秸稈炭、硅鉀肥對旱地土壤有機(jī)碳組分及小麥產(chǎn)量的影響

張奇茹，劉 冰，謝英荷，3，4，李廷亮，3，4，李 順，姜麗偉，竇 露，柳玉鳳

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2.太原市園林綠化工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西太原 030002；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，山西太谷 030801；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西省土壤肥料研究生教育創(chuàng)新中心，山西太谷 030801）

特殊的省情、農(nóng)情決定了山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)具有典型代表性。山西干旱少雨，旱地小麥面積約占60%，旱地小麥產(chǎn)量直接決定著山西省小麥總產(chǎn)[1]。施肥是作物增產(chǎn)最有效的途徑[2]，施用不同的肥料會導(dǎo)致土壤肥力的差異，而土壤有機(jī)碳是土壤最重要的組成部分，影響土壤質(zhì)量與土壤肥力[3]，所以，施肥措施的差異會導(dǎo)致土壤有機(jī)碳組分含量的顯著差異。增加土壤有機(jī)碳對于提高土壤碳匯能力、土地生產(chǎn)力及延緩全球氣候變暖具有重要意義，這使得農(nóng)田土壤有機(jī)碳成為了當(dāng)前研究的熱點。

秸稈炭是秸稈在高溫（500 ℃）缺氧條件下裂解而形成的一種富碳物質(zhì)，其比表面積巨大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，具有強(qiáng)大的吸附和交換能力[4]。許多研究表明，秸稈炭能改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)土壤固碳，從而減少溫室氣體的排放，適量秸稈炭配施氮肥能夠增加土壤碳氮儲量[5-6]；秸稈炭還能增加土壤肥力，提高肥料利用率，提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7]。并且秸稈炭資源豐富，可適量減少化肥的施用量，能進(jìn)一步減少化肥對環(huán)境的污染。研究表明，硅鉀肥配施能夠提高小麥抗旱、抗倒伏能力，促進(jìn)硅、鉀的吸收從而增加氮、磷的吸收，減輕水分脅迫帶來的干旱危害，提高水分利用率和產(chǎn)量[8]。前人對秸稈炭、硅鉀肥的研究大多集中在提高肥力、增產(chǎn)等方面，而對于旱地土壤中各種碳組分的影響研究尚少。隨著糧食需求的不斷擴(kuò)大，減少化肥的施用，實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用，這將是我國今后肥料施用的發(fā)展趨勢之一。

本研究借助長期定位試驗，通過對秸稈炭和硅鉀肥處理下的土壤活性（水溶、可溶、易氧化、微生物、輕組）有機(jī)碳、緩效（顆粒）有機(jī)碳、惰性（重組）有機(jī)碳各組分及小麥產(chǎn)量的綜合分析，探求不同施肥處理對土壤有機(jī)碳組分的改善機(jī)制，從而為北方旱地麥田土壤的合理培肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為晉麥47 號。

1.2 試驗地概況

試驗基地設(shè)在山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村，為長期定位的旱作麥田區(qū)，年均氣溫12 ℃，年平均降雨量500 mm，石灰性褐土，土層厚度10 m 以上，質(zhì)地為中壤，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量14.48 g/kg、有效磷含量12.28 mg/kg、速效鉀含量200.42 mg/kg，CEC為20.11，pH 值為7.85。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4 個施肥處理，分別為：農(nóng)戶施肥，參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)驗施肥；測控施肥，依據(jù)1 m 土壤硝態(tài)氮監(jiān)控施肥，磷、鉀恒量施肥原則；硅鉀肥，在測控施肥的基礎(chǔ)上把鉀肥全部用硅鉀肥替代（硅鉀肥中K2O 含量為25%）；秸稈炭，在測控施肥的基礎(chǔ)上增施秸稈炭，秸稈炭養(yǎng)分含量為 有 機(jī) 碳 363.7 g/kg、N 0.26%、P2O50.58%、K2O 3.9%。各處理均設(shè)置空白對照。小區(qū)面積為120 m2。4 次重復(fù)，各處理的養(yǎng)分用量如表1 所示。

表1 各處理的養(yǎng)分用量 kg/hm2

2016 年10 月8 日播種小麥，2017 年6 月7 日收獲。所有肥料均在小麥播種前作為基肥一次性均勻施入，無追肥。小麥播量為150 kg/hm2，均為壟膜溝播。冬小麥生育期除自然降雨外，不進(jìn)行灌溉。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土樣采集 在冬小麥?zhǔn)斋@后（2017 年6 月7 日）各試驗處理區(qū)進(jìn)行多點土樣采集，取樣深度為0～20 cm。

1.4.2 土壤有機(jī)碳組分測定

1.4.2.1 土壤微生物量碳測定 采用氯仿熏蒸提取-K2Cr2O7加熱氧化比色法[9]進(jìn)行測定。

1.4.2.2 土壤可溶性有機(jī)碳測定 采用1 mol/L KCl浸提，pH 值為4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸鈉和濃硫酸氧化法，分光光度計500 nm 處測定。

1.4.2.3 土壤易氧化有機(jī)碳測定 稱取過0.5 mm篩后的土樣2 g 于塑料瓶中，加入20 mL 濃度為333 mmol/L 的高錳酸鉀，密封，振蕩離心，取上清液按一定比例稀釋后，比色測定。

1.4.2.4 土壤水溶性有機(jī)碳測定 采用蒸餾水浸提，pH 值為4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸鈉和濃硫酸氧化法，分光光度計500 nm 處測定。

1.4.2.5 土壤顆粒有機(jī)碳測定 稱取過2 mm 篩的風(fēng)干土樣5 g，放入塑料瓶中，然后加入15 mL 的5 g/L 六偏磷酸鈉溶液，振蕩15 h，將分散溶液置于53 μm 篩上，用清水沖洗直至濾液澄清，將剩余土樣烘至恒質(zhì)量，然后用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定其中的有機(jī)碳含量。

1.4.2.6 土壤重組有機(jī)碳測定 稱取過0.25 mm 篩的風(fēng)干土5 g，放入離心管中，加入溴化鋅，重復(fù)3 次振蕩離心，用乙醇洗滌振蕩離心3 次，再用蒸餾水洗滌振蕩離心2 次，將土樣磨細(xì)烘干后用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定有機(jī)碳含量，即為重組有機(jī)碳[10]。

1.4.2.7 土壤輕組有機(jī)碳測定 土壤輕組有機(jī)碳含量采用公式（1）計算。

1.4.3 產(chǎn)量測定 小麥?zhǔn)斋@時在各小區(qū)選取30 m2的小麥植株，脫粒計產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件作圖，試驗數(shù)據(jù)利用SPSS 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析，并采用LSD法（P＜0.05）進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈炭、硅鉀肥對旱地麥田土壤活性有機(jī)碳含量的影響

2.1.1 秸稈炭、硅鉀肥對土壤水溶性有機(jī)碳含量的影響 水溶性有機(jī)碳是指在自然狀態(tài)下能由土壤固相進(jìn)入水相且分子粒徑小于0.45 μm 的有機(jī)組分[5]。水溶性有機(jī)物是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化和微生物代謝活動的中間產(chǎn)物，雖然含量很少，但卻是微生物可以直接利用的碳源。從圖1 可以看出，秸稈炭處理與農(nóng)戶施肥、測控施肥、硅鉀肥處理的水溶性有機(jī)碳含量相比分別顯著提高86.8%、150.0%、62.4%，硅鉀肥處理的土壤水溶性有機(jī)碳含量與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別提高15.0%、53.9%。而農(nóng)戶施肥、測控施肥、硅鉀肥處理之間差異均不顯著。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭對土壤水溶性有機(jī)碳影響顯著（P＜0.05）。

2.1.2 秸稈炭、硅鉀肥對土壤微生物量碳含量的影響 土壤微生物量碳源利用率能反映生態(tài)系統(tǒng)受干擾后的細(xì)小變化，是土壤生物肥力的重要指標(biāo)[11]。從圖2 可以看出，秸稈炭處理與測控施肥處理相比，微生物量碳含量顯著提高99.4%，與農(nóng)戶施肥和硅鉀肥處理相比分別提高8.5%和60.2%。農(nóng)戶施肥、測控施肥和硅鉀肥處理之間均未達(dá)到顯著水平。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭對土壤微生物量碳影響顯著（P＜0.05）。

2.1.3 秸稈炭、硅鉀肥對土壤可溶性有機(jī)碳含量的影響 可溶性有機(jī)碳指能溶于水，在土壤不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)移快，有較強(qiáng)活性的一類土壤有機(jī)碳，對土壤養(yǎng)分供給起重要作用[12]。由圖3 可知，4 個處理之間可溶性有機(jī)碳均未達(dá)到顯著水平，但是秸稈炭處理比農(nóng)戶施肥、測控施肥處理分別提高3.0%、12.2%。硅鉀肥處理比農(nóng)戶施肥、測控施肥處理分別提高3.7%、13.0%。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭、硅鉀肥對可溶性有機(jī)碳影響不顯著。

2.1.4 秸稈炭、硅鉀肥對土壤易氧化有機(jī)碳與輕組有機(jī)碳含量的影響 土壤有機(jī)碳可以分為易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定（難分解）有機(jī)碳。農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)研究中，土壤易氧化有機(jī)碳很容易影響土壤總碳的含量，土壤有機(jī)質(zhì)的變化也常用土壤易氧化有機(jī)碳來指示[13-14]。從圖4 可以看出，4 個處理之間易氧化有機(jī)碳含量差異均不顯著。秸稈炭、硅鉀肥、測控施肥處理與農(nóng)戶施肥處理相比分別提高2.7%、5.4%、7.6%。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭、硅鉀肥對土壤易氧化有機(jī)碳影響不顯著。

有機(jī)質(zhì)在土壤中以2 種形態(tài)存在，一種是游離態(tài)；另一種是有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體。輕組有機(jī)碳主要是游離態(tài)的有機(jī)質(zhì)，由部分降解的植物殘體組成，還包括一些微生物和木炭等[15-16]。輕組有機(jī)碳屬于活性有機(jī)碳，是有機(jī)碳庫中較為敏感的一個碳組分[17]。從圖4 可以看出，4 個處理之間均未達(dá)到顯著水平，秸稈炭處理較硅鉀肥處理的輕組有機(jī)碳含量提高14.8%。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭、硅鉀肥對輕組有機(jī)碳影響不顯著。

2.2 秸稈炭、硅鉀肥對土壤緩效（顆粒）有機(jī)碳、惰性（重組）有機(jī)碳含量的影響

土壤顆粒有機(jī)碳是與土壤砂粒結(jié)合的有機(jī)碳部分，屬于緩效性的碳組分，主要是由動植物、微生物殘體形成，含有大量的活性有機(jī)物[11，18]。土壤顆粒有機(jī)碳對土壤碳庫具有重要作用，能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成以及碳素循環(huán)與轉(zhuǎn)化。從圖5 可以看出，秸稈炭處理較農(nóng)戶施肥處理的顆粒有機(jī)碳含量顯著提高66.4%，與測控施肥、硅鉀肥處理相比分別提高19.4%、23.9%。硅鉀肥與農(nóng)戶施肥處理相比提高34.5%。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭對土壤顆粒有機(jī)碳影響顯著（P＜0.05）。

重組有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體部分，土壤重組有機(jī)碳是有機(jī)礦物結(jié)合態(tài)碳，受土壤物理保護(hù)，可以抵抗微生物降解，所以，重組有機(jī)碳作為穩(wěn)態(tài)碳素影響著土壤物理結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性[19]。從圖6 可以看出，秸稈炭與硅鉀肥處理相比，重組有機(jī)碳含量提高4.3%，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高21.78%、14.95%，硅鉀肥處理與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高16.9%、10.3%。本試驗結(jié)果表明，秸稈炭對土壤重組有機(jī)碳影響顯著（P＜0.05）。

2.3 秸稈炭、硅鉀肥對小麥產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表2 可以看出，秸稈炭、硅鉀肥處理較農(nóng)戶施肥、測控施肥處理能夠顯著提高小麥的籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)。從籽粒產(chǎn)量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高4.4%，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高44.25%、54.30%。從生物產(chǎn)量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高2.1%，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高25.2%、24.0%。從公頃穗數(shù)來看，硅鉀肥處理最高，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高23.11%、21.30%，與秸稈炭處理相比提高1.6%。從穗粒數(shù)來看，硅鉀肥處理最高，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高9.1%、18.9%，與秸稈炭處理相比提高0.2%。從千粒質(zhì)量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高3%，與農(nóng)戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高5.7%、7.0%。從收獲指數(shù)來看，秸稈炭處理最高，但4 個處理之間差異不顯著。由此看來，秸稈炭對旱地小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量影響效應(yīng)較大。從增產(chǎn)角度出發(fā)，推薦選擇秸稈炭處理。

表2 各施肥措施下小麥產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成比較

3 結(jié)論與討論

施肥能直接或間接地調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的輸入，影響土壤有機(jī)碳的含量，秸稈炭的施入增加了表層土壤碳含量。農(nóng)業(yè)土壤中水溶性有機(jī)碳含量的變化及其結(jié)構(gòu)特征的研究對了解土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量以及土壤養(yǎng)分循環(huán)方面有著重要的作用[20]。本試驗秸稈炭處理后的水溶性有機(jī)碳含量增加最顯著，因為表層水熱條件和通氣狀況較好，微生物生長代謝旺盛、活躍，從而降解出高濃度的水溶性有機(jī)物，引起水溶性有機(jī)碳含量的增加[21]。農(nóng)戶施肥、測控施肥只有化肥，雖然能促進(jìn)植物生長，但與秸稈炭相比，碳的輸入還是有限的[11]。本試驗秸稈炭處理后的微生物量碳含量增加最顯著，因為秸稈炭施入土壤后，由于秸稈炭本身的孔隙度大與吸附性強(qiáng)等性質(zhì)，可以為土壤微生物提供良好的棲息地，還能吸附儲存營養(yǎng)元素，為微生物提供養(yǎng)分[22]，從而顯著增加土壤微生物數(shù)量，而農(nóng)戶施肥的微生物量碳含量相對較高，可能是農(nóng)戶施用的化肥量較大，也促進(jìn)了微生物的活動。

土壤顆粒有機(jī)碳既可作為有機(jī)碳長期變化的累積性指標(biāo)[23]，又能很好地反映施肥引起的土壤質(zhì)量的變化[24]。秸稈炭的施用增加了土壤中顆粒物的形成，原因可能是秸稈炭能促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，另外團(tuán)聚體的保護(hù)作用使得土壤中的碳能固持形成顆粒有機(jī)碳[25]。有研究表明，單施有機(jī)肥可同時提高復(fù)墾土壤重組組分有機(jī)碳氮的含量[26]。更有研究表明[27-28]，秸稈炭施用顯著提高了土壤惰性（重組）有機(jī)碳含量，這是由于秸稈炭含有豐富的芳香性碳組分，難分解，可長期促進(jìn)土壤惰性有機(jī)碳含量[29]。

本試驗中秸稈炭對土壤易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳的含量影響不顯著。有研究表明，秸稈炭對土壤有機(jī)碳的礦化可能同時存在促進(jìn)和抑制2 種相反的過程[30]，因此，可能產(chǎn)生不同的效果，也可能與土壤類型、氣候、施肥情況不同，導(dǎo)致結(jié)果有差異，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入開展。

本試驗中秸稈炭、硅鉀肥處理對冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有顯著的提升作用，并且秸稈炭處理的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量最高。李偉等[31]研究表明，秸稈炭配施氮肥顯著提高了小麥總產(chǎn)量。闞正榮等[32]研究表明，施用秸稈炭能增強(qiáng)小麥的光合性能和潛力，提高籽粒產(chǎn)量。秸稈炭本身的特性使得它能儲存養(yǎng)分，能減緩養(yǎng)分的釋放，從而達(dá)到保肥的效果，因此，施用秸稈炭能提高小麥產(chǎn)量。硅元素是國際公認(rèn)的第4 種植物營養(yǎng)元素，含量豐富，硅鉀與氮磷之間存在著相互促進(jìn)肥效的作用，硅鉀配施能大幅度提高冬小麥產(chǎn)量。耿立海[33]研究表明，施用硅鉀肥增加了水稻有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)，提高了群體穎花量，同時也增加了千粒質(zhì)量，從而提高了產(chǎn)量。本試驗中硅鉀肥處理的穗粒數(shù)在4 個處理中是最高也有了解釋。

本研究結(jié)果表明，秸稈炭對旱地土壤活性有機(jī)碳中的水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、緩效（顆粒）有機(jī)碳、惰性（重組）有機(jī)碳含量以及旱地冬小麥產(chǎn)量有提升作用，硅鉀肥對旱地土壤重組有機(jī)碳含量有顯著提升作用。綜合考慮，秸稈炭可以在晉南旱地生產(chǎn)實踐中推廣應(yīng)用，同時也可為旱地麥田的合理施肥、培肥土壤提供依據(jù)。