秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳組分及冬小麥產(chǎn)量的影響

李廷亮 ，王嘉豪 ，黃 璐 ，王灝瀅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太谷 030801）

農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)最活躍的碳庫，土壤有機(jī)碳也是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。農(nóng)田土壤中有機(jī)碳儲(chǔ)量約為1 500 Pg，碳庫微小的變化會(huì)影響到大氣中二氧化碳（CO2）濃度變化，進(jìn)而影響全球碳循環(huán)[1-2]。隨著國家農(nóng)業(yè)面源污染防控戰(zhàn)略推進(jìn)，化肥減施有機(jī)替代已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐的重要內(nèi)容，秸稈作為一種取材方便的有機(jī)肥源替代化肥后必然會(huì)對土壤有機(jī)碳庫環(huán)境產(chǎn)生影響，明確秸稈還田對土壤有機(jī)碳庫固存和有機(jī)碳組分變化特征以及作物產(chǎn)量效應(yīng)的影響，可為我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)及旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供理論參考。

土壤有機(jī)質(zhì)可以提供和提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，并進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu)，提高作物產(chǎn)量。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，土壤有機(jī)質(zhì)含量對我國大部分地區(qū)，尤其是對西南地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)量變化的影響較大[3]。外源有機(jī)物料投入不僅可提高土壤總有機(jī)碳含量，更重要的是影響了土壤有機(jī)碳庫的周轉(zhuǎn)更新。土壤中的有機(jī)碳組分如微生物量碳（MBC）、可溶性有機(jī)碳（DOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、易氧化有機(jī)碳（ROC）等能敏感地反映農(nóng)業(yè)管理措施引起土壤碳庫總量的微小變化[4]。土壤碳庫管理指數(shù)能更系統(tǒng)、敏感地監(jiān)測和反映土壤碳變化，是表征農(nóng)業(yè)管理措施對土壤質(zhì)量下降或更新程度的指標(biāo)[5]。在明確土壤總有機(jī)碳含量基礎(chǔ)上，探究土壤有機(jī)碳組分變化特征可有效評(píng)價(jià)農(nóng)作措施對土壤碳庫變化的影響[6]。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳的凈固存量取決于土壤中有機(jī)物質(zhì)腐殖化過程和礦質(zhì)化過程之間的平衡，增加外源有機(jī)物料的投入是提高土壤碳固存的重要手段。作物秸稈是農(nóng)田土壤重要的碳源之一，實(shí)行秸稈還田有利于農(nóng)田土壤的碳固持[7-8]。LIU 等[9]研究表明，華北麥玉輪作區(qū)表層土壤有機(jī)碳固存量隨秸稈還田量增加而增加；LOU 等[10]也研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈還田量的提升，東北平原表層土壤有機(jī)碳固存量顯著增加。土壤碳庫增容為作物生長提供良好條件，使作物可產(chǎn)生更多地上和地下部生物量，進(jìn)而增加農(nóng)田土壤碳輸入[11]。此外，由于秸稈中所含有機(jī)碳相對活躍，促進(jìn)了土壤微生物代謝繁衍，進(jìn)而提升土壤碳庫中活性組分[12]。LIU 等[13]通過Meta 分析表明，秸稈還田顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累，土壤活性碳組分增加27.4%～56.6%。也有研究表明，秸稈還田對土壤有機(jī)碳固存并無顯著影響，亦或使其含量下降[14-15]，原因是秸稈還田向土壤歸還新鮮有機(jī)物質(zhì)對原土壤有機(jī)碳分解產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的礦化。STEWART 等[16]通過世界各地長期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳固存量與秸稈還田碳投入量并非線性相關(guān)。當(dāng)土壤中有機(jī)碳含量較多時(shí)，再向其投入外源有機(jī)碳，土壤有機(jī)碳含量并不會(huì)增加而是達(dá)到飽和，SIX 等[17]稱之為“土壤碳飽和”。從時(shí)間角度來看，在相對穩(wěn)定的碳投入下，土壤有機(jī)碳含量隨時(shí)間呈S 型漸近線趨勢變化[18]。因此，在不同生態(tài)環(huán)境中秸稈還田，土壤有機(jī)碳固存及周轉(zhuǎn)特性往往產(chǎn)生不同的效果。

本研究通過連續(xù)3 a 定位試驗(yàn)，研究了不同秸稈還田量替代部分化肥對土壤總有機(jī)碳、有機(jī)碳組分以及冬小麥產(chǎn)量的影響，以期為該區(qū)域內(nèi)土壤固碳增匯質(zhì)量提升和冬小麥穩(wěn)產(chǎn)增效綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018—2021 年在山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村（36°22′N，111°35′E，海拔648 m）進(jìn)行。該區(qū)為黃土高原東南部典型的冬小麥一年一作區(qū)，屬溫帶季風(fēng)性氣候，試驗(yàn)期年均氣溫為14.6 ℃，年均降水為431 mm，其中，6—9 月降水量約占全年的69%。供試土壤為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤土。初始土壤基本理化性狀如表1 所示。

表1 2018 年土壤基本理化性狀Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil in 2018

1.2 試驗(yàn)材料

供試冬小麥品種為晉麥47。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，即秸稈不還田（S0，小麥?zhǔn)斋@后，將小麥秸稈移走，并進(jìn)行深翻（深度為20 cm，為對照）、秸稈半量還田（S1/2，移走1/2 的小麥秸稈）、秸稈全量還田（S1）、秸稈2 倍量還田（S2，從其他地方移來）。為避免秸稈被風(fēng)吹散，起不到還田效果，S1/2、S1 和S2 處理均及時(shí)進(jìn)行深翻還田（深度為20 cm）。試驗(yàn)期間秸稈還田量基于上一年度S1 處理秸稈產(chǎn)量計(jì)算。冬小麥播前各處理施肥采用“1 m 硝態(tài)氮監(jiān)控，0～40 cm 土層磷鉀恒量施肥[19]”基于目標(biāo)產(chǎn)量的測土配方施肥原則，每年總養(yǎng)分投入量與目標(biāo)產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分殘留量有關(guān)，并減去秸稈還田養(yǎng)分帶入量（每季小麥?zhǔn)斋@后實(shí)測秸稈養(yǎng)分含量，秸稈氮磷鉀養(yǎng)分釋放率分別為50%、65%、90%[20-21]，求得秸稈還田養(yǎng)分帶入量）得到最終施肥量（表2）。試驗(yàn)期間土壤鉀素含量豐富，未施任何鉀肥，每年各處理N、P2O5養(yǎng)分總投入量相同。每個(gè)處理重復(fù)4 次，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為126 m2（30.0 m×4.2 m）。

表2 試驗(yàn)期不同處理下施肥量及秸稈還田替代化肥比例Tab.2 Amount of fertilizers applied and ratio of straw returning replacing chemical fertilizer under different treatments during the experiment period

各處理均播前淺旋耕，深度15 cm，隨后施肥，試驗(yàn)所用肥料為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%），一次性均勻撒施入土壤，并翻入耕層耙平。冬小麥播量為150 kg/hm2。播種方式為壟膜溝播，具體操作為施肥整地后起壟覆膜，溝內(nèi)膜側(cè)播種，播種2 行，行距20 cm，壟寬35 cm，壟高10 cm，溝寬30 cm。每年10 月初播種，6 月初收獲，無灌溉。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

2021 年小麥?zhǔn)斋@后，用五點(diǎn)法在各小區(qū)溝內(nèi)采集0～20 cm 耕層土壤，混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除＞2 mm 根系和石礫以及其他雜物，四分法分取2 份，一份新鮮土壤過2 mm 篩并保存于4 ℃冰箱中，用于測定土壤微生物量碳（MBC）和可溶性有機(jī)碳（DOC）。另一份土壤經(jīng)自然風(fēng)干后研磨，分別過2、0.5、0.149 mm篩，用于測定土壤顆粒有機(jī)碳（POC）、土壤易氧化有機(jī)碳（ROC）以及土壤總有機(jī)碳（SOC）。

土壤微生物量碳采用K2SO4-氯仿熏蒸法[22]，TOC 儀測定；土壤可溶性有機(jī)碳采用1 mol/L KCl浸提，0.45 μm 濾膜過濾，TOC 儀測定[23]；土壤總有機(jī)碳稱取過0.149 mm 孔篩的土樣采用重鉻酸鉀容量法測定[24]；土壤顆粒有機(jī)碳稱取過2 mm 孔篩的土樣采用六偏磷酸鈉分散法，過0.053 mm 篩后收集篩上土壤顆粒，采用重鉻酸鉀容量法測定[25]；土壤易氧化有機(jī)碳稱取過0.5 mm 孔篩的土樣采用高錳酸鉀氧化法測定[26]。

有機(jī)碳組分敏感指數(shù)（SI）表征不同土壤有機(jī)碳組分相對更穩(wěn)定的對照土壤的變化幅度，本研究以秸稈不還田處理為對照土壤。

SI=（處理土壤有機(jī)碳組分含量-對照土壤有機(jī)碳組分含量）/對照土壤有機(jī)碳組分含量×100%（1）

以秸稈不還田處理土壤作為參考土壤，計(jì)算碳庫相關(guān)指數(shù)。碳庫指數(shù)（CPI）總體反映土壤有機(jī)碳相對參考土壤的變化情況；碳庫活度（L）是指土壤中活性有機(jī)碳相對于非活性有機(jī)碳的比值，反映土壤總有機(jī)碳庫中活性有機(jī)碳的豐富度，這里的活性有機(jī)碳是指高錳酸鉀可以氧化的有機(jī)碳組分；碳庫活度指數(shù)（LI）是指土壤碳庫活度相對參考土壤的變化情況；碳庫管理指數(shù)（CPMI）是系統(tǒng)、敏感反映土壤有機(jī)碳變化的指標(biāo)，用于表征土壤有機(jī)碳在農(nóng)田管理措施下的更新程度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010 整理數(shù)據(jù)，SPSS 22.0軟件進(jìn)行檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析（單因素方差分析，LSD 法進(jìn)行多重比較）。試驗(yàn)采用線性回歸擬合各土壤有機(jī)碳組分與土壤總有機(jī)碳間的關(guān)系，并采用Origin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳含量的影響

由圖1 可知，2021 年，秸稈還田替代化肥處理耕層土壤有機(jī)碳含量較S0 處理平均提高16.3%。土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為隨秸稈還田替代化肥量的增加而增加，其中，S1、S2 處理土壤有機(jī)碳顯著高于S0 處理，且S2 處理顯著高于S1 處理，但S1/2 處理與S0 處理之間差異不顯著。S2 處理土壤有機(jī)碳含量為12.91 g/kg，較S1、S1/2 和S0 處理分別顯著提高13.39%、18.61%、28.06%（P＜0.05）?？梢?，在土壤礦質(zhì)態(tài)氮豐富條件下，一定范圍內(nèi)添加外源有機(jī)物質(zhì)可有效提高土壤有機(jī)碳水平。

圖1 連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥對耕層土壤有機(jī)碳含量的影響Fig.1 Effect of straw returning replacing chemical fertilizer on soil organic carbon content in topsoil for 3 consecutive years

2.2 秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳組分及其分配比例的影響

由圖2 和表3 可知，各處理MBC 含量范圍為63.77～117.61 mg/kg，以S2 處理最高，較S1、S1/2、S0處理分別顯著提高43.30%、59.88%、84.44%（P＜0.05）；MBC/SOC 的變化范圍為0.63%～0.91%，秸稈還田替代化肥處理MBC/SOC 較不還田處理提升6.71%～43.99%，S2 處理顯著高于其他處理。隨著秸稈還田替代化肥量增加，DOC 含量也呈增加趨勢，S2處理下DOC 含量最高，達(dá)到326.67 mg/kg，較S0 處理顯著高30.38%（P＜0.05）；各處理的DOC/SOC 間無顯著差異。秸稈還田替代化肥后POC 含量較不還田處理顯著提高10.20%～22.82%（P＜0.05），且S1、S2 處理的POC 較S1/2和S0處理分別顯著提高6.69%、17.57%和11.45%、22.82%（P＜0.05），但二者間差異不顯著；POC/SOC 在4 種有機(jī)碳組分分配比例中最大（46.38%～50.59%），但各處理間差異不顯著，平均為48.70%。與S0 處理相比，不同量秸稈還田替代化肥處理使ROC 含量平均提高14.46%，S2 處理顯著高于其他處理，為2.62 g/kg；各處理的ROC/SOC 也無顯著差異，平均為20.98%。

圖2 連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥后有機(jī)碳組分的變化情況Fig.2 Change of organic carbon fractions after straw returning replacing chemical fertilizer for 3 consecutive years

表3 連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳組分在總有機(jī)碳中占比的影響Tab.3 Effects of straw returning replacing chemical fertilizer for 3 consecutive years on the proportion of soil organic carbon fractions in total organic carbon %

2.3 黃土旱塬麥區(qū)土壤總有機(jī)碳與各有機(jī)碳組分的相關(guān)性分析

圖3 為連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥，2021 年冬小麥?zhǔn)斋@后耕層土壤總有機(jī)碳與各有機(jī)碳組分的關(guān)系。線性回歸表明，除DOC 外，土壤各有機(jī)碳組分含量與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明各有機(jī)碳組分與土壤有機(jī)碳間存在緊密關(guān)系。由線性回歸方程可知，土壤有機(jī)碳每增加1 g/kg，MBC、DOC、POC、ROC 含量變化率分別為1.53%、1.70%、31.29%和13.70%，POC 變化率最大，說明顆粒有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳固存的重要形式。

圖3 2021 年耕層土壤有機(jī)碳與各有機(jī)碳組分的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between topsoil organic carbon and soil organic carbon fractions in 2021

2.4 秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳組分敏感指數(shù)及碳庫管理指數(shù)的影響

敏感指數(shù)（SI）可用于確定土壤中對耕地管理措施反映靈敏的有機(jī)碳組分。由表4可知，以S0處理的耕層土壤為參照，各有機(jī)碳組分（MBC、DOC、POC、ROC）敏感指數(shù)的范圍分別為15.87%～84.23%、11.98%～29.88%、10.20%～22.88% 和 9.62%～22.85%，其中土壤微生物量碳的敏感指數(shù)最高，表明土壤微生物量碳是最活躍的有機(jī)碳庫組分，其次是可溶性有機(jī)碳。有機(jī)碳組分敏感指數(shù)均隨著秸稈還田替代化肥量的增加而增加，S2 處理最高。除DOC 外，其他有機(jī)碳組分的敏感指數(shù)均表現(xiàn)為S2與S1/2 處理間差異顯著。

表4 連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥對有機(jī)碳組分敏感指數(shù)的影響Tab.4 Effect of straw returning replacing chemical fertilizer for 3 consecutive years on sensitivity index of soil organic carbon fractions %

碳庫管理指數(shù)能敏感地監(jiān)測土壤有機(jī)碳變化情況，反映了土壤質(zhì)量更新或下降的程度。以S0處理作為參考，分析各處理下碳庫相關(guān)指數(shù)的變化情況表明（表5），不同處理的碳庫指數(shù)（CPI）變化規(guī)律表現(xiàn)為S2＞S1＞S1/2＞S0，其中，S1 和S2 處理較S0 處理分別提升了13.01%和28.19%，差異達(dá)顯著水平。各處理的碳庫活度（L）和碳庫活度指數(shù)（LI）均無顯著差異，平均為0.27 和0.99。不同處理的碳庫管理指數(shù)（CPMI）隨著活性有機(jī)碳含量增加而增加，其中，S2 處理較S0 處理顯著提高21.55%（P＜0.05）?？傮w上，秸稈還田替代化肥有助于土壤碳庫向良性發(fā)展，提升土壤質(zhì)量。

表5 連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥對土壤碳庫指數(shù)、碳庫活度、碳庫活度指數(shù)和碳庫管理指數(shù)的影響Tab.5 Effect of straw returning replacing fertilizer for 3 consecutive years on CPI，L，LI，and CPMI

2.5 秸稈還田替代化肥對旱地冬小麥產(chǎn)量的影響

從表6 可以看出，3 a 試驗(yàn)期間秸稈還田替代化肥均不同程度提高了冬小麥產(chǎn)量，且隨秸稈還田量增加產(chǎn)量呈上升趨勢。總體表明，S2 和S1 處理的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均顯著高于S0 處理，但S2 和S1 處理間差異不顯著。在全量至2 倍秸稈還田量平均替代16.7%～31.9% N 和31.6%～63.2% P2O5條件下，冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量平均為3 564、8 838 kg/hm2。3 a 內(nèi)不同處理間冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)總體沒有顯著變化，平均為39.4%。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，不同處理對穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量均無顯著影響，S2 處理冬小麥平均穗數(shù)分別較S0、S1/2 和S1 處理高17.1%（P＜0.05）、12.3%（P＜0.05）、3.6%。表明旱地冬小麥產(chǎn)量變化主要取決于群體穗數(shù)，通過秸稈還田等措施構(gòu)建合理的群體動(dòng)態(tài)有利于旱地小麥產(chǎn)量提升。

表6 秸稈還田替代化肥對冬小麥產(chǎn)量形成的影響Tab.6 Effect of straw returning replacing chemical fertilizer on yield formation of winter wheat

3 討論

3.1 秸稈還田替代化肥對土壤有機(jī)碳及其有機(jī)碳組分的影響

秸稈還田是實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳固存的重要措施。本研究中，秸稈還田替代化肥處理土壤有機(jī)碳（SOC）平均提升16.3%，這與其他田間試驗(yàn)的結(jié)果相似[27-28]。外源有機(jī)物料添加直接增加了土壤碳輸入，新形成的有機(jī)碳數(shù)量大于因正激發(fā)效應(yīng)而礦化損失的土壤自身有機(jī)碳數(shù)量，因此，土壤有機(jī)碳含量提升[29]。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量隨著秸稈還田量的增加而增加，因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域內(nèi)較低的有機(jī)碳背景值，土壤碳庫尚未飽和，更高量的秸稈還田后碳投入也增加，土壤有機(jī)碳固存量隨之提升，這與前人研究結(jié)果一致[30]。

土壤各有機(jī)碳組分（DOC、MBC、POC、ROC）相對土壤總有機(jī)碳能在較短時(shí)間內(nèi)對秸稈還田等農(nóng)業(yè)管理措施產(chǎn)生響應(yīng)，是反映土壤碳庫及土壤肥力的敏感性指標(biāo)[31]。本研究中，連續(xù)3 a 秸稈還田替代部分化肥處理均能提高土壤有機(jī)碳組分含量，各有機(jī)碳組分含量隨秸稈還田量的增加而增加，主要原因是秸稈等有機(jī)物料投入為土壤微生物生長提供了充足碳源，有利于提升微生物活性，而微生物在分解秸稈過程中的產(chǎn)物是土壤活性碳組分的主要來源[32]。土壤微生物量碳（MBC）作為土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)因素，雖然在土壤碳庫中占比較小，卻是土壤碳的重要組成部分[33]。本研究中秸稈還田替代部分化肥均能一定程度上提高M(jìn)BC 含量，且隨還田量增加而增加，說明秸稈還田量增加后其對微生物生長繁殖的刺激程度也逐漸提升，有利于土壤微生物量增加。通過線性回歸發(fā)現(xiàn)，SOC與MBC 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說明MBC 對SOC 含量增加有積極作用。MBC/SOC 反映了土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。本研究中MBC/SOC 的變化范圍為0.63%～0.91%，這與賀美等[34]在東北地區(qū)研究不同秸稈還田量下MBC 占比（0.51%～0.93%）的結(jié)果相似。隨著秸稈投入量的增加，土壤微生物可利用的碳源增加，微生物活性進(jìn)一步提高，MBC周轉(zhuǎn)速度加快，從而加速了土壤有機(jī)碳積累。

土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和功能的指標(biāo)，能有效反映土壤有機(jī)碳活性。本研究中DOC 含量隨著秸稈還田替代化肥量的增加而增加，說明增加碳投入能促進(jìn)土壤中難溶性物質(zhì)的活化與分解，促進(jìn)DOC 含量增加，改善土壤質(zhì)量。有研究表明，DOC 是土壤微生物生長繁殖的能量源，亦是其死亡后的消納匯[35]，本研究表明，MBC 與DOC 間呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.835**），說明它們之前存在源與匯的關(guān)系，與上述研究結(jié)果一致。本研究中秸稈還田替代化肥處理下DOC/SOC 有所提升，但不同處理間差異不顯著，可能是增加秸稈還田量雖然使DOC 含量增加，但相對的微生物活性也高，對DOC 利用程度大，并且對土壤有機(jī)碳的活化分解程度變大，使更多DOC 溶出，這導(dǎo)致DOC 和SOC 含量均近似相等的增加與減少，因此，DOC/SOC 變化不大。

土壤顆粒有機(jī)碳（POC）包括游離態(tài)顆粒有機(jī)碳和閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳，其中，游離態(tài)顆粒有機(jī)碳是部分分解或未分解的植物殘?bào)w，易被微生物利用；閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳是分布在團(tuán)聚體內(nèi)受物理保護(hù)的植物微小粒子，對團(tuán)聚體穩(wěn)定起重要作用[36]。本研究表明，秸稈還田替代化肥提高了POC 含量（P＜0.05），高量秸稈還田提升最顯著，可能是試驗(yàn)區(qū)域土壤氮素水平較高，高量秸稈還田后并未影響土壤微生物對秸稈的腐解進(jìn)程，反而產(chǎn)生更多植物殘?bào)w并與土壤團(tuán)聚體結(jié)合，從而形成更多POC。結(jié)合線性回歸發(fā)現(xiàn)，SOC 與POC 關(guān)系最密切，說明秸稈還田替代化肥下主要通過提高POC 含量促進(jìn)土壤有機(jī)碳積累。本研究中POC 占比最高，表明在土壤碳庫中該組分占優(yōu)勢。不同處理間POC/SOC 差異不顯著，可能是更多植物殘?bào)w與土壤團(tuán)聚體結(jié)合更好的保護(hù)了POC 組分，促使其轉(zhuǎn)化為更為穩(wěn)定的碳組分從而土壤大幅度提升有機(jī)碳含量，導(dǎo)致不同處理下POC/SOC 變化不明顯。

土壤易氧化有機(jī)碳（ROC）能有效反映土壤碳庫周轉(zhuǎn)狀況，對農(nóng)業(yè)管理措施引起的土壤質(zhì)量變化有指示作用。本研究中ROC 含量隨秸稈還田替代化肥量的增加而增加，2 倍量秸稈還田替代化肥處理顯著高于其他處理，此外，不同處理的ROC/SOC 處于較高水平，說明該區(qū)域內(nèi)增加有機(jī)物料投入能提高土壤碳庫活性。但不同處理ROC/SOC 差異不顯著，這可能是更多外源碳投入后更多轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定組分增加土壤碳匯，因此，各處理ROC/SOC 無明顯變化。

3.2 土壤有機(jī)碳組分敏感指數(shù)和碳庫管理指數(shù)對秸稈還田替代化肥的響應(yīng)

敏感指數(shù)（SI）用于確定對耕地管理措施反應(yīng)敏感的土壤有機(jī)碳組分。SPARLING[37]研究指出，MBC 可作為表示土壤有機(jī)碳早期變化的指標(biāo)。本研究中MBC 敏感指數(shù)高于其他有機(jī)碳組分，說明MBC 是指示該區(qū)域內(nèi)麥田土壤有機(jī)碳變化的最優(yōu)指標(biāo)。推測原因是雖然MBC 在土壤有機(jī)碳中占比小，但秸稈還田后改善了土壤環(huán)境，使微生物在土壤碳循環(huán)中起主導(dǎo)作用。結(jié)合相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，MBC 與DOC、POC、ROC 呈極顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為0.835**、0.793**、0.755**），這說明MBC 在碳周轉(zhuǎn)中起關(guān)鍵作用，證實(shí)了上述猜想。因此，MBC在該區(qū)域內(nèi)的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中至關(guān)重要。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）在基于土壤有機(jī)碳及其活性組分變化情況下，能更好地反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳的狀態(tài)和變化速率，是評(píng)價(jià)管理措施對土壤質(zhì)量影響的重要指標(biāo)[4]。本研究中以秸稈不還田的耕層土壤作為參考，發(fā)現(xiàn)秸稈還田替代化肥處理的CPMI 值均大于100，說明秸稈還田化肥減量技術(shù)可作為該地區(qū)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)管理措施。王改玲等[38]在黃土高原中南部的研究表明，秸稈還田能顯著提高土壤總有機(jī)質(zhì)及各活性組分有機(jī)質(zhì)含量，并提升不同活性有機(jī)質(zhì)CPMI 值，本研究中也是如此。此外，隨著秸稈還田替代化肥量的提升，CPMI 值也呈上升趨勢，與本研究中不同活性碳組分的變化規(guī)律一致。其可能是在該區(qū)域礦質(zhì)態(tài)氮豐富的條件下，更多秸稈投入加快了腐解進(jìn)程，提高了土壤活性碳組分比例，這有利于碳庫管理指數(shù)升高，改善土壤質(zhì)量。

3.3 秸稈還田替代化肥對旱塬冬小麥產(chǎn)量形成的影響

黃土旱塬冬麥區(qū)，秸稈還田替代部分化肥能提高冬小麥產(chǎn)量。本研究中，隨秸稈還田量增加冬小麥產(chǎn)量呈上升趨勢。在全量至2 倍秸稈還田量平均替代16.7%～31.9% N 和31.6%～63.2% P2O5條件下，冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量平均分別為3 564、8 838 kg/hm2，顯著高于秸稈不還田處理。作物產(chǎn)量主要受土壤水分、溫度以及養(yǎng)分變化影響，秸稈還田不僅能增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，調(diào)節(jié)土壤溫度，還能顯著提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)水平和能力，從而產(chǎn)生明顯的增產(chǎn)效應(yīng)[39]。作物秸稈存在巨大的替代化肥潛力，在秸稈還田基礎(chǔ)上減施化肥存在可行性。有研究[39-40]表明，化肥減量15%～30%配合秸稈還田能提升土壤肥力水平，促進(jìn)作物生長發(fā)育，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)，與本研究結(jié)果基本一致。因此，秸稈還田可作為一種化肥減量有機(jī)替代手段。另外，前人研究[41-42]表明，黃土高原西部實(shí)行前茬作物秸稈半量至全量還田能在提高土壤水分及養(yǎng)分的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮其生產(chǎn)潛力并使作物增產(chǎn)。本研究中，在晉南旱塬麥區(qū)以2 倍秸稈還田（平均為7 477 kg/hm2），產(chǎn)量效應(yīng)最佳。這可能與當(dāng)?shù)赝寥赖貎?chǔ)量有關(guān)，秸稈分解轉(zhuǎn)化過程氮素消耗并不影響作物養(yǎng)分吸收，且2 倍秸稈還田量能為冬小麥生長營造更好的土壤環(huán)境，從而使冬小麥產(chǎn)量提高顯著。不僅如此，更高的化肥替代比例降低生產(chǎn)成本，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與生態(tài)效益相統(tǒng)一。

相關(guān)研究表明，秸稈還田后穗數(shù)變化是影響小麥產(chǎn)量的直接原因[43]。本研究中秸稈還田替代化肥處理在不同程度上提高了冬小麥穗數(shù)，總體表現(xiàn)為2 倍秸稈還田量替代化肥處理提升最多。秸稈2倍量還田處理營造了更好的水熱條件，使其群體數(shù)量更大，穗數(shù)的提升效果最佳。本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對冬小麥穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量影響不顯著，可能是短期秸稈還田并未影響冬小麥單穗結(jié)實(shí)率及灌漿過程。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，連續(xù)3 a 秸稈還田替代化肥能增加黃土旱塬麥田土壤有機(jī)碳及其有機(jī)碳組分含量，隨著秸稈還田量增加，提升效果越明顯。各有機(jī)碳組分中，土壤顆粒有機(jī)碳是黃土旱塬麥田土壤有機(jī)碳固存的重要形式，土壤微生物量碳是該地區(qū)秸稈還田替代化肥條件下土壤有機(jī)碳變化的早期指標(biāo)。土壤碳庫管理指數(shù)亦隨著秸稈還田量的增加而增加，有效改善了土壤質(zhì)量。秸稈還田替代化肥同時(shí)顯著提高了旱塬冬小麥產(chǎn)量。總體來看，在黃土旱塬麥區(qū)，2 倍秸稈還田量（7 477 kg/hm2）替代部分化肥可顯著提升土壤有機(jī)碳及有機(jī)碳組分含量和碳庫管理指數(shù)，提升土壤質(zhì)量，增加冬小麥產(chǎn)量，對黃土旱塬地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。