CN110972594A - 一种露天矿开采伴生粘土的改良方法 - Google Patents

一种露天矿开采伴生粘土的改良方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种露天矿开采伴生粘土的改良方法。本发明公开的露天矿开采伴生粘土的改良方法利用一年生禾本科植物和豆科植物作为绿肥与丛枝菌根真菌联合作用。本发明提供的方法可以对露天矿排土场的植被生态恢复提供有效的帮助，具有很高的推广价值。

Description

一种露天矿开采伴生粘土的改良方法
技术领域
本发明属于土壤改良领域，涉及一种露天矿开采伴生粘土的改良方法，具体涉及一种利用一年生禾本科和豆科植物作为绿肥与丛枝菌根真菌联合作用促进植物生长和改良采矿伴生粘土的方法。
背景技术
土壤有机质是土壤的重要组成部份，土壤的许多物理、化学、生物学特性，都直接或间接地与有机质的存在分不开。氮、磷、钾及矿物质是植物生长的重要物质基础，植物吸收营养元素的量与其生物量和产量呈显著正相关。露天剥离物中含有较厚的伴生粘土层，可以资源化利用来缓解中国东部矿区表土瘠薄的问题。该伴生粘土本身有机质含量较高，但是养分有效性较低，粘粒含量较高，保水能力过强，无结构性，不适宜直接种植植物，多年生植物往往第一年生长后，第二年开始快速退化。
丛枝菌根真菌(简称AMF)是自然界中普遍存在的一种土壤微生物，由菌根孢子(果)、丛枝体、泡囊、菌丝组成，都可以作为繁殖体，与根系接触后侵染形成一种互惠互利的共生体，陆地90％以上的有花植物都能够与它形成菌根共生体。
露天煤矿开采导致大面积土壤结构破坏、生物群落急剧减少，排土场重构过程中又会导致土壤重构更加复杂，表层土堆于下方而不适宜种植植物的粘土则覆于上方，加之中国大型露天矿主要位于中国东部草原区，该区降水量少、蒸发量大，土壤沙化严重，且土壤中有效养分本底值较低，严重制约着该区地表植被生长与生态重建。
发明内容
本发明目的在于改良露天矿开采伴生粘土，促进植被生长，进行生态重建。
在一个方面，本发明提供一种露天矿开采伴生粘土的改良方法，利用一年生禾本科植物和豆科植物作为绿肥与丛枝菌根真菌联合作用，包括如下步骤：
(1)将一年生豆科植物和一年生禾本科植物的种子混合；
(2)将步骤(1)混合后的种子播撒于待改良的采矿伴生粘土区；
(3)播撒种子后进行一次灌溉，之后植物依靠自然降水生长；
(4)于第一年生长3-5个月后(6月初-10月初)，对所述采矿伴生粘土区进行翻耕处理；
(5)在第二年所述采矿伴生粘土区解冻后在翻耕区种植沙棘，在树穴中加入丛枝菌根真菌菌剂。
在一些实施方案中，上述方法中，在步骤(1)中，所述一年生豆科植物和所述一年生禾本科植物的种子以质量比2:1-3:1混合。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，在步骤(2)中，所述混合后的种子以11g/m2-17g/m2的播撒量播撒于所述采矿伴生粘土区。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，在步骤(5)中，所述丛枝菌根真菌菌剂的接种量为每穴50-100g，菌剂中的孢子密度为126-150个/克菌剂；所述菌剂含有宿主植株根段和丛枝菌根真菌菌丝体的砂土混合物。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述一年生豆科植物为毛苕子(Vicia villosa Roth)。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述一年生禾本科植物为燕麦(Avena sativa L.)。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述丛枝菌根真菌为摩西球囊霉(Funneliformis mosseae)；优选地，所述摩西球囊霉为摩西球囊霉BGC XJ01，其在中国丛枝菌根种质资源库的编号为BGC XJ01。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述待改良的采矿伴生粘土区的粘粒含量高于90％。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述待改良的采矿伴生粘土区的pH为7-8.5之间，电导率为200-300μs/cm，最大持水量为为38％-50％，有机碳为10-15g/kg，碱解氮为80-100mg/kg，有效磷为15-20mg/kg，速效钾为10-18mg/kg；
所述有效磷为能够被植物直接吸收利用的磷；
所述速效钾为土壤中可被当季作物吸收的钾，包括水溶性钾和交换性钾。
在一些实施方案中，上述任一所述的方法中，所述待改良的采矿伴生粘土区为露天矿开采伴生粘土，具体可为内蒙古呼伦贝尔市宝日希勒矿区采矿伴生粘土，土壤的各项指标符合上述条件。
在另一个方面，本发明还提供上述任一所述的方法在促进植物生长中的应用；所述植物可以为沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)。
本发明提供的方法可以促进植物生长、改良采矿伴生粘土以及提高土壤肥力，对露天矿排土场的植被生态恢复提供了有效的帮助，具有很高的推广价值。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
摩西球囊霉(Funneliformis mosseae，简称F.mosseae)BGC XJ01是一种丛枝菌根真菌，原名Glomus mosseae，在文献“崔卫东,龙宣杞,侯新强等.黄萎病原菌胁迫对丛枝菌根化棉花幼苗根部防御性酶及超微结构的影响.新疆农业科学,2009,46(6):1235-1244”中公开过，并于2013年在文献“Redecker D,Schüβler A,Stockinger H,Stürmer SL,MortonJB,Walker C.An evidence-based consensus for the classification of arbuscularmycorrhizal fungi(Glomeromycota).Mycorrhiza 2013,23:515-531”中更名为Funneliformis mosseae，公众可从中国矿业大学(北京)获得，下述实施例中采用的菌剂为含有宿主植株根段和根外摩西球囊霉BGC XJ01菌丝体的砂土混合物，孢子量为126个/克菌剂。
毛苕子(Vicia villosa Roth)是豆科、野豌豆属一年生草本植物。
燕麦(Avena sativa L.)是禾本科植物。
沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)是一种胡颓子科、沙棘属落叶性灌木，其特性是耐寒、耐干旱能力极强，对土壤环境要求不严，适合在贫瘠土地上栽培。
实施例1利用一年生禾本科和豆科植物作为绿肥与丛枝菌根真菌联合作用促进植物生长和露天矿开采伴生粘土改良
研究区概况
研究区位于内蒙古呼伦贝尔市陈巴尔虎旗，南距呼伦贝尔市海拉尔区20km，北距额尔古纳市100km，该区属于大陆性亚寒带气候，冬季严寒，夏季较热。区内年平均气温-2.6℃，年平均降水量为315.0mm，年平均蒸发量为1344.8mm，降雨多集中在7、8、9月份，春季多东南风，冬季多西北风，风力3～5级，风速最大17m/s，年平均大风日为23.4d，年平均风速3.3m/s。本区平均年积雪日数为149.9d，最长积雪日178d，雷暴日数平均为23.5d，平均结冰期172d。
排土场植被退化，种类单一，主要以人工种植的披碱草(Elymus dahuricusTurcz)为主，土壤类型主要以重黏土为主，0-20cm土壤基本理化性质为：pH7.8，电导率287μs/cm，最大持水量为42.54％，有机碳13.55g/kg，碱解氮86.9mg/kg，有效磷17.04mg/kg，速效钾14.71mg/kg，粘粒含量为96％，粉粒含量为4％。
一、2017年6月初于一块采矿伴生粘土区栽种沙棘苗，栽种时沙棘苗的平均株高为45cm、冠幅为20cm。具体地，将该采矿伴生粘土区(未翻耕)分成以下两部分，每部分1800m2，每部分中设计三个重复，即每个试验样区600m2：
不翻耕区域接种(M)：以2m×1m的间距挖穴，穴的长×宽×高尺寸为40cm×40cm×40cm，每穴栽种2株一年生沙棘苗，栽种前对沙棘苗根部进行沾浆处理，每个沙棘穴中播撒菌剂50g，然后将沾浆后的沙棘苗扶正于菌剂上，将土壤回填，然后浇水达土壤最大饱和持水量。
不翻耕区域不接种(CK)：以2m×1m的间距挖穴，穴的长×宽×高尺寸为40cm×40cm×40cm，每穴栽种2株一年生沙棘苗，栽种前对沙棘苗根部进行沾浆处理，将沾浆后的沙棘苗扶正于穴中，将土壤回填，后浇水达土壤最大饱和持水量。
二、2018年6月底在另一块采矿伴生粘土区进行毛苕子和燕麦播撒，按照毛苕子与燕麦的种子质量比2.44:1混合毛苕子的种子和燕麦的种子，将混合后的种子以14g/m2的播撒量播撒于该采矿伴生粘土区，播撒后浇水达土壤最大饱和持水量，之后自然管理。生长4个月后现场气温接近0℃，于2018年10月对种植区进行翻耕处理，翻耕完成后越冬。2019年5月底解冻后开始种植沙棘，栽种时沙棘苗的平均株高为45cm、冠幅为20cm。具体地，将该翻耕区域分成以下两部分，每部分1800m2，每部分中设计三个重复，即每个试验样区600m2：
翻耕区域接种F.m(FG-M)：以2m×1m的间距挖穴，穴的长×宽×高尺寸为40cm×40cm×40cm，每穴栽种2株一年生沙棘苗，栽种前对沙棘苗根部进行沾浆处理，每个沙棘穴中播撒菌剂50g，然后将沾浆后的沙棘苗扶正于菌剂上，将土壤回填，然后浇水达土壤最大饱和持水量。
翻耕区域不接种(FG-CK)：以2m×1m的间距挖穴，穴的长×宽×高尺寸为40cm×40cm×40cm，每穴栽种2株一年生沙棘苗，栽种前对沙棘苗根部进行沾浆处理，将沾浆后的沙棘苗扶正于穴中，将土壤回填，后浇水达土壤最大饱和持水量。
三、2019年10月采集各区域0-20cm表层土样品，具体方法为：按照“S”路线采样，在植株0～20cm耕层周围，用无菌小铁铲紧贴植物根系采集土壤，作为根际土壤，同时收集植物纤细的根，每行采集5点，混合制样，每个处理重复5次。纤细的根用来测定菌根侵染率，土壤自然风干后，去除枯枝落叶等杂质，过1mm筛，以待备用。
利用卷尺测量沙棘株高、冠幅，利用SPAD测试仪夹住叶片，测量叶片叶色值，利用LI-6400便携式光合作用测量系统测定叶片的光合速率。
土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾硫酸外加热法，硫酸亚铁滴定；速效磷采用钼锑抗比色法测定；磷酸酶活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法测定；土壤紧实度使用“SC900”土壤紧实度仪测定。
四、结果与分析
1、各区域中植物生长状况
植物生长状况表明生命力强弱和环境适应能力。各区域中沙棘的生长状况如表1所示。接种处理组(FG-M组和M组)的株高、冠幅、叶色值及叶片光合速率高于对照处理组(CK组)，FG-M组的沙棘的株高、冠幅、叶色值及叶片光合速率分别是FG-CK组的1.09倍、1.13倍、1.18倍和1.66倍。通过一年覆草翻耕后，FG-M组的沙棘通过一个生长季度增高13cm，高于M组沙棘生长两年的年均增加高度9.5cm。以上分析说明，利用一年生禾本科植物和豆科植物作为绿肥联合接种丛枝菌根可以促进植物生长，提高植物在矿区的成活率。
表1
Figure BDA0002309324830000071
注：表1中数据为20个重复的平均值，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
2、各区域中植物根际土壤相关指标检测
土壤养分高低代表着土壤的肥力大小，代表着其能生长植物的好坏。由表2所示，FG-M组的速效磷、磷酸酶活性都高于FG-CK，不翻耕区域由于接菌时间更长，激活了更多的速效磷(参见M组)。磷酸酶活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的重要指标。从表2可以看出，各处理组的土壤磷酸酶活性的变化规律为：FG-M>M>FG-CK>CK。覆草后还可以显著增加土壤中有机碳的含量。通过翻耕处理，土壤的紧实度也有效降低，利于植物根系的发育。
表2联合接菌对土壤改良的影响
Figure BDA0002309324830000072
Figure BDA0002309324830000081
注：表2中数据为5个重复的平均值，同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。
从表1和表2的结果可以看出，接种丛枝菌根真菌够促进植物生长和改良采矿伴生粘土，提高土壤肥力。其中，对一年生的豆科和禾本科混种后翻耕，则更能有效的改良采矿伴生粘土。所以，该方法为露天矿排土场的植被生态恢复提供有效的帮助，可以进行推广。

Claims (10)

1.一种露天矿开采伴生粘土的改良方法，利用一年生禾本科植物和豆科植物作为绿肥与丛枝菌根真菌联合作用，包括如下步骤：
(1)将一年生豆科植物和一年生禾本科植物的种子混合；
(2)将步骤(1)混合后的种子播撒于待改良的采矿伴生粘土区；
(3)播撒种子后进行一次灌溉，之后植物依靠自然降水生长；
(4)于生长3-5个月后，对所述采矿伴生粘土区进行翻耕处理；
(5)在所述采矿伴生粘土区解冻后在翻耕区种植沙棘，在树穴中加入丛枝菌根真菌菌剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述一年生豆科植物和所述一年生禾本科植物的种子以质量比2:1-3:1混合。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述混合后的种子以11g/m2-17g/m2的播撒量播撒于所述采矿伴生粘土区。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述丛枝菌根真菌菌剂的接种量为每穴50-100g，菌剂中的孢子密度为126-150个/克菌剂。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：所述一年生豆科植物为毛苕子(Vicia villosa Roth)。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于：所述一年生禾本科植物为燕麦(Avena sativa L.)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于：所述丛枝菌根真菌为摩西球囊霉(Funneliformis mosseae)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于：所述待改良的采矿伴生粘土区的粘粒含量高于90％。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于：所述待改良的采矿伴生粘土区的pH为7-8.5之间，电导率为200-300μs/cm，最大持水量为38％-50％，有机碳为10-15g/kg，碱解氮为80-100mg/kg，有效磷为15-20mg/kg，速效钾为10-18mg/kg。
10.权利要求1-9任一项所述的方法在促进植物生长中的应用。
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