復墾土壤水穩性團聚體碳氮分布對施肥的響應

何 冰 ，李廷亮 ，2，栗 麗 ，李 順 ，張 杰 ，逯家豪

（1.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷030801；2.山西農業大學農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西太谷030801）

隨著經濟社會的發展，煤炭資源被大規模開 采，造成地表塌陷，土壤結構破壞，引發了煤礦區土地生態環境惡化、土壤肥力下降以及耕地面積大量減少等一系列問題。恢復采煤塌陷區土地生產力，提高復墾土壤肥力，改善礦區土壤狀況，是當前采煤塌陷區急需解決的問題[1-2]。

土壤水穩性團聚體作為土壤結構的重要組成部分，是土壤水肥氣熱的儲存空間，土壤結構又影響著土壤的理化性質、土壤有機質的分布和團聚體分布，在礦區土地復墾中起到了至關重要的作用。肥料的長期施用會改變土壤系統中物質的循環，增強土壤碳、氮養分的供應，對土壤水穩性團聚體的形成及穩定性產生影響[3]。而有機碳是土壤肥力的重要組成部分，其含量反映的是土壤肥力的高低。土壤有機碳和全氮與土壤團聚體不可分割，表土中近90%的土壤有機碳、氮存在于團聚體中，而水穩性團聚體可以保護有機碳、氮，同時有機碳、氮的固定也影響著團聚體的形成和轉化[4-7]。劉恩科等[8]在褐潮土上的研究表明，長期施肥對0.25～2 mm水穩性大團聚體的促進作用最明顯。陳惟財等[9]關于紅壤性水稻土的研究發現水穩性團聚體在耕作層以＞5 mm粒徑含量最高，在犁底層以＜0.25 mm粒徑含量最高。而韓新生等[10]通過測定發現表層土壤中水穩性小團聚體的含量所占比例最高，史奕等[11]在對黑土的研究中也認為＜1 mm水穩性團聚體在施加化肥的影響下變化含量最高。可見，施肥在一定程度上影響水穩性團聚體含量及其有機碳、氮的含量，但土壤類型、理化性質、肥料品種等對不同粒徑水穩性團聚體的影響也有所不同。綜合來看，施肥特別是施用有機肥有利于水穩性團聚體含量及其有機碳、氮含量的增加，但不同土壤條件下影響的程度有明顯差異[12-13]。

目前，關于水穩性團聚體的研究大多側重于設施農業、基本農田土壤的研究，尤其是不同的土地利用方式、耕作措施下團聚體特征的探討[14-15]。而山西采煤塌陷區覆蓋面積大，礦區復墾土壤團聚體水平低，土壤貧瘠，肥力較差，對該區域土壤水穩性團聚體水平的研究較少，尤其就不同培肥措施下復墾土壤水穩性團聚體分布以及有機碳、氮含量的研究較為缺乏。

本文采煤塌陷區復墾土壤為研究對象，研究了5種培肥措施對不同復墾年限（4年，8年）土壤水穩性團聚體組成及團聚體碳、氮分布的影響，以期為采煤塌陷區土地恢復及肥力提升等工作提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗基地位于山西省襄垣縣洛江溝采煤塌陷區（36°28'11.95″N，113°00'52.57″E），山西農業大學資源環境學院于2007年與該基地簽訂設立，自2009年起，采用就地平整法復墾，主要種植玉米。該試驗區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫8～9℃，年降水量532.8 mm，無霜期平均160 d。

本研究以基地復墾4年和8年（分別于2013年和2009年開始培肥熟化復墾）土壤為研究對象，研究采煤塌陷地復墾土壤在不同培肥措施下水穩性團聚體以及碳氮含量分布的變化規律。

1.2 試驗設計

試驗設置5個培肥處理：（1）不施肥（CK）；（2）單施化肥（CF）；（3）單施有機肥（M）；（4）有機肥+化肥（MCF）；（5）生物有機肥+化肥（MCFB）。每個處理重復3次，另取未復墾生土（RS）和周邊未破壞多年種植熟土（US）作為培肥效果參照。除不施肥對照外，其余各處理均按等養分供應量原則進行設計，具體見表1。試驗供試有機肥為雞糞，含有機質：25.8%，N∶1.68%，P2O5∶2.46%，K2O∶1.35%；供試菌肥是將拉恩式菌、假單胞菌1、假單胞菌2制成混合磷細菌菌液后，與腐熟的雞糞以1∶9的比例混合均勻，制備成磷細菌肥，其活菌數≥0.5×108CFU·g-1。

表1 不同施肥處理的施肥量 （kg·hm-2）

1.3 測定項目及方法

1.3.1 水穩性團聚體的測定 濕篩法[13]，稱取干篩后各粒級團粒體土壤樣品50 g，均勻放在孔徑分別為 2，1，0.5，0.25，0.053 mm 按順序組成的對應粒徑套篩之上，將套篩放入水穩性團粒分析儀，加入蒸餾水至淹沒土樣（在整個套篩處于最上端時，最頂層篩的土樣保持被水淹沒），以35次·min-1上下震動30 min，將各級水穩性團聚體少量多次洗入已知重量的干燥鋁盒中，在60℃下鼓風烘干箱中烘干12 h，稱質量，測定各級水穩性團聚體含量。

1.3.2 土壤總有機碳、氮的測定 采用重鉻酸鉀容量法（外加熱法）測定各粒級土壤中的有機質含量和半微量開氏法測定土壤全氮含量[16]。

1.3.3 土壤碳氮儲量的計算 （1）各粒級團聚體碳（氮）儲量比例

（2）各處理團聚體總碳（氮）儲量

式中，Pi為第i級團聚體碳（氮）儲量百分比（%）；Qi為各粒級團聚體總碳（氮）儲量（g·hm-2），Ci為第 i級團聚體碳（氮）含量（g·kg-1）；Wi為第 i級團聚體重量百分數（%）；Z為單位面積耕層土壤重量（kg·hm-2）

1.4 數據分析

所有試驗數據通過使用Microsoft Excel 2003軟件進行統計運算和整理，所有的測定結果均以三次平行測定結果的平均值來表示，使用SPSS19.0軟件檢驗各處理間差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同培肥措施對土壤水穩性團聚體組成的影響

由表2可知，土壤水穩性團聚體含量在復墾4年CF處理和復墾8年MCF處理表現為按如下粒徑順序依次減小：1～2 mm，＞2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.053～0.25 mm，其他各處理均表現為隨粒徑的減小逐漸增加；各處理均以0.053～0.25 mm粒級團聚體含量最高，占團聚體總量的35%（US）～50%（RS）。同一復墾年限不同施肥處理之間水穩性團聚體含量無明顯變化規律；與未復墾生土相比較，除4年MCFB處理在1～2 mm有所降低外，其余各施肥處理均明顯提高了＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒徑含量；與周邊農田熟土相比較，主要降低了0.5～1 mm，除復墾8年CK以外的1～2 mm，以及除復墾8年MCFB處理以外的0.25～0.5 mm水穩性團聚體含量。與復墾4年相比，復墾 8年 MCF、MCFB處理分別在＞2 mm，0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體含量顯著增加了69%和15%，M和MCF處理在微團聚體（0.053～0.25 mm）分別顯著減少了22%和14%，其他各有機肥處理在＞2 mm，1～2 mm粒徑的水穩性團聚體含量亦有不同程度的增加，但差異均不顯著。總體來看，不同施肥處理下復墾土壤水穩性團聚體粒徑分布均以0.053～0.25 mm最高，在有機肥參與下隨復墾年限增加，土壤水穩性團聚體整體表現為微團聚體（0.053～0.25 mm）減少，大團聚體（＞2 mm，1～2 mm）增加的趨勢。

表2 不同培肥處理下土壤水穩性團聚體含量 （kg·hm-2）

2.2 不同培肥措施對復墾土壤有機碳含量及儲量的影響

由表3可知，各處理在不同復墾年限各粒徑土壤團聚體有機碳含量均明顯高于未復墾生土，但低于未破壞多年種植的熟土。復墾4年和復墾8年，有機碳含量在＞2 mm，1～2 mm，0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm粒徑均以M處理最高，除復墾8年0.25～0.5 mm粒徑外均顯著高于CK，在0.053～0.25 mm粒徑均以MCF處理最高，顯著高于CK。與復墾4年相比較，復墾8年M處理有機碳含量在＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm 粒徑均有所下降，其中在前兩個粒徑分別降低了13%和24%，差異顯著；CF、MCFB和CK處理均有所增加，其中CF和CK處理在＞2 mm粒徑分別增加了19%和20%，CF和MCFB處理在1～2 mm分別增加了31%和18%，CF處理在0.5～1 mm粒徑增加了23%，差異均達顯著水平；MCF處理表現為＞2mm和0.5～1mm粒徑下降而1～2mm粒徑增加，但增幅和降幅均未達顯著水平；在0.25～0.5 mm和0.053～0.25 mm兩個粒徑各處理在不同復墾年限之間有機碳含量差異均不顯著。綜合而言，各培肥處理均提高了水穩性有機碳含量，尤其是大粒徑團聚體（＞2mm，1～2mm和0.5～1 mm），其中 M、MCF、MCFB 處理復墾土壤大粒徑團聚體有機碳含量均高于微團聚體（0.053～0.25 mm），以M處理效果最好，其土壤團聚體有機碳含量較CK分別增加了5%～94%。

表3 不同培肥處理下土壤團聚體有機碳含量 （kg·hm-2）

由表4可知，各處理在不同復墾年限各粒徑土壤團聚體有機碳總儲量均明顯高于未復墾生土，但低于未破壞多年種植的熟土。復墾4年，有機碳總儲量表現為 M＞MCF＞CF＞MCFB＞CK，其中，＞2 mm和1～2 mm粒徑土壤有機碳儲量所占比例在各處理間差異均不顯著，0.5～1 mm粒徑所占比例以M處理最高，顯著高于其他處理，0.25～0.5 mm粒徑所占比例以MCF最低，顯著低于MCF、MCFB和CK處理，0.053～0.25 mm粒徑所占比例以MCF處理最高，與其他處理差異不顯著；復墾8年，有機碳總儲量表現為MCF＞M＞CF＞CK＞MCFB，其中，＞2 mm粒徑土壤有機碳儲量所占比例以MCF處理最高，與M處理差異不顯著，但顯著高于其他處理，2～1 mm和0.053～0.25 mm粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著，0.5～1 mm粒徑所占比例以CF處理最高，顯著高于MCF和MCFB，0.25～0.5 mm粒徑所占比例以MCFB處理最高，顯著高于MCF處理。與復墾4年相比較，復墾8年M和MCFB處理有機碳總儲量分別下降了7%和2%，其他處理均有所增加但差異不顯著，其中，M處理0.053～0.25 mm粒徑有機碳儲量所占比例下降而其他各粒級所占比例均有所增加，但差異均不顯著；CF處理＞2 mm粒徑所占比例有所下降而其他各粒徑所占比例均有所增加，0.5～1 mm粒徑增加了5.77個百分點，差異顯著；MCF和MCFB處理0.25～0.5mm和0.053～0.25mm 粒徑所占比例有所下降而其他粒徑所占比例均有所增加，MCF處理0.053～0.25 mm粒徑下降了4.56個百分點，差異不顯著；CK則表現為0.25～0.5 mm粒徑所占比例下降而其他粒徑所占比例有所增加，但差異均不顯著。綜合而言，土壤各處理有機碳儲量均以0.053～0.25 mm粒徑所占比例最高，以＞2 mm或1～2mm粒徑所占比例最低，與冷延慧[17]等研究一致；隨復墾年限的增加，M、MCF和MCFB處理均提高了大粒徑團聚體（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）有機碳儲量，而降低了微團聚體（0.053～0.25 mm）有機碳儲量；土壤有機碳總儲量以復墾4年M處理最高，顯著高于其他處理。

2.3 不同培肥措施對復墾土壤全氮含量及全氮儲量的影響

由表5可知，各處理在不同復墾年限各粒徑土壤團聚體全氮含量均明顯高于未復墾生土，但低于未破壞多年種植的熟土。各處理各粒徑土壤水穩性團聚體全氮含量在復墾4年和8年之間差異均不顯著，且均以M處理最高CK最低，M處理較CK分別增加了60%～114%和58%～94%，其中除了復墾8年0.25～0.5 mm粒徑差異不顯著外，其他均達顯著水平。

表4 不同培肥措施下土壤水穩性團聚體有機碳儲量

由表6可知，各處理在不同復墾年限各粒徑土壤團聚體全氮總儲量均明顯高于未復墾生土，但低于未破壞多年種植的熟土，各處理在不同復墾年限均表現為 M＞MCFB＞MCF＞CF＞CK。復墾 4年，＞2 mm粒徑土壤水穩性團聚體全氮儲量所占比例以CF處理最高，顯著高于M處理，1～2 mm，0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著，0.053～0.25 mm粒徑所占比例以M處理最高，顯著高于CF和CK處理；復墾8年，＞2 mm、0.5～1 mm粒徑土壤水穩性團聚體全氮儲量所占比例分別以MCF和CF處理最高，顯著高于 MCFB 處理，1～2mm、0.25～0.5mm、0.053～0.25mm 粒徑所占比例在各處理間差異均不顯著。與復墾4年相比較，復墾8年各土壤水穩性團聚體全氮總儲量均有所增加，但差異均不顯著；各處理在各粒徑全氮儲量所占比例除MCF在＞2 mm粒徑的增幅（3.77個百分點）顯著外，其他無論是增或減，差異均不顯著。綜合而言，土壤各處理土壤水穩性團聚體全氮儲量均以0.053～0.25mm粒徑所占比例最高；與未復墾生土相比顯著提高了＞2 mm粒徑所占比例而降低了0.053～0.25 mm粒徑所占比例，與開墾多年熟土相比降低了0.5～1 mm粒徑所占比例；從土壤全氮總儲量看，復墾4年和8年均以M處理最高，顯著高于其他處理。

表5 不同培肥處理下各粒級土壤水穩性團聚體全氮含量 （kg·hm-2）

表6 不同培肥措施下土壤水穩性團聚體全氮儲量

3 結論與討論

本研究表明，不同復墾年限各施肥處理水穩性團聚體含量均以0.053～0.25 mm粒徑最高，這與鄭子成等[18]在不同土地利用方式下土壤團聚體組成的研究中認為濕篩處理下土壤團聚體均以＜0.25 mm粒徑為主的結果一致，這說明水穩性團聚體分布受施肥方式、土地利用方式等影響較小，可能與土壤質地有關；復墾4年和8年，單施有機肥（M）處理較未復墾生土均明顯提高了大粒徑團聚體（＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm）含量，這與邢旭明等[19]在關于長期施肥對棕壤團聚體組成的研究中認為施有機肥可以增加大團聚體含量，以及劉希玉等[20]在14年長期定位試驗同樣認為有機培肥有利于紅壤水稻土大粒徑團聚體和微團聚體形成的結果基本一致；另外隨復墾年限的增加，單施有機肥、有機無機配施、生物有機肥與化肥配施處理均可在一定程度上提高＞2 mm和1～2 mm粒徑水穩性團聚體含量，而降低0.053～0.25 mm粒徑含量，這應該與土壤中有機物質的累積有關。

本試驗表明，復墾4年和復墾8年，各培肥處理以單施有機肥對復墾土壤水穩性團聚體有機碳含量的增幅最大，各團聚體有機碳含量較不施肥處理（CK）分別增加了 12%～94%和 5%～41%，這與高會議等[21]、陳曉芬等[22]的研究結果基本一致。其原因可能是有機肥作為有機質來源輸入土壤后，較快的與礦物顆粒結合形成有機質礦物復合體，與有機碳吸附，從而促進各粒徑團聚體有機碳含量增加。同時，有機肥的增產效應所帶入土壤的秸稈及根系膠結物質對水穩性團聚體有機碳的含量也有一定的提高作用。單施有機肥、有機無機配施、生物有機肥與化肥配施處理水穩性團聚體有機碳總體上以大團聚體（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）含量最高，這可能是因為有機碳輸入后在有機膠結物質的作用下使小粒徑團聚體膠結成大團聚體，增加了大粒徑團聚體中有機碳含量[23]。Astrow等[24]通過13C示蹤法亦證實大粒徑團聚體比微團聚體含有更多的有機碳。而李輝信等[25]研究認為隨粒徑減小有機碳含量增加，以0.05～0.25 mm粒徑有機碳含量最高。這可能與不同研究土壤本身的性質有關，導致團聚體所形成的膠結物質的種類和數量也有差異[26]。各培肥處理不同復墾年限土壤水穩性團聚體均以0.053～0.25 mm粒徑有機碳儲量最大，這是因為該粒徑水穩性團聚體含量最多，因此該粒徑為礦區復墾土壤水穩性團聚體有機碳的貢獻載體。土壤水穩性團聚體全氮含量及全氮儲量與有機碳的變化趨勢基本一致，這是因為土壤中95%氮素以有機態氮的形式存在于有機質中，而有機質中碳素的變化必然也會引起有機氮的變化[27]。本試驗所設置的生物有機肥與化肥配施處理對土壤團聚體及其養分含量的綜合影響均弱于單施有機肥處理，這可能是由于本研究區處于干旱半干旱氣候，降水量少，蒸發量大，在復墾周年及作物生育期內微生物活性總體偏低，此外還可能與復墾年限有關，這還需進一步研究。

綜合而言，不同施肥處理下復墾土壤水穩性團聚體粒徑分布均以0.053～0.25 mm最高，在有機肥參與下隨復墾年限增加，土壤水穩性團聚體整體表現為微團聚體減少，大團聚體增加的趨勢。綜合而言，各培肥處理均提高了水穩性有機碳含量，尤其是大粒徑團聚體（＞2 mm，1～2 mm和0.5～1 mm），其中M、MCF、MCFB處理復墾土壤大粒徑團聚體有機碳含量均高于微團聚體（0.053～0.25 mm）。綜合而言，土壤各處理有機碳儲量均以0.053～0.25 mm粒級所占比例最高，以＞2 mm或1～2 mm粒徑所占比例最低，與冷延慧等[17]研究一致；隨復墾年限的增加，M、MCF和MCFB處理均提高了大粒徑團聚體（＞2 mm，1～2 mm 和 0.5～1 mm）有機碳儲量，而降低了微團聚體（0.053～0.25 mm）有機碳儲量；土壤有機碳總儲量以復墾4年M處理最高，顯著高于其他處理。綜合而言，土壤各處理土壤水穩性團聚體全氮儲量均以0.053～0.25 mm粒徑所占比例最高；與未復墾生土相比顯著提高了＞2 mm粒徑所占比例而降低了0.053～0.25 mm粒徑所占比例，與開墾多年熟土相比降低了0.5～1 mm粒徑所占比例；從土壤全氮總儲量看，復墾4年和8年均以M處理最高，顯著高于其他處理。