黄土丘陵区煤矿区复垦土壤质量演变过程与定向培育

Soil quality decreased greatly by coal mining, which threatens local social economy and sustainable development of agriculture. The evolutive process and directive fertilizing soil quality in reclaimed coal-mining area is the basic scientific question of reclaimed soil research, in which systematic research is needed. Considering the major problem of reclaimed soil, such as the negative change of soil organic matter, nitrogen content, soil physical structure, microbial diversity, ecosystem function and the climatic character in coal-mining area in Shanxi Province, this project will study the following ecological processes of reclaimed soil with diverse reclaim and fertilizing methods with modern physical, chemical and biological technology: the evolutive character of soil organic matter, conversion efficiency of organic fertilizers, nitrogen accumulation, the mechanism of how nitrogen-fixing bacteria improve soil nitrogen, the improving of soil physical structure, especially the change of micro aggregate, the mechanism of how humic acid and regulator of soil structure act, soil microbial quantity, population and diversity, the development characters of soil organisms in fertile soil, the processes and mechanisms of plants with different roots improving soil quality. Overall, this project will clarify the processes and mechanisms of how to improve the soil quality in reclaimed soil, with the aspects of soil organic matter, nitrogen, physical structure and ecological function, which will provide theoretical base for the technology of improving soil quality in coal-mining area in Loess Plateau.

煤矿开采造成土壤质量大幅度下降，严重威胁我国区域社会经济与农业可持续发展。矿区复垦土壤质量演变与定向培育，是复垦土壤质量提升的基础科学问题，尚缺乏系统的研究。本项目针对复垦土壤有机质和氮素含量低、土壤结构差、土壤微生物多样性和生态功能低等突出问题，结合山西矿区气候特点，采用现代物理、化学和生物技术，系统研究黄土丘陵区不同复垦方式和培肥措施下，土壤有机质组分演变特征、不同有机物料转化效率、土壤氮素累积特征及固氮菌提升土壤氮素养分的作用和机制、土壤结构特别是团聚体变化及土壤结构调节剂、腐殖酸的作用机制、土壤微生物数量和种群、功能多样性演变与沃土微生物功能种群的发育规律、不同根系植物改善土壤质量的过程及其主要作用机制。从土壤有机质、氮素、结构、生态功能改善的主要方面阐明复垦土壤质量提升的过程与调控原理，为黄土丘陵区矿区复垦土壤质量提升技术提供理论依据。

本项目针对矿区复垦土壤质量差，突出表现为土壤有机质含量和氮素保持能力低、土壤结构差、土壤微生物多样性低和生态功能脆弱的问题，采用现代物理、化学和生物技术，开展黄土丘陵区不同复垦方式、不同培肥措施和不同植物种植下，土壤有机质组分、土壤氮素、土壤结构、土壤微生物多样性等的观测与分析。结果表明，在1年内猪粪的腐解速率明显高于秸秆，是培肥矿区复垦土壤的首选材料；有机肥配施化肥是快速恢复煤矿复垦区土壤有机碳含量和土壤结构的有效措施；由于有机碳固存组分差异，剥离复垦土壤固碳效率最高。腐殖酸、泥炭和蛭石三种改良剂均能降低土壤容重、增加复垦土壤>0.25mm水稳性大团聚体含量和机械稳定性，以腐殖酸的效果最好。生物炭对复垦土壤氮素含量有明显的提高作用，有机肥配施生物炭与单施有机肥相比，土壤全氮、碱解氮、硝态氮和微生物氮的含量分别增加了1.5%，11.1%，20.3%和8.8%；氨基酸态氮、氨基糖氮、未知态氮的含量分别增加了7.7%，9.2%，3.6%。化学氮肥与固氮菌剂配施可显著提高土壤溶解性总氮、铵态氮含量，从而有效提高土壤氮素累积；固氮菌配合有机肥施用对土壤氮素提升贡献更大。不同复垦年限（0、1、2、6、10年）的土壤肥力水平随复垦年限的延长逐渐提高；土壤微生物群落的丰富度指数、多样性指数随之逐渐提高；通过高通量测序等确定了主导土壤肥力提升的高效功能微生物6株，构建了沃土微生物功能菌群。不同植物种植下复垦土壤有机碳含量、水稳性团聚体数量及根际土壤微生物多样性均显著增加，须根系植物玉米比直根系植物毛苕子、大豆、苜蓿在改善土壤耕层理化性质方面的效果更佳。这些结果显示了矿区复垦土壤质量演变特征，对其定向培育技术选择提供了科学依据。项目在国内外主流学术期刊发表论文38篇，其中SCI论文10篇；培养博士后2名，博士5名，硕士17名；获批国家专利2件。项目取得了良好的成果，圆满完成了任务与指标。