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    δ13C法研究砂姜黑土添加秸稈后團(tuán)聚體有機(jī)碳變化規(guī)律

    2017-11-24 06:07:17韓霽昌孫增慧張衛(wèi)華余正洪
    關(guān)鍵詞:砂姜水穩(wěn)性黑土

    劉 哲,韓霽昌※,孫增慧,張衛(wèi)華,余正洪,侯 瑩

    (1. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán),西安 710075;2. 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710075;3. 中國科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008)

    δ13C法研究砂姜黑土添加秸稈后團(tuán)聚體有機(jī)碳變化規(guī)律

    劉 哲1,2,韓霽昌1,2※,孫增慧1,2,張衛(wèi)華1,2,余正洪3,侯 瑩1,2

    (1. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán),西安 710075;2. 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710075;3. 中國科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008)

    為研究水稻秸稈添加對(duì)砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響,探索水稻秸稈腐解過程中外源新碳及原有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配規(guī)律,該文通過室內(nèi)模擬試驗(yàn),運(yùn)用δ13C示蹤方法,將穩(wěn)定同位素碳(δ13C)標(biāo)記的水稻秸稈添加入砂姜黑土,利用濕篩法得到不同培養(yǎng)時(shí)期不同粒級(jí)的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體,測(cè)定不同時(shí)期各粒級(jí)土壤外源新碳及原有機(jī)碳含量。結(jié)果表明:未添加水稻秸稈的砂姜黑土(對(duì)照組),水穩(wěn)性微團(tuán)聚體(<250μm)占主體,團(tuán)聚體有機(jī)碳含量低。與對(duì)照相比,添加水稻秸稈(試驗(yàn)組)顯著促進(jìn)了>2000、2000~250μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的團(tuán)聚(P<0.05);培養(yǎng)到120 d時(shí),>2000、2000~250μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體比對(duì)照組分別增加了265.5%、16.0%,促使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250μm)占主體,顯著提高了砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(R0.25),降低了分形維數(shù)(D)值(P<0.05),土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯得到改善。試驗(yàn)組各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著增加,培養(yǎng)到15 d時(shí),>2000、2000~250、>250~53、<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳分別比對(duì)照組增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%,其中微團(tuán)聚體有機(jī)碳增加幅度大于大團(tuán)聚體的增加幅度。MWD、GMD、R0.25與2000~250、>250~53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與>2000μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)、與<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳關(guān)系不顯著。不同粒級(jí)團(tuán)聚體的δ13C值明顯增加,動(dòng)態(tài)變化較大,表明外源新碳周轉(zhuǎn)速率較快。外源新碳主要分配在>250~53、<53μm粒級(jí)微團(tuán)聚體中,分配比例分別為38%、28%,外源新碳的分解速率明顯快于原有機(jī)碳。研究得出添加水稻秸稈有利于增加砂姜黑土的團(tuán)聚體穩(wěn)定性,提高土壤及不同粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量,提升土壤碳水平,改善了土壤結(jié)構(gòu),這為淮北地區(qū)土壤質(zhì)量提升及有機(jī)碳循環(huán)提供了理論依據(jù)。

    土壤;有機(jī)碳;秸稈;δ13C;砂姜黑土;土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體

    0 引 言

    土壤有機(jī)碳庫是陸地碳庫的重要組成部分,其微小波動(dòng)就可能對(duì)溫室氣體濃度乃至全球碳平衡產(chǎn)生重大影響[1-2]。土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳之間通常有著密切的聯(lián)系,團(tuán)聚體形成和有機(jī)碳固持的相互作用對(duì)于促進(jìn)土壤固碳具有重要意義[3]。土壤團(tuán)聚體是組成土壤結(jié)構(gòu)的基本單位,土壤團(tuán)聚過程中導(dǎo)致顆粒分布的不同不僅影響著土壤系統(tǒng)中的水肥氣熱,而且是有機(jī)碳固持與穩(wěn)定的重要過程,因此研究土壤團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體有機(jī)碳組分含量的分布及其變化特征,對(duì)促進(jìn)土壤固碳及質(zhì)量提升的作用具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

    土壤團(tuán)聚體的形成、特性、作用功能十分復(fù)雜,既受土壤本身物質(zhì)組成的影響,還受人為活動(dòng)等因素的影響。不同粒級(jí)的團(tuán)聚體在土壤有機(jī)碳(SOC)的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用,其中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳平衡與礦化速率的微觀表征[6-7]。研究表明,良好的土壤團(tuán)聚體是水穩(wěn)性的,且>250μm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)[8]。土壤團(tuán)聚作用對(duì)SOC起到了物理保護(hù)作用,同時(shí) SOC存在也能夠促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[9-10]。土壤不同粒級(jí)團(tuán)聚體由于物理結(jié)構(gòu)的差異,導(dǎo)致外源新碳的可進(jìn)入性不同,進(jìn)而影響了SOC組分的周轉(zhuǎn)及穩(wěn)定[11],傳統(tǒng)的差減法不能精確地獲得土壤固定的來自秸稈的外源新碳量,而δ13C方法是用于研究土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的一種新方法,該法不僅具有有標(biāo)記均勻、無放射性、可長期標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn),而且可以精確地示蹤進(jìn)入到土壤中外源新碳的變化,對(duì)于探索外源新碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配規(guī)律具有重要意義[12-13]。

    秸稈還田固碳潛力較大,可以在提高土壤有機(jī)碳含量的同時(shí)促進(jìn)土壤植物營養(yǎng)元素的再循環(huán),秸稈腐解以后對(duì)團(tuán)聚體的形成也會(huì)產(chǎn)生一定的激發(fā)效應(yīng),增強(qiáng)土粒的團(tuán)聚性、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[14-16]。國內(nèi)外學(xué)者把土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性以及土壤的固碳能力作為評(píng)價(jià)土壤物理性質(zhì)及土壤有機(jī)碳庫的重要指標(biāo),認(rèn)為提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性以及團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量,減少土壤碳庫的損失,一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及碳循環(huán)研究的重要方向[17-18]。孫漢印等研究發(fā)現(xiàn),秸稈粉碎旋耕還田模式增加了塿土水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250μm)的含量,提高了微團(tuán)聚體(<250μm)有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性[19],顧鑫等研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈添加促進(jìn)了棕壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成,提高了團(tuán)聚體體穩(wěn)定性及有機(jī)碳含量[20],尹云鋒等研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈添加顯著增加了紅壤50~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[21]。關(guān)松等研究表明玉米秸稈添加顯著促進(jìn)了黑土>2 000μm大團(tuán)聚體的形成,增加了團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[22]。以往秸稈添加對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳分布及相對(duì)數(shù)量變化的研究多集中在塿土、棕壤、黑土、紅壤等,然而砂姜黑土是淮北地區(qū)主要的中低產(chǎn)土壤,通常土質(zhì)黏重,結(jié)構(gòu)發(fā)育不好,團(tuán)聚體穩(wěn)定性較差,有機(jī)碳含量低,該地區(qū)長期以來偏施化學(xué)氮肥,土壤結(jié)構(gòu)以及土壤質(zhì)量的可持續(xù)性發(fā)展受到破壞[23],因此改善砂姜黑土的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu),提升砂姜黑土的質(zhì)量顯得尤為重要,但關(guān)于秸稈添加對(duì)淮北地區(qū)砂姜黑土碳庫管理、團(tuán)聚體分布組成以及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳分布穩(wěn)定性的研究比較缺乏,而運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)定量化研究秸稈中外源新碳在砂姜黑土不同粒級(jí)團(tuán)聚體中分布規(guī)律和殘留特征的研究鮮有報(bào)道,難以區(qū)分出原土壤有機(jī)碳和外源新有機(jī)碳。為此本研究利用δ13C示蹤方法,在砂姜黑土不受擾動(dòng)的情況下進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng),定量分析研究水稻秸稈添加對(duì)砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響,探索水稻秸稈腐解過程中水穩(wěn)性團(tuán)聚體原有機(jī)碳和外源新碳的分布規(guī)律,為淮北地區(qū)土壤質(zhì)量提升及有機(jī)碳循環(huán)提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

    砂姜黑土采樣區(qū)位于安徽省濉溪楊柳試驗(yàn)站(116°77'E,33°62'N),成土母質(zhì)為黃土性古河沉積物,礦物類型主要以蒙脫石為主的2:1型黏土礦物,按美國制土壤分類命名為變性土。試驗(yàn)前耕層土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)如下:pH值為6.34,黏粒(<0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%,粉粒(0.02~0.002 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%,土壤質(zhì)地類型為壤質(zhì)黏土,δ13C值為-23.82‰,有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.45 g/kg,全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.86 g/kg,全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54 g/kg,種植方式為小麥-玉米輪作,玉米6月中旬播種,10月中旬進(jìn)行收割、測(cè)產(chǎn)。

    1.2 試驗(yàn)材料

    于2014年10月中旬采集試驗(yàn)站土壤,采用棋盤法選擇6~8個(gè)采樣點(diǎn),采集0~30 cm耕作層土樣,混合均勻后按四分法保留1 kg左右土樣。采集的土壤除去粗的植物殘?bào)w和大的砂礫等雜質(zhì),帶回實(shí)驗(yàn)室于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干,然后沿自然脆弱帶輕輕掰開,使其能通過2 mm篩子。

    本試驗(yàn)所用秸稈樣品為溫室栽培水稻秸稈,并采用脈沖標(biāo)記法獲取13C標(biāo)記秸稈:在水稻播種后115 d的生長期內(nèi)分別進(jìn)行7次13C二氧化碳脈沖標(biāo)記,使其通過光合作用吸收13C二氧化碳。在播種115 d后,獲取水稻地上部,在 60℃烘干,粉碎過 0.25 mm篩,其δ13C值為676.39‰,秸稈有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為396.5 g/kg。

    1.3 培養(yǎng)方法

    本試驗(yàn)采用2種處理:對(duì)照組(不加秸稈,CK)和試驗(yàn)組(加1%13C標(biāo)記秸稈,Str),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。將過2 mm篩的砂姜黑土300 g于2 L的塑料培養(yǎng)瓶中,加入3 g13C標(biāo)記水稻秸稈,充分混勻后,加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%,并在28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。同時(shí)做不加秸稈的對(duì)照試驗(yàn)。培養(yǎng)期間每天通氣,并每周稱質(zhì)量以保持土壤含水率。分別在15、60、120 d取 3個(gè)重復(fù)的各處理土壤,用以測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性(濕篩法)、SOC、土壤13C同位素豐度值。

    1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

    土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法,土壤pH值采用電位法(水土質(zhì)量比2.5∶1),土壤黏粒和粉粒含量采用吸管法測(cè)定[24-25],秸稈的全碳含量采用 CN元素分析儀測(cè)定,土壤13C同位素豐度值采用Flash-EA-DELTA-V聯(lián)用儀測(cè)定[26];土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性采用濕篩法[27]。

    描述土壤團(tuán)聚狀況的穩(wěn)定性指標(biāo)可采用平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD),水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(R0.25),詳細(xì)計(jì)算公式見有關(guān)參考資料[27]。

    團(tuán)聚體的分形維數(shù)D值的計(jì)算采用楊培嶺等[28]推導(dǎo)的公式

    利用公式(1),通過數(shù)據(jù)擬合,可方便的求得D。式中為某級(jí)團(tuán)聚體平均直徑,μm;M()為粒徑小于的團(tuán)聚體的質(zhì)量,g;MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量,g;xmax為團(tuán)聚體的最大粒徑,μm。

    培養(yǎng)結(jié)束時(shí)不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳來源于秸稈新碳的比例為[29]:

    式中,δCsom為培養(yǎng)結(jié)束時(shí)添加標(biāo)記秸稈的土壤δ13C值,‰;δCck為不加秸稈的土壤δ13C值,‰;δCstraw為標(biāo)記秸稈的δ13C值,‰;若不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳總量C已知,那么總量中來自秸稈新碳Cn為

    土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率計(jì)算方法[14]:

    團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率=

    1.5 數(shù)據(jù)處理

    采用 Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行作圖,SPSS22.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和回歸分析,采用最小顯著極差法(LSD 法)進(jìn)行多重比較,顯著性水平P<0.05,極顯著水平P<0.01。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 水稻秸稈添加對(duì)砂姜黑土各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響

    與對(duì)照組相比,添加水稻秸稈后土壤團(tuán)聚體分布趨勢(shì)表現(xiàn)出相同的規(guī)律,試驗(yàn)組水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(>250μm)顯著增加(P<0.05),促使水穩(wěn)性微團(tuán)聚體(<250μm)向大團(tuán)聚體團(tuán)聚,水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量顯著減少,且不同培養(yǎng)時(shí)期各粒級(jí)團(tuán)聚體含量均發(fā)生了明顯變化,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體始終是優(yōu)勢(shì)粒級(jí)(圖1)。其中,對(duì)照組中>2000μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量很少,與其他3個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體相比差異顯著(P<0.05),2 000~250、<53μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量相對(duì)較多;到培養(yǎng)60 d的時(shí)候,水穩(wěn)性微團(tuán)聚體還一直占主體,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%;培養(yǎng)到120 d時(shí),大團(tuán)聚體含量有所增加,但與微團(tuán)聚體含量差異不是很明顯,說明砂姜黑土在不受擾動(dòng)的情況下,微團(tuán)聚體有向大團(tuán)聚體微弱團(tuán)聚的趨勢(shì)。

    圖1 不同培養(yǎng)時(shí)期土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成Fig.1 Composition of soil water-stable aggregates under different incubation period

    試驗(yàn)組>2000和2 000~250μm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量呈顯著增加趨勢(shì),>250~53和<53μm水穩(wěn)性微團(tuán)聚體含量都顯著減少(P<0.05)。培養(yǎng)到15 d的時(shí)候,試驗(yàn)組>2 000、2 000~250μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比對(duì)照組增加了157.2%、32.2%,>250μm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 56.38%,比對(duì)照組增加了 37.9%。培養(yǎng)到120 d的時(shí)候,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到63.28%,成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)。良好的土壤團(tuán)聚體是水穩(wěn)性的,>250μm粒級(jí)團(tuán)聚體被認(rèn)為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體,稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體,是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ),其含量越高,土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和固碳能力越大[30]。同時(shí),水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布狀況反映了土壤結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力[31],因此結(jié)果表明砂姜黑土添加水稻秸稈后,促使微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚,砂姜黑土的穩(wěn)定性、抗侵蝕能力得到增強(qiáng)。

    2.2 水稻秸稈添加對(duì)砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、R0.25、分形維數(shù)(D)的影響

    土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD、R0.25、D是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況與穩(wěn)定性的重要指標(biāo),MWD、GMD、R0.25值越高,D值越小,表明團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高,土壤越具有良好的結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性越強(qiáng)[27,32]。從表 1可知,團(tuán)聚體的回收率介于98%~100%之間,相比于對(duì)照組,添加水稻秸稈后不同培養(yǎng)時(shí)期的試驗(yàn)組水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、R0.25值顯著增加,分形維數(shù)(D)值顯著減?。≒<0.05)。培養(yǎng)到120 d時(shí),試驗(yàn)組的MWD、GMD、R0.25值分別比對(duì)照組增加了21.5%、34.3%、21.3%,D值減小2%,試驗(yàn)組不同培養(yǎng)天數(shù)的MWD、GMD、R0.25差異也很顯著,D值變化不是很顯著,團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)以培養(yǎng)120 d后的效果最好。這與侯曉娜等[27]的研究結(jié)果一致,侯曉娜等通過研究玉米秸稈添加對(duì)砂姜黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明秸稈添加顯著增加了 MWD、GMD、R0.25值,降低了D值。

    表1 水稻秸稈添加對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響Table 1 Effects of rice straw on aggregate stability index

    2.3 水稻秸稈添加對(duì)砂漿黑土各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳、有機(jī)碳貢獻(xiàn)率及豐度值的影響

    2.3.1 對(duì)砂姜黑土全土及各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

    植物殘?bào)w作為土壤有機(jī)碳的主要來源,含有多種營養(yǎng)元素,直接添加后,可提升土壤微生物的數(shù)量和活性,促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[16]。與對(duì)照組相比,添加秸稈處理后的試驗(yàn)組全土及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著增加(P<0.05),不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布存在明顯差異(表2)。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長對(duì)照組與試驗(yàn)組全土有機(jī)碳含量均在減少,有機(jī)碳的回收率介于96%~104%之間,培養(yǎng)到120 d時(shí)試驗(yàn)組全土有機(jī)碳含量仍然高于對(duì)照組有機(jī)碳含量。團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布情況呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),水穩(wěn)性微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量整體均在減少,微團(tuán)聚有機(jī)碳含量的增加幅度大于大團(tuán)聚體的增加幅度。其中,對(duì)照組有機(jī)碳主要分布在>250~53、<53μm 粒級(jí)水穩(wěn)性微團(tuán)聚體中,>2 000μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最少,顯著小于其他 3個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量(P<0.05)。

    試驗(yàn)組培養(yǎng)到15 d時(shí),對(duì)于團(tuán)聚體有機(jī)碳的分配比例而言,>2 000、2 000~250、>250~53、<53μm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別比對(duì)照組增加了 21.4%、25.4%、34.7%、50.0%。不同培養(yǎng)時(shí)期,在4種粒級(jí)團(tuán)聚體中,水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布由高到低的順序均為>250~53、<53、2 000~250、>2 000μm,微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對(duì)較高,秸稈添加對(duì)砂姜黑土水穩(wěn)性微團(tuán)聚體有機(jī)碳增加幅度明顯大于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體。

    表2 不同培養(yǎng)時(shí)期全土和不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Concentration of organic carbon in bulk soil and soil aggregates in different size fraction under different incubation period g·kg-1

    2.3.2 砂姜黑土不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

    從表 3可知,不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率與團(tuán)聚體含量分布規(guī)律相似,其中以2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高,>250~53與<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率居中,差異不是很顯著,>2 000μm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最低。雖然>250~53與<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對(duì)比較高,但確以2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高,分析原因主要是2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體分配比例最高,而微團(tuán)聚體在團(tuán)聚體中分配比例相對(duì)較低所致。

    與對(duì)照組相比,添加水稻秸稈后的試驗(yàn)組>2000與2 000~250μm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著增加,>250~53與<53μm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著減小(P<0.05)。這可能是添加秸稈后促進(jìn)了微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的團(tuán)聚,大團(tuán)聚體分配比例顯著增加的結(jié)果。

    表3 不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Table 3 Contributing rates of water-stable aggregates carbon of different grain size to soil organic carbon %

    2.3.3 砂姜黑土不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值的動(dòng)態(tài)變化

    土壤有機(jī)碳的δ13C值受進(jìn)入土壤中有機(jī)物料的種類影響,δ13C方法不但可以研究原SOC的周轉(zhuǎn),還可以示蹤進(jìn)入到土壤中外源新碳的變化[33]。對(duì)照組 4種不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的δ13C值介于-22.08‰至-23.52‰之間,而與對(duì)照組相比,試驗(yàn)組不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的 δ13C值明顯提高,δ13C值動(dòng)態(tài)變化很大(圖2)。說明添加水稻秸稈后,進(jìn)入到土壤中的外源新碳的周轉(zhuǎn)速度很快。從培養(yǎng)15 d到120 d時(shí),對(duì)照組不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值動(dòng)態(tài)變化很小,表明原土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率比較慢,降解程度比較接近。

    試驗(yàn)組培養(yǎng)到15 d時(shí),不同粒級(jí)團(tuán)聚體的δ13C值遞減順序?yàn)椋?50~53、<53、>2 000、2 000~250μm。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,到60 d時(shí),4種粒級(jí)的團(tuán)聚體δ13C下降幅度都很大,下降幅度分別為27.8%、24.6%、30.9%、73.8%,總體上大團(tuán)聚體的下降幅度大于微團(tuán)聚體。培養(yǎng)到60 d后,>250~53、<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值整體趨勢(shì)一直還在減小,>2000、2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值整體趨勢(shì)是微弱增加,但總體變化趨勢(shì)漸趨平緩。這主要原因是試驗(yàn)組添加的是粉碎過0.25 mm篩的秸稈,前期微團(tuán)聚體中含有較多的外源秸稈,δ13C值比較大,而隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,水稻秸稈在>250~53、<53μm粒級(jí)的腐解殘留量逐漸減少,含有δ13C的有機(jī)物不斷被分解,從而使>250~53、<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體的δ13C值一直減小,含有 δ13C有機(jī)物的微團(tuán)聚體不斷向>2 000、2 000~250μm粒級(jí)大團(tuán)聚體中聚集,從而造成>2 000、2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值在60 d后有微弱增大的趨勢(shì)。

    圖2 添加水稻秸稈后不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of δ13C value in different soil aggregate fractions with rice straw treatment

    2.3.4 對(duì)砂姜黑土各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體外源新碳及原有機(jī)碳的影響

    培養(yǎng)結(jié)束后土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳可分為外源新碳和原有機(jī)碳,因采用傳統(tǒng)的差減法不能精確的獲得土壤固定的外源新碳數(shù)量,為此本文采用δ13C自然豐度法計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體固定的外源新碳量。從表 4可知,來自水稻秸稈的外源新碳的分布規(guī)律與不同粒級(jí)團(tuán)聚體的δ13C值的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律一致,分配遞減順序?yàn)椋?50~53、<53、>2 000、2 000~250μm,表明外源新碳主要分配進(jìn)入到微團(tuán)聚體中。培養(yǎng)到15 d時(shí)外源新碳分配進(jìn)入到>2 000、2 000~250、>250~53、<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體中的比例分別為19%、15%、38%、28%,微團(tuán)聚體中外源新碳的分配比例明顯高于大團(tuán)聚體。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,外源新碳在各粒級(jí)團(tuán)聚體中分布量均逐漸減少,到120 d時(shí),>2 000、>250~53、<53μm 粒級(jí)團(tuán)聚體外源新碳較60 d時(shí)下降幅度分別為5.5%、24.6%、10%,2 000~250μm粒級(jí)外源新碳有微弱增加,總體上外源新碳在大團(tuán)聚體中的下降速度小于微團(tuán)聚體,逐漸趨于穩(wěn)定,說明水稻秸稈加入土壤培養(yǎng)一段時(shí)間后,由于生物、化學(xué)、環(huán)境等因素的影響,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中初期不穩(wěn)定新有機(jī)碳更快更容易分解,120 d時(shí)已經(jīng)快降解完,微團(tuán)聚體中的初期新有機(jī)碳相對(duì)比較穩(wěn)定,還在逐步分解。培養(yǎng)到120 d時(shí),方差分析進(jìn)一步表明,與不同粒級(jí)外源新碳?xì)埩袅肯啾?,土壤中原有機(jī)碳?xì)埩袅颗c初始量差別不大,說明新進(jìn)入土壤中的有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化很快,而土壤中原有機(jī)碳降解較慢。水稻秸稈的添加促進(jìn)了砂姜黑土及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積,提升了土壤碳水平,而且對(duì)原水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的分解影響程度整體強(qiáng)于微團(tuán)聚體。

    表4 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的來源Table 4 Source of organic carbon in soil aggregates different in size fraction g·kg-1

    2.4 砂姜黑土不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)分析

    土壤有機(jī)碳是影響土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的最重要因素之一,研究表明,SOC與水穩(wěn)性團(tuán)聚體關(guān)系密切,外源新碳的加入,是SOC的重要來源,促進(jìn)了團(tuán)聚體的團(tuán)聚與水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定[34-35]。為了進(jìn)一步明確砂姜黑土各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系,本文對(duì)培養(yǎng)120 d后不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行了回歸分析。由表5可知,>2 000、2 000~250、>250~53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體D值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與D值關(guān)系不顯著,MWD、GMD、R0.25與2 000~250、>250~53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與>2 000μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)、與<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳關(guān)系不顯著,說明團(tuán)聚體穩(wěn)定性與團(tuán)聚體有機(jī)碳關(guān)系密切,較大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量越高,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量越高,團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高,砂漿黑土結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳穩(wěn)定性越高??傮w來看大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性影響最為顯著。外源新碳的加入,是SOC的重要來源,促進(jìn)了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的團(tuán)聚與團(tuán)聚體的穩(wěn)定,提高了土壤及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,改善了土壤性狀。

    表5 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)分析Table 5 Correlation between different aggregate -associated carbon and aggregate stability index

    3 討 論

    3.1 水稻秸稈添加對(duì)不同培養(yǎng)時(shí)期水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響

    土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑,對(duì)土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和大小分布有重要影響。秸稈還田增加了土壤有機(jī)物料的投入,其轉(zhuǎn)化形成的腐殖質(zhì)在團(tuán)聚體形成過程中作為重要的膠結(jié)物質(zhì)有利于大團(tuán)聚體的形成,能夠顯著增加土壤大團(tuán)聚體的含量及其穩(wěn)定性[36-37]。在本研究中,添加水稻秸稈后,通過土壤微生物和酶進(jìn)行腐解,從而使砂姜黑土試驗(yàn)組水穩(wěn)性團(tuán)聚體發(fā)生了顯著變化,>2 000和2 000~250μm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量都呈顯著增加趨勢(shì),>250~53和<53μm水穩(wěn)性微團(tuán)聚體都顯著減少(P<0.05),培養(yǎng)到120 d的時(shí)候,>2 000、2 000~250μm粒級(jí)團(tuán)聚體分別比對(duì)照組增加了265.5%、16.0%,>250~53、<53μm 粒級(jí)團(tuán)聚體分別比對(duì)照組減少了26.0%、20.7%,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到63.28%,成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)。說明水稻秸稈分解產(chǎn)生如多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等不同種類的有機(jī)質(zhì)以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物,這些土壤中重要的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對(duì)大團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定產(chǎn)生了積極影響,促進(jìn)進(jìn)了砂姜黑土微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚。這與顧鑫等的研究結(jié)果相似,顧鑫和侯曉娜分別研究了室內(nèi)模擬情況下添加玉米秸稈對(duì)棕壤團(tuán)聚體和砂姜黑土團(tuán)聚體組成的影響,結(jié)果表明添加玉米秸稈不但顯著增加>250μm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量,還使其<250μm團(tuán)聚體含量降低[20,32]。本研究發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)到120 d時(shí),不添加水稻秸稈的對(duì)照組,也存在微弱的大團(tuán)聚體增加和微團(tuán)聚體減少的現(xiàn)象,但變化幅度很小,分析原因可能是砂姜黑土粘粉粒含量達(dá)到 70%,在未擾動(dòng)及溫濕度適宜的情況下,自身存在微弱的團(tuán)聚作用。

    試驗(yàn)組不同培養(yǎng)時(shí)間穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD、R0.25值都顯著大于對(duì)照組,分形維數(shù)(D)顯著小于對(duì)照組(P<0.05),而且,MWD、GMD和R0.25之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),并且三者均與分形維數(shù)D呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),表明 MWD、GMD、R0.25和分形維數(shù)D均可以用來表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,且其在表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的過程中具有一致性。表明水稻秸稈添加后,改變了砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布情況,顯著增加了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量,提高了砂漿黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性和抗侵蝕能力,增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這與顧鑫等的研究結(jié)果一致,顧鑫和侯曉娜表明添加玉米秸稈可以提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,改善土壤結(jié)構(gòu)[20,32]。

    3.2 水稻秸稈添加對(duì)有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布規(guī)律及穩(wěn)定性的影響

    土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤固碳具有重要意義。已有研究表明,土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配比例存在差異,產(chǎn)生的可能原因是外源新碳在團(tuán)聚體的分配受培養(yǎng)條件、土壤及物料類型等因素影響而有所差異[20,27]。從表 2可知,添加水稻秸稈的試驗(yàn)組不同培養(yǎng)時(shí)期的全土及水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于對(duì)照組(P<0.05),在 4種粒級(jí)團(tuán)聚體中,水穩(wěn)性團(tuán)聚體新有機(jī)碳的分布遞減順序均為>250~53、<53、2 000~250、>2 000μm,微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量明顯高于大團(tuán)聚體。這與尹云鋒等的研究結(jié)果一致,尹云鋒等利用δ13C示蹤法研究水稻秸稈添加對(duì)紅壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響表明,培養(yǎng)到112 d時(shí)外源新碳主要分配在微團(tuán)聚體中,微團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度高于大團(tuán)聚體[21]。本研究最終表明水稻秸稈添加對(duì)砂姜黑土各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均有提高作用,且對(duì)微團(tuán)聚體有機(jī)碳的提高幅度明顯大于大團(tuán)聚體。分析原因可能為添加的水稻秸稈是粉碎過0.25 mm篩,以往室內(nèi)研究添加的秸稈粉碎多在1~2 mm,秸稈越細(xì),越容易為微生物利用,從而加快促進(jìn)微生物分泌膠結(jié)劑,而且砂姜黑土是以蒙脫石為主的2:1型黏土礦物,具有較高的永久表面電荷和較大的比表面積,可以將外源有機(jī)碳吸附到細(xì)小黏土礦物晶層表面或者嵌插到里面,所以有利于砂姜黑土微團(tuán)聚體有機(jī)碳的提高與固定[20,38]。但是由于砂姜黑土添加水稻秸稈后,水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的分配比例顯著提高,微團(tuán)聚體分配分配比例下降,所以導(dǎo)致水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率大于微團(tuán)聚體有機(jī)碳,大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著提高。

    添加水稻秸稈后,試驗(yàn)組不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值都顯著增加(P<0.05),不同培養(yǎng)時(shí)期δ13C值動(dòng)態(tài)變化幅度很大,而對(duì)照組不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值變化幅度很小,說明外源新碳加入砂姜黑土后,周轉(zhuǎn)速率很快,而土壤中的原有機(jī)碳轉(zhuǎn)換很慢。來自水稻秸稈的外源新碳的分配遞減順序一直為>250~53、<53、>2 000、2000~250μm,培養(yǎng)到 120 d時(shí)外源新碳進(jìn)入到>2000、2 000~250、>250~53、<53μm粒級(jí)團(tuán)聚體中的比例分別為22.4%、10.9%、37.5%、29.2%,表明外源新碳主要分配進(jìn)入到微團(tuán)聚體中,分配比例達(dá)到了67%。Chaney等以及Tisdall等[39-40]指出,由于微團(tuán)聚體固持的碳受到物理保護(hù)并具有生物化學(xué)抵抗性而不易分解,微團(tuán)聚體有機(jī)碳在土壤中更持久穩(wěn)定,所以砂姜黑土中添加水稻秸稈在提高土壤有機(jī)碳的同時(shí),更有利于提高土壤有機(jī)碳的固持能力。到 60 d 時(shí),>2 000、2 000~250、>250~53、<53μm 粒級(jí)團(tuán)聚體外源新碳較15 d時(shí)下降幅度分別為31.5%、61.3%、28.2%、36.2%,大團(tuán)聚體新有機(jī)碳前60 d分解速度快于微團(tuán)聚體,60 d后大團(tuán)聚體不穩(wěn)定新有機(jī)碳已經(jīng)快分解完,微團(tuán)聚新有機(jī)碳還在逐步分解,說明水稻秸稈加入土壤培養(yǎng)一段時(shí)間后,由于生物、化學(xué)、環(huán)境等因素的影響,水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中初期不穩(wěn)定新有機(jī)碳活性相對(duì)較高,穩(wěn)定性較低,更快更容易分解,初期微團(tuán)聚體新有機(jī)碳比大團(tuán)聚體新有機(jī)碳穩(wěn)定。同時(shí)方差分析進(jìn)一步表明,與外源新碳周轉(zhuǎn)速率相比,土壤中原有機(jī)碳分解速率相對(duì)比較慢,說明水稻秸稈的添加促進(jìn)了砂姜黑土各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積,而且對(duì)原水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的分解速率影響程度整體強(qiáng)于微團(tuán)聚體。這與尹云鋒等[21,41]的研究相似,尹云鋒等發(fā)現(xiàn)水稻秸稈中新有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的動(dòng)態(tài)分布并不一致,培養(yǎng)到112 d時(shí)候主要分配在微團(tuán)聚體中,水稻秸稈添加顯著促進(jìn)了大團(tuán)聚體中原有機(jī)碳的分解,對(duì)微團(tuán)聚體影響并不顯著。王金達(dá)等研究表明新進(jìn)入土壤中的外源新碳轉(zhuǎn)化較快,而土壤中固有的原有機(jī)碳轉(zhuǎn)化較慢,添加有機(jī)物料可以增加土壤中原有機(jī)碳的固定。

    4 結(jié) 論

    1)未添加水稻秸稈的砂姜黑土,水穩(wěn)性微團(tuán)聚體(<250μm)占主體,>2 000μm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量較少,團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)、R0.25值相對(duì)比較小,D值比較大,團(tuán)聚體的團(tuán)聚能力和結(jié)構(gòu)較差,土壤有機(jī)碳量含量低。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值動(dòng)態(tài)變化很小,微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率大于大團(tuán)聚體。

    2)砂姜黑土添加水稻秸稈后,加速了水穩(wěn)性微團(tuán)聚體向水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>250μm)的團(tuán)聚,使得大團(tuán)聚體占主體,顯著提高了砂漿黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的 MWD、GMD、R0.25值,降低了D值,土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性明顯得到改善,各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也顯著得到提高,微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量大于大團(tuán)聚體,提高了大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率,團(tuán)聚體有機(jī)碳固持能力得到提升。

    3)外源新碳主要分配固持在微團(tuán)聚體中,分配比例達(dá)到67%,添加水稻秸稈后不同粒級(jí)團(tuán)聚體δ13C值動(dòng)態(tài)變化很明顯,微團(tuán)聚體δ13C值大于大團(tuán)聚體δ13C值,外源新碳周轉(zhuǎn)速率比較快,初期大團(tuán)聚體外源新碳分解速度快于微團(tuán)聚體,而原有機(jī)碳轉(zhuǎn)化較慢,砂漿黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與團(tuán)聚體有機(jī)碳關(guān)系密切。水稻秸稈添加顯著促進(jìn)了土壤及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積,提高土壤碳水平,改善了土壤性狀。

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    Change law of organic carbon in lime concretion black soil aggregates with application of straw by δ13C method

    Liu Zhe1,2, Han Jichang1,2※, Sun Zenghui1,2, Zhang Weihua1,2, Yu Zhenghong3, Hou Ying1,2
    (1.Shaanxi Provincal Land Engineering Construction Group, Xi′an710075, China;2.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, the Ministry of Land and Resources of China, Xi′an710075, China;3.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences, Nanjing210008, China)

    Straw application is an essential measure for improving soil organic carbon (SOC) content, promoting soil aggregate formation and improving soil structure. In order to study the effects of application of rice straw with stable carbon isotope(δ13C) on distribution and stability of water-stable aggregates of lime concretion black soil, and explore the dynamic variation and distribution of native soil organic carbon and fresh carbon in soil water-stable aggregates during straw decomposition, the rice straw spiked with the natural abundance of13C was incorporated with the lime concretion black soil. This experiment was conducted in a constant-temperature incubator indoor for 4 month, which used isotope tracer technique of the natural abundance of13C. The experiment included 2 treatments: CK (no straw) and Str (added with 1% straw); all samples were separated into 4 aggregate-size classes (>2000, 250-2000, 53->250, <53μm) by wet sieving in the different incubation period,while organic carbon in bulk soil and soil aggregates in different size fraction were determined. The results showed that the content of microaggregates (<250μm) in lime concretion black soil without rice straw was the highest, and the concentrations of organic carbon in various aggregates were lower than that with 1% straw. Compared with the control, the application of rice straw in lime concretion black soil not only significantly promoted the formation of >2000 and 250-2000μm soil water-stable macroaggregates (P<0.05), but also increased the mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD) and macroaggregate content (R0.25) of water-table aggregates. Also, the value of fractal dimension in straw treatments was lower than the control. Specifically, MWD, GMD andR0.25value of aggregates of the straw treatments increased by 21.5%, 34.3%and 21.3% compared with the CK, respectively. And the fractal dimension value of straw treatments decreased by 2%compared with that of CK. After 120 days of incubation, >2000 and 250-2000μm soil water-stable macroaggregates increased by 265.5% and 16.0% respectively, while the content of macroaggregates (>250μm) became the highest, accounting for 63.28%. Consequently, application of rice straw was beneficial to the improvement of soil structure. The concentrations of organic carbon in different levels of aggregates were significantly (P<0.05) increased after additions of rice straw and the organic carbon contents in >2000, 250-2000, 53->250, and <53μm aggregates were increased by 21.4%, 25.4%, 34.7%, and 50.0% compared with the control after 15 days of incubation. There is a most significant relationship between the GMD,MWD,R0.25value and the concentrations of organic carbon in 250-2000 and 53->250μm aggregates (P<0.01), and a significant relationship between the GMD, MWD,R0.25value and the concentrations of organic carbon of >2000μm aggregates (P<0.05). The dynamic variation of δ13C in soil water-stable aggregates was significant and the content of δ13C in soil water-stable aggregates improved significantly (P<0.05), which showed that the turnover rate of fresh carbon was faster.The fresh carbon supplied by rice straw was mainly in the 53->250 and <53μm fraction of soil aggregates, making up 38%and 28% of the total, respectively. The result shows that the addition of rice straw can improve soil structure, and increase soil organic carbon content in all sizes of aggregates, which provide theory basis for soil quality improvement and organic carbon recycle in North China.

    soils; organic carbon; straw; δ13C; lime concretion black soil; soil water-stability aggregate

    10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.025

    S152.4;S153.6+2

    A

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    2017-01-03

    2017-07-10

    國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAL01B01);國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201411008-3);陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(2016KCT-23)

    劉 哲,男,工程師,研究方向?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)和土壤碳循環(huán)。西安陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán),710075。Email:liuzhe168@126.com

    ※通信作者:韓霽昌,男,研究員,博士,主要研究方向?yàn)橥恋毓こ碳巴恋刭Y源利用。西安 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán),710075。

    Email:zenghuisun@cau.edu.cn

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