土壤有机碳是土壤碳库的重要组成部分，对土壤物质能量循环起关键作用，是评价土壤质量和土地可持续发展的重要指标，其组成和结构变化直接影响土壤性质与肥力的改变^[1]。实践证明，秸秆还田是实现土壤固碳和农田温室气体（CO2）减排最简单、可行的秸秆利用措施，能有效改善土壤理化性状，提高农田蓄水保墒能力，增加土壤有机质含量和作物产量，对土壤碳库的形成转化产生重要影响^[2-3]。

目前对于秸秆还田的研究多集中于比较秸秆覆盖和浅施对土壤结构^[4-6]、微生物活性^[7]和有机碳含量^[8-9]，及秸秆深还对于土壤腐殖质组成和胡敏酸结构的影响^[10]。Hammerbeck等^[4]和赵红等^[5]研究表明：秸秆覆盖能提高团聚体稳定性，改善土壤结构，降低土壤紧实度。Spaccini等^[6]对比试验表明，稻秆浅施比稻秆覆盖更能提高土壤结构的稳定性。Giacomini等^[7]研究表明，秸秆与土壤混合比覆盖处理更有利于土壤微生物繁殖和提高土壤活性有机碳含量。刘玲等^[8]和郑立臣等^[9]研究表明，秸秆粉碎还田方式下土壤微生物对秸秆的腐殖化作用更强，对土壤有机碳、全氮和微生物碳氮含量贡献最大，有机肥还田增产效果显著。张艳鸿等^[10]研究表明，秸秆深还及秸秆配施化肥对不同土层土壤有机碳含量以及腐殖质各组分含碳量均有显著积累作用，除了分子结构芳香性提高以外，前者还使HA的疏水性提高，而后者分子结构变复杂。

施用秸秆后不仅土壤有机碳数量增加，其结构也发生相应变化，而农业生产过程中秸秆还田对土壤培肥的效果需要同时考虑土壤有机碳数量和质量方面。土壤腐殖质结构中如脂族链烃的增加有利于增加其结构活性，对农田固碳和土壤培肥具有重要影响^[10]。现阶段对于不同方式还田后土壤有机碳结构特征的变化差异还少有研究。本文通过对秸秆浅施和深还进行比较，研究了两者对土壤有机碳组成和结构影响的差异，以期为土壤固碳和培肥提供理论依据。

试验所用黑土采自吉林农业大学资源与环境学院微区试验田（2005年开始），土壤类型为黑土，相当于美国系统分类的粘淀湿润软土（Argiudolls），其基本性质见表 1^[11]。

表 1 供试土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of the soil for experiment

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试验所用玉米秸秆（包括玉米叶片茎秆）采自吉林农业大学教学试验田，用粉碎机粉碎至5 mm。该玉米残体性质如下：有机碳338.6 g·kg^-1，全氮6.87 g·kg^-1，C/N为49.3。

试验设置3种处理：未施秸秆及化肥进行常规耕作（CK）、秸秆浅施入0~20 cm与土壤混合（C1）、秸秆深还入土20~40 cm（C2）。试验于2014年10月进行，还田量12 000 kg·hm^-2，并配施尿素160 kg·hm^-2（调节C/N比25:1）。C1处理：将表层0~20 cm土壤与玉米秸秆均匀混合后，还至小区形成两垄并自然沉降。C2处理：人工开挖出上底宽50 cm，下底宽40 cm，深40 cm，截面为倒置等腰梯形的深还沟，下底中央位置对应两垄玉米之间垄沟处，将玉米秸秆均匀平铺至深还沟中，按20~40、0~20 cm顺序将土还至沟中，形成大垄，自然沉降。

试验微区为钢筋水泥槽，小区面积为2.1 m×1.1 m=2.31 m²，各处理3次重复，随机排列，各处理小区间设置30 cm水泥保护行。各小区共两垄，每垄种植玉米5株，均进行相同田间管理，玉米品种为中金368（北京金粒粒金种子有限公司）。于2015年10月采集表层（0~20 cm）和亚表层（20~40 cm）土壤进行分析测定。

土壤腐殖质组成提取与有机碳测定：采用腐殖质组成修改法^[12]提取胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）。HA和FA有机碳含量采用岛津TOC-Vcpn分析仪测定，土壤有机碳（SOC）和HM有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。

HA样品提取和纯化：采用国际土壤腐殖质协会推荐的IHSS方法^[13]进行提取纯化。

HA元素组成测定：采用德国Vario EL Ⅲ型元素分析仪在CHN模式下进行测定，其中C、H、N元素含量为实测值，O+S元素含量采用差减法计算。

HA红外光谱分析采用美国Nicolet-AV360红外光谱仪，采用KBr压片法，测试范围为4000~500 cm^-1，通过OMNIC软件对红外谱图进行特征峰选取，对不同波数的特征吸收峰进行半定量分析。

HA差热分析采用德国NETZSCH STA2500热重分析仪，称取样品量为3~5 mg，在60 mL·min^-1的空气流量条件下，以15 ℃·min^-1的升温速率由35 ℃升至600 ℃，用仪器自带Proteus Analysis软件分析样品差热和热重曲线，进行半定量分析。

用Microsoft Office Excel 2013对数据进行处理，SPSS Statistics19.0软件进行单因素方差分析（LSD-t检验，P < 0.05），不同字母代表差异显著。红外光谱图和差热分析图使用Origin7.5软件作图。

各处理土壤有机碳含量如图 1所示。秸秆还田后土壤有机碳含量明显增加，与CK相比，C1和C2处理表层和亚表层土壤有机碳含量均高于CK，且差异显著（P < 0.05）。表层C1和C2处理土壤有机碳含量与CK相比分别增加了21.77%和18.61%；亚表层则表现为C2处理土壤有机碳含量相比于C1处理增加更显著，较CK上升了26.32%。

图 1 玉米秸秆还田对土壤有机碳的影响 Figure 1 Effect of different ways of corn stover application on soil organic carbon 不同字母代表不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同 Different letters indicate significant differences between treatments (P < 0.05). The same below

图选项

各处理表层和亚表层土壤腐殖质组分有机碳含量如表 2所示，均表现为HM>HA>FA，土壤腐殖质各组分间差异显著（P < 0.05）。与CK相比，表层C1和C2处理的HA有机碳含量分别增加了27.33%、19.85%，FA有机碳含量分别增加了11.55%、9.85%，HM有机碳含量分别增加了29.97%、22.90%；与CK相比，亚表层则表现为C2处理各腐殖质组分有机碳含量增加更明显，HA、FA和HM有机碳含量相比CK分别增加了31.99%、13.38%和33.85%。

表 2 玉米秸秆还田对土壤腐殖质组分有机碳含量的影响 Table 2 Effect of different ways of corn stover application on composition and PQ value of soil humus

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PQ值是HA在可提取腐殖质中所占的比例，用以表示土壤有机质腐殖化程度。与CK相比，C1和C2处理表层和亚表层土壤PQ值均有不同程度增加，且差异显著（P < 0.05）。表层中C1处理增加最明显，与CK相比从63.73%增加为66.72%；亚表层中则C2处理增加最多，相比CK从62.11%增加为65.58%。

各处理土壤腐殖质组分有机碳相对含量如表 3所示。与CK相比，表层C1和C2处理中HA有机碳相对含量分别增加了1.33%、0.25%，FA有机碳相对含量分别降低了1.46%、1.30%，HM有机碳相对含量分别增加了2.99%、1.56%；亚表层则表现为C2处理下HA和HM有机碳相对含量增加最多，分别为1.35%、2.00%；FA有机碳相对含量降低最多，为1.86%。说明秸秆还田后土壤HA和HM有机碳相对含量呈上升趋势，FA与之相反。

表 3 玉米秸秆还田对土壤腐殖质组分有机碳相对含量的影响 Table 3 Effect of different ways of corn stover application on relative contents of the components of soil humus

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元素组成是判断土壤HA官能团特征的重要手段，通常以H/C和（O+S）/C的摩尔比值来表征HA的缩合度和氧化度强弱^[14]。H/C比值越大表示含有的脂肪族结构越多，反之芳香化程度越高；O/C比值则与含氧基团数量成正比^[15]。各处理土壤HA元素组成变化如表 4所示。与CK相比，C1和C2处理的土壤HA的C、N和H元素含量均有不同程度上升，O元素含量较CK有所下降，秸秆还田促进了HA的C、N和H元素含量的提高和O元素的消耗。C1和C2处理表层和亚表层HA的（O+S）/C比值均低于CK，其中C1处理的表层（O+S）/C比值降低最多，为11.34%；C2处理的亚表层（O+S）/C比值降低最明显，为9.15%。C1和C2处理表层和亚表层HA的H/C比值均高于CK，其中C1处理HA的H/C比值增加趋势表现为表层>亚表层，C2处理与之相反，为亚表层>表层。

表 4 玉米秸秆还田对土壤中HA元素组成的影响 Table 4 Effect of different ways of corn stover application on elemental composition of HA in soil

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图 2为各处理土壤HA的FTIR变化。各处理的图谱形状相似，2920 cm^-1处代表不对称脂族C-H伸缩振动峰，2850 cm^-1处代表-CH₂-对称脂族C-H伸缩振动峰，1720 cm^-1处代表羧基C=O伸缩振动的吸收峰，1620 cm^-1处代表芳香C=C伸缩振动的吸收峰，这4处吸收峰在强度上存在差异。对各处理HA红外光谱吸收峰的相对强度进行半定量分析如表 5所示，I₂₉₂₀/I₁₇₂₀和I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值用以反映HA结构氧化度和脂族性与芳香性的强弱。

图 2 玉米秸秆还田对土壤中HA的FTIR谱图的影响 Figure 2 Effect of different ways of corn stover application on FTIR spectra of HA in soil

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表 5 玉米秸秆还田对土壤HA的FTIR光谱主要吸收峰相对强度的影响 Table 5 Effect of different ways of corn stover application on relative intensity of the main absorption peaks in FTIR spectra of HA in soil

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与CK相比，C1和C2处理的HA结构在2920、2850、1620 cm^-1处的相对吸收强度增加，在1720 cm^-1的相对吸收强度降低，说明秸秆还田后HA的脂族链烃和芳香碳含量增加，羧基含量降低。与CK相比，C1和C2处理表层和亚表层HA的I₂₉₂₀/I₁₇₂₀和I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值均高于CK，其中C1处理表层HA的I₂₉₂₀/I₁₇₂₀和I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值较CK相比增加更明显，分别为135.6%和23.43%；C2处理则表现为亚表层HA的I₂₉₂₀/I₁₇₂₀和I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值较CK相比增加更显著，分别为133.3%和22.92%。

各处理HA的放热和失重曲线如图 3所示。HA样品在热解过程中表现为中温（351~360 ℃）放热和高温（494~521 ℃）放热。中温放热主要是样品结构中脂族化合物分解，高温放热是样品结构内部芳香化合物分解和完全氧化^[16]。

图 3 米秸秆还田对土壤HA的放热和失重的影响 Figure 3 Effect of different ways of corn stover application on exothermic heat and mass loss curve of HA in soil

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对不同处理HA热分解过程中放热和失重进行半定量分析如表 6。与CK相比，C1和C2处理表层和亚表层HA在中、高温的放热和失重量均有不同程度增加，秸秆还田使HA脂族和芳香化合物含量增加。不同土层C1和C2处理下HA的热量高/中比值和失重高/中比值均小于CK，其中：表层C1处理较CK降低明显，分别为37.67%、10.25%；亚表层则C2处理较CK降低明显，分别为33.04%、13.29%。

表 6 玉米秸秆还田对土壤HA的放热和失重的影响 Table 6 Effect of different ways of corn stover application on exothermic heat and mass loss of HA in soil

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本研究表明：秸秆还田有利于土壤和各腐殖质组分有机碳含量的积累，秸秆浅施对表层土壤有机碳组分含碳量增加明显，秸秆深还更利于亚表层土壤有机碳组分的改善。秸秆还田为土壤微生物的生长繁殖、代谢活动提供了充足的碳源，从而导致土壤微生物量碳含量增加^[17]。秸秆浅施使秸秆与土壤充分接触，加速了微生物对秸秆分解和表层有机碳的积累^[18]，因秸秆施入土层较浅，未触及亚表层，故亚表层受秸秆影响较小。与秸秆粉碎浅施相比，秸秆深还将秸秆还于亚表层，在土壤深层形成秸秆层，能有效避免营养元素的径流和挥发^[19]，使深层“饥饿”的土壤充分与秸秆接触，提高了微生物代谢活性，有利于亚表层土壤腐殖质形成和土壤固碳^[20]。本试验中秸秆还田后土壤HA、HM相对含量呈上升趋势，FA呈下降趋势，可能是因为秸秆在分解过程中较多的转化为腐殖质组分HA和HM，使土壤有机碳中FA的比例相对降低。

秸秆还田后土壤PQ值显著增加，秸秆浅施处理下表层PQ值增加明显，秸秆深还对亚表层PQ值影响更大。这可能是因为，秸秆还田后土壤HA有机碳含量积累，提高了土壤腐殖化程度，促进了土壤腐殖质品质的改善^[10]。秸秆浅施和深还对土壤HA在表层和亚表层的影响不同，前者对表层HA增加明显，深还对亚表层HA累积效果更好，因此二者对PQ值的影响在不同土层上存在差异。

本研究试验分析结果表明：秸秆还田后土壤HA结构氧化度和缩合度降低，脂族链烃和芳香碳含量增加，羧基碳含量减少，热稳定性降低。Al-Faiyz^[21]通过¹³C NMR对比分析作物秸秆、棕榈叶和动物粪便堆肥后土壤胡敏酸结构特征表明，作物秸秆堆肥下胡敏酸中碳水化合物低于其他处理，其脂肪族含量最高，脂族性最强。Brunetti等^[22]认为施用有机肥后土壤HA结构缩合度下降，脂族性增强，芳香性减弱，HA结构趋于脂族化。本文得出类似结论可能是因为：秸秆还田后，土壤微生物数量和活性增加，土壤中结构复杂的HA在微生物代谢过程中被分解^[23]，使HA结构稳定性降低；且秸秆分解向土壤输入大量氨基化合物、碳水化合物、脂肪化合物和芳香化合物，使HA脂族C-H和芳香族C=C伸展增强，脂肪族和芳香族结构增加；新形成的HA含氧官能团较少，氧化度和缩合度较低，结构趋于简单化、年轻化。

秸秆浅施后表层HA氧化度显著降低，脂族性增强，而秸秆深还则显著降低了亚表层HA氧化度，增加了HA脂族性。土壤由于受作物根系和人为耕作的影响，土壤透气性、透水性和微生物活性均高于亚表层。秸秆浅施在耕作基础上加深了表层土壤扰动，改变了气体扩散和团聚体结构，充足的氧气和秸秆刺激了微生物分泌和土壤酶活性提高，较多的HA结构被分解，同时随着秸秆腐解，土壤中新形成大量结构较为简单、脂族性强的HA分子；而秸秆浅施并未对亚表层进行扰动，只是在还田过程中有小部分秸秆接触到亚表层，因而对亚表层影响较小。亚表层由于根系很少深入，透气性差，土壤腐殖质进入缩合过程，结构较为复杂^[24]。秸秆深还改变了这一状态，加深了亚表层土壤扰动。由于深层秸秆层的存在，使土壤易氧化性碳增多，刺激了亚表层土壤微生物活性，微生物新陈代谢速率提高，促进了氧化度和缩合度高的HA结构分解；另一方面秸秆腐解产生大量脂族碳和芳香碳，使亚表层新形成的HA结构脂族性较强，热稳定性相对较低。同时，秸秆深还使土壤表层和亚表层在一定程度上形成一个共同变化的整体，促进了表层和亚表层腐殖质的更新和活化^[25]。

与CK相比，秸秆还田显著增加了土壤和各腐殖质组分有机碳含量，HA和HM占土壤有机碳比例呈上升趋势，FA与之相反，土壤PQ值增加，秸秆浅施对表层有机碳组成累积效果明显，秸秆深还则对亚表层培肥效果显著；秸秆还田后HA结构氧化度和缩合度呈下降趋势，脂族链烃和芳香碳含量增加，热稳定性下降，HA结构简单化、年轻化，秸秆浅施对表层HA结构影响更明显，秸秆深还则对亚表层HA结构特征变化影响更显著。