全 文 ：　 　 倡 国家自然科学基金（４０５７１１５７ 、４０２７１０６１ 、４０１１０８１７ 和 ４０２３１００３） 、国家重点基础研究（９７３）发展规划项目 （CCDMC TE唱２００２CB７１４００３） 、
中国科学院知识创新重要方向项目（ KZCX２唱４０８）和江苏省自然科学基金（BK２００６２５２）资助
　 　 倡倡 通讯作者
收稿日期 ：２００６唱０８唱２１ 　 改回日期 ：２００７唱０２唱０６
CO2 浓度升高对小麦秸秆性质 、数量及其分解的影响 倡
陈春梅１ ，２ 　谢祖彬１ 倡倡 朱建国１ 　窦 　森３
（１ ．中国科学院南京土壤研究所土壤与可持续农业国家重点实验室 　 南京 　 ２１０００８ ；
２ ．中国科学院研究生院 　 北京 　 １０００４９ ；３ ．吉林农业大学资源与环境学院 　 长春 　 １３０１１８）
摘 　 要 　 在江都 FACE平台上观测了常 N 水平下大气 CO２ 浓度升高对小麦秸秆数量和性质的影响 ，并利用稻季淹
水培养试验研究了 CO２ 浓度升高引起的小麦秸秆量和质的改变对其腐解和土壤微生物量碳的影响 ，结果表明 ：
CO２ 浓度升高显著降低了麦秸中 N含量 ，导致麦秸 C／ N 和木质素／ N比显著增加 ，但对麦秸其他生化组成 ———可溶
物 、半纤维素 、纤维素 、木质素和酚含量均无影响 ；CO２ 浓度升高引起的小麦秸秆性质改变对麦秸及其含 C 物质的
分解均无显著影响 ，但显著减缓了含 N 物质的分解 ；若将收获的麦秸全部还田 ，CO２ 浓度升高引起的小麦秸秆量的
增加也没有显著影响麦秸及其含 C 、N 物质的分解 。 由于高 CO２ 浓度导致的麦秸性质改变对土壤微生物量碳无显
著影响 ，这也是 CO２ 浓度升高引起麦秸性质变化幅度太小不足以影响麦秸及其含 C物质分解的主要原因 。
关键词 　 CO２ 浓度升高 　 小麦秸秆 　 C 、N 分解 　 微生物量碳 　 嫌气
Effects of CO2唱induced change on wheat straw quality ， quantity and decomposition ．CHEN Chun唱Mei１ ，２ ，XIE Zu唱Bin１ ，
ZHU Jian唱Guo１ ，DOU Sen３ （１ ．State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture ，Institu te of Soil Science ，Chinese
Academy of Sciences ，Nanjing ２１０００８ ，China ；２ ．Graduate U niversity of Chinese Academy of Sciences ，Beijing １０００４９ ，
China；３ ．College of Resources and Environmental Sciences ，Jilin Agricultural U niversity ，Changchun １３０１１８ ，China） ，
CJEA ，２００７ ，１５（６） ：１ ～ ５
Abstract 　 The effect of CO２ enrichment on the quality and quantity of wheat st raw ， wheat straw decomposition and
anaerobic soil microbial biomass activit y was examined in rice season ． Analysis shows that elevated CO２ significan tly en唱
hances C／N and lignin／N rations of wheat straw due primarily to decreased N conten t ．However ，elevated CO２ has no ef唱
fect on biochemical compositions （ soluble fractions ， semi唱cellulose ， cellulose and lignin） and phenol content of wheat
st raw ．Alteration of wheat straw quality caused by elevated CO２ has insignificant effect on wheat st raw and wheat st raw C
decomposition ，but rather significantly retardes wheat st raw N decomposition ．When all produced wheat straw under am唱
bien t and elevated CO２ are added to the soil ， elevated CO２ alteration of wheat straw quantity has no obvious impact on
subsequent wheat st raw decomposition ．Change in wheat st raw quality from elevated CO２ insignificantly affects subsequent
soil microbial biomass C ．This implicitly explains any lack of ef fect of elevated CO２ on wheat straw quality ， decomposition
and C content ．
Key words 　 CO２ enrichment ；Wheat st raw ；C ， N loss ；Microbial biomass C ； Anaerobic soil
（Received Aug ．２１ ， ２００６ ；revised Feb ． ６ ，２００７）
土壤中植物残体的分解在整个陆地生态系统 C 、N 循环中起着至关重要的作用 。 植物残体的性质（如 N
含量 、C／N 比等）是控制其分解速率的重要因素［５］ 。 残体输入量对其在土壤中的分解也有一定影响［１］ 。 残
体分解是地下部 C流动的一种重要途径 ，其速度的变化会直接影响到地下部 C 库 、C 流的大小 。 土壤微生
物量是土壤中除植物根茬等残体和大于 ５ × １０３ μm３的土壤动物以外的具有生命活动的有机生命体的量 ，其
主要生物类群有细菌 、真菌 、藻类和原生动物等 。 土壤微生物作为进入土壤的天然有机物质和土壤有机物
质的“转化者” ，在土壤 C 、N 、P 、S 等元素的循环和转化中发挥着重要作用 。 微生物量能综合反映微生物活性
强度及有机质分解过程 ，能表征参与调控土壤中能量和养分循环以及有机物质转化的微生物数量［２］ 。
第 １５卷第 ６ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．６
２ ０ ０ ７年 １ １月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture Nov ．，　 ２００７
大气 CO２ 浓度升高对水稻 、小麦生物量的提高及其秸秆生化组成的改变［３ ，６］ ，都将影响微生物可利用基
质的数量与质量 ，从而影响其分解 。 应用添加有机物料与培养土壤１３ C 稳定性同位素信号是研究土壤 C 周
转的有效方法［６ ～ ８］ 。 长期种植玉米的东北黑土（δ１３ C 约为 － １９ ‰ ）与 FACE 和自由大气条件下生产的小麦
秸秆（δ１３ C约为 － ２７ ‰ ）的１３ C 信号具有明显差异 ，其应用将有助于认识秸秆的矿化过程 。 中国 FACE 平台
上已有研究表明 ，CO２ 浓度升高会影响秸秆分解过程 ，并且与 N 肥施用量有关［４］ 。 本文研究了 CO２ 浓度升
高引起的小麦秸秆质量与数量的改变及对小麦秸秆分解的影响 ，并从微生物量角度解释了产生这一过程的
原因 ，对揭示未来大气 CO２ 升高条件下土壤 C 、N 周转和土壤固碳潜力具有科学意义和应用价值 。
1 　 试验材料与方法
1畅1 　 试验设计
稻麦轮作 FACE （ Free Air CO２ Enrichment）系统平台位于江苏省江都市马凌良种场 （１１９°４２′０″E ，
３２°３５′５″） 。 平台共有 ３ 个 FACE圈和 ３ 个对照圈 。 FACE圈与 FACE圈以及 FACE 圈与对照圈之间的间隔
大于 ９０m ，以减少 CO２ 释放对其他圈的影响 ，FACE圈设计为由 ８ 根释放 CO２ 气体的管带组成的正八角形 ，
表 1 　 常 N 水平下大气 CO2 浓度对麦秸生化性质的影响
Tab ．１ 　 The effect of elevated CO２ on the bio唱chemical
quality of wheat straw under normal N level
项 　 目
I tem
高大气 CO ２ 浓度
FACE
常规大气 CO ２ 浓度
Ambient
C 含量 ／ ％ ４３畅８５ ４２畅９３
N 含量 ／ ％ ０畅７２ ０畅８４
C／ N 比 ６１畅１４ ５１畅０４
木质素／N 比 ２７畅７８ ２３畅８１
可溶性化合物／ ％ １０ １０
半纤维素 ／ ％ ３７ ３６
纤维素／ ％ ３１ ３１
木质素／ ％ ２０ ２０
酚类化合物 ／ ％ １ １
小麦秸秆量／kg·hm － ２ ５１５７畅９ ４２１３畅４
直径为 １２畅５m ，通过管道上锯齿状分布的小孔 （０畅５ ～
０畅９mm）向圈中心喷射纯 CO２ 气体 。 管带高度保持在作
物冠层上方 ５０ ～ ６０cm ，以风速为参数用电脑程序控制
FACE 圈内 CO２ 浓度 ，使作物全生育期 FACE 圈内的平
均 CO２ 浓度保持在比正常大气 CO２ 浓度高 ２００μmol／mol ，
控制误差为 １０ ％ 。 对照田未安装 FACE 管道 ，其环境条
件与自然状态一致 。 有机物料小麦秸秆（FACE 和常规
大气条件下小麦秸秆）采自中国稻／麦 FACE 实验平台
的常规供 N 水平（２５０kg／hm２） ，小麦品种为“杨麦 １４ 号”
（ Tr iticumaestiv um L ． cv ． Yangmai １４） ，于小麦收获期
随机在 FACE 和对照每个圈的常 N 水平下选取 ２m２小
区 ，收集区内小麦地上部分并剪去麦穗 ，小麦秸秆于
８０ ℃ 条件下烘干至恒重 ，称重后截成１ ～ ２cm 备用 ，并随
机选取一部分测定秸秆的理化性质 ，见表 １ 。
田间试验所用土壤于 ２００５ 年采自吉林省公主岭（４３°３１′N ，１２４°４９′E）的 ０ ～ １５cm 中层黑土 ，其基本理化
性质为有机碳 ９畅８g／kg ，全 N ０畅９g／kg ，速效磷 ４２畅８４mg／kg ，速效钾 １２７畅５０mg／kg ，砂粒 （２ ～ ０畅０５mm）
２４畅６８ ％ ，粉粒（０畅０５ ～ ０畅００２mm）４７畅０７ ％ ，黏粒（ ＜ ０畅００２mm）２８畅２５ ％ 。 土壤质地为黏壤土（美国农部制） ，
容重 １畅２g／cm３ 。 土壤经风干 ，过 ４mm 筛 ，挑出植物残体后备用 。
小麦秸秆稻季淹水分解试验于 ２００５ 年 ６ 月 １４ 日 ～ １０ 月 １４ 日（与大田水稻移栽至收获期一致）在江苏
省江都市马凌村良种场进行 ，试验设置 ２ 种外源有机物料（FACE 和自由大气麦秸） ，３ 个量水平 ，共 ６ 个处
理 ，３ 次重复 。 每个重复称取风干土 １kg ，加入 １g 、２g 、４g C量的麦秸 ，混匀后放入事先埋入水稻田里 １５cm 左
右的 PVC 管（内直径 １０cm ，高 ２０cm ，管底部用 ０畅１mm 的尼龙网封底 ，约相当于 １hm２加入 ２９５０kg 、５９００kg 、
１１８００kg麦秸量） ，装土容重大约为 １畅２g／cm３ ，所有处理都在常规大气条件下进行 ，并在试验期间一直保持
淹水约 ５cm 。 ４ 个月的培养试验结束后 ，将 PVC 管取出并取出管内的土壤 ，风干后 ，挑出土里未分解的秸
秆 ，洗净 、烘干并称重 ，并测定麦秸的 C 、N 含量 。
按照小麦秸秆分解试验同样的方法设置麦秸生化性质改变对土壤微生物量碳动态变化试验 ，并分别于
培养 ５d 、２１d 、５０d 、７６d 、１０１d 采集土壤于 ４ ℃ 冷库内保存 ，测定土壤微生物量碳含量 。
1畅2 　 测定内容与方法
秸秆 C 、N 含量采用 C 、N 元素分析仪测定 ，其生化组成测定方法参见文献［６］ 。 测定土壤微生物量碳
时［２］取相当于烘干土 ２５g的新鲜土样 ６ 份于烧杯中 ，３ 份放入真空干燥器中 ，同时在干燥器内放入盛氯仿和
水的小烧杯 ，抽气直至氯仿沸腾 ，将干燥器置于温室 ２５ ℃ 下熏蒸 ２４h 。 除去氯仿 ，加 ０畅５mol／L K２ SO４ 提取
液（土∶水 ＝ １∶２） ，在往复式振荡机上振荡 ３０min ，过滤 。 与此同时 ，另 ３ 份土样直接加入 ０畅５mol／L K２ SO４ 提
取液 ，振荡过滤 。 提取液中 C 的测定用重铬酸钾唱硫酸消煮 ，硫酸亚铁滴定法 。 土壤微生物量碳含量以熏蒸
２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
和未熏蒸土样 ０畅５mol／L K２ SO４ 提取液中 C 含量之差乘以系数 ２畅６４ 得到 。
1畅3 　 数据分析与计算方法
本试验采用随机区组设计 ，２ 种外源有机物料 ，３ 种量水平（ n ＝ ５） 。 采用 SPSS１２畅０ 软件对数据进行统
计分析 ，当 P ＜ ０畅０５ 时处理间差异被认为显著 。 并按以下各式计算麦秸分解指标 ：
麦秸分解率 ＝ （麦秸加入量 － 培养结束时麦秸剩余量）／麦秸加入量 × １００ ％ （１）
麦秸含 C物质分解率 ＝ （麦秸加入量 × 麦秸初始 C 含量 － 培养结束时麦秸剩余量 ×
培养结束时麦秸 C 含量）／（麦秸加入量 × 麦秸初始 C含量） × １００ ％ （２）
麦秸含 N 物质分解率 ＝ （麦秸加入量 × 麦秸初始 N 含量 － 培养结束时麦秸剩余量 ×
培养结束时麦秸 N 含量）／（麦秸加入量 × 麦秸初始 N 含量） × １００ ％ （３）
2 　 结果与分析
2畅1 　 CO2 浓度升高对麦秸生化性质与秸秆量的影响
由表 １ 可知 ，CO２ 浓度升高显著提高了小麦秸秆量 ，促进率高达 ２２ ％ （ P ＜ ０畅０５） ，这是由于 CO２ 浓度升
高增强了植物光合作用 ，促进了植物生长［３ ，６］ 。 大气 CO２ 浓度升高对麦秸 C 含量无显著影响（ P ＞ ０畅１） ，但
显著降低了小麦秸秆中 N 含量（ P ＜ ０畅０５） ，从而导致 CO２ 浓度升高显著增加了小麦秸秆的 C／N 比和木质
素／N比（ P ＜ ０畅０５） ，这与大多数研究结果一致［３ ，６ ，９］ 。 CO２ 浓度升高对麦秸的生化组成（可溶性化合物 、半纤
维素 、纤维素 、木质素）和酚类化合物含量均无显著影响（ P ＞ ０畅１） ，但大气 CO２ 浓度升高对植物生化组成的
影响研究结果很不一致 ：谢等［６］发现大气 CO２ 浓度升高对水稻生化组成无显著影响 ；Norby［９］等综合分析了
４６ 份试验结果发现 ，高 CO２ 浓度下产生的植物残体木质素含量平均增加 ６畅５ ％ ；Hall等［１０］研究发现 ，CO２ 浓
度升高显著增加了植物木质素和半纤维素的含量 ；而 Newman 等［１１］报道 CO２ 浓度升高降低了木质素含量 ；
Gebauer等［１２］认为 CO２ 浓度升高通过加速植物生长从而间接影响了酚的含量 。
2畅2 　 CO2 浓度升高对小麦秸秆及其含 C 、含 N物质分解的影响
有机物料腐解过程主要是在土壤微生物作用下的生物化学过程 。 有机物料的性质和数量直接关系到
微生物可利用基质的质量和数量 ，从而影响微生物活性和数量 ，因此有机物料的性质和数量对其分解率有
重要影响 。 高 CO２ 浓度下 ，输入的土壤 C 性质和数量的改变对稻田土壤碳库起着重要作用 ，但其对土壤碳
库的贡献尚不清楚 。 由图 １ 可知 ，培养 ４ 个月后 ，当麦秸用量在同一水平时 ，FACE 麦秸分解率低于常规大
气麦秸的分解率 ，但差异不显著（ P ＞ ０畅１） ；FACE 麦秸含 C 物质的分解率也低于常规大气麦秸 ，但差异也不
显著（ P ＞ ０畅１） 。 说明 CO２ 浓度升高所引起的麦秸化学性质的改变（N 含量降低 ，C／N 比增加）有降低小麦
秸秆及其含 C 物质分解率的趋势 ，但未达显著水平 ，可能是因为 CO２ 浓度升高所引起的植物 C／N 比的变化
幅度太小不足以影响植物的分解［１３］ 。 由此可以推断大气 CO２ 浓度升高 ，麦秸生物化学性质的改变对土壤
碳库的影响可能是有限的 ，但此推论需进一步验证 。 Torbert 等［１４］也发现 CO２ 浓度升高虽然增加了植物残
体的 C／N 比 ，但其分解率却没有变化 ，认为可能是由于 CO２ 浓度升高可能增加了易分解成分的含量 ，补偿
了 C／N 比的提高 ，从而导致分解率并无差异 ，但本试验中 CO２ 浓度升高并未显著影响小麦秸秆的可溶性化合
物含量 。 也有研究结果发现 CO２ 浓度升高降低了植株 N 含量 ，增加了 C／N 比 ，因此降低了其分解速率［１５］ 。
Van Ginkel和 Gorissen［１６］研究发现 CO２ 浓度升高降低了秸秆分解率但并未改变其 C／N 比 。这些研究结果说明
图 1 　 培养结束时麦秸及其含 C 、N 物质的分解率
Fig ．１ 　 The decay percentages of wheat st raw and its C ，N ingredients after incubation
第 ６期 陈春梅等 ：CO２ 浓度升高对小麦秸秆性质 、数量及其分解的影响 ３　
C／N 比很有可能不是一个预测 CO２ 浓度升高对秸秆分解率影响的适合因子或可能由于植物种类 、营养元素
供应水平以及试验所采用的方法等不同导致研究结果会不一致 。 Gorissen 和 Cotrufo［１７］认为 FACE 条件下
秸秆的分解率与其 C／N 比不相关 。 苑学霞等［４］研究发现在常 N 施肥处理中 ，大气 CO２ 浓度升高显著降低
秸秆中含 C 物质的分解 ，而在高 N 施肥处理中其影响不显著 。 而本试验麦秸腐解是在无 N 肥施用条件下进
行的 ，可以说明 ，土壤营养元素的供应水平与 CO２ 浓度升高对秸秆分解的影响密切相关 ，应予以关注 。
FACE 麦秸含 N 物质的分解率显著低于常规大气麦秸（ P ＜ ０畅０５） ，说明 CO２ 浓度升高引起的麦秸生化
性质的改变显著降低了小麦秸秆含 N 物质的分解率 。 Robinson 等［１８］也发现 CO２ 浓度升高显著降低了小麦
秸秆含 N 物质的分解 ；而苑学霞等［４］发现大气 CO２ 浓度升高对秸秆中含 N 物质的分解没有显著影响 ；这可
能是因为土壤营养元素的供应水平不同造成试验结果不同 。 Franck 等［１９］也研究发现 CO２ 浓度升高对植株
含 N 物质分解速率的影响因土壤营养元素的供应水平不同而不同 。 本试验对麦秸中含 N 物质的分解是通
过质量损失来计算的 ，而秸秆 N 的分解过程非常复杂 ，因此试验结果还需进一步补充验证 。
由表 １ 可知 ，大气 CO２ 浓度升高显著增加了小麦秸秆量（ P ＜ ０畅０５） ，那么 CO２ 浓度升高所引起的小麦
秸秆量的增加是否会降低麦秸分解率呢 ？ 本试验发现麦秸用量对其分解的影响甚微（ P ＞ ０畅１） ，因此 CO２ 浓
度升高所引起的小麦秸秆量的增加对麦秸及其含 C 、N 物质的分解无显著影响 。 由此可以推测 FACE 条件
下 ，C向土壤输入量的增加可能有利于稻田土壤碳库的累积 。 但 Diaz 等［２０］和 Van Kessel 等［８］认为 CO２ 浓
度升高引起的输入土壤 C 量的增加会促进土壤原有有机碳的分解 ，而土壤碳库取决于输入输出土壤 C 的平
衡 ，因此未来 CO２ 浓度升高下 ，土壤碳库的变化方向与强度仍有待于进一步研究 。
2畅3 　 麦秸分解过程中土壤微生物量碳的动态变化
微生物量的大小可以表明微生物新陈代谢活动的强弱 ，微生物量碳在土壤全碳中所占比例很小 ，但它
是土壤有机质中最为活跃的部分 ，微生物量碳的变化实际上是土壤微生物种群 、数量及其活性变化的反应 ，
也是有机物料转化速率和程度的指征 。 由于受 CO２ 浓度升高的影响 ，进入土壤中的植物物质的质量和数量
发生了变化 ，微生物可利用基质的数量和质量也随之改变 ，从而影响土壤微生物 。 由图 ２ 可以看出 ，各处理
在培养过程中的动态变化趋势相同 ，培养初期由于加入的麦秸为土壤微生物提供了丰富的能源与养分 ，使
微生物新陈代谢加快 ，土壤微生物量碳均急增并在培养后的 ２１d 达到最大值 。 以后随麦秸不断分解 ，易溶性
养分耗竭 ，而稳定性成分分解较慢 ，微生物能够利用的能量和养分逐渐减少 ，微生物生长受到限制 ，微生物
数量减少 ，最后趋于平稳 。 秸秆分解是微生物作用为主导的复杂过程 ，土壤微生物量高有利于秸秆的分解 。
当施用相同的小麦秸秆碳量于土壤时 ，施用 FACE 麦秸处理的土壤微生物量碳与施用常规大气麦秸处理在
培养各期都无显著差异（ P ＞ ０畅１） ，说明 CO２ 浓度升高所引起的麦秸化学性质的改变（N 降低 ，C／N 比增加）
还不足以对土壤微生物产生显著影响 ，这可能也是 CO２ 浓度升高所引起植物 C／N 比的变化幅度太小不足
以影响植物分解的主要原因 。 外源基质的加入给微生物提供了更多的能源与养分 ，其新陈代谢作用增强 ，
因此土壤微生物量碳随麦秸加入量的增加而增加 ，FACE和自由空气小麦秸秆收获量分别为 ５１５７畅９kg／hm２
和 ４２１３畅４kg／hm２ ，若把收获的 FACE 和自由空气麦秸全部还田 ，相当于本腐解试验麦秸施用量的 １gC 和
２gC 量之间（相当于 ２９５０ ～ ５９００kg／hm２ 秸秆量之间） ，CO２ 浓度升高所引起的小麦秸秆量的提高会增加土壤
微生物碳量 ，但可能由于增加幅度太小还不足以对麦秸分解产生影响 。 Van Ginkel等［２１］研究发现大气 CO２
浓度升高增加了植物根系生物量从而导致土壤生物量增加 。 Diaz 等［２０］ 认为高 CO２ 浓度引起
的数量增加的输入土壤C量会分配于土壤微生物量中 ，从而有利于土壤碳库的累积 。在这一假设中 ，数量
图 2 　麦秸腐解过程中土壤微生物量碳的动态变化
Fig ．２ 　 Soil microbial biomass C dynamics during decomposition of wheat straw produced under elevated and ambient CO２
４　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
增加的输入土壤 C 量会保存于土壤中而不会立即返回大气 。 如这一假设成立 ，土壤碳库的增加会缓减升高
的大气 CO２ 浓度 。 但本试验还很难定量化 FACE条件下由于 C 向土壤输入量的增加导致土壤微生物量碳
的增加幅度 。 苑学霞等［４］通过田间直接观测发现大气 CO２ 对土壤微生物量碳并没有显著影响 。
3 　 结 　 论
CO２ 浓度升高显著提高了小麦秸秆量 ，降低了麦秸 N 含量 ，导致了麦秸 C／N 比和木质素／N 比增加 ，但
对麦秸生化组成 ——— 可溶物 、半纤维素 、纤维素 、木质素 、酚含量及 C 含量均无显著影响 ；CO２ 浓度升高引起
的小麦秸秆性质的改变对麦秸及其含 C 物质的分解均无显著影响 ，但显著减缓了含 N 物质的分解 ；若将收
获的麦秸全部还田 ，CO２ 浓度升高引起的小麦秸秆量的增加也不足以显著影响麦秸及其含 C 、N 物质的分
解 。 CO２ 浓度升高所引起的麦秸生化性质的改变对土壤微生物量碳无显著影响 ，这也是 CO２ 浓度升高所引
起植物 C／N 比的变化幅度太小不足以影响植物分解的主要原因 。 CO２ 浓度升高引起的小麦秸秆量的提高
会增加土壤微生物碳量 ，但可能由于增加幅度太小还不足以对麦秸分解产生影响 。
参 　 考 　 文 　 献
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