复垦土壤水稳性团聚体碳氮分布对施肥的响应

何 冰 ，李廷亮 ，2，栗 丽 ，李 顺 ，张 杰 ，逯家豪

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801；2.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

随着经济社会的发展，煤炭资源被大规模开 采，造成地表塌陷，土壤结构破坏，引发了煤矿区土地生态环境恶化、土壤肥力下降以及耕地面积大量减少等一系列问题。恢复采煤塌陷区土地生产力，提高复垦土壤肥力，改善矿区土壤状况，是当前采煤塌陷区急需解决的问题[1-2]。

土壤水稳性团聚体作为土壤结构的重要组成部分，是土壤水肥气热的储存空间，土壤结构又影响着土壤的理化性质、土壤有机质的分布和团聚体分布，在矿区土地复垦中起到了至关重要的作用。肥料的长期施用会改变土壤系统中物质的循环，增强土壤碳、氮养分的供应，对土壤水稳性团聚体的形成及稳定性产生影响[3]。而有机碳是土壤肥力的重要组成部分，其含量反映的是土壤肥力的高低。土壤有机碳和全氮与土壤团聚体不可分割，表土中近90%的土壤有机碳、氮存在于团聚体中，而水稳性团聚体可以保护有机碳、氮，同时有机碳、氮的固定也影响着团聚体的形成和转化[4-7]。刘恩科等[8]在褐潮土上的研究表明，长期施肥对0.25～2 mm水稳性大团聚体的促进作用最明显。陈惟财等[9]关于红壤性水稻土的研究发现水稳性团聚体在耕作层以＞5 mm粒径含量最高，在犁底层以＜0.25 mm粒径含量最高。而韩新生等[10]通过测定发现表层土壤中水稳性小团聚体的含量所占比例最高，史奕等[11]在对黑土的研究中也认为＜1 mm水稳性团聚体在施加化肥的影响下变化含量最高。可见，施肥在一定程度上影响水稳性团聚体含量及其有机碳、氮的含量，但土壤类型、理化性质、肥料品种等对不同粒径水稳性团聚体的影响也有所不同。综合来看，施肥特别是施用有机肥有利于水稳性团聚体含量及其有机碳、氮含量的增加，但不同土壤条件下影响的程度有明显差异[12-13]。

目前，关于水稳性团聚体的研究大多侧重于设施农业、基本农田土壤的研究，尤其是不同的土地利用方式、耕作措施下团聚体特征的探讨[14-15]。而山西采煤塌陷区覆盖面积大，矿区复垦土壤团聚体水平低，土壤贫瘠，肥力较差，对该区域土壤水稳性团聚体水平的研究较少，尤其就不同培肥措施下复垦土壤水稳性团聚体分布以及有机碳、氮含量的研究较为缺乏。

本文采煤塌陷区复垦土壤为研究对象，研究了5种培肥措施对不同复垦年限（4年，8年）土壤水稳性团聚体组成及团聚体碳、氮分布的影响，以期为采煤塌陷区土地恢复及肥力提升等工作提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验基地位于山西省襄垣县洛江沟采煤塌陷区（36°28'11.95″N，113°00'52.57″E），山西农业大学资源环境学院于2007年与该基地签订设立，自2009年起，采用就地平整法复垦，主要种植玉米。该试验区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温8～9℃，年降水量532.8 mm，无霜期平均160 d。

本研究以基地复垦4年和8年（分别于2013年和2009年开始培肥熟化复垦）土壤为研究对象，研究采煤塌陷地复垦土壤在不同培肥措施下水稳性团聚体以及碳氮含量分布的变化规律。

1.2 试验设计

试验设置5个培肥处理：（1）不施肥（CK）；（2）单施化肥（CF）；（3）单施有机肥（M）；（4）有机肥+化肥（MCF）；（5）生物有机肥+化肥（MCFB）。每个处理重复3次，另取未复垦生土（RS）和周边未破坏多年种植熟土（US）作为培肥效果参照。除不施肥对照外，其余各处理均按等养分供应量原则进行设计，具体见表1。试验供试有机肥为鸡粪，含有机质：25.8%，N∶1.68%，P2O5∶2.46%，K2O∶1.35%；供试菌肥是将拉恩式菌、假单胞菌1、假单胞菌2制成混合磷细菌菌液后，与腐熟的鸡粪以1∶9的比例混合均匀，制备成磷细菌肥，其活菌数≥0.5×108CFU·g-1。

表1 不同施肥处理的施肥量 （kg·hm-2）

1.3 测定项目及方法

1.3.1 水稳性团聚体的测定 湿筛法[13]，称取干筛后各粒级团粒体土壤样品50 g，均匀放在孔径分别为 2，1，0.5，0.25，0.053 mm 按顺序组成的对应粒径套筛之上，将套筛放入水稳性团粒分析仪，加入蒸馏水至淹没土样（在整个套筛处于最上端时，最顶层筛的土样保持被水淹没），以35次·min-1上下震动30 min，将各级水稳性团聚体少量多次洗入已知重量的干燥铝盒中，在60℃下鼓风烘干箱中烘干12 h，称质量，测定各级水稳性团聚体含量。

1.3.2 土壤总有机碳、氮的测定 采用重铬酸钾容量法（外加热法）测定各粒级土壤中的有机质含量和半微量开氏法测定土壤全氮含量[16]。

1.3.3 土壤碳氮储量的计算 （1）各粒级团聚体碳（氮）储量比例

（2）各处理团聚体总碳（氮）储量

式中，Pi为第i级团聚体碳（氮）储量百分比（%）；Qi为各粒级团聚体总碳（氮）储量（g·hm-2），Ci为第 i级团聚体碳（氮）含量（g·kg-1）；Wi为第 i级团聚体重量百分数（%）；Z为单位面积耕层土壤重量（kg·hm-2）

1.4 数据分析

所有试验数据通过使用Microsoft Excel 2003软件进行统计运算和整理，所有的测定结果均以三次平行测定结果的平均值来表示，使用SPSS19.0软件检验各处理间差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同培肥措施对土壤水稳性团聚体组成的影响

由表2可知，土壤水稳性团聚体含量在复垦4年CF处理和复垦8年MCF处理表现为按如下粒径顺序依次减小：1～2 mm，＞2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.053～0.25 mm，其他各处理均表现为随粒径的减小逐渐增加；各处理均以0.053～0.25 mm粒级团聚体含量最高，占团聚体总量的35%（US）～50%（RS）。同一复垦年限不同施肥处理之间水稳性团聚体含量无明显变化规律；与未复垦生土相比较，除4年MCFB处理在1～2 mm有所降低外，其余各施肥处理均明显提高了＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒径含量；与周边农田熟土相比较，主要降低了0.5～1 mm，除复垦8年CK以外的1～2 mm，以及除复垦8年MCFB处理以外的0.25～0.5 mm水稳性团聚体含量。与复垦4年相比，复垦 8年 MCF、MCFB处理分别在＞2 mm，0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体含量显著增加了69%和15%，M和MCF处理在微团聚体（0.053～0.25 mm）分别显著减少了22%和14%，其他各有机肥处理在＞2 mm，1～2 mm粒径的水稳性团聚体含量亦有不同程度的增加，但差异均不显著。总体来看，不同施肥处理下复垦土壤水稳性团聚体粒径分布均以0.053～0.25 mm最高，在有机肥参与下随复垦年限增加，土壤水稳性团聚体整体表现为微团聚体（0.053～0.25 mm）减少，大团聚体（＞2 mm，1～2 mm）增加的趋势。

表2 不同培肥处理下土壤水稳性团聚体含量 （kg·hm-2）

2.2 不同培肥措施对复垦土壤有机碳含量及储量的影响

由表3可知，各处理在不同复垦年限各粒径土壤团聚体有机碳含量均明显高于未复垦生土，但低于未破坏多年种植的熟土。复垦4年和复垦8年，有机碳含量在＞2 mm，1～2 mm，0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm粒径均以M处理最高，除复垦8年0.25～0.5 mm粒径外均显著高于CK，在0.053～0.25 mm粒径均以MCF处理最高，显著高于CK。与复垦4年相比较，复垦8年M处理有机碳含量在＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒径均有所下降，其中在前两个粒径分别降低了13%和24%，差异显著；CF、MCFB和CK处理均有所增加，其中CF和CK处理在＞2 mm粒径分别增加了19%和20%，CF和MCFB处理在1～2 mm分别增加了31%和18%，CF处理在0.5～1 mm粒径增加了23%，差异均达显著水平；MCF处理表现为＞2mm和0.5～1mm粒径下降而1～2mm粒径增加，但增幅和降幅均未达显著水平；在0.25～0.5 mm和0.053～0.25 mm两个粒径各处理在不同复垦年限之间有机碳含量差异均不显著。综合而言，各培肥处理均提高了水稳性有机碳含量，尤其是大粒径团聚体（＞2mm，1～2mm和0.5～1 mm），其中 M、MCF、MCFB 处理复垦土壤大粒径团聚体有机碳含量均高于微团聚体（0.053～0.25 mm），以M处理效果最好，其土壤团聚体有机碳含量较CK分别增加了5%～94%。

表3 不同培肥处理下土壤团聚体有机碳含量 （kg·hm-2）

由表4可知，各处理在不同复垦年限各粒径土壤团聚体有机碳总储量均明显高于未复垦生土，但低于未破坏多年种植的熟土。复垦4年，有机碳总储量表现为 M＞MCF＞CF＞MCFB＞CK，其中，＞2 mm和1～2 mm粒径土壤有机碳储量所占比例在各处理间差异均不显著，0.5～1 mm粒径所占比例以M处理最高，显著高于其他处理，0.25～0.5 mm粒径所占比例以MCF最低，显著低于MCF、MCFB和CK处理，0.053～0.25 mm粒径所占比例以MCF处理最高，与其他处理差异不显著；复垦8年，有机碳总储量表现为MCF＞M＞CF＞CK＞MCFB，其中，＞2 mm粒径土壤有机碳储量所占比例以MCF处理最高，与M处理差异不显著，但显著高于其他处理，2～1 mm和0.053～0.25 mm粒径所占比例在各处理间差异均不显著，0.5～1 mm粒径所占比例以CF处理最高，显著高于MCF和MCFB，0.25～0.5 mm粒径所占比例以MCFB处理最高，显著高于MCF处理。与复垦4年相比较，复垦8年M和MCFB处理有机碳总储量分别下降了7%和2%，其他处理均有所增加但差异不显著，其中，M处理0.053～0.25 mm粒径有机碳储量所占比例下降而其他各粒级所占比例均有所增加，但差异均不显著；CF处理＞2 mm粒径所占比例有所下降而其他各粒径所占比例均有所增加，0.5～1 mm粒径增加了5.77个百分点，差异显著；MCF和MCFB处理0.25～0.5mm和0.053～0.25mm 粒径所占比例有所下降而其他粒径所占比例均有所增加，MCF处理0.053～0.25 mm粒径下降了4.56个百分点，差异不显著；CK则表现为0.25～0.5 mm粒径所占比例下降而其他粒径所占比例有所增加，但差异均不显著。综合而言，土壤各处理有机碳储量均以0.053～0.25 mm粒径所占比例最高，以＞2 mm或1～2mm粒径所占比例最低，与冷延慧[17]等研究一致；随复垦年限的增加，M、MCF和MCFB处理均提高了大粒径团聚体（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）有机碳储量，而降低了微团聚体（0.053～0.25 mm）有机碳储量；土壤有机碳总储量以复垦4年M处理最高，显著高于其他处理。

2.3 不同培肥措施对复垦土壤全氮含量及全氮储量的影响

由表5可知，各处理在不同复垦年限各粒径土壤团聚体全氮含量均明显高于未复垦生土，但低于未破坏多年种植的熟土。各处理各粒径土壤水稳性团聚体全氮含量在复垦4年和8年之间差异均不显著，且均以M处理最高CK最低，M处理较CK分别增加了60%～114%和58%～94%，其中除了复垦8年0.25～0.5 mm粒径差异不显著外，其他均达显著水平。

表4 不同培肥措施下土壤水稳性团聚体有机碳储量

由表6可知，各处理在不同复垦年限各粒径土壤团聚体全氮总储量均明显高于未复垦生土，但低于未破坏多年种植的熟土，各处理在不同复垦年限均表现为 M＞MCFB＞MCF＞CF＞CK。复垦 4年，＞2 mm粒径土壤水稳性团聚体全氮储量所占比例以CF处理最高，显著高于M处理，1～2 mm，0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径所占比例在各处理间差异均不显著，0.053～0.25 mm粒径所占比例以M处理最高，显著高于CF和CK处理；复垦8年，＞2 mm、0.5～1 mm粒径土壤水稳性团聚体全氮储量所占比例分别以MCF和CF处理最高，显著高于 MCFB 处理，1～2mm、0.25～0.5mm、0.053～0.25mm 粒径所占比例在各处理间差异均不显著。与复垦4年相比较，复垦8年各土壤水稳性团聚体全氮总储量均有所增加，但差异均不显著；各处理在各粒径全氮储量所占比例除MCF在＞2 mm粒径的增幅（3.77个百分点）显著外，其他无论是增或减，差异均不显著。综合而言，土壤各处理土壤水稳性团聚体全氮储量均以0.053～0.25mm粒径所占比例最高；与未复垦生土相比显著提高了＞2 mm粒径所占比例而降低了0.053～0.25 mm粒径所占比例，与开垦多年熟土相比降低了0.5～1 mm粒径所占比例；从土壤全氮总储量看，复垦4年和8年均以M处理最高，显著高于其他处理。

表5 不同培肥处理下各粒级土壤水稳性团聚体全氮含量 （kg·hm-2）

表6 不同培肥措施下土壤水稳性团聚体全氮储量

3 结论与讨论

本研究表明，不同复垦年限各施肥处理水稳性团聚体含量均以0.053～0.25 mm粒径最高，这与郑子成等[18]在不同土地利用方式下土壤团聚体组成的研究中认为湿筛处理下土壤团聚体均以＜0.25 mm粒径为主的结果一致，这说明水稳性团聚体分布受施肥方式、土地利用方式等影响较小，可能与土壤质地有关；复垦4年和8年，单施有机肥（M）处理较未复垦生土均明显提高了大粒径团聚体（＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm）含量，这与邢旭明等[19]在关于长期施肥对棕壤团聚体组成的研究中认为施有机肥可以增加大团聚体含量，以及刘希玉等[20]在14年长期定位试验同样认为有机培肥有利于红壤水稻土大粒径团聚体和微团聚体形成的结果基本一致；另外随复垦年限的增加，单施有机肥、有机无机配施、生物有机肥与化肥配施处理均可在一定程度上提高＞2 mm和1～2 mm粒径水稳性团聚体含量，而降低0.053～0.25 mm粒径含量，这应该与土壤中有机物质的累积有关。

本试验表明，复垦4年和复垦8年，各培肥处理以单施有机肥对复垦土壤水稳性团聚体有机碳含量的增幅最大，各团聚体有机碳含量较不施肥处理（CK）分别增加了 12%～94%和 5%～41%，这与高会议等[21]、陈晓芬等[22]的研究结果基本一致。其原因可能是有机肥作为有机质来源输入土壤后，较快的与矿物颗粒结合形成有机质矿物复合体，与有机碳吸附，从而促进各粒径团聚体有机碳含量增加。同时，有机肥的增产效应所带入土壤的秸秆及根系胶结物质对水稳性团聚体有机碳的含量也有一定的提高作用。单施有机肥、有机无机配施、生物有机肥与化肥配施处理水稳性团聚体有机碳总体上以大团聚体（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）含量最高，这可能是因为有机碳输入后在有机胶结物质的作用下使小粒径团聚体胶结成大团聚体，增加了大粒径团聚体中有机碳含量[23]。Astrow等[24]通过13C示踪法亦证实大粒径团聚体比微团聚体含有更多的有机碳。而李辉信等[25]研究认为随粒径减小有机碳含量增加，以0.05～0.25 mm粒径有机碳含量最高。这可能与不同研究土壤本身的性质有关，导致团聚体所形成的胶结物质的种类和数量也有差异[26]。各培肥处理不同复垦年限土壤水稳性团聚体均以0.053～0.25 mm粒径有机碳储量最大，这是因为该粒径水稳性团聚体含量最多，因此该粒径为矿区复垦土壤水稳性团聚体有机碳的贡献载体。土壤水稳性团聚体全氮含量及全氮储量与有机碳的变化趋势基本一致，这是因为土壤中95%氮素以有机态氮的形式存在于有机质中，而有机质中碳素的变化必然也会引起有机氮的变化[27]。本试验所设置的生物有机肥与化肥配施处理对土壤团聚体及其养分含量的综合影响均弱于单施有机肥处理，这可能是由于本研究区处于干旱半干旱气候，降水量少，蒸发量大，在复垦周年及作物生育期内微生物活性总体偏低，此外还可能与复垦年限有关，这还需进一步研究。

综合而言，不同施肥处理下复垦土壤水稳性团聚体粒径分布均以0.053～0.25 mm最高，在有机肥参与下随复垦年限增加，土壤水稳性团聚体整体表现为微团聚体减少，大团聚体增加的趋势。综合而言，各培肥处理均提高了水稳性有机碳含量，尤其是大粒径团聚体（＞2 mm，1～2 mm和0.5～1 mm），其中M、MCF、MCFB处理复垦土壤大粒径团聚体有机碳含量均高于微团聚体（0.053～0.25 mm）。综合而言，土壤各处理有机碳储量均以0.053～0.25 mm粒级所占比例最高，以＞2 mm或1～2 mm粒径所占比例最低，与冷延慧等[17]研究一致；随复垦年限的增加，M、MCF和MCFB处理均提高了大粒径团聚体（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）有机碳储量，而降低了微团聚体（0.053～0.25 mm）有机碳储量；土壤有机碳总储量以复垦4年M处理最高，显著高于其他处理。综合而言，土壤各处理土壤水稳性团聚体全氮储量均以0.053～0.25 mm粒径所占比例最高；与未复垦生土相比显著提高了＞2 mm粒径所占比例而降低了0.053～0.25 mm粒径所占比例，与开垦多年熟土相比降低了0.5～1 mm粒径所占比例；从土壤全氮总储量看，复垦4年和8年均以M处理最高，显著高于其他处理。