添加不同类型秸秆对土壤CO2排放和化学性质的影响

2022-05-05李欢赵平陈林康李连华向蕊龙光强

农业环境科学学报 2022年4期

李欢，赵平，2，陈林康，李连华，向蕊，龙光强，2*

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.农业农村部云南耕地保育科学观测实验站，昆明 650201）

我国秸秆资源丰富，据统计2017 年主要农作物秸秆约9 亿t，可收集利用资源达7.36 亿t。在秸秆综合利用的方法中，秸秆还田是一种相对较优的方式。秸秆还田可改善土壤团粒结构和养分状况，降低土壤容重和促进土壤酶活性，丰富土壤微生物多样性，进而提高作物产量和增加土壤有机碳固存，实现作物可持续生产。

种植模式和秸秆组成均会影响秸秆腐解和土壤有机碳的转化，改变土壤碳储量，同时调控土壤化学性质和养分状况。一方面，秸秆腐解过程中CO排放和土壤化学性质受作物秸秆化学性质、还田部位、还田方式以及还田深度等的影响。当不同化学性质的有机物混合，它们的分解速率通常不等于每个单一物种的算数平均值（即预期的分解速率），而是会导致正向或负向非加性效应，这在森林和草地生态系统中研究较多。相应地，分解过程中的CO排放和土壤性质响应亦不同于单一组成的有机物。在农田生态系统中，间作或混作模式下通常有两种或多种作物秸秆同时进入土壤，这如何进一步影响秸秆分解和土壤性质，以及土壤碳固存和土壤肥力，值得关注。

另一方面，种植模式对秸秆腐解后的CO排放和土壤化学性质也存在影响。不同种植模式常导致土壤pH、速效养分和微生物群落组成等产生差异，进而调控秸秆腐解及养分释放与周转。研究表明，由于微生物的特异性演化，木本和草本植物凋落物在原位分解更快，具有“主场优势”，这在各种自然生态系统中得到了广泛验证。但是由于有机底物-土壤环境-微生物的复杂相互作用，这一机制产生的原因仍难以归纳和界定，尤其是在有机物组成和分解环境高度多样化的农田生态系统中。在农田土壤中，“主场优势”并不一定代表真正的“优势”，秸秆过度分解不利于有机质的保存，同时秸秆在原位腐解可能带来病虫害频发和连作障碍等问题。因此，关注秸秆在异位条件下（非主场）腐解对碳排放和土壤性质的影响，对探索秸秆异位还田具有重要指导意义。

因此，本文采集3 种种植模式（玉米单作、马铃薯单作和玉米马铃薯间作）的多年田间定位试验土壤，分别加入玉米秸秆、马铃薯秸秆及其混合秸秆，进行室内培养试验，探究不同秸秆组成和不同种植模式对秸秆腐解过程中CO排放及土壤化学性质的影响，加深对秸秆腐解过程中土壤碳排放和养分变化规律的理解，为秸秆还田增强土壤碳汇功能和合理养分供应提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

本培养试验于2019年10—11月在云南农业大学现代农业教育科研基地实验室（23°32'N、103°13'E）进行。供试土壤来自于在云南农业大学现代农业教育科研基地从2014 年开始的田间定位试验小区，土壤为山原红壤。于田间小区试验第6 a（2019年）作物收获后采集表层（0~20 cm）土壤开展培养试验，试验前基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 The basic chemical properties of soils

玉米、马铃薯秸秆采自2018 年作物收获后，经70 ℃烘干后，粉碎过1 mm 筛备用。试验前玉米秸秆和马铃薯秸秆的化学性质如表2所示。

表2 试验用玉米和马铃薯秸秆基本化学性质Table 2 Basic chemical properties of maize and potato straws used in this study

1.2 试验设计

本研究采用两因素（包含土壤种植模式和秸秆类型）交互的室内培养试验。其中土壤种植模式为连续6 a的玉米单作种植土壤（MM）、马铃薯单作种植土壤（MP）和玉米与马铃薯间作种植土壤（I）；3 种秸秆类型为玉米秸秆（MS）、马铃薯秸秆（PS）和玉米马铃薯混合秸秆（CS，质量混合比例为1∶1），同时以不添加秸秆（CK）作为对照。共12 个处理，每个处理3 次重复。在25 ℃恒温箱中在未添加秸秆和黑暗条件下进行好氧预培养7 d，待恢复土壤微生物活性后，按碳排放和养分动态监测两个研究目的分别进行如下试验。

1.2.1 CO排放培养试验

称取干质量50 g 的鲜土放入250 mL 三角瓶中，在其中添加1 g 秸秆样品（混合秸秆样品包括玉米秸秆和马铃薯秸秆各0.5 g），同时设置不添加秸秆作为对照。各处理均采用完全随机设计，3 次重复，放在25 ℃恒温培养箱中不添加秸秆和黑暗条件下进行培养。培养过程中用透气薄膜封口，以减少水分散失。用称质量法来控制土壤水分，使土壤含水率始终维持在20%，抽气时用胶塞封口，取气时间间隔为 0、1、2 h。在培养开始后的第 1、3、5、7、10、14、18、22、28、42、56、77、105 d 分别采集气体样品，测定土壤CO浓度。

1.2.2 土壤化学性质培养试验

称取干质量50 g 的鲜土，放入塑料封口袋中，塑料袋上留通气小孔（保证通气正常和控制水分散失），在其中添加1 g 秸秆，同时设置未添加秸秆的对照试验。培养试验过程中采用称质量法使土壤含水量维持在20%，在培养后的第0、4、7、15、30、60、105 d分别进行破坏性取样，测定土壤pH 值、可溶性有机碳（DOC）、速效磷、速效钾、硝态氮和铵态氮含量。

1.3 指标测定

1.4 数据处理与分析

土壤CO排放通量计算公式为：

式中：为CO排放通量，mg·kg·h；正值为排放，负值为吸收；为标准状态下被测气体浓度；DD为单位时间内取样瓶内被测气体浓度的变化量；为采样时瓶内温度，℃；为采样瓶体积，m；为培养干土质量，kg。

CO累积排放量计算公式为：

式中：为培养过程中气体排放量，g·kg；为气体排放速率，mg·kg·h；为采样次数；为采样时间，d。

CO净累积排放量（）计算公式为：

式中：为添加秸秆后土壤的累积排放量，g·kg；为供试土壤不添加秸秆对照处理的累积排放量，g·kg。

两种单一秸秆CO累积排放量的加权平均值（）计算公式为：

式中，和分别为单作玉米和单作马铃薯的CO累积排放量，g·kg；和分别为混合秸秆中玉米秸秆和马铃薯秸秆的比例，本研究中和均为0.5。

使用Excel 2010 软件进行数据的整理，Origin 2018 软件作图，用 SPSS 20.0 软件的 LSD 和 Duncan 进行差异显著性分析（<0.05）。采用Amos 23.0软件包构建SEM 方程模型，用χ值、自由度、假定值、拟合优度指数（GFI）和近似的均方根误差（RMSEA）来评估拟合度。SEM建模时，对测定的土壤化学性质动态指标进行了平均，以代替分解过程中不同处理间的土壤性质差异。Canoco 5.0 进行主成分分析，并用R 4.0.2进行置换多元方差分析（PERMANOVA）。

2 结果与分析

2.1 CO2排放速率和累积排放量

整个培养期间，不同作物种植模式土壤中秸秆CO排放速率均呈现出前期（0~28 d）较快、中期（28~56 d）减缓、后期（56~105 d）稳定的趋势（图1）。在3种作物种植模式的土壤中，与不添加秸秆（CK）相比，除第105 d，其余时间秸秆添加（CS、MS 和PS）均显著增加了CO排放速率。

图1 整个培养期CO2排放速率Figure 1 CO2 emission rate throughout the incubation period

在同一种植模式土壤中添加不同秸秆，腐解前期PS 的CO排放速率较快，其中，在玉米与马铃薯间作（I）种植的土壤中，第1、5、10 d PS 的CO排放速率显著高于CS 和MS，在玉米单作种植（MM）和马铃薯单作种植（MP）土壤中，在第1、5、7 d PS的CO排放速率显著高于CS和MS；腐解的中后期CS、MS和PS的CO排放速率差距较小。

不添加秸秆时，不同作物种植模式的土壤之间CO排放速率无显著差异。同一秸秆在不同种植模式下，CS 的土壤中 CO排放速率在第 1、3、28 d 的 MP土壤中显著高于 I 土壤中；MS 在第 1、18、22 d 的 MM土壤中显著低于I 和MP 土壤中；对于PS 而言，第3、5、10 d的I土壤中显著低于MM和MP土壤中。

秸秆类型和种植模式均对土壤CO累积排放量和去除对照的CO净累积排放量有显著影响（图2）。就秸秆而言，CS 和PS 在不同种植模式土壤中CO累积排放量和净累积排放量均没有显著差异，而MS 则在MM土壤中显著低于I和MP土壤中，即玉米秸秆原位添加抑制了土壤CO排放。相比于CK，秸秆添加的处理CS、MS 和PS 均有效增加了CO累积排放量和CO净累积排放量。

就种植模式而言，在MP 土壤中添加不同秸秆后，CO累积排放量和净累积排放量无显著差异，而在I土壤中，添加PS后，CO累积排放量显著低于添加MS（图2a），在MM 土壤中，添加CS 后的CO累积排放量和CO净累积排放量显著高于添加MS 的。此外，与玉米和马铃薯单一秸秆的加权平均（WM）相比，秸秆混合后分别显著增加了MM土壤中CO累积排放量19.2%、CO净累积排放量19.9%，同时降低了MP土壤中CO累积排放量的8.6%和CO净累积排放量的9.6%。

图2 CO2累积排放量和CO2净累积排放量Figure 2 Cumulative CO2 emissions and net cumulative CO2 emissions

2.2 土壤化学性质变化

2.2.1 土壤pH和DOC含量

无秸秆添加的土壤（CK）在培养过程中pH 波动较小（图3）。添加秸秆后，土壤pH 在培养期呈现先快速下降而后缓慢上升的趋势。在I 和MP 土壤中，CS 在培养结束时的 pH 较 CK 升高，在 MM 土壤中 pH降低；在 I、MM 和 MP 土壤中，MS 在培养结束时的 pH均升高；在整个培养过程中，3 种作物种植模式下，添加PS 土壤中的pH 均为降低，培养结束时I 和MM 土壤中下降幅度较大。此外，整个腐解过程中，添加MS的不同土壤的pH均高于添加CS和PS。

相比于CK，添加秸秆处理（CS、MS 和PS）在培养的前60 d均能增加土壤DOC 含量（图3）。CS和PS在60~105 d 的DOC 含量均呈现下降趋势，在105 d 时除I 土壤中的CS 高于CK，其余处理的DOC 含量均低于CK。添加MS 处理下DOC 含量持续增加，在I 土壤中后期的增加效果最为显著，在MM 和MP 土壤中后期表现为下降趋势。培养结束时，添加MS 的3 种作物种植模式土壤中DOC 含量与CK 相比均有提高。同时，添加PS在培养的第4 d时对DOC含量的增加效果最为显著。

图3 3种作物种植模式的土壤pH和可溶性有机碳（DOC）含量的动态变化Figure 3 Dynamic changes of pH and DOC in soil under different decomposition environments

2.2.2 土壤速效养分

在整个培养过程中，土壤速效磷（AP）在3种种植模式土壤中的变化趋势基本一致（图4）。在3种作物种植模式土壤中，添加秸秆均能增加AP 的含量，除I土壤添加CS 效果最佳外，MM 和MP 土壤均表现为添加PS 效果最好。不添加秸秆时，MP 土壤中AP 含量下降幅度最大。添加CS 后，I土壤中AP 含量较高，而添加MS和PS后，均为在MP土壤中AP含量最高。

在3 种作物种植模式土壤中，添加秸秆后均能显著增加土壤速效钾（AK）含量（图4）。添加不同秸秆后，3种种植模式土壤中均为MP 土壤增加AK 含量的效果最佳，培养结束时，3 种土壤中AK 含量均为PS>CS>MS>CK。不添加秸秆时，不同作物种植模式土壤中 AK 含量表现为 I 和 MM 土壤中变化较小，MP 土壤中变化较大。

图4 培养过程中土壤速效磷（AP）和速效钾（AK）的含量变化Figure 4 Changes of soil available phosphorus（AP）and available potassium（AK）during incubation

2.3 CO2累积排放量与土壤化学性质的关系

主成分分析（PCA）表明，前两轴的环境变量累计解释了CO累积排放量变化的88.15%，同一秸秆在不同种植模式土壤中的样本点离散较小，而不同秸秆在同一种植模式土壤中的样本点离散较大，DOC 和C/N是影响CO累积排放量的主要因素（图6）。同时对CO累积排放量进行置换多元方差分析（PERMANO⁃VA）得出，秸秆类型和种植模式均对CO累积排放量存在显著差异（<0.001），且秸秆类型对CO排放的影响大于种植模式。

3 讨论

3.1 秸秆类型和种植模式对秸秆腐解土壤CO2排放的影响

本研究中，前期添加马铃薯秸秆（PS）的CO排放最高，后期添加3 种秸秆CO排放无显著差异。前人研究得出，高质量秸秆（低C/N）和低质量秸秆（高C/N）会发生互补效应，氮素会从高质量残体迁移到低质量残体，以促进低质量组分的降解（互补效应），同时秸秆化学组成（例如C/N）是影响腐解速率的关键因素。这种差异导致土壤中有机质的激发强度不同，使得土壤呼吸强度发生变化，进而影响CO排放速率。此外，混合秸秆与玉米和马铃薯单一秸秆的加权平均相比，增加了I 和MM 土壤中的CO累积排放量，降低了MP 土壤中的CO累积排放量。因此，在对I和MM 土壤中，需要控制因添加混合秸秆后而导致的CO的排放，比如调整混合比例或者降低添加的量。添加混合秸秆后在I和MM 土壤中表现为促进分解（协同作用），在MP土壤中为抑制分解（拮抗作用）。然而秸秆混合后对碳排放的影响为累加性还是非累加性需要进一步研究。

图6 CO2累积排放量的主成分分析Figure 6 Principal component analysis of cumulative CO2 emission

图7 主要指标与CO2累积排放量的结构方程模型（SEM）Figure 7 Structural equation modeling（SEM）of main indicators and cumulative CO2 emissions

3.2 秸秆类型和种植模式对秸秆腐解过程中土壤速效养分动态的影响

本研究通过添加秸秆到不同种植模式的土壤中，分析CO排放差异以初步分析秸秆腐解的变化，同时探讨土壤化学性质动态。然而，秸秆组成中，哪些物质或结构对有机物分解起决定性作用有待进一步研究。同时，结合16S rDNA、ITS和GeoChip 等高通量测序技术，分析土壤中影响秸秆分解的关键微生物类群，明确它们与有机物降解功能的关系，对揭示农田生态系统中作物秸秆混合和异位还田的机制十分重要。此外，本试验为室内进行的恒温培养，今后的研究亟需拓展更丰富的秸秆类型和混合比例，并在大田试验中进行深入分析，明确秸秆混合还田和异位还田对有机碳固存及土壤肥力的长期影响。