劉靚，郜春花，張強，李建華，靳東升，盧朝東，盧晉晶

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

有機物料輸入對礦區(qū)復墾土壤特性的影響

劉靚1，郜春花2，張強2，李建華2，靳東升2，盧朝東2，盧晉晶2

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

針對礦區(qū)復墾土壤養(yǎng)分貧瘠、物理結(jié)構(gòu)差、生物活性低等問題，以山西省襄垣縣西山底村長期定位試驗為平臺，進行不同有機物料（生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、玉米秸稈，不施有機物料（對照））輸入對復墾土壤特性的影響研究。結(jié)果表明，不同有機物料輸入均可顯著增加表層土壤養(yǎng)分含量，對土壤部分物理性狀產(chǎn)生不同影響；牛糞、沼渣和堆肥能同時增強土壤蔗糖酶與堿性磷酸酶活性，其中以牛糞和沼渣最為顯著。因此，牛糞和沼渣可作為首選有機物料，加快礦區(qū)復墾土壤的培肥效果。

有機物料；礦區(qū)復墾土壤；理化性質(zhì)；酶活性

有機物料的種類多種多樣，其中，包括作物秸稈、堆肥、禽畜糞便、沼渣等。我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)有機廢棄物的種類和數(shù)量逐年增多，現(xiàn)已成為世界農(nóng)業(yè)有機廢棄物產(chǎn)出量最大的國家。有資料顯示，我國是世界上秸稈第一大國，2009年我國作物秸稈總量超過8.2億t[1]，并且呈逐年上升趨勢。我國畜禽糞便生產(chǎn)量1980年超過了14億t，2011年達到21.21億t，并伴隨著畜禽養(yǎng)殖量的增加而加速增加，到2020年和2030年將分別達到28億、37.43億t[2]。這些有機廢棄物絕大多數(shù)沒有得到合理利用而成了污染物，對水體、大氣、土壤和人類健康造成許多負面影響。有機物料的施用在我國具有悠久的歷史，20世紀50年代前，它主要作為農(nóng)業(yè)上氮、磷、鉀的主要來源[3-4]。盡管目前化肥的施用越來越普遍，但有機肥仍提供了相當比例的氮、磷、鉀，現(xiàn)在的觀點普遍認為，有機物料的施用關(guān)鍵不在于氮、磷、鉀含量的多少，而在于它可以改善土壤理化性狀[5]，增強土壤微生物的活力[6]，促進土壤中營養(yǎng)元素的循環(huán)，提高作物根系功能，改善土壤質(zhì)量等。

山西省是新型能源和工業(yè)基地，產(chǎn)煤大省，礦區(qū)復墾面積很大。礦區(qū)復墾土壤養(yǎng)分貧瘠、微生物活性低、數(shù)量少、作物生長緩慢、產(chǎn)量低下。本研究以山西省襄垣縣西山底村長期定位試驗為平臺，在礦區(qū)復墾土壤上進行有關(guān)有機物料輸入對土壤理化性質(zhì)及微生物活性影響的研究，最終明確有機物料對土壤性質(zhì)和土壤活性的影響。以期為快速高效提高礦區(qū)復墾土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

襄垣縣位于山西省東南部長治市，太行山西麓，上黨盆地之北，地理坐標為東經(jīng)112°42′～113°14′，北緯36°23′～36°44′。本試驗基地位于襄垣縣西山底村，該基地屬潞安集團五陽煤礦井田范圍，20世紀70年代開始地表塌陷，2000年前后塌陷穩(wěn)定。本試驗基地從2012年開始進行試驗，種植作物為玉米，品種為先玉335，株行距為35 cm×60 cm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年5—10月進行。共設(shè)6個處理（5種有機物料和1個空白對照），即HT（生物炭）、DF（堆肥）、ZZ（沼渣）、NF（牛糞）、JG（玉米秸稈）和CK（不施有機物料）。每個處理設(shè)3個重復，共18個小區(qū)，各小區(qū)位置完全隨機排列。每個小區(qū)面積30 m2，試驗區(qū)總面積540 m2。所施入的5種有機物料均以等碳量施入耕作層，施入量為上季還田玉米秸稈的含碳量（2.7 t/hm2）?；o機肥N 180，P2O572，K2O60 kg/hm2。

1.3 采樣及測定方法

2015年9月28日，襄垣縣西山底村試驗基地玉米進入完熟期，進行土壤樣品的采集，其中，用于測定土壤容重、滲透速率的土壤用環(huán)刀采集，每個小區(qū)在0～20 cm土層中取3個環(huán)刀土樣；用于測定土壤養(yǎng)分、土壤酶活性的土壤使用土鉆進行采集，每小區(qū)中選取3個點分別采集0～20，20～40 cm的土壤，同一采集區(qū)間的3鉆土壤最后要混勻裝袋，之后風干后過2 mm篩。

土壤容重、滲透速率采用環(huán)刀法進行測定。土壤養(yǎng)分的測定均參照鮑士旦[7]《土壤農(nóng)化分析》的測定方法進行。土壤全氮采用開氏定氮法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定。參照嚴昶升[8]的方法測定土壤酶活性：磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法（37℃培養(yǎng)24 h），以每克土釋放酚的毫克數(shù)表示磷酸酶活性；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法（37℃培養(yǎng)24 h），以每克土壤中葡萄糖的量表示蔗糖酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Excel 2003對數(shù)據(jù)、圖表進行處理。采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行方差分析、多重比較及顯著性差異檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機物料輸入對土壤養(yǎng)分的影響

土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必需的重要資源；土壤中的養(yǎng)分更是對作物生長發(fā)育起著極其重要的作用。試驗區(qū)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分情況如表1所示，其采樣時間為2012年1月。

表1 試驗前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分

2015年9月試驗區(qū)采集土壤的養(yǎng)分結(jié)果如圖1～5所示，各處理的有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量均高于基礎(chǔ)養(yǎng)分。說明有機物料的長期輸入，顯著地增加了土壤養(yǎng)分的含量。特別是耕層（0～20 cm）土壤養(yǎng)分的變化更顯著。

由圖1可知，HT，DF，ZZ，NF，JG處理0～20，20～40 cm土壤有機質(zhì)含量均高于CK，其中，0～20 cm土層中，土壤有機質(zhì)含量分別比CK增加了111%，84%，51%，92%和50%，5種有機物料對土壤有機質(zhì)含量影響從大到小依次為HT，NF，DF，ZZ，JG；20～40 cm土層中，土壤有機質(zhì)含量分別比CK增加了15%，91%，19%，75%和115%，其中，DF，NF和JG處理與CK相比差異較大，5種有機物料對土壤有機質(zhì)含量影響從大到小依次為JG，DF，NF，ZZ，HT。由此可以看出，施入生物炭、堆肥和牛糞對提高表層土壤有機質(zhì)含量效果明顯。

由圖2可知，0～20 cm土層中，HT，DF，ZZ，NF，JG處理的土壤全氮含量均高于CK，分別比CK增加15.44%，92.24%，13.92%，35.44%和10%，5種有機物料對土壤全氮含量影響從大到小依次為NF，DF，HT，JG，ZZ；20～40 cm土層中，除ZZ外，其余處理的全氮含量均高于CK，HT，DF，NF，JG處理的全氮含量分別比CK增加14.87%，9.73%，20.71%，4.96%，5種有機物料對土壤全氮含量影響從大到小依次為NF，HT，DF，JG，ZZ。由此可以看出，施入牛糞對提高土壤全氮含量效果較好。

從圖3可以看出，0～20 cm土層中，HT，DF，ZZ，NF，JG處理的土壤有效磷含量均高于CK，分別比CK增加4.16，27.36，67.36，45.26，4.76 mg/kg，5種有機物料對土壤有效磷含量影響從大到小依次為ZZ，NF，DF，HT，JG；20～40 cm土層中，除HT外，其余處理的土壤有效磷含量均高于CK，分別比對照增加1.05，4.21，2.63，1.77 mg/kg，5種有機物料對土壤有效磷含量影響從大到小依次為ZZ，NF，JG，DF，HT。由此可以看出，施入沼渣和牛糞對提高土壤有效磷含量效果最好。

由圖4可知，0～20 cm土層中，HT，DF，ZZ，NF，JG處理的土壤速效鉀含量均高于CK，分別比CK增加14.3，109.2，65.8，93.1，54.4 mg/kg，5種有機物料對土壤速效鉀含量影響從大到小依次為DF，NF，ZZ，JG，HT；20～40 cm土層中，除ZZ和JG外，其余處理的土壤速效鉀含量均高于CK，HT，DF，NF分別比CK增加1，39，20 mg/kg，5種有機物料對土壤速效鉀含量影響從大到小依次為DF，NF，HT，ZZ，JG。由此可以看出，施入堆肥和牛糞對提高土壤速效鉀含量效果較好。

結(jié)果表明，試驗地各小區(qū)不同有機物料輸入能夠明顯增加土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，綜合效果是堆肥和牛糞增加肥力效果比較穩(wěn)定。

2.2 不同有機物料輸入對土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的重要指標。一般耕作層的土壤容重為1.0～1.3 g/cm3，土層越深容重越大，可達1.4～1.6 g/cm3。土壤容重越小，說明土壤結(jié)構(gòu)、透氣透水性能越好。本試驗區(qū)0～20 cm的土壤容重在1.12～1.38g/cm3。對0～20 cm土壤進行單因素方差分析，結(jié)果表明，與其他處理相比，ZZ處理和NF處理土壤容重相對較小，并且ZZ處理容重與HT，DF，JG處理間均差異顯著。施入5種有機物料對降低土壤容重的影響從大到小依次為ZZ，NF，HT，DF，JG。綜合來看，土壤中施入沼渣和牛糞都能減小土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)。

2.3 不同有機物料輸入對土壤滲透速率的影響

土壤滲透速率又稱土壤入滲率，是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。從圖6可以看出，在0～20 cm土層，與CK相比，5個處理的滲透速率從大到小依次為NF，ZZ，DF，HT，JG。NF處理透速率最大，比對照高出22.3%，JG處理最小，比對照低22.98%。對0～20 cm土層的滲透速率進行統(tǒng)計分析可知，只有NF處理和JG處理與CK間差異顯著，且NF處理的滲透速率高于CK。綜合來看，施入生物炭、堆肥、沼渣、牛糞均能夠增加土壤滲透速率，其中，牛糞和沼渣相對于其他處理來說對于提高土壤滲透速率效果較好。

2.4 不同有機物料輸入對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶是土壤酶中一種非常重要的酶類。土壤蔗糖酶與土壤中的有機質(zhì)、氮、磷含量，微生物數(shù)量及土壤呼吸強度有關(guān)，其酶促產(chǎn)物直接關(guān)系到植物的生長[9]。因此，土壤蔗糖酶活性反映了土壤的熟化程度和肥力水平，是評價土壤肥力的重要指標[10]。

從圖7可以看出，不同有機物料輸入對土壤蔗糖酶的影響不同。在同一施肥水平上與CK相比，DF，ZZ，NF，JG的施入使土壤蔗糖酶活性分別增加36.2%，46.84%，48.99%，21.27%。5種有機物料處理中除HT處理以外，其余處理均與CK間差異顯著，影響由大到小依次是NF，ZZ，DF，JG。HT對土壤蔗糖酶基本沒有明顯影響。由此可知，施入牛糞、沼渣、堆肥及秸稈均能有效提高土壤蔗糖酶活性，牛糞、沼渣、堆肥和秸稈均對土壤蔗糖酶活性影響顯著，其中，牛糞是最好的選擇。

2.5 不同有機物料輸入對土壤堿性磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶是一種可以把土壤中難以被植物利用的有機磷化合物轉(zhuǎn)化為能被植物吸收利用狀態(tài)的酶。在pH值介于4～9的土壤中均有磷酸酶。本試驗區(qū)的土壤pH值在8左右，因此，要對土壤堿性磷酸酶進行測定，用其反映土壤的供磷情況。土壤堿性磷酸酶活性越強，說明土壤磷素肥力越高。

從圖8可以看出，相同的施肥水平上，不同有機物料的施入對土壤堿性磷酸酶活性的影響也不一樣，在同一施肥水平上與CK相比，DF，ZZ，NF，JG的施入使土壤堿性磷酸酶活性分別增加16.46%，20.25%，13.92%和3.80%；HT的施入使土壤堿性磷酸酶活性減少8.86%。與CK相比，除HT處理外，其他4種有機物料對土壤堿性磷酸酶活性的影響均達到顯著水平。有機物料對土壤堿性磷酸酶活性的影響由大到小依次是ZZ，DF，NF，JG，HT。因此，土壤中施入沼渣、堆肥和牛糞能有效增加土壤堿性磷酸酶活性，同時提高土壤磷素肥力。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同有機物料輸入能顯著增加表層土壤養(yǎng)分含量

不同有機物料輸入對土壤養(yǎng)分含量的影響顯著，有機物料能夠明顯增加土壤養(yǎng)分含量，與很多文獻結(jié)果較為一致。孫瑞娟等[11]研究結(jié)果表明，土壤養(yǎng)分含量對不同施肥處理的響應不同，施肥能夠提高土壤養(yǎng)分含量。宋蒙亞等[12]研究表明，添加有機物料可以顯著提高土壤養(yǎng)分含量，增強土壤生物活性，從而提高土壤供肥能力。Tessier等[13]研究結(jié)果表明，施入牛糞有機肥后，能夠增加土壤有機碳含量，進而增大土壤微生物生物量。黑炭由于其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)性，將其施加到土壤中后，能夠保持土壤養(yǎng)分[14]。

3.2 不同有機物料輸入對土壤部分物理性狀產(chǎn)生不同影響

一般情況下，土壤容重較小，表明土壤比較疏松，孔隙多、保水保肥能力強；反之，土體緊實、結(jié)構(gòu)性差、孔隙小，透水性、通氣性不良，保水保肥能力差。本試驗研究結(jié)果表明，在0～20 cm土壤中，沼渣處理在改善土壤的容重方面效果最好，綜合結(jié)果來看，牛糞能很好地降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，是相對較優(yōu)的方法。陳紅霞等[15]研究表明，在砂姜黑土上連續(xù)3 a施用生物炭后，0～7.5 cm土層土壤容重顯著降低。Claser等[16-17]研究表明，對土壤施入黑炭能夠提高土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)。本研究結(jié)果表明，改良土壤容重最好的有機物料是牛糞，但是關(guān)于將牛糞作為有機物料施入土壤中的研究鮮有報道，本試驗為這方面的研究開辟了新的思路，對后續(xù)研究有一定的意義。

3.3 不同有機物料輸入顯著提高土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性

土壤酶直接參與土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分釋放和固定過程，土壤酶活性與土壤供肥能力密切相關(guān)[18]。土壤酶活性對不同有機物料處理有明顯的響應，有機物料可提高土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性。本試驗結(jié)果表明，施入牛糞和沼渣能夠顯著提高土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性。王艷[19]研究結(jié)果表明，加入不同有機物料后，秸稈處理的過氧化氫酶活性顯著提高。董志新等[20]研究結(jié)果表明，牛糞對提高土壤蔗糖酶活性效果較好。

本研究結(jié)果表明，土壤不同有機物料輸入均能顯著增加表層土壤養(yǎng)分含量，其中，以牛糞和堆肥效果顯著；有機物料對土壤部分物理性狀產(chǎn)生不同的影響，以牛糞和堆肥效果顯著；牛糞、沼渣和堆肥能同時增強土壤蔗糖酶與堿性磷酸酶活性，其中，以牛糞和沼渣最為顯著。因此，牛糞和沼渣可以作為首選有機物料，有顯著加快礦區(qū)復墾土壤培肥的效果。

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Effects of Organic Material Input on Reclaimed Soil Characteristics in Mining Area

LIUliang1，GAOChunhua2，ZHANGQiang2，LI Jianhua2，JINDongsheng2，LUChaodong2，LUJinjing2
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment and Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

According to the problem of poor nutrition,poor physical structure,low biological activity in mine reclaimed soil,this paper researched the influence ofdifferent organic material input（biochar,compost,biogas residues,cowdung,corn strawand control）on reclaimed soil properties,based on a long-term located experiment in Xishandi village of Xiangyuan county Shanxi province.The results showed that the different organic material inputs significantly increased surface soil nutrient content,the effects on some physical properties of soil were different.Cow dung,compost and biogas residues could enhance the soil invertase and alkaline phosphatase activity,and cowdung and biogas residues were most significant.Therefore,cowdung and biogas residues can be used as the preferred organic material,speed up fertilityeffect ofthe reclamation soil.

organic materials;mine reclaimed soil;physical and chemical properties;enzyme activity

TD88

A

1002-2481（2016）12-1805-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.17

2016-07-19

山西省科技重大專項（20121101009）；山西省青年科技研究基金項目（2015021158）；山西省財政支農(nóng)項目（2016NYGX-04）

劉靚（1991-），女，黑龍江牡丹江人，在讀碩士，研究方向：礦區(qū)土壤生態(tài)修復。郜春花為通信作者。