王碧勝，于維水，武雪萍，高麗麗，李景，宋霄君，李生平，盧晉晶，鄭鳳君，蔡典雄

不同耕作措施下添加秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳及其相關(guān)因素的影響

王碧勝1,2，于維水2，武雪萍2，高麗麗3，李景4，宋霄君2，李生平2，盧晉晶2，鄭鳳君2，蔡典雄2

1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東青島 266109；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊 050031

【】探究添加秸稈對(duì)不同耕作措施下土壤有機(jī)碳及其相關(guān)因素的影響，為北方旱作農(nóng)田固碳增產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。采集長(zhǎng)期進(jìn)行傳統(tǒng)耕作（CT）和免耕（NT）的大田土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，共設(shè)置4個(gè)處理，分別為傳統(tǒng)耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統(tǒng)耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個(gè)處理15次重復(fù)。在25℃恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行通氣培養(yǎng)，培養(yǎng)時(shí)間共180 d，此間定期取樣進(jìn)行有機(jī)碳含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成、土壤微生物量碳和相關(guān)土壤酶活性的測(cè)定。（1）添加秸稈顯著提高土壤有機(jī)碳含量和大團(tuán)聚體含量。與CT相比，CTS提高土壤有機(jī)碳含量15%—46%；與NT相比，NTS提高土壤有機(jī)碳含量12%—21%；培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CTS、NTS處理的有機(jī)碳含量較初始分別提高26.8%和7.0%。CTS和NTS處理以2 000—250 μm團(tuán)聚體含量最高，占全部團(tuán)聚體的41%—50%，CTS較CT提高＞250 μm團(tuán)聚體比例235%—310%，NTS較NT提高＞250 μm團(tuán)聚體比例96%—149%。（2）添加秸稈顯著增加土壤有機(jī)碳δ13C值，CTS處理為80.93‰—115.22‰，NTS為48.92‰—80.49‰；CTS秸稈來(lái)源碳所占比例顯著高于NTS，較NTS處理提高13%—66%。（3）添加秸稈顯著提高微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）和β-木糖苷酶（BXYL）活性。CTS較CT提高M(jìn)BC含量239%—623%，提高BG、CBH和BXYL活性58%—170%、52%—337%和117%–170%；NTS較NT處理提高M(jìn)BC含量124%—555%，提高BG、CBH和BXYL活性28%—181%、4%—304%和13%—118%。（4）土壤有機(jī)碳含量與BG、CBH和BXYL活性、MBC及＞2 000 μm、2 000—250 μm團(tuán)聚體比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與250—53 μm、＜53 μm團(tuán)聚體比例呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；BG、CBH、BXYL 3種酶活性彼此之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均與MBC、＞2 000 μm團(tuán)聚體、2 000—250 μm團(tuán)聚體顯著正相關(guān)，與＜53 μm團(tuán)聚體極顯著負(fù)相關(guān)。線性相關(guān)分析結(jié)果表明水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞250 μm）可解釋有機(jī)碳變化的48%，MBC可解釋有機(jī)碳變化的45%，BG、CBH和BXYL酶活性分別可解釋有機(jī)碳變化的66%、44%、53%。添加秸稈可顯著提高土壤有機(jī)碳和大團(tuán)聚體含量，促進(jìn)微生物數(shù)量增加和土壤酶活性增強(qiáng)，且對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤有機(jī)碳及其相關(guān)因素的影響更大，有機(jī)碳在土壤中的固定除了受團(tuán)聚體物理保護(hù)外，還受土壤中微生物作用的調(diào)節(jié)。

團(tuán)聚體；有機(jī)碳；δ13C；土壤酶；添加秸稈；耕作措施

0 引言

【研究意義】土壤有機(jī)碳（SOC）是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[1]，同時(shí)由于土壤有機(jī)碳庫(kù)含量巨大，其微小變化即可對(duì)大氣二氧化碳（CO2）濃度產(chǎn)生劇烈作用[2]，因此，SOC不僅對(duì)土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量有直接影響[3]，而且在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用[4]，確保農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中SOC的永續(xù)性具有重要意義[4-5]。我國(guó)玉米秸稈資源數(shù)量大、分布廣[6]，但多被農(nóng)民采取就地燃燒的方法處理，這不僅會(huì)增加CO2排放，造成環(huán)境污染，而且不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。山西省是全國(guó)玉米秸稈主產(chǎn)區(qū)，秸稈中有機(jī)物含量高，是重要的生物質(zhì)資源[8]，將其還田能夠有效增加SOC含量、提高土壤肥力[9-10]。因此，探究添加秸稈對(duì)SOC的影響及其機(jī)理研究既具有理論價(jià)值又有現(xiàn)實(shí)價(jià)值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】相關(guān)研究表明，如果每年0—30 cm土層中有機(jī)碳儲(chǔ)量增加4‰，即可抵消當(dāng)年CO2排放量[11]。ZHANG等[12]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究得出在中國(guó)北方秸稈還田可增加SOC儲(chǔ)量0.07—1.461 t·hm-2·a-1。目前關(guān)于有機(jī)碳固存的機(jī)制主要包括化學(xué)保護(hù)機(jī)制、物理保護(hù)機(jī)制和生物化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制[13-14]。有研究表明外源有機(jī)物料的施用促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳的降解過(guò)程耗能較大，受到物理保護(hù)作用較大，所以微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的提高有助于SOC的持久穩(wěn)定[15-16]。劉哲等[16]的研究表明添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm和2 000—250 μm粒級(jí)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，從而加強(qiáng)了有機(jī)碳在土壤中的穩(wěn)定性及固持能力。由上述研究可知添加秸稈能夠有效提高SOC含量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于秸稈增加SOC的原因多歸于物理保護(hù)作用，且研究對(duì)象主要為單一土壤添加秸稈與不加秸稈處理。耕作和秸稈還田是驅(qū)動(dòng)農(nóng)田土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素[17-18]，但關(guān)于長(zhǎng)年經(jīng)過(guò)不同耕作處理的土壤添加秸稈的研究相對(duì)較少。此外，土壤微生物特性，如酶活性、微生物豐度和群落組成等，已被廣泛用于評(píng)估秸稈還田的影響[19]，為探究添加秸稈提高有機(jī)碳的機(jī)制擴(kuò)寬了思路?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以長(zhǎng)期保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤為基礎(chǔ)，采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，旨在明確添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作和免耕土壤SOC、團(tuán)聚體分布、微生物生物量碳及相關(guān)酶活性的影響；同時(shí)利用13C標(biāo)記技術(shù)定量分析秸稈碳對(duì)SOC的影響，結(jié)合物理、生物兩方面闡明添加秸稈增碳的機(jī)制，為北方旱作農(nóng)田固碳增產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省壽陽(yáng)縣宗艾村（東經(jīng)112°— 113°，北緯37°—38°），年平均氣溫7.4℃，年平均降雨量為461.8 mm，屬中緯度暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。試驗(yàn)地點(diǎn)選在地勢(shì)較平緩的褐土上，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，屬于全年無(wú)灌溉雨養(yǎng)地。初始時(shí)0—20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如表1所示。大田試驗(yàn)開(kāi)始于2003年，每年保持相同處理，設(shè)置傳統(tǒng)耕作（CT）和免耕（NT）兩種耕作處理，具體操作為：CT處理秋收后秸稈移出，秋季耕翻，春季播前撒施化肥并春耕；NT處理秋收后將秸稈順行推倒免耕覆蓋，春季免耕，順行開(kāi)5 cm深小槽，點(diǎn)播玉米種子，在兩播種點(diǎn)之間穴施化肥。種植作物為春玉米，一年一作，供試玉米品種為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)品種。試驗(yàn)小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2，重復(fù)3次，各處理N、P2O5施肥量均為105 kg·hm-2。

表1 試驗(yàn)地 0—20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀

1.2 供試材料

2016年（試驗(yàn)開(kāi)始后第14年）秋季收獲后，采集0—20 cm土層原狀土樣和混合土樣。原狀土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干后沿土塊天然斷裂面輕輕掰開(kāi)，將大的植物殘?bào)w和石子砂礫去除，通過(guò)6 mm篩子，用于測(cè)定初始土樣水穩(wěn)性團(tuán)聚體?；旌贤翗臃譃閮刹糠?，一部分迅速放入保鮮箱中帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm篩后放入-20℃冰箱中保存，用于測(cè)定微生物生物量碳和土壤酶活性；另一部分風(fēng)干后通過(guò)2 mm篩子，用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)[20]。CT和NT土壤培養(yǎng)前初始養(yǎng)分含量分別為：有機(jī)碳21.65和28.51 g·kg-1，全氮1.05和1.55 g·kg-1，速效磷12.0和46.3 mg·kg-1，速效鉀106.0和173.0 mg·kg-1，pH 8.12和7.76。供試秸稈為13C標(biāo)記玉米秸稈，采用連續(xù)標(biāo)記的方法，在玉米拔節(jié)期至大喇叭口期，用Ba13CO3（98 atom%，上海化工研究院）和鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的13CO2連續(xù)標(biāo)記15 d，每天標(biāo)記時(shí)間為9：00—17：00，標(biāo)記15 d后即收取全株玉米，烘干，粉碎通過(guò)2 mm篩，有機(jī)碳含量為424.3 g·kg-1，全氮18.7 g·kg-1，δ13C值為855.25‰。

1.3 培養(yǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，即傳統(tǒng)耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統(tǒng)耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個(gè)處理15次重復(fù)。添加秸稈處理均為取5 g標(biāo)記玉米秸稈與過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣100 g（秸稈占風(fēng)干土的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%）[21-22]混勻后裝入500 mL的玻璃廣口瓶中，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，用中間帶透氣濾紙的塑料膜封閉瓶口，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中通氣培養(yǎng)，每周稱重保持土壤水分。培養(yǎng)周期為180 d，分別于培養(yǎng)后第15、30、60、90和180天取各處理3次重復(fù)樣品進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.4 測(cè)試方法

土壤樣品進(jìn)行各項(xiàng)目測(cè)定前用鑷子將土壤中可見(jiàn)秸稈挑出。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體：稱取50 g風(fēng)干土平鋪于2 mm篩子上，室溫下用蒸餾水浸潤(rùn)5 min后手動(dòng)上下振動(dòng)篩子，幅度為3 cm，振動(dòng)2 min，共50次。振動(dòng)完畢后用蒸餾水將篩子上的土樣沖洗進(jìn)鋁盒中。按照上述方法將土樣依次通過(guò)0.25 mm和0.053 mm篩，分別獲得＞2 000 μm、2 000—250 μm、250—53 μm和＜53 μm四部分團(tuán)聚體。

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用干樣燃燒法，所用儀器為元素分析儀（Vario Macro C/N，Germany），測(cè)定前土樣經(jīng)1 mol·L-1鹽酸處理，去除無(wú)機(jī)碳。土壤有機(jī)碳δ13C值采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀ISOPRIME100（Isoprime，英國(guó)）測(cè)定。

土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提方法測(cè)定[17]，具體計(jì)算方法參照馬想等[18]。

β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、β-木糖苷酶（BXYL）活性采用熒光微孔板檢測(cè)技術(shù)測(cè)定[23]，具體操作及計(jì)算方法參照宋霄君等[24]。

1.5 計(jì)算方法

土壤中秸稈來(lái)源碳在SOC中所占比例（F）計(jì)算公式為：

F= (δ13Ct-δ13C0) / (δ13Cstraw- δ13C0) （1）

式中，δ13Ct為培養(yǎng)各時(shí)期添加秸稈土壤有機(jī)碳的δ13C值；δ13C0為培養(yǎng)初始未加秸稈時(shí)土壤有機(jī)碳δ13C值；δ13Cstraw為添加秸稈的δ13C值。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS9.2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用一般線性模型進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，最小顯著極差法（LSD法）進(jìn)行多重比較，顯著性水平＜0.05。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（=3）。

2 結(jié)果

2.1 土壤有機(jī)碳含量

由圖1可知，保護(hù)性耕作和添加秸稈顯著提高SOC含量。除15 d外，NT處理SOC含量較CT提高32%—38%，達(dá)到顯著水平。添加秸稈15—180 d，CTS處理SOC含量為23.09—31.73 g·kg-1，較CT提高15%—46%；NTS處理SOC含量為30.11—33.25 g·kg-1，較NT提高12%—21%。CT和CTS處理SOC含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，即0—15 d顯著增加，15—60 d顯著下降；不同的是CT處理SOC在60 d 后基本保持不變，而CTS處理SOC顯著增加。NT和NTS處理SOC含量隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，即0—30 d顯著增加，隨后下降。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CT、NT、CTS、NTS處理SOC含量分別為18.8、25.1、27.4和30.5 g·kg-1，其中CT、NT處理的SOC含量較初始分別降低13.0%、11.9%，CTS、NTS處理的SOC含量較初始分別提高26.8%和7.0%。綜上可知，添加秸稈不僅能夠顯著提高SOC含量，且對(duì)傳統(tǒng)耕作處理效果更佳。

圖中小寫(xiě)字母代表處理間差異顯著，大寫(xiě)字母代表不同培養(yǎng)時(shí)期間差異顯著（P＜0.05）

2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成變化

由圖2可知，在未加秸稈時(shí)，CT和NT處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體以250—53 μm粒級(jí)為主體，占全部團(tuán)聚體的52%—66%；NT顯著提高＞250 μm團(tuán)聚體比例，較CT提高66%—92%。添加秸稈對(duì)團(tuán)聚體構(gòu)成有較大影響。CTS和NTS處理團(tuán)聚體以2 000—250 μm粒級(jí)最高，占全部團(tuán)聚體的41%—50%。15 d—180 d中，CTS處理＞250 μm團(tuán)聚體比例為44.4%—49.4%，較CT處理提高235%—310%；250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體比例分別為34.8%—45.6%和9.4%—17.7%，較CT處理分別降低31%—37%和44%—65%。NTS處理＞250 μm團(tuán)聚體比例為44.1%—50.9%，兩部分總比例較NT處理提高96%—149%；250—53 μm和＜53 μm團(tuán)聚體比例分別為36.7%—43.0%和8.6%—18.1%，較NT處理分別降低28%—36%和30%—42%。由此可知，添加秸稈能夠顯著改變土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成，并且對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤的影響更大。此外，CTS和NTS各級(jí)團(tuán)聚體含量?jī)H在個(gè)別培養(yǎng)時(shí)期差異顯著，其他培養(yǎng)時(shí)間兩處理間無(wú)顯著差異，說(shuō)明添加秸稈可減小傳統(tǒng)耕作與免耕土壤之間團(tuán)聚體含量的差異。

2.3 土壤有機(jī)碳δ13C值及秸稈新碳比例

未加秸稈處理CT和NT有機(jī)碳δ13C值在整個(gè)培養(yǎng)期間變化很小，分別為-21.30‰±0.04‰和-20.43‰± 0.06‰。添加秸稈后土壤有機(jī)碳δ13C值增加顯著（圖3-a）。CTS處理有機(jī)碳δ13C值為80.93‰—115.22‰，NTS為48.92‰—80.49‰。CTS有機(jī)碳δ13C值在15—60 d持續(xù)增加，隨后開(kāi)始減小，至90 d后維持穩(wěn)定；NTS有機(jī)碳δ13C值在15—30 d減小，隨后開(kāi)始增加，至60 d后維持穩(wěn)定。在整個(gè)培養(yǎng)期間，除第15天外，CTS處理有機(jī)碳δ13C值均顯著高于NTS。綜上可知，CTS和NTS處理有機(jī)碳δ13C值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相反，且CTS增加高于NTS。由圖3-b可知，秸稈來(lái)源碳占SOC的比例與有機(jī)碳δ13C值變化趨勢(shì)一致。15—180 d（除第15天外），CTS處理秸稈來(lái)源碳所占比例均顯著高于NTS，為11.7%—15.6%，較NTS提高13%—66%。由此可知，秸稈碳對(duì)傳統(tǒng)耕作SOC的影響更大。

圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同小寫(xiě)字母代表不同處理間差異顯著（P＜0.05）

2.4 土壤微生物量碳變化

由圖4可知，添加秸稈能顯著提高土壤MBC含量，15—180 d期間，各處理MBC含量大小順序?yàn)镹TS＞CTS＞NT＞CT。CTS處理MBC含量為679— 1 354 mg·kg-1，較CT提高239%—623%；NTS處理MBC含量為880—2 162 mg·kg-1，較NT提高124%—555%。未加秸稈時(shí)，NT較CT提高M(jìn)BC含量72%—178%；添加秸稈后，NTS與CTS間MBC含量差距減小，較CTS提高幅度為1%—60%。隨時(shí)間延長(zhǎng)，CTS和NTS處理MBC含量均呈下降趨勢(shì)，CT和NT處理呈先升高后降低的趨勢(shì)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CT、NT、CTS、NTS處理MBC含量分別為200、392、679和880 mg·kg-1，較初始MBC含量分別提高34%、61%、353%和262%。綜上可知，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤MBC的提高作用更大。

圖中小寫(xiě)字母代表處理間差異顯著，大寫(xiě)字母代表不同培養(yǎng)時(shí)期間差異顯著（P＜0.05）

2.5 土壤酶活性變化

由圖5-a可知，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-葡萄糖苷酶活性均顯著高于傳統(tǒng)耕作處理，且添加秸稈能顯著提高β-葡萄糖苷酶活性。在整個(gè)培養(yǎng)期間，NT較CT提高β-葡萄糖苷酶活性38%—211%。CTS處理β-葡萄糖苷酶活性大小為96—433 nmol·g-1·h-1，較CT提高58%—170%；NTS處理為227—527 nmol·g-1·h-1，較NT提高28%—181%。隨時(shí)間延長(zhǎng)，各處理β-葡萄糖苷酶活性表現(xiàn)為升高–降低的變化趨勢(shì)，最高值均出現(xiàn)在培養(yǎng)第15 d。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CT、NT處理β-葡萄糖苷酶活性分別為61、86 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初期分別降低31%和59%；CTS和NTS分別為96和242 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初期分別提高9%和16%。

圖中小寫(xiě)字母代表處理間差異顯著，大寫(xiě)字母代表不同培養(yǎng)時(shí)期間差異顯著（P＜0.05）

由圖5-b可知，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-纖維二糖苷酶活性顯著高于傳統(tǒng)耕作處理，且添加秸稈能顯著提高β-纖維二糖苷酶活性。整個(gè)培養(yǎng)期間，NT處理較CT提高β-纖維二糖苷酶活性52%—337%。CTS處理β-纖維二糖苷酶活性大小為14—105 nmol·g-1·h-1，較CT提高80%—411%；NTS處理為27—158 nmol·g-1·h-1，較NT提高4%—304%。隨時(shí)間延長(zhǎng)，CT和CTS處理β-纖維二糖苷酶活性表現(xiàn)為升高–降低的變化趨勢(shì)，NT表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，NTS表現(xiàn)為升高–降低–升高的變化趨勢(shì)。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CT、NT、CTS和NTS處理β-纖維二糖苷酶活性分別為6、12、14和46 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初始值分別降低64%、78%、8%和18%。

圖5-c為β-木糖苷酶活性變化情況，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-木糖苷酶活性均顯著高于傳統(tǒng)耕作處理。培養(yǎng)期間，NT較CT提高β-木糖苷酶活性31%—320%。CTS處理β-木糖苷酶活性大小為21—64 nmol·g-1·h-1，較CT提高117%—170%；NTS處理為32—121 nmol·g-1·h-1，較NT提高13%—118%。隨時(shí)間延長(zhǎng)，各處理β-木糖苷酶活性變化趨勢(shì)與β-葡萄糖苷酶活性一致。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，CT、NT、CTS和NTS處理β-木糖苷酶活性分別為10、21、23和42 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初始值分別降低59%、71%、4%和44%。

圖中小寫(xiě)字母代表處理間差異顯著，大寫(xiě)字母代表不同培養(yǎng)時(shí)期間差異顯著（P＜0.05）

2.6 土壤有機(jī)碳、土壤酶活性及團(tuán)聚體組成的相關(guān)分析

由表2中結(jié)果可知，BG、CBH、BXYL 3種酶活性彼此之間均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均與MBC、＞2 000 μm團(tuán)聚體、2 000—250 μm團(tuán)聚體（除BXYL外）顯著正相關(guān)，與250—53 μm團(tuán)聚體顯著負(fù)相關(guān)。SOC含量與BG、CBH、BXYL 3種酶活性、MBC及＞2 000 μm、2 000—250 μm團(tuán)聚體比例顯著正相關(guān)，與250—53 μm、＜53 μm團(tuán)聚體比例呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過(guò)線性相關(guān)分析可知（表3），＞2 000 μm、2 000—250 μm團(tuán)聚體比例可解釋SOC變化的25%和48%，MBC可解釋SOC變化的45%，BG、CBH和BXYL酶活性，分別可解釋SOC變化的66%、44%、53%（表3）。

表2 土壤有機(jī)碳、土壤酶活性與微生物量碳、團(tuán)聚體組成的相關(guān)系數(shù)

表中“*”代表相關(guān)性達(dá)到顯著水平（＜0.05），“**”代表相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（＜0.01），“＞2000 μm、2000-250 μm、250-53 μm和＜53 μm”表示土壤中對(duì)應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體所占質(zhì)量百分比

The symbol “*” indicates significant correlation between items (＜0.05) and “**”represents a highly significant correlation between items (＜0.01); “＞2000 μm、2000-250 μm、250-53 μm and ＜53 μm” represent the mass proportion of aggregates in soil

表3 有機(jī)碳與各相關(guān)因子關(guān)系表達(dá)式

3 討論

3.1 不同耕作措施及添加秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

不同耕作措施由于對(duì)土壤的擾動(dòng)程度不同，因此對(duì)SOC含量的影響不同。本研究中，NT處理SOC含量較CT提高32%—38%，達(dá)到顯著水平。這主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)長(zhǎng)期的保護(hù)性耕作，對(duì)土壤翻動(dòng)小，降低了SOC的礦化，同時(shí)在田間操作過(guò)程中增加了有機(jī)物質(zhì)輸入，因此積累了較多的SOC。張霞等[25]的研究結(jié)果也表明，連年免耕能夠顯著增加土壤表層SOC含量。秸稈還田作為改善土壤肥力的重要農(nóng)田管理措施，被認(rèn)為是增加土壤碳儲(chǔ)量和保持良好結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)[26]。本研究中添加秸稈顯著提高了各耕作SOC含量，CTS、NTS處理的SOC含量分別較CT、NT處理提高15%—46%和12%—21%。徐國(guó)鑫等[27]的研究得到類似結(jié)果，發(fā)現(xiàn)秸稈還田能提高SOC含量15.30%—23.04%。其原因一方面是由于秸稈作為外源有機(jī)碳直接補(bǔ)充進(jìn)SOC含量，另一方面添加秸稈對(duì)土壤團(tuán)聚體構(gòu)成的改善也發(fā)揮著重要作用，本研究中添加秸稈顯著提高了大團(tuán)聚體含量，由12%—37%提升至39%—54%，而團(tuán)聚體對(duì)SOC的固定作用被認(rèn)為是最重要的機(jī)制[27-28]。秸稈進(jìn)入土壤后可作為膠結(jié)物質(zhì)參與到團(tuán)聚體的形成過(guò)程并成為團(tuán)聚體的一部分，同時(shí)土壤大團(tuán)聚比例提高能夠增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而減少SOC礦化[22]。本研究還發(fā)現(xiàn)，添加秸稈對(duì)SOC的影響在傳統(tǒng)耕作土壤中更加顯著，這可從Pei等[29]的研究找到解釋，其研究結(jié)果表明秸稈碳對(duì)低肥力SOC的貢獻(xiàn)率大于高肥力土壤，主要是由于高肥力土壤中微生物活動(dòng)高于低肥力土壤，導(dǎo)致秸稈碳分解轉(zhuǎn)化迅速，因此對(duì)高肥力SOC作用小[8]，由初始養(yǎng)分含量可知，本研究中CTS和NTS處理的土壤正好與低肥力和高肥力水平相對(duì)應(yīng)。

3.2 不同耕作措施及添加秸稈對(duì)土壤微生物量碳和酶活性的影響

耕作措施和添加秸稈除了影響土壤物理化學(xué)性狀外，對(duì)土壤生物性質(zhì)也存在顯著影響。本研究結(jié)果表明，免耕和添加秸稈能夠顯著提高土壤微生物量碳含量。這一方面得益于秸稈為土壤微生物提供了充足的能量，促進(jìn)微生物大量繁殖和生長(zhǎng)[30]，另一方面耕作和秸稈可通過(guò)對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的改變進(jìn)而影響土壤微環(huán)境，包括土壤水分孔隙和空氣孔隙、土壤孔隙度、溫度等，這些對(duì)土壤中微生物數(shù)量和群體結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生顯著影響[31]。HELGASON[32]的研究表明土壤大團(tuán)聚體對(duì)土壤中水分滲透和氧氣有效性具有顯著影響，這與本研究中微生物量碳與2 000—250 μm團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系、與250—53 μm、＜53 μm團(tuán)聚體間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)果相一致。本研究還發(fā)現(xiàn)添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤微生物量碳的提高作用更大，可能原因?yàn)閭鹘y(tǒng)耕作對(duì)土壤破壞性大、無(wú)秸稈還田，因此本身肥力水平較低，微生物數(shù)量較少，在這種情況下添加秸稈為土壤微生物提供了充足的養(yǎng)分，使其生長(zhǎng)迅速；而免耕土壤由于破壞性小、有秸稈覆蓋還田，因此本身土壤肥力較高，能夠保證一定數(shù)量微生物生長(zhǎng)，在此條件下添加秸稈雖然同樣提供了充足的養(yǎng)分，但對(duì)微生物數(shù)量提升作用有限[8]。β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）和β-木糖苷酶（BXYL）是參與有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的主要調(diào)節(jié)者[33]，本研究表明添加秸稈能夠顯著提高β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果[23,33-34]類似。這主要是因?yàn)橥庠从袡C(jī)物為土壤微生物提供了豐富的能源原料，增強(qiáng)它們的新陳代謝，而土壤酶主要來(lái)自微生物和植物根系的分泌作用，因此土壤酶活性得到提升。β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性與微生物量碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系也說(shuō)明了這一點(diǎn)。相關(guān)研究表明玉米秸稈在添加后12—14 d分解率達(dá)到最大，此后逐漸下降并趨于穩(wěn)定[8]，與本研究中β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性在第15天活性最高，然后降低的趨勢(shì)一致。這主要與微生物代謝利用物質(zhì)相關(guān)，起初階段其主要分解秸稈中易分解組分，如淀粉、蔗糖、低聚糖等，代謝速度快；后期主要利用纖維素、木質(zhì)素等難分解物質(zhì)，微生物代謝速度慢[8]。由于在水解纖維素時(shí)需要β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶協(xié)作，木質(zhì)纖維素中含有的半纖維素需要β-木糖苷酶水解，因此3種酶活性存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。同時(shí)相關(guān)研究表明，在纖維素酶系統(tǒng)中β-葡萄糖苷酶含量應(yīng)足夠多才能保證水解完全并防止水解產(chǎn)物的抑制作用[35]，本研究中β-葡萄糖苷酶酶活性顯著高于β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，可以從這里獲取解釋。

3.3 不同耕作措施下添加秸稈提高有機(jī)碳機(jī)制分析

添加13C標(biāo)記秸稈顯著提高了土壤有機(jī)碳δ13C值，這與大多數(shù)研究結(jié)果相同，說(shuō)明外源秸稈有機(jī)碳很快進(jìn)入到土壤中[36]。添加相同秸稈后不同土壤中的δ13C值存在顯著差異，即CTS處理＞NTS處理，說(shuō)明相同條件下，進(jìn)入到土壤中的秸稈數(shù)量為CTS＞NTS。不同的是NTS處理δ13C值先下降后升高，而CTS先升高后下降，由微生物量碳含量和β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、β-木糖苷酶活性可知，NTS處理微生物活動(dòng)較強(qiáng)，因此能夠在短時(shí)間內(nèi)分解礦化掉秸稈碳中易分解部分，造成δ13C值出現(xiàn)下降情況。CTS和NTS處理的初始SOC含量差異顯著，正是由于初始條件的差異造成兩種土壤固定秸稈來(lái)源有機(jī)碳的能力不同[37]，SOC含量較高處理（NTS）土壤中固定有機(jī)碳位點(diǎn)被占用數(shù)量高于SOC含量較低處理（CTS），當(dāng)大量外源有機(jī)碳進(jìn)入土壤時(shí)，對(duì)其固定量必然較小[20]。這與土壤團(tuán)聚體構(gòu)成相關(guān)，研究結(jié)果顯示當(dāng)土壤中大團(tuán)聚體（＞250 μm）比例較高時(shí)，SOC含量隨之升高，由相關(guān)關(guān)系可知，大團(tuán)聚體可解釋SOC變化的48%。秸稈碳在土壤中的分布還受土壤微生物活動(dòng)的影響。本研究中添加秸稈處理顯著增加了各處理土壤中微生物量碳含量，這是由于秸稈刺激了土壤微生物的生長(zhǎng)和活性，而秸稈碳在不同處理土壤中分布的差異性除了團(tuán)聚體的作用外，很大程度上受微生物作用調(diào)節(jié)，本研究結(jié)果顯示微生物量碳可解釋SOC變化的45%。當(dāng)土壤經(jīng)過(guò)處理（耕作或添加秸稈），土壤中SOC降解可能由細(xì)菌主導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)換為真菌主導(dǎo)途徑[38]。在不同耕作處理土壤中添加秸稈后其周轉(zhuǎn)途徑受微生物影響可能不同。ZHENG等[39]研究得出，由于在大團(tuán)聚體中存在較多的新近有機(jī)碳和易分解有機(jī)碳，因此會(huì)導(dǎo)致大團(tuán)聚體中細(xì)菌和真菌之間的競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)；而在微團(tuán)聚體中存在較多的耐分解有機(jī)碳，因此這部分土壤中細(xì)菌和真菌間的協(xié)同作用會(huì)更強(qiáng)以達(dá)到分解有機(jī)碳獲得能量的目的。此外，本研究中添加秸稈顯著提高了β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，分別可解釋SOC變化的66%、44%、53%；但對(duì)β-纖維二糖苷酶提高幅度最大，而β-纖維二糖苷酶的主要來(lái)源是真菌，因此添加秸稈后SOC周轉(zhuǎn)可能以真菌為主，因?yàn)檎婢尫诺陌饷阜秶鷱V，對(duì)于木質(zhì)素、纖維素等難降解有機(jī)碳的能力更強(qiáng)[40]。綜上可知，秸稈在土壤中的周轉(zhuǎn)不單取決于團(tuán)聚體的物理保護(hù)，還受微生物的數(shù)量和構(gòu)成影響。

4 結(jié)論

不同耕作措施下土壤添加秸稈可顯著提高土壤有機(jī)碳和大團(tuán)聚體含量，促進(jìn)微生物數(shù)量增加和β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性增強(qiáng)。土壤有機(jī)碳變化與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體（＞250 μm）含量、微生物量碳、上述3種酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與微團(tuán)聚體（＜250 μm）含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系?？芍?，有機(jī)碳在土壤中的固定除了受團(tuán)聚體物理保護(hù)外，還受土壤中微生物作用的調(diào)節(jié)。針對(duì)不同耕作土壤，添加秸稈對(duì)傳統(tǒng)耕作土壤有機(jī)碳及其相關(guān)因素的影響更大。由此我們建議，從快速增加土壤有機(jī)碳角度出發(fā)，可根據(jù)實(shí)際情況采用粉碎翻壓方式進(jìn)行秸稈還田。

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Effects of Straw Addition on Soil Organic Carbon and Related Factors Under Different Tillage Practices

WANG BiSheng1,2, YU WeiShui2, WU XuePing2, GAO LiLi3, LI Jing4, SONG XiaoJun2, LI ShengPing2, LU JinJing2, ZHENG FengJun2, CAI DianXiong2

1College of Agronomy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;4College of Water Resources and Environment, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031

【】Straw addition is an effective means to increase soil organic carbon, which is significant to ensure the sustainability of the organic carbon in the farmland system. This study aimed at investigating the effect of straw addition on soil organic carbon (SOC) and related factors under different tillage treatments, so as to provide a theoretical basis for the management of carbon sequestration and yield increase in northern dry farmland.【】The field soil samples from long-term conventional tillage (CT) and no-tillage (NT) for in-lab incubation experiment were collected. Four treatments were set up, namely, conventional tillage soil without straw (CT), no tillage soil without straw (NT), conventional tillage soil with straw (CTS), and no-till soil with straw (NTS), respectively. Each treatment owned 15 repetitions. The incubation experiment was conducted in a constant temperature incubator at 25 ℃ for 180 days, and the soil samples were periodically taken to determine the content of SOC, aggregate composition, microbial biomass carbon and the activity of related enzymes.【】(1) Straw addition significantly increased the content of soil organic carbon and large aggregates. Compared with CT, CTS increased SOC by 15%-46%; compared with NT, NTS increased SOC 12%-21%; compared to the initial organic carbon content, at the end of cultivation, CTS and NTS increased by 26.8% and 7.0%, respectively. CTS and NTS had the highest particle size of 2 000-250 μm, accounting for 41%-50% of all aggregates. Compared with CT, CTS increased the proportion of aggregates ＞250 μm by 235%-310%, and NTS increased the proportion of aggregates ＞250 μm by 96%-149%. (2) The addition of straw significantly increased the δ13C value of soil organic carbon. The CTS treatment was 80.93‰-115.22‰, NTS was 48.92‰-80.49‰; CTS straw-derived carbon was significantly higher than NTS by 13%-66%. (3) The addition of straw significantly increased the microbial biomass carbon (MBC) content, β-glucosidase (BG), β-cellobiosidase (CBH) and β-xylosidase (BXYL) activities. Compared with CT, CTS increased MBC content by 239%–623%, and increased BG, CBH and BXYL activity by 58%-170%, 52%-337% and 117%-170%, respectively; compared to NT, NTS increased MBC content by 124%-555%, and increased BG, CBH and BXYL activities by 28%-181%, 4%-304% and 13%-118%. (4) Soil organic carbon was significantly positively correlated with BG, CBH, BXYL activity, MBC and the proportion of ＞2 000 μm, 2 000-250 μm aggregates, and negatively correlated with the proportion of 250-53 μm and ＜53 μm aggregates. The activities of BG, CBH and BXYL showed a very significant positive correlation with each other, and were significantly positively correlated with MBC, ＞2 000 μm aggregates, 2 000-250 μm aggregates, and extremely negative with ＜53 μm aggregates. Linear correlation analysis results showed that water-stable macroaggregates (＞250 μm) could explain 48% of organic carbon changes, MBC could explain 45% of organic carbon changes, and BG, CBH and BXYL enzyme activities could explain 66%, 44% and 53% of organic carbon changes, respectively.【】The addition of straw could significantly increase the content of soil organic carbon and macroaggregates, increase the number of microorganisms, and promote the soil enzyme activity. The impact on soil organic carbon and its related factors was greater in conventional tillage soils. In addition to the physical protection of aggregates, the sequestration of straw carbon in soil also depended on the role of microorganisms in the soil.

aggregate; soil organic carbon; δ13C; soil enzyme; straw addition; tillage practices

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.06.009

2020-05-31；

2020-07-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAD22B03）、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)博士基金（663/1120069）

王碧勝，E-mail：wangbisheng2@126.com。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者蔡典雄，E-mail：caidianxiong@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）