煤矿开采导致地表塌陷,并改变原有土壤肥力性质.为了更好地开展矿区土地复垦,进行土壤重构和植被重建工作,必须要对塌陷区土壤养分状况进行分析.本研究以山西省朔州市平鲁区安家岭3号井工矿塌陷稳沉区为对象,分层采集原地貌、塌陷区1、塌陷区2和塌陷复垦区的土壤样品,测定不同区域土壤全氮和有机质含量,采用经典统计学和地统计学方法研究了土壤全氮和有机质含量的空间变异性.结果表明:垂直方向上,塌陷区表层0～ 20 cm土壤全氮和有机质含量小于原地貌,但20 cm以下土壤,塌陷区全氮含量大于原地貌,塌陷区有机质含量小于原地貌.塌陷复垦区的有机质含量大于塌陷区,但塌陷复垦区各层次土壤全氮含量与塌陷区相比,没有呈现一定规律.塌陷增加了土壤有机质和全氮含量在水平方向的分异程度,而土地复垦则降低了土壤有机质和全氮含量在水平方向的变异性.本研究可以为黄土区采煤塌陷地复垦提供一定的理论依据和技术支持.

井工采煤导致地表沉陷进而引发水土流失,微地形改造对沉陷地水土流失控制效果明显,但理论研究尚有欠缺,特别是对水土流失的控制机理不明确.为了进一步探索微地形改造的基础理论,研究微地形改造对采煤沉陷地水土流失与植被恢复的影响机理,本文在系统总结国内外相关研究的基础上,综述了采煤沉陷区微地形变化特征及水土流失规律、微地形改造方法、沉陷土地微地形改造应用及其生态环境效应的研究进展.总结发现:(1)采煤沉陷在沉陷区地表带来新的微地形变化;(2)微地形改造方法对土壤水肥特性、土壤侵蚀和植被恢复均有影响,但许多作用机理依然不明确;(3)微地形整地措施在采煤沉陷地有较好的水土保持与植被恢复效果,但许多研究方向不够深入,需进一步加强.针对当前研究的不足,提出了今后采煤沉陷地复垦微地形改造的研究方向,包括研发采煤塌陷地微地形及其改造的信息获取方法、探讨采煤沉陷地微地形的水文过程、加强采煤沉陷地微地形改造的效应机理分析、研究采煤沉陷地微地形设计与改造方法和技术体系等.

以山西介休金山坡煤矿采煤塌陷土壤为对象, 通过接种幼套球囊霉 (Glomus etunicatum, G.e) 、根内球囊霉 (G.intraradice, G.i) 和摩西球囊霉 (G.mosseae, G.m) 3种丛枝菌根 (Arbuscular mycorrhiza, AM) 真菌, 研究不同菌种对采煤塌陷区土壤生物学特性及玉米生产性能的影响.利用主成分-数值聚类方法对土壤和玉米的9个指标 (脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、AM真菌丛枝丰度、总球囊霉素和易提取球囊霉素相关土壤蛋白以及玉米株高、茎粗和地上部干重) 进行综合评价, 筛选适合该矿区土壤复垦的最优菌种.结果表明, 通过主成分分析方法对9个指标进行降维, 共提取2个主成分, 累计贡献率达81.04％.其中第1主成分以AM真菌丛枝丰度、球囊霉素相关土壤蛋白、脲酶、蔗糖酶及玉米株高、茎粗、地上部干重贡献最大, 达到66.68％.第2主成分以磷酸酶活性贡献最大, 达到14.36％.以两个主成分得分为新指标进行聚类得到接种不同AM真菌对塌陷矿区土壤培肥效果次序为G.e＞G.i、G.m＞CK.因此接种G.e是改善该采煤塌陷区土壤质量和提高玉米生产性能的最优菌种.

研究复垦土壤中活性和难降解碳氮组分随复垦年限和施肥措施变化的特征,以期深入理解采煤塌陷区复垦土壤碳氮的稳定性机制.采集复垦4年和8年的定位试验各处理耕层(0-20 cm)土样,利用H28O4水解法分析活性组分Ⅰ、Ⅱ和难降解组分中有机碳(SOC)、全氮(TN)的变化特征.试验设不施肥(CK)、平衡施氮磷钾肥(CF)、单施有机肥(M)、有机无机肥配施(MCF)和生物有机肥配施化肥(MCFB)5个处理.结果显示,复垦土壤及各组分中有机碳、全氮含量的变化趋势总体均表现为随复垦年限的增加而提高.复垦4年和8年,同CK相比,CF、M、MCF和MCFB处理均显著提高了SOC和TN含量,增幅分别达40.12％-89.97％(4年)、34.16％-71.65％(8年)和22.66％-60.06％、25.86％-37.93％,且以M处理增幅最大;M、MCF和MCFB处理均显著提高了活性组分Ⅱ中碳氮含量,增幅分别为91.74％-141.22％、60.03％-88.27％和24.77％-51.15％、19.73％-66.67％;同CF相比,MCF和MCFB处理均显著提高了复垦8年土壤活性组分Ⅱ中碳氮含量,增幅分别为22.94％-44.62％和41.22％-52.19％.当SOC、活性组分Ⅰ、Ⅱ中碳含量分别达到9.01、1.82和2.25 g/kg时,作物产量达到最大值.本研究表明当养分投入量相同时,单施有机肥更有利于采煤塌陷区复垦土壤及各组分碳氮的累积;另外,土壤有机碳投入水平以及时间还应根据上述阈值进行调整,从而满足土壤科学培肥的要求,达到较高的固碳效率.

丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌用于退化农林生态系统的生物修复研究是当今生态及环境科学领域的热点问题.许多研究表明AM真菌促进植物对土壤磷的吸收利用,为了解不同的AM真菌对土壤磷形态及其转化规律的影响,通过盆栽试验以不接种处理为对照,分别接种幼套近明球囊霉(Claroideoglomus etunicatum,Ce)、摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae,Mo)、根内根孢囊霉(Rhizophagus intraradices,Ri)3种AM真菌,通过连续种植两茬玉米(2015-2016年)后测定AM真菌侵染率、玉米磷素吸收和土壤磷素形态的变化.结果表明:(1)接种3种AM真菌均成功侵染玉米根系,两茬玉米根系AM真菌侵染率顺序均为Ce≥Mo≥Ri,第二茬侵染率(38.3％-68.8％)较第一茬(14.5％-32.5％)有所提高;(2)随着AM真菌的侵染,接种处理显著提高了玉米磷素吸收,提高幅度达25.5％-82.0％;(3)接种3种AM真菌均显著提高了土壤活性态无机磷(H2O-Pi、NaHCO3-Pi)和中等活性无机磷(NaOH-Pi)含量;而土壤中度稳定态磷(HCI-P)和稳定态磷(Residue-P)含量不受影响;接种Mo和Ce对土壤NaHCO3-Pi含量提高最显著,分别提高了141.02％和88.47％,其次为Ri(43.12％);(4)接种Mo和Ri显著提高了土壤中等活性态无机磷(NaOH-Pi)的含量,分别比CK提高了36.15％和18.82％.总之,接种不同AM真菌均能提高根系侵染率、磷素吸收以及促进土壤磷素活性态、中等活性态无机磷(H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi)的转化,提高了土壤磷素的生物有效性,其中接种Ce和Mo能够更好地促进土壤中的磷素向植物可供利用的形态转化,提高植株吸磷量,是适合该矿区土壤的经济高效菌种.

为揭示同一施氮水平下不同有机肥对矿区复垦土壤的氮素矿化过程的影响,以山西省孝义市水峪煤矿采煤塌陷复垦土壤为研究对象,在200 mg/kg施氮水平下(以全氮计),施用鸡粪、猪粪和牛粪,并以不施肥处理为空白对照,在培养温度为20℃和30℃下,进行为期161 d的室内恒温培养试验,分析不同有机肥对矿区复垦土壤氮素矿化的影响,从而为矿区复垦土壤的快速培肥熟化提供理论科学依据.结果表明:(1)在整个培养时期,各施肥处理的硝态氮含量、硝态氮累积量以及累积矿化量总体呈上升趋势,尤其在培养56-84 d迅速增加.在培养结束时(161 d),不同施肥处理的硝态氮含量、硝态氮累积量以及累积矿化量总体表现为鸡粪处理＞猪粪处理＞牛粪处理＞空白处理(P＜0.05).(2)培养初始(0 d),不同施肥处理的铵态氮含量均最高,其中鸡粪、猪粪和牛粪处理之间差异不显著,但三者均显著高于空白处理(P＜0.05).各施肥处理的铵态氮含量在培养0-14 d随着培养时间延长迅速降低,在14-161 d各施肥处理的铵态氮含量基本保持不变,维持在较低水平,培养结束时各处理铵态氮含量均低于1.71 mg/kg.(3)随温度升高,各施肥处理的土壤硝态氮含量、硝态氮累积量和累积矿化量增加,不同温度对各施肥处理的土壤硝态氮含量影响显著(P＜0.05),但不同温度对各施肥处理的土壤硝态氮累积量和累积矿化量影响不显著.总的来说,有机肥的施入促进了矿区复垦土壤氮素矿化,提高了土壤氮素有效性,施用鸡粪对提高土壤有效氮效果最好,不同施肥处理对矿区土壤矿化效果总体表现为鸡粪处理＞猪粪处理＞牛粪处理＞空白处理,并且30℃下各有机肥的矿化效果优于20℃.

作为一种新型土壤改良剂,生物炭对土壤微生物群落的影响已有报道,但在采煤塌陷复垦区土壤氮循环微生物群落对生物炭添加的响应鲜有报道.以生物炭和炭基肥为添加材料,以淮北地区塌陷复垦土为供试土壤,通过室外盆栽试验,采用荧光定量PCR(qPCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)技术,研究不同生物炭处理的土壤硝化和反硝化微生物的菌群变化.试验共设5个处理:对照(CK)、常规化肥(CF)、炭基肥(BF)、2％生物炭配施化肥(LB)和4％生物炭配施化肥(HB).结果 表明:与CK处理相比,各施肥处理均显著提高了土壤氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)、反硝化细菌nirK和nirS基因丰度.与CF处理相比,生物炭和炭基肥处理显著提高了AOB和nirK基因丰度,增幅分别达到42.9％ ～82.1％和33.5％ ～62.7％.冗余分析表明,土壤有机碳、pH、NH4+-N和速效钾是显著影响AOB群落结构的主要因子,而土壤有机碳、pH和NO3-N含量是影响nirK型反硝化细菌群落结构的关键因子.因此,施用生物炭与炭基肥能改良采煤塌陷复垦区土壤质量,提高硝化和反硝化微生物丰度,并改变AOB和nirK型反硝化细菌群落结构.

为阐明复垦土壤微团聚体对有机碳的固存机制,采集不同施肥措施下连续复垦6年的耕层(0-20 cm)土样,采用物理分组方法,分析微团聚体中各有机碳组分[未受保护的细颗粒有机碳(fPOC)、受物理保护的微团聚体内颗粒有机碳(iPOC)、受化学或生物化学保护的矿质结合态有机碳(MOC)]储量的变化,以及SOC含量、微团聚体中各有机碳组分储量与玉米籽粒产量之间的关系.设对照(CK)、施化肥(NPK)、单施有机肥(M)、有机无机肥配施(MNPK)4个处理,另取未复垦生土(RS)和周边未破坏多年种植熟土(US)作为参照.结果显示,同CK相比,各施肥处理均显著提高了玉米籽粒产量,且以M处理的提高效果最佳.NPK处理显著降低了SOC含量,达6.02％;M和MNPK处理均显著提高了SOC含量、fPOC和iPOC储量,增幅分别为20.74％-33.44％、64.44％-115.56％和110.98％-173.17％,且以MNPK处理增幅最大;但MNPK处理显著降低了MOC储量,达13.35％.微团聚体中各有机碳组分储量与SOC含量均呈显著正相关,尤其是fPOC储量,说明复垦土壤有机碳主要固存在fPOC组分中.SOC含量与玉米籽粒产量呈极显著相关,表明该区域复垦土壤有机碳库仍未达到饱和.本研究表明连续6年复垦显著提高了土壤肥力,但同周边农田土壤相比,仍有待继续培肥;MNPK处理对提高该复垦区SOC含量的效果最佳,且增加的有机碳首先累积在fPOC组分中,因此需要长时间持续投入才能恢复土壤有机碳的稳定性.

采煤塌陷土地复垦是补充耕地资源的有效途径之一,然而土壤磷有效性低是限制矿区土地复垦和作物生产的重要因子之一.为了解施用有机肥后矿区复垦土壤中磷的有效性变化,基于作物磷素需求的有机肥施肥模式,进行采煤塌陷复垦土壤(山西省孝义市偏城村)田间试验,分析连续两年施用相同磷量(100 kg/hm2)的鸡粪、猪粪、牛粪和化肥对玉米产量和磷肥利用效率的影响.结果表明:(1)有机肥处理显著提高了玉米的籽粒产量和地上生物量.施肥第一年鸡粪处理增产效果显著高于猪粪和牛粪处理,第二年各施肥处理间差异不显著.玉米产量增加主要是提高了百粒重.(2)各施肥处理0-60 cm土壤剖面有效磷(Olsen-P)含量随土层深度增加呈下降趋势.其中0-20 cm土层有效磷含量鸡粪处理显著高于猪粪和牛粪处理,20-40 cm土层鸡粪和猪粪处理显著高于牛粪处理,40-60 cm土层处理间差异不显著.(3)连续两年施用有机肥及化肥后玉米磷肥利用效率为鸡粪≥猪粪≈牛粪≈化肥.施鸡粪处理磷肥回收率最高,2017年和2018年分别为23.97％和26.99％.鸡粪处理农学磷有效性系数最高(1.47),明显高于猪粪处理(1.00)和牛粪处理(0.89).总之,施用鸡粪显著提高了玉米产量和磷肥利用效率,可作为培肥矿区复垦土壤或与本研究区土壤类型相似的低产农田改良的推荐有机肥.

土壤团聚体的组成和稳定性是评价土壤质量的重要指标,土壤胶结物质是团聚体形成的物质基础,两者密切相关.通过研究不同施肥处理下团聚体胶结物质含量的变化,阐明采煤塌陷区复垦土壤团聚体的分布与形成机制.设不施肥(CK)、施化肥(NPK)、单施有机肥(M)和有机无机肥配施(MNPK)4个处理,另取未复垦生土(RS)和周边未破坏多年种植的熟土(US)作为参照.采集耕层(0-20 cm)非扰动的土样,利用干筛法分析团聚体(＞2、0.25-2、0.053-0.25 mm)和粉黏粒组分(＜0.053 mm)的分布比例,测定团聚体有机胶结物质(多糖、富里酸、胡敏酸和有机碳)和无机胶结物质(碳酸钙和颗粒组成)的含量.结果表明,同RS相比,各施肥处理均显著提高了＞0.25 mm机械稳定性团聚体的数量(R0.25),增幅为5.32％-5.94％,但是均显著降低了平均重量直径(mean weight diameter,MWD)(除M处理外),降幅为7.51％-9.83％,而M处理显著提高了几何平均直径(geometric mean diameter,GMD),增幅为5.65％.同CK相比,各施肥处理对大团聚体(＞0.25 mm)以及粉黏粒组分(＜0.053 mm)的分布比例无显著影响,仅M和MNPK处理显著降低了微团聚体(0.053-0.25 mm)的分布比例,降幅为49.45％-62.40％.各施肥处理对富里酸含量无显著影响.NPK处理仅显著降低了土壤有机碳含量.M处理显著提高了土壤有机碳和碳酸钙含量,却显著降低了土壤黏粒含量.而MNPK处理显著提高了土壤各胶结物质含量(除富里酸和黏粒外).胶结物质与机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性的冗余分析结果表明,各胶结物质中,仅胡敏酸对机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的解释率达到了显著水平(P＜0.05),能够解释57.1％机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化,并且其单独贡献率为75.9％.综上所述,经过6年培肥,同未复垦土壤相比,各施肥处理显著提高了大团聚体的数量,但同周边农田土壤相比,仍有待进一步培肥提高团聚体稳定性;MNPK处理是提高该复垦土壤有机胶结物质含量最有效的措施,胡敏酸是影响该复垦土壤机械稳定性团聚体的分布比例和稳定性变化的唯一显著的胶结物质.