施用堆肥对紫花苜蓿和墨西哥玉米生物量的影响及牧草安全性评价

邱峰 汪亚敏 崔林钊

摘要 [目的]研究堆肥对采煤沉陷区紫花苜蓿及墨西哥玉米生物量的影响。[方法]采用紫花苜蓿（Medicago sativa）单播、墨西哥玉米（Purus frumentum）单播以及紫花苜蓿和墨西哥玉米混播3种模式，并对每种播种方式施加不同的有机堆肥，研究施用堆肥对紫花苜蓿和墨西哥玉米生物量的影响。[结果]施加堆肥单播紫花苜蓿处理比未施加堆肥单播紫花苜蓿处理牧草生物量增加了159.42%，施加堆肥混播紫花苜蓿和墨西哥玉米处理比未施加堆肥混播紫花苜蓿和墨西哥玉米处理牧草生物量增加了140.87%;施加堆肥单播紫花苜蓿处理牧草株高显著高于未施加堆肥单播紫花苜蓿处理。且施加堆肥及未施加堆肥的该种牧草内重金属含量均为安全等级。[结论]该改良方式在淮南新庄孜矿及类似矿区具有一定的应用价值。

关键词 采煤沉陷区;生物量;有机堆肥

中图分类号 S141.4文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）35-0114-03

我国的煤炭资源储量和开采量均较大，在我国东部平原矿区因采煤引起的地表塌陷已造成大面积土地积水、受淹和盐碱化，使区内耕地面积急剧减少，加剧了人地矛盾[1]。煤炭资源的开发促进了社会经济发展，但在目前的开发技术和管理水平下，煤炭资源的开发所产生的废弃物使矿区环境遭到不同程度的污染和破坏。根据我国国土资源部提供的数据，我国大陆受污染的耕地面积达2.7×107 hm2，占我国耕地面积的20%，直接经济损失100多亿元[2]。如何对矿区进行科学的恢复和治理，是值得深入研究和探讨的问题。

土壤复垦是采煤塌陷区土壤恢复的最有效方式，我国东部的煤矿沉陷区复垦中，煤矸石回填塌陷区表层覆土的复垦模式已得到广泛应用[3]。但此种模式复垦的采煤沉陷区往往存在表层土壤整体肥力水平不髙，其中N、P和有机质缺乏，重金屬含量高及水土流失严重等，严重限制了农作物的生长和复垦地的利用[4-8]。

新庄孜矿位于淮南煤田西翼、八公山东麓，经过60 多年的开采和长时间的沉降，塌陷区域已经基本稳定。为提高塌陷区域的土地利用率，采用煤矸石填充，表层复垦（覆土厚度为60 cm左右）。和其他复垦矿区一样，淮南新庄孜矿区复垦土壤贫瘠，水土流失严重[9]。这些问题限制了新复垦矿区的土地利用效率。研究表明，淮南新庄孜矿区土壤中 Zn、Pb 含量均低于淮南市土壤背景值，土壤中Cd和Cu含量分别超过淮南市土壤背景55.00%～106.76%和0.08%～0.46%（20～60 cm）[10]。

种植牧草、施用有机肥或氮磷钾等不仅能够提高贫瘠土壤的肥力，还能促进表层土壤的熟化[11]。笔者以淮南新庄孜矿区为研究区域，研究在有机堆肥与牧草联合使用条件下，牧草对矿区土壤的适应情况及堆肥对植物生长的影响，并对牧草品质进行评价，以期获得有利于该矿区土壤改良的有利方法。

1 材料与方法

1.1 堆肥改良与牧草种植设计

为提高新复垦矿区牧草的品质，采用土壤施加堆肥和牧草不同播种方式。所使用的堆肥为笔者所在课题组以水生植物香蒲（Typha angustifolia）为主要原料堆制而成，依据堆肥过程中添加的辅料不同共分为4种类型，各类型堆肥中的养分含量见表1。

对淮南新庄孜矿区进行前期实地调查，选择土壤地势平坦的复垦矿区进行播种。将试验地按照随机区组试验设计划分为16个处理小区，每处理试验小区面积为180 m2。其中12个施堆肥小区按照37.5 t/hm2的施肥量施加堆肥;另外4个小区不施堆肥，其中Z、M、H分别为紫花苜蓿单播区、墨西哥玉米单播区、紫花苜蓿和墨西哥玉米混播区。各小区翻耕完毕后播种牧草紫花苜蓿和墨西哥玉米，播种方式分为单播和混播，具体设计见表2。

1.2 样品采集及分析方法

牧草生长季结束后，每个试验小区随机做3个1 m×1 m的样方，紧贴地面收集样方内的全部植株，去掉杂草后带回实验室备用。牧草生物量的测定：将从试验地采集的植物样品，105 ℃杀青30 min，于75 ℃烘干至恒重，最后用电子天平称重。牧草重金属含量的测定：将研磨好的样品用三酸（浓硝酸、浓硫酸、高氯酸）混合溶液进行消煮后，定容待用，铜、锌、铅、铬用原子火焰吸收光度仪测定，镉用石墨炉测定[12]。

1.3 数据处理

用R软件对试验数据进行单因素方差分析和差异显著性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 施用堆肥对单播紫花苜蓿生物量的影响

施用有机堆肥1、2、3、4与未施用堆肥的紫花苜蓿相比，紫花苜蓿的生物量均有所提高，且施用有机堆肥3与有机堆肥4紫花苜蓿生物量显著增加（P<0.05），其中施用有机堆肥4紫花苜蓿生物量增加最大，比未施用堆肥紫花苜蓿生物量增加了159.42%。

2.2 施用堆肥对单播墨西哥玉米生物量的影响

施用有机堆肥1、2、3、4与未施用堆肥的墨西哥玉米相比，仅施用机堆肥3、4 墨西哥玉米生物量增加，其余墨西哥玉米生物量均有所减少。

2.3 施用堆肥对混播中紫花苜蓿生物量的影响

施用有机堆肥1、2、3、4与未施用堆肥的紫花苜蓿相比，施用机堆肥1、3、4墨西哥玉米生物量增加，施用堆肥2墨西哥玉米生物量减少。

2.4 施用堆肥对混播中墨西哥玉米生物量的影响

施用有机堆肥1、2、3、4与未施用堆肥的墨西哥玉米相比，施用有机堆肥的墨西哥玉米生物量增加，其中施用有机堆肥4墨西哥玉米生物量显著增加（P<0.05）。

2.5 牧草安全性评价

紫花苜蓿和墨西哥玉米植株内重金属含量见表3。从表3可以看出，施用堆肥和未施用堆肥处理，紫花苜蓿和墨西哥玉米植株内重金属含量均低于国家规定牧草内重金属含量水平，均为安全等级，可用于饲养家畜。

3 结论与讨论

有机肥被广泛应用于提高植物生物量。徐艳丽等[13]研究表明，随有机肥的增加牧草生物量增加，可能是施用有机肥能改善土壤环境，提髙牧草的存活密度，从而显著提髙其产量。刘艳等[14]研究表明，杂交狼尾（Pennisetum alopecuroides）产量与施肥量密切相关，随施肥量的增加产量逐渐升高，1 500 kg/hm2时最高，之后有所下降。该研究发现，施用堆肥能显著提高紫花苜蓿和混播紫花苜蓿和墨西哥玉米牧草的生物量，对墨西哥玉米的生物量影响不显著。目前，不同播种方式对牧草产量和品质的影响己有诸多研究[15-17]。何丽等[18]研究表明，从牧草产量的角度看，紫花苜蓿更适合单播，冰草（Agropyron cristatum）更适合混播;从牧草品质的角度看，紫花苜蓿和冰草更适合单播。该研究结果表明，施用堆肥处理混播2种牧草生物量高于单播紫花苜蓿和单播墨西哥玉米。未施用堆肥处理，混播2种牧草和单播紫花苜蓿与单播墨西哥玉米生物量无显著影响。这可能是由于土壤样品采集时，豆科紫花苜蓿和禾本科墨西哥玉米是混播种植的第一个生长季，2种牧草在养分、水分、光照和空间等资源方面存在竞争关系，豆科牧草和禾本科牧草隔行混播体系中存在对氮的互补利用优势尚未显现出来。

采煤沉陷区土壤贫瘠，养分匮乏，农作物产量偏低。种植牧草并施用堆肥处理，在当年牧草生长季结束后，施用有机堆肥3与有机堆肥4单播紫花苜蓿生物量显著增加，施用有机堆肥4混播墨西哥玉米的生物量显著增加。为在农业生产方面最大效率地提高采煤沉陷区牧草生物量，该改良方式在淮南新庄孜矿及类似矿区具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 卞正富.我国煤矿区土地复垦与生态重建研究[J].资源·产业，2005，7（2）：18-24.

[2] 钟顺清.矿区土壤污染与修复[J].资源开发与市场，2007，23（6）：532-534.

[3] 赵威，李亚鸽，王馨，等.外源无机盐与硫铵素对枝叶去除后紫花苜蓿的再生性影响[J].草业学报，2017，26（5）：100-108.

[4] 赵默涵.矿山废弃地土壤基质改良研究[J].中国农学通报，2008，24（12）：128-131.

[5] 董霁红，王莹.煤矿塌陷区废碴充填复垦土壤理化性质研究[J].矿业研究与开发，2008，28（1）：68-70，88.

[6] 李玲.高潜水位平原区采煤塌陷地复垦土壤特征与分类研究[D].北京：中国矿业大学，2011.

[7] SHRESTHA R K，LAI R.Changes in physical and chemical properties of soil after surface mining and reclamation[J].Geoderma，2011，161（3/4）：168-176.

[8] DONG J H，YU M，BIAN G F，et al.The safety syudy of heavy metal pollution in wheat planted in reclaimed soil of mining areas in Xuzhou，China[J].Environmental earth sciences，2011，66（2）：673-682.

[9] 梁利宝，洪坚平，谢英荷，等.不同培肥处理对采煤塌陷地复垦不同年限土壤熟化的影响[J].水土保持学报，2010，23（3）：140-144.

[10] 王兴明，董众兵，刘桂建，等.Zn，Pb，Cd，Cu在淮南新庄孜煤矿矸石山附近土壤和作物中分布特征[J].中国科学技术大学学报，2012，42（1）：17-25.

[11] 王军，张亚男，郭义强.矿区土地复垦与生态重建[J].地域研究与开发，2014，33（6）：113-116.

[12] 劳家柽.土壤农化分析手册[M].北京：农业出版社，1988.

[13] 徐艳丽，鲁剑巍，周世力，等.有机、无机肥及其配施对苇状羊茅生长及抗寒性的影响[J].草业科学，2005，22（10）：97-101.

[14] 刘艳，李金胜，王菊英，等.有机肥不同用量对黄河三角洲盐碱地杂交狼尾草产量和品质的影响[J].山东农业科学，2014，46（6）：89-92.

[15] 郑伟，朱进忠，加娜尔古丽，等.不同混播方式对豆禾混播草地生产性能的影响[J].中国草地学报，2011，33（5）：45-52.

[16] 李佶恺，孙涛，旺扎，等.西藏地区燕麦与箭筈豌豆不同混播比例对牧草产量和质量的影响[J].草地学报，2011，19（5）：820-831.

[17] 吴姝菊.紫花苜蓿与无芒雀麦、扁穗冰草混播效果研究[J].中国草地学报，2010，32（2）：15-18，46.

[18] 何丽，唐海萍.內蒙古多伦县不同播种方式对牧草产量与品质的影响[J].北京师范大学学报（自然科学版），2014，50（3）：307-311.