土壤有机碳是土壤肥力的重要指标,是土壤质量和功能的核心。有机碳是由本质特性差异的各种碳组分构成,不同碳组分的结构、分解速率和活性不同,对土壤管理措施的反应差异也很大。土壤微生物是影响和控制土壤有机碳转化的重要因素。山西省由于大面积的煤炭开采,导致土地尤其是耕地出现大面积塌陷。复垦土壤存在的突出问题是有机碳含量低、微生物活性差,有机碳含量提高是复垦土壤质量提升的难点也是关键所在。因此,本研究以晋东南采煤塌陷复垦区的长期定位试验为依托,研究了长期施肥下复垦农田土壤有机碳及其组分的数量及结构的变化;研究了复垦过程中不同施肥措施下土壤微生物群落及代谢特征的差异;分析了土壤微生物与碳周转的联系机制。研究结果对深入认识不同施肥措施下复垦土壤有机碳的组分特征、结构特征及微生物特性,丰富复垦农田土壤质量恢复的理论基础具有重要的科学意义,也为复垦土壤质量提升及合理培肥提供一定的科学依据。主要研究结果如下:(1)影响复垦土壤有机碳恢复的主要因素是施肥措施而不是工程复垦方式,高量有机无机肥(hNPKM)处理是促进复垦土壤有机碳恢复的最佳施肥措施,hNPKM处理土壤有机碳含量在复垦8年时达到了正常农田水平。复垦10年时,hNPKM处理土壤固碳速率最高,hNPKM处理的土壤碳库管理指数显著高于正常农田(NL);土壤各有机碳组分中,易氧化有机碳(ROC)对施肥措施的敏感性最高。(2)复垦10年时,各施肥处理下土壤总有机碳的化学结构均以烷氧碳为主,表现为烷氧碳>烷基碳>芳香碳>羰基碳,hNPKM处理土壤有机碳的腐殖化程度更高,粘粒结合的有机碳结构比粗砂和细砂的要稳定。复垦10年后,施用化肥(NPK)土壤烷氧碳所占比例增加,羰基碳所占比例下降,有机无机肥配施增加了烷基碳、羰基碳的比例,降低了烷氧碳和芳香碳的比例,提高了烷基C/烷氧C值(A/OA);随着颗粒变细(粗砂、细砂、粘粒),烷氧碳、芳香碳所占比例下降,烷基碳和羰基碳增加,A/OA值增大。(3)复垦10年时,土壤的综合酶活力指标GMea(geometric mean of the assayed enzyme activities)表现为:NL=hNPKM>NPK>CK。不同施肥下土壤碳酶、磷酶和氮酶活力均显著低于NL,土壤碳酶、磷酶活力表现为hNPKM>NPK>CK,土壤氮酶活力表现为NPK>hNPKM>CK。与CK相比,NPK和hNPKM处理土壤胞外酶活力的C/N比分别提高26.93%和55.80%,C/P比提高31.20%和42.62%。(4)复垦10年时,各施肥处理均增加了土壤微生物的Shannon指数,hNPKM显著增加了微生物群落的McIntosh指数和Simpson指数,均表现为NL>hNPKM>NPK>CK。与CK相比,NPK显著提高了微生物对糖类和聚合物的利用程度,提高率分别为50%和36%,显著降低了对胺类和脂类的利用程度,降低幅度分别为48%和32%;hNPKM显著提高了微生物对糖类和脂类的利用程度,提高率分别为31%和49%,显著降低了对胺类、聚合物类和氨基酸类的利用率。(5)复垦10年时,各施肥处理均增加了复垦土壤细菌和真菌的数量及多样性,改变了微生物群落的网络结构;有机质、全氮和pH值的变化是影响细菌、真菌菌群结构差异的主要因素。hNPKM对细菌和真菌多样性的提高幅度最大。与CK相比,长期施肥细菌、真菌生态系统内的连接更密集,离散度降低,hNPKM处理的微生物网络中形成了更多生态上相似的官能团,模块性降低。hNPKM处理和NL处理微生物在争夺土壤营养时,竞争与协同相当。复垦10年时,各施肥处理细菌与真菌的微生物多样性均低于NL。(6)复垦10年时,复垦土壤有机碳及各组分与土壤胞外酶活性、微生物多样性均呈显著的相关关系。施肥提高了土壤有机碳含量,改善了土壤微生物群落功能,而土壤微生物功能的正向演化,也促进了复垦土壤有机碳的积累。