δ13C法研究砂姜黑土添加秸稈后團聚體有機碳變化規律

劉 哲，韓霽昌※，孫增慧，張衛華，余正洪，侯 瑩

（1. 陜西省土地工程建設集團，西安 710075；2. 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075；3. 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

δ13C法研究砂姜黑土添加秸稈后團聚體有機碳變化規律

劉 哲1,2，韓霽昌1,2※，孫增慧1,2，張衛華1,2，余正洪3，侯 瑩1,2

（1. 陜西省土地工程建設集團，西安 710075；2. 國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，西安 710075；3. 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

為研究水稻秸稈添加對砂姜黑土水穩性團聚體分布及穩定性的影響，探索水稻秸稈腐解過程中外源新碳及原有機碳在不同粒級團聚體中的分配規律，該文通過室內模擬試驗，運用δ13C示蹤方法，將穩定同位素碳（δ13C）標記的水稻秸稈添加入砂姜黑土，利用濕篩法得到不同培養時期不同粒級的土壤水穩性團聚體，測定不同時期各粒級土壤外源新碳及原有機碳含量。結果表明：未添加水稻秸稈的砂姜黑土（對照組），水穩性微團聚體(＜250μm)占主體，團聚體有機碳含量低。與對照相比，添加水稻秸稈（試驗組）顯著促進了＞2000、2000～250μm粒級水穩性大團聚體的團聚（P＜0.05）；培養到120 d時，＞2000、2000～250μm水穩性團聚體比對照組分別增加了265.5%、16.0%，促使水穩性大團聚體(＞250μm)占主體，顯著提高了砂姜黑土水穩性團聚體的平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、水穩性大團聚體含量(R0.25)，降低了分形維數（D）值（P＜0.05），土壤結構穩定性明顯得到改善。試驗組各粒級團聚體有機碳含量顯著增加，培養到15 d時，＞2000、2000～250、＞250～53、＜53μm粒級團聚體有機碳分別比對照組增加了21.4%、25.4%、34.7%、50.0%，其中微團聚體有機碳增加幅度大于大團聚體的增加幅度。MWD、GMD、R0.25與2000～250、＞250～53μm粒級團聚體有機碳呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與＞2000μm粒級團聚體有機碳呈顯著正相關關系（P＜0.05）、與＜53μm粒級團聚體有機碳關系不顯著。不同粒級團聚體的δ13C值明顯增加，動態變化較大，表明外源新碳周轉速率較快。外源新碳主要分配在＞250～53、＜53μm粒級微團聚體中，分配比例分別為38%、28%，外源新碳的分解速率明顯快于原有機碳。研究得出添加水稻秸稈有利于增加砂姜黑土的團聚體穩定性，提高土壤及不同粒級團聚體的有機碳含量，提升土壤碳水平，改善了土壤結構，這為淮北地區土壤質量提升及有機碳循環提供了理論依據。

土壤；有機碳；秸稈；δ13C；砂姜黑土；土壤水穩性團聚體

0 引 言

土壤有機碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，其微小波動就可能對溫室氣體濃度乃至全球碳平衡產生重大影響[1-2]。土壤團聚體和有機碳之間通常有著密切的聯系，團聚體形成和有機碳固持的相互作用對于促進土壤固碳具有重要意義[3]。土壤團聚體是組成土壤結構的基本單位，土壤團聚過程中導致顆粒分布的不同不僅影響著土壤系統中的水肥氣熱，而且是有機碳固持與穩定的重要過程，因此研究土壤團聚體以及團聚體有機碳組分含量的分布及其變化特征，對促進土壤固碳及質量提升的作用具有重要的理論價值和現實意義[4-5]。

土壤團聚體的形成、特性、作用功能十分復雜，既受土壤本身物質組成的影響，還受人為活動等因素的影響。不同粒級的團聚體在土壤有機碳（SOC）的保持、供應及轉化能力等方面發揮著不同的作用，其中團聚體有機碳含量是土壤有機碳平衡與礦化速率的微觀表征[6-7]。研究表明，良好的土壤團聚體是水穩性的，且＞250μm的水穩性團聚體可以作為評價土壤肥力和土壤質量變化的指標[8]。土壤團聚作用對SOC起到了物理保護作用，同時 SOC存在也能夠促進團聚體的形成和穩定[9-10]。土壤不同粒級團聚體由于物理結構的差異，導致外源新碳的可進入性不同，進而影響了SOC組分的周轉及穩定[11]，傳統的差減法不能精確地獲得土壤固定的來自秸稈的外源新碳量，而δ13C方法是用于研究土壤有機碳動態變化的一種新方法，該法不僅具有有標記均勻、無放射性、可長期標記等優點，而且可以精確地示蹤進入到土壤中外源新碳的變化，對于探索外源新碳在不同粒級團聚體中的分配規律具有重要意義[12-13]。

秸稈還田固碳潛力較大，可以在提高土壤有機碳含量的同時促進土壤植物營養元素的再循環，秸稈腐解以后對團聚體的形成也會產生一定的激發效應，增強土粒的團聚性、促進團粒結構的形成[14-16]。國內外學者把土壤團聚體的穩定性以及土壤的固碳能力作為評價土壤物理性質及土壤有機碳庫的重要指標，認為提高土壤團聚體的穩定性以及團聚體的數量和質量，減少土壤碳庫的損失，一直是農業生產及碳循環研究的重要方向[17-18]。孫漢印等研究發現，秸稈粉碎旋耕還田模式增加了塿土水穩性大團聚體（＞250μm）的含量，提高了微團聚體（＜250μm）有機碳含量及穩定性[19]，顧鑫等研究發現玉米秸稈添加促進了棕壤水穩性大團聚體的形成，提高了團聚體體穩定性及有機碳含量[20]，尹云鋒等研究發現水稻秸稈添加顯著增加了紅壤50～250μm粒級團聚體有機碳含量[21]。關松等研究表明玉米秸稈添加顯著促進了黑土＞2 000μm大團聚體的形成，增加了團聚體有機碳含量[22]。以往秸稈添加對土壤團聚體及有機碳分布及相對數量變化的研究多集中在塿土、棕壤、黑土、紅壤等，然而砂姜黑土是淮北地區主要的中低產土壤，通常土質黏重，結構發育不好，團聚體穩定性較差，有機碳含量低，該地區長期以來偏施化學氮肥，土壤結構以及土壤質量的可持續性發展受到破壞[23]，因此改善砂姜黑土的團聚體結構，提升砂姜黑土的質量顯得尤為重要，但關于秸稈添加對淮北地區砂姜黑土碳庫管理、團聚體分布組成以及各粒級團聚體有機碳分布穩定性的研究比較缺乏，而運用同位素示蹤技術定量化研究秸稈中外源新碳在砂姜黑土不同粒級團聚體中分布規律和殘留特征的研究鮮有報道，難以區分出原土壤有機碳和外源新有機碳。為此本研究利用δ13C示蹤方法，在砂姜黑土不受擾動的情況下進行室內培養，定量分析研究水稻秸稈添加對砂姜黑土水穩性團聚體分布及穩定性的影響，探索水稻秸稈腐解過程中水穩性團聚體原有機碳和外源新碳的分布規律，為淮北地區土壤質量提升及有機碳循環提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

砂姜黑土采樣區位于安徽省濉溪楊柳試驗站(116°77'E，33°62'N)，成土母質為黃土性古河沉積物，礦物類型主要以蒙脫石為主的2:1型黏土礦物，按美國制土壤分類命名為變性土。試驗前耕層土壤基礎理化指標如下：pH值為6.34，黏粒（＜0.002 mm）質量分數為37%，粉粒（0.02～0.002 mm）質量分數為33%，土壤質地類型為壤質黏土，δ13C值為-23.82‰，有機碳質量分數為10.45 g/kg，全氮質量分數為0.86 g/kg，全磷質量分數為0.54 g/kg，種植方式為小麥-玉米輪作，玉米6月中旬播種，10月中旬進行收割、測產。

1.2 試驗材料

于2014年10月中旬采集試驗站土壤，采用棋盤法選擇6～8個采樣點，采集0～30 cm耕作層土樣，混合均勻后按四分法保留1 kg左右土樣。采集的土壤除去粗的植物殘體和大的砂礫等雜質，帶回實驗室于陰涼通風處自然風干，然后沿自然脆弱帶輕輕掰開，使其能通過2 mm篩子。

本試驗所用秸稈樣品為溫室栽培水稻秸稈，并采用脈沖標記法獲取13C標記秸稈：在水稻播種后115 d的生長期內分別進行7次13C二氧化碳脈沖標記，使其通過光合作用吸收13C二氧化碳。在播種115 d后，獲取水稻地上部，在 60℃烘干，粉碎過 0.25 mm篩，其δ13C值為676.39‰，秸稈有機碳質量分數為396.5 g/kg。

1.3 培養方法

本試驗采用2種處理：對照組（不加秸稈，CK）和試驗組(加1%13C標記秸稈，Str)，每個處理設置3個重復。將過2 mm篩的砂姜黑土300 g于2 L的塑料培養瓶中，加入3 g13C標記水稻秸稈，充分混勻后，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，并在28℃恒溫培養箱中培養。同時做不加秸稈的對照試驗。培養期間每天通氣，并每周稱質量以保持土壤含水率。分別在15、60、120 d取 3個重復的各處理土壤，用以測定土壤團聚體穩定性（濕篩法）、SOC、土壤13C同位素豐度值。

1.4 測定指標及方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤pH值采用電位法(水土質量比2.5∶1)，土壤黏粒和粉粒含量采用吸管法測定[24-25]，秸稈的全碳含量采用 CN元素分析儀測定，土壤13C同位素豐度值采用Flash-EA-DELTA-V聯用儀測定[26]；土壤團聚體的分布狀況和穩定性采用濕篩法[27]。

描述土壤團聚狀況的穩定性指標可采用平均質量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD），水穩性大團聚體（R0.25），詳細計算公式見有關參考資料[27]。

團聚體的分形維數D值的計算采用楊培嶺等[28]推導的公式

利用公式（1），通過數據擬合，可方便的求得D。式中為某級團聚體平均直徑，μm；M()為粒徑小于的團聚體的質量，g；MT為團聚體總質量，g；xmax為團聚體的最大粒徑，μm。

培養結束時不同粒級土壤團聚體有機碳來源于秸稈新碳的比例為[29]：

式中，δCsom為培養結束時添加標記秸稈的土壤δ13C值，‰；δCck為不加秸稈的土壤δ13C值，‰；δCstraw為標記秸稈的δ13C值，‰；若不同粒級土壤團聚體有機碳總量C已知，那么總量中來自秸稈新碳Cn為

土壤團聚體有機碳貢獻率計算方法[14]：

團聚體中有機碳貢獻率=

1.5 數據處理

采用 Microsoft Excel 2016軟件進行數據整理，SigmaPlot10.0軟件進行作圖，SPSS22.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析和回歸分析，采用最小顯著極差法(LSD 法)進行多重比較，顯著性水平P＜0.05，極顯著水平P＜0.01。

2 結果與分析

2.1 水稻秸稈添加對砂姜黑土各粒級水穩性團聚體組成的影響

與對照組相比，添加水稻秸稈后土壤團聚體分布趨勢表現出相同的規律，試驗組水穩性大團聚體含量（＞250μm）顯著增加（P＜0.05），促使水穩性微團聚體（＜250μm）向大團聚體團聚，水穩性微團聚體含量顯著減少，且不同培養時期各粒級團聚體含量均發生了明顯變化，水穩性大團聚體始終是優勢粒級（圖1）。其中，對照組中＞2000μm水穩性團聚體的含量很少，與其他3個粒級的水穩性團聚體相比差異顯著（P＜0.05），2 000～250、＜53μm水穩性團聚體含量相對較多；到培養60 d的時候，水穩性微團聚體還一直占主體，質量分數為59%；培養到120 d時，大團聚體含量有所增加，但與微團聚體含量差異不是很明顯，說明砂姜黑土在不受擾動的情況下，微團聚體有向大團聚體微弱團聚的趨勢。

圖1 不同培養時期土壤水穩性團聚體的組成Fig.1 Composition of soil water-stable aggregates under different incubation period

試驗組＞2000和2 000～250μm水穩性大團聚體含量呈顯著增加趨勢，＞250～53和＜53μm水穩性微團聚體含量都顯著減少（P＜0.05）。培養到15 d的時候，試驗組＞2 000、2 000～250μm粒級水穩性團聚體質量分數分別比對照組增加了157.2%、32.2%，＞250μm水穩性大團聚體質量分數為 56.38%，比對照組增加了 37.9%。培養到120 d的時候，水穩性大團聚體質量分數達到63.28%，成為優勢粒級。良好的土壤團聚體是水穩性的，＞250μm粒級團聚體被認為是土壤中最好的結構體，稱為土壤團粒結構體，是維持土壤結構穩定的基礎，其含量越高，土壤結構的穩定性和固碳能力越大[30]。同時，水穩性團聚體的數量和分布狀況反映了土壤結構的抗侵蝕能力[31]，因此結果表明砂姜黑土添加水稻秸稈后，促使微團聚體向大團聚體團聚，砂姜黑土的穩定性、抗侵蝕能力得到增強。

2.2 水稻秸稈添加對砂姜黑土水穩性團聚體平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑(GMD)、R0.25、分形維數（D）的影響

土壤團聚體的MWD、GMD、R0.25、D是反映土壤團聚體大小分布狀況與穩定性的重要指標，MWD、GMD、R0.25值越高，D值越小，表明團聚體的平均粒徑團聚度越高，土壤越具有良好的結構，穩定性越強[27,32]。從表 1可知，團聚體的回收率介于98%～100%之間，相比于對照組，添加水稻秸稈后不同培養時期的試驗組水穩性團聚體的平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、R0.25值顯著增加，分形維數（D）值顯著減小（P＜0.05）。培養到120 d時，試驗組的MWD、GMD、R0.25值分別比對照組增加了21.5%、34.3%、21.3%，D值減小2%，試驗組不同培養天數的MWD、GMD、R0.25差異也很顯著，D值變化不是很顯著，團聚體穩定性指標以培養120 d后的效果最好。這與侯曉娜等[27]的研究結果一致，侯曉娜等通過研究玉米秸稈添加對砂姜黑土團聚體穩定性的影響，結果表明秸稈添加顯著增加了 MWD、GMD、R0.25值，降低了D值。

表1 水稻秸稈添加對團聚體穩定性指標的影響Table 1 Effects of rice straw on aggregate stability index

2.3 水稻秸稈添加對砂漿黑土各粒級水穩性團聚體有機碳、有機碳貢獻率及豐度值的影響

2.3.1 對砂姜黑土全土及各粒級水穩性團聚體有機碳含量的影響

植物殘體作為土壤有機碳的主要來源，含有多種營養元素，直接添加后，可提升土壤微生物的數量和活性，促進土壤有機碳的積累[16]。與對照組相比，添加秸稈處理后的試驗組全土及不同粒級團聚體有機碳含量均顯著增加(P＜0.05)，不同粒級團聚體有機碳含量分布存在明顯差異(表2)。隨著培養時間的延長對照組與試驗組全土有機碳含量均在減少，有機碳的回收率介于96%～104%之間，培養到120 d時試驗組全土有機碳含量仍然高于對照組有機碳含量。團聚體有機碳含量分布情況呈現出相同的趨勢，水穩性微團聚體有機碳含量均高于大團聚體有機碳含量，且隨著培養時間的延長，各粒級團聚體有機碳含量整體均在減少，微團聚有機碳含量的增加幅度大于大團聚體的增加幅度。其中，對照組有機碳主要分布在＞250～53、＜53μm 粒級水穩性微團聚體中，＞2 000μm粒級團聚體有機碳含量最少，顯著小于其他 3個粒級團聚體有機碳含量(P＜0.05)。

試驗組培養到15 d時，對于團聚體有機碳的分配比例而言，＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm 粒級團聚體有機碳質量分數分別比對照組增加了 21.4%、25.4%、34.7%、50.0%。不同培養時期，在4種粒級團聚體中，水穩性團聚體有機碳的分布由高到低的順序均為＞250～53、＜53、2 000～250、＞2 000μm，微團聚體有機碳含量相對較高，秸稈添加對砂姜黑土水穩性微團聚體有機碳增加幅度明顯大于水穩性大團聚體。

表2 不同培養時期全土和不同粒級團聚體有機碳質量分數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 砂姜黑土不同粒級水穩性團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率

從表 3可知，不同粒級團聚體有機碳貢獻率與團聚體含量分布規律相似，其中以2 000～250μm粒級團聚體有機碳貢獻率最高，＞250～53與＜53μm粒級團聚體有機碳貢獻率居中，差異不是很顯著，＞2 000μm團聚體有機碳貢獻率最低。雖然＞250～53與＜53μm粒級團聚體有機碳含量相對比較高，但確以2 000～250μm粒級團聚體有機碳貢獻率最高，分析原因主要是2 000～250μm粒級團聚體分配比例最高，而微團聚體在團聚體中分配比例相對較低所致。

與對照組相比，添加水稻秸稈后的試驗組＞2000與2 000～250μm 粒級團聚體有機碳貢獻率顯著增加，＞250～53與＜53μm 粒級團聚體有機碳貢獻率顯著減小（P＜0.05）。這可能是添加秸稈后促進了微團聚體向大團聚體的團聚，大團聚體分配比例顯著增加的結果。

表3 不同粒級水穩性團聚體中有機碳對土壤有機碳的貢獻率Table 3 Contributing rates of water-stable aggregates carbon of different grain size to soil organic carbon %

2.3.3 砂姜黑土不同粒級團聚體δ13C值的動態變化

土壤有機碳的δ13C值受進入土壤中有機物料的種類影響，δ13C方法不但可以研究原SOC的周轉，還可以示蹤進入到土壤中外源新碳的變化[33]。對照組 4種不同粒級團聚體有機碳的δ13C值介于-22.08‰至-23.52‰之間，而與對照組相比，試驗組不同粒級團聚體有機碳的 δ13C值明顯提高，δ13C值動態變化很大（圖2）。說明添加水稻秸稈后，進入到土壤中的外源新碳的周轉速度很快。從培養15 d到120 d時，對照組不同粒級團聚體δ13C值動態變化很小，表明原土壤有機碳的周轉速率比較慢，降解程度比較接近。

試驗組培養到15 d時，不同粒級團聚體的δ13C值遞減順序為：250～53、＜53、＞2 000、2 000～250μm。隨著培養時間的延長，到60 d時，4種粒級的團聚體δ13C下降幅度都很大，下降幅度分別為27.8%、24.6%、30.9%、73.8%，總體上大團聚體的下降幅度大于微團聚體。培養到60 d后，＞250～53、＜53μm粒級團聚體δ13C值整體趨勢一直還在減小，＞2000、2 000～250μm粒級團聚體δ13C值整體趨勢是微弱增加，但總體變化趨勢漸趨平緩。這主要原因是試驗組添加的是粉碎過0.25 mm篩的秸稈，前期微團聚體中含有較多的外源秸稈，δ13C值比較大，而隨著培養時間的延長，水稻秸稈在＞250～53、＜53μm粒級的腐解殘留量逐漸減少，含有δ13C的有機物不斷被分解，從而使＞250～53、＜53μm粒級團聚體的δ13C值一直減小，含有 δ13C有機物的微團聚體不斷向＞2 000、2 000～250μm粒級大團聚體中聚集，從而造成＞2 000、2 000～250μm粒級團聚體δ13C值在60 d后有微弱增大的趨勢。

圖2 添加水稻秸稈后不同粒級團聚體δ13C值的動態變化Fig.2 Dynamics of δ13C value in different soil aggregate fractions with rice straw treatment

2.3.4 對砂姜黑土各粒級水穩性團聚體外源新碳及原有機碳的影響

培養結束后土壤團聚體有機碳可分為外源新碳和原有機碳，因采用傳統的差減法不能精確的獲得土壤固定的外源新碳數量，為此本文采用δ13C自然豐度法計算各粒級團聚體固定的外源新碳量。從表 4可知，來自水稻秸稈的外源新碳的分布規律與不同粒級團聚體的δ13C值的動態變化規律一致，分配遞減順序為＞250～53、＜53、＞2 000、2 000～250μm，表明外源新碳主要分配進入到微團聚體中。培養到15 d時外源新碳分配進入到＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm粒級團聚體中的比例分別為19%、15%、38%、28%，微團聚體中外源新碳的分配比例明顯高于大團聚體。隨著培養時間的延長，外源新碳在各粒級團聚體中分布量均逐漸減少，到120 d時，＞2 000、＞250～53、＜53μm 粒級團聚體外源新碳較60 d時下降幅度分別為5.5%、24.6%、10%，2 000～250μm粒級外源新碳有微弱增加，總體上外源新碳在大團聚體中的下降速度小于微團聚體，逐漸趨于穩定，說明水稻秸稈加入土壤培養一段時間后，由于生物、化學、環境等因素的影響，水穩性大團聚體中初期不穩定新有機碳更快更容易分解，120 d時已經快降解完，微團聚體中的初期新有機碳相對比較穩定，還在逐步分解。培養到120 d時，方差分析進一步表明，與不同粒級外源新碳殘留量相比，土壤中原有機碳殘留量與初始量差別不大，說明新進入土壤中的有機碳分解轉化很快，而土壤中原有機碳降解較慢。水稻秸稈的添加促進了砂姜黑土及各粒級團聚體有機碳的累積，提升了土壤碳水平，而且對原水穩性大團聚體有機碳的分解影響程度整體強于微團聚體。

表4 不同粒級土壤團聚體有機碳的來源Table 4 Source of organic carbon in soil aggregates different in size fraction g·kg-1

2.4 砂姜黑土不同粒級團聚體有機碳與團聚體穩定性指標之間的相關分析

土壤有機碳是影響土壤團聚結構的最重要因素之一，研究表明，SOC與水穩性團聚體關系密切，外源新碳的加入，是SOC的重要來源，促進了團聚體的團聚與水穩性團聚體的穩定[34-35]。為了進一步明確砂姜黑土各粒級團聚體有機碳與團聚體穩定性指標之間的相關關系，本文對培養120 d后不同粒級團聚體有機碳與團聚體穩定性之間的關系進行了回歸分析。由表5可知，＞2 000、2 000～250、＞250～53μm粒級團聚體有機碳與團聚體D值呈顯著負相關關系（P＜0.05），＜53μm粒級團聚體有機碳與D值關系不顯著，MWD、GMD、R0.25與2 000～250、＞250～53μm粒級團聚體有機碳呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與＞2 000μm粒級團聚體有機碳呈顯著正相關關系（P＜0.05）、與＜53μm粒級團聚體有機碳關系不顯著，說明團聚體穩定性與團聚體有機碳關系密切，較大粒級水穩性團聚體有機碳含量越高，水穩性大團聚體含量越高，團聚體穩定性越高，砂漿黑土結構和有機碳穩定性越高。總體來看大團聚體有機碳對團聚體的穩定性影響最為顯著。外源新碳的加入，是SOC的重要來源，促進了水穩性大團聚體的團聚與團聚體的穩定，提高了土壤及不同粒級團聚體有機碳含量，改善了土壤性狀。

表5 不同粒級團聚體有機碳與團聚體穩定性指標之間的相關分析Table 5 Correlation between different aggregate -associated carbon and aggregate stability index

3 討 論

3.1 水稻秸稈添加對不同培養時期水穩性團聚體分布及穩定性的影響

土壤有機碳是土壤團聚體的主要膠結劑，對土壤團聚體的數量和大小分布有重要影響。秸稈還田增加了土壤有機物料的投入，其轉化形成的腐殖質在團聚體形成過程中作為重要的膠結物質有利于大團聚體的形成，能夠顯著增加土壤大團聚體的含量及其穩定性[36-37]。在本研究中，添加水稻秸稈后，通過土壤微生物和酶進行腐解，從而使砂姜黑土試驗組水穩性團聚體發生了顯著變化，＞2 000和2 000～250μm水穩性團聚體含量都呈顯著增加趨勢，＞250～53和＜53μm水穩性微團聚體都顯著減少（P＜0.05），培養到120 d的時候，＞2 000、2 000～250μm粒級團聚體分別比對照組增加了265.5%、16.0%，＞250～53、＜53μm 粒級團聚體分別比對照組減少了26.0%、20.7%，水穩性大團聚體質量分數達到63.28%，成為優勢粒級。說明水稻秸稈分解產生如多糖、蛋白質、木質素等不同種類的有機質以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，這些土壤中重要的有機膠結物質對大團聚體的形成及穩定產生了積極影響，促進進了砂姜黑土微團聚體向大團聚體團聚。這與顧鑫等的研究結果相似，顧鑫和侯曉娜分別研究了室內模擬情況下添加玉米秸稈對棕壤團聚體和砂姜黑土團聚體組成的影響，結果表明添加玉米秸稈不但顯著增加＞250μm 粒級團聚體含量，還使其＜250μm團聚體含量降低[20,32]。本研究發現培養到120 d時，不添加水稻秸稈的對照組，也存在微弱的大團聚體增加和微團聚體減少的現象，但變化幅度很小，分析原因可能是砂姜黑土粘粉粒含量達到 70%，在未擾動及溫濕度適宜的情況下，自身存在微弱的團聚作用。

試驗組不同培養時間穩定性指標MWD、GMD、R0.25值都顯著大于對照組，分形維數（D）顯著小于對照組（P＜0.05），而且，MWD、GMD和R0.25之間均呈極顯著相關關系（P＜0.01），并且三者均與分形維數D呈顯著負相關關系（P＜0.05），表明 MWD、GMD、R0.25和分形維數D均可以用來表征土壤團聚體穩定性，且其在表征團聚體穩定性的過程中具有一致性。表明水稻秸稈添加后，改變了砂姜黑土水穩性團聚體的分布情況，顯著增加了水穩性大團聚體含量，提高了砂漿黑土團聚體穩定性和抗侵蝕能力，增強土壤結構的穩定性。這與顧鑫等的研究結果一致，顧鑫和侯曉娜表明添加玉米秸稈可以提高土壤團聚體的穩定性，改善土壤結構[20,32]。

3.2 水稻秸稈添加對有機碳在不同粒級團聚體中的分布規律及穩定性的影響

土壤團聚體對土壤固碳具有重要意義。已有研究表明，土壤團聚體有機碳在不同粒級團聚體中的分配比例存在差異，產生的可能原因是外源新碳在團聚體的分配受培養條件、土壤及物料類型等因素影響而有所差異[20,27]。從表 2可知，添加水稻秸稈的試驗組不同培養時期的全土及水穩性團聚體有機碳含量均顯著高于對照組(P＜0.05)，在 4種粒級團聚體中，水穩性團聚體新有機碳的分布遞減順序均為＞250～53、＜53、2 000～250、＞2 000μm，微團聚體有機碳含量明顯高于大團聚體。這與尹云鋒等的研究結果一致，尹云鋒等利用δ13C示蹤法研究水稻秸稈添加對紅壤團聚體有機碳的影響表明，培養到112 d時外源新碳主要分配在微團聚體中，微團聚體有機碳濃度高于大團聚體[21]。本研究最終表明水稻秸稈添加對砂姜黑土各個粒級團聚體有機碳含量均有提高作用，且對微團聚體有機碳的提高幅度明顯大于大團聚體。分析原因可能為添加的水稻秸稈是粉碎過0.25 mm篩，以往室內研究添加的秸稈粉碎多在1～2 mm，秸稈越細，越容易為微生物利用，從而加快促進微生物分泌膠結劑，而且砂姜黑土是以蒙脫石為主的2:1型黏土礦物，具有較高的永久表面電荷和較大的比表面積，可以將外源有機碳吸附到細小黏土礦物晶層表面或者嵌插到里面，所以有利于砂姜黑土微團聚體有機碳的提高與固定[20,38]。但是由于砂姜黑土添加水稻秸稈后，水穩性微團聚體向大團聚體團聚，水穩性大團聚體的分配比例顯著提高，微團聚體分配分配比例下降，所以導致水穩性大團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率大于微團聚體有機碳，大團聚體有機碳貢獻率顯著提高。

添加水稻秸稈后，試驗組不同粒級團聚體δ13C值都顯著增加(P＜0.05)，不同培養時期δ13C值動態變化幅度很大，而對照組不同粒級團聚體δ13C值變化幅度很小，說明外源新碳加入砂姜黑土后，周轉速率很快，而土壤中的原有機碳轉換很慢。來自水稻秸稈的外源新碳的分配遞減順序一直為＞250～53、＜53、＞2 000、2000～250μm，培養到 120 d時外源新碳進入到＞2000、2 000～250、＞250～53、＜53μm粒級團聚體中的比例分別為22.4%、10.9%、37.5%、29.2%，表明外源新碳主要分配進入到微團聚體中，分配比例達到了67%。Chaney等以及Tisdall等[39-40]指出，由于微團聚體固持的碳受到物理保護并具有生物化學抵抗性而不易分解，微團聚體有機碳在土壤中更持久穩定，所以砂姜黑土中添加水稻秸稈在提高土壤有機碳的同時，更有利于提高土壤有機碳的固持能力。到 60 d 時，＞2 000、2 000～250、＞250～53、＜53μm 粒級團聚體外源新碳較15 d時下降幅度分別為31.5%、61.3%、28.2%、36.2%，大團聚體新有機碳前60 d分解速度快于微團聚體，60 d后大團聚體不穩定新有機碳已經快分解完，微團聚新有機碳還在逐步分解，說明水稻秸稈加入土壤培養一段時間后，由于生物、化學、環境等因素的影響，水穩性大團聚體中初期不穩定新有機碳活性相對較高，穩定性較低，更快更容易分解，初期微團聚體新有機碳比大團聚體新有機碳穩定。同時方差分析進一步表明，與外源新碳周轉速率相比，土壤中原有機碳分解速率相對比較慢，說明水稻秸稈的添加促進了砂姜黑土各粒級團聚體有機碳的累積，而且對原水穩性大團聚體有機碳的分解速率影響程度整體強于微團聚體。這與尹云鋒等[21,41]的研究相似，尹云鋒等發現水稻秸稈中新有機碳在不同粒級團聚體中的動態分布并不一致，培養到112 d時候主要分配在微團聚體中，水稻秸稈添加顯著促進了大團聚體中原有機碳的分解，對微團聚體影響并不顯著。王金達等研究表明新進入土壤中的外源新碳轉化較快,而土壤中固有的原有機碳轉化較慢,添加有機物料可以增加土壤中原有機碳的固定。

4 結 論

1）未添加水稻秸稈的砂姜黑土，水穩性微團聚體（＜250μm）占主體，＞2 000μm粒級水穩性團聚體含量較少，團聚體的平均質量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）、R0.25值相對比較小，D值比較大，團聚體的團聚能力和結構較差，土壤有機碳量含量低。隨著培養時間的延長，不同粒級團聚體δ13C值動態變化很小，微團聚體有機碳貢獻率大于大團聚體。

2）砂姜黑土添加水稻秸稈后，加速了水穩性微團聚體向水穩性大團聚體（＞250μm）的團聚，使得大團聚體占主體，顯著提高了砂漿黑土水穩性團聚體的 MWD、GMD、R0.25值，降低了D值，土壤結構和穩定性明顯得到改善，各粒級團聚體有機碳含量也顯著得到提高，微團聚體有機碳含量大于大團聚體，提高了大團聚體有機碳貢獻率，團聚體有機碳固持能力得到提升。

3）外源新碳主要分配固持在微團聚體中，分配比例達到67%，添加水稻秸稈后不同粒級團聚體δ13C值動態變化很明顯，微團聚體δ13C值大于大團聚體δ13C值，外源新碳周轉速率比較快，初期大團聚體外源新碳分解速度快于微團聚體，而原有機碳轉化較慢，砂漿黑土團聚體穩定性指標與團聚體有機碳關系密切。水稻秸稈添加顯著促進了土壤及各粒級團聚體有機碳的累積，提高土壤碳水平，改善了土壤性狀。

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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

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S152.4；S153.6+2

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2017-01-03

2017-07-10

國家科技支撐計劃課題（2014BAL01B01）；國土資源部公益性行業科研專項（201411008-3）；陜西省重點科技創新團隊計劃項目（2016KCT-23）

劉 哲，男，工程師，研究方向為土壤結構和土壤碳循環。西安陜西省土地工程建設集團，710075。Email：liuzhe168@126.com

※通信作者：韓霽昌，男，研究員，博士，主要研究方向為土地工程及土地資源利用。西安 陜西省土地工程建設集團，710075。

Email：zenghuisun@cau.edu.cn