秸稈還田方式和數量對棕壤有機碳活性的影響

葉 超，張 昀，燕香梅，佟忠勇，張廣才*，高曉丹，李少博，張雅楠，李 麗

（1.沈陽農業大學土地與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室/農業部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866；2.沈陽市農業科學院現代農業研發服務中心，沈陽 110013；3.沈陽市鐵西區森林公園，沈陽 110026）

在我國北方玉米主產區，每年有大量的玉米秸稈被焚燒或廢棄，造成環境污染和資源浪費等突出問題[1]。如何將秸稈資源有效利用、減少浪費和環境污染，是我國環境保護和農業可持續發展的首要問題。農田土壤有機碳庫在全球碳庫中屬于最活躍的部分，對維持全球碳庫平衡有非常重要的作用[2-3]。土壤有機碳是土壤碳素的主要存在形態和主體，主要指存在于未分解或半分解有機殘體和腐殖質中的碳，土壤有機碳庫的組成直接影響著土壤碳庫的保存和供應能力[4]。根據土壤有機碳不同組分的活性和周轉率的高低，可將土壤有機碳庫劃分為活性和惰性兩大不同的組分[5]。活性有機碳在土壤碳庫中所占的比例通常較小，是植物和微生物所需養分的直接供應庫，具有很高的靈敏度，可在土壤總有機碳變化之前反映土壤碳庫微小的變化[6]；而惰性有機碳所占的比例相對較大，是土壤碳的長期儲存狀態，決定著土壤有機碳的儲備，一定程度上能夠反映土壤有機碳穩定性的高低[7]。秸稈還田不僅是土壤碳素重要的源和庫，也是提高土壤肥力水平和促進養分循環的有效措施之一[8]。因此，深入探究長期定位條件下秸稈不同還田方式和數量對土壤有機碳組分特征的影響，有助于更好的認識土壤有機碳的質量，對土壤培肥和指導農業生產具有重要意義。關于單施化肥處理對土壤有機碳的影響結果目前眾說紛紜，還沒有確定結論。渭河平原長期定位試驗發現，單施氮磷化肥（NP）土壤有機碳含量較不施肥對照（CK）處理增加了0.40 g/kg，認為化肥一定程度上可以維持并提高土壤有機碳含量[9]。在水稻土上進行的氮磷鉀化肥（NPK）+秸稈腐熟試驗發現，長期施氮磷鉀化肥（NPK）也可以增加土壤有機碳含量，且化肥與有機肥配施對土壤有機碳含量增加的效果最佳，單施氮肥會降低土壤有機碳的惰性指數，降低土壤有機碳穩定性[10]。研究發現，秸稈還田（平鋪）后土壤有機碳在玉米苗期和拔節期基本無變化，之后開始下降，在抽雄期之后上升；與CK相比，秸稈還田顯著提高了土壤有機碳含量，有利于土壤固碳和培肥[11]。但是，有研究卻發現單施氮磷化肥（NP）與試驗前相比，土壤有機碳含量下降2.7%～3.5%，秸稈直接還田在增加土壤活性有機碳含量和改善土壤有機質品質等方面均優于秸稈腐熟還田[12]。關于秸稈還田對土壤有機碳組分的影響已展開了大量的研究，但多集中于秸稈直還或腐熟還田對土壤活性有機碳組分和碳礦化等方面，而在長期定位試驗條件下，秸稈直還和腐熟還田以及半量和全量還田相配合方面，全面反映土壤有機碳組分（活性和惰性）響應的差異及機理較少。因此，深入開展在此條件下，土壤有機碳組分（活性和惰性）如何響應的研究，有助于進一步揭示土壤的固碳機理，為土壤肥力提升及作物增產提供科學依據。本試驗以沈陽農業大學棕壤長期定位試驗站為平臺，在玉米秸稈半量和全量還田，以及直接和腐熟還田條件下，探討玉米拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期的土壤有機碳含量及其活性和惰性指數動態變化狀況，進一步揭示秸稈還田方式和數量對土壤有機碳的影響效應。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試棕壤

供試棕壤采自沈陽農業大學棕壤長期定位實驗站（41.82°N，123.57°E）。試驗區地勢平坦，海拔為75 m，屬于北溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。年平均氣溫為6～11 ℃，≥10 ℃積溫為3 350 ℃，年平均降雨量為730 mm，全年85%降雨集中在6—9月[13]。種植作物為春玉米，品種為丹玉508，采用壟作的方式，壟距為0.6 m，株距為0.27 m，種植密度為 60 000 株/hm2。從 2013年起，每年 4月30日左右播種，常規田間管理，9月30日左右收獲。于2017年，采集試驗地未施肥耕層（0～20 cm）土壤，基本化學性質見表1。

1.1.2 供試秸稈

每年，將上季收獲后的玉米秸稈粉碎成約2～3 cm長短，一部分用于直接還田另一部分放入土坑中，采用好氧堆集方法腐熟（標準為秸稈變成黑褐色粉末，有土香味）。在秋季玉米收獲后，平鋪于小區地面，再翻于耕層內。同時取未腐秸稈和腐熟秸稈烘干、粉碎研磨，測定其基本理化性質，腐熟秸稈和未腐熟秸稈的化學性質見表1。

表1 供試材料的基本化學性狀Table 1 Basic chemical properties of the tested materials

1.1.3 供試化肥

供試化肥包括硫包尿素（含氮37.0%，山西漢楓緩釋肥料有限公司）、磷酸氫二銨（含P2O542.0%，N 15.0%，黑龍江倍豐農業有限公司）和硫酸鉀（含K2O 50.0%，遼寧華錦通達化工有限公司）。

1.2 試驗設計

小區面積為43.2 m2，共設10 個處理，分別為：CK（不施肥）、CF（單施化肥）、J（未腐熟秸稈半量）、F（腐熟秸稈半量）、2J（未腐熟秸稈全量）、2F（腐熟秸稈全量）、J+CF（未腐熟秸稈半量+化肥）、F+CF（腐熟秸稈半量+化肥）、2J+CF（未腐熟秸稈全量+化肥）、2F+CF（腐熟秸稈全量+化肥）。每個處理3 次重復，采取完全隨機區組方式進行排列。

按東北地區春玉米平均畝產秸稈數量確定秸稈直接還田量，半量為6 000 kg/hm2，全量12 000 kg/hm2；腐熟秸稈還田量以未腐熟秸稈為基準分別等碳施用。施肥小區 N、P2O5、K2O 施用量為 300、150、150 kg/hm2，各配施化肥小區以化肥處理為基準等氮。播種前化肥一次性作基肥施用。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集

2017年5月初至10月初，分別在玉米生長發育的拔節期（6月 27日）、抽雄期（7月 28日）、灌漿期（8月 25日）、成熟期（10月 08日）4 個時期用土鉆在各小區按“S”形隨機采集5 點，取耕層土壤（0～20 cm），每點選在兩株中間點對應的壟溝與壟臺交界處，用四分法取混合土樣1 kg，風干，過篩，備用。

1.3.2 樣品分析

①土壤有機碳的測定采用Elementar Vario EL III（德國）元素分析儀。

②土壤有機碳活性組分和惰性組分的測定采用硫酸水解法[14]。

具體操作步驟如下：稱取1.00 g 過20 目的風干土樣于100 mL 硬質消煮管內，加20 mL 2.5 mol/L的H2SO4，蓋上小漏斗在105 ℃下油浴30 min，然后轉移至50 mL 離心管，在4500 r/min 下離心20 min，將上清液倒出。離心管內土樣加20 mL 蒸餾水繼續清洗離心，將兩次上清液合并過0.45 μm 有機微孔濾膜。上述水解產物為活性組分Ⅰ。離心管內的殘留土樣加蒸餾水離心清洗數次后，在60 ℃下烘干，再加2 mL 的13 mol/L 的H2SO4，轉移到三角瓶內，在室溫下持續振蕩過夜（10 h），然后加水將酸稀釋為1 mol/L，轉移至消煮管內，在105 ℃下油浴3 h，手工間歇振蕩，轉移至離心管內離心后，將上清液倒出。離心管內土樣再加20 mL 蒸餾水繼續清洗離心，將2 次的上清液合并過0.45 μm 有機微孔濾膜。此水解產物稱為活性組分Ⅱ。組分Ⅰ和Ⅱ之和構成活性有機碳。

1.3.3 土壤有機碳穩定性的計算方法

土壤有機碳穩定性的評價指標采用活性指數（LIC）和惰性指數（RIC），其計算公式如下：

LIC=（活性有機碳/總有機碳）×100%

RIC=（惰性有機碳/總有機碳）×100%

1.4 數據處理

所有試驗數據經MS Office 2013 Excel 軟件處理后，用IBM SPSS Statistics 20 軟件進行統計分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan 檢驗比較各參數間的差異，顯著性水平設定為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 秸稈單獨還田后土壤有機碳的動態變化

從圖1可知，在玉米整個生長發育期內，從拔節期到抽雄期，2J 和2F 處理的土壤有機碳含量顯著下降（P＜0.05），下降幅度分別為 24.25%和13.01%，其余各處理土壤有機碳的含量無顯著變化。從抽雄期到灌漿期，F 處理土壤有機碳含量有增加的趨勢，其余各處理的無顯著變化。從灌漿期到成熟期，J 處理土壤有機碳含量顯著提高（P＜0.05），上升幅度為10.21%，其余秸稈還田處理土壤有機碳含量均有上升的趨勢，但差異不顯著。在成熟期，與CK 處理相比，秸稈還田各處理土壤有機碳含量均增加，其中J 和2J 處理增加較少，差異不顯著，幅度為14.93%和11.49%，而F 和2F 處理顯著增加（P＜0.05），增加幅度為30.74%和18.88%。

2.2 配施化肥條件下秸稈還田后土壤有機碳的動態變化

從圖2中可以看出，在玉米的整個生長發育時期內，從拔節期到抽雄期，2F+CF 處理土壤有機碳含量有下降趨勢，其余各處理的變化差異不顯著。從抽雄期到灌漿期，FSNPK 和2F+CF 處理土壤有機碳含量有上升趨勢，其余各處理無顯著變化。從灌漿期到成熟期，所有秸稈還田配施化肥處理有機碳含量均有增加，其中J+CF、2J+CF 和F+CF 達到差異顯著水平（P＜0.05），增加的幅度分別為 17.73%、20.12%、16.51%。在成熟期，與 CK 相比，F+CF 和2F+CF 處理土壤有機碳的含量均明顯增加（P＜0.05），增加幅度分別為29.38%和39.71%；J+CF 和2J+CF各處理土壤有機碳含量也有所增加，增加幅度分別為14.01%、17.39%，均未達到顯著水平；單施化肥處理土壤有機碳含量無顯著變化。

圖1 秸稈單獨還田后土壤有機碳含量的動態變化Figure 1 Dynamic changes of SOC content after straw added without fertilizer application

圖2 配施化肥條件下秸稈添加后土壤有機碳含量的動態變化Figure 2 Dynamic changes of SOC content after straw added under fertilizer application

2.3 秸稈單獨還田后土壤有機碳活性指數的動態變化

從圖3可以看出，在玉米的整個生長發育時期內，從拔節期到抽雄期，2F 處理土壤有機碳活性指數有上升的趨勢，其余各處理均無顯著變化。從抽雄期到灌漿期，2F 處理土壤有機碳活性指數有上升的趨勢，其余各處理均無顯著變化。從灌漿期到成熟期，所有秸稈還田處理土壤有機碳活性指數均顯著上升（P＜0.05），J、F、2J 和 2F 增加的幅度分別為35.96%、24.18%、35.58%和29.15%。在成熟期，與CK處理相比，所有添加秸稈處理土壤有機碳活性指數均增加，但是J 和F 處理增加幅度較小，約為CK 處理的 1.11 倍；而 2J 和 2F 處理明顯增加（P＜0.05），增加幅度為21.55%、21.33%，約為CK 處理的1.21 倍。

圖3 秸稈單獨還田后土壤有機碳活性指數的動態變化Figure 3 Dynamic changes of SOC activity index after straw added without fertilizer application

2.4 配施化肥條件下秸稈還田后土壤有機碳活性指數動態變化

由圖4可以看出，在玉米的整個生長發育時期內，從拔節期到抽雄期，秸稈還田各處理土壤有機碳活性指數均無顯著變化。從抽雄期到灌漿期，秸稈還田各處理土壤有機碳活性指數均無顯著變化。從灌漿期到成熟期，J+CF 處理土壤有機碳活性指數顯著上升（P＜0.05），幅度為31.41%，其余秸稈還田各處理均無顯著變化。在成熟期，較CK 處理，J+CF和2J+CF 處理土壤有機碳活性指數均有明顯的增加（P＜0.05），增加幅度分別為 25.10%和 15.51%；而F+CF 和2F+CF 土壤有機碳活性指數無顯著變化。

圖4 配施化肥條件下秸稈添加后土壤有機碳活性指數的動態變化Figure 4 Dynamic changes of SOC activity index after straw added under fertilizer application

2.5 秸稈單獨還田后土壤有機碳惰性指數的動態變化

由圖5可以看出，在玉米的整個生長發育時期內，從拔節期到抽雄期，2F 處理土壤有機碳惰性指數有下降的趨勢，其余各處理均無顯著變化。從抽雄期到灌漿期，2F 處理土壤有機碳惰性指數有下降的趨勢，其余各處理均無顯著變化。從灌漿期到成熟期，秸稈還田各處理土壤有機碳惰性指數均顯著下降（P＜0.05），J、F、2J 和 2F 下降幅度分別為 11.01%、21.14%、10.40%和20.92%。在成熟期，較CK 處理，秸稈還田各處理土壤有機碳惰性指數均降低，其中J 和F 處理降低較少，不顯著，降低幅度分別為11.01%、10.40%，而 2J 和 2F 處理顯著降低（P＜0.05）降低幅度分別為21.14%、20.92%。

圖5 秸稈單獨還田后土壤有機碳惰性指數的動態變化Figure 5 Dynamic changes of SOC inert index after straw added without fertilizer application

2.6 配施化肥條件下秸稈還田后土壤有機碳惰性指數動態變化

由圖6可以看出，在玉米的整個生長發育時期內，從拔節期到抽雄期，秸稈還田各處理土壤有機碳惰性指數均無顯著變化。從抽雄期到灌漿期，秸稈還田各處理土壤有機碳惰性指數均無顯著變化。從灌漿期到成熟期，J+CF 處理土壤有機碳惰性指數下降明顯（P＜0.05），下降幅度為 23.75%，其他秸稈還田處理無顯著變化。在成熟期，較CK 處理，CF、2J+CF 和2F+CF 土壤有機碳惰性指數明顯下降（P＜0.05），下降幅度分別為11.45%、16.62%和10.27%，但是F+CF 和2F+CF 處理無顯著變化。

圖6 施化肥條件下秸稈還田后土壤有機碳惰性指數的動態變化Figure 6 Dynamic changes of SOC inert index after straw added under fertilizer application

3 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 秸稈不同方式和數量還田對土壤有機碳含量的影響

在本研究中，秸稈還田方式和數量的改變均可以提高土壤有機碳的含量，這與孫漢印、田慎重和薛斌等[15-17]的研究結果相同，但是增加的幅度在不同秸稈還田模式下變化結果不同。

本研究表明，在春玉米生長期內，無論配施化肥與否，秸稈以不同處理方式和不同數量還田后，土壤有機碳含量從拔節期到抽雄期有降低的趨勢；原因是玉米營養生長與生殖生長共同進行，生育活動較為旺盛，刺激土壤微生物的活動，消耗大量的土壤有機碳，使土壤有機碳含量的降低[18]。這一階段與毛海蘭等[11]研究結果不同，可能是其試驗是將秸稈平鋪在地表，在玉米拔節期之前腐解較為緩慢，尚不能對土壤有機碳含量起到明顯的影響。從抽雄期到成熟期土壤有機碳含量有上升的趨勢，原因是隨著玉米的生長，由生殖生長轉為營養生長，植株需要的土壤養分減少，而分泌物和凋落物增加，導致土壤有機碳含量增加[19]。這一階段和毛海蘭、蔡太義等[11，20]的研究結果相似。

本研究發現，秸稈還田條件下，無論配施化肥與否，土壤有機碳含量增加的大小關系均為：腐熟秸稈全量＞未腐熟秸稈全量，腐熟秸稈半量＞未腐熟秸稈半量，即秸稈腐熟還田更有利于土壤有機碳的累積。這是因為秸稈在腐解后自身全氮含量增加，施加到農田后，一方面促進作物生長，另一方面增加作物對土壤有機碳庫的輸入增加土壤有機碳輸入量[21]，同時腐熟秸稈有利于促進土壤中水穩性團粒結構的形成，加速土壤有機碳積累[22]。

在秸稈單獨還田條件下，無論腐熟與否，秸稈半量還田土壤有機碳的增加量比秸稈全量還田增加的要多，可能是由于秸稈全量還田后土壤中氮素不足，使得微生物與作物爭奪氮素，秸稈分解緩慢，因而對土壤有機碳含量的變化作用不明顯[23]。在配施氮肥后，變化結果為秸稈全量還田后土壤有機碳增加量大于秸稈半量還田，可能是由于氮肥的施入，使秸稈保持正常的碳氮比，更有利于土壤中的微生物的活動，加速秸稈的腐解，加速秸稈碳向土壤碳的轉化[24]。同時單施氮肥處理與CK 相比，土壤有機碳含量雖然變化不大，但是稍微有些降低，即單施氮肥不利于土壤有機碳的保持和提高，顏麗等[12]的研究結果也表明單施化肥處理與試驗前相比有機碳含量下降的幅度為2.7%～3.5%，認為長期單獨施用化肥很難保證作物生長所需的有機碳的適宜值。

3.1.2 秸稈不同方式和數量還田后土壤有機碳活性指數和惰性指數的變化

本研究表明，無論配施化肥與否，在玉米的整個生長發育時期內，所有處理土壤有機碳活性指數均為從的拔節期到灌漿期無變化，從灌漿期到成熟期有上升的趨勢。形成這種趨勢的原因是由于從玉米的拔節期到灌漿期，試驗所在地在灌漿期之前一直干旱少雨導致土壤微生物活性較低，秸稈腐解緩慢，土壤有機碳活性指數雖有波動，但是變化不明顯。而抽雄期之后，由于地表植被的覆蓋以及秸稈對水分的涵養，使得土壤水分和溫度適宜，有利于秸稈腐解[25]；同時，植物根系分泌物和凋落物的增加導致土壤有機碳活性指數的升高[26]。土壤有機碳惰性指數的變化情況剛好與土壤有機碳活性指數相反。

無論配施化肥是否，在玉米成熟期，較CK 處理，所有處理土壤有機碳活性指數均有提高，這表明秸稈還田可以提高土壤活性有機碳的含量，這與徐明崗等[27-28]的研究結果一致，其研究認為長期秸稈還田對我國典型土壤活性有機碳有一定的促進作用，能夠保持土壤肥力的穩定與提高。秸稈單獨還田各處理土壤有機碳活性指數在玉米不同生長時期雖有變化，但只有在成熟期效果明顯，這與徐忠山[29]的研究結果相同；而配施化肥秸稈還田后土壤有機碳活性指數則變成：未腐熟秸稈半量+化肥＞未腐熟秸稈全量+化肥＞腐熟秸稈半量+化肥＞腐熟秸稈全量+化肥，即秸稈半量還田對土壤有機碳活性指數的增加更有利，同時秸稈直接還田能使土壤有機碳活性指數明顯增加，達到差異顯著水平。單施氮肥與其他各處理相比，顯著地降低了土壤有機碳惰性指數，這表明單施氮肥不利于土壤的固碳，因此在滿足作物生長發育的情況下，應該減少施用氮肥，做到培肥地力，陳小云等[10]的研究認為單施氮肥土壤有機碳惰性指數降低的幅度為4.77%，不利于土壤有機碳的儲備和穩定。

3.2 結論

①在本試驗條件下，與不施肥對照處理相比，無論配施化肥與否，秸稈還田各處理均會增加土壤有機碳含量，且腐熟還田比直接還田的增加量更多，更有利于培肥地力和土壤有機碳的累積。

②無論配施化肥與否，所有處理土壤有機碳活性指數均為從拔節期到灌漿期無變化，從灌漿期到成熟期有上升的趨勢。秸稈直接還田和單獨還田有利于提高土壤活性有機碳指數。

③單施化肥處理土壤有機碳含量及其惰性指數均會降低，即單施化肥不利于土壤有機碳的保持和提高。