秸稈還田對東北黑土碳氮磷鉀化學(xué)計量特征及玉米產(chǎn)量的影響

張 旸，高 燕，張 延，黃丹丹，陳學(xué)文，張士秀，梁愛珍*

（1 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 / 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，吉林 長春 130102；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

東北黑土區(qū)是我國重要的優(yōu)質(zhì)商品糧生產(chǎn)基地，其糧食產(chǎn)量約占全國糧食總產(chǎn)量的32%[1]，被稱為我國糧食安全的“壓艙石”和“穩(wěn)壓器”。黑土自開墾以來，土壤有機(jī)質(zhì) (SOM)含量顯著下降[2]，加之自然和人為因素的干擾，黑土退化嚴(yán)重[3]。在糧食產(chǎn)量持續(xù)增加的生產(chǎn)背景下，作為農(nóng)作物副產(chǎn)品的秸稈生物量也不斷增長[4]。據(jù)統(tǒng)計，2019年東北地區(qū)秸稈資源總量達(dá)1.9×108t[5]。農(nóng)作物秸稈中富含多種營養(yǎng)元素，是一種可再生資源，直接還田是秸稈肥料化利用方式之一[6]。秸稈還田可以提升土壤養(yǎng)分儲量、改善土壤結(jié)構(gòu)及改變土壤微生物多樣性等[7–8]。Zhao等[9]研究發(fā)現(xiàn)，相比于秸稈移除，秸稈還田可以使我國農(nóng)田0—30 cm土層中土壤有機(jī)碳 (SOC)含量平均增加0.81 g/kg。然而，秸稈的不合理利用不僅造成資源浪費(fèi)，還會引起環(huán)境污染[10]。

農(nóng)田土壤中養(yǎng)分含量對農(nóng)作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成具有重要影響。土壤中SOC、全氮 (TN)、全磷(TP)含量不僅可以用來反映土壤養(yǎng)分狀況，三者之間比值C∶N∶P (化學(xué)計量比)還可以作為評價土壤質(zhì)量和功能的重要指標(biāo)[11]。Cleveland等[12]通過大數(shù)據(jù)整合分析，全球范圍內(nèi)0—10 cm土壤的平均C∶N∶P約為186∶13∶1，Tian 等[13]報道了我國富含有機(jī)物0—10 cm土壤的C∶N∶P約為134∶9∶1。研究表明，土壤C∶N∶P因成土母質(zhì)、土壤類型、氣候條件等的不同而有差異[14]。因此，針對大尺度的生態(tài)學(xué)研究中，探究C∶N∶P的值有助于更好地理解和服務(wù)全球生物地球化學(xué)循環(huán)[15]。然而，由于人為因素導(dǎo)致土地利用方式、施肥水平等不同而影響土壤中SOC、TN、TP含量，在小尺度的研究中更加關(guān)注土壤C∶N、C∶P和N∶P的值以便于評估土壤肥力狀況并進(jìn)行養(yǎng)分調(diào)控[16]。作物秸稈還田條件下，由于養(yǎng)分輸入發(fā)生變化，勢必影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及利用[17]，進(jìn)而改變養(yǎng)分平衡。目前，東北黑土區(qū)關(guān)于土壤C∶N、C∶P和N∶P的研究較少[18]，尤其是秸稈還田后土壤全量碳氮磷鉀變化，隨之引起的化學(xué)計量特征的變化尚沒有得到系統(tǒng)的報道。綜上，探究東北黑土區(qū)不同秸稈還田方式下土壤中碳氮磷鉀含量、化學(xué)計量特征，結(jié)合玉米產(chǎn)量的年際變化，有助于明確秸稈還田下土壤養(yǎng)分供給并制定合理的施肥方案，對該區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分管理與秸稈肥料化利用具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究基于中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長春綜合試驗站 (44°00′N，125°24′E)的長期秸稈還田定位試驗。試驗田建立于2012年，地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)域年均氣溫為4.4℃，年均降水量約550 mm，主要集中在6—8月。試驗地土壤類型為典型黑土，壤質(zhì)黏土，試驗開始前的SOC和TN含量分別為17.08 g/kg和1.45 g/kg，pH7.3。長期定位試驗開始前，該試驗田已經(jīng)持續(xù)多年采用傳統(tǒng)性耕作，即秋收后移除全部地上秸稈后翻耕，播種后進(jìn)行起壟等作業(yè)，主要種植作物為玉米。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗采用單因素裂區(qū)4次重復(fù)的隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。單因素為秸稈還田方式，包括秸稈移除(CK)、秸稈混合還入0—20 cm土壤 (RI)和秸稈覆蓋還田 (RC)。主處理裂分為種植模式，包括玉米連作、玉米—大豆輪作和玉米—玉米—大豆輪作，每個小區(qū)面積 234 m2(30 m×7.8 m)。5 月初，采用 John Deer-7200兩行牽引式免耕播種機(jī)，一次性完成玉米精量播種、施肥和鎮(zhèn)壓等作業(yè)。6月初使用化學(xué)除草劑 (玉米：30%苞衛(wèi)組合；大豆：高效蓋草能、滅草松)進(jìn)行苗后除草。CK和RI處理在6月中旬起壟，10月初秋收后進(jìn)行翻耕，CK處理在翻耕前將秸稈全部移除，RI處理則將秸稈翻到土壤中0—20 cm，因此，CK和RI處理的唯一區(qū)別是CK處理在秋天翻耕前進(jìn)行秸稈移除。RC處理在秋收時將玉米秸稈切碎后均勻覆蓋于地表，該處理除播種施肥、苗后除草和秋收以外，全年不再擾動土壤。本試驗中秸稈還田處理均為全量秸稈還田，玉米秸稈量約為11000 kg/hm2，大豆秸稈量為 2600 kg/hm2。種植玉米的小區(qū)在播種時一次性施用復(fù)合肥料 (N–P2O5–K2O 為 26–13–13)，施用量分別為 N156 kg/hm2、P2O578 kg/hm2和 K2O 78 kg/hm2。種植大豆的小區(qū)只施底肥，施用量分別為 N50 kg/hm2、P2O560 kg/hm2和K2O 80 kg/hm2。

1.3 樣品采集與測定

本研究選取長期定位試驗中玉米連作下的秸稈移除 (CK)、秸稈混合還田 (RI)和秸稈覆蓋還田 (RC)3個處理，對試驗實施1年 (2013年)、3年 (2015年)、5年 (2017)和8年 (2020年)的土壤樣品進(jìn)行測定與分析。該長期定位試驗開始后，每年均在作物收獲后 (10月)進(jìn)行土壤樣品采集，使用直徑為2.64 cm 的土鉆取土，分為 0—5、5—10、10—20 cm 3 個土層。每個小區(qū)采用“S”形采樣法采集7個點的土壤樣品，然后將相同土層的土壤混合為一個樣品，樣品風(fēng)干后，用于SOC、TN、TP、TK (全鉀)等指標(biāo)的測定。

土壤SOC和TN含量使用元素分析儀 (FlashEA-1112，Thermofinnigan，Italy)測定；土壤TP含量采用HClO4–H2SO4消煮—電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS, NexION 350, PerkinElmer，America) 測定；土壤TK含量采用氫氟酸(HF)消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 (ICP-MS, NexION 350，PerkinElmer，America)測定。因本研究供試黑土中不含碳酸鹽，所以SOC含量即為總碳 (TC)含量。

10月初對每個試驗小區(qū)的中間6壟 (共12壟)作物進(jìn)行人工收獲測定產(chǎn)量，大豆和玉米含水量分別調(diào)整為 13% 和 14%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理采用 Excel 2019，使用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析 (One-way ANOVA)，檢驗不同秸稈還田方式下土壤碳氮磷鉀、化學(xué)計量特征及玉米年均產(chǎn)量的差異性，利用多因素方差分析 (multivariate ANOVA)比較年份、土層及秸稈還田方式對土壤碳氮磷鉀、化學(xué)計量特征及玉米產(chǎn)量的影響，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，Pearson 相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析，繪圖采用SigmaPlot 14.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理和試驗?zāi)晗迣ν寥捞嫉租浐康挠绊?/h3>

2.1.1 土壤有機(jī)碳含量 從試驗?zāi)攴?、土層、秸稈還田方式對土壤有機(jī)碳和氮、磷、鉀含量影響的多因素方差分析結(jié)果(表1)可以看出，土層 (S)和秸稈還田方式 (R)對土壤有機(jī)碳 (SOC)的效應(yīng)極顯著(P<0.001)，年份 (Y)對SOC無顯著效應(yīng)，Y×R、S×R及Y×S×R的交互作用也對SOC有顯著影響(P<0.01)。由圖1可知，兩個秸稈還田處理RI和RC土壤0—20 cm土層的SOC含量在年度間沒有顯著差異，CK處理2015、2017和2020年的SOC含量沒有顯著差異，但均顯著低于開始的2013年。而在不同土層中，SOC出現(xiàn)了變化。3個處理SOC均在0—5和5—10 cm土層隨試驗?zāi)晗奚舷虏▌樱?—5 cm土層兩個秸稈還田處理的SOC含量顯著高于CK，RC處理第8年時也顯著高于RI；在5—10 cm土層3個處理的SOC含量大多時候沒有顯著差異；而在10—20 cm土層，RI處理的SOC含量顯著高于RC和CK；2020年RI和RC處理0—20 cm的SOC含量沒有顯著差異，但均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別比CK處理高10.37%和12.56%。

圖1 不同秸稈還田方式下不同土層土壤有機(jī)碳含量的年際變化Fig. 1 Dynamics of SOC content at different soil depths under different residue return methods

2.1.2 土壤全氮含量 年份 (Y)、土層 (S)、秸稈還田方式 (R)及三者間交互作用 (除Y×S)均對土壤全氮 (TN)含量有極顯著影響 (P<0.01) (表 1)。土壤TN含量在不同土層隨時間變化趨勢與SOC的變化相似 (圖2)。隨試驗?zāi)晗拊黾?，CK處理的TN含量在0—5和5—10 cm兩個土層中上下波動，整體呈下降趨勢，該處理在10—20 cm土層中的TN含量則緩慢增加。RI處理的TN含量在0—5和5—10 cm兩個土層中的變化趨勢與CK處理一致，在10—20 cm土層中，RI處理的TN含量隨時間延長也呈現(xiàn)升高的變化趨勢，2020年RI處理TN含量達(dá)到1.64 g/kg，顯著高于CK和RC兩個處理。RC處理的TN含量在0—5 cm土層中波動幅度較大，在秸稈覆蓋還田實施1～3年 (2013—2015年)和5～8年(2017—2020年)兩個時間段內(nèi)均急劇上升，2020年達(dá)到2.13 g/kg，顯著高于CK處理的1.50 g/kg和RI處理的1.65 g/kg；RC處理TN含量在5—10 cm土層變化趨勢同0—5 cm土層，但變化幅度相對平緩，TN 含量在 1.44～1.68 g/kg；在 10—20 cm土層中，RC處理的TN含量緩慢上升，由2013年的 1.35 g/kg增加到 2020年的 1.47 g/kg。經(jīng)過 8年試驗，耕層 (0—20 cm)中CK和RI處理的TN含量變化不顯著，而RC處理的TN含量則隨時間延長有顯著升高 (P<0.05)。2020年RI和RC處理的TN含量顯著高于CK處理 (P<0.05)，分別提高11.74%和13.94%。

圖2 不同秸稈還田方式下不同土層土壤全氮含量的年際變化Fig. 2 Dynamics of soil total N content at different depths under different residue return methods

2.1.3 土壤全磷含量 從多因素方差分析結(jié)果 (表1)可知，全磷(TP)受到試驗?zāi)晗?(Y)、土層 (S)和S×R交互作用的影響 (P<0.05)。各處理土壤TP含量的年際變化如圖3所示，CK、RI和RC 3個處理的TP含量均表現(xiàn)為隨時間延長而緩慢上升，且表層(0—5 cm)土壤中TP含量的上升趨勢較為明顯。在0—5和5—10 cm兩個土層中，RC處理TP含量在試驗5～8年 (2017—2020年)的增幅均明顯上升，且0—5 cm土層中2020年RC處理的TP含量顯著高于CK處理。在10—20 cm土層中，各處理的TP含量均隨時間延長緩慢升高，但處理間始終無顯著差異。在0—20 cm土層中，CK、RI和RC 3個處理的TP含量均隨秸稈還田年限增加而增加；經(jīng)過8年的試驗，3個處理TP含量分別增加了0.05、0.04和0.08 g/kg，且CK和RC處理在2020年的 TP的含量顯著高于 2013年 (P<0.05)。

圖3 不同秸稈還田方式下不同土層土壤全磷含量的年際變化Fig. 3 Dynamics of soil total P content in different depths under different residue return methods

表1 年份、土層及秸稈還田方式對土壤碳氮磷鉀含量的影響Table 1 Effects of experimental year, soil depth, and residue returning methods on soil organic carbon,nitrogen, phosphorus and potassium contents

2.1.4 土壤全鉀含量 本試驗中，土壤全鉀(TK)含量受年份 (Y)、土層 (S)和秸稈還田方式(R)的極顯著影響 (P<0.01) (表 1)。各處理土壤 TK含量在3個土層中均隨試驗?zāi)晗拊黾佣徛?圖 4)。在 0—5 cm 土層中，RI和 RC 兩個處理的TK含量在2017—2020年增幅明顯上升，2020年RC處理的TK含量顯著高于CK處理。在5—10 cm土層中，RC處理在不同年份的TK含量均表現(xiàn)為最高，但TK含量增幅最大的為RI處理，由2013年的 22.12 g/kg 增加到 2020 年的 23.46 g/kg。在10—20 cm土層中，CK處理的TK含量雖有波動，但整體呈上升趨勢，RI和RC處理的TK含量相近且變化趨勢一致，2020年CK、RI和RC 3個處理的TK含量在23.29～23.71 g/kg。試驗進(jìn)行8年間，CK、RI和RC 3個處理的TK含量均隨試驗?zāi)晗薜脑黾佣黾?，增幅分別為3.91%、5.22%和2.72%。CK、RI和RC 3個處理在2020年的TK含量均顯著高于 2013 年 (P<0.05)。

圖4 不同秸稈還田方式下不同土層土壤全鉀含量的年際變化Fig. 4 Dynamics of soil total potassium content in different depths under different residue return methods

2.2 處理和試驗?zāi)晗迣ν寥阑瘜W(xué)計量特征的影響

2.2.1 土壤C∶N 試驗?zāi)攴?、土層、秸稈還田方式對土壤化學(xué)計量特征影響的多因素方差分析結(jié)果見表 2，年份 (Y)、土層 (S)及 Y×S、Y×R 和Y×S×R之間的交互作用對土壤C: N均有顯著影響(P<0.05)。根據(jù)各處理土壤C∶N在年際間變化(圖5)可知，在0—5 cm土層中，CK處理的C∶N隨時間延長緩慢降低；RI處理的C∶N表現(xiàn)為先升高后降低，最大值和最小值分別為11.47 (2017年)和 10.94 (2020 年)；秸稈覆蓋還田 3 年后 (2015 年)，RC處理的C∶N降低至9.87，顯著低于CK和RI處理，2020年RC處理的C∶N回升至11.06。5—10 cm土層中，CK處理的C∶N隨時間延長先降低后升高，2017年CK處理的C∶N降至最低 (10.61)，顯著低于RI和RC處理；RI處理C∶N則隨時間延長持續(xù)下降，由2013年的11.69下降至2020年的11.07；RC處理的C∶N則隨時間延長上下波動，并在2020年達(dá)到最小值10.62，顯著低于CK和RI處理。在10—20 cm土層中，CK、RI和RC 3個處理的C∶N均隨時間延長而下降，分別由2013年的12.56、12.27和12.14下降至2020年的11.20、10.90 和 11.04。耕層 (0—20 cm)中，隨著試驗?zāi)晗薜脑黾?，CK、RI和RC 3個處理的C∶N均顯著下降 (P<0.05)，分別下降了0.99、0.86和0.99。

圖5 不同秸稈還田方式下不同土層土壤碳氮比的年際變化Fig. 5 Dynamics of soil C : N ratio in different depths under different residue return methods

2.2.2 土壤C∶P 年份 (Y)和及其與秸稈還田方式的交互作用（Y×R）顯著影響土壤C∶P (P<0.05)(表2)。隨秸稈還田時間增加，3個土層中不同處理的C∶P變化趨勢各異 (圖6)。在0—5 cm土層，CK和RI處理的C∶P分別由2013年的39.87和35.11下降至2020年的31.15和31.62；而RC處理的C∶P由2013年的34.96上升至2020年的38.01。5—10 cm土層中，CK處理的C∶P隨時間延長下降明顯，RI和RC處理的C∶P在試驗進(jìn)行5～8年間(2017—2020年)下降明顯。在10—20 cm土層中，CK、RI和 RC 3個處理的C∶P均有所下降，但處理間C∶P始終無顯著差異。在0—20 cm土層中，經(jīng)過8年田間試驗，CK處理的C∶P顯著下降(P<0.05)，RI和RC兩個處理的C∶P也有所下降，但在年際間無顯著差異 (P>0.05)。

圖6 不同秸稈還田方式下不同土層土壤碳磷比的年際變化Fig. 6 Dynamics of soil C:P ratio in different depths under different residue return methods

2.2.3 土壤N∶P 由表2可知，土壤N∶P主要受年份與秸稈還田方式交互作用(Y×R)的顯著影響(P<0.01)。各土層中不同年份下3個處理的土壤N∶P 變化范圍在 2.81～3.72 (圖 7)。在 0—5 cm 土層，CK處理的N∶P隨時間延長而下降，RI和RC處理的N∶P則表現(xiàn)為上下波動，2020年RC處理的N∶P最大，但處理間沒有顯著差異。5—10 cm土層中，CK處理的N∶P變化幅度較小，RI和RC處理的N∶P則先升高后降低，2015年RC處理的N∶P顯著高于CK處理。在10—20 cm土層中，CK處理的N∶P變化較??；RI和RC處理的N∶P呈一致的上下波動趨勢，2020年RI處理的N∶P顯著高于CK處理。對于0—20 cm土層，CK處理的N∶P隨時間延長顯著降低 (P<0.05)，RC處理的N∶P在2015年顯著上升 (P<0.05)，而后有所下降。

圖7 不同秸稈還田方式下不同土層土壤氮磷比的年際變化Fig. 7 Dynamics of soil N:P ratio in different depths under different residue return methods

表2 年份、土層及秸稈還田方式對土壤化學(xué)計量特征的影響Table 2 Effects of experimental year, soil depth, and residue returning methods on soil stoichiometric characteristics

2.3 玉米產(chǎn)量

由各處理玉米產(chǎn)量的年際變化(圖8)可知，玉米產(chǎn)量受年份 (Y)、秸稈還田方式 (R)及Y×R的影響 (P<0.05)，且CK、RI和RC 3個處理玉米產(chǎn)量隨時間變化的波動趨勢基本一致。所有處理在2013—2015年間的玉米產(chǎn)量均呈下降趨勢；CK和RC處理的玉米產(chǎn)量在2016年表現(xiàn)為上升趨勢后在2017年稍微下降，RI處理的玉米產(chǎn)量在2016和2017年均呈持續(xù)升高趨勢；2018和2019年不同處理的玉米產(chǎn)量均逐年增加，而2020年各處理的玉米產(chǎn)量均明顯下降。為消除不同處理玉米產(chǎn)量在年際間的差異，計算了各處理的年均玉米產(chǎn)量。結(jié)果表明，CK、RI和RC 3個處理的年均玉米產(chǎn)量分別為11127、10659和11025 kg/hm2，處理間無顯著差異(P>0.05)。

圖8 不同秸稈還田方式下玉米產(chǎn)量的年際變化及年均產(chǎn)量Fig. 8 Dynamics of maize yield and average annual maize yield under different residue return methods

2.4 耕層土壤碳氮磷鉀、化學(xué)計量特征與玉米產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果 (圖9)表明，SOC與TN之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系 (P<0.001)，相關(guān)系數(shù)為0.66；TP與TN和TK之間也顯著正相關(guān) (P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.38和0.36。SOC、TN、TP及TK均與C∶N負(fù)相關(guān)，與C∶P和N∶P則表現(xiàn)出正相關(guān)；C∶N與TK顯著負(fù)相關(guān) (P<0.05)，C∶P與SOC和TN均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān) (P<0.01)，N∶P與TN和TK呈顯著正相關(guān)關(guān)系 (P<0.05)；C∶P和N∶P之間呈極顯著的正相關(guān) (P<0.001)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.82。玉米產(chǎn)量與C∶N呈極顯著正相關(guān) (P<0.001)，相關(guān)系數(shù)為0.56；玉米產(chǎn)量與TP和TK呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)，相關(guān)系數(shù)分別為?0.49和?0.50。

圖9 耕層土壤碳氮磷鉀、化學(xué)計量特征與玉米產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)Fig. 9 Correlation coefficients among soil organic carbon,nitrogen, phosphorus, potassium content, stoichiometric characteristics in plough layer and maize yield

3 討論

3.1 秸稈還田對土壤碳氮磷鉀含量的影響

本研究中，與秸稈移除 (CK)相比，秸稈還田(RI和 RC)促進(jìn)耕層 (0—20 cm)土壤有機(jī)碳 (SOC)、全氮 (TN)、全磷 (TP)和全鉀 (TK)含量的增加。Liu等[19]和Wang等[20]基于全球meta分析得出，秸稈還田可以使SOC含量和土壤N庫分別增加12.8%和10.7%。經(jīng)過8年秸稈還田試驗，與CK 處理相比，RI 處理 SOC 和 TN 含量分別增加了 10.37% 和11.74%，RC處理中SOC和TN含量分別增加了12.56%和13.94%。隋鵬祥等[21]的研究表明，秸稈還田翻耕和旋耕兩種處理均可以提高棕壤0—15 cm土層中SOC和TN含量。趙士誠等[22]報道32年秸稈粉碎后混合還田可以提高華北潮土0—20 cm土壤TN和TP含量，但對TK含量沒有明顯影響。也有研究表明秸稈覆蓋還田將作物秸稈直接覆于農(nóng)田土壤表面，可以提高土壤保水能力[23]，利于秸稈腐解，從而提升表層SOC和養(yǎng)分含量[24]；此外，秸稈覆蓋還田還能夠減緩地表徑流和風(fēng)蝕[25]，從而減少SOC和養(yǎng)分損失。本試驗中，RC處理前5年的TN含量表現(xiàn)為上下波動，這可能是秸稈還田初期存在“激發(fā)效應(yīng)”或者秸稈分解需消耗氮素[26]而導(dǎo)致的。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈覆蓋還田年限的增加，表層 (0—5 cm)土壤中SOC和養(yǎng)分含量的增幅也變大，與Lou等[27]對長期秸稈還田下SOC儲量變化研究的結(jié)果一致。由于秸稈還田向土壤歸還有機(jī)物質(zhì)，不可避免地影響土壤中元素循環(huán)[28]。不同秸稈還田方式的實質(zhì)是耕作導(dǎo)致的秸稈在土壤中位置不同，進(jìn)而影響秸稈腐解及養(yǎng)分釋放。RI處理中，秸稈通過翻耕進(jìn)入土壤，一方面秸稈與土壤充分混合加速其腐解，促進(jìn)土壤碳氮磷鉀含量的增加；另一方面耕作使耕層土壤中碳氮磷鉀的分布相對均勻。由于RC處理沒有對土壤進(jìn)行耕作擾動，因此，碳氮磷鉀等元素在表層土壤富集[29]。

3.2 秸稈還田對土壤化學(xué)計量特征的影響

土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，但是不能完全依靠土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量來指導(dǎo)農(nóng)田管理，還應(yīng)考慮元素之間的平衡和養(yǎng)分有效性等[30]。化學(xué)計量學(xué)能夠?qū)⑼寥乐蠧、N、P代謝和微生物動力學(xué)聯(lián)系起來，從而明確生物對養(yǎng)分資源的需求[31]。前人報道我國土壤C∶N平均值在10～12之間[32]，本研究中，各處理土壤C∶N的變化范圍為9.87～12.56。一般情況下，土壤C∶N與土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率呈反比[33]。本試驗中發(fā)現(xiàn)土壤C∶N與土壤TN顯著負(fù)相關(guān)，但不受秸稈還田方式的影響，表明秸稈還田方式對黑土中有機(jī)質(zhì)的分解速率無顯著影響。Zhang等[34]對東北黑土秸稈還田處理16年的土壤進(jìn)行礦化培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的分解與秸稈還田方式無關(guān)而主要受作物種類影響，為本研究結(jié)果提供支撐。然而，不同處理0—20 cm土層的C∶N表現(xiàn)為隨秸稈還田年限的增加而顯著下降，經(jīng)過8年試驗后，CK、RI和RC 3個處理的C∶N分別下降了0.99、0.86和0.99。彭亞敏等[35]在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的研究表明，秸稈還田能夠提高土壤C∶N，且免耕秸稈覆蓋還田處理下土壤C∶N最大。由此，不同區(qū)域秸稈還田對土壤C∶N的影響是不同的。

土壤C∶P是表征土壤中磷有效性的重要指標(biāo)，且其比值大小與磷有效性高低有關(guān)[36]。Tian等[13]報道了我國土壤C∶P的平均值為61，高于本研究的31.15～39.87，由此表明，東北黑土區(qū)的土壤磷有效性高于全國平均水平。大量研究證明，秸稈還田后土壤有效磷含量增加，磷素轉(zhuǎn)化效率提升，磷素淋失風(fēng)險下降[37–39]。本研究中，除2017年RI和RC處理的C∶P顯著高于CK處理，其余年份土壤C∶P均不受秸稈還田方式的影響。秸稈還田方式對土壤C∶P沒有產(chǎn)生顯著影響的原因可能是東北黑土磷有效性較高。本研究還發(fā)現(xiàn)，0—20 cm土層中CK處理的C∶P隨時間延長顯著下降，RI和RC處理的C∶P則無顯著變化，表明秸稈還田下C∶P相對穩(wěn)定。

土壤N∶P值大小可以用來判斷限制植物生長的養(yǎng)分，即較低的N∶P表示植物生長受N限制，較高的N∶P表示植物生長受P限制[40]。不同研究區(qū)域和土壤類型的N∶P具有較大的空間異質(zhì)性，在富含有機(jī)質(zhì)的土壤中N∶P 可以達(dá)到9.3[13]。本試驗中，3個處理的N∶P變化范圍為2.81～3.72，低于全國土壤的平均值5.2[13]。有研究表明黑土區(qū)相對較低的C∶P和N∶P主要是由于該區(qū)域土壤磷含量較高[41]。胡乃月[42]研究則發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以產(chǎn)生氮素盈余，并建議秸稈還田的同時降低化肥施用量。對不同處理的N∶P在年際間變化研究發(fā)現(xiàn)，CK處理的N∶P隨試驗?zāi)晗薜脑黾佣档?，表明長期進(jìn)行秸稈移除加劇農(nóng)田黑土N限制；RC處理的N∶P表現(xiàn)為升高趨勢，且僅在試驗第3年 (2015年)有顯著差異。

基于化學(xué)計量特征進(jìn)行養(yǎng)分調(diào)控，可以提高土壤養(yǎng)分利用效率，同時避免資源浪費(fèi)及環(huán)境污染[43]。本研究中秸稈覆蓋還田顯著提升耕層土壤SOC和TN含量，TP和TK含量也隨時間延長緩慢增加。秸稈移除加劇土壤N限制，秸稈還田對農(nóng)田黑土有機(jī)質(zhì)的分解速率、土壤磷有效性及土壤養(yǎng)分限制沒有產(chǎn)生顯著影響。

3.3 秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響

本研究中，玉米產(chǎn)量受秸稈還田、年份及二者交互作用的影響。秸稈還田可以調(diào)節(jié)土壤水分和溫度，改善土壤養(yǎng)分有效性，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育[44]。研究表明，秸稈還田可以促進(jìn)全球作物產(chǎn)量提高約5.5%[20]。王改玲等[45]在黃土高原研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)15年免耕秸稈覆蓋比常規(guī)耕作增產(chǎn)27.6%，且干旱年份的小麥增產(chǎn)率顯著高于豐水年份。本研究中，與CK相比，RI和RC處理的年均玉米產(chǎn)量 (2013—2020年)沒有顯著差異，表明連續(xù)8年秸稈還田處理對玉米產(chǎn)量無顯著影響。此外，2020年玉米產(chǎn)量發(fā)生顯著下降，這主要是由于2020年8月26日—9月8日，試驗站遭受3次臺風(fēng) (巴威、美莎克和海神)，試驗小區(qū)發(fā)生玉米倒伏，導(dǎo)致玉米減產(chǎn)?？椎陆艿萚46]在陜西楊凌開展冬小麥–夏大豆輪作試驗中，發(fā)現(xiàn)作物秸稈半量還田和作物秸稈全量還田分別增產(chǎn)3.63%～5.44%和10.38%～19.69%。

在實際生產(chǎn)過程中，為獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，作物種植常常需要配施氮肥。張愉飛等[47]在黑龍江進(jìn)行的試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥促進(jìn)玉米產(chǎn)量的增加，且在氮肥施用量為180 kg/hm2時達(dá)到最大產(chǎn)量12960 kg/hm2。本研究中，氮肥施用量為156 kg/hm2，CK、RI和RC的年均玉米產(chǎn)量分別為11127 、11025和10659 kg/hm2。張靜等[48]在黃土高原的研究表明，氮肥施用水平為138 kg/hm2，玉米秸稈還田量為9000 kg/hm2時，可以使接茬冬小麥產(chǎn)量提高7.47%。王新媛等[49]在陜西關(guān)中小麥–玉米輪作區(qū)進(jìn)行了連續(xù)7 年的田間定位試驗，當(dāng)?shù)视昧繛?52和336 kg/hm2時，秸稈還田處理的小麥產(chǎn)量平均增加5%～6%。宮明波等[50]在青島小麥–玉米兩熟區(qū)的長期研究發(fā)現(xiàn)，秸稈全量還田配施180 kg/hm2氮肥可以顯著提高冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。

綜上，秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響受研究區(qū)域氣候條件、化肥施用、耕作年限以及作物種類等多方面影響。

4 結(jié)論

在東北黑土區(qū)進(jìn)行的秸稈還田試驗中，秸稈覆蓋還田較秸稈移除明顯提高了0—5 cm土層土壤有機(jī)碳和全氮含量，秸稈混合還田下的有機(jī)碳和全氮含量在0—20 cm土層中升高且均勻分布，各處理土壤全磷和全鉀含量均隨時間變化緩慢升高。試驗期間，各處理玉米年均產(chǎn)量無顯著差異。與秸稈移除相比，秸稈還田并沒有顯著改變土壤化學(xué)計量特征。根據(jù)各處理土壤化學(xué)計量特征隨試驗?zāi)晗薜淖兓L期秸稈移除促進(jìn)黑土有機(jī)質(zhì)的分解、提高土壤磷有效性并加劇土壤氮素限制；長期秸稈還田同樣加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解，但不改變土壤磷有效性及氮素限制。由于黑土本身具有較高的有機(jī)質(zhì)和磷含量，應(yīng)將今后的研究重點放在提升土壤氮素有效性及改善土壤氮素限制等方面。