氮肥施用和秸稈還田對東北地區褐土穩定性有機碳的影響

關鍵詞：氮肥；秸稈；褐土；穩定性有機碳

隨著人口和經濟的增長，大氣中二氧化碳濃度逐年升高，溫室效應帶來的氣候變化問題日漸凸顯，威脅人類生存環境，因而全球碳循環研究越來越受到重視。土壤碳庫作為陸地生態系統碳庫中重要的組成部分，其中約2/3是有機碳，截至21世紀初，碳儲量已經超過了大氣及植被的碳儲量之和。另外，作為農田土壤質量的重要指標，土壤總有機碳（TOC）含量在保持土壤物理、化學以及生物性質，改善土壤質量和提高作物產量方面具有重要作用。我國農田耕層土壤TOC含量平均為10g·kg-1，與歐美發達國家25～45g·kg-1的平均水平相比還有很大差距，甚至部分地區的土壤TOC含量還出現逐年下降的趨勢。土壤TOC的含量、組分以及穩定性除了受土壤自身特性和外在環境因子影響之外，人為活動包括田間管理措施也對其有顯著的影響。

肥料施用作為農田中維持作物產量和生產力不可或缺的田間管理措施，在影響土壤理化性質的同時，對土壤TOC的含量及穩定性影響巨大。有研究表明，施用無機肥一般會使土壤中有機碳的含量明顯增加。土壤中有機碳累積的變化是有機碳輸入和降解速率變化的綜合結果。前人指出，施用氮肥可以促進作物生長，進而增加土壤中有機碳的投入。Yue等的Meta分析顯示，氮肥施用可以增加20.1%植物中的碳。而關于氮肥對有機質的降解影響則有不同觀點。有研究認為，氮肥的施用會增加土壤中殘留的氮，解除化學計量上對微生物生長的限制，加速有機碳礦化。而另有觀點認為，施用氮肥可以抑制土壤微生物對穩定性有機碳中的氮進行挖掘（Ni-trogen mining），或者通過提高有機碳的腐殖化進程來促進有機碳的積累。Yue等的研究顯示，雖然氮肥施用平均增加了8.2%土壤TOC，但導致土壤微生物碳減少。雖然大部分結果顯示氮肥最終增加了土壤TOC的累積，但也有研究指出氮投入降低了土壤TOC含量。

作為農田固碳減排最有效的措施之一，秸稈還田同樣也會對土壤TOC的含量和穩定性產生影響。多數研究發現，秸稈還田提高了土壤TOC的含量。如Zhang等發現，與單施化肥相比，秸稈還田使土壤TOC含量提高了34%～56%，Li等也觀察到秸稈還田后，土壤TOC的含量和活性碳組分顯著增加，這是因為秸稈還田除了增加外源有機物投入，在其進入土壤后還會以膠結物質出現在團聚體的形成過程中，從而增加大團聚體的含量，對土壤團聚體構成和改善發揮重要作用。但也有研究表明，短期秸稈還田影響了微生物活性和鐵離子的絡合作用，在一定程度上能降低土壤TOC穩定性。

研究施肥措施對土壤TOC影響機制的有效方法之一是對土壤TOC進行分組研究。前人指出，長期施用化肥或有機無機肥料配施會使土壤中富里酸（FA）、胡敏酸（HA）以及胡敏素（HM）的含量升高。同時，單施有機肥和化肥有機肥配施可提高土壤輕、重組有機碳的含量，并增加重組有機碳在土壤TOC中的占比。當前，與土壤礦物的結合通常被認為是減緩土壤TOC降解速率的重要保護機制，一些具有復雜化學結構的有機碳能夠與土壤礦物結合，可以阻礙微生物對有機碳的降解，起到長期穩定的作用。因此，土壤中的重組分有機碳代表與土壤礦物相結合的穩定性較強的有機碳。Fe、Al氧化物作為土壤中豐度較大的金屬氧化物，具有反應活性強、比表面積大和化學親和力高等特點，Fe、Al氧化物對土壤中有機碳的固存有著重要意義。

綜上所述，氮肥施用和秸稈還田對土壤碳累積的影響極其復雜，兩者在增加有機碳輸入的同時，還有可能刺激微生物活性從而促進有機質的分解，與此同時秸稈的穩定性很弱，在土壤中很難長久存留。因此，本文以遼寧省國家農業環境阜新觀測實驗站的長期定位施肥試驗為依托，通過有機質酸堿提取和密度分級實驗、金屬氧化物形態提取實驗、碳14定年和次氯酸鈉氧化實驗等手段，研究了氮肥和秸稈還田對土壤TOC的含量、性質及其穩定性的影響，旨在揭示不同施肥方式對土壤中有機碳含量和穩定性的影響效應和機理，為農田土壤肥力及土壤TOC庫的管理提供科學依據。

1材料與方法

1.1土壤樣品的采集

供試土壤取自遼寧省國家農業環境阜新觀測實驗站（42°11'N，121°25'E），該實驗站位于阜新蒙古族自治縣，當地屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，是我國典型半干旱區，降水變率較大，旱災頻繁，“十年九旱”是該區域基本氣候特征，年降水量300～500mm，年平均溫度7～8℃，無霜期135～165d。該區域種植制度為一年一熟制，土壤屬褐土。田間定位試驗開始于2013年秋季，選擇的土壤樣品包括3個處理，分別為：不施氮肥（CK）、春施氮肥（N1）和春施氮肥+秋季秸稈還田（NS），田間試驗施肥處理如表1所示，所有處理均施同等數量的磷、鉀肥。田間小區試驗采用完全隨機試驗設計，每個小區設3個田間重復，每小區面積為50m2（5mx10m），供試作物為玉米，種植密度為6x104株·hm-2，行距為50cm、株距為33.3cm，玉米平均單產為6000kg·hm-2，秋季收獲后NS處理秸稈經粉碎深埋（0～30cm）全量還田，還田量約為9000kg·hm-2。采樣時間為2021年9月，當年玉米收獲前。各小區按照五點取樣法采集0～20cm的表層土壤混合為一個樣品，將采集的土壤樣品風干2周，除去石頭、草、樹根等雜物，并將土壤研磨篩分至粒徑小于2mm后待測。

1.2土壤基本理化性質

土壤pH按照水土質量比10：1均勻混合后用pH計（Seven Excellence，METTLER TOLEDO）測定，TOC含量采用總有機碳分析儀（TOC-L CPH，Shimadzu）測定，全氮采用全自動定氮儀測定，碳氮比為TOC和全氮的比值。此外，土壤的機械組成采用比重法測定，碳酸鈣含量采用中和滴定法測定，土壤陽離子交換量采用三氯化六氨合鈷浸提一分光光度法進行測定。

分別采用酸性草酸銨（0X）和連二亞硫酸鈉一檸檬酸鈉一碳酸氫鈉（DCB）兩種不同的提取方法提取土壤中的金屬氧化物和P。提取結束后，用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）（iCAP 7000，Ther-mo）測定提取液中Fe、Al和P的含量。

1.3土壤TOC分級

根據有機碳在酸堿條件下的溶解性差異，將土壤中的有機碳分為HM、HA、FA和疏水中性有機質（HON）及親水性有機酸（Hy），具體的提取步驟參見Schmidt等的報道。采用密度分級法，將土壤置于1.8g·mL-1的多聚鎢酸鈉（SPT）溶液中，采用超聲處理破碎土壤團聚體，離心分離后濾除漂浮輕組分，沉淀即為土壤中重組分。重組分有機碳含量通過總有機碳分析儀測定獲得，輕組分有機碳含量為土壤TOC和重組分有機碳含量的差值，具體的分級方法見Cer-li等的報道。兩種分級方法的有機碳含量測定均采用總有機碳分析儀（TOC-LCPH）。重組部分采用OX、DCB和連二亞硫酸鈉一鹽酸（DH）3種方法提取Fe、Al氧化物，并測定DH提取中有機碳的含量。Fe、Al含量采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測定，DH提取液中溶解性有機碳（DOC）的含量采用總有機碳分析儀測定。

1.4土壤TOC穩定性

土壤TOC的年齡采用放射性碳（14C）定年法測定。實驗前將所需用的石英玻璃管及制樣工具放于高溫干燥箱中500℃加熱5h，稱取5g過0.15mm篩并通過酸處理去掉碳酸鹽的土壤樣品，和20mg Cu0粉末一同放人石英玻璃管通過加速器質譜儀（3MVTN-4130，HVEE）進行測定。

采用次氯酸鈉氧化法研究土壤TOC的化學穩定性。將5g過0.15mm篩的土壤樣品和100mL 6%NaOCl（pH=8）混合后放入恒溫振蕩器中振蕩2h（25℃，180r·min-1），取出后離心10min（3000r·min-1）。棄掉上清液，用蒸餾水清洗沉淀至電導率低于40uS·cm-1，將沉淀烘干（105℃，24h）并用碳氮分析儀（Unicube．Elementar）分析碳、氮含量。

1.5數據處理

數據處理采用Excel 2019，圖形的繪制在Origin8.5軟件中完成。

2結果與討論

2.1不同施肥處理下土壤理化性質

不同施肥處理間土壤pH在5.6-5.8之間，無顯著差異（表2）。尿素施用導致土壤酸化的報道屢見不鮮，尿素施入土壤后先水解生成碳銨，而后在硝化作用下生成硝態氮并產生H+使土壤pH降低；此外，植物吸收NH后會通過根系釋放等量H+到土壤中，進一步降低土壤pH。秸稈還田后土壤pH進一步降低是因為秸稈中的有機質降解時發生了酸化作用，但是以上結果在統計學上均不顯著。對于土壤TOC來說，單施氮肥處理下土壤TOC含量略低于對照組（表2）。施用氮肥盡管可以促進植物生長，增加土壤中的有機質，但也會提高土壤中微生物的豐富度和多樣性，進而促進有機質的分解；相比于單施氮肥，額外施人秸稈提高了土壤TOC含量，這與前人報道的結果一致，即無機肥和有機肥配施更有利于土壤TOC的積累，但是本研究中土壤TOC的變化幅度較小，統計學上并不顯著。對于土壤的碳氮比，不同的施肥處理間存在差異性，與對照（17.0±2.6）相比，兩組處理下土壤的碳氮比均升高，盡管兩組處理增加了氮元素的投入，但也刺激了植物的生長，由此增加了土壤中新的有機質，進而提高了土壤碳氮比。相比于對照，兩組處理下的土壤黏粒含量升高，這可以解釋兩處理高于對照的陽離子交換量（表2）。

利用OX和DCB兩種提取方法對不同施肥處理下土壤中無定型態（OX提取）和游離態（DCB提取）Fe、Al氧化物的提取結果如表3所示。不同施肥處理下各形態Fe、Al氧化物的含量幾乎無差異。各施肥處理下游離態Fe含量均顯著高于游離態Al含量，而無定型態Al含量高于無定形態Fe含量。雖然無定形態的Fe、Al氧化物含量較少，但其較高的比表面積和吸附親和力使其比晶型Fe、Al氧化物更能吸附固定土壤TOC。整體上，不同形態Fe、Al氧化物含量的大小分別表現為游離態Fegt;無定型態Fe和無定型態Algt;游離態Al。與Fe不同，DCB提取的總氧化Al小于OX提取的無定型態Al，這是因為OX提取是通過草酸根的絡合作用，而DCB提取是通過還原Fe氧化物釋放出Al，由于Al氧化物無法被還原，故DCB提取的Al氧化物量小于OX提取量。此外，就兩種方法提取出的P含量而言，雖然單施氮肥和氮肥配施秸稈處理組施人了等量的磷肥，但是由于植物產量增加可能帶走了土壤中更多的P，導致這兩組處理的土壤P含量與對照相比均略有降低（表3）。

雖然很多研究表明秸稈還田能夠提高土壤TOC含量，但本研究顯示在連續8a的秸稈還田處理后，與對照相比土壤TOC含量增加幅度較小，無顯著差異。本研究中的秸稈還田量為9000kg·hm-2，與表層30cm土壤混勻。若以土壤容重1.5g·cm-3、秸稈含碳量50%計算，則有機碳施入量為1mg·g-1．a-1。假設秸稈降解速率常數3.2a-1，按照一級降解反應公式計算（公式1），施用8a秸稈后土壤殘余秸稈有機碳含量為0.3mg·g-1，該模型計算結果與實驗結果相符（表2），即土壤TOC的增長幅度有限。根據該模型計算得出，即使延長實驗時間最終增加的土壤TOC亦為0.3mg·g-1，與8a處理接近。由此可見，秸稈的高不穩定性限制了秸稈還田對土壤TOC增加的貢獻。如要提高土壤中秸稈有機碳的穩定性，需要研究影響秸稈穩定性的環境及土壤因素，采取相應的土壤管理措施，以達到土壤固碳減排的目的。2.2不同施肥處理下土壤有機質分級

如圖1所示，不同施肥處理的土壤有機質均以HA為主（49.5%-63.6%），其次是HM（25.9%-39.0%），而FA+HON和Hy占比較少（約10%）。該土壤中HM占比較低，說明其有機質的腐殖化程度較高。各處理相比，對照組HA占比最高，HM占比最低。隨著氮肥和秸稈的加入，土壤有機質酸堿可提取部分（HA、FA+HON、Hy）的總占比降低，其中HA從63.6%降低到了49.5%，酸堿不可提取部分（HM）的占比升高。芳香性較強的酸堿可提取腐植酸類有機質隨著氮肥和秸稈的添加而減少，表明處理組土壤有機質的腐殖化程度低于對照土壤，這可能與新投入的碳源對原土壤穩定性有機碳降解的激發效應有關。此外，由于HA的碳氮比值低于HM，故單施氮肥和氮肥配施秸稈處理組土壤中HA含量的降低和HM含量的升高與土壤碳氮比值升高相符，進一步解釋了這兩個處理組中土壤碳氮比值高于對照組。

土壤TOC的輕、重組分級結果如圖2所示。結果顯示，土壤中重組有機碳占TOC的62.3%±0.4%，與文獻報道的比例范圍一致。雖然酸堿分級顯示各處理間有機碳的溶解性有較大差異，但是密度分級顯示各處理間輕、重組有機質的占比并無明顯差異，表明有機質的酸堿可提取性的變化與其礦質結合態含量的變化沒有一一對應關系。輕組部分應該包括未完全分解的植物殘渣以及溶解態和膠體態有機質，輕組中植物殘渣部分在酸堿分級中由于其不可溶解性將被視為HM。而重組包括高疏水性與礦質結合的有機質，這部分有機質在酸堿分級中將被視為HM。此外，在酸堿分級中占TOC55%以上的HA組分也將主要以礦質結合的形態存在于重組部分。綜合土壤總有機質含量分析、酸堿和密度分級結果，雖然單施氮肥和氮肥配施秸稈處理對土壤總有機質含量的影響有限，但是酸堿提取有機質結果卻顯示土壤有機質的性質有明顯改變，其中主要是增加了植物殘渣和礦質結合的胡敏素類的有機質而減少了腐植酸類有機質的占比。

盡管納米粒級的Fe、Al氧化物的密度（水鐵礦3.78g·cm-3、氫氧化鋁2.3g·cm-3）大于密度分級所采取的溶液密度（1.8g·cm-3），但與土壤TOC的結合會極大降低這些納米級顆粒的質量密度，使其低于1.8g·cm-3。研究認為，重組中的Fe、Al氧化物是由于聚合或者與其他土壤礦物（如黏土礦物）結合增加了其密度。對重組部分進行DH提取顯示，與Fe、Al共同釋放的有機碳僅占重組總有機碳的2.2%～2.8%（圖3）。如果將DH提取的重組部分的Fe和Al按照摩爾濃度相加，然后根據針鐵礦（a-FeOOH）的分子量（88.93g·mol-1）換算成相當的針鐵礦質量，再根據針鐵礦的比表面積（100m2·g-1），計算得出DH提取的Fe、Al氧化物總表面積，則DH提取到的重組部分Fe、Al氧化物有機碳負載量每平方米為0.059～0.077mg。與Fe、Al氧化物每平方米通常可吸附0.5～2mg有機碳的結果相比，DH提取的碳與Fe和Al的比值非常低，這可能是由于Fe、Al氧化物溶解之后所釋放的土壤有機質因溶解性較低，可能會重新團聚或與重組中其他土壤成分結合而未能被提取出。雖然很多研究提出有機質與土壤金屬氧化物的結合對其在土壤中的長期穩定起重要作用，但是本研究的供試土壤TOC以HA和HM為主，由于這兩種土壤有機質自身溶解度較低，即使不與礦質吸附結合也很難溶出，因此重組里的土壤有機質除了與Fe、Al氧化物結合之外，很可能大部分以團聚或者包被的形式與黏土礦物等其他礦物結合，從而達到穩定的結果。

2.3土壤TOC穩定性

3個處理的碳14年齡均在距今2000a左右（表4），處于較高的水平，說明該土壤中有機碳以長期穩定有機碳為主，可能主要是因為該區域環境條件適合土壤有機質的腐殖化進程，有機質腐殖化程度較高，這與酸堿分級所顯示的較高的HA與FA含量，相對較低的HM含量相一致。由表4可知，單施氮肥和氮肥配施秸稈處理的碳14年齡較對照組略微下降。如前所述，兩種處理下土壤TOC含量略有減少（N）或增加（NS），但碳氮比增加顯著，同時土壤中HM增加，HA減少，結合碳14年齡分析可以判斷，氮肥和秸稈的施用向土壤中增加了新的有機碳，同時新有機碳加入刺激了土壤微生物的生長，產生了激發效應，導致土壤中部分原有的穩定有機碳降解。但3個處理間碳14年齡整體無顯著差異，可能是因為該區定位試驗田的處理年限較短所致。假設土壤中原有穩定有機碳的碳年齡等于對照組的碳年齡（2150a），而新增有機碳的碳年齡與試驗持續時間相同（8a），根據處理組的碳年齡測定值，可以計算N和NS處理土壤中原有穩定性和新增有機碳的含量（表4）。結果顯示，單施氮肥土壤原有有機碳降低量高于氮肥和秸稈配施，可能是秸稈的加入起到了氮施用激發條件下保護穩定性有機碳的作用。

另外，除了采用碳14定年，本研究還利用NaCIO氧化法將土壤TOC分為易氧化有機碳和穩定有機碳。結果顯示，在實驗條件下，不同處理的土壤TOC均以易氧化有機碳為主，占比均約78%（圖2）。雖然化學氧化法是一種快捷的代替生物降解研究土壤TOC穩定性的實驗手段，但它的敏感性與有機碳年齡的相關性仍存在不確定性，因此如何解釋化學氧化法的結果還有待進一步探討。

3結論

（1）單施氮肥和氮肥配施秸稈處理對研究區土壤總有機碳（TOC）含量的影響有限；盡管無機肥和有機肥配施，即氮肥配施秸稈更有利于土壤TOC的積累，但秸稈的高不穩定性，限制了秸稈還田對土壤TOC增加的貢獻。

（2）隨著氮肥和秸稈的加入，土壤有機質酸堿可提取部分的總占比降低，其中胡敏酸從63.6%降低到了49.5%，酸堿不可提取的胡敏素部分的占比升高；不同處理組均以重組有機碳為主要成分，占TOC的62.3%，且不同處理組間的重組和輕組有機碳占比并無明顯差異。整體上看，施用氮肥和秸稈主要增加了土壤中的植物殘渣和礦質結合的胡敏素類有機質，減少了腐植酸類有機質。

（3）重組中利用連二亞硫酸鈉一鹽酸提取的有機碳和Fe、Al的比值非常低，可能是由于Fe、Al氧化物溶解之后所釋放的土壤有機質溶解性較低，因此可能會重新團聚或與重組中其他土壤成分結合。因此重組里的土壤有機質除了與Fe、Al氧化物結合之外，很可能大部分以團聚或者包被的形式與黏土礦物等其他礦物結合。

（4）3個處理組土壤中的有機碳均以長期穩定有機碳為主，單施氮肥和氮肥配施秸稈處理的碳14年齡較對照組略微下降，但各處理間的碳14年齡無顯著差異。