陳碩桐，夏鑫，丁元君，馮瀟，劉曉雨，Marios Drosos，李戀卿，潘根興

不同形態(tài)秸稈還田下烏柵土耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量與組成變化

陳碩桐1, 2，夏鑫2，丁元君2，馮瀟2，劉曉雨2，Marios Drosos2，李戀卿2，潘根興2

1揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；2南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京 210095

【目的】基于田間試驗(yàn)，探討不同形態(tài)秸稈還于稻田后耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量及其分子組成的動(dòng)態(tài)變化，為秸稈資源化利用和稻田土壤固碳提供依據(jù)?！痉椒ā窟x擇江蘇省常熟市某村的烏柵土稻田，選用新鮮未處理（CS）、過(guò)腹處理（CM）和炭化處理（CB）的玉米秸稈，于2015年6月以等碳量（10 t C·hm-2）一次性還田，并以未還田處理作為對(duì)照（CK），分別于2015、2017和2019年水稻收獲時(shí)采集耕層（0—15 cm）土樣測(cè)定有機(jī)碳含量，并采用13C同位素豐度和生物標(biāo)志物提取-GC/MS鑒定探析有機(jī)質(zhì)組成變化?！窘Y(jié)果】與CK相比，還田當(dāng)年和2年后所有還田處理都顯著提高了耕層土壤有機(jī)碳含量（8%—36%），但還田4年后，僅CB處理有機(jī)碳含量顯著增加（24%），且增加的碳來(lái)源于施入的生物質(zhì)炭。還田2年后，CS和CM處理土壤有機(jī)質(zhì)中木質(zhì)素酚豐度達(dá)到峰值，分別比CK增加了115%和66%；還田4年后，所有還田處理的植物源脂類的豐度均顯著提高，相應(yīng)地，植物源與微生物源脂類的豐度比（PL/ML）和生物標(biāo)志物組分的多樣性指數(shù)（H’）也顯著提升。【結(jié)論】分子組成的變化可以用來(lái)判明不同形式秸稈還田下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量的變化；秸稈炭化還田比直接還田和過(guò)腹還田有利于稻田土壤固碳，且增強(qiáng)了植物源有機(jī)組分在土壤中的持留，提升了土壤有機(jī)質(zhì)的分子多樣性。

稻田土壤；秸稈還田；土壤有機(jī)質(zhì)；生物標(biāo)志物；分子組成；太湖地區(qū)

0 引言

【研究意義】提高農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量是增加土壤碳庫(kù)以緩解氣候變化和改善土壤結(jié)構(gòu)而提升土壤質(zhì)量的雙贏策略[1]。在眾多農(nóng)田管理措施中，秸稈還田被認(rèn)為是通過(guò)生態(tài)循環(huán)來(lái)穩(wěn)定農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的主要手段[2]。中國(guó)秸稈綜合利用率已達(dá)80%以上，秸稈直接還田在60%以上，特別是東北的水稻-玉米產(chǎn)區(qū)和長(zhǎng)江中下游的水稻-小麥（油菜）產(chǎn)區(qū)，秸稈直接還田仍是秸稈資源化利用的主要形式[3]。然而，秸稈直接還于稻田可能誘發(fā)土壤氮固定[4]并增加CH4排放[5-6]；相對(duì)而言，施用廄肥更有利于氮素利用和微生物活性[7-8]，從而促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的更新和土壤結(jié)構(gòu)的改善，提升土壤肥力[9-10]。此外，秸稈熱裂解生物質(zhì)炭因其在土壤中的持久性及對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的有利作用[11-12]，已廣泛應(yīng)用于土壤改良和化肥配合增效，以提高有機(jī)碳固存并減少溫室氣體排放[13-15]。因此，研究秸稈以不同形態(tài)還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量及生物標(biāo)志物組分的變化特征可以為農(nóng)田土壤碳庫(kù)管理提供重要參考?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤有機(jī)質(zhì)是處于不同分解階段的一系列生命來(lái)源有機(jī)分子的集合[16]。植物或微生物不同組織來(lái)源的有機(jī)組分在土壤有機(jī)質(zhì)中的相對(duì)豐度和降解程度可以用生物標(biāo)志物及其特征比值來(lái)指征，為解析土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)源、動(dòng)態(tài)變化和穩(wěn)定機(jī)制提供重要信息[17]，如香草基和丁香基類木質(zhì)素單體的酸醛比（(Ad/Al)V和(Ad/Al)S）常用來(lái)表征土壤中木質(zhì)素的降解程度, 該比值隨木質(zhì)素的降解而增加[18-19]。研究表明，不僅秸稈還田會(huì)影響土壤團(tuán)聚化過(guò)程和有機(jī)碳儲(chǔ)量，而且施用不同形態(tài)的秸稈可改變農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)分子組成[20-22]。例如，HAO 等[23]對(duì)15年的大豆-玉米輪作試驗(yàn)的研究表明，秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)中脂肪族和芳香族組分的相對(duì)豐度。ZHENG等[24]對(duì)中國(guó)黑土地區(qū)的研究顯示，玉米秸稈還田7年后土壤中難降解組分（芳香族碳和羧基碳）的比例減少，而易分解組分（烷基碳和氧-烷基碳）比例增加，有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單化。在黑龍江海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站玉米-大豆-小麥輪作試驗(yàn)中，3年施用豬糞處理下黑土有機(jī)質(zhì)中氨基糖含量顯著高于秸稈還田處理[25]。在不同量添加生物質(zhì)炭的連續(xù)8年田間試驗(yàn)中，SUN 等[26]通過(guò)量化根際和非根際土壤中的木質(zhì)素酚豐度，揭示了高量（13.5 t·hm-2·a-1）生物質(zhì)炭施用下稻田土壤木質(zhì)素分解增強(qiáng)，生物質(zhì)炭來(lái)源的組分成為穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)中的優(yōu)勢(shì)組分?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】當(dāng)前秸稈肥料化循環(huán)利用包括直接還田、過(guò)腹還田和炭化還田，但是這些不同形態(tài)的秸稈還于稻田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量及組成的動(dòng)態(tài)變化尚不清楚。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】在太湖地區(qū)烏柵土稻麥輪作農(nóng)田進(jìn)行秸稈還田試驗(yàn)，分析不同形態(tài)玉米秸稈等碳量添加下耕層土壤有機(jī)質(zhì)的含量與組成變化，通過(guò)量化玉米秸稈來(lái)源碳和植物及微生物來(lái)源關(guān)鍵有機(jī)組分的變化，剖析土壤有機(jī)質(zhì)隨秸稈形態(tài)和施用年際的變化動(dòng)態(tài)，為篩選可持續(xù)的秸稈還田利用方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)設(shè)于江蘇省常熟市白茆鎮(zhèn)康博村（31° 35′ 11.96″ N，120° 54′ 51.86″ E）。該地處于長(zhǎng)江中下游太湖平原腹地，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，2015— 2019年間平均氣溫為16.2 ℃，平均降水量為1 135 mm。該地土壤為太湖平原北部湖積母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的典型水稻土-烏柵土，屬于潛育型水耕人為土（Gleyic Stagnic Anthrosol）[29]，數(shù)百年來(lái)實(shí)行水稻-冬小麥輪作。田間試驗(yàn)前，耕層土壤的基本理化性質(zhì)：pH（H2O）為7.3，容重為0.9 g·cm-3，質(zhì)地為壤土，土壤有機(jī)碳含量為28.5 g·kg-1，全氮含量2.0 g·kg-1，速效磷和速效鉀含量分別為23.6和79.7 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了秸稈未處理（新鮮秸稈，CS）、動(dòng)物過(guò)腹處理（秸稈糞肥，CM）、炭化處理（秸稈生物質(zhì)炭，CB），以10 t C·hm-2等碳量一次性還田，并以秸稈不還田為對(duì)照（CK）。鑒于C3和C4植物13C自然豐度的差異且試驗(yàn)田未種植過(guò)玉米，考慮到采用13C自然同位素豐度示蹤，本研究采用玉米秸稈還田。新鮮玉米秸稈來(lái)源于附近種植食用玉米的家庭農(nóng)場(chǎng)，將其風(fēng)干并切碎至約2 cm左右，用于直接施用或炭化處理。糞肥從以新鮮玉米秸稈為飼料的肉牛養(yǎng)殖場(chǎng)收集；玉米秸稈生物質(zhì)炭則是在河南三利新能源公司于350—550 ℃下立窯熱解炭化而成。供試材料的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試材料的基本性質(zhì)

秸稈還田處理的單個(gè)小區(qū)面積均為19.5 m2（6.5 m×3 m），每個(gè)處理設(shè)置4次重復(fù)。所有小區(qū)采用拉丁方排列（圖1）。2015年6月，小麥?zhǔn)斋@后，按所需用量將處理秸稈材料撒施于小區(qū)土壤表面，翻耕土壤使其混入0—15 cm深度的耕作層，進(jìn)一步用木耙耙勻。一周后，采用人工插秧方式完成水稻移栽。每穴3株水稻幼苗，每平方米約種植27穴。試驗(yàn)田除草、殺蟲、施肥以及灌溉等管理措施均與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式一致，且在2015—2019年試驗(yàn)期間保持一致。水稻種植中，施肥以尿素（46% N）和復(fù)合肥（N﹕P2O5﹕K2O為15﹕15﹕15）為主，水稻插秧前2 天施用尿素作為基肥（187.5 kg·hm-2），抽穗期施用復(fù)合肥（375 kg·hm-2）作為追肥，分蘗期和孕穗期施用尿素（總計(jì)150 kg·hm-2）作為追肥。稻田水分管理方式為淹水-排水-淹水（F-D-F）模式。本試驗(yàn)3年間，水稻于每年6 月初插秧，同年11月初收獲。

1.3 土樣采集與處理

采樣于2015、2017和2019年11月水稻收獲時(shí)進(jìn)行。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3點(diǎn)采集3個(gè)小樣本，采樣時(shí)用不銹鋼圓鏟垂直向下15 cm旋轉(zhuǎn)挖出結(jié)構(gòu)未破壞土塊。隨后，撿出其中的石礫（如果有的話）和較大的根系殘?bào)w，再3個(gè)小樣本合并混勻?yàn)榧s1 kg的處理小區(qū)混合樣本，置于不銹鋼罐密封于樣品箱中，取樣后1 d內(nèi)送達(dá)實(shí)驗(yàn)室。隨后，挑出耕層土壤樣本中肉眼可見的凋落物和根系，再次混勻，四分法將其分成3份。第一份（約250 g）4 ℃冰箱保存，用于過(guò)2 mm篩后測(cè)定可溶性有機(jī)碳（DOC）、微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）；第二份（約250 g）風(fēng)干并研磨過(guò)0.1 mm篩，用于土壤理化分析；最后一份（約500 g）儲(chǔ)存于-80 ℃冷凍冰箱，冷凍干燥后用于生物標(biāo)志物的提取和分析。

1.4 分析方法

1.4.1 土壤基本理化性質(zhì) 土壤樣品理化性質(zhì)的分析按照魯如坤[30]介紹的方法進(jìn)行。土壤容重野外取樣時(shí)采用環(huán)刀（體積為100 cm3）法測(cè)定。土壤pH按1﹕2.5（w/v）的土水比攪勻后的懸液用pH計(jì)（PHS-3C, 中國(guó)上海）測(cè)定。土壤質(zhì)地用比重計(jì)法測(cè)定。DOC以1﹕5（m/v）土水比振蕩提取，過(guò)0.45 μm濾膜后提取液用TOC儀（multi N/C 2100 TOC, Analytik Jena，德國(guó)）測(cè)定。MBC和MBN用氯仿熏蒸法測(cè)定[31]。SOC和TN用稀鹽酸去除無(wú)機(jī)碳后采用CNS元素分析儀（Vario EL III, Elementar,德國(guó)）測(cè)定。采用Olsen法（0.5 mol·L-1NaHCO3和1 mol·L-1NH4OAc提取劑）提取土壤樣品，并使用分光光度計(jì)測(cè)定土壤有效磷，使用火焰光度計(jì)測(cè)定可交換性鉀。用H2SO4-H2O2溶液消煮秸稈材料樣品，與土壤樣品分析相同的方法分別測(cè)定其總氮、總磷和總鉀含量。土壤和秸稈材料樣品的δ13C豐度（‰，VPDB）用同位素比值質(zhì)譜儀（IsoPrime 100，ELEMENTAR, 德國(guó)）測(cè)定。

1.4.2 生物標(biāo)志物提取及氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC/MS）分析 根據(jù)OTTO 等[32]提出的連續(xù)提取法，首先用有機(jī)溶劑提取材料和土壤樣品中的游離脂類（包括甾醇、短鏈脂肪酸（SFA）和長(zhǎng)鏈脂肪酸（LFA））；繼之采用堿水解法分離提取結(jié)合脂類（包括角質(zhì)（cutin）和木栓質(zhì)（suberin），以及微生物來(lái)源的水解脂類（簡(jiǎn)稱為微生物水解脂，microbial lipids））；最后采用氧化銅氧化以分離提取木質(zhì)素酚類（lignin phenols），包括V-香草基、S-丁香基和C-肉桂基酚和對(duì)羥基酚（phenols）。提取的有機(jī)組分經(jīng)衍生化后，使用氣相色譜（GC，安捷倫7890B，美國(guó)）-質(zhì)譜（MSD，安捷倫5977B，美國(guó)）聯(lián)用儀采用內(nèi)標(biāo)法定量測(cè)定目標(biāo)生物標(biāo)志物含量，并換算成樣品有機(jī)碳含量為基準(zhǔn)的相對(duì)豐度。

具體來(lái)說(shuō)，取冷凍干燥的土壤樣品（～3 g）或秸稈材料（～200 mg），加入雙倍的去離子水進(jìn)行超聲波處理，以去除水溶態(tài)的極性化合物。將水提取后的殘留物冷凍干燥，然后用二氯甲烷和甲醇溶劑萃取，以獲得游離脂質(zhì)，并加入內(nèi)標(biāo)物C24D50。隨后在100 ℃下用1 mol·L-1甲醇化KOH溶液將干燥的上一步殘留物加熱3 h，以釋放酯鍵結(jié)合脂類[33]。再用6 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)提取物pH至1，用乙酸乙酯從水相中回收脂類，并加入內(nèi)標(biāo)物C24D50。堿水解后的殘留物在150 ℃下用CuO、Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O和2 mol·L-1的NaOH溶液在圓底燒瓶中氧化2.5 h，以獲取木質(zhì)素酚和對(duì)羥基酚[34]；再用6 mol·L-1HCl將提取物酸化至pH＜1，并加入內(nèi)標(biāo)物乙基香蘭素，用乙酸乙酯從水相中回收其氧化產(chǎn)物。

溶劑萃取、堿水解和CuO氧化的提取物中加入N, O-2-(三甲基硅基)三氟乙酰胺（BSTFA）和吡啶（9﹕1，v/v）在70 ℃下靜置3 h，而后使用GC/MS進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)條件為：初始溫度65 ℃保持2 min，以6 ℃·min-1增溫到290 ℃，保持20 min，進(jìn)樣量為1 μL，分流比為1﹕10，載氣為氦氣，70 eV的EI源，掃描范圍為50—650 Da。通過(guò)將質(zhì)譜圖與NIST 17.0數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，確定目標(biāo)生物標(biāo)志物。通過(guò)與相關(guān)內(nèi)標(biāo)物進(jìn)行比較，根據(jù)峰面積量化各個(gè)生物標(biāo)志物分子含量，并采用樣品有機(jī)碳含量換算其相對(duì)豐度。所用玉米秸稈及玉米秸稈材料中酚類標(biāo)志物的豐度及相關(guān)指標(biāo)如表2所示。玉米秸稈生物質(zhì)炭中因?yàn)楦邷責(zé)峤?，生物?biāo)志物分子已經(jīng)被炭化而不再獨(dú)立存在。

表2 供試材料中酚類的豐度（mg·g-1 OC）及其相關(guān)指標(biāo)

1.5 數(shù)據(jù)處理

供試稻田耕層土壤有機(jī)碳中源于玉米秸稈碳的比例（）由δ13C值根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，t表示秸稈還田處理（CS、CM和CB）下土壤樣品的δ13C 值；CK表示對(duì)照（CK）的土壤樣品δ13C值；m表示施用秸稈材料的δ13C 值。

生物標(biāo)志物組分的分子多樣性采用香農(nóng)多樣性指數(shù)（），由公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

=-∑(B)(lnB) （2）

式中，B表示生物標(biāo)志物分子的豐度占所有提取并鑒定的生物標(biāo)志物分子總豐度的比例。

所有數(shù)據(jù)都表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖在R語(yǔ)言 v4.0.2版本中使用“base”、“vegan”[35]、“dplyr”[36]、“multcomp”[37]、“RColorBrewer”[38]、“ggplot2”[39]和“ggbiplot”[40]程序包完成。在應(yīng)用參數(shù)化方法之前，對(duì)數(shù)據(jù)的方差同質(zhì)性和正態(tài)分布進(jìn)行檢驗(yàn)。利用單因素方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)不同處理間差異顯著性，顯著性水平為＜0.05。使用“ggbiplot”程序包對(duì)不同年份水稻季耕層土壤有機(jī)質(zhì)組分進(jìn)行主成分分析（PCA）。

2 結(jié)果

2.1 秸稈還田后不同年限耕層土壤的基本理化性質(zhì)

由表3可知，與CK相比，秸稈還田處理當(dāng)年均顯著降低了土壤容重，還田4年后都提高了土壤pH。CM和CB處理，土壤速效磷含量試驗(yàn)期間均顯著提高（＜0.05）。不過(guò)，土壤速效鉀含量?jī)H還田當(dāng)年秸稈處理高于CK，還田第2和4年僅CB處理顯著提高（＜0.05）。還田當(dāng)年和4年后，CB處理下DOC含量分別比CK提高了96%和157%，但在還田2年后，無(wú)顯著變化（＜0.05）。還田當(dāng)年，處理間土壤微生物生物量碳的變化明顯，CS和CM處理增加，而CB處理無(wú)變化；還田4年后，CB和CK處理都降低了微生物量碳、氮含量。

2.2 秸稈還田后耕層土壤有機(jī)碳變化

如表4所示，2015、2017和2019年水稻收獲時(shí)耕層土壤有機(jī)碳含量介于27.7—39.2 g·kg-1。土壤SOC含量與CK相比的變化是：CS處理在還田當(dāng)年和2年后分別增加3.9%和11.9%，CM處理都增加約12%，而CB處理則分別增加了23.8%和33.1% （＜0.05）。所有秸稈處理下耕層土壤δ13C值均低于CK，且CB處理的δ13C最低（＜0.05）。根據(jù)公式（1）計(jì)算，2015、2017和2019年土壤有機(jī)碳來(lái)源于玉米秸稈的比例是：CS處理分別為9.9%、7.4%和3.5%，CM處理分別為11.3%、9.7%和6.4%，CB處理分別為35.8%、21.6%和25.5%（表4）。

表3 不同形態(tài)玉米秸稈還田后耕層土（0—15 cm）水稻的基本理化性質(zhì)

不同大、小寫字母分別表示不同還田年限和處理間的差異達(dá)到顯著性水平（＜0.05）。表4、5、6同

Different capital and lowercase characters indicate difference (＜0.05) among the amended years and treatments, respectively. The same as Table 4, Table 5 and Table 6

2.3 秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)的生物標(biāo)志物豐度

2.3.1 植物源脂類 如圖2所示，玉米秸稈還田后不同年份耕層土壤植物來(lái)源脂類的豐度在還田處理間呈現(xiàn)不同變化。與CK相比，CS和CM處理2年和4年后土壤有機(jī)質(zhì)中木栓質(zhì)和角質(zhì)（∑SC）的豐度提高了39%—146%（＜0.05），而CB處理其豐度在還田2年后降低了35%，但還田4年后提高了116%（＜0.05）。所有玉米秸稈還田處理4年后均提高了長(zhǎng)鏈脂肪酸（LFA）的豐度（26%—58%，＜0.05），但CB處理還田當(dāng)年和2年后LFA豐度分別降低了38%和50%（＜0.05）。相對(duì)于∑SC和LFA，植物甾醇豐度較低（0.06—0.30 mg·g-1SOC），還田當(dāng)年和2年后，CS和CM處理植物甾醇豐度均大幅提高，CB處理下則相反；還田4年后僅CM處理的植物甾醇豐度略有增加，而CB處理其豐度仍然降低（＜0.05）。

表4 不同形態(tài)秸稈還田后不同年限水稻季耕層（0—15 cm）土壤有機(jī)碳含量、δ13C值和源于玉米秸稈碳的比例

柱上不同大、小寫字母分別表示不同還田年限和處理間的差異顯著（P＜0.05）。圖3同

2.3.2 微生物源脂類 微生物源脂類豐度變化見圖3。與CK相比，還田當(dāng)年和4年后CB處理下微生物水解脂及短鏈脂肪酸（SFA）的豐度均顯著降低（＜0.05）。還田2年后，CS和CM處理下微生物水解脂豐度分別提高了28.3%和30.7%（＜0.05），而SFA的豐度分別降低了10.9%和9.9%（＜0.05）。

2.3.3 木質(zhì)素酚類 耕層土壤木質(zhì)素酚類豐度的變化如表5所示。相對(duì)于前述脂類生物標(biāo)志物，木質(zhì)素酚類的豐度相對(duì)較高（6.84—19.97 mg·g-1SOC）。與CK相比，CB處理木質(zhì)素酚豐度在還田4年期間均顯著降低（26.5%—49.0%，＜0.05）；而CS和CM處理，其豐度在還田2年后分別提高了114.5%和66.5%（＜0.05）。對(duì)羥基酚與木質(zhì)素酚豐度變化基本相似。在還田2年后，CS和CM處理的C/V和S/V比值均顯著增加，但還田當(dāng)年CB處理下C/V和S/V均顯著降低（＜0.05）。另外，相對(duì)于CK，（Ad/Al）S和（Ad/Al）V，玉米秸稈還田處理的在2015和2019年無(wú)顯著變化，而在2017，顯著提高（＜0.05）。

圖3 不同形態(tài)玉米秸稈還田后不同年限水稻季耕層有機(jī)質(zhì)中微生物源脂類的豐度

表5 不同形態(tài)玉米秸稈還田后不同年限水稻季耕層土壤酚類豐度及其比值

3 討論

3.1 稻田耕層土壤有機(jī)碳與還田秸稈形態(tài)的關(guān)系

不同形態(tài)玉米秸稈一次性還田，還田當(dāng)年和2年后供試稻田耕層SOC含量均顯著增加（表4）。但還田當(dāng)年新鮮玉米秸稈處理（CS）耕層原有（來(lái)源于C3作物）SOC含量卻顯著降低了（表4）。新鮮秸稈的施入會(huì)造成對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解的正激發(fā)效應(yīng)[41]，使土壤原有有機(jī)碳加快分解而損失（根據(jù)δ13C值估算玉米秸稈來(lái)源的OC為1.9 t·hm-2，原有機(jī)質(zhì)礦化損失了4.6 t·hm-2）。而還田2年后，秸稈糞肥和秸稈生物質(zhì)炭處理耕層來(lái)源于C3作物的SOC儲(chǔ)量分別增加了3.8和7.6 t·hm-2，這可能由于糞肥和生物質(zhì)炭短期內(nèi)可促進(jìn)作物根系發(fā)育[42-43]，從而增加了植物源OC的輸入。還田4年后，耕層SOC含量只有施炭處理顯著增加（23.7%），而新鮮秸稈和糞肥處理均無(wú)顯著差異（表4）。這是由于新鮮秸稈和糞肥易被生物降解，在土壤中的持久性不如秸稈炭[44-45]。而生物質(zhì)炭來(lái)源的有機(jī)碳在土壤中的持久性早已廣為接受[22,46]。LIU等[47]在綜合分析不同土地利用方式下對(duì)照和生物質(zhì)炭處理的SOC后發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭SOC含量增加了40%，且這種增碳效應(yīng)在稻田中最為顯著。類似地，LIU 等[48]報(bào)道了中國(guó)長(zhǎng)沙雙季稻種植制度下施用秸稈炭促進(jìn)SOC快速且大幅增加。與MAJUMDER等[49]的研究報(bào)道相似，本研究表明了秸稈炭化還田相比于直接還田或過(guò)腹還田更有利于土壤長(zhǎng)期固碳。

3.2 不同形態(tài)秸稈還田對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)與組分變化的影響

秸稈或其糞肥、生物質(zhì)炭還于稻田后，土壤有機(jī)質(zhì)分子組成的年際變化也各不相同。與對(duì)照相比，施用生物質(zhì)炭耕層土壤有機(jī)質(zhì)分子組成差異大于其他處理間（圖4），主要表現(xiàn)為生物質(zhì)炭來(lái)源碳的比例較高（25%—36%，表4），從而掩蓋了植物和微生物源生物標(biāo)志物豐度的變化（圖2和3，表5）。即便如此，生物質(zhì)炭施用4年后，植物來(lái)源的長(zhǎng)鏈脂肪酸（LFA）、角質(zhì)和木栓質(zhì)的豐度仍顯著提高（圖2），表明了施用生物質(zhì)炭有利于植物來(lái)源有機(jī)分子在土壤中的持留。LU 等[46]通過(guò)對(duì)根系生物量和土壤13C豐度的測(cè)定，明確了稻田土壤施生物質(zhì)炭后通過(guò)促進(jìn)作物根系發(fā)育增加根系有機(jī)質(zhì)輸入，當(dāng)然這可能也表明生物質(zhì)炭提高了植物對(duì)氮素的利用，從而促進(jìn)了植物生產(chǎn)力[50]，從而增加土壤中植物源有機(jī)組分的積累。秸稈直接還田和過(guò)腹還田下，植物來(lái)源脂類的豐度在還田4年后顯著增加（圖2），表明施入的玉米秸稈源的有機(jī)組分逐漸分解，而來(lái)自C3作物的有機(jī)組分逐漸占主導(dǎo)。

圖4 不同年限水稻季耕層土壤中生物標(biāo)志物的主成分分析

秸稈還田4年后，所有處理耕層土壤中植物與微生物來(lái)源脂類的豐度比（PL/ML）和長(zhǎng)鏈與短鏈脂肪酸的豐度比（LFA/SFA）相對(duì)于對(duì)照顯著增加（表6）。不同的是，未處理和過(guò)腹處理還田2年后土壤酚類豐度達(dá)到峰值（表5）。玉米秸稈和玉米秸稈糞肥富含酚類（表2），還田2年期間內(nèi)這些酚類物質(zhì)可能緩慢分解[45]，在快速分解階段未分解或分解較少的木質(zhì)素酚逐漸釋放。秸稈還田2年后，未處理和過(guò)腹處理下耕層土壤的（Ad/Al）S和（Ad/Al）V比值反映出的木質(zhì)素氧化程度顯著高于其他處理（表5）。同時(shí)，作為木質(zhì)素分解者的微生物活性增強(qiáng)[51]，因此，微生物來(lái)源脂類的豐度也在還田2年后達(dá)到峰值（圖3）。然而在還田4年后，只有施生物質(zhì)炭降低了酚類的豐度（表5），這可能與由生物質(zhì)炭作用下土壤中木質(zhì)素降解酶活性增強(qiáng)有關(guān)[26,52]。此外，本研究表明了SOM的分子組成與輸入有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，CHEN等[53]關(guān)于喀斯特地區(qū)植被恢復(fù)下土壤有機(jī)質(zhì)變化的研究也表明了土壤中植物源脂類、木質(zhì)素酚類豐度的增加與輸入的植物凋落物中這些生物標(biāo)志物的含量成顯著正相關(guān)。

表6 不同形態(tài)秸稈還田后不同年限水稻季耕層土壤所有提取態(tài)有機(jī)質(zhì)的生物標(biāo)志物總豐度及分子指標(biāo)

4 結(jié)論

作物秸稈以不同形態(tài)還田引起了耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量及組成的短期改變。直接還田和過(guò)腹還田短期內(nèi)（還田后2年）顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而秸稈炭化還田能在還田4年后仍然保持較高的有機(jī)質(zhì)含量，因此炭化還田比直接還田和過(guò)腹還田提升土壤有機(jī)質(zhì)更高和更久。由于新鮮秸稈和廄肥含有豐富的木質(zhì)素，還田短期內(nèi)有機(jī)質(zhì)中木質(zhì)素酚類豐度達(dá)到峰值。突出的是，在所有不同形態(tài)秸稈還田4年后的土壤中，植物源與微生物源脂類的分子豐度比值（PL/ML）和生物標(biāo)志物組分的多樣性指數(shù)（H’）都比不還田升高，提示秸稈還田均提升了植物源有機(jī)分子的土壤固定和保持。本研究結(jié)果有助于了解不同形態(tài)秸稈還田下農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)組分變化。從可持續(xù)利用的角度，作物秸稈炭化還田更有利于稻田土壤有機(jī)碳的固存，值得在秸稈資源化循環(huán)利用和農(nóng)田土壤固碳實(shí)踐中考慮。

致謝：本研究在江蘇常熟市白茆鎮(zhèn)的小強(qiáng)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，感謝王強(qiáng)先生在農(nóng)田管理和采樣工作中給予的幫助。

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Changes in Topsoil Organic Matter Content and Composition of a Gleyic Stagnic Anthrosol Amended with Maize Residue in Different Forms from the Tai Lake Plain, China

CHEN ShuoTong1, 2，XIA Xin2，DING YuanJun2，F(xiàn)ENG Xiao2，LIU XiaoYu2, Marios Drosos2, LI LianQing2, PAN GenXing2

1College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, Jiangsu;2Institute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095

【Objective】This study was to explore the changes in topsoil organic matter content and composition of a rice paddy with crop residue return in different forms, in order to provide the useful information for crop residue utilization and paddy soil carbon sequestration.【Method】In June, 2015, compared with no straw amendment (CK), untreated (CS), manured (CM) and pyrolyzed (CB) maize residue were returned at 10 t C·hm-2to a paddy topsoil in Tai Lake Plain, China. Topsoil (0-15 cm) samples were collected at rice harvest in November respectively of 2015, 2017 and 2019, and the changes in soil organic carbon (SOC) content and molecular composition were analyzed using13C isotope and biomarker assays. 【Result】Compared with CK, topsoil OC was significantly increased by 8%-36% in 2015 and 2017 with all the residue amendment treatments, but increased by 24% only under CB in 2019, with the SOC increases mainly from the input biochar. The abundance of lignin phenols in the topsoil under CS and CM peaked after 2-year amendment, and increased by 115% and 66% relative to CK, respectively. After 4 years, molecular abundance of plant-derived lipids increased significantly under all the amendments and the abundance ratio of plant- to microbe-derived lipids (PL/ML) and Shannon diversity of biomarkers (H’) were significantly enhanced. 【Conclusion】Compared with untreated and manured residue, pyrolyzed residue returning enhanced SOC sequestration and the molecular diversity of organic matter, through the retention of plant-derived components in the paddy soil.

paddy soil; crop residue return; soil organic matter; biomarkers; molecular composition; Tai Lake Plain

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.13.007

2022-05-11；

2022-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金基（42077082、41771332）

陳碩桐，E-mail：shuotongchen@aliyun.com。通信作者潘根興，E-mail：pangenxing@aliyun.com

（責(zé)任編輯 李云霞）