添加玉米秸稈條件下土壤有機碳含量對溫度變化的響應

高淑青　王莉　曹志遠　李夢瑤　張丹丹　易彩霞

摘要：通過室內培養試驗，研究了不同溫度（10、30、50℃）下添加玉米秸稈對土壤總有機碳、團聚體有機碳、水溶性有機碳及腐殖質碳含量的影響。結果表明，與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤中以上各種有機碳含量均明顯增加，同時促進了土壤微團聚體向大團聚體的轉化。隨培養溫度的升高，添加玉米秸稈后的土壤總有機碳含量、土壤中0.25～0.053和<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量以及土壤腐殖質組分（胡敏酸和富里酸）的有機碳含量下降，而2～0.25mm粒級團聚體有機碳含量增加，說明添加玉米秸稈后溫度升高不利于土壤總有機碳、較小粒級團聚體有機碳、水溶性有機碳及腐殖質碳的積累，同時也不利于土壤大團聚體的形成。

關鍵詞：土壤有機碳；土壤團聚體；土壤腐殖質；培養溫度；玉米秸稈

土壤有機碳（SOC）是土壤的重要組成部分，它不僅直接或間接地決定著土壤的水、肥、氣、熱條件，還決定著土壤生物化學過程及物質的吸收與釋放。土壤有機質含量及其品質決定于進入到土壤中的有機物料量和種類，還與有機質進入土壤后的分解和積累過程密切相關。秸稈還田作為一種保護性耕作措施，不僅可以改善土壤的養分狀況，還可通過增加土壤有機碳的直接輸入實現固碳，而且對土壤有機碳的含量和組成有一定影響。秸稈還田是一個復雜的過程，外界環境對其有很大的影響，其中溫度是最重要的影響因素之一。shaukat等研究表明低溫有利于秸稈對土壤有機碳的截留和保蓄，較高的溫度會加速秸稈有機碳向無機碳的轉化。

團聚體作為土壤有機碳（SOC）的保持場所，對土壤固碳和肥力都十分重要。表土中有大約90%的SOC位于團聚體內。秸稈還田能夠促進土壤團聚體向大團聚體的轉化，提高了土壤團聚體的穩定性：秸稈還田后土壤各粒級團聚體內的有機碳含量普遍提高，并且明顯提高了大團聚體中有機碳對土壤有機碳的貢獻率。關松等研究表明，25℃下添加秸稈促進了土壤的團聚作用，使>2 mm大團聚體成為優勢粒級：土壤有機碳和凈積累有機碳主要分布在>2 mm和2-0.25 mm團聚體中，0.25-0.053 mm團聚體中分布最少。

水溶性有機碳被認為是農業管理措施對土壤有機質影響反應最敏感的指標之一，植物殘體和土壤腐殖質是土壤中水溶性有機碳的主要來源。土壤中水溶性有機碳的含量受很多因素影響，如土壤的理化性狀、施肥等人為經營措施、植被覆蓋條件等。土壤溫度和外源有機物料也是影響土壤水溶性有機碳的主要因素，曹建華等研究表明，自然條件下土壤中水溶性有機碳含量隨溫度的升高而增加。以往的研究結果也表明，添加玉米秸稈能夠顯著提高土壤水溶性有機碳的含量。土壤腐殖物質是土壤中所特有的一類特殊的高分子化合物，對土壤肥力、結構和性質具有重要的調節功能，土壤腐殖物質的形成和轉化與環境因素息息相關。王薇等研究表明，秸稈還田直接或間接地影響到胡敏酸和富里酸的形成與轉化。不同溫度下秸稈還田對土壤腐殖質有機碳含量影響的研究較少，同時不同溫度下秸稈還田對東北黑土腐殖質有機碳含量影響的研究鮮有報道。

本研究在前人研究的基礎上，選擇吉林省梨樹縣黑土進行室內模擬試驗，研究不同溫度下添加玉米秸稈對黑土總有機碳、團聚體組成、團聚體有機碳、水溶性有機碳和腐殖質碳的影響，對增強黑土農田生態系統的碳固定功能、緩解大氣CO₂濃度升高和全球變暖、增加糧食作物產量、促進農業可持續發展具有重要的意義。

1.材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤采自吉林省梨樹縣玉米試驗田，土壤類型為黑土，采樣深度為0-20 cm。土樣經風干后，研磨過2 mm篩，備用。該土壤的有機碳含量為11.2g/kg，pH 5.42，含水量4.95 g/kg。

供試玉米秸稈采自吉林農業大學試驗田，經60℃烘干后，粉碎過0.25 mm篩，備用。該玉米秸稈含有機碳510.9g/kg，含水量7.68g/kg，pH 5.54。

1.2試驗設計

稱取風干土樣200 g，按5%的比例（占風干土重的百分比）加入玉米秸稈，用硫酸銨調節碳氮比（C/N）為20：1，混勻。加去離子水至田間持水量60%，裝入500 mL塑料燒杯中，用可透氣的塑料薄膜封口，分別在10、30和50℃下恒溫培養，同時設置不加玉米秸稈的空白培養對照，每個處理重復3次。培養期間定期稱重加水，60 d后取出培養樣，分別過2mm和0.25mm篩，備用。

1.3測定方法

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱）測定。土壤團聚體分級采用濕篩法，分別獲得2-0.25、0.25～0.053和<0.053 mm的水穩性團聚體。土壤水溶性有機碳和腐殖質碳的測定采用腐殖質組成修改法，即首先用去離子水提取水溶性組分（WSF），然后用0.1 mol/L NaOH+0.1 moL/L Na₄P₂O₇溶液提取堿溶性腐殖質（HE），再經酸沉淀法分離出胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。

1.4數據處理和統計分析

數據處理采用Excel 2003軟件，統計分析采用SPSS 16.0軟件。處理間差異采用單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05。

2.結果與分析

2.1土壤總有機碳含量對溫度變化的響應

從圖1可以看出，與未加玉米秸稈的對照處理相比，添加玉米秸稈后土壤總有機碳含量顯著增加，其中10、30、50℃下的增加幅度分別為144%、125%和130%，說明低溫下添加玉米秸稈對土壤有機碳的提高效果更為顯著。Shaukat等的研究表明，低溫（15℃）有利于秸稈對土壤有機碳的保持，而高溫（20℃）則會加速秸稈有機碳向無機碳的轉化，與此次研究結果相一致。

隨培養溫度的增加，無論添加玉米秸稈與否，土壤總有機碳含量均顯著降低。以往的研究結果也表明，土壤有機碳的礦化量和礦化速率隨著培養溫度的升高而增加，與本研究結果也是一致的。

2.2土壤團聚體有機碳含量對溫度變化的響應

2.2.1土壤團聚體組成 由表1可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，粒級為0.25～0.053 mm的微團聚體的含量（73.6%～77.3%）最高，為優勢粒級：其次為2～0.25 mm的大團聚體（14.1%-17.2%），而粒級<0.053 mm的團聚體的含量（5.98%-6.89%）最低。隨培養溫度的增加，0.25-0.053 mm和<0.053 mm團聚體的含量沒有顯著變化，但50℃條件下2～0.25 mm團聚體的含量顯著低于其他兩個溫度處理，說明高溫不利于土壤大團聚體的形成。

添加玉米秸稈后，2-0.25 mm團聚體轉變為優勢粒級，占40.9%～82.7%：其次為0.25～0.053 mm粒級團聚體，占12.9%-51.3%：<0.053 mm粒級團聚體的含量最低，為2.21%-6.25%。與未加玉米秸稈的對照相比，添加玉米秸稈使2～0.25 mm粒級大團聚體的含量顯著增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級團聚體的含量顯著降低。隨培養溫度的增加，2～0.25 mm粒級團聚體的含量顯著降低，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級團聚體的含量顯著增加。上述結果說明，添加玉米秸稈促進了土壤中微團聚體向大團聚體的轉化：低溫條件下更有利于土壤大團聚體的形成，而溫度增加則破壞了大團聚體結構，使其向微團聚體轉化。

關松等的研究表明，黑土以0.25-0.053 mm粒級團聚體含量最多，添加玉米秸稈使2～0.25 mm團聚體含量增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級團聚體含量減少：崔榮美等的研究表明，玉米秸稈還田后，>0.25 mm團聚體含量顯著高于未加秸稈的對照處理：郝翔翔等的研究表明，連續秸稈還田能夠促進土壤微團聚體向大團聚體轉化，這些研究結果與本研究結果都是一致的。但孫漢印等的研究表明，小麥秸稈還田后0.25～0.053 mm微團聚體含量明顯增加，與此次研究結果不同，這可能與所施用秸稈的種類不同有關。

2.2.2土壤團聚體有機碳含量 由表2可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤團聚體有機碳含量主要分布在2-0.25 mm粒級團聚體中，其次為<0.053 mm粒級團聚體，而0.25～0.053 mm粒級團聚體有機碳含量最低。隨培養溫度的增加，各粒徑團聚體的有機碳含量均降低，說明升高溫度能促進團聚體有機碳的分解。

添加玉米秸稈后，土壤團聚體有機碳含量仍主要分布在2-0.25 mm粒級團聚體中，其次為0.25～0.053 mm粒級團聚體，而<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量最低。與未加玉米秸稈的對照相比，添加玉米秸稈后各粒級團聚體有機碳含量顯著增加。隨培養溫度的升高，0.25-0.053 mm和<0.053 mm粒級團聚體的含量顯著下降，而2-0.25 mm粒級團聚體的有機碳含量顯著增加，說明溫度升高主要減少了有機碳在0.25-0.053和<0.053 mm粒級團聚體中的分布。

已有的研究表明，添加秸稈能提高土壤各粒級團聚體的有機碳含量，并且大團聚體有機碳含量明顯高于微團聚體，與本研究的結果相一致。

2.3土壤水溶性和腐殖質碳含量對溫度變化的響應

2.3.1土壤水溶性碳含量 由表3可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤水溶性碳含量隨溫度的升高顯著增加，說明高溫有利于土壤中水溶性有機碳的積累。與未添加玉米秸稈相比，加入玉米秸稈后土壤中水溶性碳的含量明顯增加，隨溫度的升高，水溶性碳含量下降，但50℃下的水溶性碳含量顯著高于30℃處理，說明30℃最不利于水溶性有機碳的積累。以往的一些研究也表明，添加玉米秸稈能夠顯著提高土壤水溶性碳含量，與本研究結果相一致。但馮發堂等的研究表明，添加植物細根或草根后，土壤水溶性碳含量隨溫度的升高而增加，具體表現為30℃>20℃>10℃：劉艷等研究了不同溫度條件下杉木、榿木和火力楠細根分解對土壤水溶性碳的影響，表明培養溫度對水溶性碳含量的影響為14℃>24℃>28℃>9℃，與此次研究結果不完全相同，這可能與供試的土壤類型和有機物料不同有關。

2.3.2土壤腐殖質碳含量 由表3可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤腐殖質組分的含碳量均隨溫度的增加而降低，說明高溫不利于土壤腐殖質組分的積累。方差分析結果表明，HE和FA的含碳量在10℃和30℃處理間差異不顯著，而HA的含碳量在30℃和50℃處理間差異不顯著。從HA/FA的變化來看，溫度的影響表現為10℃>50℃>30℃，說明30℃條件下更有利于FA形成，而10℃培養則更有利于HA形成。

與未加玉米秸稈（CK）相比，加入玉米秸稈后土壤腐殖質組分的碳含量都明顯增加，這與以往的研究相一致。除50℃處理外，10℃和30℃處理的HA/FA都高于未添加玉米秸稈的處理，說明添加玉米秸稈對HA、FA形成的影響也與培養溫度有關，10℃和30℃有利于HA的形成，而50℃則有利于FA的形成。隨著培養溫度的升高，土壤腐殖質組分的碳含量均降低，說明高溫不利于土壤腐殖質組分的積累。

3.結論

1）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤總有機碳含量顯著增加。隨培養溫度的升高，土壤總有機碳含量顯著降低。

2）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈促進了土壤中微團聚體向大團聚體的轉化，同時提高了各粒級土壤團聚體的有機碳含量。培養溫度的升高破壞了大團聚體結構，使其向微團聚體轉化，同時減少了有機碳在0.25～0.053和<0.053mm粒級團聚體中的分布。

3）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤腐殖質組分的碳含量明顯增加，隨著培養溫度的升高，土壤腐殖質組分的碳含量有所降低。