煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 毕银丽,胡晶晶,刘京. 煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性[J]. 煤炭学报,2020,4582908- 2917. BI Yinli,HU Jingjing,LIU Jing. Spatial heterogeneity of soil nutrients under shrubbery in micro-reclamation demonstra- tion base in coal mine areas of China[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582908-2917. 煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性 毕银丽1,2,胡晶晶2,刘 京2 1. 西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054; 2. 中国矿业大学北京 地球科学与测绘工程学院,北京 100083 摘 要微生物复垦技术近年来已成为矿区土地复垦新的研究方向,微生物复垦多年后,新的人工 生态系统已建立,其灌木林下土壤养分的空间异质性研究成为关注的重点。 选择神东大柳塔采煤 沉陷地微生物复垦地为研究区,利用经典统计学、地统计学和协同克里金插值方法,研究采煤沉陷 地微生物复垦区灌木林下土壤全氮、有机质和速效磷的空间异质性及其影响因素。 结果表明研究 区土壤全氮、有机质和速效磷的含量均值分别为 0． 50 g/ kg,11． 93 g/ kg,2． 24 mg/ kg,均呈现出中等 强度变异,存在空间自相关性。 选择能表征丛枝菌根真菌特性的关键因子土壤菌丝密度,发现土壤 菌丝密度与土壤全氮、有机质和速效磷含量呈极显著正相关性。 以土壤菌丝密度为协变量的土壤 全氮、有机质和速效磷的最优模型分别为高斯模型、球状模型和高斯模型,决定系数分别为 0． 709, 0． 757 和 0． 467,均高于单一变量的土壤全氮、有机质和速效磷的决定系数。 以菌丝密度为辅助变 量的土壤全氮、有机质和速效磷均呈现强空间自相关性,有机质的变程较长,空间连续性较好;土壤 全氮空间分布呈块状分布,对空间依赖性较强;土壤速效磷呈不规则斑块状,破碎化程度高。 以菌 丝密度为辅助变量进行协同克里格插值能够显著提高土壤全氮、有机质和速效磷含量的预测精度。 关键词微生物复垦技术;土壤养分;空间异质性;经典统计学;地统计学;协同克里金插值;采煤沉陷 中图分类号TD88 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2908-10 收稿日期2020-02-11 修回日期2020-05-15 责任编辑韩晋平 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2020.0169 基金项目国家自然科学基金资助项目51974326;首都科技领军人才资助项目Z18110006318021 作者简介毕银丽1971,女,陕西米脂人,长江学者特聘教授,博士。 E-mailylbi88126． com Spatial heterogeneity of soil nutrients under shrubbery in micro-reclamation demonstration base in coal mine areas of China BI Yinli1,2,HU Jingjing2,LIU Jing2 1. College of Geology and Environment,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China; 2. College of Geoscience and Surveying Engi- neering,China University of Mining Technology Beijing,Beijing 100083,China AbstractMicro-reclamation technology had become a new research direction of land reclamation in coal mining areas recently. The man-made ecosystem had been established after micro-reclamation for several years,the spatial heteroge- neity of soil nutrients under shrubbery in the micro-reclamation demonstration base had been paid close attention to the further research. The microbial reclamation area in the coal mining subsidence area of Daliuta,Shendong,was selected as the research area. The total nitrogen,organic matter,and available phosphorus in shrub forests at microbial reclama- tion area in the coal mining subsidence area were studied using classical statistics,geostatistics,and coordinated krig- ing interpolation s to obtain the spatial heterogeneity and its influencing factors. The results showed that the av- erage values of soil total nitrogen,organic matter,and available phosphorus content in the study area were 0. 50 g/ kg, 11. 93 g/ kg and 2. 24 mg/ kg respectively,all of which exhibited a moderate-intensity variation and spatial autocorrela- 第 8 期毕银丽等煤矿微生物复垦区灌木林下土壤养分的空间异质性 tion. The soil mycorrhizal hyphal density had been chosen as the key factors of the arbuscular mycorrhizal fungi char- acteristics. The results showed that the hyphal density has very significant positive correlations with soil total nitrogen, organic matter and available phosphorus. The best fitting models for the cooperative variation functions of soil total ni- trogen,organic matter,and available phosphorus with hyphal density as an auxiliary variable are gaussian model,spher- ical model and gaussian model,and their coefficients of determination are 0. 709,0. 757 and 0. 467,which are higher than those of single-variable soil total nitrogen,organic matter,and available phosphorus. The soil total nitrogen,organ- ic matter and available phosphorus all showed strong spatial autocorrelation with hyphal density as auxiliary variable, which can significantly improve the prediction accuracy of soil total nitrogen,organic matter and available phosphorus content. The spatial distribution of soil total nitrogen was block-shaped,and had a strong dependence on space. Soil a- vailable phosphorus was irregularly patchy and highly fragmented. Cooperative Kriging interpolation with mycelium density as an auxiliary variable can significantly improve the prediction accuracy of soil total nitrogen organic matter and available phosphorus. There are different spatial heterogeneity and spatial correlations of soil total nitrogen and or- ganic matter in shrub forests at the microbial reclamation zone of coal mining subsidence area. Key wordsmicro-reclamation technology;soil nutrients;spatial heterogeneity;classical statistics;geostatistics;collabo- rative kriging interpolation;coal mining subsidence 中国是世界上最大的煤炭生产国与消费国,煤炭 资源开发引发了一系列的生态环境问题,如造成沉陷 区地表塌陷、土壤结构受损、土壤肥力降低,植被和生 态退化,土壤和生态系统可持续发展受到制约[1-3],而 传统工程复垦投资大、周期长、生态效果不稳定,微生 物复垦技术以其在土壤改良方面独特的优势,成为了 当前国内外矿区土地复垦的新热点[4]。 丛枝菌根真 菌arbuscular mycorrhiza fungi,简称 AMF是土壤中普 遍存在的一类微生物,能与 80以上的陆生植物形成 互惠共生关系,在促进植物养分吸收、修复根系功能、 改良土壤结构、修复生态等方面具有重要作用[5]。 毕 银丽和申慧慧[[6]采用丛枝菌根等微生物复垦技术能 够促进采煤沉陷地植被恢复、改良土壤、加快生态复垦 速度,微生物复垦多年后,生态系统种群实现了自我演 替变化。 微生物复垦区域的土壤理化性状经多年微生 物累积作用而发生质变,土壤养分空间异质性变化更 值得在空间尺度上实现由点到面的关注。 土壤养分的空间异质性是土壤的重要属性之一。 土壤是一个自然连续体,土壤在自然和人为因素的共 同影响下,形成了不均一和动态变化的时空连续体, 导致其在不同范围内都存在空间变异性[7-8]。 碳、氮 和磷营养是表征土壤肥力的重要元素,掌握其空间特 征是实现土壤与生态可持续利用与管理的前提[9-13]。 从 20 世纪 90 年代开始,地统计学与 GIS 相结合的方 法成为研究土壤性质时空变异并揭示变异本质和机 制的重要方法和手段,地统计学是研究空间变异最有 力的手段,是在经典统计学基础上发展起来的空间分 析方法[14]。 目前,空间插值法被广泛用于土壤养分 元素的空间分布和地图制图[15-16],该方法能有效地 实现空间数据由点向面的尺度扩展。 协同克里金是 地统计学中较为重要的插值方法之一,其可以用空间 中的一个或多个辅助变量对所感兴趣的主要变量进 行插值估算,从而获取研究范围内未知点的主变量属 性值[17]。 实际上,很多变量之间存在一定的相关性, 普通克里金插值法Ordinary Kriging很难达到预期 的精度,而协同克里金插值Cokriging为利用可靠的 辅助变量对目标变量进行最佳线性无偏估值,不仅考 虑了变量的空间连续性,还考虑了变量之间的相关关 系,可有效地提高精度估值[18-20]。 高文武等[21]发现 基于与土壤锰元素含量相关的多辅助变量的协同克 里金插值法可以提高锰元素含量的精度。 杨奇勇 等[22]发现以土壤含水率为辅助数据的协同克里金插 值法能有效提高土壤干容重的预测精度。 协同克里 金插值适用于耕作层土壤全氮空间估值研究,不仅能 提供局部变异信息也可优化采样数量[15]。 方学燕 等[23]对茎柔鱼的空间分布进行分析,发现协同克里 金插值对未知区域的预测具有一定的可靠性。 采用协同克里金插值方法来研究微生物复垦多 年后人工灌木林下土壤碳、氮和磷含量的养分空间异 质性,对于揭示微生物复垦技术的长效土壤改良作用 提供了一种新的统计方法。 因此,笔者利用野外采集 土壤样点数据,结合地统计学、GIS 空间分析以及传 统统计方法,揭示出采煤沉陷地微生物复垦多年后, 其灌木林下表层土壤有机质、全氮和速效磷含量空间 分布规律,并分析该养分含量与丛枝菌根真菌关键因 子间的相关性,对于揭示采煤沉陷地微生物复垦区以 丛枝菌根真菌为辅变量的土壤碳、氮和磷含量预测研 究与空间分布具有重要的理论和现实意义,阐明微生 9092 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 物复垦持续土壤改良与生态效应,可为采煤沉陷地土 地复垦和生态修复提供理论与技术指导。 1 材料和方法 1． 1 研究区概况 试验区位于陕西省神木县大柳塔镇东山煤矿开 采沉陷区国家水土保持示范园区内微生物复垦基 地109． 22E 111． 12E,38． 83N 39． 78N,该区 域处于黄土高原沟壑区向毛乌素沙漠的过渡地带,典 型的干旱半干旱高原大陆性气候,盛行偏西和西北大 风,全年干旱少雨多风沙,年均大风日14 d,年均降水 量 441 mm, 主 要 集 中 在 7 至 9 月, 年 均 蒸 发 量 1 337 mm,年均气温 8． 9 ℃,年均日照 2 875． 9 h。 当地先锋植被主要以 1 年生的狗尾草Setaria viri- dis、猪毛蒿Artemisia scoparia等为主。 该基地微生 物复垦前土壤类型为风积沙土,土质疏松,蓄水保肥、 抗蚀力差。 土壤基本理化性质pH 值 8． 35,电导率 164． 36μS/ cm, 有 效 磷 0． 008g/ kg, 速 效 钾 0． 066 g/ kg,碱解氮0． 032 g/ kg,全氮0． 41 g/ kg,最大 持水量 15． 12,按照全国土壤养分含量分级标准, 养分属于极贫瘠的沙土。 1． 2 样地设置 设置 13 块分别为 200 m200 m 试验地图 1。 分别是纯对照区,未人工干扰的区域,该区以油蒿草 本为主,是无人工灌木的生态自修复区;人工修复区, 分别是接种丛枝菌根真菌和未接种丛枝菌根真菌的 沙棘、文冠果和紫穗槐灌木林区,3 种灌木林又分别 为复垦 5 a2012 年复垦和 3 a2014 年复垦两个 复垦时段,各样地基本情况见表 1。 2012 年微生物复 垦基地建设时,人工种植小灌木并接菌,供试丛枝菌 根真菌的菌种为摩西管柄囊霉Funneliis mosse- ae,Fm,由中国矿业大学北京微生物复垦实验室 通过盆栽沙土扩繁培养而得的菌根菌剂,该菌剂每 10 mL 基质含孢子为 300 个。 图 1 各样地位置分布示意 Fig． 1 Sketch map of each plot location distribution 表 1 各样地基本情况 Table 1 Basic situation in different sites 样地编号群落类型处理树龄/ a海拔/ m种植密度/ 株hm -2 草本覆盖度/ 菌根侵染率/ 菌丝密度/ mg -1 DZ自修复纯对照1 258． 144518． 002． 01b1． 180． 03f H01沙棘Fm51 268． 121 1206750． 603． 03ab6． 610． 07a H02沙棘CK51 272． 111 1203933． 333． 27de2． 250． 02e H03沙棘Fm31 254． 801 9965146． 672． 67ab4． 990． 03b H04沙棘CK31 249． 621 9964326． 731． 89e2． 240． 10e X01文冠果Fm51 256． 271 0935648． 012． 49a6． 210． 18a X02文冠果CK51 257． 371 0933822． 673． 40b2． 250． 02de X03文冠果Fm31 260． 691 9963741． 472． 57a4． 770． 12c X04文冠果CK31 256． 431 9964920． 002． 11b1． 480． 06f A01紫穗槐Fm51 238． 411 1215942． 673． 40ab7． 340． 36b A02紫穗槐CK51 243． 491 1216224． 003． 40d2． 140． 10de A03紫穗槐Fm31 268． 175 0006437． 333． 40bc5． 610． 18c A04紫穗槐CK31 248． 135 0007122． 663． 40d1． 450． 10f 注同列不同小字字母表示不同样地之间差异显著p复垦 3 a 的未接菌区,随着复垦的年限增加,土壤全 氮含量在增加。 土壤有机质总体上接菌区明显优于 对应年限的对照区,呈不规则斑块状,接菌区的西部 和东南部含量较高,接种丛枝菌根真菌 3 a 后土壤有 机质含量提高,顺序为复垦 5 a 的接菌区复垦 3 a 的接菌区≥复垦 5 a 的未接菌区复垦 3 a 的未接菌 区 自修复区,复垦时间增加,土壤有机质的含量也 随着增加。 土壤速效磷分布呈现斑块状,破碎化程度 高,含量高的斑块在接菌区分布多,复垦 5 a2012 年 复垦紫穗槐接菌样地速效磷最高,复垦 5 a 区域高 于复垦 3 a。 土壤全氮、有机质和速效磷空间分布特 征与复垦年限、植物种类、本底土质及沉陷区塌陷微 地形等因素有关。 接菌促进了植物生长,人工修复后 土壤养分的积累比自修复区高,与生物多样性高,加 速枯落物的分解与有机质累积。 2． 5 交叉验证 选择均方根和平均标准误差作为检验方程精度 的评价指标,土壤全氮、有机质和速效磷的检验方程 及评价指标结果见表 5,根据均方根和平均标准误差 越小,精度越好的原则,以土壤根外菌丝密度作为辅 助变量的协同克里金插值比单一变量的全氮、有机质 和速效磷克里金插值精度稍高。 可知以菌丝密度为 辅助变量的土壤全氮、有机质和速效磷协同克里金插 值的预测值与真实值较为接近,精度较好,其中以菌 丝密度为辅助变量的全氮的均方根最小,为 0． 217; 平均标准误差最小,为 0． 254,表明预测精度最高。 可见利用土壤根外菌丝密度作为土壤全氮、有机质和 速效磷空间变异分析的协同变量更合理可行。 表 5 土壤养分的检验方程及评价指标 Table 5 Test equations and uation inds of soil nutrient 指标检验方程 均方根 RMS 平均标准 误差 ASE 全氮y0． 293x0． 3280． 2270． 223 全氮菌丝密度y0． 329x0． 3210． 2170． 254 有机质y0． 222x9． 2053． 2333． 170 有机质菌丝密度y0． 226x9． 1893． 1772． 975 速效磷y0． 328x1． 3851． 0251． 027 速效磷菌丝密度y0． 370 x1． 2181． 0080． 682 3 讨 论 本研究区位于大柳塔采煤沉陷地微生物复垦区 内,属于黄土高原沟壑区向毛乌素沙漠的过渡地带, 主要是以风积沙土为主。 煤炭开采引发局部地表塌 陷,加剧了土质的不均一性和微地形起伏,损伤了生 态环境。 本研究采用协同克里金插值总体评价了微 生物复垦 3 5 a 后土壤养分的空间异质性变化格 局,能更全面、直观地反应土壤全氮、有机质和速效磷 的空间分布。 复垦区土壤中虽然存在着土著菌根真 菌,但是与人工接菌效果相比,植物的菌根侵染率及 根际土壤菌丝密度仍然很低。 人工接菌的长期生态 效应仍然持续产生影响[23],丛枝菌根真菌菌丝增加 了灌木林植被根系与土壤的接触面积,提高了豆科植 物如紫穗槐根际土壤氮浓度,并吸收利用土壤中的无 机氮和简单的氨基酸,加速矿化土壤中的有机氮,增 加氮有效性[28]。 丛枝菌根真菌是对土壤磷比较敏感 的一类土壤微生物,在活化土壤磷有效性方面具有积 极作用[5],磷的有效性除了根的作用,还与土壤的性 状、植物的种类、植物的生长量有关[29]。 采煤沉陷地 接种丛枝菌根真菌 3 a 后土壤开始表现出一定的养 分积累,因植物种类及生长量不同,其土壤养分的空 间变异性大,斑块破碎度大,其累积效应还需要一定 积累期才能表现出来。 碳、氮、磷等营养元素是表征 土壤肥力的重要元素,土壤全氮、有机质和速效磷与 菌根侵染率和土壤根外菌丝密度呈极显著正相关,存 在协同反馈效应,丛枝菌根真菌在土壤养分转化过程 中起着至关重要的作用[30]。 空间异质性导致空间格局的存在,协同克里金插 值空间分布图能更全面、直观地反应土壤全氮、有机 质和速效磷的空间分布。 研究区土壤全氮和有机质 呈现对角线状分布,速效磷呈现斑块状分布,这是由 于土壤中的全氮、有机质和速效磷受丛枝菌根真菌的 影响。 复垦区的土壤的全氮、有机质和速效磷含量均 表现为强空间自相关性,其变异可能是由结构性因素 引起为主,比如土壤母质、气候、地形等因素;同时其 变异也可能是由随机因素引起,而这一区域的随机因 素主要是采煤塌陷导致地表土壤受到严重的扰动,土 壤有机质原有的空间自相关性遭到破坏。 在采煤沉 陷地接种丛枝菌根真菌对土壤养分全氮、有机质和速 效磷含量具有促进积累作用,采煤沉陷地微生物复垦 区灌木林土壤全氮、有机质和速效磷存在不同的空间 异质性和空间关联性。 通过土壤养分空间分布格局 可以看出,土壤全氮、有机质和速效磷的含量与复垦 年限、是否接菌、植物种类、本底土质及沉陷区塌陷微 地形等因素有关[31]。 接菌区的土壤全氮、有机质和 速效磷的含量的积累比自修复区高,可能是接菌促进 了植物的生长及植被生物量,加速了复垦区枯落物的 5192 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 分解与有机质累积所致[32]。 采煤沉陷地微生物复垦区灌木林下土壤全氮、有 机质和速效磷存在不同的空间异质性和空间关联性, 这为采煤沉陷地微生物复垦后续生态可持续发展提 供一定的理论依据,对维持矿区生态系统稳定性和可 持续性提供了一种新的研究方法。 本文主要是利用 协同克里金插值法探究土壤全氮、有机质和速效磷在 水平方向上的空间异质性,若进一步探究土壤养分在 垂直方向上的异质性,并与水平方向上的异质性相结 合,能更全面地揭示出采煤沉陷地全氮、有机质和有 效磷空间异质性影响规律,其作用机理仍有待进一步 深入研究。 4 结 论 1研究区域土壤全氮、有机质和速效磷存在空 间自相关性,有机质的空间连续性较好,全氮对空间 依赖程度较高。 有机质空间格局呈现中等强度的空 间变异,受随机因素和结构性因素的影响。 接菌促进 了土壤养分含量提高,复垦 5 a 后土壤养分产生明显 的空间格局变异。 2林下土壤全氮、有机质和速效磷以菌丝密度 为辅助变量的协同变异函数的最佳拟合模型分别为 高斯模型、球状模型和高斯模型,决定系数分别为 0． 709,0． 757 和 0． 467。 以菌丝密度为辅助变量的土 壤全氮、有机质和速效磷均呈现强空间自相关,有机 质的变程较长,空间连续性较好;土壤全氮空间分布 呈块状分布,对空间依赖性较强;土壤速效磷呈不规 则斑块状,破碎化程度高。 3协同克里格插值法能够有效地获取土壤全 氮、有机质和速效磷的空间分布,以菌丝密度为辅助 变量进行协同克里格插值能够显著提高土壤全氮、有 机质和速效磷的预测精度。 丛枝菌根真菌在土壤养 分转化过程中起着至关重要的作用,丛枝菌根真菌的 菌丝密度与土壤全氮、有机质和速效磷呈极显著正相 关性。 4采煤沉陷区微生物复垦基地植物群落的演 变与灌木林下土壤全氮、有机质和速效磷等养分累积 的空间异质性和空间关联性,仍需进行继续监测和深 入探讨。 参考文献References [1] 毕银丽,伍越,张健,等. 采用 HYDRUS 模拟采煤沉陷地裂缝区 土壤水盐运移规律[J]. 煤炭学报,2020,451360-367. 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