保水剂协同外源物添加对矿区复垦地植物生长与土壤养分的影响

孙茁恒 王东丽 赵晓亮 谢伟 郭建军

摘要為探究有效提高黄土区矿区复垦地的改良措施，设置未添加物与牛粪、鸡粪、绿肥、菌剂4种添加物及其对应添加保水剂10个处理，采用大田试验，通过研究不同处理下植物生长与土壤养分特征，旨在探明保水剂添加是否能够协同外源添加物对矿区复垦产生积极影响。结果表明：大部分外源添加物协同保水剂处理后可不同程度地促进黄芪的生长，保水剂协同牛粪和鸡粪施用均可促进黄芪株高和生物量的增加，而微生物菌剂施用下则相反；保水剂协同鸡粪和绿肥可增大二级根的根径。保水剂协同有机肥可增加土壤有机质与氮含量，而协同微生物菌剂处理不利于增加土壤有机质与氮含量；保水剂配施牛粪和鸡粪降低了土壤全磷含量，保水剂协同绿肥与微生物菌剂可提升土壤全磷含量，对速效磷的影响与全磷相反。综合评价分析可知，保水剂协同绿肥与菌剂对黄芪生长的促进作用较好，而且保水剂协同菌剂对土壤养分的改良作用也较好。未添加保水剂，黄芪大部分生长指标与土壤全磷、速效磷呈负相关关系；添加保水剂处理下，黄芪大部分生长指标仅与土壤全磷呈负相关关系。综上所述，保水剂协同菌剂对黄芪生长与土壤养分改善均具有较好的促进作用，但改良后土壤肥力水平仍较低，建议在实际生产中还应加大外源添加物的用量。

关键词 排土场；保水剂；土地复垦；冗余分析；露天煤矿

中图分类号 X171  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）03-0065-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.016

Effects of Water-Retaining Agent Combined with Exogenous Substances on Plant Growth and Soil Nutrients in Reclaimed Land of Mining Area

Abstract In order to explore the effective measures to improve the reclaimed land in the loess area， this study set four additives， namely， cow dung， chicken manure， green manure and microbial inoculum， and 10 treatments with water-retaining agent. Field experiments were conducted to study the characteristics of plant growth and soil nutrients under different treatments， in order to find out whether the addition of water-retaining agent can cooperate with exogenous additives to have a positive impact on the reclamation in the mining area. The results showed that：  Most exogenous additives combined with water-retaining agent can promote the growth of Astragalus mongholicus in different degrees， and water-retaining agent combined with cow dung and chicken manure can promote the increase of plant height and biomass of A.membranaceus， but the opposite is true under the application of microbial agents; Water-retaining agent combined with chicken manure and green manure can increase the root diameter of two-level roots. Water-retaining agent combined with organic fertilizer can increase soil organic matter and nitrogen content， while microbial agent treatment is not conducive to increase soil organic matter and nitrogen content; The application of water-retaining agent combined with cow manure and chicken manure decreased the total phosphorus content in soil， and the water-retaining agent combined with green manure and microbial inoculants could increase the total phosphorus content in soil， which had the opposite effect on available phosphorus. Comprehensive evaluation and analysis showed that water-retaining agent cooperated with green manure and microbial inoculum can promote the growth of A.membranaceus， and water-retaining agent cooperated with microbial inoculum can also improve soil nutrients. Without water-retaining agent， most growth indexes of A.membranaceus were negatively correlated with soil total phosphorus and available phosphorus; Under the treatment of adding water-retaining agent， most growth indexes of A.membranaceus were only negatively correlated with soil total phosphorus. To sum up， water-retaining agent and microbial inoculum can promote the growth of A.membranaceus and improve soil nutrients， but the soil fertility level after improvement is still low， so it is suggested that the amount of exogenous additives should be increased in actual production.

Key words Dump;Water retention agent;Land reclamation;Redundancy analysis（RDA）;Opencut coal mine

露天煤矿开采虽促进了经济和社会的发展，但导致地表景观破坏、生态环境受损、土壤结构损坏、生物多样性下降等问题［1-2］。随着我国资源向生态脆弱、经济发展较低的中西部逐步发展，矿区生态修复与经济持续发展的协调发展备受关注。一直以来，我国矿区土壤复垦的重点工作侧重于生态修复效果及其维持，对于修复利用及可持续发展尚未引起足够的重视，基于地域优势探索经济转型产业对区域可持续发展具有重要意义。

内蒙古地区地带性植被以草原物种为主，包含丰富的本土化中蒙草药资源，矿区开采占据或破坏大量中蒙草药赖以生存的土地资源，排土场复垦土地可为其培植提供潜在的土地资源及“采煤后时代”的新经济增长点，为该区创新产业的发展提供保障。然而内蒙古矿区多处于黄土区，排土场以生黄土覆盖为主，改善其水肥条件是关键。有机肥施用一直被认为是土壤改良的最佳方式［3］，菌剂在土壤改良中的积极作用也备受关注［4］。然而，研究表明有机肥与菌剂发挥其积极作用的前提在于水分条件的保障［5］，而内蒙古中西部降水少、光照强、干旱及风害频繁，要实现生态的良性循环，提高水分利用率，减少肥力散失是根本。

为提高半干旱区土壤保水保肥能力，多种土壤的科学施肥及化学节水应用研究逐渐开展，白美等［6］研究表明，抗旱剂处理对提高冬小麦花后生育期内耕层土壤水分含量、冬小麦的旗叶水势以及叶片水分利用效率的效果明显。辛小桂等［7］总结了稀土、泥炭、沸石、黄腐酸等化学节水材料或制剂在农业应用中的特性、作用机理，得出不同节水制剂或材料对提高土壤含水量效果显著。随着高分子吸水性材料的发展，由于其高效吸水保水、抗旱节水等特性，使其近年来在干旱区农林业中得到广泛应用［8］。作为众多化学节水材料之中的一种，保水剂具有极为优越的吸水性，每克保水剂可在数十秒时间内吸收自身重量上百倍甚至更多的水分［9］。当土壤缺水时，其所吸持的有效水分可由渗透压作用及时释放以维持土壤水分条件和供作物吸收利用，同时在保水剂施入土壤后吸水膨胀，又能发挥将离散的土壤颗粒聚集成团，增加土壤孔隙度，降低土壤容重等作用［10］。然而，有关保水剂的研究多关注在其如何促进农作物增产以及提高造林成活率方面［11-12］，而将其与有机肥、菌剂等协同作用的机理方面却研究较少。

因此，该研究以鄂尔多斯武家塔复垦两年苜蓿地为试验地，选取区域优势中蒙草药黄芪作为复垦经济栽培种，设置菌剂、有机肥、绿肥等不同外源改良措施，结合保水剂的配施，通过测定不同处理下黄芪生长与土壤养分特征，探究保水剂协同外源添加物改善矿区复垦效应，为矿区排土场复垦地土壤改良与经济植物栽培提供理论依据与实践参考，进而确保区域矿区的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

栽培种选取经济价值较好的蒙古黄芪（Astragalus mongholicus），豆科黄芪属植物，多年生草本，根系发达。蒙古黄芪因其适生性强、经济价值高，在内蒙古广泛种植［13］，其在内蒙古境内生态因子相似系数＞95%的生态适宜区达43个县区，面积为94 460.30 km2［14］。

有机肥源选择牛粪、鸡粪、绿肥等，由于其作为固体废弃物在地处农牧交错带的研究区内产量丰富，将其作为有机肥源，不仅可提升土壤肥力，还可实现固体废弃物的资源化再利用。

微生物菌剂选用了复合木霉菌，复合木霉菌具有保护和促生双重功效，以超寄生与抗生方式破坏并分解病原菌菌体，可有效提高植物成活率，促进其健壮生长。

1.2 试验设计

在排土场选取种植苜蓿两年后的地块作为试验区，在试验区布设30个面积为3 m×3 m的试验小区，小区间保留1 m的缓冲带。采用随机区组设计，共设置10个不同处理，每个处理设3个重复。

在对基底土壤施加了复合肥的基础上，针对施肥对象黄芪，采用沟施方式，拉取深度10～20 cm的施肥沟，设计牛粪（CD）、鸡粪（CM）、绿肥（GM）、菌剂（MI）单施及与保水剂（Ab）混施等处理。不同处理的具体用量如表1所示，其中有机肥用量设计依据当年经济投入相近的原则估算。

1.3 植物生长调查与测定

于植物生长季末，在不同试验小区各选取3个1 m×1 m的樣方，在每个样方中选取6株代表性植株，测定其株高、根长、地径和根径，并统计其芽数、不同级根数，并采用烘干法测定其地上生物量与地下生物量。

1.4 土壤样品采集与测定

于植物生长季后，进行土壤样品采集。在每个试验小区内，随机选取3个样点，在每个样点附近采取多点混合采集法采集，一般设置6个点。采集土样时需先用工具将其植被枯枝落叶层去掉，采集0～20 cm土层土样，每个采集点对应土层的土样混合为1个样品，再将土样带回到实验室。土样经实验室自然风干，挑去植物残体和石块等杂物，过0.15 mm孔径筛后装瓶备用，用于测定土壤养分。

有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定；全磷和速效磷采用钼锑抗比色法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定。

1.5 数据分析

采用Excel 2018和SPSS 20.0软件进行数据整理与统计分析，运用Origin 2021进行制图。不同处理间的差异性及显著性采用ANOVA方差分析和LSD多重比较法进行分析。采用Canoco 5.0软件进行冗余分析（RDA），探讨保水剂协同外源添加物对植物生长及养分的影响机理。

2 结果与分析

2.1 保水剂协同外源添加物对黄芪生长的影响

2.1.1 株高。

植物株高是植物生长发育和生产力情况在一定程度上较为直观的表达。由图1可知，与无添加物处理相比，各处理对黄芪株高生长均有不同程度的促进作用，其中单独添加保水剂后的处理对比效果最为显著（P<0.05），平均株高增加24 cm。在保水剂协同处理下，黄芪株高在CD、CM与GM处理下都较无保水剂施加时高，而在MI处理下则反之。可见，保水剂施用有利于黄芪株高生长，而且与有机肥可协同促进黄芪株高的生长，而不利于微生物菌剂对黄芪株高生长的促进作用。

2.1.2 生物量。

黄芪的生物量采用干重来表征。由图2可知，与无添加物处理相比，不同外源添加物处理下黄芪地上、地下生物量均有所提升。总体上施加CD配施保水剂处理效果最为显著，该处理下黄芪地上、地下生物量平均增长幅度超过27.0 g/m2。未添加保水剂处理中，MI处理促进生物量效果最显著，地上生物量较无添加物处理平均增加了11.6 g/m2，地下生物量较无添加物处理平均增加了15.2 g/m2，GM次之。配施保水剂条件下，CD与CM对黄芪地上、地下生物量具有促进作用，GM与MI则不利于黄芪生物量的增加，但效果并不显著。可见保水剂施用有利于黄芪地上和地下生物量的累积，但与GM与MI协同施用时会稍限制生物量的增长。

2.1.3 根系生长。

根系对植物生长起支撑作用和运输养料和水分的作用，其长度在一定程度上能够反映植物对养分的吸收能力与生长态势［15］。由图3可知，黄芪一级和二级根长在不同处理下均高于无添加物处理，其中单独添加保水剂与GM配施保水剂最能有效增长一级根的根长，平均增加根长均超过4 cm，二级根则单独添加MI与CD配施保水剂的处理下根长增加最多，分别增加了10.7和10.9 cm，整体来看，单独添加保水剂和GM配施保水剂2个处理，可同时增加一级根与二级根的长度。

由图3可以看出，在根径长度上，各处理对比无添加物处理，也有不同程度的积极作用，其中单施加保水剂对黄芪一级根根径影响最大，平均提升了5.5 mm，CM配施保水剂对黄芪二级根影响最大，平均增加1.8 mm。整体上单施保水剂和保水剂配施CM可同时增加黄芪的一级、二级根根径。通过对比黄芪一级根根长与一级根径，可以看出，每个处理下根长与根径呈现负相关关系，根长越长时，根径越细，反之，根长较短时，根径也更粗壮，在二级根长与二级根径中也呈现出类似规律。黄芪地径主要分布在4～6 mm，各处理之间差异较小，但无添加物处理总体地径低于其他处理，CK、CM、GM在配施保水剂后表现出增粗的趋势。黄芪的二级根数量主要分布在3～6个，各处理之间与无添加物处理无显著差异，除无添加物处理外，整体上各处理添加保水剂后会降低二级根的根数，而无添加物处理在添加保水剂后，二级根数量增加较多。

2.2 保水剂协同外源添加物对黄芪种植土养分的影响

如表2所示，保水剂协同不同外源添加物对黄芪土壤养分的影响各异。保水剂协同不同外源添加物对黄芪土壤有机碳、全氮和碱解氮含量的影响具有一致性，即保水剂协同牛粪、鸡粪和绿肥添加后均可增加土壤有机碳、全氮和碱解氮的含量，而保水剂协同微生物菌剂添加后则反之。其中单施保水剂、保水剂协同鸡粪添加处理对土壤有机碳和全氮含量的促进作用最明显，较未添加处理分别提高了2.49、2.26 g/kg和200.40、202.70 mg/kg；而菌剂处理下，配施保水剂后土壤有机碳和全氮含量分别降低了0.15 g/kg和9.30 mg/kg。可见，保水剂协同有机肥可增加土壤有机质与氮含量，而不利于微生物菌剂处理增加土壤有机质与氮含量。保水剂协同牛粪和鸡粪降低了土壤全磷含量，而保水剂协同绿肥与微生物菌剂提升了土壤全磷含量；相反，保水剂协同牛粪、鸡粪绿肥与微生物菌剂均提升了土壤速效磷含量。

根据全国第二次土壤普查养分分级标准将不同处理下黄芪种植土养分进行分级，结果如表3所示，可知项目区排土场土壤养分总体含量贫瘠，除速效磷外，有机碳、全磷、全氮、碱解氮均处于较低水平。

对黄芪种植土养分进行相关性分析（表4），发现土壤有机碳与土壤碱解氮、速效磷、土壤全氮具有极显著正相关关系（P<0.01），土壤全氮与碱解氮、速效磷呈极显著正相关关系（P<0.01），土壤速效磷与碱解氮呈极显著正相关关系（P<0.01）。

2.3 综合评价

2.3.1 植物生长的综合评价。

采用隶属函数法对植物的各项生长指标进行计算求值，结合主成分分析法得到了不同施肥处理下植物生长特征的隶属函数的加权平均值，进而对不同施肥模式下植物生长特征进行综合评价。如表5所示，不同处理下生长特征的综合排名依次为GM+Ab>MI>MI+Ab>CD>CM+Ab>CK>CM>Ab>GM>CD+Ab，表明不同處理下绿肥配施保水剂对植物生长特征的促进作用最强，单施菌剂次之。

2.3.2 土壤养分的综合评价。

采用隶属函数法对黄芪土壤养分含量指标进行计算求值，结合主成分分析法得到了不同施肥模式下土壤养分指标的隶属函数的加权平均值，进而对不同处理下黄芪土壤养分特征进行综合评价。如表6所示，不同处理下黄芪土壤养分特征综合排名依次为GM>MI+Ab>CD>CM+Ab>Ab>MI>CD+Ab>GM+Ab>CM>CK。可见，相较于无添加物处理，不同处理均对土壤养分具有促进作用，其中单施绿肥对土壤养分的综合提升效果最佳，菌剂配施保水剂次之。

2.4 保水剂配施下植物生长与养分指标RDA分析

由图4可知，不添加保水剂时，RDA1和RDA2分别解释了变量的22.80%和6.65%，总解释变量为29.45%，说明土壤养分特征一定程度上影响了黄芪的生长。其中大部分生长指标与土壤全氮、碱解氮、有机碳之间呈现正相关关系，碱解氮与大部分生长指标的相关性大于全氮和有机碳；而株高、二级根径与土壤全磷、速效磷之间呈负相关关系，全磷与株高等指标的负相关关系大于速效磷。

保水剂协同处理下，RDA1和RDA2分别解释了变量的21.53%和6.99%，总解释变量为28.52%，说明添加保水剂后，土壤养分特征依然一定程度影响黄芪的生长，其中大部分指标与土壤全氮、碱解氮、有机碳之间呈现正相关关系，与全磷呈负相关关系，全氮与株高的相关性大于有机碳与株高，碱解氮与地径的相关性大于有机碳与地径，株高、芽数等生长指标与全磷之间呈负相关关系，而株高与速效磷之间相关性较低。

3 讨论

该研究通过对比株高、根径、生物量等黄芪生长指标，可以看出，配施保水剂后不同施肥处理对黄芪的生长各有差异。在配施保水剂后，除菌剂外，各处理均对黄芪株高生长具有更好的促进作用。黄芪的地上、地下生物量在配施保水剂后表现了更好的生物量积累，黄伟等［16］研究表明，施用保水劑后马铃薯产量显著增加，与该研究结果较一致。而GM和MI处理下，配施保水剂后生物量呈现降低趋势，表明GM与MI协同保水剂会对植物生物量积累呈现一定的抑制作用。

根系生长一定程度上能够反映植物对养分的吸收能力与对不良生境的抗性，对于以根为收获物的经济植物，根系生长状况直接决定经济效益［15］。研究表明，单施保水剂可以同时增加黄芪的根长和根径，曹昀等［17］通过在2种水分条件下（足量供水和限制供水）对狗牙根施加保水剂，发现添加保水剂可以明显增加根系长度，与该研究结果一致。然而，保水剂配施不同外源添加物对植物根系的影响各异。CD、CM配施保水剂处理后降低了一级根根长，GM、MI配施保水剂处理后增加了一级根根长，根径则表现出相反的规律；二级根的根长与根径也呈现类似规律，表明黄芪在生长发育过程中，根长生长与根径生长相互制衡。

与无添加物处理相比，各处理均能不同程度增加黄芪地径，配施保水剂后，单施保水剂、CM、GM配施保水剂要优于未添加保水剂处理，CD、MI处理下配施保水剂后黄芪地径小于未添加保水剂的处理。对于二级根数，除单施保水剂外，CD、CM、GM、MI配施保水剂后，黄芪二级根数量均有所减少。CM、GM处理添加保水剂后，更容易使黄芪减少自身二级根数的增加，而集中促进其根径的横向发育。田圣志等［18］提出，商品药材多以长和粗者为佳，但通过对比不同产地的黄芪，发现黄芪侧根中毛蕊异黄酮和芒柄花素含量高于主根。植物的生长受环境、气候、土壤以及产地品种等影响因素较多，如何更充分有效利用黄芪药用资源还有待进一步研究。从经济角度出发，黄芪作为商品药材，CM、GM配施保水剂后，有利于提高黄芪品相，达到更高经济价值；而从药性角度出发，单施保水剂更有利于侧根的生长，在种植黄芪时，可根据种植需求，调整施肥方式。通过综合评价法对黄芪生长指标进行综合评价，可以看出绿肥配施保水剂处理，在各处理下综合表现最佳。

采矿活动改变了矿区的土壤环境，损毁了土壤有机碳物理保护层，造成土壤中大量的碳释放到大气中，进而影响了土壤 C、N 循环，导致矿区生态环境日趋恶化。相应的人工干预下，不同施肥模式对黄芪土壤养分指标的影响各有差异。土壤有机碳、全氮、速效磷、碱解氮等养分是影响植物生长的重要指标［19-22］，整体上，各处理配施保水剂后，土壤有机碳、全氮、速效磷、碱解氮含量明显较未添加保水剂含量高，说明保水剂对土壤贮存有机碳、全氮、速效磷、碱解氮有促进作用。但菌剂配施保水剂后，土壤中有机碳降低了0.15 g/kg，全氮降低了9.30 mg/kg，速效磷降低了0.10 mg/kg，碱解氮降低了3.00 mg/kg。表明相比较其他处理，保水剂协同菌剂处理更易促进土壤中养分的消耗。土壤养分是植物生长的关键因素，尤其是速效养分［23］，当养分稀缺时，不利于植物生长。从不同处理下项目区养分分级结果来看，需要继续对该地区进行土壤修复，提高土壤肥力。通过综合评价法对黄芪土壤养分指标进行综合评价，可以看出单施绿肥处理，在各处理中对增加土壤养分表现最佳，配施保水剂的各处理中，菌剂配施保水剂对土壤养分指标的贡献最优。然而，该研究中大部分处理后的土壤养分含量仍较低，肥力等级较低，主要由于土壤基底肥力瘠薄，外源物添加量有限，建议在实际生产中加大外源添加物的用量，从而更好地改良黄土区矿区废弃地的土壤肥力质量。

4 结论

在黄土区矿区排土场复垦地，不同施肥方式协同保水剂处理后，整体上可不同程度促进黄芪的生长与土壤养分的提升。其中保水剂协同牛粪和鸡粪施用时，均更有益于黄芪株高和生物量的增加，菌剂配施保水剂后，对比单独施用菌剂，表现出对黄芪部分生长指标稍有抑制作用，但整体上相较于无添加物处理仍有很多的积极影响。保水剂协同鸡粪和绿肥后可增大黄芪的二级根的根径。有机肥在保水剂协同施用时更易增加土壤有机质与氮含量，而微生物菌剂在保水剂协同施用后，不利于土壤有机质与氮含量增加。保水剂配施牛粪和鸡粪降低了土壤全磷含量，保水剂协同绿肥与微生物菌剂可提升土壤全磷含量，其对速效磷的影响与全磷相反。综合评价得出菌剂配施保水剂对黄芪生长与土壤养分改善均具有较好的促进作用，但改良后土壤肥力水平仍较低，建 议在实际生产中还应加大外源添加物的用量，从而更好地改良内蒙古矿区废弃地的土壤肥力质量。研究结果对研究区施肥方式的选择与保水剂的应用有一定的指导意义。

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