張云龍, 郜春花, 劉 靚, 靳東升, 盧晉晶, 李建華**

礦區(qū)復墾土壤碳組分對外源碳輸入的響應特征*

張云龍1, 郜春花2, 劉 靚1, 靳東升2, 盧晉晶2, 李建華2**

(1. 山西大學生物工程學院 太原 030006; 2. 山西農(nóng)業(yè)大學(山西省農(nóng)業(yè)科學院)農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 太原 030006 )

研究外源碳輸入對復墾土壤有機碳及組分的影響, 對于深入探究礦區(qū)復墾土壤有機碳提升及培肥管理具有重要意義。本文依托山西省襄垣縣采煤沉陷復墾區(qū)的長期定位試驗, 研究了礦區(qū)復墾土壤碳組分對不同外源碳(生物炭、堆肥、沼渣、牛糞與秸稈)輸入的響應特征。分別在2011年與2016年對礦區(qū)復墾土壤樣品進行采集, 測定0~20 cm土層土壤有機碳、易氧化有機碳、活性碳庫Ⅰ、Ⅱ的含量。結果表明, 生物炭處理的土壤有機碳增長率和年變化量較對照(CK, 無外源碳添加)分別增加101.80%和0.56 g?kg–1?a–1, 且均顯著高于其他有機物料處理; 生物炭、牛糞處理土壤0~20 cm土層固碳量較CK分別提高100.52%和91.52%, 二者間差異不顯著, 均顯著高于其他有機物料處理, 堆肥、沼渣和秸稈處理間對土壤固碳量的提升作用不顯著。添加有機物料均能顯著增加復墾土壤易氧化有機碳的增長率和年變化量, 均表現(xiàn)為堆肥處理最高, 較CK分別增加12.37%和0.16 g?kg–1?a–1。復墾土壤活性碳庫Ⅰ、Ⅱ的增長率和年變化量均為牛糞處理顯著高于其他有機物料處理。有機物料添加均能提高土壤穩(wěn)定性有機碳含量, 與CK相比, 生物炭和牛糞處理的提高幅度最大, 顯著高于其他有機物料, 而牛糞與生物碳之間差異不顯著。生物炭處理碳庫管理指數(shù)最高, 分別較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理提高36.30%、52.23%、41.50%、52.02%。施用生物炭、堆肥、沼渣、牛糞與秸稈都能顯著提升復墾土壤各碳組分含量和碳庫管理指數(shù), 施用生物炭的效果最優(yōu), 因此施用生物炭可作為礦區(qū)復墾土壤有機碳提升的有效管理措施。

復墾土壤; 有機物料; 有機碳; 碳組分; 碳庫管理指數(shù)

山西是我國的煤炭大省之一, 長期的煤炭開采在促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的同時也對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和土地資源造成了極大的破壞[1]。長期的井工開采造成土地大面積沉陷, 土壤肥力降低, 土地生產(chǎn)力下降。礦區(qū)復墾土壤, 具有有機質(碳)含量低、結構性差、微生物多樣性低等缺點[2]。隨著人口增加與土地資源緊缺的矛盾日益突出[3], 礦區(qū)復墾土壤改良利用, 已成為當前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待研究和解決的重要問題。

有機碳參與土壤微生物活動和養(yǎng)分循環(huán), 與土壤理化性質、作物產(chǎn)量關系密切, 是評價土壤肥力特性的重要指標[4]。礦區(qū)復墾土壤中有機碳的積累, 有利于復墾后土壤結構的改善和肥力的提升, 同時也對周邊生態(tài)功能的恢復起到了積極作用[5]。土壤總有機碳是有機物質礦化、分解和合成的平衡結果, 有機碳總量并不能很好地反映土壤質量的變化, 各碳組分對管理措施的變化反應各異。一些活性碳組分能夠對管理措施和周圍環(huán)境變化做出迅速反應, 及時反映復墾土壤質量的變化[6]。有機碳組分可按提取方法, 分為物理組分、化學組分和生物組分有機碳, 也可以按照活性分為: 1)活性組分有機碳, 如易氧化有機碳(KMnO4-C)、酸水解有機碳(LC)和微生物量碳(MBC)等, 它們對環(huán)境變化響應快速[7]; 2)穩(wěn)定性組分有機碳, 這部分不易被微生物利用, 周轉速度慢, 有利于土壤固碳[8-9]。

大量研究表明, 施用有機物料可以增強礦區(qū)復墾土壤保水保肥的能力, 維持土地生產(chǎn)力; 增加復墾土壤有機碳和養(yǎng)分的含量, 改善復墾土壤的理化性質, 為復墾土壤種植作物提供豐富的營養(yǎng)物質, 肥力持久有效[10]。趙紅等[11]研究表明有機物料的添加對土壤有機碳、活性有機碳等均有顯著影響。侯曉娜等[12]研究表明生物炭處理能夠提高土壤及不同粒級團聚體的有機碳含量, 改善土壤性狀。戚瑞敏等[13]研究表明添加牛糞提高了長期不同施肥潮土有機碳、微生物量碳、顆粒有機碳和易氧化有機碳含量, 卻顯著降低了可溶性有機碳含量。黎嘉成等[14]研究表明秸稈處理能夠有效促進微生物生存和繁衍, 同時也可以利用轉化活性碳, 不僅可以提高土壤有機碳的活性, 對于土壤生物肥力的改善也有益處。但目前有關不同有機物料對礦區(qū)復墾土壤質量改良的研究還少有報道。

本文以山西省襄垣縣采煤沉陷復墾區(qū)的長期定位試驗為依托, 研究了不同有機物料添加對復墾土壤有機碳增長、有機碳組分變化的影響, 揭示了礦區(qū)復墾土壤碳組分對外源碳輸入的響應特征, 為礦區(qū)復墾土壤改良及有機物料合理資源化利用提供科學依據(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西山底村試驗基地(112°42′E, 36°23′N), 地處山西省東南部, 平均海拔1 000 m左右, 屬于溫帶大陸性季風氣候, 年平均氣溫8~9 ℃, 四季分明, 年均降雨量550 mm, 主要集中在7、8、9月份, 全年無霜期166 d左右, 最短118 d, 最長195 d[15]。試驗基地屬于潞安集團五陽煤礦井田范圍, 由于煤礦井工開采導致農(nóng)田沉陷, 地表呈馬鞍狀, 最大落差達4~5 m, 鞍狀峰距達150~180 m, 塌陷導致試驗區(qū)水系斷裂, 使水澆地變成了旱薄地, 土地生產(chǎn)力嚴重下降。

1.2 試驗設計

試驗于2011年采用混推復墾的方式進行土地平整, 即使用廈工50型挖土機對塌陷農(nóng)田采用挖高墊低的方式進行土地平整、壓實, 使坡度不超過2%。然后進行不同有機物料的培肥試驗。在試驗初期(土地平整后)采集土壤基礎樣品, 測定土壤基本理化性質。0~20 cm土層含有機質5.72g?kg–1、全氮0.60 g?kg–1、有效磷10.77 mg?kg–1、速效鉀135.00 mg?kg–1、有機碳3.32 g?kg–1、易氧化有機碳0.46 g?kg–1、活性碳庫Ⅰ1.28 g?kg–1、活性碳庫Ⅱ0.54 g?kg–1。

試驗采用隨機區(qū)組設計, 設5種有機物料(生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈), 以不添加有機物料處理為空白對照(CK), 共6個處理, 每個處理設置3次重復, 共18個小區(qū), 每個小區(qū)面積30 m2。種植作物為玉米(), 品種為‘先玉335’, 一年1熟制。每年秋收后秸稈全部移出, 將5種有機物料以等碳量[2.7 t(C)?hm–2]施入耕作層(0~30 cm)(表1)。供試生物炭由小麥()秸稈、花生()殼(500 ℃、6 h)制備; 秸稈為玉米秸稈。

表1 供試有機物料有機碳含量和用量

1.3 樣品采集

2016年玉米收獲后采集土壤樣品, 每個小區(qū)選取3個點分別采集0~20 cm的土壤, 同一采集區(qū)間的土壤混勻裝袋, 風干后過2 mm篩。測定土壤有機碳、易氧化有機碳、活性碳庫I和活性碳庫Ⅱ的含量。

1.4 樣品測定及相關指數(shù)計算

1.4.1 土壤養(yǎng)分含量測定

有機質采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定, 土壤全氮采用凱氏定氮法測定, 有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉑銻抗比色法測定, 速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定, 其他測定均參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》的測定方法[16]。

1.4.2 土壤有機碳含量測定

土壤總有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

1.4.3 易氧化有機碳含量測定

采用KMnO4氧化法測定易氧化有機碳[17]。稱取1.5 g過0.15 mm篩的風干土樣于50 mL離心管中, 加入333 mmol?L–1KMnO4溶液25 mL, 在25 ℃條件下振蕩1 h, 離心10 min (2 000 r×min-1), 取上清液用去離子水按1∶250稀釋, 然后將稀釋液在波長為565 nm的紫外分光光度計上比色, 根據(jù)與不加土樣的吸光率之差計算KMnO4濃度的變化, 進而計算氧化的碳量, 即活性有機碳量(LOC)。

碳庫管理指數(shù)計算公式[18]為:

CMI＝CPI×LI×100 (1)

CPI＝SOC/SOC0(2)

LI＝/0(3)

＝LOC/NLOC (4)

NLOC=SOC–LOC (5)

式中: CMI為碳庫管理指數(shù), CPI為碳庫指數(shù), SOC為有機碳含量(g?kg–1), SOC0為CK有機碳含量(g?kg–1), LI為活度指數(shù),為碳庫活度,0為CK碳庫活度, LOC為高錳酸鉀氧化法測定的活性有機碳, NLOC為非活性有機碳。

1.4.4 活性碳庫Ⅰ和活性碳庫Ⅱ的測定方法

采用硫酸水解法[19]測定活性碳活性碳庫Ⅰ和活性碳庫Ⅱ:

1)稱1.00 g左右過0.15 mm篩的土樣放入消煮管內, 加20 mL 2.5 mol?L–1H2SO4, 加蓋搖勻, 放入水浴鍋100 ℃水浴煮45 min。取出稍微冷卻, 離心5 min (10 000 r×min-1), 將水解液倒入三角瓶中。離心管內再加入20 mL蒸餾水繼續(xù)離心, 將兩次的水解液混合在一起, 重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定, 計算所得有機碳即為活性碳庫I(LCI)。

2)離心管中的剩余物在烘箱內60 ℃烘干, 加2 mL 13 mol?L–1H2SO4振蕩過夜, 加24mL蒸餾水將酸稀釋為1 mol?L–1。在105 ℃下加熱3 h, 取出離心5 min (10 000 r×min-1), 水解液倒出。離心管內再加24 mL蒸餾水繼續(xù)離心, 將兩次的水解液合在一起, 重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定, 計算所得有機碳即為活性碳庫Ⅱ(LCⅡ)。

穩(wěn)定性有機碳計算公式為:

RC＝SOC–LCI–LCⅡ (6)

式中: SOC為有機碳含量(g?kg–1), LCI為活性碳庫I含量(g?kg–1), LCⅡ為活性碳庫Ⅱ含量(g?kg–1), RC為穩(wěn)定性有機碳(g?kg–1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

有機碳、易氧化有機碳、活性碳庫I和活性碳庫Ⅱ增長率(rate)與年變化量(speed)計算公式為:

rate＝(2016–2011)/2011×100 (7)

Cspeed＝(2016–2011)/(8)

式中:2011、2016分別為2011年和2016年土壤有機碳或碳組分的碳含量(g?kg–1),為有機物料施用年限6年(a),rate為土壤有機碳或碳組分的增長率(%),speed為土壤有機碳或碳組分的年變化量(g?kg–1?a–1)。

固碳量計算公式為:

SOC×γ×H/10 (9)

式中:SOC為有機碳含量(g?kg–1),為容重(g?cm–3),H為厚度(cm),為固碳量[t(C)?hm–2]。

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理, 使用SPSS 19.0軟件對不同處理間的差異進行顯著性檢驗, 應用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較。圖中誤差均為標準差, 不同處理間差異顯著性(<0.05)用小寫字母標注。

2 結果與分析

2.1 外源碳輸入對復墾土壤有機碳增長率、年變化量和固碳量的影響

不同有機物料輸入對復墾土壤有機碳增長率與年變化量的影響如圖1所示。添加有機物料均可顯著提高土壤有機碳含量, 添加有機物料6年后, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤有機碳增長率較無有機物料添加處理(CK)分別增加101.80%、62.13%、56.61%、71.15%和51.42%, 年變化量分別增加0.56 g?kg–1?a–1、0.34 g?kg–1?a–1、0.31 g?kg–1?a–1、0.39 g?kg–1?a–1和0.28 g?kg–1?a–1。生物炭處理土壤有機碳的增長率和年變化量均最大,分別達230.38%和1.27 g?kg–1?a–1, 生物炭處理較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理增長率分別增加39.68%、45.19%、30.66%和50.39%, 且各處理間差異顯著; 生物炭處理較堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理年變化量分別增加0.22 g?kg–1?a–1、0.25 g?kg–1?a–1、0.17 g?kg–1?a–1和0.28 g?kg–1?a–1, 生物碳處理顯著高于其他各處理, 堆肥、沼渣、秸稈處理間差異不顯著。

圖1 長期添加不同有機物料對復墾土壤有機碳增長率與年變化量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

由圖2可知, 添加有機物料均可以顯著提高復墾土壤0~20 cm土層固碳量。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤固碳量分別提高100.52%、50.13%、56.61%、91.52%和64.05%, 其中生物炭處理提升幅度最大, 生物炭與牛糞處理間差異不顯著, 但均顯著高于其他有機物料添加處理, 而堆肥、沼渣和秸稈處理間對土壤固碳量的提升作用差異不顯著。

圖2 長期添加不同有機物料對復墾土壤固碳量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

2.2 外源碳輸入對復墾土壤易氧化有機碳增長率與年變化量的影響

由圖3可知, 添加有機物料均能顯著增加復墾土壤易氧化有機碳的增長率和年變化量, 均表現(xiàn)為堆肥處理>沼渣處理>牛糞處理>生物炭處理>秸稈處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤易氧化有機碳的增長率分別增加3.46%、12.37%、5.22%、4.24%和1.60%, 年變化量分別增加0.04 g?kg–1?a–1、0.16 g?kg–1?a–1、0.06 g?kg–1?a–1、0.05 g?kg–1?a–1和0.02 g?kg–1?a–1。堆肥處理土壤易氧化有機碳的增長率和年變化量均顯著高于其他處理, 而生物炭、沼渣和牛糞處理間差異不顯著。

2.3 外源碳輸入對復墾土壤活性碳庫Ⅰ、活性碳庫Ⅱ增長率和年變化量的影響

由圖4可知, 添加有機物料均能顯著提高土壤活性碳庫Ⅰ的增長率和年變化量, 均表現(xiàn)為牛糞處理>沼渣處理>秸稈處理>堆肥處理>生物炭處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理活性碳庫Ⅰ的增長率分別增加33.03%、65.62%、72.74%、104.36%和70.35%, 年變化量分別增加0.07 g?kg–1?a–1、0.14 g?kg–1?a–1、0.16 g?kg–1?a–1、0.22 g?kg–1?a–1和0.15 g?kg–1?a–1。牛糞處理與其他處理間差異顯著, 堆肥、沼渣和秸稈處理之間差異不顯著。

由圖5可知, 添加有機物料均顯著提高活性碳庫Ⅱ增長率和年變化量, 牛糞處理提升顯著高于其他處理。生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈處理活性碳庫Ⅱ增長率與CK處理相比分別增加20.82%、15.97%、12.05%、101.36%、4.41%, 其中牛糞處理顯著高于其他有機物料處理; 年變化量與CK處理相比分別增加0.02 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1、0.09 g?kg–1?a–1、0.01 g?kg–1?a–1, 其中生物炭、堆肥和沼渣處理之間差異不顯著。

圖3 長期添加不同有機物料對復墾土壤易氧化有機碳增長率和年變化量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

圖4 長期添加不同有機物料對復墾土壤活性碳庫Ⅰ增長率和年變化量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

圖5 長期添加不同有機物料對復墾土壤活性碳庫Ⅱ增長率和年變化量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

2.4 外源碳輸入對復墾土壤穩(wěn)定性有機碳含量的影響

由圖6可知, 添加有機物料后, 土壤穩(wěn)定性有機碳含量均顯著提高, 表現(xiàn)為生物炭處理>牛糞處理>秸稈處理>沼渣處理>堆肥處理>CK。與CK處理相比, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理土壤穩(wěn)定性有機碳含量分別增加66.59%、26.35%、20.47%、10.35%和18.12%, 其中生物炭與牛糞處理間差異不顯著, 顯著高于其他有機物料處理, 堆肥、沼渣和秸稈處理之間差異不顯著。

2.5 外源碳輸入對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

生物炭的添加可以大幅提升土壤有機碳含量, 并顯著提高土壤的碳庫管理指數(shù)。5種有機物料, 生物炭處理的碳庫管理指數(shù)較堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理分別高36.30%、52.23%、41.50%和52.02%, 顯著高于堆肥、沼渣、牛糞和秸稈處理, 其中生物炭的碳庫指數(shù)與活度指數(shù)最高(表2)。

圖6 長期添加不同有機物料對復墾土壤穩(wěn)定性有機碳含量的影響

不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters mean significant differences at<0.05 level.

表2 長期添加不同有機物料對復墾土壤碳庫管理指數(shù)的影響

同行不同小寫字母表示各處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same line mean significant differences at<0.05 level.

3 討論

3.1 土壤有機碳對外源碳輸入的響應

土壤有機碳是通過微生物作用所形成腐殖質、動植物殘體和微生物體的合稱[20], 有利于改善土壤團聚體結構, 提高土壤保水保肥能力, 是礦區(qū)生態(tài)修復的主要評價指標之一[21]。與初始有機碳含量3.32 g×kg-1相比, 有機物料添加顯著提高礦區(qū)復墾土壤的有機碳水平。陳源泉等[22]研究也表明連續(xù)施用有機物料可以提高土壤有機碳含量, 隨著年限的增加含量均有不同程度的增加。其中, 生物炭處理均高于其他有機物料處理, 并隨著生物炭施用量增加而顯著增加, 可能因為將秸稈加工成生物炭后, 生物炭具有碳含量高、結構復雜和化學惰性等特征[23], 另外添加生物炭改變了原有的土壤有機質組成, 形成比較穩(wěn)定的有機質[24]。直接施用秸稈后復墾土壤穩(wěn)定性有機碳的增長率和年變化量方面均低于生物炭處理, 與張聰?shù)萚25]還田定位試驗結果一致, 可能因為長期添加秸稈, 使得土壤碳庫不斷增加, 以至于碳庫速度增加減緩; 也有可能與還田方式和初始有機碳含量等有關[26]。礦區(qū)復墾土壤與正常農(nóng)田相比, 其有機碳含量極低, 因此也有學者指出, 復墾土壤可以被視作一個“空杯”[27], 其固碳潛力巨大, 其固碳速率也會快于正常農(nóng)田土壤。

3.2 固碳量對外源碳輸入的響應

土壤固碳是有機碳分解和碳輸入的穩(wěn)態(tài)過程?？偟膩碚f, 當碳輸入超過系統(tǒng)有機碳分解導致的損失時, 土壤有機碳增加。相反, 如果輸入土壤中的碳含量不能有效地維持有機碳水平, 土壤有機碳通常會減少[28]。在本研究中各有機物料的添加均顯著增加了復墾土壤的固碳量, 其原因一部分來源于外源有機物料分解轉化為土壤有機碳, 另一部分來源于有機物料的添加會改善土壤結構、增加作物養(yǎng)分進而促進了作物產(chǎn)量的提高, 從而導致根沉積、根系生物量的碳投入增加[29-30]。與其他有機物料相比, 生物炭[31]具有較高的含碳量、較高穩(wěn)定性等特點, 不僅能增加土壤碳儲量, 還能提高土壤物理及化學性質, 提高農(nóng)田產(chǎn)出, 能應對高溫脅迫及土壤退化雙重壓力, 因此生物炭處理固碳能力要高于其他有機物料處理, 可利用性較高。此外, 本研究結果顯示,秸稈處理的固碳效果沒有生物炭處理效果明顯, 有可能因為秸稈更容易被微生物利用, 分解產(chǎn)生CO2的排放, 會部分或者全部抵消土壤固碳效益, 最終影響秸稈處理固碳效果[32]。與代紅翠等[33]研究結果相似, 就土壤固碳角度而言, 生物炭處理要優(yōu)于秸稈處理。

3.3 易氧化有機碳對外源碳輸入的響應

土壤易氧化有機碳主要是由氨基酸、簡單碳水化合物、部分土壤微生物生物量等簡單有機化合物組成。土壤易氧化碳主要來源于作物根系、地上部分殘體歸還、土壤微生物死亡體內物質釋放及土壤原有機碳活化等, 是評價土壤潛在生產(chǎn)力的一個重要指標[34]。Biederbeck等[35]把易氧化有機碳作為土壤活性碳的一個主要表征因子, 認為土壤有機碳的快速變化主要發(fā)生在這一部分。本研究表明, 土壤易氧化碳在0~20 cm土層的敏感性最為顯著, 隨復墾措施的變化而顯著變化, 隨肥料的增加而增加, 且對總有機碳的貢獻最大, 這與羅梅等[36]研究結果一致。本研究中, 堆肥處理的易氧化有機碳高于其他有機物料處理, 可能是因為堆肥帶入的有機物質更容易被微生物分解, 且?guī)腽B(yǎng)分較高, 能夠提高作物的生物量, 特別能夠提高根系的生物量, 增加土壤新鮮有機碳的輸入, 促進易氧化有機碳的增加。秸稈處理也有利于土壤易氧化有機碳的提高, 但效果沒堆肥處理明顯, 可能是因為秸稈一方面能增強土壤碳庫周轉速率, 促進土壤易氧化有機碳的比例[37], 另一方面礦區(qū)復墾土壤通氣性等特點使土壤微生物活性降低, 導致秸稈的培肥效果受到抑制[38]。馬莉等[39]通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn), 添加生物炭有利于提高土壤易氧化有機碳含量, 且顯著高于對照處理, 本研究也得出相同的結論。

3.4 酸水解活性碳庫對外源碳輸入的響應

通過H2SO4水解法提取獲得的活性碳可分為活性庫Ⅰ、活性庫Ⅱ和穩(wěn)定性碳庫。酸水解的活性碳庫Ⅰ主要包括淀粉、半纖維素、可溶性糖類等碳水化合物, 活性碳庫Ⅱ主要包括纖維素等碳水化合物, 均屬于土壤活性碳庫, 在土壤中具有移動速度快、容易被氧化和分解、穩(wěn)定性較差等特點, 在植物和土壤微生物上活性較高, 雖然僅占總有機碳一小部分, 但能夠在調節(jié)土壤養(yǎng)分轉化方面發(fā)揮重要作用[40]。

本試驗結果表明, 有機物料均能有效提高土壤活性碳庫。因為生物炭、堆肥、沼渣、牛糞、秸稈的添加, 能夠增加外源有機物的投入, 為微生物提供充足的碳源, 促進微生物生長、繁殖, 提高微生物活性, 而微生物分解的有機物質是活性有機碳庫主要來源, 所以能夠提高土壤活性有機碳庫含量[41]。本研究各有機物料中, 施用牛糞處理復墾土壤活性碳庫Ⅰ和Ⅱ的增長速率和年增加量均高于其他處理,李新華等[42]、郭軍玲等[43]研究獲得相同或相似的結果。可能因為牛糞所提供的有機物質更容易被礦化分解為簡單碳水化合物, 這些物質可以改善復墾土壤的養(yǎng)分供應性, 提高作物產(chǎn)量, 進而增加作物凋落物和根系分泌, 提高土壤活性碳庫含量。生物炭處理也可以提高土壤活性碳庫, 但在提高活性碳庫Ⅰ的增長速率和年增加量上低于其他有機物料, 在提高活性碳庫Ⅱ的增長速率和年增加量上與堆肥、沼渣間差異不顯著, 說明生物炭提供的有機物質被微生物分解后大多轉化為纖維素等碳水化合物。該結果與正常農(nóng)田土壤上的研究存在一些差距, 究其原因可能是由于生物炭來源多樣化、性質復雜化、土壤類型以及管理措施不同等影響土壤對生物炭的響應[44]。

3.5 穩(wěn)定性有機碳對外源碳輸入的響應

穩(wěn)定性有機碳是在土壤中相對于其他有機碳穩(wěn)定性較高, 不易被微生物快速分解和植物吸收利用的一種有機碳, 對農(nóng)田管理措施反應不敏感, 對于維持土壤養(yǎng)分和土壤結構的形成具有重要意義, 也是評價土壤質量的一個重要指標。酸水解法中未被水解的部分為穩(wěn)定性碳組分, 主要包括樹脂、脂肪、木質素等較穩(wěn)定的碳組分。本研究持續(xù)添加有機物料6年, 土壤穩(wěn)定性有機碳水平均高于CK處理,表現(xiàn)為生物炭>牛糞>秸稈理>沼渣理>堆肥>CK。有機物進入土壤后, 在微生物的作用下進行一系列轉化, 從而形成不同的碳組分。依據(jù)微生物在碳轉化過程中的代謝活性差異, 將其轉化途徑分為兩類: 1)胞內轉化, 微生物會優(yōu)先分解一些活性較高的有機物質進行新陳代謝, 這一周轉過程一般用時較短, 而土壤穩(wěn)定性有機碳則是伴隨著微生物細胞的生成、生長和死亡的代謝過程得到累積; 2)胞外轉化, 微生物在生長代謝過程中產(chǎn)生的胞外酶可以將植物殘體中的半纖維素、纖維素和木質素等難降解的有機化合物分解為可被微生物分解利用的活性有機物質, 在利用過程中一部分形成活性碳組分, 一部分不能被分解利用的殘留物則組成了穩(wěn)定碳組分。進入微生物體內的物質會通過微生物合成轉化為新的更難降解或更易降解的化合物, 例如與氨基糖和纖維素降解相關的聚合物[19,45]。不同有機物料所提供的碳的結構和類型不同, 因此不同組分對不同有機物料的響應也不同。生物炭所提供的碳結構更加穩(wěn)定, 難以被微生物直接利用, 更有利于土壤穩(wěn)定性有機碳的累積。

3.6 碳庫管理指數(shù)對外源碳輸入的響應

碳庫管理指數(shù)(CMI)是評價管理系統(tǒng)改善土壤質量能力的一個有用參數(shù), 已被廣泛接受[46-47]。該指數(shù)綜合了對土壤總碳(CPI)和活性碳(LI)的影響, 從而反映了碳的固存和養(yǎng)分循環(huán)潛力。由于該指數(shù)是這兩項指標的乘積, 只有在兩項指標值都高時才會有較高的CMI, CMI的絕對值并不重要, 但其差異反映了不同管理措施影響土壤質量的差異[47-48]。土壤CMI可以表征土壤養(yǎng)分及碳素動態(tài)變化, 比土壤有機碳更具有敏感性, 反映有機碳被微生物和植物利用的難易程度, 其值越大表示碳庫活度和質量也越高[49]。添加生物炭和秸稈均可有效提高土壤碳庫管理指數(shù), 有可能是生物炭向土壤輸入大量的惰性碳, 顯著提高了土壤有機碳含量和碳庫指數(shù), 導致土壤CMI受到顯著影響, 與王月玲等[50]研究結果一致。楊旭等[51]在沈陽黃土母質發(fā)育的棕壤土上研究表明, 秸稈能夠顯著提升土壤CMI, 可能是秸稈處理對土壤易氧化有機碳和碳庫活度指數(shù)的提升作用相對明顯, 是其增加土壤CMI的主要原因[18]。一方面, 秸稈中所含有的活性有機碳快速分解; 另一方面, 秸稈中的糖類、蛋白質、纖維素可作為微生物代謝的碳源, 會加速微生物的代謝速率[52]。

4 結論

添加生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈均能顯著增加土壤有機碳的增長率、年變化量和固碳量, 其中添加生物炭對土壤有機碳累積效果要優(yōu)于添加其他有機物料。對于土壤碳組分而言, 添加堆肥有利于易氧化有機碳的增加, 添加牛糞可顯著提高土壤活性碳庫Ⅰ和活性碳庫Ⅱ, 添加生物炭和牛糞可顯著增加土壤穩(wěn)定性有機碳。生物炭添加對土壤碳庫管理指數(shù)的提升幅度最大, 秸稈對土壤碳庫管理指數(shù)的影響最低?？傮w上, 生物炭、堆肥、沼渣、牛糞和秸稈均能提高土壤有碳組分含量, 有利于土壤有機碳積累, 促進土壤固碳, 但生物炭在改善礦區(qū)復墾土壤結構, 提升復墾土壤肥力上效果最佳。

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Response of soil organic carbon fractions to exogenous carbon input in mine reclamation*

ZHANG Yunlong1, GAO Chunhua2, LIU Liang1, JIN Dongsheng2, LU Jinjing2, LI Jianhua2**

(1. College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Agricultural University (Shanxi Academy of Agricultural Sciences), Taiyuan 030006, China)

Studying the effects of exogenous carbon input on soil organic carbon fractions is important for understanding changes in soil organic carbon and fertilization management in the reclamation of mining areas. Based on a long-term experiment in a coal mining subsidence reclamation area in Xiangyuan County, Shanxi Province, China, this paper explored the response characteristics of the carbon fractions of reclaimed soil to the input of different exogenous carbon sources (biochar, compost, biogas residue, cow manure, and straw). Reclamation soil samples (0-20 cm) were collected in 2011 and 2016. The organic carbon, easily oxidized organic carbon, and labile carbon pool Ⅰ/Ⅱ in soil were measured. The results showed that the growth rate and the annual change of soil organic carbon with the biochar treatment increased by 101.80% and 0.56 g?kg–1?a–1, respectively, compared with the no-addition control (CK), and the increases with biochar were significantly higher than those with other organic material treatments. Compared with CK, the amounts of carbon sequestration in the biochar and cow manure treatments increased by 100.52% and 91.52% in the 0-20 cm soil layer, respectively; and the amounts of carbon sequestration in the biochar and cow manure treatments were significantly higher than those of other organic material treatments. There were no significant differences among composting, biogas residue, and straw treatments in promoting soil carbon sequestration. The addition of organic materials significantly increased the growth rate and annual change of easily oxidized organic carbon in reclaimed soil; the highest value was observed in the compost treatment, with an increase of 12.37% and 0.16 g?kg–1?a–1, respectively, compared with CK. The addition of cow dung significantly increased the growth rate and annual change of the labile carbon pool Ⅰ/Ⅱ, with a greater effect than other organic materials in reclaimed soil. The addition of organic materials also improved the stable organic carbon content of the soil. Compared with CK, the biochar and cow manure treatments showed the greatest improvement in the stable organic carbon content, with a significantly higher contribution than those of other organic material treatments. However, there was no significant difference between cow manure and biochar treatments. The carbon management index of biochar treatment was 36.30%, 52.23%, 41.50%, and 52.02% higher than that of composting, biogas residue, cow manure, and straw treatments, respectively. The application of all the exogenous carbon sources significantly improved the content of carbon fractions and the carbon management index of reclaimed soil. The application of biochar had the best effect. This indicates that biochar can be used as an effective management measure to improve the soil organic carbon of reclaimed mining areas.

Reclaimed soil; Organic materials; Organic carbon;Carbon fractions; Carbon pool management index

S151.9

10.13930/j.cnki.cjea.190925

張云龍, 郜春花, 劉靚, 靳東升, 盧晉晶, 李建華. 礦區(qū)復墾土壤碳組分對外源碳輸入的響應特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(8): 1219-1229

ZHANG Y L, GAO C H, LIU L, JIN D S, LU J J, LI J H. Response of soil organic carbon fractions to exogenous carbon input in mine reclamation[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(8): 1219-1229

* 國家自然科學基金重點聯(lián)合基金項目(U1710255)、山西省科技成果轉化引導專項項目(201804D131049)和山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新研究課題(YCX2018DZYS02)資助

李建華, 主要研究方向為礦區(qū)復墾土壤質量修復研究。E-mail: jianhua0119@163.com

張云龍, 主要研究方向為礦區(qū)復墾土壤修復研究。E-mail: 339397495@qq.com

2019-12-30

2020-03-25

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (U1710255), the Special Projects of Transformation and Guidance of Scientific and Technological Achievements of Shanxi Province (201804D131049), the Innovation Research Topic on Agricultural Science and Technology of Shanxi Academy of Agricultural Sciences (YCX2018DZYS02).

, E-mail: jianhua0119@163.com

Dec. 30, 2019;

Mar. 25, 2020