關(guān)一凡，孟會(huì)生，王帥兵，焦金鋮，吳新星，郝鮮俊

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求也快速增長(zhǎng)。2023 年1—11 月，山西原煤產(chǎn)量124 609.9 萬t，增長(zhǎng)3.8%[1]，是名副其實(shí)的全國(guó)第一產(chǎn)煤大省。然而，在開采礦山過程中，尾礦粉塵飛揚(yáng)、粉煤灰等會(huì)進(jìn)入土壤中并積累，經(jīng)雨水沖刷、淋溶，造成土壤酸化、土壤耕地退化和土壤質(zhì)量降低等問題[2]。因此，對(duì)礦區(qū)復(fù)墾土壤肥力的提高及質(zhì)量的恢復(fù)成為重中之重。目前，礦區(qū)土壤改良技術(shù)主要包括物理、化學(xué)、生物技術(shù)。物理改良技術(shù)是礦區(qū)復(fù)墾的基礎(chǔ)，但是處理效率較低，不適合大規(guī)模污染土壤；化學(xué)改良技術(shù)可改善土壤理化性質(zhì)，減少土壤污染，但是缺乏持久性，這些技術(shù)在處理污染土壤的礦山廢棄地方面具有潛力，但仍有局限性。同時(shí)，環(huán)境材料在礦區(qū)的土壤改良中具有廣泛的應(yīng)用，我國(guó)目前應(yīng)用較多的環(huán)境材料主要有生物炭、微生物菌肥等，它們?cè)谒时３趾铜h(huán)境治理方面具有很好的實(shí)踐效果[3]。微生物菌肥作為一種新興的綠色肥料，可以通過改變土壤的物理特性，改善土壤中的生物多樣性，提高養(yǎng)分肥力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)[4]。相關(guān)研究近年來發(fā)展迅速，其中以解磷菌和固氮菌應(yīng)用最為廣泛。姜瑛等[5]研究表明，將高效固氮解磷菌接種于土壤中，可以有效提高NH4+-N、NO3--N、礦質(zhì)氮含量。同時(shí)，土壤有效磷含量提高18.1%。Yu 等[6]研究表明，熒光假單胞菌能夠顯著提高植株苗高和地上部干質(zhì)量，增加核桃氮、磷的吸收。羅心誠(chéng)等[7]研究表明，芽孢桿菌屬可使水稻的凈光合速率提高8.78%，產(chǎn)量提升21.3%，并且顯著提升水稻土中全氮、全磷、全鉀、堿解N、速效K等含量。武杞蔓等[8]研究表明，微生物菌肥能夠顯著增加番茄植株產(chǎn)量，改善番茄果實(shí)品質(zhì)，提高葉片葉綠素含量。盡管菌劑已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，且菌劑對(duì)增產(chǎn)的效果有限，這是由于其本身并不含有植物生長(zhǎng)所需的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)成分。此外，對(duì)于礦區(qū)復(fù)墾土壤，其生態(tài)系統(tǒng)本身較為脆弱，土壤結(jié)構(gòu)破壞，氮磷養(yǎng)分貧瘠，土壤微生物稀少[3]。肥料配施菌劑不僅能提高土壤固氮效率、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，而且減少施加肥料對(duì)土壤造成的污染，有利于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。朱望帥等[9]研究表明，化肥減施與微生物菌肥配施可改善鹽堿地土壤理化環(huán)境與生物學(xué)性狀、提升玉米產(chǎn)量和品質(zhì)、提高經(jīng)濟(jì)效益、肥料養(yǎng)分利用效率。張濤等[10]研究表明，化肥減量配施微生物菌肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效防止速效磷損失，中和土壤酸性，提高生態(tài)效益?？娖降萚11]研究表明，雞糞＋微生物菌肥處理對(duì)蘋果幼苗生長(zhǎng)和鹽堿化土壤的改善效果較好，且處理時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)蘋果幼苗生長(zhǎng)和土壤的改良效果越明顯。Kumar 等[12]研究表明，通過增加生物接種劑和無機(jī)肥料的應(yīng)用，可以有效控制穿心蓮植物在雨季的黃化問題。鑒于此，菌劑與其他肥料配合施用是一個(gè)潛在的優(yōu)化方案[13]。同時(shí)，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院礦區(qū)土壤復(fù)墾與微生物多樣性研究室篩選出一株高效固氮菌株，研究其與肥料組合對(duì)土壤肥力及土壤質(zhì)量恢復(fù)的影響具有重要的研究意義。

土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤恢復(fù)效果的重要指標(biāo)[14-15]，是表征土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時(shí)在全球碳循環(huán)過程中也扮演著重要角色。土壤活性有機(jī)碳可以反映土壤有機(jī)質(zhì)有效組分的變化[16]。土壤碳庫(kù)管理指數(shù)因結(jié)合了土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤碳庫(kù)活度指標(biāo)，既反映了外界管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳組分的變化情況[17]。因此，該指標(biāo)對(duì)復(fù)墾土壤最為關(guān)鍵。依托山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)平臺(tái)，探討不同施肥處理與復(fù)墾年限對(duì)復(fù)墾土壤有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，以期為提升復(fù)墾土壤碳庫(kù)活性、微生物活性及菌肥的合理配施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

以山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)定位復(fù)墾試驗(yàn)田土壤為研究對(duì)象，該地屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫9.6 ℃，四季分明，春、秋短促，7—9 月氣溫最高，年平均降水量456.8 mm，全年無霜期為170 d 左右。供試土壤的基本性狀見表1。

表1 供試土壤的基本性狀

1.2 供試材料

供試玉米品種為鄭單958，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧作所科技有限公司生產(chǎn)；供試肥料為化肥：尿素（含N 46%，安陽中盈化肥有限公司生產(chǎn)）、過磷酸鈣（含P2O516%，湖北豐樂生態(tài)肥業(yè)有限公司生產(chǎn)）和氯化鉀（含K2O 60%，天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)有限公司濱海新區(qū)第三分公司生產(chǎn)），均為農(nóng)用肥料；有機(jī)肥：完全腐熟的雞糞（含有機(jī)質(zhì)29.4%、N 1.45%、P2O50.54%、K2O 1.56%，農(nóng)家自產(chǎn)，直接經(jīng)高溫好氧發(fā)酵罐技術(shù)處理所得，沒有增加其他腐熟菌劑及輔料）；供試菌劑：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院礦區(qū)土壤復(fù)墾與微生物多樣性研究室篩選出的固氮菌劑，固氮量為4.54 μg·mL-1（采用LB 液體培養(yǎng)基制成）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用雙因素（施肥處理×復(fù)墾年限）隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在山西省晉中市榆次區(qū)后溝村采煤礦區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)。該試驗(yàn)地年平均溫度為9.5 ℃，1 月平均-6.4 ℃，7 月平均23 ℃，霜凍期為10 月中旬至次年4月中旬，無霜期平均149～175 d，年均降水量468.4 mm。玉米分別于2020 年5 月1 日和2021 年5 月1日播種，并于當(dāng)年9 月底收獲。復(fù)墾年限包括1 年和2 年，施肥設(shè)置7 個(gè)處理：不施肥（CK）、化肥（CF）、化肥+菌劑（CFB）、有機(jī)肥（M）、有機(jī)肥+菌劑（MB）、有機(jī)肥+化肥（MCF）、有機(jī)肥+化肥+菌劑（MCFB），每個(gè)處理重復(fù)3 次。小區(qū)面積為100 m2（10 m×10 m）。以等量施肥為原則，N 為261 kg·hm-2、P2O5為97 kg·hm-2、K2O 為281 kg·hm-2，播種密度為72 000株·hm-2。所有肥料在播種時(shí)使用旋耕機(jī)一次性均勻撒施，未進(jìn)行追肥。

1.4 樣品采集及處理

玉米收獲后，采用五點(diǎn)采樣法采集土壤表層0～20 cm 的樣品。采集的土壤樣品，一份于冰箱低溫保存，用于測(cè)定土壤微生物量碳和水溶性有機(jī)碳，另一份混勻后風(fēng)干，剔除石子、動(dòng)植物殘?bào)w等異物后研磨，過篩（1 mm 和0.149 mm），進(jìn)行其他指標(biāo)的測(cè)定。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[18]測(cè)定土壤總有機(jī)碳（TOC）；采用0.5 mol·L-1K2SO4浸提法[19]測(cè)定土壤水溶性有機(jī)碳（DOC）；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]測(cè)定土壤微生物量碳（MBC）；采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法[20]測(cè)定土壤易氧化有機(jī)碳（ROC）。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）的計(jì)算[21]：以CK 作為參考土壤，將CK 土壤總有機(jī)碳(TOC)和碳庫(kù)活度（A）的平均值作為參考土壤的TOC 含量和A0值，CPMI 計(jì)算方法為：

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用MicrosoftExcel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，LSD 法進(jìn)行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較（α=0.05），使用Origin2022 構(gòu)建相關(guān)性分析圖，CANOCO5.0 軟件進(jìn)行冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式對(duì)復(fù)墾土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分的影響

雙因素方差分析表明，施肥處理與復(fù)墾年限對(duì)土壤有機(jī)碳組分具有顯著影響，同時(shí)二者具有顯著的交互作用。由圖1 所示，復(fù)墾2 年的MB 處理土壤總有機(jī)碳、微生物量碳、水溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量最高。由圖1-A 所示，對(duì)于復(fù)墾2 年的土壤，MB 處理的土壤總有機(jī)碳含量較M 處理顯著提高7.00%，MCFB 處理較MCF 處理顯著提高8.61%；由圖1-B 所示，對(duì)于復(fù)墾2 年的土壤，MB 處理的微生物量碳較M 處理顯著提高13.1%，較復(fù)墾1 年顯著提高26.6%；由圖1-C 所示，除復(fù)墾2 年的CFB 處理土壤水溶性有機(jī)碳較復(fù)墾1 年無顯著差異外，其余復(fù)墾2年的施肥處理土壤水溶性有機(jī)碳含量較復(fù)墾1 年相應(yīng)施肥處理顯著提高；由圖1-D 所示，復(fù)墾2 年的各施肥處理土壤易氧化有機(jī)碳含量較復(fù)墾1 年相應(yīng)施肥處理顯著提高。綜上所述，較復(fù)墾1 年相比，復(fù)墾2年的MB 處理對(duì)土壤有機(jī)碳組分的提升效果更好。

2.2 不同施肥方式對(duì)復(fù)墾土壤碳素有效率的影響

由表2 所示，復(fù)墾2 年的MB 處理MBC 有效率、DOC 有效率最高，復(fù)墾2 年的MB 處理DOC 有效率和ROC 有效率較復(fù)墾一年均差異顯著，分別顯著提高21.7%、33.5%。除復(fù)墾2 年的MCFB 處理DOC 有效率較復(fù)墾一年DOC 降低，其他復(fù)墾2 年處理較復(fù)墾1 年處理均可有效提高M(jìn)BC 有效率、DOC 有效率和ROC 有效率，表明各施肥處理均可有效提高碳素有效率。

表2 不同施肥方式下土壤有機(jī)碳的有效率 %

2.3 不同施肥方式對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

由表3 可知，復(fù)墾2 年的MB 處理碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)最大，分別較復(fù)墾1 年MB 處理顯著提高17.9%、44.2%（P<0.05），復(fù)墾2 年土壤的非活性有機(jī)碳含量均顯著低于復(fù)墾1 年。這表明有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)提高土壤碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)具有重要作用。同時(shí)，年限越長(zhǎng)，越有利于提高土壤碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)，有利于降低非活性有機(jī)碳含量。

表3 不同施肥方式對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

2.4 有機(jī)碳庫(kù)各指標(biāo)之間的相關(guān)性

由圖2 可以看出，除土壤易氧化有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量、微生物量碳之間沒有顯著的相關(guān)性（P>0.05），其他各指標(biāo)之間均存在顯著的相關(guān)性關(guān)系。土壤總有機(jī)碳含量與微生物量碳、水溶性有機(jī)碳含量之間存在極顯著（P<0.001）的相關(guān)性，表明復(fù)墾土壤總有機(jī)碳與微生物量碳、水溶性有機(jī)碳之間關(guān)系密切。此外，碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤有機(jī)碳含量、微生物量碳和水溶性有機(jī)碳含量均存在極顯著（P<0.001）相關(guān)性，與易氧化有機(jī)碳含量存在極顯著（P<0.01）的相關(guān)性，其中碳庫(kù)管理指數(shù)與水溶性有機(jī)碳含量相關(guān)性最大，表明土壤水溶性有機(jī)碳對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)的影響最大。

圖2 有機(jī)碳庫(kù)各指標(biāo)之間的相關(guān)性

2.5 不同施肥方式下復(fù)墾土壤RDA 分析

為更直觀了解不同復(fù)墾年限不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)碳組分、碳庫(kù)管理指數(shù)、碳素有效率的影響，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行排序（圖3），其中前2 個(gè)排序軸的特征值分別為0.738 1 和0.157 4，前兩軸的累積貢獻(xiàn)率為89.5%。排序圖將42 個(gè)樣方分別分為A、B 2 個(gè)區(qū)域，A 代表復(fù)墾1 年土壤，B 代表復(fù)墾2 年土壤。2 個(gè)復(fù)墾年限之間有機(jī)碳庫(kù)的賦存特征存在明顯差異，復(fù)墾2 年的有機(jī)碳庫(kù)含量顯著優(yōu)于復(fù)墾1年（P<0.05）。整體來看，同一年限內(nèi)，與CK 相比，所有施肥處理均明顯促進(jìn)了土壤有機(jī)碳庫(kù)累積，其中，復(fù)墾2 年的MB 處理效果最顯著。對(duì)復(fù)墾2 年土壤影響碳庫(kù)管理指數(shù)的施肥處理順序?yàn)椋篗B>M>MCFB>MCF>CFB>CF>CK，其中MB 處理對(duì)提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)最為有效。

圖3 不同施肥方式下復(fù)墾土壤RDA 分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究表明，有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)復(fù)墾土壤總有機(jī)碳的提升效果最為顯著，與單施有機(jī)肥處理相比差異顯著（P<0.05），這與張敬業(yè)等[22]的研究結(jié)果一致。一方面，復(fù)墾土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分背景值低下，有機(jī)肥的連續(xù)施用和積累可增加土壤碳的投入、提高作物產(chǎn)量、增加顆粒態(tài)有機(jī)碳的直接輸入量。另一方面，配施有機(jī)肥提高了生物菌肥的施用效果，有機(jī)肥提供有機(jī)質(zhì)，微生物菌劑提供有益微生物。此外，有機(jī)質(zhì)的添加能顯著影響土壤微生物種群和酶活性，并且降低改良土壤環(huán)境對(duì)有益菌的負(fù)面影響。與單施有機(jī)肥相比，顯著提高土壤總有機(jī)碳含量。

土壤微生物量碳是土壤微生物生物量的重要表征[23]。本研究表明，有機(jī)肥處理的微生物量碳顯著高于有機(jī)肥+無機(jī)肥處理（P<0.05），這與郭亞軍等[24]的研究結(jié)果一致。主要原因可能是有機(jī)肥+菌劑處理的有機(jī)肥是M 處理的一半，施入的有機(jī)肥減半后土壤中易被微生物降解的有機(jī)物質(zhì)隨之減少，導(dǎo)致有機(jī)無機(jī)肥配施菌劑的效果不如有機(jī)肥+菌劑。大量研究表明，化肥+菌劑處理對(duì)微生物量碳的影響顯著高于單施化肥處理[24]。但本研究表明，復(fù)墾1 年的化肥+菌劑處理的微生物量碳與化肥處理相比降低。主要原因可能是化肥中的氮、磷、鉀幾種元素的總養(yǎng)分過高，抑制了微生物的活性，甚至造成菌種生理性失水死亡。

土壤碳庫(kù)管理指數(shù)表征土壤碳庫(kù)變化的指標(biāo)，其值越大，表示有機(jī)碳越易被微生物分解和被植物吸收利用，碳庫(kù)活度和質(zhì)量也就越高[25]。有研究表明，菌劑+有機(jī)肥+無機(jī)肥配合施用是礦區(qū)復(fù)墾土壤培肥和植被恢復(fù)的最佳組合方式[26]。但本研究表明，有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)復(fù)墾土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的提升效果最好。一方面，有機(jī)肥、無機(jī)肥和菌劑的配比并不是最佳，導(dǎo)致效果沒有達(dá)到最佳，不如有機(jī)肥配施菌劑處理的效果；另一方面，施入的無機(jī)肥影響了微生物活性，導(dǎo)致微生物的固氮解磷作用沒有達(dá)到預(yù)期效果。大量研究表明，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與活性有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性最大[27]。但本研究表明，土壤碳庫(kù)管理指數(shù)與水溶性有機(jī)碳含量相關(guān)性最大。主要原因可能是在土壤進(jìn)行復(fù)墾的過程中，對(duì)土壤的施肥和耕作措施，在一定程度上會(huì)增強(qiáng)上層土壤的微生物活性、增加易溶于水的代謝產(chǎn)物。

本研究通過深入分析不同施肥方式及復(fù)墾年限對(duì)有機(jī)碳庫(kù)、碳庫(kù)管理指數(shù)的影響，得出復(fù)墾年限越長(zhǎng)的有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)于土壤肥力的提升效果最好的結(jié)論，為有機(jī)肥配施以及新型菌肥的施用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上提供科學(xué)理論依據(jù)。同時(shí)，由于試驗(yàn)條件有限，大田試驗(yàn)極易受到當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件的影響，有機(jī)碳庫(kù)其他組分指標(biāo)還待于進(jìn)一步測(cè)定。在今后的研究中，對(duì)于探索有機(jī)肥與菌劑的添加比例等因素對(duì)土壤肥力的影響仍需要長(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè)和深入研究。

3.2 結(jié)論

（1）復(fù)墾2 年的有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)土壤總有機(jī)碳（TOC）、微生物量碳（MBC）、水溶性有機(jī)碳（DOC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）含量的提升效果最好。此外，復(fù)墾2 年的有機(jī)肥+菌劑處理的MBC 有效率、DOC 有效率最高，能夠顯著提高土壤碳素有效率。

（2）復(fù)墾2 年的有機(jī)肥+菌劑處理對(duì)土壤碳庫(kù)指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)的提升效果具有積極意義，可顯著降低非活性有機(jī)碳含量。復(fù)墾土壤總有機(jī)碳與微生物量碳、水溶性有機(jī)碳之間存在轉(zhuǎn)化關(guān)系，土壤水溶性有機(jī)碳對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)的影響最大。2 個(gè)復(fù)墾年限之間有機(jī)碳庫(kù)的賦存特征存在明顯差異，復(fù)墾2 年的有機(jī)碳組分顯著優(yōu)于復(fù)墾1 年。