淮南大通礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物量碳氮的分布特征

張杰瓊，方鳳滿，2，余 健，江培龍，鄧正偉，林躍勝

（1.安徽師范大學(xué) 國(guó)土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241003；2.安徽自然災(zāi)害過程與防控研究省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖241003）

土壤是人類賴以生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著煤炭資源的開采，特別是井工開采造成大面積的地面塌陷，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)土壤資源，使可耕地面積減少，影響了礦區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致民事糾紛增多，誘發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)問題［1－2］。因此，采煤塌陷地土壤的生態(tài)恢復(fù)成為礦區(qū)復(fù)墾的研究熱點(diǎn)之一。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在有機(jī)質(zhì)分解，養(yǎng)分循環(huán)和植物養(yǎng)分利用過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時(shí)對(duì)外部環(huán)境變化敏感，因此，土壤微生物量可以作為綜合評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和肥力狀況的指標(biāo)之一［3］。與自然土壤相比，復(fù)墾區(qū)土壤表土擾動(dòng)劇烈，土壤理化性質(zhì)和性狀受到較大破壞，使得土壤微生物的生存環(huán)境發(fā)生變化，因而礦區(qū)土壤的微生物種群數(shù)量的多少可以作為礦區(qū)復(fù)墾土壤性質(zhì)演變的指標(biāo)之一?，F(xiàn)有采煤塌陷地復(fù)墾土壤研究多集中在復(fù)墾后土壤可耕性及污染狀況時(shí)空變化及評(píng)價(jià)等方面［4－5］，而有關(guān)煤礦復(fù)墾區(qū)內(nèi)部土壤微生物量碳氮的空間分布特征研究較少。本文以淮南市大通區(qū)九龍崗煤礦復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，通過比較不同農(nóng)業(yè)用地方式下土壤微生物量碳、氮的分布特征并分析其影響因素，探討煤礦復(fù)墾區(qū)土壤微生物量和農(nóng)業(yè)用地方式之間的相關(guān)性，以期為煤礦復(fù)墾區(qū)土壤肥力的維持和培育提供一定的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省淮南市大通老礦區(qū)，隨著煤炭資源的枯竭，礦井報(bào)廢，形成了大面積耕地沉陷，為典型的穩(wěn)定塌陷區(qū)，于2004年完成復(fù)墾，其生態(tài)修復(fù)工程已成為礦區(qū)塌陷地復(fù)墾的成功典范。該區(qū)復(fù)墾方式是利用礦區(qū)廢物煤矸石、污泥等充填后，表層覆正常農(nóng)田土壤造田種植，覆土厚度為40cm（油菜地、蔬菜大棚覆土多為表層土，小麥地、林地覆土表層土相對(duì)較少）。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨熱同期，日照充足，積溫較高降水集中于春夏季節(jié)，年日照時(shí)數(shù)為2 279～2 323h，年平均氣溫15℃左右，年平均降水量900mm。土壤類型主要為黃棕壤。

1.2 樣品采集與處理

2012年4月底，通過實(shí)地考察和資料收集，采用網(wǎng)格布點(diǎn)法，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，根據(jù)農(nóng)業(yè)用地方式的不同（油菜地、林地（灌木桃林）、蔬菜大棚、小麥地）分別設(shè)置3～8個(gè)采樣點(diǎn)，采樣前去除地表植被及雜物，每個(gè)樣點(diǎn)分別采集3個(gè)土樣均勻混合成一個(gè)樣品，現(xiàn)場(chǎng)取一部分裝鋁盒，用烘干法測(cè)定土壤水分。采樣深度為0—10cm。并采集塌陷地未復(fù)墾土壤作為對(duì)照樣，共采集土樣18個(gè)，所得土樣儲(chǔ)存于4℃以下的便攜式冷藏箱中。同時(shí)記錄采樣點(diǎn)周邊環(huán)境特征并調(diào)查肥料施用狀況。

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，除去土壤動(dòng)植物殘?bào)w和碎石，碾碎過2mm篩，混合均勻，分為兩份。一份鮮樣測(cè)定土壤微生物量碳氮；另一份土樣經(jīng)風(fēng)干磨細(xì)，過60目篩，測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.3 分析方法

微生物量碳、氮的測(cè)定采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法，分別用重鉻酸鉀氧化法和開氏定氮法測(cè)定浸提液中的碳、氮［6］。土壤理化性質(zhì)采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)分析方法［7］。

本文采用SPSS和Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，處理間的差異顯著性采用單因素方差分析檢驗(yàn)，變量間的相關(guān)關(guān)系采用Pearson相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)

由表1可知，復(fù)墾區(qū)土壤理化性狀差異顯著，pH值約為7.41±0.32，呈中性。土壤有機(jī)碳的變化由高到低依次為：油菜地＞蔬菜大棚＞小麥地＞林地，且達(dá)到顯著性水平（小麥地與林地除外）（p＜0.05）。同為旱作糧田，油菜地土壤有機(jī)碳含量顯著高于小麥地、林地和蔬菜大棚。主要是由于油菜地上覆表土為當(dāng)?shù)鼗巨r(nóng)田表層土，而其他農(nóng)業(yè)利用方式土壤上覆表土土壤主要來自深層土壤，故油菜地土壤有機(jī)碳含量顯著高于其他農(nóng)業(yè)用地方式。蔬菜大棚有機(jī)碳含量顯著高于林地和小麥地，可能是由于大棚內(nèi)施用有機(jī)肥和化肥的頻率較高，強(qiáng)度較大所致。土壤全氮和全磷的變化趨勢(shì)與有機(jī)碳分布具有很好的相關(guān)關(guān)系。受施肥頻率及施肥種類的的影響，土壤中全氮、全磷的變化趨勢(shì)與堿解氮和有效磷的變化并不一致，土壤堿解氮和有效磷的高低變化順序則表現(xiàn)為蔬菜大棚、油菜地、小麥地、林地。林地堿解氮含量顯著低于其他農(nóng)業(yè)用地方式（p＜0.05）。蔬菜大棚有效磷含量顯著高于其他農(nóng)業(yè)用地方式?？梢姡┯糜袡C(jī)肥和進(jìn)行秸稈還田可提高復(fù)墾區(qū)土壤有機(jī)碳含量，大量施用化肥會(huì)造成土壤氮、磷含量較高，pH值下降。

總體上，耕地（蔬菜大棚、小麥地、油菜地）的有機(jī)碳、氮、磷含量均高于林地；pH值則是林地高于耕地。對(duì)照全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［8］，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤養(yǎng)分普遍缺乏，屬于低肥力土壤生態(tài)系統(tǒng)，需通過各種方式改善土壤肥力。

2.2 土壤微生物量碳和微生物量氮

土壤微生物量的高低反映了土壤礦化和同化能力的大小，是土壤生態(tài)系統(tǒng)肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)［9］。不同農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤微生物生物量具有明顯的影響［10］。由圖1可知，復(fù)墾區(qū)土壤微生物量碳含量變幅在116.89～432.58mg／kg，平均值為254.45±81.54mg／kg；與對(duì)照樣相比，土壤微生物量碳含量有明顯提高。

表1 淮南煤礦復(fù)墾區(qū)土壤理化性質(zhì)分布特征

圖1 復(fù)墾區(qū)土壤微生物量碳分布特征

土壤微生物量碳由高到低依次為蔬菜大棚（421.19±16.09mg／kg）＞油菜地（254.69±32.53mg／kg）＞小麥地（232.58±2.89mg／kg）＞林地（224.60±63.88mg／kg），蔬菜大棚土壤微生物量碳顯著高于其他農(nóng)業(yè)用地方式（p＜0.05）。這與劉文娜等［11］的研究結(jié)果（糧田＞菜地＞林地）并不一致。一方面可能是由于該區(qū)蔬菜大棚施用有機(jī)肥和化肥的頻率和強(qiáng)度明顯高于林地和糧田（小麥地、油菜地），使得土壤外來有機(jī)碳源增加，土壤理化性狀得到改善，植物根系生物量及根系分泌物增加，進(jìn)而提高了土壤微生物量碳含量。另一方面是由于大棚覆蓋使得土壤能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度和濕度，同時(shí)減少了太陽(yáng)光照射對(duì)土壤微生物的損害，從而提高土壤微生物的活性。與劉文娜等［11］的研究結(jié)果相比，研究區(qū)林地土壤微生物量碳和糧田（小麥地、油菜地）差異性并不顯著，可能是由于采樣期間正值農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)，作物生長(zhǎng)迅速與土壤微生物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分，最終導(dǎo)致糧田土壤微生物量較低。另一方面是由于復(fù)墾年限尚短，不同農(nóng)業(yè)用地方式和農(nóng)業(yè)管理對(duì)土壤微生物量碳的影響尚未充分顯現(xiàn)。

由圖2可知，土壤微生物量氮含量變幅在10.81～26.56mg／kg，平均值為19.0±4.87mg／kg。在不同農(nóng)業(yè)用地方式下依次為：蔬菜大棚（25.7±1.253mg／kg）＞小麥地（21.92±0.095mg／kg）＞油菜地（21.63±0.908mg／kg）＞林地（15.65±4.177mg／kg）。

差異性分析表明，林地土壤微生物量氮顯著低于其他農(nóng)業(yè)用地方式（p＜0.05）。但趙先麗等［12］研究表明林地土壤微生物量氮含量顯著高于耕地，這可能是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)林地是典型的速生灌木林地，與一般天然林地相比，生長(zhǎng)年限較短，且常年不施肥，土壤有效氮匱乏，微生物對(duì)土壤氮素的固定量降低。而小麥地、油菜地和蔬菜大棚由于長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和化肥有效地補(bǔ)充了土壤有效氮源，故微生物量氮含量要顯著高于速生林地。

圖2 復(fù)墾區(qū)土壤微生物量氮分布特征

2.3 土壤微生物熵

土壤微生物碳／土壤有機(jī)碳稱為微生物熵，對(duì)有機(jī)質(zhì)含量不同的土壤進(jìn)行比較時(shí)，比土壤微生物碳更具優(yōu)勢(shì)［13］。由圖3可知，復(fù)墾區(qū)土壤微生物熵在0.65%～2.81%，平均值為1.71±0.68%。與未復(fù)墾對(duì)照樣（0.56%）相比，不同農(nóng)業(yè)用地方式下土壤微生物熵均有較大提高，說明復(fù)墾后土壤環(huán)境更有利于土壤微生物的生長(zhǎng)。

由圖3可知，4種農(nóng)業(yè)用地方式下，林地土壤微生物熵最高為2.01±0.65%，油菜地最低為0.71±10.1%，小麥地（1.71±0.23%）與蔬菜大棚（1.85±0.35%）相差不大。說明林地在有機(jī)質(zhì)積累過程中更有利于土壤微生物量的提高，這可能是由于林地表層土壤受人類擾動(dòng)少，土壤結(jié)構(gòu)適宜，更有利于土壤微生物的生長(zhǎng)。同為旱作糧田，油菜地土壤微生物熵顯著低于小麥地，可能是由于復(fù)墾土壤由于人為擾動(dòng)較大，使得土壤微生物生存環(huán)境發(fā)生變化，從而影響了油菜地土壤微生物商的大小。

圖3 復(fù)墾區(qū)土壤微生物商分布特征

2.4 土壤微生物量碳氮與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

土壤微生物量碳與有效磷之間呈極顯著正相關(guān)（R＝0.755，p＜0.05）；土壤微生物量氮與土壤有機(jī)碳、堿解氮、全磷、有效磷呈顯著正相關(guān)（R＝0.485，0.485，0.621，0.644，p＜0.05）。土壤微生物量碳、氮之間極顯著正相關(guān)（R＝0.623，p＜0.05，表2）。與前人研究結(jié)果相比［11，14］，土壤微生物量碳和有機(jī)碳、全氮的相關(guān)性并未達(dá)到顯著性水平，而土壤微生物量碳與有效磷呈顯著相關(guān)。這可能是由于磷肥的施入可以刺激植物根系發(fā)育，地下生物量增加促進(jìn)了根系分泌物的釋放，增加根系殘茬的還田量。另一方面可能是磷素的加入使得土壤pH值改變或鹽濃度改變，創(chuàng)造了有利于土壤微生物生存的環(huán)境。

表2 土壤微生物量碳氮與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

3 結(jié)論

淮南煤礦復(fù)墾區(qū)土壤理化性質(zhì)與土壤微生物量碳、氮差異顯著。油菜地和蔬菜大棚的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量顯著大于小麥地和林地，受施肥措施的影響，林地土壤pH值較大，堿解氮和有效磷顯著小于其他農(nóng)業(yè)用地方式。土壤微生物量碳、氮及微生物熵與對(duì)未復(fù)墾對(duì)照樣相比均有較大提高，復(fù)墾區(qū)土壤微生物量碳、氮，均表現(xiàn)為蔬菜大棚最高，油菜地和小麥地相差不大，林地最低。微生物熵分析表明，林地具有較高的微生物維持能力；土壤微生物量碳、氮之間顯著相關(guān)，表明土壤微生物量碳、氮可以作為表征土壤肥力的敏感因子。

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