秸稈生物炭和秸稈對(duì)麥玉輪作系統(tǒng)土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量的影響

鄭云珠， 孫樹臣

（聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 聊城 252059）

小麥、玉米作為世界上重要的糧食作物，其增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)滿足不斷增長(zhǎng)的世界人口糧食需求具有重要意義。我國(guó)是世界上最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，為提高小麥玉米輪作系統(tǒng)的作物產(chǎn)量，過(guò)度使用化學(xué)肥料的現(xiàn)象較為普遍，而我國(guó)氮、磷、鉀肥利用率均低于50%，不僅造成了大量營(yíng)養(yǎng)元素的浪費(fèi)以及環(huán)境污染等問(wèn)題，長(zhǎng)期過(guò)度使用化肥還會(huì)帶來(lái)土壤酸化、板結(jié)、肥力下降等不利影響，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響[1-2]。為解決化肥過(guò)量使用帶來(lái)的不利后果同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)，越來(lái)越多的學(xué)者從利用自然資源改善土壤環(huán)境的角度出發(fā)，將農(nóng)作物生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)物——秸稈作為主要的研究對(duì)象應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的合理利用、土壤環(huán)境改善及作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3-6]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為10 億t，是世界上秸稈資源最豐富的國(guó)家之一，但伴隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展及農(nóng)民生活方式的改變，導(dǎo)致秸稈資源的利用率較低[7-9]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，秸稈粉碎還田是目前最主要的秸稈還田方式[10]，秸稈還田可以減少堆放浪費(fèi)以及焚燒秸稈產(chǎn)生的環(huán)境污染等問(wèn)題，作為土壤改良劑還可以促進(jìn)土地資源的可持續(xù)利用[11]。秸稈作為外源有機(jī)物料輸入土壤中，可以顯著降低土壤容重、增加土壤孔隙度，有助于降低土壤板結(jié)的發(fā)生率以及改善土壤通氣透水性，從而增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移，為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤條件[12-13]。秸稈中含有較為豐富的碳、氮、磷、鉀等元素，秸稈還田的養(yǎng)分能夠減少化肥的施用[14]，但由于秸稈本身的碳氮比較高，還田后容易導(dǎo)致土壤中氮素相對(duì)不足，微生物與作物爭(zhēng)奪氮素而影響作物生長(zhǎng)，因此秸稈還田配施化肥可以更好地改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量[9,15-16]。雖然秸稈還田可以增加土壤微生物活性，促進(jìn)秸稈分解，提高土壤肥力，但秸稈分解較慢，釋放的養(yǎng)分供本季作物所利用的部分較少，從而限制當(dāng)季作物產(chǎn)量增加的效果[17]。

生物炭是農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)原料在厭氧條件下經(jīng)高溫裂解而成的黑色固體物質(zhì)，具有高度的芳香化結(jié)構(gòu)、多種含氧官能團(tuán)以及較大的比表面積等特性[18-19]，施用生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善可為作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)提供適宜的土壤環(huán)境[20-23]。王智慧等[24]研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加逐漸增加，施用量為80 t·hm-2時(shí)玉米秸稈生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀以及土壤酶活性的促進(jìn)效果最佳。在黑壚土中施用小麥秸稈及枯枝殘葉等炭化而成的生物炭，小麥產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，施用30 t·hm-2的生物炭對(duì)小麥產(chǎn)量的促進(jìn)效果最佳，且增產(chǎn)效果顯著高于秸稈還田[25]。趙海成等[26]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭和秸稈均可以提高鹽堿地土壤的有效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量，在改善土壤肥力的同時(shí)促進(jìn)水稻增產(chǎn)，且同量秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及肥料利用率的提高作用優(yōu)于生物炭。Martos 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在鈣質(zhì)土壤中施用生物炭可以減少作物對(duì)氮肥的需求并增加土壤的持水性，但對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

生物炭和秸稈對(duì)酸性土壤的改良及作物增產(chǎn)效果明顯，而對(duì)堿性土壤影響的研究尚未形成統(tǒng)一結(jié)論[4,28-29]。目前，大部分研究?jī)H關(guān)注單一施用生物炭或秸稈，而單季施用生物炭和秸稈對(duì)兩季土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量的持續(xù)影響尚不明確，且施用生物炭和秸稈對(duì)垂直土壤養(yǎng)分的影響仍不清楚。因此，本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，欲闡明單季施用不同水平生物炭和秸稈量對(duì)石灰性潮土的土壤肥力、冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的持續(xù)影響，以期為石灰性潮土區(qū)小麥玉米輪作系統(tǒng)適宜的秸稈還田方式及還田量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在山東省聊城市聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地（36°43′N，116°01′E）進(jìn)行，屬于典型的冬小麥-夏玉米輪作區(qū)。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.5 ℃，無(wú)霜期208 d，年均降水量540.4 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 323 h。本試驗(yàn)冬小麥季（2019 年10 月至2020 年5 月）的平均氣溫和總降水量分別為9.3 ℃和178.4 mm；夏玉米季（2020 年6—9 月）的平均氣溫和總降水量分別為25.0 ℃和682.1 mm（圖1）。

圖1 研究期內(nèi)的日均氣溫和日總降水量Fig. 1 Average daily temperature and total daily precipitation during the study period

1.2 供試材料

供試土壤為石灰性潮土，試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：容重1.48 g·cm-3，田間持水量26.79%，pH 8.81，有機(jī)質(zhì)10.87 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，有效磷18.50 mg·kg-1，速效鉀100.44 mg·kg-1。生物炭為玉米秸稈生物炭，裂解溫度為450 ℃，pH 7.44，全氮15.45 g·kg-1，有效磷1 151.85 mg·kg-1，速效鉀5 300.21 mg·kg-1。供試小麥品種為‘濟(jì)麥22'，玉米品種為‘鄭單958'。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬小麥于2019年10月14日播種，2020年5月27 日 收 獲，播 種 量 為150 kg·hm-2。夏 玉 米 于2020 年6 月14 日種植，2020 年9 月23 日收獲，種植密度為8萬(wàn)株·hm-2。分別設(shè)置4種玉米秸稈生物炭和玉米秸稈施用量，秸稈還田量按照小區(qū)內(nèi)實(shí)際平均秸稈生產(chǎn)量（玉米秸稈干物質(zhì)量）進(jìn)行0.5、1.0、1.5和2.0倍施用，其中秸稈還田處理的施用量分別為3.80（S0.5）、7.60（S1.0）、11.40（S1.5）和15.20 t·hm-2（S2.0）；生物炭處理為等量玉米秸稈全部轉(zhuǎn)化為生物炭（平均轉(zhuǎn)化率為30%）進(jìn)行施用，施 用 量 分 別 為1.14（B0.5）、2.28（B1.0）、3.42（B1.5）和4.56 t·hm-2（B2.0）；以無(wú)生物炭和秸稈的處理為對(duì)照（CK），共計(jì)9個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積8 m2。生物炭和秸稈均于冬小麥播種前均勻撒施在土壤表面，并與化肥一同翻入耕層土壤中，后期均不再施用；對(duì)照（CK）僅施用化肥。各小區(qū)施肥量一致，冬小麥季N-P-K施用量為225-125-90 kg·hm-2，夏玉米季N-P-K 施用量為225-150-150 kg·hm-2，其中50%的氮肥和全部鉀肥、磷肥均于冬小麥、夏玉米播種前一次性施入作為底肥，另50%氮肥于冬小麥、夏玉米拔節(jié)期追施。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

分別于冬小麥、夏玉米收獲后使用土鉆取0—100 cm土樣，每10 cm為1層，每層土壤混合均勻后依據(jù)四分法進(jìn)行取樣，自然風(fēng)干后測(cè)定土壤養(yǎng)分含量[30]。土壤全氮采用凱氏蒸餾法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮采用氯化鈣浸提，紫外分光光度法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定。

土壤養(yǎng)分（全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀）累積量的計(jì)算公式如下。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行差異顯著性分析，采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭和秸稈對(duì)冬小麥季土壤養(yǎng)分的影響

由圖2 可知，土壤全效養(yǎng)分中的全氮、全磷、有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為隨土層的增加逐漸降低的變化趨勢(shì)。0—10 cm 土層中，全氮含量除S0.5 處理外，其余生物炭和秸稈處理均高于對(duì)照。S2.0 處理對(duì)10—60 cm 土層全氮的提升效果最好，且對(duì)0—60 cm 土層全磷含量的促進(jìn)作用明顯高于其他處理。土壤全鉀含量在0—50 cm 土層間變化較小，50—100 cm 土層的全鉀含量總體上呈現(xiàn)隨土層深度的增加而增加的變化趨勢(shì)，施用生物炭和秸稈均可以提高0—30 cm 土層土壤的全鉀含量。整體上生物炭和秸稈處理均可以提高耕層土壤（0—20 cm）有機(jī)碳含量，S2.0 處理0—60 cm 土層的有機(jī)碳含量始終保持最高水平，各處理對(duì)深層土壤（深度＞70 cm）有機(jī)碳含量影響較小。

圖2 不同處理下冬小麥季土壤養(yǎng)分的垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil nutrients in winter wheat season under different treatments

冬小麥季，土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的增加呈先增加后降低的變化規(guī)律，0—10 cm 土層施用生物炭和秸稈均有利于硝態(tài)氮含量的增加。施用生物炭和秸稈對(duì)0—60 cm 土層的銨態(tài)氮含量影響較大，S1.0 處理對(duì)0—30 cm 土層銨態(tài)氮含量提升效果最佳，S1.5處理次之。各處理間的土壤有效磷含量差異較小，整體上S2.0處理0—100 cm土層土壤有效磷含量高于其他處理。土壤速效鉀含量在0—10 cm 土層中較高，除S0.5 處理外的生物炭和秸稈處理土壤的速效鉀含量均高于對(duì)照。

2.2 秸稈生物炭和秸稈對(duì)夏玉米季土壤養(yǎng)分的影響

圖3 為不同生物炭和秸稈施用量下夏玉米收獲后土壤全效、速效養(yǎng)分的垂直分布特征，除全鉀外，其余各養(yǎng)分指標(biāo)大體上均呈現(xiàn)隨土層深度的增加而降低的變化趨勢(shì)。生物炭和秸稈處理均可以提高0—10 cm 土層的全效養(yǎng)分（全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳）含量，且對(duì)0—90 cm 土層的全鉀含量具有促進(jìn)作用。除B0.5、S0.5處理外，其余生物炭和秸稈處理均有利于增加耕層土壤（0—20 cm 土層）硝態(tài)氮含量，其中B1.0 處理對(duì)0—50 cm 土層硝態(tài)氮含量的促進(jìn)作用高于其余處理。除S2.0處理外，其余生物炭和秸稈處理耕層土壤（0—20 cm土層）的銨態(tài)氮含量均高于對(duì)照，在0—40 cm土層中S2.0處理最低。施用生物炭和秸稈對(duì)土壤有效磷含量的影響較小，其中在10—50 cm 土層，S0.5處理土壤的有效磷含量最高。S2.0處理可以明顯提升0—90 cm 土層土壤的速效鉀含量，而B2.0 處理在0—70 cm土層土壤的速效鉀含量低于其余處理。與冬小麥季的土壤養(yǎng)分（圖2）相比，夏玉米季土壤養(yǎng)分在各處理間的差距有所縮小，表明生物炭和秸稈對(duì)夏玉米季土壤養(yǎng)分的影響減小。

圖3 不同處理下夏玉米季土壤養(yǎng)分的垂直分布Fig. 3 Vertical distribution of soil nutrients in summer maize season under different treatments

2.3 秸稈生物炭和秸稈對(duì)土壤碳氮比的影響

圖4為不同生物炭和秸稈處理下冬小麥、夏玉米收獲后0—100 cm土壤碳氮比的垂直分布特征，整體上表現(xiàn)為冬小麥季的土壤碳氮比高于夏玉米季，且兩季均表現(xiàn)出秸稈處理高于生物炭處理。在冬小麥季，土壤碳氮比隨土層深度的增加逐漸降低，除B0.5、S1.0、S1.5 處理外，其余生物炭和秸稈處理均整體上增加耕層土壤的碳氮比，其中S2.0處理耕層土壤的碳氮比最高。在夏玉米季，土壤碳氮比隨土層深度的增加呈先增加后降低再有所增加的變化趨勢(shì)，其中0—40 cm 土層中土壤碳氮比隨土層深度的增加逐漸增加。秸稈還田處理對(duì)夏玉米季20—40 cm 土層土壤碳氮比的提高更為明顯，且整體上高于生物炭處理和對(duì)照。

圖4 不同處理下土壤碳氮比的垂直分布Fig. 4 Vertical distribution of soil C/N under different treatments

2.4 秸稈生物炭和秸稈對(duì)土壤養(yǎng)分累積量的影響

由表1和表2可知，生物炭和秸稈處理影響冬小麥、夏玉米收獲期各土壤養(yǎng)分累積量。S2.0 處理較對(duì)照顯著提高冬小麥季0—20 cm 土層土壤的有機(jī)碳、硝態(tài)氮、速效鉀累積量，而生物炭和秸稈還田處理對(duì)冬小麥季0—100 cm 土層土壤各養(yǎng)分指標(biāo)的累積量均無(wú)顯著影響。與對(duì)照相比，B1.0 處理顯著提高夏玉米季0—20 cm 土層土壤的硝態(tài)氮累積量，S2.0 處理顯著增加夏玉米季0—100 cm土層土壤的速效鉀累積量。

表1 不同處理下冬小麥季土壤養(yǎng)分的累積量Table 1 Accumulation amounts of soil nutrient under different treatments in winter wheat season （kg·hm-2）

表2 不同處理下夏玉米季土壤養(yǎng)分的累積量Table 2 Accumulation amounts of soil nutrient under different treatments in summer maize season （kg·hm-2）

2.5 秸稈生物炭和秸稈對(duì)作物產(chǎn)量的影響

由圖5 可知，冬小麥季一次施用不同量的生物炭和秸稈影響冬小麥和夏玉米兩季作物的籽粒產(chǎn)量。隨生物炭施用量的增加，冬小麥籽粒產(chǎn)量逐漸增加，與對(duì)照相比，施用生物炭可顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量9.04%～21.76%，其中B2.0處理顯著高于B0.5、B1.0處理。隨秸稈還田量的增加，冬小麥籽粒產(chǎn)量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，秸稈還田使冬小麥籽粒產(chǎn)量較對(duì)照顯著提高15.31%～22.96%，而秸稈處理間差異不顯著。隨生物炭施用量的增加，夏玉米的籽粒產(chǎn)量有所降低，其中B0.5 處理較CK、B1.5、B2.0 處理分別顯著提高10.86%、14.57%、13.32%；B1.5、B2.0 處理的夏玉米籽粒產(chǎn)量雖低于對(duì)照，但差異不顯著。隨秸稈還田量的增加，夏玉米籽粒產(chǎn)量逐漸增加，S1.0、S1.5、S2.0 處理籽粒產(chǎn)量較對(duì)照分別提高8.72%、10.89%、12.22%，且差異顯著。由此表明，施用不同量生物炭和秸稈對(duì)冬小麥、夏玉米的增產(chǎn)效果不同，但兩季均表現(xiàn)出施用秸稈對(duì)作物增產(chǎn)的效果優(yōu)于生物炭。

圖5 不同處理下冬小麥-夏玉米的籽粒產(chǎn)量Fig. 5 Grain yield of winter wheat-summer maize under different treatments

3 討論

3.1 秸稈還田方式對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

生物炭和秸稈自身均含有一定的養(yǎng)分，將其還田可以改善土壤養(yǎng)分狀況[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，石灰性潮土區(qū)單季施用秸稈生物炭和秸稈對(duì)兩季土壤養(yǎng)分均具有一定的促進(jìn)作用，整體上對(duì)冬小麥季土壤肥力的提升效果優(yōu)于夏玉米季，其中對(duì)耕層土壤養(yǎng)分累積量的影響更加明顯，但隨著麥玉輪作對(duì)土壤養(yǎng)分的促進(jìn)作用有所減小。這可能是由于本研究?jī)H在冬小麥季將生物炭和秸稈施入耕層土壤中，因此對(duì)深層土壤及夏玉米季的土壤養(yǎng)分促進(jìn)效果較弱，這可能也是生物炭和秸稈處理對(duì)冬小麥增產(chǎn)效果優(yōu)于夏玉米的重要原因之一。魏永霞等[33]研究發(fā)現(xiàn)，一次施用生物炭后黑土土壤的養(yǎng)分含量隨時(shí)間的推移有所降低，但仍高于未施炭處理。孫海妮等[25]在黑壚土中施加生物炭和秸稈，發(fā)現(xiàn)生物炭和秸稈處理均可以提高冬小麥不同生育期耕層土壤的速效養(yǎng)分以及有機(jī)質(zhì)含量，其中生物炭處理可以更好地改善土壤肥力。本研究表明，秸稈處理對(duì)冬小麥季耕層土壤養(yǎng)分累積量的促進(jìn)效果優(yōu)于生物炭處理，夏玉米季則為生物炭處理更能促進(jìn)耕層土壤養(yǎng)分累積量的增加。這可能是由于秸稈在微生物的作用下不斷分解并釋放養(yǎng)分，使秸稈處理下冬小麥、夏玉米的增產(chǎn)幅度更大，從而提高了養(yǎng)分利用率。

3.2 秸稈還田方式對(duì)土壤碳氮比的影響

生物炭和秸稈均具有較高的碳含量，將其施入土壤可以提高土壤碳氮比，導(dǎo)致微生物與作物爭(zhēng)氮，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育[17,34-36]。本研究表明，施用生物炭和秸稈處理未明顯增加土壤的碳氮比，可能由于本研究是在施用化肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行生物炭和秸稈處理，緩解了微生物與作物爭(zhēng)氮的現(xiàn)象，從而減小對(duì)農(nóng)作物的不利影響。本研究中冬小麥季土壤的碳氮比整體上高于夏玉米季，可能是由于單季還田模式下生物炭和秸稈為冬小麥季土壤提供了更多的有機(jī)碳，夏玉米季正常施肥導(dǎo)致碳氮比降低，加速了土壤有機(jī)碳的礦化[37]。

3.3 秸稈還田方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

生物炭可改善土壤理化性質(zhì)，顯著提高作物產(chǎn)量[38-39]。本研究也表明，施用不同水平的生物炭均可顯著增加冬小麥產(chǎn)量，并表現(xiàn)出隨生物炭施用量的增加逐漸增加的變化趨勢(shì)，但在夏玉米季生物炭處理中僅B0.5 處理的籽粒產(chǎn)量顯著高于對(duì)照。這可能由于冬小麥季施用生物炭為冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育提供了充足的養(yǎng)分；而夏玉米生育期內(nèi)降水量較多，高于研究區(qū)多年平均降水量，較多的降水可能降低了生物炭對(duì)土壤肥力的有效性，從而使生物炭對(duì)夏玉米的增產(chǎn)效果減弱。闞正榮等[40-42]在鹽化潮土中的研究也發(fā)現(xiàn)，適宜的施炭量可以更好地提高冬小麥產(chǎn)量，而對(duì)夏玉米產(chǎn)量無(wú)顯著影響，甚至表現(xiàn)為減產(chǎn)。本研究中秸稈處理均可以提高冬小麥和夏玉米兩季的籽粒產(chǎn)量，且對(duì)冬小麥、夏玉米的增產(chǎn)效果優(yōu)于生物炭。這可能是由于秸稈中含有較為豐富的養(yǎng)分[43]，秸稈不斷腐解并釋放養(yǎng)分，為冬小麥的生長(zhǎng)提供更多的養(yǎng)分，然而由于冬小麥季溫度較低，秸稈未能完全腐解，在雨熱同期的夏玉米季，秸稈進(jìn)一步腐解并釋放養(yǎng)分，從而促進(jìn)了夏玉米產(chǎn)量的提高。李昊昱等[44]采用冬小麥季單季秸稈還田，發(fā)現(xiàn)秸稈還田可促進(jìn)冬小麥、夏玉米兩季作物產(chǎn)量的提高，且對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效果更大，與本研究結(jié)果一致。顧克軍等[45]研究發(fā)現(xiàn)，單、雙季秸稈還田對(duì)稻-麥產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。這可能是由于土壤質(zhì)地、氣候、作物以及秸稈種類等因素的差異，導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異。本研究表明，在石灰性潮土區(qū)正常施肥的基礎(chǔ)上，單季施用1.14 t·hm-2的玉米秸稈生物炭或7.60 t·hm-2玉米秸稈既可提高土壤肥力，又可實(shí)現(xiàn)冬小麥、夏玉米兩季作物增產(chǎn)。