煤矸石复垦对小麦根系分泌特征和土壤氮转化的影响

程林森，程　伟，卞正富，雷少刚

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州　221116)



煤矸石复垦对小麦根系分泌特征和土壤氮转化的影响

程林森，程伟①，卞正富，雷少刚

(中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州221116)

摘要：通过现场调查试验，测定复垦区小麦(Triticum aestivum)不同生长期根系生长过程中根系分泌物、氮转化速率和2种酶活性的变化，以揭示煤矸石对小麦根系分泌物和氮转化的影响机理。结果表明：(1)煤矸石抑制生长期冬小麦的根长、根生物量和根系活力。(2)煤矸石的存在减少拔节期、开花期和成熟期冬小麦根际分泌速率Ⅰ(分别比对照农田减少25.47%、23.71%和9.95%)、Ⅱ(分别比对照农田减少39.83%、25.81%和10.84%)，根际分泌速率Ⅲ在拔节期明显减少(比对照农田减少23.71%)。根际分泌速率Ⅲ(y)与作物根系活力(x)呈正相关，回归方程为y=0.012x-0.43，R2=0.874 (P<0.05, n=30)。(3)煤矸石对小麦不同生长期土壤氮转化速率和土壤酶活性抑制作用明显。土壤氮转化效率、土壤酶活性与土壤根系分泌速率Ⅱ呈显著正相关(P<0.05)，说明煤矸石可通过抑制植物根系分泌物的产生来减少土壤氮转化速率，可利用氮源的减少则进一步抑制了植物生长。

关键词：采煤沉陷区；复垦农田；根系分泌物；氮素转化

煤炭是我国最重要的能源,在一次能源生产与消费中占70%左右。在为我国经济与社会发展提供重要能源保障的同时,煤炭高强度、大范围的开采及利用也不可避免地带来一系列的生态环境问题[1]。其中,矿区土地资源的破坏是当前煤炭开采所面临的最突出问题之一。截至2012年底,因煤炭开采引起的土地沉陷面积约为156万hm2,预测数据表明采煤沉陷面积将逐年递增[2]。我国东部平原煤矿区基本农田与煤炭资源重叠分布,煤炭开采和基本农田保护之间的矛盾尤为突出,严重制约了矿区可持续发展[3]。对采煤沉陷区进行土地复垦,将损毁的土地恢复到可利用状态是解决煤炭开采与土地资源保护之间矛盾的有效途径[4-5]。自20世纪80年代以来,煤炭生产企业尝试利用煤矸石等固体废弃物对采煤沉陷区进行土地复垦,有效地增加了可利用土地面积。

土壤氮元素是植物和土壤微生物生长的必需元素,氮缺乏会限制植物生长[6]。除豆科植物外,植物可利用氮来源于土壤有机质分解和转化。在植物-土壤体系中,植物从土壤中获得有效氮组分,并通过凋落物、植物残茬和根系分泌物向土壤中输入有机质[7-8]。研究表明,土壤有机质的分解主要依赖土壤微生物和土壤酶[9]。生物和非生物因素等都能够影响植物根系分泌物产生速率和组分,并影响土壤有机质分解和有效氮的周转速率,影响植物-微生物养分平衡[10]。尽管目前对森林、草地等生态系统根系分泌物与氮转化已有一些研究,但未见煤矸石复垦农田植物根系分泌物和土壤氮素转化的关系研究[11-13]。笔者通过定位试验,对煤矸石复垦农田土壤中小麦根系分泌物产生速率、土壤氮转化速率及相关土壤酶活性进行研究,分析复垦农田小麦根系分泌物和土壤氮转化的内在联系,阐明煤矸石充填层对农田土壤性质及作物生长的影响,以期为矿区采煤塌陷区复垦和管理提供理论依据和技术指导。

1材料与方法

1.1样地概况

研究区位于江苏省徐州市,地处黄泛区冲积平原与低丘陵相间地带,年平均降水量为700～900 mm,蒸发量为800～1 100 mm,年平均气温为13.5 ℃,年平均日照时间约为2 530 h,全年无霜期约为210 d;该区域属于暖温带半湿润季风大陆性气候区,气候四季分明,年降水量的60%～70%集中在5—8月,是传统的农作物种植区。

试验样地位于江苏省徐州市国家采煤沉陷区复垦示范中心长期定位试验站(34°24′05″ N,117°08′06″ E)。该区域于20世纪80年代因煤炭开采形成沉陷区,平均沉陷深度>1.5 m,总塌陷面积约为2 000 hm2,复垦工程于1998年完成,总复垦面积为703 hm2,其中耕地面积为277 hm2。复垦工艺如下:在煤炭开采前将沉陷区表土层进行剥离并储存;待沉陷区稳沉后清理沉陷盆地内积水及杂物;将煤矸石运到沉陷区填充塌陷盆地至设计标高,填充厚度为1～2.5 m。随后将煤矸石平整并覆上预先剥离的表土,表土厚约60 cm。复垦后场地用作耕地,种植方式为小麦-水稻轮作。

1.2样地设置与样品采集

试验于2012—2013年进行,在田间自然条件下,分别在煤矸石充填复垦农田(reclaimed farmland,RF)和对照农田(非塌陷区农田,control)各设置5个样点。分别在小麦拔节期、开花期和成熟期对植物和土壤进行取样和测定。土壤含水率、温度和电导率采用土壤多参数仪(WET-2)进行测定,土壤净氮矿化和净硝化速率采用埋袋法[14]测定。每样点取小麦5株统计株高和根长,将样品保存在塑料袋中带回实验室,用蒸馏水洗净植株根际土壤后于85 ℃条件下烘干24 h后分析生物量。

同期收集小麦根系分泌物,采用原位真空抽滤法[15]进行收集,即将直径小于2 mm、长度为15～20 cm的细根系洗净后放入装有缓冲液的小容器中(缓冲液为0.5 mmol·L-1NH4NO3,0.1 mmol·L-1KH2PO4,0.2 mmol·L-1K2SO4,0.2 mmol·L-1MgSO4,0.3 mmol·L-1CaCl2),封闭并外接取液管,利用真空泵进行取样。小麦根际分泌物取样结束后,采用四分法将0～20 cm土层土壤混合取样,土壤样品采集后立即放入冰盒中带回实验室分析[16]。

1.3样品分析

取回的土壤样品除去植物根系及砾石后分为2个部分:一部分风干后测定基础理化性质;另一部分置于-20 ℃冰箱中保存,用以测定土壤硝态氮和铵态氮含量及土壤酶活性。

小麦根系分泌物中碳含量测定采用总有机碳分析仪(TOC)[17],根际分泌速率Ⅰ为单位时间内分泌量与总生物量的比值,根际分泌速率Ⅱ为单位时间内分泌量与根生物量的比值,根际分泌速率Ⅲ为单位时间内分泌量与根长的比值。冬小麦根系活力分析采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[18]测定。土壤有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法[19]106-109。土壤总氮含量测定采用碱性过硫酸盐氧化法[19]127-128。土壤微生物量碳和氮含量测定采用氯仿熏蒸法,提取物含量测定采用TOC仪。土壤硝态氮和铵态氮含量测定采用离子色谱仪(ICP),根据埋袋前后土壤硝态氮和铵态氮含量差值计算土壤氮素矿化速率和硝化速率[14]。土壤脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法。土壤多酚氧化酶活性测定采用邻苯三酚氧化法[20-21]。

1.4数据处理

采用SPSS 19.0软件对植物和土壤数据进行统计分析。采用GraphPad prism 5软件进行绘图。

2结果与分析

2.1土壤理化性质

煤矸石复垦农田和对照农田0～20 cm土层土壤理化性质见表1。由表1可知,煤矸石复垦农田土壤体积含水率、总氮和速效磷含量分别比对照农田降低28.53%、49.13%和60.76%,两者间差异显著(P<0.05)。显著性分析表明,煤矸石复垦农田土壤总有机碳(TOC)含量、pH值和速效钾含量与对照农田间无显著差异(P>0.05)。

由表1还可知,除Cd含量较高外,煤矸石复垦农田土壤中As、Cu、Pb、Cr和Zn含量均低于GB 15618—1995《土壤环境质量标准》二级标准值。煤矸石复垦农田土壤6种重金属含量与对照土壤相比无显著差异(P>0.05),表明煤矸石充填层的存在对土壤重金属含量无明显影响。

表1煤矸石复垦农田和对照农田的土壤理化特征

Table 1Soil properties of control and reclaimed farmland

采样区域pH值体积含水率/(mL·L-1)w(有机碳)/(g·kg-1)w(总氮)/(g·kg-1)w(速效磷)/(mg·kg-1)w(速效钾)/(mg·kg-1)对照农田8.26±0.05215.9±13.08.88±1.282.87±0.8237.54±5.09173.48±11.74煤矸石复垦农田8.04±0.10154.3±32.7*10.56±1.501.46±0.64*14.73±2.24*129.44±14.45采样区域w(As)/(mg·kg-1)w(Cu)/(mg·kg-1)w(Pb)/(mg·kg-1)w(Cd)/(mg·kg-1)w(Cr)/(mg·kg-1)w(Zn)/(mg·kg-1)对照农田15.52±1.6382.52±12.7551.87±7.914.69±1.29102.74±17.47138.59±25.17煤矸石复垦农田15.08±1.2980.34±8.9359.09±5.033.99±1.12105.10±9.68192.45±6.23

*表示与对照农田相比,煤矸石复垦农田某指标差异显著(P<0.05)。

2.2煤矸石复垦对小麦根系生长特征的影响

煤矸石充填层影响了复垦农田冬小麦根长、根生物量和根冠比等参数(图1)。图1显示,在拔节期、开花期和成熟期煤矸石复垦农田冬小麦根长比对照农田分别低16.18%、23.72%和27.46%,2种农田间差异显著(P<0.05)。在拔节期对照农田和煤矸石复垦农田冬小麦根生物量无显著差异(P>0.05);在开花期和成熟期煤矸石复垦农田冬小麦根生物量分别降低11.17%和17.68%,2种农田间差异显著(P<0.05)。在拔节期煤矸石复垦农田冬小麦地下和地上生物量比值(根冠比)显著高于对照农田(P<0.05),在开花期和成熟期2种农田冬小麦根冠比间无显著差异(P>0.05)。健康、有活力的根系有利于作物生长,拔节期、开花期和成熟期煤矸石复垦农田冬小麦根系活力显著低于对照农田(P<0.05),分别比对照农田低24.22%、19.63%和26.97%。

*表示与对照农田相比,煤矸石复垦农田某指标差异显著(P<0.05)。根系质量以鲜质量计。

2.3煤矸石复垦对小麦根际分泌物产生速率的影响

植物能通过根系向土壤中输入简单的小分子碳源,促进土壤微生物生长,影响土壤氮元素的周转速率,根际分泌物能影响土壤微生物数量和土壤养分可利用性[22]。图2揭示了2种农田中冬小麦根际分泌物产生速率及其与根系活力的相关性。由图2可知,在拔节期、开花期和成熟期冬小麦根际分泌速率Ⅰ在2种农田间差异显著(P<0.05),煤矸石复垦农田冬小麦根际分泌速率Ⅰ分别比对照农田低25.47%、23.71%和9.95%;煤矸石复垦农田冬小麦根际分泌速率Ⅱ分别比对照农田低39.83%、25.81%和10.84%;煤矸石充填复垦农田冬小麦根际分泌速率Ⅲ在拔节期比对照农田低23.71%,差异显著(P<0.05),而开花期和成熟期2种农田冬小麦根际分泌速率Ⅲ无显著差异(P>0.05)。对冬小麦根际分泌速率Ⅲ(y)和根系活力(x)进行回归分析(图3)表明,2种农田中冬小麦根际分泌速率Ⅲ随根系活力的增加而增加,两者间存在显著正相关(P<0.05,n=30)。

*表示与对照农田相比,煤矸石复垦农田某指标差异显著(P<0.05)。分泌量以碳计。

分泌量以碳计,根系质量以鲜质量计。

2.4煤矸石复垦对土壤氮转化的影响

由图4可知,在拔节期2种农田土壤氮矿化速率无显著差异(P>0.05)。在开花期和成熟期煤矸石复垦农田土壤氮矿化速率(0.33和0.16 mg·kg-1·d-1)低于对照农田,两者间差异显著(P<0.05)。在拔节期和成熟期2种农田土壤氮硝化速率无显著差异(P>0.05);在开花期煤矸石复垦农田土壤氮硝化速率(0.29 mg·kg-1·d-1)比对照农田低17.14%,差异显著(P<0.05)。由图5可知,2种农田中土壤氮矿化速率(y)与根际分泌速率Ⅱ(x)呈显著正相关,拟合方程为y=0.073x+0.10(R2=0.676，P<0.05,n=30)。2种农田中土壤氮硝化速率(y)和根系分泌速率Ⅱ(x)呈显著正相关,拟合方程为y=0.067x+0.064(R2=0.687,P<0.05,n=30)。

*表示与对照农田相比,煤矸石复垦农田某指标差异显著(P<0.05)。1)以氮计。

分泌量以碳计。1)以氮计。

2.5煤矸石复垦对土壤酶活性的影响

土壤脲酶和多酚氧化酶主要功能是分解有机质,释放其中的氮元素,因此酶活力大小能反映土壤有机质分解能力和有效氮元素含量情况。由图6可知,冬小麦拔节期土壤多酚氧化酶活性在2种农田间无显著差异(P>0.05)。在开花期和成熟期煤矸石复垦农田土壤多酚氧化酶活性分别比对照农田低22.47%和38.64%。在拔节期、开花期和成熟期煤矸石复垦农田土壤脲酶活性分别比对照农田低23.39%、21.17%和23.18%,2种农田间差异均达显著水平(P<0.05)。多酚氧化酶活性和冬小麦根系分泌速率Ⅱ之间的线性回归方程(图7)表明,2种农田中多酚氧化酶活性受冬小麦分泌速率Ⅱ的影响,两者间呈显著正相关(P<0.05,n=30)。冬小麦根际分泌速率Ⅱ增加有利于脲酶活性的提高。

*表示与对照农田相比,煤矸石复垦农田某指标差异显著(P<0.05)。土壤质量以干质量计。1)以NH4+-N计。

土壤质量以干质量计。1)以NH4+-N计。

3讨论

植物根际分泌物诱导根际激发效应(priming effect)而影响土壤有机质分解,通过改变土壤有效氮的供应影响植物生长[22]。温度、水分、物种、根系构型、菌根有无、盐分、生物炭的添加等生物或非生物因素都能影响根际分泌物的数量和组分[11-12,23-24]。研究表明,根际分泌速率和植物生长有关,由于植物和土壤微生物对根际可利用氮的竞争,植物根际通常成为可利用氮受到限制的区域[12,17,25]。在不利环境下植物和土壤微生物竞争利用土壤中可利用氮源。当土壤可利用氮源量不足以维持植物生长所需时,植物生长则会受到抑制[26-28]。

矿区土壤在复垦完成后往往面临着植物生长缓慢、死亡率高的情况,其原因并不完全清楚[20,29-34]。笔者所在课题组研究发现,煤矸石充填复垦农田长期试验结果表明复垦后农田作物产量减少,微生物数量和土壤酶活性较低[35]。笔者研究进一步发现,煤矸石复垦农田土壤根系很难延伸到土壤-矸石充填界面,且充填界面附近小麦根系生长较差。根据研究结果推测就煤矸石充填复垦农田土壤而言可能存在以下机制:在正常情况下,土壤微生物利用根际分泌物获取营养成分,促进微生物生长和分泌胞外酶,分解土壤有机质获得可利用氮素,以维持植物正常生长所需。而在煤矸石胁迫情况下,煤矸石及其淋溶产物抑制植物根系分泌物的产生,土壤微生物可利用碳源减少,土壤微生物数量和胞外酶分泌量随之减少,土壤有机质分解受到抑制,土壤中可利用氮源减少。在土壤可利用氮源含量降低的情况下,植物和土壤微生物竞争可利用氮源,可利用氮源的不足导致植物生长受到抑制,进一步抑制复垦农田植物生长和根系分泌物产生速率。

4结论

通过对煤矸石复垦农田植物根系生长状况、根系分泌物产生速率、土壤氮素转化和土壤酶活性变化的研究得出以下结论:

(1)复垦农田土壤中煤矸石抑制拔节期、开花期和成熟期冬小麦的根长、根生物量、根冠比和根系活力等。

(2)与对照农田相比,复垦农田土壤中煤矸石抑制拔节期、开花期和成熟期冬小麦根际分泌物产生速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。相关性分析表明根际分泌速率Ⅲ与作物根系活力呈显著正相关(P<0.05)。同时煤矸石充填层对土壤氮转化速率和酶活性抑制作用明显,土壤氮转化速率、酶活性与根系分泌速率Ⅱ呈显著正相关(P<0.05)。

(3)尽管对煤矸石复垦农田小麦生长状况进行分析,但对矿区充填场地土壤与植物生物指标之间的耦合机制还有待进一步研究。

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(责任编辑： 李祥敏)

Wheat Root Exudation and Soil Nitrogen Transformations in Farmland Reclaimed From Coal Gangue.

CHENG Lin-sen, CHENG Wei, BIAN Zheng-fu, LEI Shao-gang

(College of Environment and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:To investigate fundamental mechanisms of coal gangue affecting winter wheat (Triticum aestivum) root exudation and nitrogen transformations, a field experiment was conducted on a tract of farmland reclaimed from coal gangue. Exudates from wheat roots, soil N transformation rate, and activities of two extracellular enzymes at various growth stages of the crop in the farmland were analyzed and determined. Results show that: (1) The existence of coal gangue significantly decreased root length, root biomass and root activity of the crop wheat throughout its growth season; (2) The existence of coal gangue decreased root exudation rate Ⅰ by 25.47%, 23.71% and 9.95%, respectively, and root exudation rate Ⅱ by 39.83%, 25.81% and 10.84%, respectively at the jointing stage, flowering stage and maturing stage, and root exudation rate Ⅲ decreased significantly by 23.71% at the jointing stage as compared with that of the crop in a control field. Root exudation rate Ⅲ(y) was found to be positively related to root activity(x) and the correlation could be fitted with the regression equation of y=0.012x-0.43，R2=0.874(P<0.05, n=30); (3) Coal gangue inhibited significantly N transformations and soil enzyme activities at all the growth stages, and the two were positively related to root exudation rate Ⅲ (P<0.05), which suggests that coal gangue decreases N transformation rate by inhibiting crop root exudation, thus reducing the supply of available N and then restraining growth of the crop.

Key words:mining subsidence area;reclaimed farmland;root exudate;nitrogen transformation

收稿日期：2015-11-10

基金项目：国家科技基础性工作专项(2014FY110800);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0956)

中图分类号：S154；X171.4

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)03-0397-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.010

作者简介：程林森(1990—),男,安徽桐城人,硕士生,研究方向为矿山生态修复。 E-mail: chenglinsen@126.com

① 通信作者E-mail: chengweicn@163.com