有機肥配施菌劑對復墾土壤有機碳和碳庫管理指數(shù)的影響

關一凡，孟會生，王帥兵，焦金鋮，吳新星，郝鮮俊

（山西農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山西太谷 030801）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求也快速增長。2023 年1—11 月，山西原煤產(chǎn)量124 609.9 萬t，增長3.8%[1]，是名副其實的全國第一產(chǎn)煤大省。然而，在開采礦山過程中，尾礦粉塵飛揚、粉煤灰等會進入土壤中并積累，經(jīng)雨水沖刷、淋溶，造成土壤酸化、土壤耕地退化和土壤質量降低等問題[2]。因此，對礦區(qū)復墾土壤肥力的提高及質量的恢復成為重中之重。目前，礦區(qū)土壤改良技術主要包括物理、化學、生物技術。物理改良技術是礦區(qū)復墾的基礎，但是處理效率較低，不適合大規(guī)模污染土壤；化學改良技術可改善土壤理化性質，減少土壤污染，但是缺乏持久性，這些技術在處理污染土壤的礦山廢棄地方面具有潛力，但仍有局限性。同時，環(huán)境材料在礦區(qū)的土壤改良中具有廣泛的應用，我國目前應用較多的環(huán)境材料主要有生物炭、微生物菌肥等，它們在水肥保持和環(huán)境治理方面具有很好的實踐效果[3]。微生物菌肥作為一種新興的綠色肥料，可以通過改變土壤的物理特性，改善土壤中的生物多樣性，提高養(yǎng)分肥力，促進植物生長[4]。相關研究近年來發(fā)展迅速，其中以解磷菌和固氮菌應用最為廣泛。姜瑛等[5]研究表明，將高效固氮解磷菌接種于土壤中，可以有效提高NH4+-N、NO3--N、礦質氮含量。同時，土壤有效磷含量提高18.1%。Yu 等[6]研究表明，熒光假單胞菌能夠顯著提高植株苗高和地上部干質量，增加核桃氮、磷的吸收。羅心誠等[7]研究表明，芽孢桿菌屬可使水稻的凈光合速率提高8.78%，產(chǎn)量提升21.3%，并且顯著提升水稻土中全氮、全磷、全鉀、堿解N、速效K等含量。武杞蔓等[8]研究表明，微生物菌肥能夠顯著增加番茄植株產(chǎn)量，改善番茄果實品質，提高葉片葉綠素含量。盡管菌劑已廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是在實際應用中存在一定的局限性，且菌劑對增產(chǎn)的效果有限，這是由于其本身并不含有植物生長所需的關鍵營養(yǎng)成分。此外，對于礦區(qū)復墾土壤，其生態(tài)系統(tǒng)本身較為脆弱，土壤結構破壞，氮磷養(yǎng)分貧瘠，土壤微生物稀少[3]。肥料配施菌劑不僅能提高土壤固氮效率、改善農(nóng)產(chǎn)品品質、實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，而且減少施加肥料對土壤造成的污染，有利于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。朱望帥等[9]研究表明，化肥減施與微生物菌肥配施可改善鹽堿地土壤理化環(huán)境與生物學性狀、提升玉米產(chǎn)量和品質、提高經(jīng)濟效益、肥料養(yǎng)分利用效率。張濤等[10]研究表明，化肥減量配施微生物菌肥能提高土壤有機質含量，有效防止速效磷損失，中和土壤酸性，提高生態(tài)效益?？娖降萚11]研究表明，雞糞＋微生物菌肥處理對蘋果幼苗生長和鹽堿化土壤的改善效果較好，且處理時間越長對蘋果幼苗生長和土壤的改良效果越明顯。Kumar 等[12]研究表明，通過增加生物接種劑和無機肥料的應用，可以有效控制穿心蓮植物在雨季的黃化問題。鑒于此，菌劑與其他肥料配合施用是一個潛在的優(yōu)化方案[13]。同時，山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院礦區(qū)土壤復墾與微生物多樣性研究室篩選出一株高效固氮菌株，研究其與肥料組合對土壤肥力及土壤質量恢復的影響具有重要的研究意義。

土壤有機碳是評價土壤恢復效果的重要指標[14-15]，是表征土壤質量的關鍵指標之一，同時在全球碳循環(huán)過程中也扮演著重要角色。土壤活性有機碳可以反映土壤有機質有效組分的變化[16]。土壤碳庫管理指數(shù)因結合了土壤碳庫指標和土壤碳庫活度指標，既反映了外界管理措施對土壤有機碳總量的影響，也反映了土壤有機碳組分的變化情況[17]。因此，該指標對復墾土壤最為關鍵。依托山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)長期定位試驗平臺，探討不同施肥處理與復墾年限對復墾土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)的影響，以期為提升復墾土壤碳庫活性、微生物活性及菌肥的合理配施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

以山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)定位復墾試驗田土壤為研究對象，該地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫9.6 ℃，四季分明，春、秋短促，7—9 月氣溫最高，年平均降水量456.8 mm，全年無霜期為170 d 左右。供試土壤的基本性狀見表1。

表1 供試土壤的基本性狀

1.2 供試材料

供試玉米品種為鄭單958，由河南省農(nóng)業(yè)科學院糧作所科技有限公司生產(chǎn)；供試肥料為化肥：尿素（含N 46%，安陽中盈化肥有限公司生產(chǎn)）、過磷酸鈣（含P2O516%，湖北豐樂生態(tài)肥業(yè)有限公司生產(chǎn)）和氯化鉀（含K2O 60%，天津長蘆海晶集團有限公司濱海新區(qū)第三分公司生產(chǎn)），均為農(nóng)用肥料；有機肥：完全腐熟的雞糞（含有機質29.4%、N 1.45%、P2O50.54%、K2O 1.56%，農(nóng)家自產(chǎn)，直接經(jīng)高溫好氧發(fā)酵罐技術處理所得，沒有增加其他腐熟菌劑及輔料）；供試菌劑：山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院礦區(qū)土壤復墾與微生物多樣性研究室篩選出的固氮菌劑，固氮量為4.54 μg·mL-1（采用LB 液體培養(yǎng)基制成）。

1.3 試驗設計

采用雙因素（施肥處理×復墾年限）隨機區(qū)組設計，在山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)進行田間試驗。該試驗地年平均溫度為9.5 ℃，1 月平均-6.4 ℃，7 月平均23 ℃，霜凍期為10 月中旬至次年4月中旬，無霜期平均149～175 d，年均降水量468.4 mm。玉米分別于2020 年5 月1 日和2021 年5 月1日播種，并于當年9 月底收獲。復墾年限包括1 年和2 年，施肥設置7 個處理：不施肥（CK）、化肥（CF）、化肥+菌劑（CFB）、有機肥（M）、有機肥+菌劑（MB）、有機肥+化肥（MCF）、有機肥+化肥+菌劑（MCFB），每個處理重復3 次。小區(qū)面積為100 m2（10 m×10 m）。以等量施肥為原則，N 為261 kg·hm-2、P2O5為97 kg·hm-2、K2O 為281 kg·hm-2，播種密度為72 000株·hm-2。所有肥料在播種時使用旋耕機一次性均勻撒施，未進行追肥。

1.4 樣品采集及處理

玉米收獲后，采用五點采樣法采集土壤表層0～20 cm 的樣品。采集的土壤樣品，一份于冰箱低溫保存，用于測定土壤微生物量碳和水溶性有機碳，另一份混勻后風干，剔除石子、動植物殘體等異物后研磨，過篩（1 mm 和0.149 mm），進行其他指標的測定。

1.5 測定項目與方法

采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[18]測定土壤總有機碳（TOC）；采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法[19]測定土壤水溶性有機碳（DOC）；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]測定土壤微生物量碳（MBC）；采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法[20]測定土壤易氧化有機碳（ROC）。

土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）的計算[21]：以CK 作為參考土壤，將CK 土壤總有機碳(TOC)和碳庫活度（A）的平均值作為參考土壤的TOC 含量和A0值，CPMI 計算方法為：

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用MicrosoftExcel 軟件對數(shù)據(jù)進行整理，使用SPSS 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，LSD 法進行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較（α=0.05），使用Origin2022 構建相關性分析圖，CANOCO5.0 軟件進行冗余分析（RDA）。

2 結果與分析

2.1 不同施肥方式對復墾土壤總有機碳和活性有機碳組分的影響

雙因素方差分析表明，施肥處理與復墾年限對土壤有機碳組分具有顯著影響，同時二者具有顯著的交互作用。由圖1 所示，復墾2 年的MB 處理土壤總有機碳、微生物量碳、水溶性有機碳和易氧化有機碳含量最高。由圖1-A 所示，對于復墾2 年的土壤，MB 處理的土壤總有機碳含量較M 處理顯著提高7.00%，MCFB 處理較MCF 處理顯著提高8.61%；由圖1-B 所示，對于復墾2 年的土壤，MB 處理的微生物量碳較M 處理顯著提高13.1%，較復墾1 年顯著提高26.6%；由圖1-C 所示，除復墾2 年的CFB 處理土壤水溶性有機碳較復墾1 年無顯著差異外，其余復墾2年的施肥處理土壤水溶性有機碳含量較復墾1 年相應施肥處理顯著提高；由圖1-D 所示，復墾2 年的各施肥處理土壤易氧化有機碳含量較復墾1 年相應施肥處理顯著提高。綜上所述，較復墾1 年相比，復墾2年的MB 處理對土壤有機碳組分的提升效果更好。

2.2 不同施肥方式對復墾土壤碳素有效率的影響

由表2 所示，復墾2 年的MB 處理MBC 有效率、DOC 有效率最高，復墾2 年的MB 處理DOC 有效率和ROC 有效率較復墾一年均差異顯著，分別顯著提高21.7%、33.5%。除復墾2 年的MCFB 處理DOC 有效率較復墾一年DOC 降低，其他復墾2 年處理較復墾1 年處理均可有效提高MBC 有效率、DOC 有效率和ROC 有效率，表明各施肥處理均可有效提高碳素有效率。

表2 不同施肥方式下土壤有機碳的有效率 %

2.3 不同施肥方式對碳庫管理指數(shù)的影響

由表3 可知，復墾2 年的MB 處理碳庫指數(shù)、碳庫管理指數(shù)最大，分別較復墾1 年MB 處理顯著提高17.9%、44.2%（P<0.05），復墾2 年土壤的非活性有機碳含量均顯著低于復墾1 年。這表明有機肥+菌劑處理對提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)具有重要作用。同時，年限越長，越有利于提高土壤碳庫指數(shù)和碳庫管理指數(shù)，有利于降低非活性有機碳含量。

表3 不同施肥方式對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

2.4 有機碳庫各指標之間的相關性

由圖2 可以看出，除土壤易氧化有機碳含量與土壤總有機碳含量、微生物量碳之間沒有顯著的相關性（P>0.05），其他各指標之間均存在顯著的相關性關系。土壤總有機碳含量與微生物量碳、水溶性有機碳含量之間存在極顯著（P<0.001）的相關性，表明復墾土壤總有機碳與微生物量碳、水溶性有機碳之間關系密切。此外，碳庫管理指數(shù)與土壤有機碳含量、微生物量碳和水溶性有機碳含量均存在極顯著（P<0.001）相關性，與易氧化有機碳含量存在極顯著（P<0.01）的相關性，其中碳庫管理指數(shù)與水溶性有機碳含量相關性最大，表明土壤水溶性有機碳對碳庫管理指數(shù)的影響最大。

圖2 有機碳庫各指標之間的相關性

2.5 不同施肥方式下復墾土壤RDA 分析

為更直觀了解不同復墾年限不同施肥處理對土壤有機碳組分、碳庫管理指數(shù)、碳素有效率的影響，對上述數(shù)據(jù)進行排序（圖3），其中前2 個排序軸的特征值分別為0.738 1 和0.157 4，前兩軸的累積貢獻率為89.5%。排序圖將42 個樣方分別分為A、B 2 個區(qū)域，A 代表復墾1 年土壤，B 代表復墾2 年土壤。2 個復墾年限之間有機碳庫的賦存特征存在明顯差異，復墾2 年的有機碳庫含量顯著優(yōu)于復墾1年（P<0.05）。整體來看，同一年限內，與CK 相比，所有施肥處理均明顯促進了土壤有機碳庫累積，其中，復墾2 年的MB 處理效果最顯著。對復墾2 年土壤影響碳庫管理指數(shù)的施肥處理順序為：MB>M>MCFB>MCF>CFB>CF>CK，其中MB 處理對提高土壤碳庫管理指數(shù)最為有效。

圖3 不同施肥方式下復墾土壤RDA 分析

3 討論與結論

3.1 討論

本研究表明，有機肥+菌劑處理對復墾土壤總有機碳的提升效果最為顯著，與單施有機肥處理相比差異顯著（P<0.05），這與張敬業(yè)等[22]的研究結果一致。一方面，復墾土壤有機質等養(yǎng)分背景值低下，有機肥的連續(xù)施用和積累可增加土壤碳的投入、提高作物產(chǎn)量、增加顆粒態(tài)有機碳的直接輸入量。另一方面，配施有機肥提高了生物菌肥的施用效果，有機肥提供有機質，微生物菌劑提供有益微生物。此外，有機質的添加能顯著影響土壤微生物種群和酶活性，并且降低改良土壤環(huán)境對有益菌的負面影響。與單施有機肥相比，顯著提高土壤總有機碳含量。

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，有機肥處理的微生物量碳顯著高于有機肥+無機肥處理（P<0.05），這與郭亞軍等[24]的研究結果一致。主要原因可能是有機肥+菌劑處理的有機肥是M 處理的一半，施入的有機肥減半后土壤中易被微生物降解的有機物質隨之減少，導致有機無機肥配施菌劑的效果不如有機肥+菌劑。大量研究表明，化肥+菌劑處理對微生物量碳的影響顯著高于單施化肥處理[24]。但本研究表明，復墾1 年的化肥+菌劑處理的微生物量碳與化肥處理相比降低。主要原因可能是化肥中的氮、磷、鉀幾種元素的總養(yǎng)分過高，抑制了微生物的活性，甚至造成菌種生理性失水死亡。

土壤碳庫管理指數(shù)表征土壤碳庫變化的指標，其值越大，表示有機碳越易被微生物分解和被植物吸收利用，碳庫活度和質量也就越高[25]。有研究表明，菌劑+有機肥+無機肥配合施用是礦區(qū)復墾土壤培肥和植被恢復的最佳組合方式[26]。但本研究表明，有機肥+菌劑處理對復墾土壤碳庫管理指數(shù)的提升效果最好。一方面，有機肥、無機肥和菌劑的配比并不是最佳，導致效果沒有達到最佳，不如有機肥配施菌劑處理的效果；另一方面，施入的無機肥影響了微生物活性，導致微生物的固氮解磷作用沒有達到預期效果。大量研究表明，土壤碳庫管理指數(shù)與活性有機碳含量之間的相關性最大[27]。但本研究表明，土壤碳庫管理指數(shù)與水溶性有機碳含量相關性最大。主要原因可能是在土壤進行復墾的過程中，對土壤的施肥和耕作措施，在一定程度上會增強上層土壤的微生物活性、增加易溶于水的代謝產(chǎn)物。

本研究通過深入分析不同施肥方式及復墾年限對有機碳庫、碳庫管理指數(shù)的影響，得出復墾年限越長的有機肥+菌劑處理對于土壤肥力的提升效果最好的結論，為有機肥配施以及新型菌肥的施用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上提供科學理論依據(jù)。同時，由于試驗條件有限，大田試驗極易受到當?shù)靥鞖鈼l件的影響，有機碳庫其他組分指標還待于進一步測定。在今后的研究中，對于探索有機肥與菌劑的添加比例等因素對土壤肥力的影響仍需要長期持續(xù)觀測和深入研究。

3.2 結論

（1）復墾2 年的有機肥+菌劑處理對土壤總有機碳（TOC）、微生物量碳（MBC）、水溶性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（ROC）含量的提升效果最好。此外，復墾2 年的有機肥+菌劑處理的MBC 有效率、DOC 有效率最高，能夠顯著提高土壤碳素有效率。

（2）復墾2 年的有機肥+菌劑處理對土壤碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)的提升效果具有積極意義，可顯著降低非活性有機碳含量。復墾土壤總有機碳與微生物量碳、水溶性有機碳之間存在轉化關系，土壤水溶性有機碳對碳庫管理指數(shù)的影響最大。2 個復墾年限之間有機碳庫的賦存特征存在明顯差異，復墾2 年的有機碳組分顯著優(yōu)于復墾1 年。