秸稈還田方式對(duì)草甸土有機(jī)碳和硝態(tài)氮分布特征的影響

李玉梅　王根林　劉崢宇　張冬梅　李艷　蔡姍姍

摘要? [目的]研究不同耕法與秸稈還田方式下草甸土不同深度土層中有機(jī)碳（SOC）和硝態(tài)氮（N）的分布特征，為有效利用秸稈培肥土壤提供依據(jù)。[方法]采用田間定位試驗(yàn)，研究3種耕法（免耕、淺翻、深翻）與3種秸稈還田方式（覆蓋還田、淺翻還田、深翻還田）條件下，不同時(shí)期、不同深度土層中SOC與硝態(tài)N的變化。[結(jié)果]無(wú)論秸稈是否還田，不同耕法下土壤硝態(tài)N含量隨生育進(jìn)程均表現(xiàn)為先升高再降低的趨勢(shì)，苗期>成熟期>播種期;無(wú)秸稈還田條件下，3種耕法處理土壤硝態(tài)N含量隨土層深度增加而降低，40～50 cm土層均沒有出現(xiàn)硝態(tài)N富集現(xiàn)象，淺翻與深翻分別對(duì)10～20和20～30 cm土層硝態(tài)N含量影響較明顯;深翻處理0～30 cm土層SOC含量比免耕和淺翻分別降低8.75%、9.53%;秸稈還田條件下，不同時(shí)期土壤硝態(tài)N總積累量不同。苗期以深翻還田處理積累量較大，比淺翻還田和免耕覆蓋分別增加8.15和9.57 mg/kg;成熟期硝態(tài)N總積累量以免耕覆蓋處理最大，比淺翻還田和深翻還田分別提高19.23%和14.68%;深翻還田30～40 cm土層SOC含量比免耕覆蓋和淺翻還田分別增加3.33和3.86 g/kg。[結(jié)論]同一耕法，短期內(nèi)連續(xù)有秸稈還田處理土壤硝態(tài)N含量低于無(wú)秸稈還田處理，秸稈還田深度影響不同深度土層中SOC的含量。

關(guān)鍵詞? 草甸土;秸稈還田;有機(jī)碳;硝態(tài)N;分布特征

中圖分類號(hào)? S-3;S158.2??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

文章編號(hào)? 0517-6611（2019）24-0063-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.021

Effects of Straw Returning Methods on Distribution Characteristics of Organic Carbon and Nitrate-N in Meadow Soil

LI Yu-mei1， WANG Gen-lin2， LIU Zheng-yu3 et al

（1.Institute of Soil Fertility and Environmental Resources，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;2.Institute of Animal Husbanbry of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;3.Heilongjiang Suibin Farm， Suibin，Heilongjiang 154213）

Abstract? [Objective]The research aimed to study the distribution characteristics of organic carbon （SOC） and nitrate nitrogen （N） in different depths of meadow soil under different tillage methods and straw returning methods， and provide a basis for effective use of straw to fertilize soil.[Method]Field positioning experiment was conducted to study the changes of SOC and nitrate-N in soil layers of different periods and depths under the conditions of three kinds of tillage methods （no-tillage， shallow tillage， deep tillage） and three kinds of straw returning methods（covering returning fields， shallow tillage turning field， deep tillage turning field）.[Result]The trend of soil nitrate-N content was increased first then decreased with the growth process whether the straw was returned to the field， seedling stage>maturation period> sowing date.The soil nitrate-N distribution under three kinds of tillage was decreased with the depth of soil layer decreasing without straw， and there was no nitrate-N enrichment in 40-50 cm soil layer in the short term， at the same time the nitrate-N content in 10-20 cm and 20-30 cm soil layers was respectively influenced by shallow tillage and deep tillage.The SOC content was effected at deep tillage in 0-30 cm soil layer， which was lower 8.75% and 9.53% than that in no-tillage and shallow tillage.After the straw was returned to soil， the total accumulation of soil nitrate N in different periods was different.In the seedling stage， the accumulation of nitrate-N in the deep tillage turning field was larger， which was 8.15 and 9.57 mg/kg higher than that of shallow-turning and no-tillage. But in the mature period， it was the largest in the no-tillage treatment， which was 19.23% and 14.68% higher than that of the shallow tillage turning field and the deep tillage turning field.The SOC content with deep tillage turning field in 30-40 cm soil layer was higher 3.33 and 3.86 g/kg separately than no-tillage and shallow tillage turning field.[Conclusion]In the same tillage method， the soil nitrate N content in the short-term continuous straw returning treatment was lower than that without straw returning， and the straw returning depth affected the SOC content in different depth soil layers.

Key words? Meadow;Straw return;Soil organic carbon;Nitrate-N;Distribution characteristics

基金項(xiàng)目? 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300806）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃省級(jí)資助項(xiàng)目（GX18B013）;黑龍江省重點(diǎn)基金項(xiàng)目（ZD2016008，LBH-Q14148）。

作者簡(jiǎn)介? 李玉梅（1971—），女，四川射洪人，研究員，博士，從事土壤修復(fù)與培肥研究。*通信作者，研究員，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事作物耕作與栽培研究。

收稿日期? 2019-06-21

硝態(tài)N是植物吸收氮素的主要形態(tài)之一，由于硝酸根離子不易被土壤膠體吸附，隨土壤溶液移動(dòng)，因此更易造成氮素?fù)p失和地下水污染。長(zhǎng)期以來，以追求產(chǎn)量為目標(biāo)的高化肥投入，帶來肥料利用率下降、土壤氮素流失的同時(shí)，土壤肥力下降，作物產(chǎn)量降低[1]。秸稈還田是增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤肥力的有效途徑[2]，秸稈中大量有機(jī)碳的介入影響土壤N礦化/固持過程的時(shí)間和強(qiáng)度，從而影響土壤無(wú)機(jī)N的動(dòng)態(tài)變化[3]。不同秸稈還田方式對(duì)土壤無(wú)機(jī)N的分布與積累影響不同[4-5]。楊振興等[6]研究表明，在投入150 kg/hm2無(wú)機(jī)N的前提下，無(wú)秸稈還田、秸稈覆蓋還田、粉碎還田及過腹還田旱地土壤剖面硝態(tài)N累積量均在80 cm土層以下出現(xiàn)了明顯的硝態(tài)N積累峰，秸稈覆蓋還田雖然累積量最少，然而在200～300 cm的累積量卻占總累積量的25.63%，硝態(tài)N 淋失的風(fēng)險(xiǎn)最高。中層黑土連續(xù)免耕和翻耕6年，玉米小區(qū)土壤硝態(tài)N含量呈自上而下遞減，表層和亞表層硝態(tài)N含量高于底層，而大豆小區(qū)免耕土壤硝態(tài)N有向底土層富集的現(xiàn)象，隨時(shí)間延長(zhǎng)，免耕對(duì)土壤硝態(tài)N淋失的影響開始顯現(xiàn)[7]。東北旱地草甸土由于長(zhǎng)期耕種和機(jī)械化壓板，造成耕層淺薄、通氣儲(chǔ)水能力差等土壤退化現(xiàn)象的發(fā)生。因此，該研究通過田間定位試驗(yàn)，探討秸稈還田對(duì)旱地草甸土有機(jī)碳及硝態(tài)N的分布特征的影響，比較有無(wú)秸稈還田條件下耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分積累的動(dòng)態(tài)變化，為今后生產(chǎn)中構(gòu)建合理的輪耕與秸稈還田培肥技術(shù)、減少化肥用量、促進(jìn)黑土資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省牡丹江市溫春鎮(zhèn)（44°60′N，129°58′E），寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.9 ℃，年平均降雨量500～600 mm，平均活動(dòng)積溫2 300～2 500 ℃·d。土壤類型為碳酸鹽性草甸土，試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量：全N 1.12 g/kg、全P 0.55 g/kg、全K 2.53 g/kg，堿解N 101.55 mg/kg、速效P 26.50 mg/kg、有效K 130.28 mg/kg，有機(jī)質(zhì)16.50 g/kg，pH 7.93。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究于2016年5月—2018年10月進(jìn)行，設(shè)置秸稈還田和不還田2個(gè)主處理，3種耕法為副處理，共6個(gè)處理，分別為免耕（NT）、淺翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）和免耕秸稈覆蓋地表（NT-S）、秸稈淺翻還田20 cm（ST-S）和秸稈深翻還田35 cm（DT-S）。每小區(qū)面積234 m2，3次重復(fù)。玉米施肥量為尿素（N 46%）300 kg/hm2、磷酸二銨（P2O5 48%）250 kg/hm2、氯化鉀（K2O 50%）150 kg/hm2。

秸稈翻耕還田：每年秋季玉米收獲后，利用秸稈粉碎機(jī)將秸稈粉碎至長(zhǎng)度小于10 cm后，平鋪地表，用150馬力大型機(jī)械帶動(dòng)五鏵翻轉(zhuǎn)犁將秸稈翻埋于20 cm或35 cm土層中。

秸稈不還田：采取人工收割秸稈后移走方式。

免耕與免耕秸稈覆蓋處理在作物整個(gè)生長(zhǎng)期間均不進(jìn)行中耕管理。

1.3? 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1? 樣品采集。

土壤樣品于2018年在玉米生長(zhǎng)不同時(shí)期（播期、苗期和成熟期）采集。用土鉆分層采集0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層新鮮土樣，每個(gè)小區(qū)采集3點(diǎn)混合成1個(gè)樣品，3次重復(fù)，一部分立即測(cè)定土壤水分及硝態(tài)N含量，其余部分風(fēng)干后用于常規(guī)分析。成熟期土壤樣品測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC）。

1.3.2? 測(cè)定方法。

土壤硝態(tài)N：稱取過2～3 mm篩孔色新鮮土樣12.00 g置于150 mL三角瓶中，加入0.01 mol/L CaCl2浸提液100 mL，置于振蕩器上（溫度22 ℃，轉(zhuǎn)速200 r/s）振蕩1 h，定性濾紙過濾，連續(xù)流動(dòng)分析儀（AMS-Alliance Futura）測(cè)定。

土壤SOC：稱取過0.25 mm篩孔的風(fēng)干土樣0.05～0.50 g，加入2.0 mol/L鹽酸105 ℃烘干1.5 h，TOC儀（N/C2100，德國(guó)耶拿公司）測(cè)定。

1.4? 數(shù)據(jù)分析

硝態(tài)N（mg/kg）=P×100/12×（1-W），

式中，P為工作曲線上查得硝態(tài)N濃度（mg/L），W為土壤含水量（%）。

硝態(tài)N積累量=各土層硝態(tài)N含量之和[8];

SOCD（kg/m2）=土層深度（cm）×有機(jī)碳含量（g/kg）×土壤容重（g/cm3）× 10/100。

采用Microsoft Excel 2013繪制圖表，SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及相關(guān)性分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 秸稈還田方式對(duì)土壤硝態(tài)N含量變化的影響

從圖1a可看出，秸稈不還田條件下，3種耕法土壤硝態(tài)N含量隨生育進(jìn)程均表現(xiàn)為先升高再降低的趨勢(shì)。苗期土壤硝態(tài)N含量最高，變幅為7.73～24.50 mg/kg，與苗期土壤溫度上升、微生物活動(dòng)加快，且土壤供N能力大于植株吸收能力有關(guān)。其次為成熟期，變幅為4.82～9.24 mg/kg，播期最低，變幅為1.09～8.23 mg/kg。苗期3種耕法0～20 cm土層硝態(tài)N平均積累量占總積累量的50.38%，其中以免耕（NT）0～10 cm表土層積累量最高，占總積累量的34.04%，與其他土層差異顯著;成熟期0～50 cm土層硝態(tài)N的總積累量從大到小依次為DT（36.19 mg/kg）、ST（28.49 mg/kg）、NT（25.89 mg/kg），土壤養(yǎng)分向上或向下移動(dòng)的積累變化與土壤水分和容重等結(jié)構(gòu)特性變化有關(guān);由于耕翻深度的變化，淺翻和深翻分別對(duì)10～20 cm土層（ST）和20～30 cm（DT）土層硝態(tài)N含量影響較大，均高于相鄰上下土層;3種耕法土體中硝態(tài)N分布隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)，均沒有出現(xiàn)富集現(xiàn)象，說明短期耕作方式的變化對(duì)土壤氮的淋失沒有顯現(xiàn)。

從圖1b可看出，與秸稈不還田對(duì)土壤硝態(tài)N的變化影響趨勢(shì)基本一致，3種秸稈還田方式下，各時(shí)期土壤硝態(tài)N含量從大到小依次為苗期、成熟期、播期，3個(gè)時(shí)期變幅分別為6.40～14.72、4.04～7.76和1.42～6.40 mg/kg;土壤硝態(tài)N隨土層深度均呈N字形分布，這一點(diǎn)與劉慧穎等[8]的研究一致。播種期，0～10 cm土層與40～50 cm土層硝態(tài)N含量接近并最低，不同耕法硝態(tài)N含量為NT-SST-S>NT-S，分別為66.05、57.90和56.48 mg/kg，從30 cm土層開始，由于根系向深層下扎同時(shí)分泌物增多，促進(jìn)了土壤異養(yǎng)微生物活動(dòng)，土壤N的礦化作用增強(qiáng)[9]，秸稈深翻還田土壤硝態(tài)N積累量增幅較大;成熟期，以免耕秸稈覆蓋0～50 cm土層硝態(tài)N總積累量最大，比淺翻還田和深翻還田分別提高19.23%和14.68%。同一耕法，有秸稈還田處理土壤硝態(tài)N變幅均低于無(wú)秸稈還田處理，說明連續(xù)秸稈還田后硝態(tài)N隨雨水的淋溶流失量減少。

2.2? 秸稈還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳含量變化的影響

從圖2可看出，秸稈不還田條件下，連續(xù)2年免耕0～30 cm土層土壤有機(jī)碳（SOC）變化平緩，平均為11.18 g/kg;以主要來源于地上凋落物和細(xì)根的10～20 cm表土層SOC含量最高，平均為11.52 g/kg;隨土層深度增加，30～50 cm土層SOC降低幅度增大。土壤有機(jī)碳密度（SOCD）是表征陸地表層碳庫(kù)儲(chǔ)量的重要指標(biāo)之一，免耕處理不同土層中SOCD與SOC 變化趨勢(shì)基本一致，以30～50 cm土層SOCD較低，平均含量0.91 kg/m2，而0～20 cm土層密度較大，平均1.85 kg/m2。

連續(xù)淺翻土壤SOC含量隨土層深度增加而下降，以 0～10 cm表土層SOC含量最高，平均11.82 g/kg，與10～40 cm土層差異顯著（P<0.05）;淺翻對(duì)10～40 cm土層中SOCD影響不大，平均1.54 kg/m2，但與0～10 cm上表層和40～50 cm下層差異顯著。深層土壤有機(jī)碳主要來源于根系脫落物，深翻可導(dǎo)致根系進(jìn)一步向深層土壤延展聚集。連續(xù)深翻由于打破了犁底層，加速了30 cm以上土層有機(jī)質(zhì)的礦化，0～30 cm土層SOC、SOCD分別比免耕和淺翻降低8.75%、9.53%和43.44%、31.15%，而30～40 cm土層SOC和SOCD升高，分別達(dá)10.99 g/kg和1.55 kg/m2，與根系向下生長(zhǎng)伸長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的脫落物不斷在深層土壤中沉積和分解[5]，增加了深層土壤SOC的來源有關(guān)。

從圖3可看出，秸稈還田深度的變化對(duì)不同土層SOC含量影響較大。免耕秸稈覆蓋20～40 cm土層SOC降低幅度較大，平均7.84 g/kg，與0～20 cm土層差異顯著（P<0.05），與免耕不動(dòng)土秸稈覆蓋地表且根系主要集中在表層有關(guān)，20 cm以下土層SOC含量明顯低于秸稈淺翻還田和深翻還田，也證實(shí)了這一點(diǎn);由于淺翻還田，秸稈主要分布于20～30 cm土層，導(dǎo)致秸稈淺翻還田20～30 cm土層SOC含量較高，比秸稈深翻還田和免耕覆蓋分別增加0.60和3.36 g/kg;秸稈深翻還田30～40 cm土層SOC含量比免耕覆蓋和淺翻還田秸稈分別增加3.33和3.86 g/kg，差異顯著（P<0.05）。同時(shí)，由于秸稈還田后土壤微生物的活性增強(qiáng)及根系分泌物的大量淋溶、移動(dòng)，秸稈深翻還田40～50 cm土層SOC含量也高于免耕覆蓋和淺翻還田，平均增加0.17 g/kg。秸稈還田條件下，連續(xù)2年免耕覆蓋，土壤SOC和SOCD的空間分布隨土層深度增加而降低，以0～10 cm表土層含量較高，分別為11.68 g/kg和 1.76 kg/m2。

2.3? 秸稈還田方式對(duì)作物產(chǎn)量變化的影響

與秸稈不還田比較（表1），秸稈還田第1年，深翻還田和免耕覆蓋還田方式下玉米產(chǎn)量有下降趨勢(shì)，分別下降3.28%和5.31%，而秸稈淺翻還田玉米產(chǎn)量變化不大。秸稈還田第2年，淺翻還田和深翻還田玉米產(chǎn)量較同一耕作方式不還田處理分別增加12.42%和5.96%，免耕與免耕秸稈覆蓋玉米產(chǎn)量分別較上一年度下降5.78%和2.69%，可能與連續(xù)免耕下整個(gè)生育期間不進(jìn)行土壤耕作有關(guān)。總體分析，短期內(nèi)翻耕與秸稈還田處理由于耕作深度的變化和秸稈的投入，玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。同一年份內(nèi)秸稈淺翻與深翻還田差異不顯著，還有待于進(jìn)一步研究。

3? 結(jié)論

秸稈還田可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量[10-13]。而土壤剖面中殘留累積的硝態(tài)N對(duì)作物吸N量及產(chǎn)量的增加具有無(wú)效性[14-15]，因此，通過秸稈還田提高土壤氮素供應(yīng)能力，減少土壤硝態(tài)N的淋失，實(shí)現(xiàn)肥料高效和作物高產(chǎn)具有重要的意義。該研究表明，

不同耕法下土壤硝態(tài)N含量隨土層深度增加而降低，短期內(nèi)連續(xù)耕翻40～50 cm土層沒有出現(xiàn)硝態(tài)N富集現(xiàn)象;

秸稈深翻還田后土壤硝態(tài)N的淋溶流失有降低趨勢(shì);同一耕法，有秸稈還田處理土壤硝態(tài)N變幅低于無(wú)秸稈還田處理;

深翻0～30 cm土層有機(jī)碳含量低于免耕和淺翻。免耕秸稈覆蓋20～40 cm土層SOC減少，而秸稈淺翻還田和深翻還田分別對(duì)20～30和30～40 cm土層SOC含量影響較大。

參考文獻(xiàn)

[1]李長(zhǎng)生.土壤碳儲(chǔ)量減少：中國(guó)農(nóng)業(yè)之隱患——中美農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)比研究[J].第四紀(jì)研究，2000，20（4）：345-350.

[2]閆洪奎，王欣然.長(zhǎng)期定位試驗(yàn)下秸稈還田配套深松對(duì)土壤性狀及玉米產(chǎn)量的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2017，32（S1）：250-255.

[3]牛新勝，馬永良，牛靈安，等.玉米秸稈覆蓋冬小麥免耕播種對(duì)土壤理化性狀的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2007，22（S2）：158-163.

[4]汪軍，王德建，張剛，等.連續(xù)全量秸稈還田與氮肥用量對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2010，24（5）：40-44.

[5]呂瑞珍，熊瑛，李友軍，等.保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤碳庫(kù)特性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2014，28（4）：206-209.

[6]楊振興，周懷平，關(guān)春林，等.長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)旱地土壤硝態(tài)氮分布與累積的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2013，28（3）：179-182.

[7]時(shí)秀煥，張曉平，梁愛珍，等.短期免耕對(duì)東北黑土硝態(tài)氮淋失的影響[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2010，26（3）：344-348.

[8]劉慧穎，董環(huán)，張?chǎng)?，?遼寧大凌河流域草甸土土壤硝態(tài)氮運(yùn)移及合理施肥調(diào)控[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（1）：169-172.

[9]楊世琦，韓瑞蕓，王永生，等.基于秸稈還田條件下的黃灌區(qū)稻旱輪作土壤硝態(tài)氮淋失特征研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（9）：2926-2934.

[10]李貴桐，趙紫娟，黃元仿，等.秸稈還田對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2002，8（2）：162-167.

[11]張慶忠，陳欣，沈善敏.農(nóng)田土壤硝酸鹽積累與淋失研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（2）：233-238.

[12]李萍，熊偉，馮平，等.秸稈還田對(duì)西藏中部退化農(nóng)田土壤的影響[J].土壤，2004，36（6）：685-687.

[13]宋明偉，李愛宗，蔡立群，等.耕作方式對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（2）：622-626.

[14]郭玉煒.不同施氮處理對(duì)夏玉米生長(zhǎng)及其氮素吸收的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（6）：656-660.

[15]潘劍玲，代萬(wàn)安，尚占環(huán)，等.秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和氮素有效性影響及機(jī)制研究進(jìn)展[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，21（5）：526-535.