不同施肥处理对复垦土壤生物活性的影响

不同施肥处理对复垦土壤生物活性的影响

张平1，洪坚平1，乔志伟2，李娜1

(1.山西农业大学 资源环境学院 山西 太谷 030801； 2.山西省环境科学研究院，山西 太原 030027)

摘要：试验采用随机区组实验设计,通过不同施肥处理对襄垣五阳煤矿的采煤沉陷区复垦土壤进行了研究,施肥方案为：空白(CK)、无机肥(C)、无机肥+菌肥(CB)、有机肥+无机肥(CM)、无机肥+有机肥+菌肥(CMB)。试验结果表明：(1)4种施肥处理均能提高土壤有机质和呼吸作用的含量和强度，且CMB、CM及CB处理最为显著。(2)有机肥和菌肥可以显著提高土壤酶活性，不同生育期脲酶、磷酸酶含量以CMB处理最为显著，蔗糖酶含量以CM处理最显著。(3)有机肥和菌肥对于提高土壤中的微生物碳氮效果显著。CMB，CM处理的微生物碳比CB处理增加了11%～34%，比无机肥(C)处理增加了35%～63%, CMB，CM处理的微生物氮比CB处理增加了31%～51%，比C处理增加了52%～100%。在土地复垦过程中，建议以有机肥和菌肥以及无机肥的配合使用为主，其可有效增加土壤有机质，提高土壤生物活性，改善土壤微生物的环境，增加土壤养分提高土壤的熟化度。

关键词：不同施肥处理；复垦土壤；酶活性；土壤呼吸；微生物量碳氮

收稿日期：2015-07-01修回日期：2015-09-06

作者简介：张平(1990-)，女(汉)，山西祁县人，硕士，研究方向：微生物肥料的研制与应用

通讯作者：*洪坚平，教授，硕士生导师。Tel：0354-6288399；E-mail：hongjpsx@163.com

基金项目：山西省自然科学基金(2014011001-4)

中图分类号：S154.3文献标识码：A

Effects of Different Fertilization Treatments on Biological Activity of Reclaimed Soil

Zhang Ping1, Hong Jianping1, Qiao Zhiwei2, Li Na1

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience，ShanxiAgriculturalUniversity，TaiguShanxi, 030801,China; 2.EnvironmentalscienceresearchinstituteofShanxiProvince,TaiyuanShanxi,030027,China)

Abstract:Using of randomized block experimental design, through different fertilizer treatment of Xiangyuan Wuyang Coal Mine coal mining subsidence reclamation area, the organic matter, respiration, enzyme activity and microbial carbon and nitrogen in reclaimed soil were studied. Fertilization scheme：Without fertilization(CK),Chemical fertilizers (C),Chemical fertilizers+bacterial fertilizer (CB),Organic fertilizer+Chemical fertilizers (CM),Chemical fertilizers+Organic fertilizer+bacterial fertilizer (CMB). The results showed: (1) Four fertilization treatments could improved the content of soil organic matter. CMB, CM and CB could significantly improved the soil respiration. (2) Organic fertilizer and fertilizer could significantly improved soil enzyme activity, In different growth stages the CMB treatment had highest urease and phosphatase. The most significant in the treatment content of sucrose was CM. (3) Organic fertilizer and microbial fertilizer can significantly improved the microbial carbon and nitrogen in soil. For the microbial biomass carbon, the CMB treatment was increased 11%-34% than the CB treatment, was higher 35%-63% than C treatment, for microbial nitrogen CMB, CM respectively increased 31%-51% than CB treatment, increased by 52%-100% compared with C. In the process of land reclamation, we should combine the organic fertilizer, microbial fertilizer and inorganic fertilizer. Only in this way can accelerate soil biological activity, improve soil microbial environment, and accelerate the ripening increased soil nutrient and accelerate soil cultivation.

Key words:Different fertilization treatments; Soil rehabilitation; Enzyme activity; Soil respiration; Microbial biomass carbon and nitrogen

山西省发改委2008年进行摸底调查的结果显示，改革开放以来，山西累计生产原煤近百亿吨，形成63 亿m3的采空区，采空区面积5 115 km2，引发的地表沉陷面积达2 978 km2，1 082 km2的耕地、42.6 km2的林地遭到破坏。然而与这些数据不相符的是复垦率只有2%左右，远低于国外一些发达国家80%的复垦率。

土壤的质量取决于土壤的物理化学属性及土壤的生物肥力。近年来，由于大规模的煤炭开采，使得采煤塌陷的土壤有机质含量较低，结构不良，生物多样性较少且生态系统稳定性差。土壤微生物能敏感地对土壤的质量做出响应。土壤酶的活性与土壤微生物数量密切相关[1]。微生物数量大，繁殖快，可以分泌产生大量的土壤酶[2]，而土壤酶在生态系统的有机质分解和养分循环所必需的催化反应中起重要作用[3]。前人对采煤塌陷区的土壤复垦主要停留在物理措施上，比如排土、换土、去表土、取客土4种方法。而采用生物修复，尤其是土壤微生物修复方面的研究比较少。

近些年来土壤微生物已经成为土壤学关注的焦点和研究的热点。因此在土地复垦中,研究土壤酶活性，土壤呼吸强度和土壤微生物量碳氮有重要的意义，本实验研究了不同施肥处理对采煤塌陷复垦土壤微生物碳氮、酶活性和呼吸作用的影响，为进一步研究复垦土壤肥力和生态系统以及微生物群落结构提供一定的理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验地位于山西省长治市襄垣县王桥镇西山底村，属潞安集团五阳煤矿井田范围，年平均气温9.5 ℃，年平均降水量532.8 mm，无霜期160 d。供试土壤理化性质为有机质6.58 g·kg-1，全氮0.09 g·kg-1，碱解氮28.86 mg·kg-1，有效磷4.86 mg·kg-1，速效钾134.9 mg·kg-1。

供试作物为玉米，品种为瑞普9号。

供试无机肥为尿素(含氮量46%)、磷酸一铵(含氮量11%、含五氧化二磷44 %)、硫酸钾(含五氧化二钾34.31%)；有机复合肥；菌肥(山西农业大学资源环境学院实验站提供)。

1.2试验设计

试验处理为：

空白 (CK)：不施肥;

无机肥(C)：施入尿素630.0 kg·hm-2，磷酸一铵879.0 kg·hm-2，硫酸钾481.5 kg·hm-2;

无机肥+菌肥(CB): 施尿素630.0 kg·hm-2，磷酸一铵879.0 kg·hm-2，硫酸钾481.5 kg·hm-2,菌肥67.5 kg·hm-2;

无机肥+有机肥(CM)：尿素600.0 kg·hm-2，磷酸一铵813.0 kg·hm-2，硫酸钾473.1 kg·hm-2，鸡粪1 398.0 kg·hm-2;

无机肥+有机肥+菌肥(CMB): 施尿素600.0 kg·hm-2，磷酸一铵813.0 kg·hm-2，硫酸钾473.1 kg·hm-2，鸡粪1 398.0 kg·hm-2，菌肥67.5 kg·hm-2;

试验小区面积为163.2 m2，每小区重复3次。试验于2009年4月播种，10月收获。土样分别于玉米苗期，拔节期，抽雄期和成熟期采取0～20 cm土样，试验小区按S形路线混合的土样后作为该小区的试验样品。

1.3测定方法

采用S型路线多点取样，称取相当于20 g干土的新鲜土样做土壤呼吸强度测定，剩余土样部分保存于冰箱中冷藏，用于进行土壤酶活性的测定，其余土壤自然风干后用于土壤基本化学性状的分析。

土壤呼吸作用强度测定采用碱吸收法[4]。土壤微生物碳氮的测定用氯仿熏蒸-K2SO4提取-碳自动分析法[5]。土壤酶的测定方法参照关松萌[6]的土壤酶及其研究方法。

2结果与分析

2.1不同施肥处理对矿区塌陷复垦土壤有机质的影响

由表1可以看出，在玉米苗期各施肥处理有机质含量CMB>CB>CM>C>CK, CMB处理有机质含量最高，比C处理高28.50%，比CM和CB处理分别高8.26%、5.63%，拔节期CMB与其他施肥处理之间差异显著，比CB以及CM处理高17.14%和14.97%。抽雄期与拔节期结果类似，成熟期各施肥处理有机质含量为CMB>CM>CB，CMB处理有机质含量最高，比CM与CB处理高7.46%、11.30%，比C处理高33.66%。由此可以看出CMB处理能显著提高土壤有机质的含量。

2.2不同施肥处理对采煤塌陷复垦土壤酶活性的影响

有机质是土壤微生物的碳源和能源[7～10],由表1和表2可以看出同一生育期内随着有机质含量增加，土壤酶活性逐渐升高，可见有机肥的施入能增强土壤酶的活性，加强有机碳的分解。

由表2看出，在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，其中以施用CM和CMB的蔗糖酶含量较高，而又以CM处理最显著，比C处理高52.6%～78%，CM和CMB处理都施入有机肥，有机肥分解能提供养分，提供大量有机质。

表1玉米生育期不同施肥处理矿区塌陷复垦土壤

有机质含量

Table 1Effects of different fertilization on soil organic matter content of Mining Subsidence reclamation in corn growing periods

生育期Growthperiod处理Treatment有机质/g·kg-1Organicmatter/g·kg-1苗期SeedingCK6.07bC6.42bCB7.81aCM7.62aCMB8.25a拔节期JointingCK6.00cC6.40bCB7.41bCM7.55bCMB8.68a抽雄期HeadingCK6.00cC6.40bCB7.41bCM7.55bCMB8.68a成熟期MaturatingCK6.48dC7.22cCB8.67bCM8.98abCMB9.65a

注：同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05)。表2、表3同。

Note: Data under different letters in the same column meant significant difference at 0.05 level.The same to table 2 and table 3

各个施肥处理对脲酶含量的影响，苗期为CMB>CM=CB>C>CK，但拔节期CM处理脲酶含量最高，CMB处理次之，CM和CMB与C之间差异显著。在抽雄期，可能是由于天气干旱，土壤水分含量低，微生物活动减弱，各处理之间没有明显差异。在成熟期，脲酶含量以CM、CB和CMB较高，分别比C增加了34.88%和25.58%。

在玉米的整个生育时期，施用有机肥和菌肥的磷酸酶活性与只施用化肥相比有很大的提高，苗期磷酸酶含量CMB和CM、CB比C增加了47.89%、50.00%、47.44%；拔节期CMB处理分别比C、CM增加了53.65%、21.94%，在抽雄期CM处理效果显著，比CMB增加了29.17%，比CB处理高21.09%，成熟期CM比CMB高 47.04%，比CB高45.08%。

表2玉米生育期内不同施肥处理矿区塌陷复垦土壤酶含量

Table 2The Soil enzyme activity of different fertilizations in the corn growth periods

生育期Growthperiod处理treatment脲酶/mg·g-1Urease/mg·g-1蔗糖酶/mg·g-1Invertase/mg·g-1磷酸酶/mg·g-1Phosphatase/mg·g-1苗期CK0.26b5.60d8.39bSeedingC0.30ab6.55c6.64cCB0.32ab9.95b9.79aCM0.32ab11.68a9.96aCMB0.37a10.00b9.82a拔节期CK0.24b8.16d8.52cJointingC0.29ab9.50c7.27dCB0.37ab11.80b9.04bCM0.39a14.49a9.16bCMB0.37a11.09b11.17a抽雄期CK0.30a6.03b6.34cHeadingC0.28a6.30b9.16bCB0.30a7.28a10.24bCM0.32a7.65a12.40aCMB0.32a7.77a9.60b成熟期CK0.46b10.61c9.79dMaturatingC0.43b11.43c10.72cCB0.54a14.43b11.98bCM0.58a14.51b17.38aCMB0.54a19.52a11.82b

注：* 表示回归关系显著; ** 表示回归关系极显著.

Note: * show significant regression,** regression a significant.

在玉米整个生育时期，磷酸酶含量逐渐增大，成熟期各处理含量达到最大值，可能是因为玉米生长前期施入的速效磷肥能满足玉米的生长需求，后期供应不足，缺磷诱导了磷酸酶活性的增强，来增加磷酸酯或磷酸酐的水解。随着玉米生物量增加后，进入土壤的有机质含量增加，刺激了微生物的生长繁殖，从而使得植物的根系和土壤微生物分泌的酶含量增加，使土壤有机磷分解为植物可利用的磷。

2.3不同施肥处理对矿区塌陷复垦土壤呼吸作用的影响

由表3可以看出，在玉米整个生育时期，土壤呼吸强度以CMB处理最高，CM次之，CK的最小。苗期CMB的呼吸强度分别比CM、CB、C高31.82%、45.00%、61.11%。拔节期CMB分别比CM、CB、C高13.33%、21.43%、78.95%，CMB与各处理之间差异显著。抽雄期趋势与拔节期一致，而在成熟期CMB分别比CM与CB高23.5%，比C处理高6.45%、13.79%，各处理之间差异显著。

表3　玉米生育期内不同施肥处理矿区塌陷复垦

2.4不同施肥处理对微生物生物量碳氮的影响

2.4.1玉米不同生育时期微生物量碳的动态变化

由图1可见，不同施肥处理均能提高土壤的微生物碳含量。

图1　玉米生育期内不同施肥处理矿区塌陷复垦土壤微生物C含量变化 Fig.1　The Soil microbial biomass carbon of different fertilizations in the corn growth period

玉米整个生育期微生物量碳的变化表现出苗期较低，而拔节期、抽雄期较高, 而成熟期又逐渐降低的趋势。由此可见，在拔节期、抽雄期这段时间，土壤温度较高，微生物较为活跃，使土壤微生物碳量增加，CMB、CM以及CB处理都能促进微生物生长繁殖，但三者之间的差异并不显著，说明菌肥和有机肥都可以促进土壤微生物碳的增加。而微生物生物碳的增大有助于提高土壤养分容量和供应强度。

2.4.2玉米不同生育时期微生物量氮的动态变化规律

由图2可以得出，不同施肥处理在玉米的整个生育时期对土壤的微生物氮含量有显著影响。土壤微生物氮的大小顺序为CMB>CM>CB>C，苗期CMB微生物氮含量分别比CB、CM、C增加31%、43%、52%，拔节期CMB分别比CB、CM、C增加51%、82%、100%，抽雄期CMB分别比CB、CM、C增加15%、29%、84%。可见CMB与CB、CM处理均能显著提高微生物氮的含量。CMB和CM处理高于CB处理，可见施用有机肥能显著提高微生物氮的含量。

图2　玉米生育期内不同施肥处理矿区塌陷复垦土壤微生物N含量变化 Fig.2　Different Soil microbial biomass nitrogen of fertilizations in the corn growth periods

3结论与讨论

3.1不同施肥处理对土壤有机质的作用

隋跃宇的研究结果表明，不施肥处理的土壤有机质含量、全氮含量最低；而长期施用化肥以及单施有机肥处理的土壤有机质含量居中；有机肥与化肥配合施用比不施肥处理可显著提高有机质的水平[11]。穆琳结果也表明，有机肥与化肥配合施用能提高有机质水平，增加土壤有机质含量[12]。

本试验结果表明，4种施肥处理均能提高土壤有机质的含量，不同施肥处理对有机质含量的影响不同。有机肥+无机肥+菌肥对有机质含量影响最大。由此可见施用一定量的有机肥和菌肥均可以显著提高土壤中有机质的含量，且有机质的含量在成熟期达到最大值。

解文艳等[13]的研究结果显示山西省主要农田耕层0～20 cm土层土壤的有机质含量为17.7g·kg-1，均属中等偏上水平，远远高于襄垣五阳煤矿的采煤沉陷区复垦土壤的有机质含量，但CMB处理的土壤，一年后有机质可达到9 g·kg-1左右，可见CMB处理可有效改善土壤肥力。

3.2不同施肥处理对采煤塌陷复垦土壤酶活性的作用

脲酶的活性与土壤的供氮能力有密切的相关性，对施入土壤中的尿素的利用率影响很大。土壤磷酸酶是可以把有机磷脂水解成无机磷酸的酶，作为土壤中的一种诱导酶，微生物和根对磷酸酶的分泌与正磷酸盐的缺乏程度呈正相关[14,15]。蔗糖酶的作用是可以促进蔗糖水解成葡萄糖和果糖。随着土壤熟化程度的提高,蔗糖酶的活性增强[16]。

本试验研究表明，有机肥+无机肥处理与单施化肥和空白相比，施入一定量的有机肥可以为土壤提供有机质，增加土壤肥力，增强微生物的活性，所以各种酶活性相对较高。整体上与空白和施无机肥处理之间差异显著(p<0.05)。施入一定量的菌肥，同样可以增加土壤养分和增强呼吸作用，而有机肥+无机肥+菌肥的处理中，不仅可以向土壤提供有机肥，还添加了生物菌肥，使土壤酶活性很高，因此菌肥以及有机肥对土壤微生物性状影响比无机肥大。袁玲、郑兰君等人研究也发现，不同施肥处理能提高采煤塌陷复垦土壤酶活性[8]。李树志的研究也表明菌肥可以改善土壤以及作物的生长条件，可以迅速熟化土壤、从而固定空气中的氮素、参与养分的转化，同时促进作物对养分的吸收利用，分泌激素刺激作物的根系发育，抑制有害微生物活动等[17]。

3.3不同施肥处理对采煤塌陷复垦土壤呼吸作用的影响

土壤微生物活动是土壤呼吸作用的主要来源。靳东升等人研究表明不同施肥处理下随着玉米生长期的不同，土壤碳通量也发生了相应的变化，尤其在玉米出苗、抽穗、 灌浆期不同施肥处理间差异显著表现为空白<无机肥<有机肥+无机肥<有机肥[18]。

本试验结果表明，不同施肥处理能提高土壤的呼吸强度，CMB、CM及CB处理呼吸活性较高，CMB处理的土壤呼吸强度最大，在这个处理中，施入了一定量菌肥，菌肥中含有大量的固氮菌，解磷菌，解钾菌，并且和有机肥混施，微生物活动比较活跃，加速了各种养分的分解，呼吸作用加强，且明显高于其他处理，并与其他处理之间差异很显著。

3.4不同施肥处理对微生物生物量碳氮的影响

土壤微生物量碳的增减反映了微生物利用土壤碳源进行自身细胞合成，并大量繁殖以及微生物细胞解体使有机碳矿化的过程[19]。土壤微生物生物量碳氮大小在一定程度上可以反映微生物活性的大小，各种施肥处理对微生物碳氮的影响与对土壤酶活性的影响基本保持一致[19]。

本文研究结果表明，不同施肥处理都能提高土壤的微生物碳氮的含量，在玉米的整个生育时期，CMB与CM处理显著高于CB、C。微生物量氮在整个玉米生育期表现出苗期较低, 拔节期微生物量氮略有升高，而到了成熟期又逐渐下降的趋势。此与杨安中等人的研究结果相一致[20，21]。原因一方面与微生物的生命活动有关，另一方面可能也与玉米对养分的吸收以及气候变化等因素有关。不同施肥量从苗期开始出现分异，生物量氮含量从玉米抽雄期分异进一步加大，到成熟期又逐渐回落。

除了不施肥的处理，各处理微生物碳都在拔节期和抽雄期表现出较高水平，原因可能是由于这一时期的水热状况较好，有利于微生物的生长繁殖，另外玉米的生长比较旺盛，对养分的需求也大，这就促进了养分的分解和循环，也促进了微生物的生长繁殖。在抽雄期微生物氮含量有所下降原因可能是抽雄期遭遇大量降水，形成田间积水，从而改变土壤微生物环境，抑制了酶活性，从而降低了微生物的活动。

在土地复垦过程中，应以有机肥和菌肥以及无机肥的配合使用为主，这样可以加速土壤生物活性，改善土壤微生物的环境，加速土壤养分的增加和土壤的熟化。

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(编辑：马荣博)