添加木本泥炭改良剂对矿区新复垦耕地土壤有机碳组分的影响

徐赛亚，徐占军，毕如田，梁建财，李晓宇，闫路路

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.北京恒兴华建土地科技有限公司，北京 102600）

我国煤炭资源丰富，在满足能源供给的同时，给矿区周边的土地资源和农业生产造成了严重的破坏。据不完全统计，近20 a 来由于采矿引起的耕地损毁面积达4 万hm2[1]，耕地面积锐减，严重威胁我国的粮食安全。2017 年中共中央国务院提出强化耕地数量、质量和生态“三位一体”保护[2]，为响应国家号召，对矿区受损耕地进行复垦是维持耕地总量动态平衡、提高耕地质量的重要手段之一。由于采矿活动的扰动，导致耕地退化，土壤肥力低下，对土壤基质的恢复与改良是土壤复垦的重要研究方向。采用传统的矿区土壤改良技术来培育土壤，使其达到基本的生产能力，周期长，提升土壤肥力效果并不显著，严重影响耕地等级及产能的提升。因此，探索复垦耕地优质耕作层工程化快速构建技术来实现耕层快速熟化，是目前研究的热点问题。

目前国内外学者对耕地快速培肥进行了大量研究[3-9]，张佳宝院士提出天然配置型一次性工程化快速构建优质耕作层技术模式[10]，以添加木本泥炭有机物料替代土壤养分冗长培育过程。目前已经在红壤、黄绵土区先后进行了试点工作并取得了较大的成果。曲成闯等[11]研究发现，木本泥炭与有机物料的添加可显著降低红壤区新补充耕地耕作层土壤容重，提高土壤总孔隙度和pH，改善红壤黏重和酸化等特点，且土壤养分和微生物量碳、氮含量均得到了提高。付威等[12]研究发现，添加木本泥炭改良剂可快速提高土壤有机质和易氧化碳等养分含量，增加土壤团聚体稳定性，维持较高的土壤养分含量，增加玉米籽粒产量。目前，对木本泥炭及其土壤改良技术的相关研究多集中于自然土壤，煤矿复垦区土壤由于其成土母质和复垦工艺与常规复垦不同，其土壤性状也与常规土壤不同，将基于木本泥炭改良剂的一次性工程化快速构建优质耕作层技术应用于矿区耕地土壤肥力的快速提升相关研究较少，尤其是木本泥炭添加对土壤养分、有机碳及其碳组分的影响机制尚不清楚。

本研究在大田条件下，以矿区新复垦耕地为研究对象，通过设置田间试验小区，对添加不同有机物料对新垦耕地耕层土壤有机碳及其组分开展对比试验，系统分析不同有机物料处理下土壤有机碳及其组分含量的差异，探讨添加木本泥炭天然材料对优质耕层快速构建的可行性，旨在为矿区复垦快速构建优质耕层建设提供技术支持，为农业健康可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省大同市某矿区一新复垦耕地（N39°48′41.47″、E114°15′29.36″，海拔1 065 m），土壤类型为栗褐土，属中温带大陆性季风气候，年均气温7 ℃，年降水量400～500 mm，无霜期130 d左右。研究区基础土壤的理化性质为：pH 值8.95，有机质含量4.39 g/kg，碱解氮含量7.82 mg/kg，速效磷含量5.28 mg/kg，速效钾含量75.95 mg/kg，全氮含量0.22 g/kg，全磷含量0.23 g/kg，全钾含量18.65 g/kg。

1.2 试验材料

试验所需材料木本泥炭和有机物料由北京中向利丰公司提供，其基本理化性质如表1 所示。

表1 木本泥炭等有机物料的基本理化性质

1.3 试验设计

试验于2019 年4 月在大同市广灵县进行，共设置4 个处理，即CK.不施肥，无优质耕作层；DZ.腐熟秸秆＋常规施肥；MT.木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥；DB.秸秆还田＋常规施肥，为试验区周边长期耕种的高产农田。另于2019 年4 月份采集基础土壤（US）。每个处理设3 次重复，采用完全随机区组排列，各小区之间采用田埂隔离。种植作物为玉米，于播种前将上述材料均匀施撒，利用旋耕机将各种有机物料旋耕混匀在0～20 cm土层。其施肥量为：木本泥炭30 t/hm2，腐熟秸秆3 t/hm2，生物激发剂1.5 t/hm2，常规施肥（复合肥（NP2O5－K2O）600 kg/hm2、尿素（N 46%）150 kg/hm2）。试验期间，各小区田间管理按当地农事日程采取相同措施。

1.4 样品采集与指标测定

土壤样品于玉米收获后（2019 年10 月23 日）采集。用五点混合采样法采集0～20 cm 表层土壤，将5 个点的土样充分混匀作为该小区代表性土样。将土样放于室内风干，剔除样品中植物根系、砾石等杂物。另外，采集200 g新鲜土壤，放置于存有冰袋的便携式冰箱中，带回实验室保存于4℃冰箱中，用于土壤微生物量分析。

土壤基本理化性质的测定参照文献[13]进行；土壤总有机碳（TOC）含量采用重铬酸钾-外加热法测定[13]；微生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[14]；易氧化有机碳（EOC）含量采用KMnO4氧化比色法测定[15]；水溶性有机碳（WSOC）含量采用水浸提-TOC 仪（德国耶拿Multi N/C2100）测定[16]；颗粒有机碳（POC）含量采用六偏磷酸钠分离法测定[17]；轻组有机碳（LFOC）含量和重组有机碳（HFOC）含量采用密度法测定[18]。

1.5 数据分析

本研究所有的数据分析和制图都在Microsoft Excel 2013 以及SPSS 22.0 的统计软件中完成，图表中的数据均采用平均值，并利用SPSS 进行单因素方差分析，显著性水平设为α＝0.05。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤养分指标的影响

表2 不同处理对土壤养分指标的影响

从表2 可以看出，MT、DB、DZ 处理与CK 相比，土壤各肥力指标均有不同程度的提高。对改善微碱性黄土的影响具体表现为DB＞MT＞DZ＞CK，差异达显著水平（P＜0.05）。与CK 相比，添加木本泥炭和常规施肥处理均可增加土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾含量，增幅分别为73.28%～121.13%、34.41%～41.74%、10.00%～22.99%、31.82%～77.27%、11.63%～16.27%、9.79%～24.24%、32.22%～82.5%，MT 处理土壤有机质、碱解氮、全氮、全磷、全钾含量与CK间差异显著（P＜0.05）。在经过1 a 的定点试验后，MT 处理中耕作层土壤各养分含量均得到了较大提升，且速效磷、速效钾、全钾含量与DB 处理间没有显著性差异，说明木本泥炭和其他有机物料混合施撒可显著提高耕层土壤肥力水平。

2.2 不同施肥处理对土壤总有机碳含量的影响

从图1 可以看出，不同施肥处理对土壤有机碳含量的影响各不相同。1 a 定位试验结果显示，土壤TOC 含量为2.09～7.75 g/kg，总体变化趋势为DB＞MT＞DZ＞CK＞US，其中，CK 的TOC 含量最低，仅为2.09 g/kg。DZ 处理的TOC 含量与基础土壤和CK 间差异显著，MT 处理TOC 含量为3.81 g/kg，比CK 和DZ 处理分别高82.30%、38.04%（P ＜0.05）。可见，施用木本泥炭+腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥对提升0～20 cm 土层TOC 含量显著高于其他2 个处理。

2.3 不同施肥处理对土壤活性有机碳含量的影响

2.3.1 不同施肥处理对土壤微生物量碳（MBC）含量的影响 由图2 可知，不同施肥处理对MBC 含量的影响各不相同。1 a 定位试验结果显示，土壤MBC 含量为30.08～91.24 mg/kg，总体变化趋势为DB＞MT＞DZ＞CK＞US。其中，CK 的MBC 含量最低，仅为30.08 mg/kg，DZ 处理MBC 含量与基础土壤和CK 间差异显著，MT 处理的MBC 含量为74.25 mg/kg，较CK 和DZ 处理分别高146.84%、67.80%（P＜0.05）。可见，施用木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂+常规施肥对提升0～20 cm 土层MBC 含量的效果显著。

2.3.2 不同施肥处理对易氧化有机碳（EOC）含量的影响 从图3 可以看出，不同施肥处理对EOC含量的影响各不相同。1 a 定位试验结果表明，土壤EOC 含量为1.59～2.50 g/kg，总体变化趋势为DB＞MT＞DZ＞CK＞US，其中，CK 的EOC 含量最低，仅为1.59 g/kg，DZ 处理的EOC 含量与基础土壤和CK 间无显著差异，MT 处理的EOC 含量为2.50 g/kg，比CK 和DZ 处理分别高57.23%、25.00%，具有显著性差异（P＜0.05）。可见，木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥对土壤EOC 含量影响较大，提升效果显著。

2.3.3 不同施肥处理对水溶性有机碳（WSOC）含量的影响 由图4 可知，不同施肥处理对WSOC 含量的影响各不相同。研究区周边熟化土壤（DB）的水溶性有机碳含量为87.85 mg/kg，较CK、DZ、MT 处理分别高92.95%、52.74%、24.68%（P＜0.05），DB处理与其他3 种处理均存在显著性差异。经1 a 定位研究表明，CK 的WSOC 含量最低，仅为45.53 mg/kg，DZ 处理WSOC 含量与CK 间无显著性差异，与基础土壤具有显著性差异。MT 处理WSOC 含量为66.57 mg/kg，与DZ 处理间无显著差异。可见，与腐熟秸秆＋常规施肥和不施肥相比，木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥对土壤WSOC 含量变化影响不大。

2.3.4 不同施肥处理对颗粒有机碳（POC）含量的影响 从图5 可以看出，不同施肥处理对POC 含量的影响各不相同。1 a 定位试验结果表明，土壤POC 含量为0.23～1.88 g/kg，总体变化趋势为DB＞MT＞DZ＞US＞CK，其中，CK 的POC 含量最低，仅为0.23 g/kg，DZ 处理POC 含量与基础土壤和CK 间无显著性差异，MT 处理的POC 含量为1.53 g/kg，较DB 处理低18.62%，较CK 和DZ 处理分别高565.22%、292.31%，具有显著性差异（P＜0.05）。可见，木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥对土壤POC 含量影响比较大，提升效果最为显著。

2.4 不同施肥处理对土壤轻、重组有机碳（LFOC、HFOC）含量的影响

由图6 可知，经过1 a 的定点检测，LFOC 和HFOC 含量分别占总碳8.07%～62.87%和37.13%～91.93%。新垦耕地的LFOC 与HFOC 含量随施入有机物料的增加而有所提高，MT 处理的LFOC 和HFOC 含 量 较DZ、CK 分 别 高96.67%、280.64%（P＜0.05）和21.75%、46.11%（P＜0.05），较US 分别高140.82%（P＜0.05）和31.5%（P＜0.05），但较DB 处理分别低283.90%（P＜0.05）和22.43%（P＜0.05）。各施肥处理较不施肥对照均显著提高了土壤LFOC 和HFOC 含量，其中以DB 处理含量最高，与其他处理差异显著，平均值分别为4.53、3.22 g/kg；同时单施化肥处理较不施肥处理提高了新垦耕地土壤HFOC 含量，CK 较US 处理的LFOC 和HFOC含量均有所下降，DZ 处理在一定程度上提高了HFOC 含量，而木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥则更有利于土壤LFOC 和HFOC 含量的增加。

2.5 土壤有机碳组分间及其与土壤理化性质间的相关性分析

表3 土壤有机碳组分间的相关性分析

表4 土壤理化性质与土壤有机碳组分的相关性分析

从表3 可以看出，土壤有机碳各组分间相关性密切，TOC与MBC、EOC、WSOC、POC、HFOC 和LFOC均呈极显著正相关关系（P＜0.01），表明各组分含量的增加有助于TOC 含量的提高，二者之间相辅相成，轻、重组有机碳与其他各有机碳组分之间均呈现极显著正相关（P＜0.01）。

从表4 可以看出，不同土壤理化性状与有机碳组分之间相关性不同，土壤有机碳各组分与土壤全量指标和碱解氮呈极显著正相关关系（P＜0.01），与速效磷则呈负相关关系。有机碳组分TOC、POC、HFOC 和LFOC 与速效磷呈现显著负相关（相关系数 分 别 为-0.437、-0.445、-0.477 和-0.406，P ＜0.05），MBC 与速效磷则呈极显著负相关（r＝-0.485，P＜0.01）。有机碳各组分与速效钾无显著相关性。

2.6 不同处理对玉米籽粒产量的影响

由图7 可知，不同施肥处理对玉米产量的影响各不相同。1 a 定位试验结果表明，玉米产量变化范围为2.32～6.06 t/hm2，总体变化趋势为MT＞DB＞DZ＞CK，添加木本泥炭处理较DB、DZ、CK 分别高14.34%、61.6%、161.21%，且差异均达到极显著水平（P＜0.01）。可见，木本泥炭＋腐熟秸秆＋生物激发剂＋常规施肥对作物产量影响较大，提升效果最为显著。

3 讨论

3.1 木本泥炭添加剂对土壤养分指标的影响

pH 不仅是反映酸碱程度的指标，而且对土壤养分的有效性、微生物活动及作物生长均有一定程度的影响。若要提高土壤养分含量，首先是改善土壤pH 状况。本试验结果显示，施用木本泥炭有机物料处理下的土壤pH 值较基础土壤下降了4.2%，这与付威等[12]的研究结果一致，其原因是木本泥炭呈酸性，对碱性土壤有一定的中和作用。矿区复垦地肥力偏低是农业可持续发展的主要限制性因素之一。已有研究表明，添加木本泥炭可显著提高耕层有效养分，增加土壤有机质，促进作物对有效养分的吸收利用。本试验结果表明，添加木本泥炭等有机物料对全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾均有不同程度的提高，显著优于其他处理，这与曲成闯等[11]、李司童等[19]的研究结论一致。其原因可能是，一方面木本泥炭腐殖质含量丰富，比表面积大，离子交换能力强，是改善土壤颗粒团聚体、增加多级团聚体数量和质量的理想胶结物质，可吸附土壤中的矿物质，避免养分离子随水流失，间接增加了土壤有效养分[20-21]。另一方面，pH 状况的改善为微生物活动提供了适宜的环境，木本泥炭是碳源丰富的有机物料，为微生物繁衍、代谢提供了持久而丰富的营养物质，同时微生物数量与丰度的提高也间接增强了土壤中的氮磷钾循环，进而提高了土壤中有效养分含量[22]。

3.2 木本泥炭添加剂对土壤有机碳及其碳组分的影响

木本泥炭在有机物料改善土壤结构、提高作物产量及植物残体和根系还田量等方面效果显著[23-26]。本研究经1 a 定位试验结果表明，与试验前期相比，各处理均能显著增加TOC 含量，其中以MT 处理最为显著，这与陶朋闯等[27]、吴涛等[28]的研究结果一致。木本泥炭之所以能提高TOC 含量，一方面是因为试验基础土壤有机质极低，仅为1.94 g/kg，另一方面是因为木本泥炭是一种有机质含量极高的外源碳材料（有机质含量686.96 g/kg），其施入土壤相当于直接向土壤中输入外源有机碳。也有相关研究表明[29]，木本泥炭具有很强的生物稳定性，短时间内不易被微生物分解，则以惰性碳的形式封存于土壤中，从而有利于土壤有机碳的固定。

土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳库中最为活跃的部分，虽然仅占总碳含量的一小部分，却对土壤碳库循环至关重要[30]，与土壤养分状况密切相关。本研究表明，各处理均可以提高土壤微生物量碳含量，MT 和DZ 处理较CK 处理高47.11%～146.84%，MT 处理增加最为显著。这与黎嘉成等[31]的研究结果一致，尽管木本泥炭含有的活性碳含量较低，但施入土壤后，一方面，木本泥炭疏松多孔，比表面积大空隙内又储存了足够的营养物质，且改善了土壤的pH 状况，为微生物提供了良好的栖息地和持久丰富的养分来源，促进了微生物活性和丰度的大大提高[32-34]。另一方面，玉米生长周期长，对养分消耗少，被植物吸收利用的活性有机碳较少，加之生物激发剂对木本泥炭和腐熟秸秆的激活作用，从而使微生物量碳显著增加[28]。

易氧化有机碳（EOC）是土壤碳库中易被强氧化剂氧化或土壤中易被分解的敏感性有机碳，是评价土壤肥力的重要指标。其主要来源于作物残体的分解，根系分泌物和微生物活动及死亡时所释放的原有有机碳[35]。本研究中，外源有机碳材料的施入显著增加了土壤TOC 含量，与EOC 呈极显著正相关（r＝0.670），说明EOC 含量的增加很大程度上依赖于TOC 含量的增加。罗梅等[36]通过试验发现，生物质炭还田可显著提高作物生物量，增加紫色土壤中EOC 含量。在本试验中，MT 和DZ 处理下的土壤EOC 含量均高于CK 25.00%～57.23%，MT 处理最显著，DZ 处理与CK 则无显著性差异。其原因可能是不同外源碳材料的可利用程度不一，加之施入量的差异，故造成EOC 含量的涨幅不同。

水溶性有机碳（WSOC）是土壤碳库中活性较高，具有一定水溶性的组分，在土壤中转移快，易被矿化分解。其主要来源于植物凋零物、微生物活动、根系分泌物以及人为施肥等，其淋失与矿化（氧化）分解是有机碳损失的主要途径[37]。在本研究中施入木本泥炭、腐熟秸秆等有机物料对其含量影响不大，提升效果并不明显。这与包建平等[38]的研究结果不一致，原因可能是木本泥炭施入土壤后，其中的活性有机碳在相对较短的时间内作为碳源被微生物分解，导致尽管在耕层中投入了较多的有机碳，但水溶性有机碳含量并没有显著提高。

颗粒有机碳（POC）是新鲜有机质向腐殖质转化的过渡成分，属于碳库中相对易分解、生物活性较高的组分，极易因耕作管理措施的变化而快速丧失，与土壤中氮含量紧密相关。本研究结果表明，木本泥炭、腐熟秸秆等显著增加了外源有机物质的输入，因而，MT 处理下的POC 含量较CK 和DZ 高292.31%～565.22%，相对于其他几种活性有机碳组分来说，POC 含量增幅最高。本研究结果与苏永中等[39]研究结果一致，这主要与耕层中的砂粒含量有关。木本泥炭的施用提高了土壤TOC 含量，而有机碳作为良好的胶结物质促进微团聚体向大团聚体的转化，使得碳素可以更多保存于大团聚体中，颗粒有机碳含量增加，进而提高了对SOC 的贡献率。

轻组有机碳（LFOC）是指运用物理分组法有效分离出来的密度小于1.7～2.0 g/cm3组分中的活性有机碳，它包括半分解状态的动植物残体和大部分土壤微生物量等，是一种过渡阶段的有机碳；重组有机碳（HFOC）与轻组相对应，但其对环境变化的反应能力和矿化速率都比轻组慢。本研究中，MT 处理可同时增加土壤轻组、重组有机碳，较CK 分别高280.64%和46.11%。已有研究表明[40-41]，土壤中的LFOC 含量与添加的有机物料的种类密切相关。在肥力相对偏低的地区，重组有机碳的增加很有可能是施肥本身代入的稳定性物质。梁尧等[42]对东北黑土经10 a 定位研究认为，高量有机肥的施入有利于胡敏酸、胡敏素等积累，从而提高土壤腐殖化程度，增强有机质稳定性。本试验在耕层中添加了木本泥炭有机物质，其性质稳定，富含各种稳定的官能团，不易在土壤中分解消耗，因此，土壤HFOC 含量显著增加。

3.3 木本泥炭添加剂对玉米籽粒产量的影响

已有研究表明，添加有机物料可改善土壤养分状况，增加作物产量。本试验结果表明，与不添加有机物料相比，添加木本泥炭可显著提高玉米籽粒产量，短短1 a 已超过熟化农田的产量，增产效果明显。这是由于木本泥炭富含各种矿质元素，对土壤中氮磷钾和土壤各有机碳组分含量具有显著的提升作用，微生物活性增强，土壤团粒结构稳定有利于土壤的保水保肥能力。在良好的土壤环境条件下玉米生长活动所需的营养元素得到充分补充，最终增加了玉米籽粒产量。

4 结论

本研究结果表明，添加木本泥炭改良剂可降低矿区耕作层pH，缓解土壤碱化情况，增加土壤有机质和其他养分含量，有利于土壤团聚体结构的稳定，玉米籽粒产量显著提高。

木本泥炭含碳丰富，在田间施加1 a 后显著增加了土壤中有机碳及其碳组分含量，TOC、MBC、EOC、WSOC、POC、LFOC 和HFOC 较对照分别提高了82.30%、146.84%、57.23%、92.95%、565.22%、280.64%和46.11%，以颗粒有机碳含量增加最为显著。

综合分析发现，与其他处理相比，施用木本泥炭处理下的土壤养分指标和土壤有机碳组分经过短短1 a 便达到了较高水平，与熟化土壤差异不显著。表明以添加木本泥炭改良剂为基础的一次性工程化构建优质耕作层技术更有利于矿区新复垦耕地耕层土壤理化性质和有机碳组分的恢复，是改善贫瘠土壤、快速培肥地力的最佳模式。