樊曉東，劉 冰，孟會生，洪堅平*，張 杰

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山西 太谷 030801； 2.太原市園林綠化工程質(zhì)量監(jiān)督站，太原 030012）

0 引 言

【研究意義】隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求也快速增長。然而，在開采煤礦過程中卻產(chǎn)生了大量的風化煤、煤泥、粉煤灰等工礦廢棄物[1]，這些工礦廢棄物的積累，不僅浪費土地資源和污染環(huán)境，而且利用率極低。不僅如此，礦區(qū)土壤還存在結(jié)構(gòu)性不良、肥力低下、土壤質(zhì)量降低等問題[2]。因此，對礦區(qū)復墾土壤的質(zhì)量恢復成為重中之重。利用工礦廢棄物開發(fā)的復混肥來恢復復墾土壤質(zhì)量也成為當前的發(fā)展方向[3-4]。【研究進展】復混肥對土壤生態(tài)和植物生長均有顯著效果，其中含腐殖酸的復混肥具有改良土壤、增進肥效、刺激生長、促進抗逆、改善品質(zhì)的五大作用[5-6]。孫騰飛[7]、郭漢清等[8]研究表明，施用煤基復混肥可明顯提高復墾土壤養(yǎng)分、改良土壤性狀。用來評價土壤恢復效果必不可少的是土壤總有機碳[9-10]，而土壤活性有機碳可以反映土壤有機質(zhì)的有效組分的變化[11]。為了能夠表征土壤碳庫的短期變化特征和反映外界管理措施對土壤碳庫的影響，土壤碳庫管理指數(shù)最為關鍵[12]?！厩腥朦c】目前關于煤基復混肥的關注多集中在提升復墾土壤肥力上，在復墾土壤上的應用及其對有機碳及碳庫管理指數(shù)影響的研究是鮮有報道，故從該方面開展研究?！緮M解決的關鍵問題】為此，基于山西省襄垣縣洛江溝采煤塌陷區(qū)長期定位試驗，研究煤基復混肥I、煤基復混肥II在不同施肥量下對復墾土壤有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響，明確不同煤基復混肥對復墾土壤有機碳庫的變化規(guī)律，為建立農(nóng)田可持續(xù)土壤管理措施提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗以山西省長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村采煤塌陷區(qū)復墾4 a 的土壤為研究對象，試驗區(qū)地理坐標為東經(jīng)112°42′—113°14′，北緯36°23′—36°44′之間。屬暖溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫8～9 ℃，四季分明，7—9 月氣候最高，平均達23.4 ℃，年平均降水量532.8 mm，全年無霜期一般為166 d 左右。

試驗區(qū)塌陷前土地平整，土壤肥力較高，塌陷后土壤變成了旱薄地，土地生產(chǎn)力嚴重下降。復墾的土地均采用混推的模式。復墾土壤類型為石灰性褐土?；拘誀睿河袡C質(zhì)量3.76 g/kg、全氮量0.28 g/kg、全磷量0.41 g/kg、堿解氮量26.88 mg/kg、有效磷量3.42 mg/kg、速效鉀量90.12 mg/kg。

1.2 供試材料

供試玉米品種為大豐30，種植制度是一年一熟，玉米生育期降水量為615.1 mm，全生育期無灌溉，山西大豐種業(yè)有限公司生產(chǎn)，生育期150 d。供試肥料為普通復混肥料：N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，山西燁豐化肥有限公司生產(chǎn)；煤基復混肥I：利用煤泥、風化煤和尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀按照一定的比例復合而成，N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，有機質(zhì)量26.65%；煤基復混肥II：利用煤泥、腐殖酸和尿素、過磷酸鈣、鉀礦粉按照一定的比例復合而成，N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為25∶10∶10，有機質(zhì)量25.12%。生產(chǎn)的煤基復混肥I、II 均符合有機-無機復混肥料標準（GB18877—2009）。2 種煤基復混肥的重點差異在于煤基復混肥I 是風化煤配制而成，而煤基復混肥II 是腐殖酸配制而成。

1.3 試驗設計

本試驗采用完全隨機設計，共設10 個處理，分別為不施肥處理（CK），普通復混肥料（CF，施氮量135 kg/hm2）、煤基復混肥I 設4 個處理，施氮量90 kg/hm2（CCF1）、施氮量135 kg/hm2（CCF2）、施氮量180 kg/hm2（CCF3）、施氮量225 kg/hm2（CCF4），煤基復混肥II 設4 個處理，施氮量90 kg/hm2（SH1）、施氮量135 kg/hm2（SH2）、施氮量180 kg/hm2（SH3）、施氮量225 kg/hm2（SH4），每個處理重復3 次，共30 個小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2（10 m×10 m）。所有肥料于2017 年4 月27 日作為底肥一次性施入土壤中，4 月28 日播種，種植密度為60 000 株/hm2，同年9 月28 日收獲。

1.4 樣品采集及處理

在玉米收獲后，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，用于測定土壤微生物量碳和水溶性有機碳，另一份混勻后風干，剔除石子、動植物殘體等異物后研磨，過篩（1 mm和0.149 mm），進行其他指標的測定。

1.5 測定項目與方法

采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[13]測定土壤有機碳；采用Mn（Ⅲ）-焦磷酸比色法[14]測定土壤水溶性有機碳；采用CHCl3熏蒸-K2SO4浸提-重鉻酸鉀氧化法[15]測定土壤微生物量碳，換算系數(shù)取值0.38。

采用KMnO4氧化法[15]測定土壤活性有機碳。且本試驗選取KMnO4溶液的物質(zhì)的量濃度分別為33、167 和333 mmol/L，其中被333 mmol/L 氧化所得的活性有機碳為總活性有機碳，被33 mmol/L 氧化所得的活性有機碳為高活性有機碳，被167 和33 mmol/L氧化所得的活性有機碳量之差為中活性有機碳[15]。

土壤碳庫管理指數(shù)的計算：以不施肥土壤（CK）作為參考土壤。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 軟件對數(shù)據(jù)進行整合，用SPSS 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，用新復極差法（Duncan）檢驗處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 2 種煤基復混肥對復墾土壤有機碳的影響

2 種肥料不同施氮量處理對復墾土壤總有機碳的影響研究如表1 所示。由表1 可知，煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理與CK 相比均差異性顯著，較CK 提高14.54%～45.22%、13.94%～40.84%；與普通復混肥處理相比，除CCF1、SH1 和SH4 處理外，其余處理均差異性顯著，煤基復混肥I 處理、煤基復混肥 II 處理較普通復混肥處理提高了4.52%～26.78%、2.1%～22.96%。從煤基復混肥I 4 種處理中可以看出，對于CCF1、CCF2 和CCF3 處理的總有機碳量差異性不顯著，而CCF4 處理的總有機碳量最高，分別比CCF1、CCF2 和CCF3 處理高21.3%（P<0.05）、7.52%（P<0.05）和8.48%（P<0.05）；從煤基復混肥II 4 種處理中可以看出，SH2 處理的總有機碳量最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高23.6%（P<0.05）、7.61%（P<0.05）和20.44%（P<0.05）。

煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理對復墾土壤水溶性有機碳的影響與CK 相比均差異性顯著，分別較CK 提高63.52%～145.6%、76.44%～266.12%；與普通復混肥處理相比，除CCF1、CCF4 和SH1 處理外，其余處理均差異顯著，分別較普通復混肥處理提高2.02%～34.98%、73.27%～101.22%。從煤基復混肥I 4 種處理中可以看出，CCF2、CCF3 處理的水溶性有機碳量最高，分別比CCF1 和CCF4 處理高47.1%～50.19%和29.58%～32.31%；而從煤基復混肥II 4 種處理中可以看出，SH3、SH4 處理的水溶性有機碳量最高，分別比SH1、SH2處理高98.71%～107.5%和11.21%～16.13%。

表1 2 種煤基復混肥下復墾土壤總有機碳、水溶性有機碳、微生物碳、總活性有機碳及不同組分活性有機碳 Table 1 Total organic carbon, water-soluble organic carbon , microbial carbon, total labile organic carbon and labile organic carbon of different components of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理對復墾土壤微生物碳的影響與CK 相比均差異顯著，分別比CK 提高108.42%～176.76%、77.98%～185.37%；與普通復混肥處理相比，除SH1 處理外，其余處理均差異顯著，分別比普通復混肥處理提高37.64%～82.77%、17.54%～88.46%。從煤基復混肥I 4種處理中可以看出，CCF2、CCF3 處理的微生物碳量最高，分別比CCF1、CCF4 處理高28.89%～32.79%和19.8%～23.42%；從煤基復混肥II 4 種處理中可以看出，SH3 處理的總有機碳量最高，分別比SH1、SH2和SH4 處理高60.34%（P<0.05）、30.83%（P<0.05）和21.01%（P<0.05）。

總活性有機碳及其組分可以反映土壤質(zhì)量的變化，并且與土壤生物、化學和物理性質(zhì)密切相關，是土壤質(zhì)量良好的評價指標[16-17]。煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理對復墾土壤總活性有機碳的影響與CK 相比均差異性顯著，分別比CK 提高37.81%～79.86%、31.45%～97.53%；與普通復混肥處理相比，除CCF1 和SH1、SH4 處理外，其余處理均差異性顯著，分別比普通復混肥處理提高1.3%～32.21%、30.65%～45.19%。從煤基復混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的總活性有機碳量最高，分別比CCF1、CCF2、CCF4 處理高30.51%、4.09%和4.09%，且僅與CCF1 處理差異性顯著；而從煤基復混肥II 4 種處理中可以看出，SH2 處理的總活性有機碳量最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高50.27%（P<0.05）、11.13%（P<0.05）和46.72%（P<0.05）。

煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理下2 種土壤活性有機碳量均隨施氮量增加而先增加后減少，其變化趨勢基本與土壤總活性有機碳量一致。煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理與CK 相比，顯著影響高活性有機碳和中活性有機碳量，分別提高 18.5%～33.27%、1.31%～34.02%和43.86%～140.35%、26.32%～83.33%，以中活性組分提高幅度最大。與普通復混肥處理相比，煤基復混肥I、煤基復混肥II 處理對復墾土壤高活性有機碳量分別提高20.76%～35.81%、3.24%～36.57%；而對中活性有機碳量的影響，僅CCF3 處理對其顯著提高。從煤基復混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的高活性有機碳、中活性有機碳量均最高；而從煤基復混肥II 4種處理可以看出，SH2 處理的高活性有機碳、中活性有機碳量最高?？傮w而言，各活性組分表現(xiàn)為中活性有機碳>高活性有機碳。

2.2 2 種煤基復混肥對復墾土壤碳庫管理指數(shù)的影響

2 種煤基復混肥不同用量對復墾土壤碳庫管理指數(shù)的影響如表2 所示，由表2 可知，煤基復混肥I、煤基復混肥II 不同施氮量處理與CK 相比均差異顯著，比CK 提高71.69%～223.77%、64.29%～306.13%；與普通復混肥處理相比，CCF3、SH2、SH3 處理差異性顯著，分別比普通復混肥處理提高 79.62%、125.31%和84.62%。從煤基復混肥I 4 種處理中可以看出，CCF3 處理的碳庫管理指數(shù)最高，分別比CCF1、CCF2 和CCF4 處理高88.58%、19.4%和40.98%；從煤基復混肥II 4 種處理可以看出，SH2 處理的碳庫管理指數(shù)最高，分別比SH1、SH3 和SH4 處理高147.2%（P<0.05）、22.05%（P<0.05）和142.19%（P<0.05）。

表2 2 種煤基復混肥下復墾土壤碳庫管理指數(shù) Table 2 Carbon pool management index of reclaimed area under two kinds of coal-derived compound fertilizers

3 討 論

有機碳作為評價土壤肥力的基礎指標之一，其質(zhì)量分數(shù)取決于有機碳輸入和礦化分解之間的動態(tài)平衡[18]，土壤碳庫管理指數(shù)可以一定程度上反映土壤有機碳的質(zhì)量，其值越大，表示有機碳越易被微生物分解和被植物吸收利用，碳庫活度和質(zhì)量也就越高[19-20]。研究表明，不同工礦固體廢棄物作為肥料組分可有效提高土壤肥力[21]，煤基復混肥的施入就成為影響土壤有機碳量的重要因素。

本研究表明，施煤基復混肥I 和煤基復混肥II 均能顯著促進復墾土壤總有機碳的累積。與不施肥和與施普通復混肥處理相比，煤基復混肥I 處理的土壤總有機碳量提高45.22%和26.78%，煤基復混肥II 處理提高40.48%和22.96%，這與2 種煤基復混肥的組成成分風化煤、腐殖酸有關。一方面，復墾土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分量背景值低下，風化煤、腐殖酸本身特性是有機質(zhì)量高，施入復墾土壤之后可以直接增加土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)；另一方面，風化煤、腐殖酸等有機物料的加入，使作物另一方面有機物料促進作物生長，使作物殘茬和根系分泌物增加，進而增加土壤有機質(zhì)的輸入[22]。就煤基復混肥I 4 種處理中，施氮量225 kg/hm2的煤基復混肥I 處理的總有機碳量最高，有研究表明，風化煤施用量在27 000 kg/hm2范圍。復墾土壤有機質(zhì)的量隨著風化煤施用量的增加而增加[23]。在煤基復混肥II 4 種處理中，施氮量135 kg/hm2的煤基復混肥II 處理的總有機碳量最高，總有機碳量呈先增加后減少趨勢，有研究表明土壤碳排放量受土壤含氮量的影響，其順序為低氮>高氮>中氮，因此可能導致在施氮量水平為90、225 kg/hm2時，土壤碳排放增高而減少土壤有機質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)[24]。

研究表明，與不施肥和與施普通復混肥處理相比，施煤基復混肥I 和煤基復混肥II 均能顯著促進復墾土壤水溶性有機碳、微生物量碳、活性有機碳及其高活性有機碳、中活性有機碳組分的累積，而且煤基復混肥II 的總體提升效果要明顯高過煤基復混肥I。一方面，煤基復混肥I 所含的風化煤成分中腐殖酸量非常高，但是自然條件下，風化煤中的腐殖酸一般都與鈣、鎂、鐵、鋁等形成不溶性物質(zhì)[25]，直接應用的效果比較差，必須通過微生物將其轉(zhuǎn)化加以輔助才能發(fā)揮風化煤的作用效果[26]。而煤基復混肥I含有煤泥、風化煤有機物料，通過促進復墾土壤中團粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤保水性、透水性、透氣性等，進而可能促進微生物的生長繁殖，使微生物在分解作用時釋放更多的水溶性有機碳。復墾土壤活性有機碳組分的增加與郭軍玲等[27]研究結(jié)果類似，可能是由于微生物對有機物分解和轉(zhuǎn)化作用的加快，而分解的有機物及腐解物中含有多種活性碳組分，同時根系分泌的活性碳組分也增加，從而明顯提高其質(zhì)量[28-29]。另一方面，煤基復混肥II 含有的腐殖酸成分對復墾土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、水氣滲透能力和田間持水率等具有良好的調(diào)節(jié)作用，能夠改善土壤物理性質(zhì)[30]，而且腐殖酸作為微生物活性的催化劑，可以大大提高微生物活性，從而促進微生物將碳源轉(zhuǎn)化為水溶性有機碳，腐殖酸含有醌等功能基團，其施用可以增加植物的新陳代謝等功能[31]，從而促進植物根系生長分泌水溶性有機碳。而且由于腐殖酸擁有的孔隙結(jié)構(gòu)和酸性含氧官能團豐富等特性，從而有助于腐殖酸對土壤中活性碳源的吸附和對氧化物、有機物等物質(zhì)發(fā)生絡合作用，形成穩(wěn)定的化學和生物學性質(zhì)的絡合物[32]，進而增加復墾土壤中活性有機碳組分的質(zhì)量分數(shù)。有研究表明[33]，腐殖化的土壤有助于提高其活性有機碳組分質(zhì)量分數(shù)，這與本研究結(jié)果類似。

碳庫管理指數(shù)作為反映土壤質(zhì)量變化的可靠指標。本研究中，與不施肥處理和施普通復混肥處理相比，各處理對復墾土壤碳庫管理指數(shù)的影響差異顯著，其中施氮量135 kg/hm2的煤基復混肥II 處理最有利于復墾土壤碳庫管理指數(shù)的提高，與不施肥處理和普通復混肥處理分別提高306.12%和125.31%。曾駿等[34]的研究結(jié)果表明，施有機肥或有機無機肥配合施用均較不施肥或單施化肥顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)，本研究結(jié)論與其類似。從土壤碳庫管理指數(shù)的計算公式可知，無論是土壤有機碳的上升還是土壤活性有機碳的上升均可導致土壤碳庫管理指數(shù)的上升[35]，且非活性有機碳的下降可導致土壤碳庫管理指數(shù)的上升，由土壤有機碳、活性有機碳和非活性有機碳量分析可得施氮量135 kg/hm2的煤基復混肥II 處理最高。

4 結(jié) 論

隨著煤基復混肥I、煤基復混肥II 施氮量的增加，復墾土壤總有機碳和各活性有機碳量顯著增加（P<0.05），其中活性有機碳組分量表現(xiàn)為中活性有機碳>高活性有機碳，而且煤基復混肥II 的效果要明顯高于煤基復混肥I。煤基復混肥II 處理與不施肥處理相比，土壤總有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳、總活性有機碳的量分別提高 13.94%～40.84%、76.44%～266.12%、77.98%～185.37%、31.45%～97.53%；與普通復混肥處理相比總有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳、總活性有機碳分別提高2.1%～22.96%、73.27%～101.22%、17.54%～88.46%、30.65%～45.19%。135 kg/hm2的煤基復混肥II處理最有利于復墾土壤碳庫管理指數(shù)的提高，與不施肥處理和普通復混肥處理分別提高306.12%和125.31%?？傮w看來，施氮量為135 kg/hm2的煤基復混肥II對復墾土壤有機碳及碳庫管理指數(shù)提升效果最好。