秸稈及生物炭還田對土壤有機碳及其活性組分的影響

黎嘉成，高明，田冬，黃容，徐國鑫

(西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715)

土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)是土壤最重要的組成部分，是評價土壤質(zhì)量和土壤肥力的核心因子，增加土壤有機碳對于提高土壤碳匯能力、土地生產(chǎn)力及延緩全球氣候變暖具有重要意義。但土壤有機碳是有機物料輸入碳和礦化分解排放的長期平衡結(jié)果，其含量和質(zhì)量在短時間內(nèi)不能對施肥、耕作方式轉(zhuǎn)變、有機物料施用等農(nóng)田管理措施作出靈敏的響應(yīng)[1]。土壤活性有機碳是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快、易礦化分解，在土壤中移動快、易受植物和土壤微生物影響、活性較高的那部分有機碳[2]，主要的表征指標(biāo)有微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、可溶性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)、易氧化態(tài)有機碳(readily oxidized carbon, ROC)、顆粒有機碳。盡管土壤活性有機碳占全碳的比例較小，但它對外界環(huán)境變化的響應(yīng)比土壤全碳靈敏，其直接參與土壤生化過程，對土壤碳氮元素的循環(huán)利用及平衡具有重要地位。研究表明，土壤活性有機碳庫對溫室氣體排放有較大的貢獻[2]，其含量的高低直接影響到土壤微生物的活性，從而影響土壤固碳能力及溫室氣體的排放[3]，因此研究土壤活性有機碳對土壤碳庫平衡及其對氣候變化的響應(yīng)均具有重要意義。

試驗表明，秸稈還田可提高土壤肥力，改善土壤理化性質(zhì)，增加作物產(chǎn)量與品質(zhì)等優(yōu)點[4-6]。但是秸稈直接還田由于其中所含有機碳的相對活躍性，會誘發(fā)土壤微生物的高效代謝和繁衍，從而改變土壤有機碳活性及穩(wěn)定性[7]。生物炭施加到土壤中，可作為土壤腐殖質(zhì)中高度芳香化結(jié)構(gòu)組分的來源，不僅能穩(wěn)定土壤有機碳庫，保蓄土壤養(yǎng)分，而且對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮重要作用[8]。代紅翠等[9]研究表明生物炭還田較秸稈還田并沒有顯著提高土壤MBC和DOC含量，表明有機物料對土壤活性有機碳影響復(fù)雜多變。與秸稈直接還田相比，生物炭還田對土壤活性碳庫是否產(chǎn)生差異目前尚未定論[10-12]。因此，研究生物質(zhì)碳與秸稈還田對于揭示土壤有機碳固定及影響機制具有重要意義。本試驗通過測定土壤活性有機碳庫的組分，分析秸稈與生物炭還田對紫色土活性有機碳庫的影響，以期為秸稈及生物炭還田利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗農(nóng)場，海拔266.3 m，年平均氣溫18.3 ℃。最高氣溫7月平均28.7 ℃，最低氣溫1月平均7.7 ℃，≥10 ℃年積溫6006 ℃，年降水量1086.6 mm，年日照時數(shù)1276.7 h，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗土壤為侏羅紀(jì)沙溪廟組紫色泥頁巖發(fā)育形成的紫色土，中性紫色土亞類，灰棕紫泥土屬，是重慶四川紫色土區(qū)分布最廣的一種土壤。其基本理化性質(zhì)為：有機碳含量9.98 g·kg-1，堿解氮135.65 mg·kg-1，速效磷17.38 mg·kg-1，速效鉀206.32 mg·kg-1，pH為6.7。

1.2 試驗材料與方法

試驗中所用生物炭由四川省久晟農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司提供，以油菜(Brassicanapus)秸稈為原料在 500 ℃高溫厭氧條件下熱解2 h燒制，其碳含量為625.8 g·kg-1，C/N 為45.52，pH 為 8.9。水稻(Oryzasativa)秸稈的有機碳含量為 412.50 g·kg-1，C/N為 47.74，油菜秸稈的有機碳含量為 392.05 g·kg-1，C/N為 41.56。秸稈速腐劑購自康源綠洲生物科技有限公司，產(chǎn)品形態(tài)為液體，有效活菌數(shù)≥200億cfu·mL-1。秸稈速腐劑能使秸稈等有機廢棄物快速腐熟，使秸稈中所含的有機質(zhì)及磷、鉀等元素成為植物生長所需的營養(yǎng)，并產(chǎn)生大量有益微生物。

試驗以“等碳量”原則還入秸稈或生物炭，各處理施肥量相同，共設(shè)置5個處理(表1)，3次重復(fù)；隨機區(qū)組排列在15個2 m×1 m能獨立排灌的微區(qū)內(nèi)，各個微區(qū)的水肥管理均相同。還田措施：油菜季還水稻秸稈，玉米季還油菜秸稈；CS處理將秸稈人工切碎至2 cm左右，然后均勻撒在土壤表面進行翻耕；BC處理將過10 mm篩的生物質(zhì)碳覆蓋在土壤表面，由人工翻入土壤； CSBC處理將切碎后的秸稈和生物質(zhì)碳混勻，再均勻施入土壤表面；CSD處理將秸稈和速腐劑混合均勻后施入土壤。

表1 試驗處理描述Table 1 Treatment designing in the experiment

試驗種植模式采用“油玉新兩熟”制，本試驗于2015年10月11日開始，2016年8月1日結(jié)束，各作物的氮、磷、鉀、硼養(yǎng)分用量根據(jù)《中國主要作物施肥指南》[13]來確定，各季作物栽培方式和田間管理措施按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進行。其中油菜(油菜品種：96v44，密度 8萬株·hm-2)于2015年10月11日育苗， 2015年11 月3日移栽，2016年4月19日收獲。玉米(Zeamays,中豪9號，密度 4萬株·hm-2)于2016年4 月9日育苗，4 月20日移栽，8月1日收獲。油菜季的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥和硼肥用量分別為150、90、90和15 kg·hm-2。氮肥分基肥和薹肥兩次施用(基肥占70%)，磷、鉀、硼肥做基肥一次性施用。基肥和薹肥分別于2015年11月1日和2016年2月20日施用，施用方法為小雨前后撒施。玉米季各處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥分別為180、60、90 kg·hm-2，全部作為基肥在玉米移栽時施入。氮、磷、鉀和硼肥品種分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、硫酸鉀(K2O 51%)、硼砂(含B 12%)。

1.3 測定方法

試驗于11月21日開始采集并測定第一批0～20 cm土壤樣品，之后每14 d測定一次。測定方法：取部分土樣置于4 ℃冰箱保存用于測定土壤微生物生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)和易氧化碳(ROC)，剩余土樣自然風(fēng)干后過0.25 mm篩，采用重鉻酸鉀外加熱法[14]測定土壤有機碳含量(SOC)。2016年5月油菜收割后、2016年8月玉米收獲后分別采集0～20 cm層原狀土，每個微區(qū)采集5點，將5點土樣混合成一個樣品，裝入袋中運回實驗室。在室內(nèi)剔除石礫、肉眼可見的植物殘體及根系等雜質(zhì)，用手將大土塊沿土體自然裂隙輕輕掰碎，過8 mm篩，風(fēng)干留待活性碳組分測定。

土壤微生物量碳(MBC)：采用吳金水[15]的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，MBC=EC/KEC，式中：EC為熏蒸和未熏蒸樣品浸提液測定的有機碳差值；KEC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為0.38。

土壤可溶性有機碳(DOC)：稱取過2 mm篩的鮮土20 g于100 mL塑料離心管內(nèi)，加入40 mL去離子水浸提(土液比為1∶2)，在25 ℃下振蕩30 min(250 r·min-1)，離心 20 min(4000 r·min-1)，然后上清液用真空泵抽濾過0.45 μm微孔濾膜到50 mL塑料瓶中，濾液直接在Multi N/C 2100分析儀(耶拿，德國)上測定其DOC含量[16]。

土壤易氧化態(tài)碳(ROC)采用高錳酸鉀氧化-比色法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0、Origin 9.0和Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理、繪圖制表。所有的結(jié)果均用 3 次測定結(jié)果的平均值表示。采用LSD 最小顯著差數(shù)法(P<0.05)進行不同處理之間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈與生物炭還田下土壤有機碳的變化

從圖1可以看出，土壤有機碳(SOC)含量隨著秸稈與生物炭還田的時間呈先增加后降低的趨勢，其中各處理土壤有機碳含量油菜季在2016年2月15日(蕾薹期)達(dá)到最大值，玉米季在2016年7月4日(灌漿期)的含量顯著高于其他時期(P<0.05)。各處理均能顯著增加土壤有機碳含量，土壤有機碳平均含量表現(xiàn)為：BC(17.86 g·kg-1)>CSBC(16.60 g·kg-1)>CSD(14.33 g·kg-1)>CS(13.52 g·kg-1)>CK(11.94 g·kg-1)。與試驗前土壤相比，BC、CSBC處理隨著有機物料還田時間延長而較大幅度地增加，而CK、CS、CSD處理有機碳含量變化較平穩(wěn)，其中BC處理的增幅最大(107.82%)，其次為 CSBC處理(95.69%)，且油菜季增加幅度大于玉米季。說明生物炭還田提升土壤有機碳效果優(yōu)于秸稈還田，且隨著生物炭還田時間的增加，土壤有機碳含量也持續(xù)增加，而秸稈易分解碳損失的增加有所減緩。

圖1 秸稈與生物炭還田條件下土壤有機碳的變化Fig.1 Dynamics of soil total organic carbon under straw or biochar application

2.2 秸稈與生物炭還田下土壤微生物量碳的變化

土壤微生物量碳(MBC)在油菜季隨著生育期的進行呈先降低后增加再降低的趨勢，在2015年12月7日(苗期)達(dá)到最低，隨著溫度升高和油菜旺盛生長于2016年3月31日(角果期)達(dá)到最大。MBC在玉米季出現(xiàn)兩個峰值，分別在2016年5月23日(拔節(jié)期)和2016年7月4日(灌漿期)。如圖2所示，不同處理間MBC含量差異顯著，物料還田處理的MBC含量均高于CK處理，其中CSD處理的MBC含量最大，均值為172.02 mg·kg-1，較CK處理(112.58 mg·kg-1)顯著提高了52.80%(P<0.05)，其次為CS(159.97 mg·kg-1)，CSBC(145.00 mg·kg-1)，BC(125.53 mg·kg-1)，可見，秸稈和秸稈+速腐劑還田提高土壤微生物數(shù)量效果較優(yōu)。

2.3 秸稈與生物炭還田下土壤可溶性有機碳的變化

各處理油菜季和玉米季土壤可溶性有機碳(DOC)動態(tài)變化如圖3所示。油菜在苗期(除2015年1月24日寒潮降雪)各處理DOC含量出現(xiàn)先增加后降低趨勢；在開花后期至角果期，各處理DOC含量達(dá)最高(194.94～427.32 mg·kg-1)。在玉米生育期內(nèi)，DOC含量呈“M”型變化趨勢，在灌漿期達(dá)到最大，平均值為117.28～271.27 mg·kg-1。從圖3還可以看出，生物炭或秸稈還田能顯著提高DOC含量，油菜季各處理DOC平均含量為：CS(102.73 mg·kg-1)>CSD(95.46 mg·kg-1)>CSBC(82.26 mg·kg-1)>BC(79.07 m g·kg-1)>CK處理(52.59 mg·kg-1)；玉米季CS、CSD、BC和CSBC處理DOC平均含量分別為148.86、165.06、173.47和175.57 mg·kg-1，比CK(97.50 mg·kg-1)提高了52.68%～80.07%。

圖2 秸稈與生物炭還田條件下土壤微生物量碳變化Fig.2 Dynamics of soil microbial biomass carbon under straw or biochar application

圖3 秸稈與生物炭還田條件下可溶性有機碳變化Fig.3 Dynamics of soil dissolved organic carbon under straw or biochar application

2.4 秸稈與生物炭還田下易氧化有機碳的變化

圖4為土壤易氧化有機碳(ROC)在油菜季和玉米季動態(tài)變化特征。油菜季苗期初期ROC含量較高，隨著作物生長逐漸降低，并于2015年12月21日苗期末期降至最低，隨作物生長又逐漸升高，于開花期達(dá)到最高，隨后在角果期出現(xiàn)短暫急劇下降，成熟期油菜根部表皮細(xì)胞脫落死亡和凋落物殘體歸還腐解增加了土壤易氧化碳含量。油菜季，各處理ROC在2.68～6.01 g·kg-1變化，但各處理間平均含量差異不顯著(P>0.05)；玉米季ROC變化趨勢與油菜季類似，各處理ROC平均含量為：CSD(4.05 g·kg-1)>CS(3.78 g·kg-1)≥CSBC(3.78 g·kg-1)>BC(3.05 g·kg-1)>CK處理(2.59 g·kg-1)，同時隨著作物生長季呈先降低后增加趨勢，在灌漿期達(dá)到最高值，各處理ROC含量為2.00～4.83 g·kg-1，較CK顯著提高了17.76%～56.37%，其中以CSD處理最顯著。

2.5 秸稈與生物炭還田下土壤微生物熵的變化

MBC與SOC的比值稱為土壤微生物熵(qMB)，是表征土壤微生物固碳效益的指標(biāo)，能更好地反映土壤碳庫的容量和活性特征。由于土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)快，微生物熵值越大，微生物固定的有機碳越多，土壤有機碳周轉(zhuǎn)越快[18]。油菜季各處理條件下qMB變化較復(fù)雜，隨著作物的生長在0.68%～1.48%范圍內(nèi)不斷波動，總體上呈現(xiàn)作物生長初期、后期高于中期。玉米季各處理qMB表現(xiàn)為先增加，在抽雄期達(dá)到最高(0.96%～1.67%)，之后又逐漸降低。如圖5所示，不同處理間qMB呈顯著性差異(P<0.05)，其大小依次為：CSD>CS>CK>CSBC>BC，其中CS和CSD處理的qMB顯著高于對照，提高了15.12%～25.53%；而BC和CSBC處理與對照差異不顯著。

圖4 秸稈與生物炭還田條件下易氧化有機碳變化Fig.4 Dynamics of soil oxidizable organic carbon under straw or biochar application

圖5 秸稈與生物炭還田條件下微生物熵變化Fig.5 Dynamics of soil microbial quotient under straw or biochar application

2.6 秸稈與生物炭還田條件下可溶性有機碳和易氧化碳分配比例的變化

油菜季從苗期到開花期(除2015年1月30日苗期中期)土壤DOC/SOC逐漸增大(圖6)，而后成熟期又出現(xiàn)降低，油菜生育期各處理DOC/SOC變化范圍為0.08%～2.68%，以開花期分配比例最大，為1.41%～2.68%。玉米生育期各處理DOC/SOC在0.34%～1.46%變化，且隨著作物生長表現(xiàn)出先逐漸增加至灌漿期達(dá)到最大，隨后成熟期又稍微降低。整個試驗期間各處理DOC/SOC平均比例大小依次為： CS(0.88%)>CSD(0.87%)>CSBC(0.73%)>BC(0.64%)>CK處理(0.61%)，CS、CSD和CSBC處理顯著高于CK處理(P<0.05)，而CS、CSD和CSBC之間差異不顯著，BC與CK處理不存在顯著性差異。

土壤ROC/SOC遠(yuǎn)高于土壤DOC/SOC，油菜季各處理土壤ROC/SOC呈“W”型變化趨勢(圖6)，各處理土壤ROC/SOC在12.86%～40.86%變化。玉米季各處理土壤ROC/SOC表現(xiàn)為移栽期到抽雄期逐漸增加并達(dá)到全生育期最大值(20.49%～32.19%)，開花期到成熟期呈先降低后增加的趨勢。各處理ROC/SOC平均比例大小依次為：CS(29.93%)>CSD(29.01%)>CK(27.33%)>CSBC(23.62%)>BC處理(22.31%)，與對照相比，CS和CSD處理顯著提高了土壤ROC/SOC，而BC和CSBC處理顯著低于CK處理14.33%～18.38%。

圖6 秸稈與生物炭還田下 DOC/SOC和ROC/SOC 變化Fig.6 Dynamics of allocation ratio of DOC/SOC and ROC/SOC under straw or biochar application

3 討論

3.1 秸稈與生物炭還田對土壤有機碳和活性有機碳的影響

秸稈和生物炭是含碳豐富的有機物料，但二者含碳物質(zhì)組成比例完全不同，因此，秸稈與生物炭還田對土壤截碳和固碳潛力的影響也不一致。本研究結(jié)果表明：與試驗開展前對比，各處理均能顯著增加土壤總有機碳含量，這與徐江兵等[19]、安婉麗等[20]和侯曉娜等[21]研究結(jié)果類似。各處理的有機碳增幅為31.26%～107.82%，其中以生物質(zhì)碳(BC)處理最顯著，且生物質(zhì)碳還田(BC、CSBC)處理顯著高于秸稈還田(CS、CSD)處理；本研究中各處理中均較大程度地增加了土壤有機碳(SOC)，這可能是因為供試土壤有機碳含量較低(9.98 g·kg-1)，各處理養(yǎng)分較為均衡，因此有利于作物光合作用固碳，向土壤歸還的有機碳量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分解量，因而SOC表現(xiàn)為碳積累。說明秸稈覆蓋有助于本土SOC含量的增加[22]。從圖1可看出在2016年1月末到3月末期間，各處理SOC含量總體上呈逐漸增加的趨勢，這可能是由于此時隨著溫度的逐漸升高，降水量逐漸增大，促進了微生物對有機物料的分解利用，而此時的光照、溫度以及水分條件對作物呼吸作用的提升要弱于微生物的分解作用，因此在這期間SOC的消耗量持續(xù)小于歸還量，表現(xiàn)為SOC總量的不斷增加。各處理的SOC分別在油菜蕾薹期和玉米灌漿期達(dá)到最高，油菜季SOC提高幅度大于玉米季。BC、CSBC處理的土壤有機碳在玉米季持續(xù)較大幅度地增加，而CK、CS、CSD處理有機碳含量變化較平穩(wěn)，說明生物炭還田提升SOC的效果優(yōu)于秸稈還田，且隨著還田次數(shù)的增加兩者會出現(xiàn)較大差異。這可能是由于秸稈含有大量新鮮易分解碳，在夏季較高的溫度條件下，其歸還的碳通過土壤呼吸作用損失較多[23]，貯存固定在土壤中的有機碳減少，所以秸稈還田下SOC增幅有所減緩；生物質(zhì)碳中碳的有效性較低，與秸稈相比，在同樣的條件下通過土壤呼吸作用損失的碳較少，因此含生物質(zhì)碳處理的SOC在玉米季能夠持續(xù)增加。

土壤微生物量碳(MBC)是土壤碳庫中最活躍的部分，數(shù)量雖少，卻對土壤碳循環(huán)起著重要作用，是表征土壤生物肥力的重要指標(biāo)[24]。秸稈含有豐富的礦質(zhì)元素，還田后能促進微生物生長，進而提高微生物量；盡管生物炭中碳有效性較低，但生物炭施入土壤后：一方面，生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)、巨大的表面積及較高的陽離子交換量等特點，為土壤微生物提供良好的棲息地；另一方面，生物炭空隙內(nèi)吸附和儲存了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物群落提供了充足的養(yǎng)分來源，可以促進微生物的生長、繁殖和改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)[25]，進而顯著增加土壤微生物數(shù)量。本研究中，秸稈與生物炭還田均能顯著提高MBC，但秸稈、秸稈+速腐劑提高程度均高于生物炭、秸稈+生物炭，這與張星等[26]的結(jié)論一致，這是由于秸稈、秸稈+速腐劑還田的土壤呼吸顯著高于生物炭、秸稈+生物炭[23]。同時秸稈中碳有效性高于生物質(zhì)碳，因此微生物活性高。土壤水熱條件是影響作物生長、微生物活性和有機物料分解最重要的環(huán)境因子，油菜季MBC最高值出現(xiàn)在角果期，而玉米季MBC有兩個峰值，分別為拔節(jié)期和灌漿期。這可能是由于3月中旬處于油菜角果期和7月上旬處于玉米灌漿期，土壤水熱條件適宜，光合作用強烈，作物光合同化碳傳輸?shù)礁浚缓笠愿捣置谖?、脫落物等形式進入土壤，部分土壤根際活性碳經(jīng)過微生物作用轉(zhuǎn)化為微生物量碳；另外，該時期微生物活動旺盛，能分解有機物料并產(chǎn)生大量的活性有機物，為微生物生長提供了充足能源和基質(zhì)。玉米拔節(jié)期，一方面秸稈與生物炭還田會直接增加土壤活性有機碳含量，促進微生物生長、繁殖；另一方面新鮮有機物料易被微生物分解產(chǎn)生大量有效養(yǎng)分，反過來刺激了微生物生長及活性提高；此外，該時期玉米生長緩慢，對養(yǎng)分需求較少，被植物吸收利用的活性有機碳減少，從而顯著增加了微生物量碳。

土壤可溶性有機碳(DOC)是土壤微生物分解轉(zhuǎn)化有機物料的重要能源與碳源，其中有10%～40%的組分能夠直接被微生物分解利用[27]。本研究中土壤微生物量與可溶性有機物之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明它們可能存在源與匯的關(guān)系。由于2016年1月4日寒潮降雪，降雪極端溫度使土壤微生物數(shù)量和活性降低，MBC含量減少，微生物利用的可溶性有機碳減少，使土壤中可溶性有機碳積累，短暫出現(xiàn)峰值。由于3月中旬(油菜角果期)和7月上旬(玉米灌漿期)的土壤水熱條件適宜，光合作用強烈，作物光合同化碳傳輸?shù)礁?，然后以根系分泌物、脫落物等形式進入土壤，增加了土壤可溶性有機碳的源；同時適宜的水熱條件有利于微生物對土壤中有機物料的分解，增加了DOC含量。本研究中秸稈與生物質(zhì)碳還田均提高了DOC含量，秸稈與生物炭還田不僅為微生物生長繁殖提供了豐富的碳源和能源物質(zhì)，刺激了微生物的生長，而且隨著微生物活性升高促進了土壤中難溶態(tài)物質(zhì)的活化與分解[28]，從而增加了DOC (圖3)；同時秸稈與生物炭還田還能改善土壤質(zhì)量，提高作物養(yǎng)分利用效率，顯著促進了作物生長，增加了地上部分作物殘體和根系的歸還量，促進了土壤有機碳的提高，從而增加了可溶性有機碳轉(zhuǎn)化的源；另外，各處理均配施化肥降低了秸稈及生物炭的C/N，提高腐解速率，進而直接增加DOC含量。秸稈含有大量可被微生物直接分解利用的物質(zhì)，施入土壤后顯著促進了土壤呼吸作用[29]，從而增加了DOC的消耗；生物炭富含高度芳香化的惰性碳，具有極高的化學(xué)生物穩(wěn)定性，施入土壤后難以被微生物分解利用，加之生物炭處理的C/N值過高，降低了微生物的活性，微生物利用的可溶性有機碳少，因此本研究中秸稈還田(CS、CSD)處理的DOC含量提高幅度高于生物質(zhì)碳還田(BC、CSBC)處理，與對照相比，提高了81.52%～95.34%。但玉米季BC和CSBC處理DOC反而高于CS和CSD處理，這是因為CS和CSD處理的土壤呼吸顯著高于BC和CSBC處理，會消耗更多的土壤可溶性有機碳。

易氧化有機碳(ROC)不僅是反映農(nóng)業(yè)管理措施對土壤質(zhì)量影響的敏感指標(biāo)，同時也是評價土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[29]，ROC主要來源于作物根系、地上部分殘體歸還、死亡土壤微生物體內(nèi)物質(zhì)釋放及土壤原有機碳活化等，外源有機物料還田會增加有機質(zhì)來源并改變土壤C/N值，同時不同有機物料碳源可利用度不一，因此有機物料還田在短時間內(nèi)首先會對ROC有明顯的影響。研究發(fā)現(xiàn)秸稈與生物炭還田各處理ROC顯著高于無物料還田(CK)處理17.76%～56.37%，有利于土壤中ROC的累積，其中以CSD處理最顯著；各處理土壤易氧化碳平均含量為: CSD(4.05 g·kg-1)>CS(3.78 g·kg-1)≥CSBC(3.78 g·kg-1)>BC(3.05 g·kg-1)>CK處理(2.59 g·kg-1)。

3.2 秸稈與生物炭還田對土壤活性有機碳分配比例的影響

盡管土壤活性有機碳占土壤有機碳總量的比例很小，但它直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，是土壤微生物活動的碳源和土壤養(yǎng)分流的驅(qū)動力[30]，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力及環(huán)境具有重要的影響[31]。土壤活性有機碳占土壤有機碳的比例比活性有機碳絕對含量更能反映土壤有機碳的質(zhì)量和穩(wěn)定性，分配比例越高表示有機碳活性越高，越易被作物和微生物吸收利用，有機碳周轉(zhuǎn)越快；該值越低表示有機碳越能長期穩(wěn)定儲存。

微生物熵(qMB)可以從微生物學(xué)的角度揭示土壤質(zhì)量，該值大小可以反映土壤微生物固碳效益及土壤有機碳變化方向。土壤qMB值一般在0.27%～7.00%[32]。有關(guān)研究表明，qMB值變大，土壤中有機碳處于積累階段，反之土壤有機碳處于消耗階段[33]。本試驗中各處理玉米季土壤qMB(0.54%～1.67%)高于油菜季(0.68%～1.48%)，這與李新華等[11]研究不同秸稈還田模式下土壤qMB(0.91%～1.34%)的結(jié)果一致。qMB在同一處理內(nèi)隨時間變化不明顯，產(chǎn)生的原因是由于土壤微生物量碳與土壤有機碳總量變化的環(huán)境因素大致相同，兩者隨時間的變化趨勢也類似，因此微生物量碳與有機碳的比值隨時間的推移保持在一定的水平范圍內(nèi)波動。在油菜季與玉米季成熟期，qMB都出現(xiàn)了一定幅度的回落，這可能是由于微生物對環(huán)境變化比較敏感，因而qMB主要受土壤微生物量影響。該時期土壤有機物料大部分被消耗，植物根系生理活動也逐漸減弱，歸還到土壤中的養(yǎng)分總量逐漸降低，導(dǎo)致了土壤微生物數(shù)量的減少，而土壤有機質(zhì)含量在該時期可以保持在較高水平，因此，在兩季作物的成熟期，qMB都會逐漸降低。本研究結(jié)果顯示(圖4)，秸稈與生物炭還田對各處理的qMB影響程度并不一致， CS和CSD處理的土壤qMB顯著高于對照，而BC和CSBC處理低于對照。說明秸稈和秸稈+速腐劑還田增加了大量易被微生物直接利用的碳源與能源，加快了土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)速度，有利微生物固定有機碳，進而提高了土壤有機碳含量。生物炭還田會顯著提高土壤pH，過高的pH值會抑制微生物生長繁殖。雖然生物炭和秸稈+生物炭并沒有提高qMB，但是生物炭以高度芳香化的惰性有機碳為主，有極高的化學(xué)生物穩(wěn)定性，施入土壤后受微生物作用很小、周轉(zhuǎn)速率慢及微生物熵值小，可長期穩(wěn)定存在，因此土壤有機碳可長期累積且顯著增加。qMB指標(biāo)并不能完全代替土壤有機碳來反映土壤質(zhì)量的變化趨勢[34]，本研究中生物炭還田下土壤有機碳含量顯著高于秸稈和秸稈+速腐劑，而土壤qMB卻低于秸稈和秸稈+速腐劑，與有機碳呈相反的方向。這可能是qMB具有一定的靈敏性，可作為土壤有機碳剛好發(fā)生變化或未達(dá)到平衡時的指標(biāo)，但當(dāng)土壤有機碳達(dá)到了平衡狀態(tài)后仍以有機碳總量為指標(biāo)較好[34]。

DOC/SOC和ROC/SOC受物料投入量、物料品質(zhì)、土壤溫度、土壤水分、作物生長和土壤類型影響，本研究中，作物生長和土壤水熱條件是影響DOC/SOC和ROC/SOC的重要因子，DOC/SOC和ROC/SOC呈季節(jié)性變化，在作物生長初期其分配比例低于生長中后期。主要是隨著溫度的上升，一方面，微生物加速了新鮮還田的有機物料的分解，直接產(chǎn)生了較多的活性有機碳；另一方面，作物旺盛的生長產(chǎn)生了更多的凋落物、根系分泌物和微生物殘體等活性有機碳，提高了微生物數(shù)量和活性。夏季頻繁的降水也會間接影響微生物活性，土壤干濕交替會加速土壤團聚體破碎，使團聚體結(jié)合的活性碳隨水溶出，進而增加了土壤活性碳含量。本試驗中CS、CSD和CSBC處理的DOC/SOC平均比例顯著高于CK和BC處理(P<0.05)，表明新鮮秸稈本身含有一定可溶性有機碳和微生物分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的可溶性有機碳兩者共同顯著提高了DOC/SOC，而生物炭具有穩(wěn)定的芳香性結(jié)構(gòu)，可溶性有機碳比秸稈低，生物有效性低，因此生物炭還田后DOC/SOC顯著低于秸稈，這與陳安強等[35]和Luo等[36]的研究認(rèn)為生物炭處理的土壤可溶性有機碳分配比例高于秸稈處理的結(jié)果不一致，他們認(rèn)為生物炭對土壤原有有機碳礦化有正激發(fā)效應(yīng)，而筆者對秸稈與生物質(zhì)還田下土壤呼吸和土壤有機碳含量研究顯示，生物炭還田后會抑制土壤原有機碳分解，產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)；出現(xiàn)不一致的結(jié)果原因還有可能與制備生物炭的原料、溫度和時間，以及試驗時間長短和土壤類型有關(guān)。從土壤肥力角度，較高的DOC/SOC有利于養(yǎng)分分解供作物吸收利用，提高土壤生產(chǎn)力；但從土壤固碳角度，較高的DOC/SOC將會加大DOC隨徑流失的風(fēng)險，降低了土壤有機碳穩(wěn)定性，不利于土壤碳持續(xù)穩(wěn)定保存。土壤ROC/SOC越高，說明土壤碳的活性越大，穩(wěn)定性越差[37]，養(yǎng)分循環(huán)速率越快，不利于土壤有機質(zhì)的積累。土壤ROC/SOC遠(yuǎn)高于土壤DOC/SOC，各處理土壤ROC/SOC范圍為10.33%～32.19%。與對照相比，CS和CSD處理顯著提高了土壤ROC/SOC，而BC和CSBC處理卻顯著低于CK處理14.33%～18.38%，表明秸稈還田促進了易氧化碳分配，提高了土壤有機碳活性與土壤養(yǎng)分有效性；而生物質(zhì)還田卻降低了易氧化碳分配比例，促進了緩效性和惰性有機碳庫積累，有利于土壤有機碳穩(wěn)定保存。

4 結(jié)論

秸稈與生物炭還田均能顯著增加土壤總有機碳含量，且生物炭(BC)和秸稈+生物炭(CSBC)還田處理對土壤有機碳改善效果優(yōu)于秸稈(CS)和秸稈+速腐劑還田(CSD)處理。對土壤活性碳組分而言，除玉米季土壤可溶性碳外，秸稈和秸稈+速腐劑還田提高土壤各組分活性碳效果優(yōu)于生物炭和秸稈+生物炭，其中CSD處理效果最佳。與CK相比，CS、CSD處理能顯著提高土壤微生物熵(MBC/SOC)和ROC/SOC，而BC、CSBC處理降低了6.38%～24.47%、14.33%～18.38%，且CS、CSD處理對DOC/SOC的提升效果顯著高于CSBC、BC(P<0.05)。總體上，秸稈、秸稈+速腐劑還田能促進微生物可直接利用的活性碳轉(zhuǎn)化，提高土壤有機碳活性，加快土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)速度，有利于微生物固定有機碳，提高微生物碳利用效益，改善土壤生物肥力；盡管生物碳還田微生物活性較低，但土壤有機碳及其穩(wěn)定性較高，有利于土壤有機碳積累，促進土壤固碳。

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