秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的影响

秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的影响

郑立臣

摘要：土壤溶解性有机质及其可利用性与土壤质量密切相关。通过研究秸秆不同还田方式（粉碎还田、覆盖还田、高茬还田）对农田土壤溶解性有机碳的影响，探讨了土壤溶解性有机碳对土壤质量的贡献。水溶性有机碳（WSOC）和热水溶性有机碳（HWSOC）通过冷水和热水提取获得。结果表明：秸秆还田能够增加土壤有机质的含量，影响土壤中水溶性有机碳和热水溶性有机碳的含量。在粉碎还田、覆盖还田、高茬还田处理中，粉碎还田的农田土壤中WSOC和HWSOC的含量比覆盖还田、高茬还田的高，粉碎还田的农田土壤中的WSOC和HWSOC占土壤有机碳的百分比也最高。另外，WSOC和HWSOC与土壤呼吸有很好的相关性（相关系数分别为0.75, 0.85）。 关键词：秸秆还田；水溶性有机碳；热水溶性有机碳；土壤呼吸

中图分类号：S153.6+1 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）01-0080-04

1, 2

，解宏图，张 威

11, 2

，张旭东

1

1. 中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016；2. 中国科学院研究生院，北京100039

土壤有机质是土壤生态系统中一个重要的成分。土壤有机质的缺乏能够引起团聚体性状不好，土壤持水量下降，土壤侵蚀加剧，提供营养的能力下降，减少土壤生物和酶的活性。这些因素综合到一起就会引起土壤的生产力下降。因此维持和提高农业土壤中有机质的含量对于农业的可持续发展是非常关键的[1]。

农业的管理实践导致土壤有机质含量的改变，这些改变经常是逐渐发生的，短期的变化很难测定[2－3]

，但是土壤中一些生物活性有机质组分如水溶性有机碳（WSOC）[4－5]、微生物生物量碳（SMBC）等对不同管理处理的变化较敏感，因而常被用来作为反映土壤有机质质量的灵敏指标。土壤微生物量虽然已经表现出对土壤管理短期的改变的敏感性[6－7]

,但是，土壤微生物量的测定是耗费时间的过程。直接浸提的方法来测定土壤易变的土壤碳库在过去已经被成功地试验过[8]，热水浸提的碳库（HWSOC）和微生物量碳有很好的相关性[9]。土壤中HWSOC的含量受土壤的利用和管理实践所影响[10]

，在农田的管理实践中尤以有机物料的影响较大。以往对水溶性有机碳的研究主要集中在森林土壤，农业土壤的研究较少。

为了了解更多有机物料还田对农业土壤中WSOC和HWSOC的影响，本文以农田黑土为研究对象，了解秸秆不同还田方式对农田黑土中WSOC和HWSOC的影响，及其秸秆不同还田方式的黑土中WSOC和HWSOC与土壤矿化碳之间的关系。

1 材料与方法

1.1 采样地点

采样地点位于吉林省公主岭市范家屯。该地年平均气温5~6 ℃，4—5月平均气温为7~16 ℃，6—

8月为19~25 ℃，9月为16 ℃左右，年降水量500~650 mm，作物生长期（4—9月份）降水量约占全年降水量的80%以上，降水量多集中在7、8月份，约占全年的60%~70%，无霜期为120~140 d，有效积温2600~3000 ℃。粒级组成为：粘粒44.65%，粉粒22.89%，砂砾32.46%。 1.2 试验设计

1.2.1 田间试验设计

秸秆还田试验始于1999年，农田采用宽窄行耕作方式[11]。种植作物为玉米，每年用玉米秸秆还田。三种还田方式：高茬还田（茬高为40 cm），每年秋收后留高茬，中耕时翻埋入土壤中；粉碎还田（把玉米秸秆切成1 cm长），中耕时翻埋入土壤中；覆盖还田（整株覆盖，中耕后秸秆覆盖于土壤的表面）。还田量为每年秸秆总量的1/3，没有秸秆还田的农田作为对照(CK)。

于2003年秋天取样，所有土样均取自0～20 cm耕层土壤，不同处理采集五个点的混合土样，当天运回实验室，捡去可见的作物残体和小石头，过2 mm筛，在实验室中风干，用于各项目的测量和室内培养用。

1.2.2 室内培养设计

土壤矿化培养试验：称取不同处理的风干土样各20 g，放入1000 ml的棕色广口瓶中，调节土壤的含水量为土壤质量的25%，每个处理三次重复，在室温条件下预培养两周。预培养后，在棕色瓶中放入装有20 mL 0.5 M NaOH的小烧杯（50 mL），把棕色广口瓶密封后放入生化培养箱中在28 ℃条件下培养。用0.05 M的HCl滴定小烧瓶中的NaOH，然后再换另一个装有20 mL 0.5 M NaOH的小烧杯。分别于培养的第3、7、14、21、28、35、42 d测定

基金项目： 中国科学院知识创新工程项目（KZCX－SW－416）；中国科学院沈阳应用生态研究所创新基金项目（C12SC-SCXMS0303） 作者简介：郑立臣（1973－），男，博士研究生，主要从事土壤有机碳库研究。E-mail: zhengl@iae.ac.cn 收稿日期：2005-09-20

郑立臣等：秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的影响 81

w(水溶性有机碳)/(mg•kg-1)土壤的呼吸量。 1.3 测定方法

土壤有机碳和全氮：元素分析仪 Vario ELⅢ 型（Elementar, Germany）。由于所测试的黑土中没有碳酸盐反应，所以测定的土壤中全碳含量和有机碳相等。

水溶性有机质的提取方法与测定：水溶性有机质的提取方法与测定 称量15 g风干土壤样品于250 mL塑料离心瓶中，加入150 mL超纯水，然后放入振荡机振荡30 min，在离心机上以4500 r/min离心20 min，所有的悬液过滤，这个组分称为水溶性有机碳。再加150 mL蒸馏水到该离心管中，在涡旋混合器上振荡10 s，将该离心管放在80 ℃水浴中，16 h，取出后，在涡旋混合器上振荡10 s，以4500 r/min离心20 min，过滤，将提取液在4 ℃冷藏中保存待测，这个组分称为热水溶性有机碳。两次提取液均在TOC仪上测定。

土壤呼吸测定：用室内密闭培养法[12]。

表2 不同处理下水溶性有机碳和热水溶性有机碳占土壤有机碳比例

Table 2 The percentages of WSOC and HWSOC in SOC

for the soils under different treatments

处理 高茬还田粉碎还田覆盖还田

[w(WSOC)∶w(SOC)]/% [w(HWSOC)∶w(SOC)]/%

1.71b

1.51a 1.89b 1.57a 2.21a 1.31b 1.72b

对照 1.09c 1)

1) 具有相同字母的表示差异不显著（p＜0.05）。

2.2 秸秆不同还田方式对土壤中水溶性和热水溶性有机碳的影响

短期秸秆不同还田方式对土壤WSOC和HWSOC的含量有影响。对2003年的土壤样品的WSOC和HWSOC进行测定，秸秆不同还田方式对WSOC和HWSOC含量的影响如图1、图2所示。

300250200150100500对照高茬粉碎覆盖秸秆还田方式2 结果与分析

2.1 秸秆不同还田方式对土壤有机碳和全氮的影响

到2003年取样，一共进行了五年的秸秆还田，五年的秸秆不同还田试验对黑土的有机碳和全氮的影响如表1所示。

表1 秸秆不同还田方式土壤中的有机碳、全氮含量和pH值 Table 1 Soil organic carbon, total nitrogen concentrations and pH

in different ways of returning stock to the soils

处理

w(有机C)/(g⋅kg-1)

1)

图1 秸秆不同还田方式对水溶性有机碳的影响

Fig. 1 Effects of different ways of returning stock to soils on WSOC

w(全N)/(g⋅kg-1) w(C)/w(N)

pH

w(热水溶性有机碳)/(mg•kg-1)400350300250200150100500对照高茬粉碎覆盖秸秆还田方式 1.57b 10.04a 7.05a对照 15.84b 高茬还田 16.97a 粉碎还田 16.86a 覆盖还田 16.94a

1.72a 9.82a 6.78b1.72a 9.75a 6.34c1.76a 9.57a 6.69b

1) 具有相同字母的表示差异不显著（p＜0.05）。

从表2可以看出，秸秆还田增加了土壤有机碳

和全氮的含量。秸秆还田处理的w(C)/w(N)比和CK的w(C)/w(N)比没有显著差异，秸秆不同还田方式之间的土壤有机碳和全氮的含量差异不显著。秸秆还田的农田比没有秸秆还田的农田中有机碳和全氮都有增加，秸秆不同的还田方式对土壤有机碳和全氮的影响差异不显著，这主要是因为不同处理的秸秆还田量相同。长期秸秆还田能增加或维持土壤有机质的含量，但短期秸秆不同还田方式对土壤有机质的含量影响较小。

秸秆还田的土壤比没有秸秆还田的土壤的pH值低，这是因为有机质分解产生的中间产物（有机酸）及其最终产物（CO2）都能增加土壤溶液的酸度[13]，在秸秆不同的还田处理中，粉碎还田的土壤pH最低，这主要是因为粉碎还田的秸秆分解的程度强于高茬和覆盖还田。

图2 秸秆不同还田方式对热水溶性有机碳的影响

Fig. 2 Effects of different ways of returning stock to soils on HWSOC

从图1、图2可以看出，秸秆还田能增加土壤中WSOC和HWSOC的含量，秸秆的不同还田方式对黑土中溶解性有机碳的影响也存在差异。粉碎还田的土壤中WSOC和HWSOC的含量比其它两种还田方式高，没有秸秆还田的土壤中WSOC和HWSOC的含量较低，（p＜0.05）。HWSOC比WSOC的含量高

秸秆还田是增加农业土壤有机质含量的主要手段，秸秆与土壤的接触程度会影响微生物对秸秆的腐解[14]，对土壤中易变的有机质产生影响。植物残体和腐殖质是土壤中溶解性有机质的主要来源[15]，

82 生态环境 第15卷第1期（2006年1月）

w(累积CO2-C)/(mg•kg-1)用13C自然丰度区别土壤中易变有机质中C的来源，Gregorich等[16]研究发现水溶性有机碳中的碳同位素和腐殖质的相似，而对于微生物量碳,它和新加入的玉米残体相似。其他研究结果也表明[17]，在农业土壤和森林土壤中水溶和生物降解的碳是不同的（在农业土壤中的值要高），这是由于增加了农业土壤中的溶解性腐殖质。腐殖质有可能是土壤中溶解性有机碳的主要来源，因为相对于微生物量和新进入土壤的植物残体来源的溶解性有机碳，腐殖质来源的量要大。而作物残体是农业土壤中腐殖质的主要来源，没有秸秆还田的土壤中腐殖质得不到维持和更新，土壤中的活性有机碳的含量得不到增加，而原有的土壤中活性有机质不断地被矿化，使土壤中的活性有机质减少。

粉碎还田方式能够使玉米的秸秆和土壤充分接触，土壤微生物对秸秆的腐殖化作用要比高茬还田和覆盖还田的强，土壤中腐殖质的积累加快，溶解性的腐殖质的含量也增多。覆盖还田由于玉米的秸秆覆盖于土壤的表面，土壤与玉米秸秆接触不充分，使玉米秸秆在土壤中的腐殖化作用变小，腐殖质积累的速度慢。高茬还田是中耕后被埋入土壤中，秸秆的粉碎程度较差，由于处理的方式居于粉碎和覆盖之间，腐殖化的程度也居于两者之间。可见，有机物质的细碎程度影响其与外界因素的接触面，从而也影响其腐殖化。

秸秆不同处理的土壤中WSOC和HWSOC占TOC的百分比也是不同的，由表2可知，秸秆还田的土壤中溶解性和热水溶性有机碳的含量都有所增加，而尤以粉碎还田土壤中WSOC和HWSOC所占TOC的百分比最高，这也表明秸秆粉碎还田更能提高土壤有机质的质量。

2.3 秸秆不同还田方式对土壤有机碳矿化的影响

土壤呼吸用CO2的释放量表示，可以广泛地评估土壤微生物活性，对秸秆不同还田方式的土壤进行了室内培养，通过对土壤呼吸的测定，得出秸秆不同还田方式土壤中呼吸的动态变化（图3）。在室

500对照粉碎高茬覆盖内的培养过程中土壤呼吸释放的CO2-C的累积量由

大到小的顺序顺序依次为：粉碎还田→高茬还田→覆盖还田，没有秸秆还田的最低。

土壤腐殖质是土壤溶解性有机碳的主要来源，土壤中腐殖质和水溶性有机碳有很好的相关性[15]，溶解性有机碳对微生物来说是一种很重要的底物[18]。曲线的斜率为土壤的呼吸强度，在培养的最初阶段，粉碎还田的土壤呼吸强度最大，大约培养21 d后，秸秆不同还田方式的土壤呼吸速率下降，土壤有机质的矿化减缓。在培养的最初阶段，土壤中含有较多的活性有机碳为微生物提供能量，呼吸作用加强，随着时间的推移，土壤中的活性有机碳的含量会减少，随之土壤的呼吸强度下降。从秸秆不同还田方式的土壤培养过程中CO2-C累积量来看，粉碎还田的土壤中含有较多的活性有机碳，这与实验的结果是一致的。

从WSOC和HWSOC与土壤呼吸累积CO2-C之间的相关性分析表明（图4、图5），WSOC和HWSOC

600w(累积CO2-C)/(mg•kg-1)5004003002001000050100150200-1R2=0.752 (P<0.01, n=12)250300w(水溶性有机碳)/(mg•kg) 图4 水溶性有机碳和土壤矿化碳的相关性分析 Fig. 4 Relationship between WSOC and mineralized CO2-C

60050040030020010000100200300400w(热水溶性有机碳)/(mg•kg-1)R2=0.851 (P<0.01, n=12)w(累积CO2-C)/(mg•kg-1)40030020010000204060 图5 热水溶性有机碳和土壤矿化碳的相关性分析 Fig. 5 Relationship between HWSOC and mineralized CO2-C

t(培养)/d 图3 秸秆不同还田方式的土壤培养过程中CO2-C的动态变化 Figure. 3 Dynamics variation of mineralized CO2-C of different

treatments soils during the incubation

与土壤有机质矿化累积的CO2-C有很好的相关性(P＜5%)。从我们的试验中可以看出，HWSOC是微生物容易利用的底物，只是秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的贡献不同。

取样的时间是在秋天，还田的秸秆在土壤中几乎都腐解，大部分转变成土壤中的腐殖质，可能由

郑立臣等：秸秆不同还田方式对土壤中溶解性有机碳的影响 83

于秸秆还田的方式不同引起土壤有机质的腐殖化程度不同，在室内培养过程中，土壤有机质矿化释放CO2-C累积量也存在差异。

3 小结

秸秆还田是增加农田土壤有机质的主要手段，长期秸秆还田在增加土壤有机碳和全氮的含量的同时，也改善了土壤的理化性质，提高土壤的质量。秸秆的不同还田方式之间对土壤总有机碳的含量没有显著的影响，但是对土壤中溶解性的有机碳影响较大，这主要是因为秸秆不同还田方式导致了秸秆与土壤的接触程度不同，秸秆的腐解和矿化速度就会不同，这会对土壤中的WSOC和HWSOC的含量产生影响。

土壤中WSOC和HWSOC含量和土壤中有机质矿化累积的CO2-C有很好的相关性。WSOC和HWSOC属于土壤中活性的部分，是微生物较容易利用的底物。

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Effects of different ways of returning straw to the soils on soluble organic carbon

ZHENG Lichen1,2, XIE Hongtu1, ZHANG Wei1,2, ZHANG Xudong1

1. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;

2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China

Abstract: Soluble organic matter and its biodegradability are important in relation to soil quality. The objective of this study was to evaluate the quantity of soluble organic matter in soil under different stock return practices, i.e. crush, high stubble and mulch. Water soluble organic matter (WSOC) and hot water-soluble organic matter (HWSOC) were extracted in cold and hot (80 ℃) water. The results show that the concentration of WSOC and HWSOC in crush treatment is higher than the other two treatments. Furthermore, the proportion of WSOC and HWSOC in soil organic carbon is highest in the crush treatment. Simultaneously, soil respiration was deter-mined by incubation method. Soil respiration is positively related to WSOC and HWSOC with relation coefficient 0.75 and 0.85. Key words: stock return; water soluble organic carbon; hot water soluble organic carbon; soil respiration