不同施氮量下玉米秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分的影響

張玉嬌，邱慧珍*，郭亞軍，張建斌

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省畜禽廢棄物資源化利用工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

我國屬于農(nóng)業(yè)大國，作物秸稈含有供作物生長需要的多種元素，例如氮、磷、鉀等是一種寶貴的營養(yǎng)資源，總產(chǎn)量居世界首位，呈現(xiàn)產(chǎn)量大、種類多、分布廣的特點(diǎn)[1]。目前，秸稈資源化利用、合理利用生物質(zhì)資源及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑主要通過秸稈還田來完成[2]。秸稈還田被認(rèn)為是一種高效的農(nóng)田培肥措施，可以減少秸稈焚燒產(chǎn)生的溫室氣體排放到環(huán)境中造成的污染；同時(shí)秸稈進(jìn)入土壤后經(jīng)過一段時(shí)間的腐解作用，可以釋放速效養(yǎng)分和有機(jī)物質(zhì)為土壤中的微生物提供豐富的碳源促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累，有利于農(nóng)作物生長增加作物產(chǎn)量，還能夠改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、減緩地力衰竭[3]。

土壤有機(jī)質(zhì)不僅可以用來衡量土壤肥力水平，還能影響土壤的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力。其中，土壤有機(jī)碳可以影響土壤的各項(xiàng)基礎(chǔ)性質(zhì)，在促進(jìn)植物生長和改善土壤肥力中發(fā)揮著重要作用。但土壤有機(jī)碳的數(shù)量是一個(gè)合成與礦化分解的平衡結(jié)果[4]，不能很好地反映土壤有機(jī)碳質(zhì)量的變化程度。土壤中的一些活性有機(jī)碳成分，例如可溶性有機(jī)碳（dissolved organic carbon DOC）、土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon MBC）等指標(biāo)盡管在土壤有機(jī)碳中含有的較小，但是這些組分對(duì)農(nóng)田管理方式更為敏感[5]，例如施肥、秸稈還田等農(nóng)業(yè)措施均可使土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量發(fā)生改變，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳的組成、存在方式和土壤活性有機(jī)碳的活性。秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳庫影響最大。秸稈還田后，一方面通過秸稈中碳的礦化和腐殖化作用增加土壤有機(jī)碳含量，另一方面秸稈碳的激發(fā)效應(yīng)又將導(dǎo)致消耗土壤原有有機(jī)碳的消耗。通過研究土壤有機(jī)碳及其土壤活性碳成分的變化，有利于揭示秸稈還田對(duì)不同施氮量下土壤有機(jī)碳的影響效果。

秸稈還田后受到很多因素的影響，該試驗(yàn)依托于2013年長期定位試驗(yàn)，設(shè)置不同施氮量處理，研究連續(xù)不同施氮量條件下秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量及其活性碳組分影響，為秸稈還田后的土壤中有機(jī)碳含量的變化趨勢提供部分解釋。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

該田間試驗(yàn)地位于甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)，土壤是以黃綿土為主的土壤類型。所在區(qū)域無霜期140 d，80%保證率；≥10℃的積溫為2075.1℃，蒸發(fā)量1 400 mm以上；年均溫度6.9℃，年降雨量400 mm左右，多集中在7～9月。屬中溫帶半干旱氣候。2013年供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1，供試玉米秸稈來自附近農(nóng)戶，初始組成特性見表2。

表1 土壤基本理化性狀

表2 供試玉米秸稈初始組成特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間定位試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)不同的施氮處理：N0（秸稈不還田+不施氮肥）為對(duì)照、S+N0（秸稈還田+不施氮肥）、S+N75（秸稈還田+施氮量為75 kg N·hm-2）、S+N225（秸稈還田+施氮量為225 kg N·hm-2）、S+N375（秸稈還田+施氮量為375 kg N·hm-2）。N肥為尿素（N 46%）、P肥為過磷酸鈣（P2O516%）、鉀肥硫酸鉀鎂（K2O 24%）配施等量的磷鉀肥，施磷量為P2O5225 kg·hm-2，施鉀量為K2O 292.5 kg·hm-2。肥料按小區(qū)稱重撒施后旋耕，旋耕后起壟。壟高20 cm，壟寬60 cm，壟距60 cm，起壟后覆膜。馬鈴薯品種是“青薯九號(hào)”原種，采取人工點(diǎn)播的方法播種，寬壟雙行，深10 cm，株距25 cm，種植密度為4 450株·667 m-2。還田所用秸稈粉碎長度約為5 cm，施肥后旋耕還田（秸稈還田量為干重600 kg/畝），秸稈還田原位培養(yǎng)試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法，稱取秸稈60 g與埋置層土樣按1：8.3混勻裝入100目的尼龍袋網(wǎng)（35 cm×25 cm），于馬鈴薯播種后埋入壟上馬鈴薯種植行之間，深度15 cm，每個(gè)處理重復(fù)4次，采取隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為3 m×7.2 m=21.6m2。

1.3 試驗(yàn)樣品采集與處理

采集樣品時(shí)間為2019年。土壤使用土鉆在采集位置為壟面兩行馬鈴薯之間中間位置采集土壤樣品。尼龍網(wǎng)袋還田后采樣時(shí)間為30 d、60 d、90 d、120 d共4次。各小區(qū)采集4壟0～20 cm土樣。土樣采集后充分混勻后一部分裝自封袋，置于4℃環(huán)境用于微生物碳和可溶性有機(jī)碳等測定；剩余部分敞口在實(shí)驗(yàn)室陰涼通風(fēng)處放置至自然風(fēng)干，用于其他指標(biāo)的測定。尼龍網(wǎng)袋內(nèi)秸稈烘干后稱重，粉碎過60目篩。尼龍網(wǎng)袋內(nèi)鮮土過篩裝袋于4°冰箱保存，剩余部分至自然風(fēng)干。

1.4 測定指標(biāo)與方法

參照鮑士旦方法[6]測定土壤全氮、速效鉀、速效磷、pH及總有機(jī)碳（TOC）。土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）含量測定采用硫酸鉀溶液提取法；土壤微生物生物量碳（MBC）含量測定采用氯仿熏蒸浸提法，用熏蒸樣品碳含量減去未熏蒸樣品碳含量再除以回收系數(shù)KC=0.45[7]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理及作圖用Excel 2019完成，顯著性差異和相關(guān)性分析采用SPASS 22.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量下玉米秸稈還田對(duì)土壤總有機(jī)碳（TOC）含量的影響

由圖1可知，不同處理下TOC含量在整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，S+N0、S+N75、S+N225、S+N375均從采樣時(shí)間30 d至120 d逐漸升高；N0處理下在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)先緩慢降低再有所升高。整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)S+N0、S+N75、S+N225、S+N375處 理 相 對(duì) 于N0處 理TOC含量分別平均提高93.8%、56.7%、95.3%、86.4%。可見秸稈還田處理的TOC含量高于秸稈不還田處理，不同施氮量添加秸稈還田處理的TOC含量也均高于秸稈不還田處理。

圖1 不同施氮量下玉米秸稈還田土壤總有機(jī)碳（TOC）含量的變化

2.2 不同施氮量下玉米秸稈還田對(duì)土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）含量影響

由圖2可知，幾種處理下DOC含量在整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，S+N0、S+N75、S+N375處理從采樣時(shí)間30 d至90 d逐漸升高，120天時(shí)驟然降低；N0、S+N375處理從采樣時(shí)間30～60 d逐漸升高，隨后N0處理緩慢降低，S+N375處理驟然降低。整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)S+N0、S+N75、S+N225、S+N375處理相對(duì)于N0處理DOC含量分別平均提高273.5%、236.5%、267.4%、213.2%。因此秸稈還田不施氮處理及不同施氮量下秸稈還田處理的DOC含量均高于秸稈不還田處理，同時(shí)S+N375處理下DOC含量低于其他秸稈配施氮肥處理。

圖2 不同施氮量下玉米秸稈還田土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）含量的變化

由圖3可知，各個(gè)處理下MBC含量在整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。S+N0、S+N75、S+N225、S+N375處理從采樣時(shí)間30 d至60 d逐漸升高，90 d時(shí)有所下降，120 d時(shí)又升高；S+N0處理從采樣時(shí)間30～90 d逐漸升高，120 d時(shí)有所下降。整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)S+N0、S+N75、S+N225、S+N375處理相對(duì)于N0處理土壤溶解性有機(jī)含量分別平均提高154.5%、157.5%、175.7%、136.7%。得出S+N0、S+N75、S+N225、S+N375處理下MBC碳含量也均高于N0處理同時(shí)S+N375處理下MBC含量低于其他秸稈配施氮肥處理。

圖3 不同施氮量下玉米秸稈還田土壤微生物生物量碳（MBC）含量的變化

3 討論

土壤總有機(jī)碳含量可以用來衡量土壤質(zhì)量和肥力大小。有研究發(fā)現(xiàn)[8]農(nóng)田中除了作物根系殘留的碳，秸稈的輸入也可以增加土壤碳的含量。王桂紅等[9]研究喀斯特地區(qū)秸稈還田與氮肥施用發(fā)現(xiàn)，秸稈結(jié)構(gòu)特殊含碳量較高，因此要配施一定量的氮肥。同時(shí)秸稈配施低水平氮肥可以有效降低土壤有機(jī)碳礦化，但是氮肥水平較高時(shí)，會(huì)增加土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)。在本試驗(yàn)研究中秸稈配施氮肥處理下土壤總有機(jī)碳含量逐漸升高。培養(yǎng)時(shí)間為90 d前，秸稈配施氮肥處理相比不添加秸稈處理總有機(jī)碳含量增加顯著，90 d后增加效果趨于緩慢。這與陳建英等[10]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥將利于土壤總有機(jī)碳含量的增加結(jié)果一致。

土壤溶解性有機(jī)碳是土壤微生物可以直接利用的碳源，受植物和微生物的影響強(qiáng)烈、具有一定的溶解性、不穩(wěn)定極易被分解[11]。土壤溶解性有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化在一定程度上能夠反映土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[12]，含量一般不超過土壤總有機(jī)碳的2%[13]。吳健敏等[14]研究發(fā)現(xiàn)秸稈填埋進(jìn)土壤后，經(jīng)過30 d的培養(yǎng)，土壤可溶性有機(jī)碳含量增高。本試驗(yàn)中秸稈配施氮肥后不僅能增加了土壤有機(jī)碳含量，同時(shí)還改變土壤活性碳組分含量。由于120 d時(shí)作物處于收獲期，土壤可溶性有機(jī)碳屬于土壤中的活性成分，易受溫度的影響。隨著溫度的升高微生物的活性增加，導(dǎo)致土壤中可溶性有機(jī)碳含量減少，在施氮量為375 kg·hm-2時(shí)，由于土壤氮素含量過高，微生物需要更多碳源，導(dǎo)致土壤活性有機(jī)碳含量降低。

土壤微生物生物量碳是土壤中活的細(xì)菌、真菌、藻類和微動(dòng)物體內(nèi)所含的碳，很容易發(fā)生變化，也是土壤有機(jī)碳庫中活性很強(qiáng)的一部分[15]。李新華等[3]研究發(fā)現(xiàn)秸稈入田后一方面為土壤微生物的生長繁殖提供充足的養(yǎng)分和能源，加速土壤微生物生物量碳的周轉(zhuǎn)速度，土壤原有的土壤碳和秸稈碳的分解速度也隨之加快。賈俊香等[16]研究發(fā)現(xiàn)秸稈添加可以顯著提升土壤DOC含量，但是對(duì)MBC含量的提升效果并不顯著。本研究中，秸稈還田條件下秸稈配施氮肥處理土壤微生物生物量碳含量逐漸升高。其原因可能是秸稈還田刺激微生物活性，促進(jìn)微生物生長、繁殖，直接增加了土壤微生物生物量碳的含量。同時(shí)，由于長期施氮，在施氮量為375 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物生物量碳低于其它處理，其原因可能是過量施氮使土壤微生物多樣性降低[17]，從而降低土壤微生物生物量碳含量。

4 結(jié)論

秸稈還田可以顯著提高土壤總有機(jī)碳、溶解性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量；同時(shí)隨著施氮量的增加，土壤活性有機(jī)碳含量減少。