采煤沉陷区裂缝边缘带土壤、作物、微生物响应

[目的]研究采煤沉陷区裂缝边缘带土壤、作物、微生物变化特征,为开展沉陷区生态减损与自修复提供理论依据。[方法]以神东矿采煤沉陷区作为研究对象,采用野外监测结合室内分析从裂缝产生初始阶段(LFC)至裂缝发育相对稳定阶段(LFW)15 d内,裂缝边缘带土壤、作物、微生物响应特征。[结果]裂缝边缘带表层10 cm深度范围内土壤含水率在裂缝产生3 d后损失殆尽且后期无法恢复,20 cm以下深度的土壤含水率虽受影响,但并不显著。沉陷区裂缝对土壤理化指标及酶活性产生了扰动影响,但并不显著。沉陷区裂缝发育对边缘带土壤微生物造成了扰动影响,使得土壤微生物群落均匀度、相对丰度降低,细菌相对丰度大于1%的优势菌门少了装甲菌门(Armatimonadetes)、和厚壁菌门(Firmicutes); 真菌相对丰度大于1%的优势菌门少了芽枝霉门(Blastocladiomycota)。RDA分析表明,土壤T,OM,AK,AP,pH,AN是驱动土壤微生物群落结构变化的核心因子。Pearson相关性分析表明裂缝边缘带作物遭受土壤水分和温度胁迫显著,体内可溶性糖SS、超氧化物歧化酶SOD、可溶性蛋白SP、丙二醛MAD含量上升,且受胁迫程度为:玉米>卷心菜>土豆。[结论]沉陷区裂缝发育是推动裂缝边缘带土壤环境因子、微生物群落及作物产生联动响应的源动力。     

接种AM真菌对采煤沉陷区文冠果生长及土壤特性的影响

煤炭井工开采往往造成地表塌陷,导致了土壤养分贫瘠和水分缺乏,土壤沙化和水土流失,从而限制了当地矿区植被生长,而丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AM真菌)对植被生长有促进作用。以文冠果为宿主植物,采用野外原位监测和室内分析方法,研究了未接种和接种丛枝菌根真菌对采煤沉陷区复垦植物文冠果生长和土壤特性的影响。结果表明:与未接种AM真菌处理相比,接种AM真菌显著提高了文冠果根系菌根侵染率和土壤根外菌丝密度,7月接种AM真菌文冠果的株高、冠幅和地径提高了31.89%,23.07%,9.89%。同时,9月接种AM真菌处理的根际土壤全氮、碱解氮和有机碳含量分别比对照组增加0.29g/kg、13.0mg/kg和1.4g/kg,接种AM真菌显著提高了根际土壤的含水率、总球囊霉素和易提取球囊霉素,而速效磷和速效钾的含量显著降低。相关分析结果表明,菌根侵染率、土壤根外菌丝密度与根际土壤理化性质之间存在协同反馈效应。因此,接种AM真菌促进了采煤沉陷区复垦植被文冠果的生长和土壤的改良,这对矿区水土保持、维持生态系统稳定性和持续性具有重要意义。     

解磷菌剂对作物生长和土壤磷素的影响

利用课题组自行分离筛选的B2和B67解磷菌株研制的菌剂，在盆栽和大田试验过程中，菌剂在增加作物产量的同时，有提高土壤速效磷含量、培肥土壤的作用，而且是菌剂和化肥配合施用效果显著。施用了解磷菌剂或菌剂和化肥配合施用后，盆栽玉米的株高、鲜重和干重，较CK增加15．2％～89．2％，玉米单株吸养量较CK增加20％～146％；青菜的鲜重、干重和生物量较CK增加15．8％～41．6％，和CK比较差异显著；小麦的株高、有效小穗数、穗粒数、粒重以及生物量也较CK差异显著，大田试验的几种作物也有不同程度的增产。另外B2和B67接种到山西省典型土壤中，土壤速效磷含量较CK增加1．35～3．04倍，且发现其溶磷效果和土壤磷酸酶活性与有效活菌数相关，解磷菌剂在提高土壤速效磷含量的同时，也有提高土壤速效钾含量的作用。     

井工煤矿沉陷区土地复垦评价专家系统初步设计

为了提高土地复垦评价的效率,实现土地复垦评价的自动化和智能化,以Microsoft Visual C2010、ArcEngine、ArcSDE等技术为开发环境,采用Microsoft Visual C2010语言与ArcEngine开发组件集成的方式,设计了井工煤矿沉陷区土地复垦评价专家系统。该系统包括地图操作、知识获取、适宜性评价、获取专家意见等功能模块。系统通过专家知识、经验,自动匹配复垦模式,确定复垦方向,避免了复垦工程规划设计中的不足。     

粉煤灰对土壤和作物生长的影响

粉煤灰施用量控制在６０～６００ｔ／ｈｍ＾２,不会造成土壤、且能改善土壤的物理、化学和生物学性质,有利于养分的转化。粉煤灰磁化后,１．５～７．５ｔ／ｈｍ＾２的施用量即可达到最佳的改土增产效果。本文在分析粉煤灰理化性质的基础上,讨论了粉煤灰对土壤和作物生长的影响,同时也提出了降低粉煤灰中有害物质对土壤和作物不利影响的农用技术。     

免耕与翻耕直播对土壤特性及水稻生长的影响

通过对土壤的容重,氧化还原电位,土温,通气孔隙,剖面结构和水稻根系,伤流液,灌浆速度,分蘖状况,经济性状等项目的测定,试验研究免耕与翻耕直播技术,明确了免耕 对于翻耕直播不但能促进水稻生长,还能改善土壤结构,保护土壤,是一项更轻型化的栽培技术。     

长期不同施肥对旱地红壤性质和作物生长的影响

通过对红壤旱地连续13年定位监测研究,发现在红壤旱地长期坚持有机肥料与无机肥料配合施用,土壤有机质含量逐步提高,土壤有机质从开始的11.5g/kg上升到24.3g/kg,增加的有机质以易氧化的有机质为主,稳定性高的有机质较少。红壤长期施用化学磷,明显提高土壤有效磷含量,土壤供磷性能大为改善,施用有机肥料能减少土壤对磷的固定,提高磷肥的有效性和利用率。红壤长期施用单一化学肥料,土壤明显酸化,土壤交换性氢铝显著增加,作物生长变差,产量降低。施用有机肥料,明显降低土壤交换性氢铝含量,增加土壤养分,保持作物的稳产和高产。     

免耕与翻耕直播对土壤特性及水稻生长的影响

通过对土壤的容重、氧化还原电位、土温、通气孔隙、剖面结构和水稻根系、伤流液、灌浆速度、分蘖状况、经济性状等项目的测定,试验研究免耕与翻耕直播技术,明确了免耕直播相对于翻耕直播不但能促进水稻生长,还能改善土壤结构、保护土壤,是一项更轻型化的栽培技术.     

耕层深度与土壤改良对作物产量及土壤特性的影响

土壤侵蚀影响作物生产,美国学者S.Jagadamma等人在俄亥俄州立大学华特曼农场通过移除和叠加耕层改变耕层深度、施有机肥和混合氮肥模拟土壤侵蚀对作物产量的影响。研究表明,产量增加顺序为移除耕层原状耕层叠加耕层;移除耕层的产量明显低于叠加耕层产量(9.4 t/hm2);移除耕层和叠加耕层对0~10 cm的土壤有机碳含量影响不显著,10~20 cm的有机碳含量最低,不同耕层深度施有机肥比混合氮肥更能提高有机碳含量;施有机肥降低了土壤密度,提高了不同级配团聚体的有机碳含量和土壤水分;建立了土壤特性与产量的回归模型。     

神府东胜煤田沉陷区三种人工林生长状况比较研究

采用野外调查与室内试验相结合的方法,研究了神府东胜煤田沉陷区不同立地条件下三种人工林的生长状况,并对林下土壤含水量进行了测定,分析了人工林生长指标与林下土壤含水量的相关性,结果表明:不同立地条件下,樟子松的生长状况为梁地阴坡＞覆沙地＞梁地坡顶＞梁地阳坡,方差分析表明差异显著(P＜0.05).沙棘与山杏的生长状况为梁地阴坡＞梁地坡顶＞梁地阳坡,方差分析表明沙棘生长状况差异性极显著(P＜0.01),山杏生长状况差异不明显.不同立地条件樟子松,沙棘,山杏的各项生长指标之间有较好的相关性,山杏各项生长指标之间的相关性最好,相关系数大于0.9.樟子松,沙棘,山杏的生长状况与土壤含水量有较好的相关性,相关系数均在0.6以上.     

充填与非充填开采条件下煤矿沉陷区耕地土壤质量空间分布规律研究

为了研究煤矿井下充填开采是否能有效保护地表耕地土壤环境,保持土壤肥力,本文以皖北矿业集团公司五沟煤矿充填开采工作面与非充填开采工作面为试验区,在2个工作面对应上方地表分别划分试验区域和对照区域,进行采样、相关土壤指标检测及结果分析。试验区域(充填开采)包括:地表沉陷区坡脚B1处(点1?~点3?)、沉陷区坡面B2处(点4?~点6?)、沉陷区坡顶B3处(点7?~点9?);对照区域(非充填开采)包括:地表沉陷区坡脚A1处(点1~点3)、沉陷区坡面A2处(点4~点6)、沉陷区坡顶A3处(点7~点9)。每个区域分别在9个采样点内按照0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm 3个土壤深度分层采集土样,对土壤理化性质以及该区域小麦株高和经济产量进行了测定和分析。试验结果显示,充填开采区域土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机质在3个土层的平均含量均高于非充填开采区域。试验观测期间,3月份B1处小麦株高小于A1处,5—6月B2和B3处小麦长势均优于A2和A3处,直至收割;小麦成熟时,充填开采区域经济产量高于非充填开采区。充填开采区域地块土壤含水量高于非充填开采区域。因此,本文认为充填开采比非充填开采更能保持开采区域上覆土壤的养分和水分。但与正常土壤背景值相比,充填开采区域上覆土壤仍存在某些营养元素(如有机质及磷元素)含量不足的问题,其作为农耕地需要加强人工活动的影响,如增施肥料、加强田间管理等。     

西南山区采煤塌陷对水田土壤物理性质的影响

为探讨西南山区采煤塌陷对水田土壤物理性质的影响及受损水田复垦途径,通过野外试验与室内测定方法分析了水田受损前后土壤物理性质的变化,结果表明:1)0~40 cm受损水田土壤容重显著增加,含水率、孔隙度(0~20 cm旱地1、2除外)显著下降;0~60 cm土壤垂直剖面除含水量干化趋同外,构型及演替规律未发生变化;2)水田受损后黏粒含量与成土母质密切相关:0~20 cm土层中0.005 mm黏粒含量高低呈现旱地3(泥页岩风化物)旱地1(泥页岩+灰岩风化物)旱地2(泥页岩+灰岩+砂岩风化物)变化,水耕历史较长、受损漏失严重的水田土壤黏粒(0.005 mm)质量分数均值分布自上而下累积增加;3)试验点土壤剖面构型、成土母质是造成渗透流量和渗透速度随累计时间增加呈减小趋势和波动与趋稳现象的主要原因,采煤塌陷并未对土壤包气带层渗水性产生严重影响;4)根据试验数据分析结果,研究区受损水田复垦可优先选择泥页岩、灰岩风化物沉积区、水耕历史较长、渗透系数小于3 m/d的沟谷区进行。该研究可为研究区采煤塌陷对水田土壤物理性质的影响提供系统诊断依据,并为受损水田复垦提供有效途径。     

采煤塌陷裂缝对降雨后坡面土壤水分的影响

为探究采煤塌陷裂缝对坡面储蓄降水的影响,本文对降雨后不同坡向上裂缝两侧的不同土层水分动态变化特征进行了研究。结果表明:降雨主要补充坡面地表0~20 cm土层土壤水分,且在雨后0~20 cm土层土壤水分散失也较为严重;雨后阴坡土壤含水率最高,0~10cm、10~20cm和20~40 cm土层土壤水分差异显著(p0.05)。降雨结束8 d后,裂缝附近的土壤水分变化幅度较大,尤以坡面裂缝上部边缘处最为明显,裂缝处与远离裂缝的土壤水分之间差异显著(p0.05);阳坡土壤水分损失最高,阳坡裂缝周边土壤水分平均损失量高达3.31%。可见,裂缝的出现会在一定程度上打破坡面储蓄降水的格局,加剧坡面局部土壤水分散失,这一点在植被恢复与建设过程中不容忽视。     

Microbiological parameters as indicators of soil quality under various soil management and crop rotation systems in southern Brazil

The objective of this work was to identify soil parameters potentially useful to monitor soil quality under different soil management and crop rotation systems. Microbiological and chemical parameters were evaluated in a field experiment in the State of Paraná, southern Brazil, in response to soil management [no-tillage (NT) and conventional tillage (CT)] and crop rotation [including grain (soybean, S; maize, M; wheat, W) and legume (lupin, L.) and non-legume (oat, O) covers] systems. Three crop rotation systems were evaluated: (1) (O/M/O/S/W/S/L/M/O/S), (2) (O/S/L/M/O/S/W/S/L/M), and (3) (O/S/W/S/L/M/O/M/W/M), and soil parameters were monitored after the fifth year. Before ploughing, CO₂-emission rates were similar in NT and CT soils, but plough increased it by an average of 57%. Carbon dioxide emission was 13% higher with lupin residues than with wheat straw; decomposition rates were rapid with both soil management systems. Amounts of microbial biomass carbon and nitrogen (MB-C and MB-N, respectively) were 80 and 104% higher in NT than in CT, respectively; however, in general these parameters were not affected by crop rotation. Efficiency of the microbial community was significantly higher in NT: metabolic quotient (qCO₂) was 55% lower than in CT. Soluble C and N levels were 37 and 24% greater in NT than in CT, respectively, with no effects of crop rotation. Furthermore, ratios of soluble C and N contents to MB-C and MB-N were consistently lower in NT, indicating higher immobilization of C and N per unit of MB. The decrease in qCO₂ and the increase in MB-C under NT allowed enhancements in soil C stocks, such that in the 0–40 cm profile, a gain of 2500 kg of C ha⁻¹ was observed in relation to CT. Carbon stocks also varied with crop rotation, with net changes at 0–40 cm of 726, 1167 and −394 kg C ha⁻¹ year, in rotations 1, 2 and 3, respectively. Similar results were obtained for the N stocks, with 410 kg N ha⁻¹ gained in NT, while crop rotations 1, 2 and 3 accumulated 71, 137 and 37 kg of N ha⁻¹ year⁻¹, respectively. On average, microbial biomass corresponded to 2.4 and 1.7% of the total soil C, and 5.2 and 3.2% of the N in NT and CT systems, respectively. Soil management was the main factor affecting soil C and N levels, but enhancement also resulted from the ratios of legumes and non-legumes in the rotations. The results emphasize the importance of microorganisms as reservoirs of C and N in tropical soils. Furthermore, the parameters associated with microbiological activity were more responsive to soil management and crop rotation effects than were total stocks of C and N, demonstrating their usefulness as indicators of soil quality in the tropics.     

生物炭和AM真菌提高矿区土壤养分有效性的机理

【目的】矿区土壤贫瘠、有效养分含量低,而生物炭和丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌能够改善土壤养分,提高植物对环境胁迫的抗性和养分的利用。因此探究生物炭和AM真菌对矿区土壤的改良效果,可为矿区污染土壤生态恢复和新型肥料的开发提供参考。【方法】温室盆栽试验的土壤采自河南省洛阳市新安县江春矿区,以玉米"弘单897"为试验材料。试验设计4个处理,分别为原状土壤对照(CK)、添加生物炭(B)、接种AM真菌(M)、添加生物炭和接种AM真菌(BM),每处理重复8次,完全随机区组设计,玉米于矿区土壤中培育2个月后收获,测定根系生长、生理特性和土壤养分含量。【结果】施用生物炭和接种AM真菌均能够促进玉米生长,提高玉米叶片的净光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r)、气孔导度(G_s)、叶色值(SPAD值)和抗氧化酶活性,提高土壤养分含量。接种AM真菌对促进玉米生长、改善生理特性和磷吸收的效果优于生物炭,而生物炭提高土壤pH值和玉米对钾吸收的效果较好。生物炭和AM真菌联合处理玉米的总根长、根部和地上部干重分别较CK增加了84.22%、176.67%和45.84%,玉米叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度分别较对照提高35.42%、56.44%和88.31%,叶色值比CK提高了22.77%,菌根侵染率较CK提高234.20%,菌丝密度可达到4.37 m/g,总球囊霉素和易提取球囊霉素分别达到4.32 g/kg和1.60 g/kg,有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别较对照提高24.23%、43.26%、98.63%和33.93%。【结论】生物炭和AM真菌单独或复合处理均能够促进玉米生长和提高土壤养分有效性,生物炭和AM真菌联合处理可促进玉米生长、改善生理特性、促进养分吸收、提高土壤养分效果,可作为退化土壤生态修复和农业生产安全的一项有效措施。     

采矿活动和气候变化对煤矿区生态环境损失的影响

系统评价煤矿区生态环境损失驱动因素的相对作用力,对矿区土地资源配置和生态环境治理具有重要指导作用。该文从生态学的角度,以徐州矿区为例,选择植被净初级生产力作为统一气候变化和采矿活动对矿区生态环境损失的衡量指标,通过该指标实现气候变化和采矿活动对矿区生态环境损失的可比性。研究结果表明:1)矿区植被净初级生产力NPP变化是气候因素和采矿因素综合作用的结果,气候变化对NPP的影响范围为0.111～3.333g/(m2·月)(以每月每平方米植被生产的C计)之间,采矿活动对NPP影响的范围为90.525～107.892g/(m2·月),采矿活动对NPP的影响大于气候变化对NPP的影响,NPP变化对采矿活动具有敏感性。2)气候变化推动NPP是向正向发展,采矿活动推动NPP向负向发展。1987-1998年采矿活动是推动NPP变化的主导因素,1998-2005年气候变化是推动NPP变化的主导因素,2005-2008年采矿活动成为推动NPP变化的主导因素,同时,随着采矿活动的加剧,采矿活动对NPP推动变成主导因素,并且推动NPP向负向发展的比例在增大。3)在采矿活动破坏区内,采矿活动对矿区生态环境的影响具有主导作用,主要表现为耕地NPP的大幅下降,通过土地复垦措施增加林地的NPP,可改变矿区生态环境的发展方向;在采矿活动的影响区内,气候变化对生态环境的影响具有主导作用。     

Soil aggregate size mediates the impacts of cropping regimes on soil carbon and microbial communities

Understanding the influence of long-term crop management practices on the soil microbial community is critical for linking soil microbial flora with ecosystem processes such as those involved in soil carbon cycling. In this study, pyrosequencing and a functional gene array (GeoChip 4.0) were used to investigate the shifts in microbial composition and functional gene structure in a medium clay soil subjected to various cropping regimes. Pyrosequencing analysis showed that the community structure (β-diversity) for bacteria and fungi was significantly impacted among different cropping treatments. Functional gene array-based analysis revealed that crop rotation practices changed the structure and abundance of genes involved in C degradation. Significant correlations were observed between the activities of four enzymes involved in soil C degradation and the abundance of genes responsible for the production of respective enzymes, suggesting that a shift in the microbial community may influence soil C dynamics. We further integrated physical, chemical, and molecular techniques (qPCR) to assess relationships between soil C, microbial derived enzymes and soil bacterial community structure at the soil micro-environmental scale (e.g. within different aggregate-size fractions). We observed a dominance of different bacterial phyla within soil microenvironments which was correlated with the amount of C in the soil aggregates suggesting that each aggregate represents a different ecological niche for microbial colonization. Significant effects of aggregate size were found for the activity of enzymes involved in C degradation suggesting that aggregate size distribution influenced C availability. The influence of cropping regimes on microbial and soil C responses declined with decreasing size of soil aggregates and especially with silt and clay micro-aggregates. Our results suggest that long term crop management practices influence the structural and functional potential of soil microbial communities and the impact of crop rotations on soil C turnover varies between different sized soil aggregates. These findings provide a strong framework to determine the impact of management practices on soil C and soil health.     

不同施肥制度对作物产量及土壤磷素肥力的影响

在潮棕壤上连续进行18年的定位试验, 研究了不同施肥制度对作物产量和土壤磷素肥力的影响.结果表明: 与对照处理相比, 施用磷肥有明显的增产和稳产作用.不施磷肥处理, 土壤磷素收支赤字, 土壤全磷和速效磷含量均明显下降, 且土壤磷收支的盈亏值与土壤速效磷的增减量呈显著直线相关; 施磷肥处理, 土壤磷素收支盈余, 18年间耕层土壤全磷含量均明显提高, 提高幅度为0.02～0.04 g·kg-1, 土壤速效磷含量亦明显增加, 特别是在试验的后几年, 土壤速效磷含量似有加速上升的趋势.施氮肥对玉米有明显增产作用, 施磷钾肥对玉米增产作用不明显; 大豆则相反, 施氮肥增产作用不明显, 施磷钾肥有显著增产作用.     

采煤塌陷区搬迁村庄耕作半径变化特征及其影响研究

淮南市是典型的高潜水位煤粮复合城市,采煤沉陷在全国具有典型性。该文以淮南市采煤塌陷区为研究对象,基于"均等"法计算2010—2015年采煤塌陷区村庄搬迁前后的空间耕作半径,并利用耕作半径地形修正系数及垦殖指数对空间耕作半径进行地形地貌和农用地布局的定量修正,得到实际耕作半径,分析塌陷区村庄搬迁后实际耕作半径的变化特征,并基于实际耕作半径计算结果,结合实地问卷调查情况从耕作便利度、农业劳动力等方面探讨耕作半径变化对农业生产的影响。结果表明:采煤塌陷区村庄搬迁后实际耕作半径扩大了1～20倍,最大增加量达22 540.45 m,最小为914.05m;通过实际耕作距离与时间的换算,得知搬迁前农民步行出行耕作只需花费9～24min,而搬迁后则需20～296 min,路途消耗时间大幅度增加,为减少出行耕作路途消耗时间,农民需更新交通工具或放弃回家午休以减少往返次数,这直接降低了农民出行耕作的便利程度,可能削弱农民从事农业生产活动的积极性;通过实地问卷调查,得知搬迁后农业人口逐渐减少,且耕作半径增加越大的村庄,其放弃从事农业生产的人数越多,农业劳动力逐渐向非农产业和城镇转移,造成农田荒芜,不利于农业的可持续发展。     

电厂烟气对土壤环境和农作物影响的研究

对污染区和对照区分别进行土壤和农作物取样,研究长期受电厂烟气影响的土壤环境和农作物相关元素含量的变化及其对农作物品质的影响,发现土壤总S、总F、可溶性硫、可溶性氟含量及pH变化与电厂烟气引起大气SO2污染密切相关,土壤中已出现S和F的积累。对研究区主要农作物小麦的叶S和籽粒S含量及籽粒品质(千粒重、蛋白质含量和淀粉含量)的监测表明,小麦叶、籽粒S含量与大气污染正相关,叶片中已发生S累积,籽粒中尚未形成S累积;籽粒S含量与籽粒蛋白质含量极显著正相关,说明大气中SO2浓度适当升高可提高小麦品质。