有机肥对矿区复垦土壤团聚体活性有机碳含量的影响

王怡宁 ，郝鲜俊 ，高文俊 ，孙晓东 ，孟会生 ，张 杰 ，陈 鑫

（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；3.山西农业大学 草业学院，山西 太谷 030801）

煤炭开采造成了地表大面积坍塌、土地结构破坏、团聚体含量下降、养分匮乏等问题。矿区塌陷土地恢复过程中通常采用工程复垦，但这往往造成土层上下错位翻动，使得耕层土壤肥力降低，土壤质量下降[1]。团聚体是土壤最基本的结构单元，可以调节土壤肥力、维持土壤疏松结构[2]。团聚体对土壤中的活性有机碳起到了重要的封存和保护作用，稳定的团聚体能够进一步提高土壤的碳固存能力。并且活性有机碳对于维持土壤团聚体稳定性、土壤养分含量等方面起着十分重要的作用[3]。

目前，有关土壤有机碳含量已有较多报道。前人研究表明，不同粒径团聚体有机碳含量不同。安韶山等[4]研究发现，土壤有机碳集中分布在土壤表层，但随土壤团聚体粒径的增大，有机碳的含量逐渐减小。SIX 等[5]在农田土壤上的研究表明，随土壤团聚体粒径的增大，有机碳含量随之增大，＞2 mm 团聚体中有机碳含量最高，＜0.053 mm 团聚体中有机碳含量相对较低。不同土壤中各粒径团聚体有机碳含量分布不同，而在养分贫瘠的复垦土壤中团聚体有机碳含量是如何变化的尚不清楚。此外，有关化肥和有机肥对团聚体有机碳含量的影响也有较多研究。林仕芳[6]研究表明，化肥和有机肥处理均增加了土壤活性有机碳组分，有机肥处理更为显著。李辉信等[7]研究表明，有机肥（猪粪+紫云英）较化肥促进了土壤团聚体有机碳含量的增加。但前人大多是将有机肥与化肥进行对比研究，而不同有机肥之间对土壤团聚体有机碳的影响研究较少。为此，本试验以矿区复垦土壤为研究对象，将土壤分为＞2.00、0.25～2.00、＜0.25 mm 团聚体，探究不同有机肥（鸡粪、猪粪、牛粪）和化肥对矿区复垦土壤团聚体分布和有机碳含量的影响，为改善矿区复垦土壤结构、合理培肥矿区复垦土壤提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

采煤塌陷复垦试验地位于山西省孝义市兑镇镇偏城村（37°06′N，111°37′E），属于暖温带大陆性季风气候，年均气温 10.1 ℃。试验地于2016—2022 年进行了为期6 a 的复垦试验。供试土壤为褐土，质地为壤质黏土，复垦初期理化性质如表1 所示。

1.2 试验材料

供试化肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（P2O516%）和硫酸钾（K2O 52%），由美波尔肥业有限公司生产。有机肥为腐熟鸡粪、猪粪和牛粪，前2 a 采自偏城村养殖场，后4 a 采自山西农业大学动科院牧站，其基本理化性质如表2 所示。

表2 供试有机肥基本理化性质Tab.2 Basic physical and chemical properties of the test organic fertilizers

1.3 试验设计

采煤塌陷土壤2017—2022 年进行了6 a 的田间定位培肥试验。每年5 月播种玉米，10 月收获。本试验选取复垦4～6 a的土壤，设置3 种有机肥（鸡粪、猪粪、牛粪）和化肥，以不施肥处理作为空白对照（CK），共5 个处理，每个处理3 次重复，小区面积为30 m2（5 m×6 m），随机区组排列。有机肥在每年施用前测定N、P、K 含量，施用量以全磷含量（50 kg/hm2）为标准折算，氮、钾不足的小区用化肥补足养分，各施肥处理及养分施用量如表3 所示。玉米成熟后用五点采样法采集土壤样品，带回实验室。

表3 不同施肥处理及养分施用量Tab. 3 Differentfertilization treatments and nutrientapplication rates

表3 不同施肥处理及养分施用量Tab. 3 Differentfertilization treatments and nutrientapplication rates

?

1.4 测定项目及方法

土壤团聚体分级方法[8]采用干筛法，将100 g 土壤样品置于机械振动筛分仪2.00、0.25 mm 套筛的最上层，上下振动5 min，即可分离出＞2.00、0.25～2.00、＜0.25 mm 等3 种粒径的团聚体土样，重复这一步骤，得到足够的团聚体土样。

选取复垦4～6 a 的土壤测定以下指标。采用重铬酸钾外加热法测定土壤总有机碳（TOC）含量[9]，高锰酸钾氧化法测定土壤易氧化有机碳（ROC）含量[10]，K2SO4浸提法测定可溶性有机碳（DOC）含量[11]，氯仿熏蒸法测定微生物量碳（MBC）含量[12]，密度分级法测定轻组有机碳（LFOC）含量[13]。

1.5 数据分析

试验运用Excel 2010 进行数据整理、制图，运用SPSS 软件对土壤团聚体分布、有机碳含量进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤团聚体组成的影响

各粒径团聚体分布情况如图1 所示。

图1 各粒径团聚体分布情况Fig.1 Distribution of agglomerates of all particle sizes

由图1 可知，无论施肥与否，＞2.00 mm 团聚体占绝对优势，达到全土的50%左右，0.25～2.00 mm团聚体占比在40%左右，＜0.25 mm 团聚体占比最小（＜20%）。施肥处理提高了土壤＞0.25 mm 团聚体数量，但差异不显著。然而化肥和有机肥处理却显著降低了＜0.25 mm 团聚体数量（36.34%～76.46%）（P＜0.05），复垦4、5 a，施肥处理间差异不显著，复垦6 a 牛粪处理较化肥处理显著降低了63.02%（P＜0.05）。随复垦年限的增加，＞0.25 mm团聚体数量增加，但＜0.25 mm 团聚体数量显著降低（P＜0.05），复垦6 a 较复垦4 a 降低了33.78%。

2.2 不同有机肥对土壤团聚体总有机碳含量的影响

由图2 可知，各粒径团聚体中，施肥增加了总有机碳含量。＞2.00 mm 团聚体中与CK 相比，有机肥处理显著提高了38.74%（P＜0.05），并且施用猪粪总有机碳含量较化肥显著提高24.78%。＜0.25 mm 团聚体中，化肥和有机肥处理的总有机碳含量较CK 分别显著提高了21.90% 和39.05%（P＜0.05）；猪粪处理较化肥处理显著提高了22.86%（P＜0.05），但有机肥处理间差异不显著。随复垦年限增加，土壤总有机碳含量显著提高（P＜0.05），复垦6 a 较4 a 提高了16.47%～24.84%。总有机碳在0.25～2.00 mm 团聚体中含量最高，且施肥处理和复垦年限的交互作用影响0.25～2.00 mm粒径团聚体总有机碳含量（表4）。在0.25～2.00 mm团聚体中，复垦4～6 a 化肥处理与CK 相比差异均不显著，而猪粪处理显著提高32.12%～54.55%（P＜0.05）。因此，猪粪处理对各粒径团聚体总有机碳含量提升最为显著。

图2 不同有机肥处理对团聚体总有机碳含量的影响Fig.2 Effect of different organic fertilizer treatments on the total organic carbon content of agglomerates

表4 不同复垦年限和施肥处理下土壤各粒径团聚体有机碳含量的双因素方差分析Tab.4 Two-factor ANOVA of organic carbon content of soil agglomerates of all particle sizes under different reclamation years and fertilization treatments

2.3 不同有机肥对土壤团聚体易氧化有机碳含量的影响

2.3.1 不同有机肥对土壤团聚体易氧化有机碳含量的影响 从图3 可以看出，施肥处理对土壤各粒径团聚体易氧化有机碳含量产生了显著影响。各粒径团聚体中，化肥处理较CK 显著提高43.14%～58.54%（P＜0.05）。有机肥处理提升效果更显著，较化肥处理增加了28.04%～99.63%。但在各粒径中，有机肥处理间差异均不显著。复垦年限对＞2.00、0.25～2.00 mm 团聚体中的易氧化有机碳含量产生显著影响，随复垦年限的增加2 类团聚体的易氧化有机碳含量增加，复垦6 a 易氧化有机碳含量较复垦4 a 增加了21.21%～26.64%（P＜0.05）。

图3 不同有机肥处理对团聚体易氧化有机碳含量的影响Fig.3 Effect of different organic fertilizer treatments on the readily oxidizable organic carbon content of agglomerates

2.3.2 不同有机肥对土壤团聚体可溶性有机碳含量的影响 由图4 可知，各粒径团聚体中，与CK 相比，有机肥处理的可溶性有机碳含量显著提高了37.11%～63.71%（P＜0.05），猪粪处理较化肥处理显著提高了42.70%～44.18%。在0.25～2.00 mm团聚体中，不同有机肥处理间可溶性有机碳含量也存在显著差异，猪粪较牛粪处理显著提高19.49%（P＜0.05）。因此，猪粪处理对各粒径团聚体可溶性有机碳含量提升最为显著。复垦年限对土壤可溶性有机碳含量也产生了显著影响，复垦6 a 较4 a显著提高了48.36%～69.80%（P＜0.05）。

图4 不同有机肥处理对团聚体可溶性有机碳含量的影响Fig.4 Effect of different organic fertilizer treatments on the dissolved organic carbon content of agglomerates

2.3.3 不同有机肥对土壤团聚体微生物量碳含量的影响 从图5 可以看出，＞2.00 mm 团聚体中，与CK 相比，有机肥处理显著提高了微生物量碳含量（58.73%～161.87%）（P＜0.05）。复垦4～6 a 不同有机肥中，猪粪处理较鸡粪和牛粪处理显著增加32.11%～64.99%（P＜0.05），复垦5 a 鸡粪处理较牛粪处理显著增加16.09%（P＜0.05）。在0.25～2.00 mm 团聚体中，施用化肥显著提高了微生物量碳含量39.80%（P＜0.05），有机肥处理较化肥处理显著提高16.54%～103.10%（P＜0.05）。在有机肥处理中，复垦4 a 猪粪处理较牛粪处理显著增加37.76%（P＜0.05），复垦5、6 a 猪粪处理较鸡粪和牛粪处理增加29.58%～53.88%。＜0.25 mm 团聚体中有机肥处理较CK 显著增加了42.20%～95.45%（P＜0.05），不同有机肥处理间也存在显著差异，猪粪处理较鸡粪和牛粪处理显著增加28.88%～37.44%（P＜0.05）。微生物量碳含量随复垦年限的增加均呈增加趋势。因此，随复垦年限的增加，有机肥处理中猪粪处理对各粒径团聚体微生物量碳含量增加幅度最大。

图5 不同有机肥处理对团聚体微生物量碳含量的影响Fig.5 Effect of different organic fertilizer treatments on the microbial biomass carbon content of agglomerates

2.3.4 不同有机肥对土壤团聚体轻组有机碳含量的影响 由图6 可知，＞2.00 mm 团聚体中，复垦4 a各处理间无显著差异，复垦5 a 猪粪处理较CK 显著增加50.14%（P＜0.05），复垦6 a 施肥处理较CK 显著增加32.10%（P＜0.05），但施肥处理间差异不显著。在0.25～2.00 mm 团聚体中，复垦4、5 a 猪粪处理较CK 分别显著增加50.14% 和33.48%（P＜0.05），复垦6 a 各处理差异均不显著。在＜0.25 mm团聚体中，施肥处理显著增加了轻组有机碳含量（P＜0.05），化肥和有机肥处理分别提高了20.29%和35.36%。与化肥处理相比，猪粪处理显著提高了21.35%（P＜0.05）。轻组有机碳含量随复垦年限的增加而增加，复垦6 a 较4 a 显著增加了24.20%（P＜0.05）。

图6 不同有机肥处理对团聚体轻组有机碳含量的影响Fig.6 Effect of different organic fertilizer treatments on the light organic carbon content of agglomerates

3 讨论

3.1 有机肥改善土壤团聚体结构

土壤团聚体数量是土壤质量优劣的表现，＞0.25 mm 团聚体数量越多，土壤结构越稳定[14]。施肥处理改善土壤结构，导致土壤团聚体重新分配。本研究发现，施肥处理均影响土壤团聚体数量，＜0.25 mm 团聚体数量显著降低，但除复垦6 a 牛粪处理较化肥处理显著降低63.02%外，其余有机肥处理与化肥处理间无显著差异。此外，施肥处理提高＞2.00 mm 团聚体和0.25～2.00 mm 团聚体数量，这与谢钧宇等[15]的研究结果一致，施肥6 a 后有机肥处理显著提高了土壤＞2.00 mm 团聚体数量。说明施肥促进＜0.25 mm 团聚体向大团聚体转化，这与施肥改善土壤的聚集能力有关。ANGERS等[16]利用13C 技术研究表明，有机肥进入土壤后，微生物将肥料分解，并分泌出了许多胶结物质，之后具有黏性的胶结物质会将＜0.25 mm 粒径团聚体中的大颗粒物质与土壤黏粒相结合，逐渐形成大团聚体。时间也是土壤复垦过程中的关键驱动因素[17]。随复垦年限的增加，＜0.25 mm 团聚体数量逐渐降低，与刘文利等[18]的研究结果一致。这说明复垦对矿区塌陷土地的质量恢复起到了促进作用，可能是由于随着复垦年限的增加，土壤中有机质累积，从而使腐殖质含量增大[19]，玉米根系固结土壤，将腐殖质和微团聚体胶着在一起，降低了小团聚体含量。

3.2 有机肥提高土壤团聚体有机碳含量

土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳及轻组有机碳作为土壤中的活性有机碳组分，能协调土壤养分，参与土壤中营养元素的生物化学转化循环过程[20]。土壤团聚体活性有机碳对土壤环境、外源有机质的输入极为敏感[21]。本试验结果表明，施肥均可以提高土壤各粒径团聚体活性有机碳含量，且有机肥效果优于化肥。这是因为有机肥养分较化肥更加全面持久，腐熟的畜禽粪便有机肥中含有氮、磷等大量营养和能源[22]。3 种有机肥中猪粪处理的活性有机碳含量较高，鸡粪和牛粪次之。其原因可能与不同有机肥的养分含量与理化性质有关。XU 等[23]研究发现，猪粪较鸡粪和牛粪含有较高的易分解碳组分（烷氧碳、羰基碳），而其难分解碳组分（芳香碳）相对较低，表明猪粪中的碳更易于矿化分解，产生较多的有机质供微生物吸收利用，从而提高土壤活性有机碳含量。WANG 等[24]研究发现，猪粪分解可以产生较多的溶解性有机质，促进活性有机碳的增加。罗功文[25]研究也发现，猪粪刺激了土壤中胞外酶的释放，增加了土壤微生物底物周转量和微生物量碳含量。而本研究中牛粪对活性有机碳含量的提升均较低，这可能是因为牛粪中抗分解物质（木质素）含量较高，有机物矿化分解较慢，不利于被微生物利用[26]。因此，猪粪处理对各粒径团聚体中有机碳含量提升幅度较大。本研究还表明，随复垦年限的增加，土壤有机碳含量也显著增加。这是因为根系和凋落物不断进入土壤以及肥料的施用，促进了有机碳含量的累积。此外，ANTHONI 等[27]研究表明，随复垦年限的增加，有机肥对各粒径团聚体中有机碳的保护作用增强。

4 结论

在各粒径团聚体中，＞2.00 mm 团聚体数量较高，占全土的50%左右，而0.25～2.00 mm 团聚体中有机碳含量较高，＜0.25 mm 团聚体占比均最小。随复垦年限的增加，施肥显著降低了＜0.25 mm团聚体数量，增加＞0.25 mm 团聚体数量，有机肥和化肥处理差异不显著。同时，施肥处理显著提高各粒径团聚体活性有机碳含量，具体表现为猪粪≥鸡粪≥牛粪＞化肥，猪粪对活性有机碳含量的提升效果更为显著，建议在养分贫瘠的矿区复垦土壤上选择施用猪粪，以快速培肥土壤。