黑钙土是东北玉米主产区的重要耕作土壤^[1]。黑钙土区属于半湿润半干旱型气候，成土母质以质地较黏重的黄土状沉积物和红土母质为主，成土过程主要是腐殖质积累和较弱的淋溶过程，在剖面一定深度有石灰反应^[2]。土壤质地较轻，易发生干旱，养分缺乏、保水保肥能力和抗逆性较弱、潜在肥力低是黑钙土的主要肥力特征^[2-4]。

目前，黑钙土改良培肥的主要措施是秸秆还田和增施有机肥。科研和生产实践证明，秸秆还田对于提高有机质含量、充分发挥土壤固碳性能、减少CO₂等温室气体排放等具有重要作用^[5-7]。但秸秆还田的效果既与秸秆还田的方式有关^[8]，也与土壤的固碳性能和潜力有关^[9]。土壤中的重组有机碳是与土壤矿质胶体结合的有机碳，是土壤有机碳的主要赋存形式^[10]。重组有机碳在土壤中比较稳定，对外界的干扰不敏感，因此是衡量土壤固碳性能大小的重要指标^[11]，研究土壤中添加秸秆后重组有机碳含量和有机无机复合能力的变化，可揭示秸秆还田后土壤有机质与矿物的复合能力和土壤的固碳性能^[12-13]。但迄今为止，有关黑钙土的固碳性能和潜力的研究很少，特别是不同母质上发育的黑钙土的固碳性能和潜力、现时土壤的有机碳含量对土壤固碳性能和潜力是否有影响、不同秸秆添加量对黑钙土有机无机复合的影响等问题均有待深人研究。

基于上述情况，我们以黄土和红土母质及其发育的黑钙土为供试土壤，在田间调查的基础上，分别采集了耕层和母质层土壤样品，根据黑钙土区一季作物生长周期内，气温≥25 ℃的天数不超过120 d的实际情况，以玉米秸秆粉碎与土壤混合还田的方式，于室设置秸秆还田的恒温培养试验，研究了不同秸秆添加量对耕层和两种成土母质的重组有机碳含量及有机无机复合的影响，旨在揭示东北地区两种成土母质及其发育的黑钙土耕层土壤对玉米秸秆碳的固持性能，同时为以秸秆还田为核心的低成本、环境友好型耕作模式的构建提供理论支撑。

供试土壤分别为发育在黄土母质和红土母质上的黑钙土耕层和母质层土壤。于2015年5月分别采自吉林省农安县伏龙泉镇、开安镇和吉林省松原市前郭县套浩太乡、额如乡、王府站镇。按不同的有机碳含量，采用蛇形采样法，分别采集3个黄土母质上发育的耕层土壤和3个红土母质上发育的耕层土壤的混合样品，采样深度均为0~18 cm; 另外还分别采集了有代表性的黄土母质和红土母质样品各1个。供试耕层土壤均为玉米连作土壤，连作年限均在20年以上，常年施用化肥，均已多年未施用过有机肥，秸秆的处理方式是打碎翻压还田、田间焚烧或将秸秆运回作为饲料。将上述供试土壤样品带回实验室，经风干后过2 mm筛备用，其基本理化性质如表 1所示。

表 1 供试黑钙土的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested chernozem

表选项

供试有机物料为玉米秸秆，采自吉林农业大学试验田。样品经自然风干、粉碎，过1 mm筛后备用。供试玉米秸秆的有机碳含量为486.15 g·kg^-1，全氮含量为5.29 g·kg^-1，C/N为91.9。

培养试验按秸秆添加量占秸秆和土壤的总重(总重为500g，土壤以风干土为基准)不同分别设置0%、0.5%、1%、2%、3%、5%、10%、15%，共8个处理，每个处理重复3次。不同处理称取的秸秆质量与土壤质量见表 2, 将其充分混合后用一定量的蒸馏水将土壤含水量调整至15%(相当于田间持水量的60%)。将上述混合物搅拌均勻后装人长伊宽伊高=15.6 cm×11 cm×7 cm、体积约为1200 mL长方形带盖(盖上有通气孔)的塑料盒中，称重后放在25 ℃的恒温培养箱中培养120 d，每隔6 d通过称重补充水分以弥补蒸发损失量，120 d后取出瞭干备用。

表 2 培养试验不同处理的土壤和秸秆的添加量 Table 2 The amount of soil and straw added to different treatments

表选项

土壤重组的提取方法^[14]:采用相对密度分组法。称取过60目筛的风干土样10.00 g于100 mL离心管中。向离心管中加人相对密度为1.8的重液(ZnBr₂和蒸馏水添加比约为1:1，用比重计测量其相对密度并调节至1.8 g·cm^-3) 25 mL, 连续振荡1 h, 使土壤充分分散。处理后的土样以3000 r·min^-1的转速离心10 min，将轻组有机物置于带有滤纸的玻璃漏斗中过滤。离心管内的土壤继续加重液反复清洗至无轻组有机物为止。离心管中的重组用95%乙醇清洗3次，再用蒸馏水清洗3次，离心管中土样低温烘干，称重，将烘干的土样研磨过60目筛，备用。重组有机碳的测定采用重铬酸钾氧化法^[14]。

原土有机碳复合量(QC)是指土壤中有机碳与土壤矿物复合的质量占土壤质量的比例; 原土有机碳复合度(DC)是指土壤中复合的有机碳占土壤总有机碳的比例。土壤中添加有机物料后，增加的复合有机碳占土壤的比重，重组有机碳的增加量占土壤总有机碳增加量的比重，即表现为追加复合量(QAC)和追加复合度(DAC)^[12]。涉及到的计算公式如下：

采用Excel 2007和Origin 8.5统计软件进行数据统计分析。

不同秸秆添加量对黑钙土耕层和母质层土壤重组有机碳含量的影响如图 1a所示。随着秸秆添加量的增加，所有耕层土壤的重组有机碳含量均呈同步增加趋势，即使在秸秆添加量高达15%的条件下，各耕层土壤的重组有机碳含量仍然在增加，尚未达到“饱和”状态，说明耕层土壤尚存在很大的固碳潜力。从图 1a还可看出，6个耕层土壤重组有机碳含量从大到小的顺序为LHC-Ap、RHC-Ap、LMC-Ap、RLC₂-Ap、RLC₁-Ap及LLC-Ap。这一顺序与6个耕层土壤原土的有机碳含量大小顺序一致，说明在本试验条件下，原土有机碳含量在重组有机碳中仍然占有主导地位，尽管是不同成土母质类型发育的耕层土壤，但是对秸秆转化的腐殖质碳的固碳性能无明显影响。图 1a中，随秸秆添加量的增加，两个成土母质的重组碳含量也迅速增加，特别是秸秆添加量在0.5%~10%区间内，重组有机碳含量几乎呈直线上升，曲线的陡度显著高于耕层土壤。当秸秆添加量达15%时，黄土母质的重组有机碳含量高达14.00 g·kg^-1，而红土母质重组有机碳含量高达16.44 g·kg^-1，红土母质的重组有机碳含量总体上大于黄土母质，说明前者的固碳性能略强一些。

图 1 不同秸秆添加量对黑钙土耕层和母质层土壤重组有机碳含量及其增量的影响 Figure 1 Different straw addition on HFOM and increment in top soil and parent material of chernozem

图选项

图 1b是重组有机碳增量(添加玉米秸秆的耕层和母质层土壤重组有机碳含量与未添加秸秆的对照重组有机碳含量的差值)与秸秆添加量的关系曲线。可见，各耕层土壤及母质的重组有机碳增量均随着秸秆添加量的增加而呈逐步增加趋势。但从各曲线在图中的上下顺序来看，原土有机碳含量很低的两个母质的曲线均位于6个耕层土壤的上方，而在耕层土壤中，也有原土有机碳含量越高、曲线位置越低的趋势。由图 1b还可看出，两个供试母质原土有机碳含量极低，但其重组有机碳增量均随秸秆添加量的增加而呈迅速上升趋势。当秸秆添加量达15%时，黄土母质的重组有机碳增量较其三个耕层土壤重组有机碳增量的平均值(8.96 g·kg^-1)增加了4.05 g·kg^-1，而红土母质重组有机碳增量较其三个耕层土壤重组有机碳增量的平均值(9.55 g·kg^-1)增加了5.93 g·kg^-1，说明母质的固碳能力明显大于耕层土壤，其中红土母质的固碳能力要比黄土母质略强。通过相关性分析可知，重组有机碳增量与原土有机碳含量呈极显著负相关(r=-0.890^**)，与原土全氮含量呈极显著负相关(r=-0.871^**)，与DCB可溶成分(游离氧化铁和氧化铝)呈极显著正相关(r=0.855^**)。

不同秸秆添加量对黑钙土耕层和母质层QC、DC的影响如图 2所示。QC随着秸秆添加量的增加而增加，当秸秆添加量 < 10%时，QC呈快速增加趋势，同时还可看出在此范围内两种母质曲线的陡度显著高于耕层土壤。6个耕层土壤重组有机碳含量曲线在图中由上至下的次序也与6个耕层土壤原土的有机碳含量大小顺序一致。从增加幅度来看，与对照相比，当秸秆添加量为15%时，LLC-Ap、LMC-Ap、LHC-Ap的QC增率分别为118.90%、99.07%及37.70%，RLC₁-Ap、RLC₂-Ap、RHC-Ap的QC增率分别为122.79%、119.95%及76.49%。说明QC增率随着原土有机碳含量的增加呈下降趋势。添加秸秆能够促进土壤中有机碳与土壤矿物的复合，耕层土壤有机碳含量越低，复合量越高。当秸秆添加量为15%时，黄土母质和红土母质QC的增率分别为1 159.78%、553.82%，远大于耕层土壤。说明两种母质的复合能力高于耕层土壤，并且红土母质的复合能力更强。

图 2 不同秸秆添加量对黑钙土耕层及母质层原土有机碳复合量（QC）、原土有机碳复合度（DC）的影响 Figure 2 Different rates of straw addition on QC and DC in top soil and parent material of chernozem

图选项

黑钙土耕层和母质层的DC均随着秸秆添加量的增加而减小，与QC呈相反趋势，说明秸秆添加量越多，越不利于秸秆的腐解，导致轻组有机碳的增加速率大于重组有机碳的增加速率。从图 2b可看出，当秸秆添加量达15%时，与对照相比，黄土母质发育的三个耕层DC减率的平均值为56.19%，红土母质发育的三个耕层DC减率的平均值为55.16%，说明耕层土壤有机碳复合程度占土壤总有机碳的比例相差不多，母质类型对耕层土壤QC的影响不大。在本试验秸秆添加范围内，黄土母质和红土母质的DC分别小于其发育的耕层土壤，当秸秆添加量达15%时，黄土母质DC减率为66.25%，红土母质DC减率为59.93%，说明母质的有机碳复合程度占土壤总有机碳的比例比耕层小。与黄土母质相比，红土母质的有机碳复合程度占土壤总有机碳的比例大。

不同秸秆添加量对黑钙土耕层和母质层土壤QAC和DAC的影响见图 3。无论是耕层还是母质层土壤，其QAC均随着秸秆添加量的增加而逐步增大，至于原土有机碳含量对QAC的影响，图 3a中虽看不出明显的规律性，但有机碳含量极低的两种成土母质的QAC曲线均位于耕层土壤之上的事实，还是反映出低原土有机碳含量条件有利于QAC的提升。从图 3b可以看出，随秸秆添加量的增加，耕层和母质层土壤的DAC均呈下降趋势，原土有机碳含量的影响规律性进一步弱化，母质与耕层土壤的差别进一步缩小。

图 3 不同秸秆添加量对黑钙土耕层及母质层追加复合量（QAC）、追加复合度（DAC）的影响 Figure 3 Different rates of straw addition on QAC and DAC in top soil and parent material of chernozem

图选项

重组有机碳是与土壤矿物质结合并以有机无机复合体状态存在的碳^[11]，重组碳含量的高低与土壤矿质胶体含量和组成密切相关^[15-16]。本试验研究表明:土壤中添加有机物料后，均可不同程度提高重组有机碳的含量，而且原土有机碳含量越低的耕层土壤，其固碳能力越强，添加玉米秸秆后，其重组有机碳的增量也就越大，与前人研究结果^[17-19]—致。但是，本研究还发现母质层的固碳能力远大于耕层土壤，红土母质的固碳能力略大于黄土母质。这是因为:① 土壤中的粘粒是土壤有机碳重要的载体^[20-21]，原土有机碳含量高的土壤，其有机碳的吸附位点容易达到饱和，因此对外源碳的吸附能力降低^[22]。与耕层土壤相比，母质层土壤的有机碳吸附位点多处于“空置”状态，有利于其对有机碳的吸附^[23]。② 红土母质的DCB可溶成分(游离态铁铝氧化物含量)明显大于黄土母质，并均大于耕层土壤(表 1)。铁铝氧化物是土壤中重要的矿质胶结物质，是土壤中可变正电荷和负电荷的主要载体，它们有较大的比表面积和表面电荷，其含量越多，对有机碳的吸附作用越强^[24]。

为了探究短期内黑钙土对秸秆碳的最大固持能力，本研究设置了不同梯度的秸秆添加量。由试验结果可知，即使在秸秆添加量(高达15%)远远大于生产实践、培养时间仅相当于东北一个作物生长季的条件下，耕层土壤重组碳也仍然呈现较高的增长态势，说明土壤中黏粒胶体结合有机碳的位点远没有达到饱和状态。本研究结果从另一侧面说明，当外源有机碳供应充足的条件下，土壤重组碳在东北地区一个作物生育期内可较为迅速地上升到一定水平，从而为生产实践中有机质快速提升技术措施的制定奠定了理论支撑。但在现实生产条件下，秸秆还田对土壤有机质含量提升作用一般比较缓慢，其原因主要与秸秆还田量和还田方式有关。在黑钙土区玉米秸秆产量一般与玉米籽粒产量相当，即使每年都将玉米秸秆全量还田(按秸秆量9000 kg·hm^-2、耕层土壤重量2250 t·hm^-2)，其占耕层土壤重量的比率也仅为0.4%，矿化后的残留碳量一般不超过31.3%^[17]。因此，在短时期内提升有机碳含量的效果十分有限^[25]。如果采取秸秆地表覆盖方式还田，其对耕层土壤有机碳的提升效果将会更加有限^[26]。

由本试验研究可知：土壤添加玉米秸秆后，可以增加QC，降低DC，与傅积平等^[27]研究一致。土壤中添加了秸秆后，微生物活性增加，促进秸秆碳的矿化及腐殖化作用，进而使土壤重组有机碳含量增加。但当秸秆添加量过大时，可能会使C/N增大，从而抑制微生物活性，进而抑制重组有机碳含量的增长，致使DC呈下降趋势^{[17, 28]}。

本研究中黑钙土添加有机物料后，均可不同程度提高土壤的QAC，其作用效果主要取决于有机物料的化学组成，并随物料添加量的增加而提高^[29-30]。但对土壤DAC的影响却有所不同，随秸秆添加量的增加，整体呈下降趋势，与傅积平等^[27]的研究结果一致。然而姜岩等^[17]在连续2年的盆栽试验中发现，在玉米秸秆添加量0.25%~9.0%，并施用一定量的氮、磷化肥的条件下，DAC随玉米秸秆添加量的增加而提高。本研究中，由于没有对添加秸秆的供试土壤进行C/N调整，在较低的秸秆添加量范围内，微生物活性可能不受C/N的制约，DAC随着秸秆添加量的增加呈同步增加趋势; 但在秸秆添加量较高、培养时间较短的条件下，随秸秆添加量的增加，C/N也不断增大，致使微生物活性及秸秆碳的转化受到抑制，造成土壤QAC的增加速度逐步小于土壤有机碳的增加速度，使DAC下降，说明试验条件对土壤DAC的变化有很大影响。

(1) 随着秸秆添加量的增加，供试黑钙土耕层和母质层土壤的重组有机碳含量、QC、QAC均显著增加，DC、DAC均降低。

(2) 通过对比重组有机碳增量和QC增率可知，原土有机碳含量越高的土壤其QC增率越小，且母质层远高于耕层土壤，说明有机碳含量越低的土壤固碳潜力越大。红土母质的固碳潜力大于黄土母质，母质层均大于耕层土壤。