2026, Vol. 58
2. 中国科学院大学南京学院, 南京 211135;
3. 农业农村部耕地质量监测保护中心, 北京 100125;
4. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036
华北平原是我国重要的粮食生产区，以小麦和玉米为主。主要耕作土壤类型是潮土，大多地势平坦、土壤耕层较厚、生产力高、增产潜力大[1]。然而，由于长期高强度利用，砂性质地的潮土有机质含量低下且积累困难，土壤结构差、养分不均衡、耕层浅薄以及水分和养分利用效率较低，制约着作物生产力的进一步提高和农业的可持续发展[2-5]。我国农作物秸秆资源巨大，年产量超过10亿吨，其中玉米秸秆产量最大且逐年增加[6-8]。秸秆不当焚烧不仅会造成生物资源浪费，水体、大气污染，还会导致土壤表层有机质流失。目前秸秆处理方式以秸秆还田为主，秸秆还田在减少化肥施用、促进土壤固碳、保持土壤肥力、促进团聚体碳、氮积累等方面发挥着关键作用[9-11]。不仅有助于改善土壤中的微生物群落结构，促进作物根系的健康发育[12-13]；作为外源碳还能够培肥土壤，提升土壤质量，同时实现秸秆资源的再循环利用[14-15]。施氮能够显著降低土壤溶解性有机碳含量，改变溶解性有机碳组分结构[16]。化肥与秸秆配合施用能够显著改善土壤团粒结构稳定性[17-18]。
目前关于秸秆还田的研究主要集中在对土壤有机质积累的影响[19-20]，而关于秸秆降解过程及潮土有机质各组分变化的响应机制尚不清楚。因此，本研究以华北平原潮土为研究对象，依托中国科学院封丘农业生态试验平台，研究玉米秸秆降解过程和秸秆有机碳基团的变化规律及其对于潮土有机质和腐殖酸的影响。旨在定量揭示潮土玉米秸秆降解过程及其对有机质积累的影响，为指导该地区秸秆还田提供数据支撑和理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验土样采于中国科学院封丘农田生态系统国家试验站(35°00'N，114°24'E)，该试验站属半干旱、半湿润的暖温带季风气候，年平均降水量为605 mm，年蒸发量在1 875 mm，年平均气温为13.9 ℃，无霜期在220 d左右。站区地貌具有典型的黄河泛滥区特征，土壤类型主要为黄河沉积物发育的潮土，种植模式为夏玉米−冬小麦轮作。试验地基本理化性质见表 1。
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表 1 试验区土壤基本理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of tested soil |
采用S型布点法采集表层土壤(0~20 cm)，采集完成后装入无菌自封袋中，运回实验室。将土样全部混匀后自然风干，并去除可见的石块、植物残体等杂物，研磨过10目筛。过筛后部分土样供土壤基本理化性质等指标的测定；部分土样进行烘干，用于室内培养试验。培养中使用的秸秆为玉米秸秆，烘干后用粉碎机打碎至5 mm以下用作秸秆培养试验，另取一部分过60目筛用作初始样品秸秆碳基团的测定。
1.3 试验设计试验共设4个处理，分别为土壤与秸秆比为200∶1+不施氮肥(L)；土壤与秸秆比为200∶1+450 kg/hm2氮肥(LN)；土壤与秸秆比为50∶1 +不施氮肥(H)；土壤与秸秆比为50∶1+450 kg/hm2氮肥(HN)。所用氮肥为尿素，含氮量46.4%，施氮处理一次性施入；烘干土样称取200 g，秸秆按混合比(200∶1、50∶1)，分别施入1 g秸秆、4 g秸秆。
准备长12 cm、宽7 cm、高6 cm的塑料盒，将烘干土样的三分之一平铺于塑料盒底部。采用网袋法施入秸秆，将秸秆装入300目的长11 cm、宽6 cm的尼龙网袋中封口施入铺平。再放入剩余土样，轻微摇晃至表面平整，加水至60% 田间持水量。用保鲜膜封住塑料盒顶端，再在保鲜膜上打6~8个小孔，保证土壤与外界空气流通。置于25 ℃培养箱中进行培养，并保证整个培养期土壤含水量维持60% 田间持水量。每个处理3次重复，分别于培养周期(7、20、90、180 d)结束后取样测定指标。
由于是破坏性取样，为便于取样每个重复设置4个盒子，每次采样后舍去该盒子。每个培养周期结束后，取出12个培养盒，收集网袋周围1 cm的土样，用于各指标的测定。将收集到的土样过60目筛后进行土壤有机质、腐殖质等指标的测定。并将网袋中的秸秆全部取出，烘干并称重，再使用球磨仪将秸秆磨碎过60目筛后进行秸秆碳基团的分析测定。
1.4 测定项目与方法 1.4.1 土壤基本理化性质的测定土壤基本理化性质测定参考《土壤农化分析》[21]：环刀法测定土壤容重；玻璃电极法(水土质量比5∶1)测定土壤pH；重铬酸钾氧化–外加热法测定土样有机质含量；半微量凯氏定氮法测定土壤全氮；硫酸–高氯酸消煮法测定土壤全磷；火焰光度法测定土壤全钾。
1.4.2 土壤腐殖酸的测定参考《土壤农化分析》[21], 用0.1 mol/L氢氧化钠和0.1 mol/L焦磷酸钠混合液对土样进行处理，将土壤中难溶于水和易溶于水的结合态腐殖质络合成溶于水的腐殖质钠盐，从而较完全的将腐殖质提取出来。使用重铬酸钾氧化法测定土壤腐殖酸含量。
| $ 腐殖酸总碳量\left(\%\right)=\frac{\left({V}_{0}-V\right)\times C\times 0.003\times 1.08}{m}\times 100 $ | (1) |
式中：V0表示空白实验消耗的硫酸亚铁铵标准溶液体积(mL)；V表示待测液滴定消耗的硫酸亚铁铵标准溶液体积(mL)；C，硫酸亚铁铵标准溶液的浓度(mol/L)；0.003，碳的毫摩尔质量(12 g/mol ÷ 4 × 10–3 = 0.003 g/mmol)，其中4是电子转移数(每摩尔Cr2O72−接受6电子，对应氧化1.5 mol碳)；1.08，氧化校正系数(因重铬酸钾不能完全氧化有机碳，需校正)；m，腐殖酸样品的质量(g)；100，换算为百分数。
1.4.3 秸秆降解率的测定使用失重法测定秸秆降解率。
| $ 秸秆降解率\left(\%\right)=\frac{\left(施入秸秆量-秸秆残留量\right)}{施入秸秆量}\times 100 $ | (2) |
利用固体核磁共振技术[22-23]，使用Bruker AVANCE Ⅲ HD 400 MHz固体核磁技术共振波谱仪进行测定。检测方法采用H/X双共振固体宽带探头、4 mm ZrO2转子，转速5 000 Hz，13C的检测共振频率为100.625 Hz、以标准物甘氨酸标定化学位移、采样时间5.12 μs、谱宽100 kHz、90脉宽4 μs、循环延迟时间5.47 μs、扫描次数为4 096次。放置约100 mg秸秆样品放入4 mm转子中，将图谱中共振区域划分为8个区段：δ=0~45，烷基alkyl；δ=45~60，NCH/OCH3；δ=60~93，含氧烷基O-alkyl；δ=93~110，二氧烷基alkyl O-C-O；δ=110~142，芳香碳C-C+/H aromatic C-C+/H；δ=142~165，芳香碳C–O aromatic C–O；δ=165~190，COO/N–C=O和δ=190~ 220，醛酮类ketones oraldehydes。
1.5 数据处理试验数据用Excel 2021整理，用SPSS Statistics 27进行单因素方差分析，并采用单因素(one-way ANOVA)与邓肯检验(Duncan test)进行处理间显著性检验(P < 0.05)，用Origin 2022进行作图，用Adobe Illustrator 2025对秸秆NMR图谱进行拼图处理。
2 结果与分析 2.1 不同施氮水平与还田量对玉米秸秆降解率的影响由图 1可知，经过7 d室内培养后，秸秆降解率从高到低依次为LN(31.53%)、L(24.00%)、HN (12.25%)、H(9.41%)；培养20 d后，秸秆降解率从高到低依次为LN(35.97%)、HN(30.15%)、L(27.13%)、H(26.17%)。90 d后LN处理秸秆降解率达到39.88%，降解率从高到低依次为L、HN、H处理。在第20天到第90天期间，L处理降解率升高了11.26%，而HN处理在此期间降解率仅升高了0.62%。H处理与HN处理降解率差距逐渐缩小，至180天时齐平。从第90天到第180天时，各处理降解情况与前面有所差异：相比于第90天，第180天时H处理秸秆降解率增加了47.33%，第180天时H处理和HN处理降解率最高，达到了76.87%，其余秸秆降解率从高到低依次L(64.48%)、LN(49.15%)。
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(不同小写字母表示同一时间不同处理间差异显著(P < 0.05)；L为土壤与秸秆比为200∶1+不施氮肥处理；LN为土壤与秸秆比为200∶1+ 450 kg/hm2氮肥处理；H为土壤与秸秆比为50∶1 +不施氮肥处理；HN为土壤与秸秆比为50∶1+ 450 kg/hm2氮肥处理，下同) 图 1 潮土中不同秸秆添加量与施氮水平下玉米秸秆的降解率动态 Fig. 1 Dynamics of maize straw degradation rate under different straw application rates and nitrogen addition levels in fluvo-aquic soil. |
利用固体核磁共振技术研究玉米秸秆在不同处理下腐解7 d、20 d、90 d、180 d后的结构变化，选取H和HN处理进行分析。
玉米秸秆降解前原始样品核磁共振图谱如图 2A所示，图谱中显示了分析结构中δ=50~220的所有碳位。初始样品图谱中氧烷基(δ=60~93)和二氧烷基(δ=90~110)区域呈现了尖而强的峰型。主要特征峰为δ=62附近的氧烷基，包含OCH2基团；δ=72附近的OCH基团(主要为碳水化合物)；δ=105附近的二氧烷基(alkyl O-C-O)等。在δ=100~142(芳香碳等)处没有明显信号，在δ=142~165的芳香碳处的弱信号代表了木质素存在。此外，初始秸秆在δ=0~45(烷基)处信号较弱，δ=175(COO/N-C=O)信号也较弱，这些信号主要与蛋白质与多肽有关。
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(A，原始样品；B，H处理降解7天样品；C，HN处理降解7天样品；D，H处理降解20天样品；E，HN处理降解20天样品；F，H处理降解90天样品；G，HN处理降解90天样品；H，H处理降解180天样品；I，HN处理降解180天样品。在玉米秸秆中，信号所代表的官能团有：烷基碳(δ=0~50)；烷氧碳(δ=50~110)；芳香碳(δ=110~160)；羰基碳(δ=160~220)) 图 2 玉米秸秆NMR图谱 Fig. 2 NMR spectra of maize straw |
玉米秸秆降解7 d后的核磁共振图谱见图 2B和图 2C。从NMR图谱中可以看出，图谱信号与原始玉米秸秆样的图谱信号相近，δ=72附近的OCH基团(含氧烷基，主要为碳水化合物)有强烈的的信号峰值。玉米秸秆中δ=27处信号变化较小，在δ=62处信号增强，不同处理间各样品NMR图谱信号强度差异不显著。玉米秸秆降解20 d后的核磁共振图谱(图 2D、图 2E)显示在δ=0~50、δ=50~110、δ=110~160和δ=160~220等处的信号强度与培养7 d后图谱有相似规律。由图 2F和图 2G可得，玉米秸秆降解90 d后，δ=72附近的含氧烷基信号较原状秸秆减弱，且未施氮肥处理含氧烷基的信号下降更明显。玉米秸秆降解180 d后的核磁共振图谱见图 2H和图 2I，在秸秆降解过程中，烷基的增加与含氧烷基的下降同时出现时，可作为表征降解度的指标。从NMR图谱中可以看出，与原状秸秆相比，秸秆降解度增加，且在施氮肥处理表现得更加明显。同时观察到δ=100~142处信号增强，且观测到在δ=50~65中出现双信号峰。
玉米秸秆碳基团百分含量如图 3所示。在玉米秸秆原始样品中，烷基碳(alkyl C)占比8.11%，羰基碳(carbonyl C)占比3.84%，芳香碳(aromatic C)占比5.72%，烷氧碳(O-alkyl)占比82.33%。降解至第180天时，H处理和HN处理烷基碳、羰基碳和芳香碳的相对含量均增加，而烷氧碳(O-alkyl)的相对含量降低，其中HN处理的烷基碳、羰基碳和芳香碳的相对含量高于H处理，烷氧碳(O-alkyl)的相对含量低于H处理。
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(7、20、90、180表示腐解天数) 图 3 13C CP/MAS NMR表征的玉米秸秆基团百分含量 Fig. 3 Composition of functional groups (%) in maize straws characterized by 13C CP/MAS NMR |
如图 4所示，潮土有机质含量随着培养时间的增加而增加，培养至第7天时，HN处理有机质积累最快，然后依次是H处理和L处理，LN处理有机质积累最慢；培养至第20天时，HN处理有机质含量最高，然后依次是H处理和LN处理和L处理；培养至第90天与第180天时，潮土有机质累积规律同培养至第20天时。培养至第180天时，相较于培养试验前的土样有机质含量12.48 g/kg，L处理有机质含量提升了13.87%，LN处理有机质含量提升了20.15%，H处理有机质含量提升了29.68%，其中HN处理有机质含量提升最多，提升了34.79%，为4.34 g/kg；在相同施氮水平下，与低秸秆施用比例处理相比，增加秸秆施用量后不施氮肥和施用氮肥处理有机质含量分别提升了13.88% 和12.19%。
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图 4 不同秸秆还田量与施氮水平下潮土有机质含量的动态变化 Fig. 4 Dynamic changes in soil organic matter content under different straw return rates and nitrogen addition levels in fluvo-aquic soil. |
由图 5可知，HN处理与H处理的腐殖酸含量先下降而后有所增加，培养至第7天时腐殖酸含量最低，培养至第180天时腐殖酸含量最高，此时HN处理的腐殖酸含量为2.10 g/kg，H处理的腐殖酸含量为2.15 g/kg，与原始土样腐殖酸含量2.03 g/kg相比分别提升3.45%、5.91%；而LN处理与L处理的腐殖酸含量随着时间的延长而降低，180 d时腐殖酸含量最低，此时LN处理的腐殖酸含量为1.78 g/kg，L处理的腐殖酸含量为1.75 g/kg，较原始土样分别下降12.32%、13.79%。
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图 5 秸秆分解期间潮土腐殖酸含量变化 Fig. 5 Changes of soil humic acid content in fluvo-aquic soil during straw decomposition |
秸秆降解是一个以微生物为主导的生物学过程，其降解效率受秸秆种类、降解模式及环境气候条件等多因素调控[24]。如何快速降解秸秆，提高秸秆降解率是农业可持续发展研究的重要问题。本研究中培养试验前期(0~90 d)，低秸秆施用比例处理(m土壤∶m秸秆= 200∶1)表现出较高的降解率，可能是因为秸秆基数少，易分解成分快速分解；且施氮处理大于未施氮处理，可能是由于施用氮肥处理的前期，土壤与秸秆的碳氮比适合微生物活动，引起秸秆加速分解[25]。培养至180 d时，所有处理中易分解成分已基本分解完毕。随着培养时间的增加，后期高秸秆施用比例处理的秸秆降解率升高，其原因在于随着培养时间增加，土壤中的秸秆量大，可被降解的秸秆基数较大，因此高秸秆施用比例处理(m土壤∶m秸秆=50∶1)的秸秆降解率大于低秸秆施用比例处理(m土壤∶m秸秆=200∶1)。并且未施氮肥处理秸秆降解率更高，其原因可能在于后期秸秆被降解，施氮处理的土壤与秸秆的碳氮比降低，过量氮肥抑制了降解秸秆微生物的活动，进而阻遏秸秆分解[26]。
3.2 玉米秸秆降解过程中秸秆有机碳基团的变化玉米秸秆降解前原始样品核磁共振图谱说明在玉米秸秆降解前主要由碳水化合物(纤维素、半纤维素)组成，蛋白质、脂类、木质素等含量较低，与前人[27-28]研究一致。室内培养7 d后，玉米秸秆在δ=27处信号变化较小，在δ=62处信号增强，说明降解过程对秸秆中的烷基(δ=0~45)影响较小，此时氮肥对秸秆的碳官能团影响较小；降解20 d后，秸秆有机碳基团也未发生显著改变。秸秆有机碳的响应受到多种因素的影响[29-34]，在此可能是因为受到光照、湿度等限制了秸秆有机碳基团的转化。培养至第90天时，δ=72附近的含氧烷基信号较原状秸秆减弱，潮土中含氧烷基(O-alkyl)碳开始快速矿化，且未施氮肥处理含氧烷基的信号下降更明显，这与碳水化合物容易被微生物优先利用相关[35]。玉米秸秆降解180 d后，与原状秸秆相比，秸秆降解度增加，且在施氮肥处理表现得更加明显，可能是由于施入氮肥调节了土壤碳氮比促进了秸秆有机碳基团的转化[36]。在7 d与90 d时，氮肥的施用对秸秆碳基团的转化效用为负；在20 d与180 d时，氮肥的施用对秸秆碳基团的转化效用为正，说明氮肥的施用会影响秸秆有机碳基团的转化。
植物残体在土壤中的降解过程影响着有机碳在土壤中的累积和土壤有机质的形成，不同植物残体组分在土壤中的相对稳定性及其对土壤有机质形成和稳定的贡献程度不同。Cepáková和Frouz[37]总结分析了约130个凋落物的NMR图谱特征，发现在凋落物分解过程中脂肪族化合物(烷基碳)和芳香族化合物(芳香基碳)的相对比例显著增加，其中玉米秸秆降解过程中秸秆碳基团主要的变化为含氧烷基的减少，而烷基碳和芳香碳含量呈增加趋势，与本研究结果一致。在秸秆降解试验中，秸秆羰基碳、芳香碳和烷基碳的相对含量增加，烷氧碳的相对含量降低，是由于烷基碳主要来自不易分解的蜡质、角质、软木脂和脂质等，是凋落物中不易分解的顽固性组分[38-39]，而含氧烷基碳作为最容易被光照利用的成分[40]，经过快速矿化过程转变为了其余三种成分。整个降解过程在不同处理下化学结构组成有趋同效应。
3.3 玉米秸秆对潮土有机质的影响玉米秸秆降解至第7天时，LN处理秸秆降解率高于L处理，而有机质含量却低于L处理，是由于氮肥促进秸秆的降解，但由于加入秸秆引起土壤有机质的矿化速度发生变化，即激发效应，导致LN处理的有机质含量低于L处理[41]。玉米秸秆降解至第180天时，相较于原始土样，各处理土壤有机质含量均有所提升，且施用秸秆多的处理大于施用秸秆少的处理，施加氮肥处理大于未施氮肥处理。可能是由于施用氮肥，秸秆在土壤中被降解，一部分碳被微生物合成，形成腐殖物质。有机物降解形成的腐殖质中芳香碳、烷基碳、含氧烷基碳等均可以促进土壤颗粒的团聚，提高土壤有机质的稳定性[35]。腐殖质含量的多少取决于形成量与分解量的相对大小值，因此在试验中所研究的腐殖物质的动态变化主要强调秸秆在分解过程中“新形成”的腐殖物质动态[42]，以腐殖酸(HA)的含量作为研究指标，可探明腐殖质形成量与分解量的相对大小值。在潮土中腐殖酸的含量与秸秆的施入量相关，HN处理与H处理和原始土样腐殖酸含量相比分别提升3.33% 和5.58%；LN处理和L处理较原始土样分别下降12.32%、13.79%。土壤与秸秆比例为200∶1时，活性腐殖酸不易累积，分解的腐殖酸大于形成的腐殖酸，腐殖酸在有机质含量较低的土壤中积累较为缓慢，被消耗的腐殖酸更多。
4 结论1) 玉米秸秆的降解受培养时间驱动，呈现出前期快速、后期趋缓的规律。尽管氮肥的施用在培养初期显著拉大了处理间的差异，但随着易分解组分的耗竭，这种差异逐渐缩小。培养至第180天时，高秸秆施用比例处理(H和HN处理)的秸秆降解率最高，达到了76.87%。经过180 d培养后，秸秆中大部分较容易降解的物质已被降解。
2) 秸秆腐解是一个化学结构从不稳定向稳定定向转化的过程。原始秸秆中占据主导地位的烷氧碳(O-alkyl C，占比82.33%)作为易分解组分被优先消耗，导致其相对含量大幅下降；而烷基碳(8.11%)、芳香碳(5.72%)等顽固性组分则在残留物中逐渐富集。施氮虽能加速这一进程，但并未改变碳骨架最终趋向芳构化和去糖化的演变规律。
3) 潮土有机质含量随秸秆用量和培养时间的增加而增加。培养至第180天时，相较于原始土样，L、LN、H和HN处理有机质含量分别提升了13.87%、20.15%、29.68% 和34.79%，其中HN处理(土壤与秸秆比为50∶1+ 450 kg/hm2氮肥)是提升潮土有机质的最优模式，增加了4.34 g/kg，显著优于单施秸秆或低量还田处理。在相同施氮水平下，增加秸秆施用量后不施氮肥和施用氮肥处理有机质含量分别提升了13.88% 和12.19%。高量还田(H和HN)实现了腐殖酸的净积累，含量分别提升了5.58% 和3.33%，相反，低量还田(L和LN)却下降了12.32% 和13.79%。施入秸秆较少时，活性腐殖酸不易累积。
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