秸稈深還不同年限對黑土腐殖質組成和胡敏酸結構特征的影響*

董珊珊竇 森?邵滿嬌靳亞雙李立波譚 岑林琛茗

（1 吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

（2 吉林省榆樹市恩育鄉農機管理服務站，吉林榆樹 130408）

秸稈深還不同年限對黑土腐殖質組成和胡敏酸結構特征的影響*

董珊珊1竇 森1?邵滿嬌1靳亞雙2李立波1譚 岑1林琛茗1

（1 吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

（2 吉林省榆樹市恩育鄉農機管理服務站，吉林榆樹 130408）

秸稈深還（Corn stover deep incorporation，CSDI）指將作物秸稈深埋于土壤亞表層20～40 cm深處，用以解決秸稈焚燒和土壤肥力退化的可持續利用模式。本文以吉林農業大學玉米連作耕地試驗田未施用秸稈和秸稈深還不同年限的土壤為研究對象，設置CK、CSDI（2014）、CSDI （2013）和CSDI（2012）共4種處理，分別代表未施入秸稈、2014年秸稈深還（深還第1年）、2013年秸稈深還（深還第2年）、2012年秸稈深還（深還第3年），研究秸稈深還不同年限對黑土腐殖質組成和胡敏酸結構特征的影響。通過腐殖質組成修改法提取富里酸（Fulvic acid，FA）、胡敏酸（Humic acid，HA）和胡敏素（Humin，HM），國際腐殖質協會（International Humic Substances Society，IHSS）推薦的方法提取HA樣品，通過元素組成、紅外光譜和差熱分析測定HA結構。結果表明：與CK相比，秸稈深還1年后顯著提高了土壤和腐殖質各組分有機碳含量，亞表層累積效果更明顯，其土壤有機碳（SOC）、HA、FA和HM有機碳含量分別增加了23.7%、30.5%、27.3%和46.1%，但PQ值（HA在可提取腐殖物質的比例）沒有顯著變化；HA氧化度和縮合度降低明顯，表層和亞表層（O+S）/ C比值分別降低14.31 %和14.68 %，H/C比值分別增加27.74 %和28.86 %，脂族鏈烴和芳香碳含量增加，熱穩定性降低，HA結構趨于簡單化。隨著年限增加，深還3年后SOC、FA和HM有機碳含量呈下降趨勢，HA有機碳含量呈上升趨勢，PQ值變化顯著，HA縮合度、氧化度呈上升趨勢，脂族性減弱，芳香性增強，HA結構趨于復雜化。說明隨著年限增加，秸稈不斷礦化分解，秸稈深還對土壤腐殖質組成和結構特征的影響效果減弱。

秸稈深還年限；土壤腐殖質組成；胡敏酸；結構特征

我國作物秸稈產量巨大，農民為節約成本便于耕作，多數選擇就地焚燒［1］。不僅污染環境，而且不利于建立可持續的農田生態系統。秸稈還田是最簡便、最實用的技術措施，對改善土壤結構和微生物群落，增加農田土壤有機碳庫及促進養分循環具有重要意義［1］。但現行的秸稈還田多為地表覆蓋和粉碎淺施，在耕作中易產生地溫過低、跑墑漏風、影響出苗、病蟲害增加等問題［2］，難以推廣。我們提出的“秸稈深還”（Corn stover deep incorporation，CSDI）模式［3］，是將作物秸稈深還于土壤亞表層20～40 cm，既解決了秸稈焚燒問題，又可打破犁底層、增厚耕作層，增加土壤有機質含量，達到亞表層培肥的目的。

國內外學者對秸稈還田做了一系列研究，Blanco-Canqui 和Lal［4］研究表明：通過連續10年秸稈覆蓋，能提高土壤保水能力，減少水分蒸發，增加0～5 cm土層的團聚體數量。Thomsen和Christensen［5］研究表明，連續18年每年分別用4 t hm2、8 t hm2和 12 t hm2的麥草秸稈還田，土壤有機碳含量分別提高12 %、21 %和30 %。Malhi等［6］通過對比稻稈移除和稻稈還田表明，長期稻稈還田有利于逐步提高土壤生產力和有機氮利用效率。彭義等［7］研究表明，秸稈覆蓋有利于有機碳在表層的累積，與無秸稈覆蓋土壤相比，具有更高的氨基化合物、脂肪族碳和芳香族碳含量。一些學者將秸稈深還與秸稈覆蓋和淺施進行對比表明：秸稈深還更有利于有機質的累積和土壤微生物結構改善［1］；降低土壤容重，提高土壤蓄水功能［2］；使HA的縮合度、芳香結構和熱穩定性增加，分子結構變復雜［7］。

現行的秸稈還田模式，秸稈深還優于覆蓋和淺施，但是秸稈深還也不宜年年進行，應該采用條帶輪耕式富集深還［3］，本研究的目的就是觀測秸稈深還的后效，尤其是對腐殖質組成和胡敏酸結構特征的影響，以期為合理確定秸稈深還輪耕周期提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點選自吉林農業大學試驗田（43°48′N，125°23′E），具體見文獻［9］。土壤基本性質見表1。

表1 供試土壤的基本性質Table 1 Basic properties of the soil in the experiment

1.2 試驗設計

試驗設CK、CSDI（2014）、CSDI（2013）和CSDI（2012）共4種處理，分別代表未施入秸稈常規耕作、2014年秸稈深還（深還第1年）、2013年秸稈深還（深還第2年）和2012年秸稈深還（深還第3年）。試驗于當年秋收后進行，人工挖出上底寬60 cm、下底寬40 cm、深40 cm，截面為倒置等腰梯形的深還溝，下底中央位置對應兩壟玉米之間壟溝處。挖溝時，將0～20 cm和20～40 cm的土壤分開放置。將粉碎后的玉米秸稈均勻平鋪至深還溝中，還田量為12 000 kg hm-2，并配施尿素160 kg hm-2。按20～40 cm、0～20 cm順序將土還至溝中，形成大壟，自然沉降。秸稈深還各處理與CK進行相同田間耕作。各處理的小區面積為78 m2，重復3次，隨機排列。每年種植玉米，品種為中金 368（北京金粒粒金種子有限公司），進行正常田間管理，4月末播種，10月初秋收。深還秸稈有機碳為338.6 g kg-1，全氮為6.87 g kg-1，C/N為 49.3∶1。

于2015年10月采集各處理表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土壤進行分析測定。

1.3 分析方法

土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法，速效鉀采用火焰光度計法，pH采用電位法［10］。

土壤腐殖質組成提取測定：采用腐殖質組成修改法進行提取［11］。以0.1 mol L-1Na4P2O7+0.1 mol L-1NaOH混合液為提取劑從土壤中提取腐殖酸（Humus extracted，HE），用0.5 mol L-1H2SO4分離腐殖酸（HE）得到胡敏酸（HA）與富里酸（FA），剩余為胡敏素（HM）。各組分含碳量采用重鉻酸鉀容量法。

H A樣品提取純化：采用國際腐殖質協會（International Humic Substances Society，IHSS）推薦的方法［12］，將風干土樣用0.1 mol L-1HCl調至土水比1∶10，用0.1 mol L-1NaOH溶液堿提得到HE，將HE提取液經6 mol L-1HCl酸化至pH=1.0得到粗HA，經高速離心、電滲析、旋轉蒸發和凍干后得到純化后的HA樣品。

HA結構測定：HA元素組成采用德國Elementar Vario EL Ⅲ型元素分析儀測定在C/H/ N模式下進行測定，其中C、H、N元素含量為實測值，O+S元素含量采用差減法計算；HA紅外光譜通過美國AVATAR 360傅里葉變換紅外光譜儀測定，采用KBr壓片法，測試范圍為4 000～500 cm-1，通過OMNIC軟件對紅外譜圖進行特征峰選取，進行半定量分析，對不同波數的特征吸收峰進行峰面積計算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比表示其峰強度；運用德國NETZSCH STA 2500熱重分析儀進行差熱分析，稱取樣品量為3～10 mg，在60 ml min-1的空氣流量條件下，以15 ℃ min-1的升溫速度由35℃升至600℃，用儀器自帶Proteus Analysis軟件分析各樣品的差熱和熱重曲線，測量峰面積，計算反應熱，進行半定量分析。

1.4 數據處理

用Microsoft Office Excel 2013對數據進行處理，用SPSS Statistics19.0軟件進行顯著性差異分析，紅外光譜圖和熱重、差熱分析圖使用Origin7.5軟件進行組圖。

2 結 果

2.1 秸稈深還不同年限對土壤有機碳的影響

各處理土壤有機碳含量如圖1所示，表層和亞表層SOC含量均表現為：CSDI（2014）＞ CSDI （2013）＞ CSDI（2012）＞ CK，差異顯著。與CK相比，CSDI（2014）、CSDI（2013）和CSDI（2012）處理下表層SOC分別增加了15.62 %、12.57 %和8.03 %；亞表層SOC分別增加了23.71 %、18.95 %和12.24 %，說明秸稈深還有利于提高土壤有機碳含量，深還1年后亞表層SOC累積效果更顯著；隨著年限增長，深還3年后SOC含量雖高于CK但呈下降趨勢，亞表層較表層土壤有機碳下降幅度更明顯。

2.2 秸稈深還不同年限對土壤腐殖質組分的影響

圖1 秸稈深還不同年限對土壤有機碳的影響Fig. 1 Effect of CSDI with different years on soil organic carbon

各處理土壤腐殖質組分有機碳含量如表2所示，與CK相比，CSDI（2014）、CSDI（2013）和CSDI（2012）處理下表層HA有機碳含量分別增加23.57 %、28.21 %和32.59 %，亞表層分別增加30.45 %、39.17 %和44.24 %；FA有機碳含量表現為：表層和亞表層CSDI（2014）處理增加最多，分別為17.23 %和27.39 %，CSDI（2012）處理略低于CK；各處理HM有機碳含量變化趨勢為：CSDI （2014）＞ CSDI（2013）＞ CSDI（2012）＞ CK。說明秸稈深還有利于土壤腐殖質組分改善，深還1年對亞表層累積效果更好；隨著年限增長，深還3年后HA有機碳含量呈上升趨勢，FA和HM與之相反。

PQ值是HA在可提取腐殖物質中所占比例，是反映土壤有機質腐殖化程度的重要指標。從表2可以看出，相比于CK，CSDI（2014）處理下土壤PQ值略有增加，但變化不顯著；CSDI（2013）和CSDI（2012）處理下表層PQ值從54.26 %分別增加至59.34 %和63.26 %，亞表層從52.75 %分別增加至58.47 %和63.84 %。隨著年限增長，深還3年后土壤PQ值明顯增加且變化顯著。

2.3 秸稈深還不同年限對土壤HA元素組成的影響

通過對HA元素組成分析，可以簡單判斷其結構和官能團特征。土壤腐殖質中以H / C和（O+S）/ C摩爾比值來表征HA分子結構縮合度和氧化度強弱的指標［13］，H / C比值越小表示腐殖質芳香化程度越高，反之則表示含有的脂肪族化合物越多［14］。（O+S）/ C比值越大則表示腐殖質中含有較多的碳水化合物和羧酸等含氧基團［15］。

土壤HA元素組成見表3，各處理HA中C、N和H元素含量均高于CK，O+S元素含量則小于CK，說明秸稈深還促進HA中C、N和H元素積累及O元素消耗。與CK相比，CSDI（2014）、CSDI （2013）和CSDI（2012）處理下表層和亞表層HA的（O+S）/ C比值均低于CK，其中CSDI（2014）下降最多，為14.31 %和14.68 %，CSDI（2012）下降最少，為13.31 %和13.54 %；H / C比值均高于CK，其中CSDI（2014）增加最多，為27.74 % 和28.86 %，CSDI（2012）增加最少，為0.30%和0.51 %。說明秸稈深還使土壤HA縮合度和氧化度下降，深還1年效果更明顯；隨著年限增長，深還3年后HA縮合度和氧化度呈上升趨勢。

表2 秸稈深還不同年限對土壤腐殖質組成和PQ值的影響Table 2 Effects of CSDI with different years on composition and PQ value of soil humus

表3 秸稈深還不同年限對土壤HA元素組成的影響Table 3 Effect of CSDI with different years on elemental composition of HA in the soil

2.4 秸稈深還不同年限對土壤HA紅外光譜的影響

圖2為秸稈深還不同年限下土壤HA的FTIR變化。各處理HA均顯示2 920 cm-1處代表不對稱脂族C-H伸縮振動的峰，2 850 cm-1處代表-CH2-對稱脂族C-H伸縮振動的峰，1 720 cm-1處代表羧基C=O伸縮振動的吸收峰和1 620 cm-1處代表芳香C=C伸縮振動的吸收峰，說明各處理HA紅外圖譜形狀相似，具有基本一致的結構。但各處理HA在一些關鍵官能團的吸收峰強度上存在差異，說明秸稈深還不同年限對HA各官能團產生影響。

圖2 秸稈深還不同年限對HA的FTIR譜圖的影響Fig. 2 Effect of CSDI with different years on FTIR spectra of HA in the soil

半定量分析HA主要吸收峰相對強度如表4，各處理表層和亞表層HA在2 920 cm-1、2 850 cm-1和1 620 cm-1吸收峰的相對強度均高于CK，1 720 cm-1吸收峰的相對強度小于CK，說明秸稈深還使HA脂肪鏈烴與芳香碳含量增加，羧基含量降低。相比于CK，CSDI（2014）處理表層和亞表層HA的2 920 / 1 620和2 920 / 1 720比值均高于CK；CSDI （2012）處理表層和亞表層HA的2 920 / 1 620比值則低于CK。就不同年限而言，各處理2 920 / 1 620 和2 920 / 1 720比值均表現為：CSDI（2014）＞CSDI（2013）＞ CSDI（2012）。說明秸稈深還1年后HA的脂族碳/芳香碳、脂族碳/羧基碳增加；隨著年限增長，深還3年后HA脂族碳/芳香碳和脂族碳/羧基碳降低，脂族性減弱，芳香性增強。

表4 秸稈深還不同年限對土壤HA的FTIR光譜主要吸收峰相對強度的影響Table 4 Effect of CSDI with different years on relative intensity of the main absorption peaks in the FTIR spectrum of HA in the soil

2.5 秸稈深還不同年限對土壤HA熱穩定性的影響

對各處理土壤HA進行熱穩定性分析，圖3為土壤HA的差熱曲線（DTA），是樣品在升溫過程中發生相變或反應熱效應的熱量變化；圖4為土壤HA的熱重曲線（TG），是樣品隨溫度/時間的質量變化。從HA的DTA曲線可以看出，樣品在熱解過程中表現為中溫放熱（351～375℃）和高溫放熱（498～521℃）。中溫放熱代表樣品結構非核部分脂肪族側鏈及氫鏈的裂解，高溫放熱是樣品結構分子內部羧基和芳香核裂解［16］。

圖3 秸稈深還不同年限對HA的DTA曲線的影響Fig. 3 Effect of CSDI with different years on DTA curve of HA

圖4 秸稈深還不同年限對HA的TG曲線的影響Fig. 4 Effect of CSDI with different years on TG curve of HA

表5 秸稈深還不同年限對HA的放熱和失重的影響Table 5 Effects of CSDI with different years on exothermic heat and mass loss of HA

通過半定量分析如表5所示，秸稈深還各處理表層和亞表層HA在中、高溫處的放熱量和失重均大于CK，說明秸稈深還使HA中能分解的有機物質含量增加，分子結構中脂族化合物和芳香化合物增加。相比于CK，CSDI（2014）處理下HA的高/中熱量和失重比均小于CK；CSDI（2013）和CSDI （2012）則高于CK，表現為：CSDI（2012）＞CSDI（2013）＞ CK 。說明秸稈深還1年后，HA熱穩定性下降；隨著年限增長，深還3年后HA熱穩定性增強。

3 討 論

3.1 秸稈深還不同年限對土壤有機碳和腐殖質組成的影響

本研究表明：秸稈深還有利于提高土壤有機碳含量，對亞表層累積效果更顯著，這可能是因為秸稈還田加劇了土壤微生物代謝速率［17］，有機物料在微生物作用下不斷礦化分解，提高了土壤有機碳含量，亞表層由于少受耕作和根莖落葉影響，土壤透氣性和透水性較低，秸稈通過緩慢的腐解轉化更利于有機質的積累。Tang［18］和Brahim［19］等認為農田開墾后土壤有機質含量逐年下降，有機碳庫呈虧損狀態，每年向土壤中輸入適量有機物料及其腐解物質是提高土壤含碳量，維持土壤碳庫循環的重要途徑。這也可能是本文中隨年限增長，土壤有機碳呈下降趨勢的重要原因，而亞表層由于少受根系殘留影響，土壤有機碳在不斷礦化分解過程中下降更明顯。

張艷鴻等［20］研究表明秸稈深還后土壤腐殖質各組分含量顯著增加，PQ值略有增加，但變化不顯著，土壤的熟化程度及肥力狀態向適宜的方向轉化。本文研究結果與之有所不同，秸稈深還1年后土壤HA、FA和HM含碳量均顯著增加，因此土壤PQ值變化不顯著。隨著年限增長，HA有機碳含量呈上升趨勢，FA和HM與之相反，土壤PQ值顯著增加，可能是因為：在秸稈腐解過程中，FA和HM先形成，隨著深還年限增長，新形成的FA大量減少，其在礦化分解的同時又進一步縮合成為結構復雜的HA，從而使土壤PQ值上升。

3.2 秸稈深還不同年限對土壤胡敏酸結構特征的影響

本文研究表明：秸稈深還1年后土壤HA氧化度、縮合度和熱穩定性顯著降低，脂族鏈烴和芳香碳增加，HA結構趨于簡單化。朱姝等［9］研究表明，秸稈深還促使土壤各粒級團聚體中HA縮合度、氧化度和熱穩定性下降，結構簡單化、年輕化。張艷鴻等［20］認為秸稈深還及秸稈配施化肥均能使HA芳香結構比例增加，但秸稈深還同時增加了脂族鏈烴比例。本文試驗中得出類似結論可能是秸稈施入亞表層土壤中，土壤微生物活性增強，一方面微生物新陳代謝速率提高，導致土壤中易氧化性碳和腐殖化程度較高的 HA 被微生物分解［21］，另一方面秸稈腐解產生大量碳水化合物、脂族碳和芳香碳［7］，使新形成的HA結構較為年輕，熱穩定性相對較低。

隨著年限增加，土壤HA氧化度和縮合度呈上升趨勢，脂族性減弱，芳香性增強，熱穩定性增加。于孝東等［22］研究表明稻草腐解過程中土壤胡敏酸氧化程度和芳構化程度逐漸增強，土壤胡敏酸的形成是還原性官能團轉化成氧化性官能團的過程。本試驗結果可能是：隨著培肥時間的延長，土壤中新形成的結構較為簡單、穩定性相對較低的腐殖物質在微生物作用下其易于分解部分被礦化分解生成CO2、H2O，另一部分則作為微生物的代謝產物殘存下來，土壤HA結構進行再縮合過程，鏈狀結構重組，通過聚合反應形成新的芳香性強、難分解的高分子化合物［13，23］。

4 結 論

與CK相比，秸稈深還1年后土壤和腐殖質各組分有機碳含量顯著增加，亞表層累積效果更明顯，但PQ值變化不顯著；HA結構縮合度、氧化度和熱穩定性降低，脂族鏈烴和芳香碳含量增加，HA結構年輕化。隨著年限增加，3年后秸稈深還效果減弱，SOC、FA和HM有機碳含量呈下降趨勢，HA有機碳含量呈上升趨勢，PQ值變化顯著，HA縮合度和氧化度呈上升趨勢，脂族性減弱，芳香性和熱穩定性增強，HA結構趨于復雜化。說明隨著年限增加，秸稈深還對土壤腐殖質組成改善和結構特征的影響效果減弱。

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Effect of Corn Stover Deep Incorporation with Different Years on Composition of Soil Humus and Structural Characteristics of Humic Acid in Black Soil

DONG Shanshan1DOU Sen1?SHAO Manjiao1JIN Yashuang2LI Libo1TAN Cen1LIN Chenming1
（1 College of Resource and Environmental Science，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）
（2 Agricultural Machinery Management Station of Enyu Town，Yushu City，Jilin Province，Yushu，Jilin 130408，China）

【Objective】How to reasonably use of corn stover has become an important topic in the agricultural regions of China. Corn stover incorporation into the field is the best way in corn stover utilization. However，the method of corn stover incorporation used to either overcast the corn stover on the surface of the field like mulching or incorporate the corn stover into the shallow topsoil layer，which would obviously bring about some problems，like impeding rise of soil temperature，seedling growth，favoring incidence of insect pests. Corn stover deep incorporation（CSDI）refers to burying corn stover deeply into the subsoil layer and it is believed to be a sustainable utilization model to solve the problem of burning of corn stover and degradation of soil fertility. But with the days going on，it is not clear that the dynamic change in composition and structural characteristics of soil humus caused by CSDI. This paper mainly deals with the effect of the corn stover applied duration on components of soil humus and structural characteristics of humic acid in the soil，so as to provide some theoretical basis for determining the interval of CSDI.【Method】A field experiment was conducted in a mono-cropping corn field of black soil at the Experiment Station of the Jilin Agricultural University，with four treatments，that is，CK（No corn stover incorporated），CSDI-2014（One year after the corn stover deep incorporation），CSDI-2013（Two years after the corn stover deep incorporation）and CSDI-2012（Three years after the corn stover deep incorporation）. Humus，including fulvic acid（FA），humic acid（HA）and humin（HM）with the modified humus component extraction method for analysis of composition and then HA was further extracted with the IHSS method for analysis of element composition，infrared spectrum，thermogravimetry，and structure with differential thermal analysis. 【Result】Results show that in Treatment CSDI-2014 significantly increases the content of organic carbon by 23.7%，30.5%，27.3% and 46.1% in the soil，HA，FA and HM，respectively，and especially in the subsoil；but it did not affect PQ much；however，it reduced condensation degree and oxidation degree of the HA significantly and （O+S）/C ratio by 14.31% and 14.68%，while raising H/C ratio by 27.74% and 28.86% in the topsoil and subsoil. Moreover，it increased the content of aromatic-C and aliphatic chain hydrocarbon，reduced thermal stability and made simpler the structure of HA. The effects，however，varied with the time going on，in Treatment CSDI-2012，organic C decreased in content in the soil，FA and HM，but increased in HA，while PQ changed significantly；HA displayed an increasing trend in condensation and oxidation degrees and became lower in aliphaticity，higher in aromaticity，and more complicated in structure. 【Conclusion】Withthe days going on，the deep-incorporated corn stover in the soil gets mineralized and decomposed steadily，weakening its effects on composition of the soil humus and structural characteristics of the humic acid in the soil.

Years after corn stover deep incorporation；Soil humus composition；Humic acid；Structural characteristics

S151.9

A

10.11766/trxb201608110398

（責任編輯：盧 萍）

* 國家自然科學基金項目（41571231）和國家重點研發計劃項目（2016YFD0200304）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41571231）and the National Key Research and Development Project of China（No. 2016YFD0200304）

? 通訊作者 Corresponding author：竇 森（1959—），男，教授，博士生導師，主要從事土壤有機質研究。E-mail：dousen1959@126.com

董珊珊（1993—），女，碩士研究生，從事土壤環境與生物化學研究。E-mail：781344914@qq.com

2016-08-11；

2016-09-13；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2016-11-08