長(zhǎng)期不同施肥復(fù)墾土壤大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分的變化特征

曹寒冰，謝鈞宇，洪堅(jiān)平

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801; 2.土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031)

土壤有機(jī)碳(SOC)是表征土壤肥力變化的一個(gè)重要指標(biāo)，它深刻地影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。此外，SOC也是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是大氣CO2的源和匯[2]。其中，農(nóng)田土壤有機(jī)碳不僅占到全球陸地碳庫(kù)的10%以上，而且是全球土壤碳庫(kù)中最活躍的部分，具有很大的固碳潛力[3-5]。因此，了解土壤有機(jī)碳固存機(jī)制，并且尋求最佳的農(nóng)田管理措施對(duì)于促進(jìn)糧食安全和減緩氣候變化具有重要意義。

土壤有機(jī)碳受多種因素的影響，諸如施肥措施、耕作措施、種植歷史等，且以施肥對(duì)它的影響最深刻。研究報(bào)道，長(zhǎng)期施有機(jī)肥顯著提高了SOC含量[6-8]。LI等[6]報(bào)道連續(xù)26 a單施有機(jī)肥以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施均能顯著提高潮土有機(jī)碳含量，分別增加了113.62%和66.76%。然而就長(zhǎng)期施化肥對(duì)SOC含量的影響存在爭(zhēng)議。有研究發(fā)現(xiàn)施化肥(NPK)顯著提高了SOC含量[9-10]，而LI等[11]認(rèn)為施化肥對(duì)SOC含量無(wú)明顯的積極作用。

在大多數(shù)碳模型中，SOC為由幾個(gè)內(nèi)在可降解性且相對(duì)分解速率不同的功能庫(kù)組成[12]，比如，微生物量碳、顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳。這些碳組分比SOC對(duì)農(nóng)田管理措施的響應(yīng)更敏感，因此它們常作為評(píng)價(jià)SOC動(dòng)態(tài)變化的早期指示物。盡管也有一些研究報(bào)道施肥可以提高土壤微生物量碳含量[13]、顆粒有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳含量[14]以及輕組有機(jī)碳含量[15]，但是這些組分是離散的、獨(dú)立的[16]。相比之下，由SIX等[17-18]提出的物理分組方法成為近年來(lái)研究土壤有機(jī)碳固存機(jī)制的主流，并且他們將SOC劃分為與團(tuán)聚體分級(jí)相連接的4個(gè)概念型碳組分:未受保護(hù)的活性組分(粗顆粒有機(jī)碳 cPOC和細(xì)顆粒有機(jī)碳 fPOC)、受物理保護(hù)的組分(大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳 iPOC)以及受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的惰性組分(礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳 MOC)，該模型中4個(gè)組分是相互連接的，可以真實(shí)地反映土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化和固存過(guò)程，因而在近年來(lái)被廣泛應(yīng)用。YAO等[19]報(bào)道，iPOC和MOC對(duì)黑壚土有機(jī)碳固存共同起作用。而XIE等[20]利用35年定位施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，iPOC組分對(duì)塿土有機(jī)碳固存起著至關(guān)重要的作用。此外，無(wú)論是改變耕作措施[21]還是向土壤中添加污泥[22]，都認(rèn)為iPOC組分對(duì)SOC的保護(hù)能力最強(qiáng)。還有研究表明，cPOC組分是黑土有機(jī)碳固存的主要形式[23]。由此可見(jiàn)，不同類(lèi)型的土壤上研究結(jié)果之間存在差異，這可能與土壤本身的性質(zhì)、施肥年限、作物種植體系等因素有關(guān)。因此，有必要對(duì)特定類(lèi)型的土壤有機(jī)碳固存機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。

山西省煤礦含量豐富，煤炭面積達(dá)620萬(wàn)ha，占全省土地總面積的39.6%，全省累計(jì)采空面積約12萬(wàn)ha，土地塌陷裂縫面積約4.5萬(wàn)ha。礦區(qū)土地復(fù)墾是我省、乃至我國(guó)實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡、緩解人地矛盾的當(dāng)務(wù)之急，而在該區(qū)域?qū)で蟾咝Ш侠淼呐喾誓Ｊ?，?duì)于快速定向提高土壤質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)利用具有重大的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。前人研究報(bào)道，施化肥及有機(jī)肥均能顯著提高采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳含量[24-25]，但是這些研究并沒(méi)有從團(tuán)聚體的角度解析SOC的固存機(jī)制。因此，筆者以復(fù)墾6 a的土壤為研究對(duì)象，利用物理分組的方法，分析不同施肥措施下土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分的變化特征及其與SOC含量之間的關(guān)系，從而更好地理解采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳固存機(jī)制，并為完善該區(qū)域的土壤培肥和質(zhì)量提升理論提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西襄垣縣(N 36.47°，E 113.01°，平均海拔980 m)(圖1)，屬潞安集團(tuán)五陽(yáng)煤礦井田范圍，屬于低山黃土丘陵區(qū)，年平均氣溫9.5 ℃，年均降水量532.8 mm。供試土壤為石灰性褐土，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)開(kāi)始前0～20 cm土層SOC含量為4.20 g/kg,全氮(N)為0.50 g/kg，有效磷(Olsen-P)為2.01 mg/kg，速效鉀(K)為106.85 mg/kg(1.0 mol/L醋酸銨浸提)，土壤密度為1.49 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2008年，采用混推復(fù)墾的方式，種植作物為春玉米，品種為大豐30號(hào)。每公頃播種60 000株。每年5月左右播種，10月左右收獲，玉米秸稈全部還田。從2013年開(kāi)始進(jìn)行第6年復(fù)墾，不同處理下0～20 cm土層土壤的基本理化性狀見(jiàn)表1。

圖1 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地理位置Fig.1 Geographical of location of the long-term experiment

表1 不同處理下0～20 cm土層土壤的基本理化性狀Table 1 Physical-chemical properties at 0-20 cm soil layer under different fertilization regimes

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，分別是不施肥、施化肥、單施有機(jī)肥、有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施、化肥配施菌肥、有機(jī)肥配施菌肥、有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施菌肥(圖2)。本研究選取其中的4個(gè)處理:不施肥(CK);施用氮磷鉀化肥(NPK);單施有機(jī)肥(M);有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)。其中，供試有機(jī)肥為完全腐熟的雞糞，有機(jī)質(zhì)含量為25.80%，氮(N)含量為1.68%，磷(P2O5)含量為1.54%，鉀(K2O)含量為0.82%。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，采用完全隨機(jī)排列。小區(qū)面積為10 m×5 m=50 m2。各施肥處理的總養(yǎng)分投入量相同，具體施肥量見(jiàn)表2。

CK1MNPK1MNPKB1NPK1NPKB1M1MB1MNPK2MNPKB2CK2NPKB2NPK2MB2M2MNPKB3MNPK3CK3NPKB3NPK3MB3M3

表2 不同處理的肥料用量Table 2 Rates of N,P,K and manure in treatments kg/ha

1.3 樣品采集與分析

于2018年9月底春玉米收獲前一天，用定制的環(huán)刀(高度為10 cm、直徑為10 cm)采集0～20 cm土層的原狀土樣，每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)樣點(diǎn)，然后混合成1個(gè)樣品。帶回實(shí)驗(yàn)室后，沿土壤結(jié)構(gòu)小心地掰成< 1 cm的土塊，剔除動(dòng)植物殘?bào)w及石塊，過(guò)8 mm篩后，于通風(fēng)干燥處風(fēng)干，裝入塑封袋中備用。

同時(shí)，春玉米收獲后，每個(gè)小區(qū)用土鉆(高度為20 cm、內(nèi)徑約為2.5 cm)采集0～20 cm土層土壤樣品6鉆并混合，裝入塑封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后剔除石塊、根系等雜物，研磨后過(guò)0.15 mm篩，保存在塑封袋中測(cè)定SOC含量。

采用SIX等[17-18]提出的物理分組方法分離得到土壤大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分，操作流程如圖3所示。

圖3 物理分組流程Fig.3 Physical fractionation scheme

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳含量及cPOC,iPOC和MOC含量采用重鉻酸鉀-容量法測(cè)定，fPOC含量用Vario MACRO cube元素分析儀(德國(guó)哈瑙)測(cè)定。

1.5 計(jì)算方法

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量:

該研究中，對(duì)照組用遵醫(yī)護(hù)理，綜合護(hù)理干預(yù)組用綜合護(hù)理干預(yù)。結(jié)果顯示，綜合護(hù)理干預(yù)組家屬的滿意程度、血糖餐前餐后監(jiān)測(cè)狀況、酸中毒癥狀積分、生存質(zhì)量、ICU糖尿病酮癥酸中毒血糖糾正的時(shí)間、酸中毒糾正的時(shí)間、住院的平均日數(shù)、酮癥酸中毒后搶救失敗率方面相比對(duì)照組更有優(yōu)勢(shì)（P＜0.05）。

SOCstorage=10SOCDH

(1)

固碳量:

ΔSOCstorage=SOCstorage-6-SOCstorage-0

(2)

固碳速率:

SOCSR=ΔSOCstorage/6

(3)

其中，SOC為0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量，g/kg;D為土壤密度，g/cm3;H為土層深度，取0.20 m。SOCstorage-6和SOCstorage-0分別是復(fù)墾6 a和試驗(yàn)初期的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

本試驗(yàn)條件下，土壤有機(jī)碳投入(Cinput)主要來(lái)源于2部分:一部分是有機(jī)肥(Cinput-manure)，即腐熟的雞糞;另一部分是作物在生長(zhǎng)期間及收獲后通過(guò)根系、殘茬輸入到土壤的有機(jī)碳(Cinput-crop)。兩部分之和為土壤有機(jī)碳投入量。玉米整個(gè)植株碳含量按0.407 4 g/g進(jìn)行計(jì)算。每年以作物殘茬形式投入到土壤中的碳含量計(jì)算公式為

Cinput=(YBRDr+YSRS)×0.407 4

(4)

式中，YB和YS分別為地上部生物量和秸稈產(chǎn)量;R為光合作用產(chǎn)物進(jìn)入地下比例，本試驗(yàn)中玉米按照26%的地上部生物量的作物殘茬量進(jìn)行估算[26-27];Dr為0～20 cm根系占地下部的比例，為85.1%[28];RS為留茬占秸稈的比例，按3%進(jìn)行估算。

土壤大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量為該組分有機(jī)碳含量與其質(zhì)量分布比例的乘積。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果采用Microsoft Excel 2010和SAS 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間采用LSD法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。采用簡(jiǎn)單線性關(guān)系(y=ax+b)來(lái)擬合土壤有機(jī)碳含量與土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量之間以及年均碳投入量和土壤固碳速率之間的關(guān)系，Origin 8.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式下復(fù)墾土壤有機(jī)碳含量

連續(xù)6 a不同施肥處理后，施化肥(NPK)處理下SOC含量最低，為6.21 g/kg，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)處理下SOC含量最高，達(dá)8.82 g/kg(圖3,柱上不同小寫(xiě)字母代表各處理間土壤有機(jī)碳含量在5%水平差異顯著);同CK相比，NPK處理下SOC含量顯著降低了6.02%，而無(wú)論是單施有機(jī)肥(M)還是MNPK處理均顯著提高了SOC含量，增幅為20.74%～33.44%(圖4)。

圖4 不同施肥模式下土壤有機(jī)碳含量Fig.4 Soil organic carbon (SOC) concentration in the bulk soil under different fertilization regimes

2.2 不同施肥模式下復(fù)墾土壤碳投入量的差異

不同施肥措施下，每年通過(guò)玉米根茬和有機(jī)肥投入到土壤的有機(jī)碳總量為0.41～2.71 mg/ha，其中以CK處理最低，M處理最高(圖5,柱上不同小寫(xiě)字母代表各處理間來(lái)源于玉米根茬的碳投入在5%水平差異顯著，不同大寫(xiě)字母代表各處理間總有機(jī)碳投入在5%水平差異顯著)。每年通過(guò)玉米根茬還田到土壤中的有機(jī)碳量為0.41～0.92 mg/ha，CK和NPK處理下土壤有機(jī)碳投入僅來(lái)源于玉米根系和殘茬等。同CK相比，NPK處理顯著提高了通過(guò)玉米生長(zhǎng)代入土壤的有機(jī)碳含量78.90%;施有機(jī)肥處理(M和MNPK)不僅顯著提高了作物來(lái)源的有機(jī)碳，還通過(guò)外源添加動(dòng)物糞肥投入了大量的有機(jī)碳，其中，通過(guò)玉米生長(zhǎng)代入土壤的有機(jī)碳量約為總量的34%～55%。同CK相比，M和MNPK處理均顯著提高了玉米根茬和有機(jī)物料還田的有機(jī)碳量，增幅達(dá)118.62%～124.20%(圖5)。

圖5 不同施肥模式下來(lái)源于玉米根茬和有機(jī)肥的年均 碳投入量Fig.5 Annual carbon input from maize roots and manure under different fertilization regimes

2.3 不同施肥模式下復(fù)墾土壤大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分的分布

不同施肥處理下大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分以受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分(MOC)分布比例最高，范圍介于65.49%～79.87%;其次是受物理保護(hù)的大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳組分(iPOC)，范圍是10.52%～15.54%;然后是未受保護(hù)的粗顆粒有機(jī)碳組分(cPOC)，變幅為6.95%～13.57%;而未受保護(hù)的細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC)分布比例最小，僅占2.67%～5.40%(表3)。

同CK相比，所有施肥處理均對(duì)iPOC組分無(wú)顯著影響。NPK處理沒(méi)有對(duì)各組分的分布比例產(chǎn)生顯著影響。而施有機(jī)肥處理(M和MNPK)均顯著提高了cPOC組分的分布比例，分別提高了92.57%和95.20%，且M和MNPK處理亦顯著提高了fPOC組分的分布比例，均是CK的2倍。但是這2個(gè)處理均顯著降低了MOC組分的分布比例，分別降低了15.51%和18.00%。

表3 不同施肥模式下大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分的 分布比例Table 3 Distribution of macroaggregate fractions in soil separated by physical fractionation under different fertilization regimes %

2.4 不同施肥模式下復(fù)墾土壤大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量

不同處理下大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量以fPOC組分最多，其次是cPOC或MOC組分，而iPOC組分最少(圖6)。

同CK相比，所有施肥處理對(duì)大團(tuán)聚體中iPOC含量沒(méi)有顯著影響。此外，施NPK對(duì)大團(tuán)聚體中各組分的有機(jī)碳含量亦無(wú)顯著影響。M處理顯著降低了MOC含量，降低了36.45%。MNPK處理顯著提高了cPOC和fPOC含量，分別約為CK處理的4倍和2倍，但是顯著降低了MOC含量，降低了39.01%(圖5，柱上不同小寫(xiě)字母代表各處理間大團(tuán)聚體中相同組分的有機(jī)碳含量在5%水平差異顯著)。

圖6 不同施肥模式下大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量Fig.6 OC content within macroaggregate fraction under different fertilization regimes

2.5 大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系

線性回歸顯示大團(tuán)聚體中各有機(jī)碳組分，僅有未受保護(hù)的粗顆粒有機(jī)碳組分(cPOC)和細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC)的有機(jī)碳含量與SOC含量呈顯著正相關(guān)(P< 0.01)(圖7，**表示P< 0.05)，其中，cPOC組分的方程斜率是1.06，fPOC組分的回歸方程斜率是1.27，表明礦區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳主要固存于未受保護(hù)的有機(jī)碳組分中。

圖7 不同施肥模式下土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體中各組分 有機(jī)碳含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between SOC concentration in the bulk soil and OC contents within macroaggregate fractions under different fertilization regimes

2.6 礦區(qū)復(fù)墾土壤固碳速率與年均碳投入量的關(guān)系

復(fù)墾6 a后，各處理下SOC均表現(xiàn)為明顯累積，且以MNPK處理的固碳速率最高(1.58 mg/(ha·a))，其次是M處理(1.36 mg/(ha·a))，CK處理(0.82 mg/(ha·a))，而NPK處理的固碳速率最低(0.68 mg/(ha·a))(圖7)。相關(guān)分析表明，礦區(qū)復(fù)墾土壤固碳速率與年均碳投入量呈正相關(guān)(P< 0.01)，即土壤固碳速率隨著有機(jī)碳投入量的增加呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明供試土壤仍具有一定的固碳潛力。土壤有機(jī)碳固存速率與年均碳投入量的關(guān)系方程為y=0.31x+0.68，其中斜率表示投入碳在土壤中的轉(zhuǎn)化效率，說(shuō)明連續(xù)復(fù)墾6 a，約有31%的投入碳固存于土壤中(圖8，**表示P<0.05)。

圖8 長(zhǎng)期不同施肥下年均碳投入量與固碳速率的關(guān)系Fig.8 Relationship between annual carbon input and SOC sequestration rate under different fertilization regimes

3 討 論

3.1 施肥措施對(duì)大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳固存的影響

團(tuán)聚體中cPOC和fPOC組分構(gòu)成了未受保護(hù)的有機(jī)碳庫(kù)，它們是由植物殘茬和真菌菌絲、孢子組成的，極易被微生物分解，屬于高活性有機(jī)碳，對(duì)農(nóng)田管理措施反映敏感[17]。本研究結(jié)果顯示，同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)和單施有機(jī)肥(M)處理對(duì)這2個(gè)組分的有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響，但是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理(MNPK)顯著提高了這2個(gè)組分的有機(jī)碳含量(圖6)。這與TIAN等[29]和YANG等[30]的研究結(jié)果一致，他們也發(fā)現(xiàn)施化肥(NPK)并沒(méi)有對(duì)潮土和紅壤中cPOC組分的有機(jī)碳含量產(chǎn)生促進(jìn)作用，但是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)顯著提高了該組分的有機(jī)碳含量。與本研究中fPOC含量對(duì)施肥的響應(yīng)結(jié)果一致，YANG等[30]報(bào)道，連續(xù)34 a施NPK對(duì)紅壤水田中fPOC含量無(wú)顯著影響。HE等[13]在黑土、潮土和紅壤上均發(fā)現(xiàn)，連續(xù)多年有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施顯著提高了fPOC含量，但是他們發(fā)現(xiàn)NPK處理顯著提高了各土壤中fPOC含量。這可能與土壤性質(zhì)、氣候條件、種植體系、施肥歷史等因素有關(guān)。以上結(jié)果表明有機(jī)碳投入水平越高越有利于未受保護(hù)的組分中有機(jī)碳含量的累積，而施化肥或者單施有機(jī)肥還不能為這些組分補(bǔ)充足夠的有機(jī)碳。另外，MNPK處理對(duì)cPOC和fPOC這2個(gè)組分的有機(jī)碳含量具有明顯的促進(jìn)作用(圖6)，且結(jié)合土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量之間的關(guān)系分析(圖7)，cPOC+fPOC組分是本研究所在區(qū)域的土壤上主要的固存形式，即長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施首先顯著提高了復(fù)墾土壤大團(tuán)聚體中未受保護(hù)的組分中有機(jī)碳含量。與XU等[23](2016)報(bào)道的cPOC組分是黑土有機(jī)碳主要的固存形式不同。這種差異可能是因?yàn)楸狙芯恐衏POC組分是從大團(tuán)聚體中提取得到的，而XU等(2016)是從原土中獲取的。

SIX等認(rèn)為受物理保護(hù)的iPOC組分是通過(guò)閉蓄作用來(lái)阻止微生物分解土壤有機(jī)碳[16]。本研究結(jié)果顯示，施肥較CK并沒(méi)有顯著提高iPOC含量(圖6)。這與XU等[23]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)連續(xù)25 a單施氮肥(N)、低量有機(jī)肥配施化肥(M1N1P1)和中量有機(jī)肥配施化肥(M2N2)均對(duì)iPOC含量無(wú)顯著影響。但是也有研究報(bào)道，施化肥或者有機(jī)肥能夠顯著提高iPOC含量[13]。可能是因?yàn)槭┗蕿槲⑸锾峁┝擞行У?，施有機(jī)肥為微生物的生長(zhǎng)補(bǔ)充了能量物質(zhì)，這些因素均顯著促進(jìn)了土壤微生物的活動(dòng)，進(jìn)而加強(qiáng)了受物理保護(hù)有機(jī)碳的分解，使其礦化損失量大于農(nóng)田歸還量。再加上本研究中，玉米生長(zhǎng)時(shí)期正值夏季，高溫多雨，加速了土壤有機(jī)碳的礦化，所以受物理保護(hù)的有機(jī)碳含量受施肥的影響較小。

受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分(MOC)主要受復(fù)雜的生化反應(yīng)或者有機(jī)質(zhì)本身所固有的自然屬性影響[16]，它的性質(zhì)類(lèi)似于土壤惰性有機(jī)碳。本研究結(jié)果表明，施化肥(NPK)對(duì)MOC含量無(wú)顯著影響，而施有機(jī)肥(M和MNPK)均顯著降低了MOC含量(圖6)。HE等[13](2015)在黑土、潮土和紅壤上也報(bào)道，長(zhǎng)期施化肥較CK并沒(méi)有顯著提高M(jìn)OC含量。WANG等[31](2017)在黃壤性水稻土上研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施降低了MOC含量。這是因?yàn)榈V質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳主要以腐殖質(zhì)的形式存在[13]，而化肥投入的有機(jī)碳經(jīng)微生物分解合成后的腐殖質(zhì)還不足以顯著提高礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量。施有機(jī)肥一方面降低了MOC組分的分布比例(表3)，另一方面增加了土壤的真菌數(shù)量[32]，促使土壤粉黏粒向團(tuán)聚體顆粒的轉(zhuǎn)化[33]，且由微生物代謝分泌物所增加的礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量小于礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳向大團(tuán)聚體中微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)碳轉(zhuǎn)移的含量，最終使受化學(xué)或生物化學(xué)保護(hù)的有機(jī)碳含量減少。此外，結(jié)合SOC含量與MOC含量之間的關(guān)系分析，MOC含量隨著SOC含量的增加而降低(圖7)，說(shuō)明MOC組分已經(jīng)達(dá)到飽和水平。前人研究報(bào)道粉黏粒組分中有機(jī)碳含量是有限的，而且惰性碳庫(kù)對(duì)土壤有機(jī)碳的保護(hù)能力與粉粘粒的含量緊密相關(guān)[34]。因此，MOC組分對(duì)施肥措施的響應(yīng)主要取決于初始SOC水平以及粉黏粒含量。GULDE等[35]研究不同有機(jī)肥用量對(duì)土壤中各團(tuán)聚體組分有機(jī)碳含量的影響，曾發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳首先在穩(wěn)定組分中達(dá)到飽和，繼而才向不穩(wěn)定的組分中轉(zhuǎn)移。

3.2 施肥措施對(duì)土壤有機(jī)碳固存的影響

土壤有機(jī)碳固存受多種因素的影響，如施肥措施、耕作措施、種植體系等，且以施肥對(duì)它影響最深刻。本研究結(jié)果顯示，同CK相比，施化肥(NPK)顯著降低了SOC含量，而M以及MNPK均顯著提高了SOC含量(圖4)。這與WANG等[36]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)M或者M(jìn)NPK處理均能顯著提高SOC含量，但是NPK處理也能顯著提高SOC含量。這是因?yàn)槭┯袡C(jī)肥不僅可以直接為土壤提供充足的碳源，還可以間接地通過(guò)提高作物產(chǎn)量來(lái)增加殘茬還田量(圖5)。而造成施化肥對(duì)SOC含量影響不一致的原因主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)條件下氮、磷、鉀養(yǎng)分投入量較低，雖然施化肥可以提高作物殘茬還田量(圖5)，但是與此同時(shí)也改善了土壤的養(yǎng)分條件，增強(qiáng)了微生物活性，加速了SOC的礦化分解，有機(jī)碳礦化量大于作物殘茬歸還量。

本研究結(jié)果表明，土壤固碳速率隨著有機(jī)碳投入量的增加而增大(圖8)，說(shuō)明土壤有機(jī)碳庫(kù)仍未飽和，還有一定的固碳潛力。這與WANG等[36]和ZHANG等[1]的研究結(jié)果一致。他們?cè)诔蓖梁图t黃壤上研究發(fā)現(xiàn)，土壤固碳速率與有機(jī)碳投入量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但是也有研究報(bào)道，土壤固碳速率并沒(méi)有隨著有機(jī)碳投入量的增加而增加，兩者之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系[16,35,37]，即土壤有機(jī)碳出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。造成這些研究結(jié)果之間的差異不僅與土壤有機(jī)碳初始值有關(guān)，還與有機(jī)碳投入量的范圍有關(guān)。一方面，土壤有機(jī)碳初始值越低，土壤所表現(xiàn)出來(lái)的固碳能力越強(qiáng)[38]。另一方面，當(dāng)有機(jī)碳投入量的范圍較小時(shí)，土壤仍有空間固存有機(jī)碳;而當(dāng)有機(jī)碳投入量范圍較大時(shí)，土壤有機(jī)碳便會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。本研究中復(fù)墾土壤由于其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及微生物類(lèi)群均處于初期構(gòu)建階段，在復(fù)墾過(guò)程中是將表層土壤與底層土壤混合整平，甚至重新堆墊，造成土壤肥力低下，相比于其他農(nóng)田土壤，復(fù)墾土壤有機(jī)碳的初始水平較低。施肥，尤其是施加有機(jī)肥能夠明顯增加土壤有機(jī)碳投入(圖5)，但是各處理下有機(jī)碳投入量的變幅范圍在0.4～2.7 mg/(ha·a)，而ZHANG等[37]在紅壤上研究發(fā)現(xiàn)各處理下有機(jī)碳投入量的變幅范圍約為2.2～8.3 mg/(ha·a)(以南昌為例)，變幅范圍大于本試驗(yàn)。本研究還顯示，投入碳在土壤中的轉(zhuǎn)化率為31%(圖8)，該值與Zhang等[27]的研究結(jié)果相似，他們報(bào)道在我國(guó)北方地區(qū)投入碳在農(nóng)田土壤上的轉(zhuǎn)化率為15.8%～31.0%。但是該值顯著高于ZHAO等[38]在紫色土上的研究結(jié)果(19%)，這主要是因?yàn)樯鲜鲅芯恐械脑囼?yàn)區(qū)域位于亞熱帶，土壤固碳效率低于本區(qū)域(溫帶地區(qū))，再加上頻繁的水旱輪作、季節(jié)性的干濕交替也加速了土壤有機(jī)碳的礦化速率。

4 結(jié) 論

(1)同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)顯著降低了采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤有機(jī)碳含量，雖然該處理下年均碳投入量顯著提高。而單施有機(jī)肥(M)以及有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)均顯著提高了土壤有機(jī)碳含量和年均碳投入量。

(2)施化肥對(duì)大團(tuán)聚體中各組分有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響。單施有機(jī)肥降低了礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分(MOC)中有機(jī)碳含量。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施顯著提高了粗顆粒有機(jī)碳組分(cPOC)和細(xì)顆粒有機(jī)碳組分(fPOC)中有機(jī)碳含量，卻顯著降低了MOC含量。未受保護(hù)的有機(jī)碳組分(cPOC+fPOC)與SOC含量之間呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明復(fù)墾土壤有機(jī)碳首先累積在未受保護(hù)的有機(jī)碳組分中。

(3)土壤固碳速率與年均碳投入量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤仍有潛力固存有機(jī)碳，且每年有31%的投入碳轉(zhuǎn)化到土壤中。