秸秆还田量对黑土区土壤及团聚体有机碳变化特征和固碳效率的影响

高洪军，彭畅，张秀芝，李强，朱平，王立春

（吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033）

0 引言

【研究意义】农田土壤有机碳和土壤团聚体特征是评价土壤肥力的重要指标，它们影响着土壤的物理、化学、生物等土壤性质[1-2]，也是土壤中各种养分的贮藏库及肥力供应的核心物质[3]。因此，探明黑土区农田土壤及团聚体固碳效应对于土壤肥力提升及玉米增产稳产均具有重要意义。【前人研究进展】土壤固碳效率可以反映单位外源有机碳在土壤或团聚体中的转化程度[4]。美国及加拿大温带地区土壤固碳效率为14%—21%[5]，而印度热带半干旱地区土壤固碳效率为25%[6]。ZHANG等[7]根据6个长期土壤肥力定位试验计算了我国不同类型土壤的固碳效率，其中：新疆灰漠土固碳效率为 26.7%、吉林公主岭黑土为 15.8%、河南潮土为6.8%，并且土壤固碳量都与累积有机碳投入呈极显著的线性正相关关系，很多研究结果也支持这一观点[8-9]。然而，CAMPBELL 等[10]研究认为，当外源有机碳长期投入在土壤有机碳含量高的农田上，土壤有机碳含量并不持续增加，而是达到一个稳定碳饱和点之后不再继续增加。秸秆有机碳输入对土壤大团聚体（＞0.25 mm）有机碳的增加贡献较大，对小粒级团聚体有机碳含量影响较小[11]。李景等[12]通过15年的秸秆覆盖还田试验研究也表明，外源碳累积投入量与＞0.25 mm大团聚体有机碳储量变化量呈极显著的正相关关系，其中大粒级团聚体固碳效率较高，而小粒级团聚体固碳能力较弱。除土壤类型、气候因素、耕作和种植制度外，施用农家肥和秸秆还田也是影响农田土壤有机碳转化和固持的最重要因素之一[13]。东北地区是我国重要的玉米生产区之一，秸秆资源十分丰富，秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量，进而改善土壤团聚体有机碳的分布[14]。【本研究切入点】目前关于不同培肥及耕作措施对土壤有机碳变化规律和团聚体特征影响研究较多，对土壤总有机碳固持效率研究也有报道，但关于玉米秸秆还田对东北黑钙土团聚体固碳效率机制等研究比较薄弱，需进一步探讨和明确。【拟解决的关键问题】本文基于7年的秸秆还田量试验，探讨不同玉米秸秆还田量对土壤固碳效应的影响，进而阐明秸秆碳输入与土壤及团聚体碳储量的量化关系；深入剖析各粒级团聚体固碳效应，以期揭示农田土壤有机碳固持效率机制，为定量提升土壤有机碳及土壤肥力培育提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于吉林省农安县哈拉海镇吉林省农业科学院哈拉海试验站，该区域属中温带大陆性季风气候，光热资源充足，地势平坦，四季分明，年平均日照时数为2 620 h，年均气温4.7℃，无霜期145 d，年均降雨量507.7 mm，有效积温2 800℃。于2012年4月设置为田间定位试验，土壤类型为黑钙土，在该区域具有典型代表性。试验开始时耕层（0—20 cm）土壤基础化学性状[15]：有机质为 22.3 g·kg-1，全氮 1.537 g·kg-1，全磷 0.565 g·kg-1，全钾 22.7 g·kg-1，碱解氮 128.2 mg·kg-1，速效磷 12.9 mg·kg-1，速效钾 132.5 mg·kg-1，pH 7.75。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，按照施用0、4 500、9 000、13 500 kg·hm-2玉米秸秆量进行设计，分别为：（1）秸秆还田量0（SA0）；（2）秸秆还田量4 500 kg·hm-2（SA300）；（3）秸秆还田量 9 000 kg·hm-2（SA600）；（4）秸秆还田量 13 500 kg·hm-2（SA900），其中 9 000 kg·hm-2秸秆还田量为当地农户的还田量。每处理3次重复，随机区组排列，小区面积为 80 m2。其中，秸秆还田方式为旋耕还田：在玉米机械收获后，根据玉米秸秆不同施用量对各小区进行人工撒施秸秆，然后利用秸秆粉碎机粉碎秸秆（长度小于6 cm），并采用大马力农机对秸秆进行深旋还田，深度约16 cm，达到秸秆与土壤充分均匀混合，最后重镇压。

试验供试肥料：尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）和硫酸钾（K2O 50%）；各处理氮、磷、钾肥施用量相同，分别为 N 210、P2O5105、K2O 105 kg·hm-2。1/3的氮肥和全部磷钾肥在春季播种前作底肥施用，余下2/3 氮肥在玉米拔节期追肥。玉米秸秆养分含量：C 42.6%、N 0.8%、P2O50.32%和 K2O 0.75%。供试玉米品种为先玉 335；每年玉米在 4月28日左右播种，种植密度6.5万株/hm2，9月27日左右收获，其他田间管理措施按当地生产田进行[15]。

1.3 土壤有机碳和团聚体样品采集及分析

2014—2018年秋季收获后，对每个小区采集耕层土样（0—20 cm），按“S”形取5个点土样，然后组成一个混合土样。土壤风干过筛后采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳。

2018年10月在玉米收获后采集0—20 cm土层样品进行团聚体分级。土壤团聚体分级依据 ELLIOT[16]的湿筛法，分离出＞2 mm，2—0.25 mm，0.25—0.053 mm和＜0.053 mm 等4个级别团聚体。＞0.25 mm的团聚体称为水稳性大团聚体，＜0.25 mm称为水稳性微团聚体。土壤有机碳含量及分离得到的各粒级团聚体有机碳含量采用EA3000元素分析仪测定。

1.4 计算方法

外源有机碳投入量计算方法参照 JIANG 等[17]；有机碳储量及团聚体有机碳储量计算方法参照李景等[12]；土壤总有机碳及各粒级团聚体有机碳的固碳速率和固碳效率采用公式（1）—（3）[18]：

式中，SOCstock-t、SOCstock-c和ΔSOCstock分别代表处理有机碳储量、对照有机碳储量和有机碳储量的增加量；Cinput-t和Cinput-c分别代表处理和对照外有机碳输入量；n代表外源有机碳输入的累积年份；SOCSR和 SOCSE分别代表土壤固碳速率和固碳效率。

1.5 数据处理

试验数据和图表采用Excel 进行处理，用SAS 9.0软件进行两因素方差分析，处理间多重比较采用LSD-test 法进行差异显著性检验。采用简单线性关系（y=ax+b）来拟合土壤及团聚体有机碳增加量与外源有机碳输入的相关关系，并用t 检验斜率的差异显著性。

2 结果

2.1 不同秸秆还田量对土壤有机碳含量的影响

不同秸秆还田量对土壤有机碳含量影响显著（图1），2014—2018年秸秆还田SA600和SA900两处理土壤有机碳含量均显著高于秸秆不还田（SA0）、低量秸秆还田（SA300）处理；从第5年（2016年）秸秆还田开始，SA900和SA600两处理土壤有机碳含量差异达显著水平（P＜0.05）。高量秸秆还田（SA900）处理5年间土壤有机碳较秸秆不还田（SA0）处理分别依年限增加了9.3%、11.0%、15.8%、17.2%、23.1%；在秸秆还田前4年（2012—2015年），低量秸秆还田SA300处理土壤有机碳与SA0处理相比差异不显著；但在秸秆还田后3年（2016—2018年），两者之间达到差异显著水平（P＜0.05）。总体上，不同秸秆还田量下土壤有机碳含量由高到低依次表现为 SA900、SA600、SA300、SA0。

图1 不同秸秆还田量下土壤有机碳的变化Fig. 1 Changes of soil organic carbon under different straw returning amounts

2.2 不同秸秆还田量对土壤固碳效率变化的影响

由图2分析可知，各处理外源累积碳的投入增加量、以及土壤有机碳储量变化量均存在较大差异，秸秆不还田（SA0）处理外源有机碳的增加仅归功于玉米地上残茬及根系生物量的投入，累积碳投入量达到10.92 t·hm-2；而秸秆还田处理土壤中的有机物料源于收获植株的秸秆还田、玉米地上残茬及根系生物量，其中，SA900处理累积碳投入量较SA0处理增加35.12 t·hm-2。随着秸秆碳的累积输入各处理的有机碳储量均有所提高，其中，高量秸秆还田（SA900）处理的有机碳储量最高，较秸秆不还田（SA0）处理土壤有机碳储量（2018年）增加 4.74 t·hm-2。

由图2可知，土壤总有机碳储量与外源有机碳输入呈极显著正线性相关关系（P＜0.01），即土壤总有机碳储量随外源碳投入量增加而显著提高；土壤的固碳效率为12.9%，即农田投入100 t·hm-2外源有机碳，土壤有机碳储量增加 12.9 t·hm-2。当有机碳储量变化（y）为0时，每年需投入秸秆碳1.08 t·hm-2（或干秸秆2.54 t·hm-2）维持初始土壤SOC水平，土壤有机碳储量达到平衡。表明秸秆还田对维持和提高土壤有机碳含量具有重要作用。

图2 外源累积碳投入与土壤有机碳储量变化的响应关系Fig. 2 Relative relationship between change of organic carbon stocks and cumulative carbon input

2.3 不同秸秆还田量对土壤团聚体有机碳含量及储量的影响

2.3.1 对土壤团聚体有机碳含量的影响 由图 3分析可知，各粒级团聚体大小差异性影响着团聚体碳含量，以2—0.25 mm大粒级团聚体有机碳含量为最高，各处理平均达到15.8 g·kg-1；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm小粒级团聚体有机碳含量最低，两个粒级各处理平均值分别为10.5和11.9 g·kg-1。表明大团聚体较微团聚体能储存更多的有机碳。

与秸秆不还田（SA0）相比，对于＞2 mm和2—0.25 mm粒级大团聚体，秸秆还田处理都显著提高了该粒级团聚体有机碳含量（P＜0.05），其中，3个秸秆还田量处理之间差异达显著水平；对于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒级微团聚体，秸秆还田（SA600）和（SA900）两处理均显著提高了该粒级团聚体有机碳含量（P＜0.05），但秸秆还田SA300和SA0两处理之间差异未达到显著水平。高量秸秆还田（SA900）各粒级团聚体碳含量较其他 3个处理都有显著增加（P＜0.05），较 SA0处理提高幅度为 2.3%—22.7%，其中在2—0.25 mm和＜0.053 mm粒级中增加幅度最高。表明秸秆还田不仅有利于大团聚体（＞0.25 mm）中有机碳的增加，同时也显著提高了微团聚体有机碳含量，尤其高量秸秆还田对土壤团聚体有机碳含量提高贡献更大。

2.3.2 对表层土壤团聚体有机碳储量的影响 由图4分析可知，0.25—0.053 mm 粒级团聚体有机碳储量为最高，平均为 12.92 t·hm-2，其次为 2—0.25 mm（10.32 t·hm-2），而＞2 mm和＜0.053 mm粒级团聚体储量为最低。与秸秆不还田相比，秸秆还田 SA600和 SA900两处理均明显提高了＞2 mm 和2—0.25mm粒级大团聚体有机碳储量，但没有显著提高＜0.25 mm微团聚体有机碳储量；高量秸秆还田SA900处理的＞2 mm和2—0.25 mm 粒级团聚体有机碳储量较秸秆不还田（SA0）分别提高了45.5%和47.7%；＜0.053 mm粒级微团聚体碳储量对不同秸秆还田量的影响没有变化。表明秸秆还田不仅有利于大团聚体有机碳储量的增加，而且秸秆还田数量也影响着土壤团聚体有机碳储量的变化。

图3 不同秸秆还田量下各粒级团聚体有机碳含量Fig. 3 Aggregates organic carbon content under different straw returning amounts

图4 不同秸秆还田量下各粒级团聚体有机碳储量变化Fig. 1 Changes of Aggregates organic carbon stocks under different straw returning amounts

2.4 不同秸秆还田下各粒级团聚体有机碳固持速率与固碳效率

2.4.1 不同粒级团聚体有机碳固持速率 不同秸秆还田量对 0—20 cm土层各粒级团聚体有机碳储量的固持速率影响差异较大（表1）。＞2 mm和2—0.25 mm各粒级大团聚体有机碳在秸秆还田3个处理中平均固碳速率分别为 0.15 和 0.45 t·hm-2·a-1，并明显高于0.25—0.053 mm和＜0.053 mm各粒级微团聚体固碳速率。秸秆还田SA900和SA600处理＞2 mm和2—0.25 mm粒级大团聚体固碳速率明显高于秸秆不还田（SA0）和低量还田（SA300）处理；在微团聚体0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒级中，各处理土壤固碳速率差异不显著。

表1 各粒级团聚体有机碳固持速率（2018）Table 1 Sequestrated rates of aggregates organic carbon

2.4.2 不同粒级团聚体有机碳固持效率 随着连续 7年外源有机碳累积输入下，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒级团聚体碳储量均显著提高（P＜0.05），图5），表明这些粒级团聚体中有机碳均没有出现碳饱和现象。＜0.053 mm粒级团聚体有机碳储量并未随累积碳投入量的增加而增加，表现出碳饱和迹象。图5中的直线斜率表示各粒级团聚体固碳效率，斜率越大固碳效率也越大。2—0.25 mm粒级团聚体的固碳效率为最高，显著高于其他各粒级团聚体固碳效率（P＜0.05），固碳效率为13.6%；其次为＞2 mm 粒级团聚体，固碳效率为4.9%；0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒级微团聚体固碳效率为最低。表明不同粒级团聚体有机碳以2—0.25 mm粒级大团聚体对秸秆还田响应最敏感，对土壤总有机碳储量的增加起决定性作用，可作为表征土壤有机碳响应土壤管理措施变化指标。

图 5 不同粒级团聚体有机碳储量增加量与累积碳投入量的关系（2018）Fig. 5 Relationship between organic carbon stocks of soil aggregates and cumulative C input

3 讨论

3.1 土壤总有机碳变化及固碳效率

秸秆还田和有机肥等外源有机碳的输入是农田土壤有机碳增加的主要途径和碳源[19]。许多研究表明长期秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量[20-21]。本研究中，秸秆还田SA600和SA900两处理土壤有机碳含量均显著高于秸秆不还田（SA0）、低量秸秆还田（SA300），并且后 3年 SA900和 SA600两处理土壤有机碳含量差异显著（P＜0.05）。同时，随着玉米秸秆还田量增加和还田时间的延长，土壤有机碳含量逐渐明显提升。关于土壤有机碳是否随着秸秆还田量的增加而同步提高，文献报道也存在着一些差异。有许多学者认为，随着秸秆还田量的增加，土壤有机碳含量和碳库活度均增加，并与秸秆还田量呈极显著线性正相关关系[22-23]，这与本研究结果一致。但白建忠等[24]在水旱轮作农田上研究发现，秸秆还田对年际间水旱轮作农田土壤有机质提升并不呈叠加效应，而且土壤有机质也不随秸秆还田量增加而同步提高，因为过量秸秆还田降低了土壤pH及秸秆的腐解速率，从而不利于土壤有机碳累积[25]。

有学者研究表明[26]，土壤有机碳储量对系统的碳输入水平的提升无显著响应，但大量研究表明[7,27]，土壤总有机碳储量与外源有机碳输入呈极显著正线性相关关系（P＜0.01），这与本研究结果一致，黑钙土土壤固碳效率为12.9%，土壤有机碳尚未达到碳饱和点，还存在很大的固碳空间，该结果略低于张文菊等[7]在吉林省公主岭黑土长期定位试验的研究结果（固碳效率为15.8%），但要高于河南潮土（6.8%），江西红壤（8.1%）[19]，这主要是由于土壤质地、气候因素（温度和水分）和有机物料种类及施用方式等诸多因素造成土壤固碳效率差异较大；如公主岭土壤固碳效率比农安高，可能是施用有机物料类型不同造成的，公主岭处理施用农家肥，而农安处理为秸秆还田，施用农家肥土壤固碳速率显著高于秸秆还田[28]，施用农家肥不仅可显著提高土壤有机质含量，而且农家肥本身是处于半分解状态的有机质，有利于土壤碳的固持；也可能是由于公主岭典型黑土比黑钙土质地黏粒含量高，黏粒吸附能力强、比表面积较大、固碳能力强，所以黏粒固碳效率明显高于砂粒和粉粒，这与蔡岸冬等[17]在红壤长期定位施肥试验报道的结果相似。

3.2 各粒级团聚体对土壤有机碳的固持

土壤团聚化过程是土壤团聚体固碳的重要驱动途径[29]。本研究发现，各粒级团聚体有机碳含量以2—0.25 mm和＞2 mm粒级大团聚体有机碳含量为最高。与秸秆不还田（SA0）相比，秸秆还田 SA600和 SA900两处理均显著提高了各粒级团聚体有机碳含量（P＜0.05），尤其是对大团聚体（＞0.25 mm）有机碳含量增加贡献更大；其中 3个秸秆还田量处理各粒级团聚体碳含量之间差异达显著水平，这与本人前期报道[15]的不同秸秆还田模式对黑钙土团聚体特征的影响研究结果一致。刘恩科等[30]研究也认为，长期有机肥和化肥配施可明显提高各粒级团聚体有机碳含量，尤其是对大团聚体有机碳含量增加贡献更大。这是由于秸秆还田能促进土壤有机碳的积累，腐殖质作为主要胶结物质将土壤颗粒和小级别团聚体胶结成大团聚体，从而提高了大团聚体有机碳含量[31]。所以，＞0.25 mm粒级大团聚体有机碳对农业管理措施的变化更灵敏，可作为评价土壤有机碳变化对不同土壤培肥措施快速响应的重要指标。

KOOL等[32]提出不同碳库存在等级饱和模型，随着外源碳输入量的增加，各粒级团聚体由最小粒级到最大粒级依次逐渐达到碳饱和，最终土壤碳库饱和。本研究结果也支持了这种饱和理论，随秸秆碳输入量的增加，＜0.053 mm粒级团聚体碳储量没有增加，0.25—0.053 mm粒级团聚体碳储量增加不明显，而2—0.25 mm和＞2 mm粒级团聚体有机碳储量增加显著。本研究也发现，＞2 mm、2—0.25 mm和0.25—0.053 mm各粒级土壤团聚体有机碳储量增加量与累积碳投入量增加量呈显著正线性关系，表明这些粒级团聚体中有机碳均没有出现碳饱和现象，而＜0.053 mm粒级团聚体有机碳出现碳饱和迹象。这是由于微团聚体中固持的碳稳定性强、周转较慢，固碳能力有限，新输入的颗粒有机碳主要分布在大团聚体中。

不同粒级土壤团聚体周转对土壤固碳效率高低具有决定性的作用[31]。大粒级团聚体固碳效率显著高于小粒级团聚体，＞2 mm 和2—0.25 mm粒级固碳效率分别为4.9%和13.6%。而0.25—0.053 mm和＜0.053 mm粒级微团聚体固碳速率和固碳效率均为最低。随着秸秆碳的增加＜0.053 mm粒级微团聚体固碳效率并没有同步增加。李景等[12]研究结果表明，长期秸秆覆盖还田更有利于大团聚有机碳储量的增加，＞2 mm粒级团聚体固碳效率为最高，这可能是由于秸秆还田增加了新鲜植物残体有机碳，通过有机质的胶结作用形成大团聚体并增加其有机碳含量，更多的有机碳被大团聚体保护起来，进而提高其固碳效率[33]。

3.3 土壤固碳效率在土壤有机碳定量提升中的应用与预测

通过土壤对不同有机物料碳的固持效率，可以计算出提升和维持有机碳水平的外源有机物料施用量。以玉米秸秆还田为例，根据表2该地区秸秆还田下土壤固碳效率为12.9%，以0—20 cm土层土壤SOC储量等于33 t·hm-2（初始SOC储量）为基础计算秸秆还田投入量，要维持该地区土壤有机碳储量平衡，每年最低需投入玉米风干秸秆（有机碳含量约为42.7%，含水量约为14%）约2.54 t·hm-2；如未来10年内，土壤有机碳储量要提升10%、20%、30%，预测每年需额外分别投入风干玉米秸秆约5.99、11.98、17.97 t·hm-2。

表2 土壤有机碳储量提升所需玉米秸秆投入量及相关参数Table 2 Corn Straw input and related parameters for soil organic carbon stocks enhancement

4 结论

秸秆还田量9 000—13 500 kg·hm-2土壤的固碳效果较好，有效促进了黑土区土壤有机碳的累积与固定，并且土壤有机碳含量均随秸秆还田量以及还田年限的延长而增加。土壤总有机碳储量与外源有机碳输入呈极显著正线性相关关系（P＜0.01），该土壤固碳效率为 12.9%。秸秆还田不仅有利于大团聚体有机碳储量的增加，而且秸秆还田数量也影响着各粒级土壤团聚体有机碳储量的转化。随着秸秆碳累积投入量的增加，各粒级团聚体存在明显的由最小粒级到最大粒级依次逐渐达到碳饱和等级顺序；除＜0.053 mm粒级团聚体外，其他各粒级团聚体中有机碳均没有出现明显的碳饱和迹象，各粒级团聚体固碳效率最高的为 2—0.25 mm和＞2 mm粒级大团聚体，固碳效率分别为13.6%和4.9%。＞0.25 mm粒级大团聚体有机碳对外源碳投入量的影响更灵敏，可作为表征土壤有机碳响应土壤培肥措施的变化指标。