不同耕作措施下添加秸稈對土壤有機碳及其相關(guān)因素的影響

王碧勝，于維水，武雪萍，高麗麗，李景，宋霄君，李生平，盧晉晶，鄭鳳君，蔡典雄

不同耕作措施下添加秸稈對土壤有機碳及其相關(guān)因素的影響

王碧勝1,2，于維水2，武雪萍2，高麗麗3，李景4，宋霄君2，李生平2，盧晉晶2，鄭鳳君2，蔡典雄2

1青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東青島 266109；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊 050031

【】探究添加秸稈對不同耕作措施下土壤有機碳及其相關(guān)因素的影響，為北方旱作農(nóng)田固碳增產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。采集長期進行傳統(tǒng)耕作（CT）和免耕（NT）的大田土壤樣品進行室內(nèi)培養(yǎng)試驗，共設(shè)置4個處理，分別為傳統(tǒng)耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統(tǒng)耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個處理15次重復(fù)。在25℃恒溫培養(yǎng)箱中進行通氣培養(yǎng)，培養(yǎng)時間共180 d，此間定期取樣進行有機碳含量、水穩(wěn)性團聚體構(gòu)成、土壤微生物量碳和相關(guān)土壤酶活性的測定。（1）添加秸稈顯著提高土壤有機碳含量和大團聚體含量。與CT相比，CTS提高土壤有機碳含量15%—46%；與NT相比，NTS提高土壤有機碳含量12%—21%；培養(yǎng)結(jié)束時，CTS、NTS處理的有機碳含量較初始分別提高26.8%和7.0%。CTS和NTS處理以2 000—250 μm團聚體含量最高，占全部團聚體的41%—50%，CTS較CT提高＞250 μm團聚體比例235%—310%，NTS較NT提高＞250 μm團聚體比例96%—149%。（2）添加秸稈顯著增加土壤有機碳δ13C值，CTS處理為80.93‰—115.22‰，NTS為48.92‰—80.49‰；CTS秸稈來源碳所占比例顯著高于NTS，較NTS處理提高13%—66%。（3）添加秸稈顯著提高微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）和β-木糖苷酶（BXYL）活性。CTS較CT提高MBC含量239%—623%，提高BG、CBH和BXYL活性58%—170%、52%—337%和117%–170%；NTS較NT處理提高MBC含量124%—555%，提高BG、CBH和BXYL活性28%—181%、4%—304%和13%—118%。（4）土壤有機碳含量與BG、CBH和BXYL活性、MBC及＞2 000 μm、2 000—250 μm團聚體比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與250—53 μm、＜53 μm團聚體比例呈顯著負相關(guān)關(guān)系；BG、CBH、BXYL 3種酶活性彼此之間表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均與MBC、＞2 000 μm團聚體、2 000—250 μm團聚體顯著正相關(guān)，與＜53 μm團聚體極顯著負相關(guān)。線性相關(guān)分析結(jié)果表明水穩(wěn)性大團聚體（＞250 μm）可解釋有機碳變化的48%，MBC可解釋有機碳變化的45%，BG、CBH和BXYL酶活性分別可解釋有機碳變化的66%、44%、53%。添加秸稈可顯著提高土壤有機碳和大團聚體含量，促進微生物數(shù)量增加和土壤酶活性增強，且對傳統(tǒng)耕作土壤有機碳及其相關(guān)因素的影響更大，有機碳在土壤中的固定除了受團聚體物理保護外，還受土壤中微生物作用的調(diào)節(jié)。

團聚體；有機碳；δ13C；土壤酶；添加秸稈；耕作措施

0 引言

【研究意義】土壤有機碳（SOC）是評價土壤肥力的重要指標[1]，同時由于土壤有機碳庫含量巨大，其微小變化即可對大氣二氧化碳（CO2）濃度產(chǎn)生劇烈作用[2]，因此，SOC不僅對土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量有直接影響[3]，而且在環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用[4]，確保農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中SOC的永續(xù)性具有重要意義[4-5]。我國玉米秸稈資源數(shù)量大、分布廣[6]，但多被農(nóng)民采取就地燃燒的方法處理，這不僅會增加CO2排放，造成環(huán)境污染，而且不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。山西省是全國玉米秸稈主產(chǎn)區(qū)，秸稈中有機物含量高，是重要的生物質(zhì)資源[8]，將其還田能夠有效增加SOC含量、提高土壤肥力[9-10]。因此，探究添加秸稈對SOC的影響及其機理研究既具有理論價值又有現(xiàn)實價值。【前人研究進展】相關(guān)研究表明，如果每年0—30 cm土層中有機碳儲量增加4‰，即可抵消當年CO2排放量[11]。ZHANG等[12]通過長期定位試驗研究得出在中國北方秸稈還田可增加SOC儲量0.07—1.461 t·hm-2·a-1。目前關(guān)于有機碳固存的機制主要包括化學(xué)保護機制、物理保護機制和生物化學(xué)穩(wěn)定機制[13-14]。有研究表明外源有機物料的施用促進水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性，微團聚體內(nèi)有機碳的降解過程耗能較大，受到物理保護作用較大，所以微團聚體中有機碳含量的提高有助于SOC的持久穩(wěn)定[15-16]。劉哲等[16]的研究表明添加秸稈顯著提高了＞2 000 μm和2 000—250 μm粒級水穩(wěn)性大團聚體有機碳的貢獻率，從而加強了有機碳在土壤中的穩(wěn)定性及固持能力。由上述研究可知添加秸稈能夠有效提高SOC含量。【本研究切入點】目前關(guān)于秸稈增加SOC的原因多歸于物理保護作用，且研究對象主要為單一土壤添加秸稈與不加秸稈處理。耕作和秸稈還田是驅(qū)動農(nóng)田土壤碳庫周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素[17-18]，但關(guān)于長年經(jīng)過不同耕作處理的土壤添加秸稈的研究相對較少。此外，土壤微生物特性，如酶活性、微生物豐度和群落組成等，已被廣泛用于評估秸稈還田的影響[19]，為探究添加秸稈提高有機碳的機制擴寬了思路。【擬解決的關(guān)鍵問題】本文以長期保護性耕作農(nóng)田土壤為基礎(chǔ)，采用室內(nèi)培養(yǎng)方法，旨在明確添加秸稈對傳統(tǒng)耕作和免耕土壤SOC、團聚體分布、微生物生物量碳及相關(guān)酶活性的影響；同時利用13C標記技術(shù)定量分析秸稈碳對SOC的影響，結(jié)合物理、生物兩方面闡明添加秸稈增碳的機制，為北方旱作農(nóng)田固碳增產(chǎn)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于山西省壽陽縣宗艾村（東經(jīng)112°— 113°，北緯37°—38°），年平均氣溫7.4℃，年平均降雨量為461.8 mm，屬中緯度暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。試驗地點選在地勢較平緩的褐土上，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，屬于全年無灌溉雨養(yǎng)地。初始時0—20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀如表1所示。大田試驗開始于2003年，每年保持相同處理，設(shè)置傳統(tǒng)耕作（CT）和免耕（NT）兩種耕作處理，具體操作為：CT處理秋收后秸稈移出，秋季耕翻，春季播前撒施化肥并春耕；NT處理秋收后將秸稈順行推倒免耕覆蓋，春季免耕，順行開5 cm深小槽，點播玉米種子，在兩播種點之間穴施化肥。種植作物為春玉米，一年一作，供試玉米品種為當?shù)貎?yōu)勢品種。試驗小區(qū)面積為5 m×5 m=25 m2，重復(fù)3次，各處理N、P2O5施肥量均為105 kg·hm-2。

表1 試驗地 0—20 cm土層基礎(chǔ)理化性狀

1.2 供試材料

2016年（試驗開始后第14年）秋季收獲后，采集0—20 cm土層原狀土樣和混合土樣。原狀土樣帶回實驗室，在通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干后沿土塊天然斷裂面輕輕掰開，將大的植物殘體和石子砂礫去除，通過6 mm篩子，用于測定初始土樣水穩(wěn)性團聚體。混合土樣分為兩部分，一部分迅速放入保鮮箱中帶回實驗室，過2 mm篩后放入-20℃冰箱中保存，用于測定微生物生物量碳和土壤酶活性；另一部分風(fēng)干后通過2 mm篩子，用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗[20]。CT和NT土壤培養(yǎng)前初始養(yǎng)分含量分別為：有機碳21.65和28.51 g·kg-1，全氮1.05和1.55 g·kg-1，速效磷12.0和46.3 mg·kg-1，速效鉀106.0和173.0 mg·kg-1，pH 8.12和7.76。供試秸稈為13C標記玉米秸稈，采用連續(xù)標記的方法，在玉米拔節(jié)期至大喇叭口期，用Ba13CO3（98 atom%，上海化工研究院）和鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的13CO2連續(xù)標記15 d，每天標記時間為9：00—17：00，標記15 d后即收取全株玉米，烘干，粉碎通過2 mm篩，有機碳含量為424.3 g·kg-1，全氮18.7 g·kg-1，δ13C值為855.25‰。

1.3 培養(yǎng)試驗

試驗設(shè)置4個處理，即傳統(tǒng)耕作土壤不加秸稈（CT）、免耕土壤不加秸稈（NT）、傳統(tǒng)耕作土壤加秸稈（CTS）和免耕土壤加秸稈（NTS），每個處理15次重復(fù)。添加秸稈處理均為取5 g標記玉米秸稈與過2 mm篩的風(fēng)干土樣100 g（秸稈占風(fēng)干土的質(zhì)量百分數(shù)為5%）[21-22]混勻后裝入500 mL的玻璃廣口瓶中，加入蒸餾水至土壤最大持水量的70%，用中間帶透氣濾紙的塑料膜封閉瓶口，在25℃恒溫培養(yǎng)箱中通氣培養(yǎng)，每周稱重保持土壤水分。培養(yǎng)周期為180 d，分別于培養(yǎng)后第15、30、60、90和180天取各處理3次重復(fù)樣品進行指標測定。

1.4 測試方法

土壤樣品進行各項目測定前用鑷子將土壤中可見秸稈挑出。

土壤水穩(wěn)性團聚體：稱取50 g風(fēng)干土平鋪于2 mm篩子上，室溫下用蒸餾水浸潤5 min后手動上下振動篩子，幅度為3 cm，振動2 min，共50次。振動完畢后用蒸餾水將篩子上的土樣沖洗進鋁盒中。按照上述方法將土樣依次通過0.25 mm和0.053 mm篩，分別獲得＞2 000 μm、2 000—250 μm、250—53 μm和＜53 μm四部分團聚體。

土壤有機碳測定采用干樣燃燒法，所用儀器為元素分析儀（Vario Macro C/N，Germany），測定前土樣經(jīng)1 mol·L-1鹽酸處理，去除無機碳。土壤有機碳δ13C值采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀ISOPRIME100（Isoprime，英國）測定。

土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提方法測定[17]，具體計算方法參照馬想等[18]。

β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、β-木糖苷酶（BXYL）活性采用熒光微孔板檢測技術(shù)測定[23]，具體操作及計算方法參照宋霄君等[24]。

1.5 計算方法

土壤中秸稈來源碳在SOC中所占比例（F）計算公式為：

F= (δ13Ct-δ13C0) / (δ13Cstraw- δ13C0) （1）

式中，δ13Ct為培養(yǎng)各時期添加秸稈土壤有機碳的δ13C值；δ13C0為培養(yǎng)初始未加秸稈時土壤有機碳δ13C值；δ13Cstraw為添加秸稈的δ13C值。

1.6 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2007和SAS9.2進行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用一般線性模型進行方差分析和相關(guān)分析，最小顯著極差法（LSD法）進行多重比較，顯著性水平＜0.05。數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差（=3）。

2 結(jié)果

2.1 土壤有機碳含量

由圖1可知，保護性耕作和添加秸稈顯著提高SOC含量。除15 d外，NT處理SOC含量較CT提高32%—38%，達到顯著水平。添加秸稈15—180 d，CTS處理SOC含量為23.09—31.73 g·kg-1，較CT提高15%—46%；NTS處理SOC含量為30.11—33.25 g·kg-1，較NT提高12%—21%。CT和CTS處理SOC含量隨時間變化趨勢一致，即0—15 d顯著增加，15—60 d顯著下降；不同的是CT處理SOC在60 d 后基本保持不變，而CTS處理SOC顯著增加。NT和NTS處理SOC含量隨時間變化趨勢一致，即0—30 d顯著增加，隨后下降。培養(yǎng)結(jié)束時，CT、NT、CTS、NTS處理SOC含量分別為18.8、25.1、27.4和30.5 g·kg-1，其中CT、NT處理的SOC含量較初始分別降低13.0%、11.9%，CTS、NTS處理的SOC含量較初始分別提高26.8%和7.0%。綜上可知，添加秸稈不僅能夠顯著提高SOC含量，且對傳統(tǒng)耕作處理效果更佳。

圖中小寫字母代表處理間差異顯著，大寫字母代表不同培養(yǎng)時期間差異顯著（P＜0.05）

2.2 土壤水穩(wěn)性團聚體構(gòu)成變化

由圖2可知，在未加秸稈時，CT和NT處理土壤水穩(wěn)性團聚體以250—53 μm粒級為主體，占全部團聚體的52%—66%；NT顯著提高＞250 μm團聚體比例，較CT提高66%—92%。添加秸稈對團聚體構(gòu)成有較大影響。CTS和NTS處理團聚體以2 000—250 μm粒級最高，占全部團聚體的41%—50%。15 d—180 d中，CTS處理＞250 μm團聚體比例為44.4%—49.4%，較CT處理提高235%—310%；250—53 μm和＜53 μm團聚體比例分別為34.8%—45.6%和9.4%—17.7%，較CT處理分別降低31%—37%和44%—65%。NTS處理＞250 μm團聚體比例為44.1%—50.9%，兩部分總比例較NT處理提高96%—149%；250—53 μm和＜53 μm團聚體比例分別為36.7%—43.0%和8.6%—18.1%，較NT處理分別降低28%—36%和30%—42%。由此可知，添加秸稈能夠顯著改變土壤水穩(wěn)性團聚體構(gòu)成，并且對傳統(tǒng)耕作土壤的影響更大。此外，CTS和NTS各級團聚體含量僅在個別培養(yǎng)時期差異顯著，其他培養(yǎng)時間兩處理間無顯著差異，說明添加秸稈可減小傳統(tǒng)耕作與免耕土壤之間團聚體含量的差異。

2.3 土壤有機碳δ13C值及秸稈新碳比例

未加秸稈處理CT和NT有機碳δ13C值在整個培養(yǎng)期間變化很小，分別為-21.30‰±0.04‰和-20.43‰± 0.06‰。添加秸稈后土壤有機碳δ13C值增加顯著（圖3-a）。CTS處理有機碳δ13C值為80.93‰—115.22‰，NTS為48.92‰—80.49‰。CTS有機碳δ13C值在15—60 d持續(xù)增加，隨后開始減小，至90 d后維持穩(wěn)定；NTS有機碳δ13C值在15—30 d減小，隨后開始增加，至60 d后維持穩(wěn)定。在整個培養(yǎng)期間，除第15天外，CTS處理有機碳δ13C值均顯著高于NTS。綜上可知，CTS和NTS處理有機碳δ13C值隨時間的變化趨勢相反，且CTS增加高于NTS。由圖3-b可知，秸稈來源碳占SOC的比例與有機碳δ13C值變化趨勢一致。15—180 d（除第15天外），CTS處理秸稈來源碳所占比例均顯著高于NTS，為11.7%—15.6%，較NTS提高13%—66%。由此可知，秸稈碳對傳統(tǒng)耕作SOC的影響更大。

圖中誤差線為標準誤差，不同小寫字母代表不同處理間差異顯著（P＜0.05）

2.4 土壤微生物量碳變化

由圖4可知，添加秸稈能顯著提高土壤MBC含量，15—180 d期間，各處理MBC含量大小順序為NTS＞CTS＞NT＞CT。CTS處理MBC含量為679— 1 354 mg·kg-1，較CT提高239%—623%；NTS處理MBC含量為880—2 162 mg·kg-1，較NT提高124%—555%。未加秸稈時，NT較CT提高MBC含量72%—178%；添加秸稈后，NTS與CTS間MBC含量差距減小，較CTS提高幅度為1%—60%。隨時間延長，CTS和NTS處理MBC含量均呈下降趨勢，CT和NT處理呈先升高后降低的趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，CT、NT、CTS、NTS處理MBC含量分別為200、392、679和880 mg·kg-1，較初始MBC含量分別提高34%、61%、353%和262%。綜上可知，添加秸稈對傳統(tǒng)耕作土壤MBC的提高作用更大。

圖中小寫字母代表處理間差異顯著，大寫字母代表不同培養(yǎng)時期間差異顯著（P＜0.05）

2.5 土壤酶活性變化

由圖5-a可知，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-葡萄糖苷酶活性均顯著高于傳統(tǒng)耕作處理，且添加秸稈能顯著提高β-葡萄糖苷酶活性。在整個培養(yǎng)期間，NT較CT提高β-葡萄糖苷酶活性38%—211%。CTS處理β-葡萄糖苷酶活性大小為96—433 nmol·g-1·h-1，較CT提高58%—170%；NTS處理為227—527 nmol·g-1·h-1，較NT提高28%—181%。隨時間延長，各處理β-葡萄糖苷酶活性表現(xiàn)為升高–降低的變化趨勢，最高值均出現(xiàn)在培養(yǎng)第15 d。培養(yǎng)結(jié)束時，CT、NT處理β-葡萄糖苷酶活性分別為61、86 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初期分別降低31%和59%；CTS和NTS分別為96和242 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初期分別提高9%和16%。

圖中小寫字母代表處理間差異顯著，大寫字母代表不同培養(yǎng)時期間差異顯著（P＜0.05）

由圖5-b可知，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-纖維二糖苷酶活性顯著高于傳統(tǒng)耕作處理，且添加秸稈能顯著提高β-纖維二糖苷酶活性。整個培養(yǎng)期間，NT處理較CT提高β-纖維二糖苷酶活性52%—337%。CTS處理β-纖維二糖苷酶活性大小為14—105 nmol·g-1·h-1，較CT提高80%—411%；NTS處理為27—158 nmol·g-1·h-1，較NT提高4%—304%。隨時間延長，CT和CTS處理β-纖維二糖苷酶活性表現(xiàn)為升高–降低的變化趨勢，NT表現(xiàn)為降低趨勢，NTS表現(xiàn)為升高–降低–升高的變化趨勢。培養(yǎng)結(jié)束時，CT、NT、CTS和NTS處理β-纖維二糖苷酶活性分別為6、12、14和46 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初始值分別降低64%、78%、8%和18%。

圖5-c為β-木糖苷酶活性變化情況，添加秸稈和不加秸稈條件下免耕處理β-木糖苷酶活性均顯著高于傳統(tǒng)耕作處理。培養(yǎng)期間，NT較CT提高β-木糖苷酶活性31%—320%。CTS處理β-木糖苷酶活性大小為21—64 nmol·g-1·h-1，較CT提高117%—170%；NTS處理為32—121 nmol·g-1·h-1，較NT提高13%—118%。隨時間延長，各處理β-木糖苷酶活性變化趨勢與β-葡萄糖苷酶活性一致。培養(yǎng)結(jié)束時，CT、NT、CTS和NTS處理β-木糖苷酶活性分別為10、21、23和42 nmol·g-1·h-1，較培養(yǎng)初始值分別降低59%、71%、4%和44%。

圖中小寫字母代表處理間差異顯著，大寫字母代表不同培養(yǎng)時期間差異顯著（P＜0.05）

2.6 土壤有機碳、土壤酶活性及團聚體組成的相關(guān)分析

由表2中結(jié)果可知，BG、CBH、BXYL 3種酶活性彼此之間均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系，且均與MBC、＞2 000 μm團聚體、2 000—250 μm團聚體（除BXYL外）顯著正相關(guān)，與250—53 μm團聚體顯著負相關(guān)。SOC含量與BG、CBH、BXYL 3種酶活性、MBC及＞2 000 μm、2 000—250 μm團聚體比例顯著正相關(guān)，與250—53 μm、＜53 μm團聚體比例呈顯著負相關(guān)關(guān)系。通過線性相關(guān)分析可知（表3），＞2 000 μm、2 000—250 μm團聚體比例可解釋SOC變化的25%和48%，MBC可解釋SOC變化的45%，BG、CBH和BXYL酶活性，分別可解釋SOC變化的66%、44%、53%（表3）。

表2 土壤有機碳、土壤酶活性與微生物量碳、團聚體組成的相關(guān)系數(shù)

表中“*”代表相關(guān)性達到顯著水平（＜0.05），“**”代表相關(guān)性達到極顯著水平（＜0.01），“＞2000 μm、2000-250 μm、250-53 μm和＜53 μm”表示土壤中對應(yīng)粒級團聚體所占質(zhì)量百分比

The symbol “*” indicates significant correlation between items (＜0.05) and “**”represents a highly significant correlation between items (＜0.01); “＞2000 μm、2000-250 μm、250-53 μm and ＜53 μm” represent the mass proportion of aggregates in soil

表3 有機碳與各相關(guān)因子關(guān)系表達式

3 討論

3.1 不同耕作措施及添加秸稈對土壤有機碳的影響

不同耕作措施由于對土壤的擾動程度不同，因此對SOC含量的影響不同。本研究中，NT處理SOC含量較CT提高32%—38%，達到顯著水平。這主要是因為經(jīng)過長期的保護性耕作，對土壤翻動小，降低了SOC的礦化，同時在田間操作過程中增加了有機物質(zhì)輸入，因此積累了較多的SOC。張霞等[25]的研究結(jié)果也表明，連年免耕能夠顯著增加土壤表層SOC含量。秸稈還田作為改善土壤肥力的重要農(nóng)田管理措施，被認為是增加土壤碳儲量和保持良好結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)[26]。本研究中添加秸稈顯著提高了各耕作SOC含量，CTS、NTS處理的SOC含量分別較CT、NT處理提高15%—46%和12%—21%。徐國鑫等[27]的研究得到類似結(jié)果，發(fā)現(xiàn)秸稈還田能提高SOC含量15.30%—23.04%。其原因一方面是由于秸稈作為外源有機碳直接補充進SOC含量，另一方面添加秸稈對土壤團聚體構(gòu)成的改善也發(fā)揮著重要作用，本研究中添加秸稈顯著提高了大團聚體含量，由12%—37%提升至39%—54%，而團聚體對SOC的固定作用被認為是最重要的機制[27-28]。秸稈進入土壤后可作為膠結(jié)物質(zhì)參與到團聚體的形成過程并成為團聚體的一部分，同時土壤大團聚比例提高能夠增強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進而減少SOC礦化[22]。本研究還發(fā)現(xiàn)，添加秸稈對SOC的影響在傳統(tǒng)耕作土壤中更加顯著，這可從Pei等[29]的研究找到解釋，其研究結(jié)果表明秸稈碳對低肥力SOC的貢獻率大于高肥力土壤，主要是由于高肥力土壤中微生物活動高于低肥力土壤，導(dǎo)致秸稈碳分解轉(zhuǎn)化迅速，因此對高肥力SOC作用小[8]，由初始養(yǎng)分含量可知，本研究中CTS和NTS處理的土壤正好與低肥力和高肥力水平相對應(yīng)。

3.2 不同耕作措施及添加秸稈對土壤微生物量碳和酶活性的影響

耕作措施和添加秸稈除了影響土壤物理化學(xué)性狀外，對土壤生物性質(zhì)也存在顯著影響。本研究結(jié)果表明，免耕和添加秸稈能夠顯著提高土壤微生物量碳含量。這一方面得益于秸稈為土壤微生物提供了充足的能量，促進微生物大量繁殖和生長[30]，另一方面耕作和秸稈可通過對土壤團聚體形成的改變進而影響土壤微環(huán)境，包括土壤水分孔隙和空氣孔隙、土壤孔隙度、溫度等，這些對土壤中微生物數(shù)量和群體結(jié)構(gòu)都會產(chǎn)生顯著影響[31]。HELGASON[32]的研究表明土壤大團聚體對土壤中水分滲透和氧氣有效性具有顯著影響，這與本研究中微生物量碳與2 000—250 μm團聚體含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系、與250—53 μm、＜53 μm團聚體間存在顯著負相關(guān)關(guān)系的結(jié)果相一致。本研究還發(fā)現(xiàn)添加秸稈對傳統(tǒng)耕作土壤微生物量碳的提高作用更大，可能原因為傳統(tǒng)耕作對土壤破壞性大、無秸稈還田，因此本身肥力水平較低，微生物數(shù)量較少，在這種情況下添加秸稈為土壤微生物提供了充足的養(yǎng)分，使其生長迅速；而免耕土壤由于破壞性小、有秸稈覆蓋還田，因此本身土壤肥力較高，能夠保證一定數(shù)量微生物生長，在此條件下添加秸稈雖然同樣提供了充足的養(yǎng)分，但對微生物數(shù)量提升作用有限[8]。β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）和β-木糖苷酶（BXYL）是參與有機碳轉(zhuǎn)化的主要調(diào)節(jié)者[33]，本研究表明添加秸稈能夠顯著提高β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果[23,33-34]類似。這主要是因為外源有機物為土壤微生物提供了豐富的能源原料，增強它們的新陳代謝，而土壤酶主要來自微生物和植物根系的分泌作用，因此土壤酶活性得到提升。β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性與微生物量碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系也說明了這一點。相關(guān)研究表明玉米秸稈在添加后12—14 d分解率達到最大，此后逐漸下降并趨于穩(wěn)定[8]，與本研究中β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性在第15天活性最高，然后降低的趨勢一致。這主要與微生物代謝利用物質(zhì)相關(guān)，起初階段其主要分解秸稈中易分解組分，如淀粉、蔗糖、低聚糖等，代謝速度快；后期主要利用纖維素、木質(zhì)素等難分解物質(zhì)，微生物代謝速度慢[8]。由于在水解纖維素時需要β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶協(xié)作，木質(zhì)纖維素中含有的半纖維素需要β-木糖苷酶水解，因此3種酶活性存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。同時相關(guān)研究表明，在纖維素酶系統(tǒng)中β-葡萄糖苷酶含量應(yīng)足夠多才能保證水解完全并防止水解產(chǎn)物的抑制作用[35]，本研究中β-葡萄糖苷酶酶活性顯著高于β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，可以從這里獲取解釋。

3.3 不同耕作措施下添加秸稈提高有機碳機制分析

添加13C標記秸稈顯著提高了土壤有機碳δ13C值，這與大多數(shù)研究結(jié)果相同，說明外源秸稈有機碳很快進入到土壤中[36]。添加相同秸稈后不同土壤中的δ13C值存在顯著差異，即CTS處理＞NTS處理，說明相同條件下，進入到土壤中的秸稈數(shù)量為CTS＞NTS。不同的是NTS處理δ13C值先下降后升高，而CTS先升高后下降，由微生物量碳含量和β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、β-木糖苷酶活性可知，NTS處理微生物活動較強，因此能夠在短時間內(nèi)分解礦化掉秸稈碳中易分解部分，造成δ13C值出現(xiàn)下降情況。CTS和NTS處理的初始SOC含量差異顯著，正是由于初始條件的差異造成兩種土壤固定秸稈來源有機碳的能力不同[37]，SOC含量較高處理（NTS）土壤中固定有機碳位點被占用數(shù)量高于SOC含量較低處理（CTS），當大量外源有機碳進入土壤時，對其固定量必然較小[20]。這與土壤團聚體構(gòu)成相關(guān)，研究結(jié)果顯示當土壤中大團聚體（＞250 μm）比例較高時，SOC含量隨之升高，由相關(guān)關(guān)系可知，大團聚體可解釋SOC變化的48%。秸稈碳在土壤中的分布還受土壤微生物活動的影響。本研究中添加秸稈處理顯著增加了各處理土壤中微生物量碳含量，這是由于秸稈刺激了土壤微生物的生長和活性，而秸稈碳在不同處理土壤中分布的差異性除了團聚體的作用外，很大程度上受微生物作用調(diào)節(jié)，本研究結(jié)果顯示微生物量碳可解釋SOC變化的45%。當土壤經(jīng)過處理（耕作或添加秸稈），土壤中SOC降解可能由細菌主導(dǎo)途徑轉(zhuǎn)換為真菌主導(dǎo)途徑[38]。在不同耕作處理土壤中添加秸稈后其周轉(zhuǎn)途徑受微生物影響可能不同。ZHENG等[39]研究得出，由于在大團聚體中存在較多的新近有機碳和易分解有機碳，因此會導(dǎo)致大團聚體中細菌和真菌之間的競爭增強；而在微團聚體中存在較多的耐分解有機碳，因此這部分土壤中細菌和真菌間的協(xié)同作用會更強以達到分解有機碳獲得能量的目的。此外，本研究中添加秸稈顯著提高了β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性，分別可解釋SOC變化的66%、44%、53%；但對β-纖維二糖苷酶提高幅度最大，而β-纖維二糖苷酶的主要來源是真菌，因此添加秸稈后SOC周轉(zhuǎn)可能以真菌為主，因為真菌釋放的胞外酶范圍廣，對于木質(zhì)素、纖維素等難降解有機碳的能力更強[40]。綜上可知，秸稈在土壤中的周轉(zhuǎn)不單取決于團聚體的物理保護，還受微生物的數(shù)量和構(gòu)成影響。

4 結(jié)論

不同耕作措施下土壤添加秸稈可顯著提高土壤有機碳和大團聚體含量，促進微生物數(shù)量增加和β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶和β-木糖苷酶活性增強。土壤有機碳變化與水穩(wěn)性大團聚體（＞250 μm）含量、微生物量碳、上述3種酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與微團聚體（＜250 μm）含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系。可知，有機碳在土壤中的固定除了受團聚體物理保護外，還受土壤中微生物作用的調(diào)節(jié)。針對不同耕作土壤，添加秸稈對傳統(tǒng)耕作土壤有機碳及其相關(guān)因素的影響更大。由此我們建議，從快速增加土壤有機碳角度出發(fā)，可根據(jù)實際情況采用粉碎翻壓方式進行秸稈還田。

[1] 范亞琳, 劉賢趙, 高磊, 汪亞及, 彭新華. 不同培肥措施對紅壤坡耕地土壤有機碳流失的影響.土壤學(xué)報, 2019, 56(3): 638-649.

FAN Y L, LIU X Z, GAO L, WANG Y J, PENG X H. Effects of fertility-building practices on soil organic carbon loss with sediment in sloping cropland of red soil. Acta Pedologica Sinica, 2019, 56(3): 638-649. (in Chinese)

[2] HAN L, SUN K, JIN J, XING B S. Some concepts of soil organic carbon characteristics and mineral interaction from a review of literature. Soil Biology and Biochemistry, 2016, 94: 107-121.

[3] 蘇永中, 趙哈林. 土壤有機碳儲量、影響因素及其環(huán)境效應(yīng)的研究進展. 中國沙漠, 2002(3): 19-27.

SU Y Z, ZHAO H L. Advances in researches on soil organic carbon storages, affecting factors and its environmental effects. Journal of Desert Research, 2002(3): 19-27. (in Chinese)

[4] LIANG C H, YIN Y, CHEN Q. Dynamics of soil organic carbon fractions and aggregates in vegetable cropping systems. Pedosphere, 2014, 24(5): 605-612.

[5] 于維水, 李桂花, 王碧勝, 武紅亮, 趙雅雯, 孟繁華, 盧昌艾. 不同施肥制度下我國東部典型土壤易分解與耐分解碳的組分特征. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(3): 675-683.

YU W S，LI G H，WANG B S, WU H L, ZHAO Y W, MENG F H, LU C A. Component characteristics of soil labile and recalcitrant carbon under long-term different fertilization systems in eastern China.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(3): 675-683. (in Chinese)

[6] 左旭, 王紅彥, 王亞靜, 王磊, 景麗, 王道龍. 中國玉米秸稈資源量估算及其自然適宜性評價.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2015, 36(6): 5-10, 29.

ZUO X, WANG H Y, WANG Y J, WANG L, JING L, WANG D L. Estimation and suitability evaluation of corn straw resources in China. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2015, 36(6): 5-10, 29. (in Chinese)

[7] LIANG G P, WU H J, HOUSSOU A A, CAI D X, WU X P, GAO L L, WANG B S, LI S P. Soil respiration, glomalin content, and enzymatic activity response to straw application in a wheat-maize rotation system. Journal of Soils and Sediments, 2018, 18(3): 697-707.

[8] 楊艷華, 蘇瑤, 何振超, 喻曼, 陳喜靖, 沈阿林. 還田秸稈碳在土壤中的轉(zhuǎn)化分配及對土壤有機碳庫影響的研究進展.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2019, 30(2): 668-676.

YANG Y H, SU Y, HE Z C, YU M, CHEN X J, SHEN A L. Transformation and distribution of straw-derived carbon in soil and their effect on soil organic carbon pool: A review . Chinese Journal of Applied Ecology, 2019, 30(2): 668-676. (in Chinese)

[9] ZHENG L, WU W L, WEI Y P, HU K L. Effects of straw return and regional factors on spatio-temporal variability of soil organic matter in a high-yielding area of northern China. Soil & Tillage Research, 2015, 145: 78-86.

[10] 王碧勝, 蔡典雄, 武雪萍, 李景, 梁國鵬, 于維水, 王相玲, 楊毅宇, 王小彬. 長期保護性耕作對土壤有機碳和玉米產(chǎn)量及水分利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21(6): 1455-1464.

WANG B S, CAI D X, WU X P, LI J, LIANG G P, YU W S, WANG X L, YANG Y Y, WANG X B. Effects of long-term conservation tillage on soil organic carbon，maize yield and water utilization. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2015, 21(6): 1455-1464.(in Chinese)

[11] PAUSTIAN K, LEHMANN J, OGLE S, REAY D, ROBERTSON G P, SMITH P. Climate-smart soils. Nature, 2016, 532(7597): 49.

[12] ZHANG W J, WANG X J, XU M G, HUANG S M, LIU H, PENG C. Soil organic carbon dynamics under long-term fertilizations in arable land of northern China. Biogeosciences, 2010, 7(2): 409-425.

[13] SIX J, CONANT R T, PAUL E A. Stabilization mechanisms of soil organic matter: implications for C-saturation of soils. Plant and Soil, 2002, 241(2): 155-176.

[14] XIE J, PENG B, WANG R. Responses of crop productivity and physical protection of organic carbon by macroaggregates to long‐term fertilization of an Anthrosol. European Journal of Soil Science, 2018, 69(3): 555-567.

[15] TISDALL J M, OADES J M. Organic matter and water‐stable aggregates in soils. Journal of Soil Science, 1982, 33(2): 141-163.

[16] 劉哲, 孫增慧, 張瑞慶.秸稈添加對潮土團聚體及有機碳分布和穩(wěn)定性的影響. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 31(6): 1246-1252.

LIU Z, SUN Z H, ZHANG R Q. Effects of application of rice straw on distribution and stability of aggregates and organic carbon in fluvo-aquic. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2018, 31(6): 1246-1252. (in Chinese)

[17] VANCE E D, BROOKES P C, JENKINSON D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biology & Biochemistry, 1987, 19(6): 703-707.

[18] 馬想, 黃晶, 趙惠麗, 徐明崗, 姜慧敏, 段英華. 秸稈與氮肥不同配比對紅壤微生物量碳氮的影響.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2018, 24(6): 1574-1580.

MA X, HUANG J, ZHAO H L, XU M G, JIANG H M, DUAN Y H. Straw and nitrogen fertilizer ratios influence microbial biomass carbon and nitrogen in red soil. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(6): 1574-1580. (in Chinese)

[19] LI Z Q, LI D D, MA L, YU Y Y, ZHAO B Z, ZHANG J B. Effects of straw management and nitrogen application rate on soil organic matter fractions and microbial properties in North China Plain. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19(2): 618-628.

[20] 孫元宏, 高雪瑩, 趙興敏, 隋標, 王鴻斌, 趙蘭坡. 添加玉米秸稈對白漿土重組有機碳及團聚體組成的影響. 土壤學(xué)報, 2017, 54(4): 1009-1017.

SUN Y H, GAO X Y, ZHAO X M, SUI B, WANG H B, ZHAO L P. Effects of corn stalk incorporation on organic carbon of heavy fraction and composition of soil aggregates in albic soil. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(4): 1009-1017. (in Chinese)

[21] 仇建飛, 竇森, 邵晨, 李明敏, 安豐華. 添加玉米秸稈培養(yǎng)對土壤團聚體胡敏酸數(shù)量和結(jié)構(gòu)特征的影響. 土壤學(xué)報, 2011, 48(4): 781-787.

QIU J F, DOU S, SHAO C, LI M M, AN F H. Effects of corn stalk application on quantity and structural characteristics of humus acid in soil aggregates. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(4): 781-787. (in Chinese)

[22] 王碧勝, 于維水, 武雪萍, 高麗麗, 李景, 李生平, 宋霄君, 劉彩彩, 李倩, 梁國鵬, 蔡典雄, 張繼宗. 添加玉米秸稈對旱作土壤團聚體及其有機碳含量的影響.中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(9): 1553-1563.

WANG B S, YU W S, WU X P, GAO L L, LI J, LI S P, SONG X J, LIU C C, LI Q, LIANG G P, CAI D X, ZHANG J Z. Effect of straw addition on the formation of aggregates and accumulation of organic carbon in dryland soil. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(9): 1553-1563. (in Chinese)

[23] 梁國鵬, Houssou A A, 吳會軍, 武雪萍, 蔡典雄, 高麗麗, 李景, 王碧勝, 李生平. 施氮量對夏玉米根際和非根際土壤酶活性及氮含量的影響.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2016, 27(6): 1917-1924.

LIANG G P, HOUISSOU A A, WU H J, WU X P, CAI D X, GAO L L, LI J, WANG B S, LI S P. Soil nitrogen content and enzyme activities in rhizosphere and non-rhizosphere of summer maize under different nitrogen application rates. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(6): 1917-1924. (in Chinese)

[24] 宋霄君, 吳會軍, 武雪萍, 李倩, 王碧勝, 李生平, 梁國鵬, 李景, 劉彩彩, 張孟妮. 長期保護性耕作可提高表層土壤碳氮含量和根際土壤酶活性.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2018, 24(6): 1588-1597.

SONG X J, WU H J, WU X P, LI Q, WANG B S, LI S P, LIANG G P, LI J, LIU C C, ZHANG M N. Long-term conservation tillage improves surface soil carbon and nitrogen content and rhizosphere soil enzyme activities. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(6): 1588-1597. (in Chinese)

[25] 張霞, 張育林, 劉丹, 杜昊輝, 李軍, 王旭東. 種植方式和耕作措施對土壤結(jié)構(gòu)與水分利用效率的影響. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2019, 50(3): 250-261.

ZHANG X, ZHANG Y L, LIU D, DU H H, LI J, WANG X D. Effects of planting methods and tillage systems on soil structure and water use efficiency. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 250-261. (in Chinese)

[26] 王秀娟, 解占軍, 董環(huán), 趙穎, 劉慧嶼, 婁春榮. 秸稈還田對玉米產(chǎn)量和土壤團聚體組成及有機碳分布的影響. 玉米科學(xué), 2018(1): 108-115.

WANG X J, XIE Z J, DONG H, ZHAO Y, LIU H Y, LOU C R. Effects of straw returning on yield and soil aggregates composition and organic carbon distribution. Journal of Maize Sciences, 2018(1): 108-115. (in Chinese)

[27] 徐國鑫, 王子芳, 高明, 田冬, 黃容, 劉江, 黎嘉成. 秸稈與生物炭還田對土壤團聚體及固碳特征的影響. 環(huán)境科學(xué), 2018, 39(1): 355-362.

XU G X, WANG Z F, GAO M, TIAN D, HUANG R, LIU J, LI J C. Effects of straw and biochar return in soil on soil aggregate and carbon sequestration. Environmental Science, 2018, 39(1): 355-362. (in Chinese)

[28] 李睿, 江長勝, 郝慶菊.縉云山不同土地利用方式下土壤團聚體中活性有機碳分布特征. 環(huán)境科學(xué), 2015, 36(9): 3429-3437.

LI R, JIANG C S, HAO Q J. Impact of land utilization pattern on distributing characters of labile organic carbon in soil aggregates in Jinyun Mountain.Environmental Science, 2015, 36(9): 3429-3437. (in Chinese)

[29] PEI J B, LI H, LI S Y, AN T T, FARMER J, FU S F, WANG J K. Dynamics of maize carbon contribution to soil organic carbon in association with soil type and fertility level. PLoS One, 2015, 10(3): e0120825.

[30] ZHANG X F, XIN X L, ZHU A N, ZHANG J B, YANG W L. Effects of tillage and residue managements on organic C accumulation and soil aggregation in a sandy loam soil of the North China Plain. Catena, 2017, 156: 176-183.

[31] KUNTZ M, BERNER A, GATTINGER A, SCHOLBERG J M, MADER P, PFIFFNER L. Influence of reduced tillage on earthworm and microbial communities under organic arable farming. Pedobiologia, 2013, 56(4/6): 251-260.

[32] HELGASON B L, WALLEY F L, GERMIDA J J. No-till soil management increases microbial biomass and alters community profiles in soil aggregates. Applied Soil Ecology, 2010, 46(3): 390-397.

[33] 鄭鳳君, 王雪, 李景, 王碧勝, 宋霄君, 張孟妮, 武雪萍, 劉爽, 席吉龍, 張建誠, 李永山. 免耕條件下施用有機肥對冬小麥土壤酶及活性有機碳的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53(6): 1202-1213.

ZHENG F J, WANG X, LI J, WANG B S, SONG X J, ZHANG M N, WU X P, LIU S, XI J L, ZHANG J C, LI Y S. Effect of no-tillage with manure on soil enzyme activities and soil active organic carbon. Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(6): 1202-1213. (in Chinese)

[34] 張鑫, 周衛(wèi), 艾超, 黃紹敏, 梁國慶. 秸稈還田下氮肥運籌對夏玉米不同時期土壤酶活性及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2020, 26(2): 295-306.

ZHANG X, ZHOU W, AI C, HUANG S M, LIANG G Q. Effects of nitrogen management on soil enzyme activities and bacterial community structure in summer maize growing stages under straw incorporation. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(2): 295-306. (in Chinese)

[35] MERINO S T, CHERRY J. Progress and challenges in enzyme development for biomass utilization. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 2007, 108: 95-120.

[36] 劉哲, 韓霽昌, 孫增慧,余正洪, 張衛(wèi)華, 高紅貝. 外源新碳對紅壤團聚體及有機碳分布和穩(wěn)定性的影響.環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2017, 37(6):2351-2359.

LIU Z, HAN J C, SUN Z H, YU Z H, ZHANG W H, GAO H B. Effects of fresh carbon on distribution and stability of aggregates and organic carbon in red soil. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(6): 2351-2359. (in Chinese)

[37] 呂元春, 薛麗佳, 尹云鋒, 高人, 馬紅亮, 楊玉盛. 外源新碳在不同類型土壤團聚體中的分配規(guī)律. 土壤學(xué)報, 2013, 50(3): 534-539.

Lü Y C, XUE L J, YIN Y F, GAO R, MA H L, YANG Y S. Distribution of fresh carbon in aggregate fractions of different soil types. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(3): 534-539. (in Chinese)

[38] GRITTITHS B S, DANIELL T J, DONN S, NEILSON R. Bioindication potential of using molecular characterisation of the nematode community: Response to soil tillage. European Journal of Soil Biology, 2012, 49: 92-97.

[39] ZHENG W, ZHAO Z Y, GONG Q L, ZHAI B N, Li Z Y. Responses of fungal–bacterial community and network to organic inputs vary among different spatial habitats in soil. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 125: 54-63.

[40] MOORE-KUCERA J, DICK R P. Application of13C-labeled litter and root materials for in situ decomposition studies using phospholipid fatty acids. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(10): 2485-2493.

Effects of Straw Addition on Soil Organic Carbon and Related Factors Under Different Tillage Practices

WANG BiSheng1,2, YU WeiShui2, WU XuePing2, GAO LiLi3, LI Jing4, SONG XiaoJun2, LI ShengPing2, LU JinJing2, ZHENG FengJun2, CAI DianXiong2

1College of Agronomy, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;4College of Water Resources and Environment, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031

【】Straw addition is an effective means to increase soil organic carbon, which is significant to ensure the sustainability of the organic carbon in the farmland system. This study aimed at investigating the effect of straw addition on soil organic carbon (SOC) and related factors under different tillage treatments, so as to provide a theoretical basis for the management of carbon sequestration and yield increase in northern dry farmland.【】The field soil samples from long-term conventional tillage (CT) and no-tillage (NT) for in-lab incubation experiment were collected. Four treatments were set up, namely, conventional tillage soil without straw (CT), no tillage soil without straw (NT), conventional tillage soil with straw (CTS), and no-till soil with straw (NTS), respectively. Each treatment owned 15 repetitions. The incubation experiment was conducted in a constant temperature incubator at 25 ℃ for 180 days, and the soil samples were periodically taken to determine the content of SOC, aggregate composition, microbial biomass carbon and the activity of related enzymes.【】(1) Straw addition significantly increased the content of soil organic carbon and large aggregates. Compared with CT, CTS increased SOC by 15%-46%; compared with NT, NTS increased SOC 12%-21%; compared to the initial organic carbon content, at the end of cultivation, CTS and NTS increased by 26.8% and 7.0%, respectively. CTS and NTS had the highest particle size of 2 000-250 μm, accounting for 41%-50% of all aggregates. Compared with CT, CTS increased the proportion of aggregates ＞250 μm by 235%-310%, and NTS increased the proportion of aggregates ＞250 μm by 96%-149%. (2) The addition of straw significantly increased the δ13C value of soil organic carbon. The CTS treatment was 80.93‰-115.22‰, NTS was 48.92‰-80.49‰; CTS straw-derived carbon was significantly higher than NTS by 13%-66%. (3) The addition of straw significantly increased the microbial biomass carbon (MBC) content, β-glucosidase (BG), β-cellobiosidase (CBH) and β-xylosidase (BXYL) activities. Compared with CT, CTS increased MBC content by 239%–623%, and increased BG, CBH and BXYL activity by 58%-170%, 52%-337% and 117%-170%, respectively; compared to NT, NTS increased MBC content by 124%-555%, and increased BG, CBH and BXYL activities by 28%-181%, 4%-304% and 13%-118%. (4) Soil organic carbon was significantly positively correlated with BG, CBH, BXYL activity, MBC and the proportion of ＞2 000 μm, 2 000-250 μm aggregates, and negatively correlated with the proportion of 250-53 μm and ＜53 μm aggregates. The activities of BG, CBH and BXYL showed a very significant positive correlation with each other, and were significantly positively correlated with MBC, ＞2 000 μm aggregates, 2 000-250 μm aggregates, and extremely negative with ＜53 μm aggregates. Linear correlation analysis results showed that water-stable macroaggregates (＞250 μm) could explain 48% of organic carbon changes, MBC could explain 45% of organic carbon changes, and BG, CBH and BXYL enzyme activities could explain 66%, 44% and 53% of organic carbon changes, respectively.【】The addition of straw could significantly increase the content of soil organic carbon and macroaggregates, increase the number of microorganisms, and promote the soil enzyme activity. The impact on soil organic carbon and its related factors was greater in conventional tillage soils. In addition to the physical protection of aggregates, the sequestration of straw carbon in soil also depended on the role of microorganisms in the soil.

aggregate; soil organic carbon; δ13C; soil enzyme; straw addition; tillage practices

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.06.009

2020-05-31；

2020-07-14

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、國家科技支撐計劃課題（2015BAD22B03）、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)博士基金（663/1120069）

王碧勝，E-mail：wangbisheng2@126.com。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者蔡典雄，E-mail：caidianxiong@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）