不同秸稈對(duì)植煙土壤有機(jī)碳礦化和腐殖質(zhì)組成的影響

陳麗鵑 周冀衡 柳立 張毅 李強(qiáng) 張一揚(yáng) 陳閨

摘? 要：針對(duì)南方常見的烤煙輪作體系，研究添加不同作物秸稈（煙草、油菜和水稻）后土壤有機(jī)碳礦化特征和腐殖物質(zhì)含量變化，為合理利用煙田廢棄物提供理論依據(jù)。采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，將3種秸稈分別以覆蓋于土壤表層和與土壤混勻2種方式添加，分析不同處理土壤CO₂釋放規(guī)律、總有機(jī)碳（TOC）和腐殖物質(zhì)含量的變化與相關(guān)性。結(jié)果表明，以不同方式添加作物秸稈對(duì)土壤CO₂釋放影響顯著，覆蓋處理土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度高于混勻處理，達(dá)到極顯著差異;3種秸稈的添加均能顯著提高土壤CO₂釋放速率和累積釋放量，有機(jī)碳礦化強(qiáng)度表現(xiàn)為油菜秸稈>煙草秸稈>水稻秸稈。經(jīng)過(guò)180 d的培養(yǎng)，添加秸稈的各處理土壤TOC、腐殖物質(zhì)各組分含量和PQ值顯著升高。相關(guān)性分析表明，土壤CO₂累積釋放量與土壤中TOC、HE（可提取腐殖質(zhì)總量）與FA（富里酸）含量呈顯著相關(guān)。因此，3種作物秸稈的添加可提高植煙土壤有機(jī)碳含量和腐殖化程度，且秸稈混勻處理具有較好的固碳減排效果。

關(guān)鍵詞：作物秸稈;植煙土壤;二氧化碳釋放;有機(jī)碳礦化;腐殖物質(zhì)

中圖分類號(hào)：S572.06?? ???????文章編號(hào)：1007-5119（2019）05-0008-07????? DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.05.002

Effects of Different Crop Straws on Organic Carbon Mineralization and Humus Composition of Tobacco-Growing Soil

CHEN Lijuan， ZHOU Jiheng^*， LIU Li， ZHANG Yi， LI Qiang， ZHANG Yiyang， CHEN Gui

（Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： In view of the common flue-cured tobacco rotation system in Southern China， the characteristics of soil organic carbon mineralization and changes of humus content after adding different crop straws （tobacco， rape and rice） were studied to provide theoretical basis for rational utilization of tobacco field wastes. Indoor constant temperature incubation experiment was adopted in which three kinds of straw were applied by covering the soil surface or mixing with the soil， and the changes and correlation of CO₂ release pattern， total organic carbon content （TOC） and humus content of soil under different treatments were analyzed. The results showed that the addition of crop straw in different ways had significant influence on soil CO₂ release， and the mineralization intensity of soil organic carbon under the mulching treatment was higher than that under the mixing treatment， reaching an extremely significant difference. The addition of the three kinds of straws can significantly increase the soil CO₂ release rate and cumulative emission amount， and the mineralization intensity of soil organic carbon in each treatment is shown as rape straw > tobacco straw > rice straw. After 180 days of culture， the contents of TOC， humus composition and PQ value of soil treated with straw were significantly increased. Through correlation analysis， it can be found that the cumulative emission of soil CO₂ was significantly correlated with the content of soil TOC， HE （total humus that could be extracted） and FA （fulvic acid）. Therefore， the addition of three crop straws can improve the soil organic carbon content and humus degree， and the straw mixing treatment has a better effect of carbon sequestration and emission reduction.

Keywords： crop straw; tobacco-growing soil; CO₂emission; organic carbon mineralization; humus

我國(guó)年產(chǎn)7～8億t作物秸稈，其中含有大量有機(jī)物和植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)及微量元素^[1-2]，其隨意丟棄或就地焚燒，不僅浪費(fèi)資源，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響^[3-4]。為解決土壤退化及農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題^[5]，近年來(lái)秸稈還田成為主要的資源化利用方式^[6]，可以改善土壤結(jié)構(gòu)、補(bǔ)充碳短板和增強(qiáng)土壤微生物作用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性循環(huán)和綠色發(fā)展^[7-8]。秸稈還田條件下的農(nóng)田土壤碳變化已成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，在微生物的作用下還田的秸稈大部分被轉(zhuǎn)化為CO₂釋放，剩余的碳組分進(jìn)入土壤碳庫(kù)，以維持或增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和總碳儲(chǔ)量^[9-10]。研究表明秸稈還田顯著提高了土壤有機(jī)碳含量和碳礦化速率及累積礦化量^[11]，秸稈類型對(duì)土壤CO₂的排放有明顯影響^[12];還田后在土壤微生物和酶的共同作用下形成高分子有機(jī)化合物——土壤腐殖物質(zhì)，既能固碳又能提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)^[13-14]。

秸稈還田碳的轉(zhuǎn)化和分配過(guò)程與還田后的土壤肥力及固碳能力密切相關(guān)^[15]。目前，前人研究多集中在土壤類型、秸稈用量、耕作制度等條件下對(duì)秸稈分解及其養(yǎng)分釋放特征的影響^[16-19]，而關(guān)于秸稈還田條件下植煙土壤有機(jī)碳的累積潛力和機(jī)理研究較少、特別是針對(duì)南方常見的烤煙-油菜輪作和烤煙-水稻輪作體系的研究還未見報(bào)道。因此，本文通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究以2種還田方式（表層覆蓋、混勻）添加3種作物（煙草、油菜和水稻）秸稈后植煙土壤有機(jī)碳礦化特征和腐殖物質(zhì)含量變化，旨在探明不同秸稈還田在增加土壤碳截留和提高土壤肥力方面的作用，為煙田廢棄物的合理利用及土壤固碳減排提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 供試材料

供試土壤為棕壤土，采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地烤煙-水稻輪作試驗(yàn)地耕層，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩備用。土壤基本理化性狀如下：有機(jī)質(zhì)含量22.98 g/kg，pH 6.15，全氮1.31 g/kg，全磷0.60 g/kg，全鉀6.34 g/kg，堿解氮122.35 mg/kg，速效磷32.96 mg/kg，速效鉀147.12 mg/kg。

供試作物秸稈采自各科研基地，烘干后粉碎過(guò)1 mm篩，基本性質(zhì)如下：煙草秸稈含有機(jī)碳435.51 g/kg，總氮10.27 g/kg，碳氮比42.41;油菜秸稈含有機(jī)碳418.72 g/kg，總氮7.69 g/kg，碳氮比54.45;水稻秸稈含有機(jī)碳399.61 g/kg，總氮6.84 g/kg，碳氮比58.42。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬恒溫培養(yǎng)法，設(shè)置3種秸稈類型（煙草秸稈S1、油菜秸稈S2、水稻秸稈S3）以及2種還田方式（秸稈覆蓋于土壤表層M1，秸稈與土壤混勻M2），并以無(wú)秸稈添加的土壤作對(duì)照，共7個(gè)處理（CK、S1M1、S2M1、S3M1、S1M2、S2M2和S3M2），每個(gè)處理重復(fù)6次。稱取100 g（烘干計(jì)）供試土壤置于培養(yǎng)瓶中，調(diào)節(jié)含水量至田間最大持水量的60%，于恒溫箱中26 ℃預(yù)培養(yǎng)7 d以恢復(fù)微生物活性后，按10 g秸稈/1 kg土樣的用量加入各秸稈，用CO（NH₂）₂溶液調(diào)節(jié)碳氮比^[20-21]，最后將土壤含水量調(diào)至田間最大持水量的70%，于26 ℃下恒溫培養(yǎng)180 d。培養(yǎng)期間通過(guò)質(zhì)量差值法調(diào)節(jié)土壤水分，監(jiān)測(cè)CO₂釋放，在第30、180天時(shí)各取3瓶土樣檢測(cè)總有機(jī)碳和腐殖物質(zhì)含量。各處理起始總有機(jī)碳含量通過(guò)土壤和各作物秸稈有機(jī)碳含量計(jì)算得出。

1.3? 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤CO₂的釋放量：采用堿液吸收滴定法測(cè)定^[11]，計(jì)算第1、3、7、15、30、60、120、180天時(shí)CO₂的釋放速率和累積釋放量。

土壤腐殖質(zhì)組成：采用土壤腐殖質(zhì)組成修改法^[22]進(jìn)行提取和分組，土壤總有機(jī)碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定^[23]。

1.4? 數(shù)據(jù)處理及分析

應(yīng)用Excel 2010和SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2? 結(jié)? 果

2.1? 3種作物秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響

2.1.1? 土壤CO₂釋放速率? 由圖1來(lái)看，在180 d培養(yǎng)期內(nèi)，各處理土壤CO₂釋放速率均表現(xiàn)出先增加后降低最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。在培養(yǎng)前期，由于外源秸稈的加入，易分解組分在微生物作用下快速分解，土壤CO₂釋放速率增長(zhǎng)迅速，除CK和S2M1外，各處理在第3天達(dá)到峰值，以S1M1處理最高，為54.68 mg/（kg·d）、S2M1次之，S2M1在第1天達(dá)

到峰值55.10 mg/（kg·d），顯著高于其他秸稈添加處理的43.05～47.95 mg/（kg·d）（S3M1>S2M2>S1M2>S3M2）。覆蓋處理土壤CO₂釋放速率高于混勻處理，達(dá)到極顯著差異。整個(gè)培養(yǎng)期CK土壤CO₂釋放速率較低，最大值僅為7.05 mg/（kg·d）。培養(yǎng)至第30天各處理土壤CO₂釋放速率均降至較低[5.19～7.19 mg/（kg·d）]，之后逐漸趨于穩(wěn)定，與CK無(wú)顯著差異。這是因?yàn)檫M(jìn)入培養(yǎng)后期，土壤中易分解組分已被利用殆盡，微生物轉(zhuǎn)向較難分解組分，CO₂釋放速率隨之下降。

2.1.2? 土壤CO₂累積釋放量? 從圖2可以看出，添加作物秸稈后土壤CO₂累積釋放量呈現(xiàn)前期增長(zhǎng)迅速、后期增長(zhǎng)緩慢的趨勢(shì)。在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，各處理土壤CO₂累積釋放量大小表現(xiàn)為S1M1>S2M1>S3M1>S1M2>S2M2>S3M2>CK;添加作物秸稈的處理均與CK達(dá)到顯著差異，分別是CK的1.51～1.96倍;覆蓋處理高于混勻處理，這與土壤CO₂釋放速率變化規(guī)律相符合。較之于水稻秸稈，煙草秸稈和油菜秸稈的添加對(duì)土壤CO₂累積釋放量影響更大，但后兩種秸稈之間未表現(xiàn)出顯著差異。這是因?yàn)椴煌斩捲陴B(yǎng)分含量、碳氮比等方面存在差異，從而影響土壤中微生物的活動(dòng)，使得土壤有機(jī)碳的礦化速率和分解量不一。

2.1.3? 土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度? 土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度為整個(gè)培養(yǎng)期土壤CO₂累積釋放量與土壤起始總有機(jī)碳含量的比值。從圖3可以看出，培養(yǎng)180 d土壤有機(jī)碳礦化量只占總量的很小一部分，各處理土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度分別為3.94%、5.86%、5.87%、5.52%、4.89%、4.94%和4.63%。添加作物秸稈能顯著提高土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度，表現(xiàn)為油菜秸稈>煙草秸稈>水稻秸稈，均與CK達(dá)到極顯著差異（p<0.01），覆蓋處理對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響更為顯著，與土壤CO₂累積釋放量規(guī)律一致。

2.2? 3種作物秸稈對(duì)土壤總有機(jī)碳含量和腐殖物質(zhì)組成的影響

2.2.1? 土壤總有機(jī)碳含量變化? 圖4反映了添加不同秸稈后培養(yǎng)30 d和180 d時(shí)土壤總有機(jī)碳（TOC）含量狀況。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各處理TOC含量均呈降低的趨勢(shì)。添加作物秸稈的處理均顯著高于對(duì)照，30 d時(shí)TOC含量以S1M2、S3M2處理最高，分別為17.42、17.08 g/kg;CK最低，為13.27 g/kg，S2M1次低，為16.20 g/kg，二者均顯著低于其他處理，其他處理之間差異不顯著。180 d時(shí)各處理土壤TOC含量狀況差異與30 d時(shí)基本一致?？傮w而言，添加不同秸稈均能顯著提高土壤有機(jī)碳含量，同一秸稈混勻處理比覆蓋對(duì)增加土壤有機(jī)碳含量效果更好，但差異不顯著。

2.2.2? 土壤腐殖物質(zhì)各組分含量變化? 表1示出，添加秸稈后土壤中可提取腐殖質(zhì)總量（HE）、胡敏酸含量（HA）、富里酸含量（FA）和胡敏素含量（HM）均顯著高于對(duì)照;培養(yǎng)180 d時(shí)S3M2和S1M2處理土壤HE、HA和HM含量均顯著高于其他處理，F(xiàn)A差異不顯著;隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)HA含量上升、FA下降的趨勢(shì)。同一秸稈混勻處理土壤腐殖物質(zhì)各組分含量均高于覆蓋處理，但差異不顯著。

土壤PQ值指HA在HE中所占比例，是反映土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度的一個(gè)重要指標(biāo)。從表1可以看出，添加作物秸稈處理各土壤PQ值較CK均有不同程度的升高，且差異顯著;在培養(yǎng)30 d和180 d時(shí)各處理PQ值的大小順序均為S3M2>S1M2>S3M1>S1M1>S2M2>S2M1>CK。在培養(yǎng)180 d時(shí)，S3M2和 S1M2處理土壤PQ值較CK分別提高了27.80%和22.21%，并顯著高于其他處理;這表明水稻秸稈和煙草秸稈混勻處理更有利于促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化進(jìn)程。

2.3? 土壤總有機(jī)碳、腐殖物質(zhì)組成與土壤CO₂累積釋放量之間的關(guān)系

對(duì)培養(yǎng)180 d時(shí)土壤TOC、腐殖物質(zhì)各組分含量與CO₂累積釋放量之間進(jìn)行相關(guān)性分析（表2）得出，CO₂累積釋放量與土壤中HE和FA含量呈極顯著相關(guān)，與TOC含量顯著相關(guān)，這說(shuō)明土壤中TOC、HE和FA含量均直接影響CO₂累積釋放量。

土壤中HE和FA能為微生物提供可直接利用的碳源，而微生物又通過(guò)有機(jī)物料的分解及本身的新陳代謝來(lái)影響土壤有機(jī)碳的含量，改變土壤腐殖物質(zhì)的組成，所以土壤CO₂累積釋放量與HE和FA這2種腐殖質(zhì)組分之間關(guān)系密切。土壤TOC和腐殖質(zhì)各組分之間的相關(guān)性則與土壤腐殖質(zhì)分組方法及各組分之間的相互轉(zhuǎn)化有關(guān)。

3? 討? 論

土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度能反映土壤中有機(jī)質(zhì)分解及土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)狀況。作物秸稈中含有大量有機(jī)物質(zhì)、氮、磷、鉀和微量元素，作為外源有機(jī)物料加入能夠?yàn)槲⑸锾峁┮桌玫臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)其活動(dòng)，大量研究表明作物秸稈還田能促進(jìn)土壤呼吸作用^[24-26]。然而，作物秸稈由易分解成分（如糖類等）和難分解成分（如多酚等）組成，不同秸稈在養(yǎng)分含量、碳氮比等方面存在差異，且有機(jī)碳礦化受土壤溫濕度和質(zhì)地等因素的影響，不同秸稈處理對(duì)土壤CO₂釋放規(guī)律的影響并不一致。有研究認(rèn)為^[27-28]，木質(zhì)素含量高的作物秸稈其分解速率較慢，土壤有機(jī)碳累積礦化量與秸稈碳氮比存在負(fù)相關(guān)。本研究中，添加秸稈的土壤CO₂釋放速率、累積釋放量及礦化強(qiáng)度均顯著高于對(duì)照，其中油菜秸稈促進(jìn)有機(jī)碳礦化效果最為顯著，煙草秸稈次之，水稻秸稈處理土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度相對(duì)最低;這可能是因?yàn)樗窘斩捥嫉茸罡?，油菜秸稈中易分解組分含量較高，而煙草秸稈木質(zhì)素含量高。本試驗(yàn)中，較之于秸稈混勻處理，表層覆蓋處理對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響更為顯著，這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)過(guò)程中人為補(bǔ)充水分使得表層土壤干濕交替頻繁且通氣性較好，在好氣微生物的作用下秸稈以分解礦化過(guò)程為主。

土壤有機(jī)碳處在不斷地礦化與腐殖化過(guò)程中，有機(jī)物料在土壤中的分解是形成新的腐殖物質(zhì)的前提，新形成的腐殖物質(zhì)和土壤中的原有有機(jī)質(zhì)（主要是腐殖物質(zhì)）同樣也面臨著不斷的分解;同時(shí)新加入的有機(jī)物料還能促進(jìn)原來(lái)土壤有機(jī)質(zhì)的分解（激發(fā)效應(yīng)）^[29-30]。有機(jī)碳的積累水平依賴于輸入與輸出的平衡，即土壤中有機(jī)碳的礦化與腐殖化的平衡。本試驗(yàn)中，培養(yǎng)30 d及180 d時(shí)添加作物秸稈的處理土壤總有機(jī)碳含量均顯著高于對(duì)照，這說(shuō)明外源碳的輸入是提高土壤有機(jī)碳的有效途徑，這與潘根興等^[31]提出的有機(jī)碳積累主要與作物產(chǎn)量有關(guān)，而非依賴于外源碳輸入結(jié)論不同，可能是因?yàn)楸狙芯坎捎玫氖覂?nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，跟田間種植條件下所處的環(huán)境不一致。

土壤腐殖質(zhì)各組分具有不同的形成順序和穩(wěn)定性，處于一種動(dòng)態(tài)的相互轉(zhuǎn)化之中。本試驗(yàn)中添加作物秸稈的各處理土壤中可提取腐殖質(zhì)總量（HE）、胡敏酸含量（HA）、富里酸含量（FA）、胡敏素含量（HM）和土壤PQ值均顯著高于對(duì)照;與培養(yǎng)30 d時(shí)相比，各處理土壤在培養(yǎng)180 d時(shí)均呈現(xiàn)HA含量上升、FA含量下降的趨勢(shì)，這些表明添加秸稈后植煙土壤腐殖質(zhì)得到更新、品質(zhì)向好的方向轉(zhuǎn)化。這與前人研究結(jié)果相似，如辛勵(lì)等^[32]研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤胡敏酸、胡敏素和富里酸含量;鄒洪濤等^[33]的研究中，土壤腐殖質(zhì)各組分有機(jī)碳含量隨秸稈添加量的增加呈上升趨勢(shì)，且隨著秸稈還田年限的增加，F(xiàn)A含量降低，HA、HM含量以及土壤PQ值都有所增加，土壤腐殖化程度提高。

4? 結(jié)? 論

在本試驗(yàn)中，以2種方式添加3種不同秸稈均能顯著提高土壤CO₂釋放速率、累積釋放量和有機(jī)碳礦化強(qiáng)度，3種秸稈促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化效果表現(xiàn)為油菜秸稈>煙草秸稈>水稻秸稈，且秸稈覆蓋較混勻處理對(duì)有機(jī)碳礦化的影響更為顯著。經(jīng)過(guò)180 d的培養(yǎng)，添加秸稈的各處理土壤總有機(jī)碳、腐殖物質(zhì)各組分含量和PQ值顯著提高，以水稻秸稈混勻處理效果最顯著。土壤中TOC、HE與FA含量直接影響土壤CO₂累積釋放量。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，各處理土壤FA含量下降、HA含量呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，土壤腐殖化程度提高。因此，烤煙輪作體系中可以通過(guò)合理的秸稈還田來(lái)補(bǔ)充有機(jī)碳和提高植煙土壤肥力。但考慮到本研究采用的是室內(nèi)

培養(yǎng)試驗(yàn)，而田間輪作管理的自然條件較為復(fù)雜，所以還田的具體措施以及固碳減排效果還需開展相關(guān)田間試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

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