田 剑，樊文华，刘奋武，刘新梅，李二豹

（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

土壤结构是土壤肥力的重要指标，是土壤物理性质的集中体现。土壤结构不仅是植物生长、土壤中水分运移的重要影响因素，而且土壤结构的保存和再生也成为保持土壤功能和确保土壤环境质量的关键[1-3]。土壤团聚体稳定性能够很好地反映土壤结构的状况[4]。有研究表明，良好结构的土壤往往具有稳定的团聚体，这些稳定的团聚体又维持了良好的土壤孔隙[5]。同时，团聚体也是土壤有机质分解转化与腐殖质形成的主要场所，团聚体的形成作用被认为是土壤固碳的重要机制[6]。国内外学者研究认为，土壤的结构特性直接影响着土壤肥力和农作物的生长情况[7-8]。因此，土壤团聚体的稳定性对土壤肥力和结构的变化以及植被恢复具有非常重要的意义。

目前，常用土壤大团聚体的含量（＞0.25 mm）、土壤团聚体结构破坏率（PAD）、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）等来评价土壤团聚体的稳定性[9-10]。其中，土壤大团聚体的含量、平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体越稳定[11]，土壤结构越好；土壤团聚体结构破坏率和分形维数越小，土壤团聚体分布状况越好，土壤结构越稳定[12-13]。

目前，煤矿区土壤复垦已经成为全社会关注的重点和热点，但对其研究主要侧重于矿区生态环境重建，大部分集中在矸石山绿化、复垦土壤剖面重构、自然植被恢复等方面[14-16]；而且对土壤的复垦主要是对塌陷区进行挖、铲、垫、平等处理，或露天矿排土场堆垫、覆土的重构土壤过程，在这个过程中，土壤的层次、结构等发生了很大的变化，土壤容重增加、团聚体数量下降，不仅影响了植物根系的生长发育和产量，而且造成土壤保水保肥能力下降[1，17]。可以看出，该复垦方式下的土壤质量远远低于正常的农田土壤，但当前对复垦土壤质量和结构的研究还相对较少。吕刚等[18]研究发现，复垦13 a 的海州露天矿中不同复垦模式表层土壤质量总体呈现出林地优于荒草地的趋势，其中，荒草地的PAD 比灌木林地高出近3 倍。同时，使用土壤结构改良剂是改善土壤质量的重要措施[19-21]，但其还未应用在复垦土壤中。

本试验采集了太原古交市屯兰煤矿区复垦基地的土壤，采用室内培养试验的方式，对土壤团聚体结构破坏率、平均质量直径、几何平均直径和分形维数等反映土壤团聚体稳定性的指标进行了测定，分析了3 个月和6 个月时泥炭、腐植酸和蛭石不同梯度对复垦土壤团聚体稳定性的影响，以期为提高矿区复垦土壤质量、改善复垦土壤结构提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

供试土壤采集于太原古交市屯兰煤矿区复垦基地（112°06′E，37°53′N）。该基地属于典型的暖温带半干旱大陆性季风气候区，年平均降水450 mm，复垦开始时间为2012 年，复垦方式为充填复垦，复垦土壤为生土，初始肥力极低，有机质4.86 g/kg、碱解氮18.03 mg/kg、有效磷4.94 mg/kg、速效钾91.77 mg/kg，pH 值为8.31。

1.2 试验设计

试验采用室内培养的方式，分析了短期内（3 个月和6 个月）不同改良剂对土壤团聚体稳定性的影响。分别于2018 年11 月28 日和2019 年2 月28 日即布置试验3 个月和6 个月后进行破坏性采样，风干后用于团聚体的干筛和湿筛。试验采取完全随机设计方案，于2018 年8 月28 日布置试验，将采回的鲜土过8 mm 筛（避免大团聚体的破坏），加入不同量的改良剂（设3 个改良剂添加梯度：分别占土壤质量的1%、3%和5%）；同时以不添加改良剂为对照。改良剂和土壤混匀，装入500 mL 烧杯，随机放置。每个处理设置3 次重复，采样重复3 次。培养期间土壤含水量调节至田间持水量的60%。

1.3 测定指标及方法

各级机械稳定性团聚体和水稳定性团聚体通过干筛法和湿筛法[22]进行分离提取，制备得到＞5、＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm共6 级土壤团聚体，并且计算各级团聚体组成。

土壤机械稳定性（干筛）和水稳定性（湿筛）＞0.25 mm 团聚体含量（R＞0.25）采用公式（1）[23]进行计算。

式中，Wi为i 粒级团聚体质量比例（%）；Xi为相邻2 个团聚体的平均粒级（mm）。

土壤的分形维数（D）采用杨培岭等[11]的土壤颗粒分形模型测定。

1.4 数据处理与分析

所有测得的数据均采用Excel（2010）、SPSS 13.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对复垦土壤团聚体组成的影响

团聚体组成是衡量土壤肥力的重要指标。机械稳定团聚体是指具有抵抗外力破坏的团聚体，是土壤自然状态下稳定的团聚体，常用干筛法进行测定。由图1 可知，各处理机械稳定团聚体组成均呈V 字形分布，以＞5 mm 粒径的团聚体含量最高，≤0.25 mm 粒径的含量次之。3 个月时，泥炭处理下，各粒径团聚体含量由大到小为＞5、≤0.25、＞2～5、＞1～2、＞0.25～0.50、＞0.5～1.0 mm，与CK 相比，＞5 mm 粒径团聚体含量都有大幅增加，且随泥炭浓度的增加而增加，5%泥炭处理下，＞5 mm 粒径的团聚体占到了50%以上，与CK 相比增加了69.97%，≤0.25 mm 粒径的团聚体含量则逐渐降低；腐植酸处理下，各粒径团聚体含量由大到小为＞5、≤0.25、＞1 ～2、＞2 ～5、＞0.25 ～0.50、＞0.5～1.0 mm，与CK 相比，＞5 mm 粒径团聚体含量都有所增加，但随着腐植酸浓度的增加，各粒径团聚体含量变化不明显；蛭石处理下，各粒径团聚体含量由大到小为＞5、≤0.25、＞1～2、＞2～5、＞0.25～0.50、＞0.5～1.0，与其他处理不同的是，与CK 相比，随着蛭石浓度的增加，＞5 mm 粒径团聚体含量逐渐减少，5%蛭石处理下，＞5 mm 粒径的团聚体仅占22.23%，较CK 减少了24.57%，≤0.25 mm粒径的团聚体含量则逐渐增加，5%蛭石处理下较CK 增加了4.99%。在6 个月时，泥炭和蛭石处理下的各团聚体组成变化趋势与3 个月时相同；腐植酸处理下，随着腐植酸浓度的增加，＞5 mm 粒径的团聚体逐渐增加，5%腐植酸处理时占到了59.26%，≤0.25 mm 粒径的团聚体含量则逐渐降低，且在5%腐植酸浓度梯度下，≤0.25 mm 粒径的团聚体含量下降到＞2～5、＞1～2 mm 粒径团聚体的含量水平，仅占到了11.30%。

水稳性团聚体是指能够抵抗水力分散的团聚体，能够灵敏地反映土壤潜在的抗蚀能力[26]，常用湿筛法进行测定。由图2 可知，各处理水稳性团聚体组成基本以≤0.25 mm 粒径的团聚体含量最高，＞5 mm 粒径的团聚体含量最低。从3 个月的结果来看，泥炭处理下，随着泥炭浓度的增加，≤0.25 mm粒径团聚体含量逐渐减少，泥炭浓度达到5%时，≤0.25 mm 粒径团聚体含量为63.76%，较CK 下降了5.87%，＞5 mm 粒径和＞0.5～1.0 mm 粒径的团聚体含量增加明显，分别较CK 增加了288.00%和53.40%；腐植酸处理下，≤0.25 mm 粒径团聚体含量明显降低，腐植酸浓度在5%时，≤0.25 mm 粒径团聚体含量为53.67%，较CK 下降了20.75%，但整体上随着腐植酸浓度的增加，各粒径团聚体含量变化不明显；蛭石处理下，与CK 相比，整体变化不明显，但在蛭石浓度达到5%时，＞0.5～1.0 mm 粒径团聚体含量达到了19.21%，较CK 增加了76.56%。在6 个月时，泥炭处理下的各团聚体组成变化趋势与3 个月时类似；腐植酸处理下则随着腐植酸浓度的增加，≤0.25 mm 粒径的团聚体含量逐渐降低，3 个浓度梯度下≤0.25 mm 粒径的团聚体含量在39.23%～57.49%，且在5%腐植酸浓度梯度下，＞5 mm 粒径的团聚体含量达到了14.01%。

综合干筛和湿筛的结果来看，机械稳定性团聚体以大团聚为主，水稳性团聚体以微小团聚体为主，整体上复垦土壤的抗侵蚀能力较差，但改良剂的加入一定程度上增加了复垦土壤的抗侵蚀能力。有研究表明[27-28]，团聚体的形成与稳定主要依赖于土壤中的有机质，有机质是土壤团聚体形成的重要胶结物。泥炭的加入增加了大团聚体的含量，但对抗侵蚀能力的提高有限，可能主要是因为泥炭有机质含量高、比表面积大、吸附螯合能力强、有较强的离子交换能力，同还提高了土壤中微生物的活性和代谢多样性，有利于团聚体的形成；但同时泥炭透水性较强、灰分含量也比较高[29]，影响了水稳性团聚体的形成，从而导致抗侵蚀能力较弱。腐植酸的加入能够有效地增加复垦土壤大团聚体的含量，同时也提高了抗侵蚀能力，且在6 个月后效果更加明显，尤其是5%腐植酸处理下≤0.25 mm 的水稳性团聚体下降到了50%以下，可能是因为复垦土壤覆土为黄土，钙离子含量较高，腐植酸当中的羟基、羧基和钙在土壤中发生聚合反应，土壤结构发生改变，体积密度减小，孔隙率增大，使水稳定性能更高的团聚体数量增加[30]，从而加强了土壤的抗侵蚀能力；但其活性需要一定时间才能发挥，随着时间的增加，控制力也会继续加强，这与何坤[20]的研究结果类似，随着腐植酸加入时间的增加，控制力继续加强。蛭石的加入能够迅速影响土壤团聚体组成，大团聚体的减少和微团聚体的增加在分筛时就可以看出，蛭石本身密度小、质量轻[31-32]、粒径集中在微团聚体的水平，随着浓度的增加，加剧影响了团聚体的组成，同时蛭石作为黏土矿物也因为其优秀的吸附能力在一定程度上增加了＞0.5～1.0、＞0.25～0.50 mm 粒径的团聚体含量。

2.2 不同改良剂对复垦土壤团聚体稳定性的影响

以0.25 mm 为界限，团聚体被分为大团聚体（Macroaggregates）和微团聚体（Microaggregates）。不同粒径团聚体在养分的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用[33]，SIX 等[34]研究发现，＞0.25 mm的团聚体是土壤中最好的结构体，其在土壤中所占的比例大小（R＞0.25）可用来反映土壤结构的优劣，其数量越大土壤肥力越高。

由图3 可知，3 个月和6 个月时干筛法获得的各处理机械稳定性R＞0.25在74.52%～88.70%，且各处理间无明显差异。从湿筛法得到的各处理水稳性R＞0.25在28.16%～60.77%，3 个月时3%和5%腐植酸处理下的大团聚体含量与CK 相比显著增加，分别增加了44.03%和43.57%；6 个月时3%和5%腐植酸处理下的大团聚体含量与CK 相比也显著增加，且与其他处理间有显著性差异（P＜0.05）。说明3%和5%腐植酸处理下的土壤有更强的稳定性和抗侵蚀能力。

团聚体破坏率（PAD）是表征土壤团聚体水稳性的主要指标，其值越小，团聚体稳定性越高[35]。由图4 可知，不管是在3 个月还是在6 个月时腐植酸处理下PAD 都比较低，尤其是在3%和5%腐植酸处理下PAD 分别达到了41.95%、43.91%和43.84%、31.48%，与CK 相比显著下降。在6 个月时，3%蛭石处理下与CK 相比也显著降低，较CK 降低了31.68%，其他处理与CK 相比无显著变化。

整体来看，在加入改良剂后不同程度上增加了R＞0.25的含量，降低了PAD。其中，腐植酸的效果最好，6 个月5%腐植酸处理下的PAD 达到31.48%，泥炭效果在机械稳定团聚体中较好，在水稳性团聚体中较差，蛭石整体效果较差。刘梦云等[36]研究发现，土壤中＞0.25 mm 粒径团聚体含量越高，团聚体分布越集中，团聚体越不容易被破坏，土壤结构越稳定。由此可以看出，腐植酸的加入有效地增加了土壤团聚体的稳定性，减少了团聚体的破坏，改善了复垦土壤结构，提高了复垦土壤质量。

2.3 不同改良剂对复垦土壤团聚体直径的影响

土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）能够有效反映和评价土壤团聚体大小分布状况及其稳定性。由图5、6 可知，干筛条件下，3 个月时5%泥炭处理下的MWD（3.28）和GMD（2.20）最大；6 个月时5%腐植酸处理下的MWD（3.55）和GMD（2.48）最大。湿筛条件下，3 个月时各处理MWD 和GMD 变化不显著；6 个月时5%腐植酸处理下的MWD（1.26）和GMD（0.63）最大，与CK相比差异显著；蛭石处理下MWD 和GMD 均出现了比CK 小的现象，效果较差。

通常情况下，MWD 和GMD 值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[37-39]。干筛条件下，泥炭处理的MWD、GWD 值最大，但湿筛条件下却显著低于腐植酸处理，验证了之前提到的泥炭显著增加了大团聚体的含量，但抗侵蚀能力不强的结论。在湿筛条件下，腐植酸MWD、GWD 值最大，说明腐植酸的加入有效改善了土壤质量，增强了团聚体稳定性，同时形成相当数量的胶结物质，使土壤团聚体不易在水中分散，同时增强了复垦土壤的抗侵蚀能力。

2.4 不同改良剂对复垦土壤团聚体分形维数的影响

通过回归分析得到的不同改良剂处理下的土壤团聚体分形维数如图7、8 所示，干筛条件下，3 个月和6 个月的土壤团聚体分形维数分别在2.48～2.69 和2.47～2.65，3 个月时5%泥炭处理下土壤团聚体分形维数最小，但与其他处理没有显著差异；6个月时5%腐植酸处理下土壤团聚体分形维数最小，但与其他处理没有显著差异。湿筛条件下，3 个月和6 个月的土壤团聚体分形维数分别在2.83～2.91 和2.76～2.91，3 个月和6 个月时都是在腐植酸处理下土壤团聚体分形维数最小，但与其他处理没有显著差异。

分形维数（D）与团聚体粒径分布有关，也能较好地描述土壤团聚体数量组成，≤0.25 mm 团聚体含量越低，分形维数越小，说明其土壤结构稳定性越好[27，40-41]。综上可知，不管是干筛还是湿筛分形维数的最低点均出现在腐植酸处理下，可以看出，腐植酸处理优于其他处理。充分说明腐植酸的加入对土壤结构的改善效果较好。

2.5 土壤团聚体组成各参数间相关性分析

由表1、2 可知，干筛和湿筛各处理的MWD 和GWD 呈极显著正相关，且MWD、GWD 均与D 值呈极显著负相关，干筛相关系数分别为0.988、-0.851和-0.896，湿筛相关系数分别为0.984、-0.865 和-0.938，即随着MWD 和GWD 的增加，D 值减少。MWD 和GWD 与不同粒径的团聚体含量有关。从表1 可以看出，MWD 和GWD 与＞5 mm 粒径的机械稳定性团聚体呈极显著正相关，与＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm 粒径的机械稳定性团聚体呈极显著或显著负相关，以5 mm 团聚体粒级为其正负相关性界限；在水稳性团聚体分析中（表2），MWD 和GWD 与＞5、＞2～5、＞1～2 mm 粒径的水稳性团聚体呈极显著正相关，与≤0.25 mm 粒径的水稳性团聚体呈极显著负相关，以0.25 mm 团聚体粒级为其正负相关性界限。干筛条件下，＞5 mm 粒径的机械稳定性团聚体与D 值呈极显著负相关，＞1～2、＞0.5～1.0、＞0.25～0.50、≤0.25 mm 粒径的机械稳定性团聚体与D 值呈显著正相关；湿筛条件下，＞5、＞2～5、＞1～2、＞0.5～1.0 mm 粒径的水稳性团聚体与D 值呈极显著负相关，≤0.25 mm 粒径的水稳性团聚体与D 值呈极显著正相关。

表1 土壤机械稳定性团聚体组成各参数间相关性分析

表2 土壤水稳性团聚体组成各参数间相关性分析

综合评价可知，干筛条件下，＞5 mm 粒径的团聚体与MWD 和GMD 呈极显著正相关，与D 值呈极显著负相关，改良剂的加入增加了复垦土壤中＞5 mm 粒径团聚体的含量，从而导致了MWD 和GMD 的增加与D 值的减小；湿筛条件下，≤0.25 mm粒径的团聚体与MWD 和GMD 呈极显著负相关，与D 值呈极显著正相关，改良剂的加入减少了复垦土壤中≤0.25 mm 粒径的水稳性团聚体含量，使MWD 和GMD 减小，D 值增大。同时，土壤机械稳定团聚体和水稳性团聚体的MWD 与GMD 呈极显著正相关，且二者均与分形维数D 值极显著负相关。复垦土壤的MWD 和GMD 增大、D 值减小，表明MWD、GMD 和D 值能很好地反映复垦土壤的团聚体稳定性，且在表征过程中具有一致性。安婉丽等[42]和王志强等[39]的研究结果也发现，土壤团聚体MWD和GMD 总体显著增大，D 值则显著减小。

3 结论

本研究结果表明，使用改良剂能够不同程度地改善复垦土壤质量，增强复垦土壤团聚体稳定性。泥炭的加入能够提高复垦土壤机械稳定性团聚体的稳定性，但抗侵蚀能力较弱；腐植酸的加入有效提高了复垦土壤团聚体稳定性，增强了抗侵蚀能力，且在6 个月时效果更加明显；蛭石的效果较差，对土壤稳定性的提高无明显效果。

MWD 与GMD 呈极显著正相关，且二者均与分形维数D 值呈极显著负相关，MWD、GMD 和D 值能很好地反映复垦土壤的团聚体稳定性，且在表征过程中具有一致性。当土壤中加入5%的腐植酸进行改良后，土壤团聚体分形维数最小，团聚体最稳定。可见，改良剂对土壤结构的改善已有初步效果，但土壤肥力方面仍需进一步研究。