施肥措施對復墾土壤團聚體碳氮含量和作物產量的影響

曹寒冰，謝鈞宇,2，強久次仁，郭 璐，洪堅平，荊耀棟，孟會生

施肥措施對復墾土壤團聚體碳氮含量和作物產量的影響

曹寒冰1，謝鈞宇1,2，強久次仁3，郭 璐4，洪堅平1，荊耀棟1，孟會生1※

（1. 山西農業大學資源環境學院，太谷 030801；2. 山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，太原 030031；3.西藏山南地區錯那縣農牧局，山南 856700；4. 山東省濱州畜牧獸醫研究院，濱州 256600）

研究復墾后不同施肥措施下有機碳（OC）和全氮（TN）在水穩性團聚體及粉黏粒組分中的分布特征，以期深入理解不同施肥措施下土壤有機碳的固持機制。以生土和連續6年不同施肥措施的復墾土壤為研究對象，采集0～20 cm耕層土壤樣品，利用濕篩法進行土壤粒徑分組，分析大粒徑大團聚體（> 2 mm）、小粒徑大團聚體（>0.25～2 mm）、微團聚體（0.053～0.25 mm）和粉黏粒組分（< 0.053 mm）中OC和TN含量，判斷各粒徑團聚體及粉黏粒組分中有機碳儲量的驅動因素，探究團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與作物產量之間的關系。試驗設不施肥（CK）、施氮磷鉀化肥（NPK）、單施有機肥（M）和有機無機肥配施（MNPK）4個處理。結果表明：1）整個試驗周期（2008—2013年），同CK相比， NPK、M以及MNPK處理均顯著提高了玉米籽粒產量，且以MNPK處理的效果最顯著，分別提高了79.49%、116.07%和113.85%。2）大團聚體和微團聚體中OC和TN含量相近，總體高于粉黏粒組分。同生土相比，CK、NPK和M處理均顯著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分中OC含量。MNPK處理顯著提高了各粒徑團聚體和< 0.053 mm組分中OC含量。此外，CK、NPK、M和MNPK處理均顯著提高了各粒徑團聚體中TN含量；大團聚體和微團聚體中有機碳和全氮富集系數相近，總體高于粉黏粒組分。M以及MNPK處理均顯著提高了各粒徑團聚體及粉黏粒組分（除> 2 mm團聚體外）的C/N比。3）土壤有機碳儲量受> 2 mm團聚體的百分比數量驅動，其余各粒徑團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量對土壤有機碳儲量的貢獻較大。4）作物產量隨著各粒徑團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的增加呈線性增加，說明該區域土壤有機碳庫仍未達到飽和，且以0.053～0.25 mm團聚體中有機碳含量與作物產量關系最緊密。因此，在采煤塌陷區的低肥力復墾土壤上采取有機無機肥配施，對土壤質量及農業生態持續性具有積極的作用。

復墾；土壤；水穩性團聚體；有機碳；全氮；作物產量

0 引 言

團聚體作為土壤的重要組成部分，直接參與土壤的物理、化學和生物過程，其數量和質量對于維持土壤肥力、改良土壤質量和調節生態功能等方面發揮著積極作用[1-2]。有機碳作為土壤質量的核心，是評價土壤肥力的一個關鍵指標，與團聚體相互作用緊密，有機碳與礦物顆粒膠結形成穩定的團聚體[3-4]，同時，團聚體的物理保護機制將“禁錮”在其中的有機碳與微生物之間的空間“隔離”，從而減少有機碳的損失[5]。施肥、耕作、土地利用方式的改變以及種植制度等因素均會影響土壤團聚體中有機碳、全氮的分布，且以施肥對它們的影響最顯著[6-7]。眾所周知，土壤是地球陸地生態系統中最大的有機碳庫，其庫容微小的變化都會對大氣中的碳濃度產生巨大的影響[8]。因此，通過合理的田間管理措施維持并增強土壤有機碳固存對于緩解溫室氣體排放、提升土壤質量、促進作物高產穩產有重要意義。

農田土壤是受人類活動影響較頻繁的土壤類型之一[9]，近年來國內外就施肥對土壤團聚體中有機碳和全氮含量的影響已有不少報道，但是研究結果不盡相同。蘇慧清等[10]利用棕壤36 a定位試驗發現，有機碳和全氮主要分布在粉黏粒組分（< 0.053 mm）中，長期施化肥顯著提高了< 0.053 mm組分中有機碳和全氮含量，卻顯著降低了大團聚體（0.5~1 mm）中有機碳和全氮含量，而無論是單施有機肥還是有機無機肥配施均顯著提高了0.5~1 mm團聚體中碳氮含量。但是Xie等[11]通過中國西北地區塿土21 a定位肥料試驗研究發現，有機碳和全氮主要固存在微團聚體（< 0.25 mm）中，化肥及有機無機肥配施處理均顯著提高了大團聚體（> 2、>0.25～2 mm）和微團聚體（< 0.25 mm）中有機碳和全氮含量。此外，張藝等[12]報道，連續30 a在紅壤性水稻土上施有機肥，有機碳主要貯存在大粒徑大團聚體（> 2 mm）中，而長期施化肥肥后顯著提高了小粒徑大團聚體（>0.25～2 mm）中有機碳儲量。由此可見，施肥對不同土壤類型團聚體中有機碳、全氮含量的影響并不一致，不同粒徑的團聚體對協調、供應土壤養分，增強土壤固碳能力等方面發揮的作用不盡相同[9]。造成研究結果之間的差異，可能與施肥歷史、土壤性質、種植體系、氣候條件等因素有關。因此，有必要針對性地開展系統研究。

山西省煤炭資源尤其豐富，是中國開采量比例最大的省份之一，據統計，每年原煤產量能達到全國的1/4以上。隨著時代的發展，煤炭資源開采在支撐社會經濟發展的同時，也對土地資源和生態環境造成了持久而嚴重的負面影響[13]。據統計，山西因煤炭開采而損毀的耕地已超11萬hm2。采煤塌陷區復墾土壤是被井工開采破壞耕地后而進行重構的一種土壤類型，其層次和結構均已發生了明顯的變化，由于重構土壤就近取自于采煤塌陷區周邊黃土質生土，其物理結構、化學性質以及微生物類群均處于初期構建階段，與一般農田土壤有顯著差異。因此，將破壞的土地復墾和重新利用，是緩解該區域人地矛盾的關鍵途徑，甚至可以應對中國糧食安全面臨的嚴峻挑戰[14]。前人針對復墾土壤有機碳固存機制的研究主要在團聚體中有機碳和全氮分布對施肥的響應[15-16]，而就驅動因素及其與作物產量的關系仍不清楚。因此，本研究以山西省東南部長治市襄垣縣復墾6 a的土壤為研究對象，分析不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳和全氮含量的變化特征，評估有機碳和全氮在其中的富集狀況，判斷土壤有機碳儲量變化的驅動因子，并探究作物產量與各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的關系，以期為深入認知復墾生態工程和培肥改良措施對土壤結構與質量的影響過程和機制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省長治市襄垣縣王橋鎮（36°28′11.95″N，113°00′52.57″E，平均海拔980 m），屬潞安集團五陽煤礦井田范圍，煤礦開采導致地面沉陷后地形呈馬鞍狀，最大落差為4～5 m，馬鞍狀峰距為150～180 m，水澆地變成了旱薄地，土地生產力嚴重下降。該區屬于低山黃土丘陵區，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫9.5 ℃，年均降水量532.8 mm。供試土壤類型為石灰性褐土，黃土母質。試驗開始前0～20 cm耕層土壤基本理化性質如表1所示。圖1為研究區位置示意圖。

表1 2008年耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質

圖1 試驗區位圖

1.2 試驗設計

試驗開始于2008年，選擇塌陷年限相同且塌陷后地形基本一致的塌陷地，采用混推復墾的方式，將表土剝離50～100 cm，利用挖深墊淺、就地平整法對其進行復墾，種植作物為春玉米（大豐30號），種植密度為60 000株/hm2，并于每年5月左右播種，10月左右收獲，且在收獲時將玉米秸稈全部粉碎、翻壓還田。從2013年開始進行第6年復墾，不同處理下0～20 cm耕層土壤的基本理化性狀見表2。

表2 復墾6a時不同處理下0～20 cm土層的基本性質

本研究包括4個處理，分別是不施肥（CK）、平衡施肥（NPK）、單施有機肥（M）、有機無機肥配施（MNPK）。供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），氮、磷、鉀肥和有機肥均作為基肥在玉米播種前一周一次性撒施，隨即翻耕入土。此外，另取未復墾生土（即0年）作為培肥效果對照。每個處理按照完全隨機區組設計，重復3次，小區面積為10 m × 5 m = 50 m2。除了CK處理外，各施肥處理依據等質量養分施肥原則（表3）。試驗供試的有機肥為完全腐熟的雞糞，其中含有機碳：14.97%、氮：1.68%、磷：2.46%和鉀：1.35%。

1.3 樣品采集與分析

春玉米收獲前一天（2018年9月29日），用定制的環刀（高度為10 cm、直徑為10 cm）采集0～20 cm土層的原狀土樣，每個小區采集5個樣點，然后混合成1個樣品。帶回實驗室后，沿土壤結構小心地掰成< 1 cm的土塊，剔除動植物殘體及石塊，過8 mm篩后，于通風干燥處風干，裝入塑封袋中備用。

表3 不同農田管理措施下肥料用量

同時，春玉米收獲后，每個小區用土鉆（高度為20 cm、內徑約為2.5 cm）采集0～20 cm土層土壤樣品6個并混合，裝入塑封袋中帶回實驗室，在陰涼通風處自然風干后剔除石塊、根系等雜物，研磨后過0.15 mm篩，保存在塑封袋中測定土壤基本理化性狀。

采用Elliott等[17]提出的濕篩方法分離得到水穩性團聚體及粉黏粒組分，具體操作方法如下：首先準備好2、0.25和0.053 mm孔徑的篩子，并按照大粒徑在上、小粒徑在下的順序擺放好，其次稱取50 g過8 mm篩的風干土樣置于此套篩上，然后緩慢地將整套篩子放在裝滿2/3蒸餾水的桶中心，浸泡5 min，上下震蕩5 min，振幅為3 cm，最后將各個篩子中的土樣用蒸餾水小心地洗入已知重量的鋁盒中，同時向桶中加入0.2 mol/L CaCl2絮凝，再離心收集這部分土樣，上述所有收集的土樣于50 ℃烘至恒定的質量，冷卻后稱質量，即可得到> 2、>0.25～2、0.053～0.25 mm粒徑的團聚體和< 0.053 mm的粉黏粒組分，磨細過0.15 mm篩裝入塑封袋中用于后續測定OC和TN含量。

1.4 測定項目及方法

土壤及各粒徑土壤團聚體中有機碳含量采用重鉻酸鉀-容量法測定[18]，全氮含量采用K2SO4-CuSO4-Se催化劑和濃硫酸消煮，半微量開氏法測定[18]，速效磷采用碳酸氫鈉浸提經連續流動分析儀測定[18]，速效鉀采用醋酸銨浸提——火焰光度法測定[18]。

1.5 計算方法

土壤團聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數和全氮富集系數計算公式如下：

式中E和E分別代表土壤團聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數和全氮富集系數；SOCa為土壤團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量，g/kg；TNa為土壤團聚體及粉黏粒組分中全氮含量，g/kg。SOC為土壤有機碳含量，g/kg，TN為土壤全氮含量，g/kg。

為了明確團聚體對土壤總有機碳儲量的貢獻率，本文采用如下方法進行計算：

式中1和2分別表示引起土壤有機碳儲量變化的2個驅動因子，其中1是由團聚體中有機碳含量變化所驅動的土壤有機碳儲量變化，2是由團聚體的數量變化所驅動的土壤有機碳儲量變化。如果1>2，說明土壤有機碳儲量的變化是由該粒徑團聚體或粉黏粒組分中有機碳含量的變化所引起的；反之，則說明是由該粒徑團聚體或粉黏粒組分的數量所引起的。為生土的團聚體分布比例，%；△為各處理下復墾后引起的團聚體分布比例的變化值，%；為各處理下復墾后團聚體中有機碳含量，g/kg；，△為各處理下復墾后引起的團聚體中有機碳含量的變化差值，g/kg。

1.6 數據處理

試驗結果采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理，不同處理下作物產量、水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳和全氮含量、E和E值以及C/N比采用LSD法進行差異性檢驗。利用Origin 8.1 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施下玉米籽粒產量

整個試驗周期（2008—2013年），各處理中玉米籽粒平均產量的變幅范圍分別從725.70 kg/hm2到3 745.70 kg/hm2（CK），1 440.75 kg/hm2到6 218.80 kg/hm2（NPK），2 577.30 kg/hm2到7 944.70 kg/hm2（M），2 259.60 kg/hm2到8 156.65 kg/hm2（MNPK），平均產量的變化范圍從3 086.47 kg/hm2到6 668.87 kg/hm2。同對照（CK）相比，施化肥（NPK）、單施有機肥（M）以及有機無機肥配施（MNPK）均顯著提高了玉米籽粒產量，且以MNPK處理的效果最顯著（表4），分別比對照提高了79.49%、116.07%和113.85%。由此可見，連續多年有機無機肥配施有利于作物增產。

表4 連續6 a復墾不同施肥措施下玉米籽粒產量

注：不同小寫字母表示同一年份不同處理間達5%顯著水平。

Note: Different lowercase letters for the same year mean significant differences between treatments at the 5% probability level.

2.2 不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分的分布比例

施肥措施及施肥年限下土壤團聚體分布比例的兩因素方差分析結果顯示（表5），施肥措施并沒有影響各粒徑團聚體及粉黏粒組分的分布比例，而復墾年限對各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的分布比例產生了顯著影響。隨著復墾時間的延長，各處理中0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分的分布比例均呈降低的趨勢。復墾6 a CK處理中> 2 mm團聚體的分布比例是0年的3倍。

表5 不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分的分布比例

注：不同小寫字母表示同一粒徑年際間達5%顯著水平。為復墾年限，為施肥處理，×為復墾年限與施肥處理的交互效應。**為< 0.01，ns為不顯著。

Note: Different lowercase letters for the same aggregate size fraction mean significant differences between years at the 5% probability level.means reclamation years,means fertilization treatments,×means interactive effects of reclamation years and fertilization years. ** means< 0.01, ns means no significant differences.

2.3 土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量

不同施肥措施下各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量總體高于生土，且施有機肥處理（M和MNPK）的水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量增幅更大（圖 2a）。而就不同粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分而言，各粒徑團聚體中有機碳含量相近，總體高于粉黏粒組分。

同生土相比，CK和NPK處理均顯著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分中有機碳含量，增幅分別為87.07%～97.96%、66.19%～92.09%和92.80%～97.60%。M處理亦顯著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分中有機碳含量，增幅分別為95.24%、148.20%和112.00%。MNPK處理顯著提高了> 2、>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分中有機碳含量，分別為生土的2.52倍、2.61倍、2.35倍和1.93倍。

綜上，MNPK處理對于提高大團聚體（> 2和>0.25～2 mm）中有機碳含量效果最明顯，M處理對于提高微團聚體（0.053～0.25 mm）和粉黏粒組分（< 0.053 mm）中有機碳效果最明顯。

2.4 土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中全氮含量

不同施肥措施下各粒徑水穩性團聚體中全氮含量均顯著高于生土，變化趨勢與有機碳一致（圖2 b）。但是所有處理較生土均對< 0.053 mm組分中全氮含量無顯著影響。同生土相比，CK和NPK處理均顯著提高了> 2、>0.25～2和0.053～0.25 mm團聚體中全氮含量，增幅分別為41.83%～43.66%、46.78%～52.35%和29.95%～30.43%。M和MNPK處理亦均顯著提高了> 2、>0.25～2和0.053～0.25 mm團聚體中全氮含量，增幅分別為52.81%～63.80%、50.43%～62.96%和39.61%～44.93%。

綜上，MNPK處理對于提高大團聚體（> 2 mm和>0.25～2 mm）中全氮含量效果最明顯，M處理對于提高微團聚體（0.053～0.25 mm）中全氮含量效果最明顯。

2.5 土壤團聚體及粉黏粒組分有機碳和全氮富集系數

長期不同施肥措施在一定程度上影響了各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數（E值）（表 6）。總體看來，大團聚體和微團聚體的E值相近（除CK處理外），而粉黏粒組分的E值小于各粒徑團聚體。同生土相比，CK處理顯著降低了> 2 mm團聚體的E值，達46.94%。MNPK處理顯著降低了< 0.053 mm組分的E值，達23.08%。而其余施肥處理對各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的E值無顯著影響。

注：不同小寫字母表示同一粒徑不同處理間達5%顯著水平；不同大寫字母表示同一處理不同粒徑間達5%顯著水平。

長期不同施肥措施對> 2 mm和>0.25～2 mm團聚體的全氮富集系數（E值）產生了顯著影響，而對0.053～0.25 mm團聚體及< 0.053 mm組分的E值無顯著影響（表 6）。同生土相比，CK和NPK處理顯著提高了> 2 mm和>0.25～2 mm團聚體的E值，增幅分別為17.00%～19.21%和19.70%～28.14%。M和MNPK處理亦顯著提高了>2 mm和>0.25～2 mm團聚體的E值，增幅分別為13.33%～34.58%和11.68%～33.37%，且以MNPK處理的增幅最大。

2.6 土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分的碳氮比

不同施肥措施顯著影響了各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的C/N比（除> 2 mm團聚體）（表7）。同生土相比，CK處理顯著提高了>0.25～2 mm團聚體和< 0.053 mm組分的C/N比，分別提高了34.10%和79.66%。NPK處理顯著提高了0.053～0.25 mm團聚體的C/N比，達46.11%。M和MNPK處理均顯著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分的C/N比，增幅分別為29.81%～60.81%、67.70%～71.32%和81.32%～97.45%。

表6 不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數和全氮富集系數

注：不同小寫字母表示同一粒徑不同處理間達5%顯著水平；不同大寫字母表示同一處理不同粒徑間達5%顯著水平。

Note: Different lowercase letters for the same aggregate size fraction mean significant differences among treatments at the 5% probability level. Different uppercase letters for the same treatment mean significant differences between aggregate size fractions at the 5% probability level.

總之，M和MNPK處理均顯著提高了各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分（除> 2 mm團聚體外）的C/N比。

表7 不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分的碳氮比

2.7 不同施肥措施下復墾土壤團聚體及粉黏粒組分有機碳儲量的驅動因子

由圖3可知，經過不同的施肥措施管理農田后，>2 mm團聚體的2值顯著高于1值，而>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分的2值均顯著低于1值。其中，在> 2 mm團聚體中，各處理下的2值均顯著高于生土，1值亦均顯著高于生土（除CK處理外）。>0.25～2 mm團聚體中各處理下的1值和2值亦顯著高于生土。但是在0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分中，各處理下的1值顯著高于生土，而2值顯著低于生土。

注：F1表示團聚體中有機碳含量的變化；F2表示團聚體數量的變化。

2.8 不同施肥措施下土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與作物產量的關系

由圖4 a可知，隨著土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的增加，玉米產量顯著增加。當土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量每增加1 g/kg時，玉米產量增加2 517 kg/hm2。進一步分析后發現，0.053～0.25 mm團聚體中有機碳含量與作物籽粒產量之間的關系最密切（圖4 d），當該粒徑團聚體中有機碳含量增加1 g/kg時，作物產量可以增加3 075 kg/hm2；其次是> 2 mm團聚體與作物產量的關系較為密切（圖4 b），當該粒徑團聚體中有機碳含量增加1 g/kg時，作物產量可以增加2 245 kg/hm2。然而>0.25～2 mm團聚體（圖4 c）和<0.053 mm組分（圖4 e）中有機碳含量對作物產量無顯著影響。

圖4 土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與復墾第6年作物產量的關系

3 討 論

3.1 不同施肥措施對復墾土壤水穩性團聚體中有機碳固存的影響

土壤團聚體作為土壤有機質儲存的倉庫：表層土壤有機碳90%以上貯存在團聚體中，團聚體的團聚作用對實現農田土壤有機碳固存具有重要意義[5]。本研究結果顯示，不同施肥措施下復墾土壤各粒徑水穩性團聚體中有機碳和全氮含量總體均顯著高于生土，且隨著外源碳投入量的增加呈上升趨勢，特別是有機無機肥配施處理（MNPK）對大團聚體（> 2 mm和>0.25～2 mm）中有機碳和全氮含量有明顯的提升效果（圖2）。而粉黏粒組分（< 0.053 mm）中有機碳和全氮含量維持在一個相對穩定的水平，無明顯變化。此外，大團聚體和微團聚體中有機碳和全氮含量相近，但是總體高于< 0.053 mm組分的。這與多數研究結果類似[10,19]。他們也發現，長期有機無機肥配施（MNPK）較不施肥（CK）均顯著提高了紅壤和棕壤上各粒徑水穩性團聚體中有機碳或全氮含量，尤其是> 0.25 mm團聚體。不難理解，外源有機質的輸入增加了土壤有機質含量，有機質中的膠結物質與土壤顆粒形成團聚體，繼而增加了團聚體中有機碳含量[20]。雖然生土、CK和NPK處理下有機碳投入量均來源于作物殘茬，但是CK和NPK處理下作物產量顯著高于生土，且NPK處理對作物增產的效果優于CK處理（表4），所以歸還到農田中的碳投入量也多，而M以及MNPK處理下土壤有機碳投入量除了來源于作物的，還有相當一部分是來源于本身—有機肥。故施有機肥的處理對團聚體中有機碳及全氮含量的提升效果最優。曾有研究報道大團聚體中有機碳含量與土壤肥力呈正相關[21]，因此MNPK處理是當前復墾土壤土質提升的最佳措施。

不同施肥措施之間< 0.053 mm組分中有機碳和全氮含量無明顯變化，說明該組分已接近或達到了碳氮飽和水平。苑亞茹等[22]在黑土上也報道，同施化肥相比，連續11 a不同劑量的有機肥與化肥配施對<0.053 mm組分中有機碳含量無顯著影響。Kool等[23]在團聚體層級發育模型的基礎上提出了土壤有機碳的等級飽和模型，即團聚體中有機碳含量并沒有隨著外源碳投入量的增加呈線性趨勢，最小粒徑的團聚體首先飽和，最大粒徑的團聚體最后飽和，最終土壤有機碳庫達到飽和。各粒徑水穩性團聚體中有機碳和全氮含量之間無顯著差異，這與Li等[24]的研究結果一致，可能是因為團聚體中有機碳和全氮的“濃縮效應”[24]。

前人通過計算元素富集系數（Element enrich factors,）來比較不同施肥措施下各粒徑團聚體及粉黏粒組分中碳氮的分布狀況。當> 1時，說明土壤組分富集碳和氮，反之，當< 1時，說明土壤組分中這2種元素已損失[25-26]。本研究結果表明，生土和復墾土壤中各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的E值均小于1（表6），而E值接近或大于1。同生土相比，MNPK處理總體提高了大團聚體的E和E值，但降低了< 0.053 mm組分的E和E值（表6）。說明該區域土壤中活性有機碳首先發生了礦化，且礦化程度較高，氮素在土壤中的累積程度高于有機碳。這一方面是因為玉米生長于高溫多雨的夏季，集中降水沖刷及強光暴曬均會加快土壤有機碳的分解；另一方面是因為生土或者復墾土壤上，自身土壤肥力的限制，再加上外源補充碳不足導致的。值得注意的是，氮素的大量累積一部分被作物吸收利用，一部分因揮發或淋溶而損失，還有一部分便殘留在土壤中，至地下水和土體的環境風險增加[27]，有關這方面的研究有待于后續開展。

有機肥的輸入為土壤中微生物的活動提供了能量，導致了很強的正激發效應[28]，使得< 0.053 mm組分中的碳氮已損失（表6），此時粉黏粒組分中的有機碳和全氮已經向團聚體中轉移。可見，本研究所在區域的土壤上，團聚體中有機碳和全氮受化學保護作用是有限的，而有機碳和全氮主要受團聚體的物理保護作用。這與多數人的研究結果一致[29-31]。邵興芳[29]在黑土旱地的團聚體氮礦化研究結果表明，< 0.053 mm組分中氮礦化量明顯高于各大小粒徑團聚體的。楊洪波等[30]也發現了同樣的現象：< 0.053 mm組分比大團聚體中含有更多的易礦化有機氮。Craswell等[31]將不同粒徑土壤團聚體培養后發現，隨著團聚體粒徑的減小，其中的氮礦化率逐漸增大。所以，MNPK處理下< 0.053 mm組分中的碳氮易先發生礦化現象。

3.2 不同施肥措施對復墾土壤水穩性團聚體中C/N比的影響

土壤C/N比值是評價有機物分解程度的一個指標，比值越低，說明有機物的分解程度越高，可供微生物利用的碳源較少，微生物的活性降低，從而影響養分的有效性；反之則表示有機碳累積程度高[27]。本研究顯示，M和MNPK處理較生土均顯著提高了各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的C/N比（除> 2 mm團聚體外）（表7），這與蘇慧清等[10]的研究結果一致。但是不同施肥措施下復墾土壤各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分的C/N比均低于一般農田，這可能是因為礦區復墾土壤由于其物理結構、化學性質以及微生物類群均處于初期構建階段，培肥時間還較短，與一般農田土壤有所差異。因此，可通過增加土壤中的有機碳含量來提高土壤的C/N比，前人研究報道，減氮運籌下增施有機肥，能夠使有機碳增加9%~54%[32-33]。

3.3 不同施肥措施下復墾土壤團聚體中有機碳固存的驅動因素

土壤各粒級團聚體中有機碳含量是土壤有機物質平衡和轉化速率的微觀表征，對于土壤肥力和土壤碳固存具有雙重意義[21]。本研究結果顯示，長期復墾后土壤有機碳儲量增加，是因為表層土壤> 2 mm團聚體的數量增加，其次才依賴于該粒徑團聚體中有機碳含量的增加（圖 2 a）。正如本研究中表5所示，隨著復墾時間的延長，各施肥處理下大團聚體的數量呈增加趨勢。對于>0.25～2 、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分來講，它們中的有機碳含量對土壤有機碳儲量提升的作用大于它們的數量。這也潛在說明復墾過程中團聚體中有機碳發生了再分配過程。王興等[21]的研究也表明，植被恢復可以加速有機碳從細顆粒組分向較大粒徑的組分中轉移，即有機碳的在分配過程，這種轉化主要是由于在植被恢復過程中加速了細顆粒組分易于和土壤大團聚體結合，從而使有機碳受到保護，不易被微生物所分解。

3.4 不同施肥措施對復墾土壤上作物產量的影響

作物產量是農田土壤生產力的最直接體現，是農田土壤肥力變化的最有力指示物。本研究結果表明，同生土相比，不同施肥措施均顯著提高了作物產量，且以MNPK處理效果最顯著（表4）。與Xie等[34]在塿土上的研究結果一致，連續35 a有機無機肥配施顯著提高了小麥和玉米籽粒產量。有機無機肥配施能夠優化土壤結構，補充和平衡土壤養分，提高土壤肥力，最終提升作物產量。

本研究結果還顯示，作物產量隨著土壤水穩性團聚體及粉粘黏粒組分中有機碳含量的增加呈線性增加，且以0.053～0.25 mm組分中有機碳含量與作物產量之間的關系最密切，其次是> 2 mm團聚體，如前所述，本研究所在區域的土壤上，團聚體對有機碳的物理保護作用發揮著主要作用，提升了土壤肥力，進而促進了作物增產。研究報道土壤有機碳含量與作物產量之間呈線性相關關系[35]，說明該區域土壤有機碳庫還未達到飽和水平，這主要是因為該土壤初始有機碳水平較低[36]，因此，仍然可以繼續向該土壤上補充碳源。關于復墾褐土有機碳的飽和點，尚有待于進一步深入研究。

4 結 論

1）整個試驗周期（2008—2013年），同CK相比， NPK、M以及MNPK處理均顯著提高了玉米籽粒產量，且以MNPK處理的效果最顯著，分別提高了79.49%、116.07%和113.85%。

2）同生土相比，不同施肥措施均顯著提高了復墾土壤各粒徑水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳和全氮含量（除< 0.053 mm組分中全氮含量外），且以有機無機肥配施處理（MNPK）對提高大團聚體（> 2 mm和>0.25～2 mm）中有機碳和全氮含量效果最明顯，單施有機肥處理（M）對提高微團聚體（0.053～0.25 mm）中有機碳和全氮效果最明顯。各粒徑團聚體中有機碳和全氮含量相近，總體高于粉黏粒組分（< 0.053 mm）。

3）> 2 mm粒徑團聚體對復墾土壤有機碳儲量提升的貢獻在于其數量的增加，而>0.25～2、0.053～0.25 mm團聚體和< 0.053 mm組分對土壤有機碳儲量提升的貢獻在于其有機碳含量的增加。

4）作物產量隨著復墾土壤水穩性團聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的增加呈線性增加，說明土壤有機碳庫仍未飽和。當土壤有機碳含量增加1 g/kg時，作物產量提高2 517 kg/hm2。且以0.053～0.25 mm團聚體中有機碳含量與作物產量的關系最密切。

[1]Haydu-houdeshell C, Graham R, Hendrix P, et al. Soil aggregate stability under chaparral species in southern California[J]. Geoderma, 2018, 310: 201-208.

[2]張迪，姜佰文，梁世鵬，等. 草甸黑土團聚體穩定性對耕作與炭基肥施用的響應[J]. 農業工程學報，2019，35(14)：125-132. Zhang Di, Jiang Baiwen, Liang Shipeng, et al. Responsive of aggregate stability of meadow black soil to different tillage practices and carbon-based fertilizers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 125-132. (in Chinese with English abstract)

[3]李文軍，楊基峰，彭保發，等. 施肥對洞庭湖平原水稻土團聚體特征及其有機碳分布的影響[J]. 中國農業科學，2014，47(20)：4007-4015. Li Wenjun, Yang Jifeng, Peng Baofa, et al. Effects of fertilization on aggregate characteristics and organic carbon distribution in a paddy soil in Dongting Lake Plain of China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(20): 4007-4015. (in Chinese with English abstract)

[4]劉振東，李貴春，周穎，等. 無機肥配施糞肥對華北褐土團聚體分布及有機碳含量的影響[J]. 農業環境科學學報，2013，32(11)：2239-2245. Liu Zhendong, Li Guichun, Zhou Ying, et al. The effect of fertilizer management practices on distribution of aggregates and SOC[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(11): 2239-2245. (in Chinese with English abstract)

[5]李昊昱，孟兆良，龐黨偉，等. 周年秸稈還田對農田土壤固碳及冬小麥-夏玉米產量的影響[J]. 作物學報，2019，45(6)：893-903. Li Haoyu, Meng Zhaoliang, Pang Dangwei, et al. Effect of annual straw return model on soil carbon sequestration and crop yields in winter wheat-summer maize rotation farmland[J]. Acta Agronomica Sinica, 2019, 45(6): 893-903. (in Chinese with English abstract)

[6]Graf-rosenfellner M, Cierjacks A, Kleinschmit B, et al. Soil formation and its implications for stabilization of soil organic matter in the riparian zone[J]. Catena, 2016, 139: 9-18.

[7]邵慧蕓，李紫玥，劉丹，等. 有機肥施用量對土壤有機碳組分和團聚體穩定性的影響[J]. 環境科學，2019，40(10)：4691-4699. Shao Huiyun, Li Ziyue, Liu Dan, et al. Effects of manure application rates on the soil carbon fractions and aggregate stability[J]. Environmental Science, 2019, 40(10): 4691-4699. (in Chinese with English abstract)

[8]Stockmann U, Adams M A, Crawford J W, et al. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2013, 164: 80-99.

[9]劉杰，馬艷婷，王憲玲，等. 渭北旱塬土地利用方式對土壤團聚體穩定性及其有機碳的影響[J]. 環境科學，2019，40(7)：3361-3368. Liu Jie, Ma Yanting, Wang Xianling, et al. Impact of land use type on the stability and organic carbon content of soil aggregates in the Weibei dryland[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3361-3368. (in Chinese with English abstract)

[10]蘇慧清，韓曉日，楊勁峰，等. 長期施肥棕壤團聚體分布及其碳氮含量變化[J]. 植物營養與肥料學報，2017，23(4)：924-932. Su Huiqing, Han Xiaori, Yang Jinfeng, et al. Effect of long-term fertilization on distribution of aggregates and organic carbon and total nitrogen contents in a brown soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(4): 924-932. (in Chinese with English abstract)

[11]Xie J, Hou M, Zhou Y, et al. Carbon sequestration and mineralization of aggregate-associated carbon in an intensively cultivated anthrosol in north China as affected by long term fertilization[J]. Geoderma, 2017, 296: 1-9.

[12]張藝，戴齊，尹力初，等. 后續施肥措施改變對水稻土團聚體有機碳分布及其周轉的影響[J]. 土壤，2017，49(5)：969-976. Zhang Yi, Dai Qi, Yi Lichu, et al. Effects of following-up fertilization reforming on distribution and turnover of aggregate-associated organic carbon in paddy soils[J]. Soils, 2017, 49(5): 969-976. (in Chinese with English abstract)

[13]李晉川，白中科，柴書杰，等. 平朔露天煤礦土地復墾與生態重建技術研究[J]. 科技導報，2009，27(17)：30-34. Li Jinchuan, Bai Zhongke, Chai Shujie, et al. Study on technology of land reclamation and ecological rehabilitation of waste land in Pingshuo surface mine[J]. Science & Technology Review, 2009, 27(17): 30-34. (in Chinese with English abstract)

[14]姚致遠. 旱地豆科綠肥提升土壤碳氮儲量及降低環境代價的潛力與機制[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2019. Yao Zhiyuan. Potential and Mechanisms of Dryland Leguminous Green Manure for Improving Soil Carbon/Nitrogen Stocks and Reducing Environmental Costs[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[15]何冰，李廷亮，栗麗，等. 采煤塌陷區復墾土壤團聚體碳氮分布對施肥的響應[J]. 水土保持學報，2018，32(4)：184-196. He Bing, Li Tingliang, Li Li, et al. Response of carbon and nitrogen distribution of reclaimed soil aggregates to fertilizers in coal mining subsidence area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(4): 184-196. (in Chinese with English abstract)

[16]梁利寶，馮鵬艷，許劍敏. 施肥對采煤塌陷復墾土壤團聚體組成及其碳、氮分布的影響[J]. 灌溉排水學報，2019，38(7)：45-51. Liang Libao, Feng Pengyan, Xu Jianmin. Efficacy of fertilization in improving soil aggregation, carbon and nitrogen in soil reclaimed from subsided areas caused by coal mining[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(7): 45-51. (in Chinese with English abstract)

[17]Elliott E T. Aggregate structure and carbon, nitrogen, and phosphorus in native and cultivated soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(3): 627-633.

[18]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社, 2000.

[19]邸佳穎，劉小粉，杜章留，等. 長期施肥對紅壤性水稻土團聚體穩定性及固碳特征的影響[J]. 中國生態農業學報，2014，22(10)：1129-1138. Di Jiaying, Liu Xiaofen, Du Zhangliu, et al. Influences of long-term organic and chemical fertilization on soil aggregation and associated organic carbon fractions in a red paddy soil[J]. Journal of Chinese Eco-Agriculture, 2014, 22(10): 1129-1138. (in Chinese with English abstract)

[20]Sodhi G P S, Beri V, Benbi D K. Soil aggregation and distribution of carbon and nitrogen in different fractions under long-term application of compost in rice-wheat system[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 103(2): 412-418.

[21]王興，鐘澤坤，張欣怡，等. 長期撂荒恢復土壤團聚體組成與有機碳分布關系[J]. 環境科學，2020，41(5)：2416-2424. Wang Xing, Zhong Zekun, Zhang Xinyi, et al. Relational between the composition of soil aggregates and the distribution of organic carbon under long-term abandoned restoration[J]. Environmental Science, 2019, 2020, 41(5): 2416-2424. (in Chinese with English abstract)

[22]苑亞茹，鄒文秀，郝翔翔，等. 黑土團聚體結合碳對不同有機肥施用量的響應[J]. 生態學報，2019，39(9)：3235-3242. Wan Yaru, Zou Wenxiu, Hao Xiangxiang, et al. Response of aggregate-associated carbon in mollisols to application rate of organic manure[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(9): 3235-3242. (in Chinese with English abstract)

[23]Kool D M, Chung H, Tata K R, et al. Hierarchical saturation of soil carbon pools near a natural CO2spring[J]. Global Change Biology, 2007, 13(6): 1282-1293.

[24]Li H, Han X, Wang F, et al. Impact of soil management on organic carbon content and aggregate stability[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2007, 38(13-14): 1673-1690.

[25]Chen Y, Zhang X, He H, et al. Carbon and nitrogen pools in different aggregates of a Chinese Mollisol as influenced by long-term fertilization[J]. Journal of Soils and Sediments, 2010, 10(6): 1018-1026.

[26]Amelung W, Zech W, Zhang X, et al. Carbon, nitrogen and sulfur pools in particle size fractions as influenced by climate[J]. Soil Science Society of America Journal, 1998, 62(1): 172-181.

[27]林誠，鄭祥洲，郭寶玲，等. 亞熱帶地區不同種植年限果園土壤團聚體結構及有機碳、氮分布特征[J]. 農業環境科學學報，2019，38(7)：1560-1566. Lin Cheng, Zheng Xiangzhou, Guo Baoling, et al. Characteristics of soil aggregate structure and organic carbon nitrogen distribution in orchards of different planting age in subtropical areas[J]. Journal of Agro-Enviroment Science, 2019, 38(7): 1560-1566. (in Chinese with English abstract)

[28]Kuzyakov Y. Priming effects: Interactions between living and dead organic matter[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(9): 1363-1371.

[29]邵興芳. 長期有機培肥模式下黑土團聚體碳氮積累及礦化特征[D]. 武漢：武漢理工大學，2014. Shao Xingfang. Carbon and Nitrogen Accumulation and Mineralization in Aggregates under Long-term Manure Fertilization Practices on Black Soil[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2014. (in Chinese with English abstract)

[30]楊洪波，申艷，徐明崗，等. 長期施肥下黑土不同團聚體氮組分的植物有效性差異[J]. 植物營養與肥料學報，2018，24(6)：1581-1587. Yang Hongbo, Shen Yan, Xu Minggang, et al. Difference in plant availability of nitrogen in aggregates of black soil under long-term fertilization[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2018, 24(6): 1581-1587. (in Chinese with English abstract)

[31]Craswell E T, Saffigna P G, Waring S A. The mineralization of organic nitrogen in dry soil aggregates of different sizes[J]. Plant and Soil, 1970, 33(1–3): 383–392.

[32]Pan G, Zhou P, Li Z, et al. Combined inorganic/organic fertilization enhances N efficiency and increases rice productivity through organic carbon accumulation in a rice paddy from the Tai Lake region, China[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2009, 131(3-4): 274-280.

[33]Li Z, Liu M, Wu X, et al. Effects of long-term chemical fertilization and organic amendments on dynamics of soil organic C and total N in paddy soil derived from barren land in subtropical China[J]. Soil and Tillage Research, 2010, 106(2): 268-274.

[34]Xie J, Peng B, Wang R, et al. Responses of crop productivity and physical protection of organic carbon by macroaggregates to long-term fertilization of an anthrosol[J]. European Journal of Soil Science, 2018, 69(3): 555-567.

[35]Lal R. Beyond copenhagen: Mitigating climate change and achieving food security through soil carbon sequestration[J]. Food Security, 2010, 2(2): 169–177.

[36]Wang R, Zhou J, Xie J, et al. Carbon sequestration in irrigated and rain-fed cropping systems under long-term fertilization regimes[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, DOI. org /10. 1007/s42729-020-00181-6.

Effects of fertilization regimes on carbon and nitrogen contents of aggregates and maize yield in reclaimed soils

Cao Hanbing1, Xie Junyu1,2, QiangJiu Ciren3, Guo Lu4, Hong Jianping1, Jing Yaodong1, Meng Huisheng1※

(1.,,030801,; 2.,030031,; 3.,856700,; 4.,256600,)

This study aims to investigate the distribution characteristics of organic carbon (OC) and total nitrogen (TN) in water-stable aggregates, silt and clay fractions, in order to gain a deep understanding the sequestration mechanism of soil organic carbon (SOC) under various fertilization regimes. Topsoil samples (0-20 cm) were collected from the raw soil and reclaimed soil under different fertilization regimes of six consecutive ages. A wet sieving method was used to fractionate the particle size in soil, including the large macroaggregates (> 2 mm), small macroaggregates (0.25-2 mm), microaggregates (0.053-0.25 mm), as well as the silt- and clay-sized fractions (< 0.053 mm). The contents of OC and TN were analyzed for the water-stable aggregates, the silt and clay fractions. A systematic experiment was also carried out to reveal the driving factors for the changes of SOC storage, while, the relationship between crop yields and the OC content in the water-stable aggregates, the silt and clay fractions. Four treatments were selected, including no fertilizer (control, CK), nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer (NPK), single application of organic manure (M), and the combined application of organic manure and synthetic fertilizers (MNPK). The results showed that the contents of OC and TN were similar in macroaggregates and microaggregates, particularly higher than that in the silt and clay fractions. Compared with the raw soil, the CK, NPK and M treatments significantly increased the OC contents in the 0.25-2 mm, 0.053-0.25 mm aggregates, and the < 0.053 mm fractions, with the increase of 97.96%, 66.19% and 97.60% (CK), 87.07%, 92.09%, 92.80% (NPK), and 95.24%, 148.20%, 112.00% (M), respectively. The MNPK treatment significantly increased the OC contents in > 2, 0.25-2, 0.053-0.35 mm aggregates, and the < 0.053 mm fractions, with the increase of 151.88%, 160.54%, 135.25%, and 92.80%, respectively. In addition, the CK, NPK, M and MNPK treatments significantly increased the TN contents in > 2 mm, 0.25-2 mm and 0.053-0.25 mm aggregates, with the increase of 43.66%, 46.78%, and 29.95% (CK), 41.83%, 52.35%, 30.43% (NPK), 52.81%, 50.43%, 44.93% (M), and 63.80%, 62.96%, 39.61% (MNPK), respectively. The enrichment factors of organic carbon (E) and total nitrogen (E) were similar in the macroaggregates and microaggregates, generally higher than those in silt and clay fractions. Both the M and MNPK treatments significantly increased the C/N ratios of water-stable aggregates, and the silt and clay fractions (except for > 2 mm aggregates). The OC sequestrated in the > 2 mm aggregates was driven by the proportions of > 2 mm, whereas, the OC sequestrated in the other water-stable aggregates, and the silt and clay fractions was driven by the OC contents. The crop yields increased linearly as the increase of OC contents in the water-stable aggregates, and the silt and clay fractions, indicating that the SOC pool in this area has not saturated, especially for the < 0.053 mm fraction. Therefore, the application of organic manure combined with NPK (MNPK) to the reclaimed soil with low fertility can be an effective way to improve soil performance in coal mining subsidence areas.

reclamation; soils; water-stable aggregates; organic carbon; total nitrogen; crop yield

曹寒冰，謝鈞宇，強久次仁，等. 施肥措施對復墾土壤團聚體碳氮含量和作物產量的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(18)：135-143.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.017 http://www.tcsae.org

Cao Hanbing, Xie Junyu, QiangJiu Ciren, et al. Effects of fertilization regimes on carbon and nitrogen contents of aggregates and maize yield in reclaimed soils[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 135-143. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.017 http://www.tcsae.org

2020-06-18

2020-08-18

國家自然科學基金（41807102；U1710255-3）、山西省高等學校科技創新項目（2019L0363）、山西農業大學科技創新基金（青年科技創新）項目（2019004）和山西省優秀博士來晉工作獎勵（SXYBKY201805）資助

曹寒冰，博士，講師，研究方向為高效施肥與土壤質量提升。Email：caohanbing119@163.com

孟會生，博士，副教授，研究方向為礦區土壤治理與生物修復。Email：huishengmeng@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.017

S157.1

A

1002-6819(2020)-18-0135-09