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.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 l i i ；i ．≤i i ≤i { 莲≤i 慧j j 麓蘩察疆l g i i ≥；￡- ； 攀i 鎏糕瓣蒸骧霸鬟鬻骥；囊 j i 麓j i 麓。蓦j 黧i i 赫i 冀i i j 纂i ≤麓；i i 赣i x 警 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 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0 3 0 8 0 1 ；2 ．土壤环境与养分资源山西省重点实验室，山西太原0 3 0 0 3 1 摘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、提升土壤肥力提供科学依据。通过 采集复垦6a 定位试验不同施肥处理0 2 0a m 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 c P O C 、细颗粒有机碳 f P O C 、大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳 i P O C 以及矿质结合态有机碳 M O C 组分 的变化特征及其与土壤有机碳之间的关系。试验包 括不施肥 C K 、施化肥 N P K 、单施有机肥 M 以及有机无机肥配施 M N P K 4 个处理。研究结 果表明，同C K 相比，施N P K 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M O C 含量，达3 6 ．4 5 ％；M N P K 处理显著提高了c P O C 和f P O C 含量，分别是C K 的4 倍和2 倍， 但是显著降低了M O C 含量，达3 9 0 l ％。4 个组分中，仅有c P O C 和f P O C 含量与S O C 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。C K ，N P K ，M 和M N P K 处理下 土壤固碳速率分别为0 ．8 2 ，0 6 8 ，1 ．3 6 和1 ．5 8m s ／ h a a 。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 ．5 8 ，P M O C 处理 ．、 f P O C ．‘10．05302 5m i l l00 5 3m i l l00 5 3m ’m ．．1 C K N P K M M N P K 6 ．9 5 0 ．6 0 b 2 ．6 7 0 ．3 l b1 0 ．5 2 0 ．5 6 a7 9 ．8 7 5 ．4 0 a 8 ．1 2 1 ．1 0 b 2 ．6 7 O ．5 0 b1 2 ．8 0 2 ．9 8 a 7 6 ．4 1 3 ．1 9 a b 1 3 ．3 8 0 ．2 5 a5 ．3 3 O ．9 9 a1 3 ．8 1 2 ．1 2 a6 7 ．4 8 2 ．6 9 b c 1 3 ．5 7 2 ．4 9 a5 ．4 0 0 ．0 0 a1 5 ．5 4 士4 ．7 4 a 6 5 ．4 9 7 ．0 8 c 注c P O C 为未受保护的粗颗粒有机碳；f P O C 为未受保护的细颗 粒有机碳；i P O C 为受物理保护的大团聚体中微团聚体内颗粒有机 碳；M O C 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 e _ 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 ．0 5 。 分的分布比例，均是C K 的2 倍。但是这2 个处理均 显著降低了M O C 组分的分布比例，分别降低了 1 5 ．5 1 ％和1 8 ．0 0 ％。 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 f P O C 组分最多，其次是e P O C 或M O C 组分，而i P O C 组分最少 图6 。 同C K 相比，所有施肥处理对大团聚体中i P O C 含量没有显著影响。此外，施N P K 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M O C 含量，降低了3 6 ．4 5 ％。M N P K 处理显著提 高了c P O C 和f P O C 含量，分别约为C K 处理的4 倍和 2 倍，但是显著降低了M O C 含量，降低了3 9 ．0 1 ％ 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 。 C KN P KMM N P K 处理 图6 不同施肥模式下大团聚体中各组分有机碳含量 F i g ．6 O Cc o n t e n tw i t h i nm a e r o a g g r e g a t ef r a c t i o nu n d e rd i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o nr e g i m e s 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 c P O C 和细颗粒有机碳 组分 f P O C 的有机碳含量与S O C 含量呈显著正相 关 P 0 ．0 1 图7 ，一表示P 0 ．0 5 ，其中，c P O C 组分的方程斜率是1 ．0 6 ，f P O C 组分的回归方程斜率 是1 ．2 7 ，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。 2 ．6 矿区复垦土壤固碳速率与年均碳投入量的关系 复垦6a 后，各处理下S O C 均表现为明显累积， 且以M N P K 处理的固碳速率最高 1 ．5 8m e , ／ h a a ，其次是M 处理 1 ．3 6m g ／ h a a ，C K 处 理 O ．8 2m g ／ h a a ，而N P K 处理的固碳速率最 低 0 ．6 8m g ／ h a 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 6 4 2 O 一堂．∞／捌如谨暴忙 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 土壤有机碳含量， g k g1 oc P O C y 1 ．0 6 x - 5 ．7 5 ， R 2 - - 0 ．7 5 ”．P 0 ．0 l f P O C y 1 ．2 7 】r 5 ．9 4 ． R 2 0 ．7 1 ． ’P 0 ．0 1 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 F i g ．7R e l a t i o n s h i pb e t w e e nS O Cc o n c e n t r a t i o ni nt h eb u l ks o i l a n dO Cc o n t e n t sw i t h i nm a e r o a g g r e g a t ef r a c t i o n su n d e r d i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o nr e g i m e s 0 ．0 1 ，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 ．3 1x 0 ．6 8 ，其中斜率表示投人碳在土壤中的转化 效率，说明连续复垦6a ，约有3 1 ％的投入碳固存于 土壤中 图8 ，一表示P 0 ．0 5 。 ， 含 ● 呈 一 ● b D g 料 嘲 崔 囤 图8 长期不同施肥下年均碳投入量与固碳速率的关系 F i g ．8R e l a t i o n s h i pb e t w e e na n n u a lc a r b o ni n p u ta n dS O C s e q u e s t r a t i o nr a t eu n d e rd i f f e r e n tf e r t i l i z a t i o nr e g i m e s 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c P O C 和f P O C 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mJ 。本研究结果显示，同不施 肥 C K 相比，施化肥 N P K 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 M N P K 显著提高了这2 个组分的有 机碳含量 图6 。这与T I A N 等旧引和Y A N G 等∞叫的 研究结果一致，他们也发现施化肥 N P K 并没有对 潮土和红壤中c P O C 组分的有机碳含量产生促进作 用，但是有机无机肥配施 M N P K 显著提高了该组分 的有机碳含量。与本研究中f P O C 含量对施肥的响 应结果一致，Y A N G 等旧驯报道，连续3 4a 施N P K 对 红壤水田中f P O C 含量无显著影响。H E 等纠在黑 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f P O C 含量，但是他们发现N P K 处理显著 提高了各土壤中f P O C 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，M N P K 处理 对c P O C 和f P O C 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 ， c P O C f P O C 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X U 等嵋副 2 0 1 6 报道的c P O C 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c P O C 组分是从大团聚体中提取得到的，而X U 等 2 0 1 6 是从原土中获取的。 S I X 等认为受物理保护的i P O C 组分是通过闭蓄 作用来阻止微生物分解土壤有机碳引。本研究结果 显示，施肥较C K 并没有显著提高i P O C 含量 图6 。 这与X U 等旧列的研究结果一致，他们发现连续2 5a 单施氮肥 N 、低量有机肥配施化肥 M ，N ，P ， 和中 量有机肥配施化肥 M N 均对i P O C 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i P O C 含量3 | 。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 M O C 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6 | ，它的性质类似于土壤惰性 有机碳。本研究结果表明，施化肥 N P K 对M O C 含 量无显著影响，而施有机肥 M 和M N P K 均显著降 ，m 艮∞ 慨～ 一一 价笛 m Mc协幡．。胁呲笥篙篙 万方数据 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 低了M O C 含量 图6 。H E 等纠 2 0 1 5 在黑土、潮 土和红壤上也报道，长期施化肥较C K 并没有显著提 高M O C 含量。W A N G 等∞川 2 0 1 7 在黄壤性水稻土 上研究发现，长期有机无机肥配施降低了M O C 含量。 这是因为矿质结合态有机碳主要以腐殖质的形式存 在引，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M O C 组分的分布比例 表 3 ，另一方面增加了土壤的真菌数量∞2 | ，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S O C 含量与M O C 含量之间的关系分 析，M O C 含量随着S O C 含量的增加而降低 图7 ，说 明M O C 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∞4 | 。因 此，M O C 组分对施肥措施的响应主要取决于初 始S O C 水平以及粉黏粒含量。G U L D E 等∞纠研究不 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C K 相比，施化肥 N P K 显 著降低了S O C 含量，而M 以及M N P K 均显著提高 了S O C 含量 图4 。这与W A N G 等口钊的研究结果 一致，他们发现M 或者M N P K 处理均能显著提 高S O C 含量，但是N P K 处理也能显著提高S O C 含 量。这是因为施有机肥不