亚热带水田土壤团聚体有机质对长期秸秆还田的响应

徐海静，柳开楼，郭长城，娄翼来，王义东

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津 300387；3.江西省红壤研究所国家红壤改良工程技术研究中心，南昌 331717；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

土壤有机质（soil organic matter，SOM）作为评价农田土壤质量的关键参数，对土壤肥力、作物产量、地球碳循环和全球气候变化有着不可忽视的影响[1].土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）的固存取决于碳输入与碳输出之间的动态平衡[2].农田系统中外源碳输入不仅受碳投入量的影响，还受到固碳效率的影响；碳输出则主要为SOC 的矿化[3].土壤团聚体是土壤结构的基本单元，与SOC 相互依存：SOC 作为重要的胶结物质，有利于团聚体的形成；团聚体为SOC 提供物理保护，防止其被微生物分解[4].根据形态和大小，通常将土壤团聚体分为大团聚体（>0.250 mm）和微团聚体（<0.250 mm），进一步可细分为≥2.000 mm、[0.250，2.000）mm、[0.053，0.250）mm 和< 0.053 mm 4 种粒级团聚体，研究不同粒级团聚体的SOC 含量有利于深入了解SOC 的物理保护机制[5].秸秆还田作为农业生产中一种应用广泛的耕作措施，能够促进团聚体的形成，增加SOC 含量，改善土壤养分状况.目前有关秸秆还田的研究主要集中在土壤团聚体及其有机碳含量上，对亚热带稻田红壤固碳效率的研究较少[6].

本研究依托江西省红壤研究所的长期定位实验，以稻田红壤为研究对象，基于湿筛法，利用元素分析仪测定土壤团聚体的碳、氮含量，计算土壤固碳效率，探讨常规+秸秆还田处理下土壤团聚体的碳、氮含量和固碳效率，以期为亚热带稻田红壤的固碳培肥及秸秆的合理利用提供科学参考.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究基地位于江西省进贤县的江西省红壤研究所（28°35′24″N，116°17′60″E），地处鄱阳湖流域，属典型亚热带季风气候，年无霜日289 d，年平均气温为18.1 ℃，年平均降水量和年平均蒸发量分别为1 537 mm和1 150 mm，海拔29.65 m.研究区土壤类型为稻田红壤，主要耕作模式为早稻-晚稻-冬闲.

1981 年实验开始前，耕层土壤（0～20 cm）的基础理化性质如下：SOC 含量为16.30 g/kg，土壤pH 值为6.9，总氮（total nitrogen，TN）含量为1.49 g/kg，碱解氮含量为144 mg/kg，总磷含量为0.49 g/kg，速效磷含量为9.50 mg/kg，总钾含量为10.4 g/kg，速效钾含量为81.2 mg/kg，土壤容重为1.03 g/cm3.

1.2 研究方法

本研究共设置常规处理和常规+秸秆还田处理2种处理方法，其中常规处理为对照组.

（1）常规处理：对土壤实施常规管理措施，具体为：人工种植早稻和晚稻，在早稻移栽前一周（4 月上旬）和早稻收获后（7 月下旬）分别旋耕1 次，旋耕深度为15～20 cm.氮、磷、钾肥分别为尿素（46%N）、过磷酸钙（16%P2O5）和氯化钾（60%K2O），每季N、P2O5和K2O 的施用量分别为90、75 和45 kg/hm2.其中，磷肥作为基肥一次性施入土壤，氮肥和钾肥均以3 ∶7 的基追比分2 次施入土壤.水稻收获后记录稻谷的产量，并将水稻秸秆全部清除出稻田.

（2）常规+秸秆还田处理：常规管理措施+秸秆还田，具体措施为：在常规处理的基础上，每季以4 500 kg/hm2（鲜重）的水稻秸秆量进行还田.其中，水稻秸秆的含水量为6%，风干后水稻秸秆的C、N 含量分别为410 g/kg、3.3 g/kg.

每种处理方法设3 次重复，小区面积为46.67 m2，为了防止各小区之间串水串肥，分别用水泥埂进行分隔，水稻品种每5 年更换一次.所有小区的播种、移栽、灌溉和打药等田间管理措施均与当地农民的习惯保持一致.

1.3 样品采集与分析

2017 年11 月晚稻收获后采集土壤样品，按照“S”型五点取样法，在每个小区内采集0～20 cm 深度的土样.将土样混合均匀后装入密封袋中全部带回实验室，放置在通风且阴凉的地方自然风干.在风干过程中去除土壤样品中植物的碎屑、根系和小石块等杂质，风干后的土样保存备用.

采用湿筛法对团聚体进行分组[7]：第一步，称取100 g 风干土样，将其平均分成4 份后分别平铺在土壤套筛（孔径大小分别为2.000、0.250 和0.053 mm）的上端，然后将套筛放置在土壤团聚体分析仪（XY-100 型，北京祥宇伟业仪器设备公司）的铁桶中浸泡5 min，随后以50 次/min 的频率（振幅3 cm）上下来回振荡6 min；第二步，取出套筛，用去离子水将留在每个网筛上的土样依次冲洗到铝盒中，60 ℃烘干至恒重，从而获得≥2.000 mm、[0.250，2.000）mm 和[0.053，0.250）mm 3 个粒级团聚体；第三步，在桶内加入25 mL CaCl2（0.25 mol/L），静置过夜，采用虹吸的方式排出上清液，然后用去离子水将底部沉淀的土样冲洗到铝盒中并烘干（60 ℃）至恒重，得到<0.053 mm 粒级团聚体；第四步，分别称取4 个粒级团聚体的质量，计算各级团聚体的质量占比.使用元素分析仪（2400 Ⅱ型，美国PerkinElmer 公司）测定各级团聚体的SOC 和TN 含量.

1.4 土壤团聚体稳定性指标

土壤团聚体稳定性指标包括粒径大于0.25 mm 粒级团聚体的质量占比（WSA0.25）、平均重量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）和分形维数（fractal dimension，D）.稳定性指标和各级团聚体养分贡献率的计算公式为[8]

式中：Wa>0.25为粒径大于0.25 mm 的团聚体的质量占比；ri为第i 级团聚体的平均粒径，mm；Wi为第i 级团聚体的质量占比，%；n 为总粒级数量，n =4；W（a

1.5 SOC 固存量、累积碳投入量和固碳效率

SOC 固存量的计算公式为[9]

式中：St为2017 年各处理的SOC 储量，t/hm2；Csoc为耕层土壤的SOC 含量，g/kg；BD 为土壤容重，g/cm3（常规处理，1.05 g/cm3；常规+秸秆还田处理，1.04 g/cm3）；H为耕层的深度，为20 cm；ΔSt为37 a 不同处理下SOC的固存量，t/hm2；S0为1981 年初始SOC 储量，t/hm2.

累积碳投入量的计算公式为[10]

式中：Cinput-root为37 a 累积根碳投入量，t/hm2；ERshoot为37 a 早稻地上总生物量，t/hm2；LRshoot为37 a 晚稻地上总生物量，t/hm2；Wroot为水稻地上部分的含水率，为14%，Rroot/shoot为水稻根年均生物量与地上总年均生物量的平均比，为0.087；Croot为风干后水稻根的碳质量浓度，为41%；0.673 为水稻根际沉积与水稻根的生物量比值[11]；Cinput-straw为37 a 累积秸秆碳投入量，t/hm2；Istraw为每年秸秆的添加量，t/hm2（常规+ 秸秆还田处理，4.5 t/hm2；常规处理，0）；Wstraw为新鲜秸秆的含水率，为6%；Cstraw为风干后秸秆的碳浓度，为410 g/kg；Cinput-total为37 a累积碳投入量，t/hm2.

固碳效率（carbon sequestration efficiency，CSE）的计算方法如下[12]

1.6 数据处理

利用Excel 2016 统计并处理原始数据，利用SPSS 18.0 进行单因素方差分析（one-way ANOVA），通过Tukey 多重比较法和独立样本T 检验（independentsamples T Test）来检验数据的差异是否具有统计学意义（P<0.05），应用Origin 2018 软件绘图.

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体分布

2 种处理下稻田土壤各级团聚体的质量占比和土壤稳定性指标分别如图1 和图2 所示.

图1 2 种处理下稻田土壤团聚体的质量占比Fig.1 Mass proportion of soil aggregates under two treatments in the paddy fields

图2 2 种处理下稻田土壤团聚体稳定性指标Fig.2 Stability indices of soil aggregates under two treatments in the paddy fields

由图1 可知，2 种处理下，相同粒级团聚体质量占比之间的差异不具有统计学意义.从各级团聚体的整体组成情况来看，不同处理下的土壤团聚体粒级组成特征保持一致，具体表现为：[0.250，2.000）mm 粒级团聚体的质量占比（常规处理：40.64%，常规+秸秆还田处理：47.04%）显著高于其他3 个粒级团聚体，且其他3 个粒级团聚体之间的差异不具有统计学意义.由图2可以看出，2 种处理下，相同土壤团聚体稳定性指标（WSA0.25、MWD、GMD 和D）之间的差异不具有统计学意义.

2.2 土壤有机碳、总氮含量与C/N

2 种处理下稻田土壤的有机碳含量、总氮含量和C/N 如图3 所示.

图3 2 种处理下稻田土壤的有机碳、总氮含量和碳氮比Fig.3 SOC content，TN content，and C/N under two treatments in the paddy fields

由图3（a）可以看出，与1981 年SOC 初始含量（16.30 g/kg）相比，37 a 常规处理和常规+秸秆还田处理后全土中SOC 含量分别显著提高了26.70%和43.91%.常规+秸秆还田处理下全土SOC 含量比常规处理的数值高13.60%，但2 种处理下相同粒级团聚体SOC 含量之间的差异不具有统计学意义.由图3（b）可知，常规+秸秆还田处理下全土的TN 含量比常规处理的数值高10.17%，但2 种处理下相同粒级团聚体的TN 含量之间的差异不具有统计学意义.由图3（c）可以看出，2 种处理下，相同粒级团聚体C/N 之间的差异不具有统计学意义.整体上，2 种处理下，≥2.000 mm 粒级团聚体的C/N 显著高于其他3 个粒级团聚体的数值，且其他3 个粒级团聚体C/N 之间的差异不具有统计学意义.

各级团聚体有机碳和总氮的贡献率如图4 所示.由图4 可以看出，除[0.250，2.000）mm 团聚体TN 的贡献率外，不同处理下相同粒级团聚体的SOC、TN 贡献率之间的差异均不具有统计学意义.总体上，2 种处理下土壤各级团聚体SOC 和TN 贡献率的分布规律基本一致，具体表现为：[0.250，2.000）mm 粒级团聚体的SOC 和TN 贡献率均显著高于其他3 个粒级团聚体的数值.

图4 2 种处理下不同粒级团聚体中土壤有机碳、总氮的贡献率Fig.4 Contribution rates of SOC and TN in different aggregate sizes under two treatments

2.3 土壤有机碳储量与累积碳投入量

研究期间2 种处理下土壤的SOC 固存量、累积碳投入量和固碳效率如表1 所示.由表1 可以看出，与SOC 储量初始值（33.58 t/hm2）相比，37 a 常规处理和常规+秸秆还田处理后土壤的SOC 储量均显著增加.研究期间常规+秸秆还田处理后土壤的SOC 储量和SOC 固存量分别比常规处理后的数值高12.50%和55.37%.37 a 常规+秸秆还田处理后土壤的累积碳投入量比常规处理的数值高216.76%，但2 种处理方法之间累积根碳投入量的差异不具有统计学意义.常规+秸秆还田处理后土壤的固碳效率比常规处理的数值低50.85%.此外，常规+秸秆还田处理后土壤的累积秸秆碳投入量比累积根碳投入量高116.76%.

表1 2 种处理的SOC 固存量、累积碳投入量和固碳效率Tab.1 SOC sequestration amount，cumulative carbon input amount，and carbon sequestration efficiency of two treatments

3 讨论

本研究显示，经过37 a 不同处理，稻田红壤均以[0.250，2.000）mm 粒级团聚体为主，其质量占比（40.64%～47.04%）显著高于其他3 个团聚体组分，这主要归因于氮、磷、钾肥及根茬的投入.与常规处理相比，常规+秸秆还田处理对土壤团聚体的分布和土壤团聚体稳定性指标（WSA0.25、MWD、GMD 和D）均无显著影响，这与前人的研究结果一致[10]，主要与频繁的耕作和干湿交替有关[9].与实验初始值相比，常规处理和常规+秸秆还田处理37 a 后，全土的SOC 含量均显著增加，这表明2 种处理均可以增加SOC 含量，这与Tang等[13]的研究结果一致.同时，常规+秸秆还田处理后SOC 的含量比常规处理的数值高，这表明常规+秸秆还田处理对SOC 含量的提升效果比常规处理更好，主要原因是：①秸秆还田直接增加了碳投入；②秸秆的投入直接影响土壤中的营养成分含量，从而改变了土壤中酶和微生物活性以及植物根系活动，使土壤产生更多有机代谢物质；③秸秆还田有利于土壤矿物基质、金属氧化物与有机分子形成有机-矿物复合体[14].相同粒级团聚体不同处理间的SOC 含量无显著差异，其原因与SOC 在团聚体中的进一步稀释有关.但Wang等[15]和毛霞丽等[16]的研究结果却表明常规+秸秆还田处理下各级团聚体的SOC 含量比常规处理的数值高，这与本研究结果存在差异，可能是不同SOC 初始水平和实验年限造成的[17-18].另外，除[0.250，2.000）mm 粒级团聚体TN 的贡献率外，与常规处理相比，常规+秸秆还田处理对各团聚体组分的SOC、TN 含量及其贡献率均没有显著影响，这表明碳、氮的固存具有协同作用.

与1981 年初始水平相比，2 种处理后土壤的SOC储量均显著增加，常规+秸秆还田处理的SOC 储量显著高于常规处理的数值（表1），这与Guo 等[19]和Zhao等[12]的研究结果一致.同时，这也与本研究中全土SOC含量的变化规律一致（图3）.常规处理的累积碳投入量主要来自水稻根茬及其分泌物，常规+秸秆还田处理中累积碳投入量主要来自水稻秸秆、根茬及其分泌物.本研究中，常规+秸秆还田处理下SOC 的固存量和累积碳投入量比常规处理的值高，但固碳效率却相反，主要原因为：①秸秆和化肥配施为微生物提供了适宜的环境，提高了微生物的数量和活性，促进了新产生的和原有的SOC 的分解[20]；②外源碳的来源（秸秆、根系和根际沉积）影响SOC 的分解速率，其中根碳更容易受到土壤的物理化学保护，进而更容易固存[21].Poeplau等[22]和Mendez-Millan 等[23]的研究结果也分别证实了根比茎、秸秆更有利于SOC 的固存.此外，本研究中常规处理和常规+秸秆还田处理的固碳效率分别为33.03%和16.23%，这与杭州（21%）[9]、乌鲁木齐（26.7%）[24]和贵阳（26.62%）[25]的固碳效率相当，且在蔡岸冬[16]提出的固碳效率理论值的范围内；郑州市（6.9%）和北京市（7.7%）的固碳效率远远低于本研究结果[24]，这是土壤属性、气候、实验年限以及SOC 初始水平等多种因素共同作用的结果[3，16].

4 结论

本研究基于江西省红壤研究所的长期定位实验，以稻田红壤为研究对象，采用湿筛法对其进行团聚体分组，探讨了土壤团聚体碳、氮含量和土壤固碳效率对常规+秸秆还田处理的响应.主要结论如下：

（1）亚热带稻田红壤37 a 常规处理与常规+秸秆还田处理后均以[0.250，2.000）mm 粒级团聚体为主.与常规处理相比，常规+秸秆还田处理对土壤团聚体的分布和稳定性指标均没有显著影响.

（2）2 种处理中，[0.250，2.000）mm 粒级团聚体碳氮含量均比其他3 个团聚体组分的值高，这表明该粒级主要调节SOC 和TN 含量.与常规处理相比，常规+秸秆还田处理后全土的SOC 和TN 含量显著增加，但各级团聚体的SOC 含量和TN 含量没有显著变化.另外，相较于常规处理，常规+秸秆还田处理的SOC 固存量和累积碳投入量均显著提高，但固碳效率显著降低.