東部草原露天礦區(qū)粘土改良模擬研究

王志剛,畢銀麗,宋子恒,張 健,蔡 云,龔云麗,胡晶晶

中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室地球科學與測繪工程學院, 北京 100083

煤炭是我國重要能源,約占一次性能源的71%,遠高于其他不可再生能源比例[1]；露天礦開采技術簡單、成本低和安全系數(shù)高,未來20年將由目前4%提高到15%[2]。但是,露天開采極易造成土地破壞、水土流失、滑坡甚至泥石流。據(jù)統(tǒng)計,我國露天礦平均開采萬噸煤炭破壞土地0.22 hm2,挖損0.12 hm2,排土場壓占0.10 hm2；2000年后破壞土地以每年8%—9%遞增,到2020年將達6.6萬hm2/a[3]。因此,排土場生態(tài)恢復成為露天礦區(qū)建設的緊迫問題。

我國露天煤礦大多集中在降水稀少、土層瘠薄和氣候酷寒的東部干旱草原區(qū)；但是表土下含有20 m厚的具有豐富營養(yǎng)的粘土未利用,不僅嚴重浪費資源更破壞環(huán)境[4- 6]。近年來,微生物技術(菌根技術)對礦區(qū)受損環(huán)境具有良好修復效果[6- 9],通過接種AM真菌形成龐大菌絲網(wǎng)絡提高植物抗逆性和土壤肥力重建生態(tài)系統(tǒng),但時間較長是其不足之處[9- 13],特別是露天礦排土場粘土基質改良尚處于空白,因此研發(fā)新技術實現(xiàn)大規(guī)模的快速修復勢在必行。當前,研究主要關注粘土持水能力、團聚體水穩(wěn)性、土壤脹縮性及阻水滯鹽效果[14- 15],多集中在農(nóng)業(yè)領域。東部露天礦區(qū)是我國重要露天煤炭基地,除極少部分露天礦進行科學復墾,但是對排土場基質恢復缺乏有效手段。縱觀國內(nèi)外露天礦復墾實踐,露天礦上覆巖土層基質改良是重要課題之一。例如,岳殷萍等測定粘土和沙土不同配比下理化性狀和微生物的變化表明粘土提供穩(wěn)定的礦質營養(yǎng),增加細菌、真菌和放線菌數(shù)量,提高基質保水保肥能力,為礦區(qū)粘土基質利用提供了重要依據(jù)[8]。

表土和風沙土通氣透水性好,合理的孔隙結構和巨大比表面積及豐富的微生物,混合后有利于粘土基質熟化,是露天礦粘土基質重要的改良材料[7- 9]。三葉草是豆科固氮植物,具有培肥土壤的效果[10- 13]。因此,本文采用粘土與沙土和表土混合的模擬研究,分析東部草原露天礦區(qū)粘土改良規(guī)律,為粘土應用提供技術依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集區(qū)概況

采樣地點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部鄂溫克旗伊敏露天礦區(qū)(48°30′45″—48°50′32″N,119°30′29″—119°50′36″E),海拉爾盆地東部,年均氣溫低于0℃,≥10℃積溫1500℃,年降水量200—300 mm,蒸發(fā)量大于2000 mm,無霜期110 d,年日照時數(shù)4000 h,屬大陸性季風氣候。粘土母質主要是白堊紀和第三紀含碳酸鈣石灰土,同時礦區(qū)周邊有大量沙土和剝離的表土,為排土場復墾提供材料,伊敏礦區(qū)位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

圖2 研究區(qū)地質剖面示意圖

研究區(qū)地質柱狀圖上覆巖土共7層：Ⅰ層為腐殖質層(最大厚度僅為0.3 m),Ⅱ層為黃土(厚度18.4 m),Ⅲ層為亞粘土(厚度為16 m),Ⅳ層為沙礫層(厚度為8 m),Ⅴ層為中砂(厚度為6 m),Ⅵ層仍為砂礫石(厚度為26 m),Ⅶ層為砂巖(厚度為0.8 m)。由于Ⅳ層及以下基質分別為砂礫石、中砂、砂巖,這些基質屬于較硬的巖石層不適于功能提升,因此本研究將Ⅲ層原狀基質作為研究對象,分析其替代材料開發(fā)的可能性。如圖2所示

1.2 試驗材料采集

2016年7月在伊敏礦區(qū)新形成排土場上按“S”型采集粘土(表土剝離后將粘土堆放形成排土場,表土用于邊坡綠化),退化草場采集表土和沙土,采樣深度均為0—30 cm。試驗開始前粘土、表土和沙土基本理化性狀：有機質13.8、16.3和5.70 g/kg,全氮0.90、1.02和0.54 g/kg,速效磷3.54、11.23 mg/kg和2.00 mg/kg,速效鉀29.6、87.2 mg/kg和21.6 mg/kg,pH值7.31、7.45和7.91；該地區(qū)粘土、表土和沙土類型分別是粉質粘土、黑鈣土和典型風沙土,其中黑鈣土粉粒占40%,粘粒占60%,具有良好通氣、保水保肥能力,粘土采樣位置見表1。

1.3 試驗設計

2016年8月5日—2016年12月5日(120 d)試驗在中國礦業(yè)大學 (北京) 日光溫室進行,共9個處理,即粘土(Clay)、沙土(Sandy)、表土(Topsoil)、粘土與表土(質量比1∶1、1∶2和1∶3)、粘土與沙土 (1∶1、1∶2和1∶3),3次重復,共27盆,隨機區(qū)組排列。試驗開始時將混合基質均勻攪拌,裝入19 cm(高)×20 cm (盆口直徑)×16 cm(盆底直徑) 塑料盆內(nèi),每盆5 kg。供試三葉草 (TrifoliumrepensLinn) 屬多年生豆科植物,由中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所提供。三葉草種子用10% H2O2溶液浸泡10 min,清水沖洗10次,每盆均勻播種120粒,出苗一周后定植100株/盆。稱重法將澆水量控制在最大持水量70%,即粘土與表土和沙土 (1∶1、1∶2和1∶3) 混合基質,分別為40.2%、38.5%、34.6%和31.9%、28.6%、24.3%。每隔5 d稱重1次,補充水分至初始重量。出苗30 d加入NH4NO3、KH2PO4、KNO3營養(yǎng)液,N、P2O5和K2O濃度分別為100、30 mg/kg和150 mg/kg。試驗期間平均溫度保持在20℃,適宜三葉草生長發(fā)育。

表1 樣地情況表

1.4 樣品收獲

2016年12月5日收獲,土樣混合均勻裝入自封袋,放入4℃冰箱保存。一部分新鮮土樣測定土壤生物指標；其余部分自然風干過2 mm土壤篩測定養(yǎng)分指標；盆中原位土壤用于測定其物理指標。然后,將三葉草地上部植株和根系分別收獲,地上部于105℃烘箱內(nèi)殺青30 min,75℃烘至恒重；輕輕抖落根附著土壤,用清水洗凈,4℃冰箱內(nèi)保存測定根參數(shù)指標。

1.5 指標測定

土壤容重采用環(huán)刀法測定：容重(d, g/cm3)=(M-G)×100/V(100+W)

(1)

式中,M代表環(huán)刀和濕土重(g)；G代表環(huán)刀重(g)；V代表環(huán)刀容積(cm3)；W代表土壤含水量(%)。

土壤飽和入滲率采用土柱法測定[16],即土柱由有機玻璃管用玻璃膠粘合而成,每個有機玻璃管外徑為10.0 cm,內(nèi)徑為8.9 cm,平均高度為5.1 cm。采取邊接高有機玻璃管邊填裝砂土方式,通過計算控制每層砂土用量并擊實,使試樣達到“控制干密度”1.43 mg/cm3,整個土柱密實程度均勻,土柱高度為107.1 cm,用砂土填滿,豎立于高度為2.5 cm的淺口盤上。從頂部澆水若干次,直到水從土柱底部流出并沿淺口盤邊緣不斷漫溢,形成固定水位。之后在柱頂覆蓋雙層鋁箔紙,用皮筋固定,阻止水分蒸發(fā)。在無蒸發(fā)條件下,理論上可以取得0到10 KPa (取g=9.81 N/kg)的吸力范圍。土柱試驗進行39 d,在此期間不斷往淺口盤加水,保證自由水位不變。試驗過后,用自制的扁口刀沿玻璃膠一節(jié)一節(jié)地切割土柱,測量每節(jié)有機玻璃管中土的含水量,作為該節(jié)中部高度對應的含水量。

土壤孔隙度通過土壤密度和容重計算得出,總孔隙度(P1)=(1-容重/密度)×100%

(2)

式中,土壤密度采用密度值2.65 g/cm3。

土壤最大持水量采用環(huán)刀取土,帶回實驗室后在環(huán)刀下墊一張濾紙,用皮筋固定在環(huán)刀上(防止土粒散出)之后將環(huán)刀放在一個盤子里,給盤中倒水,沒過濾紙即可,隔天將環(huán)刀中的土壤取出,放在已知重量的鋁盒中稱重,得到最大持水量時質量W1,之后將鋁盒(注意盒蓋打開)放在烘箱中105 ℃烘干10小時以上,至恒重,稱重即可,得到干土質量W2。

最大持水量=(W1-W2)×100/W2

(3)

土壤團聚體采用濕篩法測定[16]。濕篩法采用Yoder法,分別通過5、2、1、0.5 mm和0.25 mm共5個篩級。為了比較不同粒徑團聚體的穩(wěn)定性,平均重量直徑采用式(4)標準化。標準化平均重量直徑(NMWD)是衡量團聚體穩(wěn)定性的一個指標,其值越低,表示團聚體穩(wěn)定性越小。本文所需計算公式如下：

NMWD=MWD/(rmax-rmin)

(4)

式中,NMWD表示標準化平均重量直徑,rmax為最大初始篩子孔徑,rmin為最小篩子孔徑。

其中團聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑(MWD)描述。

(5)

式中xi表示每一粒級的平均直徑；wi表示每一粒級所占的重量比例；n表示分級。

將部分三葉草植株樣品研磨至粉末狀,H2SO4-H2O2混合消化樣品,采用凱氏定氮法測定植株全氮含量,釩鉬黃比色法測定全磷含量,火焰光度法測定全鉀含量[16]。根系用EPSON PERFECTION V750 PRO (Epson Inc., Beijing, China)掃描,Win-RHIZOTM(Régent Instrument Inc., Québec, Canada)軟件處理,獲得根直徑、根長、根表面積和根尖數(shù)指標。

土壤全氮采用半微量開氏法測定；有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；速效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用pH 7.0醋酸銨浸提-火焰光度法測定；pH值采用電位法 (土∶水1∶2.5)測定；電導率采用電極法測定；酸性磷酸酶活性采用改進Tabatabai和Brimner方法測定；蔗糖酶活性采用水楊酸比色法測定；脲酶活性采用改進的Hoffmann和Teiche比色法測定；硝酸還原酶活性采用亞硝酸還原比色法測定；固氮酶活性采用乙炔還原法測定[16]；細菌、真菌和放線菌總數(shù)采用稀釋平板計數(shù)法[17]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel計算并作圖；利用SAS 8.0進行方差分析(ANOVA),差異顯著性水平(P<0.05)通過最小顯著差異法(LSD)檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同基質對三葉草生長的影響

由表2可知,粘土與沙土或表土混合顯著促進三葉草生長狀況。粘土與表土混合,三葉草生物量、氮、磷、鉀吸收量、根直徑、根長、根表面積和根尖數(shù)比粘土顯著提高194%—344%、187%—326%、203%—325%、211%—328%、32.2%—82.7%、25.3%—51.8%、7.5%—45.9%、26.2%—47.6%；其中,粘土和表土1∶2質量比達最高值。同樣地,粘土與沙土混合比沙土平均顯著提高2.51、2.81、2.42、2.44、0.63、0.31、0.38和0.32倍。總體上看,粘土添加沙土效果低于表土改良效應,粘土和表土1∶2配比效果最優(yōu)化,與表土間無差異。其中,根系表面積表征養(yǎng)分吸收能力,圖3看出,生物量、養(yǎng)分吸收量與根系比表面積顯著正相關,系數(shù)達0.80以上。因此,三葉草通過吸收充足營養(yǎng),提高光合效率促進同化產(chǎn)物合成。

表2 不同配比對三葉草生長指標的影響

表中數(shù)值為3個重復的平均值；不同小寫字母表示同一指標在不同處理間差異顯著(P<0.05)(垂直方向比較),下同

圖3 三葉草生物量、養(yǎng)分吸收量與其根比表面積相關關系

2.2 不同基質物理性狀

由表3可知,添加表土或沙土改變土壤物理性狀,與粘土相比,粘土與表土和粘土與沙土1∶1、1∶2、1∶3 配比容重顯著下降7.4%、16.1%、20.1%、10.8%、19.5%、21.5%；飽和入滲率顯著上升26.9%、45.7%、51.6%、66.2%、84.3%、96.3%,同時,孔隙度顯著增加,與入滲率變化趨勢一致；最大持水量則顯著下降了24.5%、31.6%、42.0%、54.1%、63.1%、71.8%；團聚體穩(wěn)定性隨粒級增大而顯著降低(P<0.05)。同一粒級下,粘土與沙土1∶3配比團聚體穩(wěn)定性顯著高于其他處理(P<0.05),粘土團聚體穩(wěn)定性最低(P<0.05)。

表3 不同配比對土壤物理性狀的影響

2.3 不同基質化學性狀

由表4可知,與粘土或沙土相比,粘土混合基質顯著改善土壤化學性狀。粘土與表土1∶2混合基質全氮、有機質、速效磷、速效鉀及電導率均最高,分別為粘土的1.34、1.15、1.79、2.05、1.06倍和1.87倍；優(yōu)于1∶1和1∶3配比效果。粘土與沙土混合基質全氮、有機質、速效磷、速效鉀含量比沙土高85.1%—90.7%、45.7%—68.6%、81.5%—102.5%和95.3%—133.3%。粘土和表土1∶2配比效果與表土相似,原因是表土促進粘土營養(yǎng)釋放。

表4 不同配比對土壤化學性狀的影響

2.4 不同基質生物學性狀

生物活性是表征養(yǎng)分轉化能力重要指標。由表5可知,添加表土或沙土顯著提高酶活性并增加微生物數(shù)量。粘土與表土混合基質磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸還原酶和固氮酶活性比粘土提高63.8%—153.8%、35.6%—113.3%、90%—460%、30.0%—93.1%和133%—555%,細菌、真菌和放線菌數(shù)量增加2倍以上；與沙土相比,粘土與沙土混合基質磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸還原酶、固氮酶活性及細菌、真菌、放線菌數(shù)量顯著升高45.4%、172%、159%、62.8%、193%、119%、93.6%和83%,粘土和表土1∶2配比效果最佳。

2.5 有機質與生物指標的相關性

本研究采用線性模型表達土壤指標變化趨勢。從圖3看出,土壤磷酸酶活性與速效磷含量顯著正相關,反映粘土與表土或沙土混合提高磷酸酶活性和速效磷含量；圖4表明,微生物促進有機質分解,釋放營養(yǎng),改善土壤結構,粘土與表土或沙土混合增加基質真菌、細菌和放線菌數(shù)量。微生物種類和數(shù)量是土壤改良關鍵,加速粘土熟化,為植被恢復提供載體和物質基礎。

2.6 生物量與指標的Pearson相關性分析

由表6可知,生物量與基質全氮、有機質、速效磷、速效鉀、電導率、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸還原酶和固氮酶活性及細菌、真菌、放線菌數(shù)量顯著或極顯著正相關。可見,理化性狀、酶活性和微生物數(shù)量越高,生物量增加越顯著,但對生物指標和養(yǎng)分響應程度不同。pH值與有機質顯著負相關,與電導率顯著正相關；酸性磷酸酶活性與微生物群落顯著正相關；脲酶、蔗糖酶、硝酸還原酶和固氮酶與pH值無顯著相關性。全氮與脲酶、硝酸還原酶和固氮酶活性極顯著正相關,與細菌、真菌和放線菌數(shù)量具有相同趨勢；有機質與蔗糖酶活性和放線菌數(shù)量無顯著相關,與其他酶活性或微生物數(shù)量均顯著或極顯著相關；速效磷與酶活性和微生物數(shù)量顯著正相關；速效鉀和電導率具有類似趨勢；但與pH值無明顯相關性。結果表明,三葉草生長與基質理化性狀、酶活性和微生物間存在協(xié)同效應。

表5 不同配比對土壤生物指標的影響

圖4 不同配比對土壤磷酸酶活性和微生物數(shù)量的影響

表6 生物量與土壤各指標Pearson相關性分析(r, n=27)

*和**分別表示相關性達到顯著(P<0.05)和極顯著水平(P<0.01)

3 討論

3.1 不同配比對三葉草生長和基質理化性狀的影響

東部露天礦區(qū)氣候干旱、降水集中導致侵蝕嚴重；同時,高強度露天開采,對土壤結構造成嚴重破壞[18- 20]。研究表明,粘土與沙土和表土不同配比均能改善土壤狀況和顯著促進三葉草生長,其中粘土與表土1∶2配比,三葉草生物量、養(yǎng)分吸收顯著高于其他處理,該配比下表土微生物和酶活性激發(fā)粘土養(yǎng)分轉化,提高營養(yǎng)濃度的效率最高；根表面積、根長、根直徑增大和根尖數(shù)增多也證實了這一點[21],這與土壤物理結構改善有關。例如,貴州紅粘土上覆蓋15 cm和30 cm厚度粉煤灰土壤容重下降到原來的87%和80%,孔隙度增加3.22%和5.94%,含水量增加25%[22]；黃淮海平原黑粘土地區(qū),通過施用有機肥增加膠結粘粒和孔隙度抑制蒙脫石脹縮性,提高水穩(wěn)性團聚體含量,增大熱容和水分儲蓄能力,調(diào)節(jié)養(yǎng)分供應,實現(xiàn)黑粘土改良[22]。外源物通過降低粘粒含量,緩解土壤板結,加速有機質分解和養(yǎng)分轉化,恢復微生物活動,促進粘土質量提升。土壤熟化是東部草原露天礦區(qū)粘土改良的關鍵,三葉草生物固氮為微生物提供氮源,參與微生物群落構建[13,20,23]。表土改善透氣性,增加有效孔隙和提高導水率[23]。土壤環(huán)境因子與植物生長相互制約,表明土壤對植物生長的作用,也說明植物對土壤恢復的指示效果。

3.2 不同配比對基質生物性狀的影響

一般來講,粘土微生物數(shù)量和種類少導致酶活性低,營養(yǎng)轉化能力弱,添加物促進生物活性提高,原因是(1)不同添加物含有微生物種類和數(shù)量不同,很大程度上決定酶活性強弱；(2)粘土類型和分布具有明顯地域特征。因此,添加物增加粘土生物學指標的復雜性。本研究與粘土相比,粘土和表土比粘土和沙土生物活性平均增加13%—22%,說明表土比沙土效果更佳,粘土與表土1∶2混合基質效果最好。同時,磷酸酶活性與速效磷、有機質與真菌、細菌和放線菌數(shù)量顯著正相關,主要是微生物改善根際營養(yǎng)提高理化性狀[24- 26],粘土和表土1∶2混合酶活性和微生物數(shù)量最大,是表土中真菌、細菌和放線菌分泌物的協(xié)同作用[27- 28],與Juge和宋福強等結果基本一致。蔗糖酶參與碳循環(huán),添加后活性升高有機質增加[13,29]；磷酸酶促進磷轉化[30],例如錢奎梅發(fā)現(xiàn)煤矸石、粉煤灰和污泥混合基質酶活性高于單一基質也是基于這一原因[31]。粘土基質吸收更多水分,巨大比表面積為微生物提供棲息場所,因此,粘土與表土1∶2配比是適宜東部草原礦區(qū)粘土改良的最佳模式。

3.3 室內(nèi)模擬與實地研究的相似性

本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗,與研究區(qū)土壤構型、質地、有機質等有差異。土體構型對水、肥、氣、熱諸肥力和水鹽運移有影響,良好的土體結構是肥力基礎,質地是影響構型的主要因素。黑鈣土和栗鈣土是研究區(qū)主要土壤類型,降雨量少導致風化程度低,土層排列相對簡單,屬于上虛下實,上輕下粘的蒙金型,黃土和粘土透水性差,干燥時堅硬,浸濕后不易干燥,強度急劇下降,對理化性狀影響巨大,雖然保水性強,但透氣性弱,土性冷,施肥后容易燒苗[32- 33]。較大顆粒沙土和表土調(diào)控粘土物理組成,為排土場改良提供參考。在野外條件下,降雨增加土壤濕度、激發(fā)土壤生物活性,影響溫度進而改變基質性狀。

3.4 粘土功能提升的機理

粘土最大特點是通氣透水性差,有效養(yǎng)分、微生物數(shù)量少,生物活性低,模擬試驗表明粘土摻入沙土和表土提高粘土物理、化學和生物學性狀[8],原因是粘土膠體數(shù)量多,比表面積大,吸附能力強,粒間孔隙小,通氣透水性差,沙土增加粒間孔隙度[34]。混合基質2—0.25 mm團聚體含量增加,容重降低,養(yǎng)分有效性提高,土壤水分與組分特別是次生物發(fā)生反應,降低水分蒸發(fā),形成合理結構,協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的關系[35]。因此,粘土肥力提高對露天礦區(qū)生態(tài)恢復具有重要意義。

4 結論

本文通過對我國東部露天礦區(qū)排土場改良的模擬研究,表明粘土與表土1∶2配比效果最優(yōu),三葉草生物量,氮、磷和鉀吸收量,根形態(tài)參數(shù)和根尖數(shù)最大；基質理化、酶活性及微生物數(shù)量最佳；指標間具有顯著正相關性,證實添加表土和沙土對粘土具有積極效果。