复垦模式对矿区土壤团聚体组成及其有机碳、氮分布的影响

陈 曦，刘焕焕，江 山，王改玲

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

土壤团聚体的粒径分布不仅反映土壤结构状况，而且影响着土壤的通气、抗蚀、渗水性等[1]。团聚体不同粒径中养分含量对于土壤养分循环、团聚体的形成与土壤肥力的保持具有重要的意义[2]。稳定的土壤团聚体有利于根系发育和作物生长，减小有机碳库矿化的分解速率，对土壤有机碳保护有着重要的影响[3-4]。

矿山开采过程中产生大量粉尘、烟尘和有毒物质沉积于土壤表面甚至渗入土壤[5]，大部分矿区土壤资源受到严重破坏，主要表现为土壤结构破坏及土壤养分流失，土壤团聚体组成受到严重影响。大量研究表明，矿区被污染的土壤可通过植物复垦方式来恢复土壤结构，提高土壤有机碳、氮等养分含量[6]。因此，研究长期植物复垦模式下土壤团聚体组成及有机碳、氮含量分布变化有助于人们理解植物复垦模式对土壤有机碳、氮固存机制的影响。冯欢等[6]研究发现，不同复垦模式下＞0.25 mm 粒径团聚体含量显著增加，且显著高于其他粒径，土壤团聚体结构明显得到改善。刘金善[7]研究认为，不同复垦模式下机械稳定性团聚体均以＞0.25 mm 大团聚体为主，水稳性团聚体含量中大团聚体含量有所下降，而文冠果植被水稳性大团聚体含量极显著高于对照；复垦对水稳性团聚体的形成具有显著的促进作用，还增加了表层土壤有机碳和氮含量，但复垦模式下土壤C/N 降低。杨慧荣[8]研究发现，土壤有机质主要分布在0.5～2.0 mm 团聚体中，在＜0.25 mm粒径团聚体中含量最少，与此同时，土壤有机质也促进了土壤粒径＞0.25 mm 大团聚体的形成。总体看来，每位学者研究结果不尽一致，可能与土壤性质、复垦植物种类、气候等因素有关。国内当前研究多侧重于土壤肥沃地区及不同耕作与施肥方式下的团聚体特征，而对于植物复垦模式下受污染土壤的团聚体组成变化及团聚体有机碳、氮分布变化研究较少。

本试验以安太堡露天煤矿不同植物复垦模式下土壤为研究对象，对复垦土壤团聚体组成及有机碳、氮含量和分布进行分析，以期为矿区土壤选择合适的复垦植被提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

研究区为平朔矿区安太堡露天煤矿，其地处黄土高原东部，位于朔州市区与平鲁区的交界处（112°10′58″E，39°23′N），与黄土高原的晋陕蒙“黑三角”相连，是我国大型的露天煤矿之一。安太堡露天矿区属温带半干旱大陆性季风气候，春冬季降水稀少，地表较干燥，年平均降水量为428.2～449.0 mm，年蒸发量为1 786.5～2 585.0 mm；≥10 ℃的年积温为2 300～2 500 ℃，无霜期为117 d。由于人类长期采煤等经济活动及当地干旱条件的影响，生态环境十分脆弱。

1.2 样地选择与土样采集

经过查阅资料、野外走访和调查询问，于2017 年9 月在山西省平朔矿区安太堡煤矿选择生物复垦年限均为3 a 的荞麦地和苜蓿地作为研究样地，并以3 a 自然恢复样地为对照，研究不同复垦模式对矿区土壤团聚体组成及其有机碳、氮含量的影响。其中，荞麦喜凉爽、耐贫瘠，是当地主要的乡土作物，也是安太堡露天矿复垦土壤中种植面积较大的作物之一；苜蓿耐干旱贫瘠，能生物固氮，也是矿区复垦土壤中广泛种植的植物。样地均为露天煤矿内排平台。每块样地分为3 个采样小区，每个小区内按S 型5 点采样法采集表层0～20 cm 的原状土样放入已标记好的硬质塑料盒中，将土样带回实验室后置于室温下风干，备用。

1.3 测定指标及方法

机械稳定性团聚体含量测定采用干筛法[9]。风干过程中，将土样沿其自然断裂面轻轻剥成大小为1 cm 左右的小土块，并去除植物根系及小石块。将风干土样置于一套孔径为2、1、0.25 mm 的套筛，手动振荡5 min，筛完后将土样分成＞2、＞1～2、＞0.25～1.00、≤0.25 mm 等4 个粒径，分别称各粒径土样质量，测定各粒径团聚体中有机碳、氮含量，并计算各粒径机械稳定性团聚体百分含量及团聚体中有机碳、氮储量。

水稳性团聚体含量测定采用湿筛法[9]。按照干筛后的粒径分布比例，配取50 g 干土土样。将套筛（由上至下为2、1、0.25 mm）放入TPF-100 土壤团粒结构分析仪的沉降桶中，给桶内加水至套筛内最大粒径筛子的中心位置。将已称好的50 g 土样放入套筛内，水中静置3 min，随后启动马达，使套筛在水中上下振荡30 min，振荡完成后将套筛轻轻拿出，待水稍干后，将留在各级筛子上的团聚体用蒸馏水洗入已经编好号的蒸发皿中，将土样按照套筛粒径分为＞2、＞1～2、＞0.25～1.00、≤0.25 mm 等4 个粒径，随后烘干称质量，并计算各粒径水稳性团聚体百分含量。

团聚体氮含量采用半微量开氏法[10]测定；团聚体有机碳含量采用重铬酸钾容量法[11]测定。

1.4 数据处理

试验采用Excel 2010 进行数据整理及制图；采用SPSS 22.0 软件对数据进行差异显著性及相关性分析。

式中，Wd 为干筛＞0.25 mm 团聚体所占比例；Ww 为湿筛＞0.25 mm 团聚体所占比例；Qi 为第i级团聚体C（N）储量百分比（%）；Ci 为第i 级团聚体C（N）含量（g/kg）；Wi 为第i 级团聚体质量百分数（%）；n 为粒径分组的组数；i 为筛子的粒级数。

2 结果与分析

2.1 不同复垦模式对土壤团聚体组成及稳定性的影响

2.1.1 不同复垦模式对土壤机械稳定性团聚体组成的影响 从图1 可以看出，随着粒径的减小，自然恢复地与荞麦复垦模式下的土壤机械稳定性团聚体含量均呈现出先增加后减少的趋势，而苜蓿复垦则表现出先降低后增加的趋势。各复垦模式下，＞0.25 mm 粒径的团聚体含量占总团聚体含量的比例均在70%以上，且荞麦复垦达到最大值80.16%。粒径≤0.25 mm 机械稳定性团聚体含量较少且分布较稳定，3 种复垦模式间无显著性差异。各复垦模式的不同粒径中，＞2 mm 土壤团聚体表现为苜蓿复垦显著高于自然恢复地与荞麦复垦，荞麦复垦和自然恢复地间差异不显著，＞1～2 mm 粒径中各复垦模式间差异不显著，＞0.25～1.00 mm 粒径中自然恢复地与荞麦复垦均显著高于苜蓿复垦；≤0.25 mm粒径机械稳定性团聚体含量由大到小表现为自然恢复地＞苜蓿复垦＞荞麦复垦，三者间差异不显著。

2.1.2 不同复垦模式对土壤水稳性团聚体组成的影响 由图2 可知，随团聚体粒径的减小，各复垦模式0～20 cm 土壤各粒级水稳性团聚体含量均呈现先减少后增加的趋势，且主要集中在≤0.25 mm 微团聚体内，平均含量达60%以上。土壤经过湿筛后，不稳定的大团聚体遇水发生崩解，形成≤0.25 mm 微团聚体；与干筛法测得的机械稳定性团聚体含量相比，粒径＞2、＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒径团聚体含量下降明显，而≤0.25 mm 微团聚体含量均显著增加。3 种复垦模式中，苜蓿复垦下＞0.25 mm 大团聚体含量高于荞麦复垦和自然恢复地，其中，＞2 mm团聚体含量显著高于荞麦复垦与对照，含量达到23.77%，比自然恢复地和荞麦复垦分别高出14.12%和13.37%；苜蓿复垦下≤0.25 mm 粒径微团聚体含量显著低于自然恢复地（对照）与荞麦复垦，荞麦复垦与对照间差异不显著。与对照相比，苜蓿复垦显著提高了＞0.25 mm 水稳性大团聚体含量。

2.1.3 不同复垦模式对土壤团聚体稳定性参数的影响 团聚体的稳定性是指团聚体抵抗外力作用或外部环境变化而依然保持原有形态的能力。团聚体稳定率、结构体破碎率、不稳定团粒指数是评价土壤稳定性的3 个重要指标，这些指数的高低分布可直观的体现出土壤的稳定性。团聚体稳定率越高，结构体破碎率和不稳定团粒指数越低，说明土壤团聚体越稳定，有利于土壤结构的稳定与作物生长。

由图3 可知，不同复垦模式0～20 cm 表层土壤中，苜蓿复垦下的团聚体稳定率显著高于自然恢复地和荞麦复垦，达到最大值72.35%，自然恢复地与荞麦复垦模式之间差异不显著。土壤结构破碎率与不稳定土壤团粒指数值由大到小均表现为自然恢复地＞荞麦复垦＞苜蓿复垦，苜蓿复垦的土壤团聚体结构破碎率与不稳定团粒指数均显著低于自然恢复地和荞麦复垦，荞麦复垦和对照间差异不显著。与自然恢复地相比，苜蓿复垦显著提高了矿区表层0～20 cm 土壤团聚体稳定性，荞麦复垦作用不显著。

2.2 不同复垦模式对土壤团聚体全氮分布的影响

2.2.1 不同复垦模式对土壤团聚体全氮含量的影响 从图4 可以看出，不同复垦模式土壤各粒径中，苜蓿复垦和荞麦复垦模式下的团聚体氮含量均高于自然恢复地，且苜蓿复垦下土壤团聚体氮含量均高于其他模式，其中，＞0.25～1.00 mm 粒径中团聚体氮含量达到最大值1.35 g/kg。各复垦模式的不同粒径团聚体中，在＞1～2 mm 粒径内，苜蓿复垦下的团聚体氮含量显著高于自然恢复地与荞麦复垦；＞0.25～1.00 mm 粒径中，团聚体氮含量由高到低表现为苜蓿复垦（1.35 g/kg）＞荞麦复垦（0.85 g/kg）＞自然恢复地（0.28 g/kg）；≤0.25 mm 粒径中，团聚体氮含量由高到低表现为苜蓿复垦（0.40 g/kg）＞荞麦复垦（0.27 g/kg）＞自然恢复地（0.09 g/kg）。由此可见，植物复垦对＞0.25 mm 粒径团聚体氮含量有显著增加作用，且苜蓿复垦效果显著优于荞麦。

2.2.2 不同复垦模式对土壤团聚体全氮储量的影响 由表1 可知，不同复垦模式下，土壤团聚体氮储量主要集中于＞0.25 mm 粒径大团聚体内，其中，＞0.25～1.00 mm 粒径团聚体氮储量的综合含量较高，占29.75%～41.93%，而最大值出现在＞2 mm 中的苜蓿复垦，达43.45%；其次为＞1～2 mm，团聚体氮含量变化范围为18.32%～32.34%。以≤0.25 mm团聚体氮储量最小，占7.94%～13.88%。各处理的不同粒径团聚体氮储量除＞0.25～1.00 mm 粒径荞麦复垦和自然恢复地，以及≤0.25 mm 粒径荞麦复垦和苜蓿复垦间差异不显著外，其他均达到显著水平（P＜0.05）。

表1 不同复垦模式下土壤团聚体氮储量占比 %

2.3 不同复垦模式对土壤团聚体有机碳分布的影响

2.3.1 不同复垦模式对土壤团聚体有机碳含量的影响 由图5 可知，随着土壤团聚体粒径逐渐减小，自然恢复地和苜蓿复垦下的团聚体有机碳含量均呈现先增加后减小的趋势，且主要集中于＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒径中，其中，苜蓿复垦在＞0.25～1.00 mm 粒径中团聚体的有机碳含量达到最大值7.66 g/kg；≤0.25 mm 微团聚体有机碳含量较少，自然恢复地达最小值0.43 g/kg。不同复垦模式中，苜蓿复垦和荞麦复垦下各粒径团聚体有机碳含量均显著高于对照，≤0.25 mm 微团聚体中有机碳含量从大到小总体表现为苜蓿复垦＞荞麦复垦＞自然恢复地。3 种模式在各粒径中的团聚体有机碳含量均达到显著水平。由此可知，合理的植物复垦能够提高土壤团聚体特别是＞0.25 mm 粒径的有机碳含量，苜蓿复垦总体效果优于荞麦复垦。

2.3.2 不同复垦模式对土壤团聚体有机碳储量的影响 从表2 可以看出，各复垦模式的不同粒径中，有机碳储量主要集中于＞0.25～1.00 mm 粒径内，占32.91%～48.36%，其次依次为＞2、＞1～2 mm，≤0.25 mm 微团聚体有机碳储量最小，占9.65%～13.71%。与自然恢复地相比，苜蓿复垦显著提高了＞2 mm 和≤0.25 mm 粒径间的有机碳储量；荞麦复垦与自然恢复地各粒径团聚体有机碳储量之间均无显著性差异。

表2 不同复垦模式下土壤团聚体有机碳储量百分比%

2.4 不同复垦模式对土壤团聚体碳氮比的影响

从图6 可以看出，各复垦模式中，＞0.25 mm 的大团聚体碳氮比均大于≤0.25 mm 微团聚体。荞麦复垦与苜蓿复垦模式中，＞0.25 mm 粒径团聚体碳氮比均大于自然恢复地，苜蓿复垦下的＞1～2 mm粒径团聚体碳氮比值达最大值7.29。而≤0.25 mm微团聚体碳氮比从大到小表现为自然恢复地＞荞麦复垦＞苜蓿复垦。

3 结论与讨论

土壤团聚体是形成良好土壤结构的基础，一定程度上反映土壤肥力水平。本研究表明，各复垦模式下0～20 cm 表层土壤的机械稳定性团聚体含量多集中于＞0.25 mm 大团聚体中，各复垦模式下＞0.25 mm 粒径的团聚体含量占总团聚体的比例均在70%以上。在＞2 mm 粒径中，苜蓿复垦的机械稳定性团聚体含量达到41.85%，是荞麦复垦和自然恢复地的2 倍；而水稳性团聚体含量主要存在于≤0.25 mm 粒径内，各复垦模式平均含量达60%以上。王小红等[12]研究表明，土壤机械稳定性团聚体含量的粒径分布呈中间低两边高的“V”型，团聚体的优势粒径主要集中在＞5 mm 和＜0.25 mm 内，土壤水稳性团聚体以＜0.25 mm 的微团聚体为主，平均含量达90%以上。说明湿筛后大团聚体经水分散后崩解为微团聚体，所以，水稳性团聚体含量主要集中于微团聚体中。而水稳性团聚体中＞0.25 mm 大团聚体的含量越多，说明土壤团聚体越稳定且不容易分散[13]，本研究表明，植物复垦能够增加＞0.25 mm粒径水稳性大团聚体含量。王清奎等[14]研究表明，植物可通过分泌胶结物质——多糖类物质，使微团聚体黏结在一起，进而被菌丝体缠绕成稳定的大团聚体。

土壤团聚体稳定性指团聚体抵抗外力或外部环境变化而依旧保持原有形态的能力，综合体现了土壤的物理性质，团聚体稳定率越大，稳定性越好；结构体破碎率（PAD）指团聚体遭到破坏的比率，PAD 越大，说明土壤结构越不稳定。本研究表明，苜蓿复垦能够显著提高土壤团聚体稳定性，这与陈正发等[15]在紫色土旱坡地的研究结果一致，与清耕地相比，种植紫花苜蓿的耕地表现了较好的团聚体稳定性。这是由于植物根系和真菌菌丝的机械绊缠从而形成并稳固了水稳性大团聚体含量，使土壤结构更加稳定[16]。

土壤氮素是土壤重要的养分元素，主要来源于植物残体分解与合成所形成的有机质，其动态变化与有机碳常具有一致性[17]。本研究表明，植物复垦显著提高了团聚体氮含量。不同复垦模式下，0～20 cm 表层土壤团聚体氮含量主要集中在＞0.25 mm粒径特别是＞0.25～1.00 mm 大团聚体内，这与梁利宝等[18]研究结果一致。土壤团聚体氮储量与团聚体氮含量分布相似，主要集中于＞0.25 mm 粒径中。

前人研究表明，表土中近90%的土壤有机碳位于团聚体内[19]，故研究土壤团聚体内有机碳含量对矿区土壤肥力恢复很重要。本研究表明，各复垦模式下的团聚体有机碳含量主要集中在＞0.25 mm 大团聚体内，尤其是＞0.25～1.00 mm 粒径中。这与李建华等[20]的研究结果一致。说明有机质是微团聚体向大团聚体逐级团聚过程中的主要胶结物质，团聚过程中，大团聚体内会裹挟处于分解状态的植物根系以及菌丝等颗粒态有机质，从而提升其有机碳含量[21]。本试验表明，荞麦复垦与苜蓿复垦下的团聚体有机碳含量显著高于自然恢复地，且苜蓿效果优于荞麦，说明植物复垦有效提高了团聚体有机碳含量。尹宁宁[22]研究表明，黑麦草根际下土壤有机碳含量高于未种植土壤。王志刚等[23]研究发现，覆草能增加复垦种植区土壤有机质含量，并且由于复垦土壤较为贫瘠，覆草和秋冬季节枯枝落叶的腐烂转化为有机质含量提供了可能。各模式下的团聚体有机碳储量均以＞0.25 mm 大团聚体为主，＞2 mm 团聚体有机碳储量表现为苜蓿复垦显著高于对照，3 种模式中，≤0.25 mm 粒径的微团聚体有机碳储量从大到小表现为苜蓿复垦＞自然恢复地＞荞麦复垦。说明苜蓿复垦能有效提高土壤团聚体对有机碳的保护作用，提高了土壤大团聚体数量及其稳定性，从而有效增加了有机碳储量。

土壤C/N 与有机质分解速度一般成反比，C/N值越高表明有机物分解程度越低，利于有机碳积累，C/N 值越低，表明土壤中有机质矿化或者分解速度较快，可供微生物利用的碳源较少，从而影响养分有效性[24]。本研究表明，植物复垦下土壤C/N 值随团聚体粒径变大而增加，较大值集中于＞1～2、＞0.25～1.00 mm 粒径中。这与梁利宝等[18]的研究结果一致。说明植物复垦下有机碳矿化分解速率低，促进了有机碳积累。植物复垦虽然提高了＞2 mm 粒径团聚体C/N 值，但也表明该粒径团聚体氮含量较少，可能会限制微生物的生长，所以，在团聚体粒径大的地区应配合施肥以调节土壤C/N 值。

总体而言，植物复垦提高了机械稳定性和水稳性＞0.25 mm 粒径大团聚体含量和团聚体有机碳、氮含量，增强了土壤团聚体团聚能力，使矿区土壤趋于稳定，且苜蓿效果显著优于荞麦。