麥豆長期輪作下秸稈還田對土壤碳氮組分及作物產量的影響

孔德杰，朱金霞，任成杰，任廣鑫，馮永忠，楊改河，劉娜娜

(1.寧夏農林科學院農業(yè)生物技術研究中心，寧夏 銀川 750002；2. 西北農林科技大學農學院，陜西 楊凌 712100；3. 陜西省循環(huán)農業(yè)工程技術研究中心，陜西 楊凌 712100；4.寧夏中科精科檢測技術有限公司，寧夏 銀川 750011)

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西關中平原西部楊凌區(qū)西北農林科技大學北校區(qū)科研基地(108°7′E，34°12′N)，試驗地海拔高度520 m，年平均氣溫12.9℃，年平均降水量為660 mm，主要集中在 7—9月，全年日照時數2 163.5 h，無霜期211 d，為暖溫帶季風區(qū)氣候，一年兩熟。試驗為冬小麥-夏大豆輪作模式下秸稈不同還田處理的長期定位試驗，開始于2010年9月，試驗地土壤為塿土，不種植其他作物。本研究所用數據為2016年4月—2018年6月，研究期間具體月均氣溫和降雨量見圖1。

圖1 試驗期月平均氣溫和月降雨量變化Fig.1 Change of monthly mean air temperature and monthly precipitation during test period

1.2 試驗設計及試驗材料

設置3種秸稈還田量，分別為：秸稈不還田(NS)、秸稈半量還田(HS)、秸稈全量還田(TS)，重復3次，共9個小區(qū)，隨機分布，小區(qū)面積68 m2。秸稈中養(yǎng)分含量及秸稈還田量見表1。秸稈不還田：小麥、大豆作物收獲后，人工拔除作物秸稈及根系，并撿拾小區(qū)內凋落物和殘茬。秸稈半量還田：冬小麥和夏大豆用收割機收獲后，人工隔行拔除小區(qū)50%的秸稈，剩余秸稈施用方式同秸稈全量還田處理。秸稈全量還田：冬小麥收割機收獲后秸稈均勻覆蓋在小區(qū)表面；夏大豆收獲后，全部大豆秸稈用粉碎機粉碎，均勻撒入小區(qū)表面旋耕后播種冬小麥，旋耕深度15 cm左右。小麥6月份收獲后種植夏大豆，小麥秸稈覆蓋在土壤表面，夏大豆9月底收獲，大豆秸稈打碎旋耕后種植小麥。試驗供試冬小麥品種為西農889，夏大豆品種為東豆339。播種方式為機械條播，小麥行距20 cm，夏大豆行距60 cm。各小區(qū)化肥統(tǒng)一施用量為全氮135 kg·hm-2，P2O5118 kg·hm-2。小麥、大豆生育期均不灌水，其他田間管理措施同當地常規(guī)栽培。

表1 秸稈中碳、氮含量及秸稈還田量

1.3 檢測指標及方法

在小麥(苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期)、大豆(籽粒膨大期)生長關鍵時期及種植前、收獲后進行取樣，在每試驗小區(qū)對角線位置用土鉆多點取樣，同一土層土樣混合過篩，取樣深度分別為0～20 cm和20～40 cm，土壤中全氮含量采用H2SO4-連續(xù)流動分析儀測定。土壤鮮樣過篩經KCl溶液浸提過濾、氯仿熏蒸-K2SO4浸提，用連續(xù)流動分析儀分別測定土壤中硝態(tài)氮、微生物量氮含量。土壤中有機碳含量采用K2CrO7- H2SO4法測得；水溶性有機碳用0.5 mol·L-1的K2SO4溶液浸提，TOC分析儀(日本島津)測定；微生物量碳采用氯仿熏蒸- K2SO4溶液浸提-TOC分析儀測定[12]。

1.4 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 2013軟件對原始數據進行收集整理。用Spss 21進行方差分析，用Origin 9.0進行圖片制作，用R語言進行產量和土壤碳、氮指標的相關性分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田量對麥豆長期輪作土壤氮素含量的影響

麥豆長期輪作模式下秸稈還田對不同時期土壤全氮、硝態(tài)氮、礦質氮、微生物量氮含量有明顯促進作用(圖2)，不同秸稈還田處理間有顯著性差異，秸稈全量還田處理土壤氮素含量總體上高于半量還田處理，并且土壤中硝態(tài)氮、微生物量氮含量變化受秸稈還田量的影響差異較為明顯。麥豆輪作種植模式下土壤中氮素含量存在著有規(guī)律的動態(tài)變化，受小麥播種施用基肥和大豆固氮、秸稈腐解等因素影響，在每年的9—12月份土壤中硝態(tài)氮、礦質氮含量出現峰值。3—5月份隨溫度上升小麥生長旺盛，對土壤中養(yǎng)分消耗增加，在小麥抽穗灌漿期土壤硝態(tài)氮、礦質氮含量出現低谷。土壤中微生物量氮含量受溫度影響較大，變化趨勢與硝態(tài)氮、礦物質含量相反，表現為每年的9—12月份含量低，3—6月份含量高的特點。土壤中全氮含量特別是20～40 cm土層中的含量年季間變化較小。

圖2表明：受秸稈還田、施肥及耕作等因素影響，同一時期農田0～20 cm土壤全氮、硝態(tài)氮、礦物質氮、微生物量氮含量高于20～40 cm土壤養(yǎng)分含量，隨剖面深度逐漸降低。層化比(Stratification ratio, SR)是在相同土壤條件下，表層土壤養(yǎng)分含量與下層含量的比率，該比率大小受土壤養(yǎng)分吸收運移、采樣層深度等因素影響較大。本研究層化比按照0～20 cm土層土壤養(yǎng)分與20～40 cm土層養(yǎng)分比值進行計算，結果表明：NS、HS、TS處理土壤微生物量氮含量層化比平均值分別為2.94、2.27、2.68，全氮含量層化比平均值分別為1.60、1.51、1.47，隨著秸稈還田量增加，微生物量氮含量層化比有先減少后增加趨勢，而全氮含量層化比呈減少趨勢。

注：小寫字母表示秸稈不同還田量間同一時期差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among straw retention treatments under the same time at P<0.05 level, the same as below.

從圖3可以看出：秸稈還田措施增加了土壤中硝態(tài)氮、礦物質氮、微生物量氮、全氮含量，不同還田量、不同土壤深度增加比例不同。HS處理0～20 cm土壤全氮、礦物質氮、硝態(tài)氮、微生物量氮平均含量比NS處理增加比例分別為7.33%、12.13%、16.86%、25.02%，TS處理比NS處理增加比例分別為14.52%、19.79%、24.46%、34.56%。20～40 cm土壤HS處理全氮、礦物質氮、硝態(tài)氮、微生物量氮平均含量比NS處理增加比例分別13.69%、11.02%、14.55%、46.34%，TS處理比NS處理增加比例分別

圖3 秸稈還田量對土壤不同氮組分平均含量的影響Fig.3 Effects on mean content of different nitrogen components in soil under different straw application level

為24.70%、23.90%、28.54%、46.98%。秸稈還田處理0～40 cm土壤全氮、礦物質氮、硝態(tài)氮、微生物量氮含量比不還田處理平均增加15.06%、16.71%、21.10%、38.23%。NS、HS、TS處理土壤硝態(tài)氮含量占土壤總氮含量的比例平均分別為0.98%、1.09%、1.08%，土壤礦質氮含量占總氮含量的比例平均分別為1.15%、1.18%、1.25%，土壤微生物量氮含量占總氮含量的比例平均分別為2.28%、2.71%、2.75%，土壤硝態(tài)氮占土壤總氮比例、礦質氮含量占總氮的比例、微生物量氮占總氮的比例隨著秸稈還田量的增加而增加。

2.2 秸稈還田量對麥豆長期輪作土壤碳組分含量的影響

微生物量碳、水溶性有機碳、有機碳含量是反映土壤有機質含量和肥力狀況的重要指標。秸稈還田顯著促進了土壤有機碳含量提升，全量還田處理下土壤微生物量碳、土壤水溶性有機碳、土壤有機碳平均含量最高(圖4)。從圖4可以看出土壤中微生物量碳含量在不同時期變化較大，其中在每年的秋冬季9—12月含量逐漸降低，在3—5月小麥生長旺盛時較高，在6月小麥收獲后微生物量碳有所降低。不同秸稈還田處理下0～20 cm土壤微生物量碳含量差異性較大，20～40 cm土壤的變化差異性較小，并且不同時期土壤微生物量碳含量變異系數大于土壤水溶性有機碳和有機碳含量的變異系數，表明秸稈還田量和溫度變化是影響土壤中微生物量碳含量的重要因素。

圖4 秸稈還田量對土壤碳組分含量的影響Fig.4 Effects on soil carbon content under different straw application level

隨著秸稈還田量的增加土壤中微生物量碳、水溶性有機碳、有機碳含量逐漸增加， TS處理下各種碳組分含量的變異系數大于NS處理，并且同一秸稈還田量對0～20 cm土壤碳素含量增幅大于20～40 cm土壤(圖4、圖5)。在0～20 cm和20～40 cm土壤中，土壤微生物量碳含量HS處理比NS處理分別增加10.45%和2.96%，TS處理比NS處理分別增加14.13%和2.98%；土壤水溶性有機碳含量HS處理比NS處理分別增加3.28%和0.73%，TS處理比NS處理分別增加8.76%和4.60%；土壤有機碳含量HS處理比NS處理分別增加4.41%和3.78%, TS處理比NS處理分別增加14.15%和15.00%。秸稈還田處理0～40 cm土壤微生物量碳、水溶性有機碳、有機碳平均含量比不還田處理分別增加7.63%、4.34%、9.34%。從表1可以算出：HS處理每年投入的秸稈碳、氮含量平均為2 282.5 kg·hm-2和41.1 kg·hm-2，TS處理每年投入4 564.9 kg·hm-2和82.14 kg·hm-2，加上施入化肥，HS和TS處理投入C/N比分別為12.96、21.02。結果顯示：NS、HS、TS處理下土壤微生物熵(MBC/SOC)的平均值分別為2.72%、2.79%、2.58%，水溶性有機碳占有機碳的比例(DOC/SOC)平均值分別為2.11%、2.06%、1.96%，表明MBC/SOC、DOC/SOC隨秸稈還田量增加有減少趨勢。NS、HS、TS處理下土壤碳氮比(TC/TN)平均分別為11.10、12.25、13.02，微生物量碳氮比(MBC/MBN)平均分別為13.49、10.04、9.79，表明TC/TN隨秸稈還田量增加而增加，而MBC/MBN隨秸稈還田量增加而減少。

圖5 秸稈還田量對土壤不同碳組分平均含量的影響Fig.5 Effects on mean content of different carbon components in soil under different straw application level

2.3 秸稈還田量對麥、豆產量的影響及其相關性分析

秸稈還田對小麥、大豆產量有顯著的促進作用(圖6)，2016年、2017年、2018年度HS處理大豆產量較NS處理增產幅度分別為2.42%、7.55%、0.12%，平均增產3.63%，TS處理較NS處理增產幅度分別為16.43%、24.26%、18.39%，平均增產19.69%。2016年、2017年、2018年度秸稈HS處理小麥產量較NS處理增產幅度分別為7.86%、5.07%、3.38%，平均增產5.44%，TS處理小麥產量較NS處理增產幅度分別為10.10%、13.13%、7.91%，平均增產10.38%。秸稈還田對小麥、大豆的平均增產幅度分別為7.91%、11.53%。

圖6 秸稈還田對小麥、大豆產量的影響Fig.6 Effects on yield of soybean and wheat by straw retention application

作物總產與小麥產量、大豆產量有顯著的正相關關系，與土壤總氮含量、硝態(tài)氮含量有極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.86和0.84(表2)。大豆產量與土壤總氮、硝態(tài)氮含量有極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.94、0.85，與土壤有機碳、水溶性有機碳、微生物量碳呈顯著正相關關系。小麥產量與土壤中總氮含量呈極顯著正相關，相關系數0.85，與土壤中硝態(tài)氮含量、微生物量碳含量呈顯著性正相關，相關系數分別為0.82、0.72，與土壤有機碳、水溶性有機碳呈正相關關系。土壤中硝態(tài)氮與土壤全氮含量呈顯著正相關，相關系數為0.79，與微生物量氮含量呈負相關關系，相關性系數為-0.21。

表2 土壤碳、氮組分與小麥、大豆產量相關性分析

3 討 論

3.1 麥豆長期輪作下秸稈還田對土壤氮組分動態(tài)變化的影響

麥豆長期輪作種植模式下秸稈還田量對土壤中的氮素含量有顯著影響，土壤全氮、微生物量氮層化比作為土壤演替方向的評價指標，一般情況下其值越高表明土壤質量越好[13]。秸稈還田后激發(fā)土壤微生物活性，增加了對土壤中氮的固持[14]，導致全氮含量層化比隨著秸稈還田量的增加而逐漸減少，師江瀾等[15]的研究結論與此相符。蔡麗君等[16]的研究表明秸稈還田使土壤全氮增加2.2%～20.0%，本研究表明秸稈還田處理下土壤全氮含量較不還田處理增加8.79%～25.00%(圖2)。秸稈還田增加微生物養(yǎng)分能量來源和土壤有機質積累[17-18]，土壤中微生物量氮含量與秸稈還田有顯著相關性[18]，本研究顯示微生物量氮層化比都高于2，又在2附近，說明麥豆輪作種植模式下連續(xù)9 a的秸稈還田措施改善了土壤理化狀況。土壤中硝態(tài)氮、礦質氮含量及所占比例能反映土壤氮素形態(tài)及供肥水平，本研究表明土壤中硝態(tài)氮、礦質氮含量峰值發(fā)生在秋冬季，低谷出現在小麥拔節(jié)-灌漿時期。土壤硝態(tài)氮含量及其占土壤總氮的比例隨著秸稈還田量的增加而增加，原因可能是大豆秸稈中氮素含量高，腐解過程促進微生物對有機氮素礦化而造成的，合理的秸稈還田可提高土壤中有機氮的礦化速率[19]。

土壤微生物量氮在調控土壤氮素供應、提高氮肥利用效率等方面發(fā)揮了重要作用，受多種因素影響，其含量占土壤全氮的2%～7%[20]，本研究表明土壤微生物量氮含量占總氮含量的比例平均為2.58%，并隨秸稈還田量的增加而增加。已有研究表明秸稈還田措施下土壤微生物量氮比對照高12.1%～60.2%[21]，本研究結果顯示HS、TS處理微生物量氮含量較NS處理分別增加25.02%和34.56%。整合分析表明施用有機肥比不施肥、單施化肥土壤微生物量氮分別提高為70.2%和34.2%[22]，高于本研究的增加幅度。但由于秸稈還田對土壤微生物的激發(fā)效應，造成土壤微生物和作物之間的礦質氮競爭[23]，而Zhang等[24]的研究表明大豆秸稈還田后分解礦化速率快于土壤生物固持作用，向土壤釋放氮素，表明大豆秸稈更適宜直接還田。

3.2 麥豆長期輪作下秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

施用有機肥、秸稈還田是提升土壤有機碳密度的有效措施[25]，秸稈還田措施下土壤有機碳含量可提升8.9%～28.1%[18]，楊晨璐等[26]研究表明秸稈還田處理下土壤有機碳含量增加比例為6%～14%，本研究表明麥豆長期輪作下秸稈還田處理有機碳含量比不還田處理平均高出9.31%，與兩者研究結果相符。土壤有機碳、TC/TN比值隨著秸稈還田量的增加而增加，MBC/SOC、DOC/SOC、MBC/MBN隨著秸稈還田量的增加而減少，說明合理的秸稈還田可以顯著提高土壤有機碳儲量，提高土壤固碳減排能力，過量秸稈還田促進土壤微生物繁殖，增加對礦質氮的固定，導致MBC/SOC和MBC/MBN比值隨著秸稈還田量的增加而減少。而長期施用化肥且不施用有機肥會導致土壤碳氮比下降，土壤有機碳分解，土壤質地變差[27]。

土壤中水溶性有機碳、微生物量碳是影響作物生長發(fā)育的關鍵因素[28]。種植豆科作物并結合大豆秸稈還田可明顯增加土壤中水溶性有機碳含量[29]。本研究表明麥豆長期輪作種植模式下秸稈還田使土壤水溶性有機碳含量平均增加4.34%。整合分析研究表明：秸稈還田、秸稈還田與化肥配施、廄肥、廄肥與化肥配施、平衡施肥、不平衡施肥的土壤微生物量碳平均值依次是515、464、421、385、331、274 mg·hm-2[30]，白樺、山楊和蒙古櫟森林土壤微生物量碳平均含量分別為331.37、418.52 mg·hm-2和529.34 mg·hm-2[31]，作物秸稈還田措施下，旋耕耕作條件下微生物量碳含量比免耕增加33.87%～39.33%[32]，以上微生物量碳含量及增幅高于本試驗檢測結果，可能是不同區(qū)域的降雨、土壤類型以及歸還土壤有機物不同造成的。

3.3 秸稈還田對小麥、大豆產量的影響

麥豆長期輪作種植模式下連續(xù)秸稈還田處理可增加土壤的供氮能力，激發(fā)土壤微生物活性，提高土壤供肥能力和作物產量，武際等[33]的研究報道與此相符。但很多研究者對秸稈還田是否有益作物增產意見不一致，有研究認為秸稈還田后短時間不能腐解，導致土壤“跑氣漏風”，造成土壤水分不足[34]，不利于下季作物的出苗、成苗，并且病、蟲、草害發(fā)生幾率加大，大量秸稈腐解時微生物對土壤中礦質氮固持增大，進而引起作物產量降低的負面效應[35]。秸稈還田時配施氮肥協(xié)調土壤碳氮比，提高秸稈腐解率、作物產量及氮肥利用率[36]，等氮條件下秸稈替代化肥的比例應控制在50%以下[37]，蔡麗君等[16]研究表明豆玉輪作種植模式下60%玉米秸稈還田量較不還田處理大豆產量增產7.3%。因此合理運籌秸稈還田和優(yōu)化施肥能保證土壤中氮素供應、減少損失又能滿足作物的生長發(fā)育[38]。

4 結 論

作物秸稈可作為土壤氮、碳重要來源之一，小麥-大豆長期輪作種植模式下，由于豆科作物的固氮作用和秸稈還田后養(yǎng)分礦化，增加了土壤碳氮養(yǎng)分含量。與不還田相比，秸稈半量、全量還田處理土壤全氮含量分別增加10.51%、19.61%，礦物質氮含量分別增加11.58%、21.84%，硝態(tài)氮含量分別增加15.71%、26.50%，微生物量氮含量分別增加35.68%、40.77%。秸稈半量、全量還田處理土壤有機碳比不還田處理分別增加4.10%、14.58%，水溶性有機碳分別增加2.01%、6.68%，微生物量碳含量分別增加6.71%、7.67%。不同秸稈還田處理間差異顯著(P<0.05)。秸稈還田提高了農田耕地質量和作物產量，土壤中硝態(tài)氮、全氮與作物產量呈極顯著正相關關系(P<0.01)。