李歡，趙平，2，陳林康，李連華，向蕊，龍光強(qiáng)，2*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部云南耕地保育科學(xué)觀測實驗站，昆明 650201）

我國秸稈資源豐富，據(jù)統(tǒng)計2017 年主要農(nóng)作物秸稈約9 億t，可收集利用資源達(dá)7.36 億t。在秸稈綜合利用的方法中，秸稈還田是一種相對較優(yōu)的方式。秸稈還田可改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況，降低土壤容重和促進(jìn)土壤酶活性，豐富土壤微生物多樣性，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和增加土壤有機(jī)碳固存，實現(xiàn)作物可持續(xù)生產(chǎn)。

種植模式和秸稈組成均會影響秸稈腐解和土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，改變土壤碳儲量，同時調(diào)控土壤化學(xué)性質(zhì)和養(yǎng)分狀況。一方面，秸稈腐解過程中CO排放和土壤化學(xué)性質(zhì)受作物秸稈化學(xué)性質(zhì)、還田部位、還田方式以及還田深度等的影響。當(dāng)不同化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)物混合，它們的分解速率通常不等于每個單一物種的算數(shù)平均值（即預(yù)期的分解速率），而是會導(dǎo)致正向或負(fù)向非加性效應(yīng)，這在森林和草地生態(tài)系統(tǒng)中研究較多。相應(yīng)地，分解過程中的CO排放和土壤性質(zhì)響應(yīng)亦不同于單一組成的有機(jī)物。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，間作或混作模式下通常有兩種或多種作物秸稈同時進(jìn)入土壤，這如何進(jìn)一步影響秸稈分解和土壤性質(zhì)，以及土壤碳固存和土壤肥力，值得關(guān)注。

另一方面，種植模式對秸稈腐解后的CO排放和土壤化學(xué)性質(zhì)也存在影響。不同種植模式常導(dǎo)致土壤pH、速效養(yǎng)分和微生物群落組成等產(chǎn)生差異，進(jìn)而調(diào)控秸稈腐解及養(yǎng)分釋放與周轉(zhuǎn)。研究表明，由于微生物的特異性演化，木本和草本植物凋落物在原位分解更快，具有“主場優(yōu)勢”，這在各種自然生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛驗證。但是由于有機(jī)底物-土壤環(huán)境-微生物的復(fù)雜相互作用，這一機(jī)制產(chǎn)生的原因仍難以歸納和界定，尤其是在有機(jī)物組成和分解環(huán)境高度多樣化的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中。在農(nóng)田土壤中，“主場優(yōu)勢”并不一定代表真正的“優(yōu)勢”，秸稈過度分解不利于有機(jī)質(zhì)的保存，同時秸稈在原位腐解可能帶來病蟲害頻發(fā)和連作障礙等問題。因此，關(guān)注秸稈在異位條件下（非主場）腐解對碳排放和土壤性質(zhì)的影響，對探索秸稈異位還田具有重要指導(dǎo)意義。

因此，本文采集3 種種植模式（玉米單作、馬鈴薯單作和玉米馬鈴薯間作）的多年田間定位試驗土壤，分別加入玉米秸稈、馬鈴薯秸稈及其混合秸稈，進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗，探究不同秸稈組成和不同種植模式對秸稈腐解過程中CO排放及土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，加深對秸稈腐解過程中土壤碳排放和養(yǎng)分變化規(guī)律的理解，為秸稈還田增強(qiáng)土壤碳匯功能和合理養(yǎng)分供應(yīng)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

本培養(yǎng)試驗于2019年10—11月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)教育科研基地實驗室（23°32'N、103°13'E）進(jìn)行。供試土壤來自于在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)教育科研基地從2014 年開始的田間定位試驗小區(qū)，土壤為山原紅壤。于田間小區(qū)試驗第6 a（2019年）作物收獲后采集表層（0~20 cm）土壤開展培養(yǎng)試驗，試驗前基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 The basic chemical properties of soils

玉米、馬鈴薯秸稈采自2018 年作物收獲后，經(jīng)70 ℃烘干后，粉碎過1 mm 篩備用。試驗前玉米秸稈和馬鈴薯秸稈的化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗用玉米和馬鈴薯秸稈基本化學(xué)性質(zhì)Table 2 Basic chemical properties of maize and potato straws used in this study

1.2 試驗設(shè)計

本研究采用兩因素（包含土壤種植模式和秸稈類型）交互的室內(nèi)培養(yǎng)試驗。其中土壤種植模式為連續(xù)6 a的玉米單作種植土壤（MM）、馬鈴薯單作種植土壤（MP）和玉米與馬鈴薯間作種植土壤（I）；3 種秸稈類型為玉米秸稈（MS）、馬鈴薯秸稈（PS）和玉米馬鈴薯混合秸稈（CS，質(zhì)量混合比例為1∶1），同時以不添加秸稈（CK）作為對照。共12 個處理，每個處理3 次重復(fù)。在25 ℃恒溫箱中在未添加秸稈和黑暗條件下進(jìn)行好氧預(yù)培養(yǎng)7 d，待恢復(fù)土壤微生物活性后，按碳排放和養(yǎng)分動態(tài)監(jiān)測兩個研究目的分別進(jìn)行如下試驗。

1.2.1 CO排放培養(yǎng)試驗

稱取干質(zhì)量50 g 的鮮土放入250 mL 三角瓶中，在其中添加1 g 秸稈樣品（混合秸稈樣品包括玉米秸稈和馬鈴薯秸稈各0.5 g），同時設(shè)置不添加秸稈作為對照。各處理均采用完全隨機(jī)設(shè)計，3 次重復(fù)，放在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中不添加秸稈和黑暗條件下進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中用透氣薄膜封口，以減少水分散失。用稱質(zhì)量法來控制土壤水分，使土壤含水率始終維持在20%，抽氣時用膠塞封口，取氣時間間隔為 0、1、2 h。在培養(yǎng)開始后的第 1、3、5、7、10、14、18、22、28、42、56、77、105 d 分別采集氣體樣品，測定土壤CO濃度。

1.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)培養(yǎng)試驗

稱取干質(zhì)量50 g 的鮮土，放入塑料封口袋中，塑料袋上留通氣小孔（保證通氣正常和控制水分散失），在其中添加1 g 秸稈，同時設(shè)置未添加秸稈的對照試驗。培養(yǎng)試驗過程中采用稱質(zhì)量法使土壤含水量維持在20%，在培養(yǎng)后的第0、4、7、15、30、60、105 d分別進(jìn)行破壞性取樣，測定土壤pH 值、可溶性有機(jī)碳（DOC）、速效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.3 指標(biāo)測定

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤CO排放通量計算公式為：

式中：為CO排放通量，mg·kg·h；正值為排放，負(fù)值為吸收；為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下被測氣體濃度；DD為單位時間內(nèi)取樣瓶內(nèi)被測氣體濃度的變化量；為采樣時瓶內(nèi)溫度，℃；為采樣瓶體積，m；為培養(yǎng)干土質(zhì)量，kg。

CO累積排放量計算公式為：

式中：為培養(yǎng)過程中氣體排放量，g·kg；為氣體排放速率，mg·kg·h；為采樣次數(shù)；為采樣時間，d。

CO凈累積排放量（）計算公式為：

式中：為添加秸稈后土壤的累積排放量，g·kg；為供試土壤不添加秸稈對照處理的累積排放量，g·kg。

兩種單一秸稈CO累積排放量的加權(quán)平均值（）計算公式為：

式中，和分別為單作玉米和單作馬鈴薯的CO累積排放量，g·kg；和分別為混合秸稈中玉米秸稈和馬鈴薯秸稈的比例，本研究中和均為0.5。

使用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，Origin 2018 軟件作圖，用 SPSS 20.0 軟件的 LSD 和 Duncan 進(jìn)行差異顯著性分析（<0.05）。采用Amos 23.0軟件包構(gòu)建SEM 方程模型，用χ值、自由度、假定值、擬合優(yōu)度指數(shù)（GFI）和近似的均方根誤差（RMSEA）來評估擬合度。SEM建模時，對測定的土壤化學(xué)性質(zhì)動態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了平均，以代替分解過程中不同處理間的土壤性質(zhì)差異。Canoco 5.0 進(jìn)行主成分分析，并用R 4.0.2進(jìn)行置換多元方差分析（PERMANOVA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2排放速率和累積排放量

整個培養(yǎng)期間，不同作物種植模式土壤中秸稈CO排放速率均呈現(xiàn)出前期（0~28 d）較快、中期（28~56 d）減緩、后期（56~105 d）穩(wěn)定的趨勢（圖1）。在3種作物種植模式的土壤中，與不添加秸稈（CK）相比，除第105 d，其余時間秸稈添加（CS、MS 和PS）均顯著增加了CO排放速率。

圖1 整個培養(yǎng)期CO2排放速率Figure 1 CO2 emission rate throughout the incubation period

在同一種植模式土壤中添加不同秸稈，腐解前期PS 的CO排放速率較快，其中，在玉米與馬鈴薯間作（I）種植的土壤中，第1、5、10 d PS 的CO排放速率顯著高于CS 和MS，在玉米單作種植（MM）和馬鈴薯單作種植（MP）土壤中，在第1、5、7 d PS的CO排放速率顯著高于CS和MS；腐解的中后期CS、MS和PS的CO排放速率差距較小。

不添加秸稈時，不同作物種植模式的土壤之間CO排放速率無顯著差異。同一秸稈在不同種植模式下，CS 的土壤中 CO排放速率在第 1、3、28 d 的 MP土壤中顯著高于 I 土壤中；MS 在第 1、18、22 d 的 MM土壤中顯著低于I 和MP 土壤中；對于PS 而言，第3、5、10 d的I土壤中顯著低于MM和MP土壤中。

秸稈類型和種植模式均對土壤CO累積排放量和去除對照的CO凈累積排放量有顯著影響（圖2）。就秸稈而言，CS 和PS 在不同種植模式土壤中CO累積排放量和凈累積排放量均沒有顯著差異，而MS 則在MM土壤中顯著低于I和MP土壤中，即玉米秸稈原位添加抑制了土壤CO排放。相比于CK，秸稈添加的處理CS、MS 和PS 均有效增加了CO累積排放量和CO凈累積排放量。

就種植模式而言，在MP 土壤中添加不同秸稈后，CO累積排放量和凈累積排放量無顯著差異，而在I土壤中，添加PS后，CO累積排放量顯著低于添加MS（圖2a），在MM 土壤中，添加CS 后的CO累積排放量和CO凈累積排放量顯著高于添加MS 的。此外，與玉米和馬鈴薯單一秸稈的加權(quán)平均（WM）相比，秸稈混合后分別顯著增加了MM土壤中CO累積排放量19.2%、CO凈累積排放量19.9%，同時降低了MP土壤中CO累積排放量的8.6%和CO凈累積排放量的9.6%。

圖2 CO2累積排放量和CO2凈累積排放量Figure 2 Cumulative CO2 emissions and net cumulative CO2 emissions

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)變化

2.2.1 土壤pH和DOC含量

無秸稈添加的土壤（CK）在培養(yǎng)過程中pH 波動較?。▓D3）。添加秸稈后，土壤pH 在培養(yǎng)期呈現(xiàn)先快速下降而后緩慢上升的趨勢。在I 和MP 土壤中，CS 在培養(yǎng)結(jié)束時的 pH 較 CK 升高，在 MM 土壤中 pH降低；在 I、MM 和 MP 土壤中，MS 在培養(yǎng)結(jié)束時的 pH均升高；在整個培養(yǎng)過程中，3 種作物種植模式下，添加PS 土壤中的pH 均為降低，培養(yǎng)結(jié)束時I 和MM 土壤中下降幅度較大。此外，整個腐解過程中，添加MS的不同土壤的pH均高于添加CS和PS。

相比于CK，添加秸稈處理（CS、MS 和PS）在培養(yǎng)的前60 d均能增加土壤DOC 含量（圖3）。CS和PS在60~105 d 的DOC 含量均呈現(xiàn)下降趨勢，在105 d 時除I 土壤中的CS 高于CK，其余處理的DOC 含量均低于CK。添加MS 處理下DOC 含量持續(xù)增加，在I 土壤中后期的增加效果最為顯著，在MM 和MP 土壤中后期表現(xiàn)為下降趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，添加MS 的3 種作物種植模式土壤中DOC 含量與CK 相比均有提高。同時，添加PS在培養(yǎng)的第4 d時對DOC含量的增加效果最為顯著。

圖3 3種作物種植模式的土壤pH和可溶性有機(jī)碳（DOC）含量的動態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes of pH and DOC in soil under different decomposition environments

2.2.2 土壤速效養(yǎng)分

在整個培養(yǎng)過程中，土壤速效磷（AP）在3種種植模式土壤中的變化趨勢基本一致（圖4）。在3種作物種植模式土壤中，添加秸稈均能增加AP 的含量，除I土壤添加CS 效果最佳外，MM 和MP 土壤均表現(xiàn)為添加PS 效果最好。不添加秸稈時，MP 土壤中AP 含量下降幅度最大。添加CS 后，I土壤中AP 含量較高，而添加MS和PS后，均為在MP土壤中AP含量最高。

在3 種作物種植模式土壤中，添加秸稈后均能顯著增加土壤速效鉀（AK）含量（圖4）。添加不同秸稈后，3種種植模式土壤中均為MP 土壤增加AK 含量的效果最佳，培養(yǎng)結(jié)束時，3 種土壤中AK 含量均為PS>CS>MS>CK。不添加秸稈時，不同作物種植模式土壤中 AK 含量表現(xiàn)為 I 和 MM 土壤中變化較小，MP 土壤中變化較大。

圖4 培養(yǎng)過程中土壤速效磷（AP）和速效鉀（AK）的含量變化Figure 4 Changes of soil available phosphorus（AP）and available potassium（AK）during incubation

2.3 CO2累積排放量與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

主成分分析（PCA）表明，前兩軸的環(huán)境變量累計解釋了CO累積排放量變化的88.15%，同一秸稈在不同種植模式土壤中的樣本點離散較小，而不同秸稈在同一種植模式土壤中的樣本點離散較大，DOC 和C/N是影響CO累積排放量的主要因素（圖6）。同時對CO累積排放量進(jìn)行置換多元方差分析（PERMANO?VA）得出，秸稈類型和種植模式均對CO累積排放量存在顯著差異（<0.001），且秸稈類型對CO排放的影響大于種植模式。

3 討論

3.1 秸稈類型和種植模式對秸稈腐解土壤CO2排放的影響

本研究中，前期添加馬鈴薯秸稈（PS）的CO排放最高，后期添加3 種秸稈CO排放無顯著差異。前人研究得出，高質(zhì)量秸稈（低C/N）和低質(zhì)量秸稈（高C/N）會發(fā)生互補(bǔ)效應(yīng)，氮素會從高質(zhì)量殘體遷移到低質(zhì)量殘體，以促進(jìn)低質(zhì)量組分的降解（互補(bǔ)效應(yīng)），同時秸稈化學(xué)組成（例如C/N）是影響腐解速率的關(guān)鍵因素。這種差異導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)的激發(fā)強(qiáng)度不同，使得土壤呼吸強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響CO排放速率。此外，混合秸稈與玉米和馬鈴薯單一秸稈的加權(quán)平均相比，增加了I 和MM 土壤中的CO累積排放量，降低了MP 土壤中的CO累積排放量。因此，在對I和MM 土壤中，需要控制因添加混合秸稈后而導(dǎo)致的CO的排放，比如調(diào)整混合比例或者降低添加的量。添加混合秸稈后在I和MM 土壤中表現(xiàn)為促進(jìn)分解（協(xié)同作用），在MP土壤中為抑制分解（拮抗作用）。然而秸稈混合后對碳排放的影響為累加性還是非累加性需要進(jìn)一步研究。

圖6 CO2累積排放量的主成分分析Figure 6 Principal component analysis of cumulative CO2 emission

圖7 主要指標(biāo)與CO2累積排放量的結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）Figure 7 Structural equation modeling（SEM）of main indicators and cumulative CO2 emissions

3.2 秸稈類型和種植模式對秸稈腐解過程中土壤速效養(yǎng)分動態(tài)的影響

本研究通過添加秸稈到不同種植模式的土壤中，分析CO排放差異以初步分析秸稈腐解的變化，同時探討土壤化學(xué)性質(zhì)動態(tài)。然而，秸稈組成中，哪些物質(zhì)或結(jié)構(gòu)對有機(jī)物分解起決定性作用有待進(jìn)一步研究。同時，結(jié)合16S rDNA、ITS和GeoChip 等高通量測序技術(shù)，分析土壤中影響秸稈分解的關(guān)鍵微生物類群，明確它們與有機(jī)物降解功能的關(guān)系，對揭示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物秸稈混合和異位還田的機(jī)制十分重要。此外，本試驗為室內(nèi)進(jìn)行的恒溫培養(yǎng)，今后的研究亟需拓展更豐富的秸稈類型和混合比例，并在大田試驗中進(jìn)行深入分析，明確秸稈混合還田和異位還田對有機(jī)碳固存及土壤肥力的長期影響。

4 結(jié)論

（3）在本研究條件下，添加混合秸稈后間作和玉米單作土壤中的CO排放增加。添加秸稈后可增加土壤速效養(yǎng)分（速效磷和速效鉀），提高土壤肥力。秸稈類型對CO排放和土壤養(yǎng)分變化的影響大于種植模式，因此拓展不同類型秸稈（如豆科和非豆科）在不同分解環(huán)境中的田間腐解研究，對指導(dǎo)秸稈還田有重要意義。