亞熱帶幾種典型稻田與旱作土壤中外源輸入秸稈的分解與轉(zhuǎn)化差異

王玉竹,周 萍,王 娟,馬 蓓,劉翊涵,吳金水

1 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410125 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

亞熱帶幾種典型稻田與旱作土壤中外源輸入秸稈的分解與轉(zhuǎn)化差異

王玉竹1,2,周 萍1,*,王 娟1,馬 蓓1,劉翊涵1,吳金水1

1 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410125 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

選取亞熱帶四種典型母質(zhì)(花崗巖風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色粘土、板頁巖風(fēng)化物、近代河流沉積物)發(fā)育的稻田土壤,以毗鄰的旱作土壤為對比,通過室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)研究45%田間持水量(WHC)條件下稻田和旱作土壤中外源輸入秸稈礦化和轉(zhuǎn)化的特征與差異。結(jié)果表明：在180 d的培養(yǎng)期內(nèi),所選4種稻田土壤中外源輸入秸稈的累積礦化率(18%—21%)均顯著低于對應(yīng)的旱作土壤(21%—28%),外源秸稈的輸入對土壤原有有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)也是以稻田土壤(5%—30%)明顯低于對應(yīng)的旱作土壤(17%—65%)。外源秸稈在土壤中的分解產(chǎn)物主要向顆粒有機(jī)碳(POC)和鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(Fe/Al-OC)分配,分配比例分別為9%—21%和12%—24%,其次為腐殖質(zhì)碳(HMC)(11%—15%),而向微生物生物量碳(MBC)和溶解性有機(jī)碳(DOC)分配的比例極小,分別僅為2%—7%和0.1%-0.7%。與旱作土壤相比,稻田土壤中外源秸稈的分解產(chǎn)物向POC、Fe/Al-OC和MBC分配的比例較高,分別為15%—21%、17%—24%和6%—7%,而旱作土壤為9%—17%、13%—18%和2%—4%。此外,外源秸稈分解產(chǎn)物向2000—250 μm水穩(wěn)性粗團(tuán)聚體分配的比例也以稻田土壤(10%—13%)高于旱作土壤(6%—7%),其它粒徑中稻田與對應(yīng)的旱作土壤之間并無顯著差異。本研究結(jié)果說明,稻田土壤中外源輸入秸稈的礦化率低于旱作土壤的現(xiàn)象在不同母質(zhì)類型的土壤中可能普遍存在,這可能與稻田土壤中外源秸稈分解產(chǎn)物受水穩(wěn)性團(tuán)聚體的物理保護(hù)、與氧化鐵鋁的化學(xué)鍵合以及向有機(jī)碳穩(wěn)定組分的分配作用較強(qiáng)有關(guān),從而貢獻(xiàn)于稻田土壤較高的有機(jī)碳積累。

水稻土；有機(jī)碳；礦化；激發(fā)效應(yīng)；有機(jī)碳組分

土壤有機(jī)碳(SOC)積累取決于碳輸入和輸出的平衡,不同的農(nóng)業(yè)管理措施(如施肥、秸稈還田)主要通過增加有機(jī)物質(zhì)輸入促進(jìn)SOC的積累。研究表明,我國稻田土壤固碳效應(yīng)明顯,固碳潛力較大,其中以亞熱帶區(qū)稻田土壤的固碳能力最強(qiáng),其固碳速率明顯高于旱作土壤甚至是林地土壤[1- 4]。稻田土壤較高的固碳速率主要?dú)w因于長期植稻體系下水稻產(chǎn)量的增加導(dǎo)致的大量有機(jī)物質(zhì)輸入[2,5]。此外,我們前期對亞熱帶一種第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)稻田土壤的模擬培養(yǎng)試驗(yàn)表明,與旱作土壤相比,雖然稻田土壤微生物生物量更大,微生物周轉(zhuǎn)速率更快,但是稻田土壤中添加的作物秸稈和土壤原有有機(jī)碳的礦化速率均顯著低于旱作土壤[6- 7]。這表明,近30年來我國亞熱帶地區(qū)普遍觀察到的稻田土壤較高的固碳速率也與合理的農(nóng)業(yè)管理措施下稻田土壤有機(jī)碳相對較低的礦化損失有關(guān)。但是,這一現(xiàn)象在不同母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤中是否具有普遍性,還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

作為土壤有機(jī)碳的重要來源之一,外源輸入秸稈進(jìn)入土壤后發(fā)生一系列的物理-化學(xué)-微生物轉(zhuǎn)化過程,其活性組分是微生物分解產(chǎn)物的主要來源,這些微生物分解產(chǎn)物進(jìn)一步通過促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成以及與土壤礦物的吸附與化學(xué)鍵合而促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[8- 10]。Spaccini等[11]的模擬培養(yǎng)試驗(yàn)認(rèn)為,旱作土壤中新鮮玉米秸稈趨于轉(zhuǎn)化為腐殖酸和富啡酸,土壤中新鮮植物殘?bào)w通過礦化分解主要儲(chǔ)存于腐殖質(zhì)的親水性組分中,并提出原有腐殖質(zhì)促進(jìn)新鮮作物秸稈在土壤中積累的觀點(diǎn)。Song等[12]也提出,稻田土壤中新添加的玉米秸稈碳與土壤鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳、游離氧化鐵以及胡敏素顯著正相關(guān),“新碳”可以通過與土壤礦質(zhì)成分的化學(xué)鍵合而固定并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的穩(wěn)定性組分。由此我們推測,既然外源輸入秸稈在亞熱帶稻田土壤中的礦化率低于旱作土壤,那么其分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在土壤碳庫不同組分中的分配與穩(wěn)定也可能與旱作土壤存在差異。

因此,本研究通過室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn),選取亞熱帶四種典型母質(zhì)發(fā)育的稻田和毗鄰的旱作土壤,研究45%田間持水量(WHC)條件(排除水分的影響)下稻田和旱作土壤中外源輸入秸稈的礦化與轉(zhuǎn)化差異,以明確不同母質(zhì)發(fā)育稻田土壤中秸稈的礦化是否均一致性的低于鄰近的旱作土壤,并揭示外源輸入秸稈的分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在土壤中的分配特點(diǎn),為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)稻田土壤有機(jī)碳礦化和轉(zhuǎn)化的過程與機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

選取湖南省水稻種植歷史悠久的四種主要母質(zhì)類型的稻田土壤為研究對象,并以毗鄰的相同母質(zhì)的旱作土壤作為對照。四種母質(zhì)類型的土壤分別為位于長沙縣金井鎮(zhèn)的花崗巖風(fēng)化物(113°20′E, 28°33′N)、桃源縣盤塘鎮(zhèn)的第四紀(jì)紅色粘土(111°32′E, 29°14′N)、桂陽縣余田鄉(xiāng)的板頁巖風(fēng)化物(112°69′E, 25°94′N)和桃源縣雙溪口鄉(xiāng)的河流沉積物(111°62′E, 29°10′N)。所選稻田土壤長期種植制度為稻稻閑或稻油/煙輪作,旱作土壤主要種植油菜、棉花、紅薯等,所有作物均為C3作物。每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)5點(diǎn)采集耕層(0—20 cm)土壤樣品,剔除可見動(dòng)植物殘?bào)w,一部分土樣過2 mm篩,調(diào)節(jié)土壤含水量至45% WHC,置于25℃、100%空氣濕度和黑暗條件下預(yù)培養(yǎng)7—10 d,另取少量土樣室內(nèi)風(fēng)干,過0.149 mm篩,用于測定土壤基本理化性狀。供試土壤的基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤(0—20 cm)的基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)處理

每種土壤分別設(shè)置2個(gè)處理：不添加秸稈(CK)和添加秸稈(S)。本試驗(yàn)添加的秸稈為粉碎過2 mm篩的玉米(C4作物)秸稈,添加量為10 mg/g土(干重)。玉米秸稈的有機(jī)碳和全氮含量分別為497.34 g/kg和4.57 g/kg,13C豐度為-12.74 ‰。

取經(jīng)預(yù)培養(yǎng)過的土樣每份20 g(干重)于120 mL培養(yǎng)瓶中,按上述處理后,隨即用硅膠塞塞住瓶口,并用704膠密封和塞子之間的空隙。硅膠塞的中間有一小孔,內(nèi)插玻璃管,管外再套一段硅膠軟管,以適合的硅膠塞塞緊軟管通口,作為氣體采樣口[13]。隨后將培養(yǎng)瓶置于25 ℃和黑暗條件下恒溫培養(yǎng)180 d。每個(gè)處理重復(fù)3次。分別于培養(yǎng)的第0、0.5、1、2、5、10、20、40、60、80、100、140、180天采集氣體,測定氣體的CO2濃度和δ13C值。

同時(shí)取經(jīng)預(yù)培養(yǎng)過的土樣每份400 g(干重)于4 L塑料杯中,按上述處理好后,置于50 L的塑料桶中,桶底加少量去離子水以維持桶內(nèi)100%的空氣濕度,密封塑料桶,并不定期向桶底添加去離子水,于25℃和黑暗條件下恒溫培養(yǎng)180 d,每個(gè)處理重復(fù)3次。培養(yǎng)結(jié)束后(第180天)取樣測定土壤微生物生物量碳(MBC)、溶解性有機(jī)碳(DOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(Fe/Al-OC)、腐殖質(zhì)碳(HMC)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒徑(2000—250 μm、250—53 μm、<53 μm)SOC及其各自的δ13C值。

1.3 分析測定與計(jì)算方法

土壤MBC和DOC的測定采用熏蒸提取-碳自動(dòng)分析儀法[14]；土壤POC的測定參考周萍等[15]的方法；土壤Fe/Al-OC的測定采用徐建民等[16]的方法；土壤腐殖質(zhì)組成采用竇森等[17]的方法；土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用Cambardella和Elliott[18]的方法。土壤pH采用水土比1∶2.5,用pH計(jì)(LRH- 250-S)測定；SOC采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[19]；粘粒含量采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000)測定；全氮測定采用半微量凱氏定氮法[20]。

氣體樣品的CO2濃度用氣相色譜儀(Agilent Technologies 7890A,USA)測定。CO2及土壤有機(jī)碳各組分13C豐度值(δ13C)用穩(wěn)定性同位素質(zhì)譜儀(Thermo Scientific MAT 253,德國)測定,其中POC和團(tuán)聚體各粒徑測定δ13C前須將土樣烘干磨細(xì)過0.149 mm篩,MBC、DOC、Fe/Al-OC、HMC測定δ13C前須將浸提液冷凍干燥。δ13C (‰)值的計(jì)算方法如下：

式中,R=13C/12C,Rsample與Rstandard分別表示土壤樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對豐度。

不同來源有機(jī)碳的計(jì)算：本研究供試土壤均種植C3作物,添加玉米(C4)秸稈后進(jìn)入土壤的新鮮有機(jī)物質(zhì)相對富集13C,可根據(jù)測定的δ13C豐度(‰),通過下列公式計(jì)算出源于外源秸稈和源于本體土壤的有機(jī)質(zhì)組分各占的比例[21]：

式中,f表示土壤樣品中源于玉米碳的比例(%),δM為添加玉米秸稈后土壤樣品的δ13C值,δA為玉米秸稈的δ13C值,δB為未添加玉米秸稈土壤樣品的δ13C值。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果均采用3次重復(fù)的平均值表示,用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行ANOVA分析,LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn),顯著水平設(shè)為0.05,極顯著水平設(shè)為0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源輸入秸稈在稻田和旱作土壤中的礦化動(dòng)態(tài)

在180 d的培養(yǎng)期內(nèi),外源輸入秸稈在土壤中的礦化可分為3個(gè)階段(圖1)：0—5 d為快速礦化階段,秸稈礦化率較高,稻田和旱作土壤中分別為11%—14%和14%—19%；6—20 d為慢速礦化階段,秸稈的礦化率迅速降低,分別為3%—7%和2%—7%；21—180 d為穩(wěn)定礦化階段,秸稈礦化率變化較為平緩,分別僅為1%—2%和2%—3%。培養(yǎng)結(jié)束后,外源輸入秸稈在花崗巖風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色粘土、板頁巖風(fēng)化物和河流沉積物母質(zhì)稻田土壤中的累積礦化率分別為18%、21%、19%和18%,而在對應(yīng)旱作土壤中的礦化率分別為28%、23%、21%和21%,均以稻田土壤中秸稈的礦化率顯著高于對應(yīng)的旱作土壤(P<0.05),尤以花崗巖風(fēng)化物母質(zhì)發(fā)育的稻田與旱作土壤的差異最大(P<0.05)。

圖1 外源輸入秸稈在稻田和旱作土壤中的礦化率Fig.1 Mineralization ratio of input straw in paddy soils and upland soils不同小寫字母表示同一母質(zhì)稻田與旱地的差異,P<0.05

2.2 外源輸入秸稈對土壤原有有機(jī)碳礦化的影響

土壤中添加外源輸入秸稈后,土壤原有有機(jī)碳礦化量在培養(yǎng)的0—20 d內(nèi)迅速增加,至第20天時(shí),4種稻田土壤原有有機(jī)碳累積礦化量為120.49—260.89 μg/g,高于CK 8%—39%(圖2),差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。同期內(nèi),旱作土壤原有有機(jī)碳累積礦化量為69.22—226.30 μg/g,高于CK 20%—78%(圖3),差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。而在培養(yǎng)后期(20—180 d),外源秸稈添加下稻田和旱作土壤原有有機(jī)碳的累積礦化量與CK之間無顯著差異(P>0.05)。

在180 d培養(yǎng)期內(nèi),花崗巖風(fēng)化物、第四紀(jì)紅色粘土、板頁巖風(fēng)化物、河流沉積物母質(zhì)稻田土壤原有有機(jī)碳的累積礦化量分別為376.17、303.41、167.91、225.38 μg/g,相比CK分別增加了5%、9%、30%、28%(圖2)；同期內(nèi)旱作土壤原有有機(jī)碳累積礦化量分別為361.68、286.05、140.02、102.34 μg/g,高于CK 37%、17%、53%、65%(圖3)。添加外源秸稈后,所選幾種稻田土壤原有有機(jī)碳累積礦化量的增長幅度均明顯低于相同母質(zhì)的旱作土壤(P<0.01),表現(xiàn)出較弱的激發(fā)效應(yīng),特別是花崗巖風(fēng)化物和第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤的激發(fā)效應(yīng)極小。

圖2 添加外源秸稈對稻田土壤原有有機(jī)碳礦化的影響Fig.2 Influences of straw amendment on the mineralization of native organic C in paddy soils

圖3 添加外源秸稈對旱作土壤原有有機(jī)碳礦化的影響Fig.3 Influences of straw amendment on the mineralization of native organic C in upland soils

2.3 外源輸入秸稈分解產(chǎn)物在有機(jī)碳不同組分中的分配

這里僅就花崗巖風(fēng)化物和第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田和旱作土壤為例,分析培養(yǎng)結(jié)束后外源秸稈分解產(chǎn)物在土壤有機(jī)碳各組分中的轉(zhuǎn)化與分配。從表2可以看出,外源秸稈分解產(chǎn)物在土壤有機(jī)碳組分中的轉(zhuǎn)化以向Fe/Al-OC和POC分配為主,分配比例分別為13%—24%和9%—21%,其次為HMC(12%—15%),而向活性組分MBC和DOC中的分配極少,分配比例分別僅為2%—7%和0.1%-0.7%。

在花崗巖風(fēng)化物母質(zhì)發(fā)育的稻田和旱作土壤中,外源秸稈分解產(chǎn)物在Fe/Al-OC中的分配比例分別為24%和18%,在POC中分別為21%和17%,在HMC中分別為15%和13%,在MBC中分別為6%和2%,在DOC中分別為0.1%和0.2%。除了DOC以外,外源秸稈分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在有機(jī)碳組分中的分配比例均以稻田土壤高于旱作土壤。同樣,在第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田和旱作土壤中,外源秸稈分解產(chǎn)物在Fe/Al-OC中的分配比例分別為17%和13%,在POC中分別為15%和9%,在HMC中分別為14%和11%,在MBC中分別為7%和4%,在DOC中分別為0.3%和0.7%,也是以稻田土壤有機(jī)碳各組分中的分配比例高于旱作土壤(DOC除外)。

表2 培養(yǎng)180 d后外源輸入秸稈分解產(chǎn)物在土壤有機(jī)碳組分中的分配/ %

大寫字母表示不同土壤同一有機(jī)碳組分中的差異,小寫字母表示同一土壤不同有機(jī)碳組分中的差異(P<0.05)

2.4 外源輸入秸稈分解產(chǎn)物在水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的分配

外源輸入秸稈分解產(chǎn)物在水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的分配如圖4所示。在花崗巖風(fēng)化物母質(zhì)發(fā)育的稻田和旱作土壤中,外源輸入秸稈分解產(chǎn)物在2000—250 μm、250—53 μm、<53 μm粒徑中的分配比例分別為10%和7%、7%和5%、6%和3%；在第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田和旱作土壤相應(yīng)粒徑中的分配比例分別為13%和6%、8%和7%、5%和7%。兩種母質(zhì)中稻田和旱作土壤之間外源秸稈分解產(chǎn)物的分配差異均表現(xiàn)在2000—250 μm粒徑,以稻田土壤相對較高,而其余兩個(gè)粒徑的相同粒徑中稻田和旱作土壤之間秸稈分解產(chǎn)物的分配比例并無明顯差異(P>0.05)。

圖4 培養(yǎng)180 d后外源秸稈分解產(chǎn)物在土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的分配Fig.4 Distribution of decomposition products of input straw in water-stable aggregates of paddy and upland soils after the incubation for 180 d不同小寫字母表示不同土壤同一粒徑之間差異顯著,P<0.05

3 討論

土地利用方式對土壤有機(jī)碳庫的動(dòng)態(tài)變化起關(guān)鍵作用,主要通過不同的種植制度、田間管理方式改變土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分狀況,改變土壤生物、物理及化學(xué)特性,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生差異[22- 23]。通常稻田土壤的微生物數(shù)量群落以及功能多樣性均高于旱作土壤,促進(jìn)了微生物對作物秸稈的利用,從而導(dǎo)致稻田土壤較旱作土壤更利于外源輸入秸稈的礦化[24- 25]。已有許多研究表明,稻田土壤外源輸入秸稈的礦化高于旱作土壤,比如黃東邁等[26]運(yùn)用14C示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),水稻和玉米秸稈在淹水稻田土壤中的礦化速率快于旱地土壤。Inubushi 等[27]發(fā)現(xiàn)稻田土壤CO2釋放量高于旱作土壤約55%。趙次嫻等[28]對添加生物質(zhì)炭后稻田和旱作土壤有機(jī)碳的礦化特征研究中表明,生物質(zhì)炭施用于旱作土壤比稻田具有更好的固碳減排效果。簡燕等[29]也在研究中指出稻田土壤自養(yǎng)微生物同化碳的礦化速率明顯大于旱作土壤。但我們前期[6,30]對亞熱帶一種稻田土壤外源輸入秸稈礦化的研究報(bào)道與上述文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果并不一致,盡管稻田土壤微生物生物量遠(yuǎn)大于旱作土壤,但稻田土壤中外源輸入秸稈的礦化率及其對土壤原有有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)均顯著低于旱作土壤,從而表現(xiàn)出較高的有機(jī)碳積累效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),外源輸入秸稈在不同母質(zhì)發(fā)育稻田土壤中的累積礦化率均低于對應(yīng)的旱作土壤,具有一定的普遍性,表明稻田土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)可能存在特殊的生物地球化學(xué)過程,從而更有利于外源輸入秸稈在稻田土壤中的積累。

好氧條件會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化[31],且有機(jī)碳礦化隨著土壤粘粒含量的增加而減少,粘粒含量較高的土壤對作物秸稈分解起保護(hù)作用[32- 33]。本研究中稻田和旱作土壤均在45%WHC條件下培養(yǎng),且稻田土壤粘粒含量均不同程度地小于旱作土壤,稻田土壤的環(huán)境條件似乎更有利于有機(jī)碳的礦化。但是,本研究稻田土壤中外源輸入秸稈及其對原有有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)并非如上述所說會(huì)高于旱作土壤,而是受到了明顯的抑制,這表明水分條件和粘粒含量可能并非影響稻田土壤有機(jī)碳礦化的主要因素。秸稈輸入通過影響土壤微生物群落組成及活性從而對土壤原有有機(jī)碳礦化產(chǎn)生正的或負(fù)的激發(fā)效應(yīng)[34- 35]。關(guān)于稻田土壤有機(jī)碳礦化的一些研究也認(rèn)為,外源秸稈添加使土壤原有有機(jī)碳礦化表現(xiàn)出顯著的負(fù)激發(fā)效應(yīng)[7,36]或無顯著激發(fā)效應(yīng)[6,30]。本研究結(jié)果也顯示,盡管稻田土壤碳庫與微生物生物量均大于旱作土壤,但外源秸稈添加對稻田土壤原有有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)顯著低于對應(yīng)的旱作土壤,且花崗巖風(fēng)化物和第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤幾乎無激發(fā)效應(yīng)。而旱作土壤添加秸稈后可能由于團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用減弱,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)隨秸稈添加量的增加而增強(qiáng),從而使土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳的比例減少[37]。

土壤中外源秸稈分解快慢是土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)弱的外在表現(xiàn),以往研究認(rèn)為微生物數(shù)量和活性決定了土壤有機(jī)碳的分解[38]。但是,Kemmitt等[39]提出的“控制閥”假設(shè)認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)的分解包括由非生物活性有機(jī)質(zhì)通過非生物過程轉(zhuǎn)化為生物活性有機(jī)質(zhì),再由生物過程進(jìn)行礦化兩個(gè)階段。前者為土壤有機(jī)質(zhì)分解的控制性階段,主要機(jī)制包括：化學(xué)氧化和水解、從團(tuán)聚體和生物不可及空隙的釋放、從固相中的解析以及胞外酶的作用。本研究中稻田土壤微生物生物量碳含量及外源秸稈分解產(chǎn)物在微生物生物量碳中的分配比例均高于對應(yīng)的旱作土壤,但稻田土壤中外源輸入的秸稈并未表現(xiàn)出較高的礦化率,這也從側(cè)面驗(yàn)證了稻田土壤中外源輸入秸稈的礦化不完全受土壤微生物的影響。近年來也有研究指出,土壤微生物生物量及其活性、區(qū)系組成并不能有效指示有機(jī)碳礦化,與土地利用變化直接關(guān)聯(lián)的土壤結(jié)構(gòu)、土壤團(tuán)聚體以及與之相關(guān)的物理化學(xué)性狀可能在土壤有機(jī)碳的礦化過程中發(fā)揮重要的作用,并進(jìn)一步影響土壤有機(jī)碳的積累[40- 41]。Wu[6]等也在研究中發(fā)現(xiàn)新鮮作物秸稈礦化并不隨土壤粘粒含量的增加而減少,土壤中存在大量的鐵鋁氧化物能減少土壤有機(jī)碳的礦化,更好的保護(hù)有機(jī)質(zhì)及其分解產(chǎn)物。本文研究結(jié)果顯示,稻田土壤中外源輸入秸稈向POC、Fe/Al-OC、HMC和2000—250 μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體分配的比例較高,分別為15%—21%、17%—24%、14%—15%和10%—13%,均明顯高于對應(yīng)的旱作土壤。相比于旱作土壤,外源輸入秸稈在稻田土壤中較低的礦化率可能與其分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物受土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的物理保護(hù)、與鐵鋁氧化物的化學(xué)鍵合以及向腐殖質(zhì)組分的分配作用較強(qiáng)有關(guān)。但是,稻田土壤中外源輸入秸稈的分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)物在DOC中的分配比例卻低于旱作土壤。而DOC作為微生物分解有機(jī)碳的直接利用底物,導(dǎo)致外源秸稈在旱作土壤中通過DOC分解礦化的損失較高。這也進(jìn)一步從側(cè)面說明,稻田土壤對有機(jī)碳的物理保護(hù)和化學(xué)結(jié)合穩(wěn)定作用較強(qiáng),且團(tuán)聚體的物理保護(hù)作用進(jìn)一步促進(jìn)SOC的化學(xué)穩(wěn)定化過程,從而促使稻田土壤相比旱作土壤擁有較低的有機(jī)碳礦化速率和較高的有機(jī)碳積累能力[42]。雷敏等[43]也提到亞熱帶稻田土壤有機(jī)碳物理和化學(xué)保護(hù)作用的增強(qiáng),有利于稻田土壤維持較高的固碳速率,從而促進(jìn)有機(jī)碳的積累。Song等[12]報(bào)道指出土壤外源碳最終主要是通過轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性腐殖質(zhì)碳組分被固存。

4 結(jié)論

在180 d培養(yǎng)期內(nèi),45% WHC條件下所選4種典型母質(zhì)發(fā)育的稻田土壤中外源輸入秸稈累積礦化率及其對土壤原有有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)均一致性地低于對應(yīng)的旱作土壤,可能具有一定普遍性。與旱作土壤相比,稻田土壤中外源輸入秸稈的分解產(chǎn)物受水穩(wěn)性團(tuán)聚體的物理保護(hù)、與鐵鋁氧化物的化學(xué)鍵合以及向有機(jī)碳穩(wěn)定組分的分配均較強(qiáng),從而可能抑制了外源秸稈的分解礦化,促進(jìn)其在稻田土壤中的較高積累。

致謝：感謝中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所公共技術(shù)服務(wù)中心王久榮主任、袁紅朝、耿梅梅對本研究工作的幫助。

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DecompositionandtransformationofinputstrawinseveraltypicalpaddyanduplandsoilsinsubtropicalChina

WANG Yuzhu1,2, ZHOU Ping1,*, WANG Juan1, MA Bei1, LIU Yihan1, WU Jinshui1

1KeyLaboratoryofAgro-EcologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,Changsha410125,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Decomposition and transformation of input straw in four types of paddy soils were investigated under incubation at 25°C and 45% water holding capacity (WHC) for 180 d. The soils were derived from different parent materials (weathered granite, quaternary red clay, weathered shale, and river alluvial) in subtropical China, and the adjacent upland soils were selected as a control. During the 180 d period, the mineralization ratios of input straw in the selected paddy soils (18%—21%) were lower than those in the corresponding upland soils (21%—28%). The priming effects of straw amendment on native soil organic carbon mineralization were also lower in the paddy (5%—37%) than in the corresponding upland soils (23%—65%). The decomposed products of input straw were mainly distributed in particulate organic carbon (POC, 9%—21%) and Fe/Al-bound organic carbon (Fe/Al-OC, 12%—24%), followed by humus carbon (HMC) (11%—15%), whereas only a small part was distributed as microbial biomass carbon (MBC, 2%—7%) and dissolved organic carbon (DOC, 0.1%-0.7%). In paddy soils, the conversion ratios of input straw in POC, Fe/Al-OC, and MBC (15%—21%, 17%—24%, and 6%—7%) were higher than those in upland soils (9%—17%, 13%—18%, and 2%—4%). In addition, the 2,000—250 μm coarse water-stable aggregates in paddy soils tended to receive more decomposed products of input straw than those in upland soils (10%—13% vs. 6%—7%), whereas no significant difference was observed between paddy and upland soils in other small sizes of aggregates. The results indicated that the mineralization of input straw may be lower in paddy than in upland soils derived from different parent materials, possibly owing to stronger physical protection in soil coarse aggregates, chemical protection by binding with Fe/Al oxyhydrates, and larger transformation to stable fractions of input straw during its decomposition in paddy soils. This fate of input straw decomposition may contribute to a higher organic carbon accumulation in paddy than in upland soils.

paddy soil; organic carbon; mineralization; priming effect; organic carbon fractions

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41371252,41430860,41671242)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300902)

2016- 07- 21; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouping@isa.ac.cn

10.5846/stxb201607211481

王玉竹,周萍,王娟,馬蓓,劉翊涵,吳金水.亞熱帶幾種典型稻田與旱作土壤中外源輸入秸稈的分解與轉(zhuǎn)化差異.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(19):6457- 6465.

Wang Y Z, Zhou P, Wang J, Ma B, Liu Y H, Wu J S.Decomposition and transformation of input straw in several typical paddy and upland soils in subtropical China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6457- 6465.