不同培肥處理對(duì)采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤熟化效果的影響

不同培肥處理對(duì)采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤熟化效果的影響

1采煤塌陷地生態(tài)修復(fù)采空區(qū)頂板層在開采過程中通過超出頂板層的個(gè)別抗壓強(qiáng)度，有時(shí)斷裂，頂部的巖石出現(xiàn)坍塌和坍塌，并延伸到土壤中，形成塌陷坑和塌陷洼地，不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且破壞生態(tài)環(huán)境，并帶來嚴(yán)重的社會(huì)問題。中國煤炭開采大約96%的為井工開采,4%的為露天開采。井工開采形成地下采空區(qū),勢必會(huì)造成地面塌陷。目前采煤區(qū)地面塌陷造成土地破壞總量超過400萬hm2,并且仍以每年3.3~4.7萬hm2的速度增加目前,采煤塌陷地的生態(tài)恢復(fù)成為礦區(qū)復(fù)墾的研究熱點(diǎn)之一。目前,我國的采煤區(qū)地面塌陷治理往往采用非充填復(fù)墾(包括直接利用法)和充填復(fù)墾兩大類工程治理方法。充填復(fù)墾工程利用煤矸石礦區(qū)廢物、污泥等充填后,表層再覆土造田種植。非充填復(fù)墾主要借助對(duì)塌陷地表混推或剝離表土方式,利用就地平整法、挖深墊淺法、梯田修筑法對(duì)塌陷破壞的地表進(jìn)行整地造田。許多研究表明,由于采煤塌陷地充填和非充填復(fù)墾對(duì)表土被劇烈擾動(dòng)后,生土裸露,土壤的理化、以及性狀均得到較大的破壞,成為礦區(qū)塌陷土地生態(tài)重建的主要障礙因素。多數(shù)礦區(qū)退化土壤缺乏有機(jī)質(zhì)及其營養(yǎng)元素,如氮素。如果將修復(fù)后的土地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),其首要前提是恢復(fù)土壤的肥力及提高土壤生產(chǎn)力,成為礦區(qū)塌陷土地復(fù)墾的另一個(gè)主要障礙因素是,礦區(qū)復(fù)墾土壤中的微生物數(shù)量少,生物活性低,以往對(duì)礦區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾土壤的培肥多是利用增施有機(jī)無機(jī)培肥進(jìn)行,雖然畢銀麗、馬彥卿、李建華等利用菌根和接種根瘤菌對(duì)土壤培肥進(jìn)行了一些研究,但是利用菌肥對(duì)不同年限復(fù)墾土壤熟化、改良的研究報(bào)道不多,本試驗(yàn)通過利用幾種不同培肥處理對(duì)塌陷復(fù)墾土壤進(jìn)行培肥熟化,并研究機(jī)理和培肥效果,試圖以此來增加土壤生物活性,加速塌陷復(fù)墾地土壤的熟化,提出更加合理的培肥措施。2材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)該塌陷復(fù)墾區(qū)位于山西省晉城市的北石店鎮(zhèn)大張村,塌陷深度從50~150cm不等,地表以混推模式為主,利用挖深墊淺、就地平整法復(fù)墾,連續(xù)3年種植作物進(jìn)行培肥熟化研究。土壤類型是石灰性褐土,試驗(yàn)區(qū)主要種植玉米、小麥、豆子等作物。該地區(qū)屬暖溫帶半溫潤大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫5~10℃,年平均降水量550mm。本試驗(yàn)在大張村采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土地上進(jìn)行,試驗(yàn)前基礎(chǔ)土樣的全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)分別為0.55,0.48,7.88g/kg,堿解氮、速效磷、速效鉀分別為28.52,3.10,25.42mg/kg,pH值為8.15。2.2試驗(yàn)材料試驗(yàn)從2006年4月開始至2008年11月結(jié)束,每年依次分別種植玉米、小麥。供試作物為玉米(澤玉41號(hào))、小麥(澤優(yōu)2號(hào))。供試菌劑為從礦區(qū)當(dāng)?shù)厣形此莸氖焱林蟹蛛x的功能性微生物(包括解磷微生物、固氮微生物、解鉀微生物)和當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢微生物經(jīng)拮抗試驗(yàn)后,混合、擴(kuò)大培養(yǎng),經(jīng)草炭吸附、晾干成菌肥,每g菌肥所含活性有益菌≥108個(gè),草炭含N2.01%,P2O52.44%,K2O1.22%。2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理(實(shí)施)該試驗(yàn)研究以混推模式為主的塌陷區(qū)土地復(fù)墾熟化效果,目的是在短期內(nèi)培肥生土,篩選出一種適合當(dāng)?shù)夭擅核輳?fù)墾區(qū)生土培肥熟化的措施。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)小區(qū)面積200m2,設(shè)置5個(gè)處理,分別是:(1)不施肥(CK);(2)化肥(NP);(3)有機(jī)肥;(4)有機(jī)肥+化肥;(5)有機(jī)肥+化肥+菌肥,每個(gè)處理重復(fù)3次;化肥使用尿素(N:46%)和過磷酸鈣(P2O5:12%);有機(jī)肥使用雞糞,養(yǎng)分含量為N1.24%,P2O50.95%,K2O1.02%;各施肥處理中施入等量養(yǎng)分(氮和磷),即施N120kg/hm2,P2O590kg/hm2,菌肥300kg/hm2。2.4土樣處理與測定方法在每年的玉米收獲期(10月初),對(duì)表層土壤進(jìn)行采樣,取樣深度為0-20cm,自然風(fēng)干備用,將風(fēng)干土樣,研磨,過0.25mm土壤篩,進(jìn)行分析測定。測定方法:全氮采用開氏法,全磷采用鉬銻抗比色法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,有效磷采用0.5mol/LNaHCO3浸提鉬銻抗比色法,有機(jī)質(zhì)采用油浴加熱K2Cr2O7容量法,微生物量C、N采用熏蒸法,轉(zhuǎn)化酶采用硫代硫酸鈉滴定法,過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法,脲酶采用靛酚藍(lán)比色法,磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法。數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0軟件。3結(jié)果與分析3.1不同培肥處理對(duì)速磷菌肥及有機(jī)質(zhì)含量的影響從表1看出,與對(duì)照相比,各處理土壤養(yǎng)分隨復(fù)墾年限增加均均有一定地增加。各培肥處理間的土壤全氮、全磷變化均不明顯,差異也不顯著,這和每個(gè)處理施入等量的養(yǎng)分有關(guān)。不同培肥處理對(duì)速效N的影響比較大。由表1可見,經(jīng)過3年培肥,4個(gè)處理之間差異較顯著,與對(duì)照相比差異顯著,與對(duì)照相比,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理提高21.8%;化肥+有機(jī)肥處理提高14.5%,有機(jī)肥處理提高4.57%,化肥處理提高8.65%。主要原因是:施用化肥直接增加土壤中堿解氮,很少能在土壤有機(jī)質(zhì)中積累,單施有機(jī)肥處理的堿解氮增加較為平緩,但逐年增長,施入之后在改善土壤理化性狀的同時(shí)也為微生物的生長提供了良好的環(huán)境條件和能源,易于作物直接吸收,因此土壤中積累的少,土壤堿解氮含量低于化肥處理。這和唐繼偉等人的研究結(jié)果是一致的?；?有機(jī)肥+菌肥效果好于化肥+有機(jī)肥處理和其他處理,主要原因是有機(jī)、無機(jī)肥料可以為菌肥中的微生物提供豐富的碳源、氮源和能源及微量元素,為微生物提供了合適的C/N,為其大規(guī)模生長繁殖創(chuàng)造了有利條件,固氮菌、磷細(xì)菌和鉀細(xì)菌發(fā)揮了生物固氮、解磷和解鉀作用,起到了增氮、釋磷,活鉀的作用,明顯地提高了土壤中堿解氮的含量。不同培肥處理對(duì)速效P的影響也是比較大的。由表1可見,經(jīng)過3年培肥,單施化肥和有機(jī)肥處理差異不顯著外,化肥+有機(jī)肥+菌肥與其它處理差異顯著,各處理與對(duì)照相比差異也顯著,與對(duì)照相比,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理提高25.5%;化肥+有機(jī)肥處理提高19.3%,有機(jī)肥處理提高13.4%,化肥處理提高12.8%。主要原因是主要是北方地區(qū)高pH值石灰性土壤對(duì)P素的固定,而單施化肥并不能消弱這種現(xiàn)象的發(fā)生;單施有機(jī)肥效果好過單施化肥的原因在于,有機(jī)肥本身含有一定數(shù)量的磷,且以有機(jī)磷為主,這部分磷易于分解釋放;另一方面有機(jī)肥施入土壤后可增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量,而有機(jī)質(zhì)可減少無機(jī)磷的固定,并促進(jìn)無機(jī)磷的溶解;因此,速效磷高于化肥處理。有機(jī)、無機(jī)肥配施要好于單施有機(jī)肥、化肥,是由于存在無機(jī)磷的條件下,有機(jī)磷的礦化增加,因?yàn)闊o機(jī)磷將與有機(jī)磷競爭本來是難溶的那部分有機(jī)磷中的Fe、Al、Ca,由此導(dǎo)致礦化的增加,從而增加了速效磷的含量。化肥+有機(jī)肥+菌肥要好于化肥+有機(jī)肥處理和其他處理,主要是因?yàn)榱准?xì)菌對(duì)土壤環(huán)境的作用,使土壤中不能被植物利用的磷被釋放出來,轉(zhuǎn)化成有效磷,使土壤中有效磷含量提高。土壤中不可被植物利用的磷含量是非常豐富的,磷細(xì)菌能將這一資源釋放出來。由此可以看出菌肥配施有機(jī)肥和化肥對(duì)磷的影響效果顯著,是提高復(fù)墾土壤速效磷的有效途徑。不同培肥處理對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響也是明顯的。由表1可見,經(jīng)過3年培肥,各處理與對(duì)照相比差異顯著,與對(duì)照相比,單施有機(jī)肥處理有機(jī)質(zhì)增加最多,達(dá)15.9%,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理次之,達(dá)14.2%,化肥+有機(jī)肥處理為11.8%,這三者差異不顯著;化肥處理最少只有3.8%。主要原因是單施化肥有機(jī)質(zhì)只有緩慢地增加,第3年比第1年增加了9.4%,這只能彌補(bǔ)土壤有機(jī)質(zhì)礦化損失,不能明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量;有機(jī)肥處理的有機(jī)質(zhì)增加明顯,比第一年增加了11.2%,顯然與大量有機(jī)物料的投入增加了土壤碳源有關(guān);化肥+有機(jī)肥處理,基本上能供應(yīng)土壤有機(jī)質(zhì)分解的碳量,有利于有機(jī)質(zhì)累積。因此,化肥+有機(jī)肥效果好于有機(jī)肥,有機(jī)肥又好于化肥?；?有機(jī)肥+菌肥效果又好于化肥+有機(jī)肥,可以得出,在化肥+有機(jī)肥基礎(chǔ)上,菌肥可以為土壤多貢獻(xiàn)4個(gè)百分點(diǎn)的有機(jī)質(zhì),加強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)的礦化作用,有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,增強(qiáng)土壤養(yǎng)分供貯能力,有利于維持土壤有機(jī)質(zhì)的平衡。各培肥處理對(duì)土壤pH影響均不大,差異也不顯著。3.2化肥不同施用量對(duì)土壤生物量碳的影響不同培肥處理對(duì)微生物量碳、氮的影響也是很明顯的。由表2可見,經(jīng)過3年培肥,各處理的微生物量碳、氮都有所增加,與對(duì)照相比,4個(gè)處理差異顯著,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理的效果最好,增幅分別達(dá)到了17.2%和14.8%,化肥+有機(jī)肥處理次之12.4%和12.0%,有機(jī)肥處理增加11.1%和10.6%;化肥處理最少,只有2.3%和3.5%。主要原因是:(1)長期施用化肥(尤其是氮肥)雖然增加了植物根茬等的殘留,但由于土壤的C/N比下降,加速了土壤中原有有機(jī)碳分解,導(dǎo)致土壤中積累的有機(jī)碳總量較少,導(dǎo)致生物量碳增加不明顯,第三年比第一年增加了6.5%,增幅很緩慢;于樹也認(rèn)為,長期施用化肥不利于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成,微生物生長環(huán)境變劣,導(dǎo)致土壤微生物量降低。(2)而有機(jī)肥既能改善土壤物理性狀,又能提供較高濃度的能源與養(yǎng)分,使微生物活力和繁殖變得旺盛,土壤微生物量碳顯著增加,單施有機(jī)肥的處理主要是缺少微生物生長的氮和磷等養(yǎng)分,微生物的繁殖生長受限,減弱了微生物對(duì)氮的固持;但總體效果要強(qiáng)于單施化肥處理,其增幅為13.1%;比單施化肥好。(3)化肥+有機(jī)肥+菌肥處理處理分別要高于化肥+有機(jī)肥處理4.8和2.8個(gè)百分點(diǎn),化肥配施有機(jī)肥直接增加土壤有效碳源和氮源,有利于微生物繁殖,因此該處理微生物固持肥料氮能力比其它處理顯著增加,更能促進(jìn)土壤微生物活性,大量擴(kuò)繁的微生物固持了土壤中大部分礦化氮,此外菌肥中的優(yōu)勢微生物不斷繁殖直接造成了生物量碳氮增加。這與徐陽春等人的研究結(jié)果較吻合。3.3施肥量對(duì)土壤酶活性的影響不同培肥處理對(duì)土壤酶的影響也是不同的。從表3中看出,經(jīng)過3年培肥,各培肥處理的過氧化氫酶變化不大,差異均不顯著;說明各培肥處理對(duì)土壤過氧化氫酶影響基本相當(dāng),這與有關(guān)資料認(rèn)為過氧化氫酶活性在施肥處理間差異較小相似。與對(duì)照相比,經(jīng)過3年培肥,化肥+有機(jī)肥+菌肥的轉(zhuǎn)化酶增加最多為10.2%,與單施化肥處理差異顯著,和其余培肥處理差異不顯著;化肥+有機(jī)肥增加了7.7%,有機(jī)肥處理增加6.4%,化肥處理只增加了5.3%,這3個(gè)處理間差異不顯著。原因是有機(jī)肥處理對(duì)轉(zhuǎn)化酶影響主要是由于大量有機(jī)質(zhì)的施入,土壤有機(jī)碳含量提高,轉(zhuǎn)化酶底物誘導(dǎo)作用明顯,因此轉(zhuǎn)化酶活性有較大幅度的提高,因此單施有機(jī)肥要好過化肥,高出10個(gè)百分點(diǎn)。與對(duì)照相比,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理、化肥+有機(jī)肥、有機(jī)肥對(duì)磷酸酶均有提高作用,它們之間差異不顯著,增幅分別為16.0%,20.0%,16%;化肥僅增加為6%,和其它處理差異顯著。原因是,施化肥會(huì)降低土壤磷酸酶活性,因?yàn)樵诓皇┓蕳l件下土壤的供磷能力太低,刺激作物根系分泌較多磷酸酶來促進(jìn)有機(jī)磷的礦化,從而滿足自身需要。與對(duì)照相比,化肥+有機(jī)肥+菌肥處理對(duì)土壤脲酶活性的影響最明顯,提高了25.0%,和其余處理差異顯著;化肥+有機(jī)肥處理為15.9%,和化肥差異顯著,和有機(jī)肥差異不顯著。單施有機(jī)肥和化肥分別提高了15.9%和9.2%,二者差異不顯著。主要原因是:由于有機(jī)肥施入土壤中,本身含有某些酶等活性物質(zhì),同時(shí)有機(jī)物料的施入,增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量,為土壤微生物的活動(dòng)提供了大量的基質(zhì),利于微生物的生長,從而可能增加了土壤脲酶的數(shù)量,或促進(jìn)了土壤脲酶的活性,總體效應(yīng)是使土壤脲酶的活性大幅度提高,此外,畜禽糞中含有生物活體分泌的脲酶,因此酶活性較高,第3年比第1年增加了14.1%,增速較快。有機(jī)肥與化肥配施的處理與單施有機(jī)肥的處理相比,化肥對(duì)脲酶的抑制效應(yīng)降低,這同樣可能是由于有機(jī)肥的施用向土壤中施入了大量活性物質(zhì),從而減弱了單施化肥對(duì)土壤脲酶抑制作用的緣故,第3年比第1年增加了15.0%,要好于單施有機(jī)肥?；?有機(jī)肥+菌肥處理對(duì)土壤酶的作用要高于化肥+有機(jī)肥處理和其他處理,主要原因是,微生物數(shù)量種類較多的處理其土壤酶活性也越高,而土壤酶主要來源是微生物,其活性也必然隨之增強(qiáng);另一方面可能是化肥的施入調(diào)節(jié)了土壤中的養(yǎng)分比例,為微生物的活動(dòng)和酶活性的提高創(chuàng)造了良好的條件。因此,菌肥的加入會(huì)增強(qiáng)土壤酶活性。4復(fù)墾土壤化學(xué)性狀變化(1)隨著復(fù)墾年限的增加,不同培肥處理對(duì)土壤速效N、P和有機(jī)質(zhì)的提高都是有一定作用的,土壤的全氮、磷增加均不明顯。有機(jī)肥+化肥+菌肥處理的速效氮、磷增加了21.8%,25.5%;化肥+有機(jī)肥處理次之,達(dá)14.5%,19.3%;有機(jī)肥處理增幅為4.57%,13.4%;而化肥處理為8.65%,12.8%,各培肥處理與對(duì)照相比基本上差異顯著。(2)隨著復(fù)墾年限的增加,復(fù)墾土壤的微生物量碳、氮也都有很大提高,有機(jī)肥+化肥+菌肥處理提高最顯著,其中化肥+有機(jī)肥+菌肥處理的效果最好,增幅分別達(dá)到了17.2%和14.8%;化肥+有機(jī)肥處理次之12.4%和12.0%;有機(jī)肥處理增加11.1%和10.6%;含有機(jī)肥處理與對(duì)照相比差異均顯著;化肥處理最少,只有2.3%和3.5%,與對(duì)照差異不顯著。(3)隨著復(fù)墾年限的增加,其中化肥+有機(jī)肥+菌肥、化肥+有機(jī)肥、單施有機(jī)肥、化肥處理對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性增加了10.2%,7.7%,6.0%,4%;脲酶活性25.0%,15.9%,15.9%,9.2%;各培肥處理