【摘 要】
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煤炭开采造成了地表大面积坍塌,导致土地生态系统遭到破坏,耕地数量下降、养分匮乏,尤其是土壤有效磷含量。施用有机肥可以快速培肥地力,提高土壤中的有效磷含量,然而不同有机肥对土壤磷素含量及其在剖面上的影响是否相同?不同有机肥对矿区复垦土壤磷素淋失风险的影响是否一致?这些问题均是复垦土壤培肥过程中尚不明确的科学问题。为此,本研究通过山西孝义偏城村采煤塌陷定位培肥试验点,采用Wang等提出的磷源系数(Ph
【基金项目】
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国家自然科学基金项目 (项目编号 41601327); 山西省面上项目; 山西省留学回国人员科研基金项目(项目编号20150—061); 山西省留学回国人员科技活动择优基金项目;
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煤炭开采造成了地表大面积坍塌,导致土地生态系统遭到破坏,耕地数量下降、养分匮乏,尤其是土壤有效磷含量。施用有机肥可以快速培肥地力,提高土壤中的有效磷含量,然而不同有机肥对土壤磷素含量及其在剖面上的影响是否相同?不同有机肥对矿区复垦土壤磷素淋失风险的影响是否一致?这些问题均是复垦土壤培肥过程中尚不明确的科学问题。为此,本研究通过山西孝义偏城村采煤塌陷定位培肥试验点,采用Wang等提出的磷源系数(Phosphorus source coefficient PSC)概念,旨在通过室内好气培养法来探究不同施磷量下(0,25,50,100 kg/hm~2)相对于化肥而言,不同有机肥对矿区复垦土壤磷素潜能大小的影响;同时通过大田试验研究不同有机肥(鸡粪、猪粪、牛粪)和化肥在不同施磷水平下(0,25,50,100 kg/hm~2)对矿区复垦土壤磷素含量及不同磷指标之间的相关关系,以评估矿区复垦土壤磷素淋失潜能,为科学合理利用有机肥培肥矿区复垦土壤减小矿区土壤磷素的潜在淋失风险提供理论依据。主要研究结果如下:(1)通过室内好气培养法对不同有机肥PSC的研究表明:土壤PSC值与施磷量之间存在正相关关系,且各施磷量下土壤PSC差异显著(P<0.05)。鸡粪、猪粪和牛粪处理土壤PSC值分别为92.71%~223.76%、64.00%~193.06%和44.92%~131.79%,各施肥处理之间差异显著;各有机肥处理的土壤PSC值随培养时间的延长呈现出先上升后下降最后趋于稳定的趋势,均在培养14天时PSC出现最大值。同时,采用Mehlich3(M3)、Olsen(Ol)和CaCl2三种浸提法测定土壤PSC,各施肥处理PSCM3与培养时间之间均存在显著的正相关关系(r~2=0.63~0.78 P<0.05);鸡粪处理PSCOlsen与培养时间之间则存在显著的正相关关系(r~2=0.63 P<0.05),猪粪和牛粪处理与培养时间之间无显著相关性;鸡粪和猪粪处理PSCCaCl2与培养时间之间存在显著相关性(0.62~0.71 P<0.05),而牛粪处理土壤PSCCaCl2与培养时间之间无显著相关性,表明PSCM3值可作为评估矿区复垦土壤磷素流失潜能的指标。综上所述,各施磷量下鸡粪处理的PSCM3值在培养14天时最能表示土壤磷素的流失潜能。(2)通过大田试验研究施用不同用量有机肥和化肥对矿区复垦土壤剖面磷素形态的影响。结果表明:不同施肥处理0-60cm土层磷素含量的变化趋势均表现为随土层深度的增加而降低。与不施肥处理(CK)相比,施用有机肥和化肥显著增加0-20cm土层的TP(Total Phosphorus)、Olsen-P、Mehlich3-P、CaCl2-P的含量,增幅分别为19.63%~95.84%、158.64%~1183.77%、18.52%~217.84%、6.45%~534.57%;当施磷量低于50 kg/hm~2时,各处理间土壤磷素含量无显著差异;而施磷量超过50 kg/hm~2时,有机肥处理对土壤磷素含量的影响要高于化肥处理。在20-60cm土层,随复垦年限及施磷水平的增加,土层中各磷素含量有增加的趋势,且随土层深度的增加,土壤中各磷素含量不断降低;各施肥处理对0-60cm剖面上土壤磷素的影响总体上表现为:鸡粪≥猪粪>牛粪>化肥。(3)通过对不同磷指标含量变化及相关性分析,利用分段线性模型对矿区复垦土壤0-20cm土层磷素流失风险潜能进行拟合,结果表明:各施肥处理土壤TP与Olsen-P、Olsen-P与CaCl2-P、CaCl2-P与PSR(Phosphorus Saturation Ratio)、PSR与Olsen-P之间存在显著的线性相关性。与猪粪、牛粪和化肥处理相比,鸡粪处理对矿区复垦土壤磷素流失风险影响最大,当Olsen-P≥28.23 mg/kg,PSR≥0.06或者CaCl2-P≥0.10 mg/kg时,土壤磷素流失潜能加大,且施磷量越高,淋失风险越大,因此可将上述数值作为矿区复垦土壤磷素流失的环境阈值。与复垦四年相比,鸡粪、猪粪、牛粪和化肥处理复垦五年土壤SPSC(Soil Phosphorus Storage Capacity)值分别降低了77.88%~227.54%、58.65%~104.31%、60.15%~88.79%和57.99%~76.84%,表明土壤可容纳外源磷的能力降低,其中鸡粪和猪粪处理土壤磷储存容量(SPSC)均在施磷量≥100kg/hm~2时为负值,牛粪和化肥处理SPSC值无限接近于0。因此,要加强有机肥的科学施用,当施磷量超过100kg/hm~2时要警惕施用有机肥对地表、地下水的污染,降低环境流失风险,减少因施肥过多所引起的资源浪费现象。
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