免费文献传递   相关文献

Effects of straw returning combined with medium and microelements application on soil organic carbon sequestration in cropland.

秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响


为研究秸秆还田配施中量元素(S)和微量元素(Fe和Zn)对粮田土壤有机碳固持的影响,进行了为期52 d的室内玉米秸秆腐解培养试验. 结果表明:秸秆腐解过程中分别添加S、Fe和Zn元素,均提高了微生物生物量碳(MBC)及土壤CO2-C矿化速率,52 d腐解培养结束后,CO2-C的累积矿化量显著提高,但土壤有机碳含量并未显著降低;3种元素中,添加Fe或Zn的处理提高了土壤惰性碳库、惰性碳库比例及土壤有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳固持,而添加S的处理却降低了惰性有机碳比例及土壤有机碳表观平衡,不利于有机碳固持. 因此,在施N、P肥基础上,秸秆还田添加S、Fe或Zn均能促进土壤有机碳的矿化进程,但添加Fe或Zn可使更多有机碳固持于土壤中,添加S不利于土壤有机碳的固持.
 

A 52-day incubation experiment was conducted to investigate the effects of maize straw decomposition with combined medium element (S) and microelements (Fe and Zn) application on arable soil organic carbon sequestration. During the straw decomposition, the soil microbial biomass carbon (MBC) content and CO2-C mineralization rate increased with the addition of S, Fe and Zn, respectively. Also, the cumulative CO2-C efflux after 52-day laboratory incubation significantly increased in the treatments with S, or Fe, or Zn addition, while there was no significant reduction of soil organic carbon content in the treatments. In addition, Fe or Zn application increased the inert C pools and their proportion, and apparent balance of soil organic carbon, indicating a promoting effect of Fe or Zn addition on soil organic carbon sequestration. In contrast, S addition decreased the proportion of inert C pools and apparent balance of soil organic carbon, indicating an adverse effect of S addition on soil organic carbon sequestration. The results suggested that when nitrogen and phosphorus fertilizers were applied, inclusion of S, or Fe, or Zn in straw incorporation could promote soil organic carbon mineralization process, while organic carbon sequestration was favored by Fe or Zn addition, but not by S addition.


全 文 :秸秆还田配施中微量元素对农田土壤
有机碳固持的影响
姜振辉  师江澜  贾  舟  丁婷婷  田霄鸿∗
(西北农林科技大学资源环境学院 /农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西杨凌 712100)
摘  要  为研究秸秆还田配施中量元素(S)和微量元素(Fe 和 Zn)对粮田土壤有机碳固持的
影响,进行了为期 52 d的室内玉米秸秆腐解培养试验. 结果表明:秸秆腐解过程中分别添加
S、Fe和 Zn元素,均提高了微生物生物量碳(MBC)及土壤 CO2⁃C 矿化速率,52 d 腐解培养结
束后,CO2⁃C的累积矿化量显著提高,但土壤有机碳含量并未显著降低;3 种元素中,添加 Fe
或 Zn的处理提高了土壤惰性碳库、惰性碳库比例及土壤有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳
固持,而添加 S的处理却降低了惰性有机碳比例及土壤有机碳表观平衡,不利于有机碳固持.
因此,在施 N、P 肥基础上,秸秆还田添加 S、Fe或 Zn均能促进土壤有机碳的矿化进程,但添加
Fe或 Zn可使更多有机碳固持于土壤中,添加 S不利于土壤有机碳的固持.
关键词  秸秆还田; 中微量元素; 土壤有机碳矿化; 有机碳固持
Effects of straw returning combined with medium and microelements application on soil or⁃
ganic carbon sequestration in cropland. JIANG Zhen⁃hui, SHI Jiang⁃lan, JIA Zhou, DING Ting⁃
ting, TIAN Xiao⁃hong∗ (College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University /
Key Laboratory for Plant Nutrition and the Agri⁃environment in Northwest China, Ministry of Agricul⁃
ture, Yangling 712100, Shaanxi, China) .
Abstract: A 52⁃day incubation experiment was conducted to investigate the effects of maize straw
decomposition with combined medium element (S) and microelements (Fe and Zn) application on
arable soil organic carbon sequestration. During the straw decomposition, the soil microbial biomass
carbon (MBC) content and CO2⁃C mineralization rate increased with the addition of S, Fe and Zn,
respectively. Also, the cumulative CO2⁃C efflux after 52⁃day laboratory incubation significantly in⁃
creased in the treatments with S, or Fe, or Zn addition, while there was no significant reduction of
soil organic carbon content in the treatments. In addition, Fe or Zn application increased the inert C
pools and their proportion, and apparent balance of soil organic carbon, indicating a promoting
effect of Fe or Zn addition on soil organic carbon sequestration. In contrast, S addition decreased
the proportion of inert C pools and apparent balance of soil organic carbon, indicating an adverse
effect of S addition on soil organic carbon sequestration. The results suggested that when nitrogen
and phosphorus fertilizers were applied, inclusion of S, or Fe, or Zn in straw incorporation could
promote soil organic carbon mineralization process, while organic carbon sequestration was favored
by Fe or Zn addition, but not by S addition.
Key words: straw returning; medium and microelements; soil organic carbon mineralization; or⁃
ganic carbon sequestration.
本文由国家科技支撑计划项目(2012BAD14B11)和国家自然科学基
金项目(41371288)资助 This work was supported by the National Sci⁃
ence & Technology Pillar Program of China (2012BAD14B11) and the
National Natural Science Foundation of China (41371288) .
2015⁃09⁃22 Received, 2016⁃01⁃23 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: txhong@ hotmail.com
    陆地土壤是地球表面最大的碳库,有机碳储量 约为 1400 ~ 1500 Pg C,其中,农田土壤碳贮量占陆
地土壤碳贮量的 8% ~ 10%[1] . 与自然土壤相比,农
田土壤对 CO2具有源和汇的双重功能,且受人为活
动干扰最为严重但在较短时间内又可以调节,在全
球碳库中更为活跃[2-3],其有机碳含量的微小变化
将引起大气 CO2浓度的较大波动,进而影响温室效
应 用 生 态 学 报  2016年 4月  第 27卷  第 4期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2016, 27(4): 1196-1202                  DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201604.022
应和全球气候变化[4-5] . 由此可见,农田土壤碳库在
全球碳平衡中具有重要作用. 近两个世纪以来,由
于土地利用方式的巨大变化(开垦荒地和翻耕农
田),导致农田土壤中的有机碳损失了近一半,造成
CO2等温室气体排放不断增加,加剧了全球气候变
化[6-7] . 因此,如何促进农田生态系统中碳的固定及
其稳定性,对于缓解因温室气体带来的气候变化的
负效应具有重要意义.
合理地增加秸秆还田量、增施有机肥、免耕、轮
耕、种植豆科牧草肥田等农田管理措施均能增加土
壤碳储量[8-9] . 然而在我国,随着化肥、农药、水、机
械动力等生产要素投入的不断增加,农业集约化程
度越来越高,农作物秸秆被弃置或焚烧,造成资源浪
费和环境污染;而对提高土壤肥力具有重要作用的
有机肥则主要被投入到果园或菜地土壤中. 就目前
经济发展而言,作物秸秆已成为粮田土壤最重要的
有机肥源,秸秆还田已成为秸秆资源循环利用和提
升粮田土壤肥力的最重要途径之一[10-11] . 另外,秸
秆还田也是农田生态系统固碳减排的主要措施[12],
既能增强土壤固碳作用,改善土壤结构等物理性状,
提高土壤保肥保水能力,又能缓解农田土壤有机碳
的亏缺[13-14] . 然而,秸秆还田后相当一部分秸秆碳
会以 CO2或 CH4 的形式损失进入大气中,只有
5.3%~43%的秸秆碳会转化为土壤稳定性碳库[15] .
因此,如何使秸秆腐解过程中更多的有机碳被固持
于土壤中,对于提升土壤肥力和发挥农田生态系统
固碳减排潜力具有重要意义.
秸秆还田腐解过程中固持到土壤中的有机碳数
量的多寡受投入秸秆数量、碳氮比、土壤类型、土壤
养分状况、气候等多种因素影响[16-17] . 但在秸秆就
地直接全量还田条件下,只有土壤养分状况可以进
行人工调节. 目前关中地区粮田土壤养分的供应主
要依赖于化肥,特别是 N 和 P 肥,基本不施中微量
元素. 且关中地区石灰性土壤普遍存在着 S、Fe 和
Zn 缺乏问题,严重制约着粮食营养品质的提
升[18-19],土壤缺 S、Fe 和 Zn 问题随着农业集约化程
度的提高日渐凸显. 因此,亟需在施用大量元素氮
磷时配施中微量元素. 就养分状况对秸秆腐解进程
影响而言,在秸秆还田条件下大量元素的合理配比
固然会决定秸秆腐解的进程和产物性质,但中微量
营养元素也可能对腐解产生较大影响. 已有研究表
明,添加 N、P 和 S 能够使秸秆腐解过程中更多有机
碳固持于土壤中[20],而土壤中 Zn和 Fe 含量与有机
碳含量呈正相关[21-22] . 鉴于此,我们设想,相对于单
纯秸秆还田而言,秸秆在添加 N、P 基础上再配施 S、
Zn或 Fe 养分可能会使更多有机碳固持于土壤中.
因此,本研究拟通过室内模拟试验揭示秸秆配施中
微量元素对秸秆腐解进程及土壤有机碳固持的影
响,以期为农田土壤固碳减排提供重要理论依据.
1  材料与方法
1􀆰 1  供试材料
供试土壤采自西北农林科技大学农作一站长期
定位试验地耕层(0 ~ 20 cm),土壤类型为土垫旱耕
人为土. 供试土壤基本化学性质为:有机碳 9􀆰 2
g·kg-1,全氮 0.72 g·kg-1,速效磷 67.2 mg·kg-1,
速效钾 164. 5 mg · kg-1, pH 8. 16,有效硫 4􀆰 69
mg·kg-1,有效铁 4. 10 mg · kg-1,有效锌 0. 51
mg·kg-1 . 土样采回后自然风干,除去杂质,研磨过
2 mm筛后备用.
供试秸秆为玉米秸秆(MS),采自陕西省西北农
林科技大学三原试验站,玉米植株成熟后采用“S”
型多点采样方法以整株形式采回,采集其地上部分
(不包括穗部),在 75 ℃下烘干粉碎(粉状)备用.
1􀆰 2  试验设计
试验共设 5个处理,即添加氮磷(NP,CK1)、添
加玉米秸秆+氮磷(MS+NP,CK2)、添加玉米秸秆+
氮磷+硫磺(MS+NP +S)、添加玉米秸秆+氮磷+铁
(MS+NP+Fe)、添加玉米秸秆+氮磷+锌(MS+NP +
Zn),每个处理重复 6 次. 每个处理施用 N、P 2O5的
量依次为 50.4、23.1 mg·kg-1土,分别由 CO(NH2) 2
和(NH4) 2HPO4提供,以调节秸秆腐解过程中的 C ∶
N ∶ P 比例. 玉米秸秆用量为 12 g·kg-1土,S(硫
磺)、Fe(FeCl3·6H2O)、Zn(ZnSO4·7H2O)的用量
分别为 120、1.87、2.03 mg·kg-1土.
1􀆰 3  培养方法
采用室内模拟恒温(25 ℃)培养方法. 具体操
作如下:将 250 g土壤置于 1 L的培养瓶(高 15 cm、
直径 9 cm带密闭封盖的塑料圆瓶)中,N、P、Fe 和
Zn以溶液的形式加入,玉米秸秆和 S 则先与培养土
混合均匀再装瓶,培养过程中土壤含水率为田间持
水量的 70%. 为了收集排放的 CO2,将装有 20 mL 1
mol·L-1 NaOH溶液的 50 mL塑料瓶悬挂于培养瓶
中并加盖密封,在恒温培养箱中培养. 在培养第 2、
4、6、8、11、14、18、23、30、38、46、52 天,利用酸碱滴
定法测定 CO2释放量. 每次测定结束后,更换 NaOH
溶液并用称量法补充所损失的水分.
79114期                      姜振辉等: 秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响           
1􀆰 4  测定指标及方法
土壤有机碳采用重铬酸钾⁃浓硫酸外加热法测
定[23];土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸
提法[24],过滤液由 Multi N / C 2100 / 2100S TOC测定.
1􀆰 5  模型及有关计算
1􀆰 5􀆰 1双指数模型  本研究选用双指数模型以模拟秸
秆腐解过程中土壤有机碳矿化过程[25] . 模型如下:
C t =C1×(1-e
-k1t)+C2×(1-e
-k2t)
式中: C t 为培养时间 t (天 ) 时的累积矿化量
(mg·kg-1);C1和 k1表示土壤易矿化碳(活性碳库)
和矿化速率;C2和 k2表示土壤难分解碳(惰性碳库)
和分解速率,其中 C1+C2为潜在矿化碳库.
1􀆰 5􀆰 2截留碳数量、比例及有机碳表观平衡和微生
物熵的计算方法  4种计算方式如下[17, 26-27]:
截留碳=添加秸秆处理土壤有机碳-未添加秸
秆土壤有机碳
截留碳比例 =截留碳 / (截留碳+CO2⁃C 累积释
放量)×100
有机碳表观平衡( g·kg-1)= (培养结束 SOC+
CO2⁃C累积释放量)-(培养前 SOC+秸秆碳)
微生物熵(qMB)=土壤微生物生物量碳 /土壤总
有机碳×100
1􀆰 6  数据处理
试验数据采用 Microsoft Excel 2003软件对数据
进行处理和绘图;使用 SPSS 22.0 软件对数据进行
差异显著性检验(LSD法,α= 0.05)及双指数模型的
非线性回归分析.
2  结果与分析
2􀆰 1  添加养分对土壤 CO2释放的影响
各处理秸秆腐解过程中土壤有机碳矿化动态变
化规律基本一致(图 1),即均在秸秆腐解的第 2 天
出现 CO2⁃C释放速率高峰,CO2⁃C 释放速率随培养
时间延长而逐渐下降,并在秸秆腐解 23 d 后逐渐趋
于稳定. 在培养试验前期(0 ~ 23 d),秸秆配施 NP
基础上再添加 S、Fe或 Zn的 3个处理土壤 CO2⁃C释
放速率显著高于秸秆仅配施 NP 处理(CK2);在培
养中后期(23 ~ 52 d),添加秸秆的 4 个处理 CO2⁃C
释放速率间无显著差异,但均高于仅施 NP 处理
(CK1). 表明在秸秆腐解过程中添加 S、Fe 或 Zn 会
加速有机碳矿化速率.
从 52 d的 CO2⁃C累积释放量来看(图 1),各处
理 CO2⁃C累积释放量的趋势一致,均随培养时间
延长而增加 .在培养的0 ~ 8 d,除CK外,所有处理
图 1  秸秆腐解过程中 CO2 ⁃C释放速率和累积释放量
Fig. 1   CO2 ⁃C emission rate and cumulative efflux from straw
decomposition under different treatments.
CK1: 添加氮磷 N and P application; CK2:添加玉米秸秆+氮磷 Maize
straw, N and P application; MS+NP+S: 添加玉米秸秆+氮磷+硫磺
Maize straw, N, P and S application; MS+NP+Fe: 添加玉米秸秆+氮
磷+铁肥 Maize straw, N, P and Fe application; MS+NP+Zn: 添加玉
米秸秆+氮磷+锌肥 Maize straw, N, P and Zn application. 图中的误差
线为添加秸秆的各处理间 5%水平的 LSD值 The bars represented LSD
value (5%) between all straw corporation treatments in the figure.
CO2⁃C累积矿化量基本相同;在培养的 10 ~ 52 d,添
加 S、Fe 和 Zn 的处理 CO2⁃C 累积释放量始终显著
高于秸秆配施 NP 处理,但添加 S、Fe 和 Zn 处理之
间 CO2⁃C累积释放量无显著差异;培养结束时,对
于秸秆配施 NP 基础上再添加 S、Fe 和 Zn 的 3 个处
理,CO2⁃C累积释放量显著高于秸秆配施 NP 处理,
分别提高 9.7%、9.3%和 12%(图 1). 可见,在秸秆
配施 NP 基础上再添加 S、Fe或 Zn 提高了有机碳的
矿化量.
2􀆰 2  土壤有机碳矿化动力学模拟
为模拟秸秆腐解过程中土壤有机碳矿化过程,
本研究利用二级动力学模型对有机碳矿化数据进行
拟合(表 1). 结果表明,二级动力学模型能很好地描
述秸秆腐解过程中有机碳矿化动态(R2≥0.999).
根据模拟结果显示,与秸秆配施 NP(CK2)相比,添
加 S、Fe和 Zn的处理均提高了土壤潜在矿化碳库,
分别提高 16.0%、31.5%和 43.2%;同样,添加这 3 种
元素也提高了土壤活性碳库和惰性碳库,但 3 种元
素的添加却降低了活性碳库矿化速率(k1)和惰性碳
8911                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 1  土壤有机碳矿化的动力学参数
Table 1  Kinetic parameters for the soil organic C minera⁃
lization
处理
Treatment
C1+C2 C1 C2 C2 /
(C1+C2)
(%)
k1 k2 R2
CK1 297.2 89.9 207.3 69.8 0.275 0.010 0.999
CK2 743.0 312.6 430.4 57.9 0.180 0.024 1.000
MS+NP+S 840.9 382.1 458.8 54.6 0.150 0.020 1.000
MS+NP+Fe 953.5 395.0 558.5 58.6 0.155 0.013 1.000
MS+NP+Zn 1038.3 418.8 619.5 59.7 0.147 0.011 1.000
库分解速率(k2);其中,添加 Fe或 Zn处理提高了惰
性碳库的比例,而添加 S 处理降低了惰性碳库的比
例. 由此可见,一方面在秸秆腐解过程中添加 S、Fe
或 Zn提高了土壤潜在有机碳矿化碳库,另一方面添
加 Fe或 Zn使土壤中一部分有机碳变为惰性,并降
低了惰性有机碳分解速率,提高了土壤有机碳固持.
2􀆰 3  不同处理对土壤有机碳、CO2⁃C 累积释放量、
土壤碳截留和有机碳表观平衡的影响
从 52 d土壤有机碳变化(表 2)来看,与只添加
NP(CK1)相比,添加作物秸秆的 4 个处理均显著提
高了土壤有机碳含量,而与添加秸秆配施 NP(CK2)
相比,在其基础上分别添加 S、Fe 和 Zn 3 种元素后
土壤有机碳并未显著降低,却显著提高了 CO2⁃C 累
积释放量. 显然,添加 S、Fe或 Zn 3种养分在提高秸
秆腐解速率的同时也避免了土壤有机碳的减少. 此
外,在秸秆腐解过程中,截留碳占秸秆腐解释放碳的
42.0%~47.8%,说明在短期内秸秆腐解释放的碳近
一半被土壤截留. 土壤有机碳表观平衡可以表征秸
秆还田条件下农田系统中土壤有机碳的盈余状况,
其值大于 0,表示土壤有机碳积累,反之,则表示土
壤有机碳减少[17] . 与 CK2相比,添加 S 处理降低了
土壤有机碳表观平衡,添加 Fe 或 Zn 处理却提高了
土壤有机碳表观平衡,分别提高了 41.1%和 52􀆰 2%.
可见,在秸秆腐解过程中添加 Fe 或 Zn 有助于土壤
有机碳的积累,而添加 S不利于有机碳积累.
2􀆰 4  土壤微生物生物量碳和微生物熵的变化
由表 3可以看出,与添加秸秆配施 NP(CK2)相
比,在秸秆配施 NP 基础上分别添加 S、Fe和 Zn 3种
养分元素均显著提高了微生物生物量碳(MBC),分
别提高 21.3%、31.6%和 24.2%,但 3 个处理间无显
著差异. 微生物熵变化反映了土壤中输入的有机质
向微生物生物量碳的转化效率、土壤中碳损失和土
壤矿物对有机质的固定[28] . 与添加秸秆配施 NP
(CK2)相比,S、Fe 或 Zn 的添加均显著提高了微生
物熵,说明秸秆腐解过程中添加 S、Fe 或 Zn 促进了
土壤有机碳向 MBC的转化.
表 2  不同处理对 CO2 ⁃C累积释放量、有机碳、土壤截留碳和有机碳表观平衡的影响
Table 2  Effects of different treatments on cumulative CO2 ⁃C efflux, organic carbon, carbon sequestration and organic car⁃
bon apparent balance (mean±SD)
处理
Treatment
CO2 ⁃C累积释放量
Cumulative CO2 ⁃C
efflux
(g·kg-1)
有机碳
Soil organic carbon
(g·kg-1)
截留碳
Carbon sequestration
(g·kg-1)
截留碳比例
Proportion of
carbon sequestration
(%)
土壤有机碳表观平衡
Organic carbon
apparent balance
(g·kg-1)
CK1 0.70±0.03c 8.99±0.17b - - -
CK2 2.48±0.07b 12.25±0.57a 3.27±0.52a 56.8 0.46
MS+NP+S 2.72±0.09a 11.94±0.54a 2.96±0.67a 52.1 0.38
MS+NP+Fe 2.71±0.03a 12.21±0.42a 3.14±0.56a 54.3 0.64
MS+NP+Zn 2.79±0.09a 12.18±0.45a 3.20±0.48a 53.4 0.69
不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Different letters meant significant difference at 0.05 level. 下同 The same below.
表 3  不同处理对土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物熵
(qMB)的影响
Table 3   Effects of different treatments on soil microbial
biomass carbon (MBC) and microbial entropy (qMB)
处理
Treatment
微生物生物量碳
MBC
(mg·kg-1)
微生物熵
qMB
(%)
CK1 247.6±22.5c 2.5±0.22b
CK2 330.8±31.0b 2.8±0.26b
MS+NP+S 401.5±58.7a 3.2±0.48a
MS+NP+Fe 435.6±33.9a 3.5±0.32a
MS+NP+Zn 410.6±22.3a 3.3±0.23a
3  讨    论
本研究 52 d 培养试验结果表明,在秸秆腐解过
程中分别添加 S、Fe和 Zn提高了土壤有机碳矿化速
率,同时均显著提高了土壤微生物生物量碳和 CO2⁃
C累积释放量,且腐解结束后土壤有机碳含量并未
出现显著降低;其中添加 Fe 或 Zn 处理提高了土壤
有机碳表观平衡,有利于土壤有机碳固持. 这与我
们模拟土壤有机碳矿化的结果相吻合(表 1),即添
99114期                      姜振辉等: 秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响           
加 Fe或 Zn处理提高了土壤惰性碳库及惰性碳的比
例,说明在秸秆腐解过程中添加 Fe 或 Zn 使活性碳
库转化为惰性碳库固持于土壤中. 综上,在秸秆配
施大量 NP 基础上再添加 Fe或 Zn,不仅有助于提高
秸秆腐解速率,而且也有利于土壤有机碳的固持,表
面看似乎矛盾,但有其内在原因.
首先,在农田生态系统中,土壤有机碳积累水平
主要依赖于输入(如田间作物残体和外源有机物料
添加等)与输出(土壤原有有机质分解)之间的平
衡,即土壤中有机质的腐殖化与矿质化之间的平
衡[29] . 激发效应(即当外源有机物料进入土壤后引
起的原有土壤有机碳矿化的现象)是影响有机碳输
入和输出的重要机制之一[30],外源有机物料的加入
可能会加速土壤原有有机碳矿化作用,产生正激发
效应[28],也可能减缓原有土壤有机碳矿化作用,产
生负激发效应[31] . 一般低 C / N[32]、高微生物活性及
其高分泌酶能力[32]和低含量有机碳[33]的土壤易产
生正激发效应,而微生物活性及其酶活性低[34]和黏
土矿物吸附保护作用强[35]的土壤则产生负激发效
应. 由于本研究为微生物生长提供了充足的氮源,
各处理具有相同的 C / N(除 CK1外),且均为同种土
壤类型. 因此,从微生物及其分泌的酶学角度(微生
物共代谢作用)来看,土壤有机碳分解加速是由于
微生物生长和其分泌酶增加引起的[36] . Fe3+是木质
素过氧化物酶(LiP)的重要组成部分,LiP 在木质素
降解中起关键作用[37],而 Zn2+能够提高 LiP 活
性[38],同时,Fe3+和 Zn2+也是提高微生物活性的重
要影响因子[39] . 刘海静等[40]研究也表明,Zn2+或
Fe3+对纤维素酶有激活作用,可以加速秸秆的降解.
因此,本研究中添加的 Zn 或 Fe 可能提高了微生物
活性及微生物分泌 LiP 酶的能力,从而加速了秸秆
木质素的分解;同时,木质素降解后的碳源又能提高
微生物酶活,反过来微生物酶活性的提高又促进木
质素的降解[37] . 因此,秸秆腐解过程中添加 Fe 或
Zn可以加速 CO2⁃C 的释放. 另外,Fe 或 Zn 在加速
分解秸秆过程中,秸秆中 C、N、P、Fe、Zn 释放出来,
为微生物提供更多的能量和营养物质[41] . 相比于添
加秸秆配施 NP 的处理,添加 Fe 或 Zn 处理的微生
物会减少分解土壤中稳定性有机碳来获取能量[30],
因而产生负激发效应. 此外,根据腐殖质形成学说
中的木质素学说[41]:木质素降解与腐殖质形成有密
切联系,木质素和它的降解产物如酚型化合物、醌型
化合物及脂肪族化合物是腐殖质形成的最主要的前
体物质. 可能添加 Fe或 Zn 处理通过提高微生物酶
作用降解木质素,为形成腐殖质提供更多前体物质,
形成更多有机碳,且 Fe 或 Zn 对腐殖化提升的速度
大于对矿化提升速度,使土壤有机碳表现为积累.
因此,添加 Fe或 Zn 后提升了土壤稳定性有机碳及
土壤有机碳的积累,使更多有机碳固持于土壤中.
与秸秆配施 NP 相比,在秸秆配施 NP 基础上添
加 S虽然加速了有机碳的矿化,但也提高了活性有
机碳及活性碳库比例,降低了土壤有机碳表观平衡,
不利于土壤有机碳固持,这与 Kirkby等[20]的研究结
果不一致. Kirkby 等[20]认为,S 和 N、P 的生物地球
化学循环与 C紧密相连,N、P 和 S 是形成土壤腐殖
质的必需元素,在秸秆腐解过程中添加 N、P、S 养分
元素能够使更多秸秆碳被固持于土壤中. 其可能原
因:与 FeCl3和 ZnSO4矿质养分能直接被微生物利用
的特性相反,硫磺不能被微生物直接利用,需先转化
为 SO4 2
-才能被微生物利用. 而硫磺在土壤中的氧
化过程(即形成 SO4 2
-)会引起细菌和真菌群落的变
化[42] . 因此,在秸秆腐解过程中添加硫磺后 CO2⁃C
释放量在前期增加可能是由表观激发效应引起的,
主要来自于硫磺在氧化过程中引起的土著微生物生
物量的周转,而不是土壤有机碳的矿化[43];而到培
养后期,CO2⁃C释放量增加可能是 SO4 2
-被微生物利
用,提高了微生物活性,加速了有机碳的矿化. 此
外,S 作为盐碱土改良剂,添加到土壤后可降低其
pH[42],影响了土壤微生物群落组成,有可能降低了
起腐殖化作用的无芽孢细菌、霉菌和放线菌活性,进
而减弱有机碳腐殖化作用,减少土壤有机碳积累.
因此,添加 S后会加速有机碳矿化,不利于土壤有机
碳固持.
从 CO2⁃C释放速率和累积释放量来看,添加秸
秆的 4个处理土壤有机碳有继续矿化的趋势,如果
延长培养时间,土壤截留的有机碳有可能会更少.
因此,对于长时间尺度下土壤可截留的有机碳数量
还需进一步探讨.
参考文献
[1]  Lin E⁃D (林而达), Li Y⁃E (李玉娥), Guo L⁃P (郭
李萍), et al. Agricultural Soil Nitrogen Sequestration
Potential and Climate Change in China. Beijing: Science
Press, 2005: 57 (in Chinese)
[2]  Fang J⁃Y (方精云), Liu G⁃H (刘国华), Xu S⁃L (徐
嵩龄). Chinese Terrestrial Ecosystem Carbon Cycle and
Its Global Significance. Beijing: China Environmental
Science Press, 1996: 129 (in Chinese)
[3]  Pan G⁃X (潘根兴), Zhao Q⁃G (赵其国). Study on
evolution of organic carbon stock in agricultural soils of
0021                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷
China: Facing the challenge of global change and food
security. Advance in Earth Sciences (地球科学进展),
2005, 20(4): 384-394 (in Chinese)
[4]  Rustad LE, Huntington TG, Boone RD. Controls on soil
respiration: Implications for climate change. Biogeo⁃
chemistry, 2000, 48: 1-6
[5]  Davidson E, Janssens I. Temperature sensitivity of soil
carbon decomposition and feedbacks to climate change.
Nature, 2006, 440: 165-173
[6]  Xiao HL. Climate change in relation to soil organic mat⁃
ter. Soil and Environmental Sciences (土壤与环境),
1999, 8(4): 300-304 (in Chinese)
[7]  Lal R. Soil carbon sequestration to mitigate climate
change. Geoderma, 2004, 123: 1-22
[8]  Lai R. Carbon management in agricultural soils. Mitiga⁃
tion and Adaptation Strategies for Global Change, 2007,
12: 303-322
[9]  Yan C⁃P (闫翠萍), Pei X⁃X (裴雪霞), Wang J⁃A
(王姣爱), et al. Effect of corn straw returned to soil
and N application on growth, water and nitrogen use ef⁃
ficiency of winter wheat. Chinese Journal of Eco⁃Agricul⁃
ture (中国生态农业学报), 2011, 19(2): 271-275
(in Chinese)
[10]  Zhang HJ, Gan YT, Huang GB, et al. Postharvest re⁃
sidual soil nutrients and yield of spring wheat under wa⁃
ter deficit in arid northwest China. Agricultural Water
Management, 2009, 96: 1045-1051
[11]  Chen X⁃L (陈兴丽), Zhou J⁃B (周建斌), Liu J⁃L
(刘建亮), et al. Effects of fertilization on carbon / nitro⁃
gen ratio of maize straw and its mineralization in soil.
Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2009, 20(2): 314-319 (in Chinese)
[12]  Lu F, Wang XK, Han B, et al. Soil carbon sequestra⁃
tions by nitrogen fertilizer application, straw return and
no⁃tillage in China’ s cropland. Global Change Biology,
2009, 15: 281-305
[13]  Malhi SS, Moulin AP, Johnston AM, et al. Short⁃term
and long⁃term effects of tillage and crop rotation on some
soil physical and biological properties in a Black Cherno⁃
zem soil in northeastern Saskatchewan. Canadian Jour⁃
nal of Soil Science, 2008, 88: 273-282
[14]   Tian S⁃Z (田慎重), Ning T⁃Y (宁堂原), Wang Y
(王  瑜), et al. Effects of different tillage methods and
straw⁃returning on soil organic carbon content in a winter
wheat field. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生
态学报), 2010, 21(2): 373-378 (in Chinese)
[15]   Cai ZC, Qin SW. Dynamics of crop yields and soil or⁃
ganic carbon in a long⁃term fertilization experiment in
the Huang⁃Huai⁃Hai Plain of China. Geoderma, 2006,
136: 708-715
[16]  Galantini J, Rosell R, Andriulo A, et al. Humification
and nitrogen mineralization of crop residues in semi⁃arid
Argentina. Science of the Total Environment, 1992, 117 /
118: 263-270
[17]  Andrén O, Kätterer T. ICBM: The introductory carbon
balance model for exploration of soil carbon balances.
Ecological Applications, 1997, 7: 1226-1236
[18]  Gao Y⁃M (高义民), Tong Y⁃A (同延安), Sun B⁃H
(孙本华), et al. The characteristics of sulphur distribu⁃
tion in soil and relationships with soil properties of
Shaanxi. Acta Agriculturae Boreali⁃Occidentalis Sinica
(西北农业学报), 2005, 14(3): 177-180 ( in Chi⁃
nese)
[19]  Long X⁃X (龙新宪), Yang X⁃E (杨肖娥). Trace ele⁃
ments Zn, Fe in human beings and plant breeding.
Guangdong Trace Elements Science (广东微量元素科
学), 1998, 5(9): 5-10 (in Chinese)
[20]  Kirkby CA, Richardson AE, Wade LJ, et al. Nutrient
availability limits carbon sequestration in arable soils.
Soil Biology and Biochemistry, 2014, 68: 402-409
[21]  Heng L⁃S (衡利沙), Wang D⁃Z (王代长), Jiang X
(蒋  新), et al. Relationship between Fe, Al oxides
and stable organic carbon, nitrogen in the Yellow⁃brown
soils. Acta Scientiae Circumstantiae (环境科学学报),
2010, 31(11): 2748-2755 (in Chinese)
[22]  Ni W⁃Z (倪吾钟), Long X⁃X (龙新宪), Sun Q (孙
琴), et al. Zn situation of vegetable garden soils and its
relation to soil organic carbon. Journal of Zhejiang
University (Agriculture & Life Sciences) (浙江大学学
报:农业与生命科学版), 2000, 26(6): 640-642 (in
Chinese)
[23]  Bao S⁃D (鲍士旦). Soil and Agricultural Chemistry
Analysis. 3rd Ed. Beijing: China Agriculture Press,
2001: 30-34 (in Chinese)
[24]  Vance ED, Brookers PC, Jenkinson DS. An extraction
method for measuring microbial biomass. Soil Biology
and Biochemistry, 1987, 19: 703-707
[25]  Zimmerman AR, Gao B, Ahn MY. Positive and negative
carbon mineralization priming effects among a variety of
biochar⁃amended soils. Soil Biology and Biochemistry,
2011, 43: 1169-1179
[26]   Nan X⁃X (南雄雄), Tian X⁃H (田霄鸿), Zhang L
(张  琳), et al. Decomposition characteristics of maize
and wheat straw and their effects on soil carbon and ni⁃
trogen contents. Plant Nutrition and Fertilizer Science
(植物营养与肥料学报), 2010, 16(3): 626-633 (in
Chinese)
[27]  Zhang F (张  帆), Huang F⁃Q (黄凤球), Xiao X⁃P
(肖小平), et al. Short⁃term influences of winter crops
on microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen
and Cmic ⁃to⁃Corg in a paddy soil. Acta Ecologica Sinica
(生态学报), 2009, 29(2): 734-739 (in Chinese)
[28]  Hamer U, Marschner B. Priming effects of sugars, ami⁃
no acids, organic acids and catechol on the mineraliza⁃
tion of lignin and peat. Journal of Plant Nutrition and
Soil Science, 2002, 165: 261-268
[29]  Pan G⁃X (潘根兴), Zhou P (周  萍), Li L⁃Q (李恋
卿), et al. Core issues and research progresses of soil
science of C sequestration. Acta Pedologica Sinica (土
壤学报), 2007, 44(2): 327-337 (in Chinese)
[30]  Guenet B, Neill C, Bardoux G, et al. Is there a linear
relationship between priming effect intensity and the
amount of organic matter input? Applied Soil Ecology,
2010, 46: 436-442
10214期                      姜振辉等: 秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响           
[31]  Kuzyakov Y. Review: Factors affecting rhizosphere pri⁃
ming effects. Journal of Plant Nutrition and Soil Science,
2002, 165: 382-396
[32]  Kuzyakov Y, Friedel JK, Stahr K. Review of mecha⁃
nisms and quantification of priming effects. Soil Biology
and Biochemistry, 2000, 32: 1485-1498
[33]  Bingeman CW, Varner JE, Martin WP. The effect of the
addition of organic materials on the decomposition of an
organic soil. Soil Science Society of America Journal,
1953, 17: 34-38
[34]  Fiere N, Schimel JP, Cates RG, et al. Influence of bal⁃
sam poplar tannin fractions on carbon and nitrogen dy⁃
namics in Alaskan taiga floodplain soils. Soil Biology
and Biochemistry, 2001, 33: 1827-1839
[35]  Sollins P, Homann P, Caldwell BA. Stabilization and
destabilization of soils organic matter: Mechanisms and
controls. Geoderma, 1996, 74: 65-105
[36]  Kuzyakov Y, Bol R. Sources and mechanisms of priming
effect induced in two grassland soils amended with slurry
and sugar. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38:
747-758
[37]  Kenneth EH. Extracellular free radical biochemistry of
ligninolytic fungi. New Journal of Chemistry, 1996, 20:
195-198
[38]  Singhal V, Rathore VS. Effects of Zn2+ and Cu2+ on
growth, lignin degradation and ligninolytic enzymes in
Phanerochaete chrysosporium. World Journal of Microbio⁃
logy & Biotechnology, 2001, 17: 235-240
[39]  Scherr KE, Lundaa T, Klose V, et al. Changes in bac⁃
terial communities from anaerobic digesters during petro⁃
leum hydrocarbon degradation. Journal of Biotechnology,
2012, 157: 564-572
[40]  Liu H⁃J (刘海静), Ren P (任  萍). Effects of inor⁃
ganic elements on wheat straw degradation by biodegra⁃
dation strains. Chinese Agricultural Science Bulletin (中
国农学通报), 2013, 29(6): 30-37 (in Chinese)
[41]  Fontaine S, Henault C, Aamor A, et al. Fungi mediate
long term sequestration of carbon and nitrogen in soil
through their priming effect. Soil Biology and Biochemis⁃
try, 2011, 43: 86-96
[42]  Lin B (林   葆), Li S⁃T (李书田), Zhou W (周  
卫). Factors affecting elemental sulfur oxidation in soils.
Soil and Fertilizer Sciences (土壤肥料), 2000, 5(3):
3-8 (in Chinese)
[43]  De Nobili M, Contin M, Mondini M, et al. Soil micro⁃
bial biomass is triggered into activity by trace amounts of
substrate. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33:
1163-1170
作者简介  姜振辉,男,1990年生,硕士研究生. 主要从事废
弃物资源农业循环利用研究. E⁃mail: jiangzh1990@ 126.com
责任编辑  张凤丽
姜振辉, 师江澜, 贾舟, 等. 秸秆还田配施中微量元素对农田土壤有机碳固持的影响. 应用生态学报, 2016, 27(4): 1196-
1202
Jiang Z⁃H, Shi J⁃L, Jia Z, et al. Effects of straw returning combined with medium and microelements application on soil organic carbon
sequestration in cropland. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(4): 1196-1202 (in Chinese)
2021                                       应  用  生  态  学  报                                      27卷