煤炭是我国重要能源, 约占一次性能源的71%, 远高于其他不可再生能源比例^[1]；露天矿开采技术简单、成本低和安全系数高, 未来20年将由目前4%提高到15%^[2]。但是, 露天开采极易造成土地破坏、水土流失、滑坡甚至泥石流。据统计, 我国露天矿平均开采万吨煤炭破坏土地0.22 hm², 挖损0.12 hm², 排土场压占0.10 hm²；2000年后破坏土地以每年8%—9%递增, 到2020年将达6.6万hm²/a^[3]。因此, 排土场生态恢复成为露天矿区建设的紧迫问题。

我国露天煤矿大多集中在降水稀少、土层瘠薄和气候酷寒的东部干旱草原区；但是表土下含有20 m厚的具有丰富营养的粘土未利用, 不仅严重浪费资源更破坏环境^[4-6]。近年来, 微生物技术(菌根技术)对矿区受损环境具有良好修复效果^[6-9], 通过接种AM真菌形成庞大菌丝网络提高植物抗逆性和土壤肥力重建生态系统, 但时间较长是其不足之处^[9-13], 特别是露天矿排土场粘土基质改良尚处于空白, 因此研发新技术实现大规模的快速修复势在必行。当前, 研究主要关注粘土持水能力、团聚体水稳性、土壤胀缩性及阻水滞盐效果^[14-15], 多集中在农业领域。东部露天矿区是我国重要露天煤炭基地, 除极少部分露天矿进行科学复垦, 但是对排土场基质恢复缺乏有效手段。纵观国内外露天矿复垦实践, 露天矿上覆岩土层基质改良是重要课题之一。例如, 岳殷萍等测定粘土和沙土不同配比下理化性状和微生物的变化表明粘土提供稳定的矿质营养, 增加细菌、真菌和放线菌数量, 提高基质保水保肥能力, 为矿区粘土基质利用提供了重要依据^[8]。

表土和风沙土通气透水性好, 合理的孔隙结构和巨大比表面积及丰富的微生物, 混合后有利于粘土基质熟化, 是露天矿粘土基质重要的改良材料^[7-9]。三叶草是豆科固氮植物, 具有培肥土壤的效果^[10-13]。因此, 本文采用粘土与沙土和表土混合的模拟研究, 分析东部草原露天矿区粘土改良规律, 为粘土应用提供技术依据。

1 材料和方法 1.1 样品采集区概况

采样地点位于内蒙古自治区东北部鄂温克旗伊敏露天矿区(48°30′45″—48°50′32″N, 119°30′29″—119°50′36″E), 海拉尔盆地东部, 年均气温低于0℃, ≥10℃积温1500℃, 年降水量200—300 mm, 蒸发量大于2000 mm, 无霜期110 d, 年日照时数4000 h, 属大陆性季风气候。粘土母质主要是白垩纪和第三纪含碳酸钙石灰土, 同时矿区周边有大量沙土和剥离的表土, 为排土场复垦提供材料, 伊敏矿区位置见图 1。

研究区地质柱状图上覆岩土共7层：Ⅰ层为腐殖质层(最大厚度仅为0.3 m), Ⅱ层为黄土(厚度18.4 m), Ⅲ层为亚粘土(厚度为16 m), Ⅳ层为沙砾层(厚度为8 m), Ⅴ层为中砂(厚度为6 m), Ⅵ层仍为砂砾石(厚度为26 m), Ⅶ层为砂岩(厚度为0.8 m)。由于Ⅳ层及以下基质分别为砂砾石、中砂、砂岩, 这些基质属于较硬的岩石层不适于功能提升, 因此本研究将Ⅲ层原状基质作为研究对象, 分析其替代材料开发的可能性。如图 2所示

1.2 试验材料采集

2016年7月在伊敏矿区新形成排土场上按“S”型采集粘土(表土剥离后将粘土堆放形成排土场, 表土用于边坡绿化), 退化草场采集表土和沙土, 采样深度均为0—30 cm。试验开始前粘土、表土和沙土基本理化性状：有机质13.8、16.3和5.70 g/kg, 全氮0.90、1.02和0.54 g/kg, 速效磷3.54、11.23 mg/kg和2.00 mg/kg, 速效钾29.6、87.2 mg/kg和21.6 mg/kg, pH值7.31、7.45和7.91；该地区粘土、表土和沙土类型分别是粉质粘土、黑钙土和典型风沙土, 其中黑钙土粉粒占40%, 粘粒占60%, 具有良好通气、保水保肥能力, 粘土采样位置见表 1。

1.3 试验设计

2016年8月5日—2016年12月5日(120 d)试验在中国矿业大学(北京)日光温室进行, 共9个处理, 即粘土(Clay)、沙土(Sandy)、表土(Topsoil)、粘土与表土(质量比1：1、1：2和1：3)、粘土与沙土(1：1、1：2和1：3), 3次重复, 共27盆, 随机区组排列。试验开始时将混合基质均匀搅拌, 装入19 cm(高)×20 cm (盆口直径)×16 cm(盆底直径)塑料盆内, 每盆5 kg。供试三叶草(Trifolium repens Linn)属多年生豆科植物, 由中国农业科学院草原研究所提供。三叶草种子用10% H₂O₂溶液浸泡10 min, 清水冲洗10次, 每盆均匀播种120粒, 出苗一周后定植100株/盆。称重法将浇水量控制在最大持水量70%, 即粘土与表土和沙土(1：1、1：2和1：3)混合基质, 分别为40.2%、38.5%、34.6%和31.9%、28.6%、24.3%。每隔5 d称重1次, 补充水分至初始重量。出苗30 d加入NH₄NO₃、KH₂PO₄、KNO₃营养液, N、P₂O₅和K₂O浓度分别为100、30 mg/kg和150 mg/kg。试验期间平均温度保持在20℃, 适宜三叶草生长发育。

1.4 样品收获

2016年12月5日收获, 土样混合均匀装入自封袋, 放入4℃冰箱保存。一部分新鲜土样测定土壤生物指标；其余部分自然风干过2 mm土壤筛测定养分指标；盆中原位土壤用于测定其物理指标。然后, 将三叶草地上部植株和根系分别收获, 地上部于105℃烘箱内杀青30 min, 75℃烘至恒重；轻轻抖落根附着土壤, 用清水洗净, 4℃冰箱内保存测定根参数指标。

1.5 指标测定

(1)

式中, M代表环刀和湿土重(g)；G代表环刀重(g)；V代表环刀容积(cm³)；W代表土壤含水量(%)。

土壤饱和入渗率采用土柱法测定^[16], 即土柱由有机玻璃管用玻璃胶粘合而成, 每个有机玻璃管外径为10.0 cm, 内径为8.9 cm, 平均高度为5.1 cm。采取边接高有机玻璃管边填装砂土方式, 通过计算控制每层砂土用量并击实, 使试样达到“控制干密度”1.43 mg/cm³, 整个土柱密实程度均匀, 土柱高度为107.1 cm, 用砂土填满, 竖立于高度为2.5 cm的浅口盘上。从顶部浇水若干次, 直到水从土柱底部流出并沿浅口盘边缘不断漫溢, 形成固定水位。之后在柱顶覆盖双层铝箔纸, 用皮筋固定, 阻止水分蒸发。在无蒸发条件下, 理论上可以取得0到10 KPa (取g=9.81 N/kg)的吸力范围。土柱试验进行39 d, 在此期间不断往浅口盘加水, 保证自由水位不变。试验过后, 用自制的扁口刀沿玻璃胶一节一节地切割土柱, 测量每节有机玻璃管中土的含水量, 作为该节中部高度对应的含水量。

(2)

式中, 土壤密度采用密度值2.65 g/cm³。

土壤最大持水量采用环刀取土, 带回实验室后在环刀下垫一张滤纸, 用皮筋固定在环刀上(防止土粒散出)之后将环刀放在一个盘子里, 给盘中倒水, 没过滤纸即可, 隔天将环刀中的土壤取出, 放在已知重量的铝盒中称重, 得到最大持水量时质量W₁, 之后将铝盒(注意盒盖打开)放在烘箱中105 ℃烘干10小时以上, 至恒重, 称重即可, 得到干土质量W₂。

(3)

土壤团聚体采用湿筛法测定^[16]。湿筛法采用Yoder法, 分别通过5、2、1、0.5 mm和0.25 mm共5个筛级。为了比较不同粒径团聚体的稳定性, 平均重量直径采用式(4)标准化。标准化平均重量直径(NMWD)是衡量团聚体稳定性的一个指标, 其值越低, 表示团聚体稳定性越小。本文所需计算公式如下：

(4)

式中, NMWD表示标准化平均重量直径, r_max为最大初始筛子孔径, r_min为最小筛子孔径。

其中团聚体稳定性采用平均重量直径(MWD)描述。

(5)

式中x_i表示每一粒级的平均直径；w_i表示每一粒级所占的重量比例；n表示分级。

将部分三叶草植株样品研磨至粉末状, H₂SO₄-H₂O₂混合消化样品, 采用凯氏定氮法测定植株全氮含量, 钒钼黄比色法测定全磷含量, 火焰光度法测定全钾含量^[16]。根系用EPSON PERFECTION V750 PRO (Epson Inc., Beijing, China)扫描, Win-RHIZO^TM (Régent Instrument Inc., Québec, Canada)软件处理, 获得根直径、根长、根表面积和根尖数指标。

土壤全氮采用半微量开氏法测定；有机质采用重铬酸钾外加热法测定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用pH 7.0醋酸铵浸提-火焰光度法测定；pH值采用电位法(土：水1：2.5)测定；电导率采用电极法测定；酸性磷酸酶活性采用改进Tabatabai和Brimner方法测定；蔗糖酶活性采用水杨酸比色法测定；脲酶活性采用改进的Hoffmann和Teiche比色法测定；硝酸还原酶活性采用亚硝酸还原比色法测定；固氮酶活性采用乙炔还原法测定^[16]；细菌、真菌和放线菌总数采用稀释平板计数法^[17]。

1.6 数据分析

数据采用Microsoft Excel计算并作图；利用SAS 8.0进行方差分析(ANOVA), 差异显著性水平(P＜0.05)通过最小显著差异法(LSD)检验。

2 结果与分析 2.1 不同基质对三叶草生长的影响

由表 2可知, 粘土与沙土或表土混合显著促进三叶草生长状况。粘土与表土混合, 三叶草生物量、氮、磷、钾吸收量、根直径、根长、根表面积和根尖数比粘土显著提高194%—344%、187%—326%、203%—325%、211%—328%、32.2%—82.7%、25.3%—51.8%、7.5%—45.9%、26.2%—47.6%；其中, 粘土和表土1：2质量比达最高值。同样地, 粘土与沙土混合比沙土平均显著提高2.51、2.81、2.42、2.44、0.63、0.31、0.38和0.32倍。总体上看, 粘土添加沙土效果低于表土改良效应, 粘土和表土1：2配比效果最优化, 与表土间无差异。其中, 根系表面积表征养分吸收能力, 图 3看出, 生物量、养分吸收量与根系比表面积显著正相关, 系数达0.80以上。因此, 三叶草通过吸收充足营养, 提高光合效率促进同化产物合成。

2.2 不同基质物理性状

由表 3可知, 添加表土或沙土改变土壤物理性状, 与粘土相比, 粘土与表土和粘土与沙土1：1、1：2、1：3配比容重显著下降7.4%、16.1%、20.1%、10.8%、19.5%、21.5%；饱和入渗率显著上升26.9%、45.7%、51.6%、66.2%、84.3%、96.3%, 同时, 孔隙度显著增加, 与入渗率变化趋势一致；最大持水量则显著下降了24.5%、31.6%、42.0%、54.1%、63.1%、71.8%；团聚体稳定性随粒级增大而显著降低(P＜0.05)。同一粒级下, 粘土与沙土1：3配比团聚体稳定性显著高于其他处理(P＜0.05), 粘土团聚体稳定性最低(P＜0.05)。

2.3 不同基质化学性状

由表 4可知, 与粘土或沙土相比, 粘土混合基质显著改善土壤化学性状。粘土与表土1：2混合基质全氮、有机质、速效磷、速效钾及电导率均最高, 分别为粘土的1.34、1.15、1.79、2.05、1.06倍和1.87倍；优于1：1和1：3配比效果。粘土与沙土混合基质全氮、有机质、速效磷、速效钾含量比沙土高85.1%—90.7%、45.7%—68.6%、81.5%—102.5%和95.3%—133.3%。粘土和表土1：2配比效果与表土相似, 原因是表土促进粘土营养释放。

2.4 不同基质生物学性状

生物活性是表征养分转化能力重要指标。由表 5可知, 添加表土或沙土显著提高酶活性并增加微生物数量。粘土与表土混合基质磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸还原酶和固氮酶活性比粘土提高63.8%—153.8%、35.6%—113.3%、90%—460%、30.0%—93.1%和133%—555%, 细菌、真菌和放线菌数量增加2倍以上；与沙土相比, 粘土与沙土混合基质磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸还原酶、固氮酶活性及细菌、真菌、放线菌数量显著升高45.4%、172%、159%、62.8%、193%、119%、93.6%和83%, 粘土和表土1：2配比效果最佳。

2.5 有机质与生物指标的相关性

本研究采用线性模型表达土壤指标变化趋势。从图 3看出, 土壤磷酸酶活性与速效磷含量显著正相关, 反映粘土与表土或沙土混合提高磷酸酶活性和速效磷含量；图 4表明, 微生物促进有机质分解, 释放营养, 改善土壤结构, 粘土与表土或沙土混合增加基质真菌、细菌和放线菌数量。微生物种类和数量是土壤改良关键, 加速粘土熟化, 为植被恢复提供载体和物质基础。

2.6 生物量与指标的Pearson相关性分析

由表 6可知, 生物量与基质全氮、有机质、速效磷、速效钾、电导率、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、硝酸还原酶和固氮酶活性及细菌、真菌、放线菌数量显著或极显著正相关。可见, 理化性状、酶活性和微生物数量越高, 生物量增加越显著, 但对生物指标和养分响应程度不同。pH值与有机质显著负相关, 与电导率显著正相关；酸性磷酸酶活性与微生物群落显著正相关；脲酶、蔗糖酶、硝酸还原酶和固氮酶与pH值无显著相关性。全氮与脲酶、硝酸还原酶和固氮酶活性极显著正相关, 与细菌、真菌和放线菌数量具有相同趋势；有机质与蔗糖酶活性和放线菌数量无显著相关, 与其他酶活性或微生物数量均显著或极显著相关；速效磷与酶活性和微生物数量显著正相关；速效钾和电导率具有类似趋势；但与pH值无明显相关性。结果表明, 三叶草生长与基质理化性状、酶活性和微生物间存在协同效应。

3 讨论 3.1 不同配比对三叶草生长和基质理化性状的影响

东部露天矿区气候干旱、降水集中导致侵蚀严重；同时, 高强度露天开采, 对土壤结构造成严重破坏^[18-20]。研究表明, 粘土与沙土和表土不同配比均能改善土壤状况和显著促进三叶草生长, 其中粘土与表土1：2配比, 三叶草生物量、养分吸收显著高于其他处理, 该配比下表土微生物和酶活性激发粘土养分转化, 提高营养浓度的效率最高；根表面积、根长、根直径增大和根尖数增多也证实了这一点^[21], 这与土壤物理结构改善有关。例如, 贵州红粘土上覆盖15 cm和30 cm厚度粉煤灰土壤容重下降到原来的87%和80%, 孔隙度增加3.22%和5.94%, 含水量增加25%^[22]；黄淮海平原黑粘土地区, 通过施用有机肥增加胶结粘粒和孔隙度抑制蒙脱石胀缩性, 提高水稳性团聚体含量, 增大热容和水分储蓄能力, 调节养分供应, 实现黑粘土改良^[22]。外源物通过降低粘粒含量, 缓解土壤板结, 加速有机质分解和养分转化, 恢复微生物活动, 促进粘土质量提升。土壤熟化是东部草原露天矿区粘土改良的关键, 三叶草生物固氮为微生物提供氮源, 参与微生物群落构建^{[13, 20, 23]}。表土改善透气性, 增加有效孔隙和提高导水率^[23]。土壤环境因子与植物生长相互制约, 表明土壤对植物生长的作用, 也说明植物对土壤恢复的指示效果。

3.2 不同配比对基质生物性状的影响

一般来讲, 粘土微生物数量和种类少导致酶活性低, 营养转化能力弱, 添加物促进生物活性提高, 原因是(1)不同添加物含有微生物种类和数量不同, 很大程度上决定酶活性强弱；(2)粘土类型和分布具有明显地域特征。因此, 添加物增加粘土生物学指标的复杂性。本研究与粘土相比, 粘土和表土比粘土和沙土生物活性平均增加13%—22%, 说明表土比沙土效果更佳, 粘土与表土1：2混合基质效果最好。同时, 磷酸酶活性与速效磷、有机质与真菌、细菌和放线菌数量显著正相关, 主要是微生物改善根际营养提高理化性状^[24-26], 粘土和表土1：2混合酶活性和微生物数量最大, 是表土中真菌、细菌和放线菌分泌物的协同作用^[27-28], 与Juge和宋福强等结果基本一致。蔗糖酶参与碳循环, 添加后活性升高有机质增加^{[13, 29]}；磷酸酶促进磷转化^[30], 例如钱奎梅发现煤矸石、粉煤灰和污泥混合基质酶活性高于单一基质也是基于这一原因^[31]。粘土基质吸收更多水分, 巨大比表面积为微生物提供栖息场所, 因此, 粘土与表土1：2配比是适宜东部草原矿区粘土改良的最佳模式。

3.3 室内模拟与实地研究的相似性

本研究采用室内培养试验, 与研究区土壤构型、质地、有机质等有差异。土体构型对水、肥、气、热诸肥力和水盐运移有影响, 良好的土体结构是肥力基础, 质地是影响构型的主要因素。黑钙土和栗钙土是研究区主要土壤类型, 降雨量少导致风化程度低, 土层排列相对简单, 属于上虚下实, 上轻下粘的蒙金型, 黄土和粘土透水性差, 干燥时坚硬, 浸湿后不易干燥, 强度急剧下降, 对理化性状影响巨大, 虽然保水性强, 但透气性弱, 土性冷, 施肥后容易烧苗^[32-33]。较大颗粒沙土和表土调控粘土物理组成, 为排土场改良提供参考。在野外条件下, 降雨增加土壤湿度、激发土壤生物活性, 影响温度进而改变基质性状。

3.4 粘土功能提升的机理

粘土最大特点是通气透水性差, 有效养分、微生物数量少, 生物活性低, 模拟试验表明粘土掺入沙土和表土提高粘土物理、化学和生物学性状^[8], 原因是粘土胶体数量多, 比表面积大, 吸附能力强, 粒间孔隙小, 通气透水性差, 沙土增加粒间孔隙度^[34]。混合基质2—0.25 mm团聚体含量增加, 容重降低, 养分有效性提高, 土壤水分与组分特别是次生物发生反应, 降低水分蒸发, 形成合理结构, 协调土壤水、肥、气、热的关系^[35]。因此, 粘土肥力提高对露天矿区生态恢复具有重要意义。

4 结论

本文通过对我国东部露天矿区排土场改良的模拟研究, 表明粘土与表土1：2配比效果最优, 三叶草生物量, 氮、磷和钾吸收量, 根形态参数和根尖数最大；基质理化、酶活性及微生物数量最佳；指标间具有显著正相关性, 证实添加表土和沙土对粘土具有积极效果。