秸秆还田对黑土团聚体内有机碳红外光谱特征的影响

盛 明，龙静泓，雷琬莹，郝翔翔，李 娜，韩晓增，李禄军

(1．中国科学院 黑土区农业生态重点实验室,中国科学院 东北地理与农业生态研究所,黑龙江 哈尔滨 150081;2．中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)对土壤肥力和作物生产力具有重要意义。农田SOC含量的提高取决于耕作方式、施肥措施、外源碳输入、温度和含水量[1]。一般而言，农作物秸秆还田可以显著改善土壤理化性质，提升SOC含量，但土壤中的SOC存在饱和点，其含量在达到饱和前会随外源碳投入的增加而增加，在达到某一值后并不会随着外源碳投入的增加而继续增加，这与土壤团聚体对SOC的保护和SOC的稳定性机制有关[2]。土壤团聚体通过影响土壤微生物与SOC的接触程度，控制SOC的分解和转化，对SOC具有物理保护作用；同时，SOC的稳定性及其在土壤中的功能常与其化学结构密切相关，不同粒径的团聚体内的有机质组分和化学结构也发生分异，其对SOC的保护机制也可能不同。因此，研究不同秸秆还田方式下土壤团聚体结合碳含量和红外光谱特征，将有助于揭示秸秆还田对SOC动态变化和稳定性影响的内在机制[3]，为评价秸秆还田后的农田土壤固碳潜力提供理论依据。

作物秸秆还田可为土壤输送大量有机物料，这些有机物料通过微生物的分解，释放出供作物生长需要的营养元素，可培肥土壤[4-5]。常用的秸秆还田方式主要包括免耕覆盖、翻耕混入和深埋等。Meta分析发现，秸秆还田可使SOC含量平均升高12.8%[6]，但由于SOC的来源和组成的高度复杂性，对SOC化学结构变化规律的认识还不足[7]。傅里叶红外光谱技术(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)通过测定SOC的化学官能团，如O-H、C-H等对红外光的选择性吸收差异能较快速的测定有机碳的成分，可有效反映土壤中含氧官能团的性质、反应特性和结构变化等多方面的信息[8-9]。该技术已被广泛用来表征不同农田管理措施下SOC的化学结构特征和稳定性特征。Tivet等[10]利用FTIR技术研究了热带和亚热带不同农田管理措施下的土壤碳的官能团特征，并进一步证明了FTIR技术可快速、高效、准确的评价SOC的官能团特征和腐殖化程度，研究还发现农田的耕作处理中SOC的降低与碳官能团中芳香族碳和脂肪族碳的减少有关，使土壤SOC的腐殖化程度增加，说明对活性有机质的物理保护作用不强。范如芹等[11]利用偏最小二乘法评价近红外光谱预测了黑土不同组分有机碳含量和固碳潜力，结果表明近红外光谱技术可以在一定程度上预测土壤团聚体结合碳的含量，对矿质结合态和微团聚体结合碳含量的预测结果较好，而对颗粒态和大团聚体内SOC的预测效果较差。彭义等[12]研究了免耕条件下不同秸秆覆盖量对土壤有机碳红外光谱特征的影响，发现秸秆覆盖显著增加了0～5 cm表层土壤芳香碳及脂肪碳的含量，更有利于表层土壤有机碳的积累。梁尧[13]通过红外光谱研究有机培肥对黑土有机碳结构特征发现，与秸秆不还田相比，添加有机肥可有效降低SOC的氧化度和缩合度，显著提高脂肪族碳含量。张福韬等[14]利用红外光谱技术分析了玉米连作对黑土团聚体组分有机碳化学结构的影响，发现连作增加了土壤和大团聚体内脂肪碳含量，使有机碳结构趋于简单化和脂肪化，降低了SOC稳定性。另外，红外光谱技术还可探究SOC的化学结构与各组分有机碳含量之间的关系。如郝翔翔等[15]发现，土壤脂肪族碳官能团相对吸收峰面积与土壤活性组分的有机碳含量呈显著正相关关系，芳香族官能团相对吸收峰面积可反映土壤中稳定组分的有机碳含量。前人的研究缺乏不同秸秆还田措施对农田黑土有机碳的化学结构特征变化的影响研究，从团聚体角度揭示碳的保护和稳定性机制还鲜有报道。

因此，本文采用团聚体分级和傅里叶红外光谱技术，利用定位试验，研究短期不同的秸秆还田方式对黑土团聚体内有机碳的红外光谱特征的影响，分析不同秸秆还田方式对黑土有机碳含量和团聚体稳定性的影响规律，提高对不同秸秆还田方式下黑土有机碳化学官能团特征的认识，研究结果可为优化秸秆还田方式和提高农田土壤固碳潜力提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

不同秸秆还田方式田间定位试验位于黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称海伦站，47°27′ N,126°55′ E)。海伦站位于黑龙江省海伦市，地处我国东北黑土带的中心区域，平均海拔240 m，温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温度较高且多雨，雨热同季。年均气温为1.5 ℃，年均降雨量为550 mm，年均有效积温(≥10 ℃)2 450 ℃～2 500 ℃，年日照时数2 600～2 800 h，无霜期120～130 d。土壤类型为黄土状母质发育的黑土(土壤发生分类)，土壤质地为粉黏壤质，黏粒含量在40%以上。

田间试验始于2015年春，共设置6个处理，3次重复，随机区组设计，每小区长4 m，宽3 m。田间处理为：(1)S0，翻耕20 cm，秸秆不还田；(2)S1，翻耕20 cm，半量秸秆(5 t·hm-2)还田；(3)S2，翻耕20 cm，全量秸秆(10 t·hm-2)还田；(4)S3，深翻35 cm，全量秸秆(10 t·hm-2)深混还田；(5)S4，免耕，全量秸秆(10 t·hm-2)覆盖还田；(6)S5，翻耕20 cm，全量秸秆(10 t·hm-2)燃烧后的产物还田。每年秋天玉米收割后，秸秆风干后切割成4～6 cm长的碎块，翻耕到土壤中。各个小区每年的化肥施肥量为磷酸二铵(N57%)140 kg·hm-2，硫酸钾60 kg·hm-2，待玉米出苗后，再追尿素90 kg·hm-2。作物种植制度为玉米连作，一年一熟制。S5处理将玉米秸秆燃烧后的产物还田，主要是考虑到现实中存在很多的秸秆并未移除田间或直接还田，而是将秸秆焚烧后还田，该处理设置的目的是将这种还田方式和其他秸秆还田方式进行对比，探究秸秆不同还田方式对土壤有机碳变化和碳稳定性的影响。

1.2 土壤样品采集与前处理

于2018年10月秋收后采集土壤样品，在每个小区采用S形5点采样法，采集0～20 cm表层土壤样品，将5份样品充分混匀为一个试验土样，共采集18份土壤样品。土样自然风干后，过筛，去除作物残留物、根系和石块，用于土壤团聚体筛分和近红外光谱测定。

表1 黑土0～20 cm表层和20～35 cm亚表层的土壤基本理化性质Table 1 Selected soil properties at 0-20 cm and 20-35 cm soil depths

1.3 测定指标及方法

土壤团聚体的筛分采用湿筛法，将预先过8 mm筛的风干土样放置于孔径自上而下为2 mm、0.25 mm 和0.053 mm的套筛之上，先用水缓慢湿润后，再放入水中；在整个套筛处于最下端时，最顶层筛的上边缘保持低于水面，震荡5 min后，收集各级筛层得团聚体并分别转移至铝盒中，55 ℃烘干称重，依次得到超大团聚体(>2 mm)、大团聚体(2～0.25 mm)，微团聚体(0.25～0.053 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)，用于计算各级团聚体的质量百分比。将各粒级的样品过0.25 mm筛，用元素分析仪(Heraeus Elementar Vario EL,Hanau,Germany)测定全土及各粒径团聚体的有机碳含量(黑土无碳酸盐反应，全碳值即为土壤有机碳值)。土壤红外光谱测定采用傅里叶红外光谱仪(Nicolet 6700,Thermo，Fisher,USA)溴化钾(KBr)压片法测定。称取2 mg土壤样品，KBr 200 mg放入玛瑙研钵中充分研磨均匀。土壤红外光谱测试范围400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为64，空气作为背景，扫描时自动扣除背景光谱[15]。

1.4 数据统计分析

实验数据用Excel 2013记录，不同处理间的土壤指标的单因素方差分析(one way ANOVA)用SPSS 20进行，数据为平均值±标准差，显著性水平为P<0.05。

使用Omnic 8.0软件对红外光谱图进行分析：(1)基线校正，扫描过程中得到的图谱有轻微的基线倾斜，进行较正时，使用软件自身的基线较正功能；(2)计算相对峰面积，基线校正后，确定选取吸收峰波长范围，在该范围内做一条基线，对范围内吸收峰进行积分，计算校正面积，将得到的各吸收峰面积总和相加，最后计算各峰面积的百分比例(即吸收峰相对面积)[16]。文中所有图利用Origin 8.6(Origin Lab Software Inc.)软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对黑土有机碳含量的影响

与秸秆不还田的S0处理相比，4年连续秸秆还田后，不同程度提高了SOC含量，具体表现为S2>S1>S4>S5>S3>S0(图1)。不同数量和质量的秸秆还田后，有机物质通过不断的分解进入到土壤中，促进了SOC的积累和保护。与秸秆不还田的S0处理相比，S1、S2、S3、S4和S5处理农田黑土表层SOC含量分别提升了8.8%、12.4%、3.9%、7.1%和5.0%。秸秆还田的处理中，S2和S1处理的土壤有机碳含量最高，其次为S4处理，S3和S5处理有机碳含量较低，这可能是因为S2和S1处理翻耕20 cm，秸秆还田，使有机物料充分添加到0～20 cm土层中，提高了碳投入，S4处理，免耕全量秸秆还田，有机物料主要存在于0～5 cm表层中，S3处理深翻35 cm，在0～20 cm的碳投入较低，而S5处理秸秆燃烧后还田，还田物质为灰烬，主要成分是无机物，无有机物质投入使得土壤有机碳增加不显著。

注：数值为平均值±标准差(n=3)，不同字母表示不同处理在P<0.05水平上差异显著。下同。Note: Values are mean ± standard errors(n=3).Different letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.图1 不同秸秆还田方式下土壤有机碳含量的变化Fig.1 Soil organic carbon contents under different straw returning managements

2.2 不同秸秆还田方式对黑土团聚体粒径分布影响

秸秆作为外源有机物质，添加到土壤中可改善土壤微环境，并向土壤中输送更多易被微生物分解利用的碳源物质，更有利于微团聚体胶结形成大团聚体。短期的秸秆还田对黑土各粒径团聚体分布产生显著影响(图2)。与S0不加秸秆处理相比，S1到S5处理显著增加了土壤中>2 mm和2～0.25 mm粒径的大团聚体的质量分数(P<0.05)，S1到S5处理中>2 mm超大团聚体比例依次增加了82.4%、112.9%、16.4%、67.2%和53.9%，其中，S2处理中>2 mm超大团聚体质量分数最高，其次为S1处理，S4和S5处理之间差异不显著，秸秆还田处理中，S3处理中>2 mm超大团聚体质量分数最低；2～0.25 mm团聚体质量分数趋势与>2 mm团聚体质量分数相似，其质量分数分别提升了24.6%、29.4%、22.6%、20.0%和19.0%，表现为S2>S1>S4>S3>S5，但S1、S3、S4处理之间差异不显著。秸秆还田不同程度的降低了土壤中0.25～0.053 mm的微团聚体和<0.053 mm的粉黏粒的质量分数，与S0处理相比，S1到S5处理的微团聚体比例依次下降了8.77%、11.6%、5.46%、7.03%和7.46%，粉黏粒比例依次下降了20.2%、23.2%、15.5%、15.2%和12.0%。S2处理0.25～0.053 mm团聚体质量分数最低，S1、S3、S4、S5处理之间无显著差异。S5处理<0.053 mm团聚体质量分数最高，S2处理<0.053 mm团聚体质量分数最低，S3和S4处理无显著性差异。

不同秸秆还田方式促进了大团聚体的形成，土壤团聚体的平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)也不同程度提高。与S0处理相比，S1到S5处理的MWD分别提高了33.3%、44.4%、16.7%、27.8%、24.1%，S2的秸秆全量添加在大团聚体形成和提升团聚体稳定性方面效果最好，其次为S1处理，S3处理秸秆是深还到20～35 cm土层，对0～20 cm表层的团聚体形成和稳定性效果较差。

图2 不同秸秆还田方式下土壤团聚体组分比例和平均重量直径Fig.2 Proportions of soil aggregates and mean weight diameters under different straw returning managements

2.3 不同秸秆还田方式对黑土团聚体有机碳含量的影响

短期秸秆还田不仅对团聚体粒级分布产生显著差异，还显著影响了各粒级团聚体内有机碳含量，使土壤团聚体内的有机碳发生再分配，主要表现为秸秆还田促进了更多的微团聚体有机碳向大团聚体富集，提高了大团聚体内有机碳的含量(图3)。与秸秆不还田的S0处理相比，S1～S5处理中>2 mm的超大团聚体内有机碳含量分别提高了55.5%、63.7%、14.4%、38.4%和34.3%，2～0.25 mm团聚体有机碳含量分别提高了44.5%、54.3%、32.7%、40.5%和39.0%。其中S1和S2秸秆还田方式对>2 mm和2～0.25 mm团聚体内有机碳含量提升的幅度最高，S3的秸秆深还处理提升最少。0.25～0.053 mm和<0.053 mm团聚体内有机碳含量的变化规律与>0.25 mm的团聚体有机碳含量的变化相反，0.25～0.053 mm团聚体有机碳含量表现为S0(8.42 g·kg-1)>S2(7.57 g·kg-1)>S4(7.26 g·kg-1)>S3(7.10 g·kg-1)>S5(7.03 g·kg-1)>S1(6.94 g·kg-1)，S1～S5处理相比S0处理分别降低了17.6%、10.1%、15.7%、13.8%和16.5%，但处理间差异不显著。<0.053 mm团聚体内的有机碳含量最高为S0(8.56 g·kg-1)，最低为S2(6.63 g·kg-1)，S1～S5处理相比S0处理分别降低了14.3%、22.6%、11.8%、16.2%和18.1%，S1、S4和S5处理间无显著性差异。

图3 不同秸秆还田方式对团聚体内有机碳含量的影响Fig.3 Organic carbon contents of different particle-sized aggregates under different straw returning managements

2.4 不同秸秆还田方式下的黑土有机碳官能团红外光谱特征

2.4.1 黑土有机碳主要官能团的红外光谱谱带的划分。表层黑土的红外光谱具有相似的吸收带和吸收峰，波数1300～400 cm-1属于指纹区，波数在4000～1 300 cm-1属于特征区，特征区可反映有机碳官能团的差异。波数3 700～3 600 cm-1代表有机物中酚醇-OH的伸缩振动，波数3 350 cm-1附近代表烷烃类物质的伸缩振动，波数2 920～2 850 cm-1代表脂肪族-C-H伸缩振动，其中，2 920 cm-1为不对称脂族-C-H，2 850 cm-1为对称脂族-C-H伸缩振动，波数1 630～1 500 cm-1代表芳香族化合物环内C=C伸缩振动，波数1 420 cm-1对应甲基和亚甲基伸缩振动，波数1 030 cm-1代表碳水化合物或多糖结构中的C-O伸缩振动，波数810 cm-1表示土壤中碳酸盐类物质的伸缩振动，波数690 cm-1表示顺势烯烃类物质伸缩振动[7-8]。土壤中3 700～3 600 cm-1、3 350 cm-1、1 030 cm-1和1 000 cm-1以下的吸收峰受到土壤矿物影响很大，大多数的研究中常利用2 920～2 850 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1的吸收峰代表主要土壤有机碳组分的吸收峰。1630/2920可以表示有机碳分解程度，其值越高说明稳定性组分有机碳含量越高，反之，活性组分有机碳含量越高[13-14]。根据吸收峰的归类，本文主要选取2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1处代表脂肪族、芳香族和甲基、亚甲基官能团的吸收峰，计算其相对峰面积强度，探究不同秸秆还田方式对全土和各粒级团聚体的有机碳主要官能团的影响(图4)。

2.4.2 秸秆还田对土壤主要官能团相对吸收峰面积的影响。不同秸秆还田方式下，土壤全土的有机碳碳骨架红外光谱的主要吸收峰情况基本一致，短期不同秸秆还田后，土壤有机碳的脂肪族、芳香族等主要官能团相对吸收峰面积存在显著差异(图5)。与秸秆不还田的S0处理相比，不同秸秆还田处理显著提升了土壤脂肪族、甲基和亚甲基官能团的相对吸收峰面积，S1到S5处理脂肪族官能团相对吸收峰面积分别提高了200%、246%、65.2%、110%和69.6%，秸秆还田处理之间脂肪族官能团相对吸收峰面积表现为，S1和S2处理增加的幅度显著高于其他3个秸秆还田处理。S1-S5处理在1 420 cm-1处甲基和亚甲基官能团的红外吸收峰相对面积，分别提升80.3%、92.9%、54.4%、49.6%、66.4%，S1和S2处理增加显著，且S3到S5处理间差异不显著。芳香族官能团相对吸收峰面积与脂肪族不同，不同秸秆还田后，芳香族官能团面积降低，与S0处理相比，芳香族官能团相对吸收峰面积分别降低了13.4%、16.1%、7.65%、7.70%和9.33%，秸秆还田各处理间表现为S3>S4>S5>S1>S2，处理间无显著差异。

图4 不同秸秆还田方式下的表层黑土红外光谱特征Fig.4 Infrared spectrum of surface soils under different straw returning managements

图5 全土和不同粒级团聚体内有机碳的主要官能团吸收峰相对面积Fig.5 FTIR relative area of main OC functional groups of bulk soils and aggregate fractions under different straw returning managements

2.4.3 秸秆还田对团聚体内有机碳主要官能团相对吸收峰面积的影响。不同秸秆还田方式下各粒级团聚体的近红外光谱如图5所示。不同处理下各粒级团聚体的吸收峰和吸收带相似，但不同粒级团聚体在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1处相对吸收峰面积有显著差异(图5)。不同秸秆还田处理中，>2 mm团聚体在2 920 cm-1和1 420 cm-1处相对峰面积高于其他3个粒级团聚体的相对峰面积，各粒级团聚体在1 630 cm-1处相对峰面积含量差异不显著。说明大团聚体主要是来自于作物残茬、根系分泌物的结构较为简单的有机碳组分，其脂肪族C-H有机碳含量高；而1 630 cm-1主要为芳香族C=C结构，这一部分比较稳定，不同秸秆还田处理间的差异不明显。与秸秆不还田的S0处理相比，添加秸秆各处理中的不同团聚体粒级均表现为2 920 cm-1和1 420 cm-1处红外吸收峰相对面积更高，1 630 cm-1处红外吸收峰相对面积较低，这可能是2 920 cm-1和1 420 cm-1处均代表土壤活性结构有机碳组分，添加秸秆处理活性有机碳来源更加丰富，脂肪性更高，而秸秆不还田处理由于缺乏外源有机物料添加，土壤有机碳的芳香性更高。秸秆还田处理间，S2和S1处理各粒径团聚体有机碳在2 920 cm-1和1 420 cm-1处相对吸收峰面积最高，其次为S4处理，S4和S5处理较低，在1 630 cm-1处相对吸收峰面积，S3处理最高，其次为S5处理，S2处理最低。

2.5 秸秆还田对土壤有机碳与红外光谱特征关系的影响

2.5.1 土壤红外光谱特征与有机碳含量的相关分析。土壤有机碳的红外光谱在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1的相对吸收峰面积与全土、>2 mm团聚体、2～0.25 mm团聚体和<0.053 mm团聚体有机碳含量存在显著相关关系(表2)。相对峰面积与各组分有机碳含量相关分析结果表明，2 920 cm-1和1 420 cm-1处的相对吸收峰面积与全土、>2 mm、2～0.25 mm团聚体的有机碳含量呈极显著正相关关系，与<0.053 mm团聚体有机碳含量呈现显著负相关关系。这是因为>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳中主要成分为活性较高的多糖、碳水化合物类物质，而微团聚体和粉黏粒组分的有机碳多以难降解的腐殖物质形式存在，活性低，这说明2 920 cm-1处的吸收峰面积主要反映活性有机碳含量的变化，1 420 cm-1处代表脂族类甲基或亚甲基的伸缩振动，也可用来表示活性组分碳含量的变化。相反，1 630 cm-1处相对峰面积与全土、>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳含量呈现显著负相关关系，与<0.053 mm团聚体有机碳含量呈显著正相关关系，且1630/2920与全土、>2 mm和2～0.25 mm团聚体有机碳含量均呈极显著负相关关系，与<0.053 mm团聚体有机碳含量呈显著正相关关系，这说明1 630 cm-1处相对峰面积可以表示土壤中稳定性组分有机碳的含量的变化。

表2 红外吸收峰的相对面积与全土及各粒级团聚体有机碳含量的相关分析Table 2 Correlation analysis between the FTIR relative area of infrared absorption peak and organic carbon content of the bulk soil and different aggregate fractions

2.5.2 不同秸秆还田方式的土壤红外光谱主成分分析。依据贡献率大于80%，载荷绝对值>0.5表示与主成分相关性大，由图6可知脂肪族官能团相对比例最高的处理为S2处理，其次为S1处理，S0处理脂肪族官能团相对比例最低，但S0处理芳香族官能团相对比例最高，S2处理芳香族官能团相对比例最低。由载荷图(图6b)可知，各粒径团聚体在2 920 cm-1处红外吸收峰相对面积和1 420 cm-1红外吸收峰相对面积与PC1显著正相关，1 630 cm-1处红外吸收峰相对面积与PC1显著负相关。不同秸秆还田方式相比，无秸秆还田处理使团聚体有机碳中脂肪族官能团相对比例升高，芳香族官能团相对比例降低。

注：LMa代表超大团聚体；SMa代表大团聚体；Mi代表微团聚体；SC代表粉黏粒。Note:LMa means large macroaggregate; SMa means small macroagregate;Mi means microaggregate; SC means silt and clay unit.图6 不同秸秆还田方式下土壤有机碳的特征峰面积的主成分分(a)和因子载荷图(b)Fig.6 Principal component analysis(a) and loading factors(b) of infrared characteristic peak in SOC in all aggregate and bulk soil under different straw returning managements

3 讨 论

3.1 短期秸秆还田对土壤总有机碳的影响

SOC是土壤肥力高低的重要评价指标，其阶段性含量变化可以反映土壤肥力水平的高低。SOC通过影响土壤物理、化学和生物特性而改善土壤质量，对维持农业生态系统生产力尤为重要[17]，而SOC水平取决于碳投入与输出的平衡，这一过程受多种因素影响，例如施肥措施、气候环境、土壤性质等，而施肥措施可以短期内直接控制碳投入的数量和质量[18]。有机物料配施化肥是提升SOC水平和农田生态系统生产力的主要途径，目前常用的有机物料包括作物秸秆、杂草、根系、畜禽粪便及农产品的加工肥料等[19-20]。作物秸秆作为一种重要的有机物料不仅含有大量的活性有机碳成分，还含有许多供作物和土壤微生物利用的养分物质。本研究中，短期不同的秸秆还田方式相比秸秆不还田处理显著提升了SOC含量(图1)，这是因为作物残茬、根系及其分泌物和还田的秸秆是农田生态系统有机碳投入的主要来源，秸秆还田会显著促进土壤大团聚体形成，大团聚体不仅为SOC提供物理保护，且作为土壤中新增有机碳的主要载体，富集大量铁铝氧化物和有机碳复合物，使黑土有机碳含量提高。研究还发现，不同的秸秆还田方式之间有机碳含量呈现显著差异，S1和S2处理翻耕条件和添加方式相同，均为翻耕20 cm直接混入，但秸秆添加量不同，S1处理为5 t·hm-2，S2处理为10 t·hm-2，S2处理中SOC含量高于S1处理。Zhu等[21]通过对水稻-小麦种植系统土壤有机碳对不同秸秆还田率的短期响应，也发现SOC提升程度与秸秆还田数量有关。S2、S3、S4处理秸秆添加量相同，均为10 t·hm-2，但耕作条件不同，S2为翻耕20 cm，S3为深翻35 cm，S4为免耕，S2处理20 cm翻耕提高了耕作层土壤和秸秆的接触面积，使整个耕层有机碳含量稳定。S3处理深翻35 cm，全耕层破坏，作物秸秆主要添加到20～35 cm土层，在0～20 cm土层有机物质积累低。S4处理为免耕，一方面有机物质主要积累在0～5 cm土层，另一方面相比S2处理，S4处理秸秆与土壤接触面积较小，短期内对土壤通气透水性改善较差。S2和S5处理翻耕条件、秸秆添加量均相同，即翻耕20 cm，秸秆添加量10 t·hm-2，但秸秆添加方式不同，S5处理将秸秆燃烧后还田，作物秸秆燃烧会改变其质量，秸秆中的SOM受热后在蒸发、氧化分解、碳化形成碳黑等过程中会彻底转化形成CO2和水，因此S2处理相比S5处理有机碳含量更高。研究结果说明耕作条件、秸秆添加的数量和质量均可显著影响土壤有机碳含量。

土壤团聚体控制土壤结构，是土壤功能和农业生产力的基础[22]。影响土壤团聚体形成的因素包括土地利用方式、田间管理措施、植被覆盖情况、气候条件、土壤微生物活动和土壤有机质等。前人的研究发现秸秆还田可以有效改善土壤结构，促进土壤团聚体形成，增强团聚体稳定性和固碳能力[23]。本研究结果中，不同秸秆还田方式显著提高了>2 mm和2～0.25 mm粒级团聚体组分的比例(图2)，这是因为添加秸秆后，提高了微生物分解能力，促进了土壤微生物对有机质的分解利用，分解产生胞外多糖，分解过程中还形成了更多的胶结物质，胞外多糖会促进土壤颗粒与矿物质结合在一起，有利于微团聚体和粉黏粒胶结形成更大粒径的大团聚体，使0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒级团聚体的组分比例降低。同时，秸秆还可以通过真菌菌丝体生长分泌出胶结多糖类物质，这一过程使微团聚体粘结在一起，被菌丝体缠绕形成大团聚体。本研究中，与秸秆不还田处理相比，不同秸秆还田处理显著提高了土壤>2 mm和2～0.25 mm团聚体内有机碳含量(图3)，主要表现为S2>S1>S4>S5>S3>S0，该结果与苑亚茹[24]通过不同施肥管理对黑土团聚体有机碳影响和李艳等[25]利用秸秆还田研究连作玉米黑土团聚体有机碳含量结果相一致，不同的秸秆还田方式在提高团聚体稳定性的同时还提高了大团聚体内的有机碳含量。

3.2 短期秸秆还田对土壤有机碳的红外光谱特征的影响

短期秸秆还田显著提高了农田黑土有机碳含量及各粒级团聚体有机碳含量，全土和各粒径团聚体的红外光谱图谱结构也发生了相应的变化。但不同秸秆还田方式和秸秆不还田处理的土壤有机碳骨架基本一致，其在2 920 cm-1、1 630 cm-1和1 420 cm-1相对峰面积可以用来表征不同秸秆还田方式对土壤活性组分和稳定性组分有机碳含量的影响。在全土中，与秸秆不还田处理相比，添加秸秆后使各处理在2 920 cm-1处相对峰面积显著提高，说明秸秆添加处理有利于活性有机碳的积累，在>2 mm和2～0.25 mm团聚体内有机碳的波谱特征的变化相一致(图3)，这是因为添加秸秆处理中，向土壤中输送的有机物料更多，为活性组分有机碳提供了更丰富的来源，该项结果与Tivet等[10]通过比较自然草地植被覆盖下土壤和农田土壤在2 920 cm-1和2 850 cm-1处脂肪族吸收峰面积结果相似。添加秸秆后使1 630 cm-1处的红外吸收峰相对面积显著减少，特别是S2处理，减少的最多(76.4%)，该结果表明施化肥处理有机碳芳香性强，稳定性高，添加秸秆后有机碳的芳香性减弱，活性程度提高，可能因为只施化肥的土壤长期缺乏有机物料投入，农作物秸秆、作物残渣及根系分泌物等活性有机物质来源匮乏，土壤中绝大部分有机碳以较稳定的形式存在。

添加秸秆处理红外光谱相对峰面积表明在2～0.053 mm团聚体中脂肪族-CH相比只施加化肥处理显著升高，芳香族C=C显著降低，其中添加秸秆处理>2 mm和2～0.25 mm粒级团聚体中脂肪碳含量更高，稳定的芳香碳趋向于0.25～0.053 mm和<0.053 mm粒级团聚体中[12]，可能因为微团聚体和粉黏粒组分有机碳主要以腐殖物质形式存在，降解程度比大团聚体有机碳低[18]。

3.3 短期秸秆还田对土壤有机碳与红外光谱特征关系的影响

不同秸秆还田方式下土壤有机碳与红外光谱特征相关分析结果说明各粒级团聚体有机碳含量与脂肪族、芳香族相对吸收峰面积存在显著的相关关系，水稳性团聚体的周转时间随团聚体粒级减小而增加，在>2 mm和2～0.25 mm团聚体中，脂肪族碳含量高、活性较强，转换速率快，新鲜有机物质多、活性结构比例更大，微团聚体中芳香碳含量更高，活性较弱，稳定性强，转换速率较慢，这一结果与Steffens[26]对土壤团聚体分级研究结果相一致，他们发现芳香碳所占比例随土壤团聚体粒径减小而增加，认为抗分解能力强的芳香碳在土壤小粒径组分中会选择性的积累。张福韬等[13]利用红外光谱研究长期玉米连作下各粒径团聚体内有机碳官能团变化发现大团聚体含脂肪碳、多糖碳等活性较高的碳，稳定的芳香碳则多富集在微团聚体中。这主要是因为无秸秆还田处理外界环境输送的有机物质少，活性比例较低，而添加秸秆处理向土壤中输送更多有机物料，促进大团聚体形成，外界进入的新鲜残体多，有机质周转更新快，活性有机碳比例结构大[27]。通过不同秸秆还田方式下各粒径团聚体有机碳红外特征官能团主成分分析得到，各粒径团聚体在2 920 cm-1和1 420 cm-1处代表的脂肪族有机碳含量与PC1呈显著正相关系，而1 630 cm-1处代表的芳香族有机碳与PC1呈显著负相关关系，S2处理各粒径脂肪族有机碳比例最高，这主要是因为S2处理翻耕20 cm，全量秸秆还田，有效提高农作物生物量，相比其他秸秆还田方式S2处理增加0～20 cm土层有机物质输入量，Baumanne等[28]研究发现玉米秸秆根系及残留物等有机物中主要组成部分为烷氧碳，因此添加秸秆处理有利于有机碳的年轻化和简单化，S2处理脂肪族有机碳比例最高，其次为S1处理，无秸秆添加的S0处理脂肪族有机碳比例最低。芳香碳是难分解有机碳之一，主成分分析结果说明S0处理下各粒径团聚体芳香碳比例最高，添加秸秆处理降低芳香碳比例，这可能是因为添加秸秆处理使活性有机碳比例大幅升高，也有可能是因为添加秸秆后土壤微生物活性增强，加速了各粒径团聚体中芳香碳物质的氧化分解。

4 结 论

与秸秆不还田处理相比，短期的秸秆还田措施可提高表层0～20 cm土壤总有机碳含量、大团聚体的质量分数和固碳能力，并提高团聚体稳定性，其中，以翻耕20 cm全量秸秆还田(S2)的效果最佳，其次为翻耕20 cm半量秸秆还田(S1)处理，全量秸秆深还到20～35 cm土层处理和秸秆焚烧后还田(S3和S5)处理的效果较差。

秸秆还田不同程度的提升了各粒径团聚体内脂肪族碳官能团的比例，降低了芳香族碳官能团的比例。全土、>0.25 mm的大团聚体中有机碳含量与脂肪族相对峰面积呈极显著正相关关系，与芳香族相对峰面积呈显著负相关关系；而<0.053 mm的粉黏粒内有机碳含量与脂肪族相对峰面积呈显著负相关关系，与芳香族相对峰面积呈显著正相关关系(P<0.05)，说明土壤的大团聚体中主要是结构简单、易分解组分的碳，而小粒径的微团聚体中以稳定性较强的芳香族碳为主。

短期秸秆还田，特别是翻耕20 cm秸秆全量还田处理，更能促进表层土壤的大团聚体形成，提高土壤有机碳中脂肪族碳的含量，增加团聚体对碳的保护能力，更利于碳的固存和稳定。