不同培肥處理對采煤塌陷區(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別抗壓強度，有時斷裂，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)墾對表土被劇烈擾動后,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,以往對礦區(qū)采煤塌陷地復(fù)墾土壤的培肥多是利用增施有機無機培肥進(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土壤培肥進(jìn)行了一些研究,但是利用菌肥對不同年限復(fù)墾土壤熟化、改良的研究報道不多,本試驗通過利用幾種不同培肥處理對塌陷復(fù)墾土壤進(jìn)行培肥熟化,并研究機理和培肥效果,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材料與試驗設(shè)計該塌陷復(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。本試驗在大張村采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土地上進(jìn)行,試驗前基礎(chǔ)土樣的全氮、全磷、有機質(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試驗材料試驗從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)、小麥(澤優(yōu)2號)。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)拮抗試驗后,混合、擴大培養(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,草炭含N2.01%,P2O52.44%,K2O1.22%。2.3試驗設(shè)計與管理(實施)該試驗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。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,每個小區(qū)面積200m2,設(shè)置5個處理,分別是:(1)不施肥(CK);(2)化肥(NP);(3)有機肥;(4)有機肥+化肥;(5)有機肥+化肥+菌肥,每個處理重復(fù)3次;化肥使用尿素(N:46%)和過磷酸鈣(P2O5:12%);有機肥使用雞糞,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,堿解氮采用堿解擴散法,有效磷采用0.5mol/LNaHCO3浸提鉬銻抗比色法,有機質(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不同培肥處理對速磷菌肥及有機質(zhì)含量的影響從表1看出,與對照相比,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,這和每個處理施入等量的養(yǎng)分有關(guān)。不同培肥處理對速效N的影響比較大。由表1可見,經(jīng)過3年培肥,4個處理之間差異較顯著,與對照相比差異顯著,與對照相比,化肥+有機肥+菌肥處理提高21.8%;化肥+有機肥處理提高14.5%,有機肥處理提高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,很少能在土壤有機質(zhì)中積累,單施有機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?；?有機肥+菌肥效果好于化肥+有機肥處理和其他處理,主要原因是有機、無機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,單施化肥和有機肥處理差異不顯著外,化肥+有機肥+菌肥與其它處理差異顯著,各處理與對照相比差異也顯著,與對照相比,化肥+有機肥+菌肥處理提高25.5%;化肥+有機肥處理提高19.3%,有機肥處理提高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;單施有機肥效果好過單施化肥的原因在于,有機肥本身含有一定數(shù)量的磷,且以有機磷為主,這部分磷易于分解釋放;另一方面有機肥施入土壤后可增加土壤的有機質(zhì)含量,而有機質(zhì)可減少無機磷的固定,并促進(jìn)無機磷的溶解;因此,速效磷高于化肥處理。有機、無機肥配施要好于單施有機肥、化肥,是由于存在無機磷的條件下,有機磷的礦化增加,因為無機磷將與有機磷競爭本來是難溶的那部分有機磷中的Fe、Al、Ca,由此導(dǎo)致礦化的增加,從而增加了速效磷的含量?；?有機肥+菌肥要好于化肥+有機肥處理和其他處理,主要是因為磷細(xì)菌對土壤環(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肥和化肥對磷的影響效果顯著,是提高復(fù)墾土壤速效磷的有效途徑。不同培肥處理對有機質(zhì)的影響也是明顯的。由表1可見,經(jīng)過3年培肥,各處理與對照相比差異顯著,與對照相比,單施有機肥處理有機質(zhì)增加最多,達(dá)15.9%,化肥+有機肥+菌肥處理次之,達(dá)14.2%,化肥+有機肥處理為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%,這只能彌補土壤有機質(zhì)礦化損失,不能明顯提高土壤有機質(zhì)含量;有機肥處理的有機質(zhì)增加明顯,比第一年增加了11.2%,顯然與大量有機物料的投入增加了土壤碳源有關(guān);化肥+有機肥處理,基本上能供應(yīng)土壤有機質(zhì)分解的碳量,有利于有機質(zhì)累積。因此,化肥+有機肥效果好于有機肥,有機肥又好于化肥?；?有機肥+菌肥效果又好于化肥+有機肥,可以得出,在化肥+有機肥基礎(chǔ)上,菌肥可以為土壤多貢獻(xiàn)4個百分點的有機質(zhì),加強了有機質(zhì)的礦化作用,有利于提高土壤有機質(zhì)含量,增強土壤養(yǎng)分供貯能力,有利于維持土壤有機質(zhì)的平衡。各培肥處理對土壤pH影響均不大,差異也不顯著。3.2化肥不同施用量對土壤生物量碳的影響不同培肥處理對微生物量碳、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,與對照相比,4個處理差異顯著,化肥+有機肥+菌肥處理的效果最好,增幅分別達(dá)到了17.2%和14.8%,化肥+有機肥處理次之12.4%和12.0%,有機肥處理增加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碳分解,導(dǎo)致土壤中積累的有機碳總量較少,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,減弱了微生物對氮的固持;但總體效果要強于單施化肥處理,其增幅為13.1%;比單施化肥好。(3)化肥+有機肥+菌肥處理處理分別要高于化肥+有機肥處理4.8和2.8個百分點,化肥配施有機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施肥量對土壤酶活性的影響不同培肥處理對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。與對照相比,經(jīng)過3年培肥,化肥+有機肥+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+有機肥增加了7.7%,有機肥處理增加6.4%,化肥處理只增加了5.3%,這3個處理間差異不顯著。原因是有機肥處理對轉(zhuǎn)化酶影響主要是由于大量有機質(zhì)的施入,土壤有機碳含量提高,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,因此單施有機肥要好過化肥,高出10個百分點。與對照相比,化肥+有機肥+菌肥處理、化肥+有機肥、有機肥對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,施化肥會降低土壤磷酸酶活性,因為在不施肥條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)有機磷的礦化,從而滿足自身需要。與對照相比,化肥+有機肥+菌肥處理對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+有機肥處理為15.9%,和化肥差異顯著,和有機肥差異不顯著。單施有機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:由于有機肥施入土壤中,本身含有某些酶等活性物質(zhì),同時有機物料的施入,增加了土壤有機質(zhì)的含量,為土壤微生物的活動提供了大量的基質(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。有機肥與化肥配施的處理與單施有機肥的處理相比,化肥對脲酶的抑制效應(yīng)降低,這同樣可能是由于有機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%,要好于單施有機肥?；?有機肥+菌肥處理對土壤酶的作用要高于化肥+有機肥處理和其他處理,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;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,為微生物的活動和酶活性的提高創(chuàng)造了良好的條件。因此,菌肥的加入會增強土壤酶活性。4復(fù)墾土壤化學(xué)性狀變化(1)隨著復(fù)墾年限的增加,不同培肥處理對土壤速效N、P和有機質(zhì)的提高都是有一定作用的,土壤的全氮、磷增加均不明顯。有機肥+化肥+菌肥處理的速效氮、磷增加了21.8%,25.5%;化肥+有機肥處理次之,達(dá)14.5%,19.3%;有機肥處理增幅為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,有機肥+化肥+菌肥處理提高最顯著,其中化肥+有機肥+菌肥處理的效果最好,增幅分別達(dá)到了17.2%和14.8%;化肥+有機肥處理次之12.4%和12.0%;有機肥處理增加11.1%和10.6%;含有機肥處理與對照相比差異均顯著;化肥處理最少,只有2.3%和3.5%,與對照差異不顯著。(3)隨著復(fù)墾年限的增加,其中化肥+有機肥+菌肥、化肥+有機肥、單施有機肥、化肥處理對轉(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