添加秸稈對長期不同碳氮管理土壤各粒級團(tuán)聚體激發(fā)效應(yīng)的影響

曹彬彬,李雨諾,朱熠輝,師江瀾,田霄鴻

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部 西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 712100)

土壤有機(jī)碳(SOC)不僅對改善土壤質(zhì)量及土壤肥力起著至關(guān)重要的作用，同時其固持量增加能有效減緩全球氣候的劇烈變化[1]。SOC含量主要通過碳輸入(外源有機(jī)物料投入)與碳輸出(原有SOC礦化)之間的平衡來決定。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中，向土壤中投入的外源有機(jī)物料主要有作物根系、作物秸稈及有機(jī)肥料等，但是由于作物秸稈本身含有大量有機(jī)物質(zhì)及中微量元素，將其合理地歸還給土壤不僅能夠提高土壤肥力，而且還能改善多數(shù)土壤的養(yǎng)分狀況，有效保障作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，因此秸稈還田逐漸成為提升農(nóng)田尤其是糧田SOC水平的最重要管理措施之一[2]。

研究發(fā)現(xiàn)，長期進(jìn)行秸稈還田可能會增加SOC含量，但也可能會對SOC含量影響很小甚至有降低作用[3-5]，這是因為秸稈投入會使SOC周轉(zhuǎn)在短期內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈變化，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)(priming effect,PE)[6]，從而引起原SOC礦化損失[7]。因此，秸稈還田后SOC的含量高低，主要取決于投入秸稈后新形成的SOC量與激發(fā)效應(yīng)引起的原SOC礦化損失量之間的關(guān)系，若新形成的SOC量高于SOC礦化損失量，則SOC含量呈增加趨勢，反之則SOC含量降低。一般認(rèn)為，土壤性質(zhì)、秸稈類型等會影響土壤激發(fā)效應(yīng)的大小和方向，其中土壤初始SOC含量是影響激發(fā)效應(yīng)的重要因素之一[7-8]。Hamer等[9]對農(nóng)田土壤和森林土壤研究后發(fā)現(xiàn)，SOC含量越低，產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)烈；而Schmatz等[10]在兩種性質(zhì)不同的土壤中分別添加小麥秸稈、豌豆及野豌豆后得到了相反結(jié)論，即初始SOC含量越高的土壤激發(fā)效應(yīng)越強(qiáng)烈。產(chǎn)生這些差異的主要原因可能是土壤本身性質(zhì)的復(fù)雜性及添加的外源物料不同所致，使得研究結(jié)果難以比較。因此，土壤初始SOC含量與產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)大小之間的關(guān)系目前尚不明確。

團(tuán)聚體作為土壤的重要組成部分及土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，能夠在SOC與土壤微生物之間形成空間隔離，從而減緩?fù)寥牢⑸飳OC的分解利用并降低土壤CO2的釋放，因此土壤團(tuán)聚體對SOC起著重要的物理保護(hù)作用[11-13]。同時，土壤團(tuán)聚體(包括大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體)碳庫與SOC庫之間存在著極顯著的正相關(guān)性，這說明團(tuán)聚體碳會顯著影響SOC貯量的大小。對于各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳的固持能力而言，土壤團(tuán)聚體粒徑越大，則對SOC固持的能力越弱。這是由于大團(tuán)聚體能夠儲存更多的SOC，但是其含有的SOC周轉(zhuǎn)快于微團(tuán)聚體，無法對SOC進(jìn)行長期物理保護(hù)；僅微團(tuán)聚體中的SOC能得到長期固存。根據(jù)團(tuán)聚體等級發(fā)育模型[11,14]，微團(tuán)聚體中的SOC之所以能得到更好的物理保護(hù)，是因為與大團(tuán)聚體相比，微團(tuán)聚體是由礦質(zhì)物質(zhì)與細(xì)菌、真菌、植物殘體及多糖聚合物膠結(jié)在一起形成的，更不易被微生物和酶所分解[11,15]。但同時，秸稈還田后一方面SOC能夠與微團(tuán)聚體及礦物質(zhì)等組分再結(jié)合形成大團(tuán)聚體，對土壤團(tuán)聚體碳的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；同時可能因為在各粒級團(tuán)聚體中產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)而影響各粒級團(tuán)聚體碳的礦化，從而對各粒級團(tuán)聚體的SOC固持能力產(chǎn)生影響[16]。目前關(guān)于外源物料添加是否會通過對各粒級團(tuán)聚體碳產(chǎn)生不同的激發(fā)效應(yīng)，進(jìn)而影響各粒級團(tuán)聚體碳的固持能力尚未達(dá)成共識。Rabbi等[15]指出，大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)差異甚微，兩者對SOC的保護(hù)能力并無差異；但是也有研究認(rèn)為，外源物料的加入可能會使大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體產(chǎn)生更強(qiáng)烈的激發(fā)效應(yīng)，微團(tuán)聚體會對SOC產(chǎn)生更大的保護(hù)[17-18]；以上研究結(jié)果不同的原因可能與土壤性質(zhì)以及添加的外源物料存在差異有關(guān)。目前，關(guān)于初始SOC含量不同的同一類型土壤以及添加相同的外源有機(jī)物料后作物秸稈對團(tuán)聚體碳激發(fā)效應(yīng)的影響研究還較少。關(guān)于作物秸稈的投入是否使大團(tuán)聚體產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)比微團(tuán)聚體更強(qiáng)烈，以及土壤碳氮水平是否會對各粒級團(tuán)聚體碳的激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生影響，目前尚無定論。為此，本試驗擬以2種不同碳氮水平的土壤、2種土壤經(jīng)過干篩法得到的3種粒級團(tuán)聚體和秸稈為材料，采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗，測定各粒級團(tuán)聚體的CO2釋放量和SOC及其活性組分，計算各粒級團(tuán)聚體碳的表觀激發(fā)效應(yīng)，研究作物秸稈投入對土壤團(tuán)聚體激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的影響，以期為探討秸稈還田對SOC固持能力產(chǎn)生影響的內(nèi)在機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究中2種供試土壤樣品均采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站長期進(jìn)行不同碳氮管理的定位試驗地，土壤類型屬于塿土(旱耕土墊人為土)，采用冬小麥-夏休閑的種植制度。該長期定位試驗從2002年開始進(jìn)行，近20年中有機(jī)物料投入量和氮肥施用量差異很大，共包含9個處理。本研究僅選擇其中S0N0和S1N12個處理。(1)S0N0土壤：即秸稈不還田+不施氮肥，具體為小麥?zhǔn)斋@后移除地上秸稈，同時在2002-2017年均不額外投入小麥秸稈和化學(xué)氮肥。(2)S1N1土壤：即高量秸稈還田+高量氮肥。具體為小麥?zhǔn)斋@后移除地上秸稈，在播種前從田塊外額外投入小麥秸稈；2002-2016年進(jìn)行小麥秸稈覆蓋還田，每年覆蓋量為4 500 kg/hm2；2016-2017年進(jìn)行小麥秸稈高量還田，每年秸稈還田量約為15 000 kg/hm2；2002-2017年每年施氮量均為240 kg/hm2。

在2018年夏休閑時期，從上述2個田間處理的土壤耕層(0～20 cm)采集試驗所用的土壤樣品，用于團(tuán)聚體的制備。在選擇的田間處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5個點(diǎn)組成混合樣品，用硬質(zhì)塑料罐將土壤運(yùn)回實驗室，挑出可見的植物殘體及根系后風(fēng)干，將土塊沿著自然破碎面掰成5 mm大小的碎塊，待用。

室內(nèi)培養(yǎng)試驗所用秸稈于2017年采自西北農(nóng)林科技大學(xué)斗口試驗站，待玉米植株成熟后將整株采回，地上部分(不包括穗部)在75 ℃下烘干至質(zhì)量恒定后，粉碎至約2 mm長，裝入密封袋備用。玉米秸稈含碳量為436.0 g/kg，含氮量為5.6 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗，采用2×3×2的三因子完全方案，3個試驗因素分別是不同碳氮管理土壤、團(tuán)聚體粒級、秸稈添加，其中2種供試土壤樣品為S0N0土壤和S1N1土壤，3種土壤團(tuán)聚體粒徑分別為>2 mm(A1)、2～0.25 mm(A2)和<0.25 mm(A3)，2種秸稈添加水平分別為不添加玉米秸稈(M0)及添加玉米秸稈(M1)，共組成12個處理，即S0N0M0A1、S0N0M0A2、S0N0M0A3、S0N0M1A1、S0N0M1A2、S0N0M1A3、S1N1M0A1、S1N1M0A2、S1N1M0A3、S1N1M1A1、S1N1M1A2和S1N1M1A3，每處理重復(fù)3次。其中玉米秸稈添加量為12 g/kg，所有處理均添加等量氮肥和磷肥(N與P2O5的添加量分別為88和113.04 mg/kg)，以使秸稈的腐解達(dá)到最佳。培養(yǎng)前2種供試土壤及各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量見表1。

表1 培養(yǎng)前2種供試土壤及各粒級團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量Table 1 Organic carbon in the two soils and aggregate sizes before incubation g/kg

1.3 土壤團(tuán)聚體的制備

利用干篩法[19]得到粒徑>2，2～0.25和<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體，具體操作過程為：待土壤風(fēng)干到含水量達(dá)到土壤塑限，將大土塊沿著自然脆弱帶輕輕掰成粒徑大約為5 mm的碎塊，然后轉(zhuǎn)移到孔徑2和0.25 mm的篩子上振蕩5 min，之后收集每個篩子上的團(tuán)聚體，其中從孔徑2 mm的篩子上收集粒徑>2 mm的團(tuán)聚體，即粗大團(tuán)聚體；從孔徑0.25 mm的篩子上收集粒徑2～0.25 mm的團(tuán)聚體，即細(xì)大團(tuán)聚體；通過孔徑0.25 mm篩子的團(tuán)聚體即為粒徑<0.25 mm的團(tuán)聚體，即微團(tuán)聚體。本研究未選用粒徑為0.25～0.053和<0.053 mm的團(tuán)聚體而選用粒徑<0.25 mm的團(tuán)聚體，是因為在處理過程中得到的0.25～0.053和<0.053 mm的團(tuán)聚體樣品極少，不利于培養(yǎng)試驗的進(jìn)行。

1.4 土壤團(tuán)聚體培養(yǎng)過程

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)方法，將100 g(干質(zhì)量)土壤團(tuán)聚體放入1 L的培養(yǎng)罐里，按照不同的處理將各粒級團(tuán)聚體與玉米秸稈充分混勻，將氮磷肥溶于蒸餾水并以溶液的形式加入，同時用蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的70%；將裝有20 mL 1 mol/L NaOH溶液的小塑料瓶懸掛在培養(yǎng)罐中，加蓋密封后放置于恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行隨機(jī)排列，在25 ℃恒溫、黑暗條件中培養(yǎng)70 d。

1.5 測定指標(biāo)及方法

土壤CO2釋放量利用酸堿滴定法測定，在培養(yǎng)1，2，3，4，5，7，10，14，20，31，42，55和70 d時，取下裝有20 mL 1 mol/L NaOH溶液的已吸收CO2的小塑料瓶，加入20 mL 0.5 mol/L BaCl2進(jìn)行沉淀，用酚酞作為指示劑，用0.5 mol/L的HCl進(jìn)行反滴定[20]。試驗期間打開培養(yǎng)罐通氣30 min以保證氣體交換。每次CO2測定結(jié)束后，更換NaOH溶液并進(jìn)入下一個培養(yǎng)周期。

室內(nèi)培養(yǎng)試驗結(jié)束后，將培養(yǎng)罐中的土壤團(tuán)聚體分為兩部分，一部分儲存于4 ℃條件下，用于測定土壤微生物量碳(MBC)和可溶性有機(jī)碳(DOC)含量；另一部分風(fēng)干，用于測定SOC含量。

SOC含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[21]測定；土壤MBC含量采用氯仿熏蒸-堿液浸提法[22]測定；土壤DOC含量采用超純水(V土∶V水=1∶10)進(jìn)行浸提，通過0.45 μm膜濾器過濾后用總有機(jī)碳(TOC)分析儀測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

CO2釋放量的計算公式如下：

總結(jié)上述，回應(yīng)型法下的刑法教義學(xué)不應(yīng)再是自治型法模式下那樣封閉自足，而是應(yīng)當(dāng)認(rèn)真回應(yīng)刑事政策的合理因素乃至公眾的法感情。這并非放棄教義學(xué)體系性、邏輯性的優(yōu)勢，而是作為出罪維度的補(bǔ)充。就此而言，健康的刑法教義學(xué)知識體系應(yīng)當(dāng)是開放的、包容的、不斷自我檢視和更新的，能夠不斷回應(yīng)一般之外的特殊、抽象之下的具體，進(jìn)而實現(xiàn)個案正義。

式中：V0為空白標(biāo)定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(mL),V為樣品滴定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(mL),CHCl為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度(mol/L),m為土壤質(zhì)量(g),a為土壤含水量(%)。

CO2累積釋放量即為培養(yǎng)試驗期間土壤CO2釋放量的總和。

CO2釋放速率=CO2釋放量/t。

式中：t為NaOH溶液放置在培養(yǎng)瓶中的時間(d)。

表觀激發(fā)效應(yīng)(PE)的計算公式如下：

PE=CO2-Camended-CO2-CCK。

式中：CO2-Camended表示添加秸稈處理土壤團(tuán)聚體的CO2量，CO2-CCK表示未添加秸稈處理土壤團(tuán)聚體的CO2釋放量。

原始數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行整理計算，試驗數(shù)據(jù)均為具有標(biāo)準(zhǔn)誤差的3次重復(fù)的平均值。使用DPS V7.05專業(yè)版軟件對團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤DOC以及土壤MBC含量采用3因素方差分析(Three-way ANOVA)，對表觀激發(fā)效應(yīng)(PE)采用2因素方差分析(Two-way ANOVA)進(jìn)行F檢驗后，進(jìn)行多重比較(最小顯著差法LSD)；比較不同處理間在P<0.05水平的差異顯著性；使用Excel 2010軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤團(tuán)聚體CO2釋放速率和CO2累積釋放量

由圖1可知，整個培養(yǎng)試驗期間，在同一粒級土壤團(tuán)聚體中，S1N1土壤的CO2釋放速率始終高于S0N0土壤。對于2種土壤的團(tuán)聚體，在培養(yǎng)試驗的第1天出現(xiàn)了CO2釋放速率高峰，第3天又一次出現(xiàn)了CO2釋放速率高峰；同時在添加秸稈的條件下，第3天出現(xiàn)的CO2釋放速率高峰高于第1天，之后隨著培養(yǎng)時間的延長CO2釋放速率總體降低。在S0N0土壤中，未添加秸稈時，微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)的CO2釋放速率高于大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm和2～0.25 mm)；而添加秸稈后，細(xì)大團(tuán)聚體(粒徑2～0.25 mm)的CO2釋放速率高于微團(tuán)聚體和粗大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)。在S1N1土壤中，不管添加秸稈與否，微團(tuán)聚體的CO2釋放速率始終高于大團(tuán)聚體的CO2釋放速率。

由圖1還可知，在所有處理中，土壤團(tuán)聚體的CO2累積釋放量在整個培養(yǎng)試驗期間均呈現(xiàn)隨著時間延長而持續(xù)增加的趨勢。在添加秸稈進(jìn)行70 d培養(yǎng)試驗結(jié)束后，S0N0土壤和S1N1土壤的細(xì)大團(tuán)聚體的CO2累積釋放量總體高于微團(tuán)聚體和粗大團(tuán)聚體。未添加秸稈時，土壤團(tuán)聚體CO2累積釋放量則與土壤碳氮水平不同有關(guān)，其中S1N1土壤微團(tuán)聚體的CO2累積釋放量較S0N0土壤的微團(tuán)聚體平均增加了28%，而S1N1土壤大團(tuán)聚體的CO2累積釋放量則較S0N0土壤大團(tuán)聚體平均降低了25%；不添加秸稈時，2種土壤微團(tuán)聚體的CO2累積釋放量均高于大團(tuán)聚體。

曲線外的誤差棒代表各處理間P≤5%水平的LSD值The error bars represents LSD value (P≤5%) among treatments圖1 不同處理土壤團(tuán)聚體CO2釋放速率和CO2累積釋放量Fig.1 CO2 emission rate and cumulative CO2 emission in soil aggregates under different treatments

2.2 不同處理土壤各粒級團(tuán)聚體的表觀激發(fā)效應(yīng)

2因素方差分析結(jié)果顯示，土壤團(tuán)聚體的表觀PE受到團(tuán)聚體粒級的主效應(yīng)及其與土壤碳氮水平交互效應(yīng)的極顯著影響(P<0.001)，土壤碳氮水平主效應(yīng)不顯著(P=0.092 3)。圖2顯示，培養(yǎng)試驗結(jié)束后，土壤團(tuán)聚體的表觀激發(fā)效應(yīng)(PE)均呈現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng)。對于同一團(tuán)聚體粒級，其在不同土壤中的表觀PE存在差異，其中S1N1土壤的大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm和2～0.25 mm)的表觀PE均高于S0N0土壤，而微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)的表觀PE無顯著差異。在S1N1土壤中，細(xì)大團(tuán)聚體(粒徑2～0.25 mm)的表觀PE顯著高于其他2個粒級，其中微團(tuán)聚體的表觀PE又顯著低于粗大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)；在S0N0土壤中，細(xì)大團(tuán)聚體的表觀PE仍然顯著高于其他2個粒級，雖然微團(tuán)聚體的表觀PE低于粗大團(tuán)聚體,但二者差異不顯著。這可能是因為大團(tuán)聚體中的有效養(yǎng)分低于微團(tuán)聚體，因此大團(tuán)聚體中的養(yǎng)分無法滿足微生物的生長代謝，使得微生物只有更多地利用分解原有有機(jī)碳，從而引起更大的表觀PE。

柱上標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同Different lowercase letters indicate significant differences at P<0.05 among treatments.The same below圖2 不同處理土壤各粒級團(tuán)聚體的表觀激發(fā)效應(yīng)Fig.2 Apparent priming effect in soil aggregates under different treatments

2.3 不同處理土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳及其活性組分

方差分析結(jié)果(表2)顯示，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(SOC)含量受土壤碳氮水平、團(tuán)聚體粒級和秸稈添加以及土壤碳氮水平與團(tuán)聚體粒級交互效應(yīng)的極顯著影響，受秸稈添加與團(tuán)聚體粒級交互效應(yīng)的顯著影響。

表2 不同處理對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及其活性組分含量影響的方差分析Table 2 Variance analysis on effects of soil organic carbon and its active components in soil aggregates under different treatments

由圖3可以看出，不管土壤碳氮水平及土壤團(tuán)聚體粒級如何，添加秸稈均顯著(P<0.05)增加有機(jī)碳含量。S1N1土壤的各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于S0N0土壤。在S0N0土壤中，微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)有機(jī)碳含量顯著高于大團(tuán)聚體(粒徑>2和2～0.25 mm)；在S1N1土壤中，有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒級的增大而呈顯著降低的趨勢，其中微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，而粗大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)有機(jī)碳含量最低。

*表示添加玉米秸稈與不添加玉米秸稈處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同Asterisk indicates significant differences between soils with and without straw addition (P<0.05).The same below 圖3 不同處理土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳(SOC)含量的比較Fig.3 Difference in organic carbon (SOC) contents in soil aggregates under different treatments

方差分析結(jié)果(表2)顯示，土壤團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳(DOC)含量受到土壤碳氮水平、團(tuán)聚體粒級和秸稈添加以及土壤碳氮水平與團(tuán)聚體粒級交互效應(yīng)的顯著或極顯著影響。圖4顯示，添加秸稈顯著增加了2個土壤各粒級團(tuán)聚體的DOC含量。不管添加秸稈與否，S1N1土壤各粒級團(tuán)聚體的DOC含量均明顯高于S0N0土壤。在S0N0土壤中，粗大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)、細(xì)大團(tuán)聚體(粒徑2～0.25 mm)及微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)的DOC含量之間無顯著差異。在S1N1土壤中，粗大團(tuán)聚體的DOC含量與細(xì)大團(tuán)聚體之間無顯著差異，但二者均顯著高于微團(tuán)聚體。

圖4 不同處理土壤團(tuán)聚體可溶性有機(jī)碳(DOC)含量的比較Fig.4 Difference in dissolved organic carbon (DOC) contents in soil aggregates under different treatments

方差分析結(jié)果(表2)顯示，除了土壤碳氮水平與團(tuán)聚體粒級交互作用影響不顯著外，土壤團(tuán)聚體的微生物量碳(MBC)含量受到土壤碳氮水平、秸稈添加和團(tuán)聚體粒級及其二者和三者交互效應(yīng)的顯著或極顯著影響。從圖5可以看出，添加秸稈后，2個供試土壤各粒級團(tuán)聚體的MBC含量均顯著增加。不添加秸稈時，S0N0土壤微團(tuán)聚體(粒徑<0.25 mm)的MBC含量高于S1N1土壤。添加秸稈后，S0N0土壤大團(tuán)聚體(粒徑>2和2～0.25 mm)和微團(tuán)聚體的MBC含量均顯著高于S1N1土壤。在S0N0土壤中，不添加秸稈時，微團(tuán)聚體MBC含量顯著高于大團(tuán)聚體；而添加秸稈后，微團(tuán)聚體與細(xì)大團(tuán)聚體(粒徑2～0.25 mm)的MBC含量無顯著差異，但二者均顯著高于粗大團(tuán)聚體(粒徑>2 mm)。在S1N1土壤中，不添加秸稈時，3種團(tuán)聚體的MBC含量之間無顯著差異；但是在添加秸稈的條件下，微團(tuán)聚體MBC含量顯著高于大團(tuán)聚體。

圖5 不同處理土壤團(tuán)聚體微生物量碳(MBC)含量的比較Fig.5 Difference in microbial biomass carbon (MBC) content in soil aggregates under different treatments

3 討 論

3.1 不同粒級土壤團(tuán)聚體的CO2釋放量及表觀激發(fā)效應(yīng)

本研究結(jié)果表明，未添加秸稈時，各粒級土壤團(tuán)聚體的CO2累積釋放量呈現(xiàn)出不同的規(guī)律；2種供試土壤的微團(tuán)聚體CO2累積量始終高于大團(tuán)聚體。有研究認(rèn)為，這可能與團(tuán)聚體的SOC含量相關(guān)，土壤團(tuán)聚體礦化原有的SOC所產(chǎn)生的CO2累積量與團(tuán)聚體的SOC含量之間呈正相關(guān)關(guān)系[23]。本研究中，2種土壤微團(tuán)聚體的SOC含量均顯著高于大團(tuán)聚體，印證了上述觀點(diǎn)。

本研究中，在2種供試土壤的各粒級團(tuán)聚體中添加等量秸稈后，各粒級團(tuán)聚體的CO2累積釋放量均顯著增加，這說明與未添加秸稈相比，秸稈的投入均引起了更多CO2的釋放，這可能是因為秸稈激活了土壤團(tuán)聚體中微生物的活性，土壤微生物進(jìn)而開始對外源有機(jī)物料或原有SOC進(jìn)行礦化分解所致。同時，在培養(yǎng)試驗結(jié)束后(70 d)，添加秸稈時S0N0土壤和S1N1土壤的微團(tuán)聚體CO2累積釋放量低于細(xì)大團(tuán)聚體，但高于粗大團(tuán)聚體。有研究認(rèn)為，微團(tuán)聚體會釋放出更多CO2或者微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體之間的CO2差異甚微[15,24]。但是根據(jù)團(tuán)聚體發(fā)育等級模型[11,14]可知，大團(tuán)聚體內(nèi)包裹著部分微團(tuán)聚體，因此在添加外源物料后，大團(tuán)聚體中釋放的CO2可能包含這些微團(tuán)聚體所釋放出的CO2，故大團(tuán)聚體中釋放的CO2量高于微團(tuán)聚體。這與本研究結(jié)果不一致，可能是因為不同土壤中含有的SOC和微生物群落組成等存在差異[25]。

本研究中，在培養(yǎng)試驗結(jié)束后(70 d)，各粒級團(tuán)聚體均產(chǎn)生正表觀激發(fā)效應(yīng)(PE)，但是在不同土壤中，各粒級土壤團(tuán)聚體的表觀PE強(qiáng)度有異。在S0N0土壤或S1N1土壤中，細(xì)大團(tuán)聚體的表觀PE最大，微團(tuán)聚體的表觀PE最小，說明各粒級團(tuán)聚體碳PE的變化規(guī)律與土壤碳氮水平的高低無關(guān)。這可能是由于無論初始SOC含量高或低，大團(tuán)聚體內(nèi)的SOC都極易被微生物所分解利用[26]；而微團(tuán)聚體則能夠?qū)OC起到最大保護(hù)作用，不易被分解[11]。有研究認(rèn)為，真菌是激發(fā)效應(yīng)的重要驅(qū)動者，而且真菌主要存在于大團(tuán)聚體內(nèi)[27-28]，故大團(tuán)聚體表觀PE較高。同時也有研究認(rèn)為，表觀激發(fā)效應(yīng)與化學(xué)計量學(xué)和微生物氮挖掘策略有關(guān)：由于土壤微生物的生長存在一定的碳氮養(yǎng)分需求，當(dāng)土壤環(huán)境中的養(yǎng)分能夠滿足微生物生長代謝時，微生物的活性最高，對外源有機(jī)物料的分解速率最大；但是在養(yǎng)分有效性較低的條件下，尤其是當(dāng)?shù)挠行暂^低時，微生物則會通過分解惰性有機(jī)質(zhì)來獲取需要的氮源[29]。本研究中大團(tuán)聚體有機(jī)碳等養(yǎng)分含量相對較低，其本身的養(yǎng)分會被較快耗竭，此時K-型策略菌占主導(dǎo)地位，投入外源物料后會刺激K-型策略菌，使其優(yōu)先分解土壤有機(jī)質(zhì)來滿足自身的代謝生長，從而加速原SOC的礦化，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的激發(fā)效應(yīng)；而微團(tuán)聚體中有機(jī)碳等養(yǎng)分含量相對較高，此時r-型策略菌開始起主導(dǎo)作用，添加秸稈后該類型微生物會優(yōu)先分解外源有機(jī)物料(秸稈)，而減少對原有SOC的分解[30]。因此，微團(tuán)聚體產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)低于大團(tuán)聚體?？梢姡髁＜増F(tuán)聚體激發(fā)效應(yīng)的具體機(jī)制與微生物群落的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

3.2 不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳及其活性組分

本研究中，不管土壤碳氮水平高低或者添加秸稈與否，大團(tuán)聚體(粗大團(tuán)聚體和細(xì)大團(tuán)聚體)有機(jī)碳含量始終低于微團(tuán)聚體，這與表觀PE的變化規(guī)律恰好相反。這可能是因為大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳主要來源于植物殘體及活性較高的新鮮有機(jī)質(zhì)，故其容易被微生物分解利用；而微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳多來源于微生物殘體及腐殖質(zhì)等更為穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)，故不易被微生物分解利用[31]。結(jié)合各粒級團(tuán)聚體表觀PE的現(xiàn)象，微團(tuán)聚體被認(rèn)為是潛在的固碳場所[32]。在本研究中，2種土壤的大團(tuán)聚體(粗大團(tuán)聚體和細(xì)大團(tuán)聚體)可溶性碳(DOC)含量均高于微團(tuán)聚體也印證了這一觀點(diǎn)。

有研究認(rèn)為，土壤微生物量碳(MBC)是形成SOC的主體之一，土壤MBC水平對SOC的礦化分解有著重要的影響[33-34]。本研究中，各粒級土壤團(tuán)聚體的MBC含量均隨著秸稈的添加而呈現(xiàn)增加趨勢。但是與S1N1土壤相比，添加秸稈后S0N0土壤團(tuán)聚體的MBC含量增加幅度更大。這可能是因為長期秸稈還田和氮肥配合施用會影響土壤的酸堿環(huán)境，從而對土壤微生物的活性產(chǎn)生影響，減少M(fèi)BC的形成。微生物活性降低則會減緩其對SOC的分解作用，最終使得更多的SOC固持于土壤中[35]。綜上可知，各粒級團(tuán)聚體的SOC及其活性組分是影響團(tuán)聚體有機(jī)碳礦化的重要因素。

4 結(jié) 論

在不添加秸稈時，微團(tuán)聚體的CO2累積釋放量均高于大團(tuán)聚體。添加秸稈后大團(tuán)聚體的表觀激發(fā)效應(yīng)高于微團(tuán)聚體。無論添加秸稈與否或土壤碳氮水平高低，微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量始終高于大團(tuán)聚體，由綜合表觀激發(fā)效應(yīng)可知微團(tuán)聚體可對SOC產(chǎn)生更強(qiáng)烈的保護(hù)作用。