土壤有机碳（Soil organic carbon，SOC）在改善土壤肥力和维持土壤生产力方面发挥着重要作用^[1]。根据SOC的存在方式和稳定性，一般可将SOC分为活性有机碳、缓效性有机碳和稳定性有机碳。其中，土壤活性有机碳以溶解性有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）和微生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）为主，缓效性有机碳指颗粒有机碳（Particulate organic carbon，POC）和碳水化合物^[2-3]。从农田肥力角度考虑，活性有机碳含量高，有利于矿化和提高养分供给；从土壤固碳角度出发，提高稳定性有机碳含量则更有利于土壤有机碳固定^[4-5]。SOC组成及其含量的变化受到农田管理措施的强烈影响，包括秸秆还田、施肥和耕作方式等^[6]。

目前，有关秸秆碳在土壤中的转化分配及其对SOC的影响已成为农田土壤学研究热点之一。当前，国内外学者多通过将¹³C标记秸秆添加至土壤的方式展开相关研究，发现秸秆碳转化过程中约42%~79%的秸秆碳被转化为CO₂进入大气，其余部分碳均以微生物残体或代谢物形式进入土壤各有机碳库^[7-8]。还田秸秆碳在土壤不同有机碳库中的转化与分配受腐解时间、土壤类型、土壤肥力和施肥水平等的显著影响。Pei等^[9]研究指出秸秆碳在腐解前期更易腐解为DOC进入黑土，腐解后期则更多地进入到棕壤。低肥力黑土和棕壤中，秸秆对SOC的贡献分别为36%~ 59%和43%~63%，高肥力下，秸秆对两类土壤的贡献则分别为17%~41%和30%~53%，其中低肥力土壤MBC中来自于秸秆碳的比例为75%以上，而高肥力土壤仅为50%~60%。相较于高肥力土壤而言，秸秆的加入可更有效地促进低肥力土壤（有机质含量一般低于10 g·kg^{-1 [10]}）微生物的活性和生长，但同时，土壤微生物的生长会进一步消耗土壤中的养分^[11]。由此，多数学者提出需采用秸秆与化肥配施的方式，以保障和促进土壤肥力的有效提升^[12-14]。

近年来，随着社会经济建设和发展，全国每年新增新垦农地约66.7万hm²以上，采用秸秆还田配施化肥成为提升这类低肥力土壤肥力水平的重要途径。但目前，针对秸秆碳在不同施肥水平的低肥力土壤中的转化及其对SOC组成与含量影响的研究还相对缺乏，未能全面揭示秸秆还田对低肥力土壤增碳培肥的作用机制，难以为当前实际应用提供理论参考。故有必要进一步结合不同的施肥水平，研究秸秆碳对低肥力土壤SOC组成及其含量的影响，明确合理的施肥水平。鉴于此，本文选取小麦秸秆和低肥力土壤为研究对象，采用稳定性同位素示踪技术，跟踪标记秸秆碳在不同施肥水平下低肥力土壤各有机碳组分中的动态转化与分配，以综合分析施肥水平对小麦秸秆还田下低肥力土壤有机碳库的影响，并明确可有效促进土壤增碳培肥的合理施肥水平。

1 材料与方法 1.1 实验材料

实验用土采自浙江省杭州市富阳区场口镇瓜田埠村不同施肥水平的耕层土壤，纯氮用量0、120、240 kg·hm^-2，分别记为L、M和H处理，磷肥（P₂O₅）、钾肥（K₂O）施肥量一致，为90、150 kg·hm^-2。各施肥水平土壤样品基本性状如表 1所示。

标记秸秆获取方法：于小麦拔节期，将其置于充有¹³C-CO₂的密闭生长箱中，持续暴露15 d后收获，将茎秆部分风干粉碎过4 mm筛后备用。其中，¹³C-CO₂通过向装有Na₂¹³CO₃（1.0 mol·L^-1，¹³C丰度99%）的三角瓶中加入H₂SO₄（0.5 mol·L^-1）制得，保障密闭生长箱中¹³C-CO₂浓度维持在360~380 μL·L^-1。标记小麦秸秆含碳量为352.9 g·kg^-1，含氮量为6.38 g·kg^-1，C/N为55.31，δ¹³C值为357.48‰。

1.2 试验设计

实验采用砂滤管法。在3个施肥水平（L、M和H）下的低肥力土壤中添加¹³C标记秸秆，即：取100.0 g（相当于烘干土质量）土壤样品与3.0 g烘干过4 mm筛的¹³C标记小麦秸秆，充分混合，调节土壤含水率至最大田间持水量的75%后移入砂滤管（内径38 mm，高155 mm，管壁厚8.5 mm），盖上盖子并用胶带密封，浸泡于对应施肥水平土壤泥浆中24 h后取出，垂直埋于相应处理土壤5~20 cm深处。分别于埋管后第7、14、30 d和60 d进行破坏性取样，测定土壤样品SOC、DOC、MBC、POC含量及其对应的δ¹³C值，各处理不同取样点均设置3个重复。同时设置不加秸秆的对照组。

1.3 土壤碳库组分及其δ¹³C的测定

土壤SOC采用重铬酸钾外加热法测定^[15]。土壤DOC采用去离子水浸提法提取^[16]，其中，取10 mL滤液立即采用MultiN/C^®3100分析仪测定有机碳含量，剩余滤液经冷冻干燥研磨过0.15 mm（100目）筛后，用于δ¹³C值测定。土壤MBC的提取采用氯仿熏蒸- K₂SO₄溶液浸提法^[17]，取10 mL滤液测定其有机碳含量，其余滤液经冷冻干燥研磨过0.15 mm（100目）筛后，用于δ¹³C值测定。土壤POC采用六偏磷酸钠分散法获取，部分通过元素分析仪用于其含量测定，部分用于δ¹³C值测定。不同组分碳对应的δ¹³C值均采用元素分析-同位素比例质谱联用仪（Elementar Isoprime 100）测定。

1.4 数据分析

土壤MBC含量及其δ¹³C值计算如式（1）和（2）所示^[18]：

(1)

(2)

式中：C_mbc为土壤微生物量碳，mg·kg^-1；C_f为测定的熏蒸土壤有机碳浓度，mg·kg^-1；C_nf为测定的未熏蒸土壤有机碳浓度，mg·kg^-1；R_v为试验用K₂SO₄溶液与干土质量比例；K_c为转换系数，本研究取0.45；δ¹³C_mbc为土壤微生物量碳δ¹³C值，‰；δ¹³C_f为测定的熏蒸土壤有机碳δ¹³C值，‰；δ¹³C_nf为测定的未熏蒸土壤有机碳δ¹³C值，‰。

土壤不同组分碳库¹³C含量计算如式（3）所示：

(3)

式中：M_¹³C为所测样品中¹³C含量，mg·kg^-1；M_c为不同组分碳含量，mg·kg^-1；R_¹³C为所测样品中¹³C所占比例，%。

秸秆碳在土壤各有机碳库中所占比例计算如式（4）^{[7, 19-20]}所示。

(4)

式中：F_m为添加小麦秸秆土壤中来自小麦秸秆碳的比例，即秸秆碳对土壤有机碳库的贡献比例；δ¹³C_sm为加小麦秸秆土壤的δ¹³C值，‰；δ¹³C_s为不加小麦秸秆土壤δ¹³C值，‰；δ¹³C_m为初始添加小麦秸秆的δ¹³C值，‰。

本研究数据采用Microsoft Excel 2003和Sigmaplot 12.0软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS软件对数据进行显著性差异分析及Pearson相关性分析。

2 结果与分析 2.1 小麦秸秆添加后低肥力土壤各有机碳库含量的动态变化

秸秆添加显著提高了SOC含量，与对照组相比，添加后7、14、30、60 d的SOC含量均极显著升高（P < 0.01）。添加后第7 d，L、M、H处理组SOC较初始土样分别增长44.85%、35.10%和22.18%（图 1B）；第30 d，SOC含量增至最高，此后有所下降，第60 d，秸秆添加处理组SOC含量较对照组增加24.1%~28.9%。

秸秆添加后，土壤不同有机碳库含量均有所增加，但变化规律随培养时间存在一定差异（图 2）。其中，秸秆添加后7~30 d，L、M、H处理组土壤DOC呈现波动式增加，30 d时达到最大，此后大幅下降至与对照组相当（P_L=0.246，P_M=0.103，P_H=0.182，图 2D）。各施肥水平土壤MBC含量在秸秆添加后第7 d达到最大，之后迅速下降，14 d后基本趋于稳定，秸秆添加后30~60 d，高施肥水平土壤MBC含量显著高于低施肥水平（P < 0.05，图 2E）。秸秆添加对土壤POC含量的影响如图 2F所示，H、M和L处理组土壤POC最大含量均出现在秸秆添加后30 d。随着培养的进行，土壤POC含量增幅逐渐减小。相较L和H处理组，M处理组在整个培养期内，POC含量呈现缓慢但持续的增长趋势。

2.2 小麦秸秆添加后低肥力土壤各有机碳库δ¹³C值的动态变化

土壤各有机碳库δ¹³C值变化表征秸秆碳进入对应土壤有机碳库的量，可反映秸秆碳转化后的动态分配。实验结果显示，各施肥水平处理组，添加¹³C标记秸秆后，SOC的δ¹³C值变化范围为93.83‰~146.72‰，显著高于对照组（P < 0.05，图 3），表明秸秆碳转化进入了土壤有机碳库。

¹³C秸秆的添加同样显著提高了土壤DOC、MBC和POC的δ¹³C值（图 4）。其中，土壤DOC的δ¹³C值于¹³C标记秸秆添加后7 d达到最大，此后持续下降，第60 d时，DOC的δ¹³C值已与对照组无显著差异（P>0.05），表明后期基本无秸秆碳转化为土壤DOC。

各施肥水平土壤MBC的δ¹³C值均在秸秆添加后7 d升至最高，此后略有下降，第60 d，L、M、H处理组土壤MBC的δ¹³C值表现为L组显著高于H、M处理组（P < 0.001），表明低施肥水平下土壤MBC中来自秸秆碳的量更多。¹³C标记秸秆添加后，土壤POC的δ¹³C值变化表现为前期快速增加，后期缓慢增加的趋势，表明秸秆碳在后期持续转化进入土壤POC。比较不同施肥水平，M处理组土壤POC的δ¹³C值在后期相对更高。

2.3 小麦秸秆¹³C在低肥力土壤各有机碳库中的分配

根据测定的土壤各有机碳库含量及其对应的δ¹³C值，通过公式（3）计算实验期内小麦秸秆¹³C转化分配至土壤各有机碳库的比例（图 5），即DOC、MBC、POC的¹³C与秸秆总¹³C的比值。结果显示秸秆添加60 d内，不同取样时间点秸秆¹³C进入土壤DOC、MBC和POC的总比例变化范围为8.11%~20.75%。其中，最大比例出现在秸秆添加后第7 d，此时，秸秆¹³C分配到土壤各有机碳库比例次序为MBC（13.69%~14.69%）>POC（2.69%~4.06%）>DOC（1.24%~1.99%）；相较于L和M处理组，秸秆¹³C在H组土壤活性和缓效性有机碳库的分配比例更高，约20.75%，H组与M组具有极显著差异（P=0.01），H组与L组具有显著差异（P= 0.047）。此后，秸秆¹³C分配进入到土壤活性和缓效性有机碳库的比例均有所下降，第60 d，L、M、H处理组分别为9.13%、15.77%和12.84%，其中¹³C在各有机碳库中的分配比例表现为POC（4.74%~9.54%）>MBC（4.01%~6.25%）>DOC（0.12%~0.38%）。

2.4 小麦秸秆碳对低肥力土壤有机碳不同组分的贡献

根据公式（4），计算了秸秆碳对土壤各有机碳的贡献，结果如表 2所示。相较而言，秸秆碳对土壤MBC和POC的贡献均大于DOC，实验期内各自变化范围分别在13.20%~32.85%、33.62%~59.69%和0.29%~ 15.01%。其中，秸秆碳对土壤DOC和MBC的贡献随秸秆添加时间延长呈下降趋势，但对土壤POC的贡献则呈持续增加趋势。相较于H组，秸秆碳对L和M组土壤POC的贡献尽管在秸秆添加初期相对较低，但随培养的进行，贡献持续增加，在第60 d均显著高于H组。

3 讨论

本研究中秸秆添加可在短时间内有效增加低肥力土壤SOC含量28.90%~33.30%。Liu等^[21]对国内外176项秸秆还田试验数据的Meta分析结果显示，秸秆还田可使SOC含量平均提高12.8%；相比而言，本实验结果偏高，但Thomsen等^[22]对低肥力沙壤的相关研究指出，秸秆还田后（还田量4~12 t·hm^-2，约为0.06%~ 0.2%），土壤SOC含量可增加12%~30%。与本研究结果接近。因此，秸秆还田对低肥力土壤具有明显的增碳效果，但长期还田下的增碳效果还需进一步验证。

秸秆腐解过程中，秸秆碳在土壤中的转化直接影响土壤各有机碳库的含量。本实验中，小麦秸秆添加第7 d，土壤DOC、MBC和POC含量及其对应的δ¹³C值均迅速增加，且二者间表现为显著正相关关系（R_DOC=0.857，R_MBC=0.519，R_POC=0.887，P < 0.05），表明此时秸秆碳被迅速转化分配至土壤各有机碳库，为小麦秸秆碳快速转化分解期^[23]。Cogle等^[24]和Esther等^[25]研究发现小麦秸秆碳在添加后4~15 d内转化速率可达最大。实验中，秸秆添加后14 d，土壤SOC对应的δ¹³C值达到最大，表明此时仍有秸秆碳被转化分配至土壤总有机碳库，但分配到活性和缓效性有机碳库的比例较第7 d时有所下降，表明小麦秸秆碳中的较易利用碳组分基本在快速腐解阶段被分解。此时，微生物对秸秆中较难利用的有机质如纤维素、木质素等进行分解，进入小麦秸秆碳缓慢转化阶段，土壤微生物对秸秆碳转化形成的土壤活性和缓效性有机碳的利用速率大于对秸秆中难降解有机质的利用速率。相似地，倪进治等^[26]在研究中发现，小麦秸秆还田7 d后，土壤MBC含量呈现下降趋势，认为此时微生物能利用的易分解有机碳源已耗尽，转入利用较难分解的有机碳。小麦秸秆添加后14~30 d，土壤SOC对应的δ¹³C值略有下降，但30 d后，随着秸秆碳转化进入土壤POC过程的增强（POC对应的δ¹³C值持续增加），土壤SOC对应的δ¹³C值也在实验后期略有增加，表明秸秆转化后期SOC的增加主要是秸秆碳持续转化进入土壤POC所致。姬强等^[27]和王虎等^[28]研究亦表明，随秸秆碳转化进行，秸秆碳进入POC及矿物结合态有机碳比例逐渐增加，进而实现秸秆还田的增碳固碳作用。

秸秆¹³C转化分配到土壤MBC和POC的比例高于DOC，表明秸秆¹³C更易被固定为MBC和POC。这与秸秆碳对土壤不同有机碳贡献的计算结果相符，即相较于MBC和POC而言，秸秆碳对土壤DOC的贡献比例最低（0.3%~15.0%），且随秸秆碳转化的进行明显下降，说明土壤DOC主要来源于土壤老有机碳的矿化作用。秸秆添加后促进了土壤原有机质的矿化^[29]，引起土壤DOC中来自老有机质¹²C对¹³C丰度的稀释。若假设各有机碳库在固定¹²C和¹³C间的选择差异可忽略，且¹³C在秸秆中分布均匀，那么计算所得DOC、MBC、POC的¹³C占秸秆总¹³C的比例，即相当于秸秆碳中可转化至土壤DOC、MBC和POC的比例。结合计算结果，表明秸秆添加60 d后，约0.12%~ 0.38%、4.01%~6.25%和4.74%~9.54%的秸秆碳分别转化为了土壤DOC、MBC和POC。这与现有研究报道基本相符。其中，Bastida等^[30]、Majumder等^[31]和关桂红^[32]的研究结果显示，秸秆碳转化过程中约1.9%~ 10.63%的秸秆碳可转化为土壤MBC，10%左右的秸秆碳可转化为土壤POC，而转化进入土壤DOC的秸秆碳仅占秸秆总碳量的0.01%~3.3%。Poll等^[7]将¹³C标记的黑麦草添加到表层土壤中后发现，84 d后10%的秸秆碳进入到土壤有机碳中，仅有3%的秸秆碳进入到MBC中。De Troyer等^[33]对玉米秸秆碳在土壤各有机碳库中分配的研究结果表明，按0.2%秸秆量添加到土壤样品240 d后，约2.1%和0.01%的秸秆碳分别以MBC和DOC的形式存留在土壤碳库。各报道中选用的土壤类型及肥力、秸秆类型及培养时间等均存在一定差异，因此，分析得出的秸秆碳的具体转化分配比例亦有所不同。

不同的施肥水平会影响秸秆碳在低肥力土壤中的转化与分配。相较而言，秸秆碳快速转化期（0~7 d），施肥水平对土壤DOC、MBC和POC的影响不显著，但在秸秆碳转化后期（30~60 d），施肥处理组（H和M）土壤中MBC含量显著高于不施肥处理组（L），主要是施肥可为土壤微生物提供充足的养分，保障其生长代谢所需^[34-35]。相较于L和H处理组，秸秆碳在M处理组对POC的分配比例最高，对应其土壤POC含量和δ¹³C值也最高。一方面，在不施肥处理组中，随着秸秆的腐解，土壤中的氮不能满足微生物生长所需，进而降低了对秸秆碳的整体转化，减少了可以转化进入到POC的量；而在较高施肥处理组土壤中，由于微生物生长代谢旺盛，更多的活性碳组分被微生物代谢转化进入其他碳库，而进入POC的碳量亦相对减少。相似地，宋震震^[36]在研究中发现，相较于高量肥料配施，常规配施肥料处理组土壤POC含量增幅更大。由此可见，秸秆还田条件下，施肥较少不利于低肥土壤活性碳库的增加，进而不利于土壤矿化和养分供给，而过量施加肥料则不利于低肥力土壤固碳。

4 结论

本研究从小麦秸秆碳的转化与分配角度系统分析了小麦秸秆碳对低肥力土壤主要有机碳库的影响，初步揭示了小麦秸秆碳转化过程对低肥力土壤增碳的贡献，主要得到以下结论：

（1）秸秆添加后，0~7 d为小麦秸秆碳快速转化阶段，7~14 d秸秆碳转化变缓，14 d后相较于土壤活性有机碳，秸秆碳转化主要以形成土壤POC为主。

（2）相较于DOC，秸秆碳更易转化为土壤MBC和POC，秸秆添加60 d后，秸秆¹³C进入DOC、MBC和POC的比例分别为0.12%~0.38%、4.01%~6.25%和4.74%~9.54%。

（3）秸秆碳对土壤各有机碳库的贡献比例依次为POC>MBC>DOC，其中，对土壤POC的贡献比例随秸秆碳转化的进行持续缓慢增加，是秸秆碳转化后期SOC增加的主要原因。

（4）秸秆添加后，土壤活性有机碳含量随施肥水平的增加而增加，但土壤POC含量则在适中施肥水平组（纯氮120 kg·hm^-2）更高，更有利于实现土壤培肥与固碳的双重目标。

本研究结合不同施肥水平，分析了小麦秸秆碳对低肥力土壤主要活性和缓效性有机碳库的短期影响。今后，可结合长期秸秆还田定位实验，进一步说明秸秆碳转化与分配对不同肥力土壤有机碳库组成及含量的影响；同时，探究秸秆碳转化过程中的关键微生物组成，及其与环境因子的交互作用，以更深入地解析秸秆碳转化的内在驱动机制。