關(guān)鍵詞：氮肥；秸稈；褐土；穩(wěn)定性有機碳

隨著人口和經(jīng)濟的增長，大氣中二氧化碳濃度逐年升高，溫室效應(yīng)帶來的氣候變化問題日漸凸顯，威脅人類生存環(huán)境，因而全球碳循環(huán)研究越來越受到重視。土壤碳庫作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫中重要的組成部分，其中約2/3是有機碳，截至21世紀(jì)初，碳儲量已經(jīng)超過了大氣及植被的碳儲量之和。另外，作為農(nóng)田土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，土壤總有機碳（TOC）含量在保持土壤物理、化學(xué)以及生物性質(zhì)，改善土壤質(zhì)量和提高作物產(chǎn)量方面具有重要作用。我國農(nóng)田耕層土壤TOC含量平均為10g·kg-1，與歐美發(fā)達國家25～45g·kg-1的平均水平相比還有很大差距，甚至部分地區(qū)的土壤TOC含量還出現(xiàn)逐年下降的趨勢。土壤TOC的含量、組分以及穩(wěn)定性除了受土壤自身特性和外在環(huán)境因子影響之外，人為活動包括田間管理措施也對其有顯著的影響。

肥料施用作為農(nóng)田中維持作物產(chǎn)量和生產(chǎn)力不可或缺的田間管理措施，在影響土壤理化性質(zhì)的同時，對土壤TOC的含量及穩(wěn)定性影響巨大。有研究表明，施用無機肥一般會使土壤中有機碳的含量明顯增加。土壤中有機碳累積的變化是有機碳輸入和降解速率變化的綜合結(jié)果。前人指出，施用氮肥可以促進作物生長，進而增加土壤中有機碳的投入。Yue等的Meta分析顯示，氮肥施用可以增加20.1%植物中的碳。而關(guān)于氮肥對有機質(zhì)的降解影響則有不同觀點。有研究認為，氮肥的施用會增加土壤中殘留的氮，解除化學(xué)計量上對微生物生長的限制，加速有機碳礦化。而另有觀點認為，施用氮肥可以抑制土壤微生物對穩(wěn)定性有機碳中的氮進行挖掘（Ni-trogen mining），或者通過提高有機碳的腐殖化進程來促進有機碳的積累。Yue等的研究顯示，雖然氮肥施用平均增加了8.2%土壤TOC，但導(dǎo)致土壤微生物碳減少。雖然大部分結(jié)果顯示氮肥最終增加了土壤TOC的累積，但也有研究指出氮投入降低了土壤TOC含量。

作為農(nóng)田固碳減排最有效的措施之一，秸稈還田同樣也會對土壤TOC的含量和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田提高了土壤TOC的含量。如Zhang等發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，秸稈還田使土壤TOC含量提高了34%～56%，Li等也觀察到秸稈還田后，土壤TOC的含量和活性碳組分顯著增加，這是因為秸稈還田除了增加外源有機物投入，在其進入土壤后還會以膠結(jié)物質(zhì)出現(xiàn)在團聚體的形成過程中，從而增加大團聚體的含量，對土壤團聚體構(gòu)成和改善發(fā)揮重要作用。但也有研究表明，短期秸稈還田影響了微生物活性和鐵離子的絡(luò)合作用，在一定程度上能降低土壤TOC穩(wěn)定性。

研究施肥措施對土壤TOC影響機制的有效方法之一是對土壤TOC進行分組研究。前人指出，長期施用化肥或有機無機肥料配施會使土壤中富里酸（FA）、胡敏酸（HA）以及胡敏素（HM）的含量升高。同時，單施有機肥和化肥有機肥配施可提高土壤輕、重組有機碳的含量，并增加重組有機碳在土壤TOC中的占比。當(dāng)前，與土壤礦物的結(jié)合通常被認為是減緩?fù)寥繲OC降解速率的重要保護機制，一些具有復(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的有機碳能夠與土壤礦物結(jié)合，可以阻礙微生物對有機碳的降解，起到長期穩(wěn)定的作用。因此，土壤中的重組分有機碳代表與土壤礦物相結(jié)合的穩(wěn)定性較強的有機碳。Fe、Al氧化物作為土壤中豐度較大的金屬氧化物，具有反應(yīng)活性強、比表面積大和化學(xué)親和力高等特點，F(xiàn)e、Al氧化物對土壤中有機碳的固存有著重要意義。

綜上所述，氮肥施用和秸稈還田對土壤碳累積的影響極其復(fù)雜，兩者在增加有機碳輸入的同時，還有可能刺激微生物活性從而促進有機質(zhì)的分解，與此同時秸稈的穩(wěn)定性很弱，在土壤中很難長久存留。因此，本文以遼寧省國家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測實驗站的長期定位施肥試驗為依托，通過有機質(zhì)酸堿提取和密度分級實驗、金屬氧化物形態(tài)提取實驗、碳14定年和次氯酸鈉氧化實驗等手段，研究了氮肥和秸稈還田對土壤TOC的含量、性質(zhì)及其穩(wěn)定性的影響，旨在揭示不同施肥方式對土壤中有機碳含量和穩(wěn)定性的影響效應(yīng)和機理，為農(nóng)田土壤肥力及土壤TOC庫的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1土壤樣品的采集

供試土壤取自遼寧省國家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測實驗站（42°11'N，121°25'E），該實驗站位于阜新蒙古族自治縣，當(dāng)?shù)貙贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，是我國典型半干旱區(qū)，降水變率較大，旱災(zāi)頻繁，“十年九旱”是該區(qū)域基本氣候特征，年降水量300～500mm，年平均溫度7～8℃，無霜期135～165d。該區(qū)域種植制度為一年一熟制，土壤屬褐土。田間定位試驗開始于2013年秋季，選擇的土壤樣品包括3個處理，分別為：不施氮肥（CK）、春施氮肥（N1）和春施氮肥+秋季秸稈還田（NS），田間試驗施肥處理如表1所示，所有處理均施同等數(shù)量的磷、鉀肥。田間小區(qū)試驗采用完全隨機試驗設(shè)計，每個小區(qū)設(shè)3個田間重復(fù)，每小區(qū)面積為50m2（5mx10m），供試作物為玉米，種植密度為6x104株·hm-2，行距為50cm、株距為33.3cm，玉米平均單產(chǎn)為6000kg·hm-2，秋季收獲后NS處理秸稈經(jīng)粉碎深埋（0～30cm）全量還田，還田量約為9000kg·hm-2。采樣時間為2021年9月，當(dāng)年玉米收獲前。各小區(qū)按照五點取樣法采集0～20cm的表層土壤混合為一個樣品，將采集的土壤樣品風(fēng)干2周，除去石頭、草、樹根等雜物，并將土壤研磨篩分至粒徑小于2mm后待測。

1.2土壤基本理化性質(zhì)

土壤pH按照水土質(zhì)量比10：1均勻混合后用pH計（Seven Excellence，METTLER TOLEDO）測定，TOC含量采用總有機碳分析儀（TOC-L CPH，Shimadzu）測定，全氮采用全自動定氮儀測定，碳氮比為TOC和全氮的比值。此外，土壤的機械組成采用比重法測定，碳酸鈣含量采用中和滴定法測定，土壤陽離子交換量采用三氯化六氨合鈷浸提一分光光度法進行測定。

分別采用酸性草酸銨（0X）和連二亞硫酸鈉一檸檬酸鈉一碳酸氫鈉（DCB）兩種不同的提取方法提取土壤中的金屬氧化物和P。提取結(jié)束后，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）（iCAP 7000，Ther-mo）測定提取液中Fe、Al和P的含量。

1.3土壤TOC分級

根據(jù)有機碳在酸堿條件下的溶解性差異，將土壤中的有機碳分為HM、HA、FA和疏水中性有機質(zhì)（HON）及親水性有機酸（Hy），具體的提取步驟參見Schmidt等的報道。采用密度分級法，將土壤置于1.8g·mL-1的多聚鎢酸鈉（SPT）溶液中，采用超聲處理破碎土壤團聚體，離心分離后濾除漂浮輕組分，沉淀即為土壤中重組分。重組分有機碳含量通過總有機碳分析儀測定獲得，輕組分有機碳含量為土壤TOC和重組分有機碳含量的差值，具體的分級方法見Cer-li等的報道。兩種分級方法的有機碳含量測定均采用總有機碳分析儀（TOC-LCPH）。重組部分采用OX、DCB和連二亞硫酸鈉一鹽酸（DH）3種方法提取Fe、Al氧化物，并測定DH提取中有機碳的含量。Fe、Al含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測定，DH提取液中溶解性有機碳（DOC）的含量采用總有機碳分析儀測定。

1.4土壤TOC穩(wěn)定性

土壤TOC的年齡采用放射性碳（14C）定年法測定。實驗前將所需用的石英玻璃管及制樣工具放于高溫干燥箱中500℃加熱5h，稱取5g過0.15mm篩并通過酸處理去掉碳酸鹽的土壤樣品，和20mg Cu0粉末一同放人石英玻璃管通過加速器質(zhì)譜儀（3MVTN-4130，HVEE）進行測定。

采用次氯酸鈉氧化法研究土壤TOC的化學(xué)穩(wěn)定性。將5g過0.15mm篩的土壤樣品和100mL 6%NaOCl（pH=8）混合后放入恒溫振蕩器中振蕩2h（25℃，180r·min-1），取出后離心10min（3000r·min-1）。棄掉上清液，用蒸餾水清洗沉淀至電導(dǎo)率低于40uS·cm-1，將沉淀烘干（105℃，24h）并用碳氮分析儀（Unicube．Elementar）分析碳、氮含量。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2019，圖形的繪制在Origin8.5軟件中完成。

2結(jié)果與討論

2.1不同施肥處理下土壤理化性質(zhì)

不同施肥處理間土壤pH在5.6-5.8之間，無顯著差異（表2）。尿素施用導(dǎo)致土壤酸化的報道屢見不鮮，尿素施入土壤后先水解生成碳銨，而后在硝化作用下生成硝態(tài)氮并產(chǎn)生H+使土壤pH降低；此外，植物吸收NH后會通過根系釋放等量H+到土壤中，進一步降低土壤pH。秸稈還田后土壤pH進一步降低是因為秸稈中的有機質(zhì)降解時發(fā)生了酸化作用，但是以上結(jié)果在統(tǒng)計學(xué)上均不顯著。對于土壤TOC來說，單施氮肥處理下土壤TOC含量略低于對照組（表2）。施用氮肥盡管可以促進植物生長，增加土壤中的有機質(zhì)，但也會提高土壤中微生物的豐富度和多樣性，進而促進有機質(zhì)的分解；相比于單施氮肥，額外施人秸稈提高了土壤TOC含量，這與前人報道的結(jié)果一致，即無機肥和有機肥配施更有利于土壤TOC的積累，但是本研究中土壤TOC的變化幅度較小，統(tǒng)計學(xué)上并不顯著。對于土壤的碳氮比，不同的施肥處理間存在差異性，與對照（17.0±2.6）相比，兩組處理下土壤的碳氮比均升高，盡管兩組處理增加了氮元素的投入，但也刺激了植物的生長，由此增加了土壤中新的有機質(zhì)，進而提高了土壤碳氮比。相比于對照，兩組處理下的土壤黏粒含量升高，這可以解釋兩處理高于對照的陽離子交換量（表2）。

利用OX和DCB兩種提取方法對不同施肥處理下土壤中無定型態(tài)（OX提?。┖陀坞x態(tài)（DCB提取）Fe、Al氧化物的提取結(jié)果如表3所示。不同施肥處理下各形態(tài)Fe、Al氧化物的含量幾乎無差異。各施肥處理下游離態(tài)Fe含量均顯著高于游離態(tài)Al含量，而無定型態(tài)Al含量高于無定形態(tài)Fe含量。雖然無定形態(tài)的Fe、Al氧化物含量較少，但其較高的比表面積和吸附親和力使其比晶型Fe、Al氧化物更能吸附固定土壤TOC。整體上，不同形態(tài)Fe、Al氧化物含量的大小分別表現(xiàn)為游離態(tài)Fegt;無定型態(tài)Fe和無定型態(tài)Algt;游離態(tài)Al。與Fe不同，DCB提取的總氧化Al小于OX提取的無定型態(tài)Al，這是因為OX提取是通過草酸根的絡(luò)合作用，而DCB提取是通過還原Fe氧化物釋放出Al，由于Al氧化物無法被還原，故DCB提取的Al氧化物量小于OX提取量。此外，就兩種方法提取出的P含量而言，雖然單施氮肥和氮肥配施秸稈處理組施人了等量的磷肥，但是由于植物產(chǎn)量增加可能帶走了土壤中更多的P，導(dǎo)致這兩組處理的土壤P含量與對照相比均略有降低（表3）。

雖然很多研究表明秸稈還田能夠提高土壤TOC含量，但本研究顯示在連續(xù)8a的秸稈還田處理后，與對照相比土壤TOC含量增加幅度較小，無顯著差異。本研究中的秸稈還田量為9000kg·hm-2，與表層30cm土壤混勻。若以土壤容重1.5g·cm-3、秸稈含碳量50%計算，則有機碳施入量為1mg·g-1．a(chǎn)-1。假設(shè)秸稈降解速率常數(shù)3.2a-1，按照一級降解反應(yīng)公式計算（公式1），施用8a秸稈后土壤殘余秸稈有機碳含量為0.3mg·g-1，該模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果相符（表2），即土壤TOC的增長幅度有限。根據(jù)該模型計算得出，即使延長實驗時間最終增加的土壤TOC亦為0.3mg·g-1，與8a處理接近。由此可見，秸稈的高不穩(wěn)定性限制了秸稈還田對土壤TOC增加的貢獻。如要提高土壤中秸稈有機碳的穩(wěn)定性，需要研究影響秸稈穩(wěn)定性的環(huán)境及土壤因素，采取相應(yīng)的土壤管理措施，以達到土壤固碳減排的目的。2.2不同施肥處理下土壤有機質(zhì)分級

如圖1所示，不同施肥處理的土壤有機質(zhì)均以HA為主（49.5%-63.6%），其次是HM（25.9%-39.0%），而FA+HON和Hy占比較少（約10%）。該土壤中HM占比較低，說明其有機質(zhì)的腐殖化程度較高。各處理相比，對照組HA占比最高，HM占比最低。隨著氮肥和秸稈的加入，土壤有機質(zhì)酸堿可提取部分（HA、FA+HON、Hy）的總占比降低，其中HA從63.6%降低到了49.5%，酸堿不可提取部分（HM）的占比升高。芳香性較強的酸堿可提取腐植酸類有機質(zhì)隨著氮肥和秸稈的添加而減少，表明處理組土壤有機質(zhì)的腐殖化程度低于對照土壤，這可能與新投入的碳源對原土壤穩(wěn)定性有機碳降解的激發(fā)效應(yīng)有關(guān)。此外，由于HA的碳氮比值低于HM，故單施氮肥和氮肥配施秸稈處理組土壤中HA含量的降低和HM含量的升高與土壤碳氮比值升高相符，進一步解釋了這兩個處理組中土壤碳氮比值高于對照組。

土壤TOC的輕、重組分級結(jié)果如圖2所示。結(jié)果顯示，土壤中重組有機碳占TOC的62.3%±0.4%，與文獻報道的比例范圍一致。雖然酸堿分級顯示各處理間有機碳的溶解性有較大差異，但是密度分級顯示各處理間輕、重組有機質(zhì)的占比并無明顯差異，表明有機質(zhì)的酸堿可提取性的變化與其礦質(zhì)結(jié)合態(tài)含量的變化沒有一一對應(yīng)關(guān)系。輕組部分應(yīng)該包括未完全分解的植物殘渣以及溶解態(tài)和膠體態(tài)有機質(zhì)，輕組中植物殘渣部分在酸堿分級中由于其不可溶解性將被視為HM。而重組包括高疏水性與礦質(zhì)結(jié)合的有機質(zhì)，這部分有機質(zhì)在酸堿分級中將被視為HM。此外，在酸堿分級中占TOC55%以上的HA組分也將主要以礦質(zhì)結(jié)合的形態(tài)存在于重組部分。綜合土壤總有機質(zhì)含量分析、酸堿和密度分級結(jié)果，雖然單施氮肥和氮肥配施秸稈處理對土壤總有機質(zhì)含量的影響有限，但是酸堿提取有機質(zhì)結(jié)果卻顯示土壤有機質(zhì)的性質(zhì)有明顯改變，其中主要是增加了植物殘渣和礦質(zhì)結(jié)合的胡敏素類的有機質(zhì)而減少了腐植酸類有機質(zhì)的占比。

盡管納米粒級的Fe、Al氧化物的密度（水鐵礦3.78g·cm-3、氫氧化鋁2.3g·cm-3）大于密度分級所采取的溶液密度（1.8g·cm-3），但與土壤TOC的結(jié)合會極大降低這些納米級顆粒的質(zhì)量密度，使其低于1.8g·cm-3。研究認為，重組中的Fe、Al氧化物是由于聚合或者與其他土壤礦物（如黏土礦物）結(jié)合增加了其密度。對重組部分進行DH提取顯示，與Fe、Al共同釋放的有機碳僅占重組總有機碳的2.2%～2.8%（圖3）。如果將DH提取的重組部分的Fe和Al按照摩爾濃度相加，然后根據(jù)針鐵礦（a-FeOOH）的分子量（88.93g·mol-1）換算成相當(dāng)?shù)尼樿F礦質(zhì)量，再根據(jù)針鐵礦的比表面積（100m2·g-1），計算得出DH提取的Fe、Al氧化物總表面積，則DH提取到的重組部分Fe、Al氧化物有機碳負載量每平方米為0.059～0.077mg。與Fe、Al氧化物每平方米通?？晌?.5～2mg有機碳的結(jié)果相比，DH提取的碳與Fe和Al的比值非常低，這可能是由于Fe、Al氧化物溶解之后所釋放的土壤有機質(zhì)因溶解性較低，可能會重新團聚或與重組中其他土壤成分結(jié)合而未能被提取出。雖然很多研究提出有機質(zhì)與土壤金屬氧化物的結(jié)合對其在土壤中的長期穩(wěn)定起重要作用，但是本研究的供試土壤TOC以HA和HM為主，由于這兩種土壤有機質(zhì)自身溶解度較低，即使不與礦質(zhì)吸附結(jié)合也很難溶出，因此重組里的土壤有機質(zhì)除了與Fe、Al氧化物結(jié)合之外，很可能大部分以團聚或者包被的形式與黏土礦物等其他礦物結(jié)合，從而達到穩(wěn)定的結(jié)果。

2.3土壤TOC穩(wěn)定性

3個處理的碳14年齡均在距今2000a左右（表4），處于較高的水平，說明該土壤中有機碳以長期穩(wěn)定有機碳為主，可能主要是因為該區(qū)域環(huán)境條件適合土壤有機質(zhì)的腐殖化進程，有機質(zhì)腐殖化程度較高，這與酸堿分級所顯示的較高的HA與FA含量，相對較低的HM含量相一致。由表4可知，單施氮肥和氮肥配施秸稈處理的碳14年齡較對照組略微下降。如前所述，兩種處理下土壤TOC含量略有減少（N）或增加（NS），但碳氮比增加顯著，同時土壤中HM增加，HA減少，結(jié)合碳14年齡分析可以判斷，氮肥和秸稈的施用向土壤中增加了新的有機碳，同時新有機碳加入刺激了土壤微生物的生長，產(chǎn)生了激發(fā)效應(yīng)，導(dǎo)致土壤中部分原有的穩(wěn)定有機碳降解。但3個處理間碳14年齡整體無顯著差異，可能是因為該區(qū)定位試驗田的處理年限較短所致。假設(shè)土壤中原有穩(wěn)定有機碳的碳年齡等于對照組的碳年齡（2150a），而新增有機碳的碳年齡與試驗持續(xù)時間相同（8a），根據(jù)處理組的碳年齡測定值，可以計算N和NS處理土壤中原有穩(wěn)定性和新增有機碳的含量（表4）。結(jié)果顯示，單施氮肥土壤原有有機碳降低量高于氮肥和秸稈配施，可能是秸稈的加入起到了氮施用激發(fā)條件下保護穩(wěn)定性有機碳的作用。

另外，除了采用碳14定年，本研究還利用NaCIO氧化法將土壤TOC分為易氧化有機碳和穩(wěn)定有機碳。結(jié)果顯示，在實驗條件下，不同處理的土壤TOC均以易氧化有機碳為主，占比均約78%（圖2）。雖然化學(xué)氧化法是一種快捷的代替生物降解研究土壤TOC穩(wěn)定性的實驗手段，但它的敏感性與有機碳年齡的相關(guān)性仍存在不確定性，因此如何解釋化學(xué)氧化法的結(jié)果還有待進一步探討。

3結(jié)論

（1）單施氮肥和氮肥配施秸稈處理對研究區(qū)土壤總有機碳（TOC）含量的影響有限；盡管無機肥和有機肥配施，即氮肥配施秸稈更有利于土壤TOC的積累，但秸稈的高不穩(wěn)定性，限制了秸稈還田對土壤TOC增加的貢獻。

（2）隨著氮肥和秸稈的加入，土壤有機質(zhì)酸堿可提取部分的總占比降低，其中胡敏酸從63.6%降低到了49.5%，酸堿不可提取的胡敏素部分的占比升高；不同處理組均以重組有機碳為主要成分，占TOC的62.3%，且不同處理組間的重組和輕組有機碳占比并無明顯差異。整體上看，施用氮肥和秸稈主要增加了土壤中的植物殘渣和礦質(zhì)結(jié)合的胡敏素類有機質(zhì)，減少了腐植酸類有機質(zhì)。

（3）重組中利用連二亞硫酸鈉一鹽酸提取的有機碳和Fe、Al的比值非常低，可能是由于Fe、Al氧化物溶解之后所釋放的土壤有機質(zhì)溶解性較低，因此可能會重新團聚或與重組中其他土壤成分結(jié)合。因此重組里的土壤有機質(zhì)除了與Fe、Al氧化物結(jié)合之外，很可能大部分以團聚或者包被的形式與黏土礦物等其他礦物結(jié)合。

（4）3個處理組土壤中的有機碳均以長期穩(wěn)定有機碳為主，單施氮肥和氮肥配施秸稈處理的碳14年齡較對照組略微下降，但各處理間的碳14年齡無顯著差異。