不同煤基复混肥对复垦土壤有机碳及碳库管理指数的影响

樊晓东，刘 冰，孟会生，洪坚平*，张 杰

（1.山西农业大学 资源与环境学院，山西 太谷 030801； 2.太原市园林绿化工程质量监督站，太原 030012）

0 引 言

【研究意义】随着我国经济的不断发展，煤炭资源的需求也快速增长。然而，在开采煤矿过程中却产生了大量的风化煤、煤泥、粉煤灰等工矿废弃物[1]，这些工矿废弃物的积累，不仅浪费土地资源和污染环境，而且利用率极低。不仅如此，矿区土壤还存在结构性不良、肥力低下、土壤质量降低等问题[2]。因此，对矿区复垦土壤的质量恢复成为重中之重。利用工矿废弃物开发的复混肥来恢复复垦土壤质量也成为当前的发展方向[3-4]。【研究进展】复混肥对土壤生态和植物生长均有显著效果，其中含腐殖酸的复混肥具有改良土壤、增进肥效、刺激生长、促进抗逆、改善品质的五大作用[5-6]。孙腾飞[7]、郭汉清等[8]研究表明，施用煤基复混肥可明显提高复垦土壤养分、改良土壤性状。用来评价土壤恢复效果必不可少的是土壤总有机碳[9-10]，而土壤活性有机碳可以反映土壤有机质的有效组分的变化[11]。为了能够表征土壤碳库的短期变化特征和反映外界管理措施对土壤碳库的影响，土壤碳库管理指数最为关键[12]。【切入点】目前关于煤基复混肥的关注多集中在提升复垦土壤肥力上，在复垦土壤上的应用及其对有机碳及碳库管理指数影响的研究是鲜有报道，故从该方面开展研究。【拟解决的关键问题】为此，基于山西省襄垣县洛江沟采煤塌陷区长期定位试验，研究煤基复混肥I、煤基复混肥II在不同施肥量下对复垦土壤有机碳及碳库管理指数的影响，明确不同煤基复混肥对复垦土壤有机碳库的变化规律，为建立农田可持续土壤管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验以山西省长治市襄垣县王桥镇洛江沟村采煤塌陷区复垦4 a 的土壤为研究对象，试验区地理坐标为东经112°42′—113°14′，北纬36°23′—36°44′之间。属暖温带大陆性季风气候，平均气温8～9 ℃，四季分明，7—9 月气候最高，平均达23.4 ℃，年平均降水量532.8 mm，全年无霜期一般为166 d 左右。

试验区塌陷前土地平整，土壤肥力较高，塌陷后土壤变成了旱薄地，土地生产力严重下降。复垦的土地均采用混推的模式。复垦土壤类型为石灰性褐土。基本性状：有机质量3.76 g/kg、全氮量0.28 g/kg、全磷量0.41 g/kg、碱解氮量26.88 mg/kg、有效磷量3.42 mg/kg、速效钾量90.12 mg/kg。

1.2 供试材料

供试玉米品种为大丰30，种植制度是一年一熟，玉米生育期降水量为615.1 mm，全生育期无灌溉，山西大丰种业有限公司生产，生育期150 d。供试肥料为普通复混肥料：N、P2O5、K2O 质量比为25∶10∶10，山西烨丰化肥有限公司生产；煤基复混肥I：利用煤泥、风化煤和尿素、过磷酸钙、硫酸钾按照一定的比例复合而成，N、P2O5、K2O 质量比为25∶10∶10，有机质量26.65%；煤基复混肥II：利用煤泥、腐殖酸和尿素、过磷酸钙、钾矿粉按照一定的比例复合而成，N、P2O5、K2O 质量比为25∶10∶10，有机质量25.12%。生产的煤基复混肥I、II 均符合有机-无机复混肥料标准（GB18877—2009）。2 种煤基复混肥的重点差异在于煤基复混肥I 是风化煤配制而成，而煤基复混肥II 是腐殖酸配制而成。

1.3 试验设计

本试验采用完全随机设计，共设10 个处理，分别为不施肥处理（CK），普通复混肥料（CF，施氮量135 kg/hm2）、煤基复混肥I 设4 个处理，施氮量90 kg/hm2（CCF1）、施氮量135 kg/hm2（CCF2）、施氮量180 kg/hm2（CCF3）、施氮量225 kg/hm2（CCF4），煤基复混肥II 设4 个处理，施氮量90 kg/hm2（SH1）、施氮量135 kg/hm2（SH2）、施氮量180 kg/hm2（SH3）、施氮量225 kg/hm2（SH4），每个处理重复3 次，共30 个小区，小区面积为100 m2（10 m×10 m）。所有肥料于2017 年4 月27 日作为底肥一次性施入土壤中，4 月28 日播种，种植密度为60 000 株/hm2，同年9 月28 日收获。

1.4 样品采集及处理

在玉米收获后，采集土壤表层0～20 cm 的样品。采集的土壤样品，一份于冰箱低温保存，用于测定土壤微生物量碳和水溶性有机碳，另一份混匀后风干，剔除石子、动植物残体等异物后研磨，过筛（1 mm和0.149 mm），进行其他指标的测定。

1.5 测定项目与方法

采用重铬酸钾容量法-外加热法[13]测定土壤有机碳；采用Mn（Ⅲ）-焦磷酸比色法[14]测定土壤水溶性有机碳；采用CHCl3熏蒸-K2SO4浸提-重铬酸钾氧化法[15]测定土壤微生物量碳，换算系数取值0.38。

采用KMnO4氧化法[15]测定土壤活性有机碳。且本试验选取KMnO4溶液的物质的量浓度分别为33、167 和333 mmol/L，其中被333 mmol/L 氧化所得的活性有机碳为总活性有机碳，被33 mmol/L 氧化所得的活性有机碳为高活性有机碳，被167 和33 mmol/L氧化所得的活性有机碳量之差为中活性有机碳[15]。

土壤碳库管理指数的计算：以不施肥土壤（CK）作为参考土壤。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 软件对数据进行整合，用SPSS 统计软件对数据进行方差分析，用新复极差法（Duncan）检验处理间差异显著性。

2 结果与分析

2.1 2 种煤基复混肥对复垦土壤有机碳的影响

2 种肥料不同施氮量处理对复垦土壤总有机碳的影响研究如表1 所示。由表1 可知，煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理与CK 相比均差异性显著，较CK 提高14.54%～45.22%、13.94%～40.84%；与普通复混肥处理相比，除CCF1、SH1 和SH4 处理外，其余处理均差异性显著，煤基复混肥I 处理、煤基复混肥 II 处理较普通复混肥处理提高了4.52%～26.78%、2.1%～22.96%。从煤基复混肥I 4 种处理中可以看出，对于CCF1、CCF2 和CCF3 处理的总有机碳量差异性不显著，而CCF4 处理的总有机碳量最高，分别比CCF1、CCF2 和CCF3 处理高21.3%（P<0.05）、7.52%（P<0.05）和8.48%（P<0.05）；从煤基复混肥II 4 种处理中可以看出，SH2 处理的总有机碳量最高，分别比SH1、SH3 和SH4 处理高23.6%（P<0.05）、7.61%（P<0.05）和20.44%（P<0.05）。

煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理对复垦土壤水溶性有机碳的影响与CK 相比均差异性显著，分别较CK 提高63.52%～145.6%、76.44%～266.12%；与普通复混肥处理相比，除CCF1、CCF4 和SH1 处理外，其余处理均差异显著，分别较普通复混肥处理提高2.02%～34.98%、73.27%～101.22%。从煤基复混肥I 4 种处理中可以看出，CCF2、CCF3 处理的水溶性有机碳量最高，分别比CCF1 和CCF4 处理高47.1%～50.19%和29.58%～32.31%；而从煤基复混肥II 4 种处理中可以看出，SH3、SH4 处理的水溶性有机碳量最高，分别比SH1、SH2处理高98.71%～107.5%和11.21%～16.13%。

表1 2 种煤基复混肥下复垦土壤总有机碳、水溶性有机碳、微生物碳、总活性有机碳及不同组分活性有机碳 Table 1 Total organic carbon, water-soluble organic carbon , microbial carbon, total labile organic carbon and labile organic carbon of different components of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理对复垦土壤微生物碳的影响与CK 相比均差异显著，分别比CK 提高108.42%～176.76%、77.98%～185.37%；与普通复混肥处理相比，除SH1 处理外，其余处理均差异显著，分别比普通复混肥处理提高37.64%～82.77%、17.54%～88.46%。从煤基复混肥I 4种处理中可以看出，CCF2、CCF3 处理的微生物碳量最高，分别比CCF1、CCF4 处理高28.89%～32.79%和19.8%～23.42%；从煤基复混肥II 4 种处理中可以看出，SH3 处理的总有机碳量最高，分别比SH1、SH2和SH4 处理高60.34%（P<0.05）、30.83%（P<0.05）和21.01%（P<0.05）。

总活性有机碳及其组分可以反映土壤质量的变化，并且与土壤生物、化学和物理性质密切相关，是土壤质量良好的评价指标[16-17]。煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理对复垦土壤总活性有机碳的影响与CK 相比均差异性显著，分别比CK 提高37.81%～79.86%、31.45%～97.53%；与普通复混肥处理相比，除CCF1 和SH1、SH4 处理外，其余处理均差异性显著，分别比普通复混肥处理提高1.3%～32.21%、30.65%～45.19%。从煤基复混肥I 4 种处理中可以看出，CCF3 处理的总活性有机碳量最高，分别比CCF1、CCF2、CCF4 处理高30.51%、4.09%和4.09%，且仅与CCF1 处理差异性显著；而从煤基复混肥II 4 种处理中可以看出，SH2 处理的总活性有机碳量最高，分别比SH1、SH3 和SH4 处理高50.27%（P<0.05）、11.13%（P<0.05）和46.72%（P<0.05）。

煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理下2 种土壤活性有机碳量均随施氮量增加而先增加后减少，其变化趋势基本与土壤总活性有机碳量一致。煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理与CK 相比，显著影响高活性有机碳和中活性有机碳量，分别提高 18.5%～33.27%、1.31%～34.02%和43.86%～140.35%、26.32%～83.33%，以中活性组分提高幅度最大。与普通复混肥处理相比，煤基复混肥I、煤基复混肥II 处理对复垦土壤高活性有机碳量分别提高20.76%～35.81%、3.24%～36.57%；而对中活性有机碳量的影响，仅CCF3 处理对其显著提高。从煤基复混肥I 4 种处理中可以看出，CCF3 处理的高活性有机碳、中活性有机碳量均最高；而从煤基复混肥II 4种处理可以看出，SH2 处理的高活性有机碳、中活性有机碳量最高。总体而言，各活性组分表现为中活性有机碳>高活性有机碳。

2.2 2 种煤基复混肥对复垦土壤碳库管理指数的影响

2 种煤基复混肥不同用量对复垦土壤碳库管理指数的影响如表2 所示，由表2 可知，煤基复混肥I、煤基复混肥II 不同施氮量处理与CK 相比均差异显著，比CK 提高71.69%～223.77%、64.29%～306.13%；与普通复混肥处理相比，CCF3、SH2、SH3 处理差异性显著，分别比普通复混肥处理提高 79.62%、125.31%和84.62%。从煤基复混肥I 4 种处理中可以看出，CCF3 处理的碳库管理指数最高，分别比CCF1、CCF2 和CCF4 处理高88.58%、19.4%和40.98%；从煤基复混肥II 4 种处理可以看出，SH2 处理的碳库管理指数最高，分别比SH1、SH3 和SH4 处理高147.2%（P<0.05）、22.05%（P<0.05）和142.19%（P<0.05）。

表2 2 种煤基复混肥下复垦土壤碳库管理指数 Table 2 Carbon pool management index of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

3 讨 论

有机碳作为评价土壤肥力的基础指标之一，其质量分数取决于有机碳输入和矿化分解之间的动态平衡[18]，土壤碳库管理指数可以一定程度上反映土壤有机碳的质量，其值越大，表示有机碳越易被微生物分解和被植物吸收利用，碳库活度和质量也就越高[19-20]。研究表明，不同工矿固体废弃物作为肥料组分可有效提高土壤肥力[21]，煤基复混肥的施入就成为影响土壤有机碳量的重要因素。

本研究表明，施煤基复混肥I 和煤基复混肥II 均能显著促进复垦土壤总有机碳的累积。与不施肥和与施普通复混肥处理相比，煤基复混肥I 处理的土壤总有机碳量提高45.22%和26.78%，煤基复混肥II 处理提高40.48%和22.96%，这与2 种煤基复混肥的组成成分风化煤、腐殖酸有关。一方面，复垦土壤有机质等养分量背景值低下，风化煤、腐殖酸本身特性是有机质量高，施入复垦土壤之后可以直接增加土壤中有机质质量分数；另一方面，风化煤、腐殖酸等有机物料的加入，使作物另一方面有机物料促进作物生长，使作物残茬和根系分泌物增加，进而增加土壤有机质的输入[22]。就煤基复混肥I 4 种处理中，施氮量225 kg/hm2的煤基复混肥I 处理的总有机碳量最高，有研究表明，风化煤施用量在27 000 kg/hm2范围。复垦土壤有机质的量随着风化煤施用量的增加而增加[23]。在煤基复混肥II 4 种处理中，施氮量135 kg/hm2的煤基复混肥II 处理的总有机碳量最高，总有机碳量呈先增加后减少趋势，有研究表明土壤碳排放量受土壤含氮量的影响，其顺序为低氮>高氮>中氮，因此可能导致在施氮量水平为90、225 kg/hm2时，土壤碳排放增高而减少土壤有机质的质量分数[24]。

研究表明，与不施肥和与施普通复混肥处理相比，施煤基复混肥I 和煤基复混肥II 均能显著促进复垦土壤水溶性有机碳、微生物量碳、活性有机碳及其高活性有机碳、中活性有机碳组分的累积，而且煤基复混肥II 的总体提升效果要明显高过煤基复混肥I。一方面，煤基复混肥I 所含的风化煤成分中腐殖酸量非常高，但是自然条件下，风化煤中的腐殖酸一般都与钙、镁、铁、铝等形成不溶性物质[25]，直接应用的效果比较差，必须通过微生物将其转化加以辅助才能发挥风化煤的作用效果[26]。而煤基复混肥I含有煤泥、风化煤有机物料，通过促进复垦土壤中团粒结构的形成，增加土壤保水性、透水性、透气性等，进而可能促进微生物的生长繁殖，使微生物在分解作用时释放更多的水溶性有机碳。复垦土壤活性有机碳组分的增加与郭军玲等[27]研究结果类似，可能是由于微生物对有机物分解和转化作用的加快，而分解的有机物及腐解物中含有多种活性碳组分，同时根系分泌的活性碳组分也增加，从而明显提高其质量[28-29]。另一方面，煤基复混肥II 含有的腐殖酸成分对复垦土壤结构的稳定性、水气渗透能力和田间持水率等具有良好的调节作用，能够改善土壤物理性质[30]，而且腐殖酸作为微生物活性的催化剂，可以大大提高微生物活性，从而促进微生物将碳源转化为水溶性有机碳，腐殖酸含有醌等功能基团，其施用可以增加植物的新陈代谢等功能[31]，从而促进植物根系生长分泌水溶性有机碳。而且由于腐殖酸拥有的孔隙结构和酸性含氧官能团丰富等特性，从而有助于腐殖酸对土壤中活性碳源的吸附和对氧化物、有机物等物质发生络合作用，形成稳定的化学和生物学性质的络合物[32]，进而增加复垦土壤中活性有机碳组分的质量分数。有研究表明[33]，腐殖化的土壤有助于提高其活性有机碳组分质量分数，这与本研究结果类似。

碳库管理指数作为反映土壤质量变化的可靠指标。本研究中，与不施肥处理和施普通复混肥处理相比，各处理对复垦土壤碳库管理指数的影响差异显著，其中施氮量135 kg/hm2的煤基复混肥II 处理最有利于复垦土壤碳库管理指数的提高，与不施肥处理和普通复混肥处理分别提高306.12%和125.31%。曾骏等[34]的研究结果表明，施有机肥或有机无机肥配合施用均较不施肥或单施化肥显著提高土壤碳库管理指数，本研究结论与其类似。从土壤碳库管理指数的计算公式可知，无论是土壤有机碳的上升还是土壤活性有机碳的上升均可导致土壤碳库管理指数的上升[35]，且非活性有机碳的下降可导致土壤碳库管理指数的上升，由土壤有机碳、活性有机碳和非活性有机碳量分析可得施氮量135 kg/hm2的煤基复混肥II 处理最高。

4 结 论

随着煤基复混肥I、煤基复混肥II 施氮量的增加，复垦土壤总有机碳和各活性有机碳量显著增加（P<0.05），其中活性有机碳组分量表现为中活性有机碳>高活性有机碳，而且煤基复混肥II 的效果要明显高于煤基复混肥I。煤基复混肥II 处理与不施肥处理相比，土壤总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳、总活性有机碳的量分别提高 13.94%～40.84%、76.44%～266.12%、77.98%～185.37%、31.45%～97.53%；与普通复混肥处理相比总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳、总活性有机碳分别提高2.1%～22.96%、73.27%～101.22%、17.54%～88.46%、30.65%～45.19%。135 kg/hm2的煤基复混肥II处理最有利于复垦土壤碳库管理指数的提高，与不施肥处理和普通复混肥处理分别提高306.12%和125.31%。总体看来，施氮量为135 kg/hm2的煤基复混肥II对复垦土壤有机碳及碳库管理指数提升效果最好。