海洋碳库、 大气碳库及陆地生态系统碳库之间存在一个动态平衡^[1]. 土壤是陆地生态系统的核心之一，是陆地生态系统中最大的碳库，全球土壤碳库的含量约为2 500 Pg，其中土壤有机碳库(soil organic carbon,SOC)约为1 550 Pg，是大气碳库(760 Pg)的3.3倍，生物碳库(560 Pg)的4.5倍^[2]. 土壤有机碳库的平衡由输入和输出两个方面共同决定，前者主要通过生物质的输入，并经过微生物的作用形成土壤有机质，后者通过土壤呼吸(soil respiration,SR)作用向大气排放CO₂^[3]. 土壤有机碳库储量较小幅度的变动，都会影响全球大气CO₂的变化.

农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分、 全球碳库最活跃的部分，其变化不仅影响到土壤肥力和土地生产力，还会影响到CO₂的排放^[4]. 秸秆还田是农田系统主要的有机碳输入途径，但是由于农田系统的常年翻耕和氮/磷肥的施加，为异养微生物生长提供了适宜的环境，导致还田的秸秆被迅速分解，显著增加了土壤呼吸，形成稳定的土壤有机碳较少^[5]. 因此，目前普遍认为农田是典型的碳源^[6]. 很多学者都在研究秸秆还田的有效措施来降低土壤呼吸^[7]，从而为发展低碳农业提供技术支持.

不同农作物秸秆的性质不同，还田后其分解过程有差异，因此不同农业秸秆还田后土壤的碳源/碳汇性质也有差异^[8]. 有研究表明不同农作物还田后在不同土壤环境中的保留性质是不同的，黄豆秸秆在原位还田后分解较快，但是还田于其它土壤中，分解却较慢. 相反小麦秸秆在异位还田后，其分解速率明显提高^[9]. 但这些农作物秸秆分解后转变为土壤有机质保留在土壤中还是彻底降解为CO₂释放到大气中目前尚缺乏系统的研究.

本研究在上海市崇明岛上进行. 生态农业是崇明的支柱产业，水稻、 小麦、 黄豆和玉米是主要作物. 为了避免土壤环境差异导致对不同秸秆还田的影响，试验选择在同样土壤背景条件下进行. 本研究选取水稻、 黄豆和玉米这3种秸秆作为对象，探讨了3种秸秆还田对土壤呼吸和土壤有机碳的影响，从还田土壤微生物性质、 秸秆性质等方面分析了导致土壤呼吸差异的可能原因，并讨论了3种秸秆还田与土壤呼吸和碳封存之间的相关性,对于进一步了解和丰富农田系统的碳源/碳汇问题具有参考价值.

上海市崇明岛是中国第三大岛，也是最大的冲积沙洲，三面环江，东濒东海，东西长76 km，南北宽13-18 km. 崇明东滩位于崇明岛最东边(121°45′E，31°30′N)，近年来进行了多次围垦，其中农业用地面积增加了4 050.21 hm²，占据了围垦面积的62%. 本试验地选址上海市崇明岛东围垦区内. 试验田土壤为新围垦的贫瘠土壤，含盐量较高，土壤肥力较差，植物生物量低，土壤容重1.53-1.75 g ·cm^-3，土壤总氮24.5-76.6 mg ·kg^-1，土壤速效磷11.7-39.3 mg ·kg^-1，土壤有机碳1.66-3.85 g ·kg^-1[10].

试验用的水稻、 黄豆、 玉米秸秆收割于崇明东滩农业园区，刈割植物秸秆部分，应用秸秆粉碎机将其粉碎为2-3 cm的碎屑，放置待用，秸秆碳的含量分别是水稻35.99%、 玉米40.12%、 黄豆41.76%^[9]. 试验种植植物为地肤草.

采用分区试验设计,将土壤划分成8个2 m×2 m的样地小区块 (见图 1)，并对样地土壤进行了-20 cm的翻耕. 3种还田材料分别对应2个改良区块，并同时设置2个对照. 8个小区块随机排列，每个改良小区块间设置0.2-0.3 m宽的排水沟，以利于夏季排除雨水冲洗土壤盐分. 各区块均匀翻入秸秆材料2 kg(干重)，同时对每一块改良小区块施加干重为2 kg的有机肥. 对照组仅施加干重为2 kg的有机肥. 1个月后，每个改良样区种植12株地肤草幼苗，并根据降水情况，定期浇水和除草.

图 1

Fig. 1

图 1 试验样区设置示意 Fig. 1 Layout of the experimental sample region

试验过程共采集了4次土壤样品，时间分别为2013年 4、 6、 8、 11月，其中4月为各个不同区块土壤本底采样. 采样时，每块改良小区块分为2块区域(见图 1虚线)，每个区域设置3个采样点，每点采集次表层土(-5~-20 cm)150 g，新鲜土样去掉较大根系和秸秆后，混合均匀，利用4分法分出两份，一份风干后过60目筛于常温下保存，一份鲜样保存在4℃冰箱中. 11月采集每个小区块植物(包括地上部分和地下根茎)，用聚乙烯袋包装，带回实验室测定生物量和C/N含量.

土壤含水率：称湿土样约15.0 g放入铝盒中，开盖，放入105-110℃ 的烘箱内烘12 h至恒重，取出开盖，立刻放入干燥器内冷却至室温，取出称重，计算含水率.

土壤有机碳：采用日本岛津总有机碳测定仪TOC-V-CPN进行测定^[11].

土壤呼吸：采用LI-8100土壤碳通量自动测量系统 (Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,USA). 该系统由分析CO₂流量的红外检测主机和气室组成，测定前，提前一天在每个土壤改良小区块随机布置1个直径为10 cm高15 cm的PVC土壤圈，布置土壤圈之前，先用剪刀贴着地面剪去其上的植物，以减少土壤扰动对土壤呼吸测定的影响，每个样点测定3次平行样，并现场测定CO₂的释放量.

秸秆可降解性：不同类型秸秆的降解特性研究采用分解袋法. 其基本原理是将已知重量的植物枯落物装进不可降解的网袋中，然后将分解袋置于土壤表层或者埋入深度5-10 cm土层中，定期取样分析. 在本试验中，采集崇明当地的水稻、 黄豆、 玉米3种秸秆，首先进行杀青，将样品置于105℃的烘箱中烘15 min，以终止样品中酶的活动. 然后降低烘箱的温度，使其维持在70℃烘干至恒量. 将4种植物用铡刀切成15 cm左右，分成若干等份，装入尼龙分解袋中(20 cm×20 cm，孔径为200 μm，排除了大中型无脊椎动物的影响). 在同济大学校园花坛内，将装有相同量的4种植物分解袋埋入土壤中. 经过0、 30、 90、 180 d后于同济大学花坛异位还田样地内，每种植物分解袋取回2袋，去除袋内杂物和泥土，蒸馏水冲洗后干燥称重、 粉碎并过筛(60目)进行后续分析.

植物秸秆中纤维素、 木质素含量：采用Van Soest法测定^[12].

C、 N元素含量：采用德国Elementar公司Vario EL Ⅲ元素分析测定. 称取5-10 mg过60目筛植物颗粒进行包样后直接上样检测. 仪器碳的分析精度为±2%，氮的为±8%.

土壤微生物生物量：采用ATP法^[13].

植物生物量：采集的11月地肤草植物样品先用自来水将表层泥沙冲洗干净，再用蒸馏水冲洗2 遍，植物生物量的测定采用常压恒温干燥法.

土壤脱氢酶活性：采用氯化三苯四氯唑TTC法^[14].

土壤β-葡糖苷酶活性：以对硝基苯-β-D-葡糖苷为底物，称取一定量新鲜土壤样品，在37℃条件下恒温培养1 h，400 nm下比色法测定反应生成的产物对硝基苯酚(p-nitrophenol，PNP)的量^[15].

采用Excel软件对数据进行处理，采用SPSS 19.0软件对数据进行方差和相关性分析，对数据进行ANOVA方差分析，并在方差分析的基础上用LSD 或DUNCAN法进行多重区组检验指标之间的差异性(P为0.05或0.01). 用Origin 8.0作图.

植物生物量可综合反映土壤改良剂对土壤的改良效果，也反映植物的固碳量^[16]，不同秸秆还田后对地肤草的生长都有一定的促生效果，水稻、 黄豆和玉米秸秆还田后地肤草生物量分别比对照增加了96.2%、 51.3%和41.5%. 土壤有机碳含量是土壤碳库的重要指标也是土壤养分的重要指标^[17]. 由图 2所示，不同改良样区的土壤有机碳含量大致随时间呈升高趋势，反映了秸秆还田后持续分解进入土壤中的过程，至11月收获地肤草时，各个改良样区的土壤有机碳含量有较明显的差异. 黄豆秸秆还田样区土壤有机碳增加量最高为2.71 g ·kg^-1，玉米样区土壤有机碳增加量为2.68 g ·kg^-1，而水稻秸秆样区土壤有机碳增加量最低为1.11 g ·kg^-1，而对照样区土壤有机碳基本无增加. 根据不同类型秸秆自身含碳量的差异以及各处理样区土壤有机碳增加量的差异，可以初步得出黄豆秸秆还田后碳保留最多，稻草最少. 这可能主要与秸秆的可降解性与土壤呼吸有关.

图 2

Fig. 2

图 2 不同秸秆还田对土壤有机碳(SOC)的影响 Fig. 2 Effect of kinds of straw returning on SOC

土壤呼吸作为土壤碳库输出的一个关键环节，是植物固定碳后，又以CO₂形式返回大气的主要途径，是土壤碳排放的一个重要过程^[18]. 如图 3所示，添加不同秸秆还田之后，各个样区的土壤呼吸强度随时间的变化呈现出先增后减的趋势，在6月和8月达到峰值，这可能与不同季节的水热条件有关. 各改良样区土壤呼吸均较对照样区有所大提高，其中水稻改良样区土壤呼吸最高为18.96 μmol ·(m² ·s)^-1，较对照样区土壤呼吸提高194%，添加玉米秸秆的改良样区土壤呼吸相对较低，而添加黄豆秸秆的改良土壤呼吸最低和对照相差无几. 不同秸秆还田后土壤呼吸提高程度不同，且和图 2中土壤有机碳的增加成负相关.

图 3

Fig. 3

图 3 不同种类秸秆还田后土壤呼吸(SR)的变化和平均土壤呼吸的差异性 Fig. 3 Change of SR and the differences of average SR for different kinds of straw returning

总体来看，水稻秸秆还田后土壤有机碳最低，土壤呼吸最强，而黄豆秸秆还田后土壤有机碳最高，土壤呼吸最低，因此水稻秸秆还田后土壤碳保留最少，流失最多，而黄豆秸秆还田后土壤碳保留最多，流失最少，碳封存能力较强.

秸秆还田后有两种分解途径，一种是在微生物腐殖化作用下形成腐殖质保留在土壤中，另一种是以异养型微生物分解形成CO₂进入大气中(表现为土壤呼吸)，这两个过程均和土壤微生物性质有关^[19]. 黄豆秸秆还田分解后，土壤有机碳增加量高，土壤呼吸低，水稻秸秆反之，这可能是植物秸秆性质的差异影响土壤微生物群落结构的差异，从而影响土壤呼吸和土壤有机碳. 为了验证这点，进一步研究了不同秸秆性质与土壤微生物活性及其与土壤呼吸的相关性.

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，在生态系统的物质循环和能量转化中占有重要地位^[20]，是评价土壤环境质量的重要参数. 土壤酶作为土壤中一切生物化学反应的主要参与者，在土壤生态系统的物质循环和能量转化中起着非常重要的作用，反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向^[21]，其活性大小代表了土壤中物质代谢的旺盛程度^[22].

表 1是水稻、 黄豆、 玉米这3种秸秆还田后土壤活性微生物生物量(以ATP表示)和土壤β-葡萄糖苷酶、 脱氢酶的4次采样分析的平均值. 从表 1中可以看出，不同类型秸秆还田时ATP、 β-糖苷酶和脱氢酶这3个指标均有显著差异(P<0.05). 各指标的变化趋势不尽相同，比较β-糖苷酶，玉米的β-糖苷酶值最高，其次是黄豆，最低的是水稻. 土壤活性微生物量黄豆最高，水稻和玉米其次. 脱氢酶活性，大致为水稻>玉米>黄豆，与土壤呼吸趋势相似.

表 1(Table 1)

表 1 秸秆对土壤微生物指标的影响 1) Table 1 Influence of straw type on soil microbial indictors 项目 土壤β-糖苷酶(以C6H5NO3计)mg ·(kg ·h)-1 土壤脱氢酶(以TPF计)μg ·(g ·d)-1 土壤活性微生物量 (以ATP计)×10-12/mol ·g-1 对照 9.83±0.58 b 6.99±0.50 c 3.58±0.39 c 水稻 8.65±0.36 b 131.36±5.90 a 33.31±2.34 ab 黄豆 12.56±0.26 a 93.36±3.36 b 47.49±3.99 a 玉米 13.05±0.54 a 120.99±4.25 a 30.70±6.16 b 1)表中数据为4、 6、 8、 11月的平均值； 不同字母表示有显著性，相同字母表示无显著性

表 1 秸秆对土壤微生物指标的影响 1) Table 1 Influence of straw type on soil microbial indictors

表 2是4次采样的土壤微生物指标与土壤呼吸进行相关性分析的结果. 结果显示，脱氢酶与土壤呼吸有显著的正相关(P<0.05)，而β-糖苷酶和ATP与SR几乎无相关性(P >0.05). 侯亚红等^[10]研究秸秆与秸秆生物炭还田对土壤呼吸的影响时发现，土壤呼吸与糖苷酶、 脱氢酶和ATP具有一定相关性，其中脱氢酶活性是土壤呼吸最主要的影响因子，这与本试验研究结果一致.

表 2(Table 2)

表 2 土壤呼吸与微生物指标的相关性分析 1) Table 2 Correlation analysis between soil respiration and microbial indicators SR β-糖苷酶 脱氢酶 ATP SR 1.000 β-糖苷酶 0.038 1.000 脱氢酶 0.659** 0.432 1.000 ATP -0.447 0.468* 0.119 1.000 1)**表示相关性在P<0.01水平极其显著； *表示相关性在P<0.05水平显著

表 2 土壤呼吸与微生物指标的相关性分析 1) Table 2 Correlation analysis between soil respiration and microbial indicators

土壤脱氢酶活性与微生物代谢活动有关，脱氢酶能催化有机物质脱氢，起着氢的中间转化传递作用，因此脱氢酶活性可以作为微生物氧化还原系统的指标，被认为能很好地表征土壤中微生物的氧化能力^[23]. 不同类型秸秆还田后增加了土壤微生物活性，尤其是增加了土壤脱氢酶的活性^[24]，导致土壤呼吸变强. 其中，水稻秸秆的脱氢酶活性最强，土壤呼吸也最强. 而黄豆秸秆还田的土壤脱氢酶活性最低，其土壤呼吸也最低. β-糖苷酶是纤维素分解酶系的重要组成部分，参与物质与能量循环，但不是纤维素降解的关键酶，而纤维素内切酶和外切酶可能是影响还田秸秆分解的最重要因素^[9]. 土壤活性微生物量是微生物新陈代谢速率的一种重要指标^[13]，实验中不同秸秆处理微生物量与土壤呼吸和脱氢酶活性不成正比，这意味着土壤微生物量可能不是影响脱氢酶活性和土壤呼吸的唯一因素. 不同秸秆还田可能导致土壤中的优势微生物种类发生变化，从而脱氢酶活性和土壤呼吸有较大差异.

秸秆还田土壤的微生物性质的差异和输入的有机物性质、 土壤环境有关. 本试验在相同的土壤环境中进行，排除了外在因素的干扰，因此秸秆性质的差异可能是导致还田土壤微生物活性差异的主要原因.

秸秆的可生物降解性是秸秆理化性质的综合反映^[25]. 从图 4可见，总体来说，3种秸秆前期均出现了快速分解(0-30 d)，30 d后水稻和黄豆分解趋于平缓. 采用衰减回归方程对分解残留率数据拟合(表 3)，可以看出不同类型秸秆异位还田后分解速率存在差异，黄豆秸秆的分解系数最低，玉米和水稻较高且无显著差异.

图 4

Fig. 4

图 4 不同类型秸秆异位还田分解过程中的质量变化 Fig. 4 Mass change of different kinds of ectopic straw returning in the process of decompositon

表 3(Table 3)

表 3 秸秆异位还田后分解过程的模型拟合 Table 3 Model fitting of decomposition process of the ectopic straw returning 枯落物类型 回归方程 分解系数kd-1 相关系数R2 水稻 y=-0.005 5t+0.005 0.005 5 0.979 黄豆 y=-0.004 3t-0.065 0.004 3 0.994 玉米 y=-0.005 9t+0.001 5 0.005 9 0.996

表 3 秸秆异位还田后分解过程的模型拟合 Table 3 Model fitting of decomposition process of the ectopic straw returning

这说明黄豆秸秆不管是早期还是后期，分解速率最慢，是一种微生物较难利用的碳源. 脱氢酶是催化氧化还原反应的酶，其活性可以很好地反映有机物氧化还原反应的进程. 黄豆秸秆难被微生物利用，因此对应的脱氢酶活性也低. 在相同的环境条件下，影响还田秸秆分解过程的因素包括秸秆的营养元素及有机化合物种类和含量等^{[26, 27]}. 本试验分别测定了秸秆的N、 C/N、 纤维素和木质素含量，结果见表 4.

表 4(Table 4)

表 4 不同秸秆的基本性质 1) Table 4 Basic properties of different straws 项目 纤维素含量/% 木质素含量/% N/% C/N 水稻 33.18±0.9 b 5.96±0.3 c 0.924±0.018 b 39.96±1.39 c 黄豆 37.87±0.55 a 19.01±0.45 a 0.545±0.006 c 76.57±1.74 a 玉米 28.48±0.59 c 6.24±0.23 b 1.52±0.012 a 64.59±0.68 b 1)表中字母不同表示有显著性差异； 秸秆C含量已有人测定[9]

表 4 不同秸秆的基本性质 1) Table 4 Basic properties of different straws

显然，3种秸秆中的组分存在显著性差异. 为了研究不同类型秸秆分解速率的重要影响因子，对秸秆分解速率常数与N、 C/N、 纤维素和木质素的相关性进行判定，结果如表 5.

表 5(Table 5)

表 5 秸秆分解速率常数与理化指标的相关性分析 1) Table 5 Correlation analysis between straw decomposition rate constant with physical and chemical indicators 分解速率常数 C/N 纤维素 木质素 N 分解速率常数 1.000 C/N -0.561 1.000 纤维素 -0.945** 0.319 1.000 木质素 -0.964** 0.758* 0.851* 1.000 N 0.917** -0.187 -0.978** -0.783* 1.000 1)*表示相关系数P<0.05水平显著； **表示相关系数P<0.01水平极其显著

表 5 秸秆分解速率常数与理化指标的相关性分析 1) Table 5 Correlation analysis between straw decomposition rate constant with physical and chemical indicators

3种农业秸秆分解速率常数和其中的纤维素、 木质素和N存在极其显著的相关性(P<0.01)，与C/N含量无相关性(P>0.05)，相关系数排序为木质素>纤维素>N(相关系数为0.917)，这同时也反映了在秸秆分解过程中秸秆木质素和纤维素含量 是影响分解速率最重要的因素，N次之. 很多研究 已经证实，纤维素、 木质素是秸秆成分中最难降解的大分子物质^{[28, 29]}. 木质素降解与腐殖质形成有密切联系，一般认为在土壤有机物腐殖化过程中，木质素与它的降解产物如酚型、 醌型及脂肪族发化合物是腐殖质形成的最主要前提物质，它们可通过复杂的反应机制形成腐殖质^[30]. N元素是一类营养元素，是土壤分解植物秸秆的微生物所需物质^[31]，一般微生物自身的C/N高于植物枯落物，所以微生物生长需从环境、 从枯落物中摄取N元素，以达到自身营养需求，因而秸秆N含量较高，还田后释放到土壤中的N元素充足，微生物群落生长较快，秸秆分解也就越快^[32]. 黄豆秸秆N含量低，秸秆分解较慢，且木质素含量高有利于形成腐殖质，从而在土壤中的保留较多(土壤有机碳较高).

总体而言，由于秸秆中纤维素、 木质素、 N和C/N含量有所不同，导致秸秆的可生物降解性的差异，还田后导致土壤微生物性质乃至矿化和腐殖化过程的差异，最终导致土壤呼吸强度和土壤有机碳的差异. 在3种秸秆中，黄豆秸秆纤维素、 木质素和C/N含量最高，而N含量最低，降解速率最慢，因而导致微生物异养活性较弱，土壤呼吸最低，且由于其较高的木质素含量有利于腐殖化过程产生土壤有机质，因此土壤有机碳较高，因此黄豆秸秆还田后其土壤碳封存能力较强.

(1)黄豆秸秆还田土壤有机碳增加量最高为2.71 g ·kg^-1，玉米样区土壤有机碳增加量为2.68 g ·kg^-1，而水稻秸秆样区土壤有机碳增加量最低为1.11 g ·kg^-1，而对照样区土壤有机碳基本无增加. 添加水稻秸秆的改良样区平均土壤呼吸最高为18.96 μmol ·(m² ·s)^-1，黄豆秸秆的改良样区土壤呼吸最低为10.46 μmol ·(m² ·s)^-1. 黄豆秸秆还田被分解后易变成土壤有机碳，而水稻秸秆还田易被微生物分解变成CO₂输入大气中.

(2)不同秸秆还田土壤的β-葡萄糖苷酶、 脱氢酶活性和土壤微生物生物量均有显著性差异. 土壤呼吸强度和脱氢酶显著正相关，与ATP相关性不大，而与β-糖苷酶没有相关性. 因此土壤呼吸和土壤酶活性的差异可能还和微生物群落结构有关.

(3)不同秸秆可生物降解性、 C/N、 N、 纤维素和木质素含量有显著性差异. 秸秆分解过程中纤维素含量和木质素含量是影响分解速率最重要的因素，N含量和C/N对分解进程的影响小于前两者. 由于不同秸秆的可生物降解性不同，还田后导致还田土壤微生物活性的差异，进而影响土壤呼吸强度和土壤有机碳含量. 3种秸秆中，黄豆秸秆纤维素、 木质素和C/N含量最高，N含量最低，降解速率最慢，因而导致最低的土壤呼吸和最高的土壤有机碳. 黄豆秸秆还田其碳封存能力相对最强.