采煤塌陷区不同年限复垦土壤有机氮库累积特征及机制

Land reclamation is the fundamental approach to reconstruct ecological environment of the mine area, and supply cultivation land area, what’s more, soil organic nitrogen storage capacity is considered as the significant index to evaluate the effects of soil reclamation and fertility betterment. However, reclamation soil organic nitrogen storage capacity change mechanism is an unclear scientific problem at present. In view this, a research based on the long-term experiment of different fertilization treatments and reclamation years is designed to reveal nitrogen accumulation mechanism during the process of soil organic nitrogen pool reconstruction in Lu-an coal mine of Shanxi. Soil organic nitrogen components temporal-spatial change, transformation trends of 15N labeled exogenous nitrogen in the reclamation soil, and the quantitative relationship between microbial community metabolism and different forms of organic nitrogen will be exploded in this research. The results of this study will enrich and perfect the theory of nitrogen accumulation mechanism in reclamation soil system, and provide scientific basis for reclaimed soil building rapidly in coal mining subsidence area.

土地复垦是矿区生态重建、补充耕地的根本途径，而土壤有机氮库容量是衡量复垦培肥效果的重要指标。本项目针对复垦土壤有机氮库变化及其机制尚不明确的科学问题，以山西潞安煤矿不同施肥处理及不同复垦年限长期定位试验为基础，通过对土壤有机氮组分时空变化的分析，结合15N标记外源氮肥在复垦土壤中的转化动向、微生物群落代谢与各形态有机氮的数量关系，揭示不同年限复垦土壤有机氮库重建过程中的氮累积机制。研究结果将丰富和完善矿区复垦土壤系统氮累积机制理论，为我国采煤塌陷区复垦土壤有效快速培肥提供科学依据。

针对采煤塌陷区复垦土壤有机氮库变化及其机制尚不明确的科学问题，本研究依托山西潞安煤矿长期定位试验基地，分析了不同复垦年限及培肥措施下，复垦土壤有机氮库各组分变化规律，采用biolog-ECO和q-PCR技术研究了复垦土壤微生物碳代谢功能多样性及氮代谢的功能基因丰度，并结合15N示踪技术研究了不同外源氮素在复垦土壤中的转化动向。研究表明：复垦土壤各有机氮组分整体表现为非酸解性有机氮> 酸解性铵态氮> 氨基酸态氮> 氨基糖态氮> 酸解未知态氮，随复垦年限增加，非酸解性有机氮、氨基酸态氮和酸碱未知态氮有不同程度提高，而氨基糖态氮却有显著降低，单施有机肥可更大程度提高复垦土壤中非酸解性有机氮和氨基酸态氮含量，单施化肥则可更大程度提高复垦土壤中酸碱性铵态氮和酸碱未知态氮含量；外源氮（化肥氮和有机肥氮）施入复垦土壤后，8.8%—21.4%被植物吸收，22.5%—38.8%损失，39.8%—68.7%残留土壤。外源氮在土壤中主要转化为酸解性铵态氮（15.2%—27.4%）， 其次为酸碱未知态氮，转化为氨基糖态氮的比例最低（2.5%—5.9%），单施有机肥较单施化肥更大程度上增加了外源氮素向非酸解性有机氮的转化比例，减少了向氨基酸态氮和氨基糖态氮转化的比例；复垦土壤糖类和聚合类碳源的微生物量及活性相对较高，而能利用胺类、双亲化合物类碳源的微生物生物量及活性相对较低，单施有机肥或有机无机培肥可更大程度提高复垦土壤微生物羧酸类和氨基酸类碳源的利用程度以及多样性指数；复垦土壤氮转化功能基因丰度总体表现为 AOA-amoA > AOB-amoA >nisS、nirK> nifH，不同处理培肥处理间5种功能基因丰度均表现为有机无机配施> 单施有机肥 > 单施化肥。总体表明复垦土壤增施有机肥或有机无机培肥可更大程度促进羧酸类和氨基酸类碳源微生物活性及氮转化功能基因丰度，进而提高氮素循环转化，同时促进外源氮肥向非酸解性有机氮的转化，最终提高了复垦土壤中非酸解性有机氮和氨基酸态氮含量。研究结果初步揭示了复垦土壤有机氮库重建过程中的氮累积机制，为我国采煤塌陷区复垦土壤有效快速培肥提供科学依据。