2024, Vol. 45
, YIN Hao-kai
, HU Xue-chun
, XIE Wen-yan
, LIU Zhi-ping
, ZHOU Huai-ping
, YANG Zhen-xing
中国是世界上重要的农业大国, 秸秆资源丰富, 在过去60多年间快速递增, 仅三大粮食作物的秸秆总产量已达到每年6.5亿t[1], 大量的农业秸秆将成为主要的农业固体废弃物, 秸秆的出路问题已经成为目前我国农村地区急需解决的一大难题. 由农作物产生的秸秆等农业废弃物被认为是农田土壤有机碳的最大来源, 秸秆的资源化利用有利于提高农业和环境可持续发展[2~6]. 土壤有机碳是衡量土壤肥力和质量的重要指标之一, 同时土壤有机碳在调节气候变化中也扮演着重要角色[7, 8]. 土壤有机碳数量及其品质取决于输入到土壤中的有机物料数量和种类, 还取决于微生物主导的有机碳的分解和积累过程[2]. 土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程, 直接关系到土壤中养分元素的释放与供应、温室气体的形成以及土壤质量的保持等[7]. 在农田生态系统中, 土壤有机碳矿化主要受人为活动、土壤特性和环境条件等的影响, 尤其是对温度变化响应非常敏感. 目前, 关于秸秆还田对土壤碳库及土壤碳矿化影响的研究已经较多, 主要集中在秸秆与耕作结合[3, 9~12]、秸秆还田量[2]和秸秆与化肥配施[5, 13~17]等对土壤有机碳含量、碳库管理指数和碳矿化特征等的影响. 但是, 不同研究者得到的研究结果不尽相同, 吴萌等[14]研究结果表明秸秆还田配施化肥提高了土壤有机碳的累积矿化量, 马欣等[15]研究结果表明秸秆还田配施化肥显著降低了土壤原有有机碳累积矿化率；有研究认为温度升高会加速有机碳的矿化[16], 也有研究指出升温对土壤有机碳矿化没有影响[17]. 因此, 针对特定的生产区域结合区域资源环境特征进行深入研究十分有必要.
褐土作为我国主要土壤类型之一, 总面积约2 516×104 hm2, 该地区是我国小麦和玉米主产区之一, 作物秸秆资源十分丰富[18]. 在过去30余年中, 春玉米连作体系中玉米秸秆“直接还田”、“覆盖还田”、“过腹还田”等不同秸秆还田模式在褐土区广泛应用, 但是鲜有研究深入理解关于长期不同秸秆还田模式下褐土土壤有机碳矿化过程的问题, 对有机碳矿化的温度敏感性也鲜见详细报道. 为此, 本文以褐土区春玉米田为研究对象, 基于农业农村部寿阳野外科学观测试验站长期（1992~2021年）不同秸秆还田模式定位试验, 采用不同温度（15、25和35℃）对土壤样品进行室内培养, 探讨长期不同秸秆还田模式下土壤有机碳矿化特征、有机碳矿化的温度敏感性及其主要驱动因子, 以期为典型褐土区域秸秆还田措施优化、农田培肥和固碳减排等提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况秸秆还田长期定位试验在山西省寿阳县宗艾村北坪（37°58′N, 113°06′E）旱塬地上进行, 试验地海拔1 130 m, 年均气温7.4℃, 无霜期约130 d, 年均降水量501.1 mm, 70%左右的降水集中在6~9月, 属暖温带半湿润偏旱区. 试验地块平坦, 土层深厚, 供试土壤为褐土.
1.2 试验设计供试作物为春玉米, 试验开始于1992年, 截至2021年历时30 a, 试验小区面积54 m2, 无重复. 按照等碳量还田共设置4个处理, 分别为：①秸秆覆盖还田（SM）；②秸秆粉碎直接还田（SC）；③秸秆过腹还田（CM）；④秸秆不还田（CK）. 化肥秋季施用是结合秋季深耕翻地进行化肥条施或全耕层深施（深度20 cm）, 生育期内不再追肥. SM处理是每年5月下旬, 将前茬全部玉米秸秆均匀覆盖地表, 当季玉米收获后, 再将未腐解秸秆深翻还田；SC处理是当季玉米收获后, 直接将秸秆铡碎（长15 cm）结合深耕还田；CM处理是将前茬玉米秸秆（与SM和SC处理秸秆等量）喂牛, 将产生的牛粪腐熟, 在当季玉米收获后均匀撒施并深翻还田. 每个处理具体化肥施用量和秸秆还田量详见表 1.
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表 1 长期秸秆还田试验设计 Table 1 Long-term straw returning test design |
1.3 土壤样品采集
土壤样品于2021年10月作物收获后采集. 用直径5 cm的土钻在每个小区以“S”形取5个点的土壤（0~20 cm）, 混合为1个样品, 每个小区取5份样, 去除动植物残体和砂石等可见物, 充分混匀后分为两份, 一份置于阴凉处, 待其自然风干后, 过筛保存, 用于土壤总有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳等土壤基本理化性状的测定；另一份装入具有冰袋的保温箱内带回实验室, 冷藏于4℃冰箱中, 测定前过2 mm筛, 用于矿化培养及土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳和土壤胞外酶的测定.
1.4 土壤样品测定土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定[19]；土壤易氧化有机碳（ROC）采用高锰酸钾氧化法测定[20]；土壤可溶性有机碳（DOC）用去离子水浸提, TOC全自动分析仪测定[21]；土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸法测定[22].
土壤有机碳矿化培养：称取50 g过2 mm筛的鲜土, 调节至田间持水量的60%, 装入250 mL培养瓶中, 称重记录, 置于恒温培养箱中25℃温度下预培养10 d. 培养开始前调节水分, 瓶中放入10 mL 0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液吸收CO2, 分别放于15、25和35℃培养箱黑暗培养40 d, 分别在培养的1、3、6、10、15、20、25、30、35和40 d取出并更换氢氧化钠溶液, 加水调节含水量. 将氢氧化钠溶液取出, 倒入锥形瓶内并用蒸馏水冲洗3次, 加入2 mL mol·L-1的氯化钡溶液, 滴入2滴酚酞指示剂, 用0.1 mol·L-1标准盐酸滴定, 每个处理设置3个重复, 并设置无土空白对照.
1.5 数据计算根据式（1）~（5）进行碳素有效率及土壤碳库管理指数的计算[23].
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(1) |
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(3) |
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(4) |
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(5) |
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(6) |
式中, V空白和V样品分别为空白和土壤样品HCl用量（mL）；cHCl = 0.1 mol·L-1；m = 0.05 kg；2为转换系数.
温度系数（Q10）为温度每升高10℃, 土壤有机碳矿化速率增加的倍数, 按以下公式计算：
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(7) |
式中, KT和KT+10分别为温度T℃和（T+10）℃时的土壤有机碳矿化速率.
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土壤有机碳的矿化采用一级动力学方程模拟：
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(8) |
式中, C0为土壤潜在可矿化有机碳量（mg·kg-1）, Ct为培养时间t（d）内的累积矿化量, t为培养时间（d）, k为生物活性有机碳库的周转速率常数（d-1）, 半周转期T1/2 = ln（2/k）.
1.6 数据处理用Excel 2019进行数据整理, 采用SPSS Statistics 26.0进行方差分析以及相关性分析, Duncan进行多重比较；Origin Pro 2021进行图表制作, Sigmaplot 14.0进行一级动力学方程拟合；使用R软件中“lavaan”包构建结构方程模型（SEM）, 以分析温度与有机碳组分影响下酶活性和有机碳累积矿化量的综合影响.
2 结果与分析 2.1 有机碳库及酶活性差异从表 2可以看出, 与CK相比, 秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）和秸秆过腹还田（CM）处理的土壤总有机碳含量分别显著提高了16.06%、22.13%和45.41%（P＜0.05）, 秸秆过腹还田（CM）处理较秸秆覆盖还田（SM）和秸秆粉碎直接还田（SC）显著提高了25.30%和19.06%（P＜0.05）. 说明秸秆还田处理均有利于土壤总有机碳的积累, 且秸秆过腹还田（CM）的土壤有机碳积累效果高于秸秆覆盖还田（SM）和秸秆粉碎直接还田（SC）.
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表 2 长期不同秸秆还田对土壤SOC、ROC、POC、DOC和MBC含量的影响1） Table 2 Effects of long-term straw returning on SOC, ROC, POC, DOC, and MBC contents in soil |
秸秆粉碎直接还田（SC）和秸秆过腹还田（CM）对土壤易氧化有机碳含量的提高效果显著, 分别较CK显著提高了25.75%和154.08%（P＜0.05）, 秸秆过腹还田（CM）处理的土壤易氧化有机碳含量是秸秆粉碎直接还田（SC）的2.02倍, 二者差异显著（P＜0.05）. 秸秆覆盖还田（SM）处理显著降低了土壤中易氧化有机碳含量, 较CK下降20.17%（P＜0.05）.
秸秆粉碎直接还田（SC）和秸秆过腹还田（CM）显著提高了土壤颗粒有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量（P＜0.05）. 秸秆覆盖还田（SM）处理提高效果不显著（P > 0.05）. SC和CM处理土壤颗粒有机碳含量分别较CK显著提高了38.68%和123.58%（P＜0.05）；SC和CM处理土壤可溶性有机碳含量分别较CK显著提高了86.79%和111.32%（P＜0.05）；SC和CM处理土壤微生物量碳含量分别较CK显著提高了114.58%和118.58%（P＜0.05）.
由表 3可以看出, 秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）处理和秸秆过腹还田（CM）处理的土壤稳态碳含量比CK处理分别显著增加了21.49%、21.49%和28.51%（P＜0.05）. 秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）和秸秆过腹还田（CM）处理土壤的碳库指数较CK分别显著增加了16.16%、22.35%和45.70%（P＜0.05）. 与CK相比, 秸秆覆盖还田（SM）显著降低了土壤碳库活度33.96%, 秸秆过腹还田（CM）显著提升了土壤碳库活度97.80%（P＜0.05）. 秸秆覆盖还田（SM）处理土壤碳库活度指数较CK显著降低了33.99%（P＜0.05）, 秸秆过腹还田（CM）处理土壤碳库活度较秸秆粉碎直接还田（SC）显著增加了92.23%（P＜0.05）. 秸秆过腹还田（CM）处理土壤碳库管理指数较秸秆覆盖还田（SM）和秸秆粉碎直接还田（SC）显著增加了275.58%和127.60%（P＜0.05）. 秸秆粉碎直接还田（SC）处理的土壤碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数与CK相比无显著差异（P > 0.05）.
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表 3 长期不同秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响1） Table 3 Effects of long-term straw returning on soil carbon pool management index |
不同秸秆还田方式显著增加了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和纤维二糖水解酶（CBH）活性, 对β-1,4-木糖苷酶（βX）的活性无显著影响（表 4）.
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表 4 长期不同秸秆还田对土壤酶活性的影响1） Table 4 Effects of different straw returning to field for a long time on soil enzyme activity |
秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）处理和秸秆过腹还田（CM）处理显著提高了土壤中β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）的活性, 分别较CK显著提高了35.64%、95.59%和190.68%（P＜0.05）, 秸秆过腹还田（CM）处理下β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）的活性是秸秆覆盖还田（SM）处理的2.14倍, 是秸秆粉碎直接还田（SC）处理的1.49倍. 秸秆覆盖还田（SM）、秸秆粉碎直接还田（SC）处理和秸秆过腹还田（CM）处理土壤中纤维二糖水解酶（CBH）的活性, 分别较CK显著增加了41.99%、58.63%和45.61%（P＜0.05）.
2.2 土壤有机碳矿化速率和累积矿化量土壤有机碳矿化速率即土壤每天CO2的排放量, 分别将15、25和35℃条件下不同秸秆还田模式的有机碳矿化速率变化情况绘制如图 1. 从中可知, 不同秸秆还田方式处理土壤有机碳矿化速率在各温度条件下总体上均呈下降趋势, 根据其降幅可分为3个阶段：1~10 d（培养初期）迅速减小, 为有机碳快速矿化阶段；10~25 d（培养中期）缓慢下降, 为有机碳缓慢矿化阶段；25~40 d（培养后期）趋于稳定, 为相对稳定阶段. 在15℃下, 不同秸秆还田方式处理矿化速率在13.20~39.60 mg·（kg·d）-1之间；25℃下, 矿化速率在17.01~60.13 mg·（kg·d）-1之间；35℃下, 矿化速率在20.24~92.40 mg·（kg·d）-1之间. 由此可知, 在15、25和35℃这3个温度下, 温度每升高10℃, 矿化速率约提升7.99 mg·（kg·d）-1.
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图 1 长期不同秸秆还田下土壤有机碳矿化速率的动态变化 Fig. 1 Dynamic changes in soil organic carbon mineralization rate under long-term straw returning |
从40 d培养的平均值看, CM处理在15℃下其土壤有机碳矿化速率为24.90 mg·（kg·d）-1, 分别是SC、SM和CK处理的1.23、1.32和1.45倍, 在25℃下为31.98 mg·（kg·d）-1, 分别是SC、SM和CK处理的1.21、1.31和1.45倍, 在35℃下为44.77 mg·（kg·d）-1, 分别是SC、SM和CK处理的1.20、1.36和1.48倍. 在3个培养温度下, 秸秆还田各处理土壤有机碳矿化速率均表现为：CM > SC > SM > CK.
土壤有机碳矿化温度系数如表 5所示, Q10有效反映土壤有机碳矿化对温度变化的响应程度, Q10越大表示对温度变化越敏感. 结果表明, 土壤有机碳的矿化对温度的响应在不同温度下有明显的差异, 温度从15℃增至25℃, Q10值为1.28~1.30, 从25℃增至35℃, Q10值为1.35~1.41, 表明在温度较高下土壤有机碳的矿化对温度的敏感性较高. Q10（15~25℃）不同处理对温度变化的响应程度基本一致, SM和SC处理较CM敏感性高, 而Q10（25~35℃）由高到低顺序为：SC > CM > CK > SM, 表明CK与SM对温度的响应程度较低, 而SC与CM对温度的响应程度较高.
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表 5 长期不同秸秆还田下土壤有机碳矿化的温度系数 Table 5 Temperature coefficient of soil organic carbon mineralization under different long-term straw returning |
不同秸秆还田处理有机碳累积矿化量变化情况如图 2, 随着培养时间的延长, 不同温度下有机碳矿化累积量逐渐增加. 恒温培养40 d后, 15℃下, 累积矿化量达到628.03~900.83 mg·kg-1；25℃下, 累积矿化量达到790.68~1 139.75 mg·kg-1；35℃下, 累积矿化量达到1 012.00~1 513.60 mg·kg-1. 平均来看, 4种秸秆还田措施土壤在温度升高条件下, 均显著提升了有机碳的累积矿化量, 25℃和35℃的矿化量分别是15℃的1.27倍和1.74倍.
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图 2 长期不同秸秆还田下土壤有机碳累积矿化量的动态变化 Fig. 2 Dynamic changes in soil organic carbon accumulative mineralization under different straw returning for a long time |
不同培养温度下, 不同秸秆还田处理土壤有机碳累积矿化量差异同样表现为：CM > SC > SM > CK. 秸秆还田各处理较CK处理均显著提高了土壤有机碳累积矿化量, 增幅分别为：20.7%~73.5%（15℃）、17.5%~69.7%（25℃）和12.7%~54.0%（35℃）, 均以CM处理提升效果最显著.
土壤有机碳累积矿化率是指培养时间内土壤有机碳矿化的量占总有机碳比例. 相比于累积矿化量, 累积矿化率不仅能够说明土壤有机碳矿化数量的大小, 而且能够反映土壤有机碳的相对稳定性和土壤固碳能力的强弱, 并且此比例越低, 土壤的固碳能力则越强, 如若该比例越高, 则固碳能力越弱. 如图 3所示, 培养40 d后, 随着温度的升高, 累积矿化率均有所升高. 说明温度升高会使土壤的固碳能力降低. 低温（15℃）下, 秸秆还田措施能够降低土壤有机碳的累积矿化率, 但差异不显著（P > 0.05）, SM、SC和CM与CK相比, 分别降低了5.28%、2.50%和1.39%；中温（25℃）下, SM与CK相比, 显著降低了5.74%（P＜0.05）, SC和CM与CK相比, 分别降低了1.99%和0.89%, 但差异不显著（P > 0.05）；高温（35℃）下, 秸秆还田措施会提高土壤有机碳的累积矿化率, 与CK相比, SM、SC和CM处理分别提高了8.96%、9.14%和6.03%, 但差异不显著（P > 0.05）.
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不同小写字母表示同一温度下不同处理间显著差异（P＜0.05） 图 3 长期不同秸秆还田下土壤有机碳的累积矿化率 Fig. 3 Cumulative mineralization rate of soil organic carbon under long-term straw returning |
对于土壤有机碳累积矿化量随培养时间的变化关系, 利用一级动力学参数方程模拟：Ct = C0×（1-e-kt）, 相关系数R2均在0.99以上, 说明拟合效果较好, 结果如表 6. 根据拟合结果, 15℃下, 土壤潜在矿化碳库C0达1.280~1.687 g·kg-1；25℃下, 土壤潜在矿化碳库C0达1.497~2.252 g·kg-1；35℃下, 土壤潜在矿化碳库C0达1.416~2.084 g·kg-1. 不同秸秆还田处理土壤C0大小：CM > SC > SM > CK. 其中, 不同秸秆还田处理土壤有机碳的潜在矿化碳库C0值均显著高于对照（P＜0.05）, CM、SC和SM处理C0值较CK依次提高了8.14%、24.37%和40.86%, 说明秸秆过腹还田增加了土壤有机碳潜在矿化碳库. 与CK相比, CM处理在15、25和35℃下均能有效提高土壤有机碳库周转速率, 缩短周转时间, 而SM和SC处理仅在25℃表现出缩短碳周转时间的作用.
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表 6 长期不同秸秆还田下土壤有机碳矿化的动力学参数1） Table 6 Dynamic parameters of soil organic carbon mineralization under long-term straw returning |
2.3 有机碳累积矿化总量与土壤性质的关系
利用4个处理不同温度下土壤活性有机碳含量、酶活性与有机碳累积矿化量进行线性拟合发现, R2在0.086 8~0.999 9. 由表 7可以看出, 有机碳累积矿化量随着温度增高而增加, 与土壤SOC、ROC、POC、DOC、MBC含量和BG活性呈显著正相关, 但与土壤βX和CBH活性相关性均不显著. 说明其累积矿化量受土壤SOC、ROC、POC、DOC、MBC含量和BG活性影响较大；与土壤βX和CBH活性没有显著相关性.
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表 7 土壤活性有机碳含量、酶活性与有机碳累积矿化总量的关系1） Table 7 Relationship between soil active organic carbon content, enzyme activity, and cumulative mineralization of organic carbon |
土壤有机碳矿化的结构方程模型（图 4）适配度指标分别为χ2 = 9.23, Df = 9, χ2/Df = 1.026, P = 0.416, GFI = 0.999, CFI = 0.999, RMSEA = 0.027, 可以解释土壤有机碳累积矿化量98%的变异, 其中β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）酶活性对土壤有机碳累积矿化量的影响效果最为显著, 其次为温度和DOC. 从结构方程模型（图 4）中可以看出, 温度可以直接影响土壤有机碳的矿化, 也通过影响土壤DOC和β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）酶活性, 间接影响土壤有机碳累积矿化量. 而SOC主要是通过影响β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）酶活性, 从而间接影响土壤有机碳的矿化.
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SOC表示土壤有机碳, POC表示颗粒有机碳, MBC表示微生物量碳, ROC表示易氧化有机碳, DOC表示土壤可溶性有机碳；实线表示关系显著（P＜0.05）, 虚线表示关系不显著（P>0.05）；箭头旁边的数字代表回归系数；黑色箭头表示关系为正, 红色箭头表示关系为负；箭头的粗细表示回归关系强度；R2表示有关变量的共同解释度 图 4 土壤有机碳累积矿化量结构方程模型 Fig. 4 Structural equation model of soil organic carbon accumulative mineralization |
本研究结果表明, 秸秆还田处理均有利于土壤总有机碳的积累, 且秸秆过腹还田（CM）的土壤有机碳积累效果和碳库管理指数高于秸秆覆盖还田（SM）和秸秆粉碎直接还田（SC）, 这与张鹏等[2]、Li等[24]和朱敏等[25]的研究结果一致. 当有机肥进入土壤后, 不仅可以被土壤中的微生物分解利用, 而且有机肥中的活性组分还直接使土壤中易氧化有机碳含量增加. 在有机肥腐解过程中, 会释放出大量水溶性有机化合物, 因此土壤中水溶性有机碳含量也随之得以增长, 同时激发微生物活性及微生物量, 通过不断对秸秆进行分解和转化, 为微生物提供了充足的碳源, 进一步促进土壤微生物的生长, 使土壤微生物量碳的含量显著提升, 促进秸秆光合碳向土壤碳的转化, 进而提高土壤质量. 秸秆过腹还田（CM）处理的土壤易氧化有机碳含量显著高于秸秆粉碎直接还田（SC）, 这是因为消化使秸秆初次降解, 再次施入土壤更容易被微生物利用. 秸秆覆盖还田（SM）处理显著降低了土壤中易氧化有机碳含量, 这是因为直接覆盖还田措施的秸秆分子量大, 且秸秆直接遮挡了部分表土, 一定程度上阻碍了空气的流通, 微生物降解需要的氧气少, 输入到土壤中的易氧化的有机碳就会降低. 并且土壤活性碳组分的含量与秸秆粉碎程度有关, 秸秆过腹和粉碎后的秸秆比不粉碎直接还田更有利于增加土壤活性碳组分的含量.
3.2 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响玉米秸秆中的主要成分是纤维素、半纤维素以及木质素, 而秸秆还田后秸秆的完全降解需要3种类型的水解酶共同作用, 为微生物提供碳源[26, 27]. 其中β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）能够催化水解芳基或烃基与糖基原子团之间的糖苷键生成葡萄糖；纤维二糖水解酶（CBH）作用于结晶纤维素的链末端依次切开相隔的β-1,4-糖苷键, 释放纤维二糖；β-1,4-木糖苷酶（βX）可以水解木聚糖.
秸秆覆盖为微生物提供了适宜温度, 使得土壤微生物活性增强, 数量增多. 因此土壤酶的活性在垄作和秸秆覆盖条件下最高, 秸秆覆盖量越多, 活性越强[28, 29]. 相比于秸秆不还田, 不同秸秆还田方式显著增加了土壤β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）和纤维二糖水解酶（CBH）活性, 而对β-1,4-木糖苷酶（βX）的活性无显著影响. 说明秸秆还田可能对β-1,4-木糖苷酶（βX）的活性的提高没有明显的促进作用.
3.3 温度和不同秸秆还田方式对土壤有机碳矿化的影响秸秆还田的耕作措施不仅影响土壤的基本性质、生物活性和土壤有机碳的积累, 同时也会影响土壤碳矿化, 土壤有机碳矿化所释放CO2是通过土壤微生物分解而产生的, 是土壤生物活性的总体体现. 秸秆还田通过影响土壤微生物的分解作用影响土壤有机碳的矿化. 本研究培养试验的第1 d, 有机碳矿化速率就达到峰值, 可能是由于矿化初期土壤中存在易分解的活性有机物质, 为微生物提供了丰富的养分, 微生物的活性最高, 使得有机碳矿化速率最快, 随后有机碳矿化速率缓慢降低, 随着培养时间的延长, 各处理的有机碳矿化速率基本一致. 此外, 本研究中各秸秆还田处理的土壤有机碳矿化速率变化均符合对数函数的关系：y = a + b ln x, 表征培养时长每变化1%个单位, 矿化速率将变化b%的绝对值（图 1）, 与王兴凯等[30]、郭振等[31]和王朔林等[32]的研究结果相似. 原因在于土壤有机碳按分解的难易程度可以分为易氧化有机碳库和惰性有机碳库, 因为矿化初期活性碳库会被提前分解, 所以矿化初期速率较快, 而惰性碳库稳定性高, 很难分解, 所以随着活性碳的消耗, 矿化后期的矿化速率较慢. 在15、25和35℃这3个温度下, 温度每升高10℃, 矿化速率约提升7.99 mg·（kg·d）-1. 不同秸秆还田处理土壤有机碳矿化速率差异表现为：CM > SC > SM > CK. Q10的计算结果表明, 在高温（25~35℃）条件下, SC与CM处理的温度敏感性高于SM处理, 说明高温情况下, 粉碎还田和过腹还田可能会造成土壤碳库的损失. 而在低温（15~25℃）条件下, CM处理的温度敏感性最低, 考虑到寿阳县年均气温不足10℃, 夏季平均气温也仅在9~24℃之间, 所以在当地温度条件下秸秆过腹还田的土壤在有机碳与活性碳组分含量高的条件下, 仍会有利于土壤中活性碳库的积累.
土壤有机碳的累积矿化量均呈上升的趋势, 但随时间的推移有逐渐变慢的趋势, 35℃较明显, 这可能是因为随着培养时间的推进, 土壤中可利用的碳源成为微生物活动的限制因素, 使得土壤微生物活性下降, 从而土壤有机碳的累积矿化量也会随之减缓. 15℃和25℃下的累积矿化量可能是由于温度较低, 培养时间较短, 趋势不明显. 在本研究中, 土壤有机碳累积矿化量由高到低顺序为：CM > SC > SM > CK, 其主要原因在于秸秆还田后进入土壤, 在微生物的分解作用下土壤有机碳含量升高, 并且秸秆过腹还田（CM）的土壤有机碳累积矿化量显著高于其它2种还田方式. 温度提高了土壤有机碳的累积矿化率, 15℃和25℃下秸秆还田措施虽然提高了土壤有机碳累积矿化量, 但是有机碳的累积矿化率并没有提高, 而在35℃下, 有机碳的累积矿化率出现提高, CM处理的提高程度低于SM和SC处理. 与CK相比, CM处理不管是在15℃、25℃还是35℃下, 均显示出了自身固碳的优越性.
本研究表明不同温度下土壤潜在矿化碳库C0由高到低的顺序为：25℃下C0（1.497~2.252 g·kg-1）最大, 其次为35℃下的C0（1.416~2.084 g·kg-1）, 15℃下C0最低, 为1.280~1.687 g·kg-1. 何建丽[33]对黄棕壤的研究表明, 秸秆过腹还田可以增加土壤的潜在矿化量. 本研究CM的C0明显大于其它土壤, 说明秸秆过腹还田增加了土壤有机碳潜在矿化碳库. CM处理能有效提高土壤有机碳库周转速率, 缩短周转时间. 而SM和SC处理仅在25℃表现出缩短碳周转时间的作用.
3.4 不同秸秆还田处理下温度、土壤有机碳组分和土壤酶活性对土壤有机碳矿化的影响本试验中β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）酶活性对土壤有机碳累积矿化量的影响效果最为显著, 其次为温度和DOC. 秸秆还田后可以增加土壤有机碳含量[11], 提高易被微生物利用的有机碳组分, 促进土壤DOC中的胡敏酸和富里酸物质的积累, 促进微生物的代谢[13, 34], 从而影响土壤有机碳的矿化. 本试验中, 土壤有机碳累积矿化量随着温度的升高而增加, 这与林杉等[16]的结果相一致. 这是因为温度可以影响微生物的数量和酶活性[35], 在温度较低时微生物的活性受到抑制, 土壤中的有效碳源能够满足微生物活动的需求, 此时限制有机碳矿化的因子是温度；而随着温度的升高土壤微生物和酶的活性也随之增强, 此时土壤中的碳源成为有机碳矿化的限制性因子[16]. 因此, 温度通过影响微生物活性, 改变土壤DOC和酶活性, 进而影响土壤有机碳的矿化. 土壤有机碳的矿化与土壤微生物有这密切的关系, 今后应当加强对长期不同秸秆还田模式下土壤微生物群落结构的研究, 进一步深入探讨影响土壤有机碳矿化的关键因子.
4 结论（1）秸秆还田处理均显著提高了褐土土壤有机碳含量, 以CM处理提高幅度最大, 且碳库管理指数提升效果最显著.
（2）长期秸秆还田处理的有机碳矿化速率均高于CK处理. 温度每升高10℃, 矿化速率约提升7.99 mg·（kg·d）-1. 不同秸秆还田处理土壤有机碳矿化速率差异顺序为：CM > SC > SM > CK.
（3）低温（15~25℃）条件下, 秸秆过腹还田处理的温度敏感性是最低的, 最有利于碳库的积累.
（4）CM的土壤有机碳累积矿化量显著高于其它两种还田方式. 15℃和25℃下, 有机碳的累积矿化率小于CK；35℃下, CM处理下有机碳的累积矿化率低于SM和SC处理.
（5）温度、土壤中β-1,4-葡萄糖苷酶和DOC是褐土土壤有机碳矿化的主要驱动力.
| [1] |
李廷亮, 王宇峰, 王嘉豪, 等. 我国主要粮食作物秸秆还田养分资源量及其对小麦化肥减施的启示[J]. 中国农业科学, 2020, 53(23): 4835-4854. Li T L, Wang Y F, Wang J H, et al. Nutrient resource quantity from main grain crop straw incorporation and its enlightenment on chemical fertilizer reduction in wheat production in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(23): 4835-4854. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.010 |
| [2] |
张鹏, 李涵, 贾志宽, 等. 秸秆还田对宁南旱区土壤有机碳含量及土壤碳矿化的影响[J]. 农业环境科学学报, 2011, 30(12): 2518-2525. Zhang P, Li H, Jia Z K, et al. Effects of straw returning on soil organic carbon and carbon mineralization in semi-arid areas of southern Ningxia, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(12): 2518-2525. |
| [3] |
田慎重, 宁堂原, 王瑜, 等. 不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(2): 373-378. Tian S Z, Ning T Y, Wang Y, et al. Effects of different tillage methods and straw-returning on soil organic carbon content in a winter wheat field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(2): 373-378. |
| [4] |
逯非, 王效科, 韩冰, 等. 稻田秸秆还田: 土壤固碳与甲烷增排[J]. 应用生态学报, 2010, 21(1): 99-108. Lu F, Wang X K, Han B, et al. Straw return to rice paddy: soil carbon sequestration and increased methane emission[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(1): 99-108. |
| [5] | Liu S L, Huang D Y, Chen A L, et al. Differential responses of crop yields and soil organic carbon stock to fertilization and rice straw incorporation in three cropping systems in the subtropics[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2014, 184: 51-58. |
| [6] |
王金洲, 卢昌艾, 张文菊, 等. 中国农田土壤中有机物料腐解特征的整合分析[J]. 土壤学报, 2016, 53(1): 16-27. Wang J Z, Lu C A, Zhang W J, et al. Decomposition of organic materials in cropland soils across China: a meta-analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 16-27. |
| [7] |
吕真真, 刘秀梅, 仲金凤, 等. 长期施肥对红壤性水稻土有机碳矿化的影响[J]. 中国农业科学, 2019, 52(15): 2636-2645. Lü Z Z, Liu X M, Zhong J F, et al. Effects of long-term fertilization on mineralization of soil organic carbon in red paddy soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(15): 2636-2645. |
| [8] |
曹寒冰, 谢钧宇, 刘菲, 等. 地膜覆盖麦田土壤有机碳矿化特征及其温度敏感性[J]. 中国农业科学, 2021, 54(21): 4611-4622. Cao H B, Xie J Y, Liu F, et al. Mineralization characteristics of soil organic carbon and its temperature sensitivity in wheat field under film mulching[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(21): 4611-4622. |
| [9] | Dhaliwal S S, Naresh R K, Gupta R K, et al. Effect of tillage and straw return on carbon footprints, soil organic carbon fractions and soil microbial community in different textured soils under rice-wheat rotation: a review[J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2020, 19(1): 103-115. DOI:10.1007/s11157-019-09520-1 |
| [10] |
陈尚洪, 朱钟麟, 刘定辉, 等. 秸秆还田和免耕对土壤养分及碳库管理指数的影响研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(4): 806-809. Chen S H, Zhu Z L, Liu D H, et al. Influence of straw mulching with no-till on soil nutrients and carbon pool management index[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2008, 14(4): 806-809. |
| [11] |
王淑兰, 王浩, 李娟, 等. 不同耕作方式下长期秸秆还田对旱作春玉米田土壤碳、氮、水含量及产量的影响[J]. 应用生态学报, 2016, 27(5): 1530-1540. Wang S L, Wang H, Li J, et al. Effects of long-term straw mulching on soil organic carbon, nitrogen and moisture and spring maize yield on rain-fed croplands under different patterns of soil tillage practice[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(5): 1530-1540. |
| [12] | Kan Z R, He C, Liu Q Y, et al. Carbon mineralization and its temperature sensitivity under no-till and straw returning in a wheat-maize cropping system[J]. Geoderma, 2020, 377. DOI:10.1016/j.geoderma.2020.114610 |
| [13] |
徐学池, 苏以荣, 王桂红, 等. 秸秆还田配施氮肥对喀斯特农田微生物群落及有机碳矿化的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(6): 2912-2919. Xu X C, Su Y R, Wang G H, et al. Straw returning plus nitrogen fertilizer affects the soil microbial community and organic carbon mineralization in karst farmland[J]. Environmental Science, 2019, 40(6): 2912-2919. |
| [14] |
吴萌, 李忠佩, 冯有智, 等. 长期施肥处理下不同类型水稻土有机碳矿化的动态差异[J]. 中国农业科学, 2016, 49(9): 1705-1714. Wu M, Li Z P, Feng Y Z, et al. Dynamic differences of organic carbon mineralization in different types of paddy soil under long-term located fertilization[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(9): 1705-1714. |
| [15] |
马欣, 魏亮, 唐美玲, 等. 长期不同施肥对稻田土壤有机碳矿化及激发效应的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(12): 5680-5686. Ma X, Wei L, Tang M L, et al. Effects of varying long-term fertilization on organic carbon mineralization and priming effect of paddy soil[J]. Environmental Science, 2018, 39(12): 5680-5686. |
| [16] |
林杉, 陈涛, 赵劲松, 等. 不同培养温度下长期施肥水稻土的有机碳矿化特征[J]. 应用生态学报, 2014, 25(5): 1340-1348. Lin S, Chen T, Zhao J S, et al. Characteristics of soil organic carbon mineralization at different temperatures in paddy soils under long-term fertilization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(5): 1340-1348. |
| [17] | Giardina C P, Ryan M G. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature[J]. Nature, 2000, 404(6780): 858-861. DOI:10.1038/35009076 |
| [18] |
徐虎, 蔡岸冬, 周怀平, 等. 长期秸秆还田显著降低褐土底层有机碳储量[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(5): 768-776. Xu H, Cai A D, Zhou H P, et al. Long-term straw incorporation significantly reduced subsoil organic carbon stock in cinnamon soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2021, 27(5): 768-776. |
| [19] |
陈吉, 赵炳梓, 张佳宝, 等. 长期施肥潮土在玉米季施肥初期的有机碳矿化过程研究[J]. 土壤, 2009, 41(5): 719-725. Chen J, Zhao B Z, Zhang J B, et al. Research on process of fluvo-aquic soil organic carbon mineralization in initial stage of maize growth under long-term different fertilization[J]. Soils, 2009, 41(5): 719-725. DOI:10.3321/j.issn:0253-9829.2009.05.007 |
| [20] | 戚瑞敏. 不同施肥制度潮土有机碳矿化对温度和牛粪的响应及其机制研究[D]. 北京: 中国农业科学院, 2016. |
| [21] |
戚瑞敏, 赵秉强, 李娟, 等. 添加牛粪对长期不同施肥潮土有机碳矿化的影响及激发效应[J]. 农业工程学报, 2016, 32(S2): 118-127. Qi R M, Zhao B Q, Li J, et al. Effects of cattle manure addition on soil organic carbon mineralization and priming effects under long-term fertilization regimes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(S2): 118-127. |
| [22] | 王齐齐. 长期不同培肥模式下典型潮土有机碳、氮矿化特征及其驱动因素[D]. 北京: 中国农业科学院, 2019. |
| [23] | Houghton R A, Hackler J L, Lawrence K T. The U.S. carbon budget: contributions from land-use change[J]. Science, 1999, 285(5427): 574-578. DOI:10.1126/science.285.5427.574 |
| [24] | Li C F, Yue L X, Kou Z K, et al. Short-term effects of conservation management practices on soil labile organic carbon fractions under a rape-rice rotation in central China[J]. Soil and Tillage Research, 2012, 119: 31-37. DOI:10.1016/j.still.2011.12.005 |
| [25] |
朱敏, 王兴龙, 张頔, 等. 耕作方式与秸秆还田对川中紫土土壤碳库与玉米产量的影响[J]. 华北农学报, 2017, 32(S1): 302-307. Zhu M, Wang X L, Zhang D, et al. Influence of different tillage methods combined with straw-returning on the purple soil carbon pool in the hill in middle Sichuan and the maize yields[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2017, 32(S1): 302-307. DOI:10.7668/hbnxb.2017.S1.052 |
| [26] | 李雨诺. 不同秸秆还田模式对小麦-玉米轮作体系土壤碳固持及作物生长的影响[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2021. |
| [27] | 武红亮. 秸秆和养分综合管理下黑土的固碳效应及机制[D]. 北京: 中国农业科学院, 2021. |
| [28] |
姚志霞, 周怀平, 解文艳, 等. 黄土旱塬24a不同秸秆还田土壤碳、氮、磷和胞外酶计量特征[J]. 环境科学, 2023, 44(5): 2746-2755. Yao Z X, Zhou H P, Xie W Y, et al. Effects of 24 years different straw return on soil carbon, nitrogen, phosphorus, and extracellular enzymatic stoichiometry in dryland of the loess plateau, China[J]. Environmental Science, 2023, 44(5): 2746-2755. |
| [29] | 付鑫. 旱作冬小麦农田秸秆覆盖的土壤生态效应及对作物产量形成的影响[D]. 西安: 西北大学, 2019. |
| [30] |
王兴凯, 徐明岗, 王小利, 等. 长期施肥对褐土有机碳矿化的影响[J]. 河南农业科学, 2019, 48(6): 81-86. Wang X K, Xu M G, Wang X L, et al. Effects of long-term fertilization on organic carbon mineralization of cinnamon soil[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2019, 48(6): 81-86. |
| [31] |
郭振, 王小利, 段建军, 等. 长期施肥对黄壤性水稻土有机碳矿化的影响[J]. 土壤学报, 2018, 55(1): 225-235. Guo Z, Wang X L, Duan J J, et al. Long-term fertilization and mineralization of soil organic carbon in paddy soil from yellow earth[J]. Acta Pedologica Sinica, 2018, 55(1): 225-235. |
| [32] |
王朔林, 杨艳菊, 王改兰, 等. 长期施肥对栗褐土有机碳矿化的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1278-1285. Wang S L, Yang Y J, Wang G L, et al. Effect of long-term fertilization on organic carbon mineralization of cinnamon soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1278-1285. |
| [33] | 何建丽. 长期秸秆还田条件下不同还田模式对新施入秸秆碳的转化及土壤碳库的影响[D]. 武汉: 华中农业大学, 2022. |
| [34] |
罗璐, 周萍, 童成立, 等. 长期施肥措施下稻田土壤有机质稳定性研究[J]. 环境科学, 2013, 34(2): 692-697. Luo L, Zhou P, Tong C L, et al. Study on mechanism of SOM stabilization of paddy soils under long-term fertilizations[J]. Environmental Science, 2013, 34(2): 692-697. |
| [35] |
胡亚林, 汪思龙, 颜绍馗. 影响土壤微生物活性与群落结构因素研究进展[J]. 土壤通报, 2006, 37(1): 170-176. Hu Y L, Wang S L, Yan S K. Research advances on the factors influencing the activity and community structure of soil microorganism[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2006, 37(1): 170-176. DOI:10.3321/j.issn:0564-3945.2006.01.038 |