添加木本泥炭改良劑對礦區新復墾耕地土壤有機碳組分的影響

徐賽亞，徐占軍，畢如田，梁建財，李曉宇，閆路路

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷 030801；2.北京恒興華建土地科技有限公司，北京 102600）

我國煤炭資源豐富，在滿足能源供給的同時，給礦區周邊的土地資源和農業生產造成了嚴重的破壞。據不完全統計，近20 a 來由于采礦引起的耕地損毀面積達4 萬hm2[1]，耕地面積銳減，嚴重威脅我國的糧食安全。2017 年中共中央國務院提出強化耕地數量、質量和生態“三位一體”保護[2]，為響應國家號召，對礦區受損耕地進行復墾是維持耕地總量動態平衡、提高耕地質量的重要手段之一。由于采礦活動的擾動，導致耕地退化，土壤肥力低下，對土壤基質的恢復與改良是土壤復墾的重要研究方向。采用傳統的礦區土壤改良技術來培育土壤，使其達到基本的生產能力，周期長，提升土壤肥力效果并不顯著，嚴重影響耕地等級及產能的提升。因此，探索復墾耕地優質耕作層工程化快速構建技術來實現耕層快速熟化，是目前研究的熱點問題。

目前國內外學者對耕地快速培肥進行了大量研究[3-9]，張佳寶院士提出天然配置型一次性工程化快速構建優質耕作層技術模式[10]，以添加木本泥炭有機物料替代土壤養分冗長培育過程。目前已經在紅壤、黃綿土區先后進行了試點工作并取得了較大的成果。曲成闖等[11]研究發現，木本泥炭與有機物料的添加可顯著降低紅壤區新補充耕地耕作層土壤容重，提高土壤總孔隙度和pH，改善紅壤黏重和酸化等特點，且土壤養分和微生物量碳、氮含量均得到了提高。付威等[12]研究發現，添加木本泥炭改良劑可快速提高土壤有機質和易氧化碳等養分含量，增加土壤團聚體穩定性，維持較高的土壤養分含量，增加玉米籽粒產量。目前，對木本泥炭及其土壤改良技術的相關研究多集中于自然土壤，煤礦復墾區土壤由于其成土母質和復墾工藝與常規復墾不同，其土壤性狀也與常規土壤不同，將基于木本泥炭改良劑的一次性工程化快速構建優質耕作層技術應用于礦區耕地土壤肥力的快速提升相關研究較少，尤其是木本泥炭添加對土壤養分、有機碳及其碳組分的影響機制尚不清楚。

本研究在大田條件下，以礦區新復墾耕地為研究對象，通過設置田間試驗小區，對添加不同有機物料對新墾耕地耕層土壤有機碳及其組分開展對比試驗，系統分析不同有機物料處理下土壤有機碳及其組分含量的差異，探討添加木本泥炭天然材料對優質耕層快速構建的可行性，旨在為礦區復墾快速構建優質耕層建設提供技術支持，為農業健康可持續發展提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于山西省大同市某礦區一新復墾耕地（N39°48′41.47″、E114°15′29.36″，海拔1 065 m），土壤類型為栗褐土，屬中溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫7 ℃，年降水量400～500 mm，無霜期130 d左右。研究區基礎土壤的理化性質為：pH 值8.95，有機質含量4.39 g/kg，堿解氮含量7.82 mg/kg，速效磷含量5.28 mg/kg，速效鉀含量75.95 mg/kg，全氮含量0.22 g/kg，全磷含量0.23 g/kg，全鉀含量18.65 g/kg。

1.2 試驗材料

試驗所需材料木本泥炭和有機物料由北京中向利豐公司提供，其基本理化性質如表1 所示。

表1 木本泥炭等有機物料的基本理化性質

1.3 試驗設計

試驗于2019 年4 月在大同市廣靈縣進行，共設置4 個處理，即CK.不施肥，無優質耕作層；DZ.腐熟秸稈＋常規施肥；MT.木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥；DB.秸稈還田＋常規施肥，為試驗區周邊長期耕種的高產農田。另于2019 年4 月份采集基礎土壤（US）。每個處理設3 次重復，采用完全隨機區組排列，各小區之間采用田埂隔離。種植作物為玉米，于播種前將上述材料均勻施撒，利用旋耕機將各種有機物料旋耕混勻在0～20 cm土層。其施肥量為：木本泥炭30 t/hm2，腐熟秸稈3 t/hm2，生物激發劑1.5 t/hm2，常規施肥（復合肥（NP2O5－K2O）600 kg/hm2、尿素（N 46%）150 kg/hm2）。試驗期間，各小區田間管理按當地農事日程采取相同措施。

1.4 樣品采集與指標測定

土壤樣品于玉米收獲后（2019 年10 月23 日）采集。用五點混合采樣法采集0～20 cm 表層土壤，將5 個點的土樣充分混勻作為該小區代表性土樣。將土樣放于室內風干，剔除樣品中植物根系、礫石等雜物。另外，采集200 g新鮮土壤，放置于存有冰袋的便攜式冰箱中，帶回實驗室保存于4℃冰箱中，用于土壤微生物量分析。

土壤基本理化性質的測定參照文獻[13]進行；土壤總有機碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[13]；微生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[14]；易氧化有機碳（EOC）含量采用KMnO4氧化比色法測定[15]；水溶性有機碳（WSOC）含量采用水浸提-TOC 儀（德國耶拿Multi N/C2100）測定[16]；顆粒有機碳（POC）含量采用六偏磷酸鈉分離法測定[17]；輕組有機碳（LFOC）含量和重組有機碳（HFOC）含量采用密度法測定[18]。

1.5 數據分析

本研究所有的數據分析和制圖都在Microsoft Excel 2013 以及SPSS 22.0 的統計軟件中完成，圖表中的數據均采用平均值，并利用SPSS 進行單因素方差分析，顯著性水平設為α＝0.05。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤養分指標的影響

表2 不同處理對土壤養分指標的影響

從表2 可以看出，MT、DB、DZ 處理與CK 相比，土壤各肥力指標均有不同程度的提高。對改善微堿性黃土的影響具體表現為DB＞MT＞DZ＞CK，差異達顯著水平（P＜0.05）。與CK 相比，添加木本泥炭和常規施肥處理均可增加土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量，增幅分別為73.28%～121.13%、34.41%～41.74%、10.00%～22.99%、31.82%～77.27%、11.63%～16.27%、9.79%～24.24%、32.22%～82.5%，MT 處理土壤有機質、堿解氮、全氮、全磷、全鉀含量與CK間差異顯著（P＜0.05）。在經過1 a 的定點試驗后，MT 處理中耕作層土壤各養分含量均得到了較大提升，且速效磷、速效鉀、全鉀含量與DB 處理間沒有顯著性差異，說明木本泥炭和其他有機物料混合施撒可顯著提高耕層土壤肥力水平。

2.2 不同施肥處理對土壤總有機碳含量的影響

從圖1 可以看出，不同施肥處理對土壤有機碳含量的影響各不相同。1 a 定位試驗結果顯示，土壤TOC 含量為2.09～7.75 g/kg，總體變化趨勢為DB＞MT＞DZ＞CK＞US，其中，CK 的TOC 含量最低，僅為2.09 g/kg。DZ 處理的TOC 含量與基礎土壤和CK 間差異顯著，MT 處理TOC 含量為3.81 g/kg，比CK 和DZ 處理分別高82.30%、38.04%（P ＜0.05）。可見，施用木本泥炭+腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥對提升0～20 cm 土層TOC 含量顯著高于其他2 個處理。

2.3 不同施肥處理對土壤活性有機碳含量的影響

2.3.1 不同施肥處理對土壤微生物量碳（MBC）含量的影響 由圖2 可知，不同施肥處理對MBC 含量的影響各不相同。1 a 定位試驗結果顯示，土壤MBC 含量為30.08～91.24 mg/kg，總體變化趨勢為DB＞MT＞DZ＞CK＞US。其中，CK 的MBC 含量最低，僅為30.08 mg/kg，DZ 處理MBC 含量與基礎土壤和CK 間差異顯著，MT 處理的MBC 含量為74.25 mg/kg，較CK 和DZ 處理分別高146.84%、67.80%（P＜0.05）。可見，施用木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑+常規施肥對提升0～20 cm 土層MBC 含量的效果顯著。

2.3.2 不同施肥處理對易氧化有機碳（EOC）含量的影響 從圖3 可以看出，不同施肥處理對EOC含量的影響各不相同。1 a 定位試驗結果表明，土壤EOC 含量為1.59～2.50 g/kg，總體變化趨勢為DB＞MT＞DZ＞CK＞US，其中，CK 的EOC 含量最低，僅為1.59 g/kg，DZ 處理的EOC 含量與基礎土壤和CK 間無顯著差異，MT 處理的EOC 含量為2.50 g/kg，比CK 和DZ 處理分別高57.23%、25.00%，具有顯著性差異（P＜0.05）。可見，木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥對土壤EOC 含量影響較大，提升效果顯著。

2.3.3 不同施肥處理對水溶性有機碳（WSOC）含量的影響 由圖4 可知，不同施肥處理對WSOC 含量的影響各不相同。研究區周邊熟化土壤（DB）的水溶性有機碳含量為87.85 mg/kg，較CK、DZ、MT 處理分別高92.95%、52.74%、24.68%（P＜0.05），DB處理與其他3 種處理均存在顯著性差異。經1 a 定位研究表明，CK 的WSOC 含量最低，僅為45.53 mg/kg，DZ 處理WSOC 含量與CK 間無顯著性差異，與基礎土壤具有顯著性差異。MT 處理WSOC 含量為66.57 mg/kg，與DZ 處理間無顯著差異。可見，與腐熟秸稈＋常規施肥和不施肥相比，木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥對土壤WSOC 含量變化影響不大。

2.3.4 不同施肥處理對顆粒有機碳（POC）含量的影響 從圖5 可以看出，不同施肥處理對POC 含量的影響各不相同。1 a 定位試驗結果表明，土壤POC 含量為0.23～1.88 g/kg，總體變化趨勢為DB＞MT＞DZ＞US＞CK，其中，CK 的POC 含量最低，僅為0.23 g/kg，DZ 處理POC 含量與基礎土壤和CK 間無顯著性差異，MT 處理的POC 含量為1.53 g/kg，較DB 處理低18.62%，較CK 和DZ 處理分別高565.22%、292.31%，具有顯著性差異（P＜0.05）。可見，木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥對土壤POC 含量影響比較大，提升效果最為顯著。

2.4 不同施肥處理對土壤輕、重組有機碳（LFOC、HFOC）含量的影響

由圖6 可知，經過1 a 的定點檢測，LFOC 和HFOC 含量分別占總碳8.07%～62.87%和37.13%～91.93%。新墾耕地的LFOC 與HFOC 含量隨施入有機物料的增加而有所提高，MT 處理的LFOC 和HFOC 含 量 較DZ、CK 分 別 高96.67%、280.64%（P＜0.05）和21.75%、46.11%（P＜0.05），較US 分別高140.82%（P＜0.05）和31.5%（P＜0.05），但較DB 處理分別低283.90%（P＜0.05）和22.43%（P＜0.05）。各施肥處理較不施肥對照均顯著提高了土壤LFOC 和HFOC 含量，其中以DB 處理含量最高，與其他處理差異顯著，平均值分別為4.53、3.22 g/kg；同時單施化肥處理較不施肥處理提高了新墾耕地土壤HFOC 含量，CK 較US 處理的LFOC 和HFOC含量均有所下降，DZ 處理在一定程度上提高了HFOC 含量，而木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥則更有利于土壤LFOC 和HFOC 含量的增加。

2.5 土壤有機碳組分間及其與土壤理化性質間的相關性分析

表3 土壤有機碳組分間的相關性分析

表4 土壤理化性質與土壤有機碳組分的相關性分析

從表3 可以看出，土壤有機碳各組分間相關性密切，TOC與MBC、EOC、WSOC、POC、HFOC 和LFOC均呈極顯著正相關關系（P＜0.01），表明各組分含量的增加有助于TOC 含量的提高，二者之間相輔相成，輕、重組有機碳與其他各有機碳組分之間均呈現極顯著正相關（P＜0.01）。

從表4 可以看出，不同土壤理化性狀與有機碳組分之間相關性不同，土壤有機碳各組分與土壤全量指標和堿解氮呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與速效磷則呈負相關關系。有機碳組分TOC、POC、HFOC 和LFOC 與速效磷呈現顯著負相關（相關系數 分 別 為-0.437、-0.445、-0.477 和-0.406，P ＜0.05），MBC 與速效磷則呈極顯著負相關（r＝-0.485，P＜0.01）。有機碳各組分與速效鉀無顯著相關性。

2.6 不同處理對玉米籽粒產量的影響

由圖7 可知，不同施肥處理對玉米產量的影響各不相同。1 a 定位試驗結果表明，玉米產量變化范圍為2.32～6.06 t/hm2，總體變化趨勢為MT＞DB＞DZ＞CK，添加木本泥炭處理較DB、DZ、CK 分別高14.34%、61.6%、161.21%，且差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。可見，木本泥炭＋腐熟秸稈＋生物激發劑＋常規施肥對作物產量影響較大，提升效果最為顯著。

3 討論

3.1 木本泥炭添加劑對土壤養分指標的影響

pH 不僅是反映酸堿程度的指標，而且對土壤養分的有效性、微生物活動及作物生長均有一定程度的影響。若要提高土壤養分含量，首先是改善土壤pH 狀況。本試驗結果顯示，施用木本泥炭有機物料處理下的土壤pH 值較基礎土壤下降了4.2%，這與付威等[12]的研究結果一致，其原因是木本泥炭呈酸性，對堿性土壤有一定的中和作用。礦區復墾地肥力偏低是農業可持續發展的主要限制性因素之一。已有研究表明，添加木本泥炭可顯著提高耕層有效養分，增加土壤有機質，促進作物對有效養分的吸收利用。本試驗結果表明，添加木本泥炭等有機物料對全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀均有不同程度的提高，顯著優于其他處理，這與曲成闖等[11]、李司童等[19]的研究結論一致。其原因可能是，一方面木本泥炭腐殖質含量豐富，比表面積大，離子交換能力強，是改善土壤顆粒團聚體、增加多級團聚體數量和質量的理想膠結物質，可吸附土壤中的礦物質，避免養分離子隨水流失，間接增加了土壤有效養分[20-21]。另一方面，pH 狀況的改善為微生物活動提供了適宜的環境，木本泥炭是碳源豐富的有機物料，為微生物繁衍、代謝提供了持久而豐富的營養物質，同時微生物數量與豐度的提高也間接增強了土壤中的氮磷鉀循環，進而提高了土壤中有效養分含量[22]。

3.2 木本泥炭添加劑對土壤有機碳及其碳組分的影響

木本泥炭在有機物料改善土壤結構、提高作物產量及植物殘體和根系還田量等方面效果顯著[23-26]。本研究經1 a 定位試驗結果表明，與試驗前期相比，各處理均能顯著增加TOC 含量，其中以MT 處理最為顯著，這與陶朋闖等[27]、吳濤等[28]的研究結果一致。木本泥炭之所以能提高TOC 含量，一方面是因為試驗基礎土壤有機質極低，僅為1.94 g/kg，另一方面是因為木本泥炭是一種有機質含量極高的外源碳材料（有機質含量686.96 g/kg），其施入土壤相當于直接向土壤中輸入外源有機碳。也有相關研究表明[29]，木本泥炭具有很強的生物穩定性，短時間內不易被微生物分解，則以惰性碳的形式封存于土壤中，從而有利于土壤有機碳的固定。

土壤微生物量碳（MBC）是土壤碳庫中最為活躍的部分，雖然僅占總碳含量的一小部分，卻對土壤碳庫循環至關重要[30]，與土壤養分狀況密切相關。本研究表明，各處理均可以提高土壤微生物量碳含量，MT 和DZ 處理較CK 處理高47.11%～146.84%，MT 處理增加最為顯著。這與黎嘉成等[31]的研究結果一致，盡管木本泥炭含有的活性碳含量較低，但施入土壤后，一方面，木本泥炭疏松多孔，比表面積大空隙內又儲存了足夠的營養物質，且改善了土壤的pH 狀況，為微生物提供了良好的棲息地和持久豐富的養分來源，促進了微生物活性和豐度的大大提高[32-34]。另一方面，玉米生長周期長，對養分消耗少，被植物吸收利用的活性有機碳較少，加之生物激發劑對木本泥炭和腐熟秸稈的激活作用，從而使微生物量碳顯著增加[28]。

易氧化有機碳（EOC）是土壤碳庫中易被強氧化劑氧化或土壤中易被分解的敏感性有機碳，是評價土壤肥力的重要指標。其主要來源于作物殘體的分解，根系分泌物和微生物活動及死亡時所釋放的原有有機碳[35]。本研究中，外源有機碳材料的施入顯著增加了土壤TOC 含量，與EOC 呈極顯著正相關（r＝0.670），說明EOC 含量的增加很大程度上依賴于TOC 含量的增加。羅梅等[36]通過試驗發現，生物質炭還田可顯著提高作物生物量，增加紫色土壤中EOC 含量。在本試驗中，MT 和DZ 處理下的土壤EOC 含量均高于CK 25.00%～57.23%，MT 處理最顯著，DZ 處理與CK 則無顯著性差異。其原因可能是不同外源碳材料的可利用程度不一，加之施入量的差異，故造成EOC 含量的漲幅不同。

水溶性有機碳（WSOC）是土壤碳庫中活性較高，具有一定水溶性的組分，在土壤中轉移快，易被礦化分解。其主要來源于植物凋零物、微生物活動、根系分泌物以及人為施肥等，其淋失與礦化（氧化）分解是有機碳損失的主要途徑[37]。在本研究中施入木本泥炭、腐熟秸稈等有機物料對其含量影響不大，提升效果并不明顯。這與包建平等[38]的研究結果不一致，原因可能是木本泥炭施入土壤后，其中的活性有機碳在相對較短的時間內作為碳源被微生物分解，導致盡管在耕層中投入了較多的有機碳，但水溶性有機碳含量并沒有顯著提高。

顆粒有機碳（POC）是新鮮有機質向腐殖質轉化的過渡成分，屬于碳庫中相對易分解、生物活性較高的組分，極易因耕作管理措施的變化而快速喪失，與土壤中氮含量緊密相關。本研究結果表明，木本泥炭、腐熟秸稈等顯著增加了外源有機物質的輸入，因而，MT 處理下的POC 含量較CK 和DZ 高292.31%～565.22%，相對于其他幾種活性有機碳組分來說，POC 含量增幅最高。本研究結果與蘇永中等[39]研究結果一致，這主要與耕層中的砂粒含量有關。木本泥炭的施用提高了土壤TOC 含量，而有機碳作為良好的膠結物質促進微團聚體向大團聚體的轉化，使得碳素可以更多保存于大團聚體中，顆粒有機碳含量增加，進而提高了對SOC 的貢獻率。

輕組有機碳（LFOC）是指運用物理分組法有效分離出來的密度小于1.7～2.0 g/cm3組分中的活性有機碳，它包括半分解狀態的動植物殘體和大部分土壤微生物量等，是一種過渡階段的有機碳；重組有機碳（HFOC）與輕組相對應，但其對環境變化的反應能力和礦化速率都比輕組慢。本研究中，MT 處理可同時增加土壤輕組、重組有機碳，較CK 分別高280.64%和46.11%。已有研究表明[40-41]，土壤中的LFOC 含量與添加的有機物料的種類密切相關。在肥力相對偏低的地區，重組有機碳的增加很有可能是施肥本身代入的穩定性物質。梁堯等[42]對東北黑土經10 a 定位研究認為，高量有機肥的施入有利于胡敏酸、胡敏素等積累，從而提高土壤腐殖化程度，增強有機質穩定性。本試驗在耕層中添加了木本泥炭有機物質，其性質穩定，富含各種穩定的官能團，不易在土壤中分解消耗，因此，土壤HFOC 含量顯著增加。

3.3 木本泥炭添加劑對玉米籽粒產量的影響

已有研究表明，添加有機物料可改善土壤養分狀況，增加作物產量。本試驗結果表明，與不添加有機物料相比，添加木本泥炭可顯著提高玉米籽粒產量，短短1 a 已超過熟化農田的產量，增產效果明顯。這是由于木本泥炭富含各種礦質元素，對土壤中氮磷鉀和土壤各有機碳組分含量具有顯著的提升作用，微生物活性增強，土壤團粒結構穩定有利于土壤的保水保肥能力。在良好的土壤環境條件下玉米生長活動所需的營養元素得到充分補充，最終增加了玉米籽粒產量。

4 結論

本研究結果表明，添加木本泥炭改良劑可降低礦區耕作層pH，緩解土壤堿化情況，增加土壤有機質和其他養分含量，有利于土壤團聚體結構的穩定，玉米籽粒產量顯著提高。

木本泥炭含碳豐富，在田間施加1 a 后顯著增加了土壤中有機碳及其碳組分含量，TOC、MBC、EOC、WSOC、POC、LFOC 和HFOC 較對照分別提高了82.30%、146.84%、57.23%、92.95%、565.22%、280.64%和46.11%，以顆粒有機碳含量增加最為顯著。

綜合分析發現，與其他處理相比，施用木本泥炭處理下的土壤養分指標和土壤有機碳組分經過短短1 a 便達到了較高水平，與熟化土壤差異不顯著。表明以添加木本泥炭改良劑為基礎的一次性工程化構建優質耕作層技術更有利于礦區新復墾耕地耕層土壤理化性質和有機碳組分的恢復，是改善貧瘠土壤、快速培肥地力的最佳模式。