施用秸秆及接种蚯蚓对土壤颗粒有机碳及矿物结合有机碳的影响

生态环境2006,15(3):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（30370286）作者简介：于建光（1975－），男，博士研究生，研究方向为土壤生态学与恢复生态学。*通讯作者,E-mail:[e-mail]收稿日期：2006-01-11施用秸秆及接种蚯蚓对土壤颗粒有机碳及矿物结合有机碳的影响于建光，李辉信，胡锋*，沈英南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京210095摘要：在连续四年稻麦轮作的小区试验中，通过测定作物收获后表层土壤（0~5cm、5~10cm、10~20cm）中有机碳(SOC)、颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MOC）含量的变化，研究施用秸秆（表施或混施）和接种蚯蚓（Metaphireguillelmi）对SOC、POC及MOC的影响。结果表明：无论是否接种蚯蚓，经连续四年施用秸秆后，土壤0~5cm、5~10cm、10~20cm及0~20cm各土层的SOC和POC含量、0~5cm土层中MOC含量、10~20cm土层w(POC)/w(MOC)值均显著增加；混施秸秆相比表施秸秆更有利于各土层SOC与5~10cm土层POC含量提高。在施用秸秆条件下，接种蚯蚓使0~20cm耕作层土壤中POC和MOC含量有增加趋势；在秸秆施用且接种蚯蚓时，0~20cm耕作层的w(POC)/w(MOC)值均显著升高（与对照相比），表明秸秆施用且接种蚯蚓有助于土壤有机碳活性的提高。田间施用秸秆及接种蚯蚓对于促进农田土壤有机碳库增加及加快土壤有机碳循环与转化均有重要的意义。关键词：秸秆；蚯蚓；颗粒有机碳；矿物结合有机碳中图分类号：S153.6+1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2006）03-0606-05传统的农业管理措施正面临越来越多的生态问题，其中土壤有机质（SOM）的丧失被公认是造成土壤退化的主要内在因素。土壤有机质是土壤养分循环及肥力供应的核心，土壤有机碳库在全球大气CO2浓度不断升高下的碳汇作用在近十几年尤受重视。农田增施秸秆或秸秆还田被认为是一项行之有效增加农田土壤有机质的措施，不同秸秆施用方式对有机质含量的提高效果不同。单施秸秆对土壤有机质含量的提高有显著效果[1-4]，但农田施用秸秆带来了一系列问题，如秸秆的难腐解、引起耕作困难、与作物争肥等，因此加速秸秆的转化是另外一项需关注的重要问题。蚯蚓是最重要的大型土壤动物之一，对土壤养分循环与土壤结构有重要影响[5-6]，能明显促使作物秸秆进入土壤中[7-11]，在秸秆还田时辅以蚯蚓处理，可加快秸秆向土壤有机碳的转化。颗粒有机质（particulateorganicmatter,POM）是新形成的有机质，与砂粒相胶结，可通过筛分从土壤中分离，通常主要由植物细根片断和其它有机残余组成[12]，颗粒有机质易被土壤微生物利用，可作为短期植物营养库。在不同农业管理下，作为颗粒有机质主要表征之一的颗粒有机碳（particulateorganiccarbon，POC）提供了碳动态和土壤有机碳变化的早期指示，相反非颗粒有机碳或矿物结合碳（与粉粒和粘粒结合的有机碳，mineral-associatedorganiccarbon,MOC）大多被限于土壤矿物表面，因而在土壤有机碳由于固有的变异和相对于土壤碳库的变化较小不可察觉时，POC可作为土壤碳变化的敏感指标[13]。前人的研究表明，施用秸秆利于土壤有机碳的提高，蚯蚓活动明显促使秸秆进入土壤中[1-4，7-11]，但综合考虑农田施用秸秆且接种蚯蚓后对土壤活性有机碳（如颗粒有机碳）和惰性有机碳（如矿物结合有机碳）的研究还未有报道，基于POC变化的敏感性与MOC变化的相对稳定性，本研究试图从田间实验条件下来验证秸秆施用及接种蚯蚓对土壤有机碳（SOC）、POC及MOC的影响，以期为蚯蚓引入农田秸秆管理及土壤有机碳库管理提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料供试土壤为采自江苏省如皋县长江冲积物形成的高沙土，质地为砂壤，含有机碳5.86g·kg-1、全氮0.70g·kg-1、全磷0.66g·kg-1、速效磷6.0mg·kg-1、速效钾47.1mg·kg-1、pH(H2O)为8.25。供试玉米秸秆由成熟玉米秸秆粉碎过2cm筛获得，玉米秸秆基本性状为：氮、磷、钾含量分别为7.96、2.85和10.67g·kg-1，w(C)/w(N)为56.8，供试蚯蚓是威廉腔环蚓(Metaphireguillelmi)，由原土壤中获得。1.2试验方法本试验在南京农业大学校内网室进行，用混凝于建光等：施用秸秆及接种蚯蚓对土壤颗粒有机碳及矿物结合有机碳的影响607土砌成2.8m×1.0m×0.6m的池子（无底），在池内填入50cm厚的土层，填土前用孔径为4mm筛子筛分并结合手拣分离出土壤中的蚯蚓；从1999年开始，试验共设5种处理，分别是：对照（CK）、秸秆表施（M）、秸秆表施+蚯蚓（ME）、秸秆混施（I）、秸秆混施+蚯蚓（IE）；种植制度为稻麦轮作，其中水稻为旱作，全生育期不建立水层。稻季氮、磷和钾肥用量分别为21.0g·m-2（纯N）、10.5g·m-2（纯P）和10.5g·m-2（纯K），肥料品种为尿素、过磷酸钙和氯化钾，其中氮肥的70%作为基肥、30%作穗肥，磷、钾肥全部作基肥；麦季氮、磷和钾肥用量分别为22.5、12.0和12.0g·m-2，其中氮肥的60%作为基肥，分蘖肥和穗肥各占20%，磷、钾肥全作基肥。玉米秸秆的施用量第一季为1500g·m-2，以后各季均为750g·m-2，详细田间操作及管理设置见文献[14]。2003年6月小麦收获后，采集各处理小区0~20cm、0~5cm、5~10cm、10~20cm土层土样，分别测定它们的土壤有机碳（SOC）、颗粒有机碳（POC）、矿物结合有机碳（MOC）含量。土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[15]；颗粒有机碳与矿物结合有机碳的测定方法参照Cambardella和Elliott的方法[12]，具体如下：10g过2mm的风干土，加30mL六偏磷酸钠（5g·L-1），振荡12h（18℃，220r/min），过53m筛，多次洗至筛下水为无色，分别收集筛上筛下物到己知质量烧杯中，烘干（60℃）称质量，筛上筛下物分别过100目，分析全C，再折算为土壤颗粒有机碳（POC）及矿物结合有机碳（MOC）。1.3数据处理及分析所有数据均用EXCEL及SPSS软件进行处理及统计分析。2结果与讨论2.1秸秆施用及接种蚯蚓对土壤有机碳的影响经过四年稻麦轮作后，SOC变化如表1所示，无论何种处理，各土层SOC含量由高到低的顺序均为0~5cm，10~20cm，5~10cm，这可能是源于须根系作物根分布特点及与小区土壤耕种操作有关。相比于对照处理（CK），施用秸秆处理（指M、ME、I、IE，下同）使0~5cm、5~10cm、及10~20cm土层有机碳含量大幅增加，且与对照处理相比差异达极显著水平（p0.01）；施用秸秆处理使0~5cm与5~10cm土层有机碳增量较大，在施用秸秆处理下，0~5cm与10~20cm土层间（I处理除外）有机碳含量差异显著（p0.05），5~10cm与10~20cm土层间（ME处理除外）有机碳含量差异不显著，而在对照处理下则相反。秸秆混施处理较秸秆表施处理在0~5cm、5~10cm、和10~20cm土层有机碳含量略有增加；同样秸秆混施+蚯蚓处理较秸秆表施+蚯蚓处理在0~5cm、5~10cm、和10~20cm土层有机碳含量也略有增加，其中在5~10cm土层两处理间（IE与ME）差异显著（P0.05）。秸秆表施+蚯蚓处理相比于秸秆表施处理，在0~5cm、5~10cm、和10~20cm土层有机碳均有轻微增加，在10~20cm增加较大，但差异均未达显著水平；秸秆混施+蚯蚓处理相比于秸秆混施处理，各土层有机碳均有增加，其中在5~10cm显著增加（p0.05）。在整个耕作层（0~20cm），不同处理对有机碳的影响与分层土壤剖面的趋势基本一致，只是混施秸秆的处理（I、IE，下同）有机碳含量均大于表施秸秆的处理（M、ME，下同），差异达显著水平（p0.05）。总之，经过四年的秸秆施用及蚯蚓处理，在各土层中，SOC含量由大到小的顺序均为：秸秆混施+蚯蚓，秸秆混施，秸秆表施+蚯蚓，秸秆表施，对照，无论是否接种蚯蚓，增施秸秆均显著增加了各土层SOC含量，且混施秸秆效果优于表施秸秆。接种蚯蚓使各土层有机碳含量有增加趋势，但未有显著差异，这也许是由于蚯蚓作用不明显或作用时间太短所致。2.2秸秆施用及接种蚯蚓对土壤颗粒有机碳的影响颗粒有机物与砂粒(53~2000m)相结合，属于有机质中慢库(slowpool)，它所含有机碳主要是处于新鲜的动植物残体和腐殖化有机物之间暂时的或过渡的有机碳库[16]，通过提取颗粒有机物并测定其全碳含量，可得土壤颗粒有机碳（POC）含量；表1不同秸秆与蚯蚓处理各土层SOC含量Table1Contentofsoilorganiccarbonatdifferentsoildepthsunderdifferenttreatmentsg·kg-1处理不同土层0~5cm5~10cm10~20cm0~20cmCK5.66±0.19Ba4.42±0.15Cb5.48±0.30Ba5.42±0.10CM7.73±0.29Aa6.25±0.21Bb6.48±0.44Ab6.89±0.36BME7.89±0.48Aa6.34±0.22Bc7.05±0.13Ab6.90±0.26BI7.97±0.49Aa6.68±0.42Bb7.07±0.59Aab7.47±0.42AIE8.26±0.45Aa7.16±0.17Ab7.28±0.39Ab7.56±0.17A注：平均数±标准差，同列不同大写字母表示处理间有显著差异(p0.05)，同行不同小写字母表示土层间有显著差异(p0.05)，下同。608生态环境第15卷第3期（2006年5月）本实验中POC与MOC之和相对于SOC的回收率均在75%以上。由表2可知，0~5cm、5~10cm、及10~20cm土层中施用秸秆处理与对照处理相比，施用秸秆均显著提高土壤POC含量。秸秆混施处理与秸秆表施处理在0~5cm与10~20cm土层间无明显差异，但秸秆混施相比于秸秆表施更有利于提高5~10cm土层POC含量（p0.05），同样秸秆混施+蚯蚓处理相比于秸秆表施+蚯蚓处理更有利于提高5~10cm土层POC含量（p0.05）。秸秆表施+蚯蚓处理与秸秆表施处理的POC含量在0~5cm、5~10cm和10~20cm土层间均无显著差异，同样秸秆混施+蚯蚓处理与秸秆混施处理的POC含量在0~5cm、5~10cm和10~20cm土层间也无显著差异。在0~20cm耕作层，与对照相比，施用秸秆处理均显著提高POC含量，混施秸秆较表施秸秆POC含量有增高趋势，接种蚯蚓处理较不接种蚯蚓处理表现出POC含量的轻微增加，但均未达显著水平。总之，施用秸秆使土壤各土层POC含量显著提高，其中混施秸秆较表施秸秆显著提高5~10cm土层POC含量；无论何种秸秆施用方式，接种蚯蚓并未显著影响土壤POC含量。2.3秸秆施用及接种蚯蚓对土壤矿物结合有机碳的影响矿物结合有机碳是指有机物的最终分解产物，与土壤粘粒和粉粒相胶结的部分（直径小于53m）[17]，周转期较慢且稳定，一般认为是非活性有机碳，它的含量多少可间接表征土壤有机碳的抗氧化程度与难利用程度。提取POM时，小于53m筛下浊液烘干浓缩即可分析求得MOC。由表3可知：经四年稻麦轮作，与对照相比，施用秸秆处理使0~5cm和5~10cm土层MOC含量显著高于对照含量（p0.01），而在10~20cm土层，施用秸秆处理与对照处理间MOC含量均无显著差异。秸秆表施处理与秸秆混施处理MOC含量在0~5cm、5~10cm和10~20cm土层无显著差异；同样秸秆表施+蚯蚓处理与秸秆混施