秸秆和生物炭对油菜-玉米轮作下紫色土有机碳及碳库管理指数的影响

陆 畅，徐 畅，黄 容，田 冬，高 明(.西南大学资源环境学院，重庆 40075； .中国烟草总公司重庆市公司，重庆 40003)

紫色土作为中国西南地区重要的农田土壤之一，是亚热带条件下紫色母岩发育形成的岩性土，具有成土时间短、发育浅、风化程度低和有机质缺乏等特点，因此如何改善土壤质量和持续提高土壤生产力是紫色土研究的热点问题[1]。土壤有机碳库是评估土壤质量的重要指标，土壤总有机碳变化极其缓慢，而活性有机碳对环境变化较敏感，具有易被土壤微生物分解矿化、转移迅速等特性，可以更好地反映土壤碳库的周转变化，指示土壤质量[2]。土壤活性有机碳表征指标常选用土壤微生物生物量碳、溶解性有机碳、颗粒有机碳和易氧化碳等[3]，且由土壤活性有机碳计算的碳库管理指数(CPMI)更能全面动态地反映土壤碳库有效性及质量的变化[4]，因此研究土壤活性有机碳和碳库管理指数对提高土壤肥力和土壤质量具有重要意义[5]。

有机物料还田是影响土壤有机碳质量的重要农田管理措施[6]。秸秆还田不仅可以解决环境污染和资源浪费问题，还能增加土壤外源有机碳的输入，改变土壤有机碳活性和稳定性[7]。生物炭是生物质废弃物在高温隔氧条件下热解生成的一类高度芳香化难溶性固态物质，施用生物炭可以改善土壤养分状况[8]，能够提高土壤酶活性，促进微生物生长，提升土壤肥力[9]。不同土壤类型和有机物料种类对土壤有机碳及碳库管理指数的影响存在明显差异，前人研究多见于江苏水稻土[10]、宁夏沙化土壤[11]、陕西塿土[12]等土壤类型，而从秸秆还田和施用生物炭角度分析紫色土的土壤有机碳库和碳库管理指数的研究还鲜见报道。本研究在国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地开展了油菜(Brassicanapus)-玉米(Zeamays)轮作的田间试验，通过分析对照(CK)、秸秆还田(CS)、施用生物炭(BC)、秸秆+生物炭1∶1混施还田(CS+BC)、秸秆+速腐剂还田(CS+D)5种处理下有机碳组分、碳库管理指数的变化及其响应，旨在揭示紫色土固碳机制，为优化秸秆还田技术提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于重庆市北碚区西南大学试验农场，地理位置为30°26′ N，106°26′ E，海拔266.3 m，属亚热带季风气候，年均气温18.3 ℃，年≥10 ℃积温6 006 ℃·d，年降水量1 086 mm，年日照时数1 276.7 h。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土，中性紫色土亚类，灰棕紫泥土属。供试土壤基本理化性质为：有机碳含量为9.98 g·kg-1，碱解氮含量为135.65 mg·kg-1，速效磷含量为17.38 mg·kg-1，速效钾含量为206.32 mg·kg-1，pH 6.7。

1.2 试验设计

试验采用微区试验的方法，于2015年10月开始进行，以“等碳量”原则施入秸秆或生物炭，采用随机区组设计，共设置5个处理(表1)，3次重复，微区面积为2 m×1 m，各个微区的水肥管理均相同。

试验采用“油菜-玉米新两熟”种植制度，即：与传统的小麦(Triticumaestivum)-玉米轮作模式相比，采用油菜-玉米轮作,将油菜晚熟品种改为早熟品种，保障粮油安全。油菜于2015年10月11日育苗，2015年11月3日移栽(品种为96v44，密度为8万株·hm-2)，2016年4月19日收获。玉米于2016年4月9日育苗，4月20日移栽(品种为中豪9号，密度为4万株·hm-2)，8月1日收获。各处理施肥量相同，油菜季各处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg·hm-2。磷、钾、硼肥、70%氮肥作为基肥于2015年11月1日施用，30%氮肥作为薹肥于2016年2月20日施用。玉米季各处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥用量分别为180、60、90 kg·hm-2，作为基肥于2016年4月20日施用。氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和硫酸钾(K2O 51%)、硼砂(B 12%)。所有田间管理措施按当地习惯进行。

表1 试验处理描述Table 1 Treatment designing in the experiment

秸秆为前季残留的油菜地上部分秸秆，其有机碳含量为392.05 g·kg-1， 碳氮比为41.56。生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供，以油菜秸秆为原料在500 ℃高温厌氧条件下热解2 h烧制，其碳含量为62.58%，碳氮比为45.52，pH为8.9。秸秆速腐剂采用由北京康源绿洲生物科技有限公司提供的堆肥专用菌种，速腐剂计量为秸秆量的0.2%。

1.3 测定方法

1.3.1分析方法 2016年8月玉米收获后，用土钻在每个小区内按“S”型采集5个随机的表层土样，取样深度为20 cm，混合作为该小区混合样，装入灭菌自封袋。一部分样品立即放入4 ℃冰箱保存，用来测定土壤微生物生物量碳，另一部分样品采回后，剔除植物残体和其他杂物，置于阴凉通风处摊晾风干，磨细，过2 mm筛备用。

土壤颗粒有机碳(POC)的提取采用参考文献[13]的方法，具体如下：称取10 g过2 mm筛的风干土样于250 mL三角瓶中，加入50 mL六偏磷酸钠振荡分散16 h，分散液过53 μm筛，筛上部分为颗粒有机碳，筛下部分(<53 μm)为矿物结合态有机碳(MOC)；再用0.25 mm筛将其分离为粗颗粒态有机碳(coarse POC，即CPOC，250～2 000 μm)和细颗粒态有机碳(fine POC，即FPOC，53～250 μm)，各组分烘干称重并计算其占全土的百分比，将以上各粒级土壤颗粒磨碎过0.149 mm筛并测定其有机碳含量。土壤容重采用环刀法测定；土壤总有机碳(TOC)和颗粒有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定[14]；矿物结合态有机碳(MOC)为总有机碳和颗粒有机碳的差值；活性有机碳(LOC)采用高锰酸钾氧化法测定[15]；微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定[16]。

1.3.2计算公式

微生物熵=微生物生物量碳含量/土壤总有机碳含量[17];

不同粒径土壤颗粒有机碳含量=不同粒径土壤颗粒物中有机碳×不同粒径颗粒物占土壤的百分比;

不同粒径土壤颗粒有机碳分配比例=不同粒径土壤颗粒有机碳含量/土壤总有机碳含量×100%[18]。

以对照处理的土壤作为参考土壤，则碳库管理指数的计算公式[19]：

碳库指数(CPI)=样品总有机碳含量/参考处理土壤总有机碳含量；

碳库活度(A)=活性有机碳含量/非活性有机碳含量；

碳库活度指数(AI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(AI)×100；

活性有机碳有效率(ER)=活性有机碳含量/土壤总有机碳含量；

活性有机碳氧化稳定系数(Kos)=非活性有机碳含量/活性有机碳含量。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0和Excel 2013软件进行数据处理、绘图制表。所有的结果均用3次测定结果的平均值表示。不同处理之问的多重比较采用LSD最小显著差数法(P<0.05 )。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和施用生物炭下土壤总有机碳及土壤微生物量碳

与CK处理相比，各物料还田处理均能提高土壤有机碳含量(表2)。各处理下土壤有机碳含量表现为BC>CS+BC>CS+D>CS>CK，其中BC处理较CK处理显著提高了45.48%(P<0.05)。除CS处理外，其他处理均与CK处理有显著差异(P<0.05)。可见，施用生物炭提高土壤有机碳含量的效果明显优于秸秆还田。

各物料还田处理的微生物量碳含量均高于CK处理，且均显著提高了28.64%～104.18%(P<0.05)(表2)。其中CS+D处理最高，为227.69 g·kg-1，其次为CS处理，CS+BC处理与CK处理间差异不显著(P>0.05)，说明秸秆还田有利于土壤微生物量碳的增加，且速腐剂有促进作用。

本研究中只有CS+D处理显著增加了土壤微生物熵(P<0.05)，而BC处理土壤微生物熵存在一定程度的下降，但与CK处理差异不显著(P>0.05)(表2)。

2.2 秸秆还田和施用生物炭下土壤颗粒有机碳

各物料还田处理下颗粒有机碳、粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳含量与CK处理差异显著(P<0.05)(表3)。各处理下土壤颗粒有机碳含量表现为CS+BC>CS+D>CS>BC>CS， CS+BC和CS+D处理比CK处理显著提高了89.93%和88.81%(P<0.05)； CS+D、CS和CS+BC处理下土壤CPOC含量分别是CK处理的3.49、3.11、2.94倍，且均与BC处理差异显著(P<0.05)；与CK处理相比，各物料还田处理的土壤FPOC含量显著提高0.98～1.74 g·kg-1(P<0.05)，其中CS+BC处理的土壤FPOC含量最高。

与CK处理相比，各物料还田处理还能提高颗粒有机碳、粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳的分配比例(表3)。CPOC/TOC表现为CS+D>CS>CS+BC>BC>CK，与CPOC含量的趋势相同，其中CS+D和CS处理下CPOC/TOC分别是CK处理的2.83、2.68倍，且两种处理的CPOC/TOC显著高于CS+BC处理(P<0.05)(表3)；占支配地位的颗粒有机碳为细颗粒有机碳，各处理下FPOC/TOC在19.44%～26.25%变化；与CK处理相比，CS+D、CS 、CS+BC处理均显著提高了POC/TOC，增幅分别为54.49%、42.38%、40.33%(P<0.05)。

表2 不同处理对土壤有机碳和微生物量碳的影响Table 2 Effects of different treatments on soil total organic carbon and soil microbial biomass carbon

平均值±标准差(n=3)，同列不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。TOC，有机碳；MBC，微生物生物量碳；MQ，微生物熵。表6同。

Data show as Mean±SD (n=3), different lowercase letters within a column indicate significant difference at the 0.05 level. TOC, total organic carbon; MBC, microbial biomass carbon; MQ, microbial entropy； similarly for Table 6.

表3 不同处理对土壤颗粒有机碳的影响Table 3 Effects of different treatments on soil particulate organic carbon

POC，颗粒有机碳；CPOC，粗颗粒有机碳；FPOC，细颗粒有机碳。表6同。

POC, particulate organic carbon; CPOC, coarse particulate organic carbon; FPOC, fine particulate organic carbon； similarly for Table 6.

2.3 秸秆还田和施用生物炭下土壤矿物结合态有机碳

各处理下矿物结合态有机碳含量呈现与土壤有机碳含量大小趋势一致(表4)，具体表现为BC>CS+BC>CS+D>CS>CK，其中，最高的BC处理，较CK处理显著增加了3.88 g·kg-1(P<0.05)。CK和BC处理下矿物结合态有机碳分配比例最高，分别为77.61%和75.38%。POC/MOC可在一定程度上反映土壤有机碳的稳定程度，其值越大，土壤有机碳活性越高、周转期越短，其值小则土壤有机碳较稳定，不易被生物所利用[20]。CS+D和CS处理的POC/MOC显著高于BC和CK处理，表明CK和BC处理下土壤有机碳稳定性较高，土壤有机碳能稳定积累，而CS+D和CS处理下土壤有机碳活性高，周转较快。

2.4 秸秆还田和施用生物炭下土壤活性有机碳及碳库管理指数

对土壤活性有机碳而言，各物料还田处理较CK处理提高0.56～1.21 g·kg-1，其中BC处理最大，为3.08 g·kg-1，其次为CS+D处理，但各处理间差异不显著(P>0.05)(表5)；BC、CS+BC处理下非活性有机碳含量分别较CK处理显著提高42.05%、38.07%(P<0.05)；CS+D、CS处理的活性有机碳有效率值较CK处理提高了0.28～0.30个单位，但各处理间无显著差异(P>0.05)；CS+BC处理下活性有机碳氧化稳定系数最高，是CK处理的1.44倍，而其他处理均小于CK处理；各处理下碳库管理指数表现为CS+D>CS+BC>BC>CS>CK，各处理分别比CK处理高87.42%、83.68%、72.86%和70.95%，但均未达到显著水平(P>0.05)。

2.5 土壤有机碳相关指标之间的相关分析

土壤有机碳相关指标之间的相关性如表6 所列，POC与TOC之间呈显著相关(P<0.05)，说明物料还田处理下土壤有机碳的含量增加可能主要是通过提高土壤颗粒有机碳来实现的。MOC与TOC存在极显著相关性(P<0.01)，说明本研究区矿物结合态有机碳与土壤有机碳存在密切的转化关系。CPMI与TOC间相关性不显著(P>0.05)，而与LOC之间呈极显著相关，表明碳库管理指数仅能够指示土壤有机碳的活性变化情况，而对土壤总有机碳数量变化响应不灵敏。

表4 不同处理对土壤矿物结合态有机碳的影响Table 4 Effects of different treatments on soil mineral-associated organic carbon

MOC，矿物结合态有机碳。表6同。

MOC, mineral-associated organic carbon； similarly for the Table 6.

表5 不同处理对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响Table 5 Effects of different treatments on soil labile organic carbon and carbon pool management index

LOC，活性有机碳；NLOC,非活性有机碳; ER,活性有机碳有效率；Kos,活性有机碳氧化稳定系数; A,碳库活度；CPMI,碳库管理指数。表6同。

LOC, labile organic carbon; NLOC, no labile organic carbon; ER, effective rate of labile organic carbon; Kos, the coefficient of oxidation stability of labile organic carbon; A, carbon pool activity; CPMI, carbon pool management index； similarly for Table 6.

表6 土壤有机碳相关指标之间的相关系数Table 6 Correlation coefficients of related indicators of soil organic carbon

*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关(n=15)。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively (n=15).

3 讨论

3.1 秸秆还田和施用生物炭对土壤有机碳、微生物熵及碳库管理指数的影响

有机物料还田不仅能直接增加土壤有机碳含量，增加土壤微生物数量与活性，还能改善农田生产环境，提高土壤肥力[21]。本研究结果表明，与无物料还田对比，各物料还田处理均能显著增加土壤总有机碳含量，这与马超等[22]和徐蒋来等[10]的研究结果类似。秸秆还田和施用生物炭是重要的农田碳管理方式，因此，未来提升农田土壤固碳减排潜力，应该加强秸秆和生物炭施用。有机物料的化学组成决定其分解过程，分解过程的快慢影响土壤有机碳的积累。秸秆和生物炭是两种含碳物质组成比例完全不同的有机物料，因此，秸秆与生物炭还田对土壤截碳和固碳潜力的影响不一致。有研究表明，生物炭改良后的土壤，其有机碳含量明显高于秸秆[23]。本研究中，施用生物炭的土壤总有机碳含量高于秸秆还田处理，这是因为生物炭中芳香碳所占比例较大[24]，属惰性碳，从而导致生物炭稳定性较高且不易被分解，更容易长期固存于土壤中，而秸秆富含新鲜有机质，施入后易引起土壤有机碳的激发效应，加快秸秆分解。

微生物熵的变化能较好地反映出土壤碳库的容量和活性特征，增加有机物输入能够提高土壤微生物熵[25]，本研究中，秸秆还田和秸秆+速腐剂还田处理下土壤微生物熵较高，这与龙攀等[26]的研究一致，可能是因为向土壤中归还的秸秆为微生物提供了可直接利用的碳源，提高了微生物数量和活性，有利于微生物固定有机碳。生物炭在一定程度上也可增加土壤微生物量，一方面，由于生物炭具有结构疏松多孔、表面积巨大及阳离子交换量较高等特点，可为土壤微生物提供良好的环境[9]；另一方面，生物炭含有丰富的营养物质，为微生物提供充足的养分来源，促进微生物的生长、繁殖并改变土壤中微生物群落结构，进而显著增加土壤微生物数量[27]。但是本研究中施用生物炭处理下微生物熵低于秸秆还田处理，其原因可能有：生物炭具有稳定的有机碳形态，微生物利用生物炭中有机碳的能力较低[28]；生物炭的包封吸附作用会降低土壤原有有机碳的分解转化，从而减缓了土壤微生物量碳的周转；同时生物炭的施用增加了碳水化合物、酯族、芳烃等难以被微生物利用的有机大分子的形成，这种过程降低土壤微生物量[29]。施用生物炭处理下有机碳的微生物分解率低于秸秆还田，因此生物炭更有利于土壤固碳。

碳库管理指数可以反映不同土壤碳库变化的差异及生态恢复能力[3]。杨滨娟等[30]通过对施氮和冬种绿肥对土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响研究发现，施绿肥或绿肥氮肥配施较对照显著提高土壤碳库管理指数。本研究结果表明，各物料还田处理较对照处理不仅能增加各形态有机碳含量，还能提高土壤碳库管理指数。其中以秸秆+速腐剂还田效果为最好，这可能是因为速腐剂含有较多的活性微生物，因而其进入土壤后，直接增加了土壤中可降解秸秆的微生物数量，提高了土壤有机碳活性[31]。相关分析的结果表明，碳库管理指数与土壤总有机碳的相关性较弱，而与微生物量碳、颗粒有机碳相关性较强，与活性有机碳呈极显著相关，因此，微生物量碳、颗粒有机碳、活性有机碳的动态变化可以指示有机碳短期的改变，可作为评价短期内土壤有机碳变化及其质量对有机物料还田的敏感性指标。

3.2 秸秆还田和施用生物炭对土壤不同形态有机碳及其分配比例的影响

土壤不同形态有机碳分配比例综合了土壤有机碳绝对量与各组分有机碳含量，更能表明不同处理影响有机碳稳定性的强度，避免使用绝对量的差异[32]。土壤颗粒有机碳在土壤中周转速度较快，比土壤有机碳更易受农田管理措施的影响，能在较短时间内反映土壤质量变化[33]，被认为是土壤活性有机碳的组分和量度指标。研究表明，土壤颗粒有机碳的分配比例一般在10%以上，可高达30%～85%[34]。本研究结果显示，各处理的POC/TOC值为22.39%～34.59%，这与王虎等[35]的结果基本一致。吴萍萍等[36]的研究表明，秸秆还田显著提高颗粒有机碳含量。本研究发现，秸秆还田、秸秆+生物炭混施还田、秸秆+速腐剂还田较对照处理都显著提高了土壤颗粒有机碳的含量和分配比例，这可能是因为秸秆含有丰富的矿质元素，还田后能促进微生物生长，进而提高微生物量；秸秆+速腐剂还田处理的粗颗粒有机碳、颗粒有机碳分配比例最高，这可能是因为速腐剂中富含的功能微生物可以增加土壤微生物群落的功能多样性和活性，加快还田秸秆腐解进程，最终实现对土壤养分含量的有效提升[22]。土壤矿物结合态有机碳是有机碳的最终分解产物，在土壤黏粒和粉粒的保护下具有较高的稳定性，对土壤有机碳具有较强的固持和保护作用[37]。本研究发现，施用生物炭的土壤矿物结合态有机碳分配比例显著高于秸秆还田、秸秆+速腐剂还田，这可能是因为施用生物炭对土壤黏粒的影响较小，从而使矿物结合态有机碳受到良好的保护，分配比例较高，有利于土壤有机碳长期稳定固持。

4 结论

秸秆还田和施用生物炭均提高了土壤活性有机碳和碳库管理指数，改善了土壤有机碳质量，有利于保持土壤的可持续生产力。其中秸秆还田、秸秆+速腐剂还田更有助于紫色土促进有机活性碳的累积，而施用生物炭下紫色土矿物态结合有机碳的含量较高，有机碳稳定性较高，是提高农田土壤固碳能力的重要措施。土壤碳库管理指数与土壤活性有机碳呈极显著相关，碳库管理指数能作为反映土壤有机碳变化的早期指示。

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