秸稈還田量對(duì)黑土區(qū)土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳變化特征和固碳效率的影響

高洪軍，彭暢，張秀芝，李強(qiáng)，朱平，王立春

（吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長(zhǎng)春 130033）

0 引言

【研究意義】農(nóng)田土壤有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體特征是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，它們影響著土壤的物理、化學(xué)、生物等土壤性質(zhì)[1-2]，也是土壤中各種養(yǎng)分的貯藏庫(kù)及肥力供應(yīng)的核心物質(zhì)[3]。因此，探明黑土區(qū)農(nóng)田土壤及團(tuán)聚體固碳效應(yīng)對(duì)于土壤肥力提升及玉米增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤固碳效率可以反映單位外源有機(jī)碳在土壤或團(tuán)聚體中的轉(zhuǎn)化程度[4]。美國(guó)及加拿大溫帶地區(qū)土壤固碳效率為14%—21%[5]，而印度熱帶半干旱地區(qū)土壤固碳效率為25%[6]。ZHANG等[7]根據(jù)6個(gè)長(zhǎng)期土壤肥力定位試驗(yàn)計(jì)算了我國(guó)不同類型土壤的固碳效率，其中：新疆灰漠土固碳效率為 26.7%、吉林公主嶺黑土為 15.8%、河南潮土為6.8%，并且土壤固碳量都與累積有機(jī)碳投入呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，很多研究結(jié)果也支持這一觀點(diǎn)[8-9]。然而，CAMPBELL 等[10]研究認(rèn)為，當(dāng)外源有機(jī)碳長(zhǎng)期投入在土壤有機(jī)碳含量高的農(nóng)田上，土壤有機(jī)碳含量并不持續(xù)增加，而是達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定碳飽和點(diǎn)之后不再繼續(xù)增加。秸稈有機(jī)碳輸入對(duì)土壤大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）有機(jī)碳的增加貢獻(xiàn)較大，對(duì)小粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量影響較小[11]。李景等[12]通過(guò)15年的秸稈覆蓋還田試驗(yàn)研究也表明，外源碳累積投入量與＞0.25 mm大團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中大粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率較高，而小粒級(jí)團(tuán)聚體固碳能力較弱。除土壤類型、氣候因素、耕作和種植制度外，施用農(nóng)家肥和秸稈還田也是影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和固持的最重要因素之一[13]。東北地區(qū)是我國(guó)重要的玉米生產(chǎn)區(qū)之一，秸稈資源十分豐富，秸稈還田能顯著提高土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而改善土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布[14]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于不同培肥及耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳變化規(guī)律和團(tuán)聚體特征影響研究較多，對(duì)土壤總有機(jī)碳固持效率研究也有報(bào)道，但關(guān)于玉米秸稈還田對(duì)東北黑鈣土團(tuán)聚體固碳效率機(jī)制等研究比較薄弱，需進(jìn)一步探討和明確。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文基于7年的秸稈還田量試驗(yàn)，探討不同玉米秸稈還田量對(duì)土壤固碳效應(yīng)的影響，進(jìn)而闡明秸稈碳輸入與土壤及團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量的量化關(guān)系；深入剖析各粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效應(yīng)，以期揭示農(nóng)田土壤有機(jī)碳固持效率機(jī)制，為定量提升土壤有機(jī)碳及土壤肥力培育提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于吉林省農(nóng)安縣哈拉海鎮(zhèn)吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈拉海試驗(yàn)站，該區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，光熱資源充足，地勢(shì)平坦，四季分明，年平均日照時(shí)數(shù)為2 620 h，年均氣溫4.7℃，無(wú)霜期145 d，年均降雨量507.7 mm，有效積溫2 800℃。于2012年4月設(shè)置為田間定位試驗(yàn)，土壤類型為黑鈣土，在該區(qū)域具有典型代表性。試驗(yàn)開始時(shí)耕層（0—20 cm）土壤基礎(chǔ)化學(xué)性狀[15]：有機(jī)質(zhì)為 22.3 g·kg-1，全氮 1.537 g·kg-1，全磷 0.565 g·kg-1，全鉀 22.7 g·kg-1，堿解氮 128.2 mg·kg-1，速效磷 12.9 mg·kg-1，速效鉀 132.5 mg·kg-1，pH 7.75。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，按照施用0、4 500、9 000、13 500 kg·hm-2玉米秸稈量進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為：（1）秸稈還田量0（SA0）；（2）秸稈還田量4 500 kg·hm-2（SA300）；（3）秸稈還田量 9 000 kg·hm-2（SA600）；（4）秸稈還田量 13 500 kg·hm-2（SA900），其中 9 000 kg·hm-2秸稈還田量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的還田量。每處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為 80 m2。其中，秸稈還田方式為旋耕還田：在玉米機(jī)械收獲后，根據(jù)玉米秸稈不同施用量對(duì)各小區(qū)進(jìn)行人工撒施秸稈，然后利用秸稈粉碎機(jī)粉碎秸稈（長(zhǎng)度小于6 cm），并采用大馬力農(nóng)機(jī)對(duì)秸稈進(jìn)行深旋還田，深度約16 cm，達(dá)到秸稈與土壤充分均勻混合，最后重鎮(zhèn)壓。

試驗(yàn)供試肥料：尿素（N 46%）、重過(guò)磷酸鈣（P2O546%）和硫酸鉀（K2O 50%）；各處理氮、磷、鉀肥施用量相同，分別為 N 210、P2O5105、K2O 105 kg·hm-2。1/3的氮肥和全部磷鉀肥在春季播種前作底肥施用，余下2/3 氮肥在玉米拔節(jié)期追肥。玉米秸稈養(yǎng)分含量：C 42.6%、N 0.8%、P2O50.32%和 K2O 0.75%。供試玉米品種為先玉 335；每年玉米在 4月28日左右播種，種植密度6.5萬(wàn)株/hm2，9月27日左右收獲，其他田間管理措施按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田進(jìn)行[15]。

1.3 土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體樣品采集及分析

2014—2018年秋季收獲后，對(duì)每個(gè)小區(qū)采集耕層土樣（0—20 cm），按“S”形取5個(gè)點(diǎn)土樣，然后組成一個(gè)混合土樣。土壤風(fēng)干過(guò)篩后采用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳。

2018年10月在玉米收獲后采集0—20 cm土層樣品進(jìn)行團(tuán)聚體分級(jí)。土壤團(tuán)聚體分級(jí)依據(jù) ELLIOT[16]的濕篩法，分離出＞2 mm，2—0.25 mm，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm 等4個(gè)級(jí)別團(tuán)聚體。＞0.25 mm的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，＜0.25 mm稱為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體。土壤有機(jī)碳含量及分離得到的各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量采用EA3000元素分析儀測(cè)定。

1.4 計(jì)算方法

外源有機(jī)碳投入量計(jì)算方法參照 JIANG 等[17]；有機(jī)碳儲(chǔ)量及團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算方法參照李景等[12]；土壤總有機(jī)碳及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的固碳速率和固碳效率采用公式（1）—（3）[18]：

式中，SOCstock-t、SOCstock-c和ΔSOCstock分別代表處理有機(jī)碳儲(chǔ)量、對(duì)照有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量；Cinput-t和Cinput-c分別代表處理和對(duì)照外有機(jī)碳輸入量；n代表外源有機(jī)碳輸入的累積年份；SOCSR和 SOCSE分別代表土壤固碳速率和固碳效率。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表采用Excel 進(jìn)行處理，用SAS 9.0軟件進(jìn)行兩因素方差分析，處理間多重比較采用LSD-test 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。采用簡(jiǎn)單線性關(guān)系（y=ax+b）來(lái)擬合土壤及團(tuán)聚體有機(jī)碳增加量與外源有機(jī)碳輸入的相關(guān)關(guān)系，并用t 檢驗(yàn)斜率的差異顯著性。

2 結(jié)果

2.1 不同秸稈還田量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

不同秸稈還田量對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響顯著（圖1），2014—2018年秸稈還田SA600和SA900兩處理土壤有機(jī)碳含量均顯著高于秸稈不還田（SA0）、低量秸稈還田（SA300）處理；從第5年（2016年）秸稈還田開始，SA900和SA600兩處理土壤有機(jī)碳含量差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。高量秸稈還田（SA900）處理5年間土壤有機(jī)碳較秸稈不還田（SA0）處理分別依年限增加了9.3%、11.0%、15.8%、17.2%、23.1%；在秸稈還田前4年（2012—2015年），低量秸稈還田SA300處理土壤有機(jī)碳與SA0處理相比差異不顯著；但在秸稈還田后3年（2016—2018年），兩者之間達(dá)到差異顯著水平（P＜0.05）?？傮w上，不同秸稈還田量下土壤有機(jī)碳含量由高到低依次表現(xiàn)為 SA900、SA600、SA300、SA0。

圖1 不同秸稈還田量下土壤有機(jī)碳的變化Fig. 1 Changes of soil organic carbon under different straw returning amounts

2.2 不同秸稈還田量對(duì)土壤固碳效率變化的影響

由圖2分析可知，各處理外源累積碳的投入增加量、以及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化量均存在較大差異，秸稈不還田（SA0）處理外源有機(jī)碳的增加僅歸功于玉米地上殘茬及根系生物量的投入，累積碳投入量達(dá)到10.92 t·hm-2；而秸稈還田處理土壤中的有機(jī)物料源于收獲植株的秸稈還田、玉米地上殘茬及根系生物量，其中，SA900處理累積碳投入量較SA0處理增加35.12 t·hm-2。隨著秸稈碳的累積輸入各處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量均有所提高，其中，高量秸稈還田（SA900）處理的有機(jī)碳儲(chǔ)量最高，較秸稈不還田（SA0）處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（2018年）增加 4.74 t·hm-2。

由圖2可知，土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量與外源有機(jī)碳輸入呈極顯著正線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），即土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量隨外源碳投入量增加而顯著提高；土壤的固碳效率為12.9%，即農(nóng)田投入100 t·hm-2外源有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加 12.9 t·hm-2。當(dāng)有機(jī)碳儲(chǔ)量變化（y）為0時(shí)，每年需投入秸稈碳1.08 t·hm-2（或干秸稈2.54 t·hm-2）維持初始土壤SOC水平，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到平衡。表明秸稈還田對(duì)維持和提高土壤有機(jī)碳含量具有重要作用。

圖2 外源累積碳投入與土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的響應(yīng)關(guān)系Fig. 2 Relative relationship between change of organic carbon stocks and cumulative carbon input

2.3 不同秸稈還田量對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的影響

2.3.1 對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響 由圖 3分析可知，各粒級(jí)團(tuán)聚體大小差異性影響著團(tuán)聚體碳含量，以2—0.25 mm大粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量為最高，各處理平均達(dá)到15.8 g·kg-1；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm小粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低，兩個(gè)粒級(jí)各處理平均值分別為10.5和11.9 g·kg-1。表明大團(tuán)聚體較微團(tuán)聚體能儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳。

與秸稈不還田（SA0）相比，對(duì)于＞2 mm和2—0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體，秸稈還田處理都顯著提高了該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（P＜0.05），其中，3個(gè)秸稈還田量處理之間差異達(dá)顯著水平；對(duì)于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體，秸稈還田（SA600）和（SA900）兩處理均顯著提高了該粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（P＜0.05），但秸稈還田SA300和SA0兩處理之間差異未達(dá)到顯著水平。高量秸稈還田（SA900）各粒級(jí)團(tuán)聚體碳含量較其他 3個(gè)處理都有顯著增加（P＜0.05），較 SA0處理提高幅度為 2.3%—22.7%，其中在2—0.25 mm和＜0.053 mm粒級(jí)中增加幅度最高。表明秸稈還田不僅有利于大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）中有機(jī)碳的增加，同時(shí)也顯著提高了微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，尤其高量秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量提高貢獻(xiàn)更大。

2.3.2 對(duì)表層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響 由圖4分析可知，0.25—0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量為最高，平均為 12.92 t·hm-2，其次為 2—0.25 mm（10.32 t·hm-2），而＞2 mm和＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體儲(chǔ)量為最低。與秸稈不還田相比，秸稈還田 SA600和 SA900兩處理均明顯提高了＞2 mm 和2—0.25mm粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量，但沒(méi)有顯著提高＜0.25 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量；高量秸稈還田SA900處理的＞2 mm和2—0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量較秸稈不還田（SA0）分別提高了45.5%和47.7%；＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量對(duì)不同秸稈還田量的影響沒(méi)有變化。表明秸稈還田不僅有利于大團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加，而且秸稈還田數(shù)量也影響著土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化。

圖3 不同秸稈還田量下各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Fig. 3 Aggregates organic carbon content under different straw returning amounts

圖4 不同秸稈還田量下各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量變化Fig. 1 Changes of Aggregates organic carbon stocks under different straw returning amounts

2.4 不同秸稈還田下各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳固持速率與固碳效率

2.4.1 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳固持速率 不同秸稈還田量對(duì) 0—20 cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的固持速率影響差異較大（表1）。＞2 mm和2—0.25 mm各粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳在秸稈還田3個(gè)處理中平均固碳速率分別為 0.15 和 0.45 t·hm-2·a-1，并明顯高于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm各粒級(jí)微團(tuán)聚體固碳速率。秸稈還田SA900和SA600處理＞2 mm和2—0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體固碳速率明顯高于秸稈不還田（SA0）和低量還田（SA300）處理；在微團(tuán)聚體0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)中，各處理土壤固碳速率差異不顯著。

表1 各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳固持速率（2018）Table 1 Sequestrated rates of aggregates organic carbon

2.4.2 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳固持效率 隨著連續(xù) 7年外源有機(jī)碳累積輸入下，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒級(jí)團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量均顯著提高（P＜0.05），圖5），表明這些粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳均沒(méi)有出現(xiàn)碳飽和現(xiàn)象。＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量并未隨累積碳投入量的增加而增加，表現(xiàn)出碳飽和跡象。圖5中的直線斜率表示各粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率，斜率越大固碳效率也越大。2—0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的固碳效率為最高，顯著高于其他各粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率（P＜0.05），固碳效率為13.6%；其次為＞2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體，固碳效率為4.9%；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體固碳效率為最低。表明不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳以2—0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體對(duì)秸稈還田響應(yīng)最敏感，對(duì)土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加起決定性作用，可作為表征土壤有機(jī)碳響應(yīng)土壤管理措施變化指標(biāo)。

圖 5 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量增加量與累積碳投入量的關(guān)系（2018）Fig. 5 Relationship between organic carbon stocks of soil aggregates and cumulative C input

3 討論

3.1 土壤總有機(jī)碳變化及固碳效率

秸稈還田和有機(jī)肥等外源有機(jī)碳的輸入是農(nóng)田土壤有機(jī)碳增加的主要途徑和碳源[19]。許多研究表明長(zhǎng)期秸稈還田能顯著提高土壤有機(jī)碳含量[20-21]。本研究中，秸稈還田SA600和SA900兩處理土壤有機(jī)碳含量均顯著高于秸稈不還田（SA0）、低量秸稈還田（SA300），并且后 3年 SA900和 SA600兩處理土壤有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05）。同時(shí)，隨著玉米秸稈還田量增加和還田時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤有機(jī)碳含量逐漸明顯提升。關(guān)于土壤有機(jī)碳是否隨著秸稈還田量的增加而同步提高，文獻(xiàn)報(bào)道也存在著一些差異。有許多學(xué)者認(rèn)為，隨著秸稈還田量的增加，土壤有機(jī)碳含量和碳庫(kù)活度均增加，并與秸稈還田量呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系[22-23]，這與本研究結(jié)果一致。但白建忠等[24]在水旱輪作農(nóng)田上研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對(duì)年際間水旱輪作農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)提升并不呈疊加效應(yīng)，而且土壤有機(jī)質(zhì)也不隨秸稈還田量增加而同步提高，因?yàn)檫^(guò)量秸稈還田降低了土壤pH及秸稈的腐解速率，從而不利于土壤有機(jī)碳累積[25]。

有學(xué)者研究表明[26]，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)系統(tǒng)的碳輸入水平的提升無(wú)顯著響應(yīng)，但大量研究表明[7,27]，土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量與外源有機(jī)碳輸入呈極顯著正線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這與本研究結(jié)果一致，黑鈣土土壤固碳效率為12.9%，土壤有機(jī)碳尚未達(dá)到碳飽和點(diǎn)，還存在很大的固碳空間，該結(jié)果略低于張文菊等[7]在吉林省公主嶺黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果（固碳效率為15.8%），但要高于河南潮土（6.8%），江西紅壤（8.1%）[19]，這主要是由于土壤質(zhì)地、氣候因素（溫度和水分）和有機(jī)物料種類及施用方式等諸多因素造成土壤固碳效率差異較大；如公主嶺土壤固碳效率比農(nóng)安高，可能是施用有機(jī)物料類型不同造成的，公主嶺處理施用農(nóng)家肥，而農(nóng)安處理為秸稈還田，施用農(nóng)家肥土壤固碳速率顯著高于秸稈還田[28]，施用農(nóng)家肥不僅可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且農(nóng)家肥本身是處于半分解狀態(tài)的有機(jī)質(zhì)，有利于土壤碳的固持；也可能是由于公主嶺典型黑土比黑鈣土質(zhì)地黏粒含量高，黏粒吸附能力強(qiáng)、比表面積較大、固碳能力強(qiáng)，所以黏粒固碳效率明顯高于砂粒和粉粒，這與蔡岸冬等[17]在紅壤長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)報(bào)道的結(jié)果相似。

3.2 各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的固持

土壤團(tuán)聚化過(guò)程是土壤團(tuán)聚體固碳的重要驅(qū)動(dòng)途徑[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以2—0.25 mm和＞2 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量為最高。與秸稈不還田（SA0）相比，秸稈還田 SA600和 SA900兩處理均顯著提高了各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（P＜0.05），尤其是對(duì)大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）有機(jī)碳含量增加貢獻(xiàn)更大；其中 3個(gè)秸稈還田量處理各粒級(jí)團(tuán)聚體碳含量之間差異達(dá)顯著水平，這與本人前期報(bào)道[15]的不同秸稈還田模式對(duì)黑鈣土團(tuán)聚體特征的影響研究結(jié)果一致。劉恩科等[30]研究也認(rèn)為，長(zhǎng)期有機(jī)肥和化肥配施可明顯提高各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，尤其是對(duì)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加貢獻(xiàn)更大。這是由于秸稈還田能促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，腐殖質(zhì)作為主要膠結(jié)物質(zhì)將土壤顆粒和小級(jí)別團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，從而提高了大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[31]。所以，＞0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施的變化更靈敏，可作為評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳變化對(duì)不同土壤培肥措施快速響應(yīng)的重要指標(biāo)。

KOOL等[32]提出不同碳庫(kù)存在等級(jí)飽和模型，隨著外源碳輸入量的增加，各粒級(jí)團(tuán)聚體由最小粒級(jí)到最大粒級(jí)依次逐漸達(dá)到碳飽和，最終土壤碳庫(kù)飽和。本研究結(jié)果也支持了這種飽和理論，隨秸稈碳輸入量的增加，＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量沒(méi)有增加，0.25—0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體碳儲(chǔ)量增加不明顯，而2—0.25 mm和＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量增加顯著。本研究也發(fā)現(xiàn)，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量增加量與累積碳投入量增加量呈顯著正線性關(guān)系，表明這些粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳均沒(méi)有出現(xiàn)碳飽和現(xiàn)象，而＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳出現(xiàn)碳飽和跡象。這是由于微團(tuán)聚體中固持的碳穩(wěn)定性強(qiáng)、周轉(zhuǎn)較慢，固碳能力有限，新輸入的顆粒有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體中。

不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)對(duì)土壤固碳效率高低具有決定性的作用[31]。大粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率顯著高于小粒級(jí)團(tuán)聚體，＞2 mm 和2—0.25 mm粒級(jí)固碳效率分別為4.9%和13.6%。而0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體固碳速率和固碳效率均為最低。隨著秸稈碳的增加＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體固碳效率并沒(méi)有同步增加。李景等[12]研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期秸稈覆蓋還田更有利于大團(tuán)聚有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加，＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率為最高，這可能是由于秸稈還田增加了新鮮植物殘?bào)w有機(jī)碳，通過(guò)有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用形成大團(tuán)聚體并增加其有機(jī)碳含量，更多的有機(jī)碳被大團(tuán)聚體保護(hù)起來(lái)，進(jìn)而提高其固碳效率[33]。

3.3 土壤固碳效率在土壤有機(jī)碳定量提升中的應(yīng)用與預(yù)測(cè)

通過(guò)土壤對(duì)不同有機(jī)物料碳的固持效率，可以計(jì)算出提升和維持有機(jī)碳水平的外源有機(jī)物料施用量。以玉米秸稈還田為例，根據(jù)表2該地區(qū)秸稈還田下土壤固碳效率為12.9%，以0—20 cm土層土壤SOC儲(chǔ)量等于33 t·hm-2（初始SOC儲(chǔ)量）為基礎(chǔ)計(jì)算秸稈還田投入量，要維持該地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平衡，每年最低需投入玉米風(fēng)干秸稈（有機(jī)碳含量約為42.7%，含水量約為14%）約2.54 t·hm-2；如未來(lái)10年內(nèi)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量要提升10%、20%、30%，預(yù)測(cè)每年需額外分別投入風(fēng)干玉米秸稈約5.99、11.98、17.97 t·hm-2。

表2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量提升所需玉米秸稈投入量及相關(guān)參數(shù)Table 2 Corn Straw input and related parameters for soil organic carbon stocks enhancement

4 結(jié)論

秸稈還田量9 000—13 500 kg·hm-2土壤的固碳效果較好，有效促進(jìn)了黑土區(qū)土壤有機(jī)碳的累積與固定，并且土壤有機(jī)碳含量均隨秸稈還田量以及還田年限的延長(zhǎng)而增加。土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量與外源有機(jī)碳輸入呈極顯著正線性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），該土壤固碳效率為 12.9%。秸稈還田不僅有利于大團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加，而且秸稈還田數(shù)量也影響著各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)化。隨著秸稈碳累積投入量的增加，各粒級(jí)團(tuán)聚體存在明顯的由最小粒級(jí)到最大粒級(jí)依次逐漸達(dá)到碳飽和等級(jí)順序；除＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體外，其他各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的碳飽和跡象，各粒級(jí)團(tuán)聚體固碳效率最高的為 2—0.25 mm和＞2 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體，固碳效率分別為13.6%和4.9%。＞0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)外源碳投入量的影響更靈敏，可作為表征土壤有機(jī)碳響應(yīng)土壤培肥措施的變化指標(biāo)。