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、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]。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]。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]。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。
土壤有机碳受多种因素的影响，诸如施肥措施、耕作措施、种植历史等，且以施肥对它的影响最深刻。研究报道，长期施有机肥显著提高了SOC含量[6-8]。LI等[6]报道连续26 a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%。然而就长期施化肥对SOC含量的影响存在争议。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。
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、颗粒有机碳、轻组有机碳、易氧化有机碳。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。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]、颗粒有机碳含量、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、独立的[16]。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)、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。YAO等[19]报道，iPOC和MOC对黑垆土有机碳固存共同起作用。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。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。还有研究表明，cPOC组分是黑土有机碳固存的主要形式[23]。由此可见，不同类型的土壤上研究结果之间存在差异，这可能与土壤本身的性质、施肥年限、作物种植体系等因素有关。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。
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ha。矿区土地复垦是我省、乃至我国实现耕地总量动态平衡、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、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。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。因此，笔者以复垦6 a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。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于山西襄垣县(N 36.47°，E 113.01°，平均海拔980 m)(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9.5 ℃，年均降水量532.8 mm。供试土壤为石灰性褐土，黄土母质。试验开始前0～20 cm土层SOC含量为4.20 g/kg,全氮(N)为0.50 g/kg，有效磷(Olsen-P)为2.01 mg/kg，速效钾(K)为106.85 mg/kg(1.0 mol/L醋酸铵浸提)，土壤密度为1.49 g/cm3。
1.2 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。每公顷播种60 000株。每年5月左右播种，10月左右收获，玉米秸秆全部还田。从2013年开始进行第6年复垦，不同处理下0～20 cm土层土壤的基本理化性状见表1。
图1 长期定位试验地理位置
Fig.1 Geographical of location of the long-term experiment
表1 不同处理下0～20 cm土层土壤的基本理化性状
Table 1 Physical-chemical properties at 0-20 cm soil layer under different fertilization regimes
处理pH有机质含量/(g·kg-1)全氮含量/(g·kg-1)有效磷含量/(mg·kg-1)速效钾含量/(mg·kg-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)8.2715.211.0880.53294.10
试验共设7个处理，分别是不施肥、施化肥、单施有机肥、有机无机肥配施、化肥配施菌肥、有机肥配施菌肥、有机无机肥配施菌肥(图2)。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)。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%。每个处理设置3次重复，采用完全随机排列。小区面积为10 m×5 m=50 m2。各施肥处理的总养分投入量相同，具体施肥量见表2。
CK1MNPK1MNPKB1NPK1NPKB1M1MB1MNPK2MNPKB2CK2NPKB2NPK2MB2M2MNPKB3MNPK3CK3NPKB3NPK3MB3M3
图2 不同处理的示意 Fig.2 Schematic diagram of different fertilization regimes
表2 不同处理的肥料用量
Table 2 Rates 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CK0000NPK201.5184.898.40M00012 000MNPK100.892.449.26 000
1.3 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10 cm、直径为10 cm)采集0～20 cm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。带回实验室后，沿土壤结构小心地掰成< 1 cm的土块，剔除动植物残体及石块，过8 mm筛后，于通风干燥处风干，装入塑封袋中备用。
同时，春玉米收获后，每个小区用土钻(高度为20 cm、内径约为2.5 cm)采集0～20 cm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、根系等杂物，研磨后过0.15 mm筛，保存在塑封袋中测定SOC含量。
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。
图3 物理分组流程
Fig.3 Physical fractionation scheme
1.4 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 MACRO cube元素分析仪(德国哈瑙)测定。
1.5 计算方法
土壤有机碳储量:
SOCstorage=10SOCDH
(1)
固碳量:
ΔSOCstorage=SOCstorage-6-SOCstorage-0
(2)
固碳速率:
SOCSR=ΔSOCstorage/6
(3)
其中，SOC为0～20 cm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0.20 m。SOCstorage-6和SOCstorage-0分别是复垦6 a和试验初期的土壤有机碳储量。
本试验条件下，土壤有机碳投入(Cinput)主要来源于2部分:一部分是有机肥(Cinput-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、残茬输入到土壤的有机碳(Cinput-crop)。两部分之和为土壤有机碳投入量。玉米整个植株碳含量按0.407 4 g/g进行计算。每年以作物残茬形式投入到土壤中的碳含量计算公式为
Cinput=(YBRDr+YSRS)×0.407 4
(4)
式中，YB和YS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];Dr为0～20 cm根系占地下部的比例，为85.1%[28];RS为留茬占秸秆的比例，按3%进行估算。
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。
1.6 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。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。
2 结果与分析
2.1 不同施肥模式下复垦土壤有机碳含量
连续6 a不同施肥处理后，施化肥(NPK)处理下SOC含量最低，为6.21 g/kg，有机无机肥配施(MNPK)处理下SOC含量最高，达8.82 g/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)。
图4 不同施肥模式下土壤有机碳含量
Fig.4 Soil organic carbon (SOC) concentration in the bulk soil under different fertilization regimes
2.2 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0.41～2.71 mg/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)。每年通过玉米根茬还田到土壤中的有机碳量为0.41～0.92 mg/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。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%。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)。
图5 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.5 Annual carbon input from maize roots and manure under different fertilization regimes
2.3 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
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)。
同CK相比，所有施肥处理均对iPOC组分无显著影响。NPK处理没有对各组分的分布比例产生显著影响。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组分的分布比例，均是CK的2倍。但是这2个处理均显著降低了MOC组分的分布比例，分别降低了15.51%和18.00%。
表3 不同施肥模式下大团聚体中各有机碳组分的 分布比例
Table 3 Distribution of macroaggregate fractions in soil separated by physical fractionation under different fertilization regimes %
处理cPOC(>0.25 mm)fPOCiPOC(>0.053 mm)MOC(<0.053 mm)CK6.95±0.60b2.67±0.31b10.52±0.56a79.87±5.40aNPK8.12±1.10b2.67±0.50b12.80±2.98a76.41±3.19abM13.38±0.25a5.33±0.99a13.81±2.12a67.48±2.69bcMNPK13.57±2.49a5.40±0.00a15.54±4.74a65.49±7.08c
注:cPOC为未受保护的粗颗粒有机碳;fPOC为未受保护的细颗粒有机碳;iPOC为受物理保护的大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳;MOC为受化学或生物化学保护的矿质结合态有机碳，是由s+c_m和s+c_f混合而成，下同。同列数据后不同小写字母代表相同组分中不同处理间差异显著(P < 0.05)。
2.4 不同施肥模式下复垦土壤大团聚体中各组分有机碳含量
不同处理下大团聚体中各组分有机碳含量以fPOC组分最多，其次是cPOC或MOC组分，而iPOC组分最少(图6)。
同CK相比，所有施肥处理对大团聚体中iPOC含量没有显著影响。此外，施NPK对大团聚体中各组分的有机碳含量亦无显著影响。M处理显著降低了MOC含量，降低了36.45%。MNPK处理显著提高了cPOC和fPOC含量，分别约为CK处理的4倍和2倍，但是显著降低了MOC含量，降低了39.01%(图5，柱上不同小写字母代表各处理间大团聚体中相同组分的有机碳含量在5%水平差异显著)。
图6 不同施肥模式下大团聚体中各组分有机碳含量
Fig.6 OC content within macroaggregate fraction under different fertilization regimes
2.5 大团聚体中各组分有机碳含量与土壤有机碳含量的关系
线性回归显示大团聚体中各有机碳组分，仅有未受保护的粗颗粒有机碳组分(cPOC)和细颗粒有机碳组分(fPOC)的有机碳含量与SOC含量呈显著正相关(P < 0.01)(图7，**表示P < 0.05)，其中，cPOC组分的方程斜率是1.06，fPOC组分的回归方程斜率是1.27，表明矿区复垦土壤有机碳主要固存于未受保护的有机碳组分中。
图7 不同施肥模式下土壤有机碳含量与大团聚体中各组分 有机碳含量的关系
Fig.7 Relationship between SOC concentration in the bulk soil and OC contents within macroaggregate fractions under different fertilization regimes
2.6 矿区复垦土壤固碳速率与年均碳投入量的关系
复垦6 a后，各处理下SOC均表现为明显累积，且以MNPK处理的固碳速率最高(1.58 mg/(ha·a))，其次是M处理(1.36 mg/(ha·a))，CK处理(0.82 mg/(ha·a))，而NPK处理的固碳速率最低(0.68 mg/(ha·a))(图7)。相关分析表明，矿区复垦土壤固碳速率与年均碳投入量呈正相关(P < 0.01)，即土壤固碳速率随着有机碳投入量的增加呈上升趋势，说明供试土壤仍具有一定的固碳潜力。土壤有机碳固存速率与年均碳投入量的关系方程为y=0.31 x+0.68，其中斜率表示投入碳在土壤中的转化效率，说明连续复垦6 a，约有31%的投入碳固存于土壤中(图8，**表示P<0.05)。
图8 长期不同施肥下年均碳投入量与固碳速率的关系
Fig.8 Relationship between annual carbon input and SOC sequestration rate under different fertilization regimes
3 讨 论
3.1 施肥措施对大团聚体中各组分有机碳固存的影响
团聚体中cPOC和fPOC组分构成了未受保护的有机碳库，它们是由植物残茬和真菌菌丝、孢子组成的，极易被微生物分解，属于高活性有机碳，对农田管理措施反映敏感[17]。本研究结果显示，同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)和单施有机肥(M)处理对这2个组分的有机碳含量无显著影响，但是有机无机肥配施处理(MNPK)显著提高了这2个组分的有机碳含量(图6)。这与TIAN等[29]和YANG等[30]的研究结果一致，他们也发现施化肥(NPK)并没有对潮土和红壤中cPOC组分的有机碳含量产生促进作用，但是有机无机肥配施(MNPK)显著提高了该组分的有机碳含量。与本研究中fPOC含量对施肥的响应结果一致，YANG等[30]报道，连续34 a施NPK对红壤水田中fPOC含量无显著影响。HE等[13]在黑土、潮土和红壤上均发现，连续多年有机无机肥配施显著提高了fPOC含量，但是他们发现NPK处理显著提高了各土壤中fPOC含量。这可能与土壤性质、气候条件、种植体系、施肥历史等因素有关。以上结果表明有机碳投入水平越高越有利于未受保护的组分中有机碳含量的累积，而施化肥或者单施有机肥还不能为这些组分补充足够的有机碳。另外，MNPK处理对cPOC和fPOC这2个组分的有机碳含量具有明显的促进作用(图6)，且结合土壤有机碳含量与大团聚体中各组分有机碳含量之间的关系分析(图7)，cPOC+fPOC组分是本研究所在区域的土壤上主要的固存形式，即长期有机无机肥配施首先显著提高了复垦土壤大团聚体中未受保护的组分中有机碳含量。与XU等[23](2016)报道的cPOC组分是黑土有机碳主要的固存形式不同。这种差异可能是因为本研究中cPOC组分是从大团聚体中提取得到的，而XU等(2016)是从原土中获取的。
SIX等认为受物理保护的iPOC组分是通过闭蓄作用来阻止微生物分解土壤有机碳[16]。本研究结果显示，施肥较CK并没有显著提高iPOC含量(图6)。这与XU等[23]的研究结果一致，他们发现连续25 a单施氮肥(N)、低量有机肥配施化肥(M1N1P1)和中量有机肥配施化肥(M2N2)均对iPOC含量无显著影响。但是也有研究报道，施化肥或者有机肥能够显著提高iPOC含量[13]。可能是因为施化肥为微生物提供了有效氮源，施有机肥为微生物的生长补充了能量物质，这些因素均显著促进了土壤微生物的活动，进而加强了受物理保护有机碳的分解，使其矿化损失量大于农田归还量。再加上本研究中，玉米生长时期正值夏季，高温多雨，加速了土壤有机碳的矿化，所以受物理保护的有机碳含量受施肥的影响较小。
受化学或生物化学保护的矿质结合态有机碳组分(MOC)主要受复杂的生化反应或者有机质本身所固有的自然属性影响[16]，它的性质类似于土壤惰性有机碳。本研究结果表明，施化肥(NPK)对MOC含量无显著影响，而施有机肥(M和MNPK)均显著降低了MOC含量(图6)。HE等[13](2015)在黑土、潮土和红壤上也报道，长期施化肥较CK并没有显著提高MOC含量。WANG等[31](2017)在黄壤性水稻土上研究发现，长期有机无机肥配施降低了MOC含量。这是因为矿质结合态有机碳主要以腐殖质的形式存在[13]，而化肥投入的有机碳经微生物分解合成后的腐殖质还不足以显著提高矿质结合态有机碳含量。施有机肥一方面降低了MOC组分的分布比例(表3)，另一方面增加了土壤的真菌数量[32]，促使土壤粉黏粒向团聚体颗粒的转化[33]，且由微生物代谢分泌物所增加的矿质结合态有机碳含量小于矿质结合态有机碳向大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳转移的含量，最终使受化学或生物化学保护的有机碳含量减少。此外，结合SOC含量与MOC含量之间的关系分析，MOC含量随着SOC含量的增加而降低(图7)，说明MOC组分已经达到饱和水平。前人研究报道粉黏粒组分中有机碳含量是有限的，而且惰性碳库对土壤有机碳的保护能力与粉粘粒的含量紧密相关[34]。因此，MOC组分对施肥措施的响应主要取决于初始SOC水平以及粉黏粒含量。GULDE等[35]研究不同有机肥用量对土壤中各团聚体组分有机碳含量的影响，曾发现有机碳首先在稳定组分中达到饱和，继而才向不稳定的组分中转移。
3.2 施肥措施对土壤有机碳固存的影响
土壤有机碳固存受多种因素的影响，如施肥措施、耕作措施、种植体系等，且以施肥对它影响最深刻。本研究结果显示，同CK相比，施化肥(NPK)显著降低了SOC含量，而M以及MNPK均显著提高了SOC含量(图4)。这与WANG等[36]的研究结果一致，他们发现M或者MNPK处理均能显著提高SOC含量，但是NPK处理也能显著提高SOC含量。这是因为施有机肥不仅可以直接为土壤提供充足的碳源，还可以间接地通过提高作物产量来增加残茬还田量(图5)。而造成施化肥对SOC含量影响不一致的原因主要是因为本试验条件下氮、磷、钾养分投入量较低，虽然施化肥可以提高作物残茬还田量(图5)，但是与此同时也改善了土壤的养分条件，增强了微生物活性，加速了SOC的矿化分解，有机碳矿化量大于作物残茬归还量。
本研究结果表明，土壤固碳速率随着有机碳投入量的增加而增大(图8)，说明土壤有机碳库仍未饱和，还有一定的固碳潜力。这与WANG等[36]和ZHANG等[1]的研究结果一致。他们在潮土和红黄壤上研究发现，土壤固碳速率与有机碳投入量呈显著正相关关系。但是也有研究报道，土壤固碳速率并没有随着有机碳投入量的增加而增加，两者之间呈对数关系[16,35,37]，即土壤有机碳出现了饱和现象。造成这些研究结果之间的差异不仅与土壤有机碳初始值有关，还与有机碳投入量的范围有关。一方面，土壤有机碳初始值越低，土壤所表现出来的固碳能力越强[38]。另一方面，当有机碳投入量的范围较小时，土壤仍有空间固存有机碳;而当有机碳投入量范围较大时，土壤有机碳便会出现饱和现象。本研究中复垦土壤由于其物理结构、化学性质以及微生物类群均处于初期构建阶段，在复垦过程中是将表层土壤与底层土壤混合整平，甚至重新堆垫，造成土壤肥力低下，相比于其他农田土壤，复垦土壤有机碳的初始水平较低。施肥，尤其是施加有机肥能够明显增加土壤有机碳投入(图5)，但是各处理下有机碳投入量的变幅范围在0.4～2.7 mg/(ha·a)，而ZHANG等[37]在红壤上研究发现各处理下有机碳投入量的变幅范围约为2.2～8.3 mg/(ha·a)(以南昌为例)，变幅范围大于本试验。本研究还显示，投入碳在土壤中的转化率为31%(图8)，该值与Zhang等[27]的研究结果相似，他们报道在我国北方地区投入碳在农田土壤上的转化率为15.8%～31.0%。但是该值显著高于ZHAO等[38]在紫色土上的研究结果(19%)，这主要是因为上述研究中的试验区域位于亚热带，土壤固碳效率低于本区域(温带地区)，再加上频繁的水旱轮作、季节性的干湿交替也加速了土壤有机碳的矿化速率。
4 结 论
(1)同不施肥(CK)相比，施化肥(NPK)显著降低了采煤塌陷区复垦土壤有机碳含量，虽然该处理下年均碳投入量显著提高。而单施有机肥(M)以及有机无机肥配施(MNPK)均显著提高了土壤有机碳含量和年均碳投入量。
(2)施化肥对大团聚体中各组分有机碳含量无显著影响。单施有机肥降低了矿质结合态有机碳组分(MOC)中有机碳含量。有机无机肥配施显著提高了粗颗粒有机碳组分(cPOC)和细颗粒有机碳组分(fPOC)中有机碳含量，却显著降低了MOC含量。未受保护的有机碳组分(cPOC+fPOC)与SOC含量之间呈显著正相关，说明复垦土壤有机碳首先累积在未受保护的有机碳组分中。
(3)土壤固碳速率与年均碳投入量之间呈显著正相关关系，说明土壤仍有潜力固存有机碳，且每年有31%的投入碳转化到土壤中。
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