长期秸秆还田对稻麦轮作区土壤有机碳组分构成的影响

董林林， 查金芳， 沈明星， 王海候， 施林林， 陶玥玥，周新伟， 陆长婴*

（1.苏州市农业科学院，国家农业科学土壤质量相城观测试验站，江苏 苏州 215155；2.苏州市吴江区同里镇农村工作办公室，江苏 苏州 215008）

土壤有机质（soil organic matter，SOM）是土壤肥力的关键指标之一，不仅对作物产量产生重要影响，而且在降低大气CO2含量和缓解全球气候变暖中发挥着重要的调节作用[1-3]。土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是多种物质的综合体，按照密度大小可划分为轻组分有机质（light fraction organic matter，LFOM）和重组分有机质（heavy fraction organic matter，HFOM）[4-5]。LFOM和HFOM中的碳在土壤中的含量分别被定义为轻组分有机碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重组分有机碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）。LFOC易矿化分解，是作物生长的养分来源；HFOC相对稳定，对土壤固碳和降低大气温室气体浓度具有重要的调节作用[6-8]。

秸秆还田是影响SOC转化和积累的重要农田管理措施之一，可增加土壤有机碳含量、提升土壤质量，从而促进作物增产[8-9]。徐蒋来等[10]在扬州开展的长期定位试验结果表明，75%的稻麦秸秆还田量对SOC的增加效果最好；Chen等[11]和王虎等[12]研究表明，秸秆还田提升了土壤酶活性，在增加土壤微生物量碳等活性组分含量的同时，激发土壤活性有机碳矿化，为作物生长提供养分；Pinheiro等[13]和傅敏等[14]研究显示，秸秆还田不仅能增加SOC含量，还可提高土壤的保水性和微生物量，提升土壤质量和肥力；周延辉等[15]研究表明，还田秸秆种类与还田量对小麦的增产效果有显著影响，稻秆全量或半量还田对小麦的增产效果优于麦秆；郑继成等[16]对稻麦轮作下秸秆还田进行研究显示，秸秆还田使水稻增产1.6%～11.9%，秸秆全量还田较半量还田更有利于促进水稻增产。秸秆还田可大幅度提高土壤酶活性和缓效性有机碳含量，并增加脂肪族和含氮基团等组分的有机碳含量[17]，从而改变SOC的构成。综上所述，SOC含量与组分变化对作物增产的效果与还田秸秆类型及还田量密切相关。

长期秸秆还田有利于增加土壤有机碳含量，但不同秸秆还田模式下SOC含量及其组分构成间的差异并不明确，秸秆还田后SOC组分构成及稳定性仍有待深入分析，特别是土壤有机碳组分变化对作物产量变化的影响机制尚不明确。为此，本研究在太湖稻麦轮作区开展了为期10年的稻麦秸秆差异化还田定位试验，对比分析了不同秸秆还田处理下SOC含量及组分的变化特征，旨在研究秸秆类型和还田量对SOC组分和水稻产量的影响，为制定合理、可持续地提升土壤有机碳库储量及稳定性的秸秆还田模式提供理论依据和实践支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江苏省苏州市相城区国家农业科学土壤质量相城观测实验站（E 120°25′57″，N 31°27′45″），属亚热带季风气候，年均温15.7℃，年降雨量1 128 mm，年均光照时长3 039 h，＞10℃有效积温4 947℃。试验地为典型的水旱轮作种植制度，一年两熟；土壤类型属壤质黄泥土，试验前表层0—20 cm土壤基本属性为土壤有机质33.0 g·kg-1，全氮 1.7 g·kg-1，速效磷 35.3 mg·kg-1，速效钾 82.0 mg·kg-1，pH 6.1。

1.2 试验设计

试验始于2007年6月，共设5个处理：稻麦秸秆均不还田（CK，对照）、稻秸秆不还田+麦秸秆全量还田（wheat straw returning，W）、稻秸秆全量还田+麦秸秆不还田（rice straw returning，R）、稻麦秸秆均半量还田（half amount of rice and straw returning，HRW）和稻麦秸秆均全量还田（all amount of rice and wheat straw returning，ARW）。各处理稻季的麦秸秆还田量约为4.5 t·hm-2，麦季的稻秸秆还田量约为6.0 t·hm-2。所有处理的秸秆均采用机械切碎至5～10 cm后耕翻或旋耕方式还田，稻麦根茬高度5 cm左右。采用随机区组设计，每个处理重复3次，小区面积5.0 m×6.5 m。

1.3 田间管理

所有小区作物全生育期田间管理一致。水稻于每年6月初进行人工移栽，行距23.3 cm、株距13.3 cm，每穴3苗，10月底收获。各处理的氮、磷、钾肥用量相同，氮肥（纯N）用量为225 kg·hm-2，按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3分3次施用；磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量分别为90和180 kg·hm-2，磷肥作基肥一次性施入，钾肥按1∶1作基肥和穗肥分2次施用。小麦于每年11月初进行机播，氮肥（纯N）、磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量分别为180、90和120 kg·hm-2，其中，氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2分3次施用，磷肥作基肥一次性施入，钾肥按1∶1作基肥和穗肥分2次施用。

1.4 样品采集

分别于2007年10月和2017年10月水稻收获后，按照5点取样法用土钻在各处理小区0—20 cm土层采集混合样品1.0 kg，室内自然风干后去除草根等杂物，用四分法取其中一部分研磨，过10目和60目尼龙筛，备用。

1.5 测定项目及方法

LFOC和HFOC采用改进的比重法测定[4]。首先，通过比重法分离得到轻组分有机质（密度小于1.8 g·cm-3）和重组分有机质（密度大于1.8 g·cm-3），再借助C/N元素分仪（Analytik Jena AG Multi N/C 3100，德国）测定轻组分有机质中的碳含量（carbon content in light fraction organic matter，LFOM-C，%），再计算土壤中轻组分有机碳含量（g·kg-1）。土壤有机碳和重组分有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[18]。SOC及其组分增加速率计算公式如下。

式中，VC为土壤有机碳变化速率；C为试验结束时土壤有机碳及碳组分含量；C0为试验初期土壤有机碳及碳组分含量；T为试验持续时间。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS 16.0软件进行数据的处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田模式对SOC的影响

图1显示，与2007年相比，R、HRW和ARW处理的SOC含量分别显著增加4.25、3.41和4.60 g·kg-1。CK、W、R、HRW和ARW处理的固碳速率分别为 0.18、0.19、0.42、0.34 和 0.46 g·kg-1·a-1，R和ARW处理的固碳速率显著高于CK（图2）。由此表明，秸秆种类和还田量对SOC含量有显著影响。2007年，5个处理间SOC含量无显著差异；2017年，ARW处理的SOC含量显著高于CK；W、R和HRW处理的SOC含量与CK差异不显著，但均高于CK处理，说明秸秆还田产生的外源性有机碳投入是影响土壤有机碳变化的重要因素，直接影响着SOC的累积效果；CK处理中SOC含量的增加可能是由作物留茬与根系腐烂分解所导致[19]。

图1 不同处理下土壤有机碳含量Fig.1 Soil organic carbon content under different treatments

图2 不同处理的土壤有机碳变化速率Fig.2 Variation of soil organic carbon under different treatments

2.2 不同秸秆还田模式对SOC组分构成的影响

稻麦秸秆还田后经过一系列的生物化学过程转化为不同类型的含碳有机质并储存于土壤中，改变了 SOC 的构成[6，10-11]。表 1 显示，2007 和 2017年，5个处理的HFOC占比均为80%以上。2017年，CK、R和ARW处理土壤中HFOC占比较2007年有所降低，其中，ARW处理显著降低，降幅为10.78%，说明稻麦秸秆还田后更多地转化为相对活跃的轻组分有机碳[20-21]。W和HRW处理中HFOC占比较2007年分别增加2.47%和1.78%。综上所述，稳定性较高的HFOC是SOC的主要成分，麦秆还田有利于HFOC的累积，而稻秆还田更有利于LFOC的累积。

表1 不同处理下土壤有机碳的构成Table 1 Composition of soil organic carbon components under different treatments

2.3 不同秸秆还田模式对LFOC变化的影响

秸秆还田10 a后，不同处理LFOC含量的变化趋势存在差异（图3）。2017年，各处理LFOC含量的大小顺序表现为ARW＞R＞CK＞W＞HRW，不同处理间差异均不显著；与2007年相比，CK、W和HRW处理LFOC含量降低，R和ARW处理的LFOC含量升高，但年份间差异均未达到显著水平。2007—2017年，CK、W、R、HRW和ARW处理LFOC的增速分别为-0.02、-0.03、0.01、-0.02和0.02 g·kg-1·a-1，ARW 处理 LFOC增速显著高于W处理（图4）。由此表明，稻秆还田有利于增加土壤LFOC含量，麦秆还田后LFOC含量降低，可能是由于麦秆还田于水稻生长季，而稻季长期淹水的环境有利于形成更多水溶性有机碳和微生物量碳等易被作物吸收利用的活性组分[16]，提高SOC的生物可利用性，土壤有机碳的激发效应促使土壤活性较强的 LFOC 含量降低[12，22]。

图3 不同处理下土壤LFOC及LFOM-C含量Fig.3 LFOC and LFOM-C content under different treatments

图4 不同处理的LFOC变化速率Fig.4 Variation of LFOC under different treatments

对不同处理的LFOM-C含量进行比较，2017年，HRW和ARW处理LFOM-C含量显著低于CK、R和W处理（P＜0.05）（图3），可能与秸秆类型对SOC的激发效应以及微生物对秸秆的分解作用有关[1，14]。经过 10 a秸秆还田后，5 个处理的LFOM-C均显著降低（P＜0.05），但不同处理的降幅存在差异（图3）。2017年，CK、W、R、HRW和ARW处理LFOM-C含量分别较2007年降低了11.06、7.41、5.94、10.84和13.31个百分点，其中，ARW处理的降幅最大，显著高于W和R处理的降幅（P＜0.01）；R处理的降幅小于W处理，说明稻秆还田有利于碳含量较高的LFOM累积，麦秆还田有利于碳含量较低的LFOM累积；HRW处理的降幅小于ARW处理，但ARW处理LFOC累积更多（图3），可见，秸秆还田量越大越有利于LFOC累积，尤其是对于碳含量相对较低的LFOM。

2.4 秸秆还田对土壤重组有机碳变化的影响

图5显示，2017年各处理中HFOC较2007年均有所增加，其中，R、HRW和ARW处理HFOC含量显著增加（P＜0.05）。2017年，ARW处理HFOC含量最高，较2007年增加4.19 g·kg-1；其次为R处理，较2007年增加4.07 g·kg-1；CK处理HFOC含量最低，较2007年仅增加1.46 g·kg-1。经过10 a的秸秆还田后，ARW处理的HFOC含量显著高于CK处理（P＜0.05），但秸秆还田处理间差异不显著；CK、W、R、HRW和ARW处理HFOC的增加速率分别为：0.18、0.19、0.42、0.34和0.46 g·kg-1·a-1，R和ARW处理HFOC增速显著高于CK和W处理（图6），表明秸秆是SOC的重要物质来源，土壤HFOC增幅与秸秆类型和还田量密切相关，稻秆还田更有利于HFOC累积。CK处理HFOC含量的增加可能是由于稻麦根茬及根系残留物导致[23-24]。

图5 不同处理下土壤HFOC含量Fig.5 HFOC content under different treatments

图6 不同处理的HFOC变化速率Fig.6 Variation of HFOC under different treatments

2.5 土壤有机碳组分对总有机碳的影响

图7显示，2007年和2017年，LFOC与SOC间的决定系数分别为0.315 8和0.023 1，相关性不显著（P＞0.05）；HFOC与SOC间的决定系数分别为0.993 4和0.787 9，呈极显著正相关（P＜0.01）。秸秆还田10 a后土壤LFOC和HFOC与SOC间的相关系数均较2007年减小。

图7 土壤有机碳与碳组分之间的关系Fig.7 Relationship between the contents of soil organic carbon and its fractions

2.6 秸秆还田对水稻产量的影响

长期秸秆还田导致SOC含量及组分构成发生变化，进而影响作物产量。为避免品种差异对结果产生影响，仅对2007年和2017年水稻产量进行分析，结果（表2）表明，不同处理间水稻产量在2007年无明显差异；经秸秆还田10 a后，各处理间水稻产量在2017年差异显著（P＜0.05），其中，ARW处理水稻产量最高，其次是R处理，W处理产量最低。2017年，ARW处理千粒重和结实率均较低，但经过连续10 a的秸秆差异化还田处理后，ARW处理SOC和LFOC增幅较大，SOC含量较高，单位面积水稻有效穗数较多[23]，因此产量较高；W处理水稻的千粒重和结实率较高，但SOC含量较低，单位面积有效穗数较少，因此产量较低。秸秆还田增加了SOC含量，特别是LFOC的增加，提高了土壤有机碳及微生物酶活性[14，25]，为作物生长提供了更多的养分。以麦秆中氮含量均值5.82 g·kg-1、稻秆中氮含量均值8.37 g·kg-1计[26]，按麦秆全量还田量6 000 kg·hm-2、稻秆全量还田量9 000 kg·hm-2估算[27]，稻秆还田处理带入的氮素量为75.33 kg·hm-2，麦秆还田处理带入的氮素量为34.92 kg·hm-2，即稻秆还田带入的氮素量是麦秆还田的2.16倍。综上所述，秸秆还田在增加土壤有机碳含量的同时，也增加了土壤中氮、磷、钾等营养元素含量[11，21，23]，且秸秆还田产生的营养元素生物利用率较高，对作物增产效果更好[28-29]。

表2 不同处理下水稻的产量Table 2 Rice yield under different treatments

分析SOC及其组分与水稻产量间的关系，结果（图8）显示，LFOC与2007年水稻产量呈显著正相关（P＜0.01），决定系数为0.972 6；HFOC和SOC与水稻产量相关性不显著（P＞0.05）。

图8 土壤有机碳组分与水稻产量间的关系Fig.8 Relationship between the content of soil organic carbon fractions and rice yield

3 讨论

3.1 秸秆还田对有机碳不同组分的影响存在差异

本研究表明，10 a秸秆还田增加了SOC，但不同处理下SOC及各组分含量变化存在差异，如CK处理SOC增幅小于R处理，HRW处理略低于ARW处理，与胡乃娟等[27]和张翰林等[30]研究结果一致，但与陈鲜妮等[24]研究结果存在差异，说明气候条件、种植制度、秸秆类型和土壤状况对秸秆还田后土壤有机碳变化均产生重要影响。本研究区土壤粘粒含量相对较高，秸秆腐解慢，更有利于碳素保存于土壤中；另外，水稻淹水的厌氧生长环境也更有利于碳累积。与小麦秸秆相比，水稻秆还田更有利于提升SOC含量，可能是由于稻秆和麦秆自身的物质组分差异，麦秆中含有较多难分解的纤维素和木质素[23]，因此，麦秆还田后易形成难分解的碳组分，增加SOC固存。不仅秸秆种类对SOC有影响，秸秆还田量对SOC也有显著影响，相同面积下，水稻生长产生的秸秆量大于小麦的秸秆量，因此，稻秆的还田量高于麦秆[25，27]。由于还田秸秆的成分及分解速率不同，随着秸秆还田处理时间的延长，麦秆还田累积的碳投入量明显小于稻秆全量还田和稻麦秸秆全量还田处理的碳累积投入量[23]。本研究也表明，秸秆全量还田处理的SOC增幅大于秸秆半量还田和不还田处理；另外，秸秆还田增加了碳含量较低且更易矿化分解的有机碳组分，改变了SOC组分构成，影响SOC稳定性[4，24-25]。由于稻麦秸秆还田季节不同，受气温、降水、土壤水热状况、微生物和施肥等多种因素的综合影响，秸秆的腐解速率、碳转化效率等存在差异，因此，稻秆和麦秆还田提升SOC的效果也明显不同[22，31]。

3.2 秸秆还田改变了有机碳组分及其活性

稻、麦秸秆还田对SOC组分产生重要影响。不同处理LFOM-C含量的变化表明，LFOM-C含量在秸秆还田后发生变化，且不同处理LFOC和HFOC含量的增加量不同，秸秆还田带来的有机碳投入使得SOC组分构成发生变化。CK处理虽没有进行秸秆还田，但其LFOM-C含量也发生了变化，可能是由于CK处理虽然没有秸秆还田，但稻、麦的根茬被翻耕还田，成为LFOC累积的重要物质来源，可转化为含碳量较低的LFOM并累积，致使 LFOM-C 含量降低[14，20，32]。本研究所有处理的LFOM-C含量均较试验初期显著降低，说明LFOM-C含量对秸秆还田的响应比较敏感，能够很好地反映秸秆还田对SOC变化的响应，且秸秆还田量越大，LFOM-C含量越低。相对而言，LFOM-C含量越低，越容易被土壤中的微生物矿化分解成为可被作物吸收利用的营养物质，增加养分供应，促进作物生长[21，33]。

3.3 秸秆还田对土壤微生物产生重要影响

秸秆还田影响土壤微生物活性，对土壤-作物系统具有重要意义。土壤微生物在SOC累积中发挥着重要作用，特别是微生物残体的累积是高稳定性碳组分的重要物源，而根系及其分泌物通过影响微生物活性，对SOC累积产生影响[34-35]。本研究表明，秸秆还田10 a后，R处理HFOC含量高于W处理，ARW处理HFOC含量高于HARW处理，说明秸秆类型和还田量显著影响HFOC含量，稻秆还田较麦秆更有利于HFOC累积。这种差异可能与稻麦秸秆的物质组分有关，水稻和小麦秸秆中纤维素含量分别为39.7%和51.2%，木质素含量分别为25.2%和23.9%[36]。与水稻秸秆相比，小麦秸秆含有较多的烷氧碳和双氧烷基碳[32]，还田后部分会转化成稳定性较高的酚基碳和芳基碳，随秸秆分解时间的延长，这类不易被作物吸收利用和矿化分解的含碳有机物含量不断累积，并提高土壤碳库的稳定性。但由于稻秆还田量大于麦秸秆还田量，因此，水稻秸秆还田的固碳效果更显著。在实际生产中，由于大量的秸秆还田，特别是在秸秆还田初期，还田秸秆过多及腐解过程中产生的有机酸会对小麦出苗和水稻生根造成不良影响，且麦秆还田产生的有机酸累积高于稻秆，秸秆量越大，产生的有机酸越多[37]。综上所述，可考虑仅稻秆或麦秆还田，以减轻秸秆还田对作物生长的影响；或者对秸秆进行处理，如制成稳定性更高的生物质炭，既能解决秸秆产生的环境问题，又能提高土壤固碳效率。