不同作物对采煤复垦区表层土壤养分及酶活性的影响

孙乐乐，查建军，马志帅，孙庆业

(安徽大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230601)

【研究意义】两淮煤炭基地地处高潜水区域，大量的煤炭开采不仅导致了一定的生态环境问题，还形成了大面积的采煤沉陷积水区[1]。为缓解因农田丧失而导致的矿农矛盾，两淮地区采取多种方式对采煤沉陷区实施土地复垦，增加陆地面积[2-4]。相对于长期农业耕作的农田，人工复垦的采煤沉陷区的表层土壤往往具有紧实度高、养分贫瘠等问题，对种作物的生长造成不良影响[5]。【前人研究进展】为改善复垦区表层土壤板结、贫瘠的不良性质，往往采用人工种植植物(尤其是豆科植物)方式提高土壤的肥力。植物的生长不仅能够有效提高表层土壤中的有机质、氮、磷等养分含量，还能够有效降低土壤容重、改善表层土壤的结构[3-4]。研究表明，种植于复垦区土壤上的植物使表层土壤中有机质、总氮、有效磷含量增加，但不同植物在改善复垦区表层土壤理化性质方面存在一定的差异[2-3]。土壤中的各种酶通过参与碳、氮、磷、硫等元素的转化不仅促进土壤中元素循环，同时也为植物所需养分的及时满足提供保障，因此土壤酶活性往往是评价土壤质量的重要指标[6]。研究表明在复垦过程中不同植物对土壤酶活性的影响是十分显著的[3,7-8]。【本研究切入点】两淮采煤沉陷区所处区域主要以旱作为主，主要种植方式为小麦-玉米轮作，油料作物大豆、芝麻等也有一定种植规模。近年来，随着畜牧养殖业的快速发展，饲料作物的种植面积也逐渐增加。本研究以淮南潘集新近复垦的采煤复垦地为研究对象，分别种植油料作物芝麻(Sesamumindicum)和黄豆(Glycinemax)、饲料作物紫花苜蓿(Medicagosativa)和苏丹草(Sorghumsudanense)以及粮食作物玉米(Zeamays)，通过分析不同作物对复垦区表层土壤中养分和酶活性的影响。【拟解决的关键问题】旨在探索出一套既能够使复垦区土地得到有效利用，同时又能使表层土壤养分和酶活性得到有效提高的采煤沉陷复垦区作物种植模式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

淮南潘集采煤复垦区地处黄淮平原南端、南邻淮河，为暖温带季风气候，四季分明，年平均温度为15 ℃左右，年降雨量937 mm，年均相对湿度76 %，年日照时数2279.2 h，无霜期224 d，降雨主要集中于6-9月。自20世纪80年代以来，随着几个大型煤矿井先后在本区建成投产，目前该地区已形成多处采煤沉陷积水区，通过“非充填采煤沉陷地生态修复模式”和“充填采煤沉陷地生态修复模式”[9]，该区域采煤沉陷区土地已得到较好的利用。本研究所在区域即为一处采用充填采煤沉陷地生态修复模式建立的复垦区，复垦后的区域分别种植了桃、杨树等木本植物，局部区域作为农作物种植区种植小麦、玉米和黄豆等农作物。

1.2 作物种植设计

2017年5月，在淮南潘集东辰生态园区选择一块地势平坦、新近复垦的区域作为试验地。试验地共设置18个试验小区，每小区面积15 m2(长×宽=5 m×3 m)，各个小区之间保留2 m间隙。共种植5种作物：玉米(株距×行距=50 cm×50 cm、每穴定植1株)、芝麻(株距×行距=20 cm×20 cm、每穴定植1株)、黄豆(株距×行距=20 cm×20 cm、每穴定植1株)、紫花苜蓿(株距×行距=50 cm×50 cm、每穴定植3株)、苏丹草(株距×行距=30 cm×30 cm、每穴定植1株)，作物采用穴播方式，每种作物3个重复小区(试验小区随机排列)。同时设置3个不种植作物对照小区。

1.3 土壤采集与预处理

生长季结束时(2017年11月)，每个试验小区采用对角线布点法采集3个土壤亚样品混合成一个土样(采集深度：0～20 cm)，采集的土壤样品现场装入密封袋内，放置于放有冰袋的保温盒内。野外采集的土壤样品除部分新鲜样用于氨氮、硝氮的测定外，其余样品于室内风干、研磨过1和0.125 mm筛备用。

1.4 土壤化学性质与酶活性的测定

土壤 pH 值用酸度计测定(水∶土 = 5 mL∶1 g)，有机质采用重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮用凯氏定氮法测定，新鲜土壤样品中的铵氮和硝氮采用NaCl提取、靛酚蓝比色法和紫外分光光度法测定，土壤有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定[10]。

1.5 数据处理

SPSS 19.0 软件用于不同处理土壤养分和酶活性数据分析，其中单因素方差分析(Duncan法)用于比较不同处理之间的差异，双变量相关分析(Pearson 2-tailed test)用于土壤养分与土壤酶活性间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同作物对复垦区表层土壤养分的影响

表1表明，复垦区表层土壤基本处于弱碱性，与未种植作物的对照相比，所种植的5种作物均显著降低了表层土壤的pH，平均降低0.29～0.31个单位，但所种植的5种作物之间表层土壤的pH并无差异。新复垦的区域表层土壤有机质和总氮含量很低，二者的含量分别仅为0.26 %和175.3 mg/kg。种植一季5种作物之后，表层土壤中有机质和总氮含量显著增加，增加量平均达到115 %～185 %。黄豆的种植不仅显著提升了复垦区表层土壤中总氮的含量，也增加了铵氮含量。对铵氮而言，两种豆科植物(黄豆、紫花苜蓿)和苏丹草对铵氮含量的提升能力高于玉米和芝麻。尽管作物的种植并未增加表层中硝态氮含量，但所种植的5种作物均能够显著提升表层土壤中有效磷的含量，有效磷含量平均增加了61 %～152 %，其中芝麻和黄豆对有效磷含量的提升效果较玉米、紫花苜蓿和苏丹草显著。

综合表1数据可以看出，在所种植的5种作物中，黄豆的种植根有利于复垦区表层土壤中氮素积累，而芝麻种植则更有利于提升表层土壤有机质和有效磷含量。这一结果表明，在5种作物中，芝麻和黄豆两种油料作物更有利于复垦区表层土壤养分状况的改善，其次为2种饲料作物(紫花苜蓿和苏丹草)，粮食作物玉米对于表层土壤养分改善效果最差。

表1 表层土壤化学性质 (n=3，平均值±标准误)

注：同列内不同字母表示显著性差异(P≤0.05)，下同。

表2 表层土土壤酶活性(n=3，平均值±标准误)

2.2 种植不同植物土壤酶活性的差异

从表2可以看出，作物的种植对表层土壤中过氧化氢酶活性并未产生显著影响。与未种植作物的对照相比，仅有种植黄豆的试验小区中表层土壤中脲酶活性显著增加(增加了513 %)。虽然玉米、芝麻、紫花苜蓿和苏丹草的种植提高了土壤脲酶的活性，但脲酶活性的提高(提高了182 %～335 %)并未达到显著水平。即使在同一处理中，不同试验小区脲酶活性也存在较大的变化，脲酶活性波动性很大。

不同于过氧化氢酶和脲酶，作物的种植显著提高了复垦区表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性。与未种植作物的对照区相比，作物的种植使复垦区表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性平均分别提高了1611 %～2393 %和374 %～469 %。如同脲酶一样，即使在同一处理中，不同试验小区碱性磷酸酯酶活性的波动性也很大，从而表现出较大的标准误。

综合比较5种作物对表层4种土壤酶活性的影响，可以看出芝麻对于能够有效提升表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性，而黄豆不仅可以提高表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性，同时也能提高脲酶活性。相比于粮食作物玉米和两种饲草作物，通过种植两种油料作物实现新复垦表层土壤酶活性的提高是较为适宜的选择。

2.3 土壤养分与土壤酶活性的相关性

土壤养分含量与酶活性高低是反映土壤肥力和土壤健康状况的重要指标，二者之间相互联系、相互影响。相关分析(表3)发现，表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性与pH与呈极显著的负相关，而与有机质含量呈极显著正相关；总氮与脲酶、碱性磷酸酯酶呈极显著正相关，有效磷也与蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性呈显著和极显著的正相关。过氧化氢酶活性与所测定的各项土壤化学指标之间并无相关性；土壤中的铵氮、硝态氮也与所测定的4种土壤酶活性物相关性。

3 讨 论

在采煤沉陷区填充复垦过程中，由于填充在表层的土壤一般来自于其他地方的C层土壤，加之施工过程中大型机械的碾压，从而导致填充复垦区表层土壤具有贫瘠、板结的问题[16-17]。贫瘠的土壤导致作物生长所需的养分供给严重不足，而板结又直接影响作物根系的生长和伸展[16]，另外某些煤矿复垦区的表层土壤中还存在着重金属污染问题[18-19]，采煤复垦区这些恶劣的土壤理化性质严重限制了作物的生长。

表3土壤养分和土壤酶活性的相关关系

注：*表示相关系数 在P< 0.05 水平上显著相关；**表示相关系数 在P<0 .01 水平上显著相关。

已有的研究表明，采煤沉陷区表层养分含量一般处于较低的水平[20-21]。本研究中，对照区表层土壤有机质平均含量仅为2.6和0.175 g/kg，均处于极缺乏水平。尽管5种作物种植一季之后，有机质和总氮含量提高到5.5～7.4和0.385～0.575 g/kg，但仍然处于极缺乏-缺乏水平。周育智[22]调查发现，潘集采煤沉陷复垦区表层土壤有机碳含量介于4.49～6.53 g/kg，处于有机质极缺乏-缺乏水平，这与本研究结果基本一致。

为了提高复垦区表层土壤中作物生长所需的养分，经常采用人工施肥措施(如投施化学肥料、增施有机肥等[17，23])提高复垦区表层土壤养分含量。研究也发现，作物种类(或植被类型)对复垦区表层土壤养分含量也产生显著的影响[2]。总体而言，本研究中经济作物芝麻和黄豆更有利于复垦区表层土壤养分含量的增加，饲料作物紫花苜蓿和苏丹草次之，粮食作物玉米最差。相对于玉米和两种饲草作物，黄豆和芝麻不仅有利于复垦区表层土壤中有机质和总氮含量的增加，也有利于有效磷含量的提升。不同植物对土壤养分的改善不仅与根系分泌物类型、植物凋落物成分与数量等有关，还与植物-根际微生物相互协作等过程密切相关。

5种作物种植均导致复垦区表层土壤pH下降、有机质和总氮含量增加。表层土壤pH、有机质和总氮的变化一方面与作物根际分泌物有关另一方面与植物凋落物的分解转化有关。刘鹏等[24]和陈利等[25]研究表明黄豆和玉米的根际能够分泌柠檬酸，等有机酸，贺根和[26]等发现芝麻的根际也能够分泌氨基酸、糖类等有机物，紫花苜蓿的根系分泌物包括酯类、醇类、酸类、酚类等有机物[27]。根际所分泌的这些有机物质不仅能够导致土壤pH下降[24]、增加表层土壤中的有机质和氮素含量，也能够导致土壤中矿物态磷酸盐向磷酸根转化，提升土壤中有效磷的转化[27]。

本研究中，复垦区表层土壤总氮含量的增加还与几种作物根际自由固氮微生物或固氮根瘤的固氮作用有关。在5种作物中，黄豆和紫花苜蓿为具有根瘤固氮作用的豆科植物，尽管芝麻、玉米和苏丹草不具有固氮根瘤，但研究表明土壤中生活着大量的自由固氮细菌，这些自由固氮细菌(尤其是生活于根际的自由固氮细菌)能够通过固氮作用增加土壤中氮素含量[28-30]，这些自由固氮微生物固氮能力受到植物种类的影响，这也部分解释了为何本研究中3种非豆科作物种植能够提高表层土壤中总氮含量、且不同作物在提高土壤表层氮素含量存在差异。

土壤酶活性往往是指示土壤性质变化的重要指标[31-33]。本研究中，5种作物的生长不仅改善了复垦区表层土壤的养分状况，同时使得某些土壤酶活性增加，表明了5种作物的种植有效地改良了复垦区表层土壤的性质。土壤酶活性增加一方面不仅与土壤本身理化性质的改善有关，另一方面还与植物根系分泌物有关。本研究中随着有机质、有效磷含量的增加以及pH的降低，蔗糖酶和碱性磷酸酯酶的活性增加，其他的研究也表明，矿业废弃地生态恢复过程中随着土壤中养分状态的改善，某些土壤酶活性也得到提高[34-36]。本研究中，种植不同作物的表层土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性也存在一定的差异，李娟等研究表明作物种类种类能够显著影响土壤酶活性[37]，姜科和禾本科植物能够降低脲酶活性，但来自同一科的不同种类植物在降低脲酶活性之间存在差异；姜科3种植物种植均能增加土壤蔗糖酶活性，不同植物种类之间也存在差异。尽管一些研究者将不同作物对土壤酶活性的影响归结于土壤养分的差异导致[37-38]，但也有研究表明不同植物根际分泌物类型、数量等差异以及根际微生物组成、数量的差异也是导致酶活性差异的原因[39-40]。黄豆对表层土壤中脲酶活性提高更为显著，芝麻对碱性磷酸酯酶活性和苏丹草对蔗糖酶活性的提高更为明显，不同作物导致不同土壤酶活性的差异可能与不同作物根系分泌物的类型、数量及微生物群落结构有关。

4 结 论

种植玉米、芝麻、黄豆、紫花苜蓿和苏丹草5种作物均能够提高采煤复垦区表层土壤养分及酶活性。芝麻和黄豆两种油料作物更有利于复垦区表层土壤养分状况的改善，其次两种饲料作物(紫花苜蓿和苏丹草)，粮食作物玉米对于表层土壤养分改善效果最差；芝麻和黄豆有效提升了表层土壤中蔗糖酶和碱性磷酸酯酶活性，同时黄豆还能够提高表层土壤中脲酶活性。相比于粮食作物玉米和两种饲草作物，通过种植两种油料作物实现新复垦表层土壤酶活性的提高是更合适的选择。由于本次研究仅为一个生长季的数据，不同作物对复垦区表层土壤养分积累和酶活性的长期影响可能存在的重金属对油料品质的影响等仍有待于开展进一步研究。