玉米秸稈不同構件混合分解的非加和效應及其對土壤有機碳礦化的影響

李英臣, 侯翠翠, 劉月皓, 陳迎迎

(1.河南師范大學 生命科學學院, 河南 新鄉(xiāng)453007; 2.中煤科工集團西安研究院有限公司, 陜西 西安 710054)

枯落物分解作為生態(tài)系統(tǒng)碳和營養(yǎng)循環(huán)的重要過程對保持土壤肥力，增加土壤碳蓄積具有至關重要的作用。枯落物分解在大尺度上受氣候條件如溫度，降水等控制[1]，在小尺度上則主要受枯落物本身質(zhì)量如氮含量、碳氮比、木質(zhì)素及木質(zhì)素/N等指標及土壤微生物群落及活性控制[2]。在自然或人工生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物往往是多種種類混合在一起同時分解，所以現(xiàn)在越來越多的科學家關注多種枯落物的混合分解[3]。不同種類枯落物混合分解可以產(chǎn)生加和作用，非加和作用(協(xié)同促進作用和協(xié)同抑制作用)，具體的相互作用結果與不同的混合枯落物質(zhì)量、不同的混合比例以及微生物的種類和組成有關[3]。但是目前對同一枯落物各不同組分之間混合分解的研究還不多見。

枯落物分解過程本身會釋放一定量的CO2[4]，另外，枯落物還通過影響土壤溫度、濕度、土壤孔隙度、土壤微生物群落及營養(yǎng)釋放等間接影響土壤CO2釋放[5]。目前已經(jīng)開展了大量關于秸稈還田對土壤呼吸及土壤碳庫變化的野外和室內(nèi)模擬試驗，而對同種枯落物不同組分混合對土壤有機碳礦化及相關的活性碳氮組分變化的影響研究相對較少[6]。

黃土高原地區(qū)是中國糧食主產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)活動歷史悠久。由于其獨特的地形條件和密集的農(nóng)事活動，使其成為世界上土壤侵蝕和退化最為嚴重的地區(qū)[7]。鑒于作物還田在減少土壤侵蝕、提高水分利用效率、改變土壤理化性質(zhì)等方面的作用，其在黃土高原地區(qū)有廣闊的應用前景[7-8]。因此，本研究擬選取黃土高原地區(qū)黃綿土，研究玉米枯落物不同構件(莖、葉、鞘)按比例(各組分實際比例)混合分解及其對土壤有機碳礦化的影響，并分析枯落物分解對土壤活性碳氮組分的影響，以期為更深入地了解玉米秸稈還田后枯落物分解及對土壤CO2排放和土壤活性碳組分變化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該試驗采樣點位于河南省靈寶市陽店鎮(zhèn)柿子灣村(34°31′N,110°59′E)，該區(qū)屬典型豫西黃土高原區(qū)域，氣候為暖溫帶大陸性季風氣候。平均氣溫約為14.4 ℃，無霜期每年約206 d，年降水量為400～900 mm，年際變化大，60%～70%降水集中于夏季，春季降水少，雨季多暴雨，雨強大。土壤為典型的黃綿土，具體土壤理化性質(zhì)見表1。在該區(qū)域選取典型農(nóng)地，種植作物為玉米，種植模式為一年一熟，每年4月下旬耕種，10月中旬收獲，然后土地休閑至次年玉米耕種。

2014年10月玉米收獲后在樣地內(nèi)采用多點混合采樣法采集0—20 cm土壤樣品，帶回實驗室，一部分自然風干，過0.49 mm篩測定其理化指標(表1)，另一部分過2 mm篩用于培養(yǎng)試驗。在采集土壤樣品的同時，取新鮮的整株玉米枯落物，現(xiàn)場分出莖、葉、鞘各部分，分別裝入不同的自封袋，帶回實驗室，用去離子水沖洗干凈，然后65 ℃烘干，分別稱出各不同組分的重量后，把莖、葉、鞘各組分分別剪成1 cm左右的小段充分混合，取一小部分磨碎測定枯落物的基本理化指標，具體指標見表1，其余用于培養(yǎng)試驗。

表1 供試土壤、枯落物基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗采用室內(nèi)培養(yǎng)，氣相色譜儀測定的方法測定土壤有機碳礦化量。試驗做5個處理，1個土壤樣品單獨培養(yǎng)的對照(CK)處理和4個土壤與枯落物混合培養(yǎng)處理:土壤中加入莖枯落物(CKS)、土壤中加入葉枯落物(CKL)、土壤中加入鞘枯落物(CKLS)、土壤中加入莖、葉、鞘按比例混合的枯落物(CKM)，每個處理做5個重復，同時設3個沒有土壤樣品的培養(yǎng)瓶作為空白處理。對照處理稱取過2 mm篩的新鮮土壤樣品100 g(干土重)于500 ml廣口瓶中，調(diào)整土壤含水量至最大持水量的60%；土壤與枯落物混合培養(yǎng)處理首先稱取過2 mm篩的新鮮土壤樣品100 g(干土重)于500 ml廣口瓶中，同時分別稱取莖、葉、鞘和3種組分混合(莖∶葉∶鞘為5∶3∶2) 的枯落物各1 g裝入枯落物袋后加入廣口瓶中，搖勻使枯落物埋入土樣中，然后調(diào)整土壤含水量至最大持水量的60%。整個培養(yǎng)試驗在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行，培養(yǎng)期為78 d。培養(yǎng)開始時用帶有三通閥的橡膠塞塞住瓶口，培養(yǎng)期間三通閥不關閉，保持培養(yǎng)瓶內(nèi)外空氣流通，分別在培養(yǎng)的第1，3，6，10，15，21，28，35，42，52，65，78 d測定其CO2釋放速率，測定時首先打開橡膠塞通氣0.5 h，使培養(yǎng)瓶內(nèi)外濃度相當，然后密閉培養(yǎng)瓶3 h，之后抽取20 ml氣體，用HP7890 A氣相色譜儀在24 h內(nèi)完成測定，每次采集完氣體后打開三通閥。定期補充水分，以保持培養(yǎng)瓶內(nèi)含水量恒定。培養(yǎng)結束后，所有處理土樣測定土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)和土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)，溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)?？萋湮飿悠啡〕觯萌ルx子水沖洗干凈，在65 ℃條件下烘干稱重，然后磨碎測定有機碳和全氮含量。

1.3 測定方法

土壤MBC和MBN采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定[9]，浸提液中溶解性碳用TOC儀(Elementar vario TOC， Germany)直接測定，MBN用高溫消解—比色法測定。土壤DOC用1∶5土水比浸提，過0.45 μm濾膜，然后用TOC儀測定。土壤和枯落物樣品碳氮含量用元素分析儀(Elementar vario PYRO cube, Germany)直接測定?？萋湮锢w維素和木質(zhì)素采用酸消解—滴定法測定[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Origin 9進行繪圖，采用Microsoft Excel，SPSS 16.0對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析?；旌峡萋湮镉袡C碳礦化累積量預測值為各組分單獨培養(yǎng)時有機碳累積礦化量與枯落物各組分在混合枯落物中所占比例的乘積相加之后得到，具體計算公式：

混合枯落物有機碳礦化累積量預測值=莖枯落物(CKS)處理累積礦化量×0.5+葉枯落物(CKL)處理累積礦化量×0.3+鞘枯落物(CKLS)處理累積礦化量×0.2

同理，混合枯落物有機碳礦化速率預測值、枯落物剩余質(zhì)量預測值和混合枯落物剩余元素含量預測值用相似計算方法得出。采用單因素方差分析進行實測值與預測值之間的比較，實測值與預測值若無明顯差異，表明各組分之間無相互作用，若實測值顯著高于預測值，表明各組分存在促進作用，若實測值低于預測值，表明各組分存在抑制作用[11]。

2 結果與分析

2.1 不同組分及混合枯落物添加對土壤有機碳礦化的影響

由圖1a可以看出，CK處理土壤有機碳礦化速率培養(yǎng)初期較高，培養(yǎng)第3 d達到培養(yǎng)期最大值〔2.35 mg/(kg·h)〕，之后隨培養(yǎng)時間延長除在培養(yǎng)15～21 d有所增加外整體呈降低趨勢，培養(yǎng)結束達到最低值〔0.79 mg/(kg·h)〕；各添加枯落物處理土壤有機碳礦化速率明顯高于CK處理，隨時間呈相同的變化趨勢，培養(yǎng)初期階段(1，3 d)有機碳礦化速率非常高，礦化速率呈現(xiàn):CKS>CKM>CKL>CKLS的變化趨勢，6～28 d各添加枯落物處理整體有機碳礦化速率呈降低趨勢，但有機碳礦化速率仍維持較高水平，整體呈：CKM>CKLS>CKS>CKL的變化趨勢；28 d至培養(yǎng)結束有機碳整體礦化速率相對較低，僅在培養(yǎng)28～42 d略有上升，有機碳礦化速率整體呈：CKLS>CKM>CKS>CKL的變化趨勢，至培養(yǎng)結束降至最低值，添加莖、葉、鞘和混合枯落物處理有機碳礦化速率分別為1.34，1.17，1.57，1.35 mg/(kg·h)。培養(yǎng)結束后添加枯落物各處理土壤有機碳累積礦化量顯著高于CK處理(圖1b),添加葉枯落物處理有機碳累積礦化量明顯低于其他3種處理(p<0.001)，其他3種處理之間差異沒有達到顯著水平。

2.2 混合枯落物預測值與實測值比較

如圖2a所示，在培養(yǎng)的1～21 d土壤有機碳礦化速率實測值明顯高于預測值，在3～21 d兩者差異都達到顯著水平(p<0.05)，表明在此培養(yǎng)階段不同組分枯落物之間存在促進作用。培養(yǎng)28 d之后實測值與預測值之間差異不顯著(p>0.05)，表明此階段不同枯落物組分之間無相互影響。由于培養(yǎng)初始階段不同枯落物之間的相互促進作用，使得培養(yǎng)結束后土壤有機碳累計礦化量實測值顯著高于預測值(p<0.01)(圖2b)。

注：CK為不加枯落物土壤處理；CKS為土壤中加入莖枯落物；CKL為土壤中加入葉枯落物；CKLS為土壤中加入鞘枯落物；CKM為土壤中加入莖、葉、鞘按比例混合的枯落物。誤差棒為標準差(n=3)。下同。

注：不同小寫字母表示處理間差異達到顯著水平(p<0.05)。下同。

2.3 不同組分及混合枯落物添加對土壤MBC，MBN和DOC的影響

由圖3a可以看出，培養(yǎng)結束后，添加莖枯落物處理土壤MBC含量高于CK處理，差異達到顯著水平(p<0.05),其他幾種處理之間差異不顯著；各添加枯落物處理土壤MBN含量有降低趨勢，添加莖、葉及混合枯落物處理顯著低于CK處理，但是與添加鞘枯落物之間差異不顯著。添加枯落物處理提高MBC/MBN，添加葉枯落物處理顯著高于其他幾種處理，添加莖和混合枯落物顯著高于CK處理，添加鞘枯落物MBC/MBN有增加趨勢，但是差異沒有達到顯著水平(p>0.05)。培養(yǎng)結束后土壤添加莖和葉枯落物處理DOC含量與CK處理差異不顯著，添加鞘和混合枯落物處理DOC含量顯著高于其他3種處理(p<0.05)(圖3b)。

2.4 培養(yǎng)結束后枯落物質(zhì)量及元素含量比較

如表2所示，培養(yǎng)結束后，葉和鞘枯落物剩余質(zhì)量顯著高于混合枯落物(p<0.05)，但是與莖枯落物差異沒有達到顯著水平(p>0.05)；葉枯落物碳含量顯著低于莖和鞘枯落物(p<0.05)，混合枯落物與單組分枯落物之間差異不顯著(p>0.05)；混合枯落物全氮含量顯著高于莖和鞘枯落物(p<0.05)，與葉枯落物差異沒有達到顯著水平(p>0.05)；莖枯落物C/N顯著高于葉和混合枯落物處理(p<0.05)。混合枯落物剩余質(zhì)量和C/N預測值明顯高于實測值(p<0.05)，全氮含量預測值明顯低于實測值(p<0.01)，表明枯落物混合對枯落物分解產(chǎn)生促進作用，元素分配發(fā)生變化，混合枯落物中微生物更傾向于利用枯落物中的碳源，而對氮源利用率較低。

圖3 不同枯落物對土壤MBC,MBN,DOC含量的影響

表2 培養(yǎng)結束后各組分枯落物、混合枯落物預測值與實測值質(zhì)量及元素含量

3 討 論

3.1 枯落物混合分解的非加和作用及對有機碳礦化的影響

培養(yǎng)結束后混合枯落物剩余質(zhì)量預測值顯著高于實測值，有機碳累積礦化量預測值顯著低于實測值(表2,圖2)。主要原因可能為培養(yǎng)初始階段不同枯落物之間混合后相互促進作用，使整體的有機碳礦化量增大，枯落物分解速率提高[11]。產(chǎn)生促進作用的原因可能為玉米不同構件之間初始氮含量、木質(zhì)素、纖維素含量的較大差異(表1)，使的枯落物在剛開始分解的時候可能使營養(yǎng)相互補充，進而促進枯落物分解，其他研究者也得到類似結論[2]，Bonanomi等[2]研究認為混合枯落物分解過程中各枯落物具有共同的高氮或低氮含量使混合分解呈現(xiàn)加和效應，各枯落物之間較大的氮含量時混合分解呈非加和效應，并伴隨著枯落物氮遷移過程。培養(yǎng)結束不同組分枯落物有機碳含量與培養(yǎng)前相比變化不大，全氮含量有明顯增加趨勢(表2)，培養(yǎng)結束后混合處理全氮含量顯著高于預測值，表明土壤微生物更傾向于利用枯落物中的碳源，分解活動不受氮限制，有機碳種類及活性是制約玉米秸稈微生物分解的關鍵因素，這可能與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中高氮含量有關[12]。

不同類型枯落物混合對微生物分解利用的影響具有復雜性[13]，研究者多集中于對不同物種植物枯落物的混合作用研究[11,14]，而對作物不同組織的枯落物在分解過程中表現(xiàn)出的交互作用研究較少。本研究中通過混合枯落物分解釋放CO2預測值與實測值的對比分析表明，玉米秸稈整體分解速率強于其單一組分的分解速率，并隨分解時間表現(xiàn)出一定規(guī)律。培養(yǎng)初期(1～21 d)混合枯落物添加處理土壤有機碳礦化速率實測值明顯高于預測值，后期差異不顯著。表明在培養(yǎng)初始階段混合枯落物之間存在交互作用，促進土壤有機碳礦化，其他研究者得出類似結論[11]。但是王意錕等[11]認為在培養(yǎng)初期(7 d)實測值與預測值差異不顯著，這可能與凋落物類型有關，玉米枯落物中N含量遠遠高于小麥秸稈及喬木落葉等，較高的可利用性N水平促進了微生物對外源碳的利用?？萋湮锘旌陷斎雽ν寥烙袡C碳礦化的促進作用主要是由于多類型枯落物提高了營養(yǎng)成分的多樣性，可以滿足土壤中不同微生物群落的需求，枯落物之間可以通過養(yǎng)分互補，促進枯落物的分解和養(yǎng)分釋放(表2)，改善總體的營養(yǎng)狀況[3]。但該促進作用具有一定的時間限制，如Yoshitake等[15]研究認為增加碳氮只在早期階段增加土壤有機碳礦化速率。本研究中在培養(yǎng)28 d之后，混合枯落物添加處理土壤有機碳礦化實測值與預測值之間無顯著性差異，表明不同組分之間無明顯相互作用。原因可能為隨培養(yǎng)期的延長，易分解組分基本分解完全，難分解組分由于養(yǎng)分釋放有限及對微生物種類的選擇性，不能同時供給多種微生物的需求，使得混合枯落物對土壤有機碳礦化表現(xiàn)為簡單的累加效應。

3.2 不同組分枯落物添加土壤MBC,MBN和DOC

土壤中的MBC與MBN是重要的活性有機碳/氮源[16]，受到微生物種類與數(shù)量的影響，并與添加枯落物的質(zhì)量有重要關系。土壤中MBC與MBN含量高表明環(huán)境中有較多的可利用性有機質(zhì)，促進了營養(yǎng)元素的生物固定，反之則說明微生物中的C，N周轉速率較快，并以微生物量周轉的形式向土壤中提供更多有效態(tài)的C，N源[17]。一般來講，新鮮有機質(zhì)輸入會對土壤中微生物量具有促進作用[11]。本研究中添加枯落物后，土壤MBC呈增加趨勢，與前人研究結果一致，其中CMS土壤MBC明顯增大(p<0.05)，其他幾種處理差異不顯著，說明玉米莖枯落物向土壤提供了最多的活性有機碳，促進了C的生物固定，而枯落物輸入降低了土壤MBN,CMS,CML,CMM處理MBN與對照相比降低顯著(p<0.05)，相對應使土壤MBC/MBN增大(圖3)，表明枯落物增加可能改變土壤微生物的群落結構和組成使微生物中細菌比例增大，真菌比例降低[18]，且改變的程度與枯落物的質(zhì)量有關。高質(zhì)量枯落物(低C/N，低木質(zhì)素/N)添加使細菌/真菌比例增加顯著，低質(zhì)量枯落物使細菌/真菌比例改變程度較低，這與其他研究結論一致[19]。

土壤DOC既是土壤微生物活性的底物，又是微生物的分泌產(chǎn)物，有研究表明土壤中DOC的多少可以在一定程度上解釋土壤CO2釋放量[20]。本研究得出類似結論。培養(yǎng)結束后添加鞘和混合枯落物土壤DOC含量明顯高于其他3種處理(p<0.05)(圖3)，同時土壤有機碳累積礦化量顯著高于添加葉枯落物和對照處理，但是與添加莖枯落物差異不顯著(圖1)。表明添加枯落物引起土壤DOC含量的變化是引起土壤有機碳礦化速率提高的原因之一。添加莖枯落物處理土壤DOC含量沒有顯著增加，土壤有機碳礦化速率依然較高，原因可能為添加莖枯落物處理土壤微生物把一部分活性碳儲存在微生物體內(nèi)有關(圖3)，也有可能為培養(yǎng)初期添加莖枯落物之后的高激發(fā)效應導致最后有機碳累積礦量較高(圖1)，具體的影響機理有待進一步研究。

4 結 論

(1) 玉米不同構件混合添加會產(chǎn)生協(xié)同促進作用，促進枯落物分解，并促進土壤有機碳礦化，且促進作用主要產(chǎn)生在初期分解階段?；旌戏纸馀囵B(yǎng)結束后氮含量預測值低于實測值，表明混合分解過程促進氮累積。

(2) 高氮含量枯落物添加會降低土壤MBN含量，高C/N枯落物有利于DOC釋放。研究結果表明研究區(qū)土壤碳基質(zhì)缺乏，氮源相對充足，枯落物發(fā)生氮累積。該研究結果可為實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中選擇合理的秸稈還田時間，制定合理的施肥措施減少土壤碳礦化損失提供參考。