不同秸秆对植烟土壤有机碳矿化和腐殖质组成的影响

陈丽鹃 周冀衡 柳立 张毅 李强 张一扬 陈闺

摘  要：針对南方常见的烤烟轮作体系，研究添加不同作物秸秆（烟草、油菜和水稻）后土壤有机碳矿化特征和腐殖物质含量变化，为合理利用烟田废弃物提供理论依据。采用室内恒温培养试验，将3种秸秆分别以覆盖于土壤表层和与土壤混匀2种方式添加，分析不同处理土壤CO₂释放规律、总有机碳（TOC）和腐殖物质含量的变化与相关性。结果表明，以不同方式添加作物秸秆对土壤CO₂释放影响显著，覆盖处理土壤有机碳矿化强度高于混匀处理，达到极显著差异;3种秸秆的添加均能显著提高土壤CO₂释放速率和累积释放量，有机碳矿化强度表现为油菜秸秆>烟草秸秆>水稻秸秆。经过180 d的培养，添加秸秆的各处理土壤TOC、腐殖物质各组分含量和PQ值显著升高。相关性分析表明，土壤CO₂累积释放量与土壤中TOC、HE（可提取腐殖质总量）与FA（富里酸）含量呈显著相关。因此，3种作物秸秆的添加可提高植烟土壤有机碳含量和腐殖化程度，且秸秆混匀处理具有较好的固碳减排效果。

关键词：作物秸秆;植烟土壤;二氧化碳释放;有机碳矿化;腐殖物质

中图分类号：S572.06          文章编号：1007-5119（2019）05-0008-07      DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2019.05.002

Effects of Different Crop Straws on Organic Carbon Mineralization and Humus Composition of Tobacco-Growing Soil

CHEN Lijuan， ZHOU Jiheng^*， LIU Li， ZHANG Yi， LI Qiang， ZHANG Yiyang， CHEN Gui

（Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract： In view of the common flue-cured tobacco rotation system in Southern China， the characteristics of soil organic carbon mineralization and changes of humus content after adding different crop straws （tobacco， rape and rice） were studied to provide theoretical basis for rational utilization of tobacco field wastes. Indoor constant temperature incubation experiment was adopted in which three kinds of straw were applied by covering the soil surface or mixing with the soil， and the changes and correlation of CO₂ release pattern， total organic carbon content （TOC） and humus content of soil under different treatments were analyzed. The results showed that the addition of crop straw in different ways had significant influence on soil CO₂ release， and the mineralization intensity of soil organic carbon under the mulching treatment was higher than that under the mixing treatment， reaching an extremely significant difference. The addition of the three kinds of straws can significantly increase the soil CO₂ release rate and cumulative emission amount， and the mineralization intensity of soil organic carbon in each treatment is shown as rape straw > tobacco straw > rice straw. After 180 days of culture， the contents of TOC， humus composition and PQ value of soil treated with straw were significantly increased. Through correlation analysis， it can be found that the cumulative emission of soil CO₂ was significantly correlated with the content of soil TOC， HE （total humus that could be extracted） and FA （fulvic acid）. Therefore， the addition of three crop straws can improve the soil organic carbon content and humus degree， and the straw mixing treatment has a better effect of carbon sequestration and emission reduction.

Keywords： crop straw; tobacco-growing soil; CO₂emission; organic carbon mineralization; humus

我国年产7～8亿t作物秸秆，其中含有大量有机物和植物生长必需的营养及微量元素^[1-2]，其随意丢弃或就地焚烧，不仅浪费资源，还对生态环境造成影响^[3-4]。为解决土壤退化及农业面源污染问题^[5]，近年来秸秆还田成为主要的资源化利用方式^[6]，可以改善土壤结构、补充碳短板和增强土壤微生物作用，实现农业生产的良性循环和绿色发展^[7-8]。秸秆还田条件下的农田土壤碳变化已成为学者们关注的热点，在微生物的作用下还田的秸秆大部分被转化为CO₂释放，剩余的碳组分进入土壤碳库，以维持或增加土壤有機质含量和总碳储量^[9-10]。研究表明秸秆还田显著提高了土壤有机碳含量和碳矿化速率及累积矿化量^[11]，秸秆类型对土壤CO₂的排放有明显影响^[12];还田后在土壤微生物和酶的共同作用下形成高分子有机化合物——土壤腐殖物质，既能固碳又能提高土壤肥力，实现作物增产^[13-14]。

秸秆还田碳的转化和分配过程与还田后的土壤肥力及固碳能力密切相关^[15]。目前，前人研究多集中在土壤类型、秸秆用量、耕作制度等条件下对秸秆分解及其养分释放特征的影响^[16-19]，而关于秸秆还田条件下植烟土壤有机碳的累积潜力和机理研究较少、特别是针对南方常见的烤烟-油菜轮作和烤烟-水稻轮作体系的研究还未见报道。因此，本文通过室内模拟试验，研究以2种还田方式（表层覆盖、混匀）添加3种作物（烟草、油菜和水稻）秸秆后植烟土壤有机碳矿化特征和腐殖物质含量变化，旨在探明不同秸秆还田在增加土壤碳截留和提高土壤肥力方面的作用，为烟田废弃物的合理利用及土壤固碳减排提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  供试材料

供试土壤为棕壤土，采自湖南农业大学耘园基地烤烟-水稻轮作试验地耕层，风干后过2 mm筛备用。土壤基本理化性状如下：有机质含量22.98 g/kg，pH 6.15，全氮1.31 g/kg，全磷0.60 g/kg，全钾6.34 g/kg，碱解氮122.35 mg/kg，速效磷32.96 mg/kg，速效钾147.12 mg/kg。

供试作物秸秆采自各科研基地，烘干后粉碎过1 mm筛，基本性质如下：烟草秸秆含有机碳435.51 g/kg，总氮10.27 g/kg，碳氮比42.41;油菜秸秆含有机碳418.72 g/kg，总氮7.69 g/kg，碳氮比54.45;水稻秸秆含有机碳399.61 g/kg，总氮6.84 g/kg，碳氮比58.42。

1.2  试验设计

试验采用室内模拟恒温培养法，设置3种秸秆类型（烟草秸秆S1、油菜秸秆S2、水稻秸秆S3）以及2种还田方式（秸秆覆盖于土壤表层M1，秸秆与土壤混匀M2），并以无秸秆添加的土壤作对照，共7个处理（CK、S1M1、S2M1、S3M1、S1M2、S2M2和S3M2），每个处理重复6次。称取100 g（烘干计）供试土壤置于培养瓶中，调节含水量至田间最大持水量的60%，于恒温箱中26 ℃预培养7 d以恢复微生物活性后，按10 g秸秆/1 kg土样的用量加入各秸秆，用CO（NH₂）₂溶液调节碳氮比^[20-21]，最后将土壤含水量调至田间最大持水量的70%，于26 ℃下恒温培养180 d。培养期间通过质量差值法调节土壤水分，监测CO₂释放，在第30、180天时各取3瓶土样检测总有机碳和腐殖物质含量。各处理起始总有机碳含量通过土壤和各作物秸秆有机碳含量计算得出。

1.3  测定项目及方法

土壤CO₂的释放量：采用碱液吸收滴定法测定^[11]，计算第1、3、7、15、30、60、120、180天时CO₂的释放速率和累积释放量。

土壤腐殖质组成：采用土壤腐殖质组成修改法^[22]进行提取和分组，土壤总有机碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定^[23]。

1.4  数据处理及分析

应用Excel 2010和SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。

2  结  果

2.1  3种作物秸秆对土壤有机碳矿化的影响

2.1.1  土壤CO₂释放速率  由图1来看，在180 d培养期内，各处理土壤CO₂释放速率均表现出先增加后降低最后趋于稳定的规律。在培养前期，由于外源秸秆的加入，易分解组分在微生物作用下快速分解，土壤CO₂释放速率增长迅速，除CK和S2M1外，各处理在第3天达到峰值，以S1M1处理最高，为54.68 mg/（kg·d）、S2M1次之，S2M1在第1天达

到峰值55.10 mg/（kg·d），显著高于其他秸秆添加处理的43.05～47.95 mg/（kg·d）（S3M1>S2M2>S1M2>S3M2）。覆盖处理土壤CO₂释放速率高于混匀处理，达到极显著差异。整个培养期CK土壤CO₂释放速率较低，最大值仅为7.05 mg/（kg·d）。培养至第30天各处理土壤CO₂释放速率均降至较低[5.19～7.19 mg/（kg·d）]，之后逐渐趋于稳定，与CK无显著差异。这是因为进入培养后期，土壤中易分解组分已被利用殆尽，微生物转向较难分解组分，CO₂释放速率随之下降。

2.1.2  土壤CO₂累积释放量  从图2可以看出，添加作物秸秆后土壤CO₂累积释放量呈现前期增长迅速、后期增长缓慢的趋势。在整个培养期内，各处理土壤CO₂累积释放量大小表现为S1M1>S2M1>S3M1>S1M2>S2M2>S3M2>CK;添加作物秸秆的处理均与CK达到显著差异，分别是CK的1.51～1.96倍;覆盖处理高于混匀处理，这与土壤CO₂释放速率变化规律相符合。较之于水稻秸秆，烟草秸秆和油菜秸秆的添加对土壤CO₂累积释放量影响更大，但后两种秸秆之间未表现出显著差异。這是因为不同秸秆在养分含量、碳氮比等方面存在差异，从而影响土壤中微生物的活动，使得土壤有机碳的矿化速率和分解量不一。

2.1.3  土壤有机碳矿化强度  土壤有机碳矿化强度为整个培养期土壤CO₂累积释放量与土壤起始总有机碳含量的比值。从图3可以看出，培养180 d土壤有机碳矿化量只占总量的很小一部分，各处理土壤有机碳矿化强度分别为3.94%、5.86%、5.87%、5.52%、4.89%、4.94%和4.63%。添加作物秸秆能显著提高土壤有机碳矿化强度，表现为油菜秸秆>烟草秸秆>水稻秸秆，均与CK达到极显著差异（p<0.01），覆盖处理对土壤有机碳矿化的影响更为显著，与土壤CO₂累积释放量规律一致。

2.2  3种作物秸秆对土壤总有机碳含量和腐殖物质组成的影响

2.2.1  土壤总有机碳含量变化  图4反映了添加不同秸秆后培养30 d和180 d时土壤总有机碳（TOC）含量状况。随着培养时间的延长，各处理TOC含量均呈降低的趋势。添加作物秸秆的处理均显著高于对照，30 d时TOC含量以S1M2、S3M2处理最高，分别为17.42、17.08 g/kg;CK最低，为13.27 g/kg，S2M1次低，为16.20 g/kg，二者均显著低于其他处理，其他处理之间差异不显著。180 d时各处理土壤TOC含量状况差异与30 d时基本一致。总体而言，添加不同秸秆均能显著提高土壤有机碳含量，同一秸秆混匀处理比覆盖对增加土壤有机碳含量效果更好，但差异不显著。

2.2.2  土壤腐殖物质各组分含量变化  表1示出，添加秸秆后土壤中可提取腐殖质总量（HE）、胡敏酸含量（HA）、富里酸含量（FA）和胡敏素含量（HM）均显著高于对照;培养180 d时S3M2和S1M2处理土壤HE、HA和HM含量均显著高于其他处理，FA差异不显著;随着培养时间的延长呈现HA含量上升、FA下降的趋势。同一秸秆混匀处理土壤腐殖物质各组分含量均高于覆盖处理，但差异不显著。

土壤PQ值指HA在HE中所占比例，是反映土壤有机质腐殖化程度的一个重要指标。从表1可以看出，添加作物秸秆处理各土壤PQ值较CK均有不同程度的升高，且差异显著;在培养30 d和180 d时各处理PQ值的大小顺序均为S3M2>S1M2>S3M1>S1M1>S2M2>S2M1>CK。在培养180 d时，S3M2和 S1M2处理土壤PQ值较CK分别提高了27.80%和22.21%，并显著高于其他处理;这表明水稻秸秆和烟草秸秆混匀处理更有利于促进土壤有机质的腐殖化进程。

2.3  土壤总有机碳、腐殖物质组成与土壤CO₂累积释放量之间的关系

对培养180 d时土壤TOC、腐殖物质各组分含量与CO₂累积释放量之间进行相关性分析（表2）得出，CO₂累积释放量与土壤中HE和FA含量呈极显著相关，与TOC含量显著相关，这说明土壤中TOC、HE和FA含量均直接影响CO₂累积释放量。

土壤中HE和FA能为微生物提供可直接利用的碳源，而微生物又通过有机物料的分解及本身的新陈代谢来影响土壤有机碳的含量，改变土壤腐殖物质的组成，所以土壤CO₂累积释放量与HE和FA这2种腐殖质组分之间关系密切。土壤TOC和腐殖质各组分之间的相关性则与土壤腐殖质分组方法及各组分之间的相互转化有关。

3  讨  论

土壤有机碳矿化强度能反映土壤中有机质分解及土壤有效养分供应状况。作物秸秆中含有大量有机物质、氮、磷、钾和微量元素，作为外源有机物料加入能够为微生物提供易利用的营养物质，促进其活动，大量研究表明作物秸秆还田能促进土壤呼吸作用^[24-26]。然而，作物秸秆由易分解成分（如糖类等）和难分解成分（如多酚等）组成，不同秸秆在养分含量、碳氮比等方面存在差异，且有机碳矿化受土壤温湿度和质地等因素的影响，不同秸秆处理对土壤CO₂释放规律的影响并不一致。有研究认为^[27-28]，木质素含量高的作物秸秆其分解速率较慢，土壤有机碳累积矿化量与秸秆碳氮比存在负相关。本研究中，添加秸秆的土壤CO₂释放速率、累积释放量及矿化强度均显著高于对照，其中油菜秸秆促进有机碳矿化效果最为显著，烟草秸秆次之，水稻秸秆处理土壤有机碳矿化强度相对最低;这可能是因为水稻秸秆碳氮比最高，油菜秸秆中易分解组分含量较高，而烟草秸秆木质素含量高。本试验中，较之于秸秆混匀处理，表层覆盖处理对土壤有机碳矿化的影响更为显著，这可能是因为培养过程中人为补充水分使得表层土壤干湿交替频繁且通气性较好，在好气微生物的作用下秸秆以分解矿化过程为主。

土壤有機碳处在不断地矿化与腐殖化过程中，有机物料在土壤中的分解是形成新的腐殖物质的前提，新形成的腐殖物质和土壤中的原有有机质（主要是腐殖物质）同样也面临着不断的分解;同时新加入的有机物料还能促进原来土壤有机质的分解（激发效应）^[29-30]。有机碳的积累水平依赖于输入与输出的平衡，即土壤中有机碳的矿化与腐殖化的平衡。本试验中，培养30 d及180 d时添加作物秸秆的处理土壤总有机碳含量均显著高于对照，这说明外源碳的输入是提高土壤有机碳的有效途径，这与潘根兴等^[31]提出的有机碳积累主要与作物产量有关，而非依赖于外源碳输入结论不同，可能是因为本研究采用的室内培养试验，跟田间种植条件下所处的环境不一致。

土壤腐殖质各组分具有不同的形成顺序和稳定性，处于一种动态的相互转化之中。本试验中添加作物秸秆的各处理土壤中可提取腐殖质总量（HE）、胡敏酸含量（HA）、富里酸含量（FA）、胡敏素含量（HM）和土壤PQ值均显著高于对照;与培养30 d时相比，各处理土壤在培养180 d时均呈现HA含量上升、FA含量下降的趋势，这些表明添加秸秆后植烟土壤腐殖质得到更新、品质向好的方向转化。这与前人研究结果相似，如辛励等^[32]研究表明，秸秆还田可以显著提高土壤胡敏酸、胡敏素和富里酸含量;邹洪涛等^[33]的研究中，土壤腐殖质各组分有机碳含量随秸秆添加量的增加呈上升趋势，且随着秸秆还田年限的增加，FA含量降低，HA、HM含量以及土壤PQ值都有所增加，土壤腐殖化程度提高。

4  结  论

在本试验中，以2种方式添加3种不同秸秆均能显著提高土壤CO₂释放速率、累积释放量和有机碳矿化强度，3种秸秆促进土壤有机碳矿化效果表现为油菜秸秆>烟草秸秆>水稻秸秆，且秸秆覆盖较混匀处理对有机碳矿化的影响更为显著。经过180 d的培养，添加秸秆的各处理土壤总有机碳、腐殖物质各组分含量和PQ值显著提高，以水稻秸秆混匀处理效果最显著。土壤中TOC、HE与FA含量直接影响土壤CO₂累积释放量。随着培养时间的增加，各处理土壤FA含量下降、HA含量呈现上升的趋势，土壤腐殖化程度提高。因此，烤烟轮作体系中可以通过合理的秸秆还田来补充有机碳和提高植烟土壤肥力。但考虑到本研究采用的是室内

培养试验，而田间轮作管理的自然条件较为复杂，所以还田的具体措施以及固碳减排效果还需开展相关田间试验进一步研究。

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