全 文 ：植物营养与肥料学报 ２０１５，２１（４）：９４３－９５０ ｄｏｉ牶１０１１６７４／ｚｗｙｆ．２０１５０４１３
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｌａｎｔＮｕｔｒｉｔｉｏｎａｎｄＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒ ｈｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｌａｎｔｎｕｔｒｉｆｅｒｔ．ｏｒｇ
收稿日期：２０１４－０４－２９ 接受日期：２０１４－０７－０７ 网络出版日期：２０１５－０４－１４
基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＤ１４Ｂ１１）；国家自然科学基金项目（４１３７１２８８，３１０７１８６３）资助。
作者简介：李有兵（１９８９—），男，陕西米脂人，硕士研究生，主要从事废弃物资源农业循环利用方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉ＿ｙｏｕｂｉｎｇ＠１２６ｃｏｍ
通信作者 Ｔｅｌ：０２９－８７０８２０６９，Ｅｍａｉｌ：ｔｘｈｏｎｇ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
作物残体与其生物炭配施对土壤有机碳
及其自身矿化率的提升
李有兵１，把余玲１，２，李 硕１，田霄鸿１
（１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；
２陕西省土地工程建设集团，陕西西安 ７１００７５）
摘要：【目的】本研究通过探讨小麦和玉米残体与其生物炭配施对土壤各组分有机碳及其自身有机碳矿化的影响，
揭示其在土壤固碳和培肥方面的效应，为农田有机物资源合理利用提供理论支撑。【方法】采用室内恒温培养试
验，共设置小麦或玉米残体（根茬、秸秆）和秸秆制成的生物炭单施（ＷＳ、ＷＲ、ＷＢ、ＭＳ、ＭＲ、ＭＢ），配施（ＷＳ＋
ＷＢ、ＷＲ＋ＷＢ、ＭＳ＋ＭＢ、ＭＲ＋ＭＢ）以及对照（ＣＫ）构成的１１个处理，培养期间测定土壤ＣＯ２释放量，培养结束后
测定土壤总有机碳（ＴＯＣ）、可溶性有机碳（ＤＯＣ）、微生物量碳（ＭＢＣ）、颗粒有机碳（ＰＯＣ）以及粗细颗粒有机碳含量
（ＣＰＯＣ、ＦＰＯＣ）。【结果】添加玉米有机物料对土壤ＴＯＣ、ＭＢＣ、ＰＯＣ、ＣＰＯＣ和ＦＰＯＣ含量的增加作用普遍高于添加
小麦有机物料。添加小麦或玉米秸秆对土壤ＴＯＣ、ＰＯＣ、ＣＰＯＣ、ＦＰＯＣ含量的增加作用均高于添加根茬。单独添加
生物炭，作物残体与生物炭配施和单独添加作物残体处理分别在培养的第４、８、２１ｄ有机碳矿化速率最大，为有机
碳矿化快速期，之后矿化速率减缓并逐渐趋于稳定。单独添加作物残体其有机碳累积矿化率最大，达到３０％
４６％；与对照相比，添加有机物料的各处理均显著增加了土壤 ＴＯＣ含量，其中添加生物炭处理土壤 ＴＯＣ含量增幅
最大；单独添加小麦和玉米生物炭处理，土壤ＴＯＣ含量分别显著增加３４４％和３６５％，但其有机碳累积矿化率仅
为３％左右，土壤ＦＰＯＣ含量及敏感性指数在单独添加生物炭处理最高；小麦和玉米残体与其生物炭配施处理，土
壤ＭＢＣ和ＣＰＯＣ含量分别显著增加８０２％ １９９２％，且其有机碳累积矿化率为１２％ １９％，介于生物炭和残体
单施之间，土壤ＣＰＯＣ含量及敏感性指数均表现为配施处理最高。【结论】单独添加作物残体能够较好地补充土壤
养分，但ＣＯ２释放量显著高于单施生物炭及配施处理；单独添加生物炭其有机碳累积矿化率较低，短期内对土壤养
分的补充作用较小。作物残体与其生物炭配施可以较好地克服各自单独施用的弊端，尤其是玉米秸秆与其生物炭
配施，在保证作物养分供应的同时能增加土壤碳库储量，对土壤肥力提升效果更好。
关键词：作物残体；生物炭；各组分有机碳；有机碳矿化
中图分类号：Ｓ１４１４；Ｓ１５３６＋２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－５０５Ｘ（２０１５）０４－０９４３－０８
Ｃｏｍｂｉｎｅｄａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｃｈａｒ
ｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃＣｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ
ＬＩＹｏｕｂｉｎｇ１，ＢＡＹｕｌｉｎｇ１，２，ＬＩＳｈｕｏ１，ＴＩＡＮＸｉａｏｈｏｎｇ１
（１ＣｏｌｅｇｅｏｆＮａｔｕｒａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＡ＆ＦＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ／ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｌａｎｔ
ＮｕｔｒｉｅｎｔａｎｄｔｈｅＡｇｒｉｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎＮｏｒｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ７１２１００，Ｃｈｉｎａ；
２ＳｈａａｎｘｉＬａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＧｒｏｕｐ，Ｘｉ’ａｎ７１００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：【Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ】Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｓｉｎｇｌｅｏｒｃｏｍｂｉｎｅｄａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｓｔｒａｗ
ｂｉｏｃｈａｒｏｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｖｅａｌｅｄｔｈｅｉｒｅｆｅｃｔｓｉｎ
ｔｅｒｍｓｏｆｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎａｎｄｆｅｒｔｉｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｒｅａｓｏｎａｂｌｅ
ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｆａｒｍｌａｎｄｏｒｇａｎｉｃｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．【Ｍｅｔｈｏｄｓ】Ａｎｉｎｃｕｂａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃａｒｉｅｄｏｕｔｆｏｒ８３ｄａｙｓｗｉｔｈ
ｔｏｔａｌｙ１１ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｏｉｌ（ＣＫ），ｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎ（ＷＳ，ＷＲ，ＷＢ，ＭＳ，ＭＲａｎｄＭＢ）ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄ
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
ａｄｄｉｔｉｏｎ（ＷＳ＋ＷＢ，ＷＲ＋ＷＢ，ＭＳ＋ＭＢａｎｄＭＲ＋ＭＢ）ｏｆｗｈｅａｔｏｒｍａｉｚｅｒｅｓｉｄｕｅｓ（ｒｏｏｔ，ｓｔｒａｗ）ａｎｄｓｔｒａｗ
ｂｉｏｃｈａｒ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｄｓｏｉｌＣＯ２ｅｍｉｓｓｉｏｎｄｕｒｉｎｇｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ，ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｓｏｉｌｔｏｔａｌ
ｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ＴＯＣ），ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ＤＯＣ），ｍｉｃｒｏｂｉａｌｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎ（ＭＢＣ），ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｏｒｇａｎｉｃ
ｃａｒｂｏｎ（ＰＯＣ）ａｎｄｃｏａｒｓｅ，ｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ＣＰＯＣａｎｄＦＰＯＣ）ｗｅｒｅａｌｓｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．【Ｒｅｓｕｌｔｓ】
ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｓｏｉｌＴＯＣ，ＭＢＣ，ＰＯＣ，ＣＰＯＣａｎｄＦＰＯＣｕｎｄｅｒｔｈｅａｄｄｉｎｇｍａｉｚｅｒｅｓｉｄｕｅａｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆ
ａｄｄｉｎｇｗｈｅａｔｒｅｓｉｄｕｅ，ａｎｄｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｓｈｏｏｔｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｓｏｉｌＴＯＣ，ＰＯＣ，ＣＰＯＣａｎｄＦＰＯＣｍｏｒｅ
ｏｂｖｉｏｕｓｌｙｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｒｏｏｔｓ．Ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｓａｒｅｒａｐｉｄａｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆ４，
８，２１ｄｕｎｄｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｏｆｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎｂｉｏｃｈａｒ，ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｂｉｏｃｈａｒａｎｄｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎ
ｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎｓｌｏｗｄｏｗｎａｎｄｇｒａｄｕａｌｙｓｔａｂｉｌｉｚｅ．Ｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓｈａｓｔｈｅ
ｍａｘｉｍｕｍｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ（ｕｐｔｏｆｒｏｍ３０％ ｔｏ４６％）．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ，
ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｏｆａｄｄｉｎｇｏｒｇａｎｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｏｉｌＴＯＣ，ａｎｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎ
ｏｆｂｉｏｃｈａｒｈａｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｉｎｃｒｅａｓｅ（ｂｙ３４４％ ａｎｄ３６５％ ｕｎｄｅｒｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｗｈｅａｔｏｒｍａｉｚｅｓｔｒａｗ
ｂｉｏｃｈａｒｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ），ｂｕｔｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｉｓｏｎｌｙ３％．ＴｈｅｓｏｉｌＦＰＯＣｃｏｎｔｅｎｔ
ａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｅｘｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎｂｉｏｃｈａｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｏｔｈｅｒｓ．Ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
ｗｉｔｈｍｉｘｅｄｗｈｅａｔｏｒｍａｉｚｅｒｅｓｉｄｕｅａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｃｈａｒｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｓｏｉｌＭＢＣａｎｄＣＰＯＣｂｙ
１０２２％，１０９３％ ａｎｄ１９９２％，８０２％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｉｓ
ｂｅｔｗｅｅｎ１２％ ｔｏ１９％．Ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｏｆｃｏｍｂｉｎｉｎｇａｄｄｉｔｉｏｎｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｂｉｏｃｈａｒａｌｓｏｈａｖｅｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｓｏｉｌ
ＣＰＯＣｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｉｃｅｓ．【Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ】Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｒｏｌｅｏｆｓｏｉｌｎｕｔｒｉｅｎｔｓｉｓｏｂｖｉｏｕｓｉｎａｄｄｉｎｇ
ｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｌｏｎｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ｗｈｉｌｅｔｈｅＣＯ２ｒｅｌｅａｓｅｄｒａｔｅｓｏｆｔｈｅａｄｄｉｎｇｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｌｏｎｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓａｒｅｈｉｇｈｅｒ
ｔｈａｎｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｏｔｈｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｂｉｏｃｈａｒｈａｓｔｈｅｌｏｗｅｓｔｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅ，
ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｓｕｐｐｌｙｏｆｓｏｉｌｎｕｔｒｉｅｎｔｓｉｓｌｉｍｉｔｅｄ．Ｏｖｅｒａｌ，ｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｂｉｏｃｈａｒ
ｃａｎｂｅｔｅｒｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｉｒｄｒａｗｂａｃｋｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｙｆｏｒｍａｉｚｅｓｔｒａｗａｎｄｉｔｓｂｉｏｃｈａｒｍｉｘｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｏｔｈｉｎｃｒｅａｓｅ
ｓｏｉｌｃａｒｂｏｎｒｅｓｅｒｖｏｉｒａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｕｐｐｌｙｏｆｓｏｉｌｎｕｔｒｉｅｎｔｓ，ｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｅｃｔｏｎｓｏｉｌｆｅｒｔｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｃｒｏｐｒｅｓｉｄｕｅｓ牷ｂｉｏｃｈａｒ牷ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ牷ｏｒｇａｎｉｃＣｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ
土壤碳库在陆地碳循环和全球气候变化中起关
键作用，土壤碳库储量是衡量土壤肥力的重要指标，
目前关于如何增加土壤碳库储量已成为研究热
点［１］。土壤总有机碳（ＴＯＣ）作为土壤碳库的容量
指标，其循环和转化与作物的养分供应和土壤物理、
化学以及微生物性状的改善密切相关［２－３］。土壤可
溶性有机碳（ＤＯＣ）包括多种大分子量的腐殖质以
及小分子量的多糖、氨基酸和有机酸［４］，是土壤有
机碳库的重要组成部分，在改善土壤微生物活性和
营养物质转运以及调节全球碳循环方面具有重要意
义［５］。土壤颗粒有机碳（ＰＯＣ）是与土壤砂粒结合
的有机碳部分，其中２５０ ２０００μｍ被称为粗颗粒
有机碳（ＣＰＯＣ），５３ ２５０μｍ被称为细颗粒有机碳
（ＦＰＯＣ），均属于有机碳中的活性组分，主要包括作
物残体、微生物及小型动物的残骸，其中大部分由最
新的活性有机物质组成［６－９］。土壤微生物不仅参与
土壤结构的形成，也是土壤中养分循环和物质转化
的驱动者，土壤微生物量碳（ＭＢＣ）被认为是土壤养
分转化过程中的一个重要源和库，其大小能够反映
土壤同化和矿化的能力，在调节土壤养分供应方面
具有不可忽视的作用［１０－１１］。
生物炭（Ｂｉｏｃｈａｒ）是农林废弃物等生物质在缺
氧条件下热裂解形成的稳定的富碳产物。近年来，
随着粮食安全、环境安全和固碳减排需求的不断发
展，生物炭的内涵逐渐与土壤管理、农业可持续发展
和碳截留等相联系［１２－１３］。生物炭作为一种惰性有
机资源，还田后能通过改善土壤物理、化学及生物学
性状来改良和培肥土壤［１４］，但由于其稳定性较强，
分解缓慢，因此单独施用生物炭短期内对土壤养分
的补充作用较小，提升土壤肥力的效果不明显；秸秆
等作物残体还田能改善土壤理化性质，提高土壤肥
力，但残体还田后也会引起农田温室气体排放的增
加等一系列负面效应［１５］。因此，我们猜想，作物残
体与其秸秆生物炭配施还田在保证和提高土壤肥力
的基础上，能够减少温室气体的排放，对于维持土壤
的可持续发展和改善全球气候环境也具有重要意
义。目前关于生物炭和作物秸秆分别施入农田的研
究很多，但作物残体与其生物炭配施对土壤各组分
４４９
４期 李有兵，等：作物残体与其生物炭配施对土壤有机碳及其自身矿化率的提升
有机碳及其自身有机碳矿化影响的研究很少。本试
验采用室内恒温培养方法，研究了小麦、玉米残体
（根茬、秸秆）及其秸秆生物炭单独施用或配合施用
对土壤 ＴＯＣ、ＤＯＣ、ＭＢＣ、ＰＯＣ、ＣＰＯＣ和 ＦＰＯＣ含量
及其自身有机碳矿化的影响，探明作物残体与其生
物炭配施还田在增加土壤碳截留和提高土壤肥力方
面的作用，以期为农田有机物资源合理利用提供
依据。
１ 材料与方法
１１ 试验材料
供试土壤采自小麦／玉米一年二熟轮作长期定
位试验地两种作物秸秆均不还田处理的田块耕层
（０—２０ｃｍ），该试验地位于陕西省三原县西北农林
科技大学三原试验站，土壤类型属于土垫旱耕人为
土。于２０１２年６月小麦收获后采集新鲜土样，过２
ｍｍ筛后分为两部分，一部分于４℃下保存待用；另
一部分风干后测定土壤基本理化性质。供试土壤
ｐＨ为８０８，土壤总有机碳和全氮含量分别为１４８６
ｇ／ｋｇ和 １５５ｇ／ｋｇ，ＮＯ－３Ｎ１７７３ｍｇ／ｋｇ，ＮＨ
＋
４Ｎ
１２３７ｍｇ／ｋｇ。
供试有机物料包括小麦根茬（ＷＲ）、小麦秸秆
（ＷＳ）、玉米根茬（ＭＲ）、玉米秸秆（ＭＳ）、小麦生物
炭（ＷＢ）和玉米生物炭（ＭＢ）。其中，小麦和玉米植
株以整株的方式采用“Ｓ”型多点采样法，分别于
２０１２年５月３日和２０１１年１０月９日于作物收获前
在田间采集得到，采回后从植株茎、根连接处分成根
茬和秸秆２部分，清洗根样，将残体烘干（６５℃）称
重、粉碎（０５ １０ｍｍ）后备用，本试验中采用的
生物炭为自制的秸秆炭，是将小麦、玉米地上部分
（不包括籽粒）粉碎后于４５０℃下缺氧不完全燃烧得
到［１６］，供试有机物料碳、氮含量见表１。
１２ 试验设计及培养过程
室内培养试验包括有机物料单施（ＷＲ、ＷＳ、
ＷＢ、ＭＲ、ＭＳ、ＭＢ），小麦、玉米残体分别与其秸秆生
物炭按１∶１的重量比配施（ＷＲ＋ＷＢ、ＷＳ＋ＷＢ、ＭＲ
＋ＭＢ、ＭＳ＋ＭＢ），以及对照（ＣＫ，未添加有机物料
的土壤）共１１个处理，各处理有机物料的加入量相
等，每个处理重复３次。
称取１００ｇ（烘干计）供试土样于１Ｌ培养盆中，
用蒸馏水调节土壤含水量至田间持水量的 ６０％，
２０℃下预培养７ｄ，待微生物活化后，根据处理按每
千克土样８ｇ有机物料的用量分别加入有机物料，
同时将ＣＯ（ＮＨ２）２按１０６ｍｇ／ｋｇ（２４０ｋｇ／ｈｍ
２）的用
表１ 供试有机物料的碳氮含量
Ｔａｂｌｅ１ Ｔｈｅｂａｓｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ
ｏｆｏｒｇａｎｉｃａｍｅｎｄｍｅｎｔｓ
添加物
Ａｍｅｎｄｍｅｎｔ
全碳
ＴｏｔａｌＣ
（ｇ／ｋｇ）
水溶性碳
ＷａｔｅｒｓｏｌｕｂｌｅＣ
（ｇ／ｋｇ）
全氮
ＴｏｔａｌＮ
（ｇ／ｋｇ）
碳氮比
Ｃ／Ｎ
小麦根茬ＷＲ ４１７ ７６ ６１ ６９７
小麦秸秆ＷＳ ４２５ １５４ ５８ ７３２
小麦生物炭ＷＢ ６１１ ２５ ８９ ６８７
玉米根茬ＭＲ ４０５ １４９ ３９ １０３９
玉米秸秆ＭＳ ４４４ ３０８ ５９ ７４９
玉米生物碳ＭＢ ６８９ ３３ １５７ ４３９
注（Ｎｏｔｅ）：ＷＲ—Ｗｈｅａｔｒｏｏｔ；ＷＳ—Ｗｈｅａｔｓｔｒａｗ；ＷＢ—Ｗｈｅａｔ
ｂｉｏｃｈａｒ；ＭＲ—Ｍａｉｚｅｒｏｏｔ；ＭＳ—Ｍａｉｚｅｓｔｒａｗ；ＭＢ—Ｍａｉｚｅｂｉｏｃｈａｒ．
量，以溶液形式加入相应培养盆中补充氮源（调节
土壤含水量至田间持水量的７０％）。另外设有只加
土壤的处理为对照处理，充分混匀后，在（２５±１）℃
恒温条件下密封培养８３ｄ，培养过程中水分采用称
重法补充维持至初始重量。
１３ 测定项目与方法
土壤和有机物料中全碳和全氮的测定采用常规
方法［１７］，有机物料水溶性碳采用蒸馏水浸提（ｗ／ｖ
＝１／１０）ＴＯＣ分析仪测定，ＣＯ２释放量分别在培养
的第２、４、６、９、１３、１７、２１、２７、３４、４１、５１、６６、８３ｄ采
用ＮａＯＨ吸收滴定法测定。采用氯仿薰蒸浸提法测
定土壤微生物量碳，根据刘梦云等［１８］的研究方法测
定土壤颗粒有机碳。
１４ 数据分析
土壤粗细颗粒有机碳的敏感性指数采用下式
计算［１９］：
敏感性指数＝（各处理土壤碳组分含量 －对照
处理土壤碳组分含量）／对照处理土壤碳组分含量
试验数据采用 ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ２００７、ＤＰＳ７０５
统计软件进行方差分析和多重比较。
２ 结果与分析
２１ 不同添加物处理有机碳矿化速率及累积矿
化率
图１显示，培养期间各处理有机碳矿化速率变
化规律一致，均表现为前快后慢。不同种类作物残
体单施处理前期（０ ２１ｄ）有机碳矿化速率较快，
为有机碳矿化快速期，之后矿化速率有所减缓并逐
５４９
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
渐趋于稳定，在培养５１ｄ后有机碳矿化速率趋于平
稳状态；不同种类生物炭单施处理在培养前期（０
４ｄ）有机碳矿化速率较快，之后基本维持稳定状态；
不同有机物料配施处理前期（０ ８ｄ）有机碳矿化
速率较快，之后有所减缓，于４１ｄ后基本维持稳定。
培养结束后，无论来源于小麦还是玉米的有机物料，
单施处理其有机碳累积矿化率以秸秆最高（４６％），
根茬次之（３０％ ４３％），生物炭最低（３％ ４％），
残体与生物炭配施处理其有机碳累积矿化率介于生
物炭和作物残体单施处理之间；有机碳累积矿化率
在配施处理间表现为秸秆与生物炭配施（１９％）始
终高于根茬与生物炭配施（１２％ １５％），表明秸秆
较根茬更容易腐解。
图１ 不同添加物处理有机碳矿化速率及累积矿化率
Ｆｉｇ．１ ＯｒｇａｎｉｃＣｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｅｒｅｎｔａｍｅｎｄｍｅｎｔｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
［注（Ｎｏｔｅ）：ＷＲ—小麦根茬 Ｗｈｅａｔｒｏｏｔ；ＷＳ—小麦秸秆 Ｗｈｅａｔｓｔｒａｗ；ＷＢ—小麦生物炭 Ｗｈｅａｔｂｉｏｃｈａｒ；ＭＲ—玉米根茬 Ｍａｉｚｅｒｏｏｔ；
ＭＳ—玉米秸秆 Ｍａｉｚｅｓｔｒａｗ；ＭＢ—玉米生物炭 Ｍａｉｚｅｂｉｏｃｈａｒ．］
２２ 不同添加物处理土壤各组分有机碳含量
表２表明，对于土壤总有机碳，与培养前土壤相
比，培养期间各处理土壤ＴＯＣ含量均有不同程度的
增加，具体表现为单施生物炭 ＞残体与生物炭配施
＞单施残体＞对照，且单施生物炭处理土壤ＴＯＣ含
量显著高于其他处理，与对照处理相比，添加小麦和
玉米生物炭，ＴＯＣ含量分别显著增加了 ３４４％和
３６５％。土壤可溶性有机碳含量在添加小麦根茬和
玉米生物炭处理最高，在对照处理最低，残体与其生
物炭配施介于二者之间，与对照处理相比，不同添加
物处理均显著增加了土壤ＤＯＣ含量，对于小麦添加
物，ＤＯＣ含量依次为根茬 ＞秸秆 ＞生物炭，玉米添
加物则与之相反。对于土壤微生物量碳含量，不同
有机物料添加处理间基本趋势为残体与生物炭配施
＞单施残体＞单施生物炭，作物不同部位添加物间
均表现为秸秆＞根茬，不同种类作物添加物间均表
现为玉米＞小麦。对于土壤颗粒有机碳含量，添加
生物炭的处理土壤ＰＯＣ含量普遍较高，但各处理间
差异较小，对于小麦和玉米添加物，ＰＯＣ含量均表
现为生物炭＞根茬＞秸秆，且差异达到显著性水平。
可见，添加生物炭能够明显增加土壤 ＴＯＣ和 ＰＯＣ
含量，生物炭与残体配施能够增加土壤 ＭＢＣ含量，
在增加土壤 ＴＯＣ和 ＭＢＣ含量方面，添加玉米秸秆
效果优于小麦秸秆。
６４９
４期 李有兵，等：作物残体与其生物炭配施对土壤有机碳及其自身矿化率的提升
表２ 不同添加物处理土壤各组分有机碳含量
Ｔａｂｌｅ２ ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆＳＯＣｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｕｎｄｅｒｄｉｆｅｒｅｎｔａｍｅｎｄｍｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
总有机碳 （ｇ／ｋｇ）
ＴＯＣ
活性有机碳 （ｍｇ／ｋｇ）
ＤＯＣ
微生物量碳 （ｍｇ／ｋｇ）
ＭＢＣ
颗粒总有机碳（ｇ／ｋｇ）
ＰＯＣ
ＣＫ １５００±０１５ｅ １８９±０４３ｅ ２７８７±２２４ｈ ５０８±０２０ｇ
ＷＲ １６４０±０６３ｄ ４００±０３２ａ ３９１５±２１１ｇ ６１８±０４２ｅｆ
ＷＳ １６２１±０３８ｄ ２９１±０３４ｄ ４２３５±６７２ｆ ５２６±０２８ｇ
ＷＢ ２０１６±０５２ａ ２５４±０２４ｄｅ ３８１６±３３８ｇ ７４３±０６０ａｂｃ
ＭＲ １７７１±０４１ｃ ２８４±０１９ｄ ５２７８±１８２ｄｅ ６５５±０１７ｄｅ
ＭＳ １６９１±０２６ｄ ３９７±０２４ａｂ ６６７９±１０６ｂｃ ５６４±０２２ｆｇ
ＭＢ ２０４７±０２２ａ ４１２±０２２ａ ５２４７±７１４ｄ ８１４±０８６ａ
ＷＲ＋ＷＢ １８００±０２２ｂｃ ３０３±０６８ｃｄ ４９１５±１９７ｅｆ ７８９±０４４ａｂ
ＷＳ＋ＷＢ １８３５±０５５ｂｃ ３１８±０２６ｂｃｄ ６３６０±０６９ｃ ７３０±０８３ａｂｃｄ
ＭＲ＋ＭＢ １８２１±０８４ｂｃ ３７０±０２９ａｂｃ ７１６０±０２４ｂ ６９７±００４ｃｄｅ
ＭＳ＋ＭＢ １８５１±０３７ｂ ３２１±０５７ｂｃｄ ９５２１±０６２ａ ７２７±０４１ｂｃｄ
注（Ｎｏｔｅ）：ＴＯＣ—Ｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ＤＯＣ—ｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ＭＢＣ—ｍｉｃｒｏｂｉａｌｂｉｏｍａｓｓｃａｒｂｏｎ；ＰＯＣ—ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；
ＷＲ—小麦根茬 Ｗｈｅａｔｒｏｏｔ；ＷＳ—小麦秸秆 Ｗｈｅａｔｓｔｒａｗ；ＷＢ—小麦生物炭 Ｗｈｅａｔｂｉｏｃｈａｒ；ＭＲ—玉米根茬 Ｍａｉｚｅｒｏｏｔ；ＭＳ—玉米秸秆 Ｍａｉｚｅ
ｓｔｒａｗ；ＭＢ—玉米生物炭 Ｍａｉｚｅｂｉｏｃｈａｒ．同列数据后不同字母表示处理间差异显著（Ｐ＜００５）Ｖａｌｕｅｓｆｏｌｏｗｅｄｂｙｄｉｆｅｒｅｎｔｌｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅ
ｃｏｌｕｍｎａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆｅｒｅｎｔａｍｏｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ（Ｐ＜００５）．
２３ 不同添加物处理土壤粗细颗粒有机碳含量及
其敏感性指数
表３表明，对于土壤粗颗粒有机碳含量，与有机
物料单独添加处理相比，残体与其生物炭配施土壤
ＣＰＯＣ含量较高，且 ＷＲ＋ＷＢ、ＷＳ＋ＷＢ、ＭＳ＋ＭＢ
三个处理土壤ＣＰＯＣ含量显著高于有机物料单独添
加处理。土壤细颗粒有机碳含量范围为 ４１２
６６３ｇ／ｋｇ，大于土壤粗颗粒有机碳的０９６ ２０２
ｇ／ｋｇ，不同有机物料添加处理均表现为单施生物炭
＞残体与生物炭配施 ＞单施残体，不同种类作物添
加物间基本趋势为玉米＞小麦，与对照处理相比，添
加小麦和玉米生物炭土壤ＦＰＯＣ含量分别显著增加
２０１ｇ／ｋｇ和２５１ｇ／ｋｇ。土壤粗、细颗粒有机碳敏
感性指数变化幅 度 较 大，分 别 为 １２８８％
１１０４４％，１４４％ ６０９２％。在不同有机物料添加
处理中，土壤粗颗粒有机碳较细颗粒有机碳更为敏
感，对土壤和作物管理措施变化的响应更为敏感。
土壤粗颗粒有机碳的敏感性指数在残体与生物炭配
施处理下最高，土壤细颗粒有机碳的敏感性指数在
单施生物炭处理下最高，表明残体与其生物炭配施
有利于增加土壤粗颗粒有机碳含量，单施生物炭有
利于增加土壤细颗粒有机碳含量。
３ 讨论
作物残体还田能够提高土壤有机质含量，补充
土壤养分，改善土壤理化性质，但残体单独施入土壤
后，由于其腐解速率较快，不利于土壤有机碳的长期
固持，影响土壤的可持续发展。本研究中，单施残体
在培养的前２１ｄ为有机碳矿化快速期，其有机碳矿
化速率及累积矿化率均最高，与添加根茬相比，添加
秸秆其有机碳累积矿化率较高。这是因为与秸秆相
比，根茬木质化程度高，较难腐解，尤其是小麦根茬，
因此其有机碳累积矿化率较低。Ｐｕｇｅｔ等对豆科绿
肥中根碳和地上部碳短期动态变化进行研究，发现
在生长季末期，近一半源于根的碳仍留在土壤中，然
而仅有１３％源于地上部的碳留存在土壤中［２０］。本
研究中，添加作物根茬对土壤总有机碳及颗粒有机
碳的增加作用均大于添加秸秆，表明添加根茬更有
利于增加土壤碳库储量，提升土壤肥力。
生物炭是一种稳定的有机物质，生命周期可达
数百至数千年［２１］，生物炭的高度稳定性使其在增加
土壤碳截留和碳库储量方面具有重要意义。本研究
中，单施生物炭其有机碳累积矿化率最低。这是因
为与秸秆相比，生物炭具有芳香族的多碳结构，易矿
化的有机碳含量较低，培养４ｄ后残留的有机碳比
７４９
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 ２１卷
表３ 不同添加物处理土壤粗细颗粒有机碳含量及其敏感性指数
Ｔａｂｌｅ３ ＴｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓａｎｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｉｃｅｓｏｆＣＰＯＣａｎｄＦＰＯＣｕｎｄｅｒｄｉｆｅｒｅｎｔａｍｅｎｄｍｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
粗颗粒有机碳 ＣＰＯＣ
含量 （ｇ／ｋｇ）
Ｃｏｎｔｅｎｔ
敏感性指数（％）
Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｅｘ
细颗粒有机碳 ＦＰＯＣ
含量 （ｇ／ｋｇ）
Ｃｏｎｔｅｎｔ
敏感性指数（％）
Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｉｎｄｅｘ
ＣＫ ０９６＋００３ｃ ０ ４１２±０１８ｆ ０
ＷＲ １１２±００３ｃ １７４６ ５０５±０３９ｄｅ ２２４９
ＷＳ １０８±００２ｃ １２８８ ４１８±０２７ｆ １４４
ＷＢ １３０±００３ｂｃ ３５１９ ６１３±０６２ａｂ ４８８５
ＭＲ １２６±００２ｂｃ ３１５９ ５２９±０１８ｃｄ ２８４２
ＭＳ １１４±００９ｃ １８８２ ４５０±０１４ｅｆ ９３４
ＭＢ １５１±０２２ｂ ５７２５ ６６３±０６８ａ ６０９２
ＷＲ＋ＷＢ ２００±０４０ａ １０８０１ ５９０±０１４ｂｃ ４３１８
ＷＳ＋ＷＢ ２０２±０３４ａ １１０４４ ５２９±０７６ｃｄ ２８２１
ＭＲ＋ＭＢ １５６±００５ｂ ６２８０ ５４１±００１ｃｄ ３１１７
ＭＳ＋ＭＢ １９０±０２５ａ ９８８９ ５３６±０１９ｃｄ ２９９８
注（Ｎｏｔｅ）：ＣＰＯＣ—Ｃｏａｒｓｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ＦＰＯＣ—Ｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ；ＷＲ—小麦根茬 Ｗｈｅａｔｒｏｏｔ；ＷＳ—小麦秸秆
Ｗｈｅａｔｓｔｒａｗ；ＷＢ—小麦生物炭 Ｗｈｅａｔｂｉｏｃｈａｒ；ＭＲ—玉米根茬 Ｍａｉｚｅｒｏｏｔ；ＭＳ—玉米秸秆 Ｍａｉｚｅｓｔｒａｗ；ＭＢ—玉米生物炭 Ｍａｉｚｅｂｉｏｃｈａｒ．同列数
据后不同字母表示处理间差异显著（Ｐ＜００５）Ｖａｌｕｅｓｆｏｌｏｗｅｄｂｙｄｉｆｅｒｅｎｔｌｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｃｏｌｕｍｎａｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｄｉｆｅｒｅｎｔａｍｏｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ（Ｐ＜
００５）．
较稳定，难以被微生物腐解利用，因此其有机碳累积
矿化率最低［２２］。有研究表明，与不添加生物炭的土
壤相比，添加生物炭能降低土壤ＣＯ２的释放
［２３］。在
本研究中，添加生物炭增加了土壤 ＣＯ２的释放量，
这是因为一方面添加有机物料能为微生物活动繁殖
提供能量来源，促进微生物活动繁殖，加快矿化作
用；另一方面添加生物炭能够改变土壤的 ｐＨ值，加
快土壤的呼吸速率［２４］，也一定程度上增加了土壤
ＣＯ２的释放量；Ｂｒｕｕｎ等认为也可能是因为生物炭
加入土壤后引起的激发效应导致土壤 ＣＯ２释放量
的增加［２５］。添加有机物料的各处理均不同程度提
高了土壤 ＴＯＣ含量，且添加生物炭对土壤 ＴＯＣ含
量的提升作用显著高于添加作物残体，这是因为一
方面各有机物料加入到土壤中，不同程度地增加了
土壤碳投入，因而增加了土壤 ＴＯＣ含量；另一方面
生物炭本身以芳香环形式存在的碳含量很高，粉碎
加入土壤中能显著提高土壤ＴＯＣ含量，因此对于土
壤中碳的长期固持很有潜力，而秸秆粉碎后加入土
壤中只有分解到一定程度才能成为土壤有机质的组
分，故添加生物炭所引起的土壤ＴＯＣ含量的增加显
著高于添加秸秆［２６］。土壤颗粒有机碳作为土壤活
性有机碳库的重要组成部分，对土壤团聚体形成和
碳素循环与转化具有重要意义。近年来有关土壤有
机碳的研究表明，颗粒有机碳既可作为有机碳长期
变化的累积性指标［２７］，又能很好地反映土壤质量的
变化［２８］，颗粒有机碳的形成对提高土壤碳库储量和
减缓ＣＯ２释放也具有重要意义
［２９］。与添加作物残
体相比，添加生物炭对土壤颗粒有机碳的增加作用
更为显著，是因为生物炭具有与土壤颗粒形成土壤
团聚体和有机无机复合体的活性功能，生物炭一方
面有利于土壤团聚体的形成和稳定，使其结构得到
改善；另一方面受益于团聚体的物理保护作用，从而
有利于碳长期固持形成颗粒有机碳，因此能够增加
土壤颗粒有机碳的含量。与作物残体相比，生物炭
更有利于土壤细颗粒有机碳含量的增加，可能是因
为生物炭施入土壤后，其自身极细小的生物炭颗粒
夹杂或吸附在土壤表面，从而引起土壤细颗粒有机
碳含量的增加［３０］。
残体与生物炭配施其有机碳累积矿化率介于残
体和生物炭单施之间，不仅能为当季作物提供养分
来源，生物炭的高度稳定性还使其对土壤养分的补
充作用能够维持较长时间，有利于增加土壤碳库储
８４９
４期 李有兵，等：作物残体与其生物炭配施对土壤有机碳及其自身矿化率的提升
量，从而改善土壤质量，维持土壤的可持续发展。土
壤微生物量碳是衡量土壤微生物活性的重要指标，
不同添加物处理间土壤微生物量碳含量均表现为残
体与生物炭配施＞单施残体 ＞单施生物炭，生物炭
单独添加到土壤中，易矿化的有机碳增加较少，为微
生物提供的能源物质较少，微生物活动较弱，因此微
生物量碳含量较低，残体与生物炭配施加入土壤中，
一方面，生物炭的分子结构表现出化学和微生物学
的高度稳定性，这样的结构可以为土壤微生物提供
良好的避难所［３１］；另一方面，作物残体降解产生的
碳、氮组分为微生物提供物质和能量来源，促进微生
物活动和繁殖，因此能够增加土壤微生物量碳含
量［３２］。作物残体与其生物炭配施更有利于土壤粗
颗粒有机碳含量的增加，可能是因为配施处理为微
生物活动繁殖提供能源和栖息场所，促进微生物的
活动，加速土壤的团聚化作用形成粗颗粒有机碳。
４ 结论
添加不同有机物料对土壤各组分有机碳含量及
其自身有机碳矿化的影响存在一定差异。单独添加
作物残体其有机碳累积矿化率最大，对土壤养分的
补充作用较为明显，但会释放过多的ＣＯ２；单独添加
生物炭显著增加了土壤总有机碳，其有机碳累积矿
化率仅为３％左右，短期内对土壤养分的补充作用
较小；作物残体与其生物炭配施显著增加了土壤微
生物量碳和粗颗粒有机碳含量，且其有机碳累积矿
化率介于生物炭和残体单施之间，在保证作物养分
供应的同时能增加土壤碳库储量，可以有效克服秸
秆和生物炭单独还田的弊端，对土壤肥力的综合提
升效果更好。
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