秸稈還田方式及施氮量對(duì)滴灌棉田土壤有機(jī)碳氮的影響

霍啟煜， 馬麗娟， 徐悅軒， 閔 偉， 侯振安

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

新疆是我國最大的棉花生產(chǎn)基地，棉花秸稈資源豐富。2020年新疆棉花播種面積250.2×10hm，棉花總產(chǎn)量516.2×10kg。按照棉花皮棉谷草比為5折算，棉花秸稈資源量約為2.58×10t。秸稈還田是秸稈資源利用的重要途徑，也是農(nóng)田土壤培肥的重要舉措，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。秸稈炭化還田可以使有機(jī)碳穩(wěn)定的存在于土壤中長達(dá)數(shù)百年，而且可以改善土壤理化性質(zhì)、減少土壤養(yǎng)分損失以及提高肥料利用率。因此，秸稈炭化還田技術(shù)也被國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列為2021年十大重大引領(lǐng)性農(nóng)業(yè)技術(shù)之一。

秸稈還田在提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳、氮庫容量方面的巨大潛力已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。長期秸稈直接還田不僅顯著提高了土壤有機(jī)碳和全氮含量，還可通過改變土壤環(huán)境影響?zhàn)B分利用與積累，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。秸稈炭化還田可顯著提高土壤氮素固持能力，改善土壤肥力狀況，提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率。已有研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)5年玉米秸稈直接還田和炭化還田均顯著提高土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量，但二者之間無顯著差異。也有研究表明，棉花秸稈直接還田和炭化還田均顯著提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，秸稈炭化還田的作用更顯著。目前，多數(shù)研究集中在秸稈直接還田或秸稈炭化還田的單一短期研究，連續(xù)多年秸稈直接還田和炭化還田對(duì)土壤有機(jī)碳氮影響方面的研究相對(duì)較少。

因此，擬通過田間定位試驗(yàn)，研究連續(xù)7年棉花秸稈直接還田和炭化還田對(duì)滴灌棉田土壤有機(jī)碳、全氮及C/N的影響，并探討其對(duì)施氮量的響應(yīng)和棉花產(chǎn)量的變化，為合理利用棉花秸稈資源，提高滴灌棉田土壤有機(jī)碳、氮庫容量和棉花產(chǎn)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間定位試驗(yàn)自2014年3月開始至今，試驗(yàn)位于石河子大學(xué)農(nóng)試場(86°04′11″E，44°21′14″N，海拔443 m)。該地區(qū)為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7～8 ℃，年均降水量210 mm，蒸發(fā)量1 660 mm，土壤類型為灌耕灰漠土，質(zhì)地為壤土。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮分別為11.50，0.89 g/kg，速效磷、速效鉀分別為22.40，284.00 mg/kg。

1.2 供試材料

每年棉花采收后收取棉花秸稈，一部分晾干后粉碎，密封貯存；另一部分在450 ℃條件下厭氧炭化制備成棉花秸稈生物質(zhì)炭后保存。供試棉花秸稈有機(jī)碳、全氮含量分別為385.00，1.60 g/kg；棉花秸稈生物質(zhì)炭有機(jī)碳、全氮含量分別為625.00，0.89 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用秸稈還田方式和施氮量2因素3×3試驗(yàn)設(shè)計(jì)。3種棉花秸稈還田方式處理為秸稈不還田(對(duì)照，CK)、秸稈直接還田(ST)、秸稈炭化還田(BC)；秸稈還田量為6 t/hm(全量還田)，秸稈炭用量為3.7 t/hm(與秸稈還田等碳量)。3個(gè)施氮(N)水平為0，300，450 kg/hm(分別用N0、N300、N450表示)。試驗(yàn)共9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，27個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每年作物播種前，將棉花秸稈和炭化秸稈均勻撒施于土壤表面，然后翻耕入土，翻耕深度20 cm。

棉花種植采用膜下滴灌模式((66+10) cm)，1膜3管6行，滴灌帶位于2行作物之間，棉花株距10 cm。棉花于每年4月中下旬播種，干播濕出，播種后滴出苗水45 mm。棉花全生育期共灌水450 mm，分9次進(jìn)行，灌水周期7～10天。氮肥使用尿素，分6次隨水施入(第2～7次灌水)。磷、鉀肥全部基施，分別施入105 kg/hmPO和75 kg/hmKO。其余管理措施與大田管理相同。

1.4 樣品采集與測(cè)定

每年棉花吐絮期(9月)采集土樣，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇5個(gè)樣點(diǎn)，采集0—20 cm土壤樣品。新鮮土壤樣品混合均勻帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后研磨，過100目篩備用。

土壤有機(jī)碳含量采用TOC分析儀測(cè)定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定。

在棉花吐絮期，測(cè)定棉花產(chǎn)量并進(jìn)行實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和圖表制作使用Excel 2016軟件。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行3因素方差分析，多重比較采用Duncan法(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳

由表1可知，秸稈還田方式、施氮量和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)土壤有機(jī)碳含量均有顯著影響。多年秸稈還田或炭化還田均可逐年增加土壤有機(jī)碳含量，且秸稈炭化還田增效更顯著。7年試驗(yàn)中僅第1年N450水平下，秸稈直接還田處理(ST)土壤有機(jī)碳含量與CK差異不顯著；其他條件下，秸稈直接還田(ST)和炭化還田(BC)處理土壤有機(jī)碳含量均顯著高于秸稈不還田(CK)處理(圖1)。同時(shí)，ST和BC處理土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，且BC處理增幅大于ST處理。第7年3個(gè)施氮水平下，ST和BC處理土壤有機(jī)碳較相應(yīng)CK處理分別提高33.28%～36.43%和58.56%～63.25%。

表1 秸稈還田方式、施氮量和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)土壤有機(jī)碳氮含量及產(chǎn)量影響的3因素方差分析

注：圖中不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 土壤全氮

由圖2可知，與土壤有機(jī)碳相似，土壤全氮含量受秸稈還田方式、施氮量以及試驗(yàn)?zāi)晗抻绊戯@著。不施氮肥時(shí)，秸稈直接還田土壤全氮含量高于秸稈炭化還田。N0水平下，ST處理土壤全氮含量顯著高于BC和CK；BC處理土壤全氮在第1年與CK無顯著差異，第3～7年顯著高于CK。配施氮肥時(shí)，多年秸稈炭化還田可以增加土壤全氮含量。N300水平下，不同秸稈還田方式處理土壤全氮含量在第1年與N0相似；第3，5年，BC和ST處理差異不顯著(均顯著高于CK)；第7年，BC處理顯著高于ST，分別較CK分別增加36.35%和30.28%。N450水平下，第1年CK、ST和BC處理土壤全氮含量無顯著差異；第3年，ST和BC處理顯著高于CK，但二者差異不顯著；第5，7年，BC處理顯著高于ST，BC、ST處理土壤全氮分別較CK處理增加42.64%，37.67%(第5年)和46.04%，40.45%(第7年)。多年秸稈炭化還田配施氮肥后，土壤全氮含量顯著高于秸稈直接還田配施氮肥。

圖2 不同試驗(yàn)?zāi)晗薜耐寥廊?/p>

2.3 土壤碳/氮

秸稈還田方式、施氮量和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)土壤碳/氮均有顯著影響(<0.01)(表1)。不同秸稈還田方式下，增加施氮量顯著降低土壤碳/氮，且隨試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L降低幅度加大(圖3)。至第7年，秸稈不還田條件下(CK)，N300、N450處理土壤碳/氮分別較N0降低11.99%，12.90%；秸稈直接還田(ST)和炭化還田(BC)條件下，N300、N450處理土壤碳/氮分別較N0降低22.43%，23.72%和25.49%，30.17%。

秸稈炭化還田顯著提高土壤碳/氮，但秸稈直接還田配施氮肥降低土壤碳/氮。在N0水平下，BC處理土壤碳/氮最高，其次是ST處理，均顯著高于CK；且BC和ST處理土壤碳/氮呈現(xiàn)逐年增長趨勢(shì)(圖3)。至第7年，BC和ST處理土壤碳/氮分別較CK處理提高35.51%和9.58%。N300和N450水平下，不同秸稈還田方式處理土壤碳/氮變化趨勢(shì)基本一致，總體呈現(xiàn)為逐年降低。與CK相比，BC處理土壤碳/氮顯著增加，而ST處理顯著降低。

圖3 不同試驗(yàn)?zāi)晗薜耐寥捞?氮

2.4 棉花產(chǎn)量

秸稈還田方式、施氮量和試驗(yàn)?zāi)晗迣?duì)棉花產(chǎn)量均呈極顯著影響(<0.01)(表1)。秸稈直接還田和秸稈炭化還田在各施氮水平均有增產(chǎn)效果，秸稈炭化還田增產(chǎn)效果在配施氮肥時(shí)顯著高于秸稈直接還田。在不施氮肥條件下，ST和BC處理棉花產(chǎn)量無顯著差異，均顯著高于CK，且在不同年限的表現(xiàn)趨勢(shì)一致(表2)。ST和BC處理棉花平均產(chǎn)量分別較CK增加30.13%和31.41%。在施氮肥條件下，不同年限棉花產(chǎn)量均表現(xiàn)為BC處理最高，其次是ST處理，CK最低。N300水平下，ST和BC處理棉花平均產(chǎn)量較N0分別增加10.54%和17.43%；N450水平下增加7.33%和17.89%。

由表3可知，棉花產(chǎn)量與土壤碳/氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，全氮含量和土壤碳/氮顯著負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、棉花產(chǎn)量三者之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討 論

本研究中，秸稈以不同方式還田后，土壤有機(jī)碳含量均逐年顯著增加，且秸稈炭化還田土壤有機(jī)碳含量增幅高于秸稈直接還田，這與前人研究結(jié)果一致。多年秸稈直接還田或炭化還田土壤有機(jī)碳會(huì)進(jìn)行逐年累積，但不同還田方式土壤有機(jī)碳累積量不同。這是由于秸稈直接還田后，為微生物活動(dòng)提供了足夠的碳源，微生物活動(dòng)過程中秸稈的部分有機(jī)碳礦化，造成了部分有機(jī)碳消耗。而秸稈炭化后所含有機(jī)碳大多具有惰性，可以穩(wěn)定存在于土壤中。也有研究表明，秸稈炭化還田可以增強(qiáng)土壤固定碳的能力，從而增加土壤有機(jī)碳含量。所以秸稈炭化還田較秸稈直接還田更有利于土壤有機(jī)碳的累積。

表2 不同試驗(yàn)?zāi)晗廾藁óa(chǎn)量 單位：t/hm2

表3 土壤有機(jī)碳含量、全氮含量、碳/氮和棉花產(chǎn)量的相關(guān)性

不施氮肥條件下，秸稈直接還田土壤全氮含量顯著高于秸稈炭化還田，施用氮肥(N300)條件下，第1年開始秸稈直接還田就可以提高土壤全氮含量，多年(7年)后，秸稈炭化還田土壤全氮含量提升會(huì)顯著高于秸稈直接還田。秸稈經(jīng)過炭化后形成的秸稈生物炭含氮量低于秸稈。不施用氮肥時(shí)，秸稈自身的含氮量對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)更大，所以，秸稈直接還田土壤全氮要顯著高于秸稈炭化還田。有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈直接還田與外源氮肥(尿素)配合施用促進(jìn)了作物生長，增強(qiáng)了土壤微生物活性，提升了土壤中無機(jī)氮向有機(jī)氮轉(zhuǎn)化，可以提高土壤全氮含量。秸稈炭化還田可以持留土壤無機(jī)氮素，促進(jìn)土壤氮素的固定，秸稈炭化還田3年后土壤中全氮含量提升。秸稈直接還田在土壤中易腐解成小分子有機(jī)物，進(jìn)而被微生物降解轉(zhuǎn)化，礦化過程中會(huì)造成部分碳氮損失，但秸稈炭化還田有機(jī)物卻不易礦化，所以多年秸稈炭化還田后土壤全氮含量高于秸稈直接還田。

本研究結(jié)果表明，秸稈還田方式和施氮都對(duì)土壤碳/氮產(chǎn)生影響。不施氮條件下，秸稈直接還田和炭化還田均可提升土壤碳/氮；在配施氮肥條件下，秸稈直接還田降低土壤碳/氮，且高施氮量降幅大于低施氮量，而秸稈炭化還田則提升了土壤碳/氮。不施氮肥條件下，秸稈直接還田和炭化還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的提升比例大于土壤全氮含量提升比例。在施肥條件下，秸稈直接還田后微生物活動(dòng)消耗有機(jī)碳的同時(shí)將土壤中無機(jī)氮向有機(jī)氮轉(zhuǎn)化，這一過程損失了部分有機(jī)碳，而土壤全氮含量卻快速提升，這使得土壤全氮的提升比例大于土壤有機(jī)碳。而秸稈炭化后作為穩(wěn)定的惰性碳在土壤中會(huì)穩(wěn)定地提升土壤有機(jī)碳含量，土壤碳/氮隨之提升。史登林等研究表明，秸稈炭化還田可以顯著提高黃壤稻田土壤碳/氮，與本研究的結(jié)果一致。

多年秸稈直接還田和秸稈炭化還田均提高了棉花籽棉產(chǎn)量，在配施氮肥條件下秸稈炭化還田對(duì)籽棉產(chǎn)量的提高顯著高于秸稈直接還田。土壤有機(jī)碳含量和全氮含量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。有研究表明，長期施用氮肥可提高硝態(tài)氮含量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，與本研究施肥增加了棉花產(chǎn)量的結(jié)果一致。多年的秸稈直接還田和炭化還田使土壤有機(jī)碳、氮含量提高，土壤肥力得到了提升，所以在不施氮肥的條件下，多年的秸稈直接還田和炭化還田棉花產(chǎn)量也有顯著提高。秸稈直接還田和炭化還田對(duì)作物產(chǎn)量的增產(chǎn)效果已經(jīng)多有報(bào)道，與本研究的結(jié)果一致。秸稈促進(jìn)微生物活動(dòng)的同時(shí)，可能也消耗了土壤中部分無機(jī)氮，但秸稈炭化后，由于其特有的表面結(jié)構(gòu)吸附截留無機(jī)氮，使得土壤中無機(jī)氮含量提升，更有利于作物的吸收利用。所以，秸稈炭化還田作物增產(chǎn)效果高于秸稈直接還田。

本研究探討了多年不同秸稈還田方式下，土壤有機(jī)碳、全氮及碳/氮的演變規(guī)律和滴灌棉田產(chǎn)量變化。秸稈炭化還田可逐年增加土壤有機(jī)碳含量，且提升量顯著高于秸稈直接還田。高施氮量條件下，秸稈炭化還田的土壤全氮含量超過秸稈直接還田的時(shí)間比秸稈直接還田更短。秸稈炭化還田配施氮肥仍可以提高土壤碳/氮。秸稈直接或炭化還田均可增加棉花產(chǎn)量，但秸稈炭化還田配施氮肥棉花增產(chǎn)效果優(yōu)于秸稈直接還田。因此，多年秸稈炭化還田配施氮肥可以有效提高土壤肥力，穩(wěn)定土壤氮庫，增加棉花產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

(1)在不同施氮水平下，秸稈直接還田和炭化還田均能逐年提高土壤有機(jī)碳含量，且秸稈炭化還田顯著高于直接還田。

(2)秸稈直接還田和炭化還田多年后，土壤全氮含量提升。秸稈直接還田在不施氮肥和配施氮肥短期內(nèi)，土壤全氮含量高于秸稈炭化還田，但多年秸稈炭化還田配施氮肥后土壤全氮含量顯著高于秸稈直接還田配施氮肥。

(3)施用氮肥可以降低土壤碳/氮，且降幅逐年加大。不施氮肥時(shí)，秸稈直接還田和炭化還田均可提高土壤碳/氮。秸稈炭化還田配施氮肥土壤碳/氮顯著增加。

(4)施氮肥或秸稈還田均能提高棉花產(chǎn)量，尤其秸稈還田配施氮肥棉花產(chǎn)量的提高更顯著，且秸稈炭化還田配施氮肥棉花產(chǎn)量顯著高于秸稈直接還田配施氮肥。