長期不同施肥復墾土壤大團聚體中各有機碳組分的變化特征

曹寒冰，謝鈞宇，洪堅平

(1.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801; 2.土壤環境與養分資源山西省重點實驗室，山西 太原 030031)

土壤有機碳(SOC)是表征土壤肥力變化的一個重要指標，它深刻地影響著土壤的物理、化學和生物學性質，是作物高產穩產和農業可持續發展的基礎[1]。此外，SOC也是全球碳循環的重要組成部分，是大氣CO2的源和匯[2]。其中，農田土壤有機碳不僅占到全球陸地碳庫的10%以上，而且是全球土壤碳庫中最活躍的部分，具有很大的固碳潛力[3-5]。因此，了解土壤有機碳固存機制，并且尋求最佳的農田管理措施對于促進糧食安全和減緩氣候變化具有重要意義。

土壤有機碳受多種因素的影響，諸如施肥措施、耕作措施、種植歷史等，且以施肥對它的影響最深刻。研究報道，長期施有機肥顯著提高了SOC含量[6-8]。LI等[6]報道連續26 a單施有機肥以及有機無機肥配施均能顯著提高潮土有機碳含量，分別增加了113.62%和66.76%。然而就長期施化肥對SOC含量的影響存在爭議。有研究發現施化肥(NPK)顯著提高了SOC含量[9-10]，而LI等[11]認為施化肥對SOC含量無明顯的積極作用。

在大多數碳模型中，SOC為由幾個內在可降解性且相對分解速率不同的功能庫組成[12]，比如，微生物量碳、顆粒有機碳、輕組有機碳、易氧化有機碳。這些碳組分比SOC對農田管理措施的響應更敏感，因此它們常作為評價SOC動態變化的早期指示物。盡管也有一些研究報道施肥可以提高土壤微生物量碳含量[13]、顆粒有機碳含量、活性有機碳含量[14]以及輕組有機碳含量[15]，但是這些組分是離散的、獨立的[16]。相比之下，由SIX等[17-18]提出的物理分組方法成為近年來研究土壤有機碳固存機制的主流，并且他們將SOC劃分為與團聚體分級相連接的4個概念型碳組分:未受保護的活性組分(粗顆粒有機碳 cPOC和細顆粒有機碳 fPOC)、受物理保護的組分(大團聚體中微團聚體內顆粒有機碳 iPOC)以及受化學或生物化學保護的惰性組分(礦質結合態有機碳 MOC)，該模型中4個組分是相互連接的，可以真實地反映土壤有機碳的轉化和固存過程，因而在近年來被廣泛應用。YAO等[19]報道，iPOC和MOC對黑壚土有機碳固存共同起作用。而XIE等[20]利用35年定位施肥試驗研究發現，iPOC組分對塿土有機碳固存起著至關重要的作用。此外，無論是改變耕作措施[21]還是向土壤中添加污泥[22]，都認為iPOC組分對SOC的保護能力最強。還有研究表明，cPOC組分是黑土有機碳固存的主要形式[23]。由此可見，不同類型的土壤上研究結果之間存在差異，這可能與土壤本身的性質、施肥年限、作物種植體系等因素有關。因此，有必要對特定類型的土壤有機碳固存機制進行系統研究。

山西省煤礦含量豐富，煤炭面積達620萬ha，占全省土地總面積的39.6%，全省累計采空面積約12萬ha，土地塌陷裂縫面積約4.5萬ha。礦區土地復墾是我省、乃至我國實現耕地總量動態平衡、緩解人地矛盾的當務之急，而在該區域尋求高效合理的培肥模式，對于快速定向提高土壤質量、實現農業資源可持續利用具有重大的理論意義和實踐價值。前人研究報道，施化肥及有機肥均能顯著提高采煤塌陷區復墾土壤有機碳含量[24-25]，但是這些研究并沒有從團聚體的角度解析SOC的固存機制。因此，筆者以復墾6 a的土壤為研究對象，利用物理分組的方法，分析不同施肥措施下土壤大團聚體中有機碳組分的變化特征及其與SOC含量之間的關系，從而更好地理解采煤塌陷區復墾土壤有機碳固存機制，并為完善該區域的土壤培肥和質量提升理論提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西襄垣縣(N 36.47°，E 113.01°，平均海拔980 m)(圖1)，屬潞安集團五陽煤礦井田范圍，屬于低山黃土丘陵區，年平均氣溫9.5 ℃，年均降水量532.8 mm。供試土壤為石灰性褐土，黃土母質。試驗開始前0～20 cm土層SOC含量為4.20 g/kg,全氮(N)為0.50 g/kg，有效磷(Olsen-P)為2.01 mg/kg，速效鉀(K)為106.85 mg/kg(1.0 mol/L醋酸銨浸提)，土壤密度為1.49 g/cm3。

1.2 試驗設計

試驗開始于2008年，采用混推復墾的方式，種植作物為春玉米，品種為大豐30號。每公頃播種60 000株。每年5月左右播種，10月左右收獲，玉米秸稈全部還田。從2013年開始進行第6年復墾，不同處理下0～20 cm土層土壤的基本理化性狀見表1。

圖1 長期定位試驗地理位置Fig.1 Geographical of location of the long-term experiment

表1 不同處理下0～20 cm土層土壤的基本理化性狀Table 1 Physical-chemical properties at 0-20 cm soil layer under different fertilization regimes

試驗共設7個處理，分別是不施肥、施化肥、單施有機肥、有機無機肥配施、化肥配施菌肥、有機肥配施菌肥、有機無機肥配施菌肥(圖2)。本研究選取其中的4個處理:不施肥(CK);施用氮磷鉀化肥(NPK);單施有機肥(M);有機無機肥配施(MNPK)。其中，供試有機肥為完全腐熟的雞糞，有機質含量為25.80%，氮(N)含量為1.68%，磷(P2O5)含量為1.54%，鉀(K2O)含量為0.82%。每個處理設置3次重復，采用完全隨機排列。小區面積為10 m×5 m=50 m2。各施肥處理的總養分投入量相同，具體施肥量見表2。

CK1MNPK1MNPKB1NPK1NPKB1M1MB1MNPK2MNPKB2CK2NPKB2NPK2MB2M2MNPKB3MNPK3CK3NPKB3NPK3MB3M3

表2 不同處理的肥料用量Table 2 Rates of N,P,K and manure in treatments kg/ha

1.3 樣品采集與分析

于2018年9月底春玉米收獲前一天，用定制的環刀(高度為10 cm、直徑為10 cm)采集0～20 cm土層的原狀土樣，每個小區采集5個樣點，然后混合成1個樣品。帶回實驗室后，沿土壤結構小心地掰成< 1 cm的土塊，剔除動植物殘體及石塊，過8 mm篩后，于通風干燥處風干，裝入塑封袋中備用。

同時，春玉米收獲后，每個小區用土鉆(高度為20 cm、內徑約為2.5 cm)采集0～20 cm土層土壤樣品6鉆并混合，裝入塑封袋中帶回實驗室，在陰涼通風處自然風干后剔除石塊、根系等雜物，研磨后過0.15 mm篩，保存在塑封袋中測定SOC含量。

采用SIX等[17-18]提出的物理分組方法分離得到土壤大團聚體中各有機碳組分，操作流程如圖3所示。

圖3 物理分組流程Fig.3 Physical fractionation scheme

1.4 測定項目及方法

土壤有機碳含量及cPOC,iPOC和MOC含量采用重鉻酸鉀-容量法測定，fPOC含量用Vario MACRO cube元素分析儀(德國哈瑙)測定。

1.5 計算方法

土壤有機碳儲量:

該研究中，對照組用遵醫護理，綜合護理干預組用綜合護理干預。結果顯示，綜合護理干預組家屬的滿意程度、血糖餐前餐后監測狀況、酸中毒癥狀積分、生存質量、ICU糖尿病酮癥酸中毒血糖糾正的時間、酸中毒糾正的時間、住院的平均日數、酮癥酸中毒后搶救失敗率方面相比對照組更有優勢（P＜0.05）。

SOCstorage=10SOCDH

(1)

固碳量:

ΔSOCstorage=SOCstorage-6-SOCstorage-0

(2)

固碳速率:

SOCSR=ΔSOCstorage/6

(3)

其中，SOC為0～20 cm土層土壤有機碳含量，g/kg;D為土壤密度，g/cm3;H為土層深度，取0.20 m。SOCstorage-6和SOCstorage-0分別是復墾6 a和試驗初期的土壤有機碳儲量。

本試驗條件下，土壤有機碳投入(Cinput)主要來源于2部分:一部分是有機肥(Cinput-manure)，即腐熟的雞糞;另一部分是作物在生長期間及收獲后通過根系、殘茬輸入到土壤的有機碳(Cinput-crop)。兩部分之和為土壤有機碳投入量。玉米整個植株碳含量按0.407 4 g/g進行計算。每年以作物殘茬形式投入到土壤中的碳含量計算公式為

Cinput=(YBRDr+YSRS)×0.407 4

(4)

式中，YB和YS分別為地上部生物量和秸稈產量;R為光合作用產物進入地下比例，本試驗中玉米按照26%的地上部生物量的作物殘茬量進行估算[26-27];Dr為0～20 cm根系占地下部的比例，為85.1%[28];RS為留茬占秸稈的比例，按3%進行估算。

土壤大團聚體中各組分的有機碳含量為該組分有機碳含量與其質量分布比例的乘積。

1.6 數據處理

試驗結果采用Microsoft Excel 2010和SAS 8.0軟件進行數據整理與統計分析，不同處理間采用LSD法進行差異性檢驗。采用簡單線性關系(y=ax+b)來擬合土壤有機碳含量與土壤大團聚體中各組分有機碳含量之間以及年均碳投入量和土壤固碳速率之間的關系，Origin 8.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式下復墾土壤有機碳含量

連續6 a不同施肥處理后，施化肥(NPK)處理下SOC含量最低，為6.21 g/kg，有機無機肥配施(MNPK)處理下SOC含量最高，達8.82 g/kg(圖3,柱上不同小寫字母代表各處理間土壤有機碳含量在5%水平差異顯著);同CK相比，NPK處理下SOC含量顯著降低了6.02%，而無論是單施有機肥(M)還是MNPK處理均顯著提高了SOC含量，增幅為20.74%～33.44%(圖4)。

圖4 不同施肥模式下土壤有機碳含量Fig.4 Soil organic carbon (SOC) concentration in the bulk soil under different fertilization regimes

2.2 不同施肥模式下復墾土壤碳投入量的差異

不同施肥措施下，每年通過玉米根茬和有機肥投入到土壤的有機碳總量為0.41～2.71 mg/ha，其中以CK處理最低，M處理最高(圖5,柱上不同小寫字母代表各處理間來源于玉米根茬的碳投入在5%水平差異顯著，不同大寫字母代表各處理間總有機碳投入在5%水平差異顯著)。每年通過玉米根茬還田到土壤中的有機碳量為0.41～0.92 mg/ha，CK和NPK處理下土壤有機碳投入僅來源于玉米根系和殘茬等。同CK相比，NPK處理顯著提高了通過玉米生長代入土壤的有機碳含量78.90%;施有機肥處理(M和MNPK)不僅顯著提高了作物來源的有機碳，還通過外源添加動物糞肥投入了大量的有機碳，其中，通過玉米生長代入土壤的有機碳量約為總量的34%～55%。同CK相比，M和MNPK處理均顯著提高了玉米根茬和有機物料還田的有機碳量，增幅達118.62%～124.20%(圖5)。

圖5 不同施肥模式下來源于玉米根茬和有機肥的年均 碳投入量Fig.5 Annual carbon input from maize roots and manure under different fertilization regimes

2.3 不同施肥模式下復墾土壤大團聚體中各有機碳組分的分布

不同施肥處理下大團聚體中有機碳組分以受化學或生物化學保護的礦質結合態有機碳組分(MOC)分布比例最高，范圍介于65.49%～79.87%;其次是受物理保護的大團聚體中微團聚體內顆粒有機碳組分(iPOC)，范圍是10.52%～15.54%;然后是未受保護的粗顆粒有機碳組分(cPOC)，變幅為6.95%～13.57%;而未受保護的細顆粒有機碳組分(fPOC)分布比例最小，僅占2.67%～5.40%(表3)。

同CK相比，所有施肥處理均對iPOC組分無顯著影響。NPK處理沒有對各組分的分布比例產生顯著影響。而施有機肥處理(M和MNPK)均顯著提高了cPOC組分的分布比例，分別提高了92.57%和95.20%，且M和MNPK處理亦顯著提高了fPOC組分的分布比例，均是CK的2倍。但是這2個處理均顯著降低了MOC組分的分布比例，分別降低了15.51%和18.00%。

表3 不同施肥模式下大團聚體中各有機碳組分的 分布比例Table 3 Distribution of macroaggregate fractions in soil separated by physical fractionation under different fertilization regimes %

2.4 不同施肥模式下復墾土壤大團聚體中各組分有機碳含量

不同處理下大團聚體中各組分有機碳含量以fPOC組分最多，其次是cPOC或MOC組分，而iPOC組分最少(圖6)。

同CK相比，所有施肥處理對大團聚體中iPOC含量沒有顯著影響。此外，施NPK對大團聚體中各組分的有機碳含量亦無顯著影響。M處理顯著降低了MOC含量，降低了36.45%。MNPK處理顯著提高了cPOC和fPOC含量，分別約為CK處理的4倍和2倍，但是顯著降低了MOC含量，降低了39.01%(圖5，柱上不同小寫字母代表各處理間大團聚體中相同組分的有機碳含量在5%水平差異顯著)。

圖6 不同施肥模式下大團聚體中各組分有機碳含量Fig.6 OC content within macroaggregate fraction under different fertilization regimes

2.5 大團聚體中各組分有機碳含量與土壤有機碳含量的關系

線性回歸顯示大團聚體中各有機碳組分，僅有未受保護的粗顆粒有機碳組分(cPOC)和細顆粒有機碳組分(fPOC)的有機碳含量與SOC含量呈顯著正相關(P< 0.01)(圖7，**表示P< 0.05)，其中，cPOC組分的方程斜率是1.06，fPOC組分的回歸方程斜率是1.27，表明礦區復墾土壤有機碳主要固存于未受保護的有機碳組分中。

圖7 不同施肥模式下土壤有機碳含量與大團聚體中各組分 有機碳含量的關系Fig.7 Relationship between SOC concentration in the bulk soil and OC contents within macroaggregate fractions under different fertilization regimes

2.6 礦區復墾土壤固碳速率與年均碳投入量的關系

復墾6 a后，各處理下SOC均表現為明顯累積，且以MNPK處理的固碳速率最高(1.58 mg/(ha·a))，其次是M處理(1.36 mg/(ha·a))，CK處理(0.82 mg/(ha·a))，而NPK處理的固碳速率最低(0.68 mg/(ha·a))(圖7)。相關分析表明，礦區復墾土壤固碳速率與年均碳投入量呈正相關(P< 0.01)，即土壤固碳速率隨著有機碳投入量的增加呈上升趨勢，說明供試土壤仍具有一定的固碳潛力。土壤有機碳固存速率與年均碳投入量的關系方程為y=0.31x+0.68，其中斜率表示投入碳在土壤中的轉化效率，說明連續復墾6 a，約有31%的投入碳固存于土壤中(圖8，**表示P<0.05)。

圖8 長期不同施肥下年均碳投入量與固碳速率的關系Fig.8 Relationship between annual carbon input and SOC sequestration rate under different fertilization regimes

3 討 論

3.1 施肥措施對大團聚體中各組分有機碳固存的影響

團聚體中cPOC和fPOC組分構成了未受保護的有機碳庫，它們是由植物殘茬和真菌菌絲、孢子組成的，極易被微生物分解，屬于高活性有機碳，對農田管理措施反映敏感[17]。本研究結果顯示，同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)和單施有機肥(M)處理對這2個組分的有機碳含量無顯著影響，但是有機無機肥配施處理(MNPK)顯著提高了這2個組分的有機碳含量(圖6)。這與TIAN等[29]和YANG等[30]的研究結果一致，他們也發現施化肥(NPK)并沒有對潮土和紅壤中cPOC組分的有機碳含量產生促進作用，但是有機無機肥配施(MNPK)顯著提高了該組分的有機碳含量。與本研究中fPOC含量對施肥的響應結果一致，YANG等[30]報道，連續34 a施NPK對紅壤水田中fPOC含量無顯著影響。HE等[13]在黑土、潮土和紅壤上均發現，連續多年有機無機肥配施顯著提高了fPOC含量，但是他們發現NPK處理顯著提高了各土壤中fPOC含量。這可能與土壤性質、氣候條件、種植體系、施肥歷史等因素有關。以上結果表明有機碳投入水平越高越有利于未受保護的組分中有機碳含量的累積，而施化肥或者單施有機肥還不能為這些組分補充足夠的有機碳。另外，MNPK處理對cPOC和fPOC這2個組分的有機碳含量具有明顯的促進作用(圖6)，且結合土壤有機碳含量與大團聚體中各組分有機碳含量之間的關系分析(圖7)，cPOC+fPOC組分是本研究所在區域的土壤上主要的固存形式，即長期有機無機肥配施首先顯著提高了復墾土壤大團聚體中未受保護的組分中有機碳含量。與XU等[23](2016)報道的cPOC組分是黑土有機碳主要的固存形式不同。這種差異可能是因為本研究中cPOC組分是從大團聚體中提取得到的，而XU等(2016)是從原土中獲取的。

SIX等認為受物理保護的iPOC組分是通過閉蓄作用來阻止微生物分解土壤有機碳[16]。本研究結果顯示，施肥較CK并沒有顯著提高iPOC含量(圖6)。這與XU等[23]的研究結果一致，他們發現連續25 a單施氮肥(N)、低量有機肥配施化肥(M1N1P1)和中量有機肥配施化肥(M2N2)均對iPOC含量無顯著影響。但是也有研究報道，施化肥或者有機肥能夠顯著提高iPOC含量[13]。可能是因為施化肥為微生物提供了有效氮源，施有機肥為微生物的生長補充了能量物質，這些因素均顯著促進了土壤微生物的活動，進而加強了受物理保護有機碳的分解，使其礦化損失量大于農田歸還量。再加上本研究中，玉米生長時期正值夏季，高溫多雨，加速了土壤有機碳的礦化，所以受物理保護的有機碳含量受施肥的影響較小。

受化學或生物化學保護的礦質結合態有機碳組分(MOC)主要受復雜的生化反應或者有機質本身所固有的自然屬性影響[16]，它的性質類似于土壤惰性有機碳。本研究結果表明，施化肥(NPK)對MOC含量無顯著影響，而施有機肥(M和MNPK)均顯著降低了MOC含量(圖6)。HE等[13](2015)在黑土、潮土和紅壤上也報道，長期施化肥較CK并沒有顯著提高MOC含量。WANG等[31](2017)在黃壤性水稻土上研究發現，長期有機無機肥配施降低了MOC含量。這是因為礦質結合態有機碳主要以腐殖質的形式存在[13]，而化肥投入的有機碳經微生物分解合成后的腐殖質還不足以顯著提高礦質結合態有機碳含量。施有機肥一方面降低了MOC組分的分布比例(表3)，另一方面增加了土壤的真菌數量[32]，促使土壤粉黏粒向團聚體顆粒的轉化[33]，且由微生物代謝分泌物所增加的礦質結合態有機碳含量小于礦質結合態有機碳向大團聚體中微團聚體內顆粒有機碳轉移的含量，最終使受化學或生物化學保護的有機碳含量減少。此外，結合SOC含量與MOC含量之間的關系分析，MOC含量隨著SOC含量的增加而降低(圖7)，說明MOC組分已經達到飽和水平。前人研究報道粉黏粒組分中有機碳含量是有限的，而且惰性碳庫對土壤有機碳的保護能力與粉粘粒的含量緊密相關[34]。因此，MOC組分對施肥措施的響應主要取決于初始SOC水平以及粉黏粒含量。GULDE等[35]研究不同有機肥用量對土壤中各團聚體組分有機碳含量的影響，曾發現有機碳首先在穩定組分中達到飽和，繼而才向不穩定的組分中轉移。

3.2 施肥措施對土壤有機碳固存的影響

土壤有機碳固存受多種因素的影響，如施肥措施、耕作措施、種植體系等，且以施肥對它影響最深刻。本研究結果顯示，同CK相比，施化肥(NPK)顯著降低了SOC含量，而M以及MNPK均顯著提高了SOC含量(圖4)。這與WANG等[36]的研究結果一致，他們發現M或者MNPK處理均能顯著提高SOC含量，但是NPK處理也能顯著提高SOC含量。這是因為施有機肥不僅可以直接為土壤提供充足的碳源，還可以間接地通過提高作物產量來增加殘茬還田量(圖5)。而造成施化肥對SOC含量影響不一致的原因主要是因為本試驗條件下氮、磷、鉀養分投入量較低，雖然施化肥可以提高作物殘茬還田量(圖5)，但是與此同時也改善了土壤的養分條件，增強了微生物活性，加速了SOC的礦化分解，有機碳礦化量大于作物殘茬歸還量。

本研究結果表明，土壤固碳速率隨著有機碳投入量的增加而增大(圖8)，說明土壤有機碳庫仍未飽和，還有一定的固碳潛力。這與WANG等[36]和ZHANG等[1]的研究結果一致。他們在潮土和紅黃壤上研究發現，土壤固碳速率與有機碳投入量呈顯著正相關關系。但是也有研究報道，土壤固碳速率并沒有隨著有機碳投入量的增加而增加，兩者之間呈對數關系[16,35,37]，即土壤有機碳出現了飽和現象。造成這些研究結果之間的差異不僅與土壤有機碳初始值有關，還與有機碳投入量的范圍有關。一方面，土壤有機碳初始值越低，土壤所表現出來的固碳能力越強[38]。另一方面，當有機碳投入量的范圍較小時，土壤仍有空間固存有機碳;而當有機碳投入量范圍較大時，土壤有機碳便會出現飽和現象。本研究中復墾土壤由于其物理結構、化學性質以及微生物類群均處于初期構建階段，在復墾過程中是將表層土壤與底層土壤混合整平，甚至重新堆墊，造成土壤肥力低下，相比于其他農田土壤，復墾土壤有機碳的初始水平較低。施肥，尤其是施加有機肥能夠明顯增加土壤有機碳投入(圖5)，但是各處理下有機碳投入量的變幅范圍在0.4～2.7 mg/(ha·a)，而ZHANG等[37]在紅壤上研究發現各處理下有機碳投入量的變幅范圍約為2.2～8.3 mg/(ha·a)(以南昌為例)，變幅范圍大于本試驗。本研究還顯示，投入碳在土壤中的轉化率為31%(圖8)，該值與Zhang等[27]的研究結果相似，他們報道在我國北方地區投入碳在農田土壤上的轉化率為15.8%～31.0%。但是該值顯著高于ZHAO等[38]在紫色土上的研究結果(19%)，這主要是因為上述研究中的試驗區域位于亞熱帶，土壤固碳效率低于本區域(溫帶地區)，再加上頻繁的水旱輪作、季節性的干濕交替也加速了土壤有機碳的礦化速率。

4 結 論

(1)同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)顯著降低了采煤塌陷區復墾土壤有機碳含量，雖然該處理下年均碳投入量顯著提高。而單施有機肥(M)以及有機無機肥配施(MNPK)均顯著提高了土壤有機碳含量和年均碳投入量。

(2)施化肥對大團聚體中各組分有機碳含量無顯著影響。單施有機肥降低了礦質結合態有機碳組分(MOC)中有機碳含量。有機無機肥配施顯著提高了粗顆粒有機碳組分(cPOC)和細顆粒有機碳組分(fPOC)中有機碳含量，卻顯著降低了MOC含量。未受保護的有機碳組分(cPOC+fPOC)與SOC含量之間呈顯著正相關，說明復墾土壤有機碳首先累積在未受保護的有機碳組分中。

(3)土壤固碳速率與年均碳投入量之間呈顯著正相關關系，說明土壤仍有潛力固存有機碳，且每年有31%的投入碳轉化到土壤中。