小麥秸稈添加對不同類型土壤有機碳礦化的影響

摘要：為探究在相同培養條件下，小麥秸稈添加對不同類型土壤有機碳礦化的影響，本研究采用室內培養法，向黑土、風沙土、紫色土和黃棕壤添加小麥秸稈，以揭示不同類型土壤有機碳礦化對外源碳添加的響應機制差異。結果表明：與未添加秸稈處理相比，添加秸稈處理的4種土壤有機碳礦化速率均表現為前21d顯著增加，之后趨于穩定。在培養的前7d，4種土壤CO2累積排放量迅速增加2.41-3.87倍，此后持續穩步增加；培養結束后，未添加秸稈的4種土壤間CO2累積排放量未見顯著差異；添加秸稈處理各土壤CO2累積排放量顯著增加，較未添加秸稈提升2.52-3.41倍，其中紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種類型土壤，為2 760.74 mg·kg-1，黑土增加最顯著，為4168.99 mg·kg-1。相關分析表明，無論是否添加秸稈，土壤有機碳的礦化率均受到全氮的主導作用，且二者具有顯著負相關關系。無論是否添加秸稈，土壤CO2累積排放量均主要受到土壤pH的影響，且與pH呈顯著負相關；添加秸稈處理中CO2累積排放量還同時受到土壤C/N的正向作用。研究表明，同一種秸稈添加到不同類型土壤中時，土壤本身性質的差異會導致土壤有機碳礦化對其的響應也存在差異，因此在實際秸稈還田時需要依據不同土壤特性制定合理的秸稈還田措施。

關鍵詞：有機碳；土壤類型；秸稈；動態變化；理化性質

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2041-09 doi：10.11654/jaes.2023 -0752

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，碳庫的變化取決于有機碳輸入與輸出之間的平衡。農田土壤碳庫是陸地生態系統中最易受干擾的土壤碳庫，近年來人類活動頻繁，使土壤C、N、P養分嚴重流失，造成土壤碳庫虧損，影響土壤肥力。我國秸稈資源豐富，秸稈作為農業生產主要產物之一，同時又是重要的生物資源，所含養分豐富，是培肥土壤的重要資源，因此國家大力提倡秸稈還田。秸稈還田后土壤有機碳儲量是否增加在不同實驗條件下具有不同結果。田慎重等研究秸稈還田對麥田土壤有機碳含量的影響時發現，秸稈還田對土壤有機碳的增加具有重要作用；高洪軍等在研究秸稈還田對黑土團聚體有機碳的影響時發現，適量秸稈還田能夠促進土壤有機碳累積。而張杰等問在研究秸稈對潮土CO2排放的影響時得出秸稈添加能夠顯著增加土壤CO2排放速率，提高土壤有機碳礦化強度；孫昭安等在研究秸稈對潮土碳釋放的影響時也發現此結果，即添加秸稈處理在整個培養過程中有機碳庫表現為凈損失。可見，秸稈還田對土壤有機碳含量的影響一直存有爭議，一方面秸稈還田顯著提高土壤有機碳含量，另一方面添加秸稈顯著增加土壤CO2排放，加速土壤有機碳礦化，不利于土壤碳庫的積累。這些不一致的結論可能與土壤類型、秸稈還田量、秸稈類型、實驗條件等有關。

土壤類型是影響土壤有機碳對秸稈添加響應的重要因素，土壤質地、有機碳、全氮（TN）、pH、C/N、機械組成以及一些生物因素等都會直接影響土壤有機碳的礦化過程。李順姬等研究發現，在同一土層上，風沙土、褐土、黃綿土、黑壚土、湘黃土、新積土、沙黃土這7種不同類型土壤的有機碳礦化率、日均礦化量、累積礦化量存在顯著差異，其中褐土礦化量顯著高于其余6種土壤，風沙土礦化量最低。李夢嬌等在研究外源碳添加對紅壤和沙土有機碳礦化的影響時發現，紅壤黏粒含量高于沙土，受到粉黏粒對有機碳的物理保護機制更強，因此，添加外源碳后，沙土有機碳礦化速率、累積礦化量均顯著高于紅壤。孫中林等、李順姬等、張琳梅等的研究同樣也得出黏粒含量低、砂粒含量高的土壤有機碳礦化潛力更大的結論。吳萌等認為土壤類型對有機碳礦化的影響很大，肥力最高的望城水稻土礦化速率常數最高，有機碳礦化能力也最強。Wu等在研究添加生物炭對不同土壤CO2排放的影響時發現，相較堿性土壤，pH更低的酸性土壤在培養過程中CO2排放量和礦化量更高。由此可見，土壤性質的差異對土壤有機碳礦化過程至關重要。

盡管土壤特性是制約外源碳添加對有機碳礦化影響的重要因素，但已有研究大多是基于不同氣候條件下的研究結果，或是在相同培養條件下僅研究不同類型土壤礦化差異，而在相同培養條件下，剖析不同類型土壤有機碳應對外源碳添加的有機碳礦化響應研究還很少。基于以上原因，本研究采用室內培養法，選取4種典型農田土壤，并向其中添加小麥秸稈，在相同的培養條件下，探究秸稈添加對不同類型土壤有機碳礦化的影響機制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理方法

供試土壤為典型農田黑土、風沙土、紫色土和黃棕壤。黑土采自黑龍江海倫生態實驗站（47°26＇N，126°38＇E），土壤類型為典型黑土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為35.91%、27.00%、37.09%；風沙土采自黑龍江大慶農業科技園區（46°47＇N，124°26＇E），土壤類型為風沙土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為18.48%、11.21%、70.31%；紫色土采自四川鹽亭農業生態試驗站（31°16＇N，105°27＇E），土壤類型為石灰性紫色土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為22.29%、34.58%、43.13%；黃棕壤采自南京信息工程大學農田試驗站（32°13＇N，118°43＇E），土壤類型為典型黃棕壤，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為33.08%、36.87%、30.05%。

在樣地采用多點混合法取樣，剔除肉眼可見的動植物殘體、砂石等雜質，帶回實驗室后將土壤分為兩部分，一部分風干后測定土壤基本理化性質（表1），另一部分鮮土過2 mm篩后混勻，在4℃環境中保存，用于后續培養實驗。

小麥秸稈取自黑龍江典型麥田，秸稈成熟期收獲，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質量，粉碎過0.25 mm篩，分析獲得小麥秸稈有機碳含量為41%。

1.2 實驗設計

本實驗采用雙因素完全隨機實驗設計，一個因素為土壤類型，即黑土、風沙土、紫色土、黃棕壤4種類型土壤，另一因素為添加外源碳，添加秸稈為處理組（CT），不添加秸稈為對照組（CK），共8個處理，每個處理3次重復。在進行培養前，調節土壤水分含量至50%田間持水量，在25℃黑暗條件下預培養一周，以恢復土壤微生物活性。在燒杯中稱取土壤30 g（干質量），按比例與小麥秸稈混合均勻（每100 g土添加0.25 g秸稈碳），放人1L培養瓶中，用透氣不透水的半透膜蓋好，25℃避光培養，采用稱質量的方法保持恒定的土壤含水量。在培養第1、2、3、4、5、6、7、14、21、35、49、77天進行CO2氣體采集，并測定CO2濃度。氣體采集前在通風櫥通風5 min，以去除瓶內殘余氣體，后密封培養3h，然后進行氣體采集，用CC7890-B氣相色譜測定CO2濃度。

1.3 計算公式

CO2排放速率：

式中：F為CO2排放速率，單位為mg·kg-1·d-1；ρ為標準狀況下CO2密度，單位為g·L-1；Y為培養瓶有效體積，單位為L;m為干土質量，單位為g；dc/dt為單位時間內CO2濃度的變化，單位為h-1·10-6；T為采樣時的氣體溫度，單位為℃。

CO2累積排放量：

式中：C為CO2累積排放量，單位為mg·kg-1；i為采樣次數；ti-ti-1為相鄰兩次采樣時間間隔，h。

土壤有機碳礦化率是指在一定時間內土壤有機碳礦化釋放的CO2含碳量占土壤總有機碳含碳量的比例。

土壤有機碳礦化率=累積礦化碳量/初始總有機碳量×100%（3）

秸稈礦化率=（處理組累積礦化碳量-對照組累積礦化碳量）／秸稈碳總量×100%（4）

1.4 數據處理

實驗數據采用Excel軟件處理，用Origin 2023、PowerPoint軟件繪圖，SPSS 25.0軟件進行雙因素方差分析，比較不同類型土壤對添加秸稈前后有機碳礦化的響應，分析理化性質之間的差異，并分析探究主要影響因子。

2 結果與分析

2.1 秸稈添加對土壤CO2排放速率的影響

由圖1可知，添加秸稈處理的土壤CO2排放速率在培養前期較高，后持續降低，且不同土壤類型之間未見顯著差異（P＞0．05）。整個培養過程分為3個階段：第一階段CO2排放速率迅速下降，黑土、風沙土、黃棕壤CO2排放速率在培養第1天出現峰值，紫色土在第2天出現峰值，培養前7d，各土壤C02排放速率顯著下降，黑土CO2排放速率從556.87 mg·kg-1·d-1降至66.58 mg·kg-1·d-1，風沙土從634.92 mg·kg-1·d-1降至88.58 mg·kg-1·d-1，紫色土從318.54 mg·kg-·d-1降至48.26 mg·kg-1·d-1，黃棕壤從582.74 mg·kg-1·d-1降至80.07 mg·kg-1·d-1；第二階段CO2排放速率緩慢下降，在第7天至第21天，CO2排放速率緩慢下降，黑土C02排放速率降至20.85 mg·kg-1·d-1，風沙土降至28.96 mg·kg-1·d-1，紫色土降至9.16 mg·kg-1·d-1，黃棕壤降至13.23 mg·kg-1·d-1；第三階段CO2排放速率基本穩定，21d后，各土壤CO2排放速率逐漸平穩，與對照土壤CO2排放速率無顯著差異。

2.2 秸稈添加對土壤CO2累積排放量的影響

4種土壤CO2累積排放量均隨培養時間延長而逐漸增加，且秸稈添加顯著提高各類型土壤CO2累積排放量（P＜0.05，圖2A）。未添加秸稈的4種土壤CO2累積排放量均出現緩慢持續增加的現象；添加秸稈處理各土壤CO2累積排放量呈現先迅速增加、后緩慢增加的趨勢，且均顯著高于相應未添加秸稈處理。培養前7d各土壤CO2累積排放量迅速增加，第7天比第1天時增加了2.41-3.87倍；在第7天至第21天內，CO2累積排放量增加速率放緩，但仍有較大幅度增加；培養第21天后各土壤CO2累積排放量平穩增加。至培養結束時，添加秸稈的黑土、風沙土、紫色土和黃棕壤中C02累積排放量較未添加秸稈處理分別提升了3.41、3.39、2.52、3.39倍，添加秸稈處理的黑土CO2累積排放量最高（4 168.99 mg·kg-1），其次為風沙土（3 871.08mg·kg-1）和黃棕壤（3 794.88 mg·kg-1），且二者無顯著差異，最低的是紫色土（2 760.74 mg·kg-1），未添加秸稈處理的各土壤無顯著差異，CO2累積排放量均較低。

2.3 秸稈添加對土壤有機碳礦化率的影響及其秸稈礦化率的不同

由圖3A可知，秸稈添加顯著提高土壤有機碳礦化率（P＜0．05）。添加秸稈處理的風沙土有機碳礦化率最高，其后依次為黃棕壤、紫色土、黑土，且各土壤之間有機碳礦化率差異顯著（P＜0．05）；未添加秸稈處理的各土壤有機碳礦化率為0.79%-2.13%，風沙土和黃棕壤有機碳礦化率較高且無顯著差異（P＞0．05），其次為紫色土，黑土有機碳礦化率最低。添加秸稈處理后土壤有機碳礦化率顯著高于對應未添加秸稈處理，黑土、風沙土、紫色土和黃棕壤有機碳礦化率分別為3.24%、7.67%、4.48%、7.06%，比未添加秸稈處理分別提高了3.10、2.55、1.82、2.10倍。培養結束后，秸稈礦化率在風沙土中分別與在黑土和黃棕壤中無顯著差異（P＞0.05，圖3B），其余土壤秸稈礦化率間均有顯著差異（P＜0．05），且秸稈在黑土中礦化率最高，為35.18%，在紫色土中最低，僅為20.99%。

2.4 相關性分析

由圖4可知，在未添加秸稈處理中，土壤有機碳礦化率與有機碳、TN、C/N呈顯著負相關（P＜0.05，圖4A至圖4C），與土壤pH無顯著相關性（P＞0.05，圖4D）；添加秸稈處理中，土壤有機碳礦化率與有機碳、TN具有顯著相關性，而與土壤C/N、pH無顯著相關性。由圖5可知，未添加秸稈處理土壤C02累積排放量僅與土壤pH顯著相關，而與有機碳、TN、C/N均無顯著相關性。添加秸稈處理中，土壤C/N與CO2累積排放量呈極顯著正相關，pH與CO2累積排放量呈極顯著負相關（P＜0.01），土壤有機碳、TN與CO2累積排放量無顯著相關性。

圖6為土壤有機碳礦化率和累積排放量與各理化因子的相關關系圖。土壤有機碳、TN、C/N三者之間具有顯著相關性，且均為正相關；pH與其他因子無顯著相關關系。在未添加秸稈處理中有機碳、TN、C/N是影響有機碳礦化率的顯著因子，相關系數分別為-0.920、-0.948和-0.588，其中TN的相關系數（r）最大，其次是有機碳、C/N，pH與有機碳礦化率無顯著相關性。在添加秸稈處理中，有機碳礦化率只受到有機碳、TN的顯著影響，其余因子與有機碳礦化率無顯著相關性，其中TN與有機碳礦化率的相關性最強，為主導因子，C/N也會通過影響有機碳和TN對累積排放量產生間接影響。由此可知，無論是否添加秸稈，影響土壤有機碳礦化率的主導因子均為TN。在未添加秸稈處理中CO2累積排放量僅與pH顯著相關；添加秸稈處理中CO2累積排放量受到C/N和pH的顯著影響，有機碳、TN對累積排放量無直接作用，但可以通過影響C/N對CO2累積排放量產生間接作用。因此無論是否添加秸稈，影響CO2累積排放量的主導因子均為pH。

3 討論

在本研究中，未添加秸稈處理的4種土壤CO2排放速率和累積排放量均較低，且無顯著差異，這可能要歸因于這4種土壤的C/N均較低，最高僅為12.44，遠低于土壤微生物適宜的C/N（25），此時受到養分的限制，土壤微生物數量相對較低，活性較弱，從而影響土壤有機碳礦化過程。從土壤有機碳礦化率來看，風沙土、黃棕壤有機碳礦化率最高，而黑土最低，經相關分析可知土壤TN含量與土壤有機碳礦化率相關性最強，其原因可能是在氮含量低的土壤中，微生物為獲取更多可利用氮會分解更多有機質，以滿足生長發育所需，因此在TN含量高的黑土中，微生物可利用氮能夠滿足自身所需，土壤有機碳礦化率較低，而風沙土TN含量最低，因此需要分解更多的有機質以獲得微生物活動所需的氮源。且風沙土的結構性較黑土差，黏粒含量低，對有機碳的保護能力弱，黃棕壤較低的pH使其具有更大的礦化潛力，導致其有機碳更易于礦化；黑土黏粒較風沙土高，有機碳在黏粒的保護下穩定性增強，不易被微生物分解。由此可見，土壤養分、質地及結構對有機碳的保護作用是影響有機碳礦化過程的關鍵因素。

在添加秸稈處理中，4種土壤有機碳礦化速率、CO2累積排放量和有機碳礦化率均顯著高于未添加秸稈的相應對照處理。添加秸稈后，土壤有機碳礦化過程加速，主要是因為添加秸稈增加土壤養分含量，提高微生物活性和多樣性，改變土壤微生物群落結構等，從而對土壤礦化過程產生影響。秸稈還田通常會為土壤微生物提供更多能量，增強土壤微生物活性。在培養前期，土壤CO2累積排放量迅速增加，后隨培養時間延長逐漸趨于穩定，這種現象與前人研究結果一致。這是由于在培養初期，秸稈添加使微生物有足夠多的易分解碳等營養元素維持自身生長和繁殖，微生物活性和數量迅速增長，隨著培養時間的延長，養分減少，微生物分解碳的速率也逐漸下降。

本實驗中，不同類型土壤對秸稈添加的響應存在差異。培養結束時，未添加秸稈的4種土壤CO2累積排放量間無顯著差異，而添加秸稈處理土壤CO2累積排放量間表現出一定差異。黑土CO2累積排放量最高，風沙土和黃棕壤無顯著差異，紫色土最低。進行相關分析后發現，紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種土壤，這些差異主要是由C/N和pH引起的。添加秸稈處理的土壤CO2累積排放量與C/N呈正相關，與土壤pH呈負相關。紫色土C/N最低，雖然與黃棕壤無顯著差異，但紫色土具有最高的pH，這均不利于土壤有機碳礦化，因此紫色土CO2累積排放量最低，這與席穎青等和劉雨桐等、息偉峰等的研究結果一致：土壤C/N越低，碳限制作用越強，微生物數量和結構受到影響，土壤累積礦化量越低；微生物在高pH環境下活性較低，從而抑制土壤有機碳礦化勢。本研究還發現，添加秸稈處理中風沙土和黃棕壤CO2累積排放量沒有顯著差異，而風沙土有機碳礦化率卻顯著高于黃棕壤。此外，2種土壤在添加相同量的小麥秸稈后，秸稈礦化比例相同。因此，風沙土有機碳礦化率較高歸因于土壤質地。由于風沙土中砂粒含量最高，土壤透氣性好、物理結構性差，秸稈添加為微生物提供了充足養分，微生物活性和數量得到極大提升，因此，CO2累積排放量較高。雖然風沙土的pH較黃棕壤高，但是其對土壤有機碳礦化的負效應抵消了土壤質地對有機碳礦化的正效應。由此可見，不同類型土壤在應對外源碳輸入對其有機碳礦化過程的影響機制存在質地、結構等方面差異，且是多因素交互作用影響的結果。秸稈添加對提高土壤有機碳礦化有顯著影響，但秸稈添加和土壤原有有機碳礦化之間的關系有待進一步研究。

4 結論

（1）未添加小麥秸稈處理中，黑土、風沙土、紫色土和黃棕壤的CO2排放量之間無顯著差異，這可能與土壤養分、質地、結構相關。在添加小麥秸稈處理中，紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種類型土壤，且4種土壤有機碳礦化速率和CO2累積排放量較未添加秸稈處理均顯著增加。

（2）土壤C/N和pH是影響有機碳礦化過程的重要因素，但其與有機碳礦化率、CO2累積排放量的相關關系受秸稈添加的調控。

（責任編輯：李丹）

基金項目：國家自然科學基金面上項目（42177279）；江蘇省碳達峰碳中和科技創新專項（BE2022312）