施用有機肥煤礦復墾耕地有機碳的固持效率及組分變化

徐明崗，李 然，孫 楠，安永齊，王小利，靳東升，李建華，張 強，洪堅平，申華平

（1 山西農業大學生態環境產業技術研究院 / 土壤環境與養分資源山西省重點實驗室，山西太原 030031；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所 / 農業農村部耕地質量監測與評價重點實驗室，北京 100081；3 貴州大學農學院，貴州貴陽 550025；4 山西農業大學資源環境學院，山西太谷 030801）

農田土壤有機碳是土壤肥力的核心指標，對改善土壤質量、提高作物生產力及維持農業可持續發展影響巨大，而礦區復墾土壤有機碳含量低，成為地力提升的限制因素[1]。因此，深入探討復墾土壤有機碳的固持機理對于煤礦區復墾土壤肥力快速提升具有重要意義。

輸入的外源有機碳固存為土壤有機碳的比例即為土壤固碳效率，其受到土壤屬性、施肥管理措施及氣候等因素的共同影響[2]。Zhang等[3]在我國6種典型農田土壤上的研究發現，土壤有機碳增長量與碳投入量之間呈現出極顯著線性正相關關系，其中張掖灌漠土的固碳效率最高 (31.0%)，固碳效率最低的為鄭州潮土 (6.9%)。但也有研究表明，土壤有機碳隨著碳投入的增加表現為曲線增長趨勢[4–5]。土壤各組分有機碳因為其不同的固碳能力，在土壤有機碳的累積和穩定中起著不同的作用，因此其分組技

術是研究土壤有機碳固持機理的重要方法[6]。其中，Stewart等[7]對Six等[4]的團聚體分組方法進行了改進，提出了最新的物理?化學聯合分組方法，該方法將土壤有機碳的穩定機制在原理上進行聯系，進而將土壤有機碳固存分為非保護、物理、化學及生物化學保護機制，更能說明各組分有機碳在土壤有機碳中的固存作用。曹寒冰等[5]研究表明，6年施肥措施下復墾土壤各組分有機碳均顯著增加，但粉黏粒組分有機碳在不同施肥下基本不變。Xu等[8]在東北褐土中研究也發現，穩定有機碳組分不變，總有機碳仍然隨施肥量增加顯著增長。Tong等[9]研究也表明， 各種施肥措施下礦物結合態顆粒的固碳效率均最大。Stewart等[10]研究也提出，當土壤總有機碳增加時，化學和生物化學保護組分有機碳可能不變，碳的積累可能發生在未保護和物理保護組分中。目前，有關施肥對土壤有機碳組分影響的相關研究較多，但多集中于農田生態系統；礦區復墾土壤有機質含量僅是煤礦開采前的20%～30%；土壤質地較粗，特別是土壤團聚體中微團聚體比例較少，顯著低于煤礦開采前的土壤[11]。長期化肥與有機肥配施下，煤礦區復墾土壤中總有機碳及不同組分碳含量與外源碳投入量之間的關系有待明確。利用Stewart等[7,10]提出的物理?化學聯合分組方法，探討復墾土壤中不同組分有機碳在不同施肥措施下的固碳特征及機理，尚未見報道。

因此，本研究以山西煤礦復墾區長期定位試驗為基礎，利用Stewart土壤有機碳分組方法，揭示復墾耕地總有機碳及各組分碳與外源碳投入量之間的關系，探討不同施肥措施下土壤有機碳的固存特征和固碳機理，為復墾土壤培肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于山西省典型煤礦復墾基地的長治市襄垣縣王橋鎮西山底村 (36°27′N，113°1′E)，為黃土塬地貌。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫9.5℃，年均降水量532.8 mm。20世紀70年代開始因采煤出現地面塌陷，到2000年前后塌陷趨于穩定，地勢在塌陷后呈馬鞍狀，最大落差達到4～5 m，使原有農田變成了旱薄地，土壤肥力嚴重下降。土壤為褐土，試驗開始前土壤耕層 (0—20 cm)有機碳含量5.36 g/kg、全氮含量0.63 g/kg、有效磷含量3.2 mg/kg、速效鉀含量 143.8 mg/kg、土壤容重 1.53 g/cm3[12]。土壤比較緊實，氮、磷養分十分缺乏。

1.2 試驗設計與田間管理

2008年3月選擇年限相同的塌陷農田，采用混推 (直接推高墊低后整平土地)的方式進行復墾，2008年4月修復工程完成后，對試驗地整平和均勻處理，以保證試驗地耕層土壤性質一致。種植作物為春玉米，種植制度為一年一熟，種植密度為60000株/hm2，于每年5月左右播種，10月左右收獲。基地到 2018 年進行了11年復墾。

試驗包括4個處理：1)不施肥 (CK)；2)施化肥(F)；3)化肥配施低量有機肥 (LMF)；4)化肥配施高量有機肥 (HMF)。其中，供試有機肥為完全腐熟的羊糞，2008—2011年，羊糞含有機碳44.2%、N 2.5%、P 1.2%和K 3.2%；2012—2018年，優化施肥，進而減少有機肥施用量，羊糞含有機碳31.0%、N 0.8%、P 3.5%和K 0.1%。每年化肥和有機肥均作為基肥在玉米播種前一周一次性撒施，之后翻耕入土。試驗采用裂區設計，每個處理3次重復，每個小區面積150 m2。各施肥處理的具體施肥量見表1。

表1 各處理肥料用量 (kg/hm2)Table 1 Application rates of N, P, K, and manure in each treatment

1.3 樣品采集、測定項目與方法

于2018年春玉米收獲前，用環刀法測定土壤容重。春玉米收獲后，采集耕層 (0—20 cm)新鮮土樣。每個小區加大采樣點，方格法采取10～15個樣點，以減小復墾地空間異質性帶來的影響，采集完樣品混勻后裝袋并小心運回實驗室，樣品風干后過2 mm篩備用。取部分土壤樣品用于土壤有機碳含量的測定，測定方法為重鉻酸鉀容量法[13]；另取一部分土壤樣品用于有機碳分組。

土壤有機碳分組采用Stewart等[7]的物理?化學聯合分組方法。其試驗步驟可分為如下3步：第一步，稱取20.00 g風干土樣置于團聚體分離器中 (上下層分別為0.25和0.053 mm的篩子)，震蕩20 min(速率 30 r/min)，粒徑>0.25 mm 的為粗顆粒有機碳組分 (cPOC)，粒徑>0.053 mm的為微團聚體組分(μagg)，將粒徑<0.053 mm的部分用離心法分別于900 和 3300 r/min (加入 CaCl2作為絮凝劑) 下離心7和15 min，分別得到游離態的粉粒組分 (d-silt)和粘粒組分 (d-clay)；第二步，將第一步中得到的微團聚體組分進行密度浮選，加 50 mL NaI (1.70 g/cm3)并離心 (4000 r/min) 20 min，抽濾得到輕組部分 (LF)，即未保護細顆粒有機碳組分 (fPOC)，重組部分用酒精和蒸餾水洗凈后加入50 mL六偏磷酸鈉溶液 (5 g/L)震蕩 18 h (180 r/min )后過 0.053 mm篩，留在篩上的為物理保護有機碳組分 (iPOC)，剩余部分同樣使用離心法得到閉蓄態粉粒組分 (μsilt)和閉蓄態粘粒組分 (μ-clay)；第三步，將前兩步得到的所有粘粉粒組分加入25 mL的HCl溶液 (6 mol/L)，于95℃下回流16 h后抽濾，留在濾膜上的部分為非酸解組分 (NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay)，酸解組分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay)為全組分與非酸解組分之差。將各組分加入1 mol/L的HCl (土液比1∶2.5)以排除土樣中的無機碳，用元素分析儀 (瑞典利曼公司，EA3000)測定各組分有機碳含量。根據此方法，土壤有機碳被分為游離態顆粒有機碳組分 (cPOC、fPOC)、物理保護有機碳組分 (iPOC)、化學保護有機碳組分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay)和生物化學保護有機碳組分(NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay) 4 個有機碳組分。

1.4 計算方法

1.4.1 土壤固碳量計算 土壤的固碳速率 [C t/(hm2·a)] 采用差減法計算， 即目前各試驗處理耕層土壤的碳儲量 (St，t/hm2)與該試驗起始年份耕層土壤碳儲量 (S0，t/hm2)差值的年 (n)平均變化， 也可以稱為研究期間土壤有機碳年均固定量[14]。

不同顆粒組分中SOC儲量的計算：

其中，Ai為各組分含量占全土的百分比 (%)，i為不同的組分數；C0和Ct分別為試驗開始時和目前有機碳含量 (g/kg)；B0和Bt分別為試驗開始時和目前耕層土壤容重 (g/cm3)，n為各處理復墾的年限；D為耕層深度 (20 cm)。

1.4.2 土壤碳投入的計算 本試驗中2008—2013年每季玉米收獲后進行秸稈還田。2013年后改善施肥措施，玉米秸稈全部移除不還田，只施用有機肥。土壤碳投入的估算方法[15–16]如下：

式中，SCI為玉米根茬碳投入 (C t/hm2)；BCI為玉米秸稈碳投入 (C t/hm2)；Mg為玉米籽粒產量 (kg/hm2)；Ms為玉米秸稈產量 (kg/hm2)；Rr為玉米地下部分根系生物量占地上部分生物量的比例 (根冠比)，為26%；Rb為玉米根系生物量平均分布在0—20 cm土層的比例，為85.1%；Sc為玉米留茬占秸稈的比例，為3%；W為玉米風干基含水率，為14%；C為玉米烘干基碳含量，為44.4%。

式中，OCI為有機肥碳投入 (C t/hm2)；Cm為有機肥有機碳含量 (g/kg)；Wm為有機肥含水率 (%)；Am為有機肥鮮重 (kg/hm2)。

1.4.3 土壤固碳效率的計算 土壤對外源碳的固碳效率 (R)，是土壤固碳量占總投入外源碳量的比例，計算公式如下：

式中，R也可以由土壤碳儲量隨外源投入碳量變化的響應關系斜率獲得。

1.5 數據處理

試驗結果采用 Excel 2016、SigmaPlot 14.0、SPSS 22等軟件進行統計性檢驗 (正態性、方差齊性)與分析。不同施肥處理之間的差異采用最小顯著差數法 (LSD)進行顯著性檢驗 (P<0.05)。所有土壤測定結果均以3次測定結果的平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量的變化

2.1.1 土壤總有機碳含量和儲量 復墾11年后，土壤總有機碳含量和儲量均表現為HMF>LMF>F>CK (表2)。相比于CK，F處理的土壤總有機碳含量增加了23.8%，LMF和HMF分別增加了39.6%和82.1%。其中HMF處理的效果最為顯著，有機碳含量達到13.45 g/kg，分別是F和LMF的1.47和1.30倍。復墾11年后，所有處理的土壤有機碳儲量均顯著提高，F、LMF和HMF處理分別是CK處理的1.22、1.37和1.64倍，土壤的固碳速率分別為0.57、0.83 和 1.28 t/(hm2·a)。HMF 處理是快速提高復墾土壤有機碳儲量的最佳方式，其固碳速率分別是CK、F和LMF處理的6.29、2.24和1.55倍。

表2 不同施肥處理復墾土壤0—20 cm土層有機碳儲量 (2018年)Table 2 Storage of organic carbon in top 0?20 cm layer of reclaimed land under different fertilization treatments in 2018

2.1.2 土壤有機碳組分儲量及分配比例 長期不同施肥處理的復墾土壤各組分有機碳儲量存在差異，差異主要在各組分中的粗顆粒或粉粒組中，而細顆粒或粘粒組3個施肥處理之間無顯著差異 (表3)。相比于CK，F處理的cPOC、H-clay和NH-clay有機碳儲量分別提高了37.1%、52.3%和93.5%；LMF、HMF處理的cPOC、iPOC、H-silt和H-clay以及NH-clay組的有機碳儲量比CK分別提高了38.9%～66.1%、11.7%～179.6%、24.3%～59.7%、41.1%～48.6%和51.9%～63.0%；HMF的提升效果高于LMF，其各組分分別提升了19.6%、32.1%、28.5%、5.3%和7.3%。

表3 長期施肥下0—20 cm土層土壤各組分有機碳儲量(C t/hm2)Table 3 Stocks of different organic carbon fractions in 0?20 cm top soil under different fertilization treatments

游離態顆粒有機碳組分占總有機碳比例最大，平均為48.5%；其次為穩定碳組分 (生物化學保護有機碳和化學保護有機碳)，平均分別為31.2%和12.9%；物理保護有機碳組分比例最小，平均為7.4%(圖1)。相比于CK和F，施有機肥處理 (LMF、HMF)顯著提高了物理保護有機碳組分的占比。相比于CK，施化肥處理 (F) 顯著降低了生物化學保護組分的比例。

圖1 長期施肥下耕層土壤 (0—20 cm) 各組分有機碳在總有機碳中的占比Fig. 1 Proportions of each organic carbon fraction to total organic carbon in topsoil (0–20 cm)under long-term fertilization

2.2 土壤有機碳水平與碳投入量的關系

2.2.1 不同施肥處理的土壤碳投入量 由圖2可以看出，長期施肥顯著提高碳投入，相比于CK，根茬碳投入平均提高了3.01倍，LMF的根茬碳年投入量達到了3.41 t/(hm2·a)。根茬與有機肥共同的年均碳投入量以 HMF 處理為最高，為 6.29 t/ (hm2·a)，分別比CK、F和LMF高4.64、1.04和0.46倍。

圖2 不同施肥處理下年均有機碳投入量(2008—2018)Fig. 2 Annual average organic carbon input under different fertilizations between 2008 and 2018

2.2.2 土壤總有機碳年均固持量與年均投入量的關系復墾土壤總有機碳年均固定量與年均投入量之間呈極顯著正相關關系 (圖3)。擬合方程的斜率表示復墾土壤的固碳效率，為20.9%。圖中虛線的交點為當方程中y為零時x的值，其值是土壤有機碳維持平衡的最低碳投入量。因此，在復墾初期11年間，要維持該土壤有機碳儲量的穩定，每年平均需要的最低碳投入量為 0.24 t/(hm2·a)。

圖3 土壤年均固碳量與年均碳投入量的關系Fig. 3 Relationship between annual average carbon sequestration and annual average carbon input

2.2.3 土壤各組分有機碳年均固定量與年均投入量的關系 相關分析結果 (圖4)表明，游離態顆粒有機碳組分、物理保護有機碳組分、化學保護有機碳組分和生物化學保護有機碳組分的年均固定量均與年均碳投入量之間呈極顯著正相關關系 (P<0.01)，其直線斜率表示復墾土壤各組分的固碳效率。擬合方程顯示，游離態顆粒組分的固碳效率最高 (9.0%)，其次為生物化學保護組分(6.0%)，再次為物理保護組分(3.4%)和化學保護組分(2.5%)，其中游離態顆粒組分是其余組分的1.50～3.6倍，可見目前增加的有機碳主要固持在游離態顆粒組分中。

圖4 年均碳投入量與各組分有機碳年均固定量的關系Fig. 4 Relationship between annual average carbon input and average sequestration of soil organic carbon fractions

3 討論

長期不同施肥對復墾土壤總有機碳及其各組分有機碳的含量均有顯著提升作用，提升幅度為化肥配施高量有機肥 (HMF)>化肥配施低量有機肥 (LMF)>施用化肥 (F)>不施肥 (CK)，這與前人[17–18]的研究結果相似，說明提升土壤有機碳的最佳方式是化肥配施高量有機肥。作物根系及其分泌物、作物殘茬和有機肥料的施用為土壤有機碳的主要輸入方式[19–20]。施用有機肥直接增加了土壤的碳投入，有機肥又是腐熟的，更有助于土壤有機碳的累積[21]。化肥的施用則是通過促進作物根系生長和增加作物殘茬量間接增加土壤的碳投入[22]，本試驗中在復墾11年間，所有處理土壤的固碳速率均顯著提高，其中化肥配施高量有機肥 [C 1.28t/(hm2·a)] 的效果最佳，與Tripathi等[23]所研究的礦區修復20年左右土壤的固碳速率 [C 1.35 t/( hm2·a)] 相似，其原因是配施高量有機肥下的碳投入 [C 6.29 t/( hm2·a)] 顯著高于其余處理[C 1.12～4.31 t/( hm2·a)]，能直接提供土壤和作物所需的碳源[24]，進而提高了土壤的固碳速率。

因為土壤有機碳組分的異質性，土壤各組分有機碳含量對不同施肥的響應程度也不同[25–26]。對農業管理措施響應更敏感的活性碳組分是游離態粗顆粒有機碳組分和物理保護有機碳組分[4]，本試驗中游離態顆粒有機碳組分占到總有機碳含量的48.5%，其中主要固存形式是粗顆粒組分 (cPOC)。這主要是因為新鮮的作物殘茬和動物殘體主要提供土壤有機碳中游離態粗顆粒有機碳組分[27]，土壤團聚體對其保護很弱，所以其可作為有機碳受外界影響而變化的指示性碳組分[21]；而在各處理之間細顆粒組分 (fPOC)的有機碳含量無顯著差異，可能是因為細顆粒組分中有機碳含量變異較大造成的。本研究中穩定性有機碳組分 (化學保護和生物化學保護組分)在總有機碳中的占比為44.1%，是復墾土壤中有機碳的主要固存形式。其中有機肥施用 (LMF和HMF)顯著提升了粉粒組 (silt)有機碳含量，這與樊廷錄等[28]的研究結果一致，其原因可能是施用有機肥增強了土壤微生物的活性，促進其代謝分泌物的增加，土壤微生物活性的中間代謝產物直接轉移到粘粉粒組分中，使其組分有機碳得到累積[24,29]。而與CK相比，各施肥處理的粘粒組有機碳含量顯著提升，但各施肥處理之間差異不顯著，主要是因為粘粒組分有機碳被土壤強烈吸附，其周轉過程較慢[8]。施有機肥 (LMF和HMF)主要提升了物理保護組分在總有機碳中的占比，其原因是有機肥可以通過增加有機碳膠結物和增加真菌的比例，從而改善土壤中的團聚體結構，進而顯著增加土壤有機碳的物理保護作用[5,30]。

本研究表明，在混推復墾方式下，土壤總有機碳的年均碳固定量與年均外源碳投入量之間極顯著正相關，固碳效率為20.9%。此結果比魏猛等[31]在潮土上的研究結果 (18.2%)稍高，主要原因是研究區為采煤塌陷后的復墾地，土壤基礎肥力低[32]，且試驗區低溫、缺水，所以微生物活性較弱，使有機碳周轉較慢，損失較少[33]。同時本研究結果表明，在混推復墾的方式下，復墾初期11年間每年需要的碳最少投入量為0.24 t/(hm2·a)，這樣才能維持土壤有機碳儲量的穩定。

本研究表明，復墾土壤所有組分有機碳年均固定量均與年均碳投入之間極顯著正相關，說明目前復墾土壤還具有很大的固碳潛力，這與Zhang等[3]在北方地區長期定位試驗點研究的結果一致。其中游離態粗顆粒有機碳組分年均固碳量與年均碳投入間關系的變化率 (固碳效率)最大 (9.0%)，說明該組分是復墾土壤新碳的主要固存形式[34]。而化學保護和生物化學保護有機碳組分 (穩定碳組分)年均碳固量與年均碳投入間也極顯著線性相關，它們是土壤固碳的主要組分，它們的固碳效率分別為2.5%和6.0%，這可能是因為穩定有機碳組分主要是土壤中粘粉粒與有機物分解最終產物相結合的部分，而粘粉粒在土壤中占比較大，且顆粒小，比表面積大，有助于與外源碳的接觸，從而擁有較強的吸附碳的能力[9,32]。

4 結論

1)長期施肥均顯著提高了礦區復墾土壤的有機碳儲量，其中以化肥配施高量有機肥效果最為顯著，其有機碳儲量相較于不施肥提高了63.7%，其固碳速率為 1.28 t/(hm2·a)，是礦區復墾土壤快速恢復和培肥的有效措施。

2)復墾土壤有機碳年均固定量與外源年均碳投入量之間極顯著正相關，其固碳效率為20.9%，說明復墾土壤有極大的固碳潛力；復墾初期11年間每年最少需投入碳量為 0.24 t/(hm2·a)，才能維持復墾土壤有機碳儲量的穩定。

3)游離態顆粒有機碳組分平均占到了總有機碳儲量的48.5%，是當前土壤有機碳的主要儲存組分；且其年均固定量與年均碳投入之間擬合方程的斜率(固碳效率)在各組分中最大 (9.0%)，是評價土壤有機碳受外界影響的主要指標。化學保護和生物化學保護有機組分 (穩定碳組分)作為評價土壤有機碳儲存能力的指標，與年均碳投入間呈極顯著的線性關系，其固碳效率分別為2.5%、6.0%，證明其具有很大的固碳能力。