長期施肥對晉東南礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體穩(wěn)定性及 有機碳分布的影響

李建華 ，李 華，郜春花 ，張 強 ，靳東升，盧晉晶

(1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所， 山西 太原 030031；3.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006)

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其含量、分布及穩(wěn)定性與土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及生物學(xué)特性有著密切的關(guān)聯(lián)，是衡量土壤結(jié)構(gòu)性好壞與肥力高低的重要指標[1-3]。土壤團聚體還是有機碳固持的重要場所，可以通過物理保護將有機碳包被在團聚體內(nèi)免受微生物的分解[4-5]。礦區(qū)復(fù)墾土壤由于礦山開采及復(fù)墾過程中的工程措施使其土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤結(jié)構(gòu)性差，養(yǎng)分含量低，有機質(zhì)匱乏，成了制約礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的主要因素[6]。現(xiàn)代復(fù)墾技術(shù)要求在土地復(fù)墾過程中不僅要關(guān)注作物因素的建立，更應(yīng)該將土壤因素的重構(gòu)作為重點[7]。施肥作為主要的農(nóng)業(yè)管理措施，其對土壤物理性狀的改善、團聚體的形成轉(zhuǎn)化、有機碳的固定分解、土壤產(chǎn)出力的高低影響巨大[8-9]。因此，研究不同施肥方式下礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體組成及其有機碳分布，可為闡明土壤物理結(jié)構(gòu)的重構(gòu)、有機碳的循環(huán)和轉(zhuǎn)化機制、揭示施肥條件下復(fù)墾土壤肥力形成和演變具有重要的理論和實踐意義。

目前，關(guān)于施肥對土壤團聚體組成及團聚體中有機碳、氮含量與分布影響的研究報道較多，但多集中于自然土壤條件下。高會議等[10]研究指出，高氮肥處理及有機無機肥配施均可顯著增加黑壚土中>1 mm的水穩(wěn)性團聚體含量。孫天聰?shù)萚11]研究指出，長期施肥褐土耕層土壤0.25～1.00 mm粒徑團聚體中有機質(zhì)、全氮含量最高，2～5 mm 團聚體含量變化最大。李文軍等[12]基于27年的長期施肥試驗，研究指出，氮磷鉀化肥配施有機肥能有效改善水稻土的物理性狀，增強團聚體的固碳能力。郭菊花等[13]在水稻土上研究發(fā)現(xiàn)，施磷、鉀、氮鉀肥及氮磷鉀與有機肥配施均顯著增加了團聚體的穩(wěn)定性，土壤有機碳主要分布在 0.25～2.00 mm 粒徑的團聚體上。劉恩科等[14]研究褐潮土的結(jié)果顯示，長期施氮磷鉀肥、氮磷鉀配施有機肥及氮磷鉀配合秸稈還田顯著提高了>2.00 mm、0.25～2.00 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量及有機碳含量。不同的土壤環(huán)境下施肥對土壤團聚體的影響差異較大，礦區(qū)復(fù)墾土壤作為一種人為干擾較多的土壤，復(fù)墾過程中土壤團聚體及其有機碳對施肥響應(yīng)的作用機制等相關(guān)研究較少，有關(guān)施肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體穩(wěn)定性及團聚體有機碳的影響還不是很清楚，需開展系統(tǒng)研究。

本研究基于山西晉東南黃土區(qū)采煤沉陷復(fù)墾區(qū)8年的定位試驗，分析不同施肥條件下土壤團聚體含量與分布、團聚體穩(wěn)定性及團聚體中有機碳含量的變化，評價施肥措施對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體結(jié)構(gòu)、團聚體碳分布的影響，以期為礦區(qū)復(fù)墾土壤科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省晉東南地區(qū)長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)西山底村，為黃土塬地貌，土層較厚，其第四系黃土層厚度達109～203 m。地理位置為東經(jīng) 113°00′56″ 和北緯 36°27′16″，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，晝夜溫差較小。多年平均氣溫9.5 ℃，年均降水量532.8 mm，降雨多集中在7-9月，年均蒸發(fā)量達1 768.1 mm，無霜期約169 d。試驗區(qū)屬于潞安集團五陽煤礦井田范圍，井田面積76.71 km2，以瘦煤為主產(chǎn)煤種，煤層厚度介于4.8～6.8 m。煤礦井工開采導(dǎo)致地面沉陷后地表呈馬鞍狀，最大落差為4～5 m，馬鞍狀峰距達150～180 m，塌陷使得水澆地變成了旱薄地，土地生產(chǎn)力嚴重下降。2008年選擇塌陷年限相同，且塌陷后地形基本一致的塌陷農(nóng)田，采用表土剝離的方式進行復(fù)墾。

1.2 試驗設(shè)計

復(fù)墾后的土地種植玉米，并設(shè)立4個不同的施肥處理①CK，不施肥；②NPK，化肥(農(nóng)民習(xí)慣施肥)；③LOF，低量有機肥與化肥配施；④HOF，高量有機肥化肥配施。其中，NPK 處理每季作物施 N 108 kg/hm2、P2O572 kg/hm2、K2O 60 kg/hm2；LOF處理每季作物在NPK 處理的基礎(chǔ)上增施有機肥2.7 t/hm2；HOF 處理每季作物在NPK 處理的基礎(chǔ)上增施有機肥10.8 t/hm2。供試有機肥為雞糞，其養(yǎng)分含量為，有機質(zhì)241 g/kg，全氮17 g/kg，P2O530.4 g/kg，K2O 31.5 g/kg。小區(qū)面積為 60 m2，3 次重復(fù)，隨機排列。表土剝離工程復(fù)墾結(jié)束后，于2008年5月(復(fù)墾第1年)在試驗區(qū)內(nèi)隨機采集10個樣點測定 0～20 cm 土壤樣品的養(yǎng)分含量和土壤機械組成情況(表1)。

表1 試驗區(qū)土壤的背景情況Tab.1 Basic soil properties of the test area

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤團聚體組成樣品的采集 2016年10月玉米收獲后(復(fù)墾8年)，每個試驗小區(qū)隨機選擇3個點，每個點用方盒采集20 cm ×20 cm ×20 cm的原狀土壤3個。室內(nèi)自然風(fēng)干，當土壤含水量達到塑限時，沿自然斷開面用手把大土塊輕輕掰成約1 cm 大小的小塊，過 10 mm篩后繼續(xù)風(fēng)干，備用。

1.3.2 土壤團聚體的測定 原狀土風(fēng)干后依據(jù)Elliott[15]土壤團聚體濕篩法測定水穩(wěn)性團聚體含量，得到>5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25和﹤0.25 mm 粒徑的團聚體，烘干稱重。土壤及各級團聚體中有機碳含量：采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析采用Microsoft 2007 和SPSS 17.0軟件進行處理，并利用LSD法進行方差分析， 采用Pearson法進行相關(guān)性分析。

把粒徑>0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，<0.25 mm 粒徑的團聚體稱為微團聚體[17]，大團聚體數(shù)量R0.25計算公式如下。

①

式中，Mr>0.25為粒徑>0.25 mm的團聚體質(zhì)量，MT為團聚體的總質(zhì)量。

平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)[18]計算公式如下。

②

③

分形維數(shù)(D)[18]：

④

土壤團聚體有機碳貢獻率[14]計算如下。

⑤

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體分布特征

連續(xù)8年不同施肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體的含量與分布見表2。不同施肥處理下復(fù)墾農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體都以<0.25 mm的微團聚體所占比例最大，約占57.70%～73.94%。在大團聚體(>0.25 mm)中，2～0.25 mm粒徑團聚體所占比例顯著高于>2 mm粒徑的團聚體。與CK相比，各施肥處理均顯著降低了<0.25 mm的微團聚體的比例，說明施肥促進了復(fù)墾土壤大團聚體的形成。在大團聚體中，各粒徑團聚體所占比例大致表現(xiàn)為：高量有機肥化肥配施>低量有機肥化肥配施>化肥>對照。高量有機肥化肥顯著提高了各粒級團聚體比例，其中，對2～1 mm和0.5～0.25 mm這2個粒級團聚體的影響最大。

2.2 不同施肥礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體穩(wěn)定性特征

比較8年施肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體的大團聚體數(shù)量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)及土壤分形維數(shù)(D)的影響，結(jié)果表明(表3)，與對照相比，化肥處理顯著提高了土壤的R0.25和GMD，低量有機肥化肥配施和高量有機肥化肥配施顯著提高了土壤團聚體的R0.25、MWD和GMD。復(fù)墾8年后礦區(qū)土壤粒徑分布的分形維數(shù)(D)在2.861～2.925，施肥均降低了土壤團聚體分形維數(shù)。與對照相比，有機肥化肥配施均顯著降低了土壤的分形維數(shù)；高量有機肥化肥配施與低量有機肥化肥配施之間差異不顯著；化肥對土壤團聚體分形維數(shù)的影響不顯著。說明有機無機肥配施顯著提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性，高量有機肥化肥配施與低量有機肥化肥配施對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響差異不顯著，化肥對復(fù)墾土壤的團聚體穩(wěn)定性無顯著影響。

表2 不同處理土壤團聚體的組成Tab.2 Distribution of aggregate of reclaimed soils under different treatments %

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤；不同小寫字母表示不同處理同一粒級差異顯著(P<0.05)。表3-4、圖1同。

Notes： Date is mean ± SE; Different small letters mean significant difference at 0. 05 level in Different treatment at the same size aggregate. The same as Tab.3-4 and Fig.1.

表3 不同處理土壤團聚體穩(wěn)定性參數(shù)Tab.3 Stability index of soil aggregates under different treatments

2.3 不同施肥礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體有機碳分布特征

土壤有機碳在不同粒徑團聚體中的含量和分布情況如圖1所示。施肥顯著增加了礦區(qū)復(fù)墾土壤總有機碳的含量(圖1，原土)，是對照的1.40～2.02倍，其中，高量有機肥化肥配施處理最高，為10.24 g/kg；其次為低量有機肥化肥配施處理，為9.20 g/kg。不同粒級團聚體中有機碳含量的變化趨勢大小大致為5～2 mm>1～0.5 mm>2～1 mm>0.5～0.25 mm>(<0.25 mm)，土壤有機碳的分布主要集中在 5～2 mm和1～0.25 mm粒徑的團聚體內(nèi)，總體表現(xiàn)為>0.25 mm的各粒徑團聚體有機碳含量高于<0.25 mm的微團聚體，大團聚體固持有較多的有機碳。施肥增加了土壤各粒徑團聚體中有機碳的含量，同一粒級團聚體中的有機碳含量表現(xiàn)為高量有機肥化肥配施高于低量有機肥化肥配施處理，有機肥化肥配施各級團聚體中有機碳含量比對照分別提高了122.20%，171.90%，146.20%，122.47%，85.40%和87.30%，說明高量有機肥化肥配施對5～2 mm粒徑團聚體的有機碳含量影響最大。

圖1 不同處理土壤及各粒徑團聚體有機碳含量Fig.1 Organic carbon content of soil and different size water-stable aggregates under different treatments

2.4 不同施肥團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率

不同施肥團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率見表4。各處理土壤團聚體均以< 0.25 mm粒徑的微團聚體有機碳貢獻率最高，在大團聚體中，2～1 mm，0. 5～0.25 mm及5～2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率較高。低量有機肥無機肥配施與高量有機肥無機肥配施較對照顯著降低了<0.25 mm 粒徑微團聚體有機碳的養(yǎng)分貢獻率，分別降低了21.33%和27.64%，化肥與對照之間差異不顯著。施肥對土壤大團聚體有機碳的養(yǎng)分貢獻率表現(xiàn)為，高量有機肥無機肥配施>低量有機無機肥配施>化肥>CK，有機無機肥配施均顯著提高了土壤大團聚體的養(yǎng)分貢獻率，其中高量有機肥化肥配施對5～2 mm和2～1 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率提高幅度最大。

2.5 土壤團聚體各粒徑含量與土壤有機碳、團聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性

分析各粒徑下土壤團聚體含量與土壤有機碳及團聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，結(jié)果表明(表5)，土壤有機碳(SOC)、大團聚體數(shù)量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)均與﹤0.25 mm粒徑微團聚體含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與>0.25 mm大團聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。團聚體分形維數(shù)(D)與﹤0.25 mm粒徑團聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與0.25～5 mm大粒徑團聚體含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系。SOC與R0.25、MWD、GMD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，R0.25、MWD和GMD三者之間為極顯著的正相關(guān)關(guān)系，D與R0.25、MWD、GMD呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

表4 不同粒徑團聚體內(nèi)有機碳含量對土壤總有機碳的貢獻率Tab.4 Contribution rate of organic carbon in different aggregates to soil total organic carbon %

表5 各粒徑團聚體與有機碳含量、穩(wěn)定性參數(shù)的相關(guān)性Tab.5 Correlation among aggregates and organic carbon，R0.25，MWD，GMD，D with different sizes

注：**.在P<0.01 水平上極顯著相關(guān)；*.在P<0.05 水平上顯著相關(guān)。

Notes：**.Significantly related at the 0.01 level；*.Significantly related at the 0.05 level.

3 結(jié)論與討論

3.1 施肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體組成及穩(wěn)定性的影響

本研究結(jié)果顯示，施肥顯著降低了<0.25 mm的微團聚體的比例，促進了復(fù)墾土壤大團聚體的形成。高量有機肥化肥顯著提高了各粒級團聚體比例，其中，對2～1 mm和0.5～0.25 mm這2個粒級團聚體的影響最大，這與前人在自然農(nóng)田土壤上的研究結(jié)果相似。劉恩科等[14]在褐潮土上研究指出，長期氮磷鉀配施有機肥提高了耕層大團聚體含量，李文軍等[12]在洞庭湖區(qū)水稻土上研究指出，化肥配施有機肥較單施化肥能更有效地促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。這是由于無機肥進入土壤后會通過增加植物枯枝落葉、根系等有機物料促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成[19]，有機肥的投入既可帶入大量的活性膠結(jié)物質(zhì)，又可促進植物生長，而植物枯枝落葉、根系及根系分泌物的增加會進一步促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的改善，形成一個良性循環(huán)體系[20-21]。邸佳穎等[22]比較低量糞肥配施化肥與高量糞肥配施化肥對土壤團聚體含量及穩(wěn)定性的影響后指出，>2 mm粒徑團聚體和 2～0.25 mm粒徑團聚體的比例和團聚體穩(wěn)定性隨 SOC 濃度提高而增加，當 SOC濃度高于一定值后，這種增加不再明顯。礦區(qū)復(fù)墾土壤有機質(zhì)含量低，土壤顆粒以砂粒為主，這些都不利于土壤團聚體的形成，高量有機物料的投入可以明顯促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成。

R0.25、MWD和GMD都是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，R0.25、MWD和GMD越大，表明土壤團聚體的穩(wěn)定性越高。研究結(jié)果表明，有機肥化肥配施可顯著提高復(fù)墾土壤的團聚體穩(wěn)定性，高量有機肥化肥配施與低量有機肥化肥配施之間差異不顯著，化肥對復(fù)墾土壤的團聚體穩(wěn)定性影響不顯著。這與王麗等[23]在渭北旱作玉米田及毛霞麗等[24]在浙江稻田土壤上的研究結(jié)果一致。Puget等[25]研究認為，有機質(zhì)中的一些真菌菌絲體、不穩(wěn)定碳水化合物以及脂肪族化合物等都是增加大團聚體穩(wěn)定性的主要膠結(jié)物質(zhì)。有機物料施用在為團聚作用提供膠結(jié)物質(zhì)的同時，還會有效刺激土壤微生物，激發(fā)土壤生物活性，真菌和細菌分別對大團聚體和微團聚體的形成有較大的貢獻[26]。土壤是一種具有明顯分形特征的多孔介質(zhì)，分形維數(shù)(D)越低，土壤團聚體穩(wěn)定性越高，是土壤結(jié)構(gòu)評價的一個新指標[23]。本研究中復(fù)墾8年的礦區(qū)土壤粒徑分布分形維數(shù)在2.861～2.925，有機肥化肥的配施顯著降低了土壤分形維數(shù)。丁敏等[27]研究指出，黃土區(qū)理想結(jié)構(gòu)土壤的粒徑分布分形維數(shù)應(yīng)在2.75左右，說明復(fù)墾土壤的團聚結(jié)構(gòu)狀況仍需要進一步提升。

3.2 施肥對礦區(qū)復(fù)墾土壤團聚體有機碳的影響

土壤各粒徑團聚體中有機碳含量可以從微觀角度表征土壤有機碳的礦化與累積，對土壤碳匯與肥力的形成意義重大[28]。本研究中，土壤有機碳的分布主要集中在 5～2 mm，1～0.25 mm粒徑的團聚體上，總體表現(xiàn)為>0.25 mm的各粒徑團聚體有機碳含量高于<0.25 mm的微團聚體，大團聚體可富集較多的有機碳。Six等[9]研究認為，較小粒徑團聚體在有機物等膠結(jié)劑的結(jié)合下形成了大團聚體，因此，有機碳含量會隨著團聚體粒徑的增大而增加。施肥增加了各粒徑團聚體的有機碳含量，這與許多長期試驗結(jié)果一致[2，28-29]，高量有機肥化肥配施的促進作用最為顯著，且主要促進了>0.5 mm粒徑團聚體有機碳含量的提高。土壤有機碳貢獻率是綜合考慮各粒級土壤團聚體數(shù)量與有機碳含量，可以反映各粒級團聚體對土壤總有機碳的貢獻率，也能客觀地反映施肥對有土壤機碳庫的作用[30]。本研究中，有機無機肥配施顯著降低了<0.25 mm 粒徑微團聚體的有機碳貢獻率，提高了大團聚體(>0.25 mm)的有機碳貢獻率。高量有機肥化肥配施對2～1 mm和5～2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率提高幅度最大。說明有機無機肥配施對于土壤有機碳的累積效果優(yōu)于單施化肥措施。這與張久明等[31]在黑土以及毛霞麗等[24]在稻田土壤上的研究結(jié)果相一致。有機無機肥配施不僅可以增加土壤有機碳含量，而且有利于土壤中大粒徑團聚體的形成，提高大團聚體對總有機碳的貢獻能力。

本研究中，土壤有機碳(SOC)、大團聚體數(shù)量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)均與>0.25 mm大團聚體含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機碳與大團聚體數(shù)量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明隨著土壤有機碳含量的增加，土壤大團聚體的數(shù)量增加，土壤團聚體的穩(wěn)定性增強，這與王子龍等[32]研究指出的黃土大團聚體穩(wěn)定性的提高主要取決于土壤有機碳含量的結(jié)果相一致。邸佳穎等[22]研究指出，在有機碳含量較低的土壤上，土壤團聚體穩(wěn)定性與有機碳含量顯著正相關(guān)。因此，在晉東南礦區(qū)復(fù)墾土壤上，高量有機無機肥的配施是提高土壤有機碳含量、培育土壤團粒結(jié)構(gòu)的有效施肥措施。