秸稈還田對土壤有機碳結(jié)構(gòu)的影響

石含之，趙沛華，黃永東，吳志超，杜應(yīng)瓊，杜瑞英*

1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測中心，廣東 廣州 510640；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點實驗室，廣東 廣州 510640

中國每年的秸稈產(chǎn)量為9×108t，占全世界秸稈總量的20%—30%（Dai et al.，2018）。秸稈中含有大量碳、氮等營養(yǎng)元素，施加到土壤中不僅可為農(nóng)作物生長提供養(yǎng)分、提高土壤肥力；同時，秸稈具有多孔結(jié)構(gòu)及含有羧基、羥基等官能團，可吸附土壤中的污染物，緩解土壤污染問題（Huang et al.，2017）。但目前中國秸稈還田率約為 50%，其余的50%秸稈則通過露天焚燒消除。秸稈焚燒一方面會加速土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分的流失并降低微生物活性；另一方面，秸稈焚燒產(chǎn)生 N2O、SO2、CH4等有毒或者溫室氣體及粉塵會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染（韋佳培，2013；陳玉華等，2018；高燕等，2019）。因此，秸稈還田對促進土壤物理、化學(xué)和生物循環(huán)起關(guān)鍵作用，同時對提高農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義（Turmel et al.，2015；Shahbaz et al.，2017）。

秸稈還田既可增加土壤中的有機碳含量，又會對土壤中有機碳的分解產(chǎn)生影響（Beare et al.，2002；叢萍等，2019）。據(jù)統(tǒng)計，秸稈還田可以使全球大約有0.6—1.2 Pg碳固定到土壤中（Lal，2009；王如芳等，2011）。李偉群等（2019）研究發(fā)現(xiàn)施加秸稈到黑土后，土壤有機質(zhì)含量較對照增加2.5%—3.9%。Powlson et al.（2008）通過模擬實驗得出，秸稈還田持續(xù)100年可以使土壤有機碳含量較對照增加20.4 t·hm-2。秸稈還田引起土壤中有機碳的分解，這一過程被稱為“激發(fā)效應(yīng)”（Keiluweit et al.，2015）。激發(fā)效應(yīng)必然會引起土壤中不同類型有機碳含量的變化。受土壤養(yǎng)分含量、微生物種類及有機物添加量等影響，外源有機物進入到土壤中激發(fā)效應(yīng)的方向可能不同。Kuzyakov et al.（2006）的研究結(jié)果顯示：激發(fā)效應(yīng)的大小與土壤有機質(zhì)的含量成正比。但Hamer et al.（2005）卻觀察到有機質(zhì)含量低的土壤中激發(fā)效應(yīng)更明顯。苗淑杰等（2019）研究表明在農(nóng)田土壤中加入 5%的玉米秸稈后促進土壤原始有機碳的分解，發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)；而加入9%的秸稈后，土壤微生物優(yōu)先利用外源有機物，從而使土壤原有有機物不被分解，發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。此外，不同類型土壤由于孔隙度、有機質(zhì)含量、礦物組成等差異，造成進入到其中的秸稈分解行為不同。近年來，土壤學(xué)家逐漸認(rèn)識到研究碳循環(huán)過程中，不但要分析有機碳庫數(shù)量上的變化，更需要深入探討有機碳質(zhì)量和功能的變化。這是因為土壤有碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性是研究土壤肥力和碳循環(huán)的關(guān)鍵。

研究土壤中有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法有很多，其中碳1s X射線近邊吸收光譜分析可將有機碳區(qū)分為脂肪碳、芳香碳、酚基碳、羧基碳和羰基碳等，并可定量各類型有機碳。相較于核磁共振分析有機碳結(jié)構(gòu)，碳1s X射線近邊吸收光譜不用對土壤進行去鐵等處理，保證了有機碳原有的結(jié)構(gòu)特點（Li et al.，2018）?；诖?，本研究選取中國3種地帶性土壤，設(shè)計添加秸稈的土壤培養(yǎng)實驗，在兩年培養(yǎng)過程中，定期取樣測定土壤中有機碳含量及結(jié)構(gòu)。觀察秸稈進入土壤后有機碳的含量及結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。本研究對探明秸稈還田在土壤中的分解轉(zhuǎn)化特征及影響因素，對了解碳周轉(zhuǎn)規(guī)律、促進農(nóng)業(yè)管理和生產(chǎn)、以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料方法

1.1 土壤培養(yǎng)實驗

供試土壤為紅壤、褐土及黑土，分別來自于湖南長沙，河南鄭州，黑龍江海倫。3種土壤均采自于農(nóng)田表層。實驗分為兩個處理，對照處理僅培養(yǎng)土壤；秸稈處理是土壤中添加 5%的秸稈，水稻秸稈磨細(xì)至小于2 mm的粉末，其有機碳含量為796.7 g·kg-1，每個處理設(shè)置兩個平行。土壤在溫室條件下培養(yǎng)，溫度保持在 (25±2) ℃，控制土壤含水量保持在田間持水量的60%。土壤采用溫室盆缽培養(yǎng)的方式，每盆裝土1 kg。取樣時將盆缽中土壤攪拌均勻，稱取100 g樣品。土壤培養(yǎng)時間持續(xù)24個月，每4個月取樣一次。供試土壤性質(zhì)見表1。土壤總有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定（鮑士旦，2000）。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physiochemical properties

1.2 碳1s X射線近邊吸收光譜分析

碳 1s X射線近邊吸收光譜在北京同步輻射裝置（BSRF）4B7B軟X射線光束線站的兼用光模式下進行測定。儲存環(huán)電子能量為2.5 GeV，束流強度為150—250 mA。將土壤樣品磨細(xì)過300目篩后固定于鍍金的樣品托上，在＜10-6Pa的真空條件下進行測定，測量采用全電子產(chǎn)額（TEY）模式，能量掃描范圍為280—310 eV，掃描步長為0.1 eV。分析軟件用IFEFFIT Athena 0.8.056處理。對所得數(shù)據(jù)進行背景扣除、歸一化和擬合。得到有機質(zhì)中各有機碳含量的百分比后，通過以下公式計算有機碳的疏水性、芳香性（Abelmann et al.，2005；Spaccini et al.，2006）。

1.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS 17.0進行單因素方差分析（One-way ANOVA，P＜0.05）及最小顯著性差異法（LSD）分析秸稈添加對土壤總有機碳含量的影響（P＜0.05）。采用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤總有機碳

土壤有機碳（SOC）的結(jié)果如圖1所示。在對照中，黑土中總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達29.5—32.5 g·kg-1，是紅壤的4.7—6.4倍，褐土的3.9—4.9倍。整個培養(yǎng)時期加入秸稈后，紅壤中總有機碳含量較對照顯著增加 124%—196%，褐土增加 60%—110%。黑土中有機碳增加的幅度要小于紅壤和褐土，增加幅度為21%—28%。在3種土壤的對照中，土壤總有機碳的含量隨時間逐漸降低。在紅壤秸稈處理中，總有機碳含量在培養(yǎng)的前 12個月逐漸降低，在培養(yǎng)的后12個月，總有機碳含量保持穩(wěn)定。褐土的秸稈處理中總有機碳含量從第4個月到第12個月增加，第 12—24個月總有機碳含量隨時間逐漸降低。黑土秸稈處理中，土壤有機碳含量在整個培養(yǎng)時期隨時間逐漸降低。

2.2 土壤中有機碳的同步輻射分析

圖1 土壤中總有機碳含量Fig.1 The concentration of soil organic carbon

不同處理土壤的同步輻射碳譜如圖2所示。根據(jù)文獻報道，285.4 eV處為芳香碳，286.7 eV處為酚基碳，287.6 eV處為脂肪碳，288.5 eV處為羧基碳，289.4 eV處為烷氧碳，291.0 eV處羰基碳（Huang et al.，2016）。經(jīng)軟件分析可獲得有機碳類型如表2所示。在3種土壤的對照中，有機碳主要以脂肪碳、羧基碳和烷氧碳存在。這3部分有機碳占總有機碳的百分比在紅壤、褐土和黑土中分別為 69.1%—86.6%、79.6%—88.5%和87.3%—90.3%。加入秸稈后，3種土壤中依舊是上述3種有機碳類型占主導(dǎo)。脂肪碳來自半纖維素、脂質(zhì)、蠟質(zhì)、樹脂。羧基碳來自于羧酸、酰胺和酯類（Huang，2017）。烷氧碳主要來自纖維素和半纖維素。芳香碳來自于木質(zhì)素殘體、黑炭及芳香性的氨基酸，屬于土壤中難分解的有機碳（張勇等，2015；李娜等，2018）。

圖2 土壤有機碳的同步輻射碳譜Fig.2 C 1s NEXAFS spectra of soils

與對照相比，加入秸稈后紅壤和褐土中的芳香碳比例分別下降 7.4%—29.8%和 14.6%—67.8%。紅壤中脂肪碳和烷氧碳比例上升 7.2%—66.4%，羧基碳比例下降3.5%—34.4%；褐土中羧基碳比例上升12.7%—48.8%；黑土中芳香碳比例增加40.3%—169%。

在對照中，紅壤芳香碳隨時間逐漸下降，脂肪碳和烷氧碳在培養(yǎng)后的第4個月到第8個月上升，隨后保持穩(wěn)定；而羰基碳在培養(yǎng)后的第4個月到第8個月下降，隨后保持穩(wěn)定。褐土中芳香碳和酚基碳比例隨時間逐漸下降，羧基碳比例逐漸增加。黑土中各類型的有機碳的比例均保持相對穩(wěn)定。加入秸稈后，紅壤中有機碳變化的規(guī)律與對照中相似。褐土中芳香碳比例隨時間逐漸增加；黑土中芳香碳比例在培養(yǎng)后的第4個月到第8個月下降，隨后逐漸增加；脂肪碳在第4到第8個月含量增加，隨后逐漸增加并保持穩(wěn)定；羧基碳在第4到第8個月增加，隨后逐漸下降。

表2 土壤中不同類型有機碳的百分比Table 2 The percentage of different types of organic carbon in soils %

2.3 土壤有機碳的疏水性、芳香性及不同有機碳的比值

根據(jù)各類型碳所占的百分比，可以計算土壤有機質(zhì)的疏水性、芳香性等特性，結(jié)果如表3所示。

紅壤和黑土的對照處理中有機碳的疏水性分別為0.37—0.45和0.41—0.47，褐土中有機碳的疏水性高于紅壤和黑土，其值為 0.42—0.54。紅壤和黑土的秸稈處理中有機碳疏水性較對照增加 7.3%—20.4%和 17.0%—117%。紅壤對照和秸稈處理中有機碳的疏水性隨時間逐漸下降。黑土對照處理中，有機質(zhì)的疏水性在前8個月逐漸增加，隨后保持穩(wěn)定；在秸稈處理中，有機質(zhì)的疏水性在前8個月逐漸降低，第 16個月增加，隨后保持穩(wěn)定。褐土的秸稈處理中，有機碳的疏水性在前 16個月較對照減小12.2%—27.8%，培養(yǎng)24個月后疏水性較對照增加7.1%。在褐土對照中，有機質(zhì)的疏水性隨時間逐漸下降；秸稈處理中的有機質(zhì)疏水性在前16個月下降，隨后保持穩(wěn)定。

有機碳的芳香性在紅壤中最高，黑土中最低。加入秸稈后，紅壤中有機碳的芳香性降低 9.3%—40.3%。褐土中，有機碳芳香性在前16個月較對照降低8.4%—62.7%。黑土中有機碳的芳香性，除第8個月較對照降低外，其余時間均高于對照。在紅壤的對照和秸稈處理中，有機碳的芳香性均隨時間逐漸降低。褐土對照中，有機碳的芳香性隨時間逐漸降低；秸稈處理中的芳香性在前 16個月隨時間逐漸增加，隨后保持穩(wěn)定。黑土對照處理中的芳香性保持相對穩(wěn)定；在秸稈處理中，有機質(zhì)的芳香性在前8個月逐漸降低，在第16個月逐漸增加，隨后保持穩(wěn)定。

有機碳的烷氧碳/脂肪碳值可反應(yīng)有機碳分解的多少，其值越大，表示有機碳分解越多。在對照中，紅壤的烷氧碳/脂肪碳比隨時間逐漸增加，在第8個月后保持穩(wěn)定。秸稈處理中脂肪碳/烷氧碳比增加幅度較小，在第 16個月保持穩(wěn)定。褐土的對照中，脂肪碳/烷氧碳比值在前16個月逐漸增加，隨后保持穩(wěn)定。秸稈處理中，脂肪碳/烷氧碳比值在前8個月逐漸降低，隨后逐漸增加至與4個月的結(jié)果相近。黑土的對照中，烷氧碳/脂肪碳值較對照無顯著變化；秸稈處理中，烷氧碳脂肪碳/比在前16個月逐漸增加，隨后逐漸降低。

脂肪碳/芳香碳值在黑土中最高，紅壤中最低。加入秸稈后，紅壤整個培養(yǎng)時期脂肪碳/芳香碳值較對照增加23.5%—136%，黑土除第8個月外較對照降低22.9%—60.2%；褐土培養(yǎng)后16個月內(nèi)脂肪碳/芳香碳值較對照增加15.1%—267%。紅壤和黑土的對照和秸稈處理中，脂肪碳/芳香碳值隨時間逐漸增加；褐土對照中該值隨時間逐漸增加，秸稈處理中隨時間逐漸降低。

表3 土壤有機碳性質(zhì)Table 3 The characteristics of soil organic carbon

加入秸稈后，紅壤中芳香碳/烷氧碳值較對照下降5.5%—42.6%；褐土中該值在培養(yǎng)后的16個月內(nèi)較對照下降7.4%—63.9%；黑土中除第8個月外該值較對照增加47.6%—175%。紅壤對照和秸稈處理中芳香碳/烷氧碳值隨時間逐漸下降；褐土對照中該值隨時間逐漸下降，秸稈處理中此值隨時間逐漸增加。黑土對照處理中，該值隨時間變化不大，秸稈處理中此值隨時間逐漸下降。

3 討論

烷氧碳與脂肪碳的比值可評價有機碳的分解狀態(tài)，該值越大說明有機質(zhì)的分解越多（Helfrich et al.，2006）。在對照中，黑土的烷氧碳/脂肪碳比值最高，紅壤最低。加入秸稈后，3種土壤中烷氧碳/脂肪碳值較對照增加，說明外源有機質(zhì)促進了土壤中有機碳的分解。這可能是秸稈進入到土壤中引起激發(fā)效應(yīng)，促進微生物的生長及活性從而加速微生物對有機碳的分解（Zhao et al.，2016）。

秸稈使紅壤和黑土中有機碳的疏水性增加，褐土中有機碳疏水性較對照下降。土壤有機碳的疏水性主要受脂肪碳和芳香碳的影響（韓蘭芳等，2014）。紅壤秸稈處理中有機碳疏水性增加主要原因是脂肪碳比例增加。同時，秸稈使紅壤中芳香碳比例減少，可能由于秸稈加入促進土壤中原始有機碳的分解，在紅壤中發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)。黑土疏水性增加是脂肪碳和芳香碳比例均有增加?？赡苁羌尤虢斩捄?，微生物優(yōu)先利用外來有機物，在黑土中發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。這是由于黑土的能量物質(zhì)和氮素充足，發(fā)酵性微生物（外源微生物）生長旺盛，抑制了土著性微生物的生長，使土壤原有有機質(zhì)的分解速率降低。負(fù)激發(fā)效應(yīng)抑制土壤有機碳的礦化，從而使芳香碳含量增加（Hamer et al.，2005；黃文昭等，2007）。黑土的秸稈處理中，烷氧碳/脂肪碳的值（反應(yīng)有機碳分解的多少），在培養(yǎng)后的 8個月增加較快，說明隨著易被分解有機物質(zhì)的降解，發(fā)酵性微生物活力降低，土著性微生物的數(shù)量和活性增加，提高了土壤有機質(zhì)的降解率。褐土秸稈處理中有機碳疏水性下降主要是芳香碳和脂肪碳比例下降，羧基碳比例增加，說明秸稈加速了褐土中原有有機碳的分解，也發(fā)生了正激發(fā)效應(yīng)。土壤中疏水性有機碳增加，土壤團聚體的穩(wěn)定性增加（彭新華等，2004）。本研究表明，秸稈使紅壤和黑土中團聚體穩(wěn)定性增加，對于改善這兩種土壤結(jié)構(gòu)起促進作用?？赡艽嬖诘脑颍簭耐寥罊C械組成來看（表1），紅壤和黑土的粘粒含量較褐土高，透水、透氣性較褐土差。秸稈加入后紅壤和黑土的孔隙度、透水及透氣能力得到增強從而使土壤結(jié)構(gòu)得以改善。

脂肪碳/芳香碳可反應(yīng)有機碳分子的復(fù)雜程度，值越大表明該物質(zhì)中芳香結(jié)構(gòu)越少，脂肪族側(cè)鏈越多、縮合程度越低、分子結(jié)構(gòu)越簡單（杭子清等，2014；陶寶先等，2017）。秸稈使紅壤和褐土中脂肪碳/芳香碳值較對照增加，黑土較對照減弱，說明紅壤和褐土中有機碳結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度降低，分子結(jié)構(gòu)變得簡單。芳香碳/烷氧碳值可以反映有機碳的分解程度，值越大說明有機碳越穩(wěn)定。實驗結(jié)果顯示，秸稈處理使紅壤和褐土中芳香碳/烷氧碳值較對照下降，黑土中該值較對照增加，說明秸稈加入使紅壤和褐土中有機碳變得不穩(wěn)定，黑土中有機碳結(jié)構(gòu)變得更穩(wěn)定。同時，土壤中有機碳芳香性的變化也與上述結(jié)果一致，即秸稈使紅壤和褐土中有機碳的芳香性減弱，黑土有機碳芳香性增強。土壤有機碳結(jié)構(gòu)的變化，受加入秸稈后所發(fā)生激發(fā)效應(yīng)的影響。Hamer et al.（2005）研究發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)含量低或是有機質(zhì)分解率低的土壤反而有更激烈的激發(fā)效應(yīng)，與本研究實驗結(jié)果一致。紅壤和褐土中初始有機碳含量低，加入秸稈后在這兩種土壤中發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)，促進了土壤中原本有機質(zhì)的分解，因此土壤有機碳結(jié)構(gòu)變得簡單。而黑土初始有機質(zhì)含量較高，外源添加有機物后發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)，外源有機質(zhì)被優(yōu)先分解，土壤有機碳結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定。

本研究利用碳 1s X射線近邊吸收光譜研究了秸稈還田后土壤有機碳結(jié)構(gòu)的變化。實驗結(jié)果顯示：外源秸稈加入會引起土壤中有機碳的分解。在有機質(zhì)含量低、養(yǎng)分低的土壤中，發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)；在有機質(zhì)含量豐富的土壤中，外源有機碳優(yōu)先分解，即發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)。研究結(jié)果對于了解秸稈還田對土壤碳平衡和周轉(zhuǎn)、指導(dǎo)秸稈還田生產(chǎn)實踐具有重要理論意義。

4 結(jié)論

（1）3種土壤中有機碳主要以脂肪碳、羧基碳和烷氧碳形式存在；加入秸稈后上述3種有機碳含量仍舊占主導(dǎo)；

（2）秸稈處理使紅壤和黑土中有機碳疏水性增強，提高土壤團聚體穩(wěn)定性，對改善土壤結(jié)構(gòu)起促進作用；

（3）秸稈加入后，紅壤和褐土中發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)，這兩種土壤中有機碳結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性減弱；黑土中發(fā)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)，其中有機碳結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，穩(wěn)定性增強。