CO2濃度增加和秸稈還田對黑土團聚體有機碳的影響

岳婭，薛海清，馮茜，苗歡，苗淑杰，喬云發

（南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044）

自工業革命以來，由于人類活動導致的溫室氣體排放急劇增加，根據IPCC第五次評估報告預測，到21世紀末大氣CO2濃度將會達到1 259.72 mg·m-3[1]。CO2作為影響植物生長的關鍵環境因子，對植物的生長發育和生理功能都會產生顯著影響[2]。CO2是光合作用的底物，植物通過光合作用將大氣中的CO2固定到植物體內，又通過根系分泌物和凋落物等將一部分光合碳輸入到土壤中[3-4]，從而為土壤中的微生物提供碳源和能源。然而有研究表明，大氣CO2濃度升高加快了土壤有機碳（SOC）的分解速率，從而使更多的CO2被釋放到大氣中[5]。van Groenigen 等[6]結合原位數據分析指出，CO2濃度升高能使土壤中碳的輸入增加19.8%；但是也有些CO2倍增試驗的結果顯示，大氣CO2濃度升高后土壤全碳的含量反而有所降低[7]。van Kessel 等[8]進行了10 a 開放式大氣CO2濃度倍增試驗后，提出高濃度CO2并未使瑞士草地土壤的全碳量有任何改變。可見，土壤碳庫對高CO2濃度的響應存在一定的爭議，面對大氣CO2濃度增加的趨勢，深入了解SOC的變化規律，將有利于我國提出的“雙碳”目標的實現。

秸稈還田是實現黑土區土壤可持續發展的有效途徑[9]。秸稈腐解后回歸土壤可以提高SOC 的輸入量，并且輸入大量的易分解碳組分有利于抑制土壤原有有機碳的礦化分解，從而有望增加SOC 含量[10]。李昌新等[11]通過近20 a 的連續定位試驗發現，秸稈還田處理比未添加秸稈的對照處理的SOC 含量增加了30.8%。高洪軍等[12-13]通過田間定位試驗發現，玉米秸稈還田能夠顯著提高黑鈣土各粒級團聚體的有機碳含量，尤其對＞0.25 mm 大團聚體有機碳含量增加的貢獻更大，減少了微團聚體有機碳的貢獻率。劉恩科等[14]經過16 a 對褐潮土進行有機肥和化肥配施的研究也認為，秸稈還田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的貢獻更大。這些結果均表明秸稈還田在提高土壤團聚體穩定性的同時，還能顯著提高大團聚體中的有機碳含量[15-16]。但是，面對大氣CO2持續增加的大背景，秸稈還田對土壤團聚體結構和有機碳含量的影響是否會受到影響，目前還未見明確報道。

土壤團聚體是土壤結構的重要組成部分[17]，不僅調節著土壤微環境，而且與SOC 儲量和周轉關系緊密。土壤團聚體通過物理作用保護固持SOC，對土壤養分以及結構穩定性具有決定作用，反之，SOC 又是促進土壤團聚體形成的主要膠結物質[18]。因此，SOC含量是評價土壤肥力的重要指標之一。有機碳損失不利于微團聚體凝結成大團聚體，同時還會使團聚體結構穩定性減弱，增加土壤遭受侵蝕的風險[19]。我國東北黑土區作為全球僅有的三大黑土區之一，是地球上最珍貴的土壤資源[20-21]。但是近年來，由于受到人類掠奪式開發利用的影響，黑土地土層變薄、肥力下降，污染等環境問題突出，這將直接威脅到我國糧食安全[21]。因此急需找到切實可行的措施來提高SOC含量，從而降低黑土區進一步遭受侵蝕的風險。

現有研究主要涉及CO2濃度增加以及秸稈還田單因素對SOC的影響，而二者交互作用對黑土團聚體有機碳分布的影響鮮有研究，因此，本研究以東北黑土為研究對象，探究大氣CO2濃度增加背景下，秸稈還田對土壤團聚體分布特征及團聚體有機碳含量的影響，以期為穩定黑土有機碳庫提供可能的技術措施，并為該地區土壤質量和固碳能力的提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于黑龍江省海倫市中國科學院海倫農業生態實驗站（47°27′N，126°55′E），地處我國東北黑土區的中心。該地地形較為平坦，海拔高度240 m左右，溫帶大陸性季風氣候，全年四季分明，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～600 mm，其中6—8月的降水量占全年總降水量的近70%，多年平均氣溫在1.5 ℃左右，≥10 ℃的活動積溫為2 600～2 800 ℃，年平均無霜期130 d，年日照時數2 600～2 800 h，年總輻射量466 kJ·cm-2。農作物以一年一熟制為主。供試土壤為典型黑土，土壤母質為第四紀黃土狀母質，含有40%的黏土、34%的砂土和26%的粉土，試驗前耕層土壤（0～20 cm）有機碳含量為29.66 g·kg-1，全氮含量為2.08 g·kg-1，全磷含量為0.78 g·kg-1，全鉀含量為21.37 g·kg-1，堿解氮含量為203.39 mg·kg-1，有效磷含量為29.98 mg·kg-1，速效鉀含量為122.61 mg·kg-1，pH為6.05。

1.2 試驗設計

氣候變化長期定位試驗開始于2012年5月，試驗設置4 個處理，分別為對照（CK）、增加CO2濃度達1 259.72 mg·m-3（EC）、秸稈還田（ST）、增加CO2濃度并秸稈還田（EC+ST），每個處理3 次重復，隨機分布于OTC 開頂箱裝置內。OTC 為八角形，高3 m，內長1.2 m，體積20 m3。OTC 內為田間原位土壤，各小區間用埋深50 cm 且高出地表10 cm 的PVC 板隔開，以阻止小區間土壤和水分的交叉影響（圖1）。每個OTC 作為一個試驗小區，小區平均分為3 部分，其中一部分種植作為秸稈材料的玉米（玉米品種為德美亞1 號，種植密度為6 株·m-2，每公頃施肥量為尿素174 kg、過磷酸鈣40.2 kg、硫酸鉀44.8 kg，生長過程中的水分依賴于自然降水），剩余兩部分連作大豆（大豆品種為東升2 號，種植密度為27 株·m-2，每公頃施肥量為尿素63 kg、過磷酸鈣24.1 kg、硫酸鉀29.8 kg，生長過程中的水分依賴于自然降水）。通過OTC 內圈網狀管道向內噴射純CO2氣體，CO2排氣管的高度距作物冠層50 cm 左右（根據作物高度隨時調整），并且通過30 m 深的地下水循環來保持OTC 內溫度與外界溫度一致。根據預設定的CO2濃度自動調節CO2氣體的釋放速度，使作物生育期內CO2濃度維持在設定水平。秸稈為當年秋季收獲的該小區內玉米全量秸稈，采用秸稈粉碎機將秸稈粉碎成3～4 cm 長度后施入0～20 cm土壤中，并充分混勻。

圖1 試驗處理照片Figure 1 Photo of the experimental treatments

1.3 土壤樣品采集與測定

試驗第9 年（2020 年）10 月初采集大豆區土壤樣品，取樣深度為0～20 cm，用采樣鍬于每個小區取樣3份，樣品混合后作為一個重復。土樣帶回實驗室，室內陰干，一部分保持從田間采集來的原樣用于團聚體分級，另一部分磨碎過0.25 mm 篩用于測定SOC 含量。采用濕篩法進行水穩性團聚體篩分，將土壤分為5 個粒級，分別為＞1、＞0.5～1、＞0.25～0.5、＞0.053～0.25 mm 和≤0.053 mm；采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定SOC含量。

1.4 數據處理與分析

水穩性團聚體數量（R0.25）計算公式：

式中：Mr＞0.25為粒徑大于0.25 mm 大團聚體的質量，g；M為所有團聚體的質量，g。

平均質量直徑（dMW）計算公式：

式中：Xi是各粒徑下團聚體的平均直徑，mm；Wi是與Xi對應的各粒級團聚體的質量百分比。

分形維數（D）計算公式：

式中：di為相鄰兩粒級團聚體的平均直徑，mm；dmax為最大土粒直徑，mm；Wr≤di為粒徑小于等于di的團聚體的質量，g；W為所有團聚體的質量，g。

采用Excel 2016 和Origin 2019 處理并制圖，采用SPSS 23.0進行統計分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 總SOC含量

CO2濃度增加和秸稈還田對總SOC 含量的影響如圖2 所示。CK、EC、ST 和EC+ST 處理中，土壤總SOC 含量分別為31.31、31.30、31.37 g·kg-1和34.40 g·kg-1。與CK 處理相比，EC 處理的總SOC 含量有減少趨勢，而ST 處理有增加趨勢，但均未達到顯著差異水平，而EC+ST 處理使總SOC 顯著增加了3.09 g·kg-1，且比EC和ST處理分別顯著增加3.10 g·kg-1和3.03 g·kg-1（P＜0.05）。

圖2 總SOC含量Figure 2 Total SOC content

2.2 土壤團聚體粒徑分布及其穩定性

CO2濃度增加和秸稈還田對土壤團聚體分布的影響如圖3 所示。在團聚體各粒級中，＞1 mm 大團聚體的含量最少，占比為2.41%～8.33%。在ST 處理中，＞0.5～1 mm 大團聚體的含量最多，占比為27.44%，而CK、EC 和EC+ST 處理的土壤團聚體以≤0.053 mm 微團聚體為最多，分別占總量的41.61%、51.08%和34.84%。

圖3 各粒級團聚體組分占比Figure 3 Distribution of various size aggregates

與CK 處理相比，CO2濃度增加情況下EC 處理土壤中＞0.053 mm 各粒級團聚體的占比有減少趨勢，而≤0.053 mm 微團聚體的占比有增加趨勢，但均未有顯著差異。與CK 處理相比，ST 處理土壤中＞0.5～1 mm大團聚體的占比顯著增加了14.98個百分點，而≤0.053 mm 微團聚體的占比顯著減少了12.88 個百分點（P＜0.05），＞1 mm大團聚體與＞0.053～0.25 mm微團聚體的占比均有減少趨勢，＞0.25～0.5 mm 大團聚體的占比有增加趨勢，但均未達到顯著差異水平。與CK 處理相比，CO2濃度增加后EC+ST 處理增加了大團聚體比例，減少了微團聚體占比，具體表現為＞1 mm 大團聚體和＞0.5～1 mm 大團聚體分別顯著增加4.07 個與8.20 個百分點（P＜0.05），≤0.5 mm 各粒級團聚體均有減少趨勢，但未達到顯著差異水平。

由表1 可以看出，與CK 處理相比，EC 處理使得土壤D增加0.06，R0.25和dMW有減少趨勢，但均未達到顯著差異水平，ST 處理使土壤的R0.25顯著增加0.14，dMW顯著增加0.08 mm，D顯著減少0.11（P＜0.05），而EC+ST 處理使土壤的dMW顯著增加了0.11 mm，R0.25顯著增加了0.12（P＜0.05），D有減少趨勢但未達到顯著差異水平。

表1 不同處理土壤團聚體穩定性指標Table 1 Stability indexes of soil aggregates

R0.25表征土壤結構，dMW表征土壤團聚體穩定性，而D表征土壤松散程度。由表1 分析得出，與CK 處理相比，EC 處理使得土壤結構變差，團聚體穩定性下降，松散程度顯著下降；ST 處理使得土壤結構顯著變好，團聚體穩性顯著提升，松散程度顯著提升；EC+ST處理也可以增加＞0.25 mm 大團聚體數量，顯著增加土壤團聚體的穩定性，提升土壤松散程度。同時還可以看出，增加CO2濃度與秸稈還田的交互作用，不僅可以彌補增加CO2濃度對土壤團聚體穩定性的負面影響，還可以使其穩定性維持甚至超過單獨秸稈還田的水平，說明兩因素之間存在正交互關系。

2.3 土壤團聚體SOC及其對總SOC的貢獻率

CO2濃度增加與秸稈還田會對土壤各粒級團聚體SOC 含量產生影響（表2）。各處理中，隨著團聚體粒徑的減小，SOC 含量均呈現下降的趨勢。與CK 處理相比，EC 處理土壤中＞1 mm 大團聚體和＞0.5～1 mm大團聚體的SOC含量有增加趨勢，＞0.25～0.5 mm大團聚體和＞0.053～0.25 mm 微團聚體的SOC 含量有減少趨勢，但均未達到顯著差異水平，≤0.053 mm 微團聚體的SOC 含量增加了0.66 g·kg-1。與CK 處理相比，ST 處理使＞1 mm 大團聚體的SOC 含量增加0.55 g·kg-1，＞0.25～0.5 mm 大團聚體的SOC 含量減少1.13 g·kg-1，同時使得＞0.5～1 mm大團聚體和＞0.053～0.25 mm微團聚體的SOC 含量減少，≤0.053 mm 微團聚體SOC增加，而EC+ST 處理使得土壤中＞1 mm 大團聚體SOC含量顯著減少了3.05 g·kg-1，≤0.053 mm 微團聚體SOC 含量顯著增加了1.98 g·kg-1（P＜0.05），同時使＞0.5～1 mm 大團聚體的SOC 含量減少，＞0.25～0.5 mm大團聚體和＞0.053～0.25 mm 微團聚體的SOC 含量增加，但均未達到顯著差異水平。

表2 不同處理各粒級土壤團聚體SOC含量（g·kg-1）Table 2 Content of SOC in soil aggregates（g·kg-1）

CO2濃度增加與秸稈還田會對土壤各粒級團聚體SOC 的貢獻率產生影響（圖4）。ST 處理以＞0.5～1 mm大團聚體的SOC貢獻率最高，而CK處理、EC處理與EC+ST 處理中，≤0.053 mm 微團聚體的SOC 對總SOC的貢獻率最高。

圖4 各粒級土壤團聚體的SOC貢獻率Figure 4 Contribution rate of SOC in different size aggregates

與CK 處理相比，EC 處理使得≤0.053 mm 微團聚體的SOC貢獻率顯著增加9.14個百分點（P＜0.05），而＞0.053 mm 各粒級團聚體的SOC 貢獻率均有減少的趨勢，但均未有顯著差異。與CK 處理相比，ST 處理使＞0.5～1 mm 大團聚體的SOC 貢獻率顯著增加14.35個百分點，使≤0.053 mm 微團聚體的SOC 貢獻率顯著減少10.54 個百分點（P＜0.05），同時使得＞1 mm 大團聚體、＞0.25～0.5 mm 大團聚體和＞0.053～0.25 mm 微團聚體的SOC貢獻率有減少趨勢，但均未達到顯著差異水平。而EC+ST 處理相較于CK 處理，土壤中＞1 mm大團聚體和＞0.5～1 mm大團聚體的SOC貢獻率分別增加了3.25個和6.74個百分點，＞0.053～0.25 mm 微團聚體的SOC 貢獻率顯著減少5.82個百分點（P＜0.05），同時＞0.25～0.5 mm 大團聚體和≤0.053 mm 微團聚體的SOC貢獻率均有減少趨勢，但都未達顯著差異水平。

3 討論

3.1 SOC對CO2濃度增加和秸稈還田的響應

CO2濃度增加背景下，秸稈還田提高了SOC 含量。單一CO2濃度增加或者秸稈還田對全土SOC 含量影響不顯著[22]，而兩者交互顯著提高了全土SOC 含量。其中的原因主要有兩個方面：一是大氣CO2濃度升高會刺激土壤呼吸[23]，從而削弱土壤SOC 的提高[24]；二是秸稈還田產生的外源有機碳投入是影響土壤SOC 變化的重要因素，這與董林林等[24]的研究結果一致，并且土壤微生物群落對CO2濃度敏感，有利于r生存策略微生物種類的生存，微生物自身養分的代謝及其對土壤有機物質的更新均有利于提高SOC 的含量[25]。另外，CO2濃度增加與秸稈還田對作物生長發育全過程產生影響，進而使得地上生物量顯著提高，作物的凋落物與根系分泌物共同影響SOC 含量。然而，單獨秸稈還田使土壤團聚體中＞0.053～1 mm 粒徑的各粒級團聚體SOC含量顯著減少或有減少趨勢，而＞1 mm大團聚體與≤0.053 mm微團聚體中SOC含量顯著增加，Six等[26]和馮秋蘋等[27]的研究也得到了相同的結果，因為秸稈還田后，秸稈作為膠結劑在一定程度上促進了＞0.053～1 mm 粒徑間的各粒級團聚體向＞1 mm 大團聚體的轉化，微團聚體的固碳潛力普遍較低，且易達到碳飽和，因此新進入土壤的SOC 主要儲存在＞1 mm 大團聚體中[28]。單獨秸稈還田時，總SOC含量沒有顯著變化，這與前人研究結果存在差異[29]，推測是因為在交互處理中，＞0.053～1 mm 各粒級團聚體SOC 對總SOC 含量的貢獻率高達58.66%（圖4），而這部分粒級的團聚體占比顯著降低，從而導致總SOC含量無顯著變化。也有研究表明[30]，玉米秸稈的輸入對于SOC含量提升的作用主要發生在還田后的一年，在長期試驗過程中，由于秸稈自身較快的分解速率和對土壤原有SOC 產生的激發效應，共同導致SOC 含量無顯著差異。CO2濃度增加后秸稈還田使得＞0.5 mm 大團聚體的SOC 貢獻率顯著增加，≤0.5 mm 粒級團聚體的SOC 貢獻率顯著減少，這與吳雪里慧等[31]的研究結果一致，主要歸因于更多外源碳的輸入使得小團聚體受膠結劑影響轉變為大團聚體，從而提高了大團聚體的SOC 貢獻率。單一增加CO2使得＞0.5～1 mm大團聚體和＞0.25～0.5 mm 大團聚體的SOC 貢獻率顯著減少，而≤0.053 mm 微團聚體的SOC 貢獻率顯著增加，這與徐喬等[32]的研究結果一致，這可能與高濃度CO2下輸入土壤的新鮮有機物多，微生物傾向于利用新碳，將大團聚體破碎成小團聚體有關。

3.2 大氣CO2濃度增加和秸稈還田對黑土團聚體分布及穩定性的影響

秸稈還田可以彌補CO2濃度增加對黑土團聚體結構的不利影響。本研究中CO2濃度增加使＞0.053 mm 各粒級團聚體占比減少，而使≤0.053 mm 微團聚體的占比增加，從而使得土壤R0.25和dMW減少，土壤D顯著增加的結果可以支撐這一結論。這一結果與徐喬等[32]研究發現的大氣CO2濃度增加后土壤團聚體由大粒級向小粒級轉變，團聚體穩定性降低的結果相一致。可能的原因是CO2濃度增加使植物根系愈加發達，其穿插作用導致大粒級團聚體破碎分解為小粒級團聚體。秸稈還田后團聚體的變化情況恰好相反，總體表現為＞0.25 mm 各粒級大團聚體增多，≤0.25 mm 各粒級微團聚體減少，土壤的R0.25和dMW顯著增加，D顯著降低，土壤團聚體結構趨于穩定。這與馮秋蘋等[27]在東北西部半干旱區長期定位試驗的研究結果一致：一方面是秸稈施入土壤，提高了SOC含量，SOC 作為主要膠結物質將土壤顆粒和小粒級團聚體膠結成大團聚體，進而促進土壤大團聚體的形成；另一方面秸稈施入過程中，由于壓實作用促進了一部分大團聚體的形成。CO2濃度增加且添加秸稈的處理顯著增加了＞1 mm大團聚體和＞0.5～1 mm大團聚體的比例，≤0.5 mm 各粒級微團聚體占比均有下降趨勢，增加了土壤的R0.25和dMW，減少了D，土壤團聚體結構穩定性增強，這與鄭鳳君等[33]以及Xiao 等[34]的研究結果一致。這是由于秸稈還田一方面提高了向土壤中輸入的有機物量，因為有機物的含量與土壤穩定性呈正相關關系[35-36]，從而使得土壤的團聚體結構性更好。另一方面是在良好的土壤結構前提下，CO2濃度提升后，微生物群落的活性明顯增加[37]，從而產生更多的有機膠結物質，有機碳和膠結物質的進一步增加，使得土壤中微團聚體更易于膠結，形成更多的大團聚體。此外，在CO2濃度增加背景下，秸稈還田不僅彌補了單獨CO2濃度增加對土壤團聚結構的負面影響，而且二者表現出對土壤團聚體穩定性具有明顯的正交互作用。因此，適宜的秸稈還田可以有效改善土壤團聚體結構，提高土壤團聚體的穩定性，并增加SOC含量。

4 結論

單獨大氣CO2濃度連續升高以及單獨秸稈還田處理9 a后，黑土有機碳含量并未出現明顯變化，但二者均對團聚體有機碳分布造成影響，具體表現為高濃度CO2增加了≤0.053 mm 微團聚體有機碳含量及其對總有機碳的貢獻率，秸稈還田處理增加了＞1 mm 大團聚體有機碳含量，同時降低了＞0.25～0.5 mm 微團聚體中有機碳含量，并使得＞0.5～1 mm 大團聚體對有機碳的貢獻率提高，≤0.053 mm 微團聚體的貢獻率下降。然而，在增加CO2濃度背景下秸稈還田顯著增加了土壤有機碳含量，并且其主要來源于≤0.053 mm 微團聚體有機碳。因此，在未來大氣CO2濃度增加背景下，秸稈還田對土壤固碳有積極意義，值得在東北黑土區推廣。