曹彬彬，朱熠輝，姜禹含，師江瀾，田霄鴻

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）

0 引言

【研究意義】土壤碳庫(kù)是地球上最大的碳庫(kù)，約含 3 500—4 800 Pg C，分別是大氣和植被碳庫(kù)的 4 倍和8倍[1]。土壤碳庫(kù)包括約62%的土壤有機(jī)碳（SOC）和 38%的土壤無(wú)機(jī)碳（SIC），兩種碳庫(kù)對(duì)全球碳循環(huán)和氣候變化均具有重要影響[2]。由于SOC在維持土壤質(zhì)量、作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，它一直是眾多研究關(guān)注的重點(diǎn)，而對(duì)SIC關(guān)注相對(duì)較少[3-4]。在干旱半干旱地區(qū)，SIC儲(chǔ)量往往是SOC儲(chǔ)量的2—10倍，而且SIC在固碳和減緩氣候變化方面也具有巨大潛力[5-6]。因此，研究農(nóng)田管理措施對(duì)土壤碳固持的影響時(shí)，很有必要同時(shí)考慮這些措施對(duì)SOC和SIC兩者的影響。我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年會(huì)產(chǎn)生10.4億噸以上的作物秸稈[7]，秸稈就地還田具有培肥地力、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等多方面的意義[8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈等有機(jī)物料輸入農(nóng)田土壤的多寡及其隨后的降解過(guò)程所產(chǎn)生的物質(zhì)循環(huán)，會(huì)決定SOC固持的方向及程度[9-10]。秸稈還田后既通過(guò)激發(fā)效應(yīng)對(duì)原SOC的礦化產(chǎn)生顯著影響[11]，同時(shí)秸稈自身腐解時(shí)也會(huì)新形成SOC，不過(guò)LI等[12]研究發(fā)現(xiàn)大部分秸稈碳最終會(huì)被礦化成 CO2釋放到大氣中。因此，原 SOC的礦化與新形成SOC之間的盈虧關(guān)系決定了SOC凈固持量[13]。另外，SOC固持受到很多因素影響，其中土壤性質(zhì)尤其是原 SOC含量的高低可能會(huì)起重要作用。KEITH等[14]認(rèn)為SOC固持能力可能隨著原SOC含量增加而增加；而 KIRKBY等[15]則發(fā)現(xiàn)初始 SOC含量越高，其產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng)（priming effect，PE）會(huì)越強(qiáng)烈，SOC固持效率越低。同時(shí)農(nóng)田土壤 SOC與SIC在一定條件下是可以相互作用和相互轉(zhuǎn)化的：SOC→CO2→HCO3-(aq)→CaCO3(s)[16]，具體表現(xiàn)為SOC通過(guò)降解釋放出的CO2能轉(zhuǎn)化成SIC被固存下來(lái)；反之，含鈣物質(zhì)（石灰（CaO）、石灰石（CaCO3）、白云石（CaMg(CO3)2））的投入在提高SIC含量的同時(shí)，可能會(huì)通過(guò)對(duì)土壤pH、微生物活性的影響，最終對(duì)SOC含量起到增加或降低的作用[17-18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】由于在有關(guān)SOC固持與初始SOC含量之間關(guān)系的研究中添加的外源物料及土壤本身性質(zhì)的不同，造成結(jié)果之間產(chǎn)生很大差異，使得原SOC含量與SOC固持之間的關(guān)系尚未明確。因此有必要采用土壤原SOC含量不同的同一類(lèi)型土壤來(lái)探討秸稈添加對(duì)其土壤固碳潛力的影響。同時(shí)，目前大多數(shù)研究為了提高土壤的固碳潛力，往往通過(guò)長(zhǎng)期秸稈還田配施其他外源物料來(lái)實(shí)現(xiàn)[19-21]，但是關(guān)注點(diǎn)往往僅在SOC固持方面。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】假設(shè)在秸稈還田條件下，添加外源含鈣物質(zhì)會(huì)降低土壤CO2的釋放，促進(jìn)SIC的形成，同時(shí)提高SOC含量。因此，本研究采用長(zhǎng)期秸稈還田量和氮肥施用量差異很大的兩個(gè)供試土壤樣品，通過(guò)室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)研究添加鈣源和秸稈時(shí)土壤CO2、SIC及SOC的特征，旨在揭示秸稈與外源含鈣物質(zhì)配合添加對(duì)土壤原 SOC礦化及秸稈腐解產(chǎn)生的影響，并量化對(duì)新形成SOC及SIC的貢獻(xiàn)，以期為農(nóng)田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

本研究中使用的供試土壤樣品采自西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站進(jìn)行不同有機(jī)物料和礦質(zhì)氮管理的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地，土壤類(lèi)型屬于土（旱耕土墊人為土），采用冬小麥-夏休閑的種植制度。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)起始于2002年，近20年中采用不同的有機(jī)物料投入量和氮肥施用量，共包含9個(gè)田間處理，本研究選擇其中碳氮投入差異很大的2個(gè)田間處理，在本文中分別稱(chēng)為S0N0土壤：不進(jìn)行秸稈還田（S0）+不施用氮肥（N0），具體為在 2002—2017年間均不投入小麥秸稈和化學(xué)氮肥；S1N1土壤：高量秸稈還田（S1）+施氮肥（N1），具體為2002—2016年進(jìn)行小麥秸稈覆蓋還田，每年覆蓋量為 4 500 kg·hm-2；2016—2017 年進(jìn)行小麥秸稈高量還田，每年秸稈還田量約為 15 000 kg·hm-2；2002—2017 年每年施氮量均為 240 kg·hm-2。

在2018年夏休閑時(shí)期，從上述兩個(gè)田間處理的土壤耕層（0—20 cm）采集試驗(yàn)所用的土壤樣品，自然風(fēng)干后分為兩部分，一部分用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)；剩余樣品除去可見(jiàn)的石塊和植物殘?bào)w，研磨過(guò) 2 mm篩后用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。

室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)所用的玉米秸稈采自西北農(nóng)林科技大學(xué)斗口試驗(yàn)站，玉米植株成熟后將整株采回，將其地上部分（不包括穗部）在75℃下烘干粉碎至約 2 mm 長(zhǎng)，備用。供試玉米秸稈含碳量為430.6 g·kg-1，含氮量為 5.6 g·kg-1。本研究采用13C穩(wěn)定同位素技術(shù)，選取的S0N0土壤（δ13C=-24.5‰）和 S1N1土壤（δ13C=-25.1‰）均為種植小麥（C3作物）超過(guò)10年的耕層土壤，將該土壤定義為C3土壤。在該土壤中添加玉米秸稈（C4作物；δ13C=-14.088‰），由于同位素分餾作用使 C3土壤和 C4植物體的 δ13C差異很大，能夠通過(guò)13C穩(wěn)定同位素技術(shù)區(qū)分碳的來(lái)源[21-23]。

本試驗(yàn)采用的石灰為實(shí)驗(yàn)室分析用劑氧化鈣（分析純；CaO含量≥97%）。

供試土壤樣品的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 培養(yǎng)前兩個(gè)供試土壤樣品的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the two soils before incubation

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

本試驗(yàn)采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，共有3個(gè)研究因素，分別為土壤碳氮水平（S0N0土壤；S1N1土壤）、玉米秸稈（M0：不添加玉米秸稈；M1：添加玉米秸稈）和石灰（L0：不添加石灰；L1：添加石灰），共組成8個(gè)處理，表示為S0N0M0L0、S0N0M0L1、S0N0M1L0、S0N0M1L1、S1N1M0L0、S1N1M0L1、S1N1M1L0、S1N1M1L1，重復(fù)3次。其中玉米秸稈添加量為12 g·kg-1土，石灰用量為3 g·kg-1土。所有處理添加等量的氮磷肥，以補(bǔ)充秸稈腐解過(guò)程中所需N、P量，使秸稈的腐解情況達(dá)到理想的狀態(tài)。

將250 g土壤（干重）置于1 L的培養(yǎng)罐中進(jìn)行培養(yǎng)，將玉米秸稈和石灰分別按照不同處理與 250 g土壤充分混勻，氮磷肥溶于蒸餾水后以溶液的形式加入，同時(shí)用蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的70%；隨后將裝有 20 mL 的 1 mol·L-1NaOH 溶液的小塑料瓶懸掛于培養(yǎng)罐中加蓋密封后放置于恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行隨機(jī)排列。在25℃恒溫的黑暗條件中培養(yǎng)120 d。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

為了測(cè)定土壤CO2的釋放量，在培養(yǎng)的第2、3、4、8、7、9、12、16、21、26、37、48、64、84、104和 120 d，取下裝有的已吸收 CO2的 20 mL 1 mol·L-1NaOH 溶液的小塑料瓶，用 20 mL 的 0.5 mol·L-1的BaCl2對(duì)吸收CO2的NaOH溶液進(jìn)行沉淀，將酚酞作為指示劑，用0.5 mol·L-1的HCl進(jìn)行反滴定，測(cè)定土壤CO2的釋放量[24]。試驗(yàn)期間打開(kāi)培養(yǎng)罐通氣以保證氣體交換。每次CO2測(cè)定結(jié)束后，更換NaOH溶液并進(jìn)入下一個(gè)培養(yǎng)時(shí)期。

培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，將培養(yǎng)罐中的土壤樣品風(fēng)干后測(cè)定SOC、SIC及SOC的δ13C值等指標(biāo)。

SOC采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定[25]；土壤碳酸鈣采用氣量法進(jìn)行測(cè)定[25]；玉米秸稈的δ13C值直接采用元素分析-同位素質(zhì)譜儀（Delta plus, Finnigan MAT, Bremen, Germany）進(jìn)行測(cè)定；土壤樣品則先用HCl溶液進(jìn)行預(yù)處理，除去土壤無(wú)機(jī)碳，烘干，磨細(xì)至＜0.105 mm 再采用元素分析-同位素比質(zhì)譜儀（Delta plus, Finnigan MAT, Bremen, Germany）測(cè)定其中SOC的δ13C，計(jì)算公式如下：

1.4 計(jì)算方法

（1）根據(jù)培養(yǎng)前后土壤及秸稈的δ13C值，采用下列公式計(jì)算培養(yǎng)結(jié)束后土壤中來(lái)源于秸稈的有機(jī)碳（New OC）和土壤原有機(jī)碳（Native SOC）的含量：

式中，δ13Cstraw表示秸稈的δ13C值；δ13Cbefore表示培養(yǎng)前土壤的δ13C值；δ13Cafter表示培養(yǎng)結(jié)束后土壤SOC的δ13C值；fnew表示培養(yǎng)結(jié)束后SOC中源自秸稈碳的比例；Ctotal表示培養(yǎng)結(jié)束后SOC含量；New OC表示培養(yǎng)結(jié)束后土壤中源自秸稈的碳量；Native SOC表示培養(yǎng)結(jié)束后土壤中原土壤有機(jī)碳量。

（2） SOC 凈固持量(mg·kg-1)=最終 SOC-初始SOC。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本研究的原始數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007 進(jìn)行整理計(jì)算，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示均為具有標(biāo)準(zhǔn)誤差的3次重復(fù)的平均值。使用DPS V7.05專(zhuān)業(yè)版軟件對(duì)SIC、SOC采用三因素方差分析（Three-way ANOVA）進(jìn)行F檢驗(yàn)后，進(jìn)行多重比較（最小顯著差法LSD），比較不同處理間在P＜0.05水平的顯著性差異；使用 Excel 2010軟件和Sigmaplot 12.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤CO2釋放速率及累積釋放量的變化

在培養(yǎng)期間，添加秸稈后的 S0N0土壤和 S1N1土壤的CO2釋放速率均高于不添加秸稈。在培養(yǎng)的第2天，未添加石灰的處理均達(dá)到土壤CO2釋放速率的高峰，之后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)釋放速率開(kāi)始降低。同時(shí)，無(wú)論添加秸稈與否，S1N1土壤CO2釋放速率始終高于S0N0土壤。未添加秸稈時(shí)，加入石灰使CO2釋放速率降低，S0N0土壤培養(yǎng)到第3天達(dá)到CO2釋放速率的頂峰，而S1N1土壤則在第16天達(dá)到CO2釋放速率的最大值。然而，同時(shí)添加秸稈和石灰時(shí) S0N0土壤CO2釋放速率的頂峰晚于S1N1土壤2 d。與單獨(dú)添加秸稈相比，秸稈與石灰配施使 S0N0土壤和 S1N1土壤的CO2釋放速率分別降低了18%和20%。因此，無(wú)論添加秸稈與否，石灰的加入均降低了土壤CO2釋放速率（圖1-a）。

培養(yǎng)期間土壤CO2累積釋放量受到培養(yǎng)時(shí)間、土壤碳氮水平、秸稈和石灰添加的主效應(yīng)的顯著影響（表2）。在不添加秸稈時(shí)，S1N1土壤CO2累積釋放量始終高于S0N0土壤；添加秸稈增加了S0N0土壤和S1N1土壤的CO2累積釋放量，同時(shí)S1N1土壤的CO2累積釋放量仍高于S0N0土壤（圖1-b，表3），并且均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。不管添加秸稈與否，石灰的加入均顯著降低了土壤CO2累積釋放量（表3），使S0N0土壤和S1N1土壤CO2累積釋放量分別降低了19.9%和18.2%（圖1-b）。

表2 培養(yǎng)時(shí)間作為因素對(duì)CO2累積釋放量進(jìn)行四因素重復(fù)測(cè)量方差分析Table 2 Four-way repeated measure ANOVA with incubation time as factor for cumulative CO2 release

圖1 不同處理土壤CO2釋放速率（a）和CO2累積釋放量（b）Fig. 1 Soil CO2 emission rate (a), cumulative CO2 emission (b) under different treatments

2.2 土壤 SOC含量及凈固持量、新形成 SOC和 SIC含量的變化

本研究中，SOC含量受到土壤碳氮水平、秸稈及石灰添加的交互效應(yīng)的顯著影響。首先，在不添加任何外源物料的情況下，S1N1土壤的SOC含量高于S0N0土壤的 69.7%（圖 2）。與不添加秸稈相比，添加秸稈使 S0N0土壤和 S1N1土壤的 SOC含量分別提高了2.95 和 3.19 g·kg-1（圖 2）；同時(shí)，S1N1土壤在添加秸稈后SOC含量仍高于S0N0土壤。但是，石灰的加入對(duì)土壤SOC含量的影響甚微（表3）。在秸稈還田條件下，添加石灰較不添加石灰相比使 S1N1土壤 SOC含量顯著降低了8.71%；而對(duì)S0N0土壤SOC含量影響不顯著（圖2）。

表3 秸稈和石灰的添加對(duì)CO2排放量、SOC、SIC的影響Table 3 Effects of straw and lime amendment on cumulative CO2 emission, SOC and SIC

圖2 不同處理下土壤有機(jī)碳（SOC）含量的差異Fig. 2 Difference of SOC content under different treatments

δ13C值的變化可以計(jì)算出土壤原 SOC和新形成的SOC在總SOC中所占比例。由表4可以看出，在不添加任何外源物料情況下，S0N0土壤 SOC的 δ13C值高于S1N1土壤的6.9%。當(dāng)添加C4玉米秸稈后，SOC的δ13C值均有增加的趨勢(shì)。通過(guò)13C質(zhì)量守恒定律計(jì)算可得土壤原SOC和新形成的SOC在分解期間對(duì)總SOC的貢獻(xiàn)比例及貢獻(xiàn)量的變化情況，添加秸稈在S0N0土壤和S1N1土壤中均會(huì)新形成SOC；同時(shí)，S0N0土壤中新形成的SOC含量高出S1N1土壤0.77 g·kg-1。在添加秸稈時(shí)，加入石灰對(duì)土壤新形成SOC含量沒(méi)有顯著影響。

本研究中，添加秸稈使S0N0土壤和S1N1土壤的 SOC凈固持量分別增加了 3 066.3和 2 480.53 mg·kg-1，有利于土壤有機(jī)碳的固持。無(wú)論添加秸稈與否，在S0N0土壤中，石灰的加入對(duì)SOC凈固持量無(wú)顯著影響；但是在 S1N1土壤中添加秸稈時(shí)，石灰的加入則使土壤 SOC凈固持量顯著降低了55%（圖3）。

表4 不同處理下土壤新碳的形成及原有土壤有機(jī)碳的分解的差異Table 4 Differences between soil straw-derived organic carbon formation and decomposition of native organic carbon under different treatments

圖3 不同處理對(duì)SOC凈固持量的影響Fig. 3 Differences between soil organic carbon net sequestrations under different treatments

對(duì)于SIC而言，培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束后，土壤碳氮水平和石灰的主效應(yīng)對(duì)SIC含量的影響顯著。S1N1土壤的SIC含量低于S0N0土壤的7.3%。添加秸稈對(duì)土壤S0N0土壤和S1N1土壤的SIC含量在均無(wú)顯著影響。但是無(wú)論添加秸稈與否，石灰的加入均顯著提高了S0N0土壤和S1N1土壤的SIC含量（表3）。與單獨(dú)添加秸稈相比，秸稈和石灰添加下 S0N0土壤和 S1N1土壤的 SIC分別增加了7.4%和7.6%（圖4，表3）。

3 討論

3.1 秸稈和石灰添加對(duì)不同土壤CO2釋放量的影響

本研究表明，未添加任何外源物料時(shí)，S1N1土壤與S0N0土壤的CO2累積釋放量之間存在顯著差異，前者比后者高出 42.9%（圖 1），說(shuō)明土壤基礎(chǔ)呼吸的強(qiáng)弱高度依賴(lài)于初始SOC含量，因?yàn)镾1N1土壤能夠?yàn)槲⑸锾峁M(mǎn)足生長(zhǎng)代謝的碳氮等養(yǎng)分，土壤微生物活性更高，此前眾多研究也有類(lèi)似結(jié)論[14,27-28]。

當(dāng)土壤中添加等量秸稈之后，與對(duì)照土壤相比，S0N0土壤和 S1N1土壤的 CO2釋放速率和累積釋放量均顯著增加。但是，S0N0土壤CO2累積釋放量的增加幅度高于S1N1土壤（圖1）。這說(shuō)明相對(duì)于S1N1土壤，添加的秸稈對(duì)初始SOC含量低的土壤的原SOC的礦化影響更大。主要原因可能是，無(wú)論對(duì)于哪種土壤，添加秸稈均會(huì)促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)及酶活性大幅增加，從而“激發(fā)”原SOC的分解即發(fā)生正激發(fā)效應(yīng)，一般來(lái)說(shuō)，惰性有機(jī)碳成分含量低的秸稈等外源物料均表現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng)[29]。本研究中 S0N0土壤與 S1N1土壤的表觀(guān)激發(fā)效應(yīng)分別為 3 192、3 088 mg·kg-1；二者相差很小，但是S0N0土壤產(chǎn)生了相對(duì)更高的PE值，這可能與“化學(xué)計(jì)量學(xué)（stoichiometric decomposition）”策略和“微生物氮挖掘（microbial N-mining）”策略有關(guān)：由于土壤微生物的生長(zhǎng)本身存在固定的碳氮養(yǎng)分需求，如果土壤環(huán)境中的碳氮能夠滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)代謝所需養(yǎng)分時(shí)，微生物的活性最高，對(duì)外源有機(jī)物料的分解速率最大。相反，在氮的有效性較低的條件下，微生物則會(huì)通過(guò)分解惰性的有機(jī)質(zhì)來(lái)獲取需要的氮源[30]。因此在本研究中由于S0N0土壤本身能被微生物利用的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量更少，同時(shí)本研究中未額外添加外源氮素等養(yǎng)分，土壤本身養(yǎng)分會(huì)以較快速率耗竭，此時(shí)土壤微生物中K-策略菌起主導(dǎo)作用，添加秸稈則會(huì)刺激 K-策略菌更傾向于去分解利用更為惰性的原 SOC中的養(yǎng)分，來(lái)滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)，從而加速原 SOC的礦化，產(chǎn)生更大的正激發(fā)效應(yīng)[31-32]。而S1N1土壤中的碳氮養(yǎng)分充足，能夠滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)所需，此時(shí)土壤中 r-策略菌開(kāi)始起主導(dǎo)作用，添加秸稈后該類(lèi)微生物優(yōu)先利用外源投入的秸稈，對(duì)其進(jìn)行分解利用[28,33-34]，而減少對(duì)原SOC的分解。因此添加秸稈后，初始SOC含量低的土壤會(huì)產(chǎn)生更高的PE。

圖4 不同處理下土壤無(wú)機(jī)碳（SIC）含量的差異Fig. 4 Difference of SIC content under different treatments

在土壤中僅添加石灰而不添加秸稈時(shí)，會(huì)導(dǎo)致土壤CO2釋放量的降低，在S0N0土壤和S1N1土壤中的降幅分別是35%和15.4%；同時(shí)與單獨(dú)添加秸稈相比，秸稈與石灰配施時(shí)，S0N0土壤和 S1N1土壤的 CO2累積釋放量也分別降低了15.7%和18.9%（圖1）。以上表明無(wú)論添加秸稈與否，鈣源添加均能降低土壤CO2累積釋放量。

3.2 秸稈和石灰添加對(duì)新形成有機(jī)碳的影響

就添加秸稈對(duì)新形成有機(jī)碳而言，在兩個(gè)供試土壤中，與不添加秸稈的空白土壤相比，添加秸稈后均能促使新形成 SOC，且 S0N0土壤和 S1N1土壤中新形成的SOC含量分別提高了28.9%和15.1%（表4），這可能是因?yàn)镾1N1土壤含有豐富的碳源，微生物活性相對(duì)較高；添加秸稈后，微生物會(huì)快速分解新鮮秸稈，加速秸稈碳的周轉(zhuǎn)，故殘留的秸稈碳相對(duì)低[33]。KIRKBY等[15]在對(duì)4種初始SOC含量不同的耕地土壤添加秸稈后，也發(fā)現(xiàn)土壤初始SOC含量越低，新形成的有機(jī)碳含量越高，這與我們的研究結(jié)果是一致的。

與對(duì)照相比，石灰與秸稈同時(shí)添加顯著增加了S1N1和S0N0土壤SOC含量31%和72%；但是與單獨(dú)添加秸稈相比，秸稈和石灰添加顯著降低了S1N1土壤SOC含量的3.2%，對(duì)S0N0土壤無(wú)顯著影響（圖2）；表明石灰對(duì)土壤 SOC的影響與土壤性質(zhì)和農(nóng)田管理措施有關(guān)[35-36]。石灰與秸稈配施仍然會(huì)增加土壤中新形成SOC（表4），其新形成的SOC含量與單獨(dú)添加秸稈時(shí)大致相當(dāng)，說(shuō)明了添加石灰對(duì)秸稈在土壤中的腐解過(guò)程不會(huì)造成明顯影響。

3.3 秸稈和石灰添加對(duì)SOC凈固持量的影響

本研究中，添加秸稈后 S0N0土壤和 S1N1土壤的SOC 凈固持量分別提高了 3 066.3 和 2 480.53 mg·kg-1（圖 3）；這是因?yàn)橥寥乐刑砑拥攘拷斩捄?，有機(jī)碳的礦化量主要來(lái)源于SOC自身被微生物礦化、秸稈腐解及秸稈添加對(duì)土壤原 SOC引起 PE等三者產(chǎn)生的CO2[37]。同時(shí)，秸稈分解后有一些秸稈碳轉(zhuǎn)化成“新”有機(jī)碳固持于土壤中。本研究中SOC凈固持量的增加說(shuō)明了新形成的SOC含量抵消甚至超過(guò)了原SOC的礦化量。雖然S0N0土壤和S1N1土壤的SOC凈固持量的增加幅度相差不大，但是S0N0土壤的SOC凈固持量數(shù)值更高，這可能是因?yàn)椋号cS1N1土壤相比，S0N0土壤的初始SOC含量距離碳飽和水平相對(duì)較遠(yuǎn)，因此更利于SOC固持[38]。以上結(jié)果表明，在同一質(zhì)地的土壤中，初始SOC含量越低的土壤越利于SOC固持。

在不添加秸稈的情況下，SOC的凈固持量取決于SOC礦化量。與空白土壤相比，單獨(dú)添加石灰使S0N0土壤和S1N1土壤的SOC凈固持量沒(méi)有發(fā)生顯著變化；但是這與土壤CO2累積釋放量的現(xiàn)象相矛盾：添加石灰顯著降低了土壤CO2累積釋放量；這可能是因?yàn)槭业拇嬖谑筍OC礦化的CO2中一部分通過(guò)其他途徑吸收或反應(yīng)，最終引起土壤CO2累積釋放量的降低。但是在添加秸稈后，SOC的凈固持量取決于SOC的礦化量和新SOC的形成量之間的平衡；與單獨(dú)添加秸稈相比，同時(shí)添加秸稈和石灰使S1N1土壤的SOC凈固持量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而對(duì)S0N0土壤的SOC凈固持量仍無(wú)顯著影響，這可能歸因于石灰和秸稈影響了S0N0土壤和S1N1土壤的微生物活性，進(jìn)而對(duì)SOC的固持能力產(chǎn)生了影響，但具體影響的微生物群落和活性還有待于進(jìn)一步研究。

3.4 石灰降低土壤CO2釋放量的機(jī)制

無(wú)論添加秸稈與否，加入石灰均降低了土壤CO2釋放量，難道是石灰的存在影響了有機(jī)碳的礦化作用嗎？本研究認(rèn)為沒(méi)有，研究結(jié)果顯示添加石灰后引起S0N0土壤和 S1N1土壤 CO2的減少量為 469和 529 mg·kg-1，同時(shí)土壤 SIC 含量分別提高了 443和 566 mg·kg-1（表 3）；這一現(xiàn)象說(shuō)明添加石灰對(duì)土壤 CO2釋放量的影響機(jī)制是：CaO首先與土壤中的水反應(yīng)生成Ca(OH)2，再與土壤CO2反應(yīng)，最終形成CaCO3固持于土壤中[39-40]。這種現(xiàn)象在兩個(gè)供試土壤及添加或不添加秸稈時(shí)均出現(xiàn)，表明含鈣物質(zhì)與土壤CO2的反應(yīng)與土壤性質(zhì)和有機(jī)物料的添加無(wú)關(guān)；也進(jìn)一步說(shuō)明了石灰對(duì)土壤CO2釋放量降低的影響可能是鈣源吸收土壤 CO2后通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成 CaCO3所造成的，對(duì)SOC的礦化過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

無(wú)論添加秸稈與否，S1N1土壤CO2累積釋放量始終高于 S0N0土壤；添加等量秸稈后 S0N0土壤產(chǎn)生的PE略高于S1N1土壤，說(shuō)明秸稈的添加對(duì)初始SOC含量低的土壤原 SOC礦化影響更大。無(wú)論是否添加秸稈，添加石灰顯著降低了土壤CO2累積釋放量。添加秸稈后，S0N0土壤中新形成的SOC含量高于S1N1土壤，而石灰的加入對(duì)新形成 SOC的數(shù)量沒(méi)有明顯影響。添加秸稈均促進(jìn)了S0N0土壤和S1N1土壤的SOC凈固持量，同時(shí)初始 SOC含量低的土壤凈固持率更大；但是加入石灰和秸稈配施則降低了 SOC凈固持量。加入石灰使土壤CO2釋放量的減少量與SIC的增加量大致相等，因此推測(cè)石灰對(duì)土壤CO2釋放量的影響機(jī)制可能是鈣源吸收部分土壤CO2生成了SIC。由此可見(jiàn)，初始 SOC含量低的土壤具有更高的固碳潛力；添加鈣源能夠與土壤CO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)土壤固碳減排的目標(biāo)。