結構產生作用，在大團聚體中，各粒級團聚體所占比例大小為自然恢復＞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粒級團聚體的含量。

表1 不同處理土壤大團聚體的組成 %

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

表2 不同處理土壤微團聚體的組成 %

2.2 種植玉米、自然恢復礦區(qū)復墾土壤團聚體穩(wěn)定性特征

由表3可知，R、S和自然恢復的大團聚體的穩(wěn)定性參數(shù)包括大團聚體含量（R0.25）、幾何平均直徑（GMD）、平均質量直徑（MWD），與自然恢復相比，種植玉米顯著降低了R0.25、MWD、GMD；對土壤分形維數(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聚體分形維數(shù)。說明種植玉米對土壤團聚體分形維數(shù)有顯著影響，不管是種植玉米根區(qū)還是玉米非根區(qū)，均促進了土壤團聚體的結構穩(wěn)定性。

表3 不同處理土壤大團聚體穩(wěn)定性參數(shù)

由表4可知，與自然恢復相比，種植玉米后的土壤微團聚體含量增多，而平均質量直徑（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)，種植玉米進一步提高了土壤微團聚體的穩(wěn)定性。

表4 不同處理土壤微團聚體穩(wěn)定性參數(shù)

2.3 種植玉米礦區(qū)復墾土壤團聚體有機碳分布特征

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

由圖2可知，礦區(qū)復墾土壤微團聚體有機碳的含量通過種植玉米得到了提高，不同粒級團聚體中有機碳含量的變化趨勢大小為（＜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)較自然恢復區(qū)各級微團聚體有機碳含量分別提高了126.42%、130.09%、42.42%、46.06%、16.02%。說明種植玉米根區(qū)對團聚體的有機碳含量影響最大是＜0.15～0.10 mm粒徑。

2.4 種植玉米團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率

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

表5 不同粒徑大團聚體內有機碳含量對土壤總有機碳的貢獻率 %

表6 不同粒徑微團聚體內有機碳含量對土壤總有機碳的貢獻率 %

3 結論與討論

3.1 種植玉米對礦區(qū)復墾土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

本研究結果顯示，在大團聚體中，各粒級團聚體所占比例大小為自然恢復＞玉米根區(qū)＞玉米非根區(qū)。土壤微團聚體在團聚體結構上占優(yōu)勢，種植玉米根區(qū)與非根區(qū)復墾土壤水穩(wěn)性團聚體均以＜0.25 mm的微團聚體所占比例最大，約為73.42%～78.73%。這與黃土高原地區(qū)的土壤結構松散、團聚性較差相一致，可能是因為礦區(qū)覆土，土壤形成的團聚體構造和植物根部的各種作用都被嚴重破壞，土壤中有機碳含量較低[18]。

評價土壤團聚體穩(wěn)定性的指標有R0.25、MWD和GMD，R0.25、MWD和GMD越大，說明土壤團聚體的穩(wěn)定性越好[19]。土壤是一種帶有突出分形特性的多孔介質，分形維數(shù)越低，土壤團聚體穩(wěn)定性越高，分形維數(shù)是評價土壤結構的一個新指標[20]。在大團聚體中，種植玉米根區(qū)、玉米非根區(qū)、自然恢復區(qū)的D、R0.25、MWD和GMD相差不大，說明在大團聚體中，3個處理土壤團聚體穩(wěn)定性較接近。在微團聚體中，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)和自然恢復區(qū)都小。說明在微團聚體中，種植玉米區(qū)土壤團聚體的穩(wěn)定性較高。種植玉米根區(qū)微團聚體分形維數(shù)均低于非根際土壤，說明與非根區(qū)相比，根區(qū)土壤結構較好，穩(wěn)定性更強[21]。本試驗結果表明，種植玉米根區(qū)與非根區(qū)對在土壤微團聚體也能起到重要作用，土壤微團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性都受到植物種植的影響[22]。

3.2 種植玉米對礦區(qū)復墾土壤團聚體有機碳的影響

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

大團聚體（＞0.25 mm）對自然恢復下土壤團聚體有機碳含量的貢獻率最大，種植玉米增加了微團聚體對團聚體有機碳含量的貢獻率，其中微團聚體中＜0.25～0.15 mm和＜0.15～0.10 mm這2個粒徑的團聚體有機碳的貢獻率提高幅度較大。種植玉米根區(qū)的促進作用最為顯著，其中對＞0.25 mm粒徑的大團聚體有機碳含量的提高效果最為明顯[24]。整體選擇各粒徑土壤團聚體總數(shù)與有機碳含量的關聯(lián)明確的土壤有機碳貢獻率，不僅揭示了各粒級團聚體對土壤總有機碳的貢獻率，并能證明種植玉米對土壤有機碳庫的影響。

自然恢復荒地恢復過程土壤有機碳等進一步得到提升，難降解有機碳和礦物結合有機碳是土壤中有機碳的存在形態(tài)；土壤有機碳穩(wěn)定性和有機碳的貯藏功能獲得必要的提升，黃土丘陵區(qū)自然恢復地恢復過程有助于提高土壤有機碳的儲量[25]。說明在自然恢復區(qū)，其團聚體結構也會有所改善，但整體效果低于種植玉米。

綜上所述，種植玉米對于礦區(qū)煤矸石回填覆土的作用也是十分巨大的，但是其團聚體結構、團聚體有機碳和土壤總有機碳總體還需進一步研究。種植玉米后，其根區(qū)與非根區(qū)土壤團聚體在團聚體結構均有所改變，說明種植玉米是礦區(qū)土地復墾的重要舉措。