不同肥料配施对复垦土壤呼吸及微生物量碳氮的影响

武欣，孟会生，栗丽，洪坚平

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

不同肥料配施对复垦土壤呼吸及微生物量碳氮的影响

武欣，孟会生，栗丽，洪坚平*

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

[目的]为寻找矿区采煤塌陷复垦土壤的最佳培肥模式。[方法]以山西省襄垣县长期定位试验为基础，设计单施化肥，化肥+菌肥，单施有机肥，有机肥+菌肥，有机肥+化肥，有机肥+化肥+菌肥6个施肥处理及对照处理，探讨了化肥、有机肥、菌肥配施对塌陷区不同复垦年限玉米地土壤呼吸、微生物量碳氮的影响。[结果]在玉米拔节期、抽穗期、成熟期，施肥处理的土壤呼吸速率均高于对照，且除单施化肥外均与对照差异显著。有机肥+菌肥与单施化肥相比，在各生育期1 a、3 a、7 a的土壤呼吸速率分别提高了190.37%、138.83%、138.94%。施肥处理的土壤微生物量碳氮含量显著高于对照处理，其中有机肥+菌肥的微生物量碳氮含量最高，在抽穗期可达150.67、184.54、260.21 mg·kg-1和9.95、14.94、16.60 mg·kg-1。[结论]有机肥+菌肥可作为矿区采煤塌陷复垦土壤的最佳培肥模式。

肥料配施；复垦区；土壤呼吸；微生物量碳氮

在农田生态系统中，微生物呼吸和根呼吸约占到土壤呼吸的95%[1]。对农田土壤有机质的矿化速率、异养代谢情况、土壤腐殖质和枯枝落叶层中碳代谢、植被地下碳分配和生物活性等有重要指示作用，是农田土壤生态系统物质循环与能量转化的外在表现[2]。土壤微生物量是植物营养物质的源和库[3]，是土壤有机质及土壤养分(N、P、K等)转化和循环的动力，参与土壤有机质的分解和腐殖质的形成[4]，是土壤碳素和氮素养分转化和循环研究中的重要参数[5]。

山西是我国的煤炭大省，含煤面积达62 000 km2，其比例占全国已探明储量的1/3[6，7]。煤炭资源的开发利用造成了矿区耕地大面积塌陷[8]。塌陷的土壤复垦时有表土剥离、生土裸露、微生物数量及生物活性差[9]，土壤呼吸和土壤微生物量是复垦土壤的指标，因此采取不同的培肥措施恢复土壤生物活性，有着极其重要的意义。

本文以山西襄垣长期定位试验为平台，探讨了不同肥料配施对不同复垦年限玉米地土壤呼吸速率、微生物量碳氮含量的影响，以寻找复垦土壤的最佳培肥模式，为土壤复垦和提高土壤肥力提供理论依据。为此需要通过培肥提高复垦土壤肥力及生物活性。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省襄垣县，土壤类型为石灰性褐土，海拔970 m，年均气温9.5 ℃，年降水量532.8 mm。选取的复垦1 a、3 a、7 a土壤分别于2014、 2012、 2008年开始复垦，复垦土地采用表土剥离模式，复垦作物为玉米。复垦1 a、3 a、7 a土壤的理化性状见表1。

表1 供试土壤基本理化性状

1.2 供试作物

供试作物为玉米，品种为大丰30，生育期127 d。

1.3 供试肥料

供试化肥：含N：18%，P2O5：12%，K2O：10%。

供试有机肥：鸡粪，含有机质25.8%，N：1.67%，P2O5：2.46%，K2O：1.35%。

供试菌肥：将拉恩式菌、假单胞菌1、假单胞菌2制成混合磷细菌菌液后，与鸡粪按照1∶9的比例混匀，其活菌数≥0.5×107cfu·g-1。

1.4 试验设计

本试验采用单因素随机区组设计，在襄垣县选取复垦1 a、3 a、7 a试验田，共设置7个处理(表2)，每个处理重复3次，共有21个小区，小区占地面积为100 m2。除对照外，其他各处理均按照等量施肥的原则进行设计，N∶P∶K为1∶0.48∶1.3。于2015年4月27日施肥，4月28日播种，同年6月29日、8月8日、9月29日玉米拔节期、抽穗期、成熟期各采土样、气样一次。土样为玉米的非根际土壤，采集深度为0～20 cm。

表2 田间小区试验施肥方案

1.5 分析项目及方法

基础土样测定[10]：

有机质：重铬酸钾容量法；全氮：半微量开氏法；全磷：氢氧化钠熔融-钼锑钪比色法；碱解氮：碱解扩散法；有效磷：碳酸氢钠浸提法；速效钾：乙酸铵浸提火焰光度法。

土壤呼吸速率的测定[11]：

将底座插入玉米行间的土体5 cm，将静态箱扣于底座上用水密封。在每天上午9:00—11:00，从0 min开始每隔10 min采气一次，共4次。CO2气体样品用Agilent 7890B GC测定。CO2排放通量(F)计算公式为：

土壤微生物量碳氮的测定[12]：取新鲜土样30 g左右，于放置有50 mL无醇氯仿小烧杯的真空干燥器内，灭菌5 d，加0.5 mol·L-1K2SO4于灭菌后的土样中，振荡30 min，过滤。设不灭菌对照组。土壤微生物量碳的测定：吸取滤液15 mL，加入重铬酸钾溶液消煮测定，换算系数为0.4。土壤微生物量氮的测定：吸取滤液15 mL，加浓H2SO4，酸化后先浓缩至3 mL左右，后按凯氏定氮法测定滤液中的全氮，以代氏合金还原硝态氮，换算系数0.54。

采用SAS软件结合Excel进行试验结果的统计运算及作图，对结果进行统计分析(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同肥料配施对玉米生长期复垦土壤呼吸的影响

不同肥料配施对玉米生长期复垦1 a、3 a、7 a土壤呼吸的影响见表3。

表3 不同肥料配施对玉米生长期复垦1a、3a、7a土壤呼吸的影响

Table 3 The effect of soil respiration with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1a、3a and 7a

生长期Growthofcorn复垦年限Reclamationyears土壤呼吸速率/mg·m-2·h-1SoilrespirationCKCFCFBMMBMCFMCFB1a4787d5909cd7766c9922b15241a7643c13715a拔节期3a5982e6828de10079c13018b16297a8766cd14565ab7a6186d7411d11091c14460b16981a11749c15200ab1a3668d4172d6752bc8292b12902a6225c11509a抽穗期3a5392d6080d7643cd9639bc12769a7492cd12207ab7a5578d6539d8188c10141b14489a9074bc12561a1a3516d3996d6022c8921b12145a5867c9719b成熟期3a4555c5082c7116b8484b13609a7319b12270a7a5224d5321d7818c9521b14159a8424bc12441a

注：表中同行不同小写字母表示P<0.05。下同。

Note：Different small letters indicate significant difference atP<0.05 level in same row. The same as follows.

由表3可以看出，不同施肥处理的土壤呼吸速率均高于对照，且除单施化肥外，其它施肥处理与对照差异显著。玉米拔节期1a各施肥处理中有机肥+菌肥和有机肥+化肥+菌肥对提高土壤呼吸速率最显著，单施有机肥次之，单施化肥最差。其中有机肥+菌肥与单施有机肥相比显著提高了53.62%，有机肥+化肥+菌肥与有机肥+化肥相比显著提高了79.44%，化肥+菌肥与单施化肥相比提高了31.41%，有机肥+化肥与单施化肥相比提高了29.35%，有机肥+化肥+菌肥与化肥+菌肥相比显著提高了76.60%。拔节期3 a、7 a各处理的土壤呼吸速率均有一定程度的提高，呈现出相似的现象。玉米抽穗期1a各施肥处理中有机肥+菌肥、有机肥+化肥+菌肥的土壤呼吸速率分别为129.02、115.09 mg·m-2·h-1，远高于其他施肥处理的82.92～41.72 mg·m-2·h-1。抽穗期3 a、7 a各处理也呈现出相似的现象。玉米成熟期1 a中有机肥+菌肥与其它施肥处理相比显著提高了24.96%～203.93%，3 a处理中有机肥+菌肥和有机肥+化肥+菌肥相比提高了10.91%，但差异不显著，有机肥+菌肥与其余施肥处理显著提高了60.41～157.65%，3 a与7 a呈现出相似现象。随着复垦年限的增加各施肥处理的呼吸速率也随之提高，其中有机肥+菌肥处理在玉米拔节期每年提升速度为2.73 mg·m-2·h-1。

土壤呼吸速率提高最显著的配施是有机肥+菌肥，主要原因是土壤呼吸主要由微生物氧化有机物和根系呼吸产生的[13]，土壤呼吸受有机质活性组分的影响，且土壤呼吸与有机质正相关[2]，施氮有利于提高土壤呼吸速率[14]。复垦土壤施用有机肥后，有机质、全量养分含量有了较大的提高，施用菌肥则增加了玉米根系附近微生物数量，因此土壤呼吸速率也随之增加[15]。随着复垦年限的增加，各处理的土壤呼吸速率也有了一定程度的提高。这是因为长期耕作，土壤中凋落物和碎屑数量的增加也有利于微生物的生长和活性提高，在一定程度上也提高了土壤呼吸速率[16,17]。化肥对土壤呼吸没有显著影响。这是由于施用化肥虽能为复垦土壤提供氮素，但施用化肥也会造成土壤板结，降低土壤孔隙度，不利于微生物生长发育和植物根部细胞呼吸[18]。臧逸飞[19]等人对陕西长武黑垆土长期的培肥试验也发现无机肥对土壤呼吸无促进作用。

2.2 不同肥料配施对玉米生长期复垦土壤微生物量碳氮的影响

2.2.1 不同肥料配施对玉米生长期复垦1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳的影响

不同肥料配施对玉米生长期复垦1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳影响见表4。

表4 不同肥料配施对玉米生长期复垦1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳的影响

Table 4 The effect of soil microbial biomass C with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1 a、3 a and 7 a

生长期Growthofcorn复垦年限Reclamationyears土壤微生物量碳/mg·kg-1SoilmicrobialbiomassCCKCFCFBMMBMCFMCFB1a3679e5145d5843d8676b10719a7307c7988bc拔节期3a7662d10002c11263bc14723a15827a11869b12215b7a10650e12425d13361d20674ab21562a16739c18516bc1a5473d8289c9562c14421a15067a12388b12491b抽穗期3a9902d11553cd11662cd17514a18454a13226bc14330b7a14256d16505c17638c25567a26021a20267b21538b1a2650e4638d5567cd7107ab8023a5968c6288bc成熟期3a7818e10401d11733c16090a16239a13407b14000b7a11217d13592c14529c21173a22767a18444b18835b

由表4可以看出，各施肥处理的土壤微生物量碳含量均高于对照，且差异显著。玉米拔节期复垦1 a的有机肥+菌肥处理对提高土壤微生物量碳含量效果最好，达109.17 mg·kg-1，与其余施肥处理相比显著提高了23.55%～108.34%。而复垦3 a的有机肥+菌肥处理和单施有机肥处理微生物量碳含量差异不显著，但与其余施肥处理相比显著提高了36.12～58.25 mg·kg-1，7 a有机肥+菌肥处理对提高土壤微生物量碳的效果最好，单施有机肥处理次之，单施化肥处理最差。玉米抽穗期1 a、3 a、7 a有机肥+菌肥处理和单施有机肥处理对提高土壤微生物量碳含量效果较好。施用菌肥的处理与未施用菌肥的处理相比差异不显著，土壤微生物量碳提高了1.03～12.71 mg·kg-1，施用有机肥的处理与未施用有机肥的处理相比差异显著，土壤微生物量碳提高幅度在14.48%～22.88%之间。与玉米抽穗期相比玉米成熟期的土壤微生物量碳也呈现相似的现象，施用菌肥与未施用菌肥相比土壤微生物量碳提高了1.49～15.94 mg·kg-1，施用有机肥的处理与未施用有机肥的处理相比土壤微生物量碳显著提高了12.95%～35.70%。随着复垦年限的增加各施肥处理的微生物量碳含量也大幅度提高，其中有机肥+菌肥处理在玉米抽穗期每年提升速度为18.35 mg·kg-1。

2.2.2 不同肥料配施对玉米生长期1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮的影响

不同肥料配施对玉米生长期复垦1a、3a、7a土壤微生物量氮的影响见表5。

表5 不同肥料配施对玉米生长期复垦1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮的影响

Table 5 The effect of soil microbial biomass N with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1 a、3 a and 7 a

生长期Growthofcorn复垦年限Reclamationyears土壤微生物量氮/mg·kg-1SoilmicrobialbiomassNCKCFCFBMMBMCFMCFB1a288e582d612d746bc875a672cd820ab拔节期3a498d781c895c1189b1414a1186b1239b7a585e943d1192bc1367ab1485a1170c1219bc1a287e592d694cd803bc995a808bc926ab抽穗期3a514f756e946d1253b1494a1088c1148c7a705f1092e1371cd1486bc1660a1349d1531b1a282c564b574b692ab837a602b710ab成熟期3a492d768c879c1132ab1312a986bc1178ab7a573d997c1249b1412ab1570a1270b1385ab

由表5可以看出，各施肥处理的土壤微生物量氮含量均高于对照，且差异显著。玉米拔节期1 a有机肥+菌肥处理与有机肥+化肥+菌肥处理差异不显著，分别为8.75、8.20 mg·kg-1。3 a有机肥+化肥处理的微生物量氮含量与其余处理相比显著提高了18.86%～80.95%。7 a有机肥+菌肥处理和单施有机肥处理对提高土壤微生物量氮效果最好，单施化肥处理最差，其余施肥处理介于两者之间，施用有机肥的处理与未施用有机肥的处理相比差异显著，土壤微生物量氮提高幅度在15.50%～33.99%之间。玉米抽穗期1 a有机肥+菌肥处理和有机肥+化肥+菌肥处理之间差异不显著，但显著高于其他施肥处理。3 a有机肥+菌肥处理与其余施肥处理相比土壤微生物量氮显著提高了19.21%～97.63%。7 a有机肥+菌肥处理与其余施肥处理相比土壤微生物量氮显著提高了1.29～5.68 mg·kg-1。玉米成熟期1 a有机肥+菌肥处理、单施有机肥处理和有机肥+化肥+菌肥处理对提高土壤微生物量氮含量较好。施用菌肥的处理与未施用菌肥的处理相比提高了0.10～1.45 mg·kg-1，但差异不显著。3 a、7 a也有类似现象出现。随着复垦年限的增加各施肥处理的微生物量氮含量也随之提高，其中有机肥+菌肥处理在玉米成熟期每年提升速度为1.14 mg·kg-1。

对于土壤微生物量碳氮提高作用最显著的配施是有机肥菌肥，与施用菌肥相比施用有机肥可以在更大程度上提高土壤的微生物量碳氮。这是由于腐熟鸡粪不仅改善了土壤理化性状，而且为有益微生物提供了碳源、氮源，为其生长繁殖提供了适宜的外界条件。马晓霞[20]和Goyal[21]的研究也表明化肥有机肥配施土壤微生物量碳氮含量明显高于单施化肥。而解磷菌肥的施用提高了土壤有机质含量、有机磷总量[22]。进而增加了土壤微生物量碳氮含量。李云玲[23]等人通过研究发现施用菌肥大大促进土壤微生物生物量碳、氮值的增加，这可能是菌肥不同造成的结果差异。

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1)本试验选取了玉米拔节期、抽穗期、成熟期土壤进行研究，未能反映复垦土壤的动态变化过程，在今后的研究中可以增加复垦土壤呼吸的日变化、周变化，以更准确地反映肥料配施对复垦土壤呼吸的影响。

(2)本试验条件下的最佳培肥模式为有机肥+菌肥，但最佳配施比还需要进一步研究。

(3)本试验研究了0～20 cm的土层，不能反映更深土层的微生物量碳氮含量空间变化，因此需要在今后的研究中进一步完善。

3.2 结论

本试验表明不同肥料配施均提高了复垦土壤的呼吸速率和微生物量碳氮含量，优以有机肥+菌肥配施最显著，是本试验条件下的最佳培肥模式。其中，在拔节期有机肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤呼吸速率分别为152.41、162.97、169.81 mg·m-2·h-1，远高于单施化肥的59.09、68.28、74.11 mg·m-2·h-1。在抽穗期，有机肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳分别为150.67、184.54、260.21 mg·kg-1，而单施化肥处理只有82.89、115.53、165.05 mg·kg-1。在成熟期，有机肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮分别为8.37、13.12、15.70 mg·kg-1，而单施化肥处理只有5.64、7.68、9.97 mg·kg-1。

施用有机肥比用菌肥可以更有利于的提高复垦土壤的呼吸速率和微生物量碳氮含量。

随着复垦年限的增加各施肥处理的土壤呼吸速率、微生物量碳氮含量都有了显著提高，培肥处理可以在较短时间内快速提高复垦土壤的肥力和生物活性。

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(编辑：武英耀)

Effect of soil respiration and microbial biomass CN of reclamation soil with application of three fertilizers in the collapse mining area

Wu Xin, Meng Huisheng, Li Li, Hong Jianping*

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]This paper is to seek the best fertilizing model of reclamation soil in the collapse mining area.[Methods]Explored the effect of applying chemical fertilizer, manure and bacterial fertilizer on soil respiration and microbial biomass CN reclaimed for different years in the subsidence area, based on long-term experiment in Xiangyuan County, Shanxi Province.[Results]The results showed that different fertilizer treatment could improve the corn soil respiration rate during jointing stage, heading stage and maturity stage and have significant differences compared with CK, except for chemical fertilizer. Compared with application of chemical fertilizer, the soil respiration rate in 1a 3a and 7a of reclamation increased 190.36%, 148.25%, 121.45% with combined application of manure and bacterial fertilizer. Compared with CK, different fertilizer treatment could increase the soil microbial biomass C and N remarkably. The soil microbial biomass C and N of combined application of manure and bacterial fertilizer was highest, reaching 150.67, 184.54, 260.21 mg·kg-1and 9.95, 14.94, 16.60 mg·kg-1.[Conclusion]In conclusion, combined application of manure and bacterial fertilizer can be used as the best optimal model of reclamation soil in the mining subsidence area.

Combined application of fertilizer, Reclamation, Soil respiration, Microbial biomass C and N

2016-07-21

2016-08-01

武欣(1990-)，男(汉)，山西太谷人，硕士研究生，研究方向：环境科学与资源利用

*通信作者：洪坚平，教授，博士生导师。Tel：0354-6288399;E-mail: hongjpsx@163.com

国家自然科学基金项目(31272257)；山西省自然科学基金(2014011001-4)；山西省青年科技基金项目(2013021032-2)

S154.3

A

1671-8151(2017)01-0048-06