有机肥配施菌剂对复垦土壤有机碳和碳库管理指数的影响

关一凡，孟会生，王帅兵，焦金铖，吴新星，郝鲜俊

（山西农业大学资源与环境学院，山西太谷 030801）

随着经济的不断发展，煤炭资源的需求也快速增长。2023 年1—11 月，山西原煤产量124 609.9 万t，增长3.8%[1]，是名副其实的全国第一产煤大省。然而，在开采矿山过程中，尾矿粉尘飞扬、粉煤灰等会进入土壤中并积累，经雨水冲刷、淋溶，造成土壤酸化、土壤耕地退化和土壤质量降低等问题[2]。因此，对矿区复垦土壤肥力的提高及质量的恢复成为重中之重。目前，矿区土壤改良技术主要包括物理、化学、生物技术。物理改良技术是矿区复垦的基础，但是处理效率较低，不适合大规模污染土壤；化学改良技术可改善土壤理化性质，减少土壤污染，但是缺乏持久性，这些技术在处理污染土壤的矿山废弃地方面具有潜力，但仍有局限性。同时，环境材料在矿区的土壤改良中具有广泛的应用，我国目前应用较多的环境材料主要有生物炭、微生物菌肥等，它们在水肥保持和环境治理方面具有很好的实践效果[3]。微生物菌肥作为一种新兴的绿色肥料，可以通过改变土壤的物理特性，改善土壤中的生物多样性，提高养分肥力，促进植物生长[4]。相关研究近年来发展迅速，其中以解磷菌和固氮菌应用最为广泛。姜瑛等[5]研究表明，将高效固氮解磷菌接种于土壤中，可以有效提高NH4+-N、NO3--N、矿质氮含量。同时，土壤有效磷含量提高18.1%。Yu 等[6]研究表明，荧光假单胞菌能够显著提高植株苗高和地上部干质量，增加核桃氮、磷的吸收。罗心诚等[7]研究表明，芽孢杆菌属可使水稻的净光合速率提高8.78%，产量提升21.3%，并且显著提升水稻土中全氮、全磷、全钾、碱解N、速效K等含量。武杞蔓等[8]研究表明，微生物菌肥能够显著增加番茄植株产量，改善番茄果实品质，提高叶片叶绿素含量。尽管菌剂已广泛应用于农业生产，但是在实际应用中存在一定的局限性，且菌剂对增产的效果有限，这是由于其本身并不含有植物生长所需的关键营养成分。此外，对于矿区复垦土壤，其生态系统本身较为脆弱，土壤结构破坏，氮磷养分贫瘠，土壤微生物稀少[3]。肥料配施菌剂不仅能提高土壤固氮效率、改善农产品品质、实现粮食增产，而且减少施加肥料对土壤造成的污染，有利于绿色农业发展。朱望帅等[9]研究表明，化肥减施与微生物菌肥配施可改善盐碱地土壤理化环境与生物学性状、提升玉米产量和品质、提高经济效益、肥料养分利用效率。张涛等[10]研究表明，化肥减量配施微生物菌肥能提高土壤有机质含量，有效防止速效磷损失，中和土壤酸性，提高生态效益。缪平等[11]研究表明，鸡粪＋微生物菌肥处理对苹果幼苗生长和盐碱化土壤的改善效果较好，且处理时间越长对苹果幼苗生长和土壤的改良效果越明显。Kumar 等[12]研究表明，通过增加生物接种剂和无机肥料的应用，可以有效控制穿心莲植物在雨季的黄化问题。鉴于此，菌剂与其他肥料配合施用是一个潜在的优化方案[13]。同时，山西农业大学资源环境学院矿区土壤复垦与微生物多样性研究室筛选出一株高效固氮菌株，研究其与肥料组合对土壤肥力及土壤质量恢复的影响具有重要的研究意义。

土壤有机碳是评价土壤恢复效果的重要指标[14-15]，是表征土壤质量的关键指标之一，同时在全球碳循环过程中也扮演着重要角色。土壤活性有机碳可以反映土壤有机质有效组分的变化[16]。土壤碳库管理指数因结合了土壤碳库指标和土壤碳库活度指标，既反映了外界管理措施对土壤有机碳总量的影响，也反映了土壤有机碳组分的变化情况[17]。因此，该指标对复垦土壤最为关键。依托山西省晋中市榆次区后沟村采煤矿区长期定位试验平台，探讨不同施肥处理与复垦年限对复垦土壤有机碳组分和碳库管理指数的影响，以期为提升复垦土壤碳库活性、微生物活性及菌肥的合理配施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

以山西省晋中市榆次区后沟村采煤矿区定位复垦试验田土壤为研究对象，该地属暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温9.6 ℃，四季分明，春、秋短促，7—9 月气温最高，年平均降水量456.8 mm，全年无霜期为170 d 左右。供试土壤的基本性状见表1。

表1 供试土壤的基本性状

1.2 供试材料

供试玉米品种为郑单958，由河南省农业科学院粮作所科技有限公司生产；供试肥料为化肥：尿素（含N 46%，安阳中盈化肥有限公司生产）、过磷酸钙（含P2O516%，湖北丰乐生态肥业有限公司生产）和氯化钾（含K2O 60%，天津长芦海晶集团有限公司滨海新区第三分公司生产），均为农用肥料；有机肥：完全腐熟的鸡粪（含有机质29.4%、N 1.45%、P2O50.54%、K2O 1.56%，农家自产，直接经高温好氧发酵罐技术处理所得，没有增加其他腐熟菌剂及辅料）；供试菌剂：山西农业大学资源环境学院矿区土壤复垦与微生物多样性研究室筛选出的固氮菌剂，固氮量为4.54 μg·mL-1（采用LB 液体培养基制成）。

1.3 试验设计

采用双因素（施肥处理×复垦年限）随机区组设计，在山西省晋中市榆次区后沟村采煤矿区进行田间试验。该试验地年平均温度为9.5 ℃，1 月平均-6.4 ℃，7 月平均23 ℃，霜冻期为10 月中旬至次年4月中旬，无霜期平均149～175 d，年均降水量468.4 mm。玉米分别于2020 年5 月1 日和2021 年5 月1日播种，并于当年9 月底收获。复垦年限包括1 年和2 年，施肥设置7 个处理：不施肥（CK）、化肥（CF）、化肥+菌剂（CFB）、有机肥（M）、有机肥+菌剂（MB）、有机肥+化肥（MCF）、有机肥+化肥+菌剂（MCFB），每个处理重复3 次。小区面积为100 m2（10 m×10 m）。以等量施肥为原则，N 为261 kg·hm-2、P2O5为97 kg·hm-2、K2O 为281 kg·hm-2，播种密度为72 000株·hm-2。所有肥料在播种时使用旋耕机一次性均匀撒施，未进行追肥。

1.4 样品采集及处理

玉米收获后，采用五点采样法采集土壤表层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[18]测定土壤总有机碳（TOC）；采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法[19]测定土壤水溶性有机碳（DOC）；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]测定土壤微生物量碳（MBC）；采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法[20]测定土壤易氧化有机碳（ROC）。

土壤碳库管理指数（CPMI）的计算[21]：以CK 作为参考土壤，将CK 土壤总有机碳(TOC)和碳库活度（A）的平均值作为参考土壤的TOC 含量和A0值，CPMI 计算方法为：

1.6 数据分析

采用MicrosoftExcel 软件对数据进行整理，使用SPSS 软件对数据进行方差分析，LSD 法进行样本平均数的差异显著性比较（α=0.05），使用Origin2022 构建相关性分析图，CANOCO5.0 软件进行冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对复垦土壤总有机碳和活性有机碳组分的影响

双因素方差分析表明，施肥处理与复垦年限对土壤有机碳组分具有显著影响，同时二者具有显著的交互作用。由图1 所示，复垦2 年的MB 处理土壤总有机碳、微生物量碳、水溶性有机碳和易氧化有机碳含量最高。由图1-A 所示，对于复垦2 年的土壤，MB 处理的土壤总有机碳含量较M 处理显著提高7.00%，MCFB 处理较MCF 处理显著提高8.61%；由图1-B 所示，对于复垦2 年的土壤，MB 处理的微生物量碳较M 处理显著提高13.1%，较复垦1 年显著提高26.6%；由图1-C 所示，除复垦2 年的CFB 处理土壤水溶性有机碳较复垦1 年无显著差异外，其余复垦2年的施肥处理土壤水溶性有机碳含量较复垦1 年相应施肥处理显著提高；由图1-D 所示，复垦2 年的各施肥处理土壤易氧化有机碳含量较复垦1 年相应施肥处理显著提高。综上所述，较复垦1 年相比，复垦2年的MB 处理对土壤有机碳组分的提升效果更好。

2.2 不同施肥方式对复垦土壤碳素有效率的影响

由表2 所示，复垦2 年的MB 处理MBC 有效率、DOC 有效率最高，复垦2 年的MB 处理DOC 有效率和ROC 有效率较复垦一年均差异显著，分别显著提高21.7%、33.5%。除复垦2 年的MCFB 处理DOC 有效率较复垦一年DOC 降低，其他复垦2 年处理较复垦1 年处理均可有效提高MBC 有效率、DOC 有效率和ROC 有效率，表明各施肥处理均可有效提高碳素有效率。

表2 不同施肥方式下土壤有机碳的有效率 %

2.3 不同施肥方式对碳库管理指数的影响

由表3 可知，复垦2 年的MB 处理碳库指数、碳库管理指数最大，分别较复垦1 年MB 处理显著提高17.9%、44.2%（P<0.05），复垦2 年土壤的非活性有机碳含量均显著低于复垦1 年。这表明有机肥+菌剂处理对提高土壤碳库指数和碳库管理指数具有重要作用。同时，年限越长，越有利于提高土壤碳库指数和碳库管理指数，有利于降低非活性有机碳含量。

表3 不同施肥方式对土壤碳库管理指数的影响

2.4 有机碳库各指标之间的相关性

由图2 可以看出，除土壤易氧化有机碳含量与土壤总有机碳含量、微生物量碳之间没有显著的相关性（P>0.05），其他各指标之间均存在显著的相关性关系。土壤总有机碳含量与微生物量碳、水溶性有机碳含量之间存在极显著（P<0.001）的相关性，表明复垦土壤总有机碳与微生物量碳、水溶性有机碳之间关系密切。此外，碳库管理指数与土壤有机碳含量、微生物量碳和水溶性有机碳含量均存在极显著（P<0.001）相关性，与易氧化有机碳含量存在极显著（P<0.01）的相关性，其中碳库管理指数与水溶性有机碳含量相关性最大，表明土壤水溶性有机碳对碳库管理指数的影响最大。

图2 有机碳库各指标之间的相关性

2.5 不同施肥方式下复垦土壤RDA 分析

为更直观了解不同复垦年限不同施肥处理对土壤有机碳组分、碳库管理指数、碳素有效率的影响，对上述数据进行排序（图3），其中前2 个排序轴的特征值分别为0.738 1 和0.157 4，前两轴的累积贡献率为89.5%。排序图将42 个样方分别分为A、B 2 个区域，A 代表复垦1 年土壤，B 代表复垦2 年土壤。2 个复垦年限之间有机碳库的赋存特征存在明显差异，复垦2 年的有机碳库含量显著优于复垦1年（P<0.05）。整体来看，同一年限内，与CK 相比，所有施肥处理均明显促进了土壤有机碳库累积，其中，复垦2 年的MB 处理效果最显著。对复垦2 年土壤影响碳库管理指数的施肥处理顺序为：MB>M>MCFB>MCF>CFB>CF>CK，其中MB 处理对提高土壤碳库管理指数最为有效。

图3 不同施肥方式下复垦土壤RDA 分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究表明，有机肥+菌剂处理对复垦土壤总有机碳的提升效果最为显著，与单施有机肥处理相比差异显著（P<0.05），这与张敬业等[22]的研究结果一致。一方面，复垦土壤有机质等养分背景值低下，有机肥的连续施用和积累可增加土壤碳的投入、提高作物产量、增加颗粒态有机碳的直接输入量。另一方面，配施有机肥提高了生物菌肥的施用效果，有机肥提供有机质，微生物菌剂提供有益微生物。此外，有机质的添加能显著影响土壤微生物种群和酶活性，并且降低改良土壤环境对有益菌的负面影响。与单施有机肥相比，显著提高土壤总有机碳含量。

土壤微生物量碳是土壤微生物生物量的重要表征[23]。本研究表明，有机肥处理的微生物量碳显著高于有机肥+无机肥处理（P<0.05），这与郭亚军等[24]的研究结果一致。主要原因可能是有机肥+菌剂处理的有机肥是M 处理的一半，施入的有机肥减半后土壤中易被微生物降解的有机物质随之减少，导致有机无机肥配施菌剂的效果不如有机肥+菌剂。大量研究表明，化肥+菌剂处理对微生物量碳的影响显著高于单施化肥处理[24]。但本研究表明，复垦1 年的化肥+菌剂处理的微生物量碳与化肥处理相比降低。主要原因可能是化肥中的氮、磷、钾几种元素的总养分过高，抑制了微生物的活性，甚至造成菌种生理性失水死亡。

土壤碳库管理指数表征土壤碳库变化的指标，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[25]。有研究表明，菌剂+有机肥+无机肥配合施用是矿区复垦土壤培肥和植被恢复的最佳组合方式[26]。但本研究表明，有机肥+菌剂处理对复垦土壤碳库管理指数的提升效果最好。一方面，有机肥、无机肥和菌剂的配比并不是最佳，导致效果没有达到最佳，不如有机肥配施菌剂处理的效果；另一方面，施入的无机肥影响了微生物活性，导致微生物的固氮解磷作用没有达到预期效果。大量研究表明，土壤碳库管理指数与活性有机碳含量之间的相关性最大[27]。但本研究表明，土壤碳库管理指数与水溶性有机碳含量相关性最大。主要原因可能是在土壤进行复垦的过程中，对土壤的施肥和耕作措施，在一定程度上会增强上层土壤的微生物活性、增加易溶于水的代谢产物。

本研究通过深入分析不同施肥方式及复垦年限对有机碳库、碳库管理指数的影响，得出复垦年限越长的有机肥+菌剂处理对于土壤肥力的提升效果最好的结论，为有机肥配施以及新型菌肥的施用在农业生产上提供科学理论依据。同时，由于试验条件有限，大田试验极易受到当地天气条件的影响，有机碳库其他组分指标还待于进一步测定。在今后的研究中，对于探索有机肥与菌剂的添加比例等因素对土壤肥力的影响仍需要长期持续观测和深入研究。

3.2 结论

（1）复垦2 年的有机肥+菌剂处理对土壤总有机碳（TOC）、微生物量碳（MBC）、水溶性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（ROC）含量的提升效果最好。此外，复垦2 年的有机肥+菌剂处理的MBC 有效率、DOC 有效率最高，能够显著提高土壤碳素有效率。

（2）复垦2 年的有机肥+菌剂处理对土壤碳库指数及碳库管理指数的提升效果具有积极意义，可显著降低非活性有机碳含量。复垦土壤总有机碳与微生物量碳、水溶性有机碳之间存在转化关系，土壤水溶性有机碳对碳库管理指数的影响最大。2 个复垦年限之间有机碳库的赋存特征存在明显差异，复垦2 年的有机碳组分显著优于复垦1 年。