秸稈還田對黑土團聚體內(nèi)有機碳紅外光譜特征的影響

盛 明，龍靜泓，雷琬瑩，郝翔翔，李 娜，韓曉增，李祿軍

(1．中國科學(xué)院 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室,中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,黑龍江 哈爾濱 150081;2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)對土壤肥力和作物生產(chǎn)力具有重要意義。農(nóng)田SOC含量的提高取決于耕作方式、施肥措施、外源碳輸入、溫度和含水量[1]。一般而言，農(nóng)作物秸稈還田可以顯著改善土壤理化性質(zhì)，提升SOC含量，但土壤中的SOC存在飽和點，其含量在達到飽和前會隨外源碳投入的增加而增加，在達到某一值后并不會隨著外源碳投入的增加而繼續(xù)增加，這與土壤團聚體對SOC的保護和SOC的穩(wěn)定性機制有關(guān)[2]。土壤團聚體通過影響土壤微生物與SOC的接觸程度，控制SOC的分解和轉(zhuǎn)化，對SOC具有物理保護作用；同時，SOC的穩(wěn)定性及其在土壤中的功能常與其化學(xué)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同粒徑的團聚體內(nèi)的有機質(zhì)組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)也發(fā)生分異，其對SOC的保護機制也可能不同。因此，研究不同秸稈還田方式下土壤團聚體結(jié)合碳含量和紅外光譜特征，將有助于揭示秸稈還田對SOC動態(tài)變化和穩(wěn)定性影響的內(nèi)在機制[3]，為評價秸稈還田后的農(nóng)田土壤固碳潛力提供理論依據(jù)。

作物秸稈還田可為土壤輸送大量有機物料，這些有機物料通過微生物的分解，釋放出供作物生長需要的營養(yǎng)元素，可培肥土壤[4-5]。常用的秸稈還田方式主要包括免耕覆蓋、翻耕混入和深埋等。Meta分析發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可使SOC含量平均升高12.8%[6]，但由于SOC的來源和組成的高度復(fù)雜性，對SOC化學(xué)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的認識還不足[7]。傅里葉紅外光譜技術(shù)(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)通過測定SOC的化學(xué)官能團，如O-H、C-H等對紅外光的選擇性吸收差異能較快速的測定有機碳的成分，可有效反映土壤中含氧官能團的性質(zhì)、反應(yīng)特性和結(jié)構(gòu)變化等多方面的信息[8-9]。該技術(shù)已被廣泛用來表征不同農(nóng)田管理措施下SOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定性特征。Tivet等[10]利用FTIR技術(shù)研究了熱帶和亞熱帶不同農(nóng)田管理措施下的土壤碳的官能團特征，并進一步證明了FTIR技術(shù)可快速、高效、準確的評價SOC的官能團特征和腐殖化程度，研究還發(fā)現(xiàn)農(nóng)田的耕作處理中SOC的降低與碳官能團中芳香族碳和脂肪族碳的減少有關(guān)，使土壤SOC的腐殖化程度增加，說明對活性有機質(zhì)的物理保護作用不強。范如芹等[11]利用偏最小二乘法評價近紅外光譜預(yù)測了黑土不同組分有機碳含量和固碳潛力，結(jié)果表明近紅外光譜技術(shù)可以在一定程度上預(yù)測土壤團聚體結(jié)合碳的含量，對礦質(zhì)結(jié)合態(tài)和微團聚體結(jié)合碳含量的預(yù)測結(jié)果較好，而對顆粒態(tài)和大團聚體內(nèi)SOC的預(yù)測效果較差。彭義等[12]研究了免耕條件下不同秸稈覆蓋量對土壤有機碳紅外光譜特征的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋顯著增加了0～5 cm表層土壤芳香碳及脂肪碳的含量，更有利于表層土壤有機碳的積累。梁堯[13]通過紅外光譜研究有機培肥對黑土有機碳結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田相比，添加有機肥可有效降低SOC的氧化度和縮合度，顯著提高脂肪族碳含量。張福韜等[14]利用紅外光譜技術(shù)分析了玉米連作對黑土團聚體組分有機碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)連作增加了土壤和大團聚體內(nèi)脂肪碳含量，使有機碳結(jié)構(gòu)趨于簡單化和脂肪化，降低了SOC穩(wěn)定性。另外，紅外光譜技術(shù)還可探究SOC的化學(xué)結(jié)構(gòu)與各組分有機碳含量之間的關(guān)系。如郝翔翔等[15]發(fā)現(xiàn)，土壤脂肪族碳官能團相對吸收峰面積與土壤活性組分的有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，芳香族官能團相對吸收峰面積可反映土壤中穩(wěn)定組分的有機碳含量。前人的研究缺乏不同秸稈還田措施對農(nóng)田黑土有機碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征變化的影響研究，從團聚體角度揭示碳的保護和穩(wěn)定性機制還鮮有報道。

因此，本文采用團聚體分級和傅里葉紅外光譜技術(shù)，利用定位試驗，研究短期不同的秸稈還田方式對黑土團聚體內(nèi)有機碳的紅外光譜特征的影響，分析不同秸稈還田方式對黑土有機碳含量和團聚體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提高對不同秸稈還田方式下黑土有機碳化學(xué)官能團特征的認識，研究結(jié)果可為優(yōu)化秸稈還田方式和提高農(nóng)田土壤固碳潛力提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

不同秸稈還田方式田間定位試驗位于黑龍江海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(以下簡稱海倫站，47°27′ N,126°55′ E)。海倫站位于黑龍江省海倫市，地處我國東北黑土帶的中心區(qū)域，平均海拔240 m，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫度較高且多雨，雨熱同季。年均氣溫為1.5 ℃，年均降雨量為550 mm，年均有效積溫(≥10 ℃)2 450 ℃～2 500 ℃，年日照時數(shù)2 600～2 800 h，無霜期120～130 d。土壤類型為黃土狀母質(zhì)發(fā)育的黑土(土壤發(fā)生分類)，土壤質(zhì)地為粉黏壤質(zhì)，黏粒含量在40%以上。

田間試驗始于2015年春，共設(shè)置6個處理，3次重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)長4 m，寬3 m。田間處理為：(1)S0，翻耕20 cm，秸稈不還田；(2)S1，翻耕20 cm，半量秸稈(5 t·hm-2)還田；(3)S2，翻耕20 cm，全量秸稈(10 t·hm-2)還田；(4)S3，深翻35 cm，全量秸稈(10 t·hm-2)深混還田；(5)S4，免耕，全量秸稈(10 t·hm-2)覆蓋還田；(6)S5，翻耕20 cm，全量秸稈(10 t·hm-2)燃燒后的產(chǎn)物還田。每年秋天玉米收割后，秸稈風(fēng)干后切割成4～6 cm長的碎塊，翻耕到土壤中。各個小區(qū)每年的化肥施肥量為磷酸二銨(N57%)140 kg·hm-2，硫酸鉀60 kg·hm-2，待玉米出苗后，再追尿素90 kg·hm-2。作物種植制度為玉米連作，一年一熟制。S5處理將玉米秸稈燃燒后的產(chǎn)物還田，主要是考慮到現(xiàn)實中存在很多的秸稈并未移除田間或直接還田，而是將秸稈焚燒后還田，該處理設(shè)置的目的是將這種還田方式和其他秸稈還田方式進行對比，探究秸稈不同還田方式對土壤有機碳變化和碳穩(wěn)定性的影響。

1.2 土壤樣品采集與前處理

于2018年10月秋收后采集土壤樣品，在每個小區(qū)采用S形5點采樣法，采集0～20 cm表層土壤樣品，將5份樣品充分混勻為一個試驗土樣，共采集18份土壤樣品。土樣自然風(fēng)干后，過篩，去除作物殘留物、根系和石塊，用于土壤團聚體篩分和近紅外光譜測定。

表1 黑土0～20 cm表層和20～35 cm亞表層的土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Selected soil properties at 0-20 cm and 20-35 cm soil depths

1.3 測定指標及方法

土壤團聚體的篩分采用濕篩法，將預(yù)先過8 mm篩的風(fēng)干土樣放置于孔徑自上而下為2 mm、0.25 mm 和0.053 mm的套篩之上，先用水緩慢濕潤后，再放入水中；在整個套篩處于最下端時，最頂層篩的上邊緣保持低于水面，震蕩5 min后，收集各級篩層得團聚體并分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，55 ℃烘干稱重，依次得到超大團聚體(>2 mm)、大團聚體(2～0.25 mm)，微團聚體(0.25～0.053 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)，用于計算各級團聚體的質(zhì)量百分比。將各粒級的樣品過0.25 mm篩，用元素分析儀(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany)測定全土及各粒徑團聚體的有機碳含量(黑土無碳酸鹽反應(yīng)，全碳值即為土壤有機碳值)。土壤紅外光譜測定采用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 6700,Thermo，F(xiàn)isher,USA)溴化鉀(KBr)壓片法測定。稱取2 mg土壤樣品，KBr 200 mg放入瑪瑙研缽中充分研磨均勻。土壤紅外光譜測試范圍400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為64，空氣作為背景，掃描時自動扣除背景光譜[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)用Excel 2013記錄，不同處理間的土壤指標的單因素方差分析(one way ANOVA)用SPSS 20進行，數(shù)據(jù)為平均值±標準差，顯著性水平為P<0.05。

使用Omnic 8.0軟件對紅外光譜圖進行分析：(1)基線校正，掃描過程中得到的圖譜有輕微的基線傾斜，進行較正時，使用軟件自身的基線較正功能；(2)計算相對峰面積，基線校正后，確定選取吸收峰波長范圍，在該范圍內(nèi)做一條基線，對范圍內(nèi)吸收峰進行積分，計算校正面積，將得到的各吸收峰面積總和相加，最后計算各峰面積的百分比例(即吸收峰相對面積)[16]。文中所有圖利用Origin 8.6(Origin Lab Software Inc.)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對黑土有機碳含量的影響

與秸稈不還田的S0處理相比，4年連續(xù)秸稈還田后，不同程度提高了SOC含量，具體表現(xiàn)為S2>S1>S4>S5>S3>S0(圖1)。不同數(shù)量和質(zhì)量的秸稈還田后，有機物質(zhì)通過不斷的分解進入到土壤中，促進了SOC的積累和保護。與秸稈不還田的S0處理相比，S1、S2、S3、S4和S5處理農(nóng)田黑土表層SOC含量分別提升了8.8%、12.4%、3.9%、7.1%和5.0%。秸稈還田的處理中，S2和S1處理的土壤有機碳含量最高，其次為S4處理，S3和S5處理有機碳含量較低，這可能是因為S2和S1處理翻耕20 cm，秸稈還田，使有機物料充分添加到0～20 cm土層中，提高了碳投入，S4處理，免耕全量秸稈還田，有機物料主要存在于0～5 cm表層中，S3處理深翻35 cm，在0～20 cm的碳投入較低，而S5處理秸稈燃燒后還田，還田物質(zhì)為灰燼，主要成分是無機物，無有機物質(zhì)投入使得土壤有機碳增加不顯著。

注：數(shù)值為平均值±標準差(n=3)，不同字母表示不同處理在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note: Values are mean ± standard errors(n=3).Different letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖1 不同秸稈還田方式下土壤有機碳含量的變化Fig.1 Soil organic carbon contents under different straw returning managements

2.2 不同秸稈還田方式對黑土團聚體粒徑分布影響

秸稈作為外源有機物質(zhì)，添加到土壤中可改善土壤微環(huán)境，并向土壤中輸送更多易被微生物分解利用的碳源物質(zhì)，更有利于微團聚體膠結(jié)形成大團聚體。短期的秸稈還田對黑土各粒徑團聚體分布產(chǎn)生顯著影響(圖2)。與S0不加秸稈處理相比，S1到S5處理顯著增加了土壤中>2 mm和2～0.25 mm粒徑的大團聚體的質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，S1到S5處理中>2 mm超大團聚體比例依次增加了82.4%、112.9%、16.4%、67.2%和53.9%，其中，S2處理中>2 mm超大團聚體質(zhì)量分數(shù)最高，其次為S1處理，S4和S5處理之間差異不顯著，秸稈還田處理中，S3處理中>2 mm超大團聚體質(zhì)量分數(shù)最低；2～0.25 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)趨勢與>2 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)相似，其質(zhì)量分數(shù)分別提升了24.6%、29.4%、22.6%、20.0%和19.0%，表現(xiàn)為S2>S1>S4>S3>S5，但S1、S3、S4處理之間差異不顯著。秸稈還田不同程度的降低了土壤中0.25～0.053 mm的微團聚體和<0.053 mm的粉黏粒的質(zhì)量分數(shù)，與S0處理相比，S1到S5處理的微團聚體比例依次下降了8.77%、11.6%、5.46%、7.03%和7.46%，粉黏粒比例依次下降了20.2%、23.2%、15.5%、15.2%和12.0%。S2處理0.25～0.053 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)最低，S1、S3、S4、S5處理之間無顯著差異。S5處理<0.053 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)最高，S2處理<0.053 mm團聚體質(zhì)量分數(shù)最低，S3和S4處理無顯著性差異。

不同秸稈還田方式促進了大團聚體的形成，土壤團聚體的平均重量直徑(Mean weight diameter,MWD)也不同程度提高。與S0處理相比，S1到S5處理的MWD分別提高了33.3%、44.4%、16.7%、27.8%、24.1%，S2的秸稈全量添加在大團聚體形成和提升團聚體穩(wěn)定性方面效果最好，其次為S1處理，S3處理秸稈是深還到20～35 cm土層，對0～20 cm表層的團聚體形成和穩(wěn)定性效果較差。

圖2 不同秸稈還田方式下土壤團聚體組分比例和平均重量直徑Fig.2 Proportions of soil aggregates and mean weight diameters under different straw returning managements

2.3 不同秸稈還田方式對黑土團聚體有機碳含量的影響

短期秸稈還田不僅對團聚體粒級分布產(chǎn)生顯著差異，還顯著影響了各粒級團聚體內(nèi)有機碳含量，使土壤團聚體內(nèi)的有機碳發(fā)生再分配，主要表現(xiàn)為秸稈還田促進了更多的微團聚體有機碳向大團聚體富集，提高了大團聚體內(nèi)有機碳的含量(圖3)。與秸稈不還田的S0處理相比，S1～S5處理中>2 mm的超大團聚體內(nèi)有機碳含量分別提高了55.5%、63.7%、14.4%、38.4%和34.3%，2～0.25 mm團聚體有機碳含量分別提高了44.5%、54.3%、32.7%、40.5%和39.0%。其中S1和S2秸稈還田方式對>2 mm和2～0.25 mm團聚體內(nèi)有機碳含量提升的幅度最高，S3的秸稈深還處理提升最少。0.25～0.053 mm和<0.053 mm團聚體內(nèi)有機碳含量的變化規(guī)律與>0.25 mm的團聚體有機碳含量的變化相反，0.25～0.053 mm團聚體有機碳含量表現(xiàn)為S0(8.42 g·kg-1)>S2(7.57 g·kg-1)>S4(7.26 g·kg-1)>S3(7.10 g·kg-1)>S5(7.03 g·kg-1)>S1(6.94 g·kg-1)，S1～S5處理相比S0處理分別降低了17.6%、10.1%、15.7%、13.8%和16.5%，但處理間差異不顯著。<0.053 mm團聚體內(nèi)的有機碳含量最高為S0(8.56 g·kg-1)，最低為S2(6.63 g·kg-1)，S1～S5處理相比S0處理分別降低了14.3%、22.6%、11.8%、16.2%和18.1%，S1、S4和S5處理間無顯著性差異。

圖3 不同秸稈還田方式對團聚體內(nèi)有機碳含量的影響Fig.3 Organic carbon contents of different particle-sized aggregates under different straw returning managements

2.4 不同秸稈還田方式下的黑土有機碳官能團紅外光譜特征

2.4.1 黑土有機碳主要官能團的紅外光譜譜帶的劃分。表層黑土的紅外光譜具有相似的吸收帶和吸收峰，波數(shù)1300～400 cm-1屬于指紋區(qū)，波數(shù)在4000～1 300 cm-1屬于特征區(qū)，特征區(qū)可反映有機碳官能團的差異。波數(shù)3 700～3 600 cm-1代表有機物中酚醇-OH的伸縮振動，波數(shù)3 350 cm-1附近代表烷烴類物質(zhì)的伸縮振動，波數(shù)2 920～2 850 cm-1代表脂肪族-C-H伸縮振動，其中，2 920 cm-1為不對稱脂族-C-H，2 850 cm-1為對稱脂族-C-H伸縮振動，波數(shù)1 630～1 500 cm-1代表芳香族化合物環(huán)內(nèi)C=C伸縮振動，波數(shù)1 420 cm-1對應(yīng)甲基和亞甲基伸縮振動，波數(shù)1 030 cm-1代表碳水化合物或多糖結(jié)構(gòu)中的C-O伸縮振動，波數(shù)810 cm-1表示土壤中碳酸鹽類物質(zhì)的伸縮振動，波數(shù)690 cm-1表示順勢烯烴類物質(zhì)伸縮振動[7-8]。土壤中3 700～3 600 cm-1、3 350 cm-1、1 030 cm-1和1 000 cm-1以下的吸收峰受到土壤礦物影響很大，大多數(shù)的研究中常利用2 920～2 850 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1的吸收峰代表主要土壤有機碳組分的吸收峰。1630/2920可以表示有機碳分解程度，其值越高說明穩(wěn)定性組分有機碳含量越高，反之，活性組分有機碳含量越高[13-14]。根據(jù)吸收峰的歸類，本文主要選取2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1處代表脂肪族、芳香族和甲基、亞甲基官能團的吸收峰，計算其相對峰面積強度，探究不同秸稈還田方式對全土和各粒級團聚體的有機碳主要官能團的影響(圖4)。

2.4.2 秸稈還田對土壤主要官能團相對吸收峰面積的影響。不同秸稈還田方式下，土壤全土的有機碳碳骨架紅外光譜的主要吸收峰情況基本一致，短期不同秸稈還田后，土壤有機碳的脂肪族、芳香族等主要官能團相對吸收峰面積存在顯著差異(圖5)。與秸稈不還田的S0處理相比，不同秸稈還田處理顯著提升了土壤脂肪族、甲基和亞甲基官能團的相對吸收峰面積，S1到S5處理脂肪族官能團相對吸收峰面積分別提高了200%、246%、65.2%、110%和69.6%，秸稈還田處理之間脂肪族官能團相對吸收峰面積表現(xiàn)為，S1和S2處理增加的幅度顯著高于其他3個秸稈還田處理。S1-S5處理在1 420 cm-1處甲基和亞甲基官能團的紅外吸收峰相對面積，分別提升80.3%、92.9%、54.4%、49.6%、66.4%，S1和S2處理增加顯著，且S3到S5處理間差異不顯著。芳香族官能團相對吸收峰面積與脂肪族不同，不同秸稈還田后，芳香族官能團面積降低，與S0處理相比，芳香族官能團相對吸收峰面積分別降低了13.4%、16.1%、7.65%、7.70%和9.33%，秸稈還田各處理間表現(xiàn)為S3>S4>S5>S1>S2，處理間無顯著差異。

圖4 不同秸稈還田方式下的表層黑土紅外光譜特征Fig.4 Infrared spectrum of surface soils under different straw returning managements

圖5 全土和不同粒級團聚體內(nèi)有機碳的主要官能團吸收峰相對面積Fig.5 FTIR relative area of main OC functional groups of bulk soils and aggregate fractions under different straw returning managements

2.4.3 秸稈還田對團聚體內(nèi)有機碳主要官能團相對吸收峰面積的影響。不同秸稈還田方式下各粒級團聚體的近紅外光譜如圖5所示。不同處理下各粒級團聚體的吸收峰和吸收帶相似，但不同粒級團聚體在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1處相對吸收峰面積有顯著差異(圖5)。不同秸稈還田處理中，>2 mm團聚體在2 920 cm-1和1 420 cm-1處相對峰面積高于其他3個粒級團聚體的相對峰面積，各粒級團聚體在1 630 cm-1處相對峰面積含量差異不顯著。說明大團聚體主要是來自于作物殘茬、根系分泌物的結(jié)構(gòu)較為簡單的有機碳組分，其脂肪族C-H有機碳含量高；而1 630 cm-1主要為芳香族C=C結(jié)構(gòu)，這一部分比較穩(wěn)定，不同秸稈還田處理間的差異不明顯。與秸稈不還田的S0處理相比，添加秸稈各處理中的不同團聚體粒級均表現(xiàn)為2 920 cm-1和1 420 cm-1處紅外吸收峰相對面積更高，1 630 cm-1處紅外吸收峰相對面積較低，這可能是2 920 cm-1和1 420 cm-1處均代表土壤活性結(jié)構(gòu)有機碳組分，添加秸稈處理活性有機碳來源更加豐富，脂肪性更高，而秸稈不還田處理由于缺乏外源有機物料添加，土壤有機碳的芳香性更高。秸稈還田處理間，S2和S1處理各粒徑團聚體有機碳在2 920 cm-1和1 420 cm-1處相對吸收峰面積最高，其次為S4處理，S4和S5處理較低，在1 630 cm-1處相對吸收峰面積，S3處理最高，其次為S5處理，S2處理最低。

2.5 秸稈還田對土壤有機碳與紅外光譜特征關(guān)系的影響

2.5.1 土壤紅外光譜特征與有機碳含量的相關(guān)分析。土壤有機碳的紅外光譜在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1的相對吸收峰面積與全土、>2 mm團聚體、2～0.25 mm團聚體和<0.053 mm團聚體有機碳含量存在顯著相關(guān)關(guān)系(表2)。相對峰面積與各組分有機碳含量相關(guān)分析結(jié)果表明，2 920 cm-1和1 420 cm-1處的相對吸收峰面積與全土、>2 mm、2～0.25 mm團聚體的有機碳含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與<0.053 mm團聚體有機碳含量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系。這是因為>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳中主要成分為活性較高的多糖、碳水化合物類物質(zhì)，而微團聚體和粉黏粒組分的有機碳多以難降解的腐殖物質(zhì)形式存在，活性低，這說明2 920 cm-1處的吸收峰面積主要反映活性有機碳含量的變化，1 420 cm-1處代表脂族類甲基或亞甲基的伸縮振動，也可用來表示活性組分碳含量的變化。相反，1 630 cm-1處相對峰面積與全土、>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳含量呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，與<0.053 mm團聚體有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且1630/2920與全土、>2 mm和2～0.25 mm團聚體有機碳含量均呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與<0.053 mm團聚體有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明1 630 cm-1處相對峰面積可以表示土壤中穩(wěn)定性組分有機碳的含量的變化。

表2 紅外吸收峰的相對面積與全土及各粒級團聚體有機碳含量的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between the FTIR relative area of infrared absorption peak and organic carbon content of the bulk soil and different aggregate fractions

2.5.2 不同秸稈還田方式的土壤紅外光譜主成分分析。依據(jù)貢獻率大于80%，載荷絕對值>0.5表示與主成分相關(guān)性大，由圖6可知脂肪族官能團相對比例最高的處理為S2處理，其次為S1處理，S0處理脂肪族官能團相對比例最低，但S0處理芳香族官能團相對比例最高，S2處理芳香族官能團相對比例最低。由載荷圖(圖6b)可知，各粒徑團聚體在2 920 cm-1處紅外吸收峰相對面積和1 420 cm-1紅外吸收峰相對面積與PC1顯著正相關(guān)，1 630 cm-1處紅外吸收峰相對面積與PC1顯著負相關(guān)。不同秸稈還田方式相比，無秸稈還田處理使團聚體有機碳中脂肪族官能團相對比例升高，芳香族官能團相對比例降低。

注：LMa代表超大團聚體；SMa代表大團聚體；Mi代表微團聚體；SC代表粉黏粒。Note:LMa means large macroaggregate; SMa means small macroagregate;Mi means microaggregate; SC means silt and clay unit.圖6 不同秸稈還田方式下土壤有機碳的特征峰面積的主成分分(a)和因子載荷圖(b)Fig.6 Principal component analysis(a) and loading factors(b) of infrared characteristic peak in SOC in all aggregate and bulk soil under different straw returning managements

3 討 論

3.1 短期秸稈還田對土壤總有機碳的影響

SOC是土壤肥力高低的重要評價指標，其階段性含量變化可以反映土壤肥力水平的高低。SOC通過影響土壤物理、化學(xué)和生物特性而改善土壤質(zhì)量，對維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力尤為重要[17]，而SOC水平取決于碳投入與輸出的平衡，這一過程受多種因素影響，例如施肥措施、氣候環(huán)境、土壤性質(zhì)等，而施肥措施可以短期內(nèi)直接控制碳投入的數(shù)量和質(zhì)量[18]。有機物料配施化肥是提升SOC水平和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要途徑，目前常用的有機物料包括作物秸稈、雜草、根系、畜禽糞便及農(nóng)產(chǎn)品的加工肥料等[19-20]。作物秸稈作為一種重要的有機物料不僅含有大量的活性有機碳成分，還含有許多供作物和土壤微生物利用的養(yǎng)分物質(zhì)。本研究中，短期不同的秸稈還田方式相比秸稈不還田處理顯著提升了SOC含量(圖1)，這是因為作物殘茬、根系及其分泌物和還田的秸稈是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳投入的主要來源，秸稈還田會顯著促進土壤大團聚體形成，大團聚體不僅為SOC提供物理保護，且作為土壤中新增有機碳的主要載體，富集大量鐵鋁氧化物和有機碳復(fù)合物，使黑土有機碳含量提高。研究還發(fā)現(xiàn)，不同的秸稈還田方式之間有機碳含量呈現(xiàn)顯著差異，S1和S2處理翻耕條件和添加方式相同，均為翻耕20 cm直接混入，但秸稈添加量不同，S1處理為5 t·hm-2，S2處理為10 t·hm-2，S2處理中SOC含量高于S1處理。Zhu等[21]通過對水稻-小麥種植系統(tǒng)土壤有機碳對不同秸稈還田率的短期響應(yīng)，也發(fā)現(xiàn)SOC提升程度與秸稈還田數(shù)量有關(guān)。S2、S3、S4處理秸稈添加量相同，均為10 t·hm-2，但耕作條件不同，S2為翻耕20 cm，S3為深翻35 cm，S4為免耕，S2處理20 cm翻耕提高了耕作層土壤和秸稈的接觸面積，使整個耕層有機碳含量穩(wěn)定。S3處理深翻35 cm，全耕層破壞，作物秸稈主要添加到20～35 cm土層，在0～20 cm土層有機物質(zhì)積累低。S4處理為免耕，一方面有機物質(zhì)主要積累在0～5 cm土層，另一方面相比S2處理，S4處理秸稈與土壤接觸面積較小，短期內(nèi)對土壤通氣透水性改善較差。S2和S5處理翻耕條件、秸稈添加量均相同，即翻耕20 cm，秸稈添加量10 t·hm-2，但秸稈添加方式不同，S5處理將秸稈燃燒后還田，作物秸稈燃燒會改變其質(zhì)量，秸稈中的SOM受熱后在蒸發(fā)、氧化分解、碳化形成碳黑等過程中會徹底轉(zhuǎn)化形成CO2和水，因此S2處理相比S5處理有機碳含量更高。研究結(jié)果說明耕作條件、秸稈添加的數(shù)量和質(zhì)量均可顯著影響土壤有機碳含量。

土壤團聚體控制土壤結(jié)構(gòu)，是土壤功能和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)[22]。影響土壤團聚體形成的因素包括土地利用方式、田間管理措施、植被覆蓋情況、氣候條件、土壤微生物活動和土壤有機質(zhì)等。前人的研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤團聚體形成，增強團聚體穩(wěn)定性和固碳能力[23]。本研究結(jié)果中，不同秸稈還田方式顯著提高了>2 mm和2～0.25 mm粒級團聚體組分的比例(圖2)，這是因為添加秸稈后，提高了微生物分解能力，促進了土壤微生物對有機質(zhì)的分解利用，分解產(chǎn)生胞外多糖，分解過程中還形成了更多的膠結(jié)物質(zhì)，胞外多糖會促進土壤顆粒與礦物質(zhì)結(jié)合在一起，有利于微團聚體和粉黏粒膠結(jié)形成更大粒徑的大團聚體，使0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒級團聚體的組分比例降低。同時，秸稈還可以通過真菌菌絲體生長分泌出膠結(jié)多糖類物質(zhì)，這一過程使微團聚體粘結(jié)在一起，被菌絲體纏繞形成大團聚體。本研究中，與秸稈不還田處理相比，不同秸稈還田處理顯著提高了土壤>2 mm和2～0.25 mm團聚體內(nèi)有機碳含量(圖3)，主要表現(xiàn)為S2>S1>S4>S5>S3>S0，該結(jié)果與苑亞茹[24]通過不同施肥管理對黑土團聚體有機碳影響和李艷等[25]利用秸稈還田研究連作玉米黑土團聚體有機碳含量結(jié)果相一致，不同的秸稈還田方式在提高團聚體穩(wěn)定性的同時還提高了大團聚體內(nèi)的有機碳含量。

3.2 短期秸稈還田對土壤有機碳的紅外光譜特征的影響

短期秸稈還田顯著提高了農(nóng)田黑土有機碳含量及各粒級團聚體有機碳含量，全土和各粒徑團聚體的紅外光譜圖譜結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。但不同秸稈還田方式和秸稈不還田處理的土壤有機碳骨架基本一致，其在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1相對峰面積可以用來表征不同秸稈還田方式對土壤活性組分和穩(wěn)定性組分有機碳含量的影響。在全土中，與秸稈不還田處理相比，添加秸稈后使各處理在2 920 cm-1處相對峰面積顯著提高，說明秸稈添加處理有利于活性有機碳的積累，在>2 mm和2～0.25 mm團聚體內(nèi)有機碳的波譜特征的變化相一致(圖3)，這是因為添加秸稈處理中，向土壤中輸送的有機物料更多，為活性組分有機碳提供了更豐富的來源，該項結(jié)果與Tivet等[10]通過比較自然草地植被覆蓋下土壤和農(nóng)田土壤在2 920 cm-1和2 850 cm-1處脂肪族吸收峰面積結(jié)果相似。添加秸稈后使1 630 cm-1處的紅外吸收峰相對面積顯著減少，特別是S2處理，減少的最多(76.4%)，該結(jié)果表明施化肥處理有機碳芳香性強，穩(wěn)定性高，添加秸稈后有機碳的芳香性減弱，活性程度提高，可能因為只施化肥的土壤長期缺乏有機物料投入，農(nóng)作物秸稈、作物殘渣及根系分泌物等活性有機物質(zhì)來源匱乏，土壤中絕大部分有機碳以較穩(wěn)定的形式存在。

添加秸稈處理紅外光譜相對峰面積表明在2～0.053 mm團聚體中脂肪族-CH相比只施加化肥處理顯著升高，芳香族C=C顯著降低，其中添加秸稈處理>2 mm和2～0.25 mm粒級團聚體中脂肪碳含量更高，穩(wěn)定的芳香碳趨向于0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒級團聚體中[12]，可能因為微團聚體和粉黏粒組分有機碳主要以腐殖物質(zhì)形式存在，降解程度比大團聚體有機碳低[18]。

3.3 短期秸稈還田對土壤有機碳與紅外光譜特征關(guān)系的影響

不同秸稈還田方式下土壤有機碳與紅外光譜特征相關(guān)分析結(jié)果說明各粒級團聚體有機碳含量與脂肪族、芳香族相對吸收峰面積存在顯著的相關(guān)關(guān)系，水穩(wěn)性團聚體的周轉(zhuǎn)時間隨團聚體粒級減小而增加，在>2 mm和2～0.25 mm團聚體中，脂肪族碳含量高、活性較強，轉(zhuǎn)換速率快，新鮮有機物質(zhì)多、活性結(jié)構(gòu)比例更大，微團聚體中芳香碳含量更高，活性較弱，穩(wěn)定性強，轉(zhuǎn)換速率較慢，這一結(jié)果與Steffens[26]對土壤團聚體分級研究結(jié)果相一致，他們發(fā)現(xiàn)芳香碳所占比例隨土壤團聚體粒徑減小而增加，認為抗分解能力強的芳香碳在土壤小粒徑組分中會選擇性的積累。張福韜等[13]利用紅外光譜研究長期玉米連作下各粒徑團聚體內(nèi)有機碳官能團變化發(fā)現(xiàn)大團聚體含脂肪碳、多糖碳等活性較高的碳，穩(wěn)定的芳香碳則多富集在微團聚體中。這主要是因為無秸稈還田處理外界環(huán)境輸送的有機物質(zhì)少，活性比例較低，而添加秸稈處理向土壤中輸送更多有機物料，促進大團聚體形成，外界進入的新鮮殘體多，有機質(zhì)周轉(zhuǎn)更新快，活性有機碳比例結(jié)構(gòu)大[27]。通過不同秸稈還田方式下各粒徑團聚體有機碳紅外特征官能團主成分分析得到，各粒徑團聚體在2 920 cm-1和1 420 cm-1處代表的脂肪族有機碳含量與PC1呈顯著正相關(guān)系，而1 630 cm-1處代表的芳香族有機碳與PC1呈顯著負相關(guān)關(guān)系，S2處理各粒徑脂肪族有機碳比例最高，這主要是因為S2處理翻耕20 cm，全量秸稈還田，有效提高農(nóng)作物生物量，相比其他秸稈還田方式S2處理增加0～20 cm土層有機物質(zhì)輸入量，Baumanne等[28]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈根系及殘留物等有機物中主要組成部分為烷氧碳，因此添加秸稈處理有利于有機碳的年輕化和簡單化，S2處理脂肪族有機碳比例最高，其次為S1處理，無秸稈添加的S0處理脂肪族有機碳比例最低。芳香碳是難分解有機碳之一，主成分分析結(jié)果說明S0處理下各粒徑團聚體芳香碳比例最高，添加秸稈處理降低芳香碳比例，這可能是因為添加秸稈處理使活性有機碳比例大幅升高，也有可能是因為添加秸稈后土壤微生物活性增強，加速了各粒徑團聚體中芳香碳物質(zhì)的氧化分解。

4 結(jié) 論

與秸稈不還田處理相比，短期的秸稈還田措施可提高表層0～20 cm土壤總有機碳含量、大團聚體的質(zhì)量分數(shù)和固碳能力，并提高團聚體穩(wěn)定性，其中，以翻耕20 cm全量秸稈還田(S2)的效果最佳，其次為翻耕20 cm半量秸稈還田(S1)處理，全量秸稈深還到20～35 cm土層處理和秸稈焚燒后還田(S3和S5)處理的效果較差。

秸稈還田不同程度的提升了各粒徑團聚體內(nèi)脂肪族碳官能團的比例，降低了芳香族碳官能團的比例。全土、>0.25 mm的大團聚體中有機碳含量與脂肪族相對峰面積呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與芳香族相對峰面積呈顯著負相關(guān)關(guān)系；而<0.053 mm的粉黏粒內(nèi)有機碳含量與脂肪族相對峰面積呈顯著負相關(guān)關(guān)系，與芳香族相對峰面積呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說明土壤的大團聚體中主要是結(jié)構(gòu)簡單、易分解組分的碳，而小粒徑的微團聚體中以穩(wěn)定性較強的芳香族碳為主。

短期秸稈還田，特別是翻耕20 cm秸稈全量還田處理，更能促進表層土壤的大團聚體形成，提高土壤有機碳中脂肪族碳的含量，增加團聚體對碳的保護能力，更利于碳的固存和穩(wěn)定。