矿区塌陷复垦地土壤养分及酶活性的变化

乔志伟，李金岚，洪坚平，谢英荷

（山西农业大学资源与环境学院，山西太谷030801）

由于大规模采煤，矿区土地塌陷，使得山西省成为全国矿区土地破坏最严重的省份之一[1]。在转型发展的今天，土地问题日益严重，土地的复垦可以在一定程度上解决人地矛盾和经济发展的需要。但矿区被破坏的土地肥力低[2]，土壤结构不良，土壤压实现象比较严重[3]；土壤中的微生物区系稀少，生物多样性较少且生态系统的稳定性差[4-5]，而提高复垦土壤的肥力是土地复垦成功与否的关键所在[6-9]。土壤酶是一种由生物产生的、具有蛋白质性质的高分子生物催化剂，具有加速土壤生化反应的功能。土壤中的一切生化过程，包括动植物残体和微生物残体的分解及其有机质的分解与转化，都是在酶的参与下进行和完成的[10]。由于土壤酶在土壤有机质分解和营养循环中扮演重要角色[11-12]，可以作为衡量土壤质量的一个潜在指标[13]。

在长治襄垣五阳煤矿的采煤沉陷区复垦土壤上通过不同施肥处理和玉米试验，研究复垦土壤养分和酶活性的情况，旨在为培肥土壤提供理论和实践的基础。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 试验地点和时间 试验地位于长治市襄垣县王桥镇西山底村，该地为采煤塌陷后经混推造地的土壤，地力贫瘠，有机质6.28 g/kg，全氮0.06 g/kg，碱解氮 25.86 mg/kg，速效磷 4.46 mg/kg，速效钾133.9 mg/kg。于2009年4月27日播种玉米，10月10日收获。土样采集时间为玉米的4个生育期，即苗期（6月2日），拔节期（7月15日），抽雄期（8月20日），成熟期（10月10日）。采样深度为0～20 cm，每个试验小区按S形路线多点（10个点）采样，混合后作为该小区的代表样品。

1.1.2 供试作物 供试作物为玉米，品种为瑞普9号。

1.1.3 供试肥料 供试化肥为尿素（N 46%）、磷酸一铵（有效N 11%，P2O544%）、硫酸钾（K2O 50%）。有机无机复混肥基本养分含量：鸡粪47.5%（N 2.8%，P 1.4%，K 0.8%，有机质 23.5%），尿素20.1%，磷酸一铵13%，氯化钾15.2%，腐植酸5%，硫酸锌1%。菌肥由山西农业大学资源与环境学院微生物实验室提供。

1.2 试验设计

本试验按照等量施肥的原则进行设计，试验处理分别为（1）对照（CK）：不施肥；（2）化肥（C）：施入尿素630 kg/hm2，磷酸一铵879 kg/hm2，硫酸钾 481.5 kg/hm2；（3）化肥 + 有机肥（CM）：尿素600 kg/hm2，磷酸一铵为813 kg/hm2，硫酸钾为473.1 kg/hm2，鸡粪为 1 398 kg/hm2；（4）化肥 + 有机肥 +菌肥（CMB）：尿素为 600 kg/hm2，磷酸一铵为 813 kg/hm2，硫酸钾为 473.1 kg/hm2，鸡粪为1 398 kg/hm2，菌肥用量67.5 kg/hm2。试验小区面积为163.2 m2，每小区重复3次。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤样品的采集与处理 每个小区按S形路线多点采样，混匀后用四分法取约1 kg田间采回的土样过2 mm筛，剔除植物残渣后，一部分保存于4℃冰箱中，用于进行酶活性分析；其余土壤风干，用于土壤基本物理性状的测定。

1.3.2 土壤养分的测定[14]土壤碱解氮用碱解扩散法测定；土壤速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤速效钾用NH4OAC浸提，火焰光度法测定；土壤全氮用浓硫酸消煮-半微量凯氏法测定；土壤全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全钾用NaOH熔融-原子吸收法测定；土壤有机质用重铬酸钾-容量法测定。

1.3.3 土壤酶活性的测定[15]土壤磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定；土壤脲酶用次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对矿区塌陷复垦土壤养分的影响

矿区土地复垦的主要限制因子是土壤肥力和pH值过低以及N，P和有机质缺乏，重金属含量较高。经过不同的施肥处理，土壤中的碱解氮、速效磷、有机质和全氮含量均有所提高（表1）。

表1 玉米生育期内不同施肥处理矿区塌陷复垦土壤的养分含量

从表1可以看出，在玉米各生育时期，各种施肥处理对土壤养分的提高是不相同的。在苗期，3种施肥处理碱解氮含量明显高于CK，且各处理之间差异显著，C处理比CK提高70%，CM处理比CK提高52%，CMB处理比CK提高了42%，含量大小顺序为C＞CM＞CMB＞CK。在拔节期，含量大小顺序为CM＞CMB＞C＞CK。抽雄期，含量大小顺序为CM＞CMB＞C＞CK。成熟期，含量大小顺序为CMB＞CM＞C＞CK。

对于全氮，在苗期，C处理比CK提高11%，CM处理比CK提高60%，CMB处理比CK提高79%，含量大小顺序依次为CMB＞CM＞C＞CK，CM和CMB处理之间差异显著，且二者显著高于CK和C处理，CK和C处理之间差异不显著；拔节期，各处理之间全氮含量差异不显著；抽雄期，各种处理土壤全氮含量差不多，处理之间差异不显著；成熟期，含量大小顺序依次为CM＞CMB＞C＞CK，其中CM和CMB这2个施肥处理全氮含量显著高于CK，且二者之间差异显著，但C处理与CK之间差异不显著。

不同施肥处理对土壤速效磷含量都有不同程度的提高，玉米苗期、拔节期、抽雄期、成熟期C处理相对于各时期的CK提高42%～53%，CM处理相对于各时期的CK提高64%～76%，CMB处理相对于各时期的CK提高71%～80%。CM和CMB处理在玉米生育期内对土壤速效磷的提高幅度明显高于C处理，说明施用有机肥对土壤磷的转化作用较明显。

不同施肥处理对土壤速效钾含量都有不同程度的提高，玉米苗期至抽雄期各处理之间差异不显著，成熟期3种施肥处理的速效钾含量明显高于CK处理。

有机质是反映土壤质量的直接指标，有机质含量的高低可以反映出土壤质量的好坏。不同施肥处理对土壤有机质含量都有不同程度的影响，苗期，C处理比CK提高32%，CM处理比CK提高81%，CMB处理比CK提高100%，含量大小依次为CMB＞CM＞C＞CK，各处理之间差异显著；拔节期，C处理比CK提高了32%，CM处理比CK提高74%，CMB处理比CK提高95%，含量大小依次为CMB＞CM＞C＞CK，各处理之间差异显著；抽雄期，C处理比CK提高9%，CM处理比 CK提高 121%，CMB处理比 CK提高107%，含量大小依次为CM＞CMB＞C＞CK，各处理之间差异显著；成熟期，C处理比CK提高38%，CM处理比CK提高84%，CMB处理比CK提高102%，含量大小依次为CMB＞CM＞C＞CK，3种施肥处理有机质含量都显著高于对照处理，但3种处理之间差异不显著。

2.2 不同施肥处理对矿区塌陷复垦土壤酶活性的影响

2.2.1 不同处理对土壤脲酶活性的影响 脲酶能酶促尿素的水解，对尿素在土壤中的转化具有较大影响。因此，脲酶活性与土壤供N能力有密切的关系，对施入土壤尿素的利用率影响很大。

从图1可以看出，玉米各生育时期不同施肥处理土壤脲酶含量是不同的。在苗期，C处理土壤脲酶含量最大，比CK增加38%；其次是CM；CMB增加最小，只增加了4%。在拔节期，脲酶含量大小依次为CM＞CMB＞C＞CK，各施肥处理分别比不施肥处理提高62%，54%，14%。在抽雄期，以CMB提高最大，增加71%。在成熟期，土壤脲酶含量CM，CMB，C分别比CK提高了82%，73%，14%。苗期C处理施入尿素较多，直接刺激土壤脲酶的产生，含量较其他处理高。在其他生育时期，均是CM和CMB处理脲酶含量增加多，说明有机肥和菌肥对于土壤脲酶活性影响较大，并且是长期的。从图1还可以看出，在抽雄期，可能是由于气候干旱，水分缺乏（水分是酶反应的介质），脲酶活性较低。

2.2.2 不同处理对土壤蔗糖酶活性的影响 通过玉米大田试验，不同的施肥处理对矿区塌陷复垦土壤蔗糖酶活性的影响分析如图2所示。

从图2可以看出，玉米生育期内不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性都有显著提高，其中CM和CMB处理对蔗糖酶活性的提高明显高于C处理，C处理高于CK，且各处理之间差异显著（P＜0.05）。苗期，以CMB处理蔗糖酶活性最高，含量依次为CMB＞CM＞C＞CK。拔节期，同样以CMB处理活性最高，不施肥处理含量最低，CMB，CM，C处理分别比CK增加了101%，48%，21%。抽雄期，以CM处理蔗糖酶活性最高。成熟期，以CMB处理蔗糖酶活性最高。总体看，CM和CMB处理对蔗糖酶活性提高作用明显。经回归分析，有机质与蔗糖酶的相关系数为0.93，二者之间差异极显著。CM和CMB处理都施有有机肥，有机肥分解产生大量有机质，因为有机质是土壤微生物的碳源和能源[16-19]，而蔗糖酶正是把高分子量蔗糖分子分解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖的水解酶，为土壤生物体提供充分能源的酶类，故CM和CMB处理土壤蔗糖酶含量较高。

2.2.3 不同处理对土壤磷酸酶活性的影响 从图3可以看出，3种施肥处理在玉米整个生育期内对磷酸酶活性都有提高作用。C处理在玉米生育期内相对于各时期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了14%～67%，CM处理在玉米生育期内相对于各时期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了16%～106%，CMB处理在玉米生育期内相对于各时期的CK使土壤磷酸酶的活性提高了26%～143%。

土壤磷酸酶含量在玉米各个时期都是施肥处理高于对照，且3种施肥处理与CK相比，差异显著。

在苗期，CMB含量最高，C和CM处理之间差异不显著。在拔节期，以CM含量最高，CMB次之。在抽雄期，以CMB含量最高，C和CM处理之间差异不显著。在成熟期，以CMB含量最高，与其他3种处理差异显著。总体看，CMB处理对土壤磷酸酶含量影响最大，能显著提高土壤磷酸酶的活性。经回归分析，土壤磷酸酶与速效磷之间的相关系数为0.71，呈显著水平。

3 结论

3.1 不同施肥处理矿区塌陷复垦地玉米生长期土壤养分的变化

不同施肥处理对土壤碱解氮都有不同程度的提高，化肥、化肥+有机肥、化肥+有机肥+菌肥处理分别提高4%～40%，25%～52%，24%～52%，对照土壤碱解氮含量在玉米整个生育期变化不大。3 种施肥处理碱解氮含量在拔节期和抽雄期略有下降，成熟期又有所回升。

不同时期不同施肥处理对全氮的影响不同，化肥、化肥+ 有机肥、化肥+ 有机肥+ 菌肥处理分别提高2%～11%，10%～60%，9%～79%，基本上表现为化肥+ 有机肥和化肥+ 有机肥+ 菌肥2种施肥处理土壤全氮含量高于其他处理，而抽雄期对照全氮含量略高于施肥处理。

在玉米整个生育期内施肥处理土壤中的速效磷含量明显高于对照，化肥、化肥+有机肥、化肥+ 有机肥+ 菌肥处理分别比对照提高42%～53%，64%～76%，71%～80%，且化肥+ 有机肥、化肥+有机肥+菌肥与化肥处理之间差异显著，但化肥+ 有机肥与化肥+ 有机肥+ 菌肥处理之间差异不显著。

不同施肥处理对土壤速效钾含量都有不同程度的提高，化肥、化肥+ 有机肥、化肥+ 有机肥+ 菌肥处理分别比对照提高了1%～38%，16%～32%，21%～47%，玉米苗期至抽雄期各处理之间差异不显著，成熟期3 种施肥处理显著高于对照。

3.2 不同施肥处理矿区塌陷复垦地玉米生长期土壤酶活性的变化

玉米生育期内不同施肥处理对土壤脲酶活性都有所提高，对土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均有显著提高，其中化肥+有机肥和化肥+有机肥+菌肥处理对蔗糖酶活性的提高明显高于化肥和不施肥处理。

综上所述，有机肥、无机肥和生物肥料混合施用来复垦土壤，才能快速培肥土壤，从而达到复垦的目的。

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