不同植被恢復模式下煤矸石充填復墾土壤物理性質與有機無機復合體的關系
2015-03-15 02:45:35魏懷建李玉成鄭劉根
水土保持通報 2015年6期
魏懷建, 李玉成, 王 寧, 鄭劉根, 程 樺, 徐 翀
(1.安徽大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601; 2.煤礦生態環境保護國家工程實驗室, 安徽 淮南 232001)
不同植被恢復模式下煤矸石充填復墾土壤物理性質與有機無機復合體的關系
魏懷建1, 李玉成1, 王 寧1, 鄭劉根1, 程 樺1, 徐 翀2
(1.安徽大學 資源與環境工程學院, 安徽 合肥 230601; 2.煤礦生態環境保護國家工程實驗室, 安徽 淮南 232001)
摘要：[目的] 揭示復墾土壤物理性質與有機無機復合體的關系，為改善復墾土壤的物理特性提供依據。 [方法] 選擇淮南大通煤矸石充填復墾區三種典型植被恢復模式下人工恢復7 a的土壤，定量分析其物理性質及有機無機復合體，并運用多元統計分析兩者的關系。 [結果] 研究區土壤的有機無機復合狀況及結合態腐殖質在不同植被恢復下發生了不同程度的變化。結合態腐殖質以穩結態為主，所占比例為41%～67%。植被恢復降低了復墾土壤的容重而增加了其總孔隙度，而且臭椿+草本恢復模式效果最佳。土壤非毛管孔隙度與有機無機復合量及緊結態/重組碳呈顯著正相關，而與穩結態/重組碳呈顯著負相關。毛管孔隙度與有機無機復合量及緊結態/重組碳呈顯著負相關，而與穩結態/重組碳呈顯著正相關。土壤總孔隙度及容重與結合態腐殖質各組分的絕對含量分別呈顯著正相關和負相關關系。 [結論] 復墾土壤物理性質與有機無機復合體具有密切關系。
關鍵詞：復墾土壤; 植被恢復; 有機無機復合體; 物理性質
煤矸石充填復墾土壤多為砂質壤土，砂粒偏多，缺少黏粒，從而導致土壤保肥保水能力差；復墾用土本身僅僅是母質巖風化形成的土，有機質及營養元素等含量極低，不利于作物生長[1]。必需通過有機碳的積累及團聚體的復原，復墾用土才能恢復成適宜作物生長的正常土壤。近年來我國開展了一系列采煤塌陷區的復墾工程，但重點集中在研究如何增加耕地的數量，針對于重構土壤的肥力恢復狀況方面的研究較少[2-3]。土壤孔隙的總容積、孔徑分布、形狀能夠決定土壤水分的保蓄、運輸，氣體擴散，微生物活動等許多土壤過程及功能。研究土壤的孔隙特點對評估土壤的結構和質量是有顯著作用的。土地利用、耕作、施肥及壓實能顯著改變土壤的總孔隙度、不同孔徑孔隙分布及孔隙功能，進而影響到土壤的物理、化學、生物過程。在風化程度較低，黏粒含量較少的土壤中，有機質對土壤團聚體的膠合、穩定及隨之而形成的大孔徑孔隙(>0.1 μm)有重要作用[4]。土壤有機無機復合體(即為結合態腐殖質)是形成良好的土壤結構的基本條件，它主要以膠膜的形式包被在礦質土粒的外表，能使砂土變緊，使黏土變松，從而改善土壤的通氣性、滲水性及保水性[5]。土壤中只有不到20%的有機質存在于大團聚體中，而其中50%以上的有機質與礦物質顆粒結合形成有機無機復合體[6]。土壤物理性質在很大程度上取決于各級復合體的有機碳含量[7]。與傳統的耕作相比，免耕更有利于有機無機復合體及微團聚體的形成，進而有機碳的積累更多[6]；而且林地有機碳的含量一般比耕地的高。因此，通過喬木、灌木及草本混合種植以林地的形式進行修復，比主要種植小麥等農作物以耕地的形式進行修復，更有利于煤矸石充填復墾土壤有機碳的積累及團聚體的復原。
近年來國內外研究[8]發現有機質的各組分(如：游離態有機質、富里酸及胡敏酸等)與土壤物理性質存在相關關系，但只研究了土壤有機質與土壤總孔隙度及與滲水性、保水性相關物理參數的相關性，而沒有研究有機質的各組分與不同孔徑孔隙的相關性規律，而且針對于用化學分級法提取的有機無機復合體各組分與土壤物理性質的相關性研究較少。淮南大通采煤塌陷區是用挖深墊淺的模式進行修復的，即塌陷較深的地方進一步挖深建成了大通濕地；塌陷較淺的地方充填煤矸石，覆土種植。本研究通過探討大通煤矸石充填復墾區3種典型植被恢復模式下土壤物理性質與有機無機復合體的相關性規律，便于有針對性的采取有效措施調節土壤有機無機復合體各組分的數量及比例以改善土壤的物理性質，為礦區土壤恢復到較佳物理條件提供理論依據。
1研究區概況
淮南大通廢棄礦區(117°1′44″—170°3′29″E，32°36′46″—32°37′49″N)位于亞熱帶和溫帶的過渡地帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫為14.3～16.4 ℃，多年平均相對濕度72%，年平均降水965 mm，年蒸發量為1 603 mm，主導風向多為東南風，多年平均日照百分率為51%。研究區于2006年充填煤矸石，覆土種植，修復區內土壤主要是黃棕壤，覆土來源于修復區的原生土(從礦區內未遭采煤塌陷破壞的區域挖掘、混勻后使用)，覆土厚度約為20 cm。所選擇的不同樣地復墾用土來源、覆土厚度相同；樣地間距在10～20 m左右，氣候、氣溫及降水等因素對3個樣地的影響可以認為沒有差異；坡度平緩，地表徑流對各樣地的影響無差異；覆土為砂土混勻后使用，不同樣地及同一樣地不同深度的物理、化學及生物特性基本一致。研究區土壤在不同植被恢復模式下恢復一定年限后，在水平及垂直方向上物理、化學及生物性質的不同程度的差異主要是由植被及其固定的腐殖質引起的。這樣得出的土壤物理性質與有機無機復合體的相關性規律便于量化。
2材料與方法
2.1 樣地設置與樣品采集
于2013年10月選擇3種典型的植被恢復模式修復下的土壤作調查研究，3個典型樣地分別用A區、B區、C區表示(樣地按喬、灌木的生長范圍進行劃分)，對應的3種植被恢復模式分別為刺槐+丁香+草本，石楠+草本，臭椿+草本。A,C區用蛇形采樣法布設5個點，B區面積狹小，隨機取2個點。取上層(0—10 cm)和下層(10—20 cm)兩層(個別覆土較薄的點采集0—10 cm為1層)，共采集22個土樣，其中，A區9個，B區4個，C區9個。在樣地周圍沒有植被覆蓋處(其他條件與試驗地完全一致)采集3個重復樣作為對照組。表1為原土的基本理化性質及有機無機復合狀況。于2014年4月調查了研究區的植被。表2為淮南大通區所選樣地的地理位置、大小及所種植植被的詳細信息。
表1 原土的基本理化性質及有機無機復合狀況
注：土壤質地中各級顆粒的粒徑為砂粒(2~0.02 mm),粉粒(0.02~0.002 mm),黏粒(<0.002 mm)。
2.2 試驗方法
2.2.1土壤基本理化性質的測定土壤容重和孔隙度等物理指標采用環刀法取樣測定[9]，將環刀托放在已知重量的環刀上，環刀內壁稍擦上凡士林，將環刀刃口向下垂直壓入土中，直至環刀筒中充滿樣品為止；用修土刀切開環刀周圍的土樣，取出已裝土的環刀，細心削去環刀兩端多余的土，并擦凈環刀外面的土；把裝有樣品的環刀兩端立即加蓋，隨即稱重，并同時在同層采樣處，用鋁盒采樣，測定自然含水率；每個樣點采集3個重復樣。含水率用烘干法測定。pH值采用電位測定法(1∶2.5)。土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)測定：土樣過100目篩的風干土經1 mol/L HCl處理后用德國elementar TOC測定。土壤質地測定：土樣過2 mm篩的土樣經10% H2O2-10% HCl-0.05 mol/L的(NaPO3)6處理[10]后用激光粒度儀(型號：LS13 320 ALM)測定。
2.2.2土壤結合態腐殖質的分級及測定結合態腐殖質的分級用傅積平改進法[11]，即分為松結態、穩結態和緊結態；松結態、穩結態腐殖質碳的含量用島津TOC-LCPN測定；緊結態腐殖質碳的含量測定：提取完松結態、穩結態腐殖質后的殘渣經1 mol/LHCl處理后用德國Elementar TOC測定。
有機無機復合度(%)=
HC·HW×100/(SW·SC)
有機無機復合量(g/kg)=HC·HW/SW
式中：HC——重組有機碳含量(g/kg); HW——重組樣品質量(g); SW——土壤樣品質量(g); SC——土壤有機碳含量(g/kg)。
實驗數據主要采用SPSS 18軟件進行相關性分析、方差分析。圖表采用Origin 8.5繪制。
表2 淮南大通采樣區的基本情況
注：丁香(Syrigaoblate)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，石楠(Photiniaserratifolia)，臭椿(Ailanthusaltissima)，擬二葉飄拂草(Fimbristylisdiphylloides)，中華結縷草(Zoysiasinica)，小巢菜(Viciahirsuta)，白茅(Imperatacylindrica)，救荒野豌豆(Viciasativa)，野老鸛草(Geraniumcarolinianum)，茅莓(Rubusparvifolius)，鵝觀草(Elymuskamoji)，豬殃殃(Galiumaparine)。
3結果與討論
3.1 研究區土壤的基本理化性質
研究區土壤均以砂粒為主，砂粒與粉粒之和達到了90%以上，而黏粒含量不足10%(表1)，土壤風化程度較低。不同植被模式修復后的土壤與原土的質地基本一致而沒有再單獨列出。研究區土壤pH值為7.5~8.0，呈堿性。土壤容重反映了土壤的松緊度和對地表水的蓄積能力，土壤緊實度是復墾土壤恢復到原狀土壤狀態的一個主要抑制因素[12]。從表3得知，研究區土壤容重在1.30~1.50 g/cm3之間，比原土容重低(表1)。
土壤總孔隙度是單位容積土壤中空隙容積所占的百分數，其中，毛管孔隙是指土壤中細小的孔隙(0.001 mm
表3 研究區不同植被下土壤的基本理化性質
注：數值為：測定值±標準差；同列不同小寫字母表示不同土層在0.05水平的差異顯著性。
3.2 土壤物理性質與結合態腐殖質的關系
3.2.1土壤結合態腐殖質各組分的含量及比例結合態腐殖質根據與礦物質結合的松緊程度，由松到緊依次為松結態、穩結態及緊結態腐殖質。松結態主要是由鐵、鋁或其水化氧化物聯結的有機礦質復合體[14]，一般代表新鮮的腐殖質，活性相對較強[15]；穩結態主要是由鈣離子聯結的有機礦質復合體，與松結態腐殖質的特性不同，穩結態腐殖質的芳化度和分子量較大，活性較低[14]；緊結態腐殖質是與礦物結合較緊且較穩定的腐殖質，對土壤養分的保貯及穩定結構有重要作用[15]。從圖1得知，土壤松結態腐殖質的絕對含量除臭椿+草本模式下的上層顯著較高外，其他不同土層之間均無顯著性差異(p<0.05)。研究區土壤結合態腐殖質均以穩結態為主，占41%～67%。臭椿+草本模式下的土壤穩結態腐殖質的絕對含量顯著高于刺槐+丁香+草本的，而石楠+草本模式的其它兩種模式無顯著性差異；穩結態的相對含量均為上層顯著低于下層，而在不同植被之間沒有顯著性差異(p<0.05)。緊結態腐殖質的含量及比例均為上層顯著高于下層，其中，石楠+草本模式下的上層緊結態的絕對含量顯著高于其它兩種模式的；臭椿+草本模式下的上層緊結態的相對含量顯著低于其它兩種模式(p<0.05)。
注：同一橫坐標項不同小寫字母表示不同土層在0.05水平的差異顯著性。
3.2.2土壤物理性質與結合態腐殖質的關系從表4得知，土壤總孔隙度及容重與SOC分別呈顯著正相關和負相關，這可能是因為有機質本身的絮狀多孔降低土壤容重，而與礦物質結合形成的團聚體能夠增加土壤總孔隙度[16]。毛管孔隙度與SOC呈顯著負相關，而非毛管孔隙度與SOC呈顯著正相關。可見，SOC主要促進非毛管孔隙的形成，而減少毛管孔隙度。
表4 不同植被下土壤物理性質與有機無機
注：*，**分別表示5%和1%差異顯著性水平。下同。
土壤總孔隙度及容重與結合態腐殖質的各組分均分別呈顯著正相關和負相關，可見，結合態腐殖質各組分的增加能增加土壤總孔隙度而降低土壤容重。毛管孔隙度與穩結態/重組碳呈極顯著正相關，而與緊結態/重組碳呈極顯著負相關；非毛管孔隙度與穩結態/重組碳呈顯著負相關，而與緊結態/重組碳呈顯著正相關；土壤各物理性質與松結態/重組碳均沒有顯著相關性。可見，結合態腐殖質各組分的比例大小對不同孔徑孔隙的分配有重要作用，進而影響到土壤的通氣性、滲水性及保水性。其中，穩結態占的比例越大，則能促進形成細小的毛管孔隙，而阻止形成粗大的非毛管孔隙，進而有利于改善土壤保水性，而不利于土壤通氣性及滲水性；緊結態占的比例越大，則能促進形成粗大的非毛管孔隙，而阻止形成細小的毛管孔隙，進而有利于改善土壤通氣性及滲水性，而不利于土壤保水性；松結態占的比例大小對不同孔徑孔隙影響不顯著。對于土壤不同孔徑孔隙與結合態腐殖質的各組分比例的相關性機理有待于進一步研究。
3.3 土壤物理性質與腐殖質有機無機復合狀況的關系
3.3.1土壤的有機無機復合狀況有機無機復合量反映的是土壤中有機質與黏粒結合的數量程度，復合量越大表明二者結合量大[17]，而有機無機復合度代表土壤重組有機碳占總有機碳的比例。從圖1及表1中得知，不同植被模式下的土壤有機無機復合量均為上層顯著高于下層及原土復合量，而在不同植被恢復模式之間沒有顯著性差異；研究區土壤經植被恢復后，有機無機復合度均有不同程度的降低，其中，刺槐+丁香+草本模式下的上層有機無機復合度顯著低于下層，而其它兩種模式下的不同深層土層之間均無顯著性差異，而且刺槐+丁香+草本模式下的下層有機無機復合度最高(p<0.05)。
3.3.2土壤物理性質與有機無機復合的關系從表4中得知，非毛管孔隙度與有機無機復合量呈顯著正相關，而毛管孔隙度與有機無機復合量呈顯著負相關。這可能是因為有機無機復合量與穩結態/重組碳呈極顯著負相關，而與緊結態/重組碳呈顯著正相關，同時與松結態/重組碳也具有一定正相關關系(表5)。從表5得知，有機無機復合量及緊結態/重組碳與SOC呈極顯著正相關；穩結態/重組碳與SOC呈極顯著負相關；松結態/重組碳與SOC也有一定正相關，而且松/緊比與SOC呈顯著負相關。可見，SOC的增多，有機無機復合量及松結態、緊結態的相對含量增加，而穩結態的相對含量減少，而且松/緊比會降低。此外，研究區土壤的結合態腐殖質以穩結態為主，而正常土壤結合態腐殖質一般以松結態或緊結態腐殖質為主[15,17-18]。因此，研究區土壤隨著植被恢復年限的增加，土壤有機質的積累會增多，有機無機復合量也隨之增大，進而促進穩結態腐殖質向松結態、緊結態腐殖質轉化，而且主要轉化為緊結態腐殖質。
表5 不同植被下有機無機復合體與土壤有機碳的相關系數(n=22)
土壤總孔隙度及容重與有機無機復合度分別呈極顯著負相關和正相關，這可能是因為有機無機復合度與SOC呈極顯著負相關(表5)。輕組有機物是能快速轉化的未分解和半分解的動植物殘體，重組有機物則是與土壤礦物緊密結合的土壤腐殖質，轉化較慢[18]。研究區土壤在植被恢復之后，有機質積累增多，其中，輕組有機質的增幅相對較大，而重組有機質的增幅相對較小，因此，SOC的增加使有機無機復合度減小。
4結 論
(1) 研究區土壤在不同植被恢復模式下恢復7 a后，土壤的有機無機復合狀況及結合態腐殖質的各組分發生了不同程度的變化。有機無機復合量逐漸增加，而有機無機復合度卻低于原土。結合態腐殖質以穩結態為主，所占比例為41%～67%。
(2) 植被恢復降低了復墾土壤的容重而增加了其總孔隙度，而且臭椿+草本恢復模式效果最佳。結合態腐殖質各組分的絕對含量增加及有機無機復合度的減小均可增加總孔隙度而降低土壤容重。
(3) 研究區土壤的不同孔徑孔隙與有機無機復合量及結合態腐殖質各組分的配比存在密切的關系。其中，有機無機復合量及緊結態腐殖質相對含量的增加可提高非毛管孔隙度，而降低毛管孔隙度；穩結態腐殖質相對含量的增加能降低非毛管孔隙度，從而提高毛管孔隙度。
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Relationship Between Physical Properties and Organic-mineral Complexes of Reclaimed Soil Back-filled with Coal Gangue Under Various Vegetation Restoration Models
WEI Huaijian1, LI Yucheng1, WANG Ning1, ZHENG Liugen1, CHENG Hua1, XU Chong2
(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversity,Hefei,Anhui230601,China; 2.CoalMineEcologicalProtectionNationalEngineeringLaboratory,Huainan,Anhui232001,China)
Abstract：[Objective] Clarifying the relationship between physical properties and organic-mineral complexes of reclaimed soil was supposed to provide a support for ameliorating the reclaimed soil physical condition. [Methods] This study chose the soil under three patterns of typical artificial vegetation restoration for seven years in Datong Reclamation District of Huainan City, which had been back-filled with coal gangue. Soil physical indictors and formations of organic-mineral complexes were quantified using standard procedures, and their relationship was determined by multivariate statistical analysis. [Results] Soil organic-mineral status and the combined humus varied with different vegetation restoration patterns in the survey region. The stably-combined humus dominated, and it accounted for 41%~67% of combined humus. Vegetation restoration lowered oil bulk density and increased total porosity significantly in contrast with that of natural soil. These effects were more obvious in the mixed plantation pattern of Ailanthus altissima and grass. Soil non-capillary porosity had significantly positive correlations with the amount of organic-mineral complexes and the ratio of tightly-combined humus to combined humus; however, a negative correlation was found of it with the ratio of stably-combined humus to combined humus. Soil capillary porosity was negatively and significantly correlated with the amount of organic-mineral complexes and the ratio of tightly-combined humus to combined humus; and was positive and significantly correlated with the ratio of stably-combined humus to combined humus. Positive association existed between contents of three fractions of soil combined humus, and total porosity and negative correlation it was between the combined contents and low bulk density. [Conclusion] The physical condition showed strong correlations with organic-mineral complexes in reclaimed soils.
Keywords:reclaimed soil; vegetation restoration; organo-mineral complexes; physical properties
文獻標識碼：A
文章編號：1000-288X(2015)06-0207-06
中圖分類號：X171.4， S153.6
通信作者：李玉成(1963—),男(漢族),安徽省合肥市人,博士,教授,博士生導師,主要從事環境微生物地球化學、藻類脫毒與資源化和水環境污染控制技術等方面的研究。E-mail:li-yucheng@163.com。
收稿日期：2014-09-11修回日期：2014-10-02
資助項目：國家自然科學基金項目“細菌對藻類有機質的生烴潛力影響的室內模擬及無定形體形成機理研究”(41172721)； 淮南礦業集團委托項目(HKKY-STHJYJS-JS-2012-001)
第一作者：魏懷建(1990—),男(漢族),山東省淄博市人,碩士研究生,研究方向為環境生物地球化學。E-mail:weihj1989@163.com。
