朱文玲，李秀雙，田霄鴻，陳 娟，王 松

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

土壤有機(jī)碳是土壤肥力水平的重要標(biāo)志，不僅影響作物產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性，其固存對(duì)緩解溫室氣體排放及調(diào)節(jié)全球氣候變化具有重要的生態(tài)意義[1]。作物秸稈作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的重要來源之一，其還田措施是增加農(nóng)田土壤有機(jī)碳投入，從而促進(jìn)土壤碳固持最直接且有效的方式[2-3]。不同作物秸稈性質(zhì)不同，還田后其分解過程和土壤的碳源/碳匯性質(zhì)均有差異[4-5]。C/N低的豆科秸稈，施入土壤后分解較快，能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分礦化以及提高土壤微生物活性；而C/N高的禾本科秸稈，施入土壤后分解緩慢并且導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的固持[5]。因此，研究不同作物秸稈還田后對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化與固持特征，無論對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈的科學(xué)管理，還是對(duì)土壤培肥機(jī)理研究都有重要的指導(dǎo)意義。

渭北旱塬區(qū)是我國(guó)黃土高原重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，玉米和小麥?zhǔn)窃搮^(qū)的主要糧食作物，但近年來由于忽視農(nóng)田地力培肥，該區(qū)糧田已經(jīng)普遍出現(xiàn)了土壤肥力降低等問題[6-7]。冬小麥?zhǔn)斋@后保留麥茬，于夏休閑期硬茬播種豆科綠肥，而該時(shí)期由于高溫干旱，麥茬不會(huì)馬上腐解，待小麥播種前將綠肥與麥茬一起翻壓，小麥秸稈和豆科綠肥殘?bào)w會(huì)以混合物的形式共同還田腐解，這是該區(qū)糧食生產(chǎn)中通過秸稈還田來提升地力的主要方式。目前，已有大量的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，禾本科作物秸稈還田提高了土壤有機(jī)碳及活性碳組分含量[8]，有助于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高[9]，而且能改善土壤的生物環(huán)境，有利于土壤有機(jī)碳的積累和保存[10]；豆科作物殘?bào)w還田除了能提高土壤有機(jī)碳含量之外，還能提高土壤腐殖質(zhì)含量[11]，改善土壤的結(jié)構(gòu)性能[12]，有固碳潛力。且Cong等[13-14]通過大田和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)確定，豆科禾本科作物間作比禾本科作物單作體系更有利于土壤有機(jī)碳積累，但其對(duì)于兩種作物殘?bào)w同時(shí)存在條件下的有機(jī)碳固持機(jī)制并沒有進(jìn)一步的說明。同時(shí)有大量報(bào)道稱，植物殘?bào)w以混合物的形式出現(xiàn)時(shí)，腐解過程中由于“混合分解效應(yīng)”的存在，相比于單一殘?bào)w，混合組分中殘?bào)w之間的相互作用會(huì)影響殘?bào)w腐解以及土壤有機(jī)碳礦化過程[15-16]。因此，雖然已有大量研究探討了作物殘?bào)w歸還與土壤有機(jī)碳固持關(guān)系[9-13，16]，但兩種殘?bào)w配施的土壤固碳機(jī)理尚不明確，且大多未將土壤有機(jī)碳庫(kù)中來源于外源作物殘?bào)w的有機(jī)碳和土壤原有的有機(jī)碳區(qū)分開來。

所以，本研究結(jié)合自然δ13C技術(shù)以及雙指數(shù)模型，采用室內(nèi)模擬培養(yǎng)方法主要探討了以下兩個(gè)問題：（1）探究禾本科與豆科秸稈組合和禾本科秸稈單獨(dú)添加，在土壤有機(jī)碳固持方面有何差異；（2）兩種秸稈組合以及禾本科秸稈單獨(dú)添加，外源秸稈碳在土壤有機(jī)碳庫(kù)中的分配上有何不同。本研究以期為豆科與禾本科秸稈配施的土壤固碳機(jī)理研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤為黑壚土，母質(zhì)為中壤質(zhì)馬蘭黃土，2016年采自長(zhǎng)武農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的傳統(tǒng)耕作處理（無秸稈覆蓋），該試驗(yàn)地有13年玉米連作歷史。供試土壤的基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳和全氮含量分別為11.39 g·kg-1和1.07 g·kg-1，有效磷和速效氮含量分別為18.40 mg·kg-1和 63.79 mg·kg-1，速效鉀含量為 152.30 mg·kg-1，pH為8.41，土壤δ13C值為-1.652%。

供試秸稈均采自陜西省長(zhǎng)武縣王東村，小麥（Triticum ɑestivum L.）秸稈于2016年6月小麥脫粒后隨機(jī)抽取，秋懷豆（Glycine ussuriensis Regel et Maack）秸稈于2016年9月在綠肥翻壓前采用“S”型多點(diǎn)采樣法以整株形式采回，所有秸稈于60℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過2 mm篩備用，基本性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：（1）對(duì)照（不添加秸稈，CK）；（2）添加小麥秸稈（添加量為12 g·kg-1土，W）；（3）添加秋豆秸稈（添加量為12 g·kg-1土，L）；（4）添加小麥秋豆秸稈混合物（秸稈添加量均為12 g·kg-1土，兩種秸稈質(zhì)量比1∶1，W+L）。各處理重復(fù)6次。

表1 添加秸稈的基本性質(zhì)Table 1 Basic physico-chemical properties and δ13C value of straws

1.3 培養(yǎng)方法

采取室內(nèi)模擬恒溫（25±1℃）培養(yǎng)的方法，培養(yǎng)80 d，具體操作如下：取400 g土（以烘干土計(jì)），按處理將秸稈與土壤混勻置于1 L培養(yǎng)瓶中（高15 cm、直徑9 cm帶密閉封蓋的塑料圓瓶），調(diào)節(jié)土壤含水率為田間持水量的70%。將裝有20 mL 2 mol·L-1NaOH溶液的50 mL塑料瓶置于培養(yǎng)瓶中加蓋塑料薄膜密封，收集排放的CO2。在培養(yǎng)的第1、2、3、5、7、14、21、28、42、80 d，利用酸堿滴定法測(cè)定CO2釋放量。每次測(cè)定結(jié)束后，更換NaOH溶液，并用稱量法補(bǔ)充損失的水分。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

土壤有機(jī)碳測(cè)定：培養(yǎng)結(jié)束后采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定[17]。

土壤微生物生物量碳、氮（MBC、MBN）測(cè)定：采用氯仿熏蒸浸提法[18]，于培養(yǎng)結(jié)束后，稱取新鮮土壤25.0 g用去乙醇氯仿在25℃黑暗條件下熏蒸24 h，隨后除去土壤中多余氯仿，加K2SO4浸提、過濾，過濾液由Multi N/C 2100/2100S TOC和連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

土壤δ13C值測(cè)定：于培養(yǎng)開始前和培養(yǎng)結(jié)束后采取土樣，去除其中殘留的植物殘?bào)w，風(fēng)干磨碎過100目篩，用Finnigan MAT-251 Mass Spectrometer質(zhì)譜儀測(cè)定。

秸稈δ13C值測(cè)定：培養(yǎng)開始前取烘干秸稈若干，磨碎過100目篩，用Finnigan MAT-251 Mass Spectrometer質(zhì)譜儀測(cè)定。

1.5 模型及有關(guān)計(jì)算

1.5.1 微生物熵的計(jì)算[19]

微生物熵（qMB）=土壤微生物生物量碳/土壤總有機(jī)碳×100%

1.5.2 雙指數(shù)模型

選用雙指數(shù)模型以模擬秸稈腐解過程中土壤有機(jī)碳礦化過程[20]，模型如下：

式中：Ct為培養(yǎng)時(shí)間t（d）時(shí)的累積礦化量，g·kg-1；C1表示土壤活性碳庫(kù)，g·kg-1；k1表示礦化速率；C2表示土壤惰性碳庫(kù)，g·kg-1；k2表示分解速率；C1+C2為潛在礦化碳庫(kù)，g·kg-1。

1.5.3 不同來源有機(jī)碳含量計(jì)算

根據(jù)培養(yǎng)前后土壤樣品及秸稈的δ13C值，采用下列公式計(jì)算培養(yǎng)結(jié)束后土壤中來源于秸稈的有機(jī)碳（Cstraw）和土壤原有有機(jī)碳（Cnative）的含量[21]：

式中：δ13Cstraw表示秸稈有機(jī)碳的13C豐度，%；δ13Cbefore表示培養(yǎng)前土壤有機(jī)碳的13C豐度，%；δ13Cafter表示培養(yǎng)結(jié)束土壤有機(jī)碳的13C豐度，%；f表示培養(yǎng)結(jié)束秸稈碳所占比例，%；Ctotal表示培養(yǎng)結(jié)束土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；Cstraw表示培養(yǎng)結(jié)束土壤有機(jī)碳中來源于秸稈的有機(jī)碳量，g·kg-1；Cnative表示培養(yǎng)結(jié)束土壤有機(jī)碳中原有有機(jī)碳量，g·kg-1。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖；使用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（LSD法，ɑ=0.05）及雙指數(shù)模型的非線性回歸分析。

小麥與秋豆秸稈組合處理的土壤累積礦化量、有機(jī)碳含量及土壤微生物碳、氮預(yù)測(cè)值為小麥秸稈和秋豆秸稈單獨(dú)添加時(shí)的作用之和[22]。

小麥秸稈作用=W處理的實(shí)測(cè)值-CK實(shí)測(cè)值秋豆秸稈作用=L處理的實(shí)測(cè)值-CK實(shí)測(cè)值

實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的比較采用t檢驗(yàn)。根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果就可以對(duì)小麥秋豆混合分解是否存在相互作用進(jìn)行判斷（5%水平）[22]：（1）若實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值無明顯差異，則兩種秸稈間表現(xiàn)為加和作用；（2）若實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間出現(xiàn)明顯偏差，則兩種秸稈間表現(xiàn)非加和作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥秋豆秸稈還田對(duì)土壤CO2釋放的影響

如圖1所示，不同作物秸稈加入土壤后，CO2-C釋放速率均在培養(yǎng)的第2 d出現(xiàn)高峰，而后隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降，并在腐解21 d后逐漸趨于穩(wěn)定。不同秸稈腐解過程中土壤有機(jī)碳礦化的變化規(guī)律基本一致。

而不同處理之間，在培養(yǎng)試驗(yàn)前期（0～21 d），CO2-C釋放速率存在明顯差異，其中以W+L處理最高，其次為L(zhǎng)和W處理，且這3個(gè)秸稈添加處理的CO2-C釋放速率均明顯高于CK；而在培養(yǎng)試驗(yàn)中后期（21～80 d），各處理中CO2-C釋放速率均明顯下降且趨于穩(wěn)定，但W+L處理仍處于最高，其次為W和L處理。L處理在14 d前明顯高于W處理，但在14 d之后出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，說明秋豆秸稈相比于小麥秸稈，在加入土壤后，在培養(yǎng)初期腐解更為快速。

從CO2-C累積釋放量來看（圖1），培養(yǎng)結(jié)束后，與CK相比，W、L及W+L處理CO2-C累積釋放量均顯著提高，提高幅度分別為2.60、2.90倍和5.63倍；而就3個(gè)秸稈添加處理而言，CO2-C累積釋放量依次為W+L＞L＞W(wǎng)?？梢?，無論小麥、秋豆秸稈單獨(dú)還田及組合還田均明顯提高有機(jī)碳的礦化量，而秋豆秸稈相比于小麥秸稈在加入土壤后更利于礦化。

2.2 土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵的變化

如表2所示，添加秸稈3個(gè)處理（W、L、W+L）土壤微生物量碳含量均高于CK，其中W+L＞L＞W(wǎng)，增加幅度分別為39.5%、11.8%和11.3%。這說明，小麥秸稈和秋豆秸稈無論單獨(dú)還是以組合的形式添加都能促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，進(jìn)而增加土壤微生物量碳含量，但就提升效果而言，秸稈單獨(dú)添加處理（W、L）不及秸稈組合添加處理（W+L）。

土壤微生物量碳（MBC）與土壤有機(jī)碳（SOC）的比值稱為微生物熵（qMB），它充分反映了土壤中活性有機(jī)碳所占的比例，從微生物學(xué)的角度揭示土壤肥力的差異，可以作為土壤碳動(dòng)態(tài)研究的有效指標(biāo)。本研究中，添加秸稈對(duì)土壤微生物熵的影響表現(xiàn)出不同趨勢(shì)，其中W+L顯著提高了微生物量熵（表2），比CK高15.6%，而W和L處理雖能提高微生物熵，但其提高幅度不明顯。可見，小麥秋豆秸稈組合添加更有利于土壤微生物對(duì)外源有機(jī)質(zhì)的同化，進(jìn)而加速土壤有機(jī)碳向土壤微生物量碳的轉(zhuǎn)化。

表2 不同處理對(duì)土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）Table 2 Effects of different treatments on soil microbial biomass carbon，nitrogen and microbial entropy（mean ± SD）

對(duì)土壤微生物量氮來說，與CK相比，添加秸稈均顯著提高了土壤微生物量氮含量。3個(gè)秸稈添加處理間相比，小麥秋豆組合添加處理顯著高于小麥、秋豆單獨(dú)添加處理，增幅分別為36.6%和37.9%，也說明了在添加小麥秸稈的基礎(chǔ)上配以秋豆秸稈對(duì)土壤微生物活動(dòng)有促進(jìn)作用。

2.3 秸稈組合分解相互作用

將秸稈組合處理土壤累積礦化量、有機(jī)碳含量及土壤微生物碳、氮預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較（表3）發(fā)現(xiàn)，小麥秋豆組合（W+L）的實(shí)測(cè)土壤累積礦化量及土壤微生物碳、氮均高于預(yù)測(cè)值，其中土壤微生物碳含量的實(shí)測(cè)值顯著高于預(yù)測(cè)值，高出約57.5%，即小麥秸稈和秋豆秸稈混合后在微生物量碳上表現(xiàn)出了明顯的協(xié)同作用。而土壤累積礦化量、有機(jī)碳含量及土壤微生物氮均表現(xiàn)出實(shí)測(cè)值與期望值的趨勢(shì)差異不明顯（表3），即秸稈組合處理在土壤累積礦化量、有機(jī)碳含量及土壤微生物氮上表現(xiàn)為無交互的加和效應(yīng)。

2.4 土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)力學(xué)模擬

為進(jìn)一步研究秸稈腐解過程中土壤有機(jī)碳礦化過程，本研究利用二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)有機(jī)碳礦化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。結(jié)果表明（表4），二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型能很好地描述有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)（R2≥0.999）。

表4 土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic parameters for the soil organic C mineralization

根據(jù)模擬結(jié)果，土壤潛在礦化碳庫(kù)（C1+C2）達(dá)1.41～6.95 g·kg-1。與CK相比，W、L和W+L的潛在礦化碳庫(kù)分別增加了2.11、2.03倍和3.93倍。3個(gè)添加處理中，與W和W+L處理相比，L處理的土壤潛在礦化碳庫(kù)有所降低，降低幅度分別為2.73%和38.5%?；钚蕴紟?kù)（C1）的變化幅度為0.18～2.24 g·kg-1，占土壤總有機(jī)碳庫(kù)（SOC）的1.61%～16.3%，秸稈添加處理均提高了土壤活性碳庫(kù)，其中W+L處理最高，L處理次之，W處理最低。同樣，3個(gè)秸稈添加處理也提高了土壤惰性碳庫(kù)（C2），分別提高了2.82、0.756、1.98倍（W+L、L和W）。從土壤惰性碳庫(kù)占總有機(jī)碳比例（C2/SOC）來看，添加秸稈處理（W+L、L、W）惰性碳庫(kù)比例均有所提高，分別比CK高2.27、0.57倍和1.64倍。對(duì)土壤惰性碳庫(kù)礦化速率（k2），3個(gè)秸稈添加處理均高于CK，其中W+L≈L＞W(wǎng)，且3個(gè)秸稈添加處理間相差不大。

由此可見，一方面無論小麥和秋豆秸稈單獨(dú)添加還是組合添加都能增加土壤潛在礦化碳庫(kù)，另一方面，3個(gè)添加處理均提高了土壤惰性有機(jī)碳含量和其在土壤有機(jī)碳庫(kù)中所占比例，有利于有機(jī)碳固持，其中以小麥秋豆組合添加提高效果最為明顯。

2.5 土壤有機(jī)碳中外源新碳含量

由表5可以看出，在C3作物秸稈（小麥、秋豆和小麥+秋豆）添加后，C4土壤的總有機(jī)碳含量（Ctotal）均顯著增加，與CK相比，W+L、L和W分別增加了22.3%、10.7%和12.5%。而土壤SOC的δ13C值均明顯降低，說明外源秸稈產(chǎn)生了新的有機(jī)碳（Cstraw）并保存在土壤碳庫(kù)中。通過13C質(zhì)量守恒定律計(jì)算可得，添加秸稈均增加了土壤有機(jī)碳中由外源秸稈產(chǎn)生新碳的含量（Cstraw）及其在土壤總有機(jī)碳中的比例（f），增加幅度表現(xiàn)為W+L＞L＞W(wǎng)，與總有機(jī)碳表現(xiàn)一致。和單獨(dú)添加處理（W、L）相比，W+L處理外源秸稈新碳的含量和比例（f）分別增加了86.5%、63.2%和79.8%、56.1%；同時(shí)土壤原有有機(jī)碳含量（Cnative）及其占土壤有機(jī)碳比例（1-f）則均明顯降低，降低幅度表現(xiàn)為W+L＞L＞W(wǎng)，組合添加處理降低幅度最大（表5）。這說明，無論秸稈單獨(dú)添加（W、L）還是組合添加（W+L），均會(huì)促使土壤碳庫(kù)中原有有機(jī)碳逐漸降低，來自外源秸稈中的新有機(jī)碳將逐漸替代土壤原有的碳，且就替代程度而言，W+L＞L＞W(wǎng)。

表3 秸稈組合添加對(duì)CO2累積礦化量、土壤有機(jī)碳及微生物量碳、氮的混合分解效應(yīng)分析Table 3 The litter mixing effect of combined amendment treatments on CO2cumulative mineralization，soil organic carbon content，soil microbial biomass carbon and nitrogen

表5 添加不同秸稈對(duì)土壤新碳的影響Table 5 The effects of different treatments on extraneous new carbon

3 討論

3.1 秸稈組合對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和固持的加和效應(yīng)的影響

植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后，在土壤微生物作用下發(fā)生腐解，通過微生物將殘?bào)w中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為土壤的組成成分，這是所有植物殘?bào)w在土壤中均會(huì)經(jīng)歷的過程[14]。不同質(zhì)量的植物殘?bào)w混合分解時(shí)，較高質(zhì)量殘?bào)w可以促進(jìn)低質(zhì)量殘?bào)w的腐解，其中可能的機(jī)制有：（1）植物殘?bào)w間發(fā)生了養(yǎng)分及物質(zhì)遷移，緩和了微生物的養(yǎng)分限制[23]，這個(gè)過程中通常伴隨著“混合分解效應(yīng)”；（2）植物殘?bào)w混合改變了土壤的分解微環(huán)境，形成更有利于土壤微生物活動(dòng)的環(huán)境。同時(shí)，當(dāng)殘?bào)w混合物腐解過程在土壤中發(fā)生時(shí)，除了與物料本身質(zhì)量有關(guān)外，土壤環(huán)境也會(huì)影響秸稈的腐解過程[24]。

Bonanomi等[23]研究發(fā)現(xiàn)，兩種質(zhì)量不同的植物殘?bào)w以混合物的形式參與腐解時(shí)，由于殘?bào)w間的養(yǎng)分和物質(zhì)轉(zhuǎn)移，混合物的腐解表現(xiàn)出明顯的非加和的協(xié)同作用，促進(jìn)了殘?bào)w腐解。而本研究中，W+L處理的土壤累積礦化量、有機(jī)碳含量和微生物量氮均表現(xiàn)出加和效應(yīng)（表2），與前人研究結(jié)果有所不同。我們推斷可能與土壤環(huán)境有關(guān)，本研究供試土壤的養(yǎng)分環(huán)境較適宜，秸稈組合添加后土壤微生物活動(dòng)未受限制，兩種秸稈在腐解過程中無相互作用，所以秸稈組合添加與小麥秸稈單獨(dú)添加處理在土壤有機(jī)碳礦化和固持上的差異主要受“加和效應(yīng)”影響，即兩種秸稈組合后對(duì)土壤有機(jī)碳礦化和固持過程的影響等于它們各自單獨(dú)作用的效果之和[23]，而他們的研究未將殘?bào)w混合物混入土壤，忽視了土壤本身的養(yǎng)分條件在整個(gè)腐解過程中所發(fā)揮作用，故而會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

3.2 土壤有機(jī)碳礦化

秸稈進(jìn)入土壤后，其礦化過程可分為3個(gè)階段，即前期快速礦化，中期逐漸變慢，后期達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，這個(gè)過程主要受微生物代謝活性的影響，同時(shí)秸稈的化學(xué)組成也是影響礦化速率的重要因素。秸稈中的有機(jī)碳可分為淀粉、葡萄糖等易分解部分和木質(zhì)素等難分解部分[25]，在培養(yǎng)前期由于大量易分解碳源的加入刺激了土壤微生物的代謝活動(dòng)，會(huì)大幅提高CO2釋放量；而隨著培養(yǎng)時(shí)間的推進(jìn)，易分解組分逐漸消耗完畢，CO2釋放量逐漸降低，達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段。本研究各秸稈添加處理土壤有機(jī)碳礦化過程均包含快速礦化、逐漸變慢和后期穩(wěn)定3個(gè)階段（圖1），這一點(diǎn)與前人研究結(jié)果是一致的[25-27]。同時(shí)，本研究結(jié)果顯示，與W處理相比，W+L處理明顯提高了土壤CO2累積釋放量（圖1），且顯著增加了土壤微生物量碳、氮含量（表2），結(jié)合本文對(duì)秸稈組合加和效應(yīng)的分析，我們推測(cè)秸稈組合處理顯著提高CO2累積釋放量的原因有兩方面：一是由于兩種秸稈配施之后土壤有機(jī)碳礦化過程表現(xiàn)出“加和效應(yīng)”，而本研究中，組合處理秸稈添加量比其他秸稈單獨(dú)添加處理高1倍，所以秸稈添加量是影響W+L處理與W、L處理產(chǎn)生差異的重要因素之一。二是W+L處理顯著提高了土壤微生物量碳、氮含量，而土壤微生物量碳、氮含量可間接反映土壤微生物活性[24]。因此我們推測(cè)另一個(gè)可能原因是W+L處理為土壤微生物提供了更多的碳源和氮源，并且能夠更持續(xù)地為微生物提供養(yǎng)分，影響了土壤微生物活性和群落多樣性[25-26]并維持了更長(zhǎng)的土壤有機(jī)碳的快速礦化期[27-28]，進(jìn)而顯著提高CO2累積釋放量。此外，比較培養(yǎng)結(jié)束后各秸稈添加處理土壤有機(jī)碳含量變化（表5），兩種秸稈組合添加高于秸稈單獨(dú)添加，表明與單一秸稈添加相比W+L處理更有利于土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)，但由于組合處理有機(jī)碳礦化更強(qiáng)烈（圖1），增加的有機(jī)碳又很快地被礦化損失，因此有機(jī)碳增加程度并不明顯[29]。

3.3 土壤有機(jī)碳固持

通過動(dòng)力學(xué)模型模擬土壤有機(jī)碳礦化過程，研究土壤有機(jī)碳分庫(kù)大小，可為土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及固持能力評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，其中惰性碳庫(kù)含量越高說明有機(jī)碳越穩(wěn)定，越有利于有機(jī)碳固持[30]。本研究通過雙指數(shù)模型模擬表明，W+L處理惰性碳庫(kù)含量及其在土壤有機(jī)碳庫(kù)中所占比例均表現(xiàn)為高于W處理（表4），說明小麥秋豆秸稈組合添加的土壤有機(jī)碳庫(kù)比小麥秸稈單獨(dú)添加時(shí)更穩(wěn)定，更有利于有機(jī)碳固持。同時(shí)，已有研究發(fā)現(xiàn)[31-32]禾本科與豆科綠肥輪作體系下，投入兩種不同的作物殘?bào)w時(shí)，其有機(jī)碳變化過程屬于有機(jī)碳匯過程，有機(jī)碳固持能力優(yōu)于禾本科單作系統(tǒng)，而且更有利于土壤有機(jī)碳積累和土壤培肥。因此，從有機(jī)碳穩(wěn)定性角度評(píng)價(jià)秸稈添加對(duì)土壤有機(jī)碳固持的影響，小麥與秋豆秸稈組合添加土壤的有機(jī)碳庫(kù)比小麥秸稈單獨(dú)添加的更加穩(wěn)定，土壤有機(jī)碳固持能力也更強(qiáng)。

除了運(yùn)用上述雙指數(shù)模型模擬土壤有機(jī)碳礦化過程，分庫(kù)研究秸稈添加對(duì)土壤有機(jī)碳礦化影響之外，試驗(yàn)還運(yùn)用了δ13C自然豐度法，將土壤有機(jī)碳庫(kù)中來源于秸稈的碳和土壤原有的碳進(jìn)行量化和區(qū)分。結(jié)果表明，經(jīng)過80 d的模擬培養(yǎng)，秸稈添加處理土壤δ13C值均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)（表5），這與竇森等[21]的研究結(jié)果一致，其主要原因是先前長(zhǎng)期種植C4作物（玉米）的土壤具有較高δ13C值，施入有較低δ13C值的C3作物（小麥、秋豆）秸稈后，隨著秸稈腐解，來源于C3作物的新形成的有機(jī)碳逐漸變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳庫(kù)的一部分，土壤原有有機(jī)碳逐漸被外源秸稈碳所替換，有機(jī)質(zhì)的δ13C值表現(xiàn)出向C3作物秸稈δ13C值靠近的趨勢(shì)[33]。與W處理相比，W+L處理土壤碳庫(kù)中外源新碳含量及比例均表現(xiàn)出高于單獨(dú)添加處理的趨勢(shì)（表5）。其可能原因是：第一，加和效應(yīng)的影響。一般而言兩種質(zhì)量不同植物殘?bào)w共同腐解時(shí)由于殘?bào)w間相互作用會(huì)產(chǎn)生不同的混合分解效應(yīng)，而本研究條件下，由于土壤環(huán)境等方面的影響，兩種殘?bào)w腐解時(shí)殘?bào)w間的相互作用并不明顯，從而表現(xiàn)出了加和效應(yīng)。在加和效應(yīng)的影響下秸稈添加量是影響外源秸稈新碳分配的重要因素，因此在本試驗(yàn)條件下秸稈組合處理中土壤有機(jī)碳庫(kù)中的來源于秸稈的新有機(jī)碳高于秸稈單施處理。王志明等[34]和Jenkinson[35]也研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳庫(kù)中來源于外源秸稈的新碳含量及比例與秸稈還田量有關(guān)，隨秸稈還田量的增加，土壤原有機(jī)碳分解速率增加，并且新碳?xì)埩袅恳苍黾?，充分支持了本試?yàn)的觀點(diǎn)。第二，添加到土壤中的秸稈會(huì)為土壤微生物提供生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，這些秸稈經(jīng)過微生物的“加工”后，以微生物代謝產(chǎn)物或其死亡之后殘?bào)w的形式分布于土壤碳庫(kù)之中，作為土壤有機(jī)碳庫(kù)的組成部分[36]。土壤中的微生物多種多樣，不同的微生物群落對(duì)營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)的要求不同，當(dāng)添加性質(zhì)不同的秸稈時(shí)土壤中微生物的響應(yīng)機(jī)制也必然不同，相應(yīng)的微生物對(duì)秸稈的代謝機(jī)制應(yīng)當(dāng)存在差異[37-38]，因此可以推斷兩種秸稈組合添加可能影響了土壤中某些功能微生物的活動(dòng)和代謝機(jī)制，進(jìn)而影響了外源秸稈新形成有機(jī)碳在土壤碳庫(kù)中的分配，但在這方面還有待進(jìn)一步研究。

通過雙指數(shù)模型模擬，可以將土壤有機(jī)碳庫(kù)分為活性碳庫(kù)和惰性碳庫(kù)，研究秸稈添加對(duì)不同土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響，尤其是對(duì)惰性碳庫(kù)的影響，可以為秸稈還田有機(jī)碳穩(wěn)定性及固持能力評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)；采用δ13C自然豐度法，可以將土壤有機(jī)碳庫(kù)中外源秸稈新形成的有機(jī)碳和土壤原有有機(jī)碳區(qū)分開來，有助于從外源新碳在土壤碳庫(kù)分配的角度分析秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳固持的影響，兩種方法各有所長(zhǎng)。本研究將雙指數(shù)模型與δ13C自然豐度法相結(jié)合，研究了小麥、秋豆秸稈單獨(dú)添加和二者組合添加對(duì)土壤固碳過程的影響，發(fā)現(xiàn)從土壤有機(jī)碳分庫(kù)的角度來看，兩種秸稈組合添加土壤有機(jī)碳庫(kù)中惰性碳庫(kù)含量和所占比例更高，說明組合條件下有機(jī)碳穩(wěn)定性更好，有機(jī)碳固持能力更強(qiáng)；從外源秸稈有機(jī)碳在土壤有機(jī)碳庫(kù)分配的角度來看，兩種秸稈組合之后土壤有機(jī)碳庫(kù)中有更多的來源于秸稈的有機(jī)碳。綜合兩種方法得出結(jié)論，小麥秋豆秸稈組合添加更有利于土壤有機(jī)碳固持，其原因是配施使得更多的來源于秸稈的新的有機(jī)碳固持在土壤碳庫(kù)中，同時(shí)促進(jìn)了土壤有機(jī)碳庫(kù)的更新和周轉(zhuǎn)，但要進(jìn)一步揭示豆科禾本科秸稈配施還田對(duì)土壤不同碳庫(kù)的影響機(jī)制，還需要在接下來的研究中探究土壤微生物在其中扮演的角色。

4 結(jié)論

通過80 d的培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在小麥秸稈還田基礎(chǔ)上配施豆科綠肥秋豆秸稈大幅度提高了土壤有機(jī)碳礦化量，同時(shí)顯著增加了土壤有機(jī)碳固持量，這是由于配施有效增加了土壤惰性碳庫(kù)含量及比例，且使得更多的來源于秸稈的新的有機(jī)碳固持在土壤碳庫(kù)中，并因此促進(jìn)了土壤有機(jī)碳庫(kù)的更新和周轉(zhuǎn)，且在這個(gè)過程中兩種秸稈組合的“加和效應(yīng)”發(fā)揮了重要作用。