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(fù)墾土壤團(tuán)聚體碳氮含量和作物產(chǎn)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太谷 030801；2. 山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點實驗室，太原 030031；3.西藏山南地區(qū)錯那縣農(nóng)牧局，山南 856700；4. 山東省濱州畜牧獸醫(yī)研究院，濱州 256600）

研究復(fù)墾后不同施肥措施下有機碳（OC）和全氮（TN）在水穩(wěn)性團(tuán)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(xù)6年不同施肥措施的復(fù)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(jìn)行土壤粒徑分組，分析大粒徑大團(tuán)聚體（> 2 mm）、小粒徑大團(tuán)聚體（>0.25～2 mm）、微團(tuán)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(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳儲量的驅(qū)動因素，探究團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。試驗設(shè)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(jié)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(chǎn)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(tuán)聚體和微團(tuán)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(tuán)聚體和< 0.053 mm組分中OC含量。MNPK處理顯著提高了各粒徑團(tuán)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(tuán)聚體中TN含量；大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中有機碳和全氮富集系數(shù)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(tuán)聚體及粉黏粒組分（除> 2 mm團(tuán)聚體外）的C/N比。3）土壤有機碳儲量受> 2 mm團(tuán)聚體的百分比數(shù)量驅(qū)動，其余各粒徑團(tuán)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(xiàn)較大。4）作物產(chǎn)量隨著各粒徑團(tuán)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(qū)域土壤有機碳庫仍未達(dá)到飽和，且以0.053～0.25 mm團(tuán)聚體中有機碳含量與作物產(chǎn)量關(guān)系最緊密。因此，在采煤塌陷區(qū)的低肥力復(fù)墾土壤上采取有機無機肥配施，對土壤質(zhì)量及農(nóng)業(yè)生態(tài)持續(xù)性具有積極的作用。

復(fù)墾；土壤；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；有機碳；全氮；作物產(chǎn)量

0 引 言

團(tuán)聚體作為土壤的重要組成部分，直接參與土壤的物理、化學(xué)和生物過程，其數(shù)量和質(zhì)量對于維持土壤肥力、改良土壤質(zhì)量和調(diào)節(jié)生態(tài)功能等方面發(fā)揮著積極作用[1-2]。有機碳作為土壤質(zhì)量的核心，是評價土壤肥力的一個關(guān)鍵指標(biāo)，與團(tuán)聚體相互作用緊密，有機碳與礦物顆粒膠結(jié)形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體[3-4]，同時，團(tuán)聚體的物理保護(hù)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(tuán)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(tài)系統(tǒng)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(chǎn)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(zhì)量、促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義。

農(nóng)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(nèi)外就施肥對土壤團(tuán)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(jié)果不盡相同。蘇慧清等[10]利用棕壤36 a定位試驗發(fā)現(xiàn)，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(tuán)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(tuán)聚體中碳氮含量。但是Xie等[11]通過中國西北地區(qū)塿土21 a定位肥料試驗研究發(fā)現(xiàn)，有機碳和全氮主要固存在微團(tuán)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(tuán)聚體（> 2、>0.25～2 mm）和微團(tuán)聚體（< 0.25 mm）中有機碳和全氮含量。此外，張藝等[12]報道，連續(xù)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(tuán)聚體（> 2 mm）中，而長期施化肥肥后顯著提高了小粒徑大團(tuán)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(tuán)聚體中有機碳、全氮含量的影響并不一致，不同粒徑的團(tuán)聚體對協(xié)調(diào)、供應(yīng)土壤養(yǎng)分，增強土壤固碳能力等方面發(fā)揮的作用不盡相同[9]。造成研究結(jié)果之間的差異，可能與施肥歷史、土壤性質(zhì)、種植體系、氣候條件等因素有關(guān)。因此，有必要針對性地開展系統(tǒng)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(jù)統(tǒng)計，每年原煤產(chǎn)量能達(dá)到全國的1/4以上。隨著時代的發(fā)展，煤炭資源開采在支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也對土地資源和生態(tài)環(huán)境造成了持久而嚴(yán)重的負(fù)面影響[13]。據(jù)統(tǒng)計，山西因煤炭開采而損毀的耕地已超11萬hm2。采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤是被井工開采破壞耕地后而進(jìn)行重構(gòu)的一種土壤類型，其層次和結(jié)構(gòu)均已發(fā)生了明顯的變化，由于重構(gòu)土壤就近取自于采煤塌陷區(qū)周邊黃土質(zhì)生土，其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及微生物類群均處于初期構(gòu)建階段，與一般農(nóng)田土壤有顯著差異。因此，將破壞的土地復(fù)墾和重新利用，是緩解該區(qū)域人地矛盾的關(guān)鍵途徑，甚至可以應(yīng)對中國糧食安全面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[14]。前人針對復(fù)墾土壤有機碳固存機制的研究主要在團(tuán)聚體中有機碳和全氮分布對施肥的響應(yīng)[15-16]，而就驅(qū)動因素及其與作物產(chǎn)量的關(guān)系仍不清楚。因此，本研究以山西省東南部長治市襄垣縣復(fù)墾6 a的土壤為研究對象，分析不同施肥措施下土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(qū)動因子，并探究作物產(chǎn)量與各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量的關(guān)系，以期為深入認(rèn)知復(fù)墾生態(tài)工程和培肥改良措施對土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)量的影響過程和機制提供科學(xué)依據(jù)。

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(zhèn)（36°28′11.95″N，113°00′52.57″E，平均海拔980 m），屬潞安集團(tuán)五陽煤礦井田范圍，煤礦開采導(dǎo)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(chǎn)力嚴(yán)重下降。該區(qū)屬于低山黃土丘陵區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)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(zhì)。試驗開始前0～20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。圖1為研究區(qū)位置示意圖。

表1 2008年耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)

圖1 試驗區(qū)位圖

1.2 試驗設(shè)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(fù)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(jìn)行復(fù)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(jìn)行第6年復(fù)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(fù)墾6a時不同處理下0～20 cm土層的基本性質(zhì)

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(fù)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(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，小區(qū)面積為10 m × 5 m = 50 m2。除了CK處理外，各施肥處理依據(jù)等質(zhì)量養(yǎng)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(huán)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(qū)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(jié)構(gòu)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(fēng)干燥處風(fēng)干，裝入塑封袋中備用。

表3 不同農(nóng)田管理措施下肥料用量

同時，春玉米收獲后，每個小區(qū)用土鉆（高度為20 cm、內(nèi)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(fēng)處自然風(fēng)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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分，具體操作方法如下：首先準(zhǔn)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(fēng)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(zhì)量，冷卻后稱質(zhì)量，即可得到> 2、>0.25～2、0.053～0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體和< 0.053 mm的粉黏粒組分，磨細(xì)過0.15 mm篩裝入塑封袋中用于后續(xù)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(tuán)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(jīng)連續(xù)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(tuán)聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數(shù)和全氮富集系數(shù)計算公式如下：

式中E和E分別代表土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數(shù)和全氮富集系數(shù)；SOCa為土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量，g/kg；TNa為土壤團(tuán)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(tuán)聚體對土壤總有機碳儲量的貢獻(xiàn)率，本文采用如下方法進(jìn)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(qū)動因子，其中1是由團(tuán)聚體中有機碳含量變化所驅(qū)動的土壤有機碳儲量變化，2是由團(tuán)聚體的數(shù)量變化所驅(qū)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(tuán)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(tuán)聚體或粉黏粒組分的數(shù)量所引起的。為生土的團(tuán)聚體分布比例，%；△為各處理下復(fù)墾后引起的團(tuán)聚體分布比例的變化值，%；為各處理下復(fù)墾后團(tuán)聚體中有機碳含量，g/kg；，△為各處理下復(fù)墾后引起的團(tuán)聚體中有機碳含量的變化差值，g/kg。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗結(jié)果采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，不同處理下作物產(chǎn)量、水穩(wěn)性團(tuán)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(jìn)行差異性檢驗。利用Origin 8.1 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥措施下玉米籽粒產(chǎn)量

整個試驗周期（2008—2013年），各處理中玉米籽粒平均產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xù)多年有機無機肥配施有利于作物增產(chǎn)。

表4 連續(xù)6 a復(fù)墾不同施肥措施下玉米籽粒產(chǎn)量

注：不同小寫字母表示同一年份不同處理間達(dá)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(wěn)性團(tuán)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(tuán)聚體分布比例的兩因素方差分析結(jié)果顯示（表5），施肥措施并沒有影響各粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例，而復(fù)墾年限對各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的分布比例產(chǎn)生了顯著影響。隨著復(fù)墾時間的延長，各處理中0.053～0.25 mm團(tuán)聚體和< 0.053 mm組分的分布比例均呈降低的趨勢。復(fù)墾6 a CK處理中> 2 mm團(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(dá)5%顯著水平。為復(fù)墾年限，為施肥處理，×為復(fù)墾年限與施肥處理的交互效應(yīng)。**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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分而言，各粒徑團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體（0.053～0.25 mm）中全氮含量效果最明顯。

2.5 土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分有機碳和全氮富集系數(shù)

長期不同施肥措施在一定程度上影響了各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數(shù)（E值）（表 6）?？傮w看來，大團(tuán)聚體和微團(tuán)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(tuán)聚體。同生土相比，CK處理顯著降低了> 2 mm團(tuán)聚體的E值，達(dá)46.94%。MNPK處理顯著降低了< 0.053 mm組分的E值，達(dá)23.08%。而其余施肥處理對各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)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(dá)5%顯著水平；不同大寫字母表示同一處理不同粒徑間達(dá)5%顯著水平。

長期不同施肥措施對> 2 mm和>0.25～2 mm團(tuán)聚體的全氮富集系數(shù)（E值）產(chǎn)生了顯著影響，而對0.053～0.25 mm團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(wěn)性團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的C/N比（除> 2 mm團(tuán)聚體）（表7）。同生土相比，CK處理顯著提高了>0.25～2 mm團(tuán)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(tuán)聚體的C/N比，達(dá)46.11%。M和MNPK處理均顯著提高了>0.25～2、0.053～0.25 mm團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的有機碳富集系數(shù)和全氮富集系數(shù)

注：不同小寫字母表示同一粒徑不同處理間達(dá)5%顯著水平；不同大寫字母表示同一處理不同粒徑間達(dá)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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分（除> 2 mm團(tuán)聚體外）的C/N比。

表7 不同施肥措施下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的碳氮比

2.7 不同施肥措施下復(fù)墾土壤團(tuán)聚體及粉黏粒組分有機碳儲量的驅(qū)動因子

由圖3可知，經(jīng)過不同的施肥措施管理農(nóng)田后，>2 mm團(tuán)聚體的2值顯著高于1值，而>0.25～2、0.053～0.25 mm團(tuán)聚體和< 0.053 mm組分的2值均顯著低于1值。其中，在> 2 mm團(tuán)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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體中有機碳含量的變化；F2表示團(tuán)聚體數(shù)量的變化。

2.8 不同施肥措施下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系

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

圖4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分中有機碳含量與復(fù)墾第6年作物產(chǎn)量的關(guān)系

3 討 論

3.1 不同施肥措施對復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機碳固存的影響

土壤團(tuán)聚體作為土壤有機質(zhì)儲存的倉庫：表層土壤有機碳90%以上貯存在團(tuán)聚體中，團(tuán)聚體的團(tuán)聚作用對實現(xiàn)農(nóng)田土壤有機碳固存具有重要意義[5]。本研究結(jié)果顯示，不同施肥措施下復(fù)墾土壤各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)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(tuán)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(wěn)定的水平，無明顯變化。此外，大團(tuán)聚體和微團(tuán)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(shù)研究結(jié)果類似[10,19]。他們也發(fā)現(xiàn)，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(wěn)性團(tuán)聚體中有機碳或全氮含量，尤其是> 0.25 mm團(tuán)聚體。不難理解，外源有機質(zhì)的輸入增加了土壤有機質(zhì)含量，有機質(zhì)中的膠結(jié)物質(zhì)與土壤顆粒形成團(tuán)聚體，繼而增加了團(tuán)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(chǎn)量顯著高于生土，且NPK處理對作物增產(chǎn)的效果優(yōu)于CK處理（表4），所以歸還到農(nóng)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(dāng)一部分是來源于本身—有機肥。故施有機肥的處理對團(tuán)聚體中有機碳及全氮含量的提升效果最優(yōu)。曾有研究報道大團(tuán)聚體中有機碳含量與土壤肥力呈正相關(guān)[21]，因此MNPK處理是當(dāng)前復(fù)墾土壤土質(zhì)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(dá)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(xù)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(tuán)聚體層級發(fā)育模型的基礎(chǔ)上提出了土壤有機碳的等級飽和模型，即團(tuán)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(tuán)聚體首先飽和，最大粒徑的團(tuán)聚體最后飽和，最終土壤有機碳庫達(dá)到飽和。各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)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(jié)果一致，可能是因為團(tuán)聚體中有機碳和全氮的“濃縮效應(yīng)”[24]。

前人通過計算元素富集系數(shù)（Element enrich factors,）來比較不同施肥措施下各粒徑團(tuán)聚體及粉黏粒組分中碳氮的分布狀況。當(dāng)> 1時，說明土壤組分富集碳和氮，反之，當(dāng)< 1時，說明土壤組分中這2種元素已損失[25-26]。本研究結(jié)果表明，生土和復(fù)墾土壤中各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)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(tuán)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(qū)域土壤中活性有機碳首先發(fā)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(fù)墾土壤上，自身土壤肥力的限制，再加上外源補充碳不足導(dǎo)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(fā)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(huán)境風(fēng)險增加[27]，有關(guān)這方面的研究有待于后續(xù)開展。

有機肥的輸入為土壤中微生物的活動提供了能量，導(dǎo)致了很強的正激發(fā)效應(yīng)[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(jīng)向團(tuán)聚體中轉(zhuǎn)移?？梢姡狙芯克趨^(qū)域的土壤上，團(tuán)聚體中有機碳和全氮受化學(xué)保護(hù)作用是有限的，而有機碳和全氮主要受團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用。這與多數(shù)人的研究結(jié)果一致[29-31]。邵興芳[29]在黑土旱地的團(tuán)聚體氮礦化研究結(jié)果表明，< 0.053 mm組分中氮礦化量明顯高于各大小粒徑團(tuán)聚體的。楊洪波等[30]也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象：< 0.053 mm組分比大團(tuán)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(tuán)聚體培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，隨著團(tuán)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(fā)生礦化現(xiàn)象。

3.2 不同施肥措施對復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(biāo)，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?zhàn)B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(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的C/N比（除> 2 mm團(tuán)聚體外）（表7），這與蘇慧清等[10]的研究結(jié)果一致。但是不同施肥措施下復(fù)墾土壤各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體及粉黏粒組分的C/N比均低于一般農(nóng)田，這可能是因為礦區(qū)復(fù)墾土壤由于其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及微生物類群均處于初期構(gòu)建階段，培肥時間還較短，與一般農(nóng)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(fù)墾土壤團(tuán)聚體中有機碳固存的驅(qū)動因素

土壤各粒級團(tuán)聚體中有機碳含量是土壤有機物質(zhì)平衡和轉(zhuǎn)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(jié)果顯示，長期復(fù)墾后土壤有機碳儲量增加，是因為表層土壤> 2 mm團(tuán)聚體的數(shù)量增加，其次才依賴于該粒徑團(tuán)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(fù)墾時間的延長，各施肥處理下大團(tuán)聚體的數(shù)量呈增加趨勢。對于>0.25～2 、0.053～0.25 mm團(tuán)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(shù)量。這也潛在說明復(fù)墾過程中團(tuán)聚體中有機碳發(fā)生了再分配過程。王興等[21]的研究也表明，植被恢復(fù)可以加速有機碳從細(xì)顆粒組分向較大粒徑的組分中轉(zhuǎn)移，即有機碳的在分配過程，這種轉(zhuǎn)化主要是由于在植被恢復(fù)過程中加速了細(xì)顆粒組分易于和土壤大團(tuán)聚體結(jié)合，從而使有機碳受到保護(hù)，不易被微生物所分解。

3.4 不同施肥措施對復(fù)墾土壤上作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是農(nóng)田土壤生產(chǎn)力的最直接體現(xiàn)，是農(nóng)田土壤肥力變化的最有力指示物。本研究結(jié)果表明，同生土相比，不同施肥措施均顯著提高了作物產(chǎn)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(jié)果一致，連續(xù)35 a有機無機肥配施顯著提高了小麥和玉米籽粒產(chǎn)量。有機無機肥配施能夠優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，補充和平衡土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力，最終提升作物產(chǎn)量。

本研究結(jié)果還顯示，作物產(chǎn)量隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(chǎn)量之間的關(guān)系最密切，其次是> 2 mm團(tuán)聚體，如前所述，本研究所在區(qū)域的土壤上，團(tuán)聚體對有機碳的物理保護(hù)作用發(fā)揮著主要作用，提升了土壤肥力，進(jìn)而促進(jìn)了作物增產(chǎn)。研究報道土壤有機碳含量與作物產(chǎn)量之間呈線性相關(guān)關(guān)系[35]，說明該區(qū)域土壤有機碳庫還未達(dá)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(xù)向該土壤上補充碳源。關(guān)于復(fù)墾褐土有機碳的飽和點，尚有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 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(chǎn)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(fù)墾土壤各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體（0.053～0.25 mm）中有機碳和全氮效果最明顯。各粒徑團(tuán)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(tuán)聚體對復(fù)墾土壤有機碳儲量提升的貢獻(xiàn)在于其數(shù)量的增加，而>0.25～2、0.053～0.25 mm團(tuán)聚體和< 0.053 mm組分對土壤有機碳儲量提升的貢獻(xiàn)在于其有機碳含量的增加。

4）作物產(chǎn)量隨著復(fù)墾土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(dāng)土壤有機碳含量增加1 g/kg時，作物產(chǎn)量提高2 517 kg/hm2。且以0.053～0.25 mm團(tuán)聚體中有機碳含量與作物產(chǎn)量的關(guān)系最密切。

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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(fù)墾土壤團(tuán)聚體碳氮含量和作物產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(xué)基金（41807102；U1710255-3）、山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目（2019L0363）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金（青年科技創(chuàng)新）項目（2019004）和山西省優(yōu)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(zhì)量提升。Email：caohanbing119@163.com

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

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.017

S157.1

A

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