添加不同類型秸稈對土壤CO2排放和化學性質的影響

李歡，趙平，2，陳林康，李連華，向蕊，龍光強，2*

（1.云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201；2.農業農村部云南耕地保育科學觀測實驗站，昆明 650201）

我國秸稈資源豐富，據統計2017 年主要農作物秸稈約9 億t，可收集利用資源達7.36 億t。在秸稈綜合利用的方法中，秸稈還田是一種相對較優的方式。秸稈還田可改善土壤團粒結構和養分狀況，降低土壤容重和促進土壤酶活性，豐富土壤微生物多樣性，進而提高作物產量和增加土壤有機碳固存，實現作物可持續生產。

種植模式和秸稈組成均會影響秸稈腐解和土壤有機碳的轉化，改變土壤碳儲量，同時調控土壤化學性質和養分狀況。一方面，秸稈腐解過程中CO排放和土壤化學性質受作物秸稈化學性質、還田部位、還田方式以及還田深度等的影響。當不同化學性質的有機物混合，它們的分解速率通常不等于每個單一物種的算數平均值（即預期的分解速率），而是會導致正向或負向非加性效應，這在森林和草地生態系統中研究較多。相應地，分解過程中的CO排放和土壤性質響應亦不同于單一組成的有機物。在農田生態系統中，間作或混作模式下通常有兩種或多種作物秸稈同時進入土壤，這如何進一步影響秸稈分解和土壤性質，以及土壤碳固存和土壤肥力，值得關注。

另一方面，種植模式對秸稈腐解后的CO排放和土壤化學性質也存在影響。不同種植模式常導致土壤pH、速效養分和微生物群落組成等產生差異，進而調控秸稈腐解及養分釋放與周轉。研究表明，由于微生物的特異性演化，木本和草本植物凋落物在原位分解更快，具有“主場優勢”，這在各種自然生態系統中得到了廣泛驗證。但是由于有機底物-土壤環境-微生物的復雜相互作用，這一機制產生的原因仍難以歸納和界定，尤其是在有機物組成和分解環境高度多樣化的農田生態系統中。在農田土壤中，“主場優勢”并不一定代表真正的“優勢”，秸稈過度分解不利于有機質的保存，同時秸稈在原位腐解可能帶來病蟲害頻發和連作障礙等問題。因此，關注秸稈在異位條件下（非主場）腐解對碳排放和土壤性質的影響，對探索秸稈異位還田具有重要指導意義。

因此，本文采集3 種種植模式（玉米單作、馬鈴薯單作和玉米馬鈴薯間作）的多年田間定位試驗土壤，分別加入玉米秸稈、馬鈴薯秸稈及其混合秸稈，進行室內培養試驗，探究不同秸稈組成和不同種植模式對秸稈腐解過程中CO排放及土壤化學性質的影響，加深對秸稈腐解過程中土壤碳排放和養分變化規律的理解，為秸稈還田增強土壤碳匯功能和合理養分供應提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

本培養試驗于2019年10—11月在云南農業大學現代農業教育科研基地實驗室（23°32'N、103°13'E）進行。供試土壤來自于在云南農業大學現代農業教育科研基地從2014 年開始的田間定位試驗小區，土壤為山原紅壤。于田間小區試驗第6 a（2019年）作物收獲后采集表層（0~20 cm）土壤開展培養試驗，試驗前基本理化性質如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 The basic chemical properties of soils

玉米、馬鈴薯秸稈采自2018 年作物收獲后，經70 ℃烘干后，粉碎過1 mm 篩備用。試驗前玉米秸稈和馬鈴薯秸稈的化學性質如表2所示。

表2 試驗用玉米和馬鈴薯秸稈基本化學性質Table 2 Basic chemical properties of maize and potato straws used in this study

1.2 試驗設計

本研究采用兩因素（包含土壤種植模式和秸稈類型）交互的室內培養試驗。其中土壤種植模式為連續6 a的玉米單作種植土壤（MM）、馬鈴薯單作種植土壤（MP）和玉米與馬鈴薯間作種植土壤（I）；3 種秸稈類型為玉米秸稈（MS）、馬鈴薯秸稈（PS）和玉米馬鈴薯混合秸稈（CS，質量混合比例為1∶1），同時以不添加秸稈（CK）作為對照。共12 個處理，每個處理3 次重復。在25 ℃恒溫箱中在未添加秸稈和黑暗條件下進行好氧預培養7 d，待恢復土壤微生物活性后，按碳排放和養分動態監測兩個研究目的分別進行如下試驗。

1.2.1 CO排放培養試驗

稱取干質量50 g 的鮮土放入250 mL 三角瓶中，在其中添加1 g 秸稈樣品（混合秸稈樣品包括玉米秸稈和馬鈴薯秸稈各0.5 g），同時設置不添加秸稈作為對照。各處理均采用完全隨機設計，3 次重復，放在25 ℃恒溫培養箱中不添加秸稈和黑暗條件下進行培養。培養過程中用透氣薄膜封口，以減少水分散失。用稱質量法來控制土壤水分，使土壤含水率始終維持在20%，抽氣時用膠塞封口，取氣時間間隔為 0、1、2 h。在培養開始后的第 1、3、5、7、10、14、18、22、28、42、56、77、105 d 分別采集氣體樣品，測定土壤CO濃度。

1.2.2 土壤化學性質培養試驗

稱取干質量50 g 的鮮土，放入塑料封口袋中，塑料袋上留通氣小孔（保證通氣正常和控制水分散失），在其中添加1 g 秸稈，同時設置未添加秸稈的對照試驗。培養試驗過程中采用稱質量法使土壤含水量維持在20%，在培養后的第0、4、7、15、30、60、105 d分別進行破壞性取樣，測定土壤pH 值、可溶性有機碳（DOC）、速效磷、速效鉀、硝態氮和銨態氮含量。

1.3 指標測定

1.4 數據處理與分析

土壤CO排放通量計算公式為：

式中：為CO排放通量，mg·kg·h；正值為排放，負值為吸收；為標準狀態下被測氣體濃度；DD為單位時間內取樣瓶內被測氣體濃度的變化量；為采樣時瓶內溫度，℃；為采樣瓶體積，m；為培養干土質量，kg。

CO累積排放量計算公式為：

式中：為培養過程中氣體排放量，g·kg；為氣體排放速率，mg·kg·h；為采樣次數；為采樣時間，d。

CO凈累積排放量（）計算公式為：

式中：為添加秸稈后土壤的累積排放量，g·kg；為供試土壤不添加秸稈對照處理的累積排放量，g·kg。

兩種單一秸稈CO累積排放量的加權平均值（）計算公式為：

式中，和分別為單作玉米和單作馬鈴薯的CO累積排放量，g·kg；和分別為混合秸稈中玉米秸稈和馬鈴薯秸稈的比例，本研究中和均為0.5。

使用Excel 2010 軟件進行數據的整理，Origin 2018 軟件作圖，用 SPSS 20.0 軟件的 LSD 和 Duncan 進行差異顯著性分析（<0.05）。采用Amos 23.0軟件包構建SEM 方程模型，用χ值、自由度、假定值、擬合優度指數（GFI）和近似的均方根誤差（RMSEA）來評估擬合度。SEM建模時，對測定的土壤化學性質動態指標進行了平均，以代替分解過程中不同處理間的土壤性質差異。Canoco 5.0 進行主成分分析，并用R 4.0.2進行置換多元方差分析（PERMANOVA）。

2 結果與分析

2.1 CO2排放速率和累積排放量

整個培養期間，不同作物種植模式土壤中秸稈CO排放速率均呈現出前期（0~28 d）較快、中期（28~56 d）減緩、后期（56~105 d）穩定的趨勢（圖1）。在3種作物種植模式的土壤中，與不添加秸稈（CK）相比，除第105 d，其余時間秸稈添加（CS、MS 和PS）均顯著增加了CO排放速率。

圖1 整個培養期CO2排放速率Figure 1 CO2 emission rate throughout the incubation period

在同一種植模式土壤中添加不同秸稈，腐解前期PS 的CO排放速率較快，其中，在玉米與馬鈴薯間作（I）種植的土壤中，第1、5、10 d PS 的CO排放速率顯著高于CS 和MS，在玉米單作種植（MM）和馬鈴薯單作種植（MP）土壤中，在第1、5、7 d PS的CO排放速率顯著高于CS和MS；腐解的中后期CS、MS和PS的CO排放速率差距較小。

不添加秸稈時，不同作物種植模式的土壤之間CO排放速率無顯著差異。同一秸稈在不同種植模式下，CS 的土壤中 CO排放速率在第 1、3、28 d 的 MP土壤中顯著高于 I 土壤中；MS 在第 1、18、22 d 的 MM土壤中顯著低于I 和MP 土壤中；對于PS 而言，第3、5、10 d的I土壤中顯著低于MM和MP土壤中。

秸稈類型和種植模式均對土壤CO累積排放量和去除對照的CO凈累積排放量有顯著影響（圖2）。就秸稈而言，CS 和PS 在不同種植模式土壤中CO累積排放量和凈累積排放量均沒有顯著差異，而MS 則在MM土壤中顯著低于I和MP土壤中，即玉米秸稈原位添加抑制了土壤CO排放。相比于CK，秸稈添加的處理CS、MS 和PS 均有效增加了CO累積排放量和CO凈累積排放量。

就種植模式而言，在MP 土壤中添加不同秸稈后，CO累積排放量和凈累積排放量無顯著差異，而在I土壤中，添加PS后，CO累積排放量顯著低于添加MS（圖2a），在MM 土壤中，添加CS 后的CO累積排放量和CO凈累積排放量顯著高于添加MS 的。此外，與玉米和馬鈴薯單一秸稈的加權平均（WM）相比，秸稈混合后分別顯著增加了MM土壤中CO累積排放量19.2%、CO凈累積排放量19.9%，同時降低了MP土壤中CO累積排放量的8.6%和CO凈累積排放量的9.6%。

圖2 CO2累積排放量和CO2凈累積排放量Figure 2 Cumulative CO2 emissions and net cumulative CO2 emissions

2.2 土壤化學性質變化

2.2.1 土壤pH和DOC含量

無秸稈添加的土壤（CK）在培養過程中pH 波動較小（圖3）。添加秸稈后，土壤pH 在培養期呈現先快速下降而后緩慢上升的趨勢。在I 和MP 土壤中，CS 在培養結束時的 pH 較 CK 升高，在 MM 土壤中 pH降低；在 I、MM 和 MP 土壤中，MS 在培養結束時的 pH均升高；在整個培養過程中，3 種作物種植模式下，添加PS 土壤中的pH 均為降低，培養結束時I 和MM 土壤中下降幅度較大。此外，整個腐解過程中，添加MS的不同土壤的pH均高于添加CS和PS。

相比于CK，添加秸稈處理（CS、MS 和PS）在培養的前60 d均能增加土壤DOC 含量（圖3）。CS和PS在60~105 d 的DOC 含量均呈現下降趨勢，在105 d 時除I 土壤中的CS 高于CK，其余處理的DOC 含量均低于CK。添加MS 處理下DOC 含量持續增加，在I 土壤中后期的增加效果最為顯著，在MM 和MP 土壤中后期表現為下降趨勢。培養結束時，添加MS 的3 種作物種植模式土壤中DOC 含量與CK 相比均有提高。同時，添加PS在培養的第4 d時對DOC含量的增加效果最為顯著。

圖3 3種作物種植模式的土壤pH和可溶性有機碳（DOC）含量的動態變化Figure 3 Dynamic changes of pH and DOC in soil under different decomposition environments

2.2.2 土壤速效養分

在整個培養過程中，土壤速效磷（AP）在3種種植模式土壤中的變化趨勢基本一致（圖4）。在3種作物種植模式土壤中，添加秸稈均能增加AP 的含量，除I土壤添加CS 效果最佳外，MM 和MP 土壤均表現為添加PS 效果最好。不添加秸稈時，MP 土壤中AP 含量下降幅度最大。添加CS 后，I土壤中AP 含量較高，而添加MS和PS后，均為在MP土壤中AP含量最高。

在3 種作物種植模式土壤中，添加秸稈后均能顯著增加土壤速效鉀（AK）含量（圖4）。添加不同秸稈后，3種種植模式土壤中均為MP 土壤增加AK 含量的效果最佳，培養結束時，3 種土壤中AK 含量均為PS>CS>MS>CK。不添加秸稈時，不同作物種植模式土壤中 AK 含量表現為 I 和 MM 土壤中變化較小，MP 土壤中變化較大。

圖4 培養過程中土壤速效磷（AP）和速效鉀（AK）的含量變化Figure 4 Changes of soil available phosphorus（AP）and available potassium（AK）during incubation

2.3 CO2累積排放量與土壤化學性質的關系

主成分分析（PCA）表明，前兩軸的環境變量累計解釋了CO累積排放量變化的88.15%，同一秸稈在不同種植模式土壤中的樣本點離散較小，而不同秸稈在同一種植模式土壤中的樣本點離散較大，DOC 和C/N是影響CO累積排放量的主要因素（圖6）。同時對CO累積排放量進行置換多元方差分析（PERMANO?VA）得出，秸稈類型和種植模式均對CO累積排放量存在顯著差異（<0.001），且秸稈類型對CO排放的影響大于種植模式。

3 討論

3.1 秸稈類型和種植模式對秸稈腐解土壤CO2排放的影響

本研究中，前期添加馬鈴薯秸稈（PS）的CO排放最高，后期添加3 種秸稈CO排放無顯著差異。前人研究得出，高質量秸稈（低C/N）和低質量秸稈（高C/N）會發生互補效應，氮素會從高質量殘體遷移到低質量殘體，以促進低質量組分的降解（互補效應），同時秸稈化學組成（例如C/N）是影響腐解速率的關鍵因素。這種差異導致土壤中有機質的激發強度不同，使得土壤呼吸強度發生變化，進而影響CO排放速率。此外，混合秸稈與玉米和馬鈴薯單一秸稈的加權平均相比，增加了I 和MM 土壤中的CO累積排放量，降低了MP 土壤中的CO累積排放量。因此，在對I和MM 土壤中，需要控制因添加混合秸稈后而導致的CO的排放，比如調整混合比例或者降低添加的量。添加混合秸稈后在I和MM 土壤中表現為促進分解（協同作用），在MP土壤中為抑制分解（拮抗作用）。然而秸稈混合后對碳排放的影響為累加性還是非累加性需要進一步研究。

圖6 CO2累積排放量的主成分分析Figure 6 Principal component analysis of cumulative CO2 emission

圖7 主要指標與CO2累積排放量的結構方程模型（SEM）Figure 7 Structural equation modeling（SEM）of main indicators and cumulative CO2 emissions

3.2 秸稈類型和種植模式對秸稈腐解過程中土壤速效養分動態的影響

本研究通過添加秸稈到不同種植模式的土壤中，分析CO排放差異以初步分析秸稈腐解的變化，同時探討土壤化學性質動態。然而，秸稈組成中，哪些物質或結構對有機物分解起決定性作用有待進一步研究。同時，結合16S rDNA、ITS和GeoChip 等高通量測序技術，分析土壤中影響秸稈分解的關鍵微生物類群，明確它們與有機物降解功能的關系，對揭示農田生態系統中作物秸稈混合和異位還田的機制十分重要。此外，本試驗為室內進行的恒溫培養，今后的研究亟需拓展更豐富的秸稈類型和混合比例，并在大田試驗中進行深入分析，明確秸稈混合還田和異位還田對有機碳固存及土壤肥力的長期影響。

4 結論

（3）在本研究條件下，添加混合秸稈后間作和玉米單作土壤中的CO排放增加。添加秸稈后可增加土壤速效養分（速效磷和速效鉀），提高土壤肥力。秸稈類型對CO排放和土壤養分變化的影響大于種植模式，因此拓展不同類型秸稈（如豆科和非豆科）在不同分解環境中的田間腐解研究，對指導秸稈還田有重要意義。