長期秸稈還田對稻麥輪作區土壤有機碳組分構成的影響

董林林， 查金芳， 沈明星， 王海候， 施林林， 陶玥玥，周新偉， 陸長嬰*

（1.蘇州市農業科學院，國家農業科學土壤質量相城觀測試驗站，江蘇 蘇州 215155；2.蘇州市吳江區同里鎮農村工作辦公室，江蘇 蘇州 215008）

土壤有機質（soil organic matter，SOM）是土壤肥力的關鍵指標之一，不僅對作物產量產生重要影響，而且在降低大氣CO2含量和緩解全球氣候變暖中發揮著重要的調節作用[1-3]。土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）是多種物質的綜合體，按照密度大小可劃分為輕組分有機質（light fraction organic matter，LFOM）和重組分有機質（heavy fraction organic matter，HFOM）[4-5]。LFOM和HFOM中的碳在土壤中的含量分別被定義為輕組分有機碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重組分有機碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）。LFOC易礦化分解，是作物生長的養分來源；HFOC相對穩定，對土壤固碳和降低大氣溫室氣體濃度具有重要的調節作用[6-8]。

秸稈還田是影響SOC轉化和積累的重要農田管理措施之一，可增加土壤有機碳含量、提升土壤質量，從而促進作物增產[8-9]。徐蔣來等[10]在揚州開展的長期定位試驗結果表明，75%的稻麥秸稈還田量對SOC的增加效果最好；Chen等[11]和王虎等[12]研究表明，秸稈還田提升了土壤酶活性，在增加土壤微生物量碳等活性組分含量的同時，激發土壤活性有機碳礦化，為作物生長提供養分；Pinheiro等[13]和傅敏等[14]研究顯示，秸稈還田不僅能增加SOC含量，還可提高土壤的保水性和微生物量，提升土壤質量和肥力；周延輝等[15]研究表明，還田秸稈種類與還田量對小麥的增產效果有顯著影響，稻稈全量或半量還田對小麥的增產效果優于麥稈；鄭繼成等[16]對稻麥輪作下秸稈還田進行研究顯示，秸稈還田使水稻增產1.6%～11.9%，秸稈全量還田較半量還田更有利于促進水稻增產。秸稈還田可大幅度提高土壤酶活性和緩效性有機碳含量，并增加脂肪族和含氮基團等組分的有機碳含量[17]，從而改變SOC的構成。綜上所述，SOC含量與組分變化對作物增產的效果與還田秸稈類型及還田量密切相關。

長期秸稈還田有利于增加土壤有機碳含量，但不同秸稈還田模式下SOC含量及其組分構成間的差異并不明確，秸稈還田后SOC組分構成及穩定性仍有待深入分析，特別是土壤有機碳組分變化對作物產量變化的影響機制尚不明確。為此，本研究在太湖稻麥輪作區開展了為期10年的稻麥秸稈差異化還田定位試驗，對比分析了不同秸稈還田處理下SOC含量及組分的變化特征，旨在研究秸稈類型和還田量對SOC組分和水稻產量的影響，為制定合理、可持續地提升土壤有機碳庫儲量及穩定性的秸稈還田模式提供理論依據和實踐支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江蘇省蘇州市相城區國家農業科學土壤質量相城觀測實驗站（E 120°25′57″，N 31°27′45″），屬亞熱帶季風氣候，年均溫15.7℃，年降雨量1 128 mm，年均光照時長3 039 h，＞10℃有效積溫4 947℃。試驗地為典型的水旱輪作種植制度，一年兩熟；土壤類型屬壤質黃泥土，試驗前表層0—20 cm土壤基本屬性為土壤有機質33.0 g·kg-1，全氮 1.7 g·kg-1，速效磷 35.3 mg·kg-1，速效鉀 82.0 mg·kg-1，pH 6.1。

1.2 試驗設計

試驗始于2007年6月，共設5個處理：稻麥秸稈均不還田（CK，對照）、稻秸稈不還田+麥秸稈全量還田（wheat straw returning，W）、稻秸稈全量還田+麥秸稈不還田（rice straw returning，R）、稻麥秸稈均半量還田（half amount of rice and straw returning，HRW）和稻麥秸稈均全量還田（all amount of rice and wheat straw returning，ARW）。各處理稻季的麥秸稈還田量約為4.5 t·hm-2，麥季的稻秸稈還田量約為6.0 t·hm-2。所有處理的秸稈均采用機械切碎至5～10 cm后耕翻或旋耕方式還田，稻麥根茬高度5 cm左右。采用隨機區組設計，每個處理重復3次，小區面積5.0 m×6.5 m。

1.3 田間管理

所有小區作物全生育期田間管理一致。水稻于每年6月初進行人工移栽，行距23.3 cm、株距13.3 cm，每穴3苗，10月底收獲。各處理的氮、磷、鉀肥用量相同，氮肥（純N）用量為225 kg·hm-2，按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3分3次施用；磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量分別為90和180 kg·hm-2，磷肥作基肥一次性施入，鉀肥按1∶1作基肥和穗肥分2次施用。小麥于每年11月初進行機播，氮肥（純N）、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量分別為180、90和120 kg·hm-2，其中，氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2分3次施用，磷肥作基肥一次性施入，鉀肥按1∶1作基肥和穗肥分2次施用。

1.4 樣品采集

分別于2007年10月和2017年10月水稻收獲后，按照5點取樣法用土鉆在各處理小區0—20 cm土層采集混合樣品1.0 kg，室內自然風干后去除草根等雜物，用四分法取其中一部分研磨，過10目和60目尼龍篩，備用。

1.5 測定項目及方法

LFOC和HFOC采用改進的比重法測定[4]。首先，通過比重法分離得到輕組分有機質（密度小于1.8 g·cm-3）和重組分有機質（密度大于1.8 g·cm-3），再借助C/N元素分儀（Analytik Jena AG Multi N/C 3100，德國）測定輕組分有機質中的碳含量（carbon content in light fraction organic matter，LFOM-C，%），再計算土壤中輕組分有機碳含量（g·kg-1）。土壤有機碳和重組分有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定，測定方法參考《土壤農業化學分析方法》[18]。SOC及其組分增加速率計算公式如下。

式中，VC為土壤有機碳變化速率；C為試驗結束時土壤有機碳及碳組分含量；C0為試驗初期土壤有機碳及碳組分含量；T為試驗持續時間。

1.6 數據處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進行數據的處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田模式對SOC的影響

圖1顯示，與2007年相比，R、HRW和ARW處理的SOC含量分別顯著增加4.25、3.41和4.60 g·kg-1。CK、W、R、HRW和ARW處理的固碳速率分別為 0.18、0.19、0.42、0.34 和 0.46 g·kg-1·a-1，R和ARW處理的固碳速率顯著高于CK（圖2）。由此表明，秸稈種類和還田量對SOC含量有顯著影響。2007年，5個處理間SOC含量無顯著差異；2017年，ARW處理的SOC含量顯著高于CK；W、R和HRW處理的SOC含量與CK差異不顯著，但均高于CK處理，說明秸稈還田產生的外源性有機碳投入是影響土壤有機碳變化的重要因素，直接影響著SOC的累積效果；CK處理中SOC含量的增加可能是由作物留茬與根系腐爛分解所導致[19]。

圖1 不同處理下土壤有機碳含量Fig.1 Soil organic carbon content under different treatments

圖2 不同處理的土壤有機碳變化速率Fig.2 Variation of soil organic carbon under different treatments

2.2 不同秸稈還田模式對SOC組分構成的影響

稻麥秸稈還田后經過一系列的生物化學過程轉化為不同類型的含碳有機質并儲存于土壤中，改變了 SOC 的構成[6，10-11]。表 1 顯示，2007 和 2017年，5個處理的HFOC占比均為80%以上。2017年，CK、R和ARW處理土壤中HFOC占比較2007年有所降低，其中，ARW處理顯著降低，降幅為10.78%，說明稻麥秸稈還田后更多地轉化為相對活躍的輕組分有機碳[20-21]。W和HRW處理中HFOC占比較2007年分別增加2.47%和1.78%。綜上所述，穩定性較高的HFOC是SOC的主要成分，麥稈還田有利于HFOC的累積，而稻稈還田更有利于LFOC的累積。

表1 不同處理下土壤有機碳的構成Table 1 Composition of soil organic carbon components under different treatments

2.3 不同秸稈還田模式對LFOC變化的影響

秸稈還田10 a后，不同處理LFOC含量的變化趨勢存在差異（圖3）。2017年，各處理LFOC含量的大小順序表現為ARW＞R＞CK＞W＞HRW，不同處理間差異均不顯著；與2007年相比，CK、W和HRW處理LFOC含量降低，R和ARW處理的LFOC含量升高，但年份間差異均未達到顯著水平。2007—2017年，CK、W、R、HRW和ARW處理LFOC的增速分別為-0.02、-0.03、0.01、-0.02和0.02 g·kg-1·a-1，ARW 處理 LFOC增速顯著高于W處理（圖4）。由此表明，稻稈還田有利于增加土壤LFOC含量，麥稈還田后LFOC含量降低，可能是由于麥稈還田于水稻生長季，而稻季長期淹水的環境有利于形成更多水溶性有機碳和微生物量碳等易被作物吸收利用的活性組分[16]，提高SOC的生物可利用性，土壤有機碳的激發效應促使土壤活性較強的 LFOC 含量降低[12，22]。

圖3 不同處理下土壤LFOC及LFOM-C含量Fig.3 LFOC and LFOM-C content under different treatments

圖4 不同處理的LFOC變化速率Fig.4 Variation of LFOC under different treatments

對不同處理的LFOM-C含量進行比較，2017年，HRW和ARW處理LFOM-C含量顯著低于CK、R和W處理（P＜0.05）（圖3），可能與秸稈類型對SOC的激發效應以及微生物對秸稈的分解作用有關[1，14]。經過 10 a秸稈還田后，5 個處理的LFOM-C均顯著降低（P＜0.05），但不同處理的降幅存在差異（圖3）。2017年，CK、W、R、HRW和ARW處理LFOM-C含量分別較2007年降低了11.06、7.41、5.94、10.84和13.31個百分點，其中，ARW處理的降幅最大，顯著高于W和R處理的降幅（P＜0.01）；R處理的降幅小于W處理，說明稻稈還田有利于碳含量較高的LFOM累積，麥稈還田有利于碳含量較低的LFOM累積；HRW處理的降幅小于ARW處理，但ARW處理LFOC累積更多（圖3），可見，秸稈還田量越大越有利于LFOC累積，尤其是對于碳含量相對較低的LFOM。

2.4 秸稈還田對土壤重組有機碳變化的影響

圖5顯示，2017年各處理中HFOC較2007年均有所增加，其中，R、HRW和ARW處理HFOC含量顯著增加（P＜0.05）。2017年，ARW處理HFOC含量最高，較2007年增加4.19 g·kg-1；其次為R處理，較2007年增加4.07 g·kg-1；CK處理HFOC含量最低，較2007年僅增加1.46 g·kg-1。經過10 a的秸稈還田后，ARW處理的HFOC含量顯著高于CK處理（P＜0.05），但秸稈還田處理間差異不顯著；CK、W、R、HRW和ARW處理HFOC的增加速率分別為：0.18、0.19、0.42、0.34和0.46 g·kg-1·a-1，R和ARW處理HFOC增速顯著高于CK和W處理（圖6），表明秸稈是SOC的重要物質來源，土壤HFOC增幅與秸稈類型和還田量密切相關，稻稈還田更有利于HFOC累積。CK處理HFOC含量的增加可能是由于稻麥根茬及根系殘留物導致[23-24]。

圖5 不同處理下土壤HFOC含量Fig.5 HFOC content under different treatments

圖6 不同處理的HFOC變化速率Fig.6 Variation of HFOC under different treatments

2.5 土壤有機碳組分對總有機碳的影響

圖7顯示，2007年和2017年，LFOC與SOC間的決定系數分別為0.315 8和0.023 1，相關性不顯著（P＞0.05）；HFOC與SOC間的決定系數分別為0.993 4和0.787 9，呈極顯著正相關（P＜0.01）。秸稈還田10 a后土壤LFOC和HFOC與SOC間的相關系數均較2007年減小。

圖7 土壤有機碳與碳組分之間的關系Fig.7 Relationship between the contents of soil organic carbon and its fractions

2.6 秸稈還田對水稻產量的影響

長期秸稈還田導致SOC含量及組分構成發生變化，進而影響作物產量。為避免品種差異對結果產生影響，僅對2007年和2017年水稻產量進行分析，結果（表2）表明，不同處理間水稻產量在2007年無明顯差異；經秸稈還田10 a后，各處理間水稻產量在2017年差異顯著（P＜0.05），其中，ARW處理水稻產量最高，其次是R處理，W處理產量最低。2017年，ARW處理千粒重和結實率均較低，但經過連續10 a的秸稈差異化還田處理后，ARW處理SOC和LFOC增幅較大，SOC含量較高，單位面積水稻有效穗數較多[23]，因此產量較高；W處理水稻的千粒重和結實率較高，但SOC含量較低，單位面積有效穗數較少，因此產量較低。秸稈還田增加了SOC含量，特別是LFOC的增加，提高了土壤有機碳及微生物酶活性[14，25]，為作物生長提供了更多的養分。以麥稈中氮含量均值5.82 g·kg-1、稻稈中氮含量均值8.37 g·kg-1計[26]，按麥稈全量還田量6 000 kg·hm-2、稻稈全量還田量9 000 kg·hm-2估算[27]，稻稈還田處理帶入的氮素量為75.33 kg·hm-2，麥稈還田處理帶入的氮素量為34.92 kg·hm-2，即稻稈還田帶入的氮素量是麥稈還田的2.16倍。綜上所述，秸稈還田在增加土壤有機碳含量的同時，也增加了土壤中氮、磷、鉀等營養元素含量[11，21，23]，且秸稈還田產生的營養元素生物利用率較高，對作物增產效果更好[28-29]。

表2 不同處理下水稻的產量Table 2 Rice yield under different treatments

分析SOC及其組分與水稻產量間的關系，結果（圖8）顯示，LFOC與2007年水稻產量呈顯著正相關（P＜0.01），決定系數為0.972 6；HFOC和SOC與水稻產量相關性不顯著（P＞0.05）。

圖8 土壤有機碳組分與水稻產量間的關系Fig.8 Relationship between the content of soil organic carbon fractions and rice yield

3 討論

3.1 秸稈還田對有機碳不同組分的影響存在差異

本研究表明，10 a秸稈還田增加了SOC，但不同處理下SOC及各組分含量變化存在差異，如CK處理SOC增幅小于R處理，HRW處理略低于ARW處理，與胡乃娟等[27]和張翰林等[30]研究結果一致，但與陳鮮妮等[24]研究結果存在差異，說明氣候條件、種植制度、秸稈類型和土壤狀況對秸稈還田后土壤有機碳變化均產生重要影響。本研究區土壤粘粒含量相對較高，秸稈腐解慢，更有利于碳素保存于土壤中；另外，水稻淹水的厭氧生長環境也更有利于碳累積。與小麥秸稈相比，水稻稈還田更有利于提升SOC含量，可能是由于稻稈和麥稈自身的物質組分差異，麥稈中含有較多難分解的纖維素和木質素[23]，因此，麥稈還田后易形成難分解的碳組分，增加SOC固存。不僅秸稈種類對SOC有影響，秸稈還田量對SOC也有顯著影響，相同面積下，水稻生長產生的秸稈量大于小麥的秸稈量，因此，稻稈的還田量高于麥稈[25，27]。由于還田秸稈的成分及分解速率不同，隨著秸稈還田處理時間的延長，麥稈還田累積的碳投入量明顯小于稻稈全量還田和稻麥秸稈全量還田處理的碳累積投入量[23]。本研究也表明，秸稈全量還田處理的SOC增幅大于秸稈半量還田和不還田處理；另外，秸稈還田增加了碳含量較低且更易礦化分解的有機碳組分，改變了SOC組分構成，影響SOC穩定性[4，24-25]。由于稻麥秸稈還田季節不同，受氣溫、降水、土壤水熱狀況、微生物和施肥等多種因素的綜合影響，秸稈的腐解速率、碳轉化效率等存在差異，因此，稻稈和麥稈還田提升SOC的效果也明顯不同[22，31]。

3.2 秸稈還田改變了有機碳組分及其活性

稻、麥秸稈還田對SOC組分產生重要影響。不同處理LFOM-C含量的變化表明，LFOM-C含量在秸稈還田后發生變化，且不同處理LFOC和HFOC含量的增加量不同，秸稈還田帶來的有機碳投入使得SOC組分構成發生變化。CK處理雖沒有進行秸稈還田，但其LFOM-C含量也發生了變化，可能是由于CK處理雖然沒有秸稈還田，但稻、麥的根茬被翻耕還田，成為LFOC累積的重要物質來源，可轉化為含碳量較低的LFOM并累積，致使 LFOM-C 含量降低[14，20，32]。本研究所有處理的LFOM-C含量均較試驗初期顯著降低，說明LFOM-C含量對秸稈還田的響應比較敏感，能夠很好地反映秸稈還田對SOC變化的響應，且秸稈還田量越大，LFOM-C含量越低。相對而言，LFOM-C含量越低，越容易被土壤中的微生物礦化分解成為可被作物吸收利用的營養物質，增加養分供應，促進作物生長[21，33]。

3.3 秸稈還田對土壤微生物產生重要影響

秸稈還田影響土壤微生物活性，對土壤-作物系統具有重要意義。土壤微生物在SOC累積中發揮著重要作用，特別是微生物殘體的累積是高穩定性碳組分的重要物源，而根系及其分泌物通過影響微生物活性，對SOC累積產生影響[34-35]。本研究表明，秸稈還田10 a后，R處理HFOC含量高于W處理，ARW處理HFOC含量高于HARW處理，說明秸稈類型和還田量顯著影響HFOC含量，稻稈還田較麥稈更有利于HFOC累積。這種差異可能與稻麥秸稈的物質組分有關，水稻和小麥秸稈中纖維素含量分別為39.7%和51.2%，木質素含量分別為25.2%和23.9%[36]。與水稻秸稈相比，小麥秸稈含有較多的烷氧碳和雙氧烷基碳[32]，還田后部分會轉化成穩定性較高的酚基碳和芳基碳，隨秸稈分解時間的延長，這類不易被作物吸收利用和礦化分解的含碳有機物含量不斷累積，并提高土壤碳庫的穩定性。但由于稻稈還田量大于麥秸稈還田量，因此，水稻秸稈還田的固碳效果更顯著。在實際生產中，由于大量的秸稈還田，特別是在秸稈還田初期，還田秸稈過多及腐解過程中產生的有機酸會對小麥出苗和水稻生根造成不良影響，且麥稈還田產生的有機酸累積高于稻稈，秸稈量越大，產生的有機酸越多[37]。綜上所述，可考慮僅稻稈或麥稈還田，以減輕秸稈還田對作物生長的影響；或者對秸稈進行處理，如制成穩定性更高的生物質炭，既能解決秸稈產生的環境問題，又能提高土壤固碳效率。