秸稈還田量對黑土區土壤及團聚體有機碳變化特征和固碳效率的影響

高洪軍，彭暢，張秀芝，李強，朱平，王立春

（吉林省農業科學院農業資源與環境研究所，長春 130033）

0 引言

【研究意義】農田土壤有機碳和土壤團聚體特征是評價土壤肥力的重要指標，它們影響著土壤的物理、化學、生物等土壤性質[1-2]，也是土壤中各種養分的貯藏庫及肥力供應的核心物質[3]。因此，探明黑土區農田土壤及團聚體固碳效應對于土壤肥力提升及玉米增產穩產均具有重要意義。【前人研究進展】土壤固碳效率可以反映單位外源有機碳在土壤或團聚體中的轉化程度[4]。美國及加拿大溫帶地區土壤固碳效率為14%—21%[5]，而印度熱帶半干旱地區土壤固碳效率為25%[6]。ZHANG等[7]根據6個長期土壤肥力定位試驗計算了我國不同類型土壤的固碳效率，其中：新疆灰漠土固碳效率為 26.7%、吉林公主嶺黑土為 15.8%、河南潮土為6.8%，并且土壤固碳量都與累積有機碳投入呈極顯著的線性正相關關系，很多研究結果也支持這一觀點[8-9]。然而，CAMPBELL 等[10]研究認為，當外源有機碳長期投入在土壤有機碳含量高的農田上，土壤有機碳含量并不持續增加，而是達到一個穩定碳飽和點之后不再繼續增加。秸稈有機碳輸入對土壤大團聚體（＞0.25 mm）有機碳的增加貢獻較大，對小粒級團聚體有機碳含量影響較小[11]。李景等[12]通過15年的秸稈覆蓋還田試驗研究也表明，外源碳累積投入量與＞0.25 mm大團聚體有機碳儲量變化量呈極顯著的正相關關系，其中大粒級團聚體固碳效率較高，而小粒級團聚體固碳能力較弱。除土壤類型、氣候因素、耕作和種植制度外，施用農家肥和秸稈還田也是影響農田土壤有機碳轉化和固持的最重要因素之一[13]。東北地區是我國重要的玉米生產區之一，秸稈資源十分豐富，秸稈還田能顯著提高土壤有機碳含量，進而改善土壤團聚體有機碳的分布[14]。【本研究切入點】目前關于不同培肥及耕作措施對土壤有機碳變化規律和團聚體特征影響研究較多，對土壤總有機碳固持效率研究也有報道，但關于玉米秸稈還田對東北黑鈣土團聚體固碳效率機制等研究比較薄弱，需進一步探討和明確。【擬解決的關鍵問題】本文基于7年的秸稈還田量試驗，探討不同玉米秸稈還田量對土壤固碳效應的影響，進而闡明秸稈碳輸入與土壤及團聚體碳儲量的量化關系；深入剖析各粒級團聚體固碳效應，以期揭示農田土壤有機碳固持效率機制，為定量提升土壤有機碳及土壤肥力培育提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于吉林省農安縣哈拉海鎮吉林省農業科學院哈拉海試驗站，該區域屬中溫帶大陸性季風氣候，光熱資源充足，地勢平坦，四季分明，年平均日照時數為2 620 h，年均氣溫4.7℃，無霜期145 d，年均降雨量507.7 mm，有效積溫2 800℃。于2012年4月設置為田間定位試驗，土壤類型為黑鈣土，在該區域具有典型代表性。試驗開始時耕層（0—20 cm）土壤基礎化學性狀[15]：有機質為 22.3 g·kg-1，全氮 1.537 g·kg-1，全磷 0.565 g·kg-1，全鉀 22.7 g·kg-1，堿解氮 128.2 mg·kg-1，速效磷 12.9 mg·kg-1，速效鉀 132.5 mg·kg-1，pH 7.75。

1.2 試驗設計

試驗共設4個處理，按照施用0、4 500、9 000、13 500 kg·hm-2玉米秸稈量進行設計，分別為：（1）秸稈還田量0（SA0）；（2）秸稈還田量4 500 kg·hm-2（SA300）；（3）秸稈還田量 9 000 kg·hm-2（SA600）；（4）秸稈還田量 13 500 kg·hm-2（SA900），其中 9 000 kg·hm-2秸稈還田量為當地農戶的還田量。每處理3次重復，隨機區組排列，小區面積為 80 m2。其中，秸稈還田方式為旋耕還田：在玉米機械收獲后，根據玉米秸稈不同施用量對各小區進行人工撒施秸稈，然后利用秸稈粉碎機粉碎秸稈（長度小于6 cm），并采用大馬力農機對秸稈進行深旋還田，深度約16 cm，達到秸稈與土壤充分均勻混合，最后重鎮壓。

試驗供試肥料：尿素（N 46%）、重過磷酸鈣（P2O546%）和硫酸鉀（K2O 50%）；各處理氮、磷、鉀肥施用量相同，分別為 N 210、P2O5105、K2O 105 kg·hm-2。1/3的氮肥和全部磷鉀肥在春季播種前作底肥施用，余下2/3 氮肥在玉米拔節期追肥。玉米秸稈養分含量：C 42.6%、N 0.8%、P2O50.32%和 K2O 0.75%。供試玉米品種為先玉 335；每年玉米在 4月28日左右播種，種植密度6.5萬株/hm2，9月27日左右收獲，其他田間管理措施按當地生產田進行[15]。

1.3 土壤有機碳和團聚體樣品采集及分析

2014—2018年秋季收獲后，對每個小區采集耕層土樣（0—20 cm），按“S”形取5個點土樣，然后組成一個混合土樣。土壤風干過篩后采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳。

2018年10月在玉米收獲后采集0—20 cm土層樣品進行團聚體分級。土壤團聚體分級依據 ELLIOT[16]的濕篩法，分離出＞2 mm，2—0.25 mm，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm 等4個級別團聚體。＞0.25 mm的團聚體稱為水穩性大團聚體，＜0.25 mm稱為水穩性微團聚體。土壤有機碳含量及分離得到的各粒級團聚體有機碳含量采用EA3000元素分析儀測定。

1.4 計算方法

外源有機碳投入量計算方法參照 JIANG 等[17]；有機碳儲量及團聚體有機碳儲量計算方法參照李景等[12]；土壤總有機碳及各粒級團聚體有機碳的固碳速率和固碳效率采用公式（1）—（3）[18]：

式中，SOCstock-t、SOCstock-c和ΔSOCstock分別代表處理有機碳儲量、對照有機碳儲量和有機碳儲量的增加量；Cinput-t和Cinput-c分別代表處理和對照外有機碳輸入量；n代表外源有機碳輸入的累積年份；SOCSR和 SOCSE分別代表土壤固碳速率和固碳效率。

1.5 數據處理

試驗數據和圖表采用Excel 進行處理，用SAS 9.0軟件進行兩因素方差分析，處理間多重比較采用LSD-test 法進行差異顯著性檢驗。采用簡單線性關系（y=ax+b）來擬合土壤及團聚體有機碳增加量與外源有機碳輸入的相關關系，并用t 檢驗斜率的差異顯著性。

2 結果

2.1 不同秸稈還田量對土壤有機碳含量的影響

不同秸稈還田量對土壤有機碳含量影響顯著（圖1），2014—2018年秸稈還田SA600和SA900兩處理土壤有機碳含量均顯著高于秸稈不還田（SA0）、低量秸稈還田（SA300）處理；從第5年（2016年）秸稈還田開始，SA900和SA600兩處理土壤有機碳含量差異達顯著水平（P＜0.05）。高量秸稈還田（SA900）處理5年間土壤有機碳較秸稈不還田（SA0）處理分別依年限增加了9.3%、11.0%、15.8%、17.2%、23.1%；在秸稈還田前4年（2012—2015年），低量秸稈還田SA300處理土壤有機碳與SA0處理相比差異不顯著；但在秸稈還田后3年（2016—2018年），兩者之間達到差異顯著水平（P＜0.05）。總體上，不同秸稈還田量下土壤有機碳含量由高到低依次表現為 SA900、SA600、SA300、SA0。

圖1 不同秸稈還田量下土壤有機碳的變化Fig. 1 Changes of soil organic carbon under different straw returning amounts

2.2 不同秸稈還田量對土壤固碳效率變化的影響

由圖2分析可知，各處理外源累積碳的投入增加量、以及土壤有機碳儲量變化量均存在較大差異，秸稈不還田（SA0）處理外源有機碳的增加僅歸功于玉米地上殘茬及根系生物量的投入，累積碳投入量達到10.92 t·hm-2；而秸稈還田處理土壤中的有機物料源于收獲植株的秸稈還田、玉米地上殘茬及根系生物量，其中，SA900處理累積碳投入量較SA0處理增加35.12 t·hm-2。隨著秸稈碳的累積輸入各處理的有機碳儲量均有所提高，其中，高量秸稈還田（SA900）處理的有機碳儲量最高，較秸稈不還田（SA0）處理土壤有機碳儲量（2018年）增加 4.74 t·hm-2。

由圖2可知，土壤總有機碳儲量與外源有機碳輸入呈極顯著正線性相關關系（P＜0.01），即土壤總有機碳儲量隨外源碳投入量增加而顯著提高；土壤的固碳效率為12.9%，即農田投入100 t·hm-2外源有機碳，土壤有機碳儲量增加 12.9 t·hm-2。當有機碳儲量變化（y）為0時，每年需投入秸稈碳1.08 t·hm-2（或干秸稈2.54 t·hm-2）維持初始土壤SOC水平，土壤有機碳儲量達到平衡。表明秸稈還田對維持和提高土壤有機碳含量具有重要作用。

圖2 外源累積碳投入與土壤有機碳儲量變化的響應關系Fig. 2 Relative relationship between change of organic carbon stocks and cumulative carbon input

2.3 不同秸稈還田量對土壤團聚體有機碳含量及儲量的影響

2.3.1 對土壤團聚體有機碳含量的影響 由圖 3分析可知，各粒級團聚體大小差異性影響著團聚體碳含量，以2—0.25 mm大粒級團聚體有機碳含量為最高，各處理平均達到15.8 g·kg-1；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm小粒級團聚體有機碳含量最低，兩個粒級各處理平均值分別為10.5和11.9 g·kg-1。表明大團聚體較微團聚體能儲存更多的有機碳。

與秸稈不還田（SA0）相比，對于＞2 mm和2—0.25 mm粒級大團聚體，秸稈還田處理都顯著提高了該粒級團聚體有機碳含量（P＜0.05），其中，3個秸稈還田量處理之間差異達顯著水平；對于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級微團聚體，秸稈還田（SA600）和（SA900）兩處理均顯著提高了該粒級團聚體有機碳含量（P＜0.05），但秸稈還田SA300和SA0兩處理之間差異未達到顯著水平。高量秸稈還田（SA900）各粒級團聚體碳含量較其他 3個處理都有顯著增加（P＜0.05），較 SA0處理提高幅度為 2.3%—22.7%，其中在2—0.25 mm和＜0.053 mm粒級中增加幅度最高。表明秸稈還田不僅有利于大團聚體（＞0.25 mm）中有機碳的增加，同時也顯著提高了微團聚體有機碳含量，尤其高量秸稈還田對土壤團聚體有機碳含量提高貢獻更大。

2.3.2 對表層土壤團聚體有機碳儲量的影響 由圖4分析可知，0.25—0.053 mm 粒級團聚體有機碳儲量為最高，平均為 12.92 t·hm-2，其次為 2—0.25 mm（10.32 t·hm-2），而＞2 mm和＜0.053 mm粒級團聚體儲量為最低。與秸稈不還田相比，秸稈還田 SA600和 SA900兩處理均明顯提高了＞2 mm 和2—0.25mm粒級大團聚體有機碳儲量，但沒有顯著提高＜0.25 mm微團聚體有機碳儲量；高量秸稈還田SA900處理的＞2 mm和2—0.25 mm 粒級團聚體有機碳儲量較秸稈不還田（SA0）分別提高了45.5%和47.7%；＜0.053 mm粒級微團聚體碳儲量對不同秸稈還田量的影響沒有變化。表明秸稈還田不僅有利于大團聚體有機碳儲量的增加，而且秸稈還田數量也影響著土壤團聚體有機碳儲量的變化。

圖3 不同秸稈還田量下各粒級團聚體有機碳含量Fig. 3 Aggregates organic carbon content under different straw returning amounts

圖4 不同秸稈還田量下各粒級團聚體有機碳儲量變化Fig. 1 Changes of Aggregates organic carbon stocks under different straw returning amounts

2.4 不同秸稈還田下各粒級團聚體有機碳固持速率與固碳效率

2.4.1 不同粒級團聚體有機碳固持速率 不同秸稈還田量對 0—20 cm土層各粒級團聚體有機碳儲量的固持速率影響差異較大（表1）。＞2 mm和2—0.25 mm各粒級大團聚體有機碳在秸稈還田3個處理中平均固碳速率分別為 0.15 和 0.45 t·hm-2·a-1，并明顯高于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm各粒級微團聚體固碳速率。秸稈還田SA900和SA600處理＞2 mm和2—0.25 mm粒級大團聚體固碳速率明顯高于秸稈不還田（SA0）和低量還田（SA300）處理；在微團聚體0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級中，各處理土壤固碳速率差異不顯著。

表1 各粒級團聚體有機碳固持速率（2018）Table 1 Sequestrated rates of aggregates organic carbon

2.4.2 不同粒級團聚體有機碳固持效率 隨著連續 7年外源有機碳累積輸入下，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒級團聚體碳儲量均顯著提高（P＜0.05），圖5），表明這些粒級團聚體中有機碳均沒有出現碳飽和現象。＜0.053 mm粒級團聚體有機碳儲量并未隨累積碳投入量的增加而增加，表現出碳飽和跡象。圖5中的直線斜率表示各粒級團聚體固碳效率，斜率越大固碳效率也越大。2—0.25 mm粒級團聚體的固碳效率為最高，顯著高于其他各粒級團聚體固碳效率（P＜0.05），固碳效率為13.6%；其次為＞2 mm 粒級團聚體，固碳效率為4.9%；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級微團聚體固碳效率為最低。表明不同粒級團聚體有機碳以2—0.25 mm粒級大團聚體對秸稈還田響應最敏感，對土壤總有機碳儲量的增加起決定性作用，可作為表征土壤有機碳響應土壤管理措施變化指標。

圖 5 不同粒級團聚體有機碳儲量增加量與累積碳投入量的關系（2018）Fig. 5 Relationship between organic carbon stocks of soil aggregates and cumulative C input

3 討論

3.1 土壤總有機碳變化及固碳效率

秸稈還田和有機肥等外源有機碳的輸入是農田土壤有機碳增加的主要途徑和碳源[19]。許多研究表明長期秸稈還田能顯著提高土壤有機碳含量[20-21]。本研究中，秸稈還田SA600和SA900兩處理土壤有機碳含量均顯著高于秸稈不還田（SA0）、低量秸稈還田（SA300），并且后 3年 SA900和 SA600兩處理土壤有機碳含量差異顯著（P＜0.05）。同時，隨著玉米秸稈還田量增加和還田時間的延長，土壤有機碳含量逐漸明顯提升。關于土壤有機碳是否隨著秸稈還田量的增加而同步提高，文獻報道也存在著一些差異。有許多學者認為，隨著秸稈還田量的增加，土壤有機碳含量和碳庫活度均增加，并與秸稈還田量呈極顯著線性正相關關系[22-23]，這與本研究結果一致。但白建忠等[24]在水旱輪作農田上研究發現，秸稈還田對年際間水旱輪作農田土壤有機質提升并不呈疊加效應，而且土壤有機質也不隨秸稈還田量增加而同步提高，因為過量秸稈還田降低了土壤pH及秸稈的腐解速率，從而不利于土壤有機碳累積[25]。

有學者研究表明[26]，土壤有機碳儲量對系統的碳輸入水平的提升無顯著響應，但大量研究表明[7,27]，土壤總有機碳儲量與外源有機碳輸入呈極顯著正線性相關關系（P＜0.01），這與本研究結果一致，黑鈣土土壤固碳效率為12.9%，土壤有機碳尚未達到碳飽和點，還存在很大的固碳空間，該結果略低于張文菊等[7]在吉林省公主嶺黑土長期定位試驗的研究結果（固碳效率為15.8%），但要高于河南潮土（6.8%），江西紅壤（8.1%）[19]，這主要是由于土壤質地、氣候因素（溫度和水分）和有機物料種類及施用方式等諸多因素造成土壤固碳效率差異較大；如公主嶺土壤固碳效率比農安高，可能是施用有機物料類型不同造成的，公主嶺處理施用農家肥，而農安處理為秸稈還田，施用農家肥土壤固碳速率顯著高于秸稈還田[28]，施用農家肥不僅可顯著提高土壤有機質含量，而且農家肥本身是處于半分解狀態的有機質，有利于土壤碳的固持；也可能是由于公主嶺典型黑土比黑鈣土質地黏粒含量高，黏粒吸附能力強、比表面積較大、固碳能力強，所以黏粒固碳效率明顯高于砂粒和粉粒，這與蔡岸冬等[17]在紅壤長期定位施肥試驗報道的結果相似。

3.2 各粒級團聚體對土壤有機碳的固持

土壤團聚化過程是土壤團聚體固碳的重要驅動途徑[29]。本研究發現，各粒級團聚體有機碳含量以2—0.25 mm和＞2 mm粒級大團聚體有機碳含量為最高。與秸稈不還田（SA0）相比，秸稈還田 SA600和 SA900兩處理均顯著提高了各粒級團聚體有機碳含量（P＜0.05），尤其是對大團聚體（＞0.25 mm）有機碳含量增加貢獻更大；其中 3個秸稈還田量處理各粒級團聚體碳含量之間差異達顯著水平，這與本人前期報道[15]的不同秸稈還田模式對黑鈣土團聚體特征的影響研究結果一致。劉恩科等[30]研究也認為，長期有機肥和化肥配施可明顯提高各粒級團聚體有機碳含量，尤其是對大團聚體有機碳含量增加貢獻更大。這是由于秸稈還田能促進土壤有機碳的積累，腐殖質作為主要膠結物質將土壤顆粒和小級別團聚體膠結成大團聚體，從而提高了大團聚體有機碳含量[31]。所以，＞0.25 mm粒級大團聚體有機碳對農業管理措施的變化更靈敏，可作為評價土壤有機碳變化對不同土壤培肥措施快速響應的重要指標。

KOOL等[32]提出不同碳庫存在等級飽和模型，隨著外源碳輸入量的增加，各粒級團聚體由最小粒級到最大粒級依次逐漸達到碳飽和，最終土壤碳庫飽和。本研究結果也支持了這種飽和理論，隨秸稈碳輸入量的增加，＜0.053 mm粒級團聚體碳儲量沒有增加，0.25—0.053 mm粒級團聚體碳儲量增加不明顯，而2—0.25 mm和＞2 mm粒級團聚體有機碳儲量增加顯著。本研究也發現，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒級土壤團聚體有機碳儲量增加量與累積碳投入量增加量呈顯著正線性關系，表明這些粒級團聚體中有機碳均沒有出現碳飽和現象，而＜0.053 mm粒級團聚體有機碳出現碳飽和跡象。這是由于微團聚體中固持的碳穩定性強、周轉較慢，固碳能力有限，新輸入的顆粒有機碳主要分布在大團聚體中。

不同粒級土壤團聚體周轉對土壤固碳效率高低具有決定性的作用[31]。大粒級團聚體固碳效率顯著高于小粒級團聚體，＞2 mm 和2—0.25 mm粒級固碳效率分別為4.9%和13.6%。而0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級微團聚體固碳速率和固碳效率均為最低。隨著秸稈碳的增加＜0.053 mm粒級微團聚體固碳效率并沒有同步增加。李景等[12]研究結果表明，長期秸稈覆蓋還田更有利于大團聚有機碳儲量的增加，＞2 mm粒級團聚體固碳效率為最高，這可能是由于秸稈還田增加了新鮮植物殘體有機碳，通過有機質的膠結作用形成大團聚體并增加其有機碳含量，更多的有機碳被大團聚體保護起來，進而提高其固碳效率[33]。

3.3 土壤固碳效率在土壤有機碳定量提升中的應用與預測

通過土壤對不同有機物料碳的固持效率，可以計算出提升和維持有機碳水平的外源有機物料施用量。以玉米秸稈還田為例，根據表2該地區秸稈還田下土壤固碳效率為12.9%，以0—20 cm土層土壤SOC儲量等于33 t·hm-2（初始SOC儲量）為基礎計算秸稈還田投入量，要維持該地區土壤有機碳儲量平衡，每年最低需投入玉米風干秸稈（有機碳含量約為42.7%，含水量約為14%）約2.54 t·hm-2；如未來10年內，土壤有機碳儲量要提升10%、20%、30%，預測每年需額外分別投入風干玉米秸稈約5.99、11.98、17.97 t·hm-2。

表2 土壤有機碳儲量提升所需玉米秸稈投入量及相關參數Table 2 Corn Straw input and related parameters for soil organic carbon stocks enhancement

4 結論

秸稈還田量9 000—13 500 kg·hm-2土壤的固碳效果較好，有效促進了黑土區土壤有機碳的累積與固定，并且土壤有機碳含量均隨秸稈還田量以及還田年限的延長而增加。土壤總有機碳儲量與外源有機碳輸入呈極顯著正線性相關關系（P＜0.01），該土壤固碳效率為 12.9%。秸稈還田不僅有利于大團聚體有機碳儲量的增加，而且秸稈還田數量也影響著各粒級土壤團聚體有機碳儲量的轉化。隨著秸稈碳累積投入量的增加，各粒級團聚體存在明顯的由最小粒級到最大粒級依次逐漸達到碳飽和等級順序；除＜0.053 mm粒級團聚體外，其他各粒級團聚體中有機碳均沒有出現明顯的碳飽和跡象，各粒級團聚體固碳效率最高的為 2—0.25 mm和＞2 mm粒級大團聚體，固碳效率分別為13.6%和4.9%。＞0.25 mm粒級大團聚體有機碳對外源碳投入量的影響更靈敏，可作為表征土壤有機碳響應土壤培肥措施的變化指標。