不同植被恢复模式下煤矸石充填复垦土壤物理性质与有机无机复合体的关系

魏怀建, 李玉成, 王 宁, 郑刘根, 程 桦, 徐 翀

(1.安徽大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230601; 2.煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽 淮南 232001)

不同植被恢复模式下煤矸石充填复垦土壤物理性质与有机无机复合体的关系

魏怀建1, 李玉成1, 王 宁1, 郑刘根1, 程 桦1, 徐 翀2

(1.安徽大学 资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230601; 2.煤矿生态环境保护国家工程实验室, 安徽 淮南 232001)

摘要：[目的] 揭示复垦土壤物理性质与有机无机复合体的关系，为改善复垦土壤的物理特性提供依据。 [方法] 选择淮南大通煤矸石充填复垦区三种典型植被恢复模式下人工恢复7 a的土壤，定量分析其物理性质及有机无机复合体，并运用多元统计分析两者的关系。 [结果] 研究区土壤的有机无机复合状况及结合态腐殖质在不同植被恢复下发生了不同程度的变化。结合态腐殖质以稳结态为主，所占比例为41%～67%。植被恢复降低了复垦土壤的容重而增加了其总孔隙度，而且臭椿+草本恢复模式效果最佳。土壤非毛管孔隙度与有机无机复合量及紧结态/重组碳呈显著正相关，而与稳结态/重组碳呈显著负相关。毛管孔隙度与有机无机复合量及紧结态/重组碳呈显著负相关，而与稳结态/重组碳呈显著正相关。土壤总孔隙度及容重与结合态腐殖质各组分的绝对含量分别呈显著正相关和负相关关系。 [结论] 复垦土壤物理性质与有机无机复合体具有密切关系。

关键词：复垦土壤; 植被恢复; 有机无机复合体; 物理性质

煤矸石充填复垦土壤多为砂质壤土，砂粒偏多，缺少黏粒，从而导致土壤保肥保水能力差；复垦用土本身仅仅是母质岩风化形成的土，有机质及营养元素等含量极低，不利于作物生长[1]。必需通过有机碳的积累及团聚体的复原，复垦用土才能恢复成适宜作物生长的正常土壤。近年来我国开展了一系列采煤塌陷区的复垦工程，但重点集中在研究如何增加耕地的数量，针对于重构土壤的肥力恢复状况方面的研究较少[2-3]。土壤孔隙的总容积、孔径分布、形状能够决定土壤水分的保蓄、运输，气体扩散，微生物活动等许多土壤过程及功能。研究土壤的孔隙特点对评估土壤的结构和质量是有显著作用的。土地利用、耕作、施肥及压实能显著改变土壤的总孔隙度、不同孔径孔隙分布及孔隙功能，进而影响到土壤的物理、化学、生物过程。在风化程度较低，黏粒含量较少的土壤中，有机质对土壤团聚体的胶合、稳定及随之而形成的大孔径孔隙(>0.1 μm)有重要作用[4]。土壤有机无机复合体(即为结合态腐殖质)是形成良好的土壤结构的基本条件，它主要以胶膜的形式包被在矿质土粒的外表，能使砂土变紧，使黏土变松，从而改善土壤的通气性、渗水性及保水性[5]。土壤中只有不到20%的有机质存在于大团聚体中，而其中50%以上的有机质与矿物质颗粒结合形成有机无机复合体[6]。土壤物理性质在很大程度上取决于各级复合体的有机碳含量[7]。与传统的耕作相比，免耕更有利于有机无机复合体及微团聚体的形成，进而有机碳的积累更多[6]；而且林地有机碳的含量一般比耕地的高。因此，通过乔木、灌木及草本混合种植以林地的形式进行修复，比主要种植小麦等农作物以耕地的形式进行修复，更有利于煤矸石充填复垦土壤有机碳的积累及团聚体的复原。

近年来国内外研究[8]发现有机质的各组分(如：游离态有机质、富里酸及胡敏酸等)与土壤物理性质存在相关关系，但只研究了土壤有机质与土壤总孔隙度及与渗水性、保水性相关物理参数的相关性，而没有研究有机质的各组分与不同孔径孔隙的相关性规律，而且针对于用化学分级法提取的有机无机复合体各组分与土壤物理性质的相关性研究较少。淮南大通采煤塌陷区是用挖深垫浅的模式进行修复的，即塌陷较深的地方进一步挖深建成了大通湿地；塌陷较浅的地方充填煤矸石，覆土种植。本研究通过探讨大通煤矸石充填复垦区3种典型植被恢复模式下土壤物理性质与有机无机复合体的相关性规律，便于有针对性的采取有效措施调节土壤有机无机复合体各组分的数量及比例以改善土壤的物理性质，为矿区土壤恢复到较佳物理条件提供理论依据。

1研究区概况

淮南大通废弃矿区(117°1′44″—170°3′29″E，32°36′46″—32°37′49″N)位于亚热带和温带的过渡地带，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温为14.3～16.4 ℃，多年平均相对湿度72%，年平均降水965 mm，年蒸发量为1 603 mm，主导风向多为东南风，多年平均日照百分率为51%。研究区于2006年充填煤矸石，覆土种植，修复区内土壤主要是黄棕壤，覆土来源于修复区的原生土(从矿区内未遭采煤塌陷破坏的区域挖掘、混匀后使用)，覆土厚度约为20 cm。所选择的不同样地复垦用土来源、覆土厚度相同；样地间距在10～20 m左右，气候、气温及降水等因素对3个样地的影响可以认为没有差异；坡度平缓，地表径流对各样地的影响无差异；覆土为砂土混匀后使用，不同样地及同一样地不同深度的物理、化学及生物特性基本一致。研究区土壤在不同植被恢复模式下恢复一定年限后，在水平及垂直方向上物理、化学及生物性质的不同程度的差异主要是由植被及其固定的腐殖质引起的。这样得出的土壤物理性质与有机无机复合体的相关性规律便于量化。

2材料与方法

2.1　样地设置与样品采集

于2013年10月选择3种典型的植被恢复模式修复下的土壤作调查研究，3个典型样地分别用A区、B区、C区表示(样地按乔、灌木的生长范围进行划分)，对应的3种植被恢复模式分别为刺槐+丁香+草本，石楠+草本，臭椿+草本。A,C区用蛇形采样法布设5个点，B区面积狭小，随机取2个点。取上层(0—10 cm)和下层(10—20 cm)两层(个别覆土较薄的点采集0—10 cm为1层)，共采集22个土样，其中，A区9个，B区4个，C区9个。在样地周围没有植被覆盖处(其他条件与试验地完全一致)采集3个重复样作为对照组。表1为原土的基本理化性质及有机无机复合状况。于2014年4月调查了研究区的植被。表2为淮南大通区所选样地的地理位置、大小及所种植植被的详细信息。

表1　原土的基本理化性质及有机无机复合状况

注：土壤质地中各级颗粒的粒径为砂粒(2~0.02 mm),粉粒(0.02~0.002 mm),黏粒(<0.002 mm)。

2.2　试验方法

2.2.1土壤基本理化性质的测定土壤容重和孔隙度等物理指标采用环刀法取样测定[9]，将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁稍擦上凡士林，将环刀刃口向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止；用修土刀切开环刀周围的土样，取出已装土的环刀，细心削去环刀两端多余的土，并擦净环刀外面的土；把装有样品的环刀两端立即加盖，随即称重，并同时在同层采样处，用铝盒采样，测定自然含水率；每个样点采集3个重复样。含水率用烘干法测定。pH值采用电位测定法(1∶2.5)。土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)测定：土样过100目筛的风干土经1 mol/L HCl处理后用德国elementar TOC测定。土壤质地测定：土样过2 mm筛的土样经10% H2O2-10% HCl-0.05 mol/L的(NaPO3)6处理[10]后用激光粒度仪(型号：LS13 320 ALM)测定。

2.2.2土壤结合态腐殖质的分级及测定结合态腐殖质的分级用傅积平改进法[11]，即分为松结态、稳结态和紧结态；松结态、稳结态腐殖质碳的含量用岛津TOC-LCPN测定；紧结态腐殖质碳的含量测定：提取完松结态、稳结态腐殖质后的残渣经1 mol/LHCl处理后用德国Elementar TOC测定。

有机无机复合度(%)=

HC·HW×100/(SW·SC)

有机无机复合量(g/kg)=HC·HW/SW

式中：HC——重组有机碳含量(g/kg); HW——重组样品质量(g); SW——土壤样品质量(g); SC——土壤有机碳含量(g/kg)。

实验数据主要采用SPSS 18软件进行相关性分析、方差分析。图表采用Origin 8.5绘制。

表2　淮南大通采样区的基本情况

注：丁香(Syrigaoblate)，刺槐(Robiniapseudoacacia)，石楠(Photiniaserratifolia)，臭椿(Ailanthusaltissima)，拟二叶飘拂草(Fimbristylisdiphylloides)，中华结缕草(Zoysiasinica)，小巢菜(Viciahirsuta)，白茅(Imperatacylindrica)，救荒野豌豆(Viciasativa)，野老鹳草(Geraniumcarolinianum)，茅莓(Rubusparvifolius)，鹅观草(Elymuskamoji)，猪殃殃(Galiumaparine)。

3结果与讨论

3.1　研究区土壤的基本理化性质

研究区土壤均以砂粒为主，砂粒与粉粒之和达到了90%以上，而黏粒含量不足10%(表1)，土壤风化程度较低。不同植被模式修复后的土壤与原土的质地基本一致而没有再单独列出。研究区土壤pH值为7.5~8.0，呈碱性。土壤容重反映了土壤的松紧度和对地表水的蓄积能力，土壤紧实度是复垦土壤恢复到原状土壤状态的一个主要抑制因素[12]。从表3得知，研究区土壤容重在1.30~1.50 g/cm3之间，比原土容重低(表1)。

土壤总孔隙度是单位容积土壤中空隙容积所占的百分数，其中，毛管孔隙是指土壤中细小的孔隙(0.001 mm0.1 mm)，通常作为土壤通气性的指标，其值越大则土壤的渗水性、通气性越好。一般土壤的总孔隙度为35.00%～65.00%，最适宜为50.00%～60.00%，而且一般毛管孔隙在30.00%～40.00%之间，非毛管孔隙在20.00%～10.00%，则比较理想[13]。植被恢复降低了复垦土壤的容重而增加了其总孔隙度，而且臭椿+草本恢复模式效果最佳(表1,3)，与最适宜值相比，毛管孔隙度偏低而非毛管孔隙度偏高。可见，研究区土壤在经过不同植被恢复7 a后土壤容重降低而总孔隙度增多，但是通气、渗水性过好，而保水性逐渐变差，这可能是研究区土壤多砂粒的原因。与原土相比(表1)，不同植被恢复模式均提高了SOC的含量，而且上下层土壤间有显著性差异，但不同植被恢复模式之间却没有显著性差异(p<0.05)；与全国第二次土壤普查养分分级标准相比，植被恢复下的土壤上、下层SOC(有机质×0.58)的含量分别属于3级、5级水平，而原土SOC仅属于6级水平。

表3　研究区不同植被下土壤的基本理化性质

注：数值为：测定值±标准差；同列不同小写字母表示不同土层在0.05水平的差异显著性。

3.2　土壤物理性质与结合态腐殖质的关系

3.2.1土壤结合态腐殖质各组分的含量及比例结合态腐殖质根据与矿物质结合的松紧程度，由松到紧依次为松结态、稳结态及紧结态腐殖质。松结态主要是由铁、铝或其水化氧化物联结的有机矿质复合体[14]，一般代表新鲜的腐殖质，活性相对较强[15]；稳结态主要是由钙离子联结的有机矿质复合体，与松结态腐殖质的特性不同，稳结态腐殖质的芳化度和分子量较大，活性较低[14]；紧结态腐殖质是与矿物结合较紧且较稳定的腐殖质，对土壤养分的保贮及稳定结构有重要作用[15]。从图1得知，土壤松结态腐殖质的绝对含量除臭椿+草本模式下的上层显著较高外，其他不同土层之间均无显著性差异(p<0.05)。研究区土壤结合态腐殖质均以稳结态为主，占41%～67%。臭椿+草本模式下的土壤稳结态腐殖质的绝对含量显著高于刺槐+丁香+草本的，而石楠+草本模式的其它两种模式无显著性差异；稳结态的相对含量均为上层显著低于下层，而在不同植被之间没有显著性差异(p<0.05)。紧结态腐殖质的含量及比例均为上层显著高于下层，其中，石楠+草本模式下的上层紧结态的绝对含量显著高于其它两种模式的；臭椿+草本模式下的上层紧结态的相对含量显著低于其它两种模式(p<0.05)。

注：同一横坐标项不同小写字母表示不同土层在0.05水平的差异显著性。

3.2.2土壤物理性质与结合态腐殖质的关系从表4得知，土壤总孔隙度及容重与SOC分别呈显著正相关和负相关，这可能是因为有机质本身的絮状多孔降低土壤容重，而与矿物质结合形成的团聚体能够增加土壤总孔隙度[16]。毛管孔隙度与SOC呈显著负相关，而非毛管孔隙度与SOC呈显著正相关。可见，SOC主要促进非毛管孔隙的形成，而减少毛管孔隙度。

表4　不同植被下土壤物理性质与有机无机

注：*，**分别表示5%和1%差异显著性水平。下同。

土壤总孔隙度及容重与结合态腐殖质的各组分均分别呈显著正相关和负相关，可见，结合态腐殖质各组分的增加能增加土壤总孔隙度而降低土壤容重。毛管孔隙度与稳结态/重组碳呈极显著正相关，而与紧结态/重组碳呈极显著负相关；非毛管孔隙度与稳结态/重组碳呈显著负相关，而与紧结态/重组碳呈显著正相关；土壤各物理性质与松结态/重组碳均没有显著相关性。可见，结合态腐殖质各组分的比例大小对不同孔径孔隙的分配有重要作用，进而影响到土壤的通气性、渗水性及保水性。其中，稳结态占的比例越大，则能促进形成细小的毛管孔隙，而阻止形成粗大的非毛管孔隙，进而有利于改善土壤保水性，而不利于土壤通气性及渗水性；紧结态占的比例越大，则能促进形成粗大的非毛管孔隙，而阻止形成细小的毛管孔隙，进而有利于改善土壤通气性及渗水性，而不利于土壤保水性；松结态占的比例大小对不同孔径孔隙影响不显著。对于土壤不同孔径孔隙与结合态腐殖质的各组分比例的相关性机理有待于进一步研究。

3.3　土壤物理性质与腐殖质有机无机复合状况的关系

3.3.1土壤的有机无机复合状况有机无机复合量反映的是土壤中有机质与黏粒结合的数量程度，复合量越大表明二者结合量大[17]，而有机无机复合度代表土壤重组有机碳占总有机碳的比例。从图1及表1中得知，不同植被模式下的土壤有机无机复合量均为上层显著高于下层及原土复合量，而在不同植被恢复模式之间没有显著性差异；研究区土壤经植被恢复后，有机无机复合度均有不同程度的降低，其中，刺槐+丁香+草本模式下的上层有机无机复合度显著低于下层，而其它两种模式下的不同深层土层之间均无显著性差异，而且刺槐+丁香+草本模式下的下层有机无机复合度最高(p<0.05)。

3.3.2土壤物理性质与有机无机复合的关系从表4中得知，非毛管孔隙度与有机无机复合量呈显著正相关，而毛管孔隙度与有机无机复合量呈显著负相关。这可能是因为有机无机复合量与稳结态/重组碳呈极显著负相关，而与紧结态/重组碳呈显著正相关，同时与松结态/重组碳也具有一定正相关关系(表5)。从表5得知，有机无机复合量及紧结态/重组碳与SOC呈极显著正相关；稳结态/重组碳与SOC呈极显著负相关；松结态/重组碳与SOC也有一定正相关，而且松/紧比与SOC呈显著负相关。可见，SOC的增多，有机无机复合量及松结态、紧结态的相对含量增加，而稳结态的相对含量减少，而且松/紧比会降低。此外，研究区土壤的结合态腐殖质以稳结态为主，而正常土壤结合态腐殖质一般以松结态或紧结态腐殖质为主[15,17-18]。因此，研究区土壤随着植被恢复年限的增加，土壤有机质的积累会增多，有机无机复合量也随之增大，进而促进稳结态腐殖质向松结态、紧结态腐殖质转化，而且主要转化为紧结态腐殖质。

表5　不同植被下有机无机复合体与土壤有机碳的相关系数(n=22)

土壤总孔隙度及容重与有机无机复合度分别呈极显著负相关和正相关，这可能是因为有机无机复合度与SOC呈极显著负相关(表5)。轻组有机物是能快速转化的未分解和半分解的动植物残体，重组有机物则是与土壤矿物紧密结合的土壤腐殖质，转化较慢[18]。研究区土壤在植被恢复之后，有机质积累增多，其中，轻组有机质的增幅相对较大，而重组有机质的增幅相对较小，因此，SOC的增加使有机无机复合度减小。

4结 论

(1) 研究区土壤在不同植被恢复模式下恢复7 a后，土壤的有机无机复合状况及结合态腐殖质的各组分发生了不同程度的变化。有机无机复合量逐渐增加，而有机无机复合度却低于原土。结合态腐殖质以稳结态为主，所占比例为41%～67%。

(2) 植被恢复降低了复垦土壤的容重而增加了其总孔隙度，而且臭椿+草本恢复模式效果最佳。结合态腐殖质各组分的绝对含量增加及有机无机复合度的减小均可增加总孔隙度而降低土壤容重。

(3) 研究区土壤的不同孔径孔隙与有机无机复合量及结合态腐殖质各组分的配比存在密切的关系。其中，有机无机复合量及紧结态腐殖质相对含量的增加可提高非毛管孔隙度，而降低毛管孔隙度；稳结态腐殖质相对含量的增加能降低非毛管孔隙度，从而提高毛管孔隙度。

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Relationship Between Physical Properties and Organic-mineral Complexes of Reclaimed Soil Back-filled with Coal Gangue Under Various Vegetation Restoration Models

WEI Huaijian1, LI Yucheng1, WANG Ning1, ZHENG Liugen1, CHENG Hua1, XU Chong2

(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,AnhuiUniversity,Hefei,Anhui230601,China; 2.CoalMineEcologicalProtectionNationalEngineeringLaboratory,Huainan,Anhui232001,China)

Abstract：[Objective] Clarifying the relationship between physical properties and organic-mineral complexes of reclaimed soil was supposed to provide a support for ameliorating the reclaimed soil physical condition. [Methods] This study chose the soil under three patterns of typical artificial vegetation restoration for seven years in Datong Reclamation District of Huainan City, which had been back-filled with coal gangue. Soil physical indictors and formations of organic-mineral complexes were quantified using standard procedures, and their relationship was determined by multivariate statistical analysis. [Results] Soil organic-mineral status and the combined humus varied with different vegetation restoration patterns in the survey region. The stably-combined humus dominated, and it accounted for 41%~67% of combined humus. Vegetation restoration lowered oil bulk density and increased total porosity significantly in contrast with that of natural soil. These effects were more obvious in the mixed plantation pattern of Ailanthus altissima and grass. Soil non-capillary porosity had significantly positive correlations with the amount of organic-mineral complexes and the ratio of tightly-combined humus to combined humus; however, a negative correlation was found of it with the ratio of stably-combined humus to combined humus. Soil capillary porosity was negatively and significantly correlated with the amount of organic-mineral complexes and the ratio of tightly-combined humus to combined humus; and was positive and significantly correlated with the ratio of stably-combined humus to combined humus. Positive association existed between contents of three fractions of soil combined humus, and total porosity and negative correlation it was between the combined contents and low bulk density. [Conclusion] The physical condition showed strong correlations with organic-mineral complexes in reclaimed soils.

Keywords:reclaimed soil; vegetation restoration; organo-mineral complexes; physical properties

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)06-0207-06

中图分类号：X171.4， S153.6

通信作者：李玉成(1963—),男(汉族),安徽省合肥市人,博士,教授,博士生导师,主要从事环境微生物地球化学、藻类脱毒与资源化和水环境污染控制技术等方面的研究。E-mail:li-yucheng@163.com。

收稿日期：2014-09-11修回日期：2014-10-02

资助项目：国家自然科学基金项目“细菌对藻类有机质的生烃潜力影响的室内模拟及无定形体形成机理研究”(41172721)； 淮南矿业集团委托项目(HKKY-STHJYJS-JS-2012-001)

第一作者：魏怀建(1990—),男(汉族),山东省淄博市人,硕士研究生,研究方向为环境生物地球化学。E-mail:weihj1989@163.com。