不同煤基復(fù)混肥對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

樊曉東，劉 冰，孟會(huì)生，洪堅(jiān)平*，張 杰

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.太原市園林綠化工程質(zhì)量監(jiān)督站，太原 030012）

0 引 言

【研究意義】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求也快速增長(zhǎng)。然而，在開采煤礦過(guò)程中卻產(chǎn)生了大量的風(fēng)化煤、煤泥、粉煤灰等工礦廢棄物[1]，這些工礦廢棄物的積累，不僅浪費(fèi)土地資源和污染環(huán)境，而且利用率極低。不僅如此，礦區(qū)土壤還存在結(jié)構(gòu)性不良、肥力低下、土壤質(zhì)量降低等問(wèn)題[2]。因此，對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤的質(zhì)量恢復(fù)成為重中之重。利用工礦廢棄物開發(fā)的復(fù)混肥來(lái)恢復(fù)復(fù)墾土壤質(zhì)量也成為當(dāng)前的發(fā)展方向[3-4]。【研究進(jìn)展】復(fù)混肥對(duì)土壤生態(tài)和植物生長(zhǎng)均有顯著效果，其中含腐殖酸的復(fù)混肥具有改良土壤、增進(jìn)肥效、刺激生長(zhǎng)、促進(jìn)抗逆、改善品質(zhì)的五大作用[5-6]。孫騰飛[7]、郭漢清等[8]研究表明，施用煤基復(fù)混肥可明顯提高復(fù)墾土壤養(yǎng)分、改良土壤性狀。用來(lái)評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)效果必不可少的是土壤總有機(jī)碳[9-10]，而土壤活性有機(jī)碳可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的有效組分的變化[11]。為了能夠表征土壤碳庫(kù)的短期變化特征和反映外界管理措施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)最為關(guān)鍵[12]?！厩腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于煤基復(fù)混肥的關(guān)注多集中在提升復(fù)墾土壤肥力上，在復(fù)墾土壤上的應(yīng)用及其對(duì)有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)影響的研究是鮮有報(bào)道，故從該方面開展研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】為此，基于山西省襄垣縣洛江溝采煤塌陷區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II在不同施肥量下對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，明確不同煤基復(fù)混肥對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化規(guī)律，為建立農(nóng)田可持續(xù)土壤管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)以山西省長(zhǎng)治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村采煤塌陷區(qū)復(fù)墾4 a 的土壤為研究對(duì)象，試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°42′—113°14′，北緯36°23′—36°44′之間。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫8～9 ℃，四季分明，7—9 月氣候最高，平均達(dá)23.4 ℃，年平均降水量532.8 mm，全年無(wú)霜期一般為166 d 左右。

試驗(yàn)區(qū)塌陷前土地平整，土壤肥力較高，塌陷后土壤變成了旱薄地，土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降。復(fù)墾的土地均采用混推的模式。復(fù)墾土壤類型為石灰性褐土?；拘誀睿河袡C(jī)質(zhì)量3.76 g/kg、全氮量0.28 g/kg、全磷量0.41 g/kg、堿解氮量26.88 mg/kg、有效磷量3.42 mg/kg、速效鉀量90.12 mg/kg。

1.2 供試材料

供試玉米品種為大豐30，種植制度是一年一熟，玉米生育期降水量為615.1 mm，全生育期無(wú)灌溉，山西大豐種業(yè)有限公司生產(chǎn)，生育期150 d。供試肥料為普通復(fù)混肥料：N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，山西燁豐化肥有限公司生產(chǎn)；煤基復(fù)混肥I：利用煤泥、風(fēng)化煤和尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀按照一定的比例復(fù)合而成，N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，有機(jī)質(zhì)量26.65%；煤基復(fù)混肥II：利用煤泥、腐殖酸和尿素、過(guò)磷酸鈣、鉀礦粉按照一定的比例復(fù)合而成，N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，有機(jī)質(zhì)量25.12%。生產(chǎn)的煤基復(fù)混肥I、II 均符合有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)混肥料標(biāo)準(zhǔn)（GB18877—2009）。2 種煤基復(fù)混肥的重點(diǎn)差異在于煤基復(fù)混肥I 是風(fēng)化煤配制而成，而煤基復(fù)混肥II 是腐殖酸配制而成。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，共設(shè)10 個(gè)處理，分別為不施肥處理（CK），普通復(fù)混肥料（CF，施氮量135 kg/hm2）、煤基復(fù)混肥I 設(shè)4 個(gè)處理，施氮量90 kg/hm2（CCF1）、施氮量135 kg/hm2（CCF2）、施氮量180 kg/hm2（CCF3）、施氮量225 kg/hm2（CCF4），煤基復(fù)混肥II 設(shè)4 個(gè)處理，施氮量90 kg/hm2（SH1）、施氮量135 kg/hm2（SH2）、施氮量180 kg/hm2（SH3）、施氮量225 kg/hm2（SH4），每個(gè)處理重復(fù)3 次，共30 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2（10 m×10 m）。所有肥料于2017 年4 月27 日作為底肥一次性施入土壤中，4 月28 日播種，種植密度為60 000 株/hm2，同年9 月28 日收獲。

1.4 樣品采集及處理

在玉米收獲后，采集土壤表層0～20 cm 的樣品。采集的土壤樣品，一份于冰箱低溫保存，用于測(cè)定土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳，另一份混勻后風(fēng)干，剔除石子、動(dòng)植物殘?bào)w等異物后研磨，過(guò)篩（1 mm和0.149 mm），進(jìn)行其他指標(biāo)的測(cè)定。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[13]測(cè)定土壤有機(jī)碳；采用Mn（Ⅲ）-焦磷酸比色法[14]測(cè)定土壤水溶性有機(jī)碳；采用CHCl3熏蒸-K2SO4浸提-重鉻酸鉀氧化法[15]測(cè)定土壤微生物量碳，換算系數(shù)取值0.38。

采用KMnO4氧化法[15]測(cè)定土壤活性有機(jī)碳。且本試驗(yàn)選取KMnO4溶液的物質(zhì)的量濃度分別為33、167 和333 mmol/L，其中被333 mmol/L 氧化所得的活性有機(jī)碳為總活性有機(jī)碳，被33 mmol/L 氧化所得的活性有機(jī)碳為高活性有機(jī)碳，被167 和33 mmol/L氧化所得的活性有機(jī)碳量之差為中活性有機(jī)碳[15]。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算：以不施肥土壤（CK）作為參考土壤。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用新復(fù)極差法（Duncan）檢驗(yàn)處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 2 種煤基復(fù)混肥對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳的影響

2 種肥料不同施氮量處理對(duì)復(fù)墾土壤總有機(jī)碳的影響研究如表1 所示。由表1 可知，煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理與CK 相比均差異性顯著，較CK 提高14.54%～45.22%、13.94%～40.84%；與普通復(fù)混肥處理相比，除CCF1、SH1 和SH4 處理外，其余處理均差異性顯著，煤基復(fù)混肥I 處理、煤基復(fù)混肥 II 處理較普通復(fù)混肥處理提高了4.52%～26.78%、2.1%～22.96%。從煤基復(fù)混肥I 4 種處理中可以看出，對(duì)于CCF1、CCF2 和CCF3 處理的總有機(jī)碳量差異性不顯著，而CCF4 處理的總有機(jī)碳量最高，分別比CCF1、CCF2 和CCF3 處理高21.3%（P<0.05）、7.52%（P<0.05）和8.48%（P<0.05）；從煤基復(fù)混肥II 4 種處理中可以看出，SH2 處理的總有機(jī)碳量最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高23.6%（P<0.05）、7.61%（P<0.05）和20.44%（P<0.05）。

煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理對(duì)復(fù)墾土壤水溶性有機(jī)碳的影響與CK 相比均差異性顯著，分別較CK 提高63.52%～145.6%、76.44%～266.12%；與普通復(fù)混肥處理相比，除CCF1、CCF4 和SH1 處理外，其余處理均差異顯著，分別較普通復(fù)混肥處理提高2.02%～34.98%、73.27%～101.22%。從煤基復(fù)混肥I 4 種處理中可以看出，CCF2、CCF3 處理的水溶性有機(jī)碳量最高，分別比CCF1 和CCF4 處理高47.1%～50.19%和29.58%～32.31%；而從煤基復(fù)混肥II 4 種處理中可以看出，SH3、SH4 處理的水溶性有機(jī)碳量最高，分別比SH1、SH2處理高98.71%～107.5%和11.21%～16.13%。

表1 2 種煤基復(fù)混肥下復(fù)墾土壤總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物碳、總活性有機(jī)碳及不同組分活性有機(jī)碳 Table 1 Total organic carbon, water-soluble organic carbon , microbial carbon, total labile organic carbon and labile organic carbon of different components of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理對(duì)復(fù)墾土壤微生物碳的影響與CK 相比均差異顯著，分別比CK 提高108.42%～176.76%、77.98%～185.37%；與普通復(fù)混肥處理相比，除SH1 處理外，其余處理均差異顯著，分別比普通復(fù)混肥處理提高37.64%～82.77%、17.54%～88.46%。從煤基復(fù)混肥I 4種處理中可以看出，CCF2、CCF3 處理的微生物碳量最高，分別比CCF1、CCF4 處理高28.89%～32.79%和19.8%～23.42%；從煤基復(fù)混肥II 4 種處理中可以看出，SH3 處理的總有機(jī)碳量最高，分別比SH1、SH2和SH4 處理高60.34%（P<0.05）、30.83%（P<0.05）和21.01%（P<0.05）。

總活性有機(jī)碳及其組分可以反映土壤質(zhì)量的變化，并且與土壤生物、化學(xué)和物理性質(zhì)密切相關(guān)，是土壤質(zhì)量良好的評(píng)價(jià)指標(biāo)[16-17]。煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理對(duì)復(fù)墾土壤總活性有機(jī)碳的影響與CK 相比均差異性顯著，分別比CK 提高37.81%～79.86%、31.45%～97.53%；與普通復(fù)混肥處理相比，除CCF1 和SH1、SH4 處理外，其余處理均差異性顯著，分別比普通復(fù)混肥處理提高1.3%～32.21%、30.65%～45.19%。從煤基復(fù)混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的總活性有機(jī)碳量最高，分別比CCF1、CCF2、CCF4 處理高30.51%、4.09%和4.09%，且僅與CCF1 處理差異性顯著；而從煤基復(fù)混肥II 4 種處理中可以看出，SH2 處理的總活性有機(jī)碳量最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高50.27%（P<0.05）、11.13%（P<0.05）和46.72%（P<0.05）。

煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理下2 種土壤活性有機(jī)碳量均隨施氮量增加而先增加后減少，其變化趨勢(shì)基本與土壤總活性有機(jī)碳量一致。煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理與CK 相比，顯著影響高活性有機(jī)碳和中活性有機(jī)碳量，分別提高 18.5%～33.27%、1.31%～34.02%和43.86%～140.35%、26.32%～83.33%，以中活性組分提高幅度最大。與普通復(fù)混肥處理相比，煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 處理對(duì)復(fù)墾土壤高活性有機(jī)碳量分別提高20.76%～35.81%、3.24%～36.57%；而對(duì)中活性有機(jī)碳量的影響，僅CCF3 處理對(duì)其顯著提高。從煤基復(fù)混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳量均最高；而從煤基復(fù)混肥II 4種處理可以看出，SH2 處理的高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳量最高?？傮w而言，各活性組分表現(xiàn)為中活性有機(jī)碳>高活性有機(jī)碳。

2.2 2 種煤基復(fù)混肥對(duì)復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

2 種煤基復(fù)混肥不同用量對(duì)復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響如表2 所示，由表2 可知，煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 不同施氮量處理與CK 相比均差異顯著，比CK 提高71.69%～223.77%、64.29%～306.13%；與普通復(fù)混肥處理相比，CCF3、SH2、SH3 處理差異性顯著，分別比普通復(fù)混肥處理提高 79.62%、125.31%和84.62%。從煤基復(fù)混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的碳庫(kù)管理指數(shù)最高，分別比CCF1、CCF2 和CCF4 處理高88.58%、19.4%和40.98%；從煤基復(fù)混肥II 4 種處理可以看出，SH2 處理的碳庫(kù)管理指數(shù)最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高147.2%（P<0.05）、22.05%（P<0.05）和142.19%（P<0.05）。

表2 2 種煤基復(fù)混肥下復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù) Table 2 Carbon pool management index of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

3 討 論

有機(jī)碳作為評(píng)價(jià)土壤肥力的基礎(chǔ)指標(biāo)之一，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于有機(jī)碳輸入和礦化分解之間的動(dòng)態(tài)平衡[18]，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)可以一定程度上反映土壤有機(jī)碳的質(zhì)量，其值越大，表示有機(jī)碳越易被微生物分解和被植物吸收利用，碳庫(kù)活度和質(zhì)量也就越高[19-20]。研究表明，不同工礦固體廢棄物作為肥料組分可有效提高土壤肥力[21]，煤基復(fù)混肥的施入就成為影響土壤有機(jī)碳量的重要因素。

本研究表明，施煤基復(fù)混肥I 和煤基復(fù)混肥II 均能顯著促進(jìn)復(fù)墾土壤總有機(jī)碳的累積。與不施肥和與施普通復(fù)混肥處理相比，煤基復(fù)混肥I 處理的土壤總有機(jī)碳量提高45.22%和26.78%，煤基復(fù)混肥II 處理提高40.48%和22.96%，這與2 種煤基復(fù)混肥的組成成分風(fēng)化煤、腐殖酸有關(guān)。一方面，復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分量背景值低下，風(fēng)化煤、腐殖酸本身特性是有機(jī)質(zhì)量高，施入復(fù)墾土壤之后可以直接增加土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另一方面，風(fēng)化煤、腐殖酸等有機(jī)物料的加入，使作物另一方面有機(jī)物料促進(jìn)作物生長(zhǎng)，使作物殘茬和根系分泌物增加，進(jìn)而增加土壤有機(jī)質(zhì)的輸入[22]。就煤基復(fù)混肥I 4 種處理中，施氮量225 kg/hm2的煤基復(fù)混肥I 處理的總有機(jī)碳量最高，有研究表明，風(fēng)化煤施用量在27 000 kg/hm2范圍。復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)的量隨著風(fēng)化煤施用量的增加而增加[23]。在煤基復(fù)混肥II 4 種處理中，施氮量135 kg/hm2的煤基復(fù)混肥II 處理的總有機(jī)碳量最高，總有機(jī)碳量呈先增加后減少趨勢(shì)，有研究表明土壤碳排放量受土壤含氮量的影響，其順序?yàn)榈偷?高氮>中氮，因此可能導(dǎo)致在施氮量水平為90、225 kg/hm2時(shí)，土壤碳排放增高而減少土壤有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[24]。

研究表明，與不施肥和與施普通復(fù)混肥處理相比，施煤基復(fù)混肥I 和煤基復(fù)混肥II 均能顯著促進(jìn)復(fù)墾土壤水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、活性有機(jī)碳及其高活性有機(jī)碳、中活性有機(jī)碳組分的累積，而且煤基復(fù)混肥II 的總體提升效果要明顯高過(guò)煤基復(fù)混肥I。一方面，煤基復(fù)混肥I 所含的風(fēng)化煤成分中腐殖酸量非常高，但是自然條件下，風(fēng)化煤中的腐殖酸一般都與鈣、鎂、鐵、鋁等形成不溶性物質(zhì)[25]，直接應(yīng)用的效果比較差，必須通過(guò)微生物將其轉(zhuǎn)化加以輔助才能發(fā)揮風(fēng)化煤的作用效果[26]。而煤基復(fù)混肥I含有煤泥、風(fēng)化煤有機(jī)物料，通過(guò)促進(jìn)復(fù)墾土壤中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤保水性、透水性、透氣性等，進(jìn)而可能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖，使微生物在分解作用時(shí)釋放更多的水溶性有機(jī)碳。復(fù)墾土壤活性有機(jī)碳組分的增加與郭軍玲等[27]研究結(jié)果類似，可能是由于微生物對(duì)有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化作用的加快，而分解的有機(jī)物及腐解物中含有多種活性碳組分，同時(shí)根系分泌的活性碳組分也增加，從而明顯提高其質(zhì)量[28-29]。另一方面，煤基復(fù)混肥II 含有的腐殖酸成分對(duì)復(fù)墾土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、水氣滲透能力和田間持水率等具有良好的調(diào)節(jié)作用，能夠改善土壤物理性質(zhì)[30]，而且腐殖酸作為微生物活性的催化劑，可以大大提高微生物活性，從而促進(jìn)微生物將碳源轉(zhuǎn)化為水溶性有機(jī)碳，腐殖酸含有醌等功能基團(tuán)，其施用可以增加植物的新陳代謝等功能[31]，從而促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)分泌水溶性有機(jī)碳。而且由于腐殖酸擁有的孔隙結(jié)構(gòu)和酸性含氧官能團(tuán)豐富等特性，從而有助于腐殖酸對(duì)土壤中活性碳源的吸附和對(duì)氧化物、有機(jī)物等物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合作用，形成穩(wěn)定的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的絡(luò)合物[32]，進(jìn)而增加復(fù)墾土壤中活性有機(jī)碳組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。有研究表明[33]，腐殖化的土壤有助于提高其活性有機(jī)碳組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這與本研究結(jié)果類似。

碳庫(kù)管理指數(shù)作為反映土壤質(zhì)量變化的可靠指標(biāo)。本研究中，與不施肥處理和施普通復(fù)混肥處理相比，各處理對(duì)復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響差異顯著，其中施氮量135 kg/hm2的煤基復(fù)混肥II 處理最有利于復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的提高，與不施肥處理和普通復(fù)混肥處理分別提高306.12%和125.31%。曾駿等[34]的研究結(jié)果表明，施有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用均較不施肥或單施化肥顯著提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，本研究結(jié)論與其類似。從土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的計(jì)算公式可知，無(wú)論是土壤有機(jī)碳的上升還是土壤活性有機(jī)碳的上升均可導(dǎo)致土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的上升[35]，且非活性有機(jī)碳的下降可導(dǎo)致土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的上升，由土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和非活性有機(jī)碳量分析可得施氮量135 kg/hm2的煤基復(fù)混肥II 處理最高。

4 結(jié) 論

隨著煤基復(fù)混肥I、煤基復(fù)混肥II 施氮量的增加，復(fù)墾土壤總有機(jī)碳和各活性有機(jī)碳量顯著增加（P<0.05），其中活性有機(jī)碳組分量表現(xiàn)為中活性有機(jī)碳>高活性有機(jī)碳，而且煤基復(fù)混肥II 的效果要明顯高于煤基復(fù)混肥I。煤基復(fù)混肥II 處理與不施肥處理相比，土壤總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、總活性有機(jī)碳的量分別提高 13.94%～40.84%、76.44%～266.12%、77.98%～185.37%、31.45%～97.53%；與普通復(fù)混肥處理相比總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、總活性有機(jī)碳分別提高2.1%～22.96%、73.27%～101.22%、17.54%～88.46%、30.65%～45.19%。135 kg/hm2的煤基復(fù)混肥II處理最有利于復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的提高，與不施肥處理和普通復(fù)混肥處理分別提高306.12%和125.31%?？傮w看來(lái)，施氮量為135 kg/hm2的煤基復(fù)混肥II對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)提升效果最好。