干旱風沙區采煤擾動耕地土壤改良方法研究

王藏姣　牟守國　趙華

摘要：采煤擾動致使礦區耕地受損，土壤改良措施缺乏使耕地進一步退化。為揭示有機肥、保水劑、綠肥及間作等土壤改良措施對采煤擾動區耕地土壤理化性質及土壤綜合肥力的改良效果，以大柳塔煤礦區內受損耕地為研究對象，設計有機肥梯度試驗、保水劑改良試驗、種植豆科綠肥試驗及間作試驗對土壤改良效果進行分析。結果表明，有機肥處理中，133.33 kg/hm2有機肥處理能顯著改善NH4+-N、堿解氮和速效磷（P<0.05）；保水劑試驗中，保水劑+有機肥可顯著改善速效鉀（P<0.05）；豆科綠肥試驗中，紫花苜蓿可顯著提高堿解氮含量（P<0.05）；間作處理中，玉米+大豆間作可顯著提高物理性黏粒含量（P<0.05）；施用有機肥及有機肥+保水劑對土壤綜合肥力有所改良。研究結果可為干旱風沙區采煤擾動耕地土壤改良提供依據。

關鍵詞：土壤培肥；土壤理化性質；土壤綜合肥力；采煤塌陷地；耕地

中圖分類號： X752；S156文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）11-0201-06[HS）][HT9.SS]

煤炭是我國最主要一次性能源，消耗量大，約占一次性能源總量的74%，而其中96%為井工開采[1]。井工開采造成采空區上部頂板垮落，上覆巖層移動與變形，進而導致礦區范圍內耕地耕層受損，土壤有機質及土壤氮磷鉀含量降低[2]、土壤黏粒減少，耕地逐漸沙化[3]，最終導致耕地減產甚至絕產。我國西部煤礦區內受采煤擾動影響的耕地面積大、恢復能力弱且所需時間長[3-5]。礦區范圍內耕地因開采擾動影響及不合理耕種使具備耕種條件的土地被拋荒，而有效土壤培肥方法的缺乏使耕地土壤理化性質進一步惡化[4，6]。

國內外有關土壤改良方法的研究較多，大量研究表明，施用有機肥可有效改善土壤理化性質，實現作物增產[2，7]。針對干旱半干旱地區土壤水分短缺問題，保水劑成為干旱半干旱地區耕地改良的重要手段之一。保水劑吸水能力可達自身質量的數百倍之多，作為土壤改良劑具有改善土壤結構、提高土壤持水性能、保持土壤氮磷鉀元素、增進作物抗旱能力、強化土壤酶活性等作用[2，8]。豆科綠肥作物作為土壤改良中低成本的生物工程，其突出的固氮能力，發達的根系生長對土壤結構及土壤有機質含量均具有改良作用，因此成為土壤改良中的重要手段之一[9-10]。土壤改良是人與自然綜合作用的結果，而間作模式為農戶實際種植過程及研究者所熱衷，作為人類對耕地集約利用的典范，對土壤肥力具有一定調節作用。研究表明，不同的耕地管理模式不但能改良土壤物理、化學及生物等性質，而且能提高土地利用率和作物產量[11-12]。然而，當前對適合干旱半干旱風沙脆弱區采煤擾動耕地的土壤改良研究較少。

因此，為篩選出適合干旱半干旱采煤擾動耕地土壤改良的有效措施，保持并提高礦區擾動耕地土壤肥力，增加耕地數量與改善耕地質量，本研究以大柳塔煤礦黃土溝壑區生態建設關鍵技術示范基地為研究區，設計有機肥梯度培肥試驗、保水劑土壤改良試驗、種植綠肥試驗及間作試驗對礦區擾動耕地土壤的培肥效果進行研究。

1材料與方法

1.1研究區概況

大柳塔煤礦是我國“十二五”規劃綱要中的重要能源基地，位于陜西省榆林市神木縣和內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗交界處，占地面積191.34 km2，礦區范圍內耕地面積15 km2，占總用地面積的7.86%。研究區屬黃土高原與毛烏素沙地過渡帶，氣候屬半干旱、半沙漠的高原大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季炎熱，春季多風，秋季涼爽，全年少雨，晝夜溫差大，無霜期短，多年平均氣溫8.6 ℃。降雨多集中在7—9月，約占全年降水量的3/4，多年平均降水量380 mm，多年平均蒸發量2 113 mm。日照資源豐富，能夠滿足小雜糧作物生長對光照的需求。試驗田位于大柳塔煤礦黃土溝壑區生態建設關鍵技術示范基地，包含大柳塔礦井3盤區12304和12305工作面的部分區域。平均海拔約1 200 m，地表坡度0°～8°，地塊受煤炭開采活動導致地表塌陷和地裂縫的影響。在試驗過程中對耕地范圍內產生的地裂縫進行填補覆土，對土塊進行推平。

1.2試驗設計方案與研究方法

1.2.1試驗設計方案

本研究將試驗田耕地劃分為4個區域，分別標記為A、B、C、D（圖1），其中A區為有機肥梯度試驗田、B區為保水劑土壤改良試驗田、C區為種植綠肥試驗田和D區為間作試驗田（表1）。試驗采用完全隨機區組設計，每個處理設置3次重復。

米與馬鈴薯間作形式為2行玉米和1行馬鈴薯。[HT][FK）]

[FL（2K2]

1.2.2土樣采集

在作物收割當季進行土壤取樣，采樣時間為2013年10月，用“S”形取樣法，在采樣過程中避開肥源，每樣點選取5個平行點，采集0～20 cm耕層土壤進行混合，每樣品1 kg左右進行裝袋、排氣、密封，并做好標簽。

1.3測定項目和分析方法

1.3.1土壤理化性質測定

本試驗對pH值、有機質含量、陽離子交換量（CEC）、全磷，銨態氮（NH4+-N）、有效磷、速效鉀和堿解氮含量以及土壤物理性黏粒等8項進行了測定。具體測定方法如下：（1）pH值：KCl浸提-酸度計法；（2） 有機質：水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法；（3） 陽離子交換量：石灰性土壤陽離子交換量；（4） 全磷：NaOH熔融-鉬銻抗比色法；（5） 銨態氮、有效磷和速效鉀：土壤養分智能速測儀測定；（6） 堿解氮：堿解擴散法；（7） 顆粒組成：比重計法；其中土壤顆粒劃分根據卡慶斯基粒級標準確定，物理性黏粒<0.01 mm，物理性沙粒>0.01 mm。

1.3.2數據處理

樣點獨立基礎上，利用SAS及Excel對土壤樣點理化性質進行正態檢驗與方差齊性檢驗，符合正態分布與方差齊性檢驗后進行方差分析與Duncans多重比較，否則用NPAR1 WAY過程進行Kruskal-Wallis非參數檢驗，并用Rank語句結合ANOVA過程對原始數據的秩次進行Duncans多重比較。根據研究區缺磷、少氮和鉀有余特點，選取有機質、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀等5項指標作為土壤綜合肥力評價指標。利用相關系數法計算有機質、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀指標權重 （式1）[13]，再通過隸屬度函數對指標進行標準化（式2），等級劃分依據《全國第二次土壤普查養分分級標準》（表2），土壤綜合肥力計算采用模糊綜合評價 （式3）[14]。

2結果與分析

2.1有機肥梯度試驗組

有機肥試驗組（15、30、45 t/hm2）較對照組（CKA）有機質和NH4+-N含量均表現為增加，且30 t/hm2有機肥處理試驗組（A2）較其他2組試驗處理（A1和A3）增幅最大，增幅分別為16.01%和107.72%，土壤pH值整體略有增加，變幅在10%之內。15 t/hm2有機肥處理試驗組（A1）較對照組（CKA），有機質、NH4+-N、CEC、全磷和堿解氮含量增加，最大增幅為100%（全磷），土壤速效磷和速效鉀含量降低，降幅最大為69.93%（速效鉀）。30 t/hm2有機肥處理試驗組（A2）較對照組（CKA）除土壤pH值略有降低外，其他養分含量（有機質、NH4+-N、CEC、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀）均有所增加，且土壤NH4+-N、速效磷和速效鉀含量增幅較大，增幅分別達到107.72%、256.38%和132.18%。45 t/hm2有機肥處理試驗組（A3）較對照組（CKA），有機質、NH4+-N、速效磷和速效鉀含量均有所增加，其中速效磷含量增幅最大，為37.23%，土壤CEC、全磷和堿解氮含量降低，其中堿解氮降幅最大，為38.81%（圖2-a）。Duncans多因素方差分析結果顯示，30 t/hm2有機肥處理試驗組（A2）中NH4+-N含量顯著高于45 t/hm2有機肥處理試驗組（A3），堿解氮含量顯著高于45 t/hm2有機肥處理試驗組（A3）和對照組（CKA）（P<0.05），速效磷含量顯著高于 15 t/hm2 處理試驗組（A1）（P<0.05），在各處理間其他化學性質（pH值、CEC、有機質、全磷和速效鉀含量）無顯著差異（P>0.05）（表3）。土壤物理性黏粒亦無顯著差異（圖3-a），且黏粒與沙粒相對變化幅度在9%范圍內。土壤綜合肥力水平由優至劣依次為 30 t/hm2 有機肥處理、15 t/hm2 有機肥處理、45 t/hm2有機肥處理和對照組（圖4-a）。

2.2保水劑土壤改良試驗組

保水劑土壤改良試驗組結果顯示（圖2-b），相對于對照組（CKB），有機肥+保水劑處理（B1）、保水劑拌種處理（B2）與有機肥處理（B3）中土壤全磷和速效鉀含量有所增加，土壤pH值整體略有升高[HJ1.5mm]，CEC、NH4+-N含量有所降低。保水劑+有機肥處理試驗組（B1）較對照組（CKB），有機質、全磷、速效磷和速效鉀含量增加，其中速效鉀含量增幅最大，為271.03%，土壤中NH4-N、CEC和堿解氮含量降低，其中CEC降幅最大，為92.23%。保水劑拌種處理試驗組（B2）較對照組（CKB），有機質、全磷、堿解氮和速效鉀含量增加，其中速效鉀含量增幅最大，為35.52%，NH4+-N、CEC和速效磷含量減少，其中CEC降幅最大，為33.33%。15 t/hm[HJ]2 有機肥處理試驗組（B3）較對照組（CKB），土壤全磷、速效磷和速效鉀含量增加，其中全磷含量增幅最大，為59.26%，有機質、NH4+-N、CEC和堿解氮含量降低，CEC降幅最大，為8557%。Duncans多因素方差分析結果顯示，拌種+有機肥處理（B1）土壤速效鉀顯著高于其他3組試驗處理（B2、B3和CKB）（P<0.05），處理間其他化學性質（pH值、CEC、有機質、NH4+-N、全磷、堿解氮和速效磷含量）

[FL（2K2]理（B2）>有機肥處理（B3）>對照組（CKB）>保水劑+有機肥處理（B1），但未達顯著性水平（P>0.05）（圖3-b），相對于對照組（CKB），變化幅度在4%范圍內。土壤綜合肥力水平由優到劣依次為保水劑+有機肥處理試驗組（B1）、對照組（CKB）、有機肥處理試驗組（B3）和保水劑處理試驗組（B2）（圖4-b）。

2.3種植豆科綠肥試驗組

[CM（24]種植豆科綠肥試驗顯示，種植紫花苜蓿試驗組（C1）土壤[CM）]

[FL（2K2]CEC、NH4+-N和堿解氮含量最高，較其他最低含量處理試驗組分別高出69.45%（C2）、179.64%（C3）和95.58%（C3），但其速效磷和速效鉀含量較種植其他豆科綠肥含量低。種植草木樨處理試驗組（C2）土壤速效磷含量最高，較含量最低試驗處理組（C1）高出113.21%，但NH4+-N和全磷含量較種植其他豆科綠肥低。種植綠豆試驗組（C3）土壤速效鉀含量最高，較最低試驗組（C1）高出850.57%，土壤pH值、CEC、有機質和堿解氮含量較種植其他豆科綠肥低。種植大豆試驗處理組（C4）土壤pH值、有機質和全磷含量最高，分別高出最低值2.67%（C3）、18.12%（C3）和33.33%（C2）。通過對比可知，種植不同豆科作物在土壤CEC、NH4+-N、堿解氮、速效磷和速效鉀含量上差異性較大。Duncans多因素方差分析結果表明，種植紫花苜蓿處理試驗組（C1）土壤中堿解氮含量顯著高于其他試驗處理組（C2、C3和C4）（P<005），其他化學性質（pH值、CEC、有機質、NH4+-N、全磷、速效磷和速效鉀含量）均未達顯著性水平（P>0.05）（表3）。土壤顆粒方面，土壤物理性黏粒含量表現為：種植紫花苜蓿處理試驗組（C1）>種植大豆處理試驗組（C4）>種植草木樨處理試驗組（C2）>種植綠豆處理試驗組（C3），但各處理間無顯著性差異（P>0.05）（圖3-c）。土壤綜合肥力水平由優到劣為種植大豆處理試驗組（C4）、種植綠豆處理試驗組（C3）、種植草木樨處理試驗組（C2）和種植紫花苜蓿處理試驗組（C1）（圖4-c）。

2.4間作處理試驗組

玉米+大豆間作試驗處理（D1）較單種玉米處理（D3）土壤中全磷、堿解氮和速效磷含量有所增加，速效磷含量增幅最大，為4400%，而有機質、NH4+-N和速效鉀含量降低，速效鉀含量降幅最大，為35.91%。玉米+大豆間作試驗處理（D1）較單種大豆處理（D4），有機質、NH4+-N、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量增加且土壤pH值有所降低，其中速效磷增幅最大，為575.0%。玉米+馬鈴薯試驗處理（D2）較單種玉米處理（D3），CEC、有機質、NH4+-N、全磷和速效磷含量增加，最大增幅為1 890.0%（速效磷），但土壤pH值稍有增大，堿解氮和速效鉀含量降低，其中速效鉀含量降幅最大，為33.09%。玉米+馬鈴薯試驗處理（D2）較單種馬鈴薯處理（D5），全磷、速效磷和速效鉀含量增加且pH值稍有降低，速效磷含量增幅最大，為237.29%，而CEC、有機質、NH4-N 和堿解氮含量有所降低，其中CEC降幅最大，為50%。Duncans多因素方差分析結果顯示，間作對土壤化學性質影響未達顯著性水平（P>005）（表3）。土壤顆粒方面，玉米+馬鈴薯間作試驗處理（D2）土壤物理性黏粒含量顯著高于玉米+大豆處理試驗組（D1）、單種玉米處理試驗組（D3）、單種大豆處理試驗組（D4）和單種馬鈴薯處理試驗組（D5）（圖3-d）。土壤綜合肥力水平由優到劣依次為單種玉米處理（D3）、玉米+大豆處理（D1）、單種馬鈴薯處理（D5）、玉米+大豆處理（D2）和單種大豆處理（D4）（圖4-d）。

3討論

有機肥是土壤有機質的重要來源，施用有機肥，既能增加土壤養分，又能提高土壤綜合肥力。向受采煤擾動影響耕地中施用有機肥后土壤有機質含量得到改善，土壤養分含量增加，土壤綜合肥力整體得到改良，此研究與王曉娟等向旱地施有機肥可有效提高土壤中有機質的研究結果[7]及梁堯等加入有機肥是提高土壤肥力的有效途徑的研究結果[15]相一致。這也表明施用有機肥可有效改善干旱半干旱區擾動耕地的土壤有機質及提高土壤綜合肥力。在有機肥施用量上，土壤理化性質及土壤綜合肥力對有機肥施用量的響應效果不一，有機肥梯度試驗有助于確定最佳有機肥施用量，實現土壤培肥的最優模式，試驗中133.33 kg/hm2有機肥處理對土壤養分含量及土壤綜合肥力改良效果最佳，與王曉娟等研究的施用中量有機肥的土壤作物產量的經濟效益最佳結果[16]有共同之處，但對各養分元素的改良并未隨有機肥用量的增加而增加，此研究結果與以往研究結果[7，15]不一致，有待進一步研究。

保水劑作為近年來在農業領域應用廣泛的一種化學改良劑，其吸水能力可達自身質量的數百倍之多[2，17-18]，對于缺水的干旱半干旱地區保持土壤養分和改善土壤結構等具有較好的效果，但單施保水劑對土壤的改良效果不佳，而有機肥+保水劑處理可有效改善土壤化學性質及土壤綜合肥力。在土壤化學元素保持方面，保水劑對土壤速效鉀含量的改善效果較好，此結論與李楊等研究的保水劑對土壤K具有較好的保持能力結果[19]一致。但研究結果顯示，向土壤中施加保水劑對土壤CEC的改良效果較差，此結果與劉瑞鳳等研究的保水劑可顯著提高土壤中CEC的結論[20]不一致，其原因為土壤CEC與土壤有機、無機和有機無機復合膠體對土壤中陽離子的吸附量有關[14]，試驗處理后，有機質雖增加，但由于受采煤擾動及侵蝕作用影響，使得決定土壤無機膠體含量的土壤黏粒含量降低，從而導致土壤CEC降低[19]。

豆科綠肥作物的根瘤菌可把土壤空氣中不能直接利用的氮氣固定并轉化為可被作物吸收利用的氮素養分，豆科綠肥對土壤N改良效果較好，同時能平衡土壤中其他養分元素，通過向深層土壤中生長根系，能改善土壤結構且根系殘留能有效提高有機質含量。試驗結果表明，種植紫花苜蓿較其他豆科綠肥作物對增加土壤堿解氮效果明顯，但對土壤中速效鉀和速效磷含量的改良效果不佳，可作為干旱半干旱采煤擾動耕地中固氮作物的首選，此結果與孫本華等研究的苜蓿作物可有效增加有機質及土壤N含量，但不能提高土壤速效磷和速效鉀含量的研究結果[9]一致。同時通過種植紫花苜蓿可有效提高土壤物理性黏粒含量，對沙地土壤保土起到一定作用。

改變耕作制度、更換種植物種、調整耕作模式等是實現耕地生產力提高和永續利用的有效途徑[12]。本試驗中玉米+大豆間作對土壤堿解氮含量改良效果明顯，且玉米+大豆間作較單種大豆土壤養分元素保持更有效，玉米+馬鈴薯間作對土壤磷素的改良效果較單種好，根據該地區土壤風成學說，原因為土壤物理性黏粒（<0.01 mm）顯著使得土壤對養分的固定能力加強。玉米+大豆間作處理對土壤理化性質及土壤綜合肥力的改良不如單種。雖然玉米+馬鈴薯間作可顯著提高土壤中部分化學成分和物理性黏粒，但土壤綜合肥力等級不如單種處理，此結果與張瑞等研究的干旱區土地間套作的土地利用方式較單種模式更能保持土壤肥力研究結果[10]不一致，其原因可能是本試驗土壤肥料投入低，未投入化學肥料，而同等產量條件下間作處理對土壤的養分消耗更高。試驗結果進一步表明，在采煤擾動耕地上進行間作需投入額外的肥料且不同間作類型對土壤的改良效果不一，需科學選取合適的間作方式。

以上研究結果與分析可為黃土溝壑采煤擾動區耕地土壤改良提供理論基礎和實踐經驗。但仍存在以下不足：一是本研究僅對培肥措施處理后土壤耕層土壤理化性質及綜合肥力進行綜合分析，在培肥過程中土壤理化性質變化機理研究不足；二是由于1年培肥研究時間較短，缺乏長期試驗情況分析數據支撐，因此，研究結果無法對長期土壤改良做出指導；三是采煤擾動耕作區土壤空間變異性較大，不同改良方法間缺乏可比性。

4結論

有機肥是土壤改良中的重要肥源，對采煤塌陷耕地可通過施用有機肥提高土壤有機質含量，改善土壤化學性質，提高土壤綜合肥力。在有機肥用量上，30 t/hm2有機肥處理對土壤肥力的改良效果較好，與15 t/hm2有機肥處理及45 t/hm2有機肥處理相比，30 t/hm2有機肥處理能顯著增加土壤銨態氮、土壤堿解氮和土壤速效磷。保水劑+有機肥處理較單施保水劑處理和有機肥處理更能有效提高土壤綜合肥力，且對土壤速效鉀改良效果顯著，可用于受采煤影響耕地土壤綜合肥力的改良。豆科綠肥作物的根瘤菌可把土壤空氣中不能直接利用的氮氣固定并轉化為可被作物吸收的氮素養分，但不同豆科綠肥的固氮能力及對土壤的影響效果不一。與種植草木樨、大豆和綠豆相比，紫花苜蓿對堿解氮的改良效果顯著，且一定程度上可改良土壤物理性黏粒含量，可作為受采煤塌陷影響耕地堿解氮改良和保土的首選植物。耕作管理制度一定程度上可提高采煤擾動耕地生產力、提高土壤養分元素。玉米+大豆間作可顯著改善土壤物理性黏粒含量，可用于該地區耕地的土壤顆粒改良，而短期內與間作種植方式相比，單種更能有效保持土壤肥力平衡。

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