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有机培肥可提升矿区复垦土壤中活性有机碳的含量

安永齐 王小利 靳东升 郜春花 张强 洪坚平 徐明岗

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有机培肥可提升矿区复垦土壤中活性有机碳的含量

    作者简介: 安永齐E-mail:15519883919@163.com;
    通讯作者: 王小利, E-mail:ls.wangxl@gzu.edu.cn ; 徐明岗, E-mail:xuminggang@caas.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金联合基金(U1710255);国家自然科学基金项目(31860160)。

Manure fertilization significantly increases the content of active organic carbon in reclaimed mine soil

    Corresponding author: WANG Xiao-li, E-mail:ls.wangxl@gzu.edu.cn ;XU Ming-gang, E-mail:xuminggang@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  土壤有机碳作为土壤肥力的核心,其不同组分间具有高度异质性。研究不同施肥措施对煤矿区复垦土壤有机碳及其各组分提升的差异特征,可为煤矿区土壤修复提供理论依据。  【方法】  田间试验在山西煤矿复垦区进行,复垦始于2014年,种植作物为大豆 (1年) 和玉米 (2年) 轮作,采样时 (2018年) 种植作物为玉米。试验共设5个处理为未复垦自然恢复 (ZH)、不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥配施化肥 (MNPK)。使用物理‒化学联合分组方法,将土壤有机碳分为游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护4个组分,分析了不同施肥处理下土壤各组分有机碳的含量,计算了各组分有机碳与总有机碳含量间的相关关系。  【结果】  相较于自然恢复处理,CK、NPK、M、MNPK处理中土壤总有机碳含量在分别提高了11.8%、24.0%、38.8%和49.3%,有机肥处理的结果又显著高于CK和NPK。M、MNPK处理下,游离活性有机碳含量分别为2.11 g/kg和1.68 g/kg,物理保护有机碳含量为0.70 g/kg和0.49 g/kg,均显著高于CK和NPK;化学保护和生物化学保护组分的有机碳含量在各处理间差异不显著。除了微团聚体内的轻组和粘粉粒外,各组分质量比例在不同施肥处理间均存在显著差异,施用有机肥主要增加了大团聚体 (游离活性态和物理保护态) 的质量比例,改善了土壤结构。相关分析表明,游离态的粗颗粒和细颗粒有机碳及物理保护有机碳与总有机碳含量间呈现极显著正相关关系 (P < 0.01),其中拟合方程的斜率表示组分碳含量随单位总有机碳含量增加而引起的变化值,最高的为游离粗颗粒有机碳组分,达到39.7%,游离细颗粒和物理保护有机碳组分的变化率分别为18.6%和21.7%;而化学保护粘粉粒和生物化学保护粘粒组有机碳与总有机碳含量无显著相关性。  【结论】  施肥和轮作与自然恢复状态相比,短期可显著提高土壤有机碳含量,施用有机肥效果好于单施化肥。单施或者与NPK配合施有机肥主要促进了土壤大团聚体中游离活性态和物理保护态有机碳的质量,单施有机肥效果更佳。由于新增的土壤有机碳活性高,需要长时间持续投入,才可能恢复土壤有机碳的稳定性。
  • 图 1  2014年和2018年不同施肥下复垦土壤总有机碳含量

    Figure 1.  Total soil organic carbon content in reclaimed land under different fertilization treatments in 2014 and 2018

    图 2  不同施肥处理下土壤各组分有机碳占总有机碳的比例

    Figure 2.  Proportions of organic carbon fractions to the total organic carbon under different fertilization treatments

    图 3  不同施肥下总有机碳含量与各组分碳组分有机碳含量的相关关系

    Figure 3.  Correlations between total soil organic carbon and different organic carbon fractions under different fertilization

    表 1  试验开始时表层土壤的基本性质 (2014年)

    Table 1.  Basic properties of surface soil at the beginning of the experiment in 2014

    施肥处理
    Treatment
    处理代码
    Treatmentcode
    有机碳 (g/kg)
    Organic C
    碱解氮 (mg/kg)
    Available N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    pH
    未复垦自然恢复
    Naturally recovering soil
    ZH 3.04 a12.69 a10.33 a 78.43 a8.64 a
    轮作,不施肥
    Rotation, No fertilization
    CK 3.03 a14.06 a8.90 a84.90 a8.62 a
    轮作,单施化肥
    Rotation, chemical NPK
    NPK2.76 a14.63 a9.81 a83.02 a8.58 a
    轮作,单施有机肥
    Rotation, single manure
    M 3.46 a 8.58 b7.33 a75.35 a8.57 a
    轮作,有机肥配施化肥
    Rotation, manure plus NPK
    MNPK2.95 a12.69 a9.58 a83.71 a8.67 a
    注(Note):同列数字后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.
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    表 2  不同施肥处理下土壤粒径团聚体及微团聚体内各组分有机碳的质量分数 (%)

    Table 2.  Mass percentages of organic carbon in different aggregates and the fractions of microaggregates of soils under different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    粗颗粒
    cPOM
    (> 250 μm)
    微团聚体 (53~250 μm) 游离态粉粒
    d-silt
    (2~53 μm)
    游离态粘粒
    d-clay
    (< 2 μm)
    总量
    Total
    轻组
    LF
    细自由颗粒
    iPOM
    粉粒
    μ-Silt
    粘粒
    μ-Clay
    ZH7.6 ± 1.5 bc26.7 ± 2.9 b0.3 ± 0.1 a10.1 ± 0.8 d14.3 ± 1.8 a4.1 ± 0.4 a61.7 ± 2.8 a1.9 ± 0.1 a
    CK11.0 ± 1.5 ab28.2 ± 3.3 b0.3 ± 0.1 a12.9 ± 1.8 cd12.7 ± 1.6 a3.8 ± 0.2 a57.1 ± 4.0 ab2.0 ± 1.1 a
    NPK6.1 ± 1.0 c36.2 ± 0.5 a0.2 ± 0.1 a20.7 ± 1.2 a12.8 ± 1.4 a3.8 ± 0.1 a55.2 ± 0.8 abc1.5 ± 0.2 a
    M 13.9 ± 0.3 a33.0 ± 1.7 ab0.3 ± 0.1 a16.4 ± 0.5 bc13.3 ± 1.2 a3.8 ± 0.2 a48.7 ± 1.2 bc1.6 ± 0.1 ab
    MNPK10.1 ± 1.3 abc35.1 ± 1.1 a0.5 ± 0.1 a18.4 ± 1.5 ab13.4 ± 1.0 a3.8 ± 0.3 a51.9 ± 1.1 bc2.0 ± 0.2 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.
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    表 3  不同施肥处理下各组分有机碳含量 (g/kg)

    Table 3.  Content of different organic carbon fraction in soil under different fertilization treatments

    处理
    Treatment
    游离活性态Unprotected物理保护态
    Physically-protectediPOC
    化学保护态
    Chemically-protected
    生物化学保护态
    Biochemically-protected
    粗颗粒
    cPOC
    细颗粒
    fPOC
    粉粒组
    H-silt
    粘粒组
    H-clay
    粉粒组
    NH-silt
    粘粒组
    NH-clay
    ZH0.61 ± 0.02 c0.23 ± 0.03 c0.25 ± 0.05 c0.68 ± 0.02 b0.45 ± 0.03 a1.64 ± 0.05 b 0.18 ± 0.01 bc
    CK0.66 ± 0.02 c 0.39 ± 0.04 bc0.24 ± 0.03 c 0.72 ± 0.01 ab0.49 ± 0.09 a 1.82 ± 0.03 ab 0.21 ± 0.02 ab
    NPK0.70 ± 0.04 c0.21 ± 0.03 c0.67 ± 0.03 a0.87 ± 0.04 a0.40 ± 0.01 a2.02 ± 0.05 a0.15 ± 0.02 c
    M 1.46 ± 0.13 a0.65 ± 0.10 a0.70 ± 0.05 a 0.74 ± 0.06 ab0.40 ± 0.02 a 1.87 ± 0.13 ab0.24 ± 0.02 a
    MNPK1.14 ± 0.11 b 0.54 ± 0.05 ab0.49 ± 0.02 b0.86 ± 0.11 a0.43 ± 0.02 a 1.90 ± 0.13 ab0.25 ± 0.02 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.
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    [14] 张志霞许明祥吴永斌张立功 . 黄土丘陵区县域农田土壤有机碳空间变异性-----以甘肃省庄浪县为例. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0423
    [15] 何宁宋同清彭晚霞曾馥平王克林杜虎鹿士杨卢凌霄 . 喀斯特峰丛洼地次生林土壤有机碳的剖面分布特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11250
    [16] 张贵龙赵建宁宋晓龙刘红梅张瑞姬艳艳杨殿林 . 施肥对土壤有机碳含量及碳库管理指数的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11209
    [17] 刘骅佟小刚许咏梅马兴旺王西和张文菊徐明岗 . 长期施肥下灰漠土有机碳组分含量及其演变特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0403
    [18] 刘梦云常庆瑞杨香云 . 黄土台塬不同土地利用方式下土壤碳组分的差异. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0617
    [19] 佟小刚黄绍敏徐明岗卢昌艾张文菊 . 长期不同施肥模式对潮土有机碳组分的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2009.0414
    [20] 郭胜利党廷辉刘守赞郝明德 . 磷素吸附特性演变及其与土壤磷素形态、土壤有机碳含量的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0106
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  • 收稿日期:  2019-12-26

有机培肥可提升矿区复垦土壤中活性有机碳的含量

    作者简介:安永齐E-mail:15519883919@163.com
    通讯作者: 王小利, ls.wangxl@gzu.edu.cn
    通讯作者: 徐明岗, xuminggang@caas.cn
  • 1. 贵州大学农学院,贵阳 550025
  • 2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室,北京 100081
  • 3. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所,山西太原 030031
  • 4. 山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801
  • 基金项目: 国家自然科学基金联合基金(U1710255);国家自然科学基金项目(31860160)。
  • 摘要:   【目的】  土壤有机碳作为土壤肥力的核心,其不同组分间具有高度异质性。研究不同施肥措施对煤矿区复垦土壤有机碳及其各组分提升的差异特征,可为煤矿区土壤修复提供理论依据。  【方法】  田间试验在山西煤矿复垦区进行,复垦始于2014年,种植作物为大豆 (1年) 和玉米 (2年) 轮作,采样时 (2018年) 种植作物为玉米。试验共设5个处理为未复垦自然恢复 (ZH)、不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施有机肥 (M) 和有机肥配施化肥 (MNPK)。使用物理‒化学联合分组方法,将土壤有机碳分为游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护4个组分,分析了不同施肥处理下土壤各组分有机碳的含量,计算了各组分有机碳与总有机碳含量间的相关关系。  【结果】  相较于自然恢复处理,CK、NPK、M、MNPK处理中土壤总有机碳含量在分别提高了11.8%、24.0%、38.8%和49.3%,有机肥处理的结果又显著高于CK和NPK。M、MNPK处理下,游离活性有机碳含量分别为2.11 g/kg和1.68 g/kg,物理保护有机碳含量为0.70 g/kg和0.49 g/kg,均显著高于CK和NPK;化学保护和生物化学保护组分的有机碳含量在各处理间差异不显著。除了微团聚体内的轻组和粘粉粒外,各组分质量比例在不同施肥处理间均存在显著差异,施用有机肥主要增加了大团聚体 (游离活性态和物理保护态) 的质量比例,改善了土壤结构。相关分析表明,游离态的粗颗粒和细颗粒有机碳及物理保护有机碳与总有机碳含量间呈现极显著正相关关系 (P < 0.01),其中拟合方程的斜率表示组分碳含量随单位总有机碳含量增加而引起的变化值,最高的为游离粗颗粒有机碳组分,达到39.7%,游离细颗粒和物理保护有机碳组分的变化率分别为18.6%和21.7%;而化学保护粘粉粒和生物化学保护粘粒组有机碳与总有机碳含量无显著相关性。  【结论】  施肥和轮作与自然恢复状态相比,短期可显著提高土壤有机碳含量,施用有机肥效果好于单施化肥。单施或者与NPK配合施有机肥主要促进了土壤大团聚体中游离活性态和物理保护态有机碳的质量,单施有机肥效果更佳。由于新增的土壤有机碳活性高,需要长时间持续投入,才可能恢复土壤有机碳的稳定性。

    English Abstract

    • 山西省大面积的采煤导致土地尤其是耕地遭到破坏[1],而工程修复会扰动土壤,导致土壤基础肥力尤其是有机碳含量下降[2]。土壤有机碳是土壤碳库的重要组成部分,是评价受人为管理措施影响的农业可持续发展的重要指标[3-4]。且土壤中有机碳各组分间存在高度异质性,不同组分对土壤有机碳的累积和稳定发挥着其相应的作用[5]。深入研究复垦后不同施肥对土壤有机碳及其各组分的影响,能更好地了解复垦区土壤有机碳的固存特征,对矿区土壤修复具有重要意义。目前,已有关于不同施肥条件下土壤有机碳及其组分变化的大量研究。李建华等[6]和何冰等[7]关于煤矿区复垦农田团聚体的研究表明,各粒级团聚体质量比例中以 < 0.25 mm团聚体占优,但随着有机肥的施入,新增加的有机碳主要富集在 > 0.25 mm的大团聚体中。陆太伟等[8]利用Meta-Analysis整合数据发现,大团聚体 (> 0.25 mm) 中有机碳累积量随着化肥的施入显著增加,微团聚体 (< 0.053 mm) 中有机碳由于团聚体的物理保护作用维持在稳定水平。Xu等[9]的研究同样表明,在秸秆还田条件下土壤新增的有机碳主要集中在颗粒有机碳 (> 0.053 mm) 中。而Tong等[10]研究发现,在红壤长期施肥条件下施肥可以提高各组分有机碳含量,且矿物结合态有机碳 (< 0.053 mm) 中固定的新有机碳量最多。Hassink[11]研究也提出,新的有机质进入土壤首先与粘粉粒和微团聚体 (< 0.25 mm) 结合,当粘粉粒和微团聚体组分中结合的有机质含量达到或接近饱和后,有机质才在大团聚体 (> 0.25 mm) 中形成。苑亚茹等[12]和邓文悦等[13]的研究则表明,施肥虽然增加了大团聚体中的有机碳含量,但减少了粘粉粒中的有机碳含量。

      虽然已经有很多在不同施肥下农田有机碳组分特征的研究,但关于煤矿复垦区土壤中不同保护机制下的有机碳含量在恢复过程中的变化特征还不明确。而利用Stewart等[14-15]基于Six等[16]提出的物理分组方法改进而得到的最新物理‒化学联合分组方法,能更加系统地研究游离活性、物理保护、化学保护和生物化学保护这四个有机碳组分,有助于更好地了解复垦土壤中不同组分有机碳在不同施肥措施下的变化特征。因此,本研究以山西太原古交的定位试验为基础,采用物理‒化学联合分组方法,研究复垦土壤中不同施肥处理对土壤有机碳组分提升的差异,并探讨各组分有机碳与总有机碳含量之间的相关性,为煤矿复垦区的土壤修复和合理施肥措施的选择提供科学依据。

      • 试验区位于山西省太原市古交屯兰工矿复垦区 (东经112°06′,北纬37°53′),该区年平均气温9.5℃,平均降水量460 mm,为温带大陆性季风气候。2002年山西煤电集团屯兰矿开始排煤矸石于天然沟壑内,2013年排矸活动结束后,在矸石山填埋区表面进行覆土,土源来自于周围自然土壤,初次覆土平均厚度为50 cm,经一年自然恢复后,于2014年布置试验,2018年为复垦第五年。试验开始时耕层 (0—20 cm) 土壤基本性质见表1,其中有机碳含量是2.76~3.46 g/kg,虽然数值波动较大,但因为复垦土壤养分含量贫瘠且存在空间异质性,各处理间的差异不显著。

        表 1  试验开始时表层土壤的基本性质 (2014年)

        Table 1.  Basic properties of surface soil at the beginning of the experiment in 2014

        施肥处理
        Treatment
        处理代码
        Treatmentcode
        有机碳 (g/kg)
        Organic C
        碱解氮 (mg/kg)
        Available N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        pH
        未复垦自然恢复
        Naturally recovering soil
        ZH 3.04 a12.69 a10.33 a 78.43 a8.64 a
        轮作,不施肥
        Rotation, No fertilization
        CK 3.03 a14.06 a8.90 a84.90 a8.62 a
        轮作,单施化肥
        Rotation, chemical NPK
        NPK2.76 a14.63 a9.81 a83.02 a8.58 a
        轮作,单施有机肥
        Rotation, single manure
        M 3.46 a 8.58 b7.33 a75.35 a8.57 a
        轮作,有机肥配施化肥
        Rotation, manure plus NPK
        MNPK2.95 a12.69 a9.58 a83.71 a8.67 a
        注(Note):同列数字后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.
      • 本试验包括5个处理:1) 未复垦自然恢复 (ZH);2) 不施肥 (CK);3) 单施化肥 (NPK);4) 单施有机肥 (M);5) 有机肥配施化肥 (MNPK)。根据复垦试验区地势不同布置小区,面积分别为230~1120 m2不等,每个处理三次重复。种植作物为大豆 (1年) 和玉米 (2年) 轮作,采样时 (2018年) 种植作物为玉米。ZH处理为覆土后没有经过复垦的撂荒地,CK处理施肥量为0,其他处理按照等氮量150 kg/hm2施肥,无机肥为复合肥,其中氮、五氧化二磷、氧化钾质量比 (N︰P2O5︰K2O) 为 = 18︰12︰10,有机肥使用平遥国青 (由平遥县国青同盈禽业有限公司生产,有机质含量53.5%,氮含量2.2%,磷含量1.68%,钾含量2.2%),MNPK处理施肥量为1/2 M配施1/2 NPK,所施肥料全部作为基肥在春播前施入。

      • 2018年10月份玉米收获后,采集表层 (0—20 cm) 新鲜土样。考虑到复垦地的空间异质性和每个小区面积较大的问题,在每个小区加大采样点,方格法采取10个样点,混匀后装袋运回实验室,风干后过2 mm筛备用。

        土壤有机碳分组的方法采用改进的Stewart等[14-15]的最新物理‒化学联合分组方法。具体实验步骤如下:称取20.00 g风干土样放于0.25 mm筛中,下层套上0.053 mm筛,分别放入15个玻璃珠,以30次/min的速率震荡20 min,筛上分别得到粗颗粒有机碳组分 (cPOC) 和微团聚体组分 (μagg),将 < 0.053 mm的部分用离心法于900 r/min和3300 r/min (加入CaCl2作为絮凝剂) 下离心7 min和15 min,分别得到游离态的粉粒组分 (d-silt) 和粘粒组分 (d-clay)。

        将之前得到的微团聚体组分进行密度浮选,加入50 mL NaI (1.70 g/cm3) 溶液在4000 r/min下离心20 min,抽滤后未通过0.45 μm滤膜的是轻组部分 (LF),即未保护细颗粒有机碳组分 (fPOC),剩余重组部分加入50 mL六偏磷酸钠溶液 (5 g/L),以180 r/min的速率震荡18 h后过0.053 mm筛,留在筛上的为物理保护有机碳组分 (iPOC),过筛的部分同样使用离心法分离出闭蓄态粉粒组分 (μ-silt) 和闭蓄态粘粒组分 (μ-clay)。

        将前两步得到的粉粒和粘粒组分加入25 mL 6 mol/L的HCl溶液,于95℃条件下回流16 h,结束后抽滤,留在滤膜上的部分为非酸解组分 (NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay),酸解组分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay) 为全组分和非酸解组分之差。

        将各组分加入1 mol/L的HCl (土液比1︰2.5) 以排除土样中的无机碳,后用元素分析仪 (瑞典利曼公司,EA3000) 测定各组分有机碳含量。根据此方法,土壤有机碳被分为游离活性有机碳组分 (cPOC、fPOC)、物理保护有机碳组分 (iPOC)、化学保护有机碳组分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay) 和生物化学保护有机碳组分 (NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay) 4个有机碳组分。

      • 所有土壤测定结果均以3次测定结果的平均值表示。采用SPSS 17.0,SigmaPlot 14.0,Excel 2016等软件进行数据处理、分析与绘图。不同处理间的差异采用最小显著差数法 (LSD) 进行显著性检验 (P < 0.05)。

      • 复垦区经过五年培肥后,相较于未复垦自然恢复 (ZH),各处理下的土壤有机碳都得到了显著提升 (P < 0.05) (图1),尤其是添加有机肥的M、MNPK处理的有机碳含量分别提高到了6.05 g/kg和5.62 g/kg,分别比ZH处理提高了49.3%和38.8%。其中M处理效果最佳,分别是CK、NPK、MNPK的1.34、1.20和1.08倍。NPK和CK处理分别比ZH提高了24.0%和11.8%。和试验开始 (2014) 时相比,所有处理的土壤有机碳都得到了显著恢复 (图1) (P < 0.05),提升幅度分别为ZH (33.3%)、CK (49.5%)、NPK (82.0%)、M (74.8%) 和MNPK (90.6%)。

        图  1  2014年和2018年不同施肥下复垦土壤总有机碳含量

        Figure 1.  Total soil organic carbon content in reclaimed land under different fertilization treatments in 2014 and 2018

      • 试验土壤经分组后平均回收率为101.3%,说明分组方法准确可靠。不同施肥土壤有机碳各组分质量分布如表2所示。各处理中质量占比较大的组分为游离态粉粒、细自由颗粒和微团聚体内粉粒,平均占比分别达到54.9%、15.7%和13.3%,而质量占比最低的组分是轻组 (0.2%~0.5%)。相较于ZH处理,粗颗粒组分中M处理显著提高了组分质量比例 (83.2%);细自由颗粒组分中NPK、M和MNPK处理均显著提高了质量占比,分别提高了2.1、1.6和1.83倍;游离态粉粒组分中,M和MNPK显著减少了组分质量,减少幅度为21.1%和15.9%。而其余各组分的质量比例在各施肥处理之间无显著性差异。

        表 2  不同施肥处理下土壤粒径团聚体及微团聚体内各组分有机碳的质量分数 (%)

        Table 2.  Mass percentages of organic carbon in different aggregates and the fractions of microaggregates of soils under different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        粗颗粒
        cPOM
        (> 250 μm)
        微团聚体 (53~250 μm) 游离态粉粒
        d-silt
        (2~53 μm)
        游离态粘粒
        d-clay
        (< 2 μm)
        总量
        Total
        轻组
        LF
        细自由颗粒
        iPOM
        粉粒
        μ-Silt
        粘粒
        μ-Clay
        ZH7.6 ± 1.5 bc26.7 ± 2.9 b0.3 ± 0.1 a10.1 ± 0.8 d14.3 ± 1.8 a4.1 ± 0.4 a61.7 ± 2.8 a1.9 ± 0.1 a
        CK11.0 ± 1.5 ab28.2 ± 3.3 b0.3 ± 0.1 a12.9 ± 1.8 cd12.7 ± 1.6 a3.8 ± 0.2 a57.1 ± 4.0 ab2.0 ± 1.1 a
        NPK6.1 ± 1.0 c36.2 ± 0.5 a0.2 ± 0.1 a20.7 ± 1.2 a12.8 ± 1.4 a3.8 ± 0.1 a55.2 ± 0.8 abc1.5 ± 0.2 a
        M 13.9 ± 0.3 a33.0 ± 1.7 ab0.3 ± 0.1 a16.4 ± 0.5 bc13.3 ± 1.2 a3.8 ± 0.2 a48.7 ± 1.2 bc1.6 ± 0.1 ab
        MNPK10.1 ± 1.3 abc35.1 ± 1.1 a0.5 ± 0.1 a18.4 ± 1.5 ab13.4 ± 1.0 a3.8 ± 0.3 a51.9 ± 1.1 bc2.0 ± 0.2 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.
      • 不同处理下复垦土壤各组分有机碳含量存在差异 (表3)。对于游离活性有机碳组分,M和MNPK处理相较于ZH、CK和NPK处理均显著增加了粗颗粒 (cPOC) 的有机碳含量,分别提高了108.6%~139.3%和62.9%~86.9%。对于细颗粒组分 (fPOC),M和MNPK处理相较于其余处理同样显著提升了有机碳含量,平均提高了2.53倍和2.10倍。NPK处理相较ZH和CK处理均未显著提升组分有机碳含量。

        表 3  不同施肥处理下各组分有机碳含量 (g/kg)

        Table 3.  Content of different organic carbon fraction in soil under different fertilization treatments

        处理
        Treatment
        游离活性态Unprotected物理保护态
        Physically-protectediPOC
        化学保护态
        Chemically-protected
        生物化学保护态
        Biochemically-protected
        粗颗粒
        cPOC
        细颗粒
        fPOC
        粉粒组
        H-silt
        粘粒组
        H-clay
        粉粒组
        NH-silt
        粘粒组
        NH-clay
        ZH0.61 ± 0.02 c0.23 ± 0.03 c0.25 ± 0.05 c0.68 ± 0.02 b0.45 ± 0.03 a1.64 ± 0.05 b 0.18 ± 0.01 bc
        CK0.66 ± 0.02 c 0.39 ± 0.04 bc0.24 ± 0.03 c 0.72 ± 0.01 ab0.49 ± 0.09 a 1.82 ± 0.03 ab 0.21 ± 0.02 ab
        NPK0.70 ± 0.04 c0.21 ± 0.03 c0.67 ± 0.03 a0.87 ± 0.04 a0.40 ± 0.01 a2.02 ± 0.05 a0.15 ± 0.02 c
        M 1.46 ± 0.13 a0.65 ± 0.10 a0.70 ± 0.05 a 0.74 ± 0.06 ab0.40 ± 0.02 a 1.87 ± 0.13 ab0.24 ± 0.02 a
        MNPK1.14 ± 0.11 b 0.54 ± 0.05 ab0.49 ± 0.02 b0.86 ± 0.11 a0.43 ± 0.02 a 1.90 ± 0.13 ab0.25 ± 0.02 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间在 5% 水平差异显著 Values followed by different letters are significant difference at 5% level among the treatments.

        物理保护有机碳组分中,各施肥处理较ZH和CK处理而言都显著提升了有机碳含量,提升幅度达到1.96~2.80倍和2.04~2.92倍,而CK和ZH处理的组分有机碳含量间差异不显著。

        对于化学保护有机碳组分,NPK和MNPK处理相比于ZH处理显著提升了其中粉粒组 (H-silt) 的碳含量,达到了0.87 g/kg和0.86 g/kg,分别增加了27.9%和26.5%,而其余处理间差异不显著。粘粒组 (H-clay) 中各处理间的有机碳含量无显著差异。

        在生物化学保护有机碳中,NPK处理显著提升了粉粒组 (NH-silt) 的有机碳含量,达到了ZH处理的1.23倍。M和MNPK处理显著提升了粘粒组 (NH-clay) 的有机碳含量,相对于ZH处理的增幅为33.3%和38.9%。其余各处理间差异不显著。

        各组分有机碳含量占总有机碳比例如图2所示。其中占总有机碳比例最大的组分为生物化学保护有机碳,比例为34.9%~45.2%,其次为游离活性有机碳和化学保护有机碳,平均比例分别为25.4%和24.4%,最少的为物理保护有机碳,只占5.4%~13.4%。在不同处理间,施用有机肥 (M、MNPK) 处理显著提高了游离活性有机碳组分的占比,且显著降低了生物化学有机碳组分的占比。NPK处理与ZH、CK处理相比显著提高了物理保护组分的有机碳含量,其余组分间差异不显著。

        图  2  不同施肥处理下土壤各组分有机碳占总有机碳的比例

        Figure 2.  Proportions of organic carbon fractions to the total organic carbon under different fertilization treatments

      • 相关分析 (图3-ab) 表明,复垦农田土壤中游离活性有机碳、物理保护有机碳与总有机碳含量的关系呈现极显著正相关关系 (P < 0.01)。相关方程的斜率表示随总有机碳变化的组分碳变化量,由图中可知,总有机碳含量每提升一个单位 (g/kg),游离活性有机碳中的粗颗粒 (cPOC) 和细颗粒 (fPOC) 以及物理保护有机碳 (iPOC) 的变化率为39.7%、18.6%和21.7%。生物化学保护有机碳中的粉粒组 (NH-silt) 与总有机碳含量呈显著正相关关系 (P < 0.05) (图3d),变化率为11.9%。而化学保护有机碳 (H-silt和H-clay) 和生物化学保护有机碳的粘粒组 (NH-clay) 与总有机碳含量的相关性均不显著。

        图  3  不同施肥下总有机碳含量与各组分碳组分有机碳含量的相关关系

        Figure 3.  Correlations between total soil organic carbon and different organic carbon fractions under different fertilization

      • 该试验于煤矿复垦区进行,采用的覆土土源为周围自然土壤,且在覆土过程中为了平整土地而进行的机械扰动破坏了土壤组成,导致修复后的土壤基础肥力尤其是有机碳含量显著降低[2, 17]。本试验表明,各处理相较于未复垦自然恢复 (ZH) 都能显著提高土壤有机碳含量,其中有机肥配施化肥 (MNPK) 的提升效果最显著,这与其他研究者的结果相似[6, 18]。主要原因一方面在于施肥能增加作物产量,何浩等[19]研究表明,有机无机配施平均比单施化肥和不施肥增产14.9%和83.5%,促进了根系的生长,进而增加了作物残茬量,改善了土壤酶和微生物的活性,从而增加了土壤有机碳的含量[20];另一方面有机肥的施入则直接增加了碳投入量,因此增加了土壤有机碳含量[21-22]

      • 在对土壤有机碳不同组分的研究中,由于不同大小团聚体的表面化学性质不同,使其结合的有机碳在数量、组成和固持能力上存在高度异质性[5, 23-24],所以不同碳组分对施肥响应的敏感性也不同。本研究中有机肥的施入显著增加了游离活性组分内粗颗粒 (cPOC) 和细颗粒 (fPOC) 的有机碳含量,且游离活性组分平均占总有机碳含量的比例为25.4%,王朔林[25]在研究中发现长期施肥下该组分占栗褐土总有机碳的8.7%~21.5%,与本试验结果相似。根据Six等[16]提出的碳饱和模型,游离活性组分有机碳主要来自于植物体的残渣,被认为几乎不受土壤团聚体的保护,对不同施肥措施响应敏感,能够作为一种有机碳变化的良好指示组分[26]。本研究中游离活性组分随着总有机碳含量的提升表现出极显著的正相关关系,说明复垦后土壤中新增加的有机碳主要富集在游离活性有机碳中,尤其是其中的粗颗粒为新碳的主要固存组分。

        本研究中物理保护有机碳占总有机碳的5.4%~13.4%,与刘骅等[27]报道的灰漠土中物理保护碳组分所占比例为9.6%~15.6%的结果相近。施肥处理 (NPK、M、MNPK) 显著增加了物理保护组分 (iPOC) 的有机碳含量,且与总有机碳含量间呈极显著正相关关系,说明物理保护有机碳同样是复垦土壤有机碳的主要固存组分。土壤有机碳的物理保护,是指由于土壤团聚体的包裹而隔离了微生物和酶的活动,进而限制有机碳的分解,起到固定有机碳的作用[21, 28]。施肥能够显著影响物理保护组分,其原因可能在于肥料的施入对土壤中微生物的活性和作物根的生长及其分泌物的增加起到了促进作用,使得新增加的有机碳进入物理保护有机碳组分中,增强了土壤团聚体的稳定性,进而增强了土壤的物理保护作用[13, 21, 28-29]。本试验在施肥处理下,同时显著提高了物理保护组分的质量占比和其中的有机碳含量,也说明了施肥能通过改善复垦区土壤的团聚体结构,从而增加土壤的物理保护组分有机碳含量。

        本研究中,化学保护组分和生物化学保护组分一起平均占到了总有机碳含量的65.6%,是目前复垦土壤中有机碳的主要储存组分。它们是土壤中粘粉粒与有机物分解最终产物相结合的部分,具有较强的稳定性[21]。其中化学保护指由粘土矿物通过配位体置换、络合作用等作用导致的有机碳固存;生物化学保护,指有机碳自身抗降解性形成稳定的难降解物质 (如芳香环结构的木质素和烷基结构的碳等)[30-31]。本研究中生物化学保护的粉粒组 (NH-Silt) 有机碳含量在MNPK处理下显著提高,且与总有机碳间呈现出显著正相关关系 (变化率为11.9%),其原因可能是施用有机肥为微生物提供了直接的养分来源,增加了微生物的分泌物,且直接作用于粉粒,从而促进了土壤中稳定碳组分的累积[10, 32-33];同时粉粒中存在部分活性有机质的中间代谢产物,因此粉粒组对土壤有机碳的转移和固定起着重要的作用[34]。本研究中化学保护粘粒组 (H-clay) 和生物化学保护粉、粘粒组 (NH-silt和NH-clay) 与总有机碳间均无相关性,因为这些组分的有机碳都属于矿物结合有机碳,主要是由腐殖质组成[35],而经留茬和有机肥等途径输入的外源有机碳在分解后会首先向游离活性有机碳和物理保护有机碳转化,最后才能成为腐殖化程度较高的矿物结合有机碳,相对稳定地固存于土壤中[27-28, 34]。本试验的布置时间只有5年,所以目前短时间内分解形成的腐殖质可能还不足以显著增加复垦区土壤的稳定态组分有机碳含量。

        综上,对于本研究中的复垦土壤,在当前条件下,除了化学保护有机碳组分和生物化学保护的粘粒组外,其余各组分碳浓度均与总有机碳含量呈显著或极显著关系。说明目前复垦土壤中有机碳主要是以活性有机碳组分的形式进行储存,可能存在受环境和人为管理措施影响从而释放的潜在风险,所以需要合理的管理措施 (如增加外源碳的投入量) 和长时间的恢复,才能使有机碳达到更有效的累积和固存,从而恢复复垦土壤的“碳汇”功能。

      • 不论施肥与否,玉米‒大豆轮作比自然恢复更有效地增加复垦区土壤的有机碳含量,5年平均提高了31.0%,单施有机肥的土壤有机碳含量可增加49.3%,是矿区复垦土壤快速恢复和培肥的有效措施。

        复垦土壤中新增加的有机碳优先固存于活性较高的游离活性碳组分和物理保护碳组分中。由于新增有机碳活性较高,需要较长时间的稳定投入,形成稳定性较高的化学保护态及生物化学保护态组分而恢复土壤的功能。

    参考文献 (35)
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