山西省是我国重要的能源基地, 煤炭储藏面积为6.2万km2, 约占全国储量的1/3。随着煤矿开采导致大面积地面塌陷, 矿区的土地资源和生态环境遭受了严重破坏, 其中以土地破坏最为明显[1]。矿区土地复垦是我国实现耕地总量动态平衡、缓解人地矛盾的重要途径。在我国塌陷地复垦率还非常低, 仅约占10%~15%, 开展矿区土地复垦是十分必要的[2]。采煤塌陷区土壤复垦后, 表现为结构不良, 养分含量低, 尤其是磷素生物有效性低, Ca-P固定强烈, 因此保证复垦土壤磷的高效利用是矿区土壤复垦成功与否的关键[3]。
解磷微生物能够将土壤中的难溶性磷转化为植物可以吸收利用的形态, 在改善土壤磷素营养状况、提高磷素利用率和促进作物增产等方面具有重要作用[4-5]。目前, 解磷菌肥对石灰性土壤磷形态及有效性的影响已有研究[6], 但在结构不良的复垦土壤上施用解磷菌肥后, 其磷素形态及有效性变化方面的报道还较少。笔者以山西潞安集团五阳煤矿采煤塌陷区复垦5 a的土壤为对象, 旨在探索施用解磷菌肥对复垦土壤磷素形态变化及吸附解吸特性的影响, 为提高采煤塌陷区复垦土壤的磷素有效性、快速培肥熟化提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验区位于山西省长治市襄垣县王桥镇洛江沟村, 属于潞安集团五阳煤矿井田范围的采煤塌陷区, 地理位置为北纬36°28′11.95″、东经113°00′52.57″, 属暖温带半湿润大陆性季风气候区; 年平均气温为9.5 ℃, 年平均降水量为532.8 mm, 无霜期为160 d。该试验在塌陷区复垦5 a土壤上进行, 土壤类型为石灰性褐土, 0~20 cm土壤w(有机质)为8.20 g·kg-1, w(全氮)为0.41 g·kg-1, w(全磷)为0.45 g·kg-1, w(全钾)为22.92 g·kg-1, w(碱解氮)为31.85 mg·kg-1, w(有效磷)为4.58 mg·kg-1, w(速效钾)为118.29 mg·kg-1。该复垦土壤肥力水平较低。
1.2 试验设计试验采用单因素随机区组设计, 共设7个处理, 分别为对照(CK)、化肥(CF)、化肥+解磷菌肥(CFB)、有机肥(M)、有机肥+解磷菌肥(MB)、有机肥+化肥(MCF, w=50%的有机肥氮和w=50%的化肥氮)和有机肥+化肥+解磷菌肥(MCFB), 每个处理重复3次, 小区面积为100 m2(10 m×10 m)。除对照外, 各施肥处理N、P2O5和K2O施用量分别为201.5、185.0和98.5 kg·hm-2。解磷菌肥用量为750 kg·hm-2, 计算其N、P、K养分含量后再确定其他肥料用量。有机肥为完全腐熟的鸡粪, 该肥料有机质、N、P2O5和K2O质量分数分别为27.2%、1.68%、1.54%和0.82%。化肥分别使用尿素(N质量分数为46.4%)、过磷酸钙(P2O5质量分数为16%)和氯化钾(K2O质量分数为60%)。解磷菌肥所用菌种为1株拉恩菌(Rahnella)和2株荧光假单胞菌(Fluorescent pseudominas), 彼此之间不存在拮抗作用, 高密度发酵后, 按V(菌液):m(腐熟的鸡粪)=1:9的比例将两者在搅拌机中混匀, 制成解磷菌肥, 有效活菌数(以cfu计)≥0.5×108 g-1。所有肥料均在玉米种植前一次性施入。供试玉米品种为先玉335, 播种密度为6万株·hm-2, 试验于2014年4月28日播种, 9月26日收获。
1.3 样品采集与测定在玉米收获后, 按照多点混合原则进行采样, 用土钻采集每个试验小区内0~20 cm土层土壤5个点, 混合后采用四分法将多余土壤弃去, 除去植物根茬、石砾, 风干过筛后, 以备测定各项指标。土壤pH值采用电位法测定; 有机质含量采用重铬酸钾容量法测定; 土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提、钼蓝比色法测定。土壤无机磷分级采用顾益初-蒋柏藩的土壤无机磷形态分级方法[7]。
土壤磷吸附解吸的测定[8]:分别称取2.5 g风干土样7份置于50 mL离心管中, 分别加入50 mL磷含量为0、10、20、40、60、100和150 μg·mL-1的CaCl2溶液, 加入3滴1.0 g·L-1氯仿以抑制微生物的活动。在(25±1) ℃条件下振荡1 h后, 静置平衡24 h, 离心(10 min, 4 000 r·min-1, 离心半径为30 cm), 取上清液用钼锑抗比色法测定磷含量, 土壤吸磷量为加入的磷量与上清液中磷含量(平衡后溶液中磷含量)的差值。用Langmuir方程拟合, 确定复垦土壤对磷的最大吸附量(Xm)。Langmuir方程为
| $C/X = C/{X_{\rm{m}}} + 1/(K{\rm{ }}{X_{\rm{m}}})。$ | (1) |
式(1) 中, C为平衡溶液中磷质量浓度, μg·mL-1; X为土壤吸磷量, mg·kg-1; K为吸附常数; Xm为土壤最大吸磷量, mg·kg-1。
土壤最大缓冲容量(MBC, CMB, mg·kg-1)的计算公式为CMB=KXm。它可以作为土壤对磷吸持性的特征参数, 是反映土壤供磷特性的综合指标[9-10]。
吸附试验后倾倒出上清液, 用25 mL饱和NaCl溶液洗涤2次并离心(10 min, 4 000 r·min-1, 离心半径为30 cm), 再在离心管中加入25 mL 0.01 mol·L-1 CaCl2溶液, 同时加入3滴甲苯, 在(25±1) ℃恒温摇床中振荡1 h后, 静置平衡24 h, 离心, 吸取上清液用钼锑抗比色法测定, 计算磷的解吸量。复垦土壤磷解吸率为土壤磷的解吸量与吸附量的百分比。
1.4 数据分析采用Excel 2007软件对数据进行整理制图, 采用SPSS 17.0软件对试验数据进行方差分析、显著性检验(α=0.05) 和通径分析。
2 结果与分析 2.1 解磷菌肥对采煤塌陷土壤有效磷的影响由图 1可知, 施用解磷菌肥处理有效磷含量比不施用菌肥处理均有所提高。MCFB处理有效磷含量最高; 与CF处理相比, CFB处理有效磷含量增加0.96%, 差异不显著; 与M处理相比, MB处理有效磷含量增加9.5%, 差异显著(P＜0.05);与MCF处理相比, MCFB处理有效磷含量增加7.8%, 差异显著(P＜0.05);MB与MCFB处理差异不显著。上述结果说明在施用有机肥基础上配施解磷菌肥, 可以显著提高土壤中有效磷含量。
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图 1 配施解磷菌肥对采煤塌陷复垦土壤有效磷含量的影响 Figure 1 Effect of admendment of biomanure of phosphorus-solubilizing bacteria on soil available phosphorus in reclaimed farmland in coal mining subsidence area CK—对照; CF—化肥; CFB—化肥+解磷菌肥; M—有机肥; MB—有机肥+解磷菌肥; MCF—有机肥+化肥; MCFB—有机肥+化肥+解磷菌肥。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间土壤有效磷含量差异显著(P＜0.05) |
由表 1可知, 施用解磷菌肥处理Ca2-P和Ca8-P含量略有增加, 但差异不显著。MB、M处理Ca2-P含量显著高于CF和CFB处理, MB与M以及MCFB与MCF处理之间差异均不显著。与不施解磷菌肥处理相比, 施用解磷菌肥处理Al-P、Fe-P含量呈现降低趋势, 降低幅度分别为6.42%~13.15%和17.84%~23.19%。MCFB、CFB处理能够显著提高复垦土壤闭蓄态磷(O-P)含量, 分别比MCF、CF处理增加13.13%、25.09%, MB与M处理之间差异不显著, 但施用菌肥处理O-P含量也呈现增加趋势。Ca10-P是研究区复垦土壤无机磷的主要形态, 占无机磷总量的40.28%~57.31%。施用解磷菌肥处理在一定程度上可以降低土壤Ca10-P含量, 降低幅度为0.27%~2.45%。
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表 1 解磷菌肥对采煤塌陷土壤无机磷组分的影响 Table 1 Effect of admendment of the biomanure on fractionation of inorganic phosphorus in soil of coal mining subsidence |
采煤塌陷区复垦土壤各形态无机磷组分与有效磷的相关分析表明, 有效磷含量与Ca2-P含量、Ca8-P含量之间都存在极显著正相关关系(P＜0.01), 相关系数分别为0.997和0.926, 说明复垦土壤Ca2-P、Ca8-P对土壤有效磷的贡献较大; Al-P含量、Fe-P含量、Ca10-P含量与有效磷含量的相关系数分别为0.399、0.088和0.377, 均未达显著水平, 3者对有效磷贡献较小。这说明配施解磷菌肥后Ca2-P、Ca8-P含量增加, 从而对复垦土壤有效磷含量的提高起到积极作用。为了进一步明确各无机磷组分对有效磷影响的相对重要性, 对复垦土壤各无机磷组分与有效磷进行通径分析。
由表 2可知, 各无机磷组分对有效磷的相对重要性依次为Ca2-P(1.002)、O-P(-0.464)、Ca8-P(0.350)、Fe-P(-0.336)、Ca10-P(0.196) 和Al-P(-0.025)。复垦土壤Ca2-P对土壤有效磷的影响主要通过自身的直接影响而起作用, 而Ca8-P和Ca10-P对有效磷的正效应影响是由自身正效应的影响和通过Ca2-P的间接影响共同体现。Al-P(-0.025) 的直接效应为负效应, 主要通过Ca2-P(0.388) 和Ca8-P (0.227) 的间接影响掩盖了其负效应, 最终表现为正值。O-P含量与有效磷含量呈极显著负相关, 但它通过Ca2-P (0.893) 和Ca8-P (0.314) 都有一个较大的间接通径系数。可见, Al-P、O-P可以在不同程度上通过影响Ca2-P和Ca8-P而间接影响有效磷。
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表 2 土壤有效磷与各形态无机磷的通径分析 Table 2 Path analysis of soil available phosphorus and various fractions of inorganic phosphorus |
土壤对磷的吸附特征可以通过Langmuir等温吸附方程来较好地描述[11]。解磷菌肥对采煤塌陷复垦土壤磷吸附参数的影响见表 3。由表 3可知, 不同处理磷等温吸附曲线方程的相关系数r在0.933 1~0.993 6之间, 相关极显著(P＜0.01), 拟合度达极显著水平, 说明用Langmuir等温吸附方程来拟合复垦土壤磷在固相与液相之间的分配特征是完全可行的, 可以更好地研究各处理土壤磷吸附特性。
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表 3 配施解磷菌肥对采煤塌陷区复垦土壤磷吸附参数的影响 Table 3 Effect of admendment of the biomanure on P adsorptiom characteristics of reclaimed soil in coal mining subsidence area |
复垦土壤磷吸附常数K的范围在0.061~0.102之间。各处理拟合方程中K值由大到小依次为CK、CF、CFB、MCF、M、MB和MCFB。MCFB处理K值最小, 比CK降低40.20%, 且与其他处理之间差异显著。与不施解磷菌肥处理相比, 施用解磷菌肥处理K值要小, 这说明解磷菌肥的施用对土壤K有一定降低作用。复垦土壤不同处理Xm变化范围为436.67~596.56 mg·kg-1, MCFB处理Xm最小, 与MB、MCF处理之间差异不显著。复垦土壤MCFB处理MBC最低, 与其他处理之间差异显著, 比CK降低55.96%, 比MCF处理降低30.88%, 施用有机肥处理均有降低MBC的作用。
2.5 配施解磷菌肥对复垦土壤磷解吸特征的影响土壤中磷的解吸过程被认为是土壤吸附磷的再利用过程, 它能提高土壤磷的有效性[12]。以平衡溶液磷质量浓度为横坐标, 以土壤磷解吸量为纵坐标, 得到不同复垦年限土壤的等温解吸曲线(图 2)。
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图 2 不同施肥处理的土壤磷等温解吸曲线 Figure 2 Isothermal curve of soil phosphorus desorption relative to treatment |
由图 2可知, 当平衡溶液磷质量浓度较低时, 吸附曲线的斜率较大; 当溶液中磷质量浓度达到一定数值时, 随着平衡溶液浓度的增加, 磷的解吸量增加逐渐减缓。各处理磷最大解吸量大小依次为MCFB、MCF、MB、M、CFB、CF和CK。施用解磷菌肥处理磷最大解吸量均大于相应不施解磷菌肥处理, MCFB处理土壤磷解吸量最大, 与MB处理之间差异不显著。
由表 4可知, 各处理复垦土壤磷的平均解吸率(a)大小依次为MCFB、MB、MCF、M、CFB、CF和CK。MCFB处理土壤磷的a值最高, 比对照增加89.71%, 比MCF处理增加11.37%, 比MB处理增加9.71%。这说明施用有机肥+化肥+解磷菌肥对土壤磷的平均解吸率有一定的提高作用。
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表 4 平衡溶液磷浓度与土壤磷解吸率的回归分析 Table 4 Regression analysis of phosphorus desorption rate and P concentration in equilibrium soil solution |
由表 5可知, 施用有机肥处理(M、MB、MCF和MCFB)土壤pH值与CK相比差异不显著, 而CF、CFB处理与CK差异显著, 说明施用有机肥与解磷菌肥对土壤pH值影响较小, 而施用化肥对复垦土壤pH值影响较大。
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表 5 配施解磷菌肥对复垦土壤pH值、有机质含量及玉米产量的影响 Table 5 Effects of admendment of the biomanure on soil pH, organic matter and maize yield in reclaimed soil |
由表 5还可知, MCFB处理有机质含量最高, 与MCF处理之间差异显著, 比MCF处理提高17.62%;与MB处理之间差异不显著。这说明在施用有机肥、化肥基础上, 配施解磷菌肥对土壤有机质含量有一定的促进作用, 效果与有机肥+解磷菌肥处理相当。由表 5可知, MCFB处理玉米产量最高, 比MCF处理提高3.82%, 两者差异显著; MB处理玉米产量比M处理提高4.07%, 两者差异显著(P＜0.05), 但CFB处理与CF处理之间差异不显著。这说明在施用有机肥基础上配施解磷菌肥可以显著提高玉米产量, 而化肥与解磷菌肥配施对玉米产量影响不大。
3 讨论施用解磷菌肥可以改变各形态无机磷含量。潘虹等[6]研究发现石灰性土壤浇灌解磷细菌发酵液后, Ca2-P、Ca8-P含量增加, Al-P、O-P和Ca10-P含量变化不大。梁利宝[13]也证实解磷细菌能够提高石灰性土壤Ca2-P、Al-P含量, 降低Ca8-P、Ca10-P含量。笔者研究表明施用解磷菌肥可以有效提高采煤塌陷区复垦土壤有效磷含量, 提高Ca2-P、Ca8-P和O-P含量, 降低Al-P、Fe-P和Ca10-P含量, 主要是因为解磷菌肥在代谢过程中会分泌一些有机酸和磷酸酶, 可以作为Ca、Al和Fe等离子的螯合剂, 从而使部分难溶性磷酸盐溶解, 有效磷含量增加[14-16]。
一般地, 磷吸附常数K值越大, 土壤对磷的吸附能力越强[17]。土壤最大吸磷量Xm常用来反映土壤中胶体对磷吸附位点数量的高低, 一般在土壤达到最大吸磷量之后, 才会向作物提供磷素。一般地，MBC较大的土壤供磷强度较弱[18]。笔者研究发现有机肥+化肥+解磷菌肥可以提高复垦土壤有效磷含量, 对K、Xm和MBC均有明显的降低作用, 可能是因为解磷微生物在土壤中分泌的有机酸可以与复垦土壤中的磷酸根离子竞争磷吸附位点, 减少土壤对磷的吸附[19]。
笔者研究发现配施解磷菌肥处理对复垦土壤pH值影响较小, 对土壤有机质含量有一定影响。土壤有机质含量与土壤磷解吸率呈显著正相关关系[20]。施用有机肥+解磷菌肥可以显著提高复垦土壤磷的最大解磷量和平均解吸率, 主要是由于解磷微生物在腐解植物残体过程中产生胡敏酸和富里酸, 它们可以与Ca、Al和Fe形成稳定的可溶性复合物, 能够有效地降低土壤中无机胶体对磷的吸附能力, 使吸附在土壤胶体表面的磷更容易解吸到土壤溶液中[21]。
4 结论(1) 在施用有机肥基础上增施解磷菌肥可有效提高复垦土壤有效磷含量, 增加幅度为7.8%~9.5%。
(2) 施用解磷菌肥可以提高土壤Ca2-P、Ca8-P和O-P含量, 降低Al-P、Fe-P和Ca10-P含量。有效磷含量与Ca2-P含量、Ca8-P含量之间都存在极显著正相关关系, 相关系数分别为0.997和0.926, 说明复垦土壤Ca2-P、Ca8-P对土壤有效磷的贡献较大。由通径分析结果可知复垦土壤Ca2-P对有效磷的影响主要通过自身的直接影响而起作用, Ca8-P、Ca10-P通过Ca2-P的间接作用影响有效磷含量。
(3) 有机肥+化肥+解磷菌肥处理可显著降低K值和MBC。与不施解磷菌肥处理相比, 施用解磷菌肥处理对Xm的影响较小。解磷菌肥可以提高复垦土壤磷的最大解吸量和解吸率, 进而提高复垦土壤磷素有效性。
(4) 配施解磷菌肥对土壤pH值影响较小, 对土壤有机质含量有一定影响, MCFB处理可以显著提高玉米产量, 比有机肥+化肥处理提高3.82%。
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