土壤有机碳(Total organic carbon，TOC)作为土壤质量的重要评价指标，其含量、组成、结构和稳定性直接或间接影响土壤生态系统的功能^[1]。土壤有机碳储存特别是稳定有机碳库的变化，将对大气CO₂浓度产生重大影响^[2]。提高土壤中有机碳的稳定性被认为是在全球气候变化背景下减轻CO₂排放的有效方式之一^[3-4]。秸秆还田通过增加土壤外源有机物的输入，不仅影响农田土壤理化性质及过程^[5-6]、改善土壤生物(微生物、土壤动物)群落结构和活性^[7]，还改变有机碳组成与分子结构^[8-9]，进而影响土壤有机碳的分解速率和稳定性^[10]，最终导致农田土壤有机碳储量变化。国内外不少学者从不同时空尺度的试验^[11]及利用Meta分析^{[8, 12]}等方式探讨了秸秆还田方式、还田量、还田时间对土壤总有机碳、活性有机碳^[13]、团聚体有机碳^[14]的影响，均证实秸秆还田是增加农田土壤有机碳的有效途径之一^[15-17]，但关于秸秆还田对土壤有机碳稳定性影响的报道还比较少。因此，了解土壤有机碳稳定性对秸秆还田响应对维持农田土壤碳库有重要的意义。

前人研究表明土壤有机碳性质特征是决定有机碳的降解速率与稳定性的关键因素^{[13-14, 18-19]}。首先，土壤有机碳的降解速率与其自身分子结构(有机碳化学性质)密切相关，如烷基碳、芳香性碳等含碳官能团的含量^{[1, 18]}。不同官能团结构对微生物、酶催化分解的抗性不同，其在环境中的持留时间存在极大差异^{[1, 20]}，因此，有机碳官能团结构特征在某种程度上可以解释土壤碳库稳定性^{[18, 20]}。国内外不少学者认为土壤有机碳的官能团组成及其稳定性与外源进入土壤的有机物质数量和质量(化学结构)密切相关^{[18, 20]}。秸秆还田过程中外源有机质不断被分解，秸秆中的烷氧基碳(易降解组分)会快速分解进入土壤中，而芳香碳和烷基碳(难降解组分)会选择性保留，最终影响土壤有机碳的化学结构^[20-21]，当前应用13C核磁共振技术研究秸秆还田对有机碳结构影响还比较少。其次，有机碳的稳定性与土壤各有机碳组分含量密切相关。土壤中可溶性有机碳(Dissolved organic carbon，DOC)、易氧化态碳(Easily oxidizable carbon，EOC)和微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)等活性碳组分(易降解组成)对土壤微环境的变化敏感，明显受秸秆还田、施肥等农业管理措施的影响^[22]。随着秸秆碳在土壤中的转化及其在土壤不同碳库中的分配，必将引起土壤各有机碳组分含量发生变化，进而改变土壤中有机碳的矿化及分解进程，最终影响到有机碳的稳定性^[21-22]。因此，明晰秸秆还田对土壤有机碳官能团结构特征与有机碳各组分的影响，有助于揭示秸秆还田对土壤有机碳稳定性的影响及其增碳的作用机制。

前人研究证实土壤有机碳稳定性也受土壤团聚体的物理保护作用、土壤高价阳离子的结合作用及土壤微生物的生态稳定作用等物理、化学、生物综合作用的影响^{[18, 23]}。Wang等^[14]和王峻等^[24]研究证实秸秆还田能促进土壤大团聚体的形成，同时增加了大团聚体、中团聚体中有机碳的含量，说明秸秆还田一定程度上强化了团聚体对土壤有机碳的物理保护作用，有助于提高土壤有机碳稳定性。Xue等^[25]研究证实秸秆还田可能通过影响土壤铁形态的变化而导致有机碳的稳定性变化；Chen等^[7]研究表明，秸秆还田通过改变土壤微生物群落结构及活性，从而影响土壤有机碳的分解速率和稳定性。

在小麦-玉米轮作系统中，关于秸秆还田时间、还田量对土壤不同形态有机碳含量和质量变化及土壤理化性质、微生物等因素对土壤有机碳影响方面已作了大量报道^{[13, 23-26]}, 而对农田土壤有机碳官能团结构方面的研究，主要侧重短期秸秆还田及秸秆与生物炭配施对烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羧基碳等有机碳官能团影响，且没有得出一致性结论^{[23, 27-28]}，同时关于秸秆还田影响土壤有机碳稳定性的综合作用机制也鲜有报道。因此，秸秆还田对小麦-玉米轮作系统土壤有机碳官能团结构特征及有机碳稳定性的影响研究还亟需深入。

本研究分析短期(5 a)不同还田量对小麦-玉米轮作系统土壤有机碳官能团结构特征、活性有机碳、团聚体组成及其有机碳含量与铁离子特征的影响，以全面了解小麦、玉米秸秆还田后土壤有机碳官能团结构及有机碳组分的变化，阐明秸秆还田对土壤有机碳稳定性的影响程度及其作用机制，以期为科学解释秸秆还田对土壤有机碳库的影响提供理论依据。

青岛农业大学试验站(位于山东平度市蓼兰镇，36°67′ 09″ N，119°88′ 41″ E)属于温带半湿润大陆性气候，年平均气温11.9 ℃，年平均降雨量680 mm，是典型的冬小麦-夏玉米一年两熟区。试验开始前耕层(0~20 cm)土壤含有机质14.22 g·kg^–1、全氮1.28 g· kg^–1、速效磷8.99 mg·kg^–1、速效钾82.26 mg·kg^–1、硝态氮10.54 mg·kg^–1、铵态氮4.21 mg·kg^–1，pH 8.02。

还田秸秆制备：小麦、玉米收获后，用小型粉碎机将秸秆粉碎为 < 2.00 cm的粉末，小麦、玉米秸秆的含水率(SM)分别为10.11%~10.96%和11.42%~11.98%，总有机碳含量分别为45.21%~47.96%和41.2%~ 46.78%。试验始于2013年10月，试验设4个处理，分别为：(1)秸秆不还田(CK)，小麦、玉米收获后，人工移除秸秆及根系；(2)秸秆1/3还田(S1)，小麦、玉米秸秆总量的1/3还田；(3)秸秆2/3还田(S2)，小麦、玉米秸秆总量的2/3还田；(4)秸秆全量还田，小麦、玉米秸秆所有均还田(S3)。每个处理设4个重复，共16个小区，小区面积为6 m×8 m=48 m²，每个小区之间有宽1 m的隔离带。

本区种植制度为小麦-玉米轮作，每年10月中旬种植冬小麦，6月上旬收获小麦，6月中上旬种植玉米，10月上旬收获玉米。小麦、玉米均统一种植，并统一水肥管理。肥料的使用量为优化的经济施肥量，其中小麦季氮、磷、钾肥用量折合成纯养分N-P₂O₅- K₂O：206-127-139 kg·hm^-2，N肥1/2作为基肥，1/2在拔节期追施，磷肥和钾肥全部作为基肥。玉米季氮、磷、钾肥用量折合成纯养分N-P₂O₅-K₂O：236-105- 194 kg·hm^-2，全部作底肥。耕作方式为冬小麦季旋耕(10~13 cm)，夏玉米季免耕，还田秸秆均为上季作物粉碎残体，其他田间管理措施均保持一致。

2018年10月玉米(秸秆还田第5 a)收获时，采用“S”型采样法，在每个小区内选择6个重复，利用挖剖面取样法在各样点采集0~30 cm未扰动的原状土样，用塑料保鲜盒带回实验室。土壤去除植物根系、碎屑等杂物，一部分风干用于检测土壤团聚体组成、土壤有机碳含量、土壤有机碳官能团结构分析；另一部分过2 mm土壤筛，储藏于4 ℃冰箱中用于测定土壤微生物量碳含量。

采用烘干法测定土壤含水量；采用重铬酸钾加热滴定法测定TOC含量；采用去离子水浸提法测定DOC含量；采用高锰酸钾氧化法测定EOC含量；采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定MBC含量^[29]。采用湿筛法分离出>2.00、2.00~0.25、0.25~0.053、< 0.053 mm 4个粒径的团聚体，分别称为大团聚体、中团聚体、微团聚体、粉+黏团聚体，烘干称质量，计算各级团聚体的质量百分比^[30]。分离后的团聚体经风干，用于测定各团聚体组分中有机碳含量。土壤游离铁、络合态铁、活性铁检测分别采用连二亚硫酸钠还原法、焦硫酸钠法和草酸法处理土壤样品，然后用原子吸收光谱(PinAAcle 500，PerkinElmer，美国)进行测定。

土壤有机碳官能团结构采用13C核磁共振波谱技术(NMR)分析。进行核磁共振波谱分析前，先对土壤样品进行HF预处理除去金属离子干扰，以提高仪器分析结果的精确度，具体参照孙慧敏等^[31]的方法。样品测试采用核磁共振仪(Varian Infinity Plus 300 MHz，Varia公司，美国)、固态13C-交叉极化魔角旋转技术。测定参数：1H共振频率为299.835 636 MHz，13C共振频率为75.400 04 MHz，转速9.0 kHz，接触时间为1.0 ms，循环延迟时间为4.0 s。土壤有机碳化学结构波谱大多划分为四大官能区：(1)烷基碳(Alkyl C，0~ 50 mg·kg^-1)；(2)烷氧基碳(O-alkyl C，50~110 mg· kg^-1)；(3)芳香碳(Aromatic- C，110~165 mg · kg^-1)；(4)羰基碳(Carbonyl-C，165~190 mg·kg^-1)。其中，烷基碳+芳香碳=疏水碳，烷氧基碳+羰基碳=亲水碳，烷氧基碳+烷基碳=脂族碳，芳香度=芳香碳/总和，疏水性= (芳香碳+烷基碳)/ (烷氧基碳+羰基碳)。

采用SPSS 22.0统计分析软件进行各项指标之间的差异性分析，显著性检验采用LSD法(α=0.05)。文中数据均为平均数±标准误，用Origin 9.0作图。采用Canoco 5.0软件对土壤因子与土壤有机碳官能团组分进行冗余分析(Redundancy analysis，RDA)，用蒙特卡洛检验(Monte Carlo)分析RDA结果中土壤因子的影响是否达到显著水平^[32]。

土壤团聚体组成随还田量的变化如表 1所示。大团聚体(>2.00 mm)、中团聚体(2.00~0.25 mm)组分表现出随着秸秆还田量增加逐渐增加，其中与CK相比，S3处理>2 mm组分显著增加(P < 0.05)；微团聚体(0.25~0.053 mm)和粉+黏团聚体(< 0.053 mm)组分却随着秸秆还田量增加呈逐渐降低趋势，与CK相比，S3处理 < 0.053 mm组分显著降低(P < 0.05)。可见，随秸秆还田量增加大团聚体与中团聚体组分有增加而微团聚体与粉+黏团聚体组分有降低的趋势。

表 1 Table 1

表 1 不同处理土壤团聚体组成变化(%) Table 1 Changes of soil aggregate composition in different treatments (%)

表 1 不同处理土壤团聚体组成变化(%) Table 1 Changes of soil aggregate composition in different treatments (%)

不同秸秆还田处理下，土壤总有机碳与团聚体有机碳含量的变化如表 2所示。随着秸秆还田量增加，土壤总有机碳(TOC)含量逐渐增加，与CK相比，S3处理增加了39.45%，差异显著(P < 0.05)。>2.00 mm与2.00~0.25 mm团聚体有机碳含量与TOC含量趋势一致，与CK相比，S3处理分别增加了34.63%和35.19%，差异显著(P < 0.05)。秸秆还田量对0.25~ 0.053 mm和 < 0.053 mm团聚体有机碳含量影响不明显。可见，随着秸秆还田量增加，土壤TOC、大团聚体与中团聚体有机碳含量呈现逐渐增加趋势。

表 2 Table 2

表 2 不同处理土壤总有机碳和团聚体有机碳含量(g·kg-1) Table 2 The soil organic carbon content of total and aggregates in different treatments(g·kg-1)

表 2 不同处理土壤总有机碳和团聚体有机碳含量(g·kg-1) Table 2 The soil organic carbon content of total and aggregates in different treatments(g·kg-1)

不同秸秆还田处理土壤活性有机碳含量的变化如图 1所示。与TOC的变化趋势相同，不同秸秆还田处理下，土壤DOC、MBC和EOC含量均增加，呈现为S3>S2>S1>CK。土壤DOC(图 1A)，与CK相比，S3、S2处理其含量分别增加了61.27%和42.38%，差异达到显著水平(P < 0.05)；不同还田量下，S3处理DOC含量最高，与S1相比，增加了32.71%，差异显著(P < 0.05)。土壤EOC (图 1B)，与CK相比，S3、S2处理其含量分别增加了47.36%和31.72%，差异显著(P < 0.05)；不同还田量下，S3处理EOC含量最高，与S1相比，增加了38.12%，差异显著(P < 0.05)。土壤MBC (图 1C)，与CK相比，S2、S3处理MBC含量分别增加了29.05%和36.67%，增加显著(P < 0.05)，且不同还田量处理间差异不显著。

图 1 不同处理土壤活性碳组分DOC，EOC和MBC含量 Figure 1 Fractions of soil active carbon components DOC, EOC and MBC in different treatments

不同秸秆还田处理土壤有机碳官能团均以烷基碳(Alkyl-C)与烷氧基碳(O-Alkyl-C)为主，其次是芳香碳(Aromatic-C)与羰基碳(Carbonyl-C)(图 2A)。随还田量增加，土壤烷氧基碳相对含量有逐渐增加趋势，与CK相比，S3处理其含量增加了4.76%，差异显著(P < 0.05)。与CK相比，S3处理羰基碳、烷基碳相对含量分别增加和降低了19.58%和4.76%，差异不显著。随着还田量增加，土壤芳香碳相对含量有逐渐降低趋势，与CK相比，S2、S3处理其含量分别降低了20.01%和18.53%，差异均达到显著水平(P < 0.05)。可见，秸秆还田增加了烷氧基碳、羰基碳(易降解组分)含量而降低了烷基碳和芳香碳(难降解组分)含量。

图 2 不同处理土壤有机碳官能团相对含量与比率 Figure 2 Functional groups compositions and ratio of soil organic carbon in different treatments

土壤有机碳各官能团比值变化如图 2B所示。随着秸秆还田量增加，芳香度与疏水碳/亲水碳的比值逐渐降低。与CK相比，S2、S3处理显著降低了芳香度、疏水碳/亲水碳、烷基碳/烷氧基碳的比值(P < 0.05)，增加了脂族碳/芳香碳的比值，但差异不显著。因此，秸秆还田降低了芳香度、疏水碳/亲水碳、烷基碳/烷氧基碳比值，而增加了脂族碳/芳香碳比值。

土壤中3种形态铁离子含量呈现为游离铁(Free iron) >活性铁(Active iron) >螯合铁(Chelated iron)(图 3)。3种形态铁离子均随着秸秆还田量增加而逐渐增加，但差异不显著。

图 3 不同处理下土壤铁形态变化 Figure 3 Changes of soil iron in different treatments

冗余分析(图 4)表明，10个环境变量解释了43.2%的有机碳官能团组成的变化，其中第一轴和第二轴的解释率为35.4%和7.8%。蒙特卡罗检验结果表明，土壤TOC (F=19.7，P < 0.01)、MBC (F=8.4，P < 0.05)含量、>2.00 mm团聚体(F=7.9，P < 0.05)对有机碳官能团结构的影响达到显著水平。因此，TOC、MBC含量、团聚体组成及铁离子含量改变是导致不同处理间土壤有机碳官能团结构存在差异的主要原因。

图 4 土壤特征与有机碳组分的冗余分析 Figure 4 The RDA analysis between soil properties and proportions of soil organic carbon

国内外大量研究均证实小麦、玉米、水稻等秸秆还田能显著增加土壤中总有机碳的含量^{[15-16, 28]}，这与本文的研究结果一致。小麦-玉米秸秆还田导致轮作系统中土壤总有机碳含量增加的原因如下：(1)秸秆本身是一种碳源，大量秸秆还田后，增加了土壤有机质输入量，导致土壤可利用的有机碳资源迅速增加，改善土壤中微生物群落结构，促进了土壤微生物的生长，提高土壤的生物活性^{[6, 17, 27]}，提升秸秆降解和秸秆有机碳转化为土壤有机碳的能力^[33]，直接提高土壤总有机碳含量。(2)秸秆还田通过改变土壤物理结构，改善土壤团聚体结构^[24]，促进土壤大团聚体形成，增加大团聚体有机碳含量，加速土壤有机碳积累^{[15, 19]}。(3)秸秆的降解过程释放出大量的营养元素，促进了作物根系的生长发育，从而增加了作物根系分泌物，增加了土壤有机碳含量^[34]。此外，秸秆对土壤总有机碳的影响还受还田量和还田时间的影响^[23-24]。前人研究表明，短期内随着秸秆还田量与还田年限的增加，土壤有机碳含量持续增加^[35]。本研究也证实随着还田量的增加，土壤有机碳含量逐渐增加，截止到秸秆还田第5 a，土壤有机碳含量为13.75 g·kg^-1，在华北农田耕层土壤有机碳变化范围内^[35]，同时土壤有机碳含量也受到土壤质地和结构的影响^[17]。

国内外报道也证明秸秆还田改变土壤有机碳不同组分含量^{[13-14, 22]}。本研究发现秸秆还田增加了土壤中DOC、EOC和MBC 3种活性碳含量，这与李新华等^[22]的研究结果基本一致。究其原因是秸秆还田为微生物生长与繁殖提供充足碳源和庇护所，增强微生物的活性，进而促进秸秆有机物质以及秸秆腐解，增加了活性碳组分的主要来源，因此提高了土壤中活性碳组分(易降解)含量。本研究发现秸秆还田增加了土壤>2.00 mm团聚体和2.00~0.25 mm团聚体中有机碳含量，且大团聚体有机碳含量最高，这与Six等^[36]研究结果一致，这可能是通过有机物或有机质的胶合作用将土壤颗粒团聚在一起形成大团聚体，由此，大团聚体颗粒赋存的有机碳最多。此外，由于>2mm大团聚体组分少，而2.00~0.25 mm团聚体组分最多，因此，秸秆还田新积累的碳大部分也赋存于中团聚体内^[24]。

烷基碳与芳香碳用来表征难被微生物利用的碳化合物，是难以降解的较稳定有机碳组分^[37]。烷氧基碳和羰基碳表示易被微生物代谢利用的易分解有机碳、不稳定有机碳^[26]。本文中土壤有机碳以烷氧基碳和烷基碳为主，随着秸秆还田量增加，易分解的烷氧基碳与羰基碳的组分增加，而难降解的烷基碳与芳香碳组分降低，这与Chen等^[23]和Kubar等^[38]研究中水稻秸秆还田的结果类似，究其原因是秸秆中含有大量半纤维素、纤维素、聚合和非聚合的碳水化合物等易分解的碳组分。这表明5 a秸秆还田可能会增加土壤中易分解的碳含量，促进小麦-玉米轮作系统土壤碳排放，尤其以秸秆全量还田处理更为明显。

烷基碳/烷氧基碳比值是评价土壤有机碳分解程度的敏感指标，可用来反映秸秆腐质烷基化程度的高低和土壤有机碳的稳定性^[26]。脂族碳/芳香碳比值反映有机碳分子结构的复杂程度，比值越大，表明该有机碳分子结构越简单^{[20, 37]}。秸秆还田明显降低了烷基碳/烷氧基碳比值，且随还田量增加而降低，对脂族碳/芳香碳比值的影响不明显，这与Kubar等^[38]和Xue等^[39]的研究结果几乎一致，表明秸秆还田5 a促使土壤中低烷基化的有机碳组分累积，增加了土壤有机碳不稳定性，同时发现土壤有机碳稳定性受小麦、玉米秸秆还田量的负向调控。

芳香度值反映土壤有机碳的稳定性，通常值越大有机碳稳定性越好。随还田量增加，芳香度值逐渐降低，这与Kubar等^[38]和Xue等^[39]的结果一致，表明秸秆还田可能暂时降低了土壤有机碳的稳定性。疏水碳/亲水碳比值反映土壤有机碳和团聚体结构的稳定性，其比值越大说明由团聚体作用引发的有机碳稳定性越高^[40]。有研究发现，短期秸秆还田降低水稻土有机碳的疏水性，增加有机碳的矿化程度^[39]。本研究显示，秸秆还田5 a后疏水碳/亲水碳比值显著下降，随着还田量增加，该比值明显降低，这表明有机碳稳定性随还田量增加而降低。其原因可能是秸秆还田导致土壤中大团聚体增加，更利于活性较强的低分子有机碳累积^[41]，短期内秸秆还田量越高，不稳定低分子有机碳累积越高。

土壤团聚体是土壤有机碳形成和转化的重要载体^[18-19]，有机碳稳定性受到团聚体的物理保护作用^[42-43]。这是由于土壤中的团聚体将土壤有机碳储存在其内部，隔离氧气、水分和微生物与酶的分解作用，形成天然的物理保护屏障^{[4, 36]}。本研究发现大团聚体、中团聚体与烷氧基碳和羰基碳相对含量间呈现正相关关系，而微团聚体、粉+黏团聚体与芳香碳和烷基碳相对含量之间呈现正相关关系(图 4)，这与前人的研究结果基本一致：土壤粒径越大，有机碳中烷氧基碳所占比率越高；土壤粒径越小，烷氧基碳所占比率越低；随着粒径的减小，烷基碳和芳香碳相对含量逐渐增加^{[26, 39, 41]}。这是由于粉粒和黏粒形成较为密集的物理结构及与土壤中的矿物离子结合形成胶状有机物抵抗土壤有机碳降解，增强了有机碳结构稳定性^{[18, 23]}。秸秆还田5 a后土壤大团聚体比率增加，微团聚体和粉+黏团聚体比率降低，由此，短期秸秆还田可能降低了土壤团聚体的物理保护作用，不利于维持小麦-玉米轮作系统中土壤有机碳稳定性。

土壤有机碳稳定性还受到土壤高价阳离子络合作用的影响^{[19, 25]}，这是由于高价阳离子与有机碳间通过络合反应形成复杂的官能团，降低了有机碳的降解^[42]。本研究显示土壤游离铁、活性铁、螯合铁与芳香碳、烷基碳相对含量之间呈现正相关关系(图 4)，表明土壤中铁离子变化对土壤有机碳稳定性具有积极作用，这与前人的研究结果^{[26, 39]}一致。究其原因可能是土壤中游离铁、螯合铁、活性铁等非晶质氧化物的巨大比表面积增加了对可溶性有机碳的吸附能力，或者通过螯合作用形成了难以分解的物质，提高了土壤有机碳的稳定性。秸秆还田在一定程度上可能通过影响土壤铁离子形态而导致有机碳的稳定性变化。

土壤微生物与土壤有机质化学性质间的相互作用控制着土壤的碳循环过程^[43]。微生物通过参与团聚体内的有机碳、矿物结合态碳及稳定性碳的分解，而影响有机碳的稳定性^{[18, 44]}。本文中RDA分析显示MBC与烷氧基碳、羰基碳相对含量间呈现正相关关系，这是由于秸秆还田通过增加微生物食物供给及改善微生物的生境条件，提高了其活性(MBC含量) ^{[17, 27]}，从而促进秸秆有机碳分解，加速了不稳定性有机碳的形成。此外，MBC作为活性有机碳的组成部分，秸秆还田促使其含量增加，对不稳定性有机碳含量作出一定贡献。因此，土壤MBC含量变化也是不同量秸秆还田处理土壤有机碳结构稳定性存在差异的重要原因之一。

(1) 随秸秆还田量增加，小麦-玉米轮作系统中土壤TOC、>2.00 mm与2.00~0.25 mm团聚体有机碳含量及土壤DOC、MBC和EOC含量逐渐增加，与对照相比，全量还田显著增加这些有机碳含量。

(2) 秸秆还田增加了烷氧基碳和羰基碳(易降解有机碳)相对含量，降低了烷基碳和芳香碳(难降解有机碳)相对含量。随秸秆还田量增加，烷氧基碳相对含量有逐渐增加趋势，而芳香碳含量则呈现相反趋势。秸秆还田降低了有机碳的芳香度、疏水碳/亲水碳、烷基碳/烷氧基碳比值，对脂族碳/芳香碳比值影响不明显。

(3) 秸秆还田增加了大、中团聚体比例，减少微团聚体和粉+黏团聚体比例，与对照相比，全量还田显著增加了大团聚体比率，显著降低了粉+黏团聚体比率。

综合分析表明，秸秆还田增加了易降解有机碳组分，减少了难降解有机碳组分，降低了微团聚体物理保护作用，因而，短期秸秆还田降低了麦玉轮作系统土壤有机碳稳定性。