摘要：為探究在相同培養(yǎng)條件下，小麥秸稈添加對不同類型土壤有機(jī)碳礦化的影響，本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)法，向黑土、風(fēng)沙土、紫色土和黃棕壤添加小麥秸稈，以揭示不同類型土壤有機(jī)碳礦化對外源碳添加的響應(yīng)機(jī)制差異。結(jié)果表明：與未添加秸稈處理相比，添加秸稈處理的4種土壤有機(jī)碳礦化速率均表現(xiàn)為前21d顯著增加，之后趨于穩(wěn)定。在培養(yǎng)的前7d，4種土壤CO2累積排放量迅速增加2.41-3.87倍，此后持續(xù)穩(wěn)步增加；培養(yǎng)結(jié)束后，未添加秸稈的4種土壤間CO2累積排放量未見顯著差異；添加秸稈處理各土壤CO2累積排放量顯著增加，較未添加秸稈提升2.52-3.41倍，其中紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種類型土壤，為2 760.74 mg·kg-1，黑土增加最顯著，為4168.99 mg·kg-1。相關(guān)分析表明，無論是否添加秸稈，土壤有機(jī)碳的礦化率均受到全氮的主導(dǎo)作用，且二者具有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。無論是否添加秸稈，土壤CO2累積排放量均主要受到土壤pH的影響，且與pH呈顯著負(fù)相關(guān)；添加秸稈處理中CO2累積排放量還同時受到土壤C/N的正向作用。研究表明，同一種秸稈添加到不同類型土壤中時，土壤本身性質(zhì)的差異會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化對其的響應(yīng)也存在差異，因此在實際秸稈還田時需要依據(jù)不同土壤特性制定合理的秸稈還田措施。

關(guān)鍵詞：有機(jī)碳；土壤類型；秸稈；動態(tài)變化；理化性質(zhì)

中圖分類號：S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2041-09 doi：10.11654/jaes.2023 -0752

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，碳庫的變化取決于有機(jī)碳輸入與輸出之間的平衡。農(nóng)田土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最易受干擾的土壤碳庫，近年來人類活動頻繁，使土壤C、N、P養(yǎng)分嚴(yán)重流失，造成土壤碳庫虧損，影響土壤肥力。我國秸稈資源豐富，秸稈作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要產(chǎn)物之一，同時又是重要的生物資源，所含養(yǎng)分豐富，是培肥土壤的重要資源，因此國家大力提倡秸稈還田。秸稈還田后土壤有機(jī)碳儲量是否增加在不同實驗條件下具有不同結(jié)果。田慎重等研究秸稈還田對麥田土壤有機(jī)碳含量的影響時發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤有機(jī)碳的增加具有重要作用；高洪軍等在研究秸稈還田對黑土團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響時發(fā)現(xiàn)，適量秸稈還田能夠促進(jìn)土壤有機(jī)碳累積。而張杰等問在研究秸稈對潮土CO2排放的影響時得出秸稈添加能夠顯著增加土壤CO2排放速率，提高土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度；孫昭安等在研究秸稈對潮土碳釋放的影響時也發(fā)現(xiàn)此結(jié)果，即添加秸稈處理在整個培養(yǎng)過程中有機(jī)碳庫表現(xiàn)為凈損失?？梢?，秸稈還田對土壤有機(jī)碳含量的影響一直存有爭議，一方面秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)碳含量，另一方面添加秸稈顯著增加土壤CO2排放，加速土壤有機(jī)碳礦化，不利于土壤碳庫的積累。這些不一致的結(jié)論可能與土壤類型、秸稈還田量、秸稈類型、實驗條件等有關(guān)。

土壤類型是影響土壤有機(jī)碳對秸稈添加響應(yīng)的重要因素，土壤質(zhì)地、有機(jī)碳、全氮（TN）、pH、C/N、機(jī)械組成以及一些生物因素等都會直接影響土壤有機(jī)碳的礦化過程。李順姬等研究發(fā)現(xiàn)，在同一土層上，風(fēng)沙土、褐土、黃綿土、黑壚土、湘黃土、新積土、沙黃土這7種不同類型土壤的有機(jī)碳礦化率、日均礦化量、累積礦化量存在顯著差異，其中褐土礦化量顯著高于其余6種土壤，風(fēng)沙土礦化量最低。李夢嬌等在研究外源碳添加對紅壤和沙土有機(jī)碳礦化的影響時發(fā)現(xiàn)，紅壤黏粒含量高于沙土，受到粉黏粒對有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制更強(qiáng)，因此，添加外源碳后，沙土有機(jī)碳礦化速率、累積礦化量均顯著高于紅壤。孫中林等、李順姬等、張琳梅等的研究同樣也得出黏粒含量低、砂粒含量高的土壤有機(jī)碳礦化潛力更大的結(jié)論。吳萌等認(rèn)為土壤類型對有機(jī)碳礦化的影響很大，肥力最高的望城水稻土礦化速率常數(shù)最高，有機(jī)碳礦化能力也最強(qiáng)。Wu等在研究添加生物炭對不同土壤CO2排放的影響時發(fā)現(xiàn)，相較堿性土壤，pH更低的酸性土壤在培養(yǎng)過程中CO2排放量和礦化量更高。由此可見，土壤性質(zhì)的差異對土壤有機(jī)碳礦化過程至關(guān)重要。

盡管土壤特性是制約外源碳添加對有機(jī)碳礦化影響的重要因素，但已有研究大多是基于不同氣候條件下的研究結(jié)果，或是在相同培養(yǎng)條件下僅研究不同類型土壤礦化差異，而在相同培養(yǎng)條件下，剖析不同類型土壤有機(jī)碳應(yīng)對外源碳添加的有機(jī)碳礦化響應(yīng)研究還很少。基于以上原因，本研究采用室內(nèi)培養(yǎng)法，選取4種典型農(nóng)田土壤，并向其中添加小麥秸稈，在相同的培養(yǎng)條件下，探究秸稈添加對不同類型土壤有機(jī)碳礦化的影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理方法

供試土壤為典型農(nóng)田黑土、風(fēng)沙土、紫色土和黃棕壤。黑土采自黑龍江海倫生態(tài)實驗站（47°26＇N，126°38＇E），土壤類型為典型黑土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為35.91%、27.00%、37.09%；風(fēng)沙土采自黑龍江大慶農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（46°47＇N，124°26＇E），土壤類型為風(fēng)沙土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為18.48%、11.21%、70.31%；紫色土采自四川鹽亭農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（31°16＇N，105°27＇E），土壤類型為石灰性紫色土，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為22.29%、34.58%、43.13%；黃棕壤采自南京信息工程大學(xué)農(nóng)田試驗站（32°13＇N，118°43＇E），土壤類型為典型黃棕壤，黏粒、粉粒、砂粒含量分別為33.08%、36.87%、30.05%。

在樣地采用多點混合法取樣，剔除肉眼可見的動植物殘體、砂石等雜質(zhì)，帶回實驗室后將土壤分為兩部分，一部分風(fēng)干后測定土壤基本理化性質(zhì)（表1），另一部分鮮土過2 mm篩后混勻，在4℃環(huán)境中保存，用于后續(xù)培養(yǎng)實驗。

小麥秸稈取自黑龍江典型麥田，秸稈成熟期收獲，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質(zhì)量，粉碎過0.25 mm篩，分析獲得小麥秸稈有機(jī)碳含量為41%。

1.2 實驗設(shè)計

本實驗采用雙因素完全隨機(jī)實驗設(shè)計，一個因素為土壤類型，即黑土、風(fēng)沙土、紫色土、黃棕壤4種類型土壤，另一因素為添加外源碳，添加秸稈為處理組（CT），不添加秸稈為對照組（CK），共8個處理，每個處理3次重復(fù)。在進(jìn)行培養(yǎng)前，調(diào)節(jié)土壤水分含量至50%田間持水量，在25℃黑暗條件下預(yù)培養(yǎng)一周，以恢復(fù)土壤微生物活性。在燒杯中稱取土壤30 g（干質(zhì)量），按比例與小麥秸稈混合均勻（每100 g土添加0.25 g秸稈碳），放人1L培養(yǎng)瓶中，用透氣不透水的半透膜蓋好，25℃避光培養(yǎng)，采用稱質(zhì)量的方法保持恒定的土壤含水量。在培養(yǎng)第1、2、3、4、5、6、7、14、21、35、49、77天進(jìn)行CO2氣體采集，并測定CO2濃度。氣體采集前在通風(fēng)櫥通風(fēng)5 min，以去除瓶內(nèi)殘余氣體，后密封培養(yǎng)3h，然后進(jìn)行氣體采集，用CC7890-B氣相色譜測定CO2濃度。

1.3 計算公式

CO2排放速率：

式中：F為CO2排放速率，單位為mg·kg-1·d-1；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2密度，單位為g·L-1；Y為培養(yǎng)瓶有效體積，單位為L;m為干土質(zhì)量，單位為g；dc/dt為單位時間內(nèi)CO2濃度的變化，單位為h-1·10-6；T為采樣時的氣體溫度，單位為℃。

CO2累積排放量：

式中：C為CO2累積排放量，單位為mg·kg-1；i為采樣次數(shù)；ti-ti-1為相鄰兩次采樣時間間隔，h。

土壤有機(jī)碳礦化率是指在一定時間內(nèi)土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2含碳量占土壤總有機(jī)碳含碳量的比例。

土壤有機(jī)碳礦化率=累積礦化碳量/初始總有機(jī)碳量×100%（3）

秸稈礦化率=（處理組累積礦化碳量-對照組累積礦化碳量）／秸稈碳總量×100%（4）

1.4 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理，用Origin 2023、PowerPoint軟件繪圖，SPSS 25.0軟件進(jìn)行雙因素方差分析，比較不同類型土壤對添加秸稈前后有機(jī)碳礦化的響應(yīng)，分析理化性質(zhì)之間的差異，并分析探究主要影響因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈添加對土壤CO2排放速率的影響

由圖1可知，添加秸稈處理的土壤CO2排放速率在培養(yǎng)前期較高，后持續(xù)降低，且不同土壤類型之間未見顯著差異（P＞0．05）。整個培養(yǎng)過程分為3個階段：第一階段CO2排放速率迅速下降，黑土、風(fēng)沙土、黃棕壤CO2排放速率在培養(yǎng)第1天出現(xiàn)峰值，紫色土在第2天出現(xiàn)峰值，培養(yǎng)前7d，各土壤C02排放速率顯著下降，黑土CO2排放速率從556.87 mg·kg-1·d-1降至66.58 mg·kg-1·d-1，風(fēng)沙土從634.92 mg·kg-1·d-1降至88.58 mg·kg-1·d-1，紫色土從318.54 mg·kg-·d-1降至48.26 mg·kg-1·d-1，黃棕壤從582.74 mg·kg-1·d-1降至80.07 mg·kg-1·d-1；第二階段CO2排放速率緩慢下降，在第7天至第21天，CO2排放速率緩慢下降，黑土C02排放速率降至20.85 mg·kg-1·d-1，風(fēng)沙土降至28.96 mg·kg-1·d-1，紫色土降至9.16 mg·kg-1·d-1，黃棕壤降至13.23 mg·kg-1·d-1；第三階段CO2排放速率基本穩(wěn)定，21d后，各土壤CO2排放速率逐漸平穩(wěn)，與對照土壤CO2排放速率無顯著差異。

2.2 秸稈添加對土壤CO2累積排放量的影響

4種土壤CO2累積排放量均隨培養(yǎng)時間延長而逐漸增加，且秸稈添加顯著提高各類型土壤CO2累積排放量（P＜0.05，圖2A）。未添加秸稈的4種土壤CO2累積排放量均出現(xiàn)緩慢持續(xù)增加的現(xiàn)象；添加秸稈處理各土壤CO2累積排放量呈現(xiàn)先迅速增加、后緩慢增加的趨勢，且均顯著高于相應(yīng)未添加秸稈處理。培養(yǎng)前7d各土壤CO2累積排放量迅速增加，第7天比第1天時增加了2.41-3.87倍；在第7天至第21天內(nèi)，CO2累積排放量增加速率放緩，但仍有較大幅度增加；培養(yǎng)第21天后各土壤CO2累積排放量平穩(wěn)增加。至培養(yǎng)結(jié)束時，添加秸稈的黑土、風(fēng)沙土、紫色土和黃棕壤中C02累積排放量較未添加秸稈處理分別提升了3.41、3.39、2.52、3.39倍，添加秸稈處理的黑土CO2累積排放量最高（4 168.99 mg·kg-1），其次為風(fēng)沙土（3 871.08mg·kg-1）和黃棕壤（3 794.88 mg·kg-1），且二者無顯著差異，最低的是紫色土（2 760.74 mg·kg-1），未添加秸稈處理的各土壤無顯著差異，CO2累積排放量均較低。

2.3 秸稈添加對土壤有機(jī)碳礦化率的影響及其秸稈礦化率的不同

由圖3A可知，秸稈添加顯著提高土壤有機(jī)碳礦化率（P＜0．05）。添加秸稈處理的風(fēng)沙土有機(jī)碳礦化率最高，其后依次為黃棕壤、紫色土、黑土，且各土壤之間有機(jī)碳礦化率差異顯著（P＜0．05）；未添加秸稈處理的各土壤有機(jī)碳礦化率為0.79%-2.13%，風(fēng)沙土和黃棕壤有機(jī)碳礦化率較高且無顯著差異（P＞0．05），其次為紫色土，黑土有機(jī)碳礦化率最低。添加秸稈處理后土壤有機(jī)碳礦化率顯著高于對應(yīng)未添加秸稈處理，黑土、風(fēng)沙土、紫色土和黃棕壤有機(jī)碳礦化率分別為3.24%、7.67%、4.48%、7.06%，比未添加秸稈處理分別提高了3.10、2.55、1.82、2.10倍。培養(yǎng)結(jié)束后，秸稈礦化率在風(fēng)沙土中分別與在黑土和黃棕壤中無顯著差異（P＞0.05，圖3B），其余土壤秸稈礦化率間均有顯著差異（P＜0．05），且秸稈在黑土中礦化率最高，為35.18%，在紫色土中最低，僅為20.99%。

2.4 相關(guān)性分析

由圖4可知，在未添加秸稈處理中，土壤有機(jī)碳礦化率與有機(jī)碳、TN、C/N呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，圖4A至圖4C），與土壤pH無顯著相關(guān)性（P＞0.05，圖4D）；添加秸稈處理中，土壤有機(jī)碳礦化率與有機(jī)碳、TN具有顯著相關(guān)性，而與土壤C/N、pH無顯著相關(guān)性。由圖5可知，未添加秸稈處理土壤C02累積排放量僅與土壤pH顯著相關(guān)，而與有機(jī)碳、TN、C/N均無顯著相關(guān)性。添加秸稈處理中，土壤C/N與CO2累積排放量呈極顯著正相關(guān)，pH與CO2累積排放量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），土壤有機(jī)碳、TN與CO2累積排放量無顯著相關(guān)性。

圖6為土壤有機(jī)碳礦化率和累積排放量與各理化因子的相關(guān)關(guān)系圖。土壤有機(jī)碳、TN、C/N三者之間具有顯著相關(guān)性，且均為正相關(guān)；pH與其他因子無顯著相關(guān)關(guān)系。在未添加秸稈處理中有機(jī)碳、TN、C/N是影響有機(jī)碳礦化率的顯著因子，相關(guān)系數(shù)分別為-0.920、-0.948和-0.588，其中TN的相關(guān)系數(shù)（r）最大，其次是有機(jī)碳、C/N，pH與有機(jī)碳礦化率無顯著相關(guān)性。在添加秸稈處理中，有機(jī)碳礦化率只受到有機(jī)碳、TN的顯著影響，其余因子與有機(jī)碳礦化率無顯著相關(guān)性，其中TN與有機(jī)碳礦化率的相關(guān)性最強(qiáng)，為主導(dǎo)因子，C/N也會通過影響有機(jī)碳和TN對累積排放量產(chǎn)生間接影響。由此可知，無論是否添加秸稈，影響土壤有機(jī)碳礦化率的主導(dǎo)因子均為TN。在未添加秸稈處理中CO2累積排放量僅與pH顯著相關(guān)；添加秸稈處理中CO2累積排放量受到C/N和pH的顯著影響，有機(jī)碳、TN對累積排放量無直接作用，但可以通過影響C/N對CO2累積排放量產(chǎn)生間接作用。因此無論是否添加秸稈，影響CO2累積排放量的主導(dǎo)因子均為pH。

3 討論

在本研究中，未添加秸稈處理的4種土壤CO2排放速率和累積排放量均較低，且無顯著差異，這可能要歸因于這4種土壤的C/N均較低，最高僅為12.44，遠(yuǎn)低于土壤微生物適宜的C/N（25），此時受到養(yǎng)分的限制，土壤微生物數(shù)量相對較低，活性較弱，從而影響土壤有機(jī)碳礦化過程。從土壤有機(jī)碳礦化率來看，風(fēng)沙土、黃棕壤有機(jī)碳礦化率最高，而黑土最低，經(jīng)相關(guān)分析可知土壤TN含量與土壤有機(jī)碳礦化率相關(guān)性最強(qiáng)，其原因可能是在氮含量低的土壤中，微生物為獲取更多可利用氮會分解更多有機(jī)質(zhì)，以滿足生長發(fā)育所需，因此在TN含量高的黑土中，微生物可利用氮能夠滿足自身所需，土壤有機(jī)碳礦化率較低，而風(fēng)沙土TN含量最低，因此需要分解更多的有機(jī)質(zhì)以獲得微生物活動所需的氮源。且風(fēng)沙土的結(jié)構(gòu)性較黑土差，黏粒含量低，對有機(jī)碳的保護(hù)能力弱，黃棕壤較低的pH使其具有更大的礦化潛力，導(dǎo)致其有機(jī)碳更易于礦化；黑土黏粒較風(fēng)沙土高，有機(jī)碳在黏粒的保護(hù)下穩(wěn)定性增強(qiáng)，不易被微生物分解。由此可見，土壤養(yǎng)分、質(zhì)地及結(jié)構(gòu)對有機(jī)碳的保護(hù)作用是影響有機(jī)碳礦化過程的關(guān)鍵因素。

在添加秸稈處理中，4種土壤有機(jī)碳礦化速率、CO2累積排放量和有機(jī)碳礦化率均顯著高于未添加秸稈的相應(yīng)對照處理。添加秸稈后，土壤有機(jī)碳礦化過程加速，主要是因為添加秸稈增加土壤養(yǎng)分含量，提高微生物活性和多樣性，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等，從而對土壤礦化過程產(chǎn)生影響。秸稈還田通常會為土壤微生物提供更多能量，增強(qiáng)土壤微生物活性。在培養(yǎng)前期，土壤CO2累積排放量迅速增加，后隨培養(yǎng)時間延長逐漸趨于穩(wěn)定，這種現(xiàn)象與前人研究結(jié)果一致。這是由于在培養(yǎng)初期，秸稈添加使微生物有足夠多的易分解碳等營養(yǎng)元素維持自身生長和繁殖，微生物活性和數(shù)量迅速增長，隨著培養(yǎng)時間的延長，養(yǎng)分減少，微生物分解碳的速率也逐漸下降。

本實驗中，不同類型土壤對秸稈添加的響應(yīng)存在差異。培養(yǎng)結(jié)束時，未添加秸稈的4種土壤CO2累積排放量間無顯著差異，而添加秸稈處理土壤CO2累積排放量間表現(xiàn)出一定差異。黑土CO2累積排放量最高，風(fēng)沙土和黃棕壤無顯著差異，紫色土最低。進(jìn)行相關(guān)分析后發(fā)現(xiàn)，紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種土壤，這些差異主要是由C/N和pH引起的。添加秸稈處理的土壤CO2累積排放量與C/N呈正相關(guān)，與土壤pH呈負(fù)相關(guān)。紫色土C/N最低，雖然與黃棕壤無顯著差異，但紫色土具有最高的pH，這均不利于土壤有機(jī)碳礦化，因此紫色土CO2累積排放量最低，這與席穎青等和劉雨桐等、息偉峰等的研究結(jié)果一致：土壤C/N越低，碳限制作用越強(qiáng)，微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)受到影響，土壤累積礦化量越低；微生物在高pH環(huán)境下活性較低，從而抑制土壤有機(jī)碳礦化勢。本研究還發(fā)現(xiàn)，添加秸稈處理中風(fēng)沙土和黃棕壤CO2累積排放量沒有顯著差異，而風(fēng)沙土有機(jī)碳礦化率卻顯著高于黃棕壤。此外，2種土壤在添加相同量的小麥秸稈后，秸稈礦化比例相同。因此，風(fēng)沙土有機(jī)碳礦化率較高歸因于土壤質(zhì)地。由于風(fēng)沙土中砂粒含量最高，土壤透氣性好、物理結(jié)構(gòu)性差，秸稈添加為微生物提供了充足養(yǎng)分，微生物活性和數(shù)量得到極大提升，因此，CO2累積排放量較高。雖然風(fēng)沙土的pH較黃棕壤高，但是其對土壤有機(jī)碳礦化的負(fù)效應(yīng)抵消了土壤質(zhì)地對有機(jī)碳礦化的正效應(yīng)。由此可見，不同類型土壤在應(yīng)對外源碳輸入對其有機(jī)碳礦化過程的影響機(jī)制存在質(zhì)地、結(jié)構(gòu)等方面差異，且是多因素交互作用影響的結(jié)果。秸稈添加對提高土壤有機(jī)碳礦化有顯著影響，但秸稈添加和土壤原有有機(jī)碳礦化之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）未添加小麥秸稈處理中，黑土、風(fēng)沙土、紫色土和黃棕壤的CO2排放量之間無顯著差異，這可能與土壤養(yǎng)分、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)相關(guān)。在添加小麥秸稈處理中，紫色土CO2累積排放量顯著低于其他3種類型土壤，且4種土壤有機(jī)碳礦化速率和CO2累積排放量較未添加秸稈處理均顯著增加。

（2）土壤C/N和pH是影響有機(jī)碳礦化過程的重要因素，但其與有機(jī)碳礦化率、CO2累積排放量的相關(guān)關(guān)系受秸稈添加的調(diào)控。

（責(zé)任編輯：李丹）

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（42177279）；江蘇省碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項（BE2022312）