





			中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (13): 2518-2529.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.13.007
        
               		陈硕桐1,2(
), 夏鑫2, 丁元君2, 冯潇2, 刘晓雨2, Marios  Drosos2, 李恋卿2, 潘根兴2(
)
                  
        
        
        
        
    
收稿日期:2022-05-11
									
				
									
				
											接受日期:2022-07-12
									
				
											出版日期:2023-07-01
									
				
											发布日期:2023-07-06
									
			通信作者:
					基金资助:
        
               		CHEN  ShuoTong1,2(
), XIA  Xin2, DING  YuanJun2, FENG  Xiao2, LIU  XiaoYu2, Marios  Drosos2, LI  LianQing2, PAN  GenXing2(
)
			  
			
			
			
                
        
    
Received:2022-05-11
									
				
									
				
											Accepted:2022-07-12
									
				
											Published:2023-07-01
									
				
											Online:2023-07-06
									
			摘要:
【目的】基于田间试验,探讨不同形态秸秆还于稻田后耕层土壤有机质含量及其分子组成的动态变化,为秸秆资源化利用和稻田土壤固碳提供依据。【方法】选择江苏省常熟市某村的乌栅土稻田,选用新鲜未处理(CS)、过腹处理(CM)和炭化处理(CB)的玉米秸秆,于2015年6月以等碳量(10 t C·hm-2)一次性还田,并以未还田处理作为对照(CK),分别于2015、2017和2019年水稻收获时采集耕层(0—15 cm)土样测定有机碳含量,并采用13C同位素丰度和生物标志物提取-GC/MS鉴定探析有机质组成变化。【结果】与CK相比,还田当年和2年后所有还田处理都显著提高了耕层土壤有机碳含量(8%—36%),但还田4年后,仅CB处理有机碳含量显著增加(24%),且增加的碳来源于施入的生物质炭。还田2年后,CS和CM处理土壤有机质中木质素酚丰度达到峰值,分别比CK增加了115%和66%;还田4年后,所有还田处理的植物源脂类的丰度均显著提高,相应地,植物源与微生物源脂类的丰度比(PL/ML)和生物标志物组分的多样性指数(H’)也显著提升。【结论】分子组成的变化可以用来判明不同形式秸秆还田下土壤有机质质量的变化;秸秆炭化还田比直接还田和过腹还田有利于稻田土壤固碳,且增强了植物源有机组分在土壤中的持留,提升了土壤有机质的分子多样性。
陈硕桐, 夏鑫, 丁元君, 冯潇, 刘晓雨, Marios Drosos, 李恋卿, 潘根兴. 不同形态秸秆还田下乌栅土耕层土壤有机质含量与组成变化[J]. 中国农业科学, 2023, 56(13): 2518-2529.
CHEN ShuoTong, XIA Xin, DING YuanJun, FENG Xiao, LIU XiaoYu, Marios Drosos, LI LianQing, PAN GenXing. Changes in Topsoil Organic Matter Content and Composition of a Gleyic Stagnic Anthrosol Amended with Maize Residue in Different Forms from the Tai Lake Plain, China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(13): 2518-2529.
表3
不同形态玉米秸秆还田后耕层土(0—15 cm)水稻的基本理化性质"
| 年份  Year  |  处理 Treatment  |  容重 Bulk density (g·cm-3)  |  pH (H2O)  |  全氮 Total N (g·kg-1)  |  速效磷 Available P (mg·kg-1)  |  速效钾 Available K (mg·kg-1)  |  可溶性有机碳 DOC (mg·kg-1)  |  微生物生物量碳 MBC (mg·kg-1)  |  微生物生物量氮 MBN (mg·kg-1)  | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | CK | 0.89±0.01 Aa | 7.26±0.08 Ac | 1.96±0.03 Cc | 23.55±4.63 Cb | 79.70±7.67 Ac | 64.03±9.49 Ad | 743.72±33.65 Ab | 67.35±8.77 Ab | 
| CS | 0.77±0.03 Bc | 7.33±0.05 Ac | 2.23±0.06 Cb | 26.90±3.16 Bb | 109.84±11.32 Ab | 78.29±3.87 Ac | 875.98±74.54 Aa | 72.43±8.10 Ab | |
| CM | 0.80±0.01 Bb | 7.45±0.05 Bb | 2.26±0.10 Cb | 37.91±7.90 Ba | 120.14±6.87 Ab | 92.69±6.03 Ab | 936.38±103.25 Aa | 100.49±17.57 Aa | |
| CB | 0.78±0.02 Bbc | 7.59±0.07 Aa | 2.47±0.10 Ca | 36.02±5.59 Ba | 169.63±21.27 Aa | 125.28±11.04 Aa | 734.42±55.45 Ab | 63.48±11.77 Ab | |
| 2017 | CK | 0.90±0.04 Aa | 7.29±0.13 Aa | 2.57±0.13 Bb | 29.10±1.71 Bb | 92.28±12.39 Ab | 44.03±5.12 Ba | 770.63±30.08 Abc | 57.83±7.83 Aa | 
| CS | 0.87±0.02 Aa | 7.36±0.13 Aa | 2.54±0.24 Bb | 28.60±2.05 Bb | 93.54±9.45 Bb | 32.36±5.69 Cb | 791.91±54.85 Aab | 57.69±13.59 ABa | |
| CM | 0.92±0.03 Aa | 7.42±0.07 Ba | 2.80±0.14 Bab | 37.30±2.99 Ba | 96.25±3.92 Bb | 36.49±1.31 Bb | 821.37±21.72 Ba | 51.85±6.24 Ba | |
| CB | 0.88±0.02 Aa | 7.44±0.10 Ba | 2.98±0.14 Ba | 38.23±1.72 Ba | 132.58±21.06 Ba | 47.16±3.92 Ca | 727.80±32.91 Ac | 55.48±9.34 Aa | |
| 2019 | CK | 0.86±0.03 Aab | 7.17±0.12 Ac | 2.90±0.05 Ac | 37.42±0.50 Ac | 78.50±1.73 Ab | 35.52±1.64 Cb | 697.76±22.66 Ba | 58.43±5.07 Aa | 
| CS | 0.89±0.03 Aa | 7.36±0.14 Ab | 2.86±0.03 Ac | 36.86±0.47 Ac | 78.00±0.82 Cb | 39.90±4.12 Bb | 615.45±50.88 Bb | 50.46±13.28 Bab | |
| CM | 0.88±0.06 Aa | 7.58±0.06 Aa | 3.00±0.04 Ab | 49.01±2.25 Aa | 79.25±1.71 Cb | 35.97±1.93 Bb | 676.92±27.07 Cab | 43.69±5.64 Bb | |
| CB | 0.81±0.03 Bb | 7.46±0.07 Bab | 3.16±0.04 Aa | 46.63±1.66 Ab | 87.75±2.22 Ca | 91.28±4.20 Ba | 613.48±50.64 Bb | 40.71±3.86 Bb | 
表4
不同形态秸秆还田后不同年限水稻季耕层(0—15 cm)土壤有机碳含量、δ13C值和源于玉米秸秆碳的比例"
| 年份 Year  |  处理 Treatment  |  有机碳 SOC (g·kg-1)  |  同位素丰度 δ13C (‰,VPDB)  |  源于玉米秸秆碳比例 Maize -derived OC (%)  | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | CK | 28.47 ± 1.10 Ac | -27.16 ± 0.26 Bc | — | |||||||
| CS | 30.81 ± 1.73 Ab | -25.67 ± 0.33 Ab | 9.9 ± 0.9 Ab | ||||||||
| CM | 31.84 ± 1.49 Ab | -25.94 ± 0.53 Ab | 11.3 ± 6.7 Ab | ||||||||
| CB | 37.94 ± 1.41 ABa | -22.80 ± 0.31 Aa | 35.8 ± 1.9 Aa | ||||||||
| 2017 | CK | 28.81 ± 1.80 Ac | -27.07 ± 0.56 Ac | — | |||||||
| CS | 32.21 ± 1.47 Ab | -25.94 ± 0.67 Ab | 7.4 ± 7.0 ABb | ||||||||
| CM | 32.38 ± 0.88 Ab | -25.78 ± 0.48 Ab | 9.7 ± 5.9 Ab | ||||||||
| CB | 39.23 ± 1.22 Aa | -24.44 ± 0.30 Ba | 21.6 ± 4.7 Ba | ||||||||
| 2019 | CK | 29.39 ± 1.12 Ab | -27.71 ± 0.12 ABc | — | |||||||
| CS | 27.65 ± 1.21 Bb | -27.16 ± 0.40 Bb | 3.5 ± 2.3 Bb | ||||||||
| CM | 29.44 ± 1.38 Bb | -26.98 ± 0.43 Bb | 6.4 ± 4.0 Ab | ||||||||
| CB | 36.37 ± 0.62 Ba | -24.50 ± 0.38 Ba | 25.2 ± 2.8 Ba | ||||||||
表5
不同形态玉米秸秆还田后不同年限水稻季耕层土壤酚类丰度及其比值"
| 处理 Treatment  |  木质素酚 Lignin phenols  |  对羟基酚 P phenols  |  肉桂基/香草基 C/V  |  丁香基/香草基 S/V  |  对羟基/(香草基+丁香基) P/(V+S)  |  (酸/醛)丁香基 (Ad/Al)S  |  (酸/醛)香草基 (Ad/Al)V  | 
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | |||||||
| CK | 13.93±1.05 Aa | 1.78±0.11 Aa | 1.09±0.14 Aa | 1.62±0.16 Aa | 0.18±0.01 Ba | 1.75±0.20 Aa | 1.28±0.07 Aa | 
| CS | 13.63±0.72 Ba | 1.70±0.11 Ba | 1.19±0.13 Ba | 1.48±0.19Bab | 0.19±0.01 Ba | 1.87±0.26 Ba | 1.51±0.19 Ba | 
| CM | 11.17±1.22 Bb | 1.41±0.13 Bb | 1.05±0.08 Aa | 1.39±0.08Bbc | 0.18±0.01 Ba | 1.77±0.09 Ba | 1.50±0.21 Aa | 
| CB | 7.10±0.63 Ac | 0.91±0.07 Bc | 0.78±0.02Bb | 1.25±0.05 Ac | 0.17±0.01 Ba | 1.77±0.30 Aa | 1.39±0.24 Aa | 
| 2017 | |||||||
| CK | 9.31±1.14 Bc | 1.35±0.10 Bc | 0.83±0.11 Bc | 1.30±0.12 Bb | 0.20±0.02 ABb | 1.44±0.19 Bc | 1.28±0.19 Ac | 
| CS | 19.97±2.10 Aa | 2.82±0.24 Aa | 1.83±0.19 Aa | 1.85±0.13 Aa | 0.23±0.00 Aa | 2.23±0.07 Aa | 2.44±0.26 Aa | 
| CM | 15.50±1.75 Ab | 1.91±0.28 Ab | 1.29±0.23Ab | 1.68±0.19 Aa | 0.18±0.02 Bb | 2.02±0.15Aab | 1.70±0.36 Ab | 
| CB | 6.84±0.24 Ad | 1.12±0.05 Ac | 0.82±0.05 Bc | 1.15±0.06 Ab | 0.23±0.02 Aa | 1.85±0.15 Ab | 1.47±0.18Abc | 
| 2019 | |||||||
| CK | 12.70±0.78 Aa | 1.89±0.16 Aa | 1.00±0.03ABb | 1.34±0.01 Ba | 0.21±0.01 Ab | 1.69±0.15Aa | 1.42±0.07 Aa | 
| CS | 12.94±1.67 Ba | 1.81±0.22 Ba | 1.31±0.30 Ba | 1.28±0.15 Ba | 0.22±0.02 Aab | 1.63±0.14 Ba | 1.50±0.12 Ba | 
| CM | 11.68±1.19 Ba | 1.71±0.19ABab | 1.06±0.09Aab | 1.36±0.05 Ba | 0.21±0.00 Ab | 1.65±0.13 Ba | 1.35±0.14 Aa | 
| CB | 8.78±1.41 Ab | 1.42±0.31 Ab | 1.11±0.11 Aab | 1.29±0.20 Aa | 0.24±0.01 Aa | 1.82±0.05 Aa | 1.46±0.09 Aa | 
表6
不同形态秸秆还田后不同年限水稻季耕层土壤所有提取态有机质的生物标志物总丰度及分子指标"
| 年份 Year  |  处理 Treatment  |  总丰度 Total abundance (mg·g-1SOC)  |  生物标志物的多样性 H' index of biomarker groups  |  长链与短链 脂肪酸丰度比 LFA/SFA  |  植物与微生物源 脂类丰度比 PL/ML  |  木栓质与角质丰度比 Suberin/Cutin  | 
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | CK | 25.91±1.68 Aa | 1.52±0.05 Bc | 0.13±0.01 Bb | 0.24±0.03 Ac | 1.44±0.09 Aa | 
| CS | 25.99±0.63 Ba | 1.61±0.03 Abc | 0.16±0.01 Aa | 0.28±0.02 Bb | 1.53±0.12 Aa | |
| CM | 22.45±1.53 Bb | 1.70±0.08 Aa | 0.16±0.01 Ba | 0.32±0.02 Ba | 1.64±0.20 Aa | |
| CB | 14.38±0.69 Bc | 1.64±0.05 Bab | 0.13±0.01 Bb | 0.25±0.01 Bc | 1.53±0.05 Aa | |
| 2017 | CK | 20.90±1.27 Bc | 1.74±0.10 Aa | 0.16±0.01 Aab | 0.27±0.04 Ab | 1.50±0.15 Aa | 
| CS | 33.03±2.93 Aa | 1.42±0.05 Bc | 0.17±0.02 Aa | 0.34±0.03 Aab | 1.52±0.20 Aa | |
| CM | 28.08±2.15 Ab | 1.62±0.08 Ab | 0.16±0.03 Bab | 0.38±0.05 Aa | 1.46±0.11 Aa | |
| CB | 14.95±0.24 Bd | 1.76±0.03 Aa | 0.13±0.02 Bb | 0.29±0.03 Bb | 1.34±0.09 Ba | |
| 2019 | CK | 23.43±1.50 Aa | 1.50±0.05 Bb | 0.13±0.01 Bc | 0.20±0.05 Ac | 1.70±0.24 Aa | 
| CS | 24.35±1.94 Ba | 1.63±0.06 Aa | 0.19±0.03 Ab | 0.35±0.04 Ab | 1.50±0.05 Aab | |
| CM | 22.99±1.51 Ba | 1.72±0.06 Aa | 0.23±0.02 Aa | 0.42±0.04 Aa | 1.55±0.09 Aab | |
| CB | 17.89±1.54 Ab | 1.75±0.13 ABa | 0.23±0.01 Aa | 0.44±0.03 Aa | 1.43±0.10 ABb | 
| [1] |  
											  doi: 10.1016/j.cosust.2015.09.002  | 
										
| [2] |  
											  doi: 10.1111/gcb.13068 pmid: 26301476  | 
										
| [3] |  
											  许山晶, 尹晓青. 我国农村秸秆资源利用的综合效应评价. 重庆社会科学, 2021(2): 19-32. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [4] |  
											  doi: 10.1016/j.soilbio.2006.04.009  | 
										
| [5] |  
											  doi: 10.1016/j.still.2012.05.015  | 
										
| [6] |  
											  doi: 10.1007/s11104-008-9689-y  | 
										
| [7] |  
											  doi: 10.1016/j.apsoil.2014.06.007  | 
										
| [8] |  
											  doi: 10.1016/j.agee.2015.12.012  | 
										
| [9] |  
											  doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115643  | 
										
| [10] |  
											  doi: 10.1016/j.soilbio.2005.03.007  | 
										
| [11] |  
											  doi: 10.1016/j.envint.2019.105211  | 
										
| [12] |  
											  | 
										
| [13] |  
											  doi: 10.1016/j.envpol.2017.12.041  | 
										
| [14] |  
											  doi: 10.1016/j.ecoleng.2012.01.016  | 
										
| [15] |  
											  doi: 10.1016/j.apsoil.2020.103531  | 
										
| [16] |  
											  doi: 10.1038/nature16069  | 
										
| [17] |  
											  冯晓娟, 王依云, 刘婷, 贾娟, 戴国华, 马田, 刘宗广. 生物标志物及其在生态系统研究中的应用. 植物生态学报, 2020, 44(4): 384-394.  
											 												doi: 10.17521/cjpe.2019.0139  | 
										
|  
											  doi: 10.17521/cjpe.2019.0139  | 
										|
| [18] |  
											  doi: 10.1016/j.quascirev.2013.12.028  | 
										
| [19] |  
											  doi: 10.1016/j.soilbio.2010.03.017  | 
										
| [20] |  
											  doi: 10.1016/j.agee.2013.09.024  | 
										
| [21] |  
											  doi: 10.1016/j.agee.2018.07.013  | 
										
| [22] |  
											  doi: 10.1016/j.jenvman.2021.112104  | 
										
| [23] |  
											  doi: 10.1016/j.still.2021.105221  | 
										
| [24] |  
											  doi: 10.1038/s41598-021-84697-6 pmid: 33753757  | 
										
| [25] |  
											  doi: 10.1007/s00374-012-0768-0  | 
										
| [26] |  
											  doi: 10.1111/gcbb.v13.12  | 
										
| [27] |  
											  doi: 10.1111/gcb.2004.10.issue-1  | 
										
| [28] |  
											  | 
										
| [29] |  
											  | 
										
| [30] |  
											  鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版社, 2000. 
											 											 | 
										
|  
											  | 
										|
| [31] |  
											  doi: 10.1016/0038-0717(87)90052-6  | 
										
| [32] |  
											  doi: 10.1002/(ISSN)1615-9314  | 
										
| [33] |  
											  doi: 10.1016/j.orggeochem.2005.12.011  | 
										
| [34] |  
											  doi: 10.1007/s10533-006-9014-x  | 
										
| [35] |  
											  | 
										
| [36] |  
											  | 
										
| [37] |  
											  | 
										
| [38] |  
											  | 
										
| [39] |  
											  | 
										
| [40] |  
											  | 
										
| [41] |  
											  doi: 10.1016/j.soilbio.2019.06.003  | 
										
| [42] |  
											  doi: 10.1016/j.still.2008.10.011  | 
										
| [43] |  
											  doi: 10.1111/gcbb.2017.9.issue-10  | 
										
| [44] |  
											  doi: 10.1016/S0038-0717(01)00209-7  | 
										
| [45] |  
											  | 
										
| [46] |  
											  doi: 10.1016/j.geoderma.2020.114567  | 
										
| [47] |  
											  doi: 10.1111/gcbb.2016.8.issue-2  | 
										
| [48] |  
											  doi: 10.1016/j.agee.2020.107286  | 
										
| [49] |  
											  doi: 10.1016/j.jenvman.2019.109466  | 
										
| [50] |  
											  doi: 10.1111/nph.v232.3  | 
										
| [51] |  
											  | 
										
| [52] |  
											  doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.143695  | 
										
| [53] |  
											  doi: 10.1016/j.soilbio.2022.108553  | 
										
| [1] | 高尚洁, 刘杏认, 李迎春, 柳晓婉. 施用生物炭和秸秆还田对农田温室气体排放及增温潜势的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(5): 935-949. | 
| [2] | 孙悦, 任科宇, 邹洪琴, 高洪军, 张水清, 李德近, 李冰洁, 廖楚芊, 段英华, 徐明岗. 黑土与潮土铁氧化物结合态有机碳对长期秸秆还田的响应[J]. 中国农业科学, 2024, 57(19): 3823-3834. | 
| [3] | 杨立达, 彭新月, 朱文雪, 赵静, 袁晓婷, 林萍, 罗凯, 李易玲, 罗春明, 李雨泽, 杨文钰, 雍太文. 秸秆还田与灌溉方式对大豆玉米带状间作出苗及幼苗生长的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3366-3383. | 
| [4] | 刘雅杰, 张天娇, 张向前, 路战远, 刘战勇, 程玉臣, 武迪, 李金龙. 秸秆还田下耕作方式对黑土活性有机碳组分及碳库管理指数的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(17): 3408-3423. | 
| [5] | 杨文辉, 罗灏程, 董二伟, 王劲松, 王媛, 刘秋霞, 黄晓磊, 焦晓燕. 长期不同施肥和深翻对玉米高粱轮作体系作物钾利用及土壤钾形态的影响[J]. 中国农业科学, 2024, 57(12): 2390-2403. | 
| [6] | 柴如山, 朱丽青, 刘梦阳, 罗来超, 张亮亮, 程启鹏, 张朝春. 山东省小麦玉米秸秆资源分布与还田减肥潜力[J]. 中国农业科学, 2024, 57(11): 2202-2214. | 
| [7] | 舒小伟, 王树深, 伏桐, 王子涵, 丁周宇, 杨英, 赵士茹, 周娟, 黄建晔, 姚友礼, 王余龙, 董桂春. 小麦秸秆还田后不同水稻品种对简化穗肥施用的响应及其成因[J]. 中国农业科学, 2024, 57(10): 1961-1978. | 
| [8] | 韩紫璇, 房静静, 武雪萍, 姜宇, 宋霄君, 刘晓彤. 长期秸秆配施化肥下土壤团聚体碳氮分布、微生物量与小麦产量的协同效应[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1503-1514. | 
| [9] | 马胜兰, 况福虹, 林洪羽, 崔俊芳, 唐家良, 朱波, 蒲全波. 秸秆还田量对川中丘陵冬小麦-夏玉米轮作体系土壤物理特性的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(7): 1344-1358. | 
| [10] | 杨建君, 盖浩, 张梦璇, 蔡育蓉, 王力艳, 王立刚. 深松结合秸秆还田对黑土孔隙结构的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(5): 892-906. | 
| [11] | 李亚贞, 韩天富, 曲潇琳, 马常宝, 都江雪, 柳开楼, 黄晶, 刘淑军, 刘立生, 申哲, 张会民. 我国水稻的肥料贡献率时空变化及影响因素[J]. 中国农业科学, 2023, 56(4): 674-685. | 
| [12] | 周颖, 杨鹏, 王立刚, 雷秋良, 张雅南. 东北黑土区保护性耕作生态补偿机制优化路径[J]. 中国农业科学, 2023, 56(22): 4478-4489. | 
| [13] | 郭戎博, 李国栋, 潘梦雨, 郑险峰, 王朝辉, 何刚. 秸秆还田与施氮对耕层土壤有机碳储量、组分和团聚体的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(20): 4035-4048. | 
| [14] | 王永亮, 胥子航, 李申, 梁哲铭, 薛晓蓉, 白炬, 杨治平. 秸秆还田与花后灌溉提高春玉米产量及水氮利用效率[J]. 中国农业科学, 2023, 56(18): 3599-3614. | 
| [15] | 李金, 任立军, 李晓宇, 毕润学, 金鑫鑫, 虞娜, 张玉玲, 邹洪涛, 张玉龙. 不同秸秆还田方式对玉米农田土壤CO2排放量和碳平衡的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(14): 2738-2750. | 
										
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