添加玉米秸稈對黃棕壤有機質的激發效應①

苗淑杰，喬云發，王文濤，施雨涵

添加玉米秸稈對黃棕壤有機質的激發效應①

苗淑杰，喬云發*，王文濤，施雨涵

(南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044)

玉米秸稈還田是培肥地力的一項重要措施，但是玉米秸稈添加后會改變土壤原有有機質的礦化過程，即引起激發效應，從而影響土壤碳平衡和周轉。因此，適量秸稈還田將是高效且環境友好的提升土壤生產潛力的關鍵。本試驗以黃棕壤為研究對象，設不添加玉米秸稈對照(CK)和添加占干土重的1%、5% 和9% 的粉碎玉米秸稈處理進行室內培養，分析土壤CO2釋放動態及激發效應。試驗結果表明，添加不同量玉米秸稈后，土壤CO2釋放速率和累積量呈現出拋物線型變化趨勢。在培養前期，各處理土壤CO2釋放速率表現為9%>5%>1%>CK，到培養的第8天左右，添加5% 玉米秸稈的土壤CO2釋放速率超過了添加9% 玉米秸稈的土壤，在培養后期，所有處理的土壤CO2釋放速率慢慢地趨于一致。從累積CO2釋放量來看，添加5% 玉米秸稈的處理比9% 玉米秸稈的處理土壤總CO2釋放量高，表明添加5% 秸稈的處理對微生物群落和微生物活性的作用最大。在整個培養階段，玉米秸稈添加對土壤有機質的激發效應均為負值，而加入的玉米秸稈并沒有完全礦化，從而使土壤有機碳含量因添加玉米秸稈而升高。這些結果表明，添加玉米秸稈有利于提高黃棕壤土壤有機碳含量，在本試驗的短期培養過程中以土壤干重9% 的添加量增加最多。

有機碳；激發效應；礦化；玉米秸稈；黃棕壤

秸稈還田是目前備受關注的改善土壤肥力的重要措施之一。據報道，我國每年的秸稈資源總量在7.62×108~ 8.41×108t[1]左右，大概占全球總量的30%[2]。數量如此龐大的作物秸稈是一個相當巨大的資源，但在我國，大部分秸稈在田頭被直接焚燒了，這不僅造成資源的極大浪費，也嚴重破壞了大氣環境。近年來，霧霾天氣越來越嚴重，焚燒秸稈是其中一個非常重要的原因。由此看來，秸稈還田是具有“雙刃劍”效果的土壤管理措施。

有機質作為土壤重要組成部分之一，它不但影響著土壤的水、肥、氣、熱等肥力要素，還影響著土壤生化過程。土壤有機質礦化是在微生物利用土壤中活性有機質完成自身代謝的過程，該過程伴隨土壤養分的釋放以及溫室氣體的形成[3]。土壤有機質的礦化速率與其自身穩定性、微生物數量和活性密切相關。外源碳的加入常常會影響土壤有機質的礦化過程，也就是加入有機或礦質材料引起土壤有機質的礦化速度發生變化，即激發效應[4-5]。植物材料降解輸入土壤中的有機碳是主要的土壤碳源，維系著土壤有機質的礦化平衡，是影響土壤碳含量和成為大氣CO2濃度的關鍵因子[2]。目前關于秸稈還田的研究已經很多，比如，秸稈與耕作結合[6-7]，秸稈還田量[8]對土壤養分、酶活性和水分等的影響，但是，對土壤有機質激發效應的研究較少。

本研究以玉米秸稈還田為研究對象，通過室內培養試驗探究玉米秸稈不同添加量對土壤有機質激發效應的影響，來探明玉米秸稈還田對土壤碳平衡和周轉的影響，從而指導秸稈還田實踐過程，達到效果最優且環境友好。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和有機物料

試驗所用土壤取自南京市浦口區油菜田耕層0 ~ 20 cm土壤，多點取樣，混合為一個樣品。帶回實驗室后，土樣均勻攤平，置于陰涼通風處自然風干，之后過2 mm篩，測定其含水量、田間持水量及碳氮含量。將13C標記的玉米秸稈烘干粉碎，過0.25 mm篩，該玉米秸稈有機碳含量為41.5%。

1.2 培養方法

2016年10月25日開始進行培養試驗，設不添加玉米秸稈對照(CK)和添加占干土重的1%、5% 和9% 的粉碎玉米秸稈處理，共4個處理，3次重復。稱100.00 g干土，裝入500 ml 避光培養瓶。按照處理要求混入相對應量的玉米秸稈，充分混勻，然后輕微壓實使土樣容重為1.1 g/cm3。根據稱重法，用蒸餾水調節土壤水分至田間持水量的60%，置于25 ℃的恒溫培養箱中培養。培養過程中，通過重量法補充因自然蒸發等原因損失的水分，使其保持衡重。在培養后的第1、5、10、15、20、25和30天，測定各處理土壤呼吸速率，即CO2的釋放速率[9]。同時測定CO2氣體中的13C豐度，根據CO2釋放量計算試驗過程中土壤有機碳的礦化速率、累積礦化量及玉米秸稈對土壤有機碳的激發效應[2]。在培養第30天采集氣體完成后，將培養瓶置于冰箱迅速冷凍，抑制土壤中微生物活性，以用于后續的有機碳、微生物生物量碳、全氮等指標的測定。

1.3 數據計算與分析

土壤CO2釋放速率

累積CO2釋放量

更新率

式中：13CO2處理和13CO2對照分別為加秸稈和未加秸稈土壤釋放出來的CO2中的13C豐度(‰)，13C秸稈是秸稈中的13C豐度(‰)。

玉米秸稈礦化釋放CO2量

土壤有機質礦化量

SOM=CO2處理–CO2秸稈(5)

式中：SOM：土壤有機質礦化量(g/kg)；CO2處理是添加秸稈后土壤釋放出來的CO2量(g/kg)，CO2秸稈是玉米秸稈礦化釋放出來的CO2量(g/kg)。

玉米秸稈礦化率

式中：MR：玉米秸稈礦化率(%)；C–CO2秸稈：來自于秸稈碳礦化所釋放的CO2量 (g)；input：加入秸稈的總碳量(g)。

激發效應

式中：PE：激發效應(%)；CO2處理：處理土壤釋放的CO2量(g/kg)；CO2對照：未加秸稈處理釋放出來的CO2量(g/kg)。

數據分析采用Excel 2016進行數據整理及圖表繪制，用SPSS 20分析統計軟件進行單因素方差分析(One- way ANOVA，<0.05)及LSD兩兩顯著性比較分析。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈添加對土壤CO2釋放速率的影響

經過30 d室內培養試驗，土壤有機質的礦化規律及添加玉米秸稈對其影響情況如圖1所示。從整體情況來看，不同玉米秸稈添加量處理的土壤有機質礦化速率變化趨勢基本一致，呈現出兩個比較明顯的階段。第一階段在培養后的0 ~ 15 d，也就是培養初期，礦化速率呈先迅速升高而后又快速下降的走勢，變化幅度較大，該階段持續時間較短，但礦化量大。在培養后第5天各處理間有顯著差異，與對照處理相比，添加1%、5% 和9% 玉米秸稈的處理土壤的CO2釋放速率分別增加39.1%、76.8% 和107.3%。第二階段從培養后第15天至培養結束，CO2釋放速率持續下降，CO2釋放緩慢，該階段持續時間較長，但礦化量小。隨著培養時間延長，添加1% 及9% 玉米秸稈的處理與未添加玉米秸稈對照處理的CO2釋放速率趨于一致，但是，添加5% 玉米秸稈的處理CO2釋放速率仍然顯著高于其他處理。

(圖中小寫字母不同表示同一培養時間不同玉米秸稈處理間差異顯著(P<0.05)，下圖同)

對比不同玉米秸稈量處理土壤CO2釋放速率發現，在培養前期，CO2釋放速率隨著秸稈量的增加也相應地增加，并且添加9% 與5% 的處理CO2釋放速率要明顯高于1% 與對照處理；但隨著培養時間的延長，在培養中期，添加5% 秸稈的處理CO2釋放速率超過了添加9% 秸稈的處理。原因可能是在培養前期，土壤微生物群落處于碳貧瘠狀態，加入的秸稈量越大，為土壤微生物提供的可利用碳源越多，提高了微生物活性和數量，而使呼吸速率明顯增強；到了培養的中后期，秸稈碳的礦化已經趨于平穩，釋放出來的微生物可用碳量逐漸降低，高秸稈添加量處理(9%)釋放出來的碳不能滿足前期微生物數量和活性大幅增加對碳的要求，從而抑制了土壤微生物的活性，最終導致微生物呼吸速率減弱。而5% 秸稈量添加處理，既能在前期促進微生物群落數量和活性的適度增加，又能保證中后期這些微生物對碳的需求，所以出現中后期呼吸速率較高的現象。這些結果說明，微生物活性對于外加碳源的響應是一個短暫而強烈的過程，大量的可利用有機碳在培養前期被礦化。這與Jha等[10]研究發現的土壤碳礦化速率隨著培養時間的延長而降低的結論是一致的。

2.2 玉米秸稈添加對土壤CO2累積釋放量的影響

土壤CO2累積釋放量受添加玉米秸稈量的影響，如圖2。未添加秸稈對照處理土壤CO2累積釋放量為0.04 ~ 1.27 g/kg土；加入1%、5% 和9% 玉米秸稈后，培養結束后CO2累積釋放量分別為1.60、2.24和2.07 g/kg土。這些結果表明，添加玉米秸稈明顯影響土壤有機質的礦化能力以及土壤累積CO2釋放量。比較各處理30 d的累積CO2釋放量發現，累積CO2釋放量由高到低依次為5%>9% >1% >CK。5% 玉米秸稈處理土壤的累積CO2釋放量比9% 處理的高，原因可能是5% 秸稈添加處理適度地提升了土壤中微生物的數量和活性，在培養的30 d內，5% 秸稈礦化和對土壤原有有機質的礦化所釋放的有機碳量能夠滿足微生物對碳源的需求，進而促進土壤原有有機碳礦化，而9% 秸稈處理因后期礦化速率降低的限制，加上殘留的大量惰性碳不能被微生物利用，從而使土壤累積CO2釋放量受到抑制。同時，9% 秸稈處理外加大量玉米秸稈中釋放出來的較多易被礦化的碳抑制了微生物對土壤原有有機碳的礦化[11]。

2.3 玉米秸稈添加對土壤有機質的激發效應

根據外源碳對土壤有機質激發效應的機制，外源有機碳加入到土壤中后，土壤釋放的CO2主要有兩個方面的來源：一是外源碳礦化釋放出CO2；二是外源碳中的可利用碳源，提高/降低了土壤微生物的活性，使微生物礦化土壤有機質的能力相應增強/減弱，從而釋放出更多/較少的CO2。其中第二個來源就是所謂的激發效應[11]。由圖3可以看出，在本試驗條件下，外加玉米秸稈對土壤原有有機質的礦化產生了負激發效應，并且隨著培養時間的延長，激發效應逐漸降低。也就是說，在本試驗條件下，外加的玉米秸稈對土壤原有有機質的礦化產生了抑制作用，試驗中測得的CO2釋放全部來自于微生物對外加玉米秸稈的分解，即對玉米秸稈中可利用碳的礦化。

圖2 玉米秸稈添加對土壤累積CO2釋放量的影響

比較而言，5% 玉米秸稈所產生的激發效應明顯高于9% 玉米秸稈所產生的激發效應，這是因為5% 秸稈處理，秸稈礦化釋放出來的可利用碳激活了土壤中因碳貧瘠而休眠的微生物，促進它們對土壤原有有機質的礦化，產生激發效應；而9% 秸稈處理，因秸稈礦化釋放出來較多的可利用碳，用來滿足微生物對碳的需求，反而抑制了微生物通過礦化土壤原有有機碳獲得碳源的需求[12-13]。該結論在相關研究中多次報道，已經被廣大研究者認同。但加入1% 玉米秸稈的處理，由于其加入的可供微生物利用的有效外源碳量過少，其對微生物活性的激發程度還很低，所以激發效應明顯低于添加5% 玉米秸稈的處理。

圖3 玉米秸稈添加對土壤有機質的激發效應

圖4 玉米秸稈添加對土壤有機碳含量的影響

2.4 玉米秸稈添加對土壤有機碳含量的影響

添加玉米秸稈培養30 d后，1%、5% 和9% 玉米秸稈添加處理土壤有機碳含量分別是24.3、27.5和31.1 g/kg。相比培養前土壤有機碳含量(20.63 g/kg)，培養30 d后，各處理有機碳含量分別增加17.7%、33.4% 和50.6%。從圖4中不難發現，添加玉米秸稈的處理都增加了土壤有機碳的含量(< 0.05)。然而，未加玉米秸稈的對照處理，經過30 d的培養后，其土壤有機碳含量為19.4 g/kg，比培養前土壤有機碳下降了6.2%。這些結果表明外加玉米秸稈可以增加土壤有機碳含量，這與棉田試驗的結果一致[14]，且外加玉米秸稈越多，土壤有機碳含量增加量也越大。然而，本研究僅僅是30 d的短期培養試驗的結果，從CO2釋放速率可以看出(圖1)，在培養結束時，礦化過程仍然在進行，因此，還不能做出最后判斷。為了闡明秸稈還田對黃棕壤有機碳的影響，需要延長培養時間，同時進行田間試驗進行檢驗。

圖5 玉米秸稈添加對土壤全氮含量的影響

2.5 玉米秸稈添加對土壤全氮含量的影響

玉米秸稈添加培養30 d后，土壤全氮含量見圖5。培養結束后，添加1% 玉米秸稈處理的全氮含量為2.24 g/kg，相對于土壤原始全氮量增加23.1%；添加5% 玉米秸稈的處理，全氮含量為3.07 g/kg，比原始土壤全氮量增加68.7%；添加9% 玉米秸稈的處理，全氮含量為3.46 g/kg，相對于土壤原始全氮量增加90.1%。然而，未添加玉米秸稈的對照處理經過30 d試驗培養，土壤全氮含量為1.48 g/kg，比土壤原始全氮含量下降18.7%。這些結果說明外加玉米秸稈可以增加土壤全氮的含量，并且土壤全氮的含量隨著玉米秸稈添加量的增加也相應地有所增加。

2.6 玉米秸稈添加對土壤微生物生物量碳的影響

添加玉米秸稈明顯影響土壤微生物生物量碳(圖6)。培養前土樣微生物生物量碳為393.3 mg/kg，培養結束后，添加1% 玉米秸稈的處理微生物生物量碳為404.3 mg/kg，較試驗前增加2.8%；添加5% 玉米秸稈的處理微生物生物量碳為561.0 mg/kg，增加42.65%；添加9% 玉米秸稈的處理微生物生物量碳為677.3 mg/kg，增加72.23%。在各處理中，添加5% 和9% 玉米秸稈處理的微生物生物量碳增加最為顯著。

圖6 玉米秸稈添加對土壤微生物生物量碳的影響

對比試驗前土壤微生物生物量碳發現，未添加玉米秸稈的對照處理，其微生物生物量碳在培養結束后下降了4.2%。這些結果說明，添加玉米秸稈可以有效增加土壤微生物生物量碳，即土壤微生物數量，而土壤微生物生物量碳隨著玉米秸稈添加量的增加也相應增加，并且增加幅度隨玉米秸稈添加量的增大而變大。

3 結論

添加玉米秸稈后，顯著增加了土壤CO2釋放速率和累積釋放量。CO2釋放速率呈現先迅速增加后快速降低，隨著培養時間延長而趨于一致。培養結束后，添加玉米秸稈土壤有機碳和氮含量均有顯著增加，且隨秸稈添加量的增加而增加，此外，外加玉米秸稈均引起土壤有機碳的負激發效應。這些結果進一步證實了我們的推測，秸稈添加量對土壤微生物的影響要從微生物數量和活性兩個方面來考慮。本試驗的結果表明，5% 玉米秸稈添加量處理的激發效應大于9% 玉米秸稈添加量的處理，說明了5% 秸稈添加量可能是在增加土壤微生物數量的同時，提高了微生物活性，引起了較強的負激發效應。培養結束后，各處理土壤碳氮含量均高于培養前，證實了秸稈添加對土壤有機碳增加的正效應。但是，本研究僅僅進行了30 d，培養結束的時候土壤仍保持著一定的礦化強度，因此，并不能完全代表秸稈添加對土壤有機碳的影響情況，需要進一步進行長期培養試驗和田間試驗來檢驗這一結論。

[1] 王金洲. 秸稈還田的土壤有機碳周轉特征[D]. 北京: 中國農業大學, 2015

[2] 張鵬, 李涵, 賈志寬, 等. 秸稈還田對寧南旱區土壤有機碳含量及土壤碳礦化的影響[J]. 農業環境科學學報, 2011, 30(12): 2518–2525

[3] 王嬌, 張玉龍, 張玉玲, 等. 不同灌溉方式對有機肥碳礦化及土壤活性有機質含量影響[J]. 沈陽農業大學學報, 2010, 41(1): 37–41

[4] 呂殿青, 張樹蘭, 楊學云. 外加碳、氮對土壤氮礦化、固定與激發效應的影響[J]. 植物營養與肥料學報, 2007, 13(2): 223–229

[5] 田慎重, 寧堂原, 王瑜, 等. 不同耕作方式和秸稈還田對麥田土壤有機碳含量的影響[J]. 應用生態學報, 2010, 21(2): 373–378

[6] 王淑蘭, 王浩, 李娟, 等. 不同耕作方式下長期秸稈還田對旱作春玉米田土壤碳、氮、水含量及產量的影響[J]. 應用生態學報, 2016, 27(5): 1530–1540

[7] 路文濤, 賈志寬, 張鵬, 等. 秸稈還田對寧南旱作土壤活性有機碳及酶活性的影響[J]. 農業環境科學學報, 2011, 30(3): 522–528

[8] Miao S J, Ye R Z, Qiao Y F, et al. The solubility of carbon inputs affects the priming of soil organic matter[J]. Plant and Soil, 2017, 410(1/2): 1–10

[9] Jha P, Garg N, Lakaria B L, et al. Soil and residue carbon mineralization as affected by soil aggregate size[J]. Soil and Tillage Research2012, 121: 57–62

[10] 苗淑杰, 喬云發, 張福韜. 黑土團聚體礦化和小麥秸稈對其的激發效應[J]. 水土保持學報, 2014, 28(4): 218–221

[11] Felipe B, Irene F T, Teresa H, et al. Can the labile carbon contribute to carbon immobilization in semiarid. Priming effects and microbial community dynamics[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 57: 892–902

[12] 匡崇婷, 江春玉, 李忠佩, 等. 添加生物質炭對紅壤水稻土有機碳礦化和微生物生物量的影響[J]. 土壤, 2012, 44(4): 570–575

[13] 魏飛, 黃金花, 馬芳霞, 等. 持續棉桿還田對新疆棉田土壤可礦化碳庫的影響[J]. 土壤, 2017, 49(2): 295–301

Priming Effect of Maize Straw Addition on Soil Organic Matter in Yellow-brown Soil

MIAO Shujie, QIAO Yunfa*, WANG Wentao, SHI Yuhan

(College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information & Technology, Nanjing 210044, China)

Returning maize straws to soil is an important strategy to increase soil productivity, however, it can affect the mineralization process of soil organic matter (SOM), which is known as the priming effect, and then can further influence the turnover and stability of soil organic carbon (SOC). Thus, suitable maize straw addition is the key factor to improve soil potential productivity associated with high efficiency and friendly environment. In this study, an incubation was carried out to study the effects of maize straws at rates of 0(CK), 1%, 5% and 9% of dry soil on CO2emission and priming effect of SOM. Results showed that the rate and accumulation of CO2flux displaced parabolic curves with time across all treatments. At the early incubation, the rates of CO2flux of all treatments were in an order of 9%>5%>1%>CK, but the rate of CO2flux was higher in 5% treatment than in 9% treatment at the later incubation, and tended to be similar for all the treatments at the end. Higher accumulative CO2emission in 5% treatment than in 9% treatment indicated that the community and activity of soil microbe were activated by maize straw addition. Negative priming effect with maize straws was observed during incubation, which might induce SOC accumulation. All these indicated that maize straws is beneficial to SOC in yellow-brown soil, with the adding rate of 9% of soil dry weight being better in this study.

Organic carbon; Priming effect; Mineralization; Maize straw; Yellow-brown soil

公益性行業(農業)科研專項(201503116-03)和南京信息工程大學引進人才項目資助。

(qiaoyunfa@163.com)

苗淑杰(1975—)，女，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，主要從事碳循環與激發效應研究。E-mail：miaoshujie@126.com

S153.6+21

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.03.028