施用有机肥煤矿复垦耕地有机碳的固持效率及组分变化

徐明岗，李 然，孙 楠，安永齐，王小利，靳东升，李建华，张 强，洪坚平，申华平

（1 山西农业大学生态环境产业技术研究院 / 土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原 030031；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 / 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室，北京 100081；3 贵州大学农学院，贵州贵阳 550025；4 山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801）

农田土壤有机碳是土壤肥力的核心指标，对改善土壤质量、提高作物生产力及维持农业可持续发展影响巨大，而矿区复垦土壤有机碳含量低，成为地力提升的限制因素[1]。因此，深入探讨复垦土壤有机碳的固持机理对于煤矿区复垦土壤肥力快速提升具有重要意义。

输入的外源有机碳固存为土壤有机碳的比例即为土壤固碳效率，其受到土壤属性、施肥管理措施及气候等因素的共同影响[2]。Zhang等[3]在我国6种典型农田土壤上的研究发现，土壤有机碳增长量与碳投入量之间呈现出极显著线性正相关关系，其中张掖灌漠土的固碳效率最高 (31.0%)，固碳效率最低的为郑州潮土 (6.9%)。但也有研究表明，土壤有机碳随着碳投入的增加表现为曲线增长趋势[4–5]。土壤各组分有机碳因为其不同的固碳能力，在土壤有机碳的累积和稳定中起着不同的作用，因此其分组技

术是研究土壤有机碳固持机理的重要方法[6]。其中，Stewart等[7]对Six等[4]的团聚体分组方法进行了改进，提出了最新的物理−化学联合分组方法，该方法将土壤有机碳的稳定机制在原理上进行联系，进而将土壤有机碳固存分为非保护、物理、化学及生物化学保护机制，更能说明各组分有机碳在土壤有机碳中的固存作用。曹寒冰等[5]研究表明，6年施肥措施下复垦土壤各组分有机碳均显著增加，但粉黏粒组分有机碳在不同施肥下基本不变。Xu等[8]在东北褐土中研究也发现，稳定有机碳组分不变，总有机碳仍然随施肥量增加显著增长。Tong等[9]研究也表明， 各种施肥措施下矿物结合态颗粒的固碳效率均最大。Stewart等[10]研究也提出，当土壤总有机碳增加时，化学和生物化学保护组分有机碳可能不变，碳的积累可能发生在未保护和物理保护组分中。目前，有关施肥对土壤有机碳组分影响的相关研究较多，但多集中于农田生态系统；矿区复垦土壤有机质含量仅是煤矿开采前的20%～30%；土壤质地较粗，特别是土壤团聚体中微团聚体比例较少，显著低于煤矿开采前的土壤[11]。长期化肥与有机肥配施下，煤矿区复垦土壤中总有机碳及不同组分碳含量与外源碳投入量之间的关系有待明确。利用Stewart等[7,10]提出的物理−化学联合分组方法，探讨复垦土壤中不同组分有机碳在不同施肥措施下的固碳特征及机理，尚未见报道。

因此，本研究以山西煤矿复垦区长期定位试验为基础，利用Stewart土壤有机碳分组方法，揭示复垦耕地总有机碳及各组分碳与外源碳投入量之间的关系，探讨不同施肥措施下土壤有机碳的固存特征和固碳机理，为复垦土壤培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于山西省典型煤矿复垦基地的长治市襄垣县王桥镇西山底村 (36°27′N，113°1′E)，为黄土塬地貌。该区属暖温带大陆性季风气候，年均温9.5℃，年均降水量532.8 mm。20世纪70年代开始因采煤出现地面塌陷，到2000年前后塌陷趋于稳定，地势在塌陷后呈马鞍状，最大落差达到4～5 m，使原有农田变成了旱薄地，土壤肥力严重下降。土壤为褐土，试验开始前土壤耕层 (0—20 cm)有机碳含量5.36 g/kg、全氮含量0.63 g/kg、有效磷含量3.2 mg/kg、速效钾含量 143.8 mg/kg、土壤容重 1.53 g/cm3[12]。土壤比较紧实，氮、磷养分十分缺乏。

1.2 试验设计与田间管理

2008年3月选择年限相同的塌陷农田，采用混推 (直接推高垫低后整平土地)的方式进行复垦，2008年4月修复工程完成后，对试验地整平和均匀处理，以保证试验地耕层土壤性质一致。种植作物为春玉米，种植制度为一年一熟，种植密度为60000株/hm2，于每年5月左右播种，10月左右收获。基地到 2018 年进行了11年复垦。

试验包括4个处理：1)不施肥 (CK)；2)施化肥(F)；3)化肥配施低量有机肥 (LMF)；4)化肥配施高量有机肥 (HMF)。其中，供试有机肥为完全腐熟的羊粪，2008—2011年，羊粪含有机碳44.2%、N 2.5%、P 1.2%和K 3.2%；2012—2018年，优化施肥，进而减少有机肥施用量，羊粪含有机碳31.0%、N 0.8%、P 3.5%和K 0.1%。每年化肥和有机肥均作为基肥在玉米播种前一周一次性撒施，之后翻耕入土。试验采用裂区设计，每个处理3次重复，每个小区面积150 m2。各施肥处理的具体施肥量见表1。

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

1.3 样品采集、测定项目与方法

于2018年春玉米收获前，用环刀法测定土壤容重。春玉米收获后，采集耕层 (0—20 cm)新鲜土样。每个小区加大采样点，方格法采取10～15个样点，以减小复垦地空间异质性带来的影响，采集完样品混匀后装袋并小心运回实验室，样品风干后过2 mm筛备用。取部分土壤样品用于土壤有机碳含量的测定，测定方法为重铬酸钾容量法[13]；另取一部分土壤样品用于有机碳分组。

土壤有机碳分组采用Stewart等[7]的物理−化学联合分组方法。其试验步骤可分为如下3步：第一步，称取20.00 g风干土样置于团聚体分离器中 (上下层分别为0.25和0.053 mm的筛子)，震荡20 min(速率 30 r/min)，粒径>0.25 mm 的为粗颗粒有机碳组分 (cPOC)，粒径>0.053 mm的为微团聚体组分(μagg)，将粒径<0.053 mm的部分用离心法分别于900 和 3300 r/min (加入 CaCl2作为絮凝剂) 下离心7和15 min，分别得到游离态的粉粒组分 (d-silt)和粘粒组分 (d-clay)；第二步，将第一步中得到的微团聚体组分进行密度浮选，加 50 mL NaI (1.70 g/cm3)并离心 (4000 r/min) 20 min，抽滤得到轻组部分 (LF)，即未保护细颗粒有机碳组分 (fPOC)，重组部分用酒精和蒸馏水洗净后加入50 mL六偏磷酸钠溶液 (5 g/L)震荡 18 h (180 r/min )后过 0.053 mm筛，留在筛上的为物理保护有机碳组分 (iPOC)，剩余部分同样使用离心法得到闭蓄态粉粒组分 (μsilt)和闭蓄态粘粒组分 (μ-clay)；第三步，将前两步得到的所有粘粉粒组分加入25 mL的HCl溶液 (6 mol/L)，于95℃下回流16 h后抽滤，留在滤膜上的部分为非酸解组分 (NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay)，酸解组分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay)为全组分与非酸解组分之差。将各组分加入1 mol/L的HCl (土液比1∶2.5)以排除土样中的无机碳，用元素分析仪 (瑞典利曼公司，EA3000)测定各组分有机碳含量。根据此方法，土壤有机碳被分为游离态颗粒有机碳组分 (cPOC、fPOC)、物理保护有机碳组分 (iPOC)、化学保护有机碳组分 (H-dsilt、H-dclay、H-μsilt、H-μclay)和生物化学保护有机碳组分(NH-dsilt、NH-dclay、NH-μsilt、NH-μclay) 4 个有机碳组分。

1.4 计算方法

1.4.1 土壤固碳量计算 土壤的固碳速率 [C t/(hm2·a)] 采用差减法计算， 即目前各试验处理耕层土壤的碳储量 (St，t/hm2)与该试验起始年份耕层土壤碳储量 (S0，t/hm2)差值的年 (n)平均变化， 也可以称为研究期间土壤有机碳年均固定量[14]。

不同颗粒组分中SOC储量的计算：

其中，Ai为各组分含量占全土的百分比 (%)，i为不同的组分数；C0和Ct分别为试验开始时和目前有机碳含量 (g/kg)；B0和Bt分别为试验开始时和目前耕层土壤容重 (g/cm3)，n为各处理复垦的年限；D为耕层深度 (20 cm)。

1.4.2 土壤碳投入的计算 本试验中2008—2013年每季玉米收获后进行秸秆还田。2013年后改善施肥措施，玉米秸秆全部移除不还田，只施用有机肥。土壤碳投入的估算方法[15–16]如下：

式中，SCI为玉米根茬碳投入 (C t/hm2)；BCI为玉米秸秆碳投入 (C t/hm2)；Mg为玉米籽粒产量 (kg/hm2)；Ms为玉米秸秆产量 (kg/hm2)；Rr为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)，为26%；Rb为玉米根系生物量平均分布在0—20 cm土层的比例，为85.1%；Sc为玉米留茬占秸秆的比例，为3%；W为玉米风干基含水率，为14%；C为玉米烘干基碳含量，为44.4%。

式中，OCI为有机肥碳投入 (C t/hm2)；Cm为有机肥有机碳含量 (g/kg)；Wm为有机肥含水率 (%)；Am为有机肥鲜重 (kg/hm2)。

1.4.3 土壤固碳效率的计算 土壤对外源碳的固碳效率 (R)，是土壤固碳量占总投入外源碳量的比例，计算公式如下：

式中，R也可以由土壤碳储量随外源投入碳量变化的响应关系斜率获得。

1.5 数据处理

试验结果采用 Excel 2016、SigmaPlot 14.0、SPSS 22等软件进行统计性检验 (正态性、方差齐性)与分析。不同施肥处理之间的差异采用最小显著差数法 (LSD)进行显著性检验 (P<0.05)。所有土壤测定结果均以3次测定结果的平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量的变化

2.1.1 土壤总有机碳含量和储量 复垦11年后，土壤总有机碳含量和储量均表现为HMF>LMF>F>CK (表2)。相比于CK，F处理的土壤总有机碳含量增加了23.8%，LMF和HMF分别增加了39.6%和82.1%。其中HMF处理的效果最为显著，有机碳含量达到13.45 g/kg，分别是F和LMF的1.47和1.30倍。复垦11年后，所有处理的土壤有机碳储量均显著提高，F、LMF和HMF处理分别是CK处理的1.22、1.37和1.64倍，土壤的固碳速率分别为0.57、0.83 和 1.28 t/(hm2·a)。HMF 处理是快速提高复垦土壤有机碳储量的最佳方式，其固碳速率分别是CK、F和LMF处理的6.29、2.24和1.55倍。

表2 不同施肥处理复垦土壤0—20 cm土层有机碳储量 (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 土壤有机碳组分储量及分配比例 长期不同施肥处理的复垦土壤各组分有机碳储量存在差异，差异主要在各组分中的粗颗粒或粉粒组中，而细颗粒或粘粒组3个施肥处理之间无显著差异 (表3)。相比于CK，F处理的cPOC、H-clay和NH-clay有机碳储量分别提高了37.1%、52.3%和93.5%；LMF、HMF处理的cPOC、iPOC、H-silt和H-clay以及NH-clay组的有机碳储量比CK分别提高了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，其各组分分别提升了19.6%、32.1%、28.5%、5.3%和7.3%。

表3 长期施肥下0—20 cm土层土壤各组分有机碳储量(C t/hm2)Table 3 Stocks of different organic carbon fractions in 0−20 cm top soil under different fertilization treatments

游离态颗粒有机碳组分占总有机碳比例最大，平均为48.5%；其次为稳定碳组分 (生物化学保护有机碳和化学保护有机碳)，平均分别为31.2%和12.9%；物理保护有机碳组分比例最小，平均为7.4%(图1)。相比于CK和F，施有机肥处理 (LMF、HMF)显著提高了物理保护有机碳组分的占比。相比于CK，施化肥处理 (F) 显著降低了生物化学保护组分的比例。

图1 长期施肥下耕层土壤 (0—20 cm) 各组分有机碳在总有机碳中的占比Fig. 1 Proportions of each organic carbon fraction to total organic carbon in topsoil (0–20 cm)under long-term fertilization

2.2 土壤有机碳水平与碳投入量的关系

2.2.1 不同施肥处理的土壤碳投入量 由图2可以看出，长期施肥显著提高碳投入，相比于CK，根茬碳投入平均提高了3.01倍，LMF的根茬碳年投入量达到了3.41 t/(hm2·a)。根茬与有机肥共同的年均碳投入量以 HMF 处理为最高，为 6.29 t/ (hm2·a)，分别比CK、F和LMF高4.64、1.04和0.46倍。

图2 不同施肥处理下年均有机碳投入量(2008—2018)Fig. 2 Annual average organic carbon input under different fertilizations between 2008 and 2018

2.2.2 土壤总有机碳年均固持量与年均投入量的关系复垦土壤总有机碳年均固定量与年均投入量之间呈极显著正相关关系 (图3)。拟合方程的斜率表示复垦土壤的固碳效率，为20.9%。图中虚线的交点为当方程中y为零时x的值，其值是土壤有机碳维持平衡的最低碳投入量。因此，在复垦初期11年间，要维持该土壤有机碳储量的稳定，每年平均需要的最低碳投入量为 0.24 t/(hm2·a)。

图3 土壤年均固碳量与年均碳投入量的关系Fig. 3 Relationship between annual average carbon sequestration and annual average carbon input

2.2.3 土壤各组分有机碳年均固定量与年均投入量的关系 相关分析结果 (图4)表明，游离态颗粒有机碳组分、物理保护有机碳组分、化学保护有机碳组分和生物化学保护有机碳组分的年均固定量均与年均碳投入量之间呈极显著正相关关系 (P<0.01)，其直线斜率表示复垦土壤各组分的固碳效率。拟合方程显示，游离态颗粒组分的固碳效率最高 (9.0%)，其次为生物化学保护组分(6.0%)，再次为物理保护组分(3.4%)和化学保护组分(2.5%)，其中游离态颗粒组分是其余组分的1.50～3.6倍，可见目前增加的有机碳主要固持在游离态颗粒组分中。

图4 年均碳投入量与各组分有机碳年均固定量的关系Fig. 4 Relationship between annual average carbon input and average sequestration of soil organic carbon fractions

3 讨论

长期不同施肥对复垦土壤总有机碳及其各组分有机碳的含量均有显著提升作用，提升幅度为化肥配施高量有机肥 (HMF)>化肥配施低量有机肥 (LMF)>施用化肥 (F)>不施肥 (CK)，这与前人[17–18]的研究结果相似，说明提升土壤有机碳的最佳方式是化肥配施高量有机肥。作物根系及其分泌物、作物残茬和有机肥料的施用为土壤有机碳的主要输入方式[19–20]。施用有机肥直接增加了土壤的碳投入，有机肥又是腐熟的，更有助于土壤有机碳的累积[21]。化肥的施用则是通过促进作物根系生长和增加作物残茬量间接增加土壤的碳投入[22]，本试验中在复垦11年间，所有处理土壤的固碳速率均显著提高，其中化肥配施高量有机肥 [C 1.28t/(hm2·a)] 的效果最佳，与Tripathi等[23]所研究的矿区修复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机肥下的碳投入 [C 6.29 t/( hm2·a)] 显著高于其余处理[C 1.12～4.31 t/( hm2·a)]，能直接提供土壤和作物所需的碳源[24]，进而提高了土壤的固碳速率。

因为土壤有机碳组分的异质性，土壤各组分有机碳含量对不同施肥的响应程度也不同[25–26]。对农业管理措施响应更敏感的活性碳组分是游离态粗颗粒有机碳组分和物理保护有机碳组分[4]，本试验中游离态颗粒有机碳组分占到总有机碳含量的48.5%，其中主要固存形式是粗颗粒组分 (cPOC)。这主要是因为新鲜的作物残茬和动物残体主要提供土壤有机碳中游离态粗颗粒有机碳组分[27]，土壤团聚体对其保护很弱，所以其可作为有机碳受外界影响而变化的指示性碳组分[21]；而在各处理之间细颗粒组分 (fPOC)的有机碳含量无显著差异，可能是因为细颗粒组分中有机碳含量变异较大造成的。本研究中稳定性有机碳组分 (化学保护和生物化学保护组分)在总有机碳中的占比为44.1%，是复垦土壤中有机碳的主要固存形式。其中有机肥施用 (LMF和HMF)显著提升了粉粒组 (silt)有机碳含量，这与樊廷录等[28]的研究结果一致，其原因可能是施用有机肥增强了土壤微生物的活性，促进其代谢分泌物的增加，土壤微生物活性的中间代谢产物直接转移到粘粉粒组分中，使其组分有机碳得到累积[24,29]。而与CK相比，各施肥处理的粘粒组有机碳含量显著提升，但各施肥处理之间差异不显著，主要是因为粘粒组分有机碳被土壤强烈吸附，其周转过程较慢[8]。施有机肥 (LMF和HMF)主要提升了物理保护组分在总有机碳中的占比，其原因是有机肥可以通过增加有机碳胶结物和增加真菌的比例，从而改善土壤中的团聚体结构，进而显著增加土壤有机碳的物理保护作用[5,30]。

本研究表明，在混推复垦方式下，土壤总有机碳的年均碳固定量与年均外源碳投入量之间极显著正相关，固碳效率为20.9%。此结果比魏猛等[31]在潮土上的研究结果 (18.2%)稍高，主要原因是研究区为采煤塌陷后的复垦地，土壤基础肥力低[32]，且试验区低温、缺水，所以微生物活性较弱，使有机碳周转较慢，损失较少[33]。同时本研究结果表明，在混推复垦的方式下，复垦初期11年间每年需要的碳最少投入量为0.24 t/(hm2·a)，这样才能维持土壤有机碳储量的稳定。

本研究表明，复垦土壤所有组分有机碳年均固定量均与年均碳投入之间极显著正相关，说明目前复垦土壤还具有很大的固碳潜力，这与Zhang等[3]在北方地区长期定位试验点研究的结果一致。其中游离态粗颗粒有机碳组分年均固碳量与年均碳投入间关系的变化率 (固碳效率)最大 (9.0%)，说明该组分是复垦土壤新碳的主要固存形式[34]。而化学保护和生物化学保护有机碳组分 (稳定碳组分)年均碳固量与年均碳投入间也极显著线性相关，它们是土壤固碳的主要组分，它们的固碳效率分别为2.5%和6.0%，这可能是因为稳定有机碳组分主要是土壤中粘粉粒与有机物分解最终产物相结合的部分，而粘粉粒在土壤中占比较大，且颗粒小，比表面积大，有助于与外源碳的接触，从而拥有较强的吸附碳的能力[9,32]。

4 结论

1)长期施肥均显著提高了矿区复垦土壤的有机碳储量，其中以化肥配施高量有机肥效果最为显著，其有机碳储量相较于不施肥提高了63.7%，其固碳速率为 1.28 t/(hm2·a)，是矿区复垦土壤快速恢复和培肥的有效措施。

2)复垦土壤有机碳年均固定量与外源年均碳投入量之间极显著正相关，其固碳效率为20.9%，说明复垦土壤有极大的固碳潜力；复垦初期11年间每年最少需投入碳量为 0.24 t/(hm2·a)，才能维持复垦土壤有机碳储量的稳定。

3)游离态颗粒有机碳组分平均占到了总有机碳储量的48.5%，是当前土壤有机碳的主要储存组分；且其年均固定量与年均碳投入之间拟合方程的斜率(固碳效率)在各组分中最大 (9.0%)，是评价土壤有机碳受外界影响的主要指标。化学保护和生物化学保护有机组分 (稳定碳组分)作为评价土壤有机碳储存能力的指标，与年均碳投入间呈极显著的线性关系，其固碳效率分别为2.5%、6.0%，证明其具有很大的固碳能力。