添加玉米秸稈條件下土壤有機(jī)碳含量對(duì)溫度變化的響應(yīng)

高淑青　王莉　曹志遠(yuǎn)　李夢(mèng)瑤　張丹丹　易彩霞

摘要：通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了不同溫度（10、30、50℃）下添加玉米秸稈對(duì)土壤總有機(jī)碳、團(tuán)聚體有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳及腐殖質(zhì)碳含量的影響。結(jié)果表明，與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤中以上各種有機(jī)碳含量均明顯增加，同時(shí)促進(jìn)了土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化。隨培養(yǎng)溫度的升高，添加玉米秸稈后的土壤總有機(jī)碳含量、土壤中0.25～0.053和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及土壤腐殖質(zhì)組分（胡敏酸和富里酸）的有機(jī)碳含量下降，而2～0.25mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加，說明添加玉米秸稈后溫度升高不利于土壤總有機(jī)碳、較小粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳及腐殖質(zhì)碳的積累，同時(shí)也不利于土壤大團(tuán)聚體的形成。

關(guān)鍵詞：土壤有機(jī)碳；土壤團(tuán)聚體；土壤腐殖質(zhì)；培養(yǎng)溫度；玉米秸稈

土壤有機(jī)碳（SOC）是土壤的重要組成部分，它不僅直接或間接地決定著土壤的水、肥、氣、熱條件，還決定著土壤生物化學(xué)過程及物質(zhì)的吸收與釋放。土壤有機(jī)質(zhì)含量及其品質(zhì)決定于進(jìn)入到土壤中的有機(jī)物料量和種類，還與有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后的分解和積累過程密切相關(guān)。秸稈還田作為一種保護(hù)性耕作措施，不僅可以改善土壤的養(yǎng)分狀況，還可通過增加土壤有機(jī)碳的直接輸入實(shí)現(xiàn)固碳，而且對(duì)土壤有機(jī)碳的含量和組成有一定影響。秸稈還田是一個(gè)復(fù)雜的過程，外界環(huán)境對(duì)其有很大的影響，其中溫度是最重要的影響因素之一。shaukat等研究表明低溫有利于秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳的截留和保蓄，較高的溫度會(huì)加速秸稈有機(jī)碳向無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化。

團(tuán)聚體作為土壤有機(jī)碳（SOC）的保持場(chǎng)所，對(duì)土壤固碳和肥力都十分重要。表土中有大約90%的SOC位于團(tuán)聚體內(nèi)。秸稈還田能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性：秸稈還田后土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳含量普遍提高，并且明顯提高了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。關(guān)松等研究表明，25℃下添加秸稈促進(jìn)了土壤的團(tuán)聚作用，使>2 mm大團(tuán)聚體成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)：土壤有機(jī)碳和凈積累有機(jī)碳主要分布在>2 mm和2-0.25 mm團(tuán)聚體中，0.25-0.053 mm團(tuán)聚體中分布最少。

水溶性有機(jī)碳被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)影響反應(yīng)最敏感的指標(biāo)之一，植物殘?bào)w和土壤腐殖質(zhì)是土壤中水溶性有機(jī)碳的主要來源。土壤中水溶性有機(jī)碳的含量受很多因素影響，如土壤的理化性狀、施肥等人為經(jīng)營措施、植被覆蓋條件等。土壤溫度和外源有機(jī)物料也是影響土壤水溶性有機(jī)碳的主要因素，曹建華等研究表明，自然條件下土壤中水溶性有機(jī)碳含量隨溫度的升高而增加。以往的研究結(jié)果也表明，添加玉米秸稈能夠顯著提高土壤水溶性有機(jī)碳的含量。土壤腐殖物質(zhì)是土壤中所特有的一類特殊的高分子化合物，對(duì)土壤肥力、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有重要的調(diào)節(jié)功能，土壤腐殖物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)化與環(huán)境因素息息相關(guān)。王薇等研究表明，秸稈還田直接或間接地影響到胡敏酸和富里酸的形成與轉(zhuǎn)化。不同溫度下秸稈還田對(duì)土壤腐殖質(zhì)有機(jī)碳含量影響的研究較少，同時(shí)不同溫度下秸稈還田對(duì)東北黑土腐殖質(zhì)有機(jī)碳含量影響的研究鮮有報(bào)道。

本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，選擇吉林省梨樹縣黑土進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究不同溫度下添加玉米秸稈對(duì)黑土總有機(jī)碳、團(tuán)聚體組成、團(tuán)聚體有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳和腐殖質(zhì)碳的影響，對(duì)增強(qiáng)黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳固定功能、緩解大氣CO₂濃度升高和全球變暖、增加糧食作物產(chǎn)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1.材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤采自吉林省梨樹縣玉米試驗(yàn)田，土壤類型為黑土，采樣深度為0-20 cm。土樣經(jīng)風(fēng)干后，研磨過2 mm篩，備用。該土壤的有機(jī)碳含量為11.2g/kg，pH 5.42，含水量4.95 g/kg。

供試玉米秸稈采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，經(jīng)60℃烘干后，粉碎過0.25 mm篩，備用。該玉米秸稈含有機(jī)碳510.9g/kg，含水量7.68g/kg，pH 5.54。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取風(fēng)干土樣200 g，按5%的比例（占風(fēng)干土重的百分比）加入玉米秸稈，用硫酸銨調(diào)節(jié)碳氮比（C/N）為20：1，混勻。加去離子水至田間持水量60%，裝入500 mL塑料燒杯中，用可透氣的塑料薄膜封口，分別在10、30和50℃下恒溫培養(yǎng)，同時(shí)設(shè)置不加玉米秸稈的空白培養(yǎng)對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。培養(yǎng)期間定期稱重加水，60 d后取出培養(yǎng)樣，分別過2mm和0.25mm篩，備用。

1.3測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法（外加熱）測(cè)定。土壤團(tuán)聚體分級(jí)采用濕篩法，分別獲得2-0.25、0.25～0.053和<0.053 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。土壤水溶性有機(jī)碳和腐殖質(zhì)碳的測(cè)定采用腐殖質(zhì)組成修改法，即首先用去離子水提取水溶性組分（WSF），然后用0.1 mol/L NaOH+0.1 moL/L Na₄P₂O₇溶液提取堿溶性腐殖質(zhì)（HE），再經(jīng)酸沉淀法分離出胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。

1.4數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003軟件，統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 16.0軟件。處理間差異采用單因素方差分析，顯著性水平為P<0.05。

2.結(jié)果與分析

2.1土壤總有機(jī)碳含量對(duì)溫度變化的響應(yīng)

從圖1可以看出，與未加玉米秸稈的對(duì)照處理相比，添加玉米秸稈后土壤總有機(jī)碳含量顯著增加，其中10、30、50℃下的增加幅度分別為144%、125%和130%，說明低溫下添加玉米秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳的提高效果更為顯著。Shaukat等的研究表明，低溫（15℃）有利于秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳的保持，而高溫（20℃）則會(huì)加速秸稈有機(jī)碳向無機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，與此次研究結(jié)果相一致。

隨培養(yǎng)溫度的增加，無論添加玉米秸稈與否，土壤總有機(jī)碳含量均顯著降低。以往的研究結(jié)果也表明，土壤有機(jī)碳的礦化量和礦化速率隨著培養(yǎng)溫度的升高而增加，與本研究結(jié)果也是一致的。

2.2土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對(duì)溫度變化的響應(yīng)

2.2.1土壤團(tuán)聚體組成 由表1可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，粒級(jí)為0.25～0.053 mm的微團(tuán)聚體的含量（73.6%～77.3%）最高，為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)：其次為2～0.25 mm的大團(tuán)聚體（14.1%-17.2%），而粒級(jí)<0.053 mm的團(tuán)聚體的含量（5.98%-6.89%）最低。隨培養(yǎng)溫度的增加，0.25-0.053 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體的含量沒有顯著變化，但50℃條件下2～0.25 mm團(tuán)聚體的含量顯著低于其他兩個(gè)溫度處理，說明高溫不利于土壤大團(tuán)聚體的形成。

添加玉米秸稈后，2-0.25 mm團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)粒級(jí)，占40.9%～82.7%：其次為0.25～0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，占12.9%-51.3%：<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量最低，為2.21%-6.25%。與未加玉米秸稈的對(duì)照相比，添加玉米秸稈使2～0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體的含量顯著增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量顯著降低。隨培養(yǎng)溫度的增加，2～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量顯著降低，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量顯著增加。上述結(jié)果說明，添加玉米秸稈促進(jìn)了土壤中微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化：低溫條件下更有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，而溫度增加則破壞了大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使其向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。

關(guān)松等的研究表明，黑土以0.25-0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最多，添加玉米秸稈使2～0.25 mm團(tuán)聚體含量增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量減少：崔榮美等的研究表明，玉米秸稈還田后，>0.25 mm團(tuán)聚體含量顯著高于未加秸稈的對(duì)照處理：郝翔翔等的研究表明，連續(xù)秸稈還田能夠促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果都是一致的。但孫漢印等的研究表明，小麥秸稈還田后0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體含量明顯增加，與此次研究結(jié)果不同，這可能與所施用秸稈的種類不同有關(guān)。

2.2.2土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量 由表2可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量主要分布在2-0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，其次為<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，而0.25～0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低。隨培養(yǎng)溫度的增加，各粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量均降低，說明升高溫度能促進(jìn)團(tuán)聚體有機(jī)碳的分解。

添加玉米秸稈后，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量仍主要分布在2-0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中，其次為0.25～0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，而<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低。與未加玉米秸稈的對(duì)照相比，添加玉米秸稈后各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加。隨培養(yǎng)溫度的升高，0.25-0.053 mm和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量顯著下降，而2-0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量顯著增加，說明溫度升高主要減少了有機(jī)碳在0.25-0.053和<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布。

已有的研究表明，添加秸稈能提高土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量，并且大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量明顯高于微團(tuán)聚體，與本研究的結(jié)果相一致。

2.3土壤水溶性和腐殖質(zhì)碳含量對(duì)溫度變化的響應(yīng)

2.3.1土壤水溶性碳含量 由表3可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤水溶性碳含量隨溫度的升高顯著增加，說明高溫有利于土壤中水溶性有機(jī)碳的積累。與未添加玉米秸稈相比，加入玉米秸稈后土壤中水溶性碳的含量明顯增加，隨溫度的升高，水溶性碳含量下降，但50℃下的水溶性碳含量顯著高于30℃處理，說明30℃最不利于水溶性有機(jī)碳的積累。以往的一些研究也表明，添加玉米秸稈能夠顯著提高土壤水溶性碳含量，與本研究結(jié)果相一致。但馮發(fā)堂等的研究表明，添加植物細(xì)根或草根后，土壤水溶性碳含量隨溫度的升高而增加，具體表現(xiàn)為30℃>20℃>10℃：劉艷等研究了不同溫度條件下杉木、榿木和火力楠細(xì)根分解對(duì)土壤水溶性碳的影響，表明培養(yǎng)溫度對(duì)水溶性碳含量的影響為14℃>24℃>28℃>9℃，與此次研究結(jié)果不完全相同，這可能與供試的土壤類型和有機(jī)物料不同有關(guān)。

2.3.2土壤腐殖質(zhì)碳含量 由表3可見，未加玉米秸稈（CK）條件下，土壤腐殖質(zhì)組分的含碳量均隨溫度的增加而降低，說明高溫不利于土壤腐殖質(zhì)組分的積累。方差分析結(jié)果表明，HE和FA的含碳量在10℃和30℃處理間差異不顯著，而HA的含碳量在30℃和50℃處理間差異不顯著。從HA/FA的變化來看，溫度的影響表現(xiàn)為10℃>50℃>30℃，說明30℃條件下更有利于FA形成，而10℃培養(yǎng)則更有利于HA形成。

與未加玉米秸稈（CK）相比，加入玉米秸稈后土壤腐殖質(zhì)組分的碳含量都明顯增加，這與以往的研究相一致。除50℃處理外，10℃和30℃處理的HA/FA都高于未添加玉米秸稈的處理，說明添加玉米秸稈對(duì)HA、FA形成的影響也與培養(yǎng)溫度有關(guān)，10℃和30℃有利于HA的形成，而50℃則有利于FA的形成。隨著培養(yǎng)溫度的升高，土壤腐殖質(zhì)組分的碳含量均降低，說明高溫不利于土壤腐殖質(zhì)組分的積累。

3.結(jié)論

1）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤總有機(jī)碳含量顯著增加。隨培養(yǎng)溫度的升高，土壤總有機(jī)碳含量顯著降低。

2）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈促進(jìn)了土壤中微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，同時(shí)提高了各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量。培養(yǎng)溫度的升高破壞了大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使其向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，同時(shí)減少了有機(jī)碳在0.25～0.053和<0.053mm粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布。

3）與未添加玉米秸稈（CK）相比，添加玉米秸稈后土壤腐殖質(zhì)組分的碳含量明顯增加，隨著培養(yǎng)溫度的升高，土壤腐殖質(zhì)組分的碳含量有所降低。