有機(jī)肥對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量的影響

王怡寧 ，郝鮮俊 ，高文俊 ，孫曉東 ，孟會(huì)生 ，張 杰 ，陳 鑫

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西 太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，山西 太谷 030801）

煤炭開采造成了地表大面積坍塌、土地結(jié)構(gòu)破壞、團(tuán)聚體含量下降、養(yǎng)分匱乏等問題。礦區(qū)塌陷土地恢復(fù)過程中通常采用工程復(fù)墾，但這往往造成土層上下錯(cuò)位翻動(dòng)，使得耕層土壤肥力降低，土壤質(zhì)量下降[1]。團(tuán)聚體是土壤最基本的結(jié)構(gòu)單元，可以調(diào)節(jié)土壤肥力、維持土壤疏松結(jié)構(gòu)[2]。團(tuán)聚體對(duì)土壤中的活性有機(jī)碳起到了重要的封存和保護(hù)作用，穩(wěn)定的團(tuán)聚體能夠進(jìn)一步提高土壤的碳固存能力。并且活性有機(jī)碳對(duì)于維持土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤養(yǎng)分含量等方面起著十分重要的作用[3]。

目前，有關(guān)土壤有機(jī)碳含量已有較多報(bào)道。前人研究表明，不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量不同。安韶山等[4]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳集中分布在土壤表層，但隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大，有機(jī)碳的含量逐漸減小。SIX 等[5]在農(nóng)田土壤上的研究表明，隨土壤團(tuán)聚體粒徑的增大，有機(jī)碳含量隨之增大，＞2 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高，＜0.053 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量相對(duì)較低。不同土壤中各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布不同，而在養(yǎng)分貧瘠的復(fù)墾土壤中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量是如何變化的尚不清楚。此外，有關(guān)化肥和有機(jī)肥對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響也有較多研究。林仕芳[6]研究表明，化肥和有機(jī)肥處理均增加了土壤活性有機(jī)碳組分，有機(jī)肥處理更為顯著。李輝信等[7]研究表明，有機(jī)肥（豬糞+紫云英）較化肥促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的增加。但前人大多是將有機(jī)肥與化肥進(jìn)行對(duì)比研究，而不同有機(jī)肥之間對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響研究較少。為此，本試驗(yàn)以礦區(qū)復(fù)墾土壤為研究對(duì)象，將土壤分為＞2.00、0.25～2.00、＜0.25 mm 團(tuán)聚體，探究不同有機(jī)肥（雞糞、豬糞、牛糞）和化肥對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤團(tuán)聚體分布和有機(jī)碳含量的影響，為改善礦區(qū)復(fù)墾土壤結(jié)構(gòu)、合理培肥礦區(qū)復(fù)墾土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

采煤塌陷復(fù)墾試驗(yàn)地位于山西省孝義市兌鎮(zhèn)鎮(zhèn)偏城村（37°06′N，111°37′E），屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫 10.1 ℃。試驗(yàn)地于2016—2022 年進(jìn)行了為期6 a 的復(fù)墾試驗(yàn)。供試土壤為褐土，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，復(fù)墾初期理化性質(zhì)如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)材料

供試化肥分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和硫酸鉀（K2O 52%），由美波爾肥業(yè)有限公司生產(chǎn)。有機(jī)肥為腐熟雞糞、豬糞和牛糞，前2 a 采自偏城村養(yǎng)殖場(chǎng)，后4 a 采自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)科院牧站，其基本理化性質(zhì)如表2 所示。

表2 供試有機(jī)肥基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physical and chemical properties of the test organic fertilizers

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采煤塌陷土壤2017—2022 年進(jìn)行了6 a 的田間定位培肥試驗(yàn)。每年5 月播種玉米，10 月收獲。本試驗(yàn)選取復(fù)墾4～6 a的土壤，設(shè)置3 種有機(jī)肥（雞糞、豬糞、牛糞）和化肥，以不施肥處理作為空白對(duì)照（CK），共5 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積為30 m2（5 m×6 m），隨機(jī)區(qū)組排列。有機(jī)肥在每年施用前測(cè)定N、P、K 含量，施用量以全磷含量（50 kg/hm2）為標(biāo)準(zhǔn)折算，氮、鉀不足的小區(qū)用化肥補(bǔ)足養(yǎng)分，各施肥處理及養(yǎng)分施用量如表3 所示。玉米成熟后用五點(diǎn)采樣法采集土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室。

表3 不同施肥處理及養(yǎng)分施用量Tab. 3 Differentfertilization treatments and nutrientapplication rates

表3 不同施肥處理及養(yǎng)分施用量Tab. 3 Differentfertilization treatments and nutrientapplication rates

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1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤團(tuán)聚體分級(jí)方法[8]采用干篩法，將100 g 土壤樣品置于機(jī)械振動(dòng)篩分儀2.00、0.25 mm 套篩的最上層，上下振動(dòng)5 min，即可分離出＞2.00、0.25～2.00、＜0.25 mm 等3 種粒徑的團(tuán)聚體土樣，重復(fù)這一步驟，得到足夠的團(tuán)聚體土樣。

選取復(fù)墾4～6 a 的土壤測(cè)定以下指標(biāo)。采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤總有機(jī)碳（TOC）含量[9]，高錳酸鉀氧化法測(cè)定土壤易氧化有機(jī)碳（ROC）含量[10]，K2SO4浸提法測(cè)定可溶性有機(jī)碳（DOC）含量[11]，氯仿熏蒸法測(cè)定微生物量碳（MBC）含量[12]，密度分級(jí)法測(cè)定輕組有機(jī)碳（LFOC）含量[13]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)運(yùn)用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、制圖，運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)土壤團(tuán)聚體分布、有機(jī)碳含量進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤團(tuán)聚體組成的影響

各粒徑團(tuán)聚體分布情況如圖1 所示。

圖1 各粒徑團(tuán)聚體分布情況Fig.1 Distribution of agglomerates of all particle sizes

由圖1 可知，無論施肥與否，＞2.00 mm 團(tuán)聚體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到全土的50%左右，0.25～2.00 mm團(tuán)聚體占比在40%左右，＜0.25 mm 團(tuán)聚體占比最?。ǎ?0%）。施肥處理提高了土壤＞0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量，但差異不顯著。然而化肥和有機(jī)肥處理卻顯著降低了＜0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量（36.34%～76.46%）（P＜0.05），復(fù)墾4、5 a，施肥處理間差異不顯著，復(fù)墾6 a 牛糞處理較化肥處理顯著降低了63.02%（P＜0.05）。隨復(fù)墾年限的增加，＞0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量增加，但＜0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量顯著降低（P＜0.05），復(fù)墾6 a 較復(fù)墾4 a 降低了33.78%。

2.2 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量的影響

由圖2 可知，各粒徑團(tuán)聚體中，施肥增加了總有機(jī)碳含量。＞2.00 mm 團(tuán)聚體中與CK 相比，有機(jī)肥處理顯著提高了38.74%（P＜0.05），并且施用豬糞總有機(jī)碳含量較化肥顯著提高24.78%。＜0.25 mm 團(tuán)聚體中，化肥和有機(jī)肥處理的總有機(jī)碳含量較CK 分別顯著提高了21.90% 和39.05%（P＜0.05）；豬糞處理較化肥處理顯著提高了22.86%（P＜0.05），但有機(jī)肥處理間差異不顯著。隨復(fù)墾年限增加，土壤總有機(jī)碳含量顯著提高（P＜0.05），復(fù)墾6 a 較4 a 提高了16.47%～24.84%?？傆袡C(jī)碳在0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中含量最高，且施肥處理和復(fù)墾年限的交互作用影響0.25～2.00 mm粒徑團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量（表4）。在0.25～2.00 mm團(tuán)聚體中，復(fù)墾4～6 a 化肥處理與CK 相比差異均不顯著，而豬糞處理顯著提高32.12%～54.55%（P＜0.05）。因此，豬糞處理對(duì)各粒徑團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量提升最為顯著。

圖2 不同有機(jī)肥處理對(duì)團(tuán)聚體總有機(jī)碳含量的影響Fig.2 Effect of different organic fertilizer treatments on the total organic carbon content of agglomerates

表4 不同復(fù)墾年限和施肥處理下土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的雙因素方差分析Tab.4 Two-factor ANOVA of organic carbon content of soil agglomerates of all particle sizes under different reclamation years and fertilization treatments

2.3 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量的影響

2.3.1 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量的影響 從圖3 可以看出，施肥處理對(duì)土壤各粒徑團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量產(chǎn)生了顯著影響。各粒徑團(tuán)聚體中，化肥處理較CK 顯著提高43.14%～58.54%（P＜0.05）。有機(jī)肥處理提升效果更顯著，較化肥處理增加了28.04%～99.63%。但在各粒徑中，有機(jī)肥處理間差異均不顯著。復(fù)墾年限對(duì)＞2.00、0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中的易氧化有機(jī)碳含量產(chǎn)生顯著影響，隨復(fù)墾年限的增加2 類團(tuán)聚體的易氧化有機(jī)碳含量增加，復(fù)墾6 a 易氧化有機(jī)碳含量較復(fù)墾4 a 增加了21.21%～26.64%（P＜0.05）。

圖3 不同有機(jī)肥處理對(duì)團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量的影響Fig.3 Effect of different organic fertilizer treatments on the readily oxidizable organic carbon content of agglomerates

2.3.2 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量的影響 由圖4 可知，各粒徑團(tuán)聚體中，與CK 相比，有機(jī)肥處理的可溶性有機(jī)碳含量顯著提高了37.11%～63.71%（P＜0.05），豬糞處理較化肥處理顯著提高了42.70%～44.18%。在0.25～2.00 mm團(tuán)聚體中，不同有機(jī)肥處理間可溶性有機(jī)碳含量也存在顯著差異，豬糞較牛糞處理顯著提高19.49%（P＜0.05）。因此，豬糞處理對(duì)各粒徑團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量提升最為顯著。復(fù)墾年限對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳含量也產(chǎn)生了顯著影響，復(fù)墾6 a 較4 a顯著提高了48.36%～69.80%（P＜0.05）。

圖4 不同有機(jī)肥處理對(duì)團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳含量的影響Fig.4 Effect of different organic fertilizer treatments on the dissolved organic carbon content of agglomerates

2.3.3 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體微生物量碳含量的影響 從圖5 可以看出，＞2.00 mm 團(tuán)聚體中，與CK 相比，有機(jī)肥處理顯著提高了微生物量碳含量（58.73%～161.87%）（P＜0.05）。復(fù)墾4～6 a 不同有機(jī)肥中，豬糞處理較雞糞和牛糞處理顯著增加32.11%～64.99%（P＜0.05），復(fù)墾5 a 雞糞處理較牛糞處理顯著增加16.09%（P＜0.05）。在0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中，施用化肥顯著提高了微生物量碳含量39.80%（P＜0.05），有機(jī)肥處理較化肥處理顯著提高16.54%～103.10%（P＜0.05）。在有機(jī)肥處理中，復(fù)墾4 a 豬糞處理較牛糞處理顯著增加37.76%（P＜0.05），復(fù)墾5、6 a 豬糞處理較雞糞和牛糞處理增加29.58%～53.88%。＜0.25 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)肥處理較CK 顯著增加了42.20%～95.45%（P＜0.05），不同有機(jī)肥處理間也存在顯著差異，豬糞處理較雞糞和牛糞處理顯著增加28.88%～37.44%（P＜0.05）。微生物量碳含量隨復(fù)墾年限的增加均呈增加趨勢(shì)。因此，隨復(fù)墾年限的增加，有機(jī)肥處理中豬糞處理對(duì)各粒徑團(tuán)聚體微生物量碳含量增加幅度最大。

圖5 不同有機(jī)肥處理對(duì)團(tuán)聚體微生物量碳含量的影響Fig.5 Effect of different organic fertilizer treatments on the microbial biomass carbon content of agglomerates

2.3.4 不同有機(jī)肥對(duì)土壤團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳含量的影響 由圖6 可知，＞2.00 mm 團(tuán)聚體中，復(fù)墾4 a各處理間無顯著差異，復(fù)墾5 a 豬糞處理較CK 顯著增加50.14%（P＜0.05），復(fù)墾6 a 施肥處理較CK 顯著增加32.10%（P＜0.05），但施肥處理間差異不顯著。在0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中，復(fù)墾4、5 a 豬糞處理較CK 分別顯著增加50.14% 和33.48%（P＜0.05），復(fù)墾6 a 各處理差異均不顯著。在＜0.25 mm團(tuán)聚體中，施肥處理顯著增加了輕組有機(jī)碳含量（P＜0.05），化肥和有機(jī)肥處理分別提高了20.29%和35.36%。與化肥處理相比，豬糞處理顯著提高了21.35%（P＜0.05）。輕組有機(jī)碳含量隨復(fù)墾年限的增加而增加，復(fù)墾6 a 較4 a 顯著增加了24.20%（P＜0.05）。

圖6 不同有機(jī)肥處理對(duì)團(tuán)聚體輕組有機(jī)碳含量的影響Fig.6 Effect of different organic fertilizer treatments on the light organic carbon content of agglomerates

3 討論

3.1 有機(jī)肥改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)

土壤團(tuán)聚體數(shù)量是土壤質(zhì)量?jī)?yōu)劣的表現(xiàn)，＞0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量越多，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[14]。施肥處理改善土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體重新分配。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥處理均影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量，＜0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量顯著降低，但除復(fù)墾6 a 牛糞處理較化肥處理顯著降低63.02%外，其余有機(jī)肥處理與化肥處理間無顯著差異。此外，施肥處理提高＞2.00 mm 團(tuán)聚體和0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體數(shù)量，這與謝鈞宇等[15]的研究結(jié)果一致，施肥6 a 后有機(jī)肥處理顯著提高了土壤＞2.00 mm 團(tuán)聚體數(shù)量。說明施肥促進(jìn)＜0.25 mm 團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，這與施肥改善土壤的聚集能力有關(guān)。ANGERS等[16]利用13C 技術(shù)研究表明，有機(jī)肥進(jìn)入土壤后，微生物將肥料分解，并分泌出了許多膠結(jié)物質(zhì)，之后具有黏性的膠結(jié)物質(zhì)會(huì)將＜0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體中的大顆粒物質(zhì)與土壤黏粒相結(jié)合，逐漸形成大團(tuán)聚體。時(shí)間也是土壤復(fù)墾過程中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素[17]。隨復(fù)墾年限的增加，＜0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量逐漸降低，與劉文利等[18]的研究結(jié)果一致。這說明復(fù)墾對(duì)礦區(qū)塌陷土地的質(zhì)量恢復(fù)起到了促進(jìn)作用，可能是由于隨著復(fù)墾年限的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)累積，從而使腐殖質(zhì)含量增大[19]，玉米根系固結(jié)土壤，將腐殖質(zhì)和微團(tuán)聚體膠著在一起，降低了小團(tuán)聚體含量。

3.2 有機(jī)肥提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

土壤易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物量碳及輕組有機(jī)碳作為土壤中的活性有機(jī)碳組分，能協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，參與土壤中營養(yǎng)元素的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化循環(huán)過程[20]。土壤團(tuán)聚體活性有機(jī)碳對(duì)土壤環(huán)境、外源有機(jī)質(zhì)的輸入極為敏感[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施肥均可以提高土壤各粒徑團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量，且有機(jī)肥效果優(yōu)于化肥。這是因?yàn)橛袡C(jī)肥養(yǎng)分較化肥更加全面持久，腐熟的畜禽糞便有機(jī)肥中含有氮、磷等大量營養(yǎng)和能源[22]。3 種有機(jī)肥中豬糞處理的活性有機(jī)碳含量較高，雞糞和牛糞次之。其原因可能與不同有機(jī)肥的養(yǎng)分含量與理化性質(zhì)有關(guān)。XU 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞較雞糞和牛糞含有較高的易分解碳組分（烷氧碳、羰基碳），而其難分解碳組分（芳香碳）相對(duì)較低，表明豬糞中的碳更易于礦化分解，產(chǎn)生較多的有機(jī)質(zhì)供微生物吸收利用，從而提高土壤活性有機(jī)碳含量。WANG 等[24]研究發(fā)現(xiàn)，豬糞分解可以產(chǎn)生較多的溶解性有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)活性有機(jī)碳的增加。羅功文[25]研究也發(fā)現(xiàn)，豬糞刺激了土壤中胞外酶的釋放，增加了土壤微生物底物周轉(zhuǎn)量和微生物量碳含量。而本研究中牛糞對(duì)活性有機(jī)碳含量的提升均較低，這可能是因?yàn)榕＜S中抗分解物質(zhì)（木質(zhì)素）含量較高，有機(jī)物礦化分解較慢，不利于被微生物利用[26]。因此，豬糞處理對(duì)各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量提升幅度較大。本研究還表明，隨復(fù)墾年限的增加，土壤有機(jī)碳含量也顯著增加。這是因?yàn)楦岛偷蚵湮锊粩噙M(jìn)入土壤以及肥料的施用，促進(jìn)了有機(jī)碳含量的累積。此外，ANTHONI 等[27]研究表明，隨復(fù)墾年限的增加，有機(jī)肥對(duì)各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的保護(hù)作用增強(qiáng)。

4 結(jié)論

在各粒徑團(tuán)聚體中，＞2.00 mm 團(tuán)聚體數(shù)量較高，占全土的50%左右，而0.25～2.00 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量較高，＜0.25 mm 團(tuán)聚體占比均最小。隨復(fù)墾年限的增加，施肥顯著降低了＜0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量，增加＞0.25 mm 團(tuán)聚體數(shù)量，有機(jī)肥和化肥處理差異不顯著。同時(shí)，施肥處理顯著提高各粒徑團(tuán)聚體活性有機(jī)碳含量，具體表現(xiàn)為豬糞≥雞糞≥牛糞＞化肥，豬糞對(duì)活性有機(jī)碳含量的提升效果更為顯著，建議在養(yǎng)分貧瘠的礦區(qū)復(fù)墾土壤上選擇施用豬糞，以快速培肥土壤。