CO2濃度增加和秸稈還田對(duì)黑土團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

岳婭，薛海清，馮茜，苗歡，苗淑杰，喬云發(fā)

（南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

自工業(yè)革命以來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體排放急劇增加，根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)末大氣CO2濃度將會(huì)達(dá)到1 259.72 mg·m-3[1]。CO2作為影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵環(huán)境因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生理功能都會(huì)產(chǎn)生顯著影響[2]。CO2是光合作用的底物，植物通過(guò)光合作用將大氣中的CO2固定到植物體內(nèi)，又通過(guò)根系分泌物和凋落物等將一部分光合碳輸入到土壤中[3-4]，從而為土壤中的微生物提供碳源和能源。然而有研究表明，大氣CO2濃度升高加快了土壤有機(jī)碳（SOC）的分解速率，從而使更多的CO2被釋放到大氣中[5]。van Groenigen 等[6]結(jié)合原位數(shù)據(jù)分析指出，CO2濃度升高能使土壤中碳的輸入增加19.8%；但是也有些CO2倍增試驗(yàn)的結(jié)果顯示，大氣CO2濃度升高后土壤全碳的含量反而有所降低[7]。van Kessel 等[8]進(jìn)行了10 a 開(kāi)放式大氣CO2濃度倍增試驗(yàn)后，提出高濃度CO2并未使瑞士草地土壤的全碳量有任何改變?？梢?jiàn)，土壤碳庫(kù)對(duì)高CO2濃度的響應(yīng)存在一定的爭(zhēng)議，面對(duì)大氣CO2濃度增加的趨勢(shì)，深入了解SOC的變化規(guī)律，將有利于我國(guó)提出的“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

秸稈還田是實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)土壤可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[9]。秸稈腐解后回歸土壤可以提高SOC 的輸入量，并且輸入大量的易分解碳組分有利于抑制土壤原有有機(jī)碳的礦化分解，從而有望增加SOC 含量[10]。李昌新等[11]通過(guò)近20 a 的連續(xù)定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理比未添加秸稈的對(duì)照處理的SOC 含量增加了30.8%。高洪軍等[12-13]通過(guò)田間定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田能夠顯著提高黑鈣土各粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量，尤其對(duì)＞0.25 mm 大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加的貢獻(xiàn)更大，減少了微團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。劉恩科等[14]經(jīng)過(guò)16 a 對(duì)褐潮土進(jìn)行有機(jī)肥和化肥配施的研究也認(rèn)為，秸稈還田可明顯提高各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，尤其是對(duì)大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加的貢獻(xiàn)更大。這些結(jié)果均表明秸稈還田在提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的同時(shí)，還能顯著提高大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量[15-16]。但是，面對(duì)大氣CO2持續(xù)增加的大背景，秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳含量的影響是否會(huì)受到影響，目前還未見(jiàn)明確報(bào)道。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分[17]，不僅調(diào)節(jié)著土壤微環(huán)境，而且與SOC 儲(chǔ)量和周轉(zhuǎn)關(guān)系緊密。土壤團(tuán)聚體通過(guò)物理作用保護(hù)固持SOC，對(duì)土壤養(yǎng)分以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有決定作用，反之，SOC 又是促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的主要膠結(jié)物質(zhì)[18]。因此，SOC含量是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。有機(jī)碳損失不利于微團(tuán)聚體凝結(jié)成大團(tuán)聚體，同時(shí)還會(huì)使團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱，增加土壤遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)[19]。我國(guó)東北黑土區(qū)作為全球僅有的三大黑土區(qū)之一，是地球上最珍貴的土壤資源[20-21]。但是近年來(lái)，由于受到人類(lèi)掠奪式開(kāi)發(fā)利用的影響，黑土地土層變薄、肥力下降，污染等環(huán)境問(wèn)題突出，這將直接威脅到我國(guó)糧食安全[21]。因此急需找到切實(shí)可行的措施來(lái)提高SOC含量，從而降低黑土區(qū)進(jìn)一步遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有研究主要涉及CO2濃度增加以及秸稈還田單因素對(duì)SOC的影響，而二者交互作用對(duì)黑土團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響鮮有研究，因此，本研究以東北黑土為研究對(duì)象，探究大氣CO2濃度增加背景下，秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體分布特征及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響，以期為穩(wěn)定黑土有機(jī)碳庫(kù)提供可能的技術(shù)措施，并為該地區(qū)土壤質(zhì)量和固碳能力的提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省海倫市中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（47°27′N(xiāo)，126°55′E），地處我國(guó)東北黑土區(qū)的中心。該地地形較為平坦，海拔高度240 m左右，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年四季分明，雨熱同期，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年降水量500～600 mm，其中6—8月的降水量占全年總降水量的近70%，多年平均氣溫在1.5 ℃左右，≥10 ℃的活動(dòng)積溫為2 600～2 800 ℃，年平均無(wú)霜期130 d，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 800 h，年總輻射量466 kJ·cm-2。農(nóng)作物以一年一熟制為主。供試土壤為典型黑土，土壤母質(zhì)為第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)，含有40%的黏土、34%的砂土和26%的粉土，試驗(yàn)前耕層土壤（0～20 cm）有機(jī)碳含量為29.66 g·kg-1，全氮含量為2.08 g·kg-1，全磷含量為0.78 g·kg-1，全鉀含量為21.37 g·kg-1，堿解氮含量為203.39 mg·kg-1，有效磷含量為29.98 mg·kg-1，速效鉀含量為122.61 mg·kg-1，pH為6.05。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

氣候變化長(zhǎng)期定位試驗(yàn)開(kāi)始于2012年5月，試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，分別為對(duì)照（CK）、增加CO2濃度達(dá)1 259.72 mg·m-3（EC）、秸稈還田（ST）、增加CO2濃度并秸稈還田（EC+ST），每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)分布于OTC 開(kāi)頂箱裝置內(nèi)。OTC 為八角形，高3 m，內(nèi)長(zhǎng)1.2 m，體積20 m3。OTC 內(nèi)為田間原位土壤，各小區(qū)間用埋深50 cm 且高出地表10 cm 的PVC 板隔開(kāi)，以阻止小區(qū)間土壤和水分的交叉影響（圖1）。每個(gè)OTC 作為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)平均分為3 部分，其中一部分種植作為秸稈材料的玉米（玉米品種為德美亞1 號(hào)，種植密度為6 株·m-2，每公頃施肥量為尿素174 kg、過(guò)磷酸鈣40.2 kg、硫酸鉀44.8 kg，生長(zhǎng)過(guò)程中的水分依賴于自然降水），剩余兩部分連作大豆（大豆品種為東升2 號(hào)，種植密度為27 株·m-2，每公頃施肥量為尿素63 kg、過(guò)磷酸鈣24.1 kg、硫酸鉀29.8 kg，生長(zhǎng)過(guò)程中的水分依賴于自然降水）。通過(guò)OTC 內(nèi)圈網(wǎng)狀管道向內(nèi)噴射純CO2氣體，CO2排氣管的高度距作物冠層50 cm 左右（根據(jù)作物高度隨時(shí)調(diào)整），并且通過(guò)30 m 深的地下水循環(huán)來(lái)保持OTC 內(nèi)溫度與外界溫度一致。根據(jù)預(yù)設(shè)定的CO2濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)CO2氣體的釋放速度，使作物生育期內(nèi)CO2濃度維持在設(shè)定水平。秸稈為當(dāng)年秋季收獲的該小區(qū)內(nèi)玉米全量秸稈，采用秸稈粉碎機(jī)將秸稈粉碎成3～4 cm 長(zhǎng)度后施入0～20 cm土壤中，并充分混勻。

圖1 試驗(yàn)處理照片F(xiàn)igure 1 Photo of the experimental treatments

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

試驗(yàn)第9 年（2020 年）10 月初采集大豆區(qū)土壤樣品，取樣深度為0～20 cm，用采樣鍬于每個(gè)小區(qū)取樣3份，樣品混合后作為一個(gè)重復(fù)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)陰干，一部分保持從田間采集來(lái)的原樣用于團(tuán)聚體分級(jí)，另一部分磨碎過(guò)0.25 mm 篩用于測(cè)定SOC 含量。采用濕篩法進(jìn)行水穩(wěn)性團(tuán)聚體篩分，將土壤分為5 個(gè)粒級(jí)，分別為＞1、＞0.5～1、＞0.25～0.5、＞0.053～0.25 mm 和≤0.053 mm；采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定SOC含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量（R0.25）計(jì)算公式：

式中：Mr＞0.25為粒徑大于0.25 mm 大團(tuán)聚體的質(zhì)量，g；M為所有團(tuán)聚體的質(zhì)量，g。

平均質(zhì)量直徑（dMW）計(jì)算公式：

式中：Xi是各粒徑下團(tuán)聚體的平均直徑，mm；Wi是與Xi對(duì)應(yīng)的各粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比。

分形維數(shù)（D）計(jì)算公式：

式中：di為相鄰兩粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm；dmax為最大土粒直徑，mm；Wr≤di為粒徑小于等于di的團(tuán)聚體的質(zhì)量，g；W為所有團(tuán)聚體的質(zhì)量，g。

采用Excel 2016 和Origin 2019 處理并制圖，采用SPSS 23.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 總SOC含量

CO2濃度增加和秸稈還田對(duì)總SOC 含量的影響如圖2 所示。CK、EC、ST 和EC+ST 處理中，土壤總SOC 含量分別為31.31、31.30、31.37 g·kg-1和34.40 g·kg-1。與CK 處理相比，EC 處理的總SOC 含量有減少趨勢(shì)，而ST 處理有增加趨勢(shì)，但均未達(dá)到顯著差異水平，而EC+ST 處理使總SOC 顯著增加了3.09 g·kg-1，且比EC和ST處理分別顯著增加3.10 g·kg-1和3.03 g·kg-1（P＜0.05）。

圖2 總SOC含量Figure 2 Total SOC content

2.2 土壤團(tuán)聚體粒徑分布及其穩(wěn)定性

CO2濃度增加和秸稈還田對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響如圖3 所示。在團(tuán)聚體各粒級(jí)中，＞1 mm 大團(tuán)聚體的含量最少，占比為2.41%～8.33%。在ST 處理中，＞0.5～1 mm 大團(tuán)聚體的含量最多，占比為27.44%，而CK、EC 和EC+ST 處理的土壤團(tuán)聚體以≤0.053 mm 微團(tuán)聚體為最多，分別占總量的41.61%、51.08%和34.84%。

圖3 各粒級(jí)團(tuán)聚體組分占比Figure 3 Distribution of various size aggregates

與CK 處理相比，CO2濃度增加情況下EC 處理土壤中＞0.053 mm 各粒級(jí)團(tuán)聚體的占比有減少趨勢(shì)，而≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的占比有增加趨勢(shì)，但均未有顯著差異。與CK 處理相比，ST 處理土壤中＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體的占比顯著增加了14.98個(gè)百分點(diǎn)，而≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的占比顯著減少了12.88 個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），＞1 mm大團(tuán)聚體與＞0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體的占比均有減少趨勢(shì)，＞0.25～0.5 mm 大團(tuán)聚體的占比有增加趨勢(shì)，但均未達(dá)到顯著差異水平。與CK 處理相比，CO2濃度增加后EC+ST 處理增加了大團(tuán)聚體比例，減少了微團(tuán)聚體占比，具體表現(xiàn)為＞1 mm 大團(tuán)聚體和＞0.5～1 mm 大團(tuán)聚體分別顯著增加4.07 個(gè)與8.20 個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），≤0.5 mm 各粒級(jí)團(tuán)聚體均有減少趨勢(shì)，但未達(dá)到顯著差異水平。

由表1 可以看出，與CK 處理相比，EC 處理使得土壤D增加0.06，R0.25和dMW有減少趨勢(shì)，但均未達(dá)到顯著差異水平，ST 處理使土壤的R0.25顯著增加0.14，dMW顯著增加0.08 mm，D顯著減少0.11（P＜0.05），而EC+ST 處理使土壤的dMW顯著增加了0.11 mm，R0.25顯著增加了0.12（P＜0.05），D有減少趨勢(shì)但未達(dá)到顯著差異水平。

表1 不同處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 1 Stability indexes of soil aggregates

R0.25表征土壤結(jié)構(gòu)，dMW表征土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，而D表征土壤松散程度。由表1 分析得出，與CK 處理相比，EC 處理使得土壤結(jié)構(gòu)變差，團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降，松散程度顯著下降；ST 處理使得土壤結(jié)構(gòu)顯著變好，團(tuán)聚體穩(wěn)性顯著提升，松散程度顯著提升；EC+ST處理也可以增加＞0.25 mm 大團(tuán)聚體數(shù)量，顯著增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提升土壤松散程度。同時(shí)還可以看出，增加CO2濃度與秸稈還田的交互作用，不僅可以彌補(bǔ)增加CO2濃度對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的負(fù)面影響，還可以使其穩(wěn)定性維持甚至超過(guò)單獨(dú)秸稈還田的水平，說(shuō)明兩因素之間存在正交互關(guān)系。

2.3 土壤團(tuán)聚體SOC及其對(duì)總SOC的貢獻(xiàn)率

CO2濃度增加與秸稈還田會(huì)對(duì)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC 含量產(chǎn)生影響（表2）。各處理中，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，SOC 含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。與CK 處理相比，EC 處理土壤中＞1 mm 大團(tuán)聚體和＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體的SOC含量有增加趨勢(shì)，＞0.25～0.5 mm大團(tuán)聚體和＞0.053～0.25 mm 微團(tuán)聚體的SOC 含量有減少趨勢(shì)，但均未達(dá)到顯著差異水平，≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC 含量增加了0.66 g·kg-1。與CK 處理相比，ST 處理使＞1 mm 大團(tuán)聚體的SOC 含量增加0.55 g·kg-1，＞0.25～0.5 mm 大團(tuán)聚體的SOC 含量減少1.13 g·kg-1，同時(shí)使得＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體和＞0.053～0.25 mm微團(tuán)聚體的SOC 含量減少，≤0.053 mm 微團(tuán)聚體SOC增加，而EC+ST 處理使得土壤中＞1 mm 大團(tuán)聚體SOC含量顯著減少了3.05 g·kg-1，≤0.053 mm 微團(tuán)聚體SOC 含量顯著增加了1.98 g·kg-1（P＜0.05），同時(shí)使＞0.5～1 mm 大團(tuán)聚體的SOC 含量減少，＞0.25～0.5 mm大團(tuán)聚體和＞0.053～0.25 mm 微團(tuán)聚體的SOC 含量增加，但均未達(dá)到顯著差異水平。

表2 不同處理各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體SOC含量（g·kg-1）Table 2 Content of SOC in soil aggregates（g·kg-1）

CO2濃度增加與秸稈還田會(huì)對(duì)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC 的貢獻(xiàn)率產(chǎn)生影響（圖4）。ST 處理以＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率最高，而CK處理、EC處理與EC+ST 處理中，≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC 對(duì)總SOC的貢獻(xiàn)率最高。

圖4 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率Figure 4 Contribution rate of SOC in different size aggregates

與CK 處理相比，EC 處理使得≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率顯著增加9.14個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），而＞0.053 mm 各粒級(jí)團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率均有減少的趨勢(shì)，但均未有顯著差異。與CK 處理相比，ST 處理使＞0.5～1 mm 大團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著增加14.35個(gè)百分點(diǎn)，使≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著減少10.54 個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），同時(shí)使得＞1 mm 大團(tuán)聚體、＞0.25～0.5 mm 大團(tuán)聚體和＞0.053～0.25 mm 微團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率有減少趨勢(shì)，但均未達(dá)到顯著差異水平。而EC+ST 處理相較于CK 處理，土壤中＞1 mm大團(tuán)聚體和＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率分別增加了3.25個(gè)和6.74個(gè)百分點(diǎn)，＞0.053～0.25 mm 微團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著減少5.82個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），同時(shí)＞0.25～0.5 mm 大團(tuán)聚體和≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC貢獻(xiàn)率均有減少趨勢(shì)，但都未達(dá)顯著差異水平。

3 討論

3.1 SOC對(duì)CO2濃度增加和秸稈還田的響應(yīng)

CO2濃度增加背景下，秸稈還田提高了SOC 含量。單一CO2濃度增加或者秸稈還田對(duì)全土SOC 含量影響不顯著[22]，而兩者交互顯著提高了全土SOC 含量。其中的原因主要有兩個(gè)方面：一是大氣CO2濃度升高會(huì)刺激土壤呼吸[23]，從而削弱土壤SOC 的提高[24]；二是秸稈還田產(chǎn)生的外源有機(jī)碳投入是影響土壤SOC 變化的重要因素，這與董林林等[24]的研究結(jié)果一致，并且土壤微生物群落對(duì)CO2濃度敏感，有利于r生存策略微生物種類(lèi)的生存，微生物自身養(yǎng)分的代謝及其對(duì)土壤有機(jī)物質(zhì)的更新均有利于提高SOC 的含量[25]。另外，CO2濃度增加與秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育全過(guò)程產(chǎn)生影響，進(jìn)而使得地上生物量顯著提高，作物的凋落物與根系分泌物共同影響SOC 含量。然而，單獨(dú)秸稈還田使土壤團(tuán)聚體中＞0.053～1 mm 粒徑的各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC含量顯著減少或有減少趨勢(shì)，而＞1 mm大團(tuán)聚體與≤0.053 mm微團(tuán)聚體中SOC含量顯著增加，Six等[26]和馮秋蘋(píng)等[27]的研究也得到了相同的結(jié)果，因?yàn)榻斩掃€田后，秸稈作為膠結(jié)劑在一定程度上促進(jìn)了＞0.053～1 mm 粒徑間的各粒級(jí)團(tuán)聚體向＞1 mm 大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，微團(tuán)聚體的固碳潛力普遍較低，且易達(dá)到碳飽和，因此新進(jìn)入土壤的SOC 主要儲(chǔ)存在＞1 mm 大團(tuán)聚體中[28]。單獨(dú)秸稈還田時(shí)，總SOC含量沒(méi)有顯著變化，這與前人研究結(jié)果存在差異[29]，推測(cè)是因?yàn)樵诮换ヌ幚碇?，?.053～1 mm 各粒級(jí)團(tuán)聚體SOC 對(duì)總SOC 含量的貢獻(xiàn)率高達(dá)58.66%（圖4），而這部分粒級(jí)的團(tuán)聚體占比顯著降低，從而導(dǎo)致總SOC含量無(wú)顯著變化。也有研究表明[30]，玉米秸稈的輸入對(duì)于SOC含量提升的作用主要發(fā)生在還田后的一年，在長(zhǎng)期試驗(yàn)過(guò)程中，由于秸稈自身較快的分解速率和對(duì)土壤原有SOC 產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)，共同導(dǎo)致SOC 含量無(wú)顯著差異。CO2濃度增加后秸稈還田使得＞0.5 mm 大團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著增加，≤0.5 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著減少，這與吳雪里慧等[31]的研究結(jié)果一致，主要?dú)w因于更多外源碳的輸入使得小團(tuán)聚體受膠結(jié)劑影響轉(zhuǎn)變?yōu)榇髨F(tuán)聚體，從而提高了大團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率。單一增加CO2使得＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體和＞0.25～0.5 mm 大團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著減少，而≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的SOC 貢獻(xiàn)率顯著增加，這與徐喬等[32]的研究結(jié)果一致，這可能與高濃度CO2下輸入土壤的新鮮有機(jī)物多，微生物傾向于利用新碳，將大團(tuán)聚體破碎成小團(tuán)聚體有關(guān)。

3.2 大氣CO2濃度增加和秸稈還田對(duì)黑土團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響

秸稈還田可以彌補(bǔ)CO2濃度增加對(duì)黑土團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的不利影響。本研究中CO2濃度增加使＞0.053 mm 各粒級(jí)團(tuán)聚體占比減少，而使≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的占比增加，從而使得土壤R0.25和dMW減少，土壤D顯著增加的結(jié)果可以支撐這一結(jié)論。這一結(jié)果與徐喬等[32]研究發(fā)現(xiàn)的大氣CO2濃度增加后土壤團(tuán)聚體由大粒級(jí)向小粒級(jí)轉(zhuǎn)變，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低的結(jié)果相一致?？赡艿脑蚴荂O2濃度增加使植物根系愈加發(fā)達(dá)，其穿插作用導(dǎo)致大粒級(jí)團(tuán)聚體破碎分解為小粒級(jí)團(tuán)聚體。秸稈還田后團(tuán)聚體的變化情況恰好相反，總體表現(xiàn)為＞0.25 mm 各粒級(jí)大團(tuán)聚體增多，≤0.25 mm 各粒級(jí)微團(tuán)聚體減少，土壤的R0.25和dMW顯著增加，D顯著降低，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。這與馮秋蘋(píng)等[27]在東北西部半干旱區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果一致：一方面是秸稈施入土壤，提高了SOC含量，SOC 作為主要膠結(jié)物質(zhì)將土壤顆粒和小粒級(jí)團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，進(jìn)而促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成；另一方面秸稈施入過(guò)程中，由于壓實(shí)作用促進(jìn)了一部分大團(tuán)聚體的形成。CO2濃度增加且添加秸稈的處理顯著增加了＞1 mm大團(tuán)聚體和＞0.5～1 mm大團(tuán)聚體的比例，≤0.5 mm 各粒級(jí)微團(tuán)聚體占比均有下降趨勢(shì)，增加了土壤的R0.25和dMW，減少了D，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，這與鄭鳳君等[33]以及Xiao 等[34]的研究結(jié)果一致。這是由于秸稈還田一方面提高了向土壤中輸入的有機(jī)物量，因?yàn)橛袡C(jī)物的含量與土壤穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系[35-36]，從而使得土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)性更好。另一方面是在良好的土壤結(jié)構(gòu)前提下，CO2濃度提升后，微生物群落的活性明顯增加[37]，從而產(chǎn)生更多的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，有機(jī)碳和膠結(jié)物質(zhì)的進(jìn)一步增加，使得土壤中微團(tuán)聚體更易于膠結(jié)，形成更多的大團(tuán)聚體。此外，在CO2濃度增加背景下，秸稈還田不僅彌補(bǔ)了單獨(dú)CO2濃度增加對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響，而且二者表現(xiàn)出對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有明顯的正交互作用。因此，適宜的秸稈還田可以有效改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，并增加SOC含量。

4 結(jié)論

單獨(dú)大氣CO2濃度連續(xù)升高以及單獨(dú)秸稈還田處理9 a后，黑土有機(jī)碳含量并未出現(xiàn)明顯變化，但二者均對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳分布造成影響，具體表現(xiàn)為高濃度CO2增加了≤0.053 mm 微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及其對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，秸稈還田處理增加了＞1 mm 大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，同時(shí)降低了＞0.25～0.5 mm 微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，并使得＞0.5～1 mm 大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率提高，≤0.053 mm 微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率下降。然而，在增加CO2濃度背景下秸稈還田顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，并且其主要來(lái)源于≤0.053 mm 微團(tuán)聚體有機(jī)碳。因此，在未來(lái)大氣CO2濃度增加背景下，秸稈還田對(duì)土壤固碳有積極意義，值得在東北黑土區(qū)推廣。