㊀第46卷第3期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报
Vol.46㊀No.3㊀㊀2021年
3月
JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Mar.㊀
2021㊀
的变化特征
曹寒冰1,2，谢钧宇1,2，洪坚平1
(1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷㊀030801;2.土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原㊀030031)
摘㊀要：研究采煤塌陷区复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征对不同施肥措施的响应，从而更好地理解土壤有机碳固持机制，并为该区域改善土壤质量㊁提升土壤肥力提供科学依据㊂通过采集复垦6a 定位试验不同施肥处理0~20cm 土层土样，采用物理分组法，分析土壤大团聚体中各有机碳组分(粗颗粒有机碳(cPOC )㊁细颗粒有机碳(fPOC )㊁大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳(iPOC )以及矿质结合态有机碳(MOC )组分)的变化特征及其与土壤有机碳之间的关系㊂试验包括不施肥(CK )㊁施化肥(NPK )㊁单施有机肥(M )以及有机无机肥配施(MNPK )4个处理㊂研究结果表明，同CK 相比，施NPK 肥对大团聚体中各组分的有机碳含量均无显著影响；而M 处理显著降低了MOC 含量，达36．45%;MNPK 处理显著提高了cPOC 和fPOC 含量，分别是CK 的4倍和2倍，但是显著降低了MOC 含量，达39．01%㊂4个组分中，仅有cPOC 和fPOC 含量与SOC 含量呈显著正相关，说明复垦土壤有机碳首先固存于未受保护的有机碳组分中㊂CK ,NPK ,M 和MNPK 处理下土壤固碳速率分别为0．82,0．68,1．36和1．58mg /(ha ㊃a )㊂土壤固碳速率与年均碳投入量呈显 著的线性相关关系(R 2=0．58,P <0．05)，每年约有31%的投入碳转化到土壤中㊂综合来看，采煤塌陷区复垦土壤仍有一定的空间固存有机碳，有机无机肥配施是提升该区域土壤有机碳含量的有效途径，增加的有机碳优先固存于未受保护的有机碳组分中㊂关键词：复垦土壤；施肥；碳投入量；粗颗粒有机碳；细颗粒有机碳
中图分类号:TD88㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)03-1046-10
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收稿日期:2019-11-13㊀㊀修回日期:2020-03-20㊀㊀责任编辑：韩晋平㊀㊀DOI :10.ki.jccs.2019.1567㊀㊀基金项目：国家自然科学基金资助项目(41807102,U1710255-3)
㊀㊀作者简介：曹寒冰(1989 )，男，河南周口人，讲师㊂E -mail:caohanbing119@163．com ㊀㊀通讯作者：洪坚平(1958 )，男，浙江绍兴人，教授㊂E -mail:hongjpsx@163．com
㊀㊀引用格式：曹寒冰，谢钧宇，洪坚平.长期不同施肥复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征[J].煤炭学报,
2021,46(3):1046-1055.
CAO Hanbing,XIE Junyu,HONG Jianping.Variation characteristics of organic carbon fractions within macroag-
gregates under different fertilization regimes in the reclaimed soil[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):1046-1055.
Variation characteristics of organic carbon fractions within macroaggregates
under long-term different fertilization regimes in the reclaimed soil
CAO Hanbing 1,2,XIE Junyu 1,2,HONG Jianping 1
(1.College of Resources and Environment ,Shanxi Agricultural University ,Taigu ㊀030801,China ;2.Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Re-
sources of Shanxi Province ,Taiyuan ㊀030031,China )
Abstract :To better understand the mechanism of soil organic carbon (SOC)sequestration and provide a scientific ba-
第3期曹寒冰等：长期不同施肥复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征
sis for improving soil fertility and quality in the reclaimed coal-mining subsiding region,it was investigated the re-sponse of variation characteristics of organic carbon(OC)fractions within macroaggregate to fertilization regimes in the reclaimed soil.Topsoil samples(0-20cm)were collected from the different treatments of a6-year reclaimed field.The variation characteristics of OC fractions within macroaggregates(coarse particulate organic carbon referred to as cPOC,fine particulate organic carbon referred to as fPOC,intra-microaggregate particulate organic carbon referred to as iP
OC and mineral associated organic carbon referred to as MOC)and relationships between them and SOC con-centration were analyzed using physical fractionation method.Four different fertilization treatments were no fertilizer (CK),chemical fertilizer with nitrogen,phosphorus and potassium(NPK),organic manure alone(M)and chemical fertilizer combined with manure(MNPK).Compared with CK,the application of chemical fertilizers(NPK)had no effect on the OC contents in any macroaggregate fractions.However,the application of manure alone(M)significantly decreased MOC content by36.45%.Application of manure combined with chemical fertilizers(MNPK)markedly in-creased cPOC and fPOC contents,which were4and2times higher than CK,but it greatly decreased MOC content by 39.01%.Among the four fractions,only cPOC and fPOC contents were significantly positively correlated with SOC concentration,indicating that SOC was primarily sequestered in the unprotected OC fractions within macroaggregates in the reclaimed soil.The SOC sequestration rates in the treatments of CK,NPK,M and MNPK are0.82,0.68,1.36and 1.58mg/(ha㊃a).SOC sequestration rate was significantly positively correlated with annual carbon input(R2= 0．58,P<0.01),and about31%of input carbon sank into the soil every year.In conclusion,there is still more space to storage SOC,the combination of organic manure and chemical fertilizers is the most effective practice to promote SOC storage,the increased OC is preferentially sequestered in the unprotected OC fractions.
Key words:reclaimed soil;fertilization;carbon input;coarse particulate organic carbon(cPOC);fine particulate or-ganic carbon(fPOC)
㊀㊀土壤有机碳(SOC)是表征土壤肥力变化的一个重要指标，它深刻地影响着土壤的物理㊁化学和生物学性质，是作物高产稳产和农业可持续发展的基础[1]㊂此外,SOC也是全球碳循环的重要组成部分，是大气CO2的源和汇[2]㊂其中，农田土壤有机碳不仅占到全球陆地碳库的10%以上，而且是全球土壤碳库中最活跃的部分，具有很大的固碳潜力[3-5]㊂因此，了解土壤有机碳固存机制，并且寻求最佳的农田管理措施对于促进粮食安全和减缓气候变化具有重要意义㊂
土壤有机碳受多种因素的影响，诸如施肥措施㊁耕作措施㊁种植历史等，且以施肥对它的影响最深刻㊂研究报道，长期施有机肥显著提高了SOC含量[6-8]㊂LI等[6]报道连续26a单施有机肥以及有机无机肥配施均能显著提高潮土有机碳含量，分别增加了113．62%和66．76%㊂然而就长期施化肥对SOC 含量的影响存在争议㊂有研究发现施化肥(NPK)显著提高了SOC含量[9-10]，而LI等[11]认为施化肥对SOC含量无明显的积极作用㊂
在大多数碳模型中,SOC为由几个内在可降解性且相对分解速率不同的功能库组成[12]，比如，微生物量碳㊁颗粒有机碳㊁轻组有机碳㊁易氧化有机碳㊂这些碳组分比SOC对农田管理措施的响应更敏感，因此它们常作为评价SOC动态变化的早期指示物㊂尽管也有一些研究报道施肥可以提高土壤微生物量
碳含量[13]㊁颗粒有机碳含量㊁活性有机碳含量[14]以及轻组有机碳含量[15]，但是这些组分是离散的㊁独立的[16]㊂相比之下，由SIX 等[17-18]提出的物理分组方法成为近年来研究土壤有机碳固存机制的主流，并且他们将SOC划分为与团聚体分级相连接的4个概念型碳组分：未受保护的活性组分(粗颗粒有机碳cPOC和细颗粒有机碳fPOC)㊁受物理保护的组分(大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳iPOC)以及受化学或生物化学保护的惰性组分(矿质结合态有机碳MOC)，该模型中4个组分是相互连接的，可以真实地反映土壤有机碳的转化和固存过程，因而在近年来被广泛应用㊂YAO等[19]报道,iPOC和MOC对黑垆土有机碳固存共同起作用㊂而XIE等[20]利用35年定位施肥试验研究发现,iPOC组分对塿土有机碳固存起着至关重要的作用㊂此外，无论是改变耕作措施[21]还是向土壤中添加污泥[22]，都认为iPOC组分对SOC的保护能力最强㊂还有研究表明,cPOC组分是黑土有机碳固存的主要形式[23]㊂由此可见，不同类型的土壤上研究结果之间存在
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差异，这可能与土壤本身的性质㊁施肥年限㊁作物种植体系等因素有关㊂因此，有必要对特定类型的土壤有机碳固存机制进行系统研究㊂
山西省煤矿含量丰富，煤炭面积达620万ha，占全省土地总面积的39．6%，全省累计采空面积约12万ha，土地塌陷裂缝面积约4．5万ha㊂矿区土地复垦是我省㊁乃至我国实现耕地总量动态平衡㊁缓解人地矛盾的当务之急，而在该区域寻求高效合理的培肥模式，对于快速定向提高土壤质量㊁实现农业资源可持续利用具有重大的理论意义和实践价值㊂前人研究报道，施化肥及有机肥均能显著提高采煤塌陷区复垦土壤有机碳含量[24-25]，但是这些研究并没有从团聚体的角度解析SOC 的固存机制㊂因此，笔者以复垦6a 的土壤为研究对象，利用物理分组的方法，分析不同施肥措施下土壤大团聚体中有机碳组分的变化特征及其与SOC 含量之间的关系，从而更好地理解采煤塌陷区复垦土壤有机碳固存机制，并为完善该区域的土壤培肥和质量提升理论提供科学支撑㊂
1㊀材料与方法
1．1㊀试验地概况
试验地位于山西襄垣县(N 36．47ʎ,E
113．01ʎ，平均海拔980m)(图1)，属潞安集团五
阳煤矿井田范围，属于低山黄土丘陵区，年平均气温9．5ħ，年均降水量532．8mm㊂供试土壤为石灰性褐土，黄土母质㊂试验开始前0~20cm 土层SOC 含量为4．20g /kg，全氮(N)为0．50g /kg，有效
磷(Olsen -P )为2．01mg /kg，速效钾(K)为106．85mg /kg(1．0mol /L 醋酸铵浸提)，土壤密度为1．49g /cm 3㊂
1．2㊀试验设计
试验开始于2008年，采用混推复垦的方式，种植作物为春玉米，品种为大丰30号㊂每公顷播种60000株㊂每年5月左右播种,10月左右收获，玉米秸秆全部还田㊂从2013年开始进行第6年复垦，不同处理下0~20cm 土层土壤的基本理化性状见表
1㊂
图1㊀长期定位试验地理位置
Fig．1㊀Geographical of location of the long-term experiment 表1㊀不同处理下0~20cm 土层土壤的基本理化性状
Table 1㊀Physical-chemical properties at 0-20cm soil layer under different fertilization regimes
处理pH 有机质含量/(g㊃kg -1)
全氮含量/(g㊃kg -1)
有效磷含量/(mg㊃kg -1)
速效钾含量/(mg㊃kg -1)
对照(CK)8．4011．401．095．40131．28化肥(NPK)7．9910．711．0622．03310．38有机肥(M)8．2213．761．2037．83212．69有机肥+化肥(MNPK)
8．27
15．21
1．08
80．53
294．10
8
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第3期曹寒冰等：长期不同施肥复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征
㊀㊀试验共设7个处理，分别是不施肥㊁施化肥㊁单施有机肥㊁有机无机肥配施㊁化肥配施菌肥㊁有机肥配施菌肥㊁有机无机肥配施菌肥(图2)㊂本研究选取其中的4个处理：不施肥(CK)；施用氮磷钾化肥(NPK)；单施有机肥(M)；有机无机肥配施(MNPK)㊂其中，供试有机肥为完全腐熟的鸡粪，有机质含量为25．80%，氮(N)含量为1．68%，磷(P2O5)含量为1．54%，钾(K2O)含量为0．82%㊂每个处理设置3次重复，采用完全随机排列㊂小区面积为10mˑ5m=50m2㊂各施肥处理的总养分投入量相同，具体施肥量见表
图2㊀不同处理的示意
Fig．2㊀Schematic diagram of different fertilization regimes
表2㊀不同处理的肥料用量
Table2㊀Rates of N,P,K and manure in treatments
kg/ha 处理N用量P2O5用量K2O用量有机肥用量
CK0000 NPK201．5184．898．40
M00012000 MNPK100．892．449．26000 1．3㊀样品采集与分析
于2018年9月底春玉米收获前一天，用定制的环刀(高度为10cm㊁直径为10cm)采集0~20cm土层的原状土样，每个小区采集5个样点，然后混合成1个样品㊂带回实验室后，沿土壤结构小心地掰成< 1cm的土块，剔除动植物残体及石块，过8mm筛后，于通风干燥处风干，装入塑封袋中备用㊂
同时，春玉米收获后，每个小区用土钻(高度为20cm㊁内径约为2．5cm)采集0~20cm土层土壤样品6钻并混合，装入塑封袋中带回实验室，在阴凉通风处自然风干后剔除石块㊁根系等杂物，研磨后过0
．15mm筛，保存在塑封袋中测定SOC含量㊂采用SIX等[17-18]提出的物理分组方法分离得到土壤大团聚体中各有机碳组分，操作流程如图3所示㊂
1．4㊀测定项目及方法
土壤有机碳含量及cPOC,iPOC和MOC
含量采用重铬酸钾-容量法测定,fPOC含量用Vario MAC-
RO cube元素分析仪(德国哈瑙)测定㊂
1．5㊀计算方法
土壤有机碳储量:
SOC storage=10SOC DH(1)㊀㊀固碳量:
ΔSOC storage=SOC storage-6-SOC storage-0(2)
图3㊀物理分组流程
Fig．3㊀Physical fractionation scheme
㊀㊀固碳速率:
SOC SR=ΔSOC storage/6(3)其中,SOC为0~20cm土层土壤有机碳含量,g/kg;D 为土壤密度,g/cm3;H为土层深度，取0．20m㊂SOC storage-6和SOC storage-0分别是复垦6a和试验初期的土壤有机碳储量㊂
本试验条件下，土壤有机碳投入(C input)主要来源于2部分：一部分是有机肥(C input-manure)，即腐熟的鸡粪；另一部分是作物在生长期间及收获后通过根系㊁残茬输入到土壤的有机碳(C input-crop)㊂两部分之和为土壤有机碳投入量㊂玉米整个植株碳含量按
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0．4074g /g 进行计算㊂每年以作物残茬形式投入到土壤中的碳含量计算公式为
C input =(Y B R
D r +Y S R S )ˑ0．4074
(4)
式中,Y B 和Y S 分别为地上部生物量和秸秆产量;R 为光合作用产物进入地下比例，本试验中玉米按照26%的地上部生物量的作物残茬量进行估算
[26-27]
;D r 为0~20cm 根系占地下部的比例，为85．1%[28]
;R S 为留茬占秸秆的比例，按3%进行
估算㊂
土壤大团聚体中各组分的有机碳含量为该组分有机碳含量与其质量分布比例的乘积㊂
1．6㊀数据处理
试验结果采用Microsoft Excel 2010和SAS 8．0软件进行数据整理与统计分析，不同处理间采用LSD 法进行差异性检验㊂采用简单线性关系(y =ax +b )来拟合土壤有机碳含量与土壤大团聚体中各组分有机碳含量之间以及年均碳投入量和土壤固碳速率之间的关系,Origin 8．1软件作图㊂
2㊀结果与分析
2．1㊀不同施肥模式下复垦土壤有机碳含量
连续6a 不同施肥处理后，施化肥(NPK)处理下SOC 含量最低，为6．21g /kg，有机无机肥配施(MNPK)处理下SOC 含量最高，达8．82g /kg(图
3，柱上不同小写字母代表各处理间土壤有机碳含量在5%水平差异显著)；同CK 相比,NPK 处理下SOC 含量显著降低了6．02%，而无论是单施有机肥(M)还是MNPK 处理均显著提高了SOC 含量，增幅为20．74%~33．44%(图
4)㊂
图4㊀不同施肥模式下土壤有机碳含量Fig．4㊀Soil organic carbon (SOC)concentration in the bulk
soil under different fertilization regimes
2．2㊀不同施肥模式下复垦土壤碳投入量的差异
不同施肥措施下，每年通过玉米根茬和有机肥投入到土壤的有机碳总量为0．41~
2．71mg /ha，其中以CK 处理最低,M 处理最高(图5，柱上不同小写字母代表各处理间来源于玉米根茬的碳投入在5%水平差异显著，不同大写字母代表各处理间总有机碳投入在5%水平差异显著)㊂每年
通过玉米根茬还田到土壤中的有机碳量为0．41~0．92mg /ha,CK 和NPK 处理下土壤有机碳投入仅来源于玉米根系和残茬等㊂同CK 相比,NPK 处理显著提高了通过玉米生长代入
土壤的有机碳含量78．90%；施有机肥处理(M 和MNPK)不仅显著提高了作物来源的有机碳，还通过外源添加动物粪肥投入了大量的有机碳，其
中，通过玉米生长代入土壤的有机碳量约为总量的34%~55%㊂同CK 相比,M 和MNPK 处理均显著提高了玉米根茬和有机物料还田的有机碳量，增幅达118．62%~124．20%(图5)
㊂
图5㊀不同施肥模式下来源于玉米根茬和有机肥的年均
碳投入量
Fig．5㊀Annual carbon input from maize roots and manure
under different fertilization regimes
2．3㊀不同施肥模式下复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的分布
㊀㊀不同施肥处理下大团聚体中有机碳组分以受化学或生物化学保护的矿质结合态有机碳组分(MOC )分布比例最高，范围介于65．49%~79．87%；其次是受物理保护的大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳组分(iPOC)，范围是10．52%~15．54%；然后是未受保护的粗颗粒有机碳组
分(cPOC)，变幅为6．95%~13．57%；而未受保护的细颗粒有机碳组分(fPOC)分布比例最小，仅占2．67%~5．40%(表3)㊂
㊀㊀同CK 相比，所有施肥处理均对iPOC 组分无显
著影响㊂NPK 处理没有对各组分的分布比例产生显著影响㊂而施有机肥处理(M 和MNPK)均显著提高了cPOC 组分的分布比例，分别提高了92．57%和95．20%，且M 和MNPK 处理亦显著提高了fPOC 组
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