不同培肥对采煤塌陷地复垦土壤氮素变化的影响

许剑敏，洪坚平，梁利宝

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

我国煤炭资源的分布面积很广，约占我国土地总面积的5.7%，其中，约96%的为井工开采，约4%的为露天开采[1]。矿产资源在被获取的同时会引发大量的土地塌陷，由于大规模的煤炭开采，对土地资源和生态环境造成了极大破坏，特别是井工开采造成的矿区大面积地表沉陷，使耕地面积减少、地下水资源破坏、水土流失加剧、土壤肥力下降、生态环境恶化。因此，在控制煤炭使用量的同时，也必须通过土地复垦将被破坏的土地恢复利用，从而来缓解人地矛盾、改善生态环境，实现土地资源的可持续利用[2-4]。

国内外许多研究[5-6]表明，氮肥施用方式和数量对作物产量和氮肥利用率有显著的影响。土地复垦后，因地面沉陷导致的上下土层交换颠倒，破坏了原始土壤层次，使得土壤持水、保肥等物理特性变得更差，且有机质、氮、磷、钾等主要营养成分含量较低，土壤肥力恢复较慢。土壤的氮含量是土壤肥力的一个重要指标，对土壤肥力的影响很大，如何去提高复垦土壤中氮的含量及作物对复垦土壤氮的利用是个关键问题。

本试验主要研究晋城塌陷矿区复垦土壤在不同培肥处理下氮素形态的变化规律，旨在为改善复垦土壤肥力、寻找合适复垦培肥模式及生产实践中科学合理地利用土壤氮素和指导氮素肥料的施用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2009，2010年在山西省晋城市北石店镇大张村进行。该区由于长期井工采煤，导致了耕地大面积塌陷，塌陷深度为50～150 cm，复垦时，地表以混推模式为主，利用挖深垫浅、就地平整法复垦，同时连续2 a种植玉米进行培肥熟化。玉米品种为泽玉41号，土壤类型为石灰性褐土，供试菌剂为从矿区当地尚未塌陷的熟土中分离的功能性微生物（包括6株解磷微生物、4株固氮微生物、3株解钾微生物）和当地的优势微生物经拮抗试验后，混合、扩大培养，经草炭吸附、晾干成菌肥，每克菌肥所含活性有益菌≥108个，草炭含N2.01%，P2O52.44%，K2O1.22%。供试土壤的基本理化性状如表1所示。

表1 供试土壤的基本理化性状

1.2 试验设计

试验共设5个施肥处理：（1）不施肥（CK）；（2）化肥（N）；（3）有机肥（M）；（4）有机肥＋化肥（N＋M）；（5）有机肥＋化肥＋菌肥（N＋M＋F）。化肥为尿素（N 46%）和过磷酸钙（P2O512%）；有机肥为鸡粪，养分含量为N 1.24%，P2O50.95%，K2O 1.02%；各施肥处理中施入等量养分（氮和磷），即每公顷施 N 120 kg，P2O590 kg，菌肥每公顷施300 kg。试验采用完全随机区组设计，每个小区面积为200 m2，每个处理重复3次，共15个小区。

1.3 测定方法

土壤全氮采用半微量开氏法测定；微生物氮采用氯仿熏蒸法测定；可溶性有机氮（SON）为可溶性总氮和无机氮含量之差。

土壤NH4+-N和NO3--N的测定：称取新鲜土壤5.00 g，用0.01 mol/LCaCl2浸提（液土比为5∶1），在水浴恒温振荡机（温度25℃，频率170 Hz）振荡1 h，过滤，采用德国AA3流动分析仪测定滤液的NO3--N和NH4+-N含量。

可溶性总氮（TSN）的测定：将测定无机氮（NH4+-N和NO3--N）所用的滤液用0.45 μm的滤膜再次过滤，采用过硫酸钾氧化法测定滤液的可溶性总氮含量，其中，氧化剂采用0.15 mol/L的NaOH和3%过硫酸钾（K2S2O8）配比，高压锅0.5 h氧化后，采用紫外分光光度法测定[7-8]。

2 结果与分析

2.1 不同培肥处理对塌陷复垦土壤0～20 cm土层全氮含量的影响

从表2可以看出，连续复垦2 a后，复垦土壤全氮含量较复垦前有一定提高。在复垦第1年（2009年），苗期各培肥处理间差异不显著，但均与CK差异显著，比CK提高了10.0%～16.7%；拔节期，处理N＋M的全氮含量最高，处理N，N＋M＋F和M与CK之间差异不明显；灌浆期，处理N＋M＋F，N＋M，M与处理N和CK之间差异显著。总体看，处理N＋M的全氮含量在整个生育期都较高，在苗期、拔节期、灌浆期分别比CK高出16.7%，9.7%，10.3%。复垦第2年（2010年），玉米生育期内不同培肥处理复垦土壤的全氮含量较上一年都有一定的增幅；生育期内，处理M，N＋M，N＋M＋F与CK之间差异显著，N＋M，N＋M＋F和M处理间的差异不显著，但与单施无机肥处理差异显著，这与上一年趋势一致。连续2 a复垦土壤的全氮含量由大到小顺序为：有机肥与无机肥配施（N＋M）＞有机肥、无机肥与菌肥配施（N＋M＋F）＞单施有机肥（M）＞单施无机肥（N）＞对照（CK）。

表2 不同培肥处理对塌陷复垦玉米土壤0～20 cm全氮的影响 mg/kg

研究结果表明，有机肥与化肥配合施用是提高土壤全氮肥力的重要措施。这主要是因为有机肥的施用不仅直接增加了土壤全氮的含量，而且提高了土壤的保氮能力。单施化肥处理的土壤全氮含量略高于不施肥处理，这是由于施用氮肥提高了作物根茬和根系分泌物的量，亦增加了归还土壤的有机氮量[9-13]。

2.2 不同培肥处理对塌陷复垦土壤0～20 cm土层微生物氮含量的影响

从表3可以看出，复垦第1年，玉米生育期内复垦土壤微生物氮含量各培肥处理较CK有不同程度的增加，且差异显著。玉米生育期内，M处理相对于CK提高了13.8%～27.0%，N处理相对于CK提高7.6%～20.3%，N＋M处理相对于CK提高12.9%～37.5%，N＋M＋F处理相对于CK提高30.5%～39.8%。可以明显看出，施有机肥的处理好于单施N处理和CK，N＋M＋F处理在玉米生育期内微生物氮含量最高，且与其他处理差异显著。复垦第2年，微生物氮含量平均比上一年高14.0%，与上一年趋势一致。各培肥处理的土壤微生物氮含量由大到小的顺序为：有机肥、无机肥与菌肥配施（N＋M＋F）＞有机肥与无机肥配施（N＋M）＞单施有机肥（M）＞单施无机肥（N）＞对照（CK）。

表3 不同培肥处理对塌陷复垦玉米土壤0～20 cm微生物氮的影响 mg/kg

含有机肥处理的微生物氮含量要明显高于无机肥处理，这是因为微生物对施入氮的固持与释放，主要受施入的碳和氮所支配；有机、无机肥可以为微生物提供丰富的碳源、氮源和能源及微量元素，合适的C/N，为其大规模生长繁殖创造了有利条件。并且增加土壤微生物数量的同时，也增加了对氮的固持，矿质氮被微生物固定，微生物氮也相应增加。隋跃宇等[14]就有关不同施肥制度对小麦生育期土壤微生物量的影响进行了研究，结果表明，化肥配施有机肥更能促进土壤微生物活性，土壤微生物量比不施肥和仅施化肥处理显著增加。长期单施化肥导致微生物的碳源不足，降低了生物固持能力，因此，该处理的微生物氮较低。而N＋M＋F处理中微生物含量最高，主要是菌肥中含有的大量微生物经扩繁后导致微生物种类、数量剧增，微生物氮含量自然会升高，说明有机肥和无机肥配施能有效地提高土壤氮素的矿化量、供氮量以及氮肥的利用率和在土壤中的生物固持能力[15]。

2.3 不同培肥处理对塌陷复垦土壤0～20 cm土层可溶性有机氮含量的影响

从表4可以看出，在玉米生长期内，不同施肥处理之间基本上都以灌浆期的土壤可溶性有机氮含量最高。

表4 不同培肥处理对塌陷复垦玉米土壤0～20 cm可溶性有机氮含量的影响 mg/kg

复垦第1年，玉米生育期内复垦土壤可溶性有机氮含量各培肥处理较CK有不同程度增减，且差异显著。可溶性有机氮的含量以N＋M＋F处理最高，M，N＋M处理次之，单施N肥的条件下可溶性有机氮含量明显低于对照。Murphy等[16]在小麦肥料试验中也发现，每年施用144 kg/hm2无机态氮后，土壤中可溶性有机氮含量显著低于对照。Appel等[17]报道，施用氮肥未增加土壤可溶性有机氮的含量。复垦第2年，可溶性有机氮含量为5.35～19.88 mg/kg，平均值为12.75 mg/kg，比第1年平均高出16.87%。在玉米整个生育期，N＋M＋F处理效果最好，M次之，N处理明显低于CK，且差异比上一年更为明显。土壤中可溶性有机氮含量从大到小顺序为：有机肥、无机肥与菌肥配施（N＋M＋F）＞单施有机肥（M）＞有机肥与无机肥配施（N＋M）＞单施无机肥（N）＞对照（CK）。复垦第1年可溶性有机氮含量为4.57～15.39 mg/kg，平均值为 10.91 mg/kg，Chapman 等[18]研究认为，可溶性有机氮的来源包括有机质分解的中间产物、施入的有机肥料、微生物和根系代谢产物、分泌物等，由微生物将不可溶解性氮转化为可溶性有机氮。因此，含有机肥处理的微生物氮含量要高于单施N处理，N＋M＋F中施入的微生物菌肥可增加微生物的含量，从而可快速增加可溶性有机氮的含量。从生长季节来看，灌浆期可溶性有机氮含量最高，这是由于随着气温的升高，微生物活动逐渐频繁，加速了可溶性有机氮的生成。

3 结论

连续2 a施肥的复垦土壤的全氮、微生物氮和可溶性有机氮含量都有明显提高。其中，N＋M处理对复垦土壤全氮含量增幅最为明显，比对照增加了9.7%～16.7%，N＋M与N＋M＋F处理间差异不显著；N＋M＋F处理对复垦土壤微生物氮和可溶性有机氮含量增幅最为明显，比对照分别增加了30.5%～60.4%，0.2%～33.0%。各培肥处理与对照差异显著。菌肥的加入对复垦土壤改良有一定的效果。

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