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改良剂施用对矿区复垦土壤水稳性团聚体及有机碳组分的影响

张昊 樊文华 田剑 刘新梅 刘奋武 王改玲 狄晓颖

张 昊, 樊文华, 田 剑, 刘新梅, 刘奋武, 王改玲, 狄晓颖. 改良剂施用对矿区复垦土壤水稳性团聚体及有机碳组分的影响[J]. 土壤通报, 2022, 53(2): 392 − 402 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102005
引用本文: 张 昊, 樊文华, 田 剑, 刘新梅, 刘奋武, 王改玲, 狄晓颖. 改良剂施用对矿区复垦土壤水稳性团聚体及有机碳组分的影响[J]. 土壤通报, 2022, 53(2): 392 − 402 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102005
ZHANG Hao, FAN Wen-hua, TIAN Jian, LIU Xin-mei, LIU Fen-wu, WANG Gai-ling, DI Xiao-ying. Effects of Different Amendments on Water-stable Aggregates and Organic Carbon Components in a Reclaimed Soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(2): 392 − 402 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102005
Citation: ZHANG Hao, FAN Wen-hua, TIAN Jian, LIU Xin-mei, LIU Fen-wu, WANG Gai-ling, DI Xiao-ying. Effects of Different Amendments on Water-stable Aggregates and Organic Carbon Components in a Reclaimed Soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(2): 392 − 402 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102005

改良剂施用对矿区复垦土壤水稳性团聚体及有机碳组分的影响

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102005
基金项目: 国家重点联合基金项目(U1710255-4)资助
详细信息
    作者简介:

    张昊:张 昊(1997−),男,山西阳泉人,在读硕士研究生,主要从事矿区土壤复垦研究。E-mail: 18735422974@163.com

    通讯作者:

    E-mail: fwh012@163.com

  • 中图分类号: S156.2

Effects of Different Amendments on Water-stable Aggregates and Organic Carbon Components in a Reclaimed Soil

  • 摘要:   目的  探究施用不同种类和数量改良剂对矿区复垦土壤水稳性团聚体和有机碳的影响。  方法  在山西省古交市屯兰煤矿复垦6年的地块上设置随机区组试验,在0 ~ 20 cm土层按土壤重量的1%、3%、5%分别施用腐殖酸和泥炭两种改良剂,于施用后1年和2年时两次取样测定0 ~ 20 cm土壤团聚体组成、有机碳含量及其组分,对不同种类和数量改良剂的改良效果进行评价。  结果  施用腐殖酸、泥炭后1年时各处理土壤 > 2 mm水稳性团聚体质量分数均高于对照,增幅为1.53% ~ 62.27%,且土壤水稳性团聚体均以大团聚体(> 0.25 mm)为主;施用改良剂后2年时各处理土壤水稳性大团聚体含量降低,降幅为1.73% ~ 11.35%,土壤团聚体以 < 0.053 mm粒级的团聚体为主。施用改良剂后腐殖酸处理的土壤有机碳储量、固碳量和固碳速率呈先增加后减少的趋势,泥炭处理随泥炭施用量的增加而增加。施用改良剂后土壤 > 2 mm粒级团聚体质量分数与土壤有机碳储量呈显著正相关。施用改良剂能增加复垦土壤矿物结合态有机碳含量,且施用腐殖酸处理的含量高于泥炭处理。施用改良剂后2年时与1年相比,复垦土壤颗粒态有机碳含量呈增长的趋势,土壤铁铝键结合态有机碳含量则呈降低趋势。施用腐殖酸、泥炭可增加复垦土壤羧酸、醇类等官能团含量,显著增加土壤中多糖物质的含量。  结论  在矿区复垦土壤上施用腐殖酸、泥炭可显著增加土壤大团聚体数量,提高土壤有机碳、矿物结合态有机碳和颗粒态有机碳含量及土壤固碳量;随腐殖酸、泥炭施用量增加,土壤固碳速率增加、固碳效率减小;复垦区土壤改良需逐年施用腐殖酸、泥炭等改良剂,才能获得稳定的改良效果。
  • 图  1  施用腐殖酸、泥炭后1年、2年时复垦土壤有机碳含量

    不同小写字母表示不同处理差异显著(P<0.05)

    Figure  1.  Soil organic carbon (SOC) contents in reclaimed soils after 1 and 2 years of application of humic acids and peat

    图  2  腐殖酸改良剂和泥炭改良剂的红外光谱特征谱图

    Figure  2.  Infrared spectrum characteristic spectra of humic acid amendment and peat amendment

    图  3  施用腐殖酸、泥炭后不同处理复垦土壤的红外光谱特征谱图

    A施用腐殖酸1年,B施用泥炭1年,C施用腐殖酸2年,D施用泥炭2年

    Figure  3.  Infrared spectrum characteristic spectra of reclaimed soil with different treatments of humic acids and peat

    表  1  施用腐殖酸、泥炭后复垦土壤水稳性团聚体组成

    Table  1.   Compositions of water-stable aggregates in reclaimed soils in the treatments of humic acids and peat

    时间 (a)
    Time
    处理
    Treatment
    大团聚体 (%)
    Macroaggregate
    微团聚体 (%)
    Microaggregate
    > 2 mm2 mm ~ 0.25 mm> 0.25 mm0.25 mm ~ 0.053 mm< 0.053 mm< 0.25 mm
    1 对照 17.85 ± 4.09 cdB 34.15 ± 3.68 bcA 52.00 ± 7.45 ab 14.73 ± 0.24 deB 33.27 ± 7.69 aA 48.00 ± 7.45 ab
    1%腐殖酸 21.76 ± 3.34 bcC 34.69 ± 1.10 bcA 56.45 ± 2.26 ab 15.33 ± 0.34 cdeD 28.22 ± 2.22 bB 40.25 ± 1.98 ab
    3%腐殖酸 25.31 ± 3.74 abA 25.12 ± 0.25 dA 50.43 ± 3.57 b 20.01 ± 1.33 abB 29.55 ± 2.25 bA 49.22 ± 3.45 a
    5%腐殖酸 28.96 ± 3.13 aA 31.57 ± 2.15 cA 60.53 ± 4.86 a 19.01 ± 2.38 abB 20.46 ± 3.10 cB 45.66 ± 7.13 ab
    1%泥炭 18.73 ± 0.95 bcdC 41.03 ± 1.59 aA 59.67 ± 1.98 ab 17.17 ± 1.36 bcdeC 23.08 ± 0.67 cB 43.55 ± 2.26 ab
    3%泥炭 21.77 ± 2.98 bcA 30.33 ± 4.09 cdA 50.78 ± 3.45 b 21.85 ± 2.10 aB 30.70 ± 2.99 bA 49.57 ± 3.57 a
    5%泥炭 22.85 ± 6.2 bcAB 31.49 ± 6.08 cA 54.34 ± 7.13 ab 18.63 ± 2.14 bB 27.03 ± 5.19 bAB 39.47 ± 4.86 b
    2 对照 17.21 ± 0.92 bC 30.54 ± 1.65 abB 47.75 ± 1.90 bc 15.10 ± 1.45 aC 37.15 ± 1.47 abcA 52.25 ± 1.92 ab
    1%腐殖酸 23.38 ± 0.86 abB 22.90 ± 2.74 dB 46.29 ± 3.25 c 17.96 ± 6.59 aB 35.76 ± 3.94 abcA 53.72 ± 3.25 a
    3%腐殖酸 24.93 ± 2.2 aB 23.71 ± 0.67 cdBC 48.64 ± 2.70 b 20.83 ± 1.89 aC 33.81 ± 3.21 bcdA 51.36 ± 2.71 ab
    5%腐殖酸 28.64 ± 5.46 aA 27.48 ± 2.98 abcA 52.99 ± 6.83 a 14.99 ± 4.16 aB 32.03 ± 2.79 cdA 47.02 ± 6.84 c
    1%泥炭 17.08 ± 1.97 bC 31.33 ± 1.14 bB 48.40 ± 2.69 bc 15.31 ± 1.14 aC 36.29 ± 1.79 abcA 51.60 ± 2.70 ab
    3%泥炭 20.59 ± 2.04 abAB 26.63 ± 2.05 bcdB 47.23 ± 3.24 c 20.77 ± 2.64 aB 35.31 ± 2.76 bcdA 52.78 ± 3.24 a
    5%泥炭 21.08 ± 1.63 abB 27.84 ± 2.84 abcA 48.92 ± 2.21 b 20.71 ± 3.77 aB 30.37 ± 1.91 dA 51.08 ± 2.20 ab
      注:不同小写字母表示同年相同粒级不同处理差异显著(P < 0.05),不同大写字母表示同年相同处理不同粒级差异显著(P < 0.05)。
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    表  2  施用腐殖酸、泥炭后复垦土壤的有机碳储量、固碳量、固碳速率及固碳效率

    Table  2.   Organic carbon storage, carbon sequestration amount, carbon sequestration rate and carbon sequestration efficiency of reclaimed soil in the treatments of humic acids and peat

    项目
    Item
    时间 (a)
    Time
    1%腐殖酸
    1% humic acid
    3%腐殖酸
    3% humic acid
    5%腐殖酸
    5% humic acid
    1%泥炭
    1% peat
    3%泥炭
    3% peat
    5%泥炭
    5% peat
    土壤容重 (g cm−3) 1 1.36 ± 0.14 aC 1.54 ± 0.18 aA 1.42 ± 0.07 aB 1.41 ± 0.16 aB 1.42 ± 0.10 aB 1.45 ± 0.13 aB
    2 1.32 ± 0.05 aB 1.31 ± 0.08 bB 1.27 ± 0.02 bC 1.44 ± 0.05 aA 1.42 ± 0.08 aA 1.23 ± 0.02 bC
    改良剂施入
    有机碳的量 (kg m−2)
    1.08 3.25 5.41 0.64 1.93 3.22
    土壤有机碳储量 (kg m−2) 1 1.215 ± 0.13 aC 1.538 ± 0.18 aA 1.524 ± 0.08 aA 1.090 ± 0.12 aD 1.243 ± 0.09 aC 1.435 ± 0.12 aB
    2 1.116 ± 0.13 bA 1.171 ± 0.20 bA 1.207 ± 0.16 bA 1.086 ± 0.05 aA 1.130 ± 0.05 bA 1.153 ± 0.06 bA
    土壤固碳量 (kg m−2) 1 0.66 0.98 0.97 0.54 0.69 0.88
    2 0.56 0.62 0.65 0.53 0.58 0.60
    土壤固碳速率 (kg m−2 a−1) 1 0.66 0.98 0.97 0.54 0.69 0.88
    2 0.28 0.31 0.33 0.27 0.29 0.30
    固碳效率(%) 1 61.20 30.26 17.94 83.31 35.67 27.39
    2 52.06 18.99 12.08 82.73 29.84 18.63
      注:改良剂于试验初始一次性施入。施入的改良剂有机碳储量由改良剂有机碳含量与施入数量相乘所得。土壤固碳量均为与试验初始相比,表示土壤有机碳储量的增量。不同小写字母表示同一处理不同年限差异显著(P < 0.05),不同大写字母表示同一年限不同处理差异显著(P < 0.05)。
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    表  3  复垦土壤水稳性团聚体组成与土壤有机碳含量和有机碳储量的相关分析

    Table  3.   Correlation analysis of reclaimed soil water-stable aggregate composition with soil organic carbon content and storage

    土壤水稳性团聚体组成
    Composition of soil water stable aggregates
    土壤有机碳含量(g kg−1
    Soil organic carbon content
    土壤有机碳储量 (kg m−2)
    Soil carbon sequestration storage
    1年 One year2年 Two year1年 One year2年 Two Year
    > 2 mm 0.394 0.646** 0.887* 0.091
    2 ~ 0.25 mm 0.037 −0.453 −0.464 −0.269
    0.053 ~ 0.25 mm 0.525 0.178 0.040 0.210
    < 0.053 mm −0.729 −0.565** −0.339 −0.124
    > 0.25 mm 0.394 0.289 0.243 −0.146
    < 0.25 mm −0.394 −0.290 −0.243 0.146
      注:*在 0.05 级别(双尾),相关性显著,**在 0.01 级别(双尾),相关性显著。
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    表  4  施入腐殖酸、泥炭后复垦土壤MOC、POC、Ca-SOC和Fe(Al)-SOC含量

    Table  4.   Contents of MOC, POC, Ca-SOC and Fe(Al)-SOC in reclaimed soil in treatments of humic acids and peat

    时间 (a)
    Time
    处理
    Treatment
    颗粒态有机碳(g kg−1
    POC
    矿物结合态有机碳(g kg−1
    MOC
    钙键结合态有机碳(g kg−1
    Ca-SOC
    铁铝键结合态有机碳(g kg−1
    Fe(Al)-SOC
    1 对照 0.76 ± 0.04 e 1.15 ± 0.13 c 0.93 ± 0.15 a 8.42 ± 0.10 e
    1%腐殖酸 1.01 ± 0.01 d 1.29 ± 0.03 b 0.73 ± 0.04 b 9.45 ± 0.30 d
    3%腐殖酸 1.44 ± 0.02 b 1.36 ± 0.06 a 0.45 ± 0.05 c 10.08 ± 0.35 c
    5%腐殖酸 1.58 ± 0.02 a 1.32 ± 0.12 a 0.18 ± 0.003 d 11.42 ± 0.51 b
    1%泥炭 0.98 ± 0.01 d 1.07 ± 0.02 c 0.41 ± 0.02 c 8.57 ± 0.17 e
    3%泥炭 1.13 ± 0.01 c 1.35 ± 0.01 a 0.63 ± 0.01 b 13.26 ± 0.40 a
    5%泥炭 1.44 ± 0.04 b 1.28 ± 0.03 b 0.73 ± 0.02 b 11.16 ± 0.25 b
    2 对照 0.65 ± 0.12 e 2.25 ± 0.03 d 0.91 ± 0.15 a 7.00 ± 0.49 d
    1%腐殖酸 1.29 ± 0.05 c 2.34 ± 0.13 cd 0.84 ± 0.05 ab 8.87 ± 0.68 bc
    3%腐殖酸 1.50 ± 0.07 b 2.55 ± 0.21 bc 0.54 ± 0.04 d 9.49 ± 0.43 b
    5%腐殖酸 1.90 ± 0.02 a 2.73 ± 0.02 a 0.25 ± 0.05 e 6.57 ± 0.59 d
    1%泥炭 0.80 ± 0.02 d 2.47 ± 0.08 bc 0.34 ± 0.13 e 7.68 ± 0.58 cd
    3%泥炭 1.31 ± 0.12 c 2.59 ± 0.13 b 0.58 ± 0.05 cd 11.16 ± 1.16 a
    5%泥炭 1.88 ± 0.06 a 2.71 ± 0.10 a 0.70 ± 0.06 bc 8.88 ± 0.39 bc
      注:不同小写字母表示同一指标不同处理差异显著(P < 0.05)。
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-02
  • 录用日期:  2022-01-23
  • 修回日期:  2021-11-30
  • 刊出日期:  2022-04-07

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