礦區(qū)復(fù)墾土壤碳組分對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)特征*

張?jiān)讫? 郜春花, 劉 靚, 靳東升, 盧晉晶, 李建華**

礦區(qū)復(fù)墾土壤碳組分對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)特征*

張?jiān)讫?, 郜春花2, 劉 靚1, 靳東升2, 盧晉晶2, 李建華2**

(1. 山西大學(xué)生物工程學(xué)院 太原 030006; 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院)農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 太原 030006 )

研究外源碳輸入對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳及組分的影響, 對(duì)于深入探究礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳提升及培肥管理具有重要意義。本文依托山西省襄垣縣采煤沉陷復(fù)墾區(qū)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 研究了礦區(qū)復(fù)墾土壤碳組分對(duì)不同外源碳(生物炭、堆肥、沼渣、牛糞與秸稈)輸入的響應(yīng)特征。分別在2011年與2016年對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤樣品進(jìn)行采集, 測(cè)定0~20 cm土層土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、活性碳庫(kù)Ⅰ、Ⅱ的含量。結(jié)果表明, 生物炭處理的土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率和年變化量較對(duì)照(CK, 無(wú)外源碳添加)分別增加101.80%和0.56 g?kg–1?a–1, 且均顯著高于其他有機(jī)物料處理; 生物炭、牛糞處理土壤0~20 cm土層固碳量較CK分別提高100.52%和91.52%, 二者間差異不顯著, 均顯著高于其他有機(jī)物料處理, 堆肥、沼渣和秸稈處理間對(duì)土壤固碳量的提升作用不顯著。添加有機(jī)物料均能顯著增加復(fù)墾土壤易氧化有機(jī)碳的增長(zhǎng)率和年變化量, 均表現(xiàn)為堆肥處理最高, 較CK分別增加12.37%和0.16 g?kg–1?a–1。復(fù)墾土壤活性碳庫(kù)Ⅰ、Ⅱ的增長(zhǎng)率和年變化量均為牛糞處理顯著高于其他有機(jī)物料處理。有機(jī)物料添加均能提高土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳含量, 與CK相比, 生物炭和牛糞處理的提高幅度最大, 顯著高于其他有機(jī)物料, 而牛糞與生物碳之間差異不顯著。生物炭處理碳庫(kù)管理指數(shù)最高, 分別較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理提高36.30%、52.23%、41.50%、52.02%。施用生物炭、堆肥、沼渣、牛糞與秸稈都能顯著提升復(fù)墾土壤各碳組分含量和碳庫(kù)管理指數(shù), 施用生物炭的效果最優(yōu), 因此施用生物炭可作為礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳提升的有效管理措施。

復(fù)墾土壤; 有機(jī)物料; 有機(jī)碳; 碳組分; 碳庫(kù)管理指數(shù)

山西是我國(guó)的煤炭大省之一, 長(zhǎng)期的煤炭開(kāi)采在促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和土地資源造成了極大的破壞[1]。長(zhǎng)期的井工開(kāi)采造成土地大面積沉陷, 土壤肥力降低, 土地生產(chǎn)力下降。礦區(qū)復(fù)墾土壤, 具有有機(jī)質(zhì)(碳)含量低、結(jié)構(gòu)性差、微生物多樣性低等缺點(diǎn)[2]。隨著人口增加與土地資源緊缺的矛盾日益突出[3], 礦區(qū)復(fù)墾土壤改良利用, 已成為當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待研究和解決的重要問(wèn)題。

有機(jī)碳參與土壤微生物活動(dòng)和養(yǎng)分循環(huán), 與土壤理化性質(zhì)、作物產(chǎn)量關(guān)系密切, 是評(píng)價(jià)土壤肥力特性的重要指標(biāo)[4]。礦區(qū)復(fù)墾土壤中有機(jī)碳的積累, 有利于復(fù)墾后土壤結(jié)構(gòu)的改善和肥力的提升, 同時(shí)也對(duì)周邊生態(tài)功能的恢復(fù)起到了積極作用[5]。土壤總有機(jī)碳是有機(jī)物質(zhì)礦化、分解和合成的平衡結(jié)果, 有機(jī)碳總量并不能很好地反映土壤質(zhì)量的變化, 各碳組分對(duì)管理措施的變化反應(yīng)各異。一些活性碳組分能夠?qū)芾泶胧┖椭車(chē)h(huán)境變化做出迅速反應(yīng), 及時(shí)反映復(fù)墾土壤質(zhì)量的變化[6]。有機(jī)碳組分可按提取方法, 分為物理組分、化學(xué)組分和生物組分有機(jī)碳, 也可以按照活性分為: 1)活性組分有機(jī)碳, 如易氧化有機(jī)碳(KMnO4-C)、酸水解有機(jī)碳(LC)和微生物量碳(MBC)等, 它們對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)快速[7]; 2)穩(wěn)定性組分有機(jī)碳, 這部分不易被微生物利用, 周轉(zhuǎn)速度慢, 有利于土壤固碳[8-9]。

大量研究表明, 施用有機(jī)物料可以增強(qiáng)礦區(qū)復(fù)墾土壤保水保肥的能力, 維持土地生產(chǎn)力; 增加復(fù)墾土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分的含量, 改善復(fù)墾土壤的理化性質(zhì), 為復(fù)墾土壤種植作物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 肥力持久有效[10]。趙紅等[11]研究表明有機(jī)物料的添加對(duì)土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳等均有顯著影響。侯曉娜等[12]研究表明生物炭處理能夠提高土壤及不同粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量, 改善土壤性狀。戚瑞敏等[13]研究表明添加牛糞提高了長(zhǎng)期不同施肥潮土有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量, 卻顯著降低了可溶性有機(jī)碳含量。黎嘉成等[14]研究表明秸稈處理能夠有效促進(jìn)微生物生存和繁衍, 同時(shí)也可以利用轉(zhuǎn)化活性碳, 不僅可以提高土壤有機(jī)碳的活性, 對(duì)于土壤生物肥力的改善也有益處。但目前有關(guān)不同有機(jī)物料對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量改良的研究還少有報(bào)道。

本文以山西省襄垣縣采煤沉陷復(fù)墾區(qū)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為依托, 研究了不同有機(jī)物料添加對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)、有機(jī)碳組分變化的影響, 揭示了礦區(qū)復(fù)墾土壤碳組分對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)特征, 為礦區(qū)復(fù)墾土壤改良及有機(jī)物料合理資源化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省長(zhǎng)治市襄垣縣西山底村試驗(yàn)基地(112°42′E, 36°23′N), 地處山西省東南部, 平均海拔1 000 m左右, 屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候, 年平均氣溫8~9 ℃, 四季分明, 年均降雨量550 mm, 主要集中在7、8、9月份, 全年無(wú)霜期166 d左右, 最短118 d, 最長(zhǎng)195 d[15]。試驗(yàn)基地屬于潞安集團(tuán)五陽(yáng)煤礦井田范圍, 由于煤礦井工開(kāi)采導(dǎo)致農(nóng)田沉陷, 地表呈馬鞍狀, 最大落差達(dá)4~5 m, 鞍狀峰距達(dá)150~180 m, 塌陷導(dǎo)致試驗(yàn)區(qū)水系斷裂, 使水澆地變成了旱薄地, 土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年采用混推復(fù)墾的方式進(jìn)行土地平整, 即使用廈工50型挖土機(jī)對(duì)塌陷農(nóng)田采用挖高墊低的方式進(jìn)行土地平整、壓實(shí), 使坡度不超過(guò)2%。然后進(jìn)行不同有機(jī)物料的培肥試驗(yàn)。在試驗(yàn)初期(土地平整后)采集土壤基礎(chǔ)樣品, 測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)。0~20 cm土層含有機(jī)質(zhì)5.72g?kg–1、全氮0.60 g?kg–1、有效磷10.77 mg?kg–1、速效鉀135.00 mg?kg–1、有機(jī)碳3.32 g?kg–1、易氧化有機(jī)碳0.46 g?kg–1、活性碳庫(kù)Ⅰ1.28 g?kg–1、活性碳庫(kù)Ⅱ0.54 g?kg–1。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 設(shè)5種有機(jī)物料(生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈), 以不添加有機(jī)物料處理為空白對(duì)照(CK), 共6個(gè)處理, 每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù), 共18個(gè)小區(qū), 每個(gè)小區(qū)面積30 m2。種植作物為玉米(), 品種為‘先玉335’, 一年1熟制。每年秋收后秸稈全部移出, 將5種有機(jī)物料以等碳量[2.7 t(C)?hm–2]施入耕作層(0~30 cm)(表1)。供試生物炭由小麥()秸稈、花生()殼(500 ℃、6 h)制備; 秸稈為玉米秸稈。

表1 供試有機(jī)物料有機(jī)碳含量和用量

1.3 樣品采集

2016年玉米收獲后采集土壤樣品, 每個(gè)小區(qū)選取3個(gè)點(diǎn)分別采集0~20 cm的土壤, 同一采集區(qū)間的土壤混勻裝袋, 風(fēng)干后過(guò)2 mm篩。測(cè)定土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、活性碳庫(kù)I和活性碳庫(kù)Ⅱ的含量。

1.4 樣品測(cè)定及相關(guān)指數(shù)計(jì)算

1.4.1 土壤養(yǎng)分含量測(cè)定

有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定, 土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定, 有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉑銻抗比色法測(cè)定, 速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定, 其他測(cè)定均參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》的測(cè)定方法[16]。

1.4.2 土壤有機(jī)碳含量測(cè)定

土壤總有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。

1.4.3 易氧化有機(jī)碳含量測(cè)定

采用KMnO4氧化法測(cè)定易氧化有機(jī)碳[17]。稱取1.5 g過(guò)0.15 mm篩的風(fēng)干土樣于50 mL離心管中, 加入333 mmol?L–1KMnO4溶液25 mL, 在25 ℃條件下振蕩1 h, 離心10 min (2 000 r×min-1), 取上清液用去離子水按1∶250稀釋, 然后將稀釋液在波長(zhǎng)為565 nm的紫外分光光度計(jì)上比色, 根據(jù)與不加土樣的吸光率之差計(jì)算KMnO4濃度的變化, 進(jìn)而計(jì)算氧化的碳量, 即活性有機(jī)碳量(LOC)。

碳庫(kù)管理指數(shù)計(jì)算公式[18]為:

CMI＝CPI×LI×100 (1)

CPI＝SOC/SOC0(2)

LI＝/0(3)

＝LOC/NLOC (4)

NLOC=SOC–LOC (5)

式中: CMI為碳庫(kù)管理指數(shù), CPI為碳庫(kù)指數(shù), SOC為有機(jī)碳含量(g?kg–1), SOC0為CK有機(jī)碳含量(g?kg–1), LI為活度指數(shù),為碳庫(kù)活度,0為CK碳庫(kù)活度, LOC為高錳酸鉀氧化法測(cè)定的活性有機(jī)碳, NLOC為非活性有機(jī)碳。

1.4.4 活性碳庫(kù)Ⅰ和活性碳庫(kù)Ⅱ的測(cè)定方法

采用硫酸水解法[19]測(cè)定活性碳活性碳庫(kù)Ⅰ和活性碳庫(kù)Ⅱ:

1)稱1.00 g左右過(guò)0.15 mm篩的土樣放入消煮管內(nèi), 加20 mL 2.5 mol?L–1H2SO4, 加蓋搖勻, 放入水浴鍋100 ℃水浴煮45 min。取出稍微冷卻, 離心5 min (10 000 r×min-1), 將水解液倒入三角瓶中。離心管內(nèi)再加入20 mL蒸餾水繼續(xù)離心, 將兩次的水解液混合在一起, 重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定, 計(jì)算所得有機(jī)碳即為活性碳庫(kù)I(LCI)。

2)離心管中的剩余物在烘箱內(nèi)60 ℃烘干, 加2 mL 13 mol?L–1H2SO4振蕩過(guò)夜, 加24mL蒸餾水將酸稀釋為1 mol?L–1。在105 ℃下加熱3 h, 取出離心5 min (10 000 r×min-1), 水解液倒出。離心管內(nèi)再加24 mL蒸餾水繼續(xù)離心, 將兩次的水解液合在一起, 重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定, 計(jì)算所得有機(jī)碳即為活性碳庫(kù)Ⅱ(LCⅡ)。

穩(wěn)定性有機(jī)碳計(jì)算公式為:

RC＝SOC–LCI–LCⅡ (6)

式中: SOC為有機(jī)碳含量(g?kg–1), LCI為活性碳庫(kù)I含量(g?kg–1), LCⅡ?yàn)榛钚蕴紟?kù)Ⅱ含量(g?kg–1), RC為穩(wěn)定性有機(jī)碳(g?kg–1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、活性碳庫(kù)I和活性碳庫(kù)Ⅱ增長(zhǎng)率(rate)與年變化量(speed)計(jì)算公式為:

rate＝(2016–2011)/2011×100 (7)

Cspeed＝(2016–2011)/(8)

式中:2011、2016分別為2011年和2016年土壤有機(jī)碳或碳組分的碳含量(g?kg–1),為有機(jī)物料施用年限6年(a),rate為土壤有機(jī)碳或碳組分的增長(zhǎng)率(%),speed為土壤有機(jī)碳或碳組分的年變化量(g?kg–1?a–1)。

固碳量計(jì)算公式為:

SOC×γ×H/10 (9)

式中:SOC為有機(jī)碳含量(g?kg–1),為容重(g?cm–3),H為厚度(cm),為固碳量[t(C)?hm–2]。

采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理, 使用SPSS 19.0軟件對(duì)不同處理間的差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn), 應(yīng)用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。圖中誤差均為標(biāo)準(zhǔn)差, 不同處理間差異顯著性(<0.05)用小寫(xiě)字母標(biāo)注。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源碳輸入對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率、年變化量和固碳量的影響

不同有機(jī)物料輸入對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率與年變化量的影響如圖1所示。添加有機(jī)物料均可顯著提高土壤有機(jī)碳含量, 添加有機(jī)物料6年后, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率較無(wú)有機(jī)物料添加處理(CK)分別增加101.80%、62.13%、56.61%、71.15%和51.42%, 年變化量分別增加0.56 g?kg–1?a–1、0.34 g?kg–1?a–1、0.31 g?kg–1?a–1、0.39 g?kg–1?a–1和0.28 g?kg–1?a–1。生物炭處理土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)率和年變化量均最大,分別達(dá)230.38%和1.27 g?kg–1?a–1, 生物炭處理較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理增長(zhǎng)率分別增加39.68%、45.19%、30.66%和50.39%, 且各處理間差異顯著; 生物炭處理較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理年變化量分別增加0.22 g?kg–1?a–1、0.25 g?kg–1?a–1、0.17 g?kg–1?a–1和0.28 g?kg–1?a–1, 生物碳處理顯著高于其他各處理, 堆肥、沼渣、秸稈處理間差異不顯著。

圖1 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率與年變化量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

由圖2可知, 添加有機(jī)物料均可以顯著提高復(fù)墾土壤0~20 cm土層固碳量。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤固碳量分別提高100.52%、50.13%、56.61%、91.52%和64.05%, 其中生物炭處理提升幅度最大, 生物炭與牛糞處理間差異不顯著, 但均顯著高于其他有機(jī)物料添加處理, 而堆肥、沼渣和秸稈處理間對(duì)土壤固碳量的提升作用差異不顯著。

圖2 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤固碳量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

2.2 外源碳輸入對(duì)復(fù)墾土壤易氧化有機(jī)碳增長(zhǎng)率與年變化量的影響

由圖3可知, 添加有機(jī)物料均能顯著增加復(fù)墾土壤易氧化有機(jī)碳的增長(zhǎng)率和年變化量, 均表現(xiàn)為堆肥處理>沼渣處理>牛糞處理>生物炭處理>秸稈處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤易氧化有機(jī)碳的增長(zhǎng)率分別增加3.46%、12.37%、5.22%、4.24%和1.60%, 年變化量分別增加0.04 g?kg–1?a–1、0.16 g?kg–1?a–1、0.06 g?kg–1?a–1、0.05 g?kg–1?a–1和0.02 g?kg–1?a–1。堆肥處理土壤易氧化有機(jī)碳的增長(zhǎng)率和年變化量均顯著高于其他處理, 而生物炭、沼渣和牛糞處理間差異不顯著。

2.3 外源碳輸入對(duì)復(fù)墾土壤活性碳庫(kù)Ⅰ、活性碳庫(kù)Ⅱ增長(zhǎng)率和年變化量的影響

由圖4可知, 添加有機(jī)物料均能顯著提高土壤活性碳庫(kù)Ⅰ的增長(zhǎng)率和年變化量, 均表現(xiàn)為牛糞處理>沼渣處理>秸稈處理>堆肥處理>生物炭處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理活性碳庫(kù)Ⅰ的增長(zhǎng)率分別增加33.03%、65.62%、72.74%、104.36%和70.35%, 年變化量分別增加0.07 g?kg–1?a–1、0.14 g?kg–1?a–1、0.16 g?kg–1?a–1、0.22 g?kg–1?a–1和0.15 g?kg–1?a–1。牛糞處理與其他處理間差異顯著, 堆肥、沼渣和秸稈處理之間差異不顯著。

由圖5可知, 添加有機(jī)物料均顯著提高活性碳庫(kù)Ⅱ增長(zhǎng)率和年變化量, 牛糞處理提升顯著高于其他處理。生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理活性碳庫(kù)Ⅱ增長(zhǎng)率與CK處理相比分別增加20.82%、15.97%、12.05%、101.36%、4.41%, 其中牛糞處理顯著高于其他有機(jī)物料處理; 年變化量與CK處理相比分別增加0.02 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1、0.09 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1, 其中生物炭、堆肥和沼渣處理之間差異不顯著。

圖3 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤易氧化有機(jī)碳增長(zhǎng)率和年變化量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

圖4 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤活性碳庫(kù)Ⅰ增長(zhǎng)率和年變化量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

圖5 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤活性碳庫(kù)Ⅱ增長(zhǎng)率和年變化量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

2.4 外源碳輸入對(duì)復(fù)墾土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳含量的影響

由圖6可知, 添加有機(jī)物料后, 土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳含量均顯著提高, 表現(xiàn)為生物炭處理>牛糞處理>秸稈處理>沼渣處理>堆肥處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳含量分別增加66.59%、26.35%、20.47%、10.35%和18.12%, 其中生物炭與牛糞處理間差異不顯著, 顯著高于其他有機(jī)物料處理, 堆肥、沼渣和秸稈處理之間差異不顯著。

2.5 外源碳輸入對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

生物炭的添加可以大幅提升土壤有機(jī)碳含量, 并顯著提高土壤的碳庫(kù)管理指數(shù)。5種有機(jī)物料, 生物炭處理的碳庫(kù)管理指數(shù)較堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理分別高36.30%、52.23%、41.50%和52.02%, 顯著高于堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理, 其中生物炭的碳庫(kù)指數(shù)與活度指數(shù)最高(表2)。

圖6 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳含量的影響

不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

表2 長(zhǎng)期添加不同有機(jī)物料對(duì)復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

同行不同小寫(xiě)字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same line mean significant differences at<0.05 level.

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

土壤有機(jī)碳是通過(guò)微生物作用所形成腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體的合稱[20], 有利于改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu), 提高土壤保水保肥能力, 是礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[21]。與初始有機(jī)碳含量3.32 g×kg-1相比, 有機(jī)物料添加顯著提高礦區(qū)復(fù)墾土壤的有機(jī)碳水平。陳源泉等[22]研究也表明連續(xù)施用有機(jī)物料可以提高土壤有機(jī)碳含量, 隨著年限的增加含量均有不同程度的增加。其中, 生物炭處理均高于其他有機(jī)物料處理, 并隨著生物炭施用量增加而顯著增加, 可能因?yàn)閷⒔斩捈庸こ缮锾亢? 生物炭具有碳含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和化學(xué)惰性等特征[23], 另外添加生物炭改變了原有的土壤有機(jī)質(zhì)組成, 形成比較穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)[24]。直接施用秸稈后復(fù)墾土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的增長(zhǎng)率和年變化量方面均低于生物炭處理, 與張聰?shù)萚25]還田定位試驗(yàn)結(jié)果一致, 可能因?yàn)殚L(zhǎng)期添加秸稈, 使得土壤碳庫(kù)不斷增加, 以至于碳庫(kù)速度增加減緩; 也有可能與還田方式和初始有機(jī)碳含量等有關(guān)[26]。礦區(qū)復(fù)墾土壤與正常農(nóng)田相比, 其有機(jī)碳含量極低, 因此也有學(xué)者指出, 復(fù)墾土壤可以被視作一個(gè)“空杯”[27], 其固碳潛力巨大, 其固碳速率也會(huì)快于正常農(nóng)田土壤。

3.2 固碳量對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

土壤固碳是有機(jī)碳分解和碳輸入的穩(wěn)態(tài)過(guò)程。總的來(lái)說(shuō), 當(dāng)碳輸入超過(guò)系統(tǒng)有機(jī)碳分解導(dǎo)致的損失時(shí), 土壤有機(jī)碳增加。相反, 如果輸入土壤中的碳含量不能有效地維持有機(jī)碳水平, 土壤有機(jī)碳通常會(huì)減少[28]。在本研究中各有機(jī)物料的添加均顯著增加了復(fù)墾土壤的固碳量, 其原因一部分來(lái)源于外源有機(jī)物料分解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳, 另一部分來(lái)源于有機(jī)物料的添加會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)、增加作物養(yǎng)分進(jìn)而促進(jìn)了作物產(chǎn)量的提高, 從而導(dǎo)致根沉積、根系生物量的碳投入增加[29-30]。與其他有機(jī)物料相比, 生物炭[31]具有較高的含碳量、較高穩(wěn)定性等特點(diǎn), 不僅能增加土壤碳儲(chǔ)量, 還能提高土壤物理及化學(xué)性質(zhì), 提高農(nóng)田產(chǎn)出, 能應(yīng)對(duì)高溫脅迫及土壤退化雙重壓力, 因此生物炭處理固碳能力要高于其他有機(jī)物料處理, 可利用性較高。此外, 本研究結(jié)果顯示,秸稈處理的固碳效果沒(méi)有生物炭處理效果明顯, 有可能因?yàn)榻斩捀菀妆晃⑸锢? 分解產(chǎn)生CO2的排放, 會(huì)部分或者全部抵消土壤固碳效益, 最終影響秸稈處理固碳效果[32]。與代紅翠等[33]研究結(jié)果相似, 就土壤固碳角度而言, 生物炭處理要優(yōu)于秸稈處理。

3.3 易氧化有機(jī)碳對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

土壤易氧化有機(jī)碳主要是由氨基酸、簡(jiǎn)單碳水化合物、部分土壤微生物生物量等簡(jiǎn)單有機(jī)化合物組成。土壤易氧化碳主要來(lái)源于作物根系、地上部分殘?bào)w歸還、土壤微生物死亡體內(nèi)物質(zhì)釋放及土壤原有機(jī)碳活化等, 是評(píng)價(jià)土壤潛在生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)[34]。Biederbeck等[35]把易氧化有機(jī)碳作為土壤活性碳的一個(gè)主要表征因子, 認(rèn)為土壤有機(jī)碳的快速變化主要發(fā)生在這一部分。本研究表明, 土壤易氧化碳在0~20 cm土層的敏感性最為顯著, 隨復(fù)墾措施的變化而顯著變化, 隨肥料的增加而增加, 且對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最大, 這與羅梅等[36]研究結(jié)果一致。本研究中, 堆肥處理的易氧化有機(jī)碳高于其他有機(jī)物料處理, 可能是因?yàn)槎逊蕩氲挠袡C(jī)物質(zhì)更容易被微生物分解, 且?guī)腽B(yǎng)分較高, 能夠提高作物的生物量, 特別能夠提高根系的生物量, 增加土壤新鮮有機(jī)碳的輸入, 促進(jìn)易氧化有機(jī)碳的增加。秸稈處理也有利于土壤易氧化有機(jī)碳的提高, 但效果沒(méi)堆肥處理明顯, 可能是因?yàn)榻斩捯环矫婺茉鰪?qiáng)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)速率, 促進(jìn)土壤易氧化有機(jī)碳的比例[37], 另一方面礦區(qū)復(fù)墾土壤通氣性等特點(diǎn)使土壤微生物活性降低, 導(dǎo)致秸稈的培肥效果受到抑制[38]。馬莉等[39]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 添加生物炭有利于提高土壤易氧化有機(jī)碳含量, 且顯著高于對(duì)照處理, 本研究也得出相同的結(jié)論。

3.4 酸水解活性碳庫(kù)對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

通過(guò)H2SO4水解法提取獲得的活性碳可分為活性庫(kù)Ⅰ、活性庫(kù)Ⅱ和穩(wěn)定性碳庫(kù)。酸水解的活性碳庫(kù)Ⅰ主要包括淀粉、半纖維素、可溶性糖類等碳水化合物, 活性碳庫(kù)Ⅱ主要包括纖維素等碳水化合物, 均屬于土壤活性碳庫(kù), 在土壤中具有移動(dòng)速度快、容易被氧化和分解、穩(wěn)定性較差等特點(diǎn), 在植物和土壤微生物上活性較高, 雖然僅占總有機(jī)碳一小部分, 但能夠在調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮重要作用[40]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明, 有機(jī)物料均能有效提高土壤活性碳庫(kù)。因?yàn)樯锾?、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈的添加, 能夠增加外源有機(jī)物的投入, 為微生物提供充足的碳源, 促進(jìn)微生物生長(zhǎng)、繁殖, 提高微生物活性, 而微生物分解的有機(jī)物質(zhì)是活性有機(jī)碳庫(kù)主要來(lái)源, 所以能夠提高土壤活性有機(jī)碳庫(kù)含量[41]。本研究各有機(jī)物料中, 施用牛糞處理復(fù)墾土壤活性碳庫(kù)Ⅰ和Ⅱ的增長(zhǎng)速率和年增加量均高于其他處理,李新華等[42]、郭軍玲等[43]研究獲得相同或相似的結(jié)果。可能因?yàn)榕＜S所提供的有機(jī)物質(zhì)更容易被礦化分解為簡(jiǎn)單碳水化合物, 這些物質(zhì)可以改善復(fù)墾土壤的養(yǎng)分供應(yīng)性, 提高作物產(chǎn)量, 進(jìn)而增加作物凋落物和根系分泌, 提高土壤活性碳庫(kù)含量。生物炭處理也可以提高土壤活性碳庫(kù), 但在提高活性碳庫(kù)Ⅰ的增長(zhǎng)速率和年增加量上低于其他有機(jī)物料, 在提高活性碳庫(kù)Ⅱ的增長(zhǎng)速率和年增加量上與堆肥、沼渣間差異不顯著, 說(shuō)明生物炭提供的有機(jī)物質(zhì)被微生物分解后大多轉(zhuǎn)化為纖維素等碳水化合物。該結(jié)果與正常農(nóng)田土壤上的研究存在一些差距, 究其原因可能是由于生物炭來(lái)源多樣化、性質(zhì)復(fù)雜化、土壤類型以及管理措施不同等影響土壤對(duì)生物炭的響應(yīng)[44]。

3.5 穩(wěn)定性有機(jī)碳對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

穩(wěn)定性有機(jī)碳是在土壤中相對(duì)于其他有機(jī)碳穩(wěn)定性較高, 不易被微生物快速分解和植物吸收利用的一種有機(jī)碳, 對(duì)農(nóng)田管理措施反應(yīng)不敏感, 對(duì)于維持土壤養(yǎng)分和土壤結(jié)構(gòu)的形成具有重要意義, 也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。酸水解法中未被水解的部分為穩(wěn)定性碳組分, 主要包括樹(shù)脂、脂肪、木質(zhì)素等較穩(wěn)定的碳組分。本研究持續(xù)添加有機(jī)物料6年, 土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳水平均高于CK處理,表現(xiàn)為生物炭>牛糞>秸稈理>沼渣理>堆肥>CK。有機(jī)物進(jìn)入土壤后, 在微生物的作用下進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)化, 從而形成不同的碳組分。依據(jù)微生物在碳轉(zhuǎn)化過(guò)程中的代謝活性差異, 將其轉(zhuǎn)化途徑分為兩類: 1)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化, 微生物會(huì)優(yōu)先分解一些活性較高的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行新陳代謝, 這一周轉(zhuǎn)過(guò)程一般用時(shí)較短, 而土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳則是伴隨著微生物細(xì)胞的生成、生長(zhǎng)和死亡的代謝過(guò)程得到累積; 2)胞外轉(zhuǎn)化, 微生物在生長(zhǎng)代謝過(guò)程中產(chǎn)生的胞外酶可以將植物殘?bào)w中的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等難降解的有機(jī)化合物分解為可被微生物分解利用的活性有機(jī)物質(zhì), 在利用過(guò)程中一部分形成活性碳組分, 一部分不能被分解利用的殘留物則組成了穩(wěn)定碳組分。進(jìn)入微生物體內(nèi)的物質(zhì)會(huì)通過(guò)微生物合成轉(zhuǎn)化為新的更難降解或更易降解的化合物, 例如與氨基糖和纖維素降解相關(guān)的聚合物[19,45]。不同有機(jī)物料所提供的碳的結(jié)構(gòu)和類型不同, 因此不同組分對(duì)不同有機(jī)物料的響應(yīng)也不同。生物炭所提供的碳結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定, 難以被微生物直接利用, 更有利于土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的累積。

3.6 碳庫(kù)管理指數(shù)對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)

碳庫(kù)管理指數(shù)(CMI)是評(píng)價(jià)管理系統(tǒng)改善土壤質(zhì)量能力的一個(gè)有用參數(shù), 已被廣泛接受[46-47]。該指數(shù)綜合了對(duì)土壤總碳(CPI)和活性碳(LI)的影響, 從而反映了碳的固存和養(yǎng)分循環(huán)潛力。由于該指數(shù)是這兩項(xiàng)指標(biāo)的乘積, 只有在兩項(xiàng)指標(biāo)值都高時(shí)才會(huì)有較高的CMI, CMI的絕對(duì)值并不重要, 但其差異反映了不同管理措施影響土壤質(zhì)量的差異[47-48]。土壤CMI可以表征土壤養(yǎng)分及碳素動(dòng)態(tài)變化, 比土壤有機(jī)碳更具有敏感性, 反映有機(jī)碳被微生物和植物利用的難易程度, 其值越大表示碳庫(kù)活度和質(zhì)量也越高[49]。添加生物炭和秸稈均可有效提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù), 有可能是生物炭向土壤輸入大量的惰性碳, 顯著提高了土壤有機(jī)碳含量和碳庫(kù)指數(shù), 導(dǎo)致土壤CMI受到顯著影響, 與王月玲等[50]研究結(jié)果一致。楊旭等[51]在沈陽(yáng)黃土母質(zhì)發(fā)育的棕壤土上研究表明, 秸稈能夠顯著提升土壤CMI, 可能是秸稈處理對(duì)土壤易氧化有機(jī)碳和碳庫(kù)活度指數(shù)的提升作用相對(duì)明顯, 是其增加土壤CMI的主要原因[18]。一方面, 秸稈中所含有的活性有機(jī)碳快速分解; 另一方面, 秸稈中的糖類、蛋白質(zhì)、纖維素可作為微生物代謝的碳源, 會(huì)加速微生物的代謝速率[52]。

4 結(jié)論

添加生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈均能顯著增加土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)率、年變化量和固碳量, 其中添加生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳累積效果要優(yōu)于添加其他有機(jī)物料。對(duì)于土壤碳組分而言, 添加堆肥有利于易氧化有機(jī)碳的增加, 添加牛糞可顯著提高土壤活性碳庫(kù)Ⅰ和活性碳庫(kù)Ⅱ, 添加生物炭和牛糞可顯著增加土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳。生物炭添加對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的提升幅度最大, 秸稈對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響最低?？傮w上, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈均能提高土壤有碳組分含量, 有利于土壤有機(jī)碳積累, 促進(jìn)土壤固碳, 但生物炭在改善礦區(qū)復(fù)墾土壤結(jié)構(gòu), 提升復(fù)墾土壤肥力上效果最佳。

[1] 王必英. 山西采煤塌陷對(duì)土地的破壞及防治對(duì)策探討[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2013, 38(5): 97–99 WANG B Y. Study on the land destruction by mining subsidence and prevention countermeasures in Shanxi Province[J]. Environment and Sustainable Development, 2013, 38(5): 97–99

[2] 胡振琪, 魏忠義. 煤礦區(qū)采動(dòng)與復(fù)墾土壤存在的問(wèn)題與對(duì)策[J]. 能源環(huán)境保護(hù), 2003, 17(3): 3–7 HU Z Q, WEI Z Y. Existing problems and countermeasures on mining and land reclamation in mine area[J]. Energy Environmental Protection, 2003, 17(3): 3–7

[3] 劉耀宗, 張經(jīng)元. 山西土壤[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1992: 14–17 LIU Y Z, ZHANG J Y. Soil in Shanxi[M]. Beijing: Science Press, 1992: 14–17

[4] 李博, 王金滿, 王洪丹, 等. 煤礦區(qū)土壤有機(jī)碳含量測(cè)算與影響因素研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2016, 48(3): 434–441 LI B, WANG J M, WANG H D, et al. Progress on measurement and factors of soil organic carbon in mineral area[J]. Soils, 2016, 48(3): 434–441

[5] 尹寧寧, 王麗萍. 復(fù)墾礦區(qū)土壤有機(jī)碳和微生物活性變化及其解析[J]. 環(huán)境科技, 2014, 27(6): 5–8 YIN N N, WANG L P. The changes and analysis of organic carbon and microbial activity in reclaimed soil in mine area[J]. Environmental Science and Technology, 2014, 27(6): 5–8

[6] 李奇超, 李新舉. 不同利用方式下復(fù)墾土壤的有機(jī)碳組分空間分布特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2018, 32(2): 204–209 LI Q C, LI X J. The spatial distribution of organic carbon components in reclaimed soil under different utilization modes[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 32(2): 204–209

[7] LAIK R, KUMAR K, DAS D K, et al. Labile soil organic matter pools in a calciorthent after 18 years of afforestation by different plantations[J]. Applied Soil Ecology, 2009, 42(2): 71–78

[8] KUMAR S, SINGH A K, GHOSH P. Distribution of soil organic carbon and glomalin related soil protein in reclaimed coal mine-land chronosequence under tropical condition[J]. Science of the Total Environment, 2018, 625: 1341–1350

[9] ROVIRA P, VALLEJO V R. Labile, recalcitrant, and inert organic matter in Mediterranean forest soils[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(1): 202–215

[10] 林洪羽, 周明華, 張博文, 等. 生物炭及秸稈長(zhǎng)期施用對(duì)紫色土坡耕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(1): 96–103 LIN H Y, ZHOU M H, ZHANG B W, et al. Effect of long-term application of biochar and straw on soil organic carbon in purple soil aggregates of sloping uplands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 96–103

[11] 趙紅, 呂貽忠, 楊希, 等. 不同配肥方案對(duì)黑土有機(jī)碳含量及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(9): 3164–3169 ZHAO H, LYU Y Z, YANG X, et al. Effects of different fertilization proportions on organic carbon content of black soil and carbon pool management index[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(9): 3164–3169

[12] 侯曉娜, 李慧, 朱劉兵, 等. 生物炭與秸稈添加對(duì)砂姜黑土團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳分布的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(4): 705–712 HOU X N, LI H, ZHU L B, et al. Effects of biochar and straw additions on lime concretion black soil aggregate composition and organic carbon distribution[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(4): 705–712

[13] 戚瑞敏, 趙秉強(qiáng), 李娟, 等. 添加牛糞對(duì)長(zhǎng)期不同施肥潮土有機(jī)碳礦化的影響及激發(fā)效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(S2): 118–127 QI R M, ZHAO B Q, LI J, et al. Effects of cattle manure addition on soil organic carbon mineralization and priming effects under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S2): 118–127

[14] 黎嘉成, 高明, 田冬, 等. 秸稈及生物炭還田對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 27(5): 39–50 LI J C, GAO M, TIAN D, et al. Effects of straw and biochar on soil organic carbon and its active components[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(5): 39–50

[15] 山西省統(tǒng)計(jì)局, 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局山西調(diào)查總隊(duì). 山西統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 2006: 256–259 Shanxi Statistical Bureau, Survey Office of National Bureau Statistical in Shanxi. Shanxi Statistical Yearbook[M]. Beijing: China Statistical Press, 2006: 256–259

[16] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 第3版. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2008: 28–114 BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. 3rd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2008: 28–114

[17] LEFROY R D B, BLAIR G J, STRONG W M. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and13C natural isotope abundance[J]. Plant and Soil, 1993, 155/156(1): 399–402

[18] 張影, 劉星, 任秀娟, 等. 秸稈及其生物炭對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)及有機(jī)碳礦化的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2019, 33(3): 153–159 ZHANG Y, LIU X, REN X J, et al. Effects of straw and biochar on soil carbon pool management index and organic carbon mineralization[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(3): 153–159

[19] ROVIRA P, VALLEJO V R. Labile and recalcitrant pools of carbon and nitrogen in organic matter decomposing at different depths in soil: An acid hydrolysis approach[J]. Geoderma, 2002, 107(1/2): 109–141

[20] 李倩, 馬琨, 冶秀香, 等. 不同培肥方式對(duì)土壤有機(jī)碳與微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1866–1875 LI Q, MA K, YE X X, et al. Effect of fertilization managements on soil organic carbon and microbial community structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1866–1875

[21] YU H Y, DING W X, CHEN Z M, et al. Accumulation of organic C components in soil and aggregates[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 13804

[22] 陳源泉, 隋鵬, 嚴(yán)玲玲, 等. 有機(jī)物料還田對(duì)華北小麥玉米兩熟農(nóng)田土壤有機(jī)碳及其組分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(S2): 94–102 CHEN Y Q, SUI P, YAN L L, et al. Effects of different organic wastes incorporation on soil organic carbon and its fraction under wheat-maize cropping system in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S2): 94–102

[23] 孫紅文. 生物炭與環(huán)境[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013 SUN H W. Biochar and Environment[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2013

[24] 尚杰, 耿增超, 陳心想, 等. 施用生物炭對(duì)旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳、氮及其組分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 34(3): 509–517 SHANG J, GENG Z C, CHEN X X, et al. Effects of biochar on soil organic carbon and nitrogen and their fractions in a rainfed farmland[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(3): 509–517

[25] 張聰, 慕平, 尚建明. 長(zhǎng)期持續(xù)秸稈還田對(duì)土壤理化特性、酶活性和產(chǎn)量性狀的影響[J]. 水土保持研究, 2018, 25(1): 92–98 ZHANG C, MU P, SHANG J M. Effects of continuous returning corn straw on soil chemical properties, enzyme activities and yield trait[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(1): 92–98

[26] 朱敏, 石云翔, 孫志友, 等. 秸稈還田與旋耕對(duì)川中土壤物理性狀及玉米機(jī)播質(zhì)量的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(7): 1025–1033 ZHU M, SHI Y X, SUN Z Y, et al. Effect of straw return and rotary tillage on soil physical properties and mechanical sowing quality of maize in Central Sichuan[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(7): 1025–1033

[27] MUNDA S, BHADURI D, MOHANTY S, et al. Dynamics of soil organic carbon mineralization and C fractions in paddy soil on application of rice husk biochar[J]. Biomass and Bioenergy, 2018, 115: 1–9

[28] SANDERMAN J, BAISDEN W T, FALLON S. Redefining the inert organic carbon pool[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2016, 92: 149–152

[29] LIU H F, ZHANG J Y, AI Z M, et al. 16-Year fertilization changes the dynamics of soil oxidizable organic carbon fractions and the stability of soil organic carbon in soybean-corn agroecosystem[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2018, 265: 320–330

[30] LI J, WEN Y C, LI X H, et al. Soil labile organic carbon fractions and soil organic carbon stocks as affected by long-term organic and mineral fertilization regimes in the north china plain[J]. Soil and Tillage Research, 2018, 175: 281–290

[31] 徐敏, 伍鈞, 張小洪, 等. 生物炭施用的固碳減排潛力及農(nóng)田效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(2): 393–404 XU M, WU J, ZHANG X H, et al. Impact of biochar application on carbon sequestration, soil fertility and crop producti-vity[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(2): 393–404

[32] 李濤, 何春娥, 葛曉穎, 等. 秸稈還田施氮調(diào)節(jié)碳氮比對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮、酶活性及作物產(chǎn)量的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(12): 1633–1642LI T, HE C E, GE X Y, et al. Responses of soil mineral N contents, enzyme activities and crop yield to different C/N ratio mediated by straw retention and N fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(12): 1633–1642

[33] 代紅翠, 陳源泉, 趙影星, 等. 不同有機(jī)物料還田對(duì)華北農(nóng)田土壤固碳的影響及原因分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(S2): 103–110 DAI H C, CHEN Y Q, ZHAO Y X, et al. Effects and causes of different organic materials amendment on soil organic carbon in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S2): 103–110

[34] SOON Y K, ARSHAD M A, HAQ A, et al. The influence of 12 years of tillage and crop rotation on total and labile organic carbon in a sandy loam soil[J]. Soil and Tillage Research, 2007, 95(1/2): 38–46

[35] BIEDERBECK V O, JANZEN H H, CAMPBELL C A, et al. Labile soil organic matter as influenced by cropping practices in an arid environment[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1994, 26(12): 1647–1656

[36] 羅梅, 田冬, 高明, 等. 紫色土壤有機(jī)碳活性組分對(duì)生物炭施用量的響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(9): 4327–4337 LUO M, TIAN D, GAO M, et al. Soil organic carbon of purple soil as affected by different application of biochar[J]. Environmental Science, 2018, 39(9): 4327–4337

[37] 史康婕, 周懷平, 楊振興, 等. 長(zhǎng)期施肥下褐土易氧化有機(jī)碳及有機(jī)碳庫(kù)的變化特征[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 542–552SHI K J, ZHOU H P, YANG Z X, et al. Characteristics of readily oxidizable organic carbon and soil organic carbon pool under long-term fertilization in cinnamon soils[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(4): 542–552

[38] 李婧, 遲鳳琴, 魏丹, 等. 不同有機(jī)物料還田對(duì)黑土活性有機(jī)碳組分含量的影響[J]. 大豆科學(xué), 2016, 35(6): 975–980 LI J, CHI F Q, WEI D, et al. Effects of different organic materials returning to field on the content of active organic carbon in black soil[J]. Soybean Science, 2016, 35(6): 975–980

[39] 馬莉, 呂寧, 冶軍, 等. 生物碳對(duì)灰漠土有機(jī)碳及其組分的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 20(8): 976–981 MA L, LYU N, YE J, et al. Effects of biochar on organic carbon content and fractions of gray desert soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(8): 976–981

[40] 張淑香, 張文菊, 徐明崗. 土壤活性有機(jī)碳的影響因素與綜合分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53(6): 1178–1179 ZHANG S X, ZHANG W J, XU M G. Influencing factors and comprehensive analysis of soil active organic carbon[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(6): 1178–1179

[41] 王芬, 劉會(huì), 馮敬濤, 等. 牛糞和生物炭對(duì)蘋(píng)果根系生長(zhǎng)、土壤特性和氮素利用的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1795–1801 WANG F, LIU H, FENG J T, et al. Effects of cow dung and biochar on root growth, soil properties and nitrogen utilization of apple[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1795–1801

[42] 李新華, 郭洪海, 朱振林, 等. 不同秸稈還田模式對(duì)土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(9): 130–135 LI X H, GUO H H, ZHU Z L, et al. Effects of different straw return modes on contents of soil organic carbon and fractions of soil active carbon[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(9): 130–135

[43] 郭軍玲, 金輝, 郭彩霞, 等. 不同有機(jī)物料對(duì)蘇打鹽化土有機(jī)碳和活性碳組分的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(8): 1290–1299 GUO J L, JIN H, GUO C X, et al. Effects of organic materials on soil organic carbon and fractions of active carbon in soda saline soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2019, 25(8): 1290–1299

[44] 魯寧. 生物炭對(duì)華北高產(chǎn)農(nóng)田土壤碳和作物產(chǎn)量的影響[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2014 LU N. The effect of biochar application on soil carbon and grain yield in a high yield farmland of the North China Plain[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2014

[45] LUO Y Q, WAN S Q, HUI D F, et al. Acclimatization of soil respiration to warming in a tall grass prairie[J]. Nature, 2001, 413(6856): 622–625

[46] 武均, 蔡立群, 張仁陟, 等. 耕作措施對(duì)旱作農(nóng)田土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(5): 728–736 WU J, CAI L Q, ZHANG R Z, et al. Distribution of soil particulate organic carbon fractions as affected by tillage practices in dry farmland of the Loess Plateau of central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(5): 728–736

[47] BLAIR G J, LEFROY R D B, LISLE L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1995, 46(7): 1459–1466

[48] CONTEH A, BLAIR G J, LEFROY R D B, et al. Soil organic carbon changes in cracking clay soils under cotton production as studied by carbon fractionation[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1997, 48(7): 1049–1058

[49] 賀超卉, 董文旭, 胡春勝, 等. 生物質(zhì)炭對(duì)土壤N2O消耗的影響及其微生物影響機(jī)理[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(9): 1301–1308 HE C H, DONG W X, HU C S, et al. Biochar’s effect on soil N2O consumption and the microbial mechanism[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(9): 1301–1308

[50] 王月玲, 耿增超, 尚杰, 等. 施用生物炭后塿土土壤有機(jī)碳、氮及碳庫(kù)管理指數(shù)的變化[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(3): 532–539 WANG Y L, GENG Z C, SHANG J, et al. Soil organic carbon and nitrogen and carbon pool management index in Loess soil as influenced by biochar[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(3): 532–539

[51] 楊旭, 蘭宇, 孟軍, 等. 秸稈不同還田方式對(duì)旱地棕壤CO2排放和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2015, 34(3): 805–809 YANG X, LAN Y, MENG J, et al. Effects of different stover-incorporation ways on CO2emission in dryland brown soil and soil carbon pool management index[J]. Chinese Journal of Ecology, 2015, 34(3): 805–809

[52] 顧美英, 唐光木, 葛春輝, 等. 不同秸稈還田方式對(duì)和田風(fēng)沙土土壤微生物多樣性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 24(4): 489–498GU M Y, TANG G M, GE C H, et al. Effects of straw incorporation modes on microbial activity and functional diversity in sandy soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(4): 489–498

Response of soil organic carbon fractions to exogenous carbon input in mine reclamation*

ZHANG Yunlong1, GAO Chunhua2, LIU Liang1, JIN Dongsheng2, LU Jinjing2, LI Jianhua2**

(1. College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Agricultural University (Shanxi Academy of Agricultural Sciences), Taiyuan 030006, China)

Studying the effects of exogenous carbon input on soil organic carbon fractions is important for understanding changes in soil organic carbon and fertilization management in the reclamation of mining areas. Based on a long-term experiment in a coal mining subsidence reclamation area in Xiangyuan County, Shanxi Province, China, this paper explored the response characteristics of the carbon fractions of reclaimed soil to the input of different exogenous carbon sources (biochar, compost, biogas residue, cow manure, and straw). Reclamation soil samples (0-20 cm) were collected in 2011 and 2016. The organic carbon, easily oxidized organic carbon, and labile carbon pool Ⅰ/Ⅱ in soil were measured. The results showed that the growth rate and the annual change of soil organic carbon with the biochar treatment increased by 101.80% and 0.56 g?kg–1?a–1, respectively, compared with the no-addition control (CK), and the increases with biochar were significantly higher than those with other organic material treatments. Compared with CK, the amounts of carbon sequestration in the biochar and cow manure treatments increased by 100.52% and 91.52% in the 0-20 cm soil layer, respectively; and the amounts of carbon sequestration in the biochar and cow manure treatments were significantly higher than those of other organic material treatments. There were no significant differences among composting, biogas residue, and straw treatments in promoting soil carbon sequestration. The addition of organic materials significantly increased the growth rate and annual change of easily oxidized organic carbon in reclaimed soil; the highest value was observed in the compost treatment, with an increase of 12.37% and 0.16 g?kg–1?a–1, respectively, compared with CK. The addition of cow dung significantly increased the growth rate and annual change of the labile carbon pool Ⅰ/Ⅱ, with a greater effect than other organic materials in reclaimed soil. The addition of organic materials also improved the stable organic carbon content of the soil. Compared with CK, the biochar and cow manure treatments showed the greatest improvement in the stable organic carbon content, with a significantly higher contribution than those of other organic material treatments. However, there was no significant difference between cow manure and biochar treatments. The carbon management index of biochar treatment was 36.30%, 52.23%, 41.50%, and 52.02% higher than that of composting, biogas residue, cow manure, and straw treatments, respectively. The application of all the exogenous carbon sources significantly improved the content of carbon fractions and the carbon management index of reclaimed soil. The application of biochar had the best effect. This indicates that biochar can be used as an effective management measure to improve the soil organic carbon of reclaimed mining areas.

Reclaimed soil; Organic materials; Organic carbon;Carbon fractions; Carbon pool management index

S151.9

10.13930/j.cnki.cjea.190925

張?jiān)讫? 郜春花, 劉靚, 靳東升, 盧晉晶, 李建華. 礦區(qū)復(fù)墾土壤碳組分對(duì)外源碳輸入的響應(yīng)特征[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(8): 1219-1229

ZHANG Y L, GAO C H, LIU L, JIN D S, LU J J, LI J H. Response of soil organic carbon fractions to exogenous carbon input in mine reclamation[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1219-1229

* 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1710255)、山西省科技成果轉(zhuǎn)化引導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目(201804D131049)和山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研究課題(YCX2018DZYS02)資助

李建華, 主要研究方向?yàn)榈V區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量修復(fù)研究。E-mail: jianhua0119@163.com

張?jiān)讫? 主要研究方向?yàn)榈V區(qū)復(fù)墾土壤修復(fù)研究。E-mail: 339397495@qq.com

2019-12-30

2020-03-25

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1710255), the Special Projects of Transformation and Guidance of Scientific and Technological Achievements of Shanxi Province (201804D131049), the Innovation Research Topic on Agricultural Science and Technology of Shanxi Academy of Agricultural Sciences (YCX2018DZYS02).

, E-mail: jianhua0119@163.com

Dec. 30, 2019;

Mar. 25, 2020