亞熱帶水田土壤團聚體有機質對長期秸稈還田的響應

徐海靜，柳開樓，郭長城，婁翼來，王義東

（1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室，天津 300387；2.天津師范大學地理與環境科學學院，天津 300387；3.江西省紅壤研究所國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 331717；4.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

土壤有機質（soil organic matter，SOM）作為評價農田土壤質量的關鍵參數，對土壤肥力、作物產量、地球碳循環和全球氣候變化有著不可忽視的影響[1].土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）的固存取決于碳輸入與碳輸出之間的動態平衡[2].農田系統中外源碳輸入不僅受碳投入量的影響，還受到固碳效率的影響；碳輸出則主要為SOC 的礦化[3].土壤團聚體是土壤結構的基本單元，與SOC 相互依存：SOC 作為重要的膠結物質，有利于團聚體的形成；團聚體為SOC 提供物理保護，防止其被微生物分解[4].根據形態和大小，通常將土壤團聚體分為大團聚體（>0.250 mm）和微團聚體（<0.250 mm），進一步可細分為≥2.000 mm、[0.250，2.000）mm、[0.053，0.250）mm 和< 0.053 mm 4 種粒級團聚體，研究不同粒級團聚體的SOC 含量有利于深入了解SOC 的物理保護機制[5].秸稈還田作為農業生產中一種應用廣泛的耕作措施，能夠促進團聚體的形成，增加SOC 含量，改善土壤養分狀況.目前有關秸稈還田的研究主要集中在土壤團聚體及其有機碳含量上，對亞熱帶稻田紅壤固碳效率的研究較少[6].

本研究依托江西省紅壤研究所的長期定位實驗，以稻田紅壤為研究對象，基于濕篩法，利用元素分析儀測定土壤團聚體的碳、氮含量，計算土壤固碳效率，探討常規+秸稈還田處理下土壤團聚體的碳、氮含量和固碳效率，以期為亞熱帶稻田紅壤的固碳培肥及秸稈的合理利用提供科學參考.

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究基地位于江西省進賢縣的江西省紅壤研究所（28°35′24″N，116°17′60″E），地處鄱陽湖流域，屬典型亞熱帶季風氣候，年無霜日289 d，年平均氣溫為18.1 ℃，年平均降水量和年平均蒸發量分別為1 537 mm和1 150 mm，海拔29.65 m.研究區土壤類型為稻田紅壤，主要耕作模式為早稻-晚稻-冬閑.

1981 年實驗開始前，耕層土壤（0～20 cm）的基礎理化性質如下：SOC 含量為16.30 g/kg，土壤pH 值為6.9，總氮（total nitrogen，TN）含量為1.49 g/kg，堿解氮含量為144 mg/kg，總磷含量為0.49 g/kg，速效磷含量為9.50 mg/kg，總鉀含量為10.4 g/kg，速效鉀含量為81.2 mg/kg，土壤容重為1.03 g/cm3.

1.2 研究方法

本研究共設置常規處理和常規+秸稈還田處理2種處理方法，其中常規處理為對照組.

（1）常規處理：對土壤實施常規管理措施，具體為：人工種植早稻和晚稻，在早稻移栽前一周（4 月上旬）和早稻收獲后（7 月下旬）分別旋耕1 次，旋耕深度為15～20 cm.氮、磷、鉀肥分別為尿素（46%N）、過磷酸鈣（16%P2O5）和氯化鉀（60%K2O），每季N、P2O5和K2O 的施用量分別為90、75 和45 kg/hm2.其中，磷肥作為基肥一次性施入土壤，氮肥和鉀肥均以3 ∶7 的基追比分2 次施入土壤.水稻收獲后記錄稻谷的產量，并將水稻秸稈全部清除出稻田.

（2）常規+秸稈還田處理：常規管理措施+秸稈還田，具體措施為：在常規處理的基礎上，每季以4 500 kg/hm2（鮮重）的水稻秸稈量進行還田.其中，水稻秸稈的含水量為6%，風干后水稻秸稈的C、N 含量分別為410 g/kg、3.3 g/kg.

每種處理方法設3 次重復，小區面積為46.67 m2，為了防止各小區之間串水串肥，分別用水泥埂進行分隔，水稻品種每5 年更換一次.所有小區的播種、移栽、灌溉和打藥等田間管理措施均與當地農民的習慣保持一致.

1.3 樣品采集與分析

2017 年11 月晚稻收獲后采集土壤樣品，按照“S”型五點取樣法，在每個小區內采集0～20 cm 深度的土樣.將土樣混合均勻后裝入密封袋中全部帶回實驗室，放置在通風且陰涼的地方自然風干.在風干過程中去除土壤樣品中植物的碎屑、根系和小石塊等雜質，風干后的土樣保存備用.

采用濕篩法對團聚體進行分組[7]：第一步，稱取100 g 風干土樣，將其平均分成4 份后分別平鋪在土壤套篩（孔徑大小分別為2.000、0.250 和0.053 mm）的上端，然后將套篩放置在土壤團聚體分析儀（XY-100 型，北京祥宇偉業儀器設備公司）的鐵桶中浸泡5 min，隨后以50 次/min 的頻率（振幅3 cm）上下來回振蕩6 min；第二步，取出套篩，用去離子水將留在每個網篩上的土樣依次沖洗到鋁盒中，60 ℃烘干至恒重，從而獲得≥2.000 mm、[0.250，2.000）mm 和[0.053，0.250）mm 3 個粒級團聚體；第三步，在桶內加入25 mL CaCl2（0.25 mol/L），靜置過夜，采用虹吸的方式排出上清液，然后用去離子水將底部沉淀的土樣沖洗到鋁盒中并烘干（60 ℃）至恒重，得到<0.053 mm 粒級團聚體；第四步，分別稱取4 個粒級團聚體的質量，計算各級團聚體的質量占比.使用元素分析儀（2400 Ⅱ型，美國PerkinElmer 公司）測定各級團聚體的SOC 和TN 含量.

1.4 土壤團聚體穩定性指標

土壤團聚體穩定性指標包括粒徑大于0.25 mm 粒級團聚體的質量占比（WSA0.25）、平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）和分形維數（fractal dimension，D）.穩定性指標和各級團聚體養分貢獻率的計算公式為[8]

式中：Wa>0.25為粒徑大于0.25 mm 的團聚體的質量占比；ri為第i 級團聚體的平均粒徑，mm；Wi為第i 級團聚體的質量占比，%；n 為總粒級數量，n =4；W（a

1.5 SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率

SOC 固存量的計算公式為[9]

式中：St為2017 年各處理的SOC 儲量，t/hm2；Csoc為耕層土壤的SOC 含量，g/kg；BD 為土壤容重，g/cm3（常規處理，1.05 g/cm3；常規+秸稈還田處理，1.04 g/cm3）；H為耕層的深度，為20 cm；ΔSt為37 a 不同處理下SOC的固存量，t/hm2；S0為1981 年初始SOC 儲量，t/hm2.

累積碳投入量的計算公式為[10]

式中：Cinput-root為37 a 累積根碳投入量，t/hm2；ERshoot為37 a 早稻地上總生物量，t/hm2；LRshoot為37 a 晚稻地上總生物量，t/hm2；Wroot為水稻地上部分的含水率，為14%，Rroot/shoot為水稻根年均生物量與地上總年均生物量的平均比，為0.087；Croot為風干后水稻根的碳質量濃度，為41%；0.673 為水稻根際沉積與水稻根的生物量比值[11]；Cinput-straw為37 a 累積秸稈碳投入量，t/hm2；Istraw為每年秸稈的添加量，t/hm2（常規+ 秸稈還田處理，4.5 t/hm2；常規處理，0）；Wstraw為新鮮秸稈的含水率，為6%；Cstraw為風干后秸稈的碳濃度，為410 g/kg；Cinput-total為37 a累積碳投入量，t/hm2.

固碳效率（carbon sequestration efficiency，CSE）的計算方法如下[12]

1.6 數據處理

利用Excel 2016 統計并處理原始數據，利用SPSS 18.0 進行單因素方差分析（one-way ANOVA），通過Tukey 多重比較法和獨立樣本T 檢驗（independentsamples T Test）來檢驗數據的差異是否具有統計學意義（P<0.05），應用Origin 2018 軟件繪圖.

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體分布

2 種處理下稻田土壤各級團聚體的質量占比和土壤穩定性指標分別如圖1 和圖2 所示.

圖1 2 種處理下稻田土壤團聚體的質量占比Fig.1 Mass proportion of soil aggregates under two treatments in the paddy fields

圖2 2 種處理下稻田土壤團聚體穩定性指標Fig.2 Stability indices of soil aggregates under two treatments in the paddy fields

由圖1 可知，2 種處理下，相同粒級團聚體質量占比之間的差異不具有統計學意義.從各級團聚體的整體組成情況來看，不同處理下的土壤團聚體粒級組成特征保持一致，具體表現為：[0.250，2.000）mm 粒級團聚體的質量占比（常規處理：40.64%，常規+秸稈還田處理：47.04%）顯著高于其他3 個粒級團聚體，且其他3 個粒級團聚體之間的差異不具有統計學意義.由圖2可以看出，2 種處理下，相同土壤團聚體穩定性指標（WSA0.25、MWD、GMD 和D）之間的差異不具有統計學意義.

2.2 土壤有機碳、總氮含量與C/N

2 種處理下稻田土壤的有機碳含量、總氮含量和C/N 如圖3 所示.

圖3 2 種處理下稻田土壤的有機碳、總氮含量和碳氮比Fig.3 SOC content，TN content，and C/N under two treatments in the paddy fields

由圖3（a）可以看出，與1981 年SOC 初始含量（16.30 g/kg）相比，37 a 常規處理和常規+秸稈還田處理后全土中SOC 含量分別顯著提高了26.70%和43.91%.常規+秸稈還田處理下全土SOC 含量比常規處理的數值高13.60%，但2 種處理下相同粒級團聚體SOC 含量之間的差異不具有統計學意義.由圖3（b）可知，常規+秸稈還田處理下全土的TN 含量比常規處理的數值高10.17%，但2 種處理下相同粒級團聚體的TN 含量之間的差異不具有統計學意義.由圖3（c）可以看出，2 種處理下，相同粒級團聚體C/N 之間的差異不具有統計學意義.整體上，2 種處理下，≥2.000 mm 粒級團聚體的C/N 顯著高于其他3 個粒級團聚體的數值，且其他3 個粒級團聚體C/N 之間的差異不具有統計學意義.

各級團聚體有機碳和總氮的貢獻率如圖4 所示.由圖4 可以看出，除[0.250，2.000）mm 團聚體TN 的貢獻率外，不同處理下相同粒級團聚體的SOC、TN 貢獻率之間的差異均不具有統計學意義.總體上，2 種處理下土壤各級團聚體SOC 和TN 貢獻率的分布規律基本一致，具體表現為：[0.250，2.000）mm 粒級團聚體的SOC 和TN 貢獻率均顯著高于其他3 個粒級團聚體的數值.

圖4 2 種處理下不同粒級團聚體中土壤有機碳、總氮的貢獻率Fig.4 Contribution rates of SOC and TN in different aggregate sizes under two treatments

2.3 土壤有機碳儲量與累積碳投入量

研究期間2 種處理下土壤的SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率如表1 所示.由表1 可以看出，與SOC 儲量初始值（33.58 t/hm2）相比，37 a 常規處理和常規+秸稈還田處理后土壤的SOC 儲量均顯著增加.研究期間常規+秸稈還田處理后土壤的SOC 儲量和SOC 固存量分別比常規處理后的數值高12.50%和55.37%.37 a 常規+秸稈還田處理后土壤的累積碳投入量比常規處理的數值高216.76%，但2 種處理方法之間累積根碳投入量的差異不具有統計學意義.常規+秸稈還田處理后土壤的固碳效率比常規處理的數值低50.85%.此外，常規+秸稈還田處理后土壤的累積秸稈碳投入量比累積根碳投入量高116.76%.

表1 2 種處理的SOC 固存量、累積碳投入量和固碳效率Tab.1 SOC sequestration amount，cumulative carbon input amount，and carbon sequestration efficiency of two treatments

3 討論

本研究顯示，經過37 a 不同處理，稻田紅壤均以[0.250，2.000）mm 粒級團聚體為主，其質量占比（40.64%～47.04%）顯著高于其他3 個團聚體組分，這主要歸因于氮、磷、鉀肥及根茬的投入.與常規處理相比，常規+秸稈還田處理對土壤團聚體的分布和土壤團聚體穩定性指標（WSA0.25、MWD、GMD 和D）均無顯著影響，這與前人的研究結果一致[10]，主要與頻繁的耕作和干濕交替有關[9].與實驗初始值相比，常規處理和常規+秸稈還田處理37 a 后，全土的SOC 含量均顯著增加，這表明2 種處理均可以增加SOC 含量，這與Tang等[13]的研究結果一致.同時，常規+秸稈還田處理后SOC 的含量比常規處理的數值高，這表明常規+秸稈還田處理對SOC 含量的提升效果比常規處理更好，主要原因是：①秸稈還田直接增加了碳投入；②秸稈的投入直接影響土壤中的營養成分含量，從而改變了土壤中酶和微生物活性以及植物根系活動，使土壤產生更多有機代謝物質；③秸稈還田有利于土壤礦物基質、金屬氧化物與有機分子形成有機-礦物復合體[14].相同粒級團聚體不同處理間的SOC 含量無顯著差異，其原因與SOC 在團聚體中的進一步稀釋有關.但Wang等[15]和毛霞麗等[16]的研究結果卻表明常規+秸稈還田處理下各級團聚體的SOC 含量比常規處理的數值高，這與本研究結果存在差異，可能是不同SOC 初始水平和實驗年限造成的[17-18].另外，除[0.250，2.000）mm 粒級團聚體TN 的貢獻率外，與常規處理相比，常規+秸稈還田處理對各團聚體組分的SOC、TN 含量及其貢獻率均沒有顯著影響，這表明碳、氮的固存具有協同作用.

與1981 年初始水平相比，2 種處理后土壤的SOC儲量均顯著增加，常規+秸稈還田處理的SOC 儲量顯著高于常規處理的數值（表1），這與Guo 等[19]和Zhao等[12]的研究結果一致.同時，這也與本研究中全土SOC含量的變化規律一致（圖3）.常規處理的累積碳投入量主要來自水稻根茬及其分泌物，常規+秸稈還田處理中累積碳投入量主要來自水稻秸稈、根茬及其分泌物.本研究中，常規+秸稈還田處理下SOC 的固存量和累積碳投入量比常規處理的值高，但固碳效率卻相反，主要原因為：①秸稈和化肥配施為微生物提供了適宜的環境，提高了微生物的數量和活性，促進了新產生的和原有的SOC 的分解[20]；②外源碳的來源（秸稈、根系和根際沉積）影響SOC 的分解速率，其中根碳更容易受到土壤的物理化學保護，進而更容易固存[21].Poeplau等[22]和Mendez-Millan 等[23]的研究結果也分別證實了根比莖、秸稈更有利于SOC 的固存.此外，本研究中常規處理和常規+秸稈還田處理的固碳效率分別為33.03%和16.23%，這與杭州（21%）[9]、烏魯木齊（26.7%）[24]和貴陽（26.62%）[25]的固碳效率相當，且在蔡岸冬[16]提出的固碳效率理論值的范圍內；鄭州市（6.9%）和北京市（7.7%）的固碳效率遠遠低于本研究結果[24]，這是土壤屬性、氣候、實驗年限以及SOC 初始水平等多種因素共同作用的結果[3，16].

4 結論

本研究基于江西省紅壤研究所的長期定位實驗，以稻田紅壤為研究對象，采用濕篩法對其進行團聚體分組，探討了土壤團聚體碳、氮含量和土壤固碳效率對常規+秸稈還田處理的響應.主要結論如下：

（1）亞熱帶稻田紅壤37 a 常規處理與常規+秸稈還田處理后均以[0.250，2.000）mm 粒級團聚體為主.與常規處理相比，常規+秸稈還田處理對土壤團聚體的分布和穩定性指標均沒有顯著影響.

（2）2 種處理中，[0.250，2.000）mm 粒級團聚體碳氮含量均比其他3 個團聚體組分的值高，這表明該粒級主要調節SOC 和TN 含量.與常規處理相比，常規+秸稈還田處理后全土的SOC 和TN 含量顯著增加，但各級團聚體的SOC 含量和TN 含量沒有顯著變化.另外，相較于常規處理，常規+秸稈還田處理的SOC 固存量和累積碳投入量均顯著提高，但固碳效率顯著降低.