种植玉米对矿区复垦土壤团聚体稳定性及有机碳分布的影响

籍晟煜，张强，靳东升，郜春花，李建华，卢晋晶，张云龙

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

土壤团聚体是土粒之间通过各种作用力黏合或团聚而成的直径＜10 mm的小团粒，大体呈球形，是最基本的土壤结构单元，是良好的土壤结构体，其数量和比例能够反映土壤结构状况[1]。而对团聚体的分级研究当中，习惯以0.25 mm为界将团聚体划分为大团聚体（＞0.25 mm）和微团聚体（＜0.25 mm）[2]。对于土壤团聚体稳定性等特征的研究更多的是通过湿筛使团聚体被水力分散后的土壤团聚体，故水力作用导致团聚体破碎之后分离所得的各粒级团聚体为水稳性团聚体[3-4]。有研究发现，微团聚体稳定性较大团聚体稳定性更高[5]。这是因为孔隙较小、弯曲度大和容积密度高的微团聚体的内聚力与大团聚体相比之下具有优势，各个粒级团聚体的有机碳含量及稳定性普遍存在着差异。因而，大团聚体和微团聚体都需要开展深入研究，团聚体含量能体现土壤结构的稳定性，含量不尽相同，土壤结构也普遍存在差别，对保护碳的机制产生影响。表土中的有机碳大多存在于团聚体中，而温带土层大团聚体的有机碳含量大多比微团聚体高，这是由于大团聚体的形成和微团聚体存在着差异[5]。

矿上开采以及在复垦过程中采取的各种措施等都会增加煤矸回填土壤复垦的难度，更多的是解决土壤结构、土壤养分（主要是有机质）等影响复垦进度的问题[6]。大量研究表明，矿区开垦土壤有机质含量仅是煤矿开采前表层土壤有机质含量的20%～30%；土壤质地较粗，特别是土壤团聚体中微团聚体比例较小，仅为煤矿开采前表层土壤的1/4左右；一般在复垦的初级阶段，煤矿复垦土壤结构中的团聚体少，主要是由于其团聚过程可能与正常土壤团聚的过程存在差异[7-9]。罗红燕等[10-12]研究指出，土壤的发育基石、对土地的利用方式以及采用的耕作措施等都会影响土壤团聚体的稳定性。在矿区土壤贫瘠、结构较差、微生物活性低的情况下，一些耐瘠抗逆的植物，如豆科植物和禾本科草种往往作为先锋植物进入复垦土壤，来提高土壤的肥力[13-14]。因而煤矿复垦土壤团聚体的构成过程及主要影响因子还有待探究。

本研究将种植玉米（包括玉米根区和非根区）和自然恢复区的土壤结构和土壤有机碳进行对照分析，旨在得出种植玉米对复垦土壤团聚体稳定性和有机碳分布的积极作用。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

复垦土地矿区位于太原断陷盆地西侧的山西省古交市矿区，该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温为9.5℃，平均降水量602 mm，降水量集中在夏季，每年11月开始封冻，第2年4月解冻，冰冻期约5个月。2013年煤矸石填平后在填埋区展开了以附近马兰黄土（黄土丘陵地带的主要土壤）填土，经12个月的自然沉降后，对土壤分析鉴定，明确该土地状况可以开始种植植物。

1.2 试验方法

试验设置玉米根区、玉米非根区和自然恢复3个处理。在煤矸石填土区开展植物种植，设立玉米、自然恢复2种种植处理，进行种植区和撂荒区比较。在试验田玉米生长旺季降水量大、气温高的8月份，按照种植玉米与自然恢复处理采集根区与非根区的土壤样品，每个处理3次重复，将收集的样本保持原状带回实验室。

1.3 测定项目及方法

采用湿筛法对团聚体进行分级。采用的仪器是团聚体分析仪，共分9个粒级（≥2.00、＜2.00～1.00、＜1.00～0.50、＜0.50～0.25、＜0.25～0.15、＜0.15～0.10、＜0.10～0.05、＜0.05～0.02、＜0.02 mm）。具体操作：对土壤含量水测定后，称换算后土样50 g，置于孔径为2.00、1.00、0.50、0.25 mm等组成的套筛的最顶端一层，同时使水桶当中其蒸馏水水面刚好淹没最顶端的筛子，首先使土样在蒸馏水中浸泡10 min，其次再以20～30次/min在水中上下振荡30 min，最后需要将筛子里面的团聚体用蒸馏水冲到烧杯（铝盒）中，而在水桶当中的团聚体需要经过20 min的沉降，最后将所有的团聚体以及烧杯（铝盒）在烘箱中60℃下烘干，并称质量，计算各粒级团聚体的百分比[15]。

采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量[16]。

1.4 数据分析

数据经Excel 2007软件进行整体梳理和分析，并且保证所有的试验数据均进行3次重复，最后取平均值，并用SPSS软件进行差异显著性分析（P＜0.05）。

大团聚体是粒径＞0.25 mm的团聚体，微团聚体是＜0.25 mm粒径的团聚体。

式中，R0.25为大团聚体含量；Nr＞0.25表示粒径＞0.25 mm的团聚体质量；NT表示团聚体的总质量[17]。

2 结果与分析

2.1 种植玉米、自然恢复对矿区复垦土壤团聚体的含量与分布

从表1、2可以看出，＞0.25 mm的大团聚体在种植玉米根区与非根区复垦土壤水稳性团聚体中所占比例最小，为21.27%～26.58%。而自然恢复区，土壤水稳性团聚体均以＞0.25 mm的大团聚体所占比例最大，为63.82%。在大团聚体（＞0.25 mm）中，均以＞2.00 mm和0.50～0.25 mm所占比例较大。与自然恢复相比，种植玉米明显减少了土壤团聚体当中大团聚体所占的比例，说明种植会对土壤团聚体结构产生作用，在大团聚体中，各粒级团聚体所占比例大小为自然恢复＞玉米根区＞玉米非根区。种植玉米明显提高了1.0～0.5 mm粒级团聚体的含量。

表1 不同处理土壤大团聚体的组成 %

种植玉米根区与非根区下＜0.25 mm粒径的团聚体在复垦土壤团聚体的比例最大，为73.42%～78.73%；而自然恢复区，其土壤水稳性团聚体均以＜0.25 mm的大团聚体所占比例最小，为36.18%左右；在微团聚体（＜0.25 mm）中，种植玉米均以0.25～0.15 mm和＜0.02 mm所占比例较大。与自然恢复相比，种植玉米均增加了0.25～0.15、0.15～0.1 mm粒径的团聚体所占的比例，说明植物种植对土壤微团聚体形成具有一定影响。在微团聚体中，各粒级团聚体所占比例从小到大表现为自然恢复＜玉米根区＜玉米非根区。

表2 不同处理土壤微团聚体的组成 %

2.2 种植玉米、自然恢复矿区复垦土壤团聚体稳定性特征

由表3可知，R、S和自然恢复的大团聚体的稳定性参数包括大团聚体含量（R0.25）、几何平均直径（GMD）、平均质量直径（MWD），与自然恢复相比，种植玉米显著降低了R0.25、MWD、GMD；对土壤分形维数（D）分析得出出，种植玉米后矿区土壤粒径分形维数（D）在2.921左右，种植玉米增加了土壤团聚体分形维数。说明种植玉米对土壤团聚体分形维数有显著影响，不管是种植玉米根区还是玉米非根区，均促进了土壤团聚体的结构稳定性。

表3 不同处理土壤大团聚体稳定性参数

由表4可知，与自然恢复相比，种植玉米后的土壤微团聚体含量增多，而平均质量直径（MWD）显著降低；种植玉米后矿区土壤粒径分形维数（D）在2.832～2.897，与自然恢复相比，种植玉米均显著降低了土壤的分形维数，种植玉米进一步提高了土壤微团聚体的稳定性。

表4 不同处理土壤微团聚体稳定性参数

2.3 种植玉米矿区复垦土壤团聚体有机碳分布特征

图1可以说明不同粒级团聚体中土壤有机碳的含量以及分布状况，矿区复垦土壤有机碳的含量通过种植玉米有了明显的增加。不同粒级团聚体中有机碳含量的变化趋势大小是（＜1.00～0.50 mm）＞（＜0.50～0.25 mm）＞（＜2.00～1.00 mm）＞（＞2 mm）；土壤有机碳的分布主要集中的团聚体粒径范围是1.00～0.25 mm和2～1 mm。总体上，＜0.25 mm的微团聚体各粒径团聚体有机碳含量小于＞0.25 mm的大团聚体有机碳含量，较多的有机碳存在于大团聚体中，而土壤中各粒径团聚体中的有机碳含量通过种植玉米得到了显著增加；相同粒级团聚体中的有机碳含量是种植玉米优于自然恢复，种植玉米根区较自然恢复区各级大团聚体有机碳含量分别提高了47.11%、79.22%、274.67%、159.39%。说明种植玉米根区对1.0～0.5 mm粒径团聚体的有机碳含量影响最大。

由图2可知，矿区复垦土壤微团聚体有机碳的含量通过种植玉米得到了提高，不同粒级团聚体中有机碳含量的变化趋势大小为（＜0.25～0.15 mm）＞（＜0.15～0.10 mm）＞（＜0.05～0.02 mm）＞（＜0.10～0.05 mm）＞（＜0.02 mm）；种植玉米根区较自然恢复区各级微团聚体有机碳含量分别提高了126.42%、130.09%、42.42%、46.06%、16.02%。说明种植玉米根区对团聚体的有机碳含量影响最大是＜0.15～0.10 mm粒径。

2.4 种植玉米团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

从表5、6可以看出，种植玉米根区与非根区＜0.25 mm粒径的微团聚体有机碳贡献率最高，在大团聚体中，≥2 mm、＜0.50～0.25 mm粒径团聚体有机碳贡献率较高；在微团聚体中，＜0.25～0.15 mm、＜0.15～0.10 mm粒径团聚体有机碳贡献率较高。种植玉米根区与种植玉米非根区较自然恢复显著降低了＞0.25 mm粒径大团聚体有机碳的养分贡献率，分别降低了47.55%和42.41%；不同处理对土壤大团聚体有机碳的养分贡献率大小表现为自然恢复＞R＞S；种植玉米团聚体当中，微团聚体（＜0.25 mm）对团聚体有机碳含量的贡献率较大；在自然恢复团聚体中，大团聚体（＞0.25 mm）对团聚体有机碳含量的贡献率较大；种植玉米增加了微团聚体对团聚体有机碳含量的贡献率，其中，微团聚体中＜0.25～0.15 mm和＜0.15～0.10 mm粒径团聚体有机碳的贡献率提高幅度最大。

表5 不同粒径大团聚体内有机碳含量对土壤总有机碳的贡献率 %

表6 不同粒径微团聚体内有机碳含量对土壤总有机碳的贡献率 %

3 结论与讨论

3.1 种植玉米对矿区复垦土壤团聚体组成及稳定性的影响

本研究结果显示，在大团聚体中，各粒级团聚体所占比例大小为自然恢复＞玉米根区＞玉米非根区。土壤微团聚体在团聚体结构上占优势，种植玉米根区与非根区复垦土壤水稳性团聚体均以＜0.25 mm的微团聚体所占比例最大，约为73.42%～78.73%。这与黄土高原地区的土壤结构松散、团聚性较差相一致，可能是因为矿区覆土，土壤形成的团聚体构造和植物根部的各种作用都被严重破坏，土壤中有机碳含量较低[18]。

评价土壤团聚体稳定性的指标有R0.25、MWD和GMD，R0.25、MWD和GMD越大，说明土壤团聚体的稳定性越好[19]。土壤是一种带有突出分形特性的多孔介质，分形维数越低，土壤团聚体稳定性越高，分形维数是评价土壤结构的一个新指标[20]。在大团聚体中，种植玉米根区、玉米非根区、自然恢复区的D、R0.25、MWD和GMD相差不大，说明在大团聚体中，3个处理土壤团聚体稳定性较接近。在微团聚体中，种植玉米根区的R0.25、GMD比玉米非根区和自然恢复区都大，而种植玉米根区在分形维数（D）比玉米非根区和自然恢复区都小。说明在微团聚体中，种植玉米区土壤团聚体的稳定性较高。种植玉米根区微团聚体分形维数均低于非根际土壤，说明与非根区相比，根区土壤结构较好，稳定性更强[21]。本试验结果表明，种植玉米根区与非根区对在土壤微团聚体也能起到重要作用，土壤微团聚体的数量和稳定性都受到植物种植的影响[22]。

3.2 种植玉米对矿区复垦土壤团聚体有机碳的影响

种植玉米提高了土壤各粒径团聚体中有机碳的含量，同一粒级团聚体中的有机碳含量表现为种植玉米高于自然恢复，种植玉米根区较自然恢复区各级大团聚体有机碳含量分别提高了47.11%、79.22%、274.67%、159.39%。DU等[23]研究发现，大团聚体的成型是较小粒径团聚体在有机物等胶结剂的紧密结合，因此，随着团聚体粒径的升高，粒径团聚体有机碳含量也逐渐上升。种植玉米根区较自然恢复区各级微团聚体有机碳含量分别提高了126.42%、130.09%、42.42%、46.06%、16.02%。农作物种植提高了各粒径团聚体的有机碳含量。

大团聚体（＞0.25 mm）对自然恢复下土壤团聚体有机碳含量的贡献率最大，种植玉米增加了微团聚体对团聚体有机碳含量的贡献率，其中微团聚体中＜0.25～0.15 mm和＜0.15～0.10 mm这2个粒径的团聚体有机碳的贡献率提高幅度较大。种植玉米根区的促进作用最为显著，其中对＞0.25 mm粒径的大团聚体有机碳含量的提高效果最为明显[24]。整体选择各粒径土壤团聚体总数与有机碳含量的关联明确的土壤有机碳贡献率，不仅揭示了各粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率，并能证明种植玉米对土壤有机碳库的影响。

自然恢复荒地恢复过程土壤有机碳等进一步得到提升，难降解有机碳和矿物结合有机碳是土壤中有机碳的存在形态；土壤有机碳稳定性和有机碳的贮藏功能获得必要的提升，黄土丘陵区自然恢复地恢复过程有助于提高土壤有机碳的储量[25]。说明在自然恢复区，其团聚体结构也会有所改善，但整体效果低于种植玉米。

综上所述，种植玉米对于矿区煤矸石回填覆土的作用也是十分巨大的，但是其团聚体结构、团聚体有机碳和土壤总有机碳总体还需进一步研究。种植玉米后，其根区与非根区土壤团聚体在团聚体结构均有所改变，说明种植玉米是矿区土地复垦的重要举措。