长期施肥对晋东南矿区复垦土壤团聚体稳定性及 有机碳分布的影响

李建华 ，李 华，郜春花 ，张 强 ，靳东升，卢晋晶

(1.山西大学 资源与环境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所， 山西 太原 030031；3.山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006)

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其含量、分布及稳定性与土壤物理结构、化学性质及生物学特性有着密切的关联，是衡量土壤结构性好坏与肥力高低的重要指标[1-3]。土壤团聚体还是有机碳固持的重要场所，可以通过物理保护将有机碳包被在团聚体内免受微生物的分解[4-5]。矿区复垦土壤由于矿山开采及复垦过程中的工程措施使其土壤结构遭到破坏，土壤结构性差，养分含量低，有机质匮乏，成了制约矿区生态恢复的主要因素[6]。现代复垦技术要求在土地复垦过程中不仅要关注作物因素的建立，更应该将土壤因素的重构作为重点[7]。施肥作为主要的农业管理措施，其对土壤物理性状的改善、团聚体的形成转化、有机碳的固定分解、土壤产出力的高低影响巨大[8-9]。因此，研究不同施肥方式下矿区复垦土壤团聚体组成及其有机碳分布，可为阐明土壤物理结构的重构、有机碳的循环和转化机制、揭示施肥条件下复垦土壤肥力形成和演变具有重要的理论和实践意义。

目前，关于施肥对土壤团聚体组成及团聚体中有机碳、氮含量与分布影响的研究报道较多，但多集中于自然土壤条件下。高会议等[10]研究指出，高氮肥处理及有机无机肥配施均可显著增加黑垆土中>1 mm的水稳性团聚体含量。孙天聪等[11]研究指出，长期施肥褐土耕层土壤0.25～1.00 mm粒径团聚体中有机质、全氮含量最高，2～5 mm 团聚体含量变化最大。李文军等[12]基于27年的长期施肥试验，研究指出，氮磷钾化肥配施有机肥能有效改善水稻土的物理性状，增强团聚体的固碳能力。郭菊花等[13]在水稻土上研究发现，施磷、钾、氮钾肥及氮磷钾与有机肥配施均显著增加了团聚体的稳定性，土壤有机碳主要分布在 0.25～2.00 mm 粒径的团聚体上。刘恩科等[14]研究褐潮土的结果显示，长期施氮磷钾肥、氮磷钾配施有机肥及氮磷钾配合秸秆还田显著提高了>2.00 mm、0.25～2.00 mm粒径的水稳性团聚体含量及有机碳含量。不同的土壤环境下施肥对土壤团聚体的影响差异较大，矿区复垦土壤作为一种人为干扰较多的土壤，复垦过程中土壤团聚体及其有机碳对施肥响应的作用机制等相关研究较少，有关施肥对矿区复垦土壤团聚体稳定性及团聚体有机碳的影响还不是很清楚，需开展系统研究。

本研究基于山西晋东南黄土区采煤沉陷复垦区8年的定位试验，分析不同施肥条件下土壤团聚体含量与分布、团聚体稳定性及团聚体中有机碳含量的变化，评价施肥措施对矿区复垦土壤团聚体结构、团聚体碳分布的影响，以期为矿区复垦土壤科学施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

研究区位于山西省晋东南地区长治市襄垣县王桥镇西山底村，为黄土塬地貌，土层较厚，其第四系黄土层厚度达109～203 m。地理位置为东经 113°00′56″ 和北纬 36°27′16″，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，日照充足，昼夜温差较小。多年平均气温9.5 ℃，年均降水量532.8 mm，降雨多集中在7-9月，年均蒸发量达1 768.1 mm，无霜期约169 d。试验区属于潞安集团五阳煤矿井田范围，井田面积76.71 km2，以瘦煤为主产煤种，煤层厚度介于4.8～6.8 m。煤矿井工开采导致地面沉陷后地表呈马鞍状，最大落差为4～5 m，马鞍状峰距达150～180 m，塌陷使得水浇地变成了旱薄地，土地生产力严重下降。2008年选择塌陷年限相同，且塌陷后地形基本一致的塌陷农田，采用表土剥离的方式进行复垦。

1.2 试验设计

复垦后的土地种植玉米，并设立4个不同的施肥处理①CK，不施肥；②NPK，化肥(农民习惯施肥)；③LOF，低量有机肥与化肥配施；④HOF，高量有机肥化肥配施。其中，NPK 处理每季作物施 N 108 kg/hm2、P2O572 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2；LOF处理每季作物在NPK 处理的基础上增施有机肥2.7 t/hm2；HOF 处理每季作物在NPK 处理的基础上增施有机肥10.8 t/hm2。供试有机肥为鸡粪，其养分含量为，有机质241 g/kg，全氮17 g/kg，P2O530.4 g/kg，K2O 31.5 g/kg。小区面积为 60 m2，3 次重复，随机排列。表土剥离工程复垦结束后，于2008年5月(复垦第1年)在试验区内随机采集10个样点测定 0～20 cm 土壤样品的养分含量和土壤机械组成情况(表1)。

表1 试验区土壤的背景情况Tab.1 Basic soil properties of the test area

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤团聚体组成样品的采集 2016年10月玉米收获后(复垦8年)，每个试验小区随机选择3个点，每个点用方盒采集20 cm ×20 cm ×20 cm的原状土壤3个。室内自然风干，当土壤含水量达到塑限时，沿自然断开面用手把大土块轻轻掰成约1 cm 大小的小块，过 10 mm筛后继续风干，备用。

1.3.2 土壤团聚体的测定 原状土风干后依据Elliott[15]土壤团聚体湿筛法测定水稳性团聚体含量，得到>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25和﹤0.25 mm 粒径的团聚体，烘干称重。土壤及各级团聚体中有机碳含量：采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[16]。

1.4 数据处理与统计分析

所有数据的统计与分析采用Microsoft 2007 和SPSS 17.0软件进行处理，并利用LSD法进行方差分析， 采用Pearson法进行相关性分析。

把粒径>0.25 mm的团聚体称为大团聚体，<0.25 mm 粒径的团聚体称为微团聚体[17]，大团聚体数量R0.25计算公式如下。

①

式中，Mr>0.25为粒径>0.25 mm的团聚体质量，MT为团聚体的总质量。

平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)[18]计算公式如下。

②

③

分形维数(D)[18]：

④

土壤团聚体有机碳贡献率[14]计算如下。

⑤

2 结果与分析

2.1 不同施肥矿区复垦土壤团聚体分布特征

连续8年不同施肥对矿区复垦土壤团聚体的含量与分布见表2。不同施肥处理下复垦农田土壤水稳性团聚体都以<0.25 mm的微团聚体所占比例最大，约占57.70%～73.94%。在大团聚体(>0.25 mm)中，2～0.25 mm粒径团聚体所占比例显著高于>2 mm粒径的团聚体。与CK相比，各施肥处理均显著降低了<0.25 mm的微团聚体的比例，说明施肥促进了复垦土壤大团聚体的形成。在大团聚体中，各粒径团聚体所占比例大致表现为：高量有机肥化肥配施>低量有机肥化肥配施>化肥>对照。高量有机肥化肥显著提高了各粒级团聚体比例，其中，对2～1 mm和0.5～0.25 mm这2个粒级团聚体的影响最大。

2.2 不同施肥矿区复垦土壤团聚体稳定性特征

比较8年施肥对矿区复垦土壤团聚体的大团聚体数量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)及土壤分形维数(D)的影响，结果表明(表3)，与对照相比，化肥处理显著提高了土壤的R0.25和GMD，低量有机肥化肥配施和高量有机肥化肥配施显著提高了土壤团聚体的R0.25、MWD和GMD。复垦8年后矿区土壤粒径分布的分形维数(D)在2.861～2.925，施肥均降低了土壤团聚体分形维数。与对照相比，有机肥化肥配施均显著降低了土壤的分形维数；高量有机肥化肥配施与低量有机肥化肥配施之间差异不显著；化肥对土壤团聚体分形维数的影响不显著。说明有机无机肥配施显著提高了土壤团聚体的稳定性，高量有机肥化肥配施与低量有机肥化肥配施对土壤团聚体稳定性的影响差异不显著，化肥对复垦土壤的团聚体稳定性无显著影响。

表2 不同处理土壤团聚体的组成Tab.2 Distribution of aggregate of reclaimed soils under different treatments %

注：表中数据为平均值±标准误；不同小写字母表示不同处理同一粒级差异显著(P<0.05)。表3-4、图1同。

Notes： Date is mean ± SE; Different small letters mean significant difference at 0. 05 level in Different treatment at the same size aggregate. The same as Tab.3-4 and Fig.1.

表3 不同处理土壤团聚体稳定性参数Tab.3 Stability index of soil aggregates under different treatments

2.3 不同施肥矿区复垦土壤团聚体有机碳分布特征

土壤有机碳在不同粒径团聚体中的含量和分布情况如图1所示。施肥显著增加了矿区复垦土壤总有机碳的含量(图1，原土)，是对照的1.40～2.02倍，其中，高量有机肥化肥配施处理最高，为10.24 g/kg；其次为低量有机肥化肥配施处理，为9.20 g/kg。不同粒级团聚体中有机碳含量的变化趋势大小大致为5～2 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>0.5～0.25 mm>(<0.25 mm)，土壤有机碳的分布主要集中在 5～2 mm和1～0.25 mm粒径的团聚体内，总体表现为>0.25 mm的各粒径团聚体有机碳含量高于<0.25 mm的微团聚体，大团聚体固持有较多的有机碳。施肥增加了土壤各粒径团聚体中有机碳的含量，同一粒级团聚体中的有机碳含量表现为高量有机肥化肥配施高于低量有机肥化肥配施处理，有机肥化肥配施各级团聚体中有机碳含量比对照分别提高了122.20%，171.90%，146.20%，122.47%，85.40%和87.30%，说明高量有机肥化肥配施对5～2 mm粒径团聚体的有机碳含量影响最大。

图1 不同处理土壤及各粒径团聚体有机碳含量Fig.1 Organic carbon content of soil and different size water-stable aggregates under different treatments

2.4 不同施肥团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

不同施肥团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率见表4。各处理土壤团聚体均以< 0.25 mm粒径的微团聚体有机碳贡献率最高，在大团聚体中，2～1 mm，0. 5～0.25 mm及5～2 mm粒径团聚体有机碳贡献率较高。低量有机肥无机肥配施与高量有机肥无机肥配施较对照显著降低了<0.25 mm 粒径微团聚体有机碳的养分贡献率，分别降低了21.33%和27.64%，化肥与对照之间差异不显著。施肥对土壤大团聚体有机碳的养分贡献率表现为，高量有机肥无机肥配施>低量有机无机肥配施>化肥>CK，有机无机肥配施均显著提高了土壤大团聚体的养分贡献率，其中高量有机肥化肥配施对5～2 mm和2～1 mm粒径团聚体有机碳贡献率提高幅度最大。

2.5 土壤团聚体各粒径含量与土壤有机碳、团聚体稳定性的相关性

分析各粒径下土壤团聚体含量与土壤有机碳及团聚体稳定性的关系，结果表明(表5)，土壤有机碳(SOC)、大团聚体数量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)均与﹤0.25 mm粒径微团聚体含量呈极显著负相关关系，与>0.25 mm大团聚体含量呈显著正相关关系。团聚体分形维数(D)与﹤0.25 mm粒径团聚体含量呈显著正相关关系，与0.25～5 mm大粒径团聚体含量呈显著负相关关系。SOC与R0.25、MWD、GMD呈极显著正相关关系，R0.25、MWD和GMD三者之间为极显著的正相关关系，D与R0.25、MWD、GMD呈显著负相关关系。

表4 不同粒径团聚体内有机碳含量对土壤总有机碳的贡献率Tab.4 Contribution rate of organic carbon in different aggregates to soil total organic carbon %

表5 各粒径团聚体与有机碳含量、稳定性参数的相关性Tab.5 Correlation among aggregates and organic carbon，R0.25，MWD，GMD，D with different sizes

注：**.在P<0.01 水平上极显著相关；*.在P<0.05 水平上显著相关。

Notes：**.Significantly related at the 0.01 level；*.Significantly related at the 0.05 level.

3 结论与讨论

3.1 施肥对矿区复垦土壤团聚体组成及稳定性的影响

本研究结果显示，施肥显著降低了<0.25 mm的微团聚体的比例，促进了复垦土壤大团聚体的形成。高量有机肥化肥显著提高了各粒级团聚体比例，其中，对2～1 mm和0.5～0.25 mm这2个粒级团聚体的影响最大，这与前人在自然农田土壤上的研究结果相似。刘恩科等[14]在褐潮土上研究指出，长期氮磷钾配施有机肥提高了耕层大团聚体含量，李文军等[12]在洞庭湖区水稻土上研究指出，化肥配施有机肥较单施化肥能更有效地促进土壤团粒结构的形成。这是由于无机肥进入土壤后会通过增加植物枯枝落叶、根系等有机物料促进土壤团粒结构的形成[19]，有机肥的投入既可带入大量的活性胶结物质，又可促进植物生长，而植物枯枝落叶、根系及根系分泌物的增加会进一步促进土壤团粒结构的改善，形成一个良性循环体系[20-21]。邸佳颖等[22]比较低量粪肥配施化肥与高量粪肥配施化肥对土壤团聚体含量及稳定性的影响后指出，>2 mm粒径团聚体和 2～0.25 mm粒径团聚体的比例和团聚体稳定性随 SOC 浓度提高而增加，当 SOC浓度高于一定值后，这种增加不再明显。矿区复垦土壤有机质含量低，土壤颗粒以砂粒为主，这些都不利于土壤团聚体的形成，高量有机物料的投入可以明显促进土壤团粒结构的形成。

R0.25、MWD和GMD都是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，R0.25、MWD和GMD越大，表明土壤团聚体的稳定性越高。研究结果表明，有机肥化肥配施可显著提高复垦土壤的团聚体稳定性，高量有机肥化肥配施与低量有机肥化肥配施之间差异不显著，化肥对复垦土壤的团聚体稳定性影响不显著。这与王丽等[23]在渭北旱作玉米田及毛霞丽等[24]在浙江稻田土壤上的研究结果一致。Puget等[25]研究认为，有机质中的一些真菌菌丝体、不稳定碳水化合物以及脂肪族化合物等都是增加大团聚体稳定性的主要胶结物质。有机物料施用在为团聚作用提供胶结物质的同时，还会有效刺激土壤微生物，激发土壤生物活性，真菌和细菌分别对大团聚体和微团聚体的形成有较大的贡献[26]。土壤是一种具有明显分形特征的多孔介质，分形维数(D)越低，土壤团聚体稳定性越高，是土壤结构评价的一个新指标[23]。本研究中复垦8年的矿区土壤粒径分布分形维数在2.861～2.925，有机肥化肥的配施显著降低了土壤分形维数。丁敏等[27]研究指出，黄土区理想结构土壤的粒径分布分形维数应在2.75左右，说明复垦土壤的团聚结构状况仍需要进一步提升。

3.2 施肥对矿区复垦土壤团聚体有机碳的影响

土壤各粒径团聚体中有机碳含量可以从微观角度表征土壤有机碳的矿化与累积，对土壤碳汇与肥力的形成意义重大[28]。本研究中，土壤有机碳的分布主要集中在 5～2 mm，1～0.25 mm粒径的团聚体上，总体表现为>0.25 mm的各粒径团聚体有机碳含量高于<0.25 mm的微团聚体，大团聚体可富集较多的有机碳。Six等[9]研究认为，较小粒径团聚体在有机物等胶结剂的结合下形成了大团聚体，因此，有机碳含量会随着团聚体粒径的增大而增加。施肥增加了各粒径团聚体的有机碳含量，这与许多长期试验结果一致[2，28-29]，高量有机肥化肥配施的促进作用最为显著，且主要促进了>0.5 mm粒径团聚体有机碳含量的提高。土壤有机碳贡献率是综合考虑各粒级土壤团聚体数量与有机碳含量，可以反映各粒级团聚体对土壤总有机碳的贡献率，也能客观地反映施肥对有土壤机碳库的作用[30]。本研究中，有机无机肥配施显著降低了<0.25 mm 粒径微团聚体的有机碳贡献率，提高了大团聚体(>0.25 mm)的有机碳贡献率。高量有机肥化肥配施对2～1 mm和5～2 mm粒径团聚体有机碳贡献率提高幅度最大。说明有机无机肥配施对于土壤有机碳的累积效果优于单施化肥措施。这与张久明等[31]在黑土以及毛霞丽等[24]在稻田土壤上的研究结果相一致。有机无机肥配施不仅可以增加土壤有机碳含量，而且有利于土壤中大粒径团聚体的形成，提高大团聚体对总有机碳的贡献能力。

本研究中，土壤有机碳(SOC)、大团聚体数量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)均与>0.25 mm大团聚体含量呈显著正相关关系，土壤有机碳与大团聚体数量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)呈极显著正相关关系。说明随着土壤有机碳含量的增加，土壤大团聚体的数量增加，土壤团聚体的稳定性增强，这与王子龙等[32]研究指出的黄土大团聚体稳定性的提高主要取决于土壤有机碳含量的结果相一致。邸佳颖等[22]研究指出，在有机碳含量较低的土壤上，土壤团聚体稳定性与有机碳含量显著正相关。因此，在晋东南矿区复垦土壤上，高量有机无机肥的配施是提高土壤有机碳含量、培育土壤团粒结构的有效施肥措施。