植物類型與改良方式對重構土壤氮轉化速率的影響

楊 卓， 周國馳， 盛世博， 辛建寶， 劉 娜

(中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110015)

煤炭是中國重要的能源之一，開采煤炭造成的土地占用與破壞等問題限制了礦區的可持續發展。對礦區廢棄地進行土地復墾是解決煤炭開采與土地資源保護之間矛盾的有效途徑[1],開展生態修復與重建的首要問題是對礦區廢棄地的基質進行改良，改良技術包括表土覆蓋技術、物理化學基質改良技術、生物改良技術以及工農業固體廢棄物基質改良技術等[2]，其中生物改良技術被認為是最科學有效的改良技術。礦區廢棄地進行土地復墾與生態重建初級階段，植物種類的選擇至關重要，用于礦地恢復的植物通常應該具有抗逆性強、根系發育好、生長迅速、成活率高、改土效果好和生態功能明顯的特點。一年生和多年生的禾草與豆科植物往往是首選物種，并經常作為先鋒種或建群種用于礦區生態重建。

土壤肥力水平是成功地進行礦業廢棄地土地管理的關鍵因素之一[3]。氮是決定植物生產力的關鍵因子，氮素參與了多種生理功能物質的構成，是大多數植物從土壤中吸收最多的礦質元素之一，也是限制植物生長發育的重要養分因子和環境因子[4-6]，其形態轉化會對作物生長及環境產生影響[7]，土壤中氮循環主要包括了固氮作用、氨化作用、硝化作用及反硝化作用4個過程，并且主要通過微生物活動得以實現。土壤氮素礦化和硝化過程為植物生長提供了必需的氮素營養，其過程不僅影響土壤質量和生態系統生產力，還影響著全球環境變化[8]，氮礦化過程是土壤有效氮庫的主要來源，凈氮礦化速率、凈氨化率與凈硝化率是衡量氮有效性的重要指標。

盡管目前對森林、濕地、草地、農田的氮轉化已有一些研究，但以重構土壤(也有學者將其定義為“新土源”“人工土壤”或“表土替代材料”)為基質進行土地復墾，研究其氮素轉化的文章尚未見到。本研究以內蒙古自治區通遼市扎哈淖爾露天煤礦的采礦剝離物作為基質配制成重構土壤，以此作為研究對象，通過自制改良劑和雞糞肥對其進行改良，以不添加改良劑為對照，并種植一年生禾本科、多年生禾本科、二年生豆科和多年生豆科四類植物，每一類植物分別以燕麥草(Arrhenatherumelatius)、披堿草(Elymusdahuricus)、草木樨(Melilotusofficinalis)紫花苜蓿(Medicagosativa)為代表，研究不同改良劑和植物種類對重構土壤中無機氮的存在形式及氮轉化率的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

供試材料取自扎哈淖爾露天煤礦排土場(東經119°08′—119°46′，北緯45°10′—45°40′)，取樣區地質剖面具體為：第1層：表土層0.5 m；第2層：含礫粗砂6 m;第3層：亞黏土/黑色黏土40.8 m；第4層：棕紅色黏土12.5 m；第5層：泥巖2 m；第6層：砂巖3.5 m；第7層：煤層)，本研究以第2—5層采礦剝離物作為基質，破碎后篩分出0.5 mm～3 mm粒徑，按照含礫粗砂∶亞黏土∶棕紅色黏土∶泥巖=1∶1∶1∶1.5的質量比進行混配，所選用的基質顆粒大小及種類配比由前序試驗確定。

分別添加雞糞肥(T1)、自制改良劑(主要成分包括：玉米芯、酒糟、腐殖酸鈉、枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)(T2)作為改良劑對其進行改良處理，雞糞肥與自制改良劑的添加量分別為75 kg/t，28.5 kg/t，以未添加改良劑(記為：CK)的重構土壤為對照，植物種類選擇披堿草、紫花苜蓿、燕麥草、草木樨。試驗區布設采用隨機區組設置，在試驗場挖出1 m×1 m×0.3 m(深)的基坑，每個基坑作為一個處理，回填混合均勻的重構土壤，澆水造墑，穩定兩周后進行種植，每個處理設置5個重復(表1)。

于2020年5月4日按45 kg/hm2種子量進行播種種植披堿草、紫花苜蓿、燕麥草和草木樨。分別于第30 d(6月3日)，60 d(7月3日)，90 d(8月2日)，120 d(9月1日)采集土樣，運至實驗室，挑出根系、枯落物等雜質用于測定土壤理化性質。

表1 試驗用重構土壤背景值

所用雞糞肥檢測結果如下：全氮含量19 g/kg，有效五氧化二磷16 g/kg，氧化鉀16 g/kg，有機質453 g/kg，pH值7.22，蛔蟲卵死亡率99%。自制改良劑所使用的玉米芯養分含量如下：全氮9 g/kg，全磷4 g/kg，全鉀14 g/kg；所使用的酒糟養分含量如下：全氮79 g/kg，全磷33 g/kg，全鉀41 g/kg，有機質383 g/kg。自制改良劑中各成分配比由前序試驗確定，本試驗中通過控制雞糞肥與自制改良劑的添加量，保證外源施入的總氮量相同。

1.2 樣品分析

稱取過2 mm篩孔風干土壤樣品10.00 g，置于250 ml塑料瓶中，調節土壤含水量至20%(質量含水量)，用聚乙烯膜包扎瓶口，并在膜上扎2個小孔，置于25 ℃培養箱中培養2周，培養期間每隔兩天通過稱重確定土壤水分變化情況，如有損失，則加以補充。培養結束后，測定土壤銨態氮、硝態氮含量。

重構土壤理化性質的測定方法參見《土壤農化分析》[9]，有機碳含量采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測定，全氮采用硫酸—混合加速劑消解—凱式定氮法測定，全磷采用NaOH熔融鉬藍比色法測定，全鉀采用NaOH熔融—火焰光度計(F-500)比色法測定，速效磷測定采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提火焰光度計(F-500)比色法測定。銨態氮、硝態氮、亞硝態氮采用1 mol/L氯化鉀浸提—流動分析儀(AA3)測定法測定，pH值采用pH計(PHS-25)電位法測定。各參數指標計算如下：

1.3 數據處理

用SPSS 21.0和Excel 2013進行統計分析和制圖。以改良方式和植物種類作為處理因子分別對重構土壤的凈礦化率、凈氨化率和凈硝化率進行單因素方差分析(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理重構土壤中氮素含量差異

表2 不同改良方式下重構土壤有效氮含量比較

相同植物種類條件下添加不同改良劑對銨態氮含量的影響表現為：T2>CK>T1；硝態氮含量T2處理顯著高于T1和CK(p<0.05)；種植披堿草和紫花苜蓿重構土壤中亞硝態氮含量表現為：T2>T1>CK，種植燕麥草和草木樨重構土壤中亞硝態氮含量表現為：T2>CK>T1，各處理間含量差異均達到顯著水平(p<0.05)。上述結果表明使用自制改良劑對重構土壤進行改良可以提高土壤中可利用無機態氮的含量，并以硝態氮為主，這可能是由于自制改良劑的使用顯著激發了自養硝化和氨化過程，抑制了反硝化過程，造成硝態氮的積累，也可能是自制改良劑的施入促進了土壤中的其他形態的氮轉化成無機態氮。并且較高的銨態氮能夠促進硝化進程并被硝化細菌吸收轉化為硝態氮而積累[10]。

2.2 不同處理氮轉化速率差異

2.2.1 不同處理下凈氨化率 如圖1所示，相同改良劑的不同植物種類處理，重構土壤的凈氨化率在30，60，90 d未現出一致的規律。在植物種子播種后60 d內，凈氨化率均為負值，表明在這一時間段內銨態氮含量處于降低狀態。

注：圖中小寫字母代表同一改良方式不同植物間差異顯著；大寫字母代表同一植物，不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

改良劑與植物種類交互作用對重構土壤凈氨化率具有極顯著影響(p<0.01)。4種植物種類處理的凈氨化率在30 d均表現為：T2>T1>CK；在60 d凈氨化率表現為：CK>T1>T2；紫花苜蓿、燕麥草處理的凈氨化率在90 d與30 d相似，表現為：T2>T1>CK，T2與T1之間差異不顯著(p>0.05)，草木樨處理的凈氨化率表現為：T2>T1>CK，各處理間均達到差異顯著水平(p<0.05)；披堿草、紫花苜蓿和燕麥草在120 d時T2的凈氨化率顯著高于T1和CK(p<0.05)，而草木樨的凈氨化率T2顯著低于T1和CK(p<0.05)。

2.2.2 不同處理凈硝化率 改良劑與植物種類對重構土壤凈硝化率的影響見圖2。添加相同改良劑不同植物種類下，凈硝化率在30 d時CK處理的披堿草、紫花苜蓿和燕麥草之間，30 d和60 d時T1處理的紫花苜蓿、燕麥草和草木樨之間，60 d時T2處理的披堿草、紫花苜蓿和草木樨之間均未表現出明顯差異(p>0.05)；在90 d時隨著重構土壤硝化作用的加強，處理間硝化率開始出現差異，CK處理、T1處理凈硝化率表現為：草木樨>燕麥草>披堿草>紫花苜蓿，T2處理的表現為：草木樨>燕麥草>披堿草>紫花苜蓿；120 d不同改良方式的凈硝化率表現為：紫花苜蓿>披堿草>燕麥草>草木樨。

圖2 不同改良方式下重構土壤的凈硝化率

2.2.3 不同處理氮凈礦化率 改良劑與植物種類均會對重構土壤氮凈礦化率產生極顯著影響(p<0.01)(表3)。在添加相同改良劑時，紫花苜蓿處理的重構土壤氮凈礦化率顯著高于其他植物處理(p<0.05)。間植物種類對重構土壤氮凈礦化率的影響受播種后時間影響略有差異，一般表現為：紫花苜蓿>燕麥草>草木樨>披堿草(圖3)。植物與土壤往往形成一個耦合的系統，植物不僅吸收利于土壤氮素，改變參與土壤氮轉化過程的氮底物濃度，也對土壤氮轉化過程及其速率的影響存在反饋作用機制，與其他植物相比，種植紫花苜蓿可以提高氮凈礦化率，促進重構土壤中氮的礦化。

相同的植物處理，改良劑對氮凈礦化率的影響為：披堿草、紫花苜蓿和草木樨處理的重構土壤在30 d氮凈礦化率表現出：T1>T2>CK的規律；紫花苜蓿、燕麥草和草木樨處理的重構土壤在60 d氮凈礦化率：T1>CK>T2，且達到差異顯著水平(p<0.05)，在90，120 d凈氮礦化率：T2>CK>T1。

試驗前期重構土壤的氮凈礦化率多呈現出負值，圖2顯示前期凈氨化率均為負值，凈硝化率也處于較低水平，這可能是因為前期自制改良劑或雞糞肥尚未發揮出改良效果，且植物處于苗期根系不發達，重構土壤通氣性差抑制了好養硝化細菌，激活了反硝化細菌。表1說明經改良的重構土壤全氮含量提高，為氮的礦化提供了豐富的底物，但因為反硝化作用的加強，硝態氮積累較少，并且銨態氮受pH值影響揮發損失，因此在前期氮凈礦化率出現負值。播種后90 d氮凈礦化率各處理處于較高水平，是無機氮積累的主要時間。

圖3 不同改良方式下重構土壤的氮凈礦化率

2.3 氮動態變化的影響因子

由表3可知，多重判定系數R2分別均大于0.95，說明改良方式、植物種類及其交互作用對重構土壤的氮凈礦化率、凈氨化率和凈硝化率的聯合影響很大。方差分析結果表明，改良方式、植物種類兩個因素對氮凈礦化率、凈氨化率和凈硝化率的影響是極顯著的(p<0.01)，改良方式與植物種類的交互作用的P值均為0.00，這說明這兩個因素的交互作用對重構土壤的氮凈礦化率、凈氨化率和凈硝化率有極顯著顯著影響(p<0.01)。

表3 不同因素對重構土壤氮指標影響的方差分析結果

3 討 論

3.1 植物種類對氮存在形式與氮轉化率的影響

自然狀態下植物對土壤的干擾是一種積極的干涉性的干擾[11]。本研究表明，種植紫花苜蓿可以提高重構土壤氮凈礦化率，種植燕麥草和草木樨可以提高重構土壤的凈硝化率。

微生物活性是決定硝化活性的主要因素之一。植物通過共生固氮所獲得的有機氮具有有效期長、易積累、又可通過微生物礦化轉化成無機氮緩慢釋放、易被植物吸收等優點[12]，植物種類不同，對土壤中氮素形態的利用偏好有差異，并且根系分泌物種類與數量不同，對土壤微生物活動的促進作用也不相同，這是植物種類對氮轉化率產生影響的主要原因之一，與楊青川[13]的觀點一致，紫花苜蓿不僅耐受性強，并且具有改土固氮、改善生態環境的作用，因此更適合種植于重構土壤中。

3.2 改良劑對氮存在形式與氮轉化率的影響

硝態氮作為植物生長所需氮素的主要來源，其含量反映土壤肥力水平。關于有機質對氮轉化的影響結論尚未統一，Cheng等[14]、Wang等[15]認為，有機肥的使用可以提高土壤的自養硝化和異養硝化速率，Fan等[16]和van Teeseling等[17]的研究則認為可利用有機碳可以抑制硝化反應。在本研究中，施用自制改良劑的重構土壤有機碳含量最大，自制改良劑和雞糞肥均提高了重構土壤的凈硝化率，但自制改良劑處理的凈硝化率高于施用雞糞肥處理，這是因為凈硝化率除有機碳含量外還受到諸多環境因子的影響，自制改良劑的施用對重構土壤起到綜合的調節作用，并且土壤的硝化作用由土壤微生物所驅動，自制改良劑中含有枯草芽孢桿菌，其對硝化作用的刺激效果大于雞糞肥，因此呈現該結果。同時，自制改良劑中的玉米芯、酒糟等物質作為生物質材料，其中的有機氮礦化并釋放出銨態氮和硝態氮，直接提高重構土壤中的銨態氮、硝態氮含量。雞糞肥在礦化過程中碳氮比提高，微生物在活動過程中需要消耗土壤中的有效態氮素，使得自制改良劑的凈硝化率高于雞糞肥。

有學者研究發現[18-19]，在一定范圍內，硝化過程速率隨土壤pH值的增加而增加，這與本研究結果相反，經過不同改良方式處理后的重構土壤pH值大小關系為：CK>T1>T2，而硝化率大小關系則表現為：T2> CK>T1。這可能是因為自制改良劑的施入引入了微生物，而微生物作用對硝化作用的影響大于pH值對硝化作用的影響，因此出現與之相反的結果。

3.3 其他因素對氮轉化率的影響

土壤氮轉化速率受土壤理化性質[14,20]、土壤溫濕度[21]、土壤微生物[22]和凋落物質量[23]、抑制物質或激發物質存在[24]等很多因素影響。土壤微生物受環境變化影響，它們的活動對生態系統的生物地球化學循環具有重要作用[25-26]，不同環境因素對氮轉化率的影響，實際上是對土壤微生物的影響。倪銀霞等[27]研究與本研究得出相似的結果，倪銀霞認為有機碳的含量能夠影響到土壤微生物對氮的轉化，本研究發現，有機碳含量與氮凈礦化率、凈氨化率和凈硝化率存在正相關關系，這是因為有機碳含量的增加為微生物活動提供了碳源，促進土壤微生物功能的發揮。

硝化作用的最適 pH值在 7.5～8.5[28]，本研究所適用的重構土壤處于該區間內，試驗前期(播種后60 d內)凈硝化作用處于較低水平，這可能是因為重構土壤物理性狀不佳，改良劑因為時間短尚未發揮作用，重構土壤透氣性差，O2含量低使硝化作用受到抑制[29]，氮轉化以反硝化為主。

氨氮能加快硝化反應[16,30]，Azam等[31]認為銨態氮作為固氮產物可增強根際微生物活性，本研究也發現，銨態氮含量較高的處理也同樣具有較高的凈硝化率，氨氮含量主要影響氨氧化微生物(AOA)和氨氧化古菌(AOB)的分布與豐度，AOB通常在氨氧化過程中發揮主導作用進而影響硝化率。

4 結 論

(1) 播種90 d內，重構土壤中無機態氮存在形式由銨態氮向硝態氮轉化。經改良劑和植物作用120 d后，重構土壤中無機氮的存在形式以硝態氮為主。

(2) 紫花苜蓿可以提高重構土壤氮凈礦化率，燕麥草和草木樨可以提高重構土壤的凈硝化率。

(3) 添加自制改良劑能夠提高重構土壤中無機態氮含量，對重構土壤的凈氨化率、凈硝化率及氮凈礦化率的提高有促進作用。