復墾模式對礦區(qū)土壤團聚體組成及其有機碳、氮分布的影響

陳 曦，劉煥煥，江 山，王改玲

（山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

土壤團聚體的粒徑分布不僅反映土壤結構狀況，而且影響著土壤的通氣、抗蝕、滲水性等[1]。團聚體不同粒徑中養(yǎng)分含量對于土壤養(yǎng)分循環(huán)、團聚體的形成與土壤肥力的保持具有重要的意義[2]。穩(wěn)定的土壤團聚體有利于根系發(fā)育和作物生長，減小有機碳庫礦化的分解速率，對土壤有機碳保護有著重要的影響[3-4]。

礦山開采過程中產生大量粉塵、煙塵和有毒物質沉積于土壤表面甚至滲入土壤[5]，大部分礦區(qū)土壤資源受到嚴重破壞，主要表現(xiàn)為土壤結構破壞及土壤養(yǎng)分流失，土壤團聚體組成受到嚴重影響。大量研究表明，礦區(qū)被污染的土壤可通過植物復墾方式來恢復土壤結構，提高土壤有機碳、氮等養(yǎng)分含量[6]。因此，研究長期植物復墾模式下土壤團聚體組成及有機碳、氮含量分布變化有助于人們理解植物復墾模式對土壤有機碳、氮固存機制的影響。馮歡等[6]研究發(fā)現(xiàn)，不同復墾模式下＞0.25 mm 粒徑團聚體含量顯著增加，且顯著高于其他粒徑，土壤團聚體結構明顯得到改善。劉金善[7]研究認為，不同復墾模式下機械穩(wěn)定性團聚體均以＞0.25 mm 大團聚體為主，水穩(wěn)性團聚體含量中大團聚體含量有所下降，而文冠果植被水穩(wěn)性大團聚體含量極顯著高于對照；復墾對水穩(wěn)性團聚體的形成具有顯著的促進作用，還增加了表層土壤有機碳和氮含量，但復墾模式下土壤C/N 降低。楊慧榮[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質主要分布在0.5～2.0 mm 團聚體中，在＜0.25 mm粒徑團聚體中含量最少，與此同時，土壤有機質也促進了土壤粒徑＞0.25 mm 大團聚體的形成。總體看來，每位學者研究結果不盡一致，可能與土壤性質、復墾植物種類、氣候等因素有關。國內當前研究多側重于土壤肥沃地區(qū)及不同耕作與施肥方式下的團聚體特征，而對于植物復墾模式下受污染土壤的團聚體組成變化及團聚體有機碳、氮分布變化研究較少。

本試驗以安太堡露天煤礦不同植物復墾模式下土壤為研究對象，對復墾土壤團聚體組成及有機碳、氮含量和分布進行分析，以期為礦區(qū)土壤選擇合適的復墾植被提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)為平朔礦區(qū)安太堡露天煤礦，其地處黃土高原東部，位于朔州市區(qū)與平魯區(qū)的交界處（112°10′58″E，39°23′N），與黃土高原的晉陜蒙“黑三角”相連，是我國大型的露天煤礦之一。安太堡露天礦區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，春冬季降水稀少，地表較干燥，年平均降水量為428.2～449.0 mm，年蒸發(fā)量為1 786.5～2 585.0 mm；≥10 ℃的年積溫為2 300～2 500 ℃，無霜期為117 d。由于人類長期采煤等經濟活動及當?shù)馗珊禇l件的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2 樣地選擇與土樣采集

經過查閱資料、野外走訪和調查詢問，于2017 年9 月在山西省平朔礦區(qū)安太堡煤礦選擇生物復墾年限均為3 a 的蕎麥地和苜蓿地作為研究樣地，并以3 a 自然恢復樣地為對照，研究不同復墾模式對礦區(qū)土壤團聚體組成及其有機碳、氮含量的影響。其中，蕎麥喜涼爽、耐貧瘠，是當?shù)刂饕泥l(xiāng)土作物，也是安太堡露天礦復墾土壤中種植面積較大的作物之一；苜蓿耐干旱貧瘠，能生物固氮，也是礦區(qū)復墾土壤中廣泛種植的植物。樣地均為露天煤礦內排平臺。每塊樣地分為3 個采樣小區(qū)，每個小區(qū)內按S 型5 點采樣法采集表層0～20 cm 的原狀土樣放入已標記好的硬質塑料盒中，將土樣帶回實驗室后置于室溫下風干，備用。

1.3 測定指標及方法

機械穩(wěn)定性團聚體含量測定采用干篩法[9]。風干過程中，將土樣沿其自然斷裂面輕輕剝成大小為1 cm 左右的小土塊，并去除植物根系及小石塊。將風干土樣置于一套孔徑為2、1、0.25 mm 的套篩，手動振蕩5 min，篩完后將土樣分成＞2、＞1～2、＞0.25～1.00、≤0.25 mm 等4 個粒徑，分別稱各粒徑土樣質量，測定各粒徑團聚體中有機碳、氮含量，并計算各粒徑機械穩(wěn)定性團聚體百分含量及團聚體中有機碳、氮儲量。

水穩(wěn)性團聚體含量測定采用濕篩法[9]。按照干篩后的粒徑分布比例，配取50 g 干土土樣。將套篩（由上至下為2、1、0.25 mm）放入TPF-100 土壤團粒結構分析儀的沉降桶中，給桶內加水至套篩內最大粒徑篩子的中心位置。將已稱好的50 g 土樣放入套篩內，水中靜置3 min，隨后啟動馬達，使套篩在水中上下振蕩30 min，振蕩完成后將套篩輕輕拿出，待水稍干后，將留在各級篩子上的團聚體用蒸餾水洗入已經編好號的蒸發(fā)皿中，將土樣按照套篩粒徑分為＞2、＞1～2、＞0.25～1.00、≤0.25 mm 等4 個粒徑，隨后烘干稱質量，并計算各粒徑水穩(wěn)性團聚體百分含量。

團聚體氮含量采用半微量開氏法[10]測定；團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法[11]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗采用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理及制圖；采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性及相關性分析。

式中，Wd 為干篩＞0.25 mm 團聚體所占比例；Ww 為濕篩＞0.25 mm 團聚體所占比例；Qi 為第i級團聚體C（N）儲量百分比（%）；Ci 為第i 級團聚體C（N）含量（g/kg）；Wi 為第i 級團聚體質量百分數(shù)（%）；n 為粒徑分組的組數(shù)；i 為篩子的粒級數(shù)。

2 結果與分析

2.1 不同復墾模式對土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

2.1.1 不同復墾模式對土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成的影響 從圖1 可以看出，隨著粒徑的減小，自然恢復地與蕎麥復墾模式下的土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，而苜蓿復墾則表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。各復墾模式下，＞0.25 mm 粒徑的團聚體含量占總團聚體含量的比例均在70%以上，且蕎麥復墾達到最大值80.16%。粒徑≤0.25 mm 機械穩(wěn)定性團聚體含量較少且分布較穩(wěn)定，3 種復墾模式間無顯著性差異。各復墾模式的不同粒徑中，＞2 mm 土壤團聚體表現(xiàn)為苜蓿復墾顯著高于自然恢復地與蕎麥復墾，蕎麥復墾和自然恢復地間差異不顯著，＞1～2 mm 粒徑中各復墾模式間差異不顯著，＞0.25～1.00 mm 粒徑中自然恢復地與蕎麥復墾均顯著高于苜蓿復墾；≤0.25 mm粒徑機械穩(wěn)定性團聚體含量由大到小表現(xiàn)為自然恢復地＞苜蓿復墾＞蕎麥復墾，三者間差異不顯著。

2.1.2 不同復墾模式對土壤水穩(wěn)性團聚體組成的影響 由圖2 可知，隨團聚體粒徑的減小，各復墾模式0～20 cm 土壤各粒級水穩(wěn)性團聚體含量均呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，且主要集中在≤0.25 mm 微團聚體內，平均含量達60%以上。土壤經過濕篩后，不穩(wěn)定的大團聚體遇水發(fā)生崩解，形成≤0.25 mm 微團聚體；與干篩法測得的機械穩(wěn)定性團聚體含量相比，粒徑＞2、＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒徑團聚體含量下降明顯，而≤0.25 mm 微團聚體含量均顯著增加。3 種復墾模式中，苜蓿復墾下＞0.25 mm 大團聚體含量高于蕎麥復墾和自然恢復地，其中，＞2 mm團聚體含量顯著高于蕎麥復墾與對照，含量達到23.77%，比自然恢復地和蕎麥復墾分別高出14.12%和13.37%；苜蓿復墾下≤0.25 mm 粒徑微團聚體含量顯著低于自然恢復地（對照）與蕎麥復墾，蕎麥復墾與對照間差異不顯著。與對照相比，苜蓿復墾顯著提高了＞0.25 mm 水穩(wěn)性大團聚體含量。

2.1.3 不同復墾模式對土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)的影響 團聚體的穩(wěn)定性是指團聚體抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而依然保持原有形態(tài)的能力。團聚體穩(wěn)定率、結構體破碎率、不穩(wěn)定團粒指數(shù)是評價土壤穩(wěn)定性的3 個重要指標，這些指數(shù)的高低分布可直觀的體現(xiàn)出土壤的穩(wěn)定性。團聚體穩(wěn)定率越高，結構體破碎率和不穩(wěn)定團粒指數(shù)越低，說明土壤團聚體越穩(wěn)定，有利于土壤結構的穩(wěn)定與作物生長。

由圖3 可知，不同復墾模式0～20 cm 表層土壤中，苜蓿復墾下的團聚體穩(wěn)定率顯著高于自然恢復地和蕎麥復墾，達到最大值72.35%，自然恢復地與蕎麥復墾模式之間差異不顯著。土壤結構破碎率與不穩(wěn)定土壤團粒指數(shù)值由大到小均表現(xiàn)為自然恢復地＞蕎麥復墾＞苜蓿復墾，苜蓿復墾的土壤團聚體結構破碎率與不穩(wěn)定團粒指數(shù)均顯著低于自然恢復地和蕎麥復墾，蕎麥復墾和對照間差異不顯著。與自然恢復地相比，苜蓿復墾顯著提高了礦區(qū)表層0～20 cm 土壤團聚體穩(wěn)定性，蕎麥復墾作用不顯著。

2.2 不同復墾模式對土壤團聚體全氮分布的影響

2.2.1 不同復墾模式對土壤團聚體全氮含量的影響 從圖4 可以看出，不同復墾模式土壤各粒徑中，苜蓿復墾和蕎麥復墾模式下的團聚體氮含量均高于自然恢復地，且苜蓿復墾下土壤團聚體氮含量均高于其他模式，其中，＞0.25～1.00 mm 粒徑中團聚體氮含量達到最大值1.35 g/kg。各復墾模式的不同粒徑團聚體中，在＞1～2 mm 粒徑內，苜蓿復墾下的團聚體氮含量顯著高于自然恢復地與蕎麥復墾；＞0.25～1.00 mm 粒徑中，團聚體氮含量由高到低表現(xiàn)為苜蓿復墾（1.35 g/kg）＞蕎麥復墾（0.85 g/kg）＞自然恢復地（0.28 g/kg）；≤0.25 mm 粒徑中，團聚體氮含量由高到低表現(xiàn)為苜蓿復墾（0.40 g/kg）＞蕎麥復墾（0.27 g/kg）＞自然恢復地（0.09 g/kg）。由此可見，植物復墾對＞0.25 mm 粒徑團聚體氮含量有顯著增加作用，且苜蓿復墾效果顯著優(yōu)于蕎麥。

2.2.2 不同復墾模式對土壤團聚體全氮儲量的影響 由表1 可知，不同復墾模式下，土壤團聚體氮儲量主要集中于＞0.25 mm 粒徑大團聚體內，其中，＞0.25～1.00 mm 粒徑團聚體氮儲量的綜合含量較高，占29.75%～41.93%，而最大值出現(xiàn)在＞2 mm 中的苜蓿復墾，達43.45%；其次為＞1～2 mm，團聚體氮含量變化范圍為18.32%～32.34%。以≤0.25 mm團聚體氮儲量最小，占7.94%～13.88%。各處理的不同粒徑團聚體氮儲量除＞0.25～1.00 mm 粒徑蕎麥復墾和自然恢復地，以及≤0.25 mm 粒徑蕎麥復墾和苜蓿復墾間差異不顯著外，其他均達到顯著水平（P＜0.05）。

表1 不同復墾模式下土壤團聚體氮儲量占比 %

2.3 不同復墾模式對土壤團聚體有機碳分布的影響

2.3.1 不同復墾模式對土壤團聚體有機碳含量的影響 由圖5 可知，隨著土壤團聚體粒徑逐漸減小，自然恢復地和苜蓿復墾下的團聚體有機碳含量均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且主要集中于＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒徑中，其中，苜蓿復墾在＞0.25～1.00 mm 粒徑中團聚體的有機碳含量達到最大值7.66 g/kg；≤0.25 mm 微團聚體有機碳含量較少，自然恢復地達最小值0.43 g/kg。不同復墾模式中，苜蓿復墾和蕎麥復墾下各粒徑團聚體有機碳含量均顯著高于對照，≤0.25 mm 微團聚體中有機碳含量從大到小總體表現(xiàn)為苜蓿復墾＞蕎麥復墾＞自然恢復地。3 種模式在各粒徑中的團聚體有機碳含量均達到顯著水平。由此可知，合理的植物復墾能夠提高土壤團聚體特別是＞0.25 mm 粒徑的有機碳含量，苜蓿復墾總體效果優(yōu)于蕎麥復墾。

2.3.2 不同復墾模式對土壤團聚體有機碳儲量的影響 從表2 可以看出，各復墾模式的不同粒徑中，有機碳儲量主要集中于＞0.25～1.00 mm 粒徑內，占32.91%～48.36%，其次依次為＞2、＞1～2 mm，≤0.25 mm 微團聚體有機碳儲量最小，占9.65%～13.71%。與自然恢復地相比，苜蓿復墾顯著提高了＞2 mm 和≤0.25 mm 粒徑間的有機碳儲量；蕎麥復墾與自然恢復地各粒徑團聚體有機碳儲量之間均無顯著性差異。

表2 不同復墾模式下土壤團聚體有機碳儲量百分比%

2.4 不同復墾模式對土壤團聚體碳氮比的影響

從圖6 可以看出，各復墾模式中，＞0.25 mm 的大團聚體碳氮比均大于≤0.25 mm 微團聚體。蕎麥復墾與苜蓿復墾模式中，＞0.25 mm 粒徑團聚體碳氮比均大于自然恢復地，苜蓿復墾下的＞1～2 mm粒徑團聚體碳氮比值達最大值7.29。而≤0.25 mm微團聚體碳氮比從大到小表現(xiàn)為自然恢復地＞蕎麥復墾＞苜蓿復墾。

3 結論與討論

土壤團聚體是形成良好土壤結構的基礎，一定程度上反映土壤肥力水平。本研究表明，各復墾模式下0～20 cm 表層土壤的機械穩(wěn)定性團聚體含量多集中于＞0.25 mm 大團聚體中，各復墾模式下＞0.25 mm 粒徑的團聚體含量占總團聚體的比例均在70%以上。在＞2 mm 粒徑中，苜蓿復墾的機械穩(wěn)定性團聚體含量達到41.85%，是蕎麥復墾和自然恢復地的2 倍；而水穩(wěn)性團聚體含量主要存在于≤0.25 mm 粒徑內，各復墾模式平均含量達60%以上。王小紅等[12]研究表明，土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量的粒徑分布呈中間低兩邊高的“V”型，團聚體的優(yōu)勢粒徑主要集中在＞5 mm 和＜0.25 mm 內，土壤水穩(wěn)性團聚體以＜0.25 mm 的微團聚體為主，平均含量達90%以上。說明濕篩后大團聚體經水分散后崩解為微團聚體，所以，水穩(wěn)性團聚體含量主要集中于微團聚體中。而水穩(wěn)性團聚體中＞0.25 mm 大團聚體的含量越多，說明土壤團聚體越穩(wěn)定且不容易分散[13]，本研究表明，植物復墾能夠增加＞0.25 mm粒徑水穩(wěn)性大團聚體含量。王清奎等[14]研究表明，植物可通過分泌膠結物質——多糖類物質，使微團聚體黏結在一起，進而被菌絲體纏繞成穩(wěn)定的大團聚體。

土壤團聚體穩(wěn)定性指團聚體抵抗外力或外部環(huán)境變化而依舊保持原有形態(tài)的能力，綜合體現(xiàn)了土壤的物理性質，團聚體穩(wěn)定率越大，穩(wěn)定性越好；結構體破碎率（PAD）指團聚體遭到破壞的比率，PAD 越大，說明土壤結構越不穩(wěn)定。本研究表明，苜蓿復墾能夠顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性，這與陳正發(fā)等[15]在紫色土旱坡地的研究結果一致，與清耕地相比，種植紫花苜蓿的耕地表現(xiàn)了較好的團聚體穩(wěn)定性。這是由于植物根系和真菌菌絲的機械絆纏從而形成并穩(wěn)固了水穩(wěn)性大團聚體含量，使土壤結構更加穩(wěn)定[16]。

土壤氮素是土壤重要的養(yǎng)分元素，主要來源于植物殘體分解與合成所形成的有機質，其動態(tài)變化與有機碳常具有一致性[17]。本研究表明，植物復墾顯著提高了團聚體氮含量。不同復墾模式下，0～20 cm 表層土壤團聚體氮含量主要集中在＞0.25 mm粒徑特別是＞0.25～1.00 mm 大團聚體內，這與梁利寶等[18]研究結果一致。土壤團聚體氮儲量與團聚體氮含量分布相似，主要集中于＞0.25 mm 粒徑中。

前人研究表明，表土中近90%的土壤有機碳位于團聚體內[19]，故研究土壤團聚體內有機碳含量對礦區(qū)土壤肥力恢復很重要。本研究表明，各復墾模式下的團聚體有機碳含量主要集中在＞0.25 mm 大團聚體內，尤其是＞0.25～1.00 mm 粒徑中。這與李建華等[20]的研究結果一致。說明有機質是微團聚體向大團聚體逐級團聚過程中的主要膠結物質，團聚過程中，大團聚體內會裹挾處于分解狀態(tài)的植物根系以及菌絲等顆粒態(tài)有機質，從而提升其有機碳含量[21]。本試驗表明，蕎麥復墾與苜蓿復墾下的團聚體有機碳含量顯著高于自然恢復地，且苜蓿效果優(yōu)于蕎麥，說明植物復墾有效提高了團聚體有機碳含量。尹寧寧[22]研究表明，黑麥草根際下土壤有機碳含量高于未種植土壤。王志剛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，覆草能增加復墾種植區(qū)土壤有機質含量，并且由于復墾土壤較為貧瘠，覆草和秋冬季節(jié)枯枝落葉的腐爛轉化為有機質含量提供了可能。各模式下的團聚體有機碳儲量均以＞0.25 mm 大團聚體為主，＞2 mm 團聚體有機碳儲量表現(xiàn)為苜蓿復墾顯著高于對照，3 種模式中，≤0.25 mm 粒徑的微團聚體有機碳儲量從大到小表現(xiàn)為苜蓿復墾＞自然恢復地＞蕎麥復墾。說明苜蓿復墾能有效提高土壤團聚體對有機碳的保護作用，提高了土壤大團聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性，從而有效增加了有機碳儲量。

土壤C/N 與有機質分解速度一般成反比，C/N值越高表明有機物分解程度越低，利于有機碳積累，C/N 值越低，表明土壤中有機質礦化或者分解速度較快，可供微生物利用的碳源較少，從而影響?zhàn)B分有效性[24]。本研究表明，植物復墾下土壤C/N 值隨團聚體粒徑變大而增加，較大值集中于＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒徑中。這與梁利寶等[18]的研究結果一致。說明植物復墾下有機碳礦化分解速率低，促進了有機碳積累。植物復墾雖然提高了＞2 mm 粒徑團聚體C/N 值，但也表明該粒徑團聚體氮含量較少，可能會限制微生物的生長，所以，在團聚體粒徑大的地區(qū)應配合施肥以調節(jié)土壤C/N 值。

總體而言，植物復墾提高了機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性＞0.25 mm 粒徑大團聚體含量和團聚體有機碳、氮含量，增強了土壤團聚體團聚能力，使礦區(qū)土壤趨于穩(wěn)定，且苜蓿效果顯著優(yōu)于蕎麥。