2026, Vol. 58
2. 广东省生态循环农业重点实验室, 广州 510642;
3. 广东省现代生态循环农业工程中心, 广州 510642;
4. 华南农业大学资源环境学院, 广州 510642
我国作为农业大国，每年秸秆产量近10亿吨，是世界上秸秆产量最丰富的国家[1]。过去农民常常采用的焚烧处理残留秸秆的方式，会增加温室气体排放[2]，进而加剧温室效应。秸秆本身含有丰富的养分，若将我国每年产生的秸秆充分还田，其养分可相当于350多万吨氮肥、80多万吨磷肥和800多万吨钾肥，因而农作物秸秆又被称为“另一半农业”[3-4]。为了充分利用秸秆资源，我国已经实施了秸秆返还政策。自2020年“双碳”战略实施以来，农田固碳减排问题受到了广泛关注。因此，研究秸秆还田的固碳减排效应具有重要现实意义。
秸秆中含有丰富的碳，还田后8%~13.7% 的碳可转化为土壤有机碳(SOC)，有利于SOC的固存[5]。然而，秸秆还田对SOC的影响与秸秆种类和还田量密切相关。有研究通过对秸秆进行112 d的还田试验发现，不同类型的秸秆表现出不同的分解特征，玉米秸秆的腐解率约为54%，而碳氮比较低的大麻秸秆则有约85% 被分解矿化[6]。秸秆的碳氮比是决定其腐解率的关键因素[7]，玉米秸秆因其较高的碳氮比，腐解速率相对较慢。而大豆秸秆则因碳氮比较低且含有较高含量的纤维素，腐解速率较快，并且分解后可提供较为丰富的氮源[8]。已有研究表明，SOC的增加量与秸秆还田量呈显著正相关，但随着外源碳输入的增加，SOC含量会在达到一定阈值后趋于饱和[9]。过量的外源碳输入可能引起土壤pH降低和养分供应失衡，抑制土壤微生物的生长与繁殖，进而减缓秸秆的分解过程[10]。土壤有机碳库组成复杂，不同的碳库组分对秸秆还田的响应存在差异。研究表明，秸秆还田能加速活性有机碳组分的周转，短期内显著增加土壤微生物生物量(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)和颗粒有机碳(POC)等活性碳组分[11]。这表明活性有机碳对外源有机物的输入具有较高的敏感性。相比之下，土壤稳定性有机碳组分如矿物结合有机碳(MAOC)对秸秆还田的响应较为迟缓[12]。有研究发现，秸秆还田后土壤稳定性有机碳组分变化不明显，但随着还田时间的延长，稳定性有机碳逐渐显著增加[13]。此外，秸秆还田可能会增加农田CO2的排放，这是因为秸秆在腐解过程自身释放大量的CO2[14]。大多数研究认为，秸秆还田为微生物提供了更多可用的碳和氮，从而刺激了土壤中CO2和N2O的排放[15]。同时，秸秆还田后土壤性质的变化也会影响温室气体的排放[16]。因此，秸秆还田不仅能够有助于SOC的积累和及其组分的改善，还可能增加温室气体的排放，这使得在进行秸秆还田时，需要对其固碳效应和减排效应进行权衡与优化。
玉米和大豆是我国重要的粮食作物和油料作物，玉米–大豆间作是我国广泛采用的一种可持续发展模式[17]。近年来，随着间作种植模式的推广，每年由于玉米–大豆间作产生了大量的混合秸秆。然而，目前关于玉米–大豆混合秸秆还田对土壤有机碳组分和温室气体排放影响的研究鲜有报道。基于此，本研究基于玉米–大豆间作长期定位试验，以玉米–大豆混合秸秆还田和单独玉米秸秆还田为研究对象，设置5个不同的秸秆还田量，开展微宇宙模拟秸秆还田试验，探讨玉米–大豆混合秸秆还田的固碳减排效应，以期为玉米–大豆间作模式下秸秆还田管理提供科学依据，促进我国农业可持续发展。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验材料取自华南农业大学试验中心(23°08′N，113°15′E)玉米–大豆间作长期定位试验田(连续种植18季)。该地区为亚热带海洋性气候，年平均温度21.6 ℃，年平均降水量2 190.5 mm，降水主要集中在4—9月。长期定位大田试验设计为4种种植模式(玉米单作、大豆单作、玉米–大豆2∶3间作、玉米–大豆2∶4间作)和3种施氮水平(N 0、300、360 kg/hm2)的双因素试验。供试玉米品种为“华珍”，购于山东禾之元种业；供试大豆品种为“毛豆3号”，由华南农业大学农学院年海教授团队提供。具体施肥方案及田间管理等细节参见文献[17]。
供试秸秆和土壤均取自玉米–大豆2∶3间作且不施氮肥的小区，于2021年6月春收后进行取样。每个小区随机挖取2株玉米和5株大豆，洗净根部后自然风干。风干的秸秆各自粉碎混匀，玉米–大豆混合秸秆按田间秸秆收获量等比例混合(m玉米秸秆∶m大豆秸秆= 1.7∶1)。秸秆养分含量如表 1所示。使用取土器在每个小区随机取10个10 cm深的土样，去除残根和石块等杂质，混合均匀，过2 mm筛备用。试验前，添加蒸馏水调节土壤含水量为田间持水量的60%，将土壤置于恒温培养箱25 ℃暗培养7 d，以稳定土壤的初始环境。经测定分析，土壤有机质(SOM)含量为18.96 g/kg，铵态氮(NH4+-N)含量为8.06 mg/kg，硝态氮(NO3–-N)含量为84.67 mg/kg，有效磷(AP)含量为163.19 mg/kg，速效钾(AP)含量为683.38 mg/kg，pH为7.08。
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表 1 供试秸秆养分含量 Table 1 Nutrient contents of test straws |
试验以无秸秆还田处理为对照(CK)，设置玉米–大豆混合秸秆(I)和玉米秸秆(M)两种秸秆还田类型、5种秸秆还田量包括0.5、1、2、4、10 mg/g(I1~I5、M1~M5)，共计11个处理，每个处理3个重复。试验时，称取30 g预处理过的土样与相应的秸秆混合均匀，置于100 mL带活塞的圆底烧瓶中；添加蒸馏水调节土壤含水量至田间持水量的60%，烧瓶瓶口使用橡胶塞和凡士林密封后，放入生化培养箱中在25 ℃条件下黑暗培养28 d。培养期间，定期采集气体样品，每周按照称重法补充损失的土壤水分。
1.3 样品采集与测定在培养的第1、2、3、4、5、6、7、11、15、19、23、28天时进行温室气体取样，共取样12次。采气前，打开圆底烧瓶活塞和橡胶塞，保持瓶内空气流通，使用标准空气洗瓶30 s，随后用注射器吸取10 mL气体作为初始气体样品；再密封培养4 h后，第二次采集气体样品。此外，土样于培养28 d后进行破坏性取样，用于检测SOC及其组分。
由于玉米–大豆间作模式为旱作模式，CH4的排放可忽略不计，本研究仅考虑CO2和N2O排放[18]。气体样品采用气相色谱仪测定(Agilent 7890，Santa Clara，CA，USA)。CO2和N2O检测器为uECD(后检测器)，检测温度300.0 ℃，箱温60.0℃，尾吹气流量2.000 mL/min。
根据《土壤农化分析》[19]与相关文献[20]的方法对以下土壤指标进行测定：SOC采用外加热重铬酸钾容量法测定；DOC采用去离子水提取后TOC仪(Element high TOC Ⅱ，Germany)测定；ROC采用高锰酸钾氧化法测定；POC采用偏六磷酸钠分离法测定；MBC采用氯仿熏蒸提取法测定；MAOC通过SOC和POC含量的差值获得。
1.4 数据处理与分析温室气体排放速率[21]：
| $ F = \rho \times V / m \times \Delta c / \Delta t \times 273 / \left( {273 + T} \right) $ | (1) |
式中：F为温室气体排放速率(mg/(kg·h)或(μg/(kg·h))；ρ为标准状态下气体的密度(kg/m3)；V为圆底烧瓶中气体的有效体积(L)；m为土壤质量(g)；
温室气体累积排放量[21]：
| $ C = \mathop \sum\limits_{i = 1}^n \left( {{F_{i + 1}} + {F_i}} \right)/2 \times \left( {{t_{i + 1}} - {t_i}} \right) \times 24 $ | (2) |
式中：C为温室气体累积排放量(mg/kg或μg/kg)；F为温室气体排放速率；i为第i次采集气体；
全球增温潜势[22]：
| $ {\text{GWP}} = {C_{{\text{C}}{{\text{O}}_2}}} + {C_{{{\text{N}}_2}{\text{O}}}} \times 298 $ | (3) |
式中：GWP为全球增温潜势(mg/kg)；C为温室气体累积排放量；298为在100年的尺度下，单位质量N2O换算为单位质量CO2的全球增温潜势系数。
SOC矿化率[23]：
| $ R=\mathrm{SOC} \text { 累积矿化量} / \left(\mathrm{SOC}_0+\mathrm{OC}_{\mathrm{X}}\right) \times 100 \% $ | (4) |
式中：R为SOC矿化率；SOC0为土壤初始SOC含量；OCX为秸秆有机碳含量。
文中所有统计分析均采用SPSS 26.0进行，数据以平均值±标准误表示。其中，采用单因素方差分析对不同秸秆添加量处理间的差异进行检验并进行多重比较，采用独立样本t检验对不同秸秆类型间的差异进行分析，采用双因素方差分析对不同秸秆添加量和秸秆类型的影响进行检验。
2 结果与分析 2.1 混合秸秆还田对土壤有机碳含量的影响由图 1可知，秸秆类型对SOC含量无显著影响(P > 0.05)，秸秆添加量显著影响了SOC含量(P < 0.001)，而两者之间无显著交互作用(P > 0.05)。具体而言，与对照(CK)相比，添加0.5、1、2、4 mg/g秸秆对SOC含量无显著影响，但添加10 mg/g秸秆显著提高了SOC含量(P < 0.05)。添加10 mg/g的混合秸秆(I5)和玉米秸秆(M5)处理分别使SOC含量显著增加了17.28% 和15.73%，且两者之间无显著差异。
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(柱图上方不同小写字母表示同一秸秆类型下不同添加量处理之间差异显著(P < 0.05)，下同) 图 1 不同处理下土壤有机碳含量 Fig. 1 Soil organic carbon contents under different treatments |
由图 2可知，秸秆类型和秸秆添加量对SOC矿化率均有显著影响(P < 0.001)，且两者存在显著的交互作用(P < 0.001)。具体而言，SOC矿化率随秸秆添加量的增加而增加，在10 mg/g秸秆添加量时达到最大。此时，混合秸秆I5和玉米秸秆M5处理的SOC矿化率分别为11.55% 和13.91%。在秸秆添加量为0.5、1、2、4 mg/g时，不同秸秆类型对SOC矿化率的影响没有显著差异。然而，在10 mg/g添加量时，玉米秸秆M5处理的SOC矿化率显著高于混合秸秆I5处理，增幅为20.43%。
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(**表示同一秸秆添加量下不同秸秆类型之间存在显著差异(P < 0.01)，下同) 图 2 不同处理下土壤有机碳矿化率 Fig. 2 Soil organic carbon mineralization rates under different treatments |
由于添加0.5、1、2 mg/g的秸秆对SOC含量无显著影响，且秸秆类型间没有显著差异，所以仅对添加4、10 mg/g秸秆的土壤有机碳组分进行了分析(图 3)。如图 3A所示，秸秆类型和秸秆添加量对土壤MBC含量均有显著影响(P < 0.05)，且存在显著交互作用(P < 0.05)。与对照相比，4、10 mg/g混合秸秆处理显著增加了土壤MBC含量(P < 0.05)，而玉米秸秆处理无显著影响(P > 0.05)。此外，10 mg/g混合秸秆处理的土壤MBC含量显著高于玉米秸秆处理，增幅为78.19%。如图 3B所示，秸秆类型和秸秆添加量对土壤DOC含量均有显著影响(P < 0.05)，但两者之间的交互作用不显著。与对照相比，4、10 mg/g混合秸秆及玉米秸秆处理均显著增加了土壤DOC含量，但秸秆类型之间无显著差异。如图 3C所示，秸秆添加量对土壤ROC含量有显著影响(P < 0.001)，而秸秆类型及其交互作用不显著。与对照相比，4、10 mg/g混合秸秆及玉米秸秆处理均显著增加了土壤ROC含量，但秸秆类型之间无显著差异。如图 3D和3E所示，秸秆类型、秸秆添加量及其交互作用对土壤POC和MAOC含量均无显著影响。
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图 3 不同处理下土壤有机碳组分含量 Fig. 3 Contents of soil active organic carbon fractions under different treatments |
由图 4A可知，添加2、4、10 mg/g秸秆的土壤CO2排放速率呈现相似的阶段性规律，即随着培养时间的增加呈先升高后降低的趋势，在第19天时趋于平缓。此外，在培养的前两天，添加4、10 mg/g混合秸秆的土壤CO2排放速率显著高于添加玉米秸秆土壤，随后表现出相反的趋势。而添加0.5、1 mg/g秸秆的土壤CO2排放速率随培养时间的增加而上下波动，在第7天时逐渐下降，在第19天时趋于平缓。同时，各处理CO2排放速率均显著高于对照。由图 4B可知，前15 d各处理的CO2累积排放量占培养期间总排放量的56%~85%，前23 d的CO2累积排放量占总排放量的82%~95%；同时，各处理CO2累积排放量均显著高于对照(CK)，并且表现为秸秆添加量越高，CO2累积排放量越高。而在整个培养期间，N2O排放速率极低，各处理间无显著差异，无明显的规律(图 4C)。前15 d各处理的N2O累积排放量占培养期间总排放量的52%~63%，前23 d的N2O累积排放量占总排放量的75%~84%；同时，各处理N2O累积排放量与对照无显著差异，并且不同秸秆添加量之间N2O累积排放量无显著差异(图 4D)。
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图 4 不同处理下CO2和N2O排放速率 Fig. 4 CO2 and N2O emission rates under different treatments |
由表 2可知，秸秆类型、秸秆添加量及其交互作用对培养期间土壤CO2总排放量均有显著影响(P < 0.001)。与对照相比，土壤CO2总排放量随秸秆添加量的增加而逐渐增大，玉米秸秆处理的土壤CO2总排放量整体上高于混合秸秆处理，在秸秆添加量为10 mg/g时达到显著水平(P < 0.001)。秸秆类型对土壤N2O总排放量有显著影响(P < 0.05)，然而，秸秆添加量和两者交互作用对土壤N2O总排放量均无显著影响(P > 0.05)。在秸秆添加量为0.5 mg/g时，混合秸秆处理(I1)的土壤N2O累积排放量显著高于玉米秸秆处理(M1)，其余处理间无显著差异。秸秆类型、秸秆添加量及其交互作用对全球增温潜势均有显著影响(P < 0.001)。全球增温潜势的变化主要取决于土壤CO2总排放量。与对照相比，全球增温潜势随秸秆添加量的增加而逐渐增大，玉米秸秆处理的全球增温潜势整体上高于混合秸秆处理，在秸秆添加量为10 mg/g时，全球增温潜势最大且玉米秸秆处理显著高于混合秸秆处理(P < 0.001)。
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表 2 不同处理下温室气体累积排放量和全球增温潜势 Table 2 Cumulative greenhouse gas emissions and global warming potentials under different treatments |
秸秆还田是提高农田SOC含量的重要措施，然而SOC固存受到多种因素的影响，如土壤类型、试验持续时间、秸秆类型和秸秆添加量等[24]。尽管许多研究表明秸秆还田能显著提高SOC含量[5]，然而本研究发现，添加0.5、1、2、4 mg/g的秸秆未显著提高SOC含量，而当秸秆添加量达到10 mg/g时，SOC含量显著增加(图 1)，这表明SOC的固存与秸秆添加量密切相关。值得注意的是，在本试验条件下，混合秸秆和玉米秸秆对SOC含量未表现出显著差异，表明秸秆类型对SOC含量的影响较小。秸秆还田的主要作用机制是通过微生物分解秸秆，增加SOC含量[5]。已有研究表明，秸秆还田量能直接影响土壤微生物对碳底物的利用效率，从而调控土壤有机质的分解与积累[25]。例如，张叶叶等[26]指出，少量秸秆输入可能增强土壤有机质的激发强度，导致SOC固存减弱；而当外源碳输入量超过原有SOC含量的30% 时，土壤有机质的激发强度反而会降低[26]。在本研究10 mg/g的秸秆添加量下，两种类型秸秆碳输入分别占原有SOC含量的40% 和39%，这可能通过降低土壤有机质的激发强度，促进了SOC的固存。
SOC通常被划分为活性碳库和稳定碳库两部分。MBC、DOC、ROC和POC被认为是活性有机碳组分，是SOC变化的早期指标，而MAOC被认为是稳定有机碳组分[27]。由于土壤活性有机碳组分对管理实践和环境变化的快速反应和高度敏感性，秸秆还田可以迅速改变其含量，但不同组分之间具有一定的差异[11]。这些变化与秸秆还田后有机物的分解速率、碳源的可利用性以及微生物的代谢活动密切相关。在本研究中，混合秸秆处理显著提高了MBC含量，而玉米秸秆处理未表现出显著影响，尤其是在10 mg/g的秸秆添加量下，混合秸秆处理的MBC含量显著高于玉米秸秆处理(图 3A)。这可能是因为混合秸秆的碳源结构和性质不同于单一的玉米秸秆，可能通过协同效应加速了有机物的分解过程，从而为土壤微生物提供了更多的可用碳源，进而促进了微生物生物量的增加[28]。相比之下，玉米秸秆的高碳氮比和较慢的分解速率可能限制了其对微生物生物量的促进作用[29]。无论是混合秸秆还是玉米秸秆，4 mg/g和10 mg/g的秸秆添加量均显著增加了土壤DOC和ROC的含量(图 3B和图 3C)。这表明秸秆还田通过其分解产物和微生物代谢产物的积累，提高了DOC和ROC的含量。尽管秸秆类型未表现出显著差异，但秸秆的添加量对这两种有机碳组分的增加具有重要作用。
POC和MAOC是SOC的重要组成部分，与土壤碳稳定性及固碳潜力密切相关[30]。POC作为处于新鲜植物残体和腐殖化有机物之间的过渡态碳，易被土壤微生物分解利用，具有较快的周转速度。相较之下，MAOC是与粉粒和黏粒矿物结合的有机碳，主要由不稳定的有机物通过微生物转化形成的腐殖质组成，具有较高的稳定性，是土壤中持久存在的有机碳形式[12]。在本研究中，秸秆类型、秸秆添加量及其交互作用对POC和MAOC含量均未产生显著影响(图 3D和图 3E)，这可能与本试验周期较短(28 d)有关。秸秆还田后，经过微生物的分解和矿化，首先转化为更易被微生物利用的碳源，如DOC和ROC，而这些组分在短期内通常比POC和MAOC变化更加显著。
秸秆还田为土壤微生物提供了能量和养分，刺激了土壤微生物活动，进而促进了SOC矿化[31]。本研究结果显示，SOC矿化率随秸秆添加量的增加而增加(图 2)。这一变化可以解释为秸秆添加量的增加提供了更多的可供微生物利用的养分，刺激了微生物的生长，进而增加了SOC的矿化[32]。此外，10 mg/g秸秆添加量下混合秸秆处理的SOC矿化率显著低于单一玉米秸秆处理，这可能是由于混合秸秆处理改变了微生物基质的来源和归宿，导致微生物群落的组成发生变化，从而导致MBC的增加，使更多的碳储存在土壤中，进而降低了SOC的矿化[33]。
本研究中，在秸秆添加培养过程中，CO2排放速率呈现先升高后降低、最终趋于稳定的规律(图 4A)。这一现象可能归因于秸秆中的易分解组分在培养初期被微生物迅速分解利用，微生物大量增殖导致CO2释放增加；随着易分解组分的逐渐减少，微生物转向利用难分解的组分，从而导致CO2排放速率逐渐降低而趋于稳定[34]。随着秸秆添加量的增加，CO2累积排放量逐渐增加(图 4B)，这与前人的研究结果一致[35]。在10 mg/g秸秆添加量下，混合秸秆处理的CO2累积排放量显著低于玉米秸秆处理(表 2)，这可能是由于玉米秸秆具有较高的碳含量和C/N，导致其碳释放潜力较大，从而产生更多的CO2排放[36]。然而，目前关于秸秆还田对N2O排放的影响还存在争议。李新华等[37]研究表明，秸秆还田促进了N2O排放。而邹建文等[38]发现，在常规灌溉条件下秸秆还田反而减少了N2O排放。本研究中，秸秆还田对N2O排放未表现出显著影响，这主要是因为N2O排放受土壤的氧化还原特性影响较大。此外，秸秆还田会改变土壤的理化性质和微生物群落，二者相互作用的不断变化导致N2O排放表现出较大的不确定性[39]。总体上，由于旱地环境中CH4无明显排放，本研究中的全球增温潜势主要受CO2和N2O排放影响。随着秸秆添加量的增加，全球增温潜势逐渐增加。在10 mg/g秸秆添加量下，混合秸秆处理的全球增温潜势显著低于玉米秸秆处理(表 2)，这一趋势与CO2累积排放量的变化一致。因此，在10 mg/g秸秆添加量下，混合秸秆显著降低了SOC矿化率和CO2累积排放量，进而降低了全球增温潜势。
4 结论1) 与对照相比，添加0.5、1、2、4 mg/g的秸秆对SOC的含量无显著影响，却促进了SOC的矿化，增加了CO2排放量，不利于SOC固存。
2) 与对照相比，添加10 mg/g的秸秆显著增加了SOC、MBC、DOC和ROC的含量，且混合秸秆处理的MBC含量显著高于玉米秸秆处理。
3) 在10 mg/g秸秆添加量下，混合秸秆处理的SOC矿化率、CO2总排放量和全球增温潜势均显著低于玉米秸秆处理，有助于土壤固碳减排。
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2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Eco-circular Agriculture, Guangzhou 510642, China;
3. Guangdong Modern Eco-circular Agriculture Engineering Center, Guangzhou 510642, China;
4. College of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China