刘 哲，韩霁昌※，孙增慧，张卫华，余正洪，侯 莹

（1. 陕西省土地工程建设集团，西安 710075；2. 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安 710075；3. 中国科学院南京土壤研究所，南京 210008）

δ13C法研究砂姜黑土添加秸秆后团聚体有机碳变化规律

刘 哲1,2，韩霁昌1,2※，孙增慧1,2，张卫华1,2，余正洪3，侯 莹1,2

（1. 陕西省土地工程建设集团，西安 710075；2. 国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，西安 710075；3. 中国科学院南京土壤研究所，南京 210008）

为研究水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体分布及稳定性的影响，探索水稻秸秆腐解过程中外源新碳及原有机碳在不同粒级团聚体中的分配规律，该文通过室内模拟试验，运用δ13C示踪方法，将稳定同位素碳（δ13C）标记的水稻秸秆添加入砂姜黑土，利用湿筛法得到不同培养时期不同粒级的土壤水稳性团聚体，测定不同时期各粒级土壤外源新碳及原有机碳含量。结果表明：未添加水稻秸秆的砂姜黑土（对照组），水稳性微团聚体(＜250μm)占主体，团聚体有机碳含量低。与对照相比，添加水稻秸秆（试验组）显著促进了＞2000、2000～250μm粒级水稳性大团聚体的团聚（P＜0.05）；培养到120 d时，＞2000、2000～250μm水稳性团聚体比对照组分别增加了265.5%、16.0%，促使水稳性大团聚体(＞250μm)占主体，显著提高了砂姜黑土水稳性团聚体的平均重量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）、水稳性大团聚体含量(R0.25)，降低了分形维数（D）值（P＜0.05），土壤结构稳定性明显得到改善。试验组各粒级团聚体有机碳含量显著增加，培养到15 d时，＞2000、2000～250、＞250～53、＜53μm粒级团聚体有机碳分别比对照组增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%，其中微团聚体有机碳增加幅度大于大团聚体的增加幅度。MWD、GMD、R0.25与2000～250、＞250～53μm粒级团聚体有机碳呈极显著正相关关系（P＜0.01），与＞2000μm粒级团聚体有机碳呈显著正相关关系（P＜0.05）、与＜53μm粒级团聚体有机碳关系不显著。不同粒级团聚体的δ13C值明显增加，动态变化较大，表明外源新碳周转速率较快。外源新碳主要分配在＞250～53、＜53μm粒级微团聚体中，分配比例分别为38%、28%，外源新碳的分解速率明显快于原有机碳。研究得出添加水稻秸秆有利于增加砂姜黑土的团聚体稳定性，提高土壤及不同粒级团聚体的有机碳含量，提升土壤碳水平，改善了土壤结构，这为淮北地区土壤质量提升及有机碳循环提供了理论依据。

土壤；有机碳；秸秆；δ13C；砂姜黑土；土壤水稳性团聚体

0 引 言

土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分，其微小波动就可能对温室气体浓度乃至全球碳平衡产生重大影响[1-2]。土壤团聚体和有机碳之间通常有着密切的联系，团聚体形成和有机碳固持的相互作用对于促进土壤固碳具有重要意义[3]。土壤团聚体是组成土壤结构的基本单位，土壤团聚过程中导致颗粒分布的不同不仅影响着土壤系统中的水肥气热，而且是有机碳固持与稳定的重要过程，因此研究土壤团聚体以及团聚体有机碳组分含量的分布及其变化特征，对促进土壤固碳及质量提升的作用具有重要的理论价值和现实意义[4-5]。

土壤团聚体的形成、特性、作用功能十分复杂，既受土壤本身物质组成的影响，还受人为活动等因素的影响。不同粒级的团聚体在土壤有机碳（SOC）的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用，其中团聚体有机碳含量是土壤有机碳平衡与矿化速率的微观表征[6-7]。研究表明，良好的土壤团聚体是水稳性的，且＞250μm的水稳性团聚体可以作为评价土壤肥力和土壤质量变化的指标[8]。土壤团聚作用对SOC起到了物理保护作用，同时 SOC存在也能够促进团聚体的形成和稳定[9-10]。土壤不同粒级团聚体由于物理结构的差异，导致外源新碳的可进入性不同，进而影响了SOC组分的周转及稳定[11]，传统的差减法不能精确地获得土壤固定的来自秸秆的外源新碳量，而δ13C方法是用于研究土壤有机碳动态变化的一种新方法，该法不仅具有有标记均匀、无放射性、可长期标记等优点，而且可以精确地示踪进入到土壤中外源新碳的变化，对于探索外源新碳在不同粒级团聚体中的分配规律具有重要意义[12-13]。

秸秆还田固碳潜力较大，可以在提高土壤有机碳含量的同时促进土壤植物营养元素的再循环，秸秆腐解以后对团聚体的形成也会产生一定的激发效应，增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形成[14-16]。国内外学者把土壤团聚体的稳定性以及土壤的固碳能力作为评价土壤物理性质及土壤有机碳库的重要指标，认为提高土壤团聚体的稳定性以及团聚体的数量和质量，减少土壤碳库的损失，一直是农业生产及碳循环研究的重要方向[17-18]。孙汉印等研究发现，秸秆粉碎旋耕还田模式增加了塿土水稳性大团聚体（＞250μm）的含量，提高了微团聚体（＜250μm）有机碳含量及稳定性[19]，顾鑫等研究发现玉米秸秆添加促进了棕壤水稳性大团聚体的形成，提高了团聚体体稳定性及有机碳含量[20]，尹云锋等研究发现水稻秸秆添加显著增加了红壤50～250μm粒级团聚体有机碳含量[21]。关松等研究表明玉米秸秆添加显著促进了黑土＞2 000μm大团聚体的形成，增加了团聚体有机碳含量[22]。以往秸秆添加对土壤团聚体及有机碳分布及相对数量变化的研究多集中在塿土、棕壤、黑土、红壤等，然而砂姜黑土是淮北地区主要的中低产土壤，通常土质黏重，结构发育不好，团聚体稳定性较差，有机碳含量低，该地区长期以来偏施化学氮肥，土壤结构以及土壤质量的可持续性发展受到破坏[23]，因此改善砂姜黑土的团聚体结构，提升砂姜黑土的质量显得尤为重要，但关于秸秆添加对淮北地区砂姜黑土碳库管理、团聚体分布组成以及各粒级团聚体有机碳分布稳定性的研究比较缺乏，而运用同位素示踪技术定量化研究秸秆中外源新碳在砂姜黑土不同粒级团聚体中分布规律和残留特征的研究鲜有报道，难以区分出原土壤有机碳和外源新有机碳。为此本研究利用δ13C示踪方法，在砂姜黑土不受扰动的情况下进行室内培养，定量分析研究水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体分布及稳定性的影响，探索水稻秸秆腐解过程中水稳性团聚体原有机碳和外源新碳的分布规律，为淮北地区土壤质量提升及有机碳循环提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

砂姜黑土采样区位于安徽省濉溪杨柳试验站(116°77'E，33°62'N)，成土母质为黄土性古河沉积物，矿物类型主要以蒙脱石为主的2:1型黏土矿物，按美国制土壤分类命名为变性土。试验前耕层土壤基础理化指标如下：pH值为6.34，黏粒（＜0.002 mm）质量分数为37%，粉粒（0.02～0.002 mm）质量分数为33%，土壤质地类型为壤质黏土，δ13C值为-23.82‰，有机碳质量分数为10.45 g/kg，全氮质量分数为0.86 g/kg，全磷质量分数为0.54 g/kg，种植方式为小麦-玉米轮作，玉米6月中旬播种，10月中旬进行收割、测产。

1.2 试验材料

于2014年10月中旬采集试验站土壤，采用棋盘法选择6～8个采样点，采集0～30 cm耕作层土样，混合均匀后按四分法保留1 kg左右土样。采集的土壤除去粗的植物残体和大的砂砾等杂质，带回实验室于阴凉通风处自然风干，然后沿自然脆弱带轻轻掰开，使其能通过2 mm筛子。

本试验所用秸秆样品为温室栽培水稻秸秆，并采用脉冲标记法获取13C标记秸秆：在水稻播种后115 d的生长期内分别进行7次13C二氧化碳脉冲标记，使其通过光合作用吸收13C二氧化碳。在播种115 d后，获取水稻地上部，在 60℃烘干，粉碎过 0.25 mm筛，其δ13C值为676.39‰，秸秆有机碳质量分数为396.5 g/kg。

1.3 培养方法

本试验采用2种处理：对照组（不加秸秆，CK）和试验组(加1%13C标记秸秆，Str)，每个处理设置3个重复。将过2 mm筛的砂姜黑土300 g于2 L的塑料培养瓶中，加入3 g13C标记水稻秸秆，充分混匀后，加入蒸馏水至土壤最大持水量的70%，并在28℃恒温培养箱中培养。同时做不加秸秆的对照试验。培养期间每天通气，并每周称质量以保持土壤含水率。分别在15、60、120 d取 3个重复的各处理土壤，用以测定土壤团聚体稳定性（湿筛法）、SOC、土壤13C同位素丰度值。

1.4 测定指标及方法

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法，土壤pH值采用电位法(水土质量比2.5∶1)，土壤黏粒和粉粒含量采用吸管法测定[24-25]，秸秆的全碳含量采用 CN元素分析仪测定，土壤13C同位素丰度值采用Flash-EA-DELTA-V联用仪测定[26]；土壤团聚体的分布状况和稳定性采用湿筛法[27]。

描述土壤团聚状况的稳定性指标可采用平均质量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD），水稳性大团聚体（R0.25），详细计算公式见有关参考资料[27]。

团聚体的分形维数D值的计算采用杨培岭等[28]推导的公式

利用公式（1），通过数据拟合，可方便的求得D。式中为某级团聚体平均直径，μm；M()为粒径小于的团聚体的质量，g；MT为团聚体总质量，g；xmax为团聚体的最大粒径，μm。

培养结束时不同粒级土壤团聚体有机碳来源于秸秆新碳的比例为[29]：

式中，δCsom为培养结束时添加标记秸秆的土壤δ13C值，‰；δCck为不加秸秆的土壤δ13C值，‰；δCstraw为标记秸秆的δ13C值，‰；若不同粒级土壤团聚体有机碳总量C已知，那么总量中来自秸秆新碳Cn为

土壤团聚体有机碳贡献率计算方法[14]：

团聚体中有机碳贡献率=

1.5 数据处理

采用 Microsoft Excel 2016软件进行数据整理，SigmaPlot10.0软件进行作图，SPSS22.0软件对试验数据进行单因素方差分析和回归分析，采用最小显著极差法(LSD 法)进行多重比较，显著性水平P＜0.05，极显著水平P＜0.01。

2 结果与分析

2.1 水稻秸秆添加对砂姜黑土各粒级水稳性团聚体组成的影响

与对照组相比，添加水稻秸秆后土壤团聚体分布趋势表现出相同的规律，试验组水稳性大团聚体含量（＞250μm）显著增加（P＜0.05），促使水稳性微团聚体（＜250μm）向大团聚体团聚，水稳性微团聚体含量显著减少，且不同培养时期各粒级团聚体含量均发生了明显变化，水稳性大团聚体始终是优势粒级（图1）。其中，对照组中＞2000μm水稳性团聚体的含量很少，与其他3个粒级的水稳性团聚体相比差异显著（P＜0.05），2 000～250、＜53μm水稳性团聚体含量相对较多；到培养60 d的时候，水稳性微团聚体还一直占主体，质量分数为59%；培养到120 d时，大团聚体含量有所增加，但与微团聚体含量差异不是很明显，说明砂姜黑土在不受扰动的情况下，微团聚体有向大团聚体微弱团聚的趋势。

图1 不同培养时期土壤水稳性团聚体的组成Fig.1 Composition of soil water-stable aggregates under different incubation period

试验组＞2000和2 000～250μm水稳性大团聚体含量呈显著增加趋势，＞250～53和＜53μm水稳性微团聚体含量都显著减少（P＜0.05）。培养到15 d的时候，试验组＞2 000、2 000～250μm粒级水稳性团聚体质量分数分别比对照组增加了157.2%、32.2%，＞250μm水稳性大团聚体质量分数为 56.38%，比对照组增加了 37.9%。培养到120 d的时候，水稳性大团聚体质量分数达到63.28%，成为优势粒级。良好的土壤团聚体是水稳性的，＞250μm粒级团聚体被认为是土壤中最好的结构体，称为土壤团粒结构体，是维持土壤结构稳定的基础，其含量越高，土壤结构的稳定性和固碳能力越大[30]。同时，水稳性团聚体的数量和分布状况反映了土壤结构的抗侵蚀能力[31]，因此结果表明砂姜黑土添加水稻秸秆后，促使微团聚体向大团聚体团聚，砂姜黑土的稳定性、抗侵蚀能力得到增强。

2.2 水稻秸秆添加对砂姜黑土水稳性团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径(GMD)、R0.25、分形维数（D）的影响

土壤团聚体的MWD、GMD、R0.25、D是反映土壤团聚体大小分布状况与稳定性的重要指标，MWD、GMD、R0.25值越高，D值越小，表明团聚体的平均粒径团聚度越高，土壤越具有良好的结构，稳定性越强[27,32]。从表 1可知，团聚体的回收率介于98%～100%之间，相比于对照组，添加水稻秸秆后不同培养时期的试验组水稳性团聚体的平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、R0.25值显著增加，分形维数（D）值显著减小（P＜0.05）。培养到120 d时，试验组的MWD、GMD、R0.25值分别比对照组增加了21.5%、34.3%、21.3%，D值减小2%，试验组不同培养天数的MWD、GMD、R0.25差异也很显著，D值变化不是很显著，团聚体稳定性指标以培养120 d后的效果最好。这与侯晓娜等[27]的研究结果一致，侯晓娜等通过研究玉米秸秆添加对砂姜黑土团聚体稳定性的影响，结果表明秸秆添加显著增加了 MWD、GMD、R0.25值，降低了D值。

表1 水稻秸秆添加对团聚体稳定性指标的影响Table 1 Effects of rice straw on aggregate stability index

2.3 水稻秸秆添加对砂浆黑土各粒级水稳性团聚体有机碳、有机碳贡献率及丰度值的影响

2.3.1 对砂姜黑土全土及各粒级水稳性团聚体有机碳含量的影响

植物残体作为土壤有机碳的主要来源，含有多种营养元素，直接添加后，可提升土壤微生物的数量和活性，促进土壤有机碳的积累[16]。与对照组相比，添加秸秆处理后的试验组全土及不同粒级团聚体有机碳含量均显著增加(P＜0.05)，不同粒级团聚体有机碳含量分布存在明显差异(表2)。随着培养时间的延长对照组与试验组全土有机碳含量均在减少，有机碳的回收率介于96%～104%之间，培养到120 d时试验组全土有机碳含量仍然高于对照组有机碳含量。团聚体有机碳含量分布情况呈现出相同的趋势，水稳性微团聚体有机碳含量均高于大团聚体有机碳含量，且随着培养时间的延长，各粒级团聚体有机碳含量整体均在减少，微团聚有机碳含量的增加幅度大于大团聚体的增加幅度。其中，对照组有机碳主要分布在＞250～53、＜53μm 粒级水稳性微团聚体中，＞2 000μm粒级团聚体有机碳含量最少，显著小于其他 3个粒级团聚体有机碳含量(P＜0.05)。

试验组培养到15 d时，对于团聚体有机碳的分配比例而言，＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm 粒级团聚体有机碳质量分数分别比对照组增加了 21.4%、25.4%、34.7%、50.0%。不同培养时期，在4种粒级团聚体中，水稳性团聚体有机碳的分布由高到低的顺序均为＞250～53、＜53、2 000～250、＞2 000μm，微团聚体有机碳含量相对较高，秸秆添加对砂姜黑土水稳性微团聚体有机碳增加幅度明显大于水稳性大团聚体。

表2 不同培养时期全土和不同粒级团聚体有机碳质量分数Table 2 Concentration of organic carbon in bulk soil and soil aggregates in different size fraction under different incubation period g·kg-1

2.3.2 砂姜黑土不同粒级水稳性团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

从表 3可知，不同粒级团聚体有机碳贡献率与团聚体含量分布规律相似，其中以2 000～250μm粒级团聚体有机碳贡献率最高，＞250～53与＜53μm粒级团聚体有机碳贡献率居中，差异不是很显著，＞2 000μm团聚体有机碳贡献率最低。虽然＞250～53与＜53μm粒级团聚体有机碳含量相对比较高，但确以2 000～250μm粒级团聚体有机碳贡献率最高，分析原因主要是2 000～250μm粒级团聚体分配比例最高，而微团聚体在团聚体中分配比例相对较低所致。

与对照组相比，添加水稻秸秆后的试验组＞2000与2 000～250μm 粒级团聚体有机碳贡献率显著增加，＞250～53与＜53μm 粒级团聚体有机碳贡献率显著减小（P＜0.05）。这可能是添加秸秆后促进了微团聚体向大团聚体的团聚，大团聚体分配比例显著增加的结果。

表3 不同粒级水稳性团聚体中有机碳对土壤有机碳的贡献率Table 3 Contributing rates of water-stable aggregates carbon of different grain size to soil organic carbon %

2.3.3 砂姜黑土不同粒级团聚体δ13C值的动态变化

土壤有机碳的δ13C值受进入土壤中有机物料的种类影响，δ13C方法不但可以研究原SOC的周转，还可以示踪进入到土壤中外源新碳的变化[33]。对照组 4种不同粒级团聚体有机碳的δ13C值介于-22.08‰至-23.52‰之间，而与对照组相比，试验组不同粒级团聚体有机碳的 δ13C值明显提高，δ13C值动态变化很大（图2）。说明添加水稻秸秆后，进入到土壤中的外源新碳的周转速度很快。从培养15 d到120 d时，对照组不同粒级团聚体δ13C值动态变化很小，表明原土壤有机碳的周转速率比较慢，降解程度比较接近。

试验组培养到15 d时，不同粒级团聚体的δ13C值递减顺序为：250～53、＜53、＞2 000、2 000～250μm。随着培养时间的延长，到60 d时，4种粒级的团聚体δ13C下降幅度都很大，下降幅度分别为27.8%、24.6%、30.9%、73.8%，总体上大团聚体的下降幅度大于微团聚体。培养到60 d后，＞250～53、＜53μm粒级团聚体δ13C值整体趋势一直还在减小，＞2000、2 000～250μm粒级团聚体δ13C值整体趋势是微弱增加，但总体变化趋势渐趋平缓。这主要原因是试验组添加的是粉碎过0.25 mm筛的秸秆，前期微团聚体中含有较多的外源秸秆，δ13C值比较大，而随着培养时间的延长，水稻秸秆在＞250～53、＜53μm粒级的腐解残留量逐渐减少，含有δ13C的有机物不断被分解，从而使＞250～53、＜53μm粒级团聚体的δ13C值一直减小，含有 δ13C有机物的微团聚体不断向＞2 000、2 000～250μm粒级大团聚体中聚集，从而造成＞2 000、2 000～250μm粒级团聚体δ13C值在60 d后有微弱增大的趋势。

图2 添加水稻秸秆后不同粒级团聚体δ13C值的动态变化Fig.2 Dynamics of δ13C value in different soil aggregate fractions with rice straw treatment

2.3.4 对砂姜黑土各粒级水稳性团聚体外源新碳及原有机碳的影响

培养结束后土壤团聚体有机碳可分为外源新碳和原有机碳，因采用传统的差减法不能精确的获得土壤固定的外源新碳数量，为此本文采用δ13C自然丰度法计算各粒级团聚体固定的外源新碳量。从表 4可知，来自水稻秸秆的外源新碳的分布规律与不同粒级团聚体的δ13C值的动态变化规律一致，分配递减顺序为＞250～53、＜53、＞2 000、2 000～250μm，表明外源新碳主要分配进入到微团聚体中。培养到15 d时外源新碳分配进入到＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm粒级团聚体中的比例分别为19%、15%、38%、28%，微团聚体中外源新碳的分配比例明显高于大团聚体。随着培养时间的延长，外源新碳在各粒级团聚体中分布量均逐渐减少，到120 d时，＞2 000、＞250～53、＜53μm 粒级团聚体外源新碳较60 d时下降幅度分别为5.5%、24.6%、10%，2 000～250μm粒级外源新碳有微弱增加，总体上外源新碳在大团聚体中的下降速度小于微团聚体，逐渐趋于稳定，说明水稻秸秆加入土壤培养一段时间后，由于生物、化学、环境等因素的影响，水稳性大团聚体中初期不稳定新有机碳更快更容易分解，120 d时已经快降解完，微团聚体中的初期新有机碳相对比较稳定，还在逐步分解。培养到120 d时，方差分析进一步表明，与不同粒级外源新碳残留量相比，土壤中原有机碳残留量与初始量差别不大，说明新进入土壤中的有机碳分解转化很快，而土壤中原有机碳降解较慢。水稻秸秆的添加促进了砂姜黑土及各粒级团聚体有机碳的累积，提升了土壤碳水平，而且对原水稳性大团聚体有机碳的分解影响程度整体强于微团聚体。

表4 不同粒级土壤团聚体有机碳的来源Table 4 Source of organic carbon in soil aggregates different in size fraction g·kg-1

2.4 砂姜黑土不同粒级团聚体有机碳与团聚体稳定性指标之间的相关分析

土壤有机碳是影响土壤团聚结构的最重要因素之一，研究表明，SOC与水稳性团聚体关系密切，外源新碳的加入，是SOC的重要来源，促进了团聚体的团聚与水稳性团聚体的稳定[34-35]。为了进一步明确砂姜黑土各粒级团聚体有机碳与团聚体稳定性指标之间的相关关系，本文对培养120 d后不同粒级团聚体有机碳与团聚体稳定性之间的关系进行了回归分析。由表5可知，＞2 000、2 000～250、＞250～53μm粒级团聚体有机碳与团聚体D值呈显著负相关关系（P＜0.05），＜53μm粒级团聚体有机碳与D值关系不显著，MWD、GMD、R0.25与2 000～250、＞250～53μm粒级团聚体有机碳呈极显著正相关关系（P＜0.01），与＞2 000μm粒级团聚体有机碳呈显著正相关关系（P＜0.05）、与＜53μm粒级团聚体有机碳关系不显著，说明团聚体稳定性与团聚体有机碳关系密切，较大粒级水稳性团聚体有机碳含量越高，水稳性大团聚体含量越高，团聚体稳定性越高，砂浆黑土结构和有机碳稳定性越高。总体来看大团聚体有机碳对团聚体的稳定性影响最为显著。外源新碳的加入，是SOC的重要来源，促进了水稳性大团聚体的团聚与团聚体的稳定，提高了土壤及不同粒级团聚体有机碳含量，改善了土壤性状。

表5 不同粒级团聚体有机碳与团聚体稳定性指标之间的相关分析Table 5 Correlation between different aggregate -associated carbon and aggregate stability index

3 讨 论

3.1 水稻秸秆添加对不同培养时期水稳性团聚体分布及稳定性的影响

土壤有机碳是土壤团聚体的主要胶结剂，对土壤团聚体的数量和大小分布有重要影响。秸秆还田增加了土壤有机物料的投入，其转化形成的腐殖质在团聚体形成过程中作为重要的胶结物质有利于大团聚体的形成，能够显著增加土壤大团聚体的含量及其稳定性[36-37]。在本研究中，添加水稻秸秆后，通过土壤微生物和酶进行腐解，从而使砂姜黑土试验组水稳性团聚体发生了显著变化，＞2 000和2 000～250μm水稳性团聚体含量都呈显著增加趋势，＞250～53和＜53μm水稳性微团聚体都显著减少（P＜0.05），培养到120 d的时候，＞2 000、2 000～250μm粒级团聚体分别比对照组增加了265.5%、16.0%，＞250～53、＜53μm 粒级团聚体分别比对照组减少了26.0%、20.7%，水稳性大团聚体质量分数达到63.28%，成为优势粒级。说明水稻秸秆分解产生如多糖、蛋白质、木质素等不同种类的有机质以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，这些土壤中重要的有机胶结物质对大团聚体的形成及稳定产生了积极影响，促进进了砂姜黑土微团聚体向大团聚体团聚。这与顾鑫等的研究结果相似，顾鑫和侯晓娜分别研究了室内模拟情况下添加玉米秸秆对棕壤团聚体和砂姜黑土团聚体组成的影响，结果表明添加玉米秸秆不但显著增加＞250μm 粒级团聚体含量，还使其＜250μm团聚体含量降低[20,32]。本研究发现培养到120 d时，不添加水稻秸秆的对照组，也存在微弱的大团聚体增加和微团聚体减少的现象，但变化幅度很小，分析原因可能是砂姜黑土粘粉粒含量达到 70%，在未扰动及温湿度适宜的情况下，自身存在微弱的团聚作用。

试验组不同培养时间稳定性指标MWD、GMD、R0.25值都显著大于对照组，分形维数（D）显著小于对照组（P＜0.05），而且，MWD、GMD和R0.25之间均呈极显著相关关系（P＜0.01），并且三者均与分形维数D呈显著负相关关系（P＜0.05），表明 MWD、GMD、R0.25和分形维数D均可以用来表征土壤团聚体稳定性，且其在表征团聚体稳定性的过程中具有一致性。表明水稻秸秆添加后，改变了砂姜黑土水稳性团聚体的分布情况，显著增加了水稳性大团聚体含量，提高了砂浆黑土团聚体稳定性和抗侵蚀能力，增强土壤结构的稳定性。这与顾鑫等的研究结果一致，顾鑫和侯晓娜表明添加玉米秸秆可以提高土壤团聚体的稳定性，改善土壤结构[20,32]。

3.2 水稻秸秆添加对有机碳在不同粒级团聚体中的分布规律及稳定性的影响

土壤团聚体对土壤固碳具有重要意义。已有研究表明，土壤团聚体有机碳在不同粒级团聚体中的分配比例存在差异，产生的可能原因是外源新碳在团聚体的分配受培养条件、土壤及物料类型等因素影响而有所差异[20,27]。从表 2可知，添加水稻秸秆的试验组不同培养时期的全土及水稳性团聚体有机碳含量均显著高于对照组(P＜0.05)，在 4种粒级团聚体中，水稳性团聚体新有机碳的分布递减顺序均为＞250～53、＜53、2 000～250、＞2 000μm，微团聚体有机碳含量明显高于大团聚体。这与尹云锋等的研究结果一致，尹云锋等利用δ13C示踪法研究水稻秸秆添加对红壤团聚体有机碳的影响表明，培养到112 d时外源新碳主要分配在微团聚体中，微团聚体有机碳浓度高于大团聚体[21]。本研究最终表明水稻秸秆添加对砂姜黑土各个粒级团聚体有机碳含量均有提高作用，且对微团聚体有机碳的提高幅度明显大于大团聚体。分析原因可能为添加的水稻秸秆是粉碎过0.25 mm筛，以往室内研究添加的秸秆粉碎多在1～2 mm，秸秆越细，越容易为微生物利用，从而加快促进微生物分泌胶结剂，而且砂姜黑土是以蒙脱石为主的2:1型黏土矿物，具有较高的永久表面电荷和较大的比表面积，可以将外源有机碳吸附到细小黏土矿物晶层表面或者嵌插到里面，所以有利于砂姜黑土微团聚体有机碳的提高与固定[20,38]。但是由于砂姜黑土添加水稻秸秆后，水稳性微团聚体向大团聚体团聚，水稳性大团聚体的分配比例显著提高，微团聚体分配分配比例下降，所以导致水稳性大团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率大于微团聚体有机碳，大团聚体有机碳贡献率显著提高。

添加水稻秸秆后，试验组不同粒级团聚体δ13C值都显著增加(P＜0.05)，不同培养时期δ13C值动态变化幅度很大，而对照组不同粒级团聚体δ13C值变化幅度很小，说明外源新碳加入砂姜黑土后，周转速率很快，而土壤中的原有机碳转换很慢。来自水稻秸秆的外源新碳的分配递减顺序一直为＞250～53、＜53、＞2 000、2000～250μm，培养到 120 d时外源新碳进入到＞2000、2 000～250、＞250～53、＜53μm粒级团聚体中的比例分别为22.4%、10.9%、37.5%、29.2%，表明外源新碳主要分配进入到微团聚体中，分配比例达到了67%。Chaney等以及Tisdall等[39-40]指出，由于微团聚体固持的碳受到物理保护并具有生物化学抵抗性而不易分解，微团聚体有机碳在土壤中更持久稳定，所以砂姜黑土中添加水稻秸秆在提高土壤有机碳的同时，更有利于提高土壤有机碳的固持能力。到 60 d 时，＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm 粒级团聚体外源新碳较15 d时下降幅度分别为31.5%、61.3%、28.2%、36.2%，大团聚体新有机碳前60 d分解速度快于微团聚体，60 d后大团聚体不稳定新有机碳已经快分解完，微团聚新有机碳还在逐步分解，说明水稻秸秆加入土壤培养一段时间后，由于生物、化学、环境等因素的影响，水稳性大团聚体中初期不稳定新有机碳活性相对较高，稳定性较低，更快更容易分解，初期微团聚体新有机碳比大团聚体新有机碳稳定。同时方差分析进一步表明，与外源新碳周转速率相比，土壤中原有机碳分解速率相对比较慢，说明水稻秸秆的添加促进了砂姜黑土各粒级团聚体有机碳的累积，而且对原水稳性大团聚体有机碳的分解速率影响程度整体强于微团聚体。这与尹云锋等[21,41]的研究相似，尹云锋等发现水稻秸秆中新有机碳在不同粒级团聚体中的动态分布并不一致，培养到112 d时候主要分配在微团聚体中，水稻秸秆添加显著促进了大团聚体中原有机碳的分解，对微团聚体影响并不显著。王金达等研究表明新进入土壤中的外源新碳转化较快,而土壤中固有的原有机碳转化较慢,添加有机物料可以增加土壤中原有机碳的固定。

4 结 论

1）未添加水稻秸秆的砂姜黑土，水稳性微团聚体（＜250μm）占主体，＞2 000μm粒级水稳性团聚体含量较少，团聚体的平均质量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）、R0.25值相对比较小，D值比较大，团聚体的团聚能力和结构较差，土壤有机碳量含量低。随着培养时间的延长，不同粒级团聚体δ13C值动态变化很小，微团聚体有机碳贡献率大于大团聚体。

2）砂姜黑土添加水稻秸秆后，加速了水稳性微团聚体向水稳性大团聚体（＞250μm）的团聚，使得大团聚体占主体，显著提高了砂浆黑土水稳性团聚体的 MWD、GMD、R0.25值，降低了D值，土壤结构和稳定性明显得到改善，各粒级团聚体有机碳含量也显著得到提高，微团聚体有机碳含量大于大团聚体，提高了大团聚体有机碳贡献率，团聚体有机碳固持能力得到提升。

3）外源新碳主要分配固持在微团聚体中，分配比例达到67%，添加水稻秸秆后不同粒级团聚体δ13C值动态变化很明显，微团聚体δ13C值大于大团聚体δ13C值，外源新碳周转速率比较快，初期大团聚体外源新碳分解速度快于微团聚体，而原有机碳转化较慢，砂浆黑土团聚体稳定性指标与团聚体有机碳关系密切。水稻秸秆添加显著促进了土壤及各粒级团聚体有机碳的累积，提高土壤碳水平，改善了土壤性状。

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Change law of organic carbon in lime concretion black soil aggregates with application of straw by δ13C method

Liu Zhe1,2, Han Jichang1,2※, Sun Zenghui1,2, Zhang Weihua1,2, Yu Zhenghong3, Hou Ying1,2
(1.Shaanxi Provincal Land Engineering Construction Group, Xi′an710075, China;2.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, the Ministry of Land and Resources of China, Xi′an710075, China;3.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences, Nanjing210008, China)

Straw application is an essential measure for improving soil organic carbon (SOC) content, promoting soil aggregate formation and improving soil structure. In order to study the effects of application of rice straw with stable carbon isotope(δ13C) on distribution and stability of water-stable aggregates of lime concretion black soil, and explore the dynamic variation and distribution of native soil organic carbon and fresh carbon in soil water-stable aggregates during straw decomposition, the rice straw spiked with the natural abundance of13C was incorporated with the lime concretion black soil. This experiment was conducted in a constant-temperature incubator indoor for 4 month, which used isotope tracer technique of the natural abundance of13C. The experiment included 2 treatments: CK (no straw) and Str (added with 1% straw); all samples were separated into 4 aggregate-size classes (＞2000, 250-2000, 53-＞250, ＜53μm) by wet sieving in the different incubation period,while organic carbon in bulk soil and soil aggregates in different size fraction were determined. The results showed that the content of microaggregates (＜250μm) in lime concretion black soil without rice straw was the highest, and the concentrations of organic carbon in various aggregates were lower than that with 1% straw. Compared with the control, the application of rice straw in lime concretion black soil not only significantly promoted the formation of ＞2000 and 250-2000μm soil water-stable macroaggregates (P＜0.05), but also increased the mean weight diameter (MWD), geometric mean diameter (GMD) and macroaggregate content (R0.25) of water-table aggregates. Also, the value of fractal dimension in straw treatments was lower than the control. Specifically, MWD, GMD andR0.25value of aggregates of the straw treatments increased by 21.5%, 34.3%and 21.3% compared with the CK, respectively. And the fractal dimension value of straw treatments decreased by 2%compared with that of CK. After 120 days of incubation, ＞2000 and 250-2000μm soil water-stable macroaggregates increased by 265.5% and 16.0% respectively, while the content of macroaggregates (＞250μm) became the highest, accounting for 63.28%. Consequently, application of rice straw was beneficial to the improvement of soil structure. The concentrations of organic carbon in different levels of aggregates were significantly (P＜0.05) increased after additions of rice straw and the organic carbon contents in ＞2000, 250-2000, 53-＞250, and ＜53μm aggregates were increased by 21.4%, 25.4%, 34.7%, and 50.0% compared with the control after 15 days of incubation. There is a most significant relationship between the GMD,MWD,R0.25value and the concentrations of organic carbon in 250-2000 and 53-＞250μm aggregates (P＜0.01), and a significant relationship between the GMD, MWD,R0.25value and the concentrations of organic carbon of ＞2000μm aggregates (P＜0.05). The dynamic variation of δ13C in soil water-stable aggregates was significant and the content of δ13C in soil water-stable aggregates improved significantly (P＜0.05), which showed that the turnover rate of fresh carbon was faster.The fresh carbon supplied by rice straw was mainly in the 53-＞250 and ＜53μm fraction of soil aggregates, making up 38%and 28% of the total, respectively. The result shows that the addition of rice straw can improve soil structure, and increase soil organic carbon content in all sizes of aggregates, which provide theory basis for soil quality improvement and organic carbon recycle in North China.

soils; organic carbon; straw; δ13C; lime concretion black soil; soil water-stability aggregate

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.025

S152.4；S153.6+2

A

1002-6819(2017)-14-0179-09

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doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.025 http://www.tcsae.org

2017-01-03

2017-07-10

国家科技支撑计划课题（2014BAL01B01）；国土资源部公益性行业科研专项（201411008-3）；陕西省重点科技创新团队计划项目（2016KCT-23）

刘 哲，男，工程师，研究方向为土壤结构和土壤碳循环。西安陕西省土地工程建设集团，710075。Email：liuzhe168@126.com

※通信作者：韩霁昌，男，研究员，博士，主要研究方向为土地工程及土地资源利用。西安 陕西省土地工程建设集团，710075。

Email：zenghuisun@cau.edu.cn