添加玉米秸秆条件下土壤有机碳含量对温度变化的响应

高淑青　王莉　曹志远　李梦瑶　张丹丹　易彩霞

摘要：通过室内培养试验，研究了不同温度（10、30、50℃）下添加玉米秸秆对土壤总有机碳、团聚体有机碳、水溶性有机碳及腐殖质碳含量的影响。结果表明，与未添加玉米秸秆（CK）相比，添加玉米秸秆后土壤中以上各种有机碳含量均明显增加，同时促进了土壤微团聚体向大团聚体的转化。随培养温度的升高，添加玉米秸秆后的土壤总有机碳含量、土壤中0.25～0.053和<0.053 mm粒级团聚体有机碳含量以及土壤腐殖质组分（胡敏酸和富里酸）的有机碳含量下降，而2～0.25mm粒级团聚体有机碳含量增加，说明添加玉米秸秆后温度升高不利于土壤总有机碳、较小粒级团聚体有机碳、水溶性有机碳及腐殖质碳的积累，同时也不利于土壤大团聚体的形成。

关键词：土壤有机碳；土壤团聚体；土壤腐殖质；培养温度；玉米秸秆

土壤有机碳（SOC）是土壤的重要组成部分，它不仅直接或间接地决定着土壤的水、肥、气、热条件，还决定着土壤生物化学过程及物质的吸收与释放。土壤有机质含量及其品质决定于进入到土壤中的有机物料量和种类，还与有机质进入土壤后的分解和积累过程密切相关。秸秆还田作为一种保护性耕作措施，不仅可以改善土壤的养分状况，还可通过增加土壤有机碳的直接输入实现固碳，而且对土壤有机碳的含量和组成有一定影响。秸秆还田是一个复杂的过程，外界环境对其有很大的影响，其中温度是最重要的影响因素之一。shaukat等研究表明低温有利于秸秆对土壤有机碳的截留和保蓄，较高的温度会加速秸秆有机碳向无机碳的转化。

团聚体作为土壤有机碳（SOC）的保持场所，对土壤固碳和肥力都十分重要。表土中有大约90%的SOC位于团聚体内。秸秆还田能够促进土壤团聚体向大团聚体的转化，提高了土壤团聚体的稳定性：秸秆还田后土壤各粒级团聚体内的有机碳含量普遍提高，并且明显提高了大团聚体中有机碳对土壤有机碳的贡献率。关松等研究表明，25℃下添加秸秆促进了土壤的团聚作用，使>2 mm大团聚体成为优势粒级：土壤有机碳和净积累有机碳主要分布在>2 mm和2-0.25 mm团聚体中，0.25-0.053 mm团聚体中分布最少。

水溶性有机碳被认为是农业管理措施对土壤有机质影响反应最敏感的指标之一，植物残体和土壤腐殖质是土壤中水溶性有机碳的主要来源。土壤中水溶性有机碳的含量受很多因素影响，如土壤的理化性状、施肥等人为经营措施、植被覆盖条件等。土壤温度和外源有机物料也是影响土壤水溶性有机碳的主要因素，曹建华等研究表明，自然条件下土壤中水溶性有机碳含量随温度的升高而增加。以往的研究结果也表明，添加玉米秸秆能够显著提高土壤水溶性有机碳的含量。土壤腐殖物质是土壤中所特有的一类特殊的高分子化合物，对土壤肥力、结构和性质具有重要的调节功能，土壤腐殖物质的形成和转化与环境因素息息相关。王薇等研究表明，秸秆还田直接或间接地影响到胡敏酸和富里酸的形成与转化。不同温度下秸秆还田对土壤腐殖质有机碳含量影响的研究较少，同时不同温度下秸秆还田对东北黑土腐殖质有机碳含量影响的研究鲜有报道。

本研究在前人研究的基础上，选择吉林省梨树县黑土进行室内模拟试验，研究不同温度下添加玉米秸秆对黑土总有机碳、团聚体组成、团聚体有机碳、水溶性有机碳和腐殖质碳的影响，对增强黑土农田生态系统的碳固定功能、缓解大气CO₂浓度升高和全球变暖、增加粮食作物产量、促进农业可持续发展具有重要的意义。

1.材料与方法

1.1试验材料

供试土壤采自吉林省梨树县玉米试验田，土壤类型为黑土，采样深度为0-20 cm。土样经风干后，研磨过2 mm筛，备用。该土壤的有机碳含量为11.2g/kg，pH 5.42，含水量4.95 g/kg。

供试玉米秸秆采自吉林农业大学试验田，经60℃烘干后，粉碎过0.25 mm筛，备用。该玉米秸秆含有机碳510.9g/kg，含水量7.68g/kg，pH 5.54。

1.2试验设计

称取风干土样200 g，按5%的比例（占风干土重的百分比）加入玉米秸秆，用硫酸铵调节碳氮比（C/N）为20：1，混匀。加去离子水至田间持水量60%，装入500 mL塑料烧杯中，用可透气的塑料薄膜封口，分别在10、30和50℃下恒温培养，同时设置不加玉米秸秆的空白培养对照，每个处理重复3次。培养期间定期称重加水，60 d后取出培养样，分别过2mm和0.25mm筛，备用。

1.3测定方法

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法（外加热）测定。土壤团聚体分级采用湿筛法，分别获得2-0.25、0.25～0.053和<0.053 mm的水稳性团聚体。土壤水溶性有机碳和腐殖质碳的测定采用腐殖质组成修改法，即首先用去离子水提取水溶性组分（WSF），然后用0.1 mol/L NaOH+0.1 moL/L Na₄P₂O₇溶液提取碱溶性腐殖质（HE），再经酸沉淀法分离出胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。

1.4数据处理和统计分析

数据处理采用Excel 2003软件，统计分析采用SPSS 16.0软件。处理间差异采用单因素方差分析，显著性水平为P<0.05。

2.结果与分析

2.1土壤总有机碳含量对温度变化的响应

从图1可以看出，与未加玉米秸秆的对照处理相比，添加玉米秸秆后土壤总有机碳含量显著增加，其中10、30、50℃下的增加幅度分别为144%、125%和130%，说明低温下添加玉米秸秆对土壤有机碳的提高效果更为显著。Shaukat等的研究表明，低温（15℃）有利于秸秆对土壤有机碳的保持，而高温（20℃）则会加速秸秆有机碳向无机碳的转化，与此次研究结果相一致。

随培养温度的增加，无论添加玉米秸秆与否，土壤总有机碳含量均显著降低。以往的研究结果也表明，土壤有机碳的矿化量和矿化速率随着培养温度的升高而增加，与本研究结果也是一致的。

2.2土壤团聚体有机碳含量对温度变化的响应

2.2.1土壤团聚体组成 由表1可见，未加玉米秸秆（CK）条件下，粒级为0.25～0.053 mm的微团聚体的含量（73.6%～77.3%）最高，为优势粒级：其次为2～0.25 mm的大团聚体（14.1%-17.2%），而粒级<0.053 mm的团聚体的含量（5.98%-6.89%）最低。随培养温度的增加，0.25-0.053 mm和<0.053 mm团聚体的含量没有显著变化，但50℃条件下2～0.25 mm团聚体的含量显著低于其他两个温度处理，说明高温不利于土壤大团聚体的形成。

添加玉米秸秆后，2-0.25 mm团聚体转变为优势粒级，占40.9%～82.7%：其次为0.25～0.053 mm粒级团聚体，占12.9%-51.3%：<0.053 mm粒级团聚体的含量最低，为2.21%-6.25%。与未加玉米秸秆的对照相比，添加玉米秸秆使2～0.25 mm粒级大团聚体的含量显著增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒级团聚体的含量显著降低。随培养温度的增加，2～0.25 mm粒级团聚体的含量显著降低，而0.25～0.053和<0.053 mm粒级团聚体的含量显著增加。上述结果说明，添加玉米秸秆促进了土壤中微团聚体向大团聚体的转化：低温条件下更有利于土壤大团聚体的形成，而温度增加则破坏了大团聚体结构，使其向微团聚体转化。

关松等的研究表明，黑土以0.25-0.053 mm粒级团聚体含量最多，添加玉米秸秆使2～0.25 mm团聚体含量增加，而0.25～0.053和<0.053 mm粒级团聚体含量减少：崔荣美等的研究表明，玉米秸秆还田后，>0.25 mm团聚体含量显著高于未加秸秆的对照处理：郝翔翔等的研究表明，连续秸秆还田能够促进土壤微团聚体向大团聚体转化，这些研究结果与本研究结果都是一致的。但孙汉印等的研究表明，小麦秸秆还田后0.25～0.053 mm微团聚体含量明显增加，与此次研究结果不同，这可能与所施用秸秆的种类不同有关。

2.2.2土壤团聚体有机碳含量 由表2可见，未加玉米秸秆（CK）条件下，土壤团聚体有机碳含量主要分布在2-0.25 mm粒级团聚体中，其次为<0.053 mm粒级团聚体，而0.25～0.053 mm粒级团聚体有机碳含量最低。随培养温度的增加，各粒径团聚体的有机碳含量均降低，说明升高温度能促进团聚体有机碳的分解。

添加玉米秸秆后，土壤团聚体有机碳含量仍主要分布在2-0.25 mm粒级团聚体中，其次为0.25～0.053 mm粒级团聚体，而<0.053 mm粒级团聚体有机碳含量最低。与未加玉米秸秆的对照相比，添加玉米秸秆后各粒级团聚体有机碳含量显著增加。随培养温度的升高，0.25-0.053 mm和<0.053 mm粒级团聚体的含量显著下降，而2-0.25 mm粒级团聚体的有机碳含量显著增加，说明温度升高主要减少了有机碳在0.25-0.053和<0.053 mm粒级团聚体中的分布。

已有的研究表明，添加秸秆能提高土壤各粒级团聚体的有机碳含量，并且大团聚体有机碳含量明显高于微团聚体，与本研究的结果相一致。

2.3土壤水溶性和腐殖质碳含量对温度变化的响应

2.3.1土壤水溶性碳含量 由表3可见，未加玉米秸秆（CK）条件下，土壤水溶性碳含量随温度的升高显著增加，说明高温有利于土壤中水溶性有机碳的积累。与未添加玉米秸秆相比，加入玉米秸秆后土壤中水溶性碳的含量明显增加，随温度的升高，水溶性碳含量下降，但50℃下的水溶性碳含量显著高于30℃处理，说明30℃最不利于水溶性有机碳的积累。以往的一些研究也表明，添加玉米秸秆能够显著提高土壤水溶性碳含量，与本研究结果相一致。但冯发堂等的研究表明，添加植物细根或草根后，土壤水溶性碳含量随温度的升高而增加，具体表现为30℃>20℃>10℃：刘艳等研究了不同温度条件下杉木、桤木和火力楠细根分解对土壤水溶性碳的影响，表明培养温度对水溶性碳含量的影响为14℃>24℃>28℃>9℃，与此次研究结果不完全相同，这可能与供试的土壤类型和有机物料不同有关。

2.3.2土壤腐殖质碳含量 由表3可见，未加玉米秸秆（CK）条件下，土壤腐殖质组分的含碳量均随温度的增加而降低，说明高温不利于土壤腐殖质组分的积累。方差分析结果表明，HE和FA的含碳量在10℃和30℃处理间差异不显著，而HA的含碳量在30℃和50℃处理间差异不显著。从HA/FA的变化来看，温度的影响表现为10℃>50℃>30℃，说明30℃条件下更有利于FA形成，而10℃培养则更有利于HA形成。

与未加玉米秸秆（CK）相比，加入玉米秸秆后土壤腐殖质组分的碳含量都明显增加，这与以往的研究相一致。除50℃处理外，10℃和30℃处理的HA/FA都高于未添加玉米秸秆的处理，说明添加玉米秸秆对HA、FA形成的影响也与培养温度有关，10℃和30℃有利于HA的形成，而50℃则有利于FA的形成。随着培养温度的升高，土壤腐殖质组分的碳含量均降低，说明高温不利于土壤腐殖质组分的积累。

3.结论

1）与未添加玉米秸秆（CK）相比，添加玉米秸秆后土壤总有机碳含量显著增加。随培养温度的升高，土壤总有机碳含量显著降低。

2）与未添加玉米秸秆（CK）相比，添加玉米秸秆促进了土壤中微团聚体向大团聚体的转化，同时提高了各粒级土壤团聚体的有机碳含量。培养温度的升高破坏了大团聚体结构，使其向微团聚体转化，同时减少了有机碳在0.25～0.053和<0.053mm粒级团聚体中的分布。

3）与未添加玉米秸秆（CK）相比，添加玉米秸秆后土壤腐殖质组分的碳含量明显增加，随着培养温度的升高，土壤腐殖质组分的碳含量有所降低。