粉碎與顆粒秸稈高量還田對黑土亞耕層土壤有機碳的提升效應*

叢 萍，逄煥成?，王 婧，劉 娜，李玉義，張 莉

粉碎與顆粒秸稈高量還田對黑土亞耕層土壤有機碳的提升效應*

叢 萍1，2，逄煥成1?，王 婧1，劉 娜1，李玉義1，張 莉1

（1. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2. 中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266100）

針對東北黑土亞耕層有機碳匱乏，且秸稈體量大、利用困難的問題，于2015—2018年開展田間定位實驗，以秸稈不還田為對照（CK），探究粉碎秸稈（FS）與秸稈顆粒（KL）處理下1倍量（15 t·hm–2）、3倍量（45t·hm–2）、5倍量（75t·hm–2）的深埋還田對土壤有機碳含量、有機碳結構以及土壤養分比例的影響，旨在通過“變廢為寶”促進黑土地可持續發展。結果表明：1）秸稈還田對20~40 cm土壤亞耕層有機碳提升效果顯著，隨著秸稈倍量的增加，亞耕層土壤有機碳在2%~20%（1 a）、5%～27%（2 a）、1%～18%（3 a）之間變化，高倍量還田優勢顯著；秸稈還田2 a土壤有機碳增長率最高，表明還田第2年是有機碳的主要積累時期，且秸稈倍量是影響有機碳變化更重要的因素。2）秸稈還田3 a后，FS5處理的脂化度較高而KL5處理的芳香度較高，粉碎秸稈高量還田更易促進烷基碳鏈型有機碳合成，而KL5處理易促進芳香烴類有機碳合成。3）高量還田后亞耕層土壤碳氮比與碳磷比增幅大于10%，碳鉀比增幅大于20%，且秸稈顆粒還田對養分元素比例的提高具有短期快速效應，而粉碎秸稈具有長期緩釋效應。秸稈高量深埋還田顯著提高亞耕層土壤有機碳含量，平衡碳與氮、磷、鉀養分元素比例關系，是增厚培肥黑土層以及解決東北秸稈還田問題的可行方法。

秸稈還田；高量；黑土；有機碳；亞耕層；秸稈顆粒

土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）占土壤有機質的60%～80%，是土壤的重要組成部分，其在土壤肥力、環境保護、農業可持續發展等方面均起著極其重要的作用[1-2]。然而我國黑土地由于長期施用化肥，重用輕養，導致地力下降。一是長期淺耕導致的亞耕層有機碳匱乏問題突出，黑土層“上肥下痩”，亞耕層有機碳含量僅為耕層的1/3～1/2；二是“碳饑渴”問題顯現，導致有機碳營養與其他養分比例失衡[3]。亞耕層作為聯結表土層與心土層的重要耕作層，對于土壤養分供應以及作物根系生長具有至關重要的作用，對于黑土地地力提升亦有重要意義。

許多研究表明，秸稈還田是培肥土壤、提升土壤有機碳的有效手段，秸稈中含有C、N、P、K等營養元素，施入到土壤中可以培肥土壤[4]，最終提高作物產量。我國東北地區玉米秸稈體量大，其總量可達1.4億t，然而肥料化利用率僅為36%[5]，玉米秸稈體量大、產量多，還田困難，因此創新秸稈還田方式從而快速提高黑土層有機碳水平成為關鍵。

國內外研究表明，在秸稈還田的同時加入微生物腐熟劑、秸稈堆漚、增大秸稈粉碎程度以及適當增加秸稈用量均能提高土壤有機碳的積累速率以及累積量[6-8]。本課題組前期基于秸稈形態以及用量開展研究，一方面研制了秸稈顆粒肥產品，其堆積密度約為常規粉碎秸稈的5倍，具有體積小、施用方便、與土壤接觸性好的優點[9]；與粉碎秸稈相比最大可提高腐解速率31.7%，C和N的累積釋放率提高11.0%和13.2%[9]；當以6 000 kg·hm–2進行淺耕還田時能較粉碎秸稈更快、更高地增加土壤有機質含量[10]，為解決大量秸稈的消納問題提供新的技術手段。另一方面研發了秸稈翻埋機具，直接將田間大量的玉米秸稈深翻至亞耕層范圍實施培肥，擺脫了還田量的限制。前期研究表明，當粉碎秸稈由6 000 kg·hm–2增至12 000 kg·hm–2和18 000 kg·hm–2時，土壤有機碳含量逐漸提高，且高量還田可多年維持較高的土壤肥力[11]，然而目前顆粒肥以及高量還田措施尚未應用于黑土亞耕層培肥。前人對于亞耕層有機碳提升效應的研究較少，竇森[12]在東北地區運用風力注入法實施秸稈“富集深還”技術，使亞耕層土壤有機碳增加10%～15%；閆洪亮等[13]運用翻轉犁開溝40 cm將秸稈埋入2年后亞耕層有機碳增加約20%；韓曉增等[14]在20～35 cm土層中摻入秸稈和有機肥，以在我國黑土地區建立肥沃耕作層，然而這些研究仍以秸稈常量還田為主，也未涉及到秸稈形態的比較。此外，土壤亞耕層的水、氣、熱等環境均異于耕層，秸稈顆粒與粉碎秸稈還田后可能會因降解速率以及投入碳量不同而影響亞耕層有機碳的累積。鑒于此，本試驗設置低、中、高三種不同用量的秸稈顆粒與粉碎秸稈深埋還田試驗，連續3年觀察其對亞耕層土壤有機碳及有機碳與養分比例的影響，從而為解決東北地區玉米秸稈利用難以及亞耕層肥力低下問題找到可行途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

田間定位試驗于2015—2018年在吉林省公主嶺市朝陽坡鎮（124°43′E、43°36′N）進行，該地處吉林省中西部，東遼河中游右岸。當地以雨養農業為主，種植作物主要為玉米、大豆。屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫5.6℃，年均降水量594.8 mm，無霜期144 d。試驗地土壤類型為典型黑土，耕作方式以旋耕、翻耕為主。土壤基礎理化性狀如表1。

1.2 試驗設計

本試驗設置玉米粉碎與顆粒兩種秸稈形態，以當地常量還田的秸稈用量為基準（玉米收獲后剩余地上部的總量，每年約為15 t·hm–2），分別設置1倍量（15 t·hm–2）、3倍量（45 t·hm–2）、5倍量（75 t·hm–2）3種梯度處理，并以秸稈不還田（CK）為對照，共計7個處理，每個處理3次重復，共設21個田塊，隨機區組排列，每個田塊為長4 m、寬4 m（6壟）共計16 m2。供試秸稈取自當地玉米收獲時隨收割機粉碎后的玉米秸稈，長度為10～15 cm，倍量增加的秸稈主要來自當年不翻耕的鄰近田塊。將收集起來的秸稈分為兩部分，一部分風干后用作玉米粉碎秸稈還田處理（FS），另一部分收集起來用HC-2000型粉碎機粉碎后過2 mm篩，按照30%～35%比例添加蒸餾水，攪拌均勻后用FTHBCX350型環模秸稈顆粒機擠壓制得直徑4 mm、長度4～6 cm的棒狀固體，即秸稈顆粒（KL）。各試驗處理編號以及用量如表2所示。

表1 試驗地土壤基本理化性狀

表2 不同處理的秸稈還田方式與用量

在2015年10月前茬玉米收獲后實施秸稈翻埋，將收集到的粉碎秸稈以及秸稈顆粒按設計用量均勻鋪于各個小區地表，用秸稈翻埋犁（功率>92 kW）將其翻埋進入30～40 cm土層深度，使粉碎秸稈以及秸稈顆粒直接到達亞耕層范圍，此后3年試驗期間不再進行任何秸稈還田，每年玉米播種前需清除地表殘留秸稈。當地種植制度為玉米連作一年一熟制，供試玉米品種為奇玉8號，于2016—2018年5月初進行播種，種植密度為67 500 株·hm–2，播種前進行側面深施基肥，施用量為純N 225 kg·hm–2、P2O575 kg·hm–2和K2O 225 kg·hm–2。其中磷肥、鉀肥一次播施，氮肥30%基施，70%拔節施，各處理的田間管理與普通高產玉米相似。于當年10月初收獲，并在收獲期進行玉米測產以及土壤樣品的采集。

1.3 測定指標與方法

2016—2018年連續3年在夏玉米成熟期（10月初），按照對角線法用不銹鋼土鉆分別采取0～20 cm、20～40 cm土層的土樣，剔除可見的掉落物和根系后，田間過2 mm篩[15]，裝入自封袋帶回實驗室風干備用。在土壤理化指標的測定中，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法；全氮采用半微量凱氏法；堿解氮采用擴散法；有效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度計法[16]。

土壤有機碳結構的測定運用13C核磁共振法。其主要原理是根據各種碳核所處的化學環境不同，具有不同的共振頻率，從而產生了化學位移（符號δ）現象[17-18]。本試驗中用AV400型核磁共振儀（Bruker，Switzerland）測定，13C的共振頻率為100.68 MHz，魔角自旋頻率為5.0 KHz，接觸時間為2 ms，循環時間為5s，數據點為2048，峰面積計算用核磁共振分析軟件TopSpin 3.5.b.91p17。其中（0～45）δ代表烷基碳，（45～110）δ代表氧烷基碳，（110～160）δ代表芳香碳，（160～220）δ代表羧基碳[19]，對位移范圍內的峰值進行積分判斷腐殖質中不同含碳官能團類型占比。用烷基碳/氧烷基碳（Alkyl C：O-alkyl C）表示腐殖化指數（HI）。芳香度和脂化度的計算公式[20]如下：

2 結 果

2.1 秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

表3為秸稈還田3 a不同處理下0～20 cm與20～40 cm 兩個土層SOC的變化情況。比較發現，秸稈還田3年間對0～20 cm SOC有不同程度影響，2016年即秸稈還田1a后，僅FS5處理SOC含量顯著高于CK 10.52%（<0.05），而此外5種秸稈還田處理與CK并無顯著差異；2017年FS5、FS3、KL5、KL3均顯著提高SOC含量，增幅約為5.5%～7.5%；2018年僅FS5處理顯著高于CK 8.22%（<0.05）。FS5處理能夠在0～20 cm土層實現較高的SOC增長率主要是由于土體對大量秸稈的容納能力有限，翻入到亞耕層的秸稈由于量太大而延伸到表層范圍，從而促進0～20 cm土層SOC的提高。

秸稈深埋還田對20～40 cm土層有機碳提升效應更顯著。2016年，與CK相比，除KL1外，其余5種秸稈還田處理均顯著提高SOC含量，其中KL5的SOC增長率最高為21.31%（<0.05），FS1增長率最低為5.35%（<0.05）；2017年，20～40 cm土層SOC增幅高于2016年，秸稈還田處理SOC含量均顯著高于CK，其增長率以KL1最低為5.85%（<0.05），FS5最高為27.33%（<0.05）；2018年，僅FS5、FS3、KL5顯著高于CK，其增長率分別為18.37%（<0.05）、11.60%（<0.05）、11.73%（<0.05）。由不同年份SOC增長率變化看，2017年各秸稈還田處理增長率普遍最高，表明秸稈還田后第2年是土壤有機碳的主要積累時期。

2.2 秸稈形態對土壤有機碳的影響

對相同用量不同秸稈形態的處理進行比較可以看出（表3），當還田量為均為1倍量時，0～20 cm土層SOC含量在秸稈顆粒與粉碎秸稈間并無顯著差異，對于20～40 cm土層而言，僅2017年粉碎秸稈還田SOC含量顯著高于秸稈顆粒還田，增幅為11.5%（<0.05）。當還田量均為3倍量時，0～20 cm土層SOC含量在秸稈顆粒與粉碎秸稈間仍無顯著差異，而對于20～40 cm土層，粉碎秸稈還田在2017、2018年顯著高于秸稈顆粒還田9.8%（<0.05）、8.7%（<0.05），秸稈顆粒還田下SOC含量雖在2016年較粉碎秸稈還田有提高但差異不顯著；當還田量均為5倍量時，0～20 cm土層僅2016年表現出粉碎秸稈還田下的SOC含量顯著高于秸稈顆粒還田，增幅為8.1%（<0.05），對于20～40 cm土層，粉碎秸稈還田在2017、2018年顯著高于秸稈顆粒還田7.6%（<0.05）、5.9%（<0.05），秸稈顆粒還田SOC含量雖在2016年較粉碎秸稈還田有提高但差異不顯著。由此可見在20～40 cm土壤亞耕層范圍內，隨著還田時間的延長，粉碎秸稈還田更易在還田后期大幅提高土壤有機碳。

表3 不同處理下土壤有機碳含量及有機碳增長率

注：同一土層無相同小寫字母代表不同處理間差異顯著（<0.05），下同。Note：Lowercase letters represent difference between treatments at level of 0.05. The same below.

2.3 秸稈用量對土壤有機碳的影響

當秸稈形態相同時，比較不同用量對SOC的影響可以看出（表3），0～20 cm土層，SOC含量基本呈現隨秸稈用量增大而升高的狀態，其中2016年FS5較FS3與FS1高7.8%（<0.05）、12.6%（<0.05）；2017年，FS5與FS3分別較FS1高4.7%（<0.05）、4.1%（<0.05），KL5與KL3分別較KL1高4.9%（<0.05）、3.5%（<0.05）；2018年相同秸稈形態不同用量間無顯著差異。20～40 cm土層，SOC含量隨秸稈用量均增加顯著（<0.05），表現為在2016年，FS5分別較FS3與FS1高10.6%、14.1%，KL5分別較KL3與KL1高8.9%、18.9%，而KL3也較KL1 高9.3%；2017年，FS5分別較FS3與FS1高6.0%、7.9%，KL5分別較KL3與KL1高 8.2%、11.9%，而KL3也較KL1 高3.4%；2018年，FS5分別顯著高于FS3與FS1 6.1%、12.9%，FS3也較FS1高6.4%，而KL5分別較KL3與KL1 高8.8%、10.7%。可見，隨著秸稈用量的成倍增加，土壤有機碳提升幅度越顯著，且高量還田有較長時期的有機碳提升效應。

2.4 秸稈形態與秸稈用量的交互效應

對秸稈形態與秸稈用量兩種影響因素進行交互分析，由表4可見，2016年，相較于秸稈形態，秸稈用量對2個土層有機碳的影響極為顯著（<0.01），這也與前文秸稈高量還田顯著提高土壤有機碳含量相符，秸稈形態與用量對2個土層有機碳的交互影響亦為顯著（<0.05）。2017年，秸稈形態對20～40 cm土層影響極顯著（<0.01），秸稈用量對0～20 cm與20～40 cm土層影響極顯著（<0.01），這是由于秸稈深埋的位置恰好在20～40 cm土層范圍內，而高量還田時會致使部分秸稈殘留在0～20 cm土層內，因而對0～20 cm土層亦有顯著影響。2018年，秸稈形態、秸稈用量與秸稈形態×用量僅對20～40 cm土層有機碳含量影響極顯著（<0.01），表明秸稈深埋還田后對亞耕層土壤有機碳影響更顯著，一次性秸稈還田3年后仍能保持亞耕層有機碳的持續提高。

表4 雙因素方差分析秸稈形態與秸稈用量交互作用對土壤有機碳的影響

2.5 13C核磁共振技術對土壤有機碳結構的表征

利用核磁共振技術對秸稈還田3年后高、低倍量處理下的土壤有機碳結構進行表征，圖1的結果表明，秸稈高量還田特征峰高度高于低量還田，高量還田能夠明顯增加有機碳含量。亞耕層土壤有機碳的13C-NMR的化學位移范圍在0～250之間，這符合固體土壤13C-NMR的化學位移范圍，在此范圍內主要有4種含碳官能團的特征峰，即在位移0～45表示烷基碳，45～110表示氧烷基碳，110～160表示芳香碳，160～220表示羧基碳，圖1表明脂肪碳以及含氧脂肪碳信號最強，其次為羰基（羧基）碳，芳香碳信號最弱，說明當地土壤有機碳是以脂族結構為主，芳香碳并未在有機碳中占有主要地位，這一方面可能是由于當地土地利用方式長期以農田為主，類似于木質素的降解產物相對較少，芳香結構的來源較少，另一方面是由于當地年均氣溫低，尤其是亞耕層土壤微生物活性低，導致合成芳香化合物并與有機碳發生聚合反應的速率降低[17]。

結合圖1對土壤有機碳中不同結構進行定性分析，結果如表5所示，與CK相比，秸稈深埋還田3年增加了氧烷基碳在土壤有機碳結構中的占比而降低了烷基碳占比，這與秸稈中烷氧碳比例較高有關[21]。此外，FS5處理還在一定程度上降低了羰基（羧基）碳與芳香碳的占比，表明大量粉碎秸稈還田對土壤有機碳起到更新作用，在一定程度上活化了有機碳中的穩定組分，然而KL5還田與之相反，它能夠提高羰基（羧基）碳與芳香碳的占比，使得芳香度較高而脂化度降低，表明秸稈顆粒更利于還田后土壤有機碳結構的穩定。低倍量秸稈還田3年后有機碳的芳香度以及脂化度雖較CK有所降低但差異較小。烷基碳與氧烷基碳的比值反映了腐殖化指數（HI）的高低，秸稈還田后均會導致HI的降低，表明秸稈還田后增加了不穩定碳組分的占比，其中粉碎秸稈處理的降低幅度高于秸稈顆粒，高量還田的降低幅度高于低量還田。

圖1 不同處理下亞耕層（20～40 cm）土壤有機碳的13C核磁共振圖譜

2.6 不同處理下土壤SOC與TN、TP、TK比例關系

土壤內部碳氮磷鉀養分元素的化學計量比也是反映土體內養分循環的主要指標[22]，秸稈還田后SOC大量增加，會對養分元素比例平衡造成影響。通過對不同處理下各生長季的土壤碳氮比（C/N）、碳磷比（C/P）、碳鉀比（C/K）的比較分析如圖2所示。

表5 核磁共振技術測定亞耕層（20～40 cm）土壤有機碳官能團相對含量比較

2016年，0～20 cm土層，僅FS5處理顯著提高土壤C/N，與CK相比增幅7.8%（<0.05），而20～40 cm土層則表現為KL3、KL5顯著提高土壤C/N 7.5%（<0.05）、13.2%（<0.05），可見高量還田在第1年即表現出顯著提高土壤C/N的優勢；2017年，秸稈還田對0～20 cm土壤C/N無顯著影響，這與第一年秸稈還田對上層土壤擾動較大有關，20～40 cm土層雖然隨著秸稈倍量的增加土壤C/N比有提高，但僅FS5與KL5與CK有顯著差異，增幅達到6.8%（<0.05）、6.1%（<0.05）；2018年，0～20 cm土壤C/N隨秸稈用量的增加而提高，但與CK并無顯著差異，20～40 cm，僅FS5處理顯著提高土壤C/N 12.3%（<0.05），這是因為大量粉碎秸稈還田導致腐解期延長，后期仍有纖維素、木質素等物質大量分解，為土壤提供有機碳營養。2016年與2018年0～20 cm、20～40 cm 2個土層C/N約在9～10范圍內，而2017年20～40 cm土壤C/N較0～20 cm有所提高，一方面是由于作物種植前在表土層施入的底肥有關，另一方面是因為大量秸稈埋入亞耕層范圍，顯著提高亞耕層有機碳含量，增大了C/N。

2016年秸稈深埋還田對0～20 cm土層C/P無顯著影響，而20～40 cm土層僅有FS5顯著提高土壤C/P，增幅為8.8%（<0.05）；2017年，秸稈還田對0～20 cm土壤C/P亦無顯著影響，對于20～40 cm，與CK相比，FS3、FS5及KL5均能顯著提高土壤C/P，增幅分別達11.5%（<0.05）、10.4%（<0.05）、9.9%（<0.05）；2018年，僅FS3與FS5處理顯著提高土壤C/P 14.2%（<0.05）、19.7%（<0.05），可見C/P的增幅隨還田時間逐漸提高。

秸稈高量還田對C/K提升具有顯著優勢。2016年，FS5處理顯著提高0～20 cm土層土壤C/K 11.9%（<0.05），而20～40 cm土層，FS5、KL3、KL5均較CK顯著提高土壤C/K 11.9%（<0.05）、8.5%（<0.05）、8.3%（<0.05）；2017年各處理對0～20 cm土層土壤C/K無顯著影響，對于20～40 cm土層而言，僅FS5顯著提高土壤C/K 22.3% （<0.05）；2018年，僅FS5對20～40 cm土壤C/K有顯著提高，其增幅為22.1%（<0.05）。綜上可見，土壤養分元素比例（C/N、C/P、C/K）隨秸稈還田時間的延長以及秸稈用量的增加而逐漸增大，表明一次性秸稈高量還田對土壤有機碳的提升具有長期效應。

圖2 不同處理對0～20 cm與20～40 cm土層C/N、C/P、C/K的影響

2.7 有機碳與養分指標的相關性

將土壤有機碳（SOC）、土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、C/N、C/P、C/K各指標進行相關性分析（表6），其中0～20 cm土層SOC與TN、C/N、C/P有極顯著（<0.01）正相關，與TK以及C/K有顯著（<0.05）正相關，TN與C/K、TK與C/N及C/K、C/N與C/P均有極顯著（<0.01）相關，而TK與C/P亦有顯著（<0.05）相關，表明秸稈還田后各養分均有提高，由于秸稈含碳量較高，腐解轉化后提高土壤中碳的比例相對較高。20～40 cm土層SOC與TK、C/N、C/P、C/K均有極顯著（<0.01）正相關，TK與C/K、C/N與C/P亦有極顯著（<0.01）正相關，表明秸稈深還更有利于亞耕層養分元素比例平衡。

表6 0～20 cm與20～40 cm土層土壤養分指標間的Pearson相關

*，<0.05; **，<0.01.

3 討 論

3.1 秸稈高量還田對土壤有機碳的快速提升作用

玉米秸稈約含有40%～50%的碳元素，是土壤有機碳的重要來源[23]。本研究表明，秸稈深埋還田對2個土層土壤有機碳均有提高，但對20～40 cm的提升更為顯著，還田第一年提升幅度約在2%～20%，提升幅度受秸稈用量的影響更顯著。不少學者的研究也證實了增加秸稈用量可提高土壤有機碳含量，鐘杭等[24]發現秸稈連續兩年還田后，全量與半量還田分別較秸稈不還田提升土壤有機質7.09%、5.87%，路文濤等[25]進行了3年的秸稈還田試驗發現13 500 kg·hm–2還田較4 500 kg·hm–2還田大幅提高土壤總有機碳含量，徐萌等[26]研究發現3～5 cm的粉碎秸稈以18 000 kg·hm–2還田時能更顯著地提高土壤有機質以及全氮含量，均與本研究中的結果近似。這主要是因為秸稈的碳氮比（65～85）較高，土壤的碳氮比（10～12）偏低，將含碳量低的土壤和含氮量低的植物殘體混合時使碳氮比接近于適宜微生物生長的碳氮比，能加快秸稈的分解[27]，產生更多腐殖物質，從而提高土壤有機質含量[28-29]。總結前人研究發現，秸稈常量年年還田時，亞耕層土壤有機碳約增加10%～20%，且在還田前幾年提升幅度逐年增加[30]，而本文研究發現，當一次性實施3倍量還田時亞耕層土壤有機碳提高3%～20%，5倍量還田時提高12%～27%，且第2年增幅最高，第3年開始下降，可見增加秸稈倍量與秸稈年年還田對土壤有機碳的提升范圍基本一致，優勢之處在于一方面在還田前2年即表現出對土壤有機碳的大幅提高，具有快速效應；另一方面，一次性實施高倍量還田避免了年年翻耕對土壤的擾動與破壞，且節省人力物力等，提高經濟效益。

秸稈還田量的閾值問題一直備受爭議，一是大量秸稈還田造成土壤虛而不實，不利于作物扎根以及出苗[31]，二是秸稈屬于高碳氮比有機物，微生物降解時要消耗土壤氮素，影響了作物對氮素的利用。本研究的深埋還田措施很好地解決了第一個問題，將大量秸稈直接還至深層，相當于直接施入碳源，不影響作物出苗同時培肥了亞耕層。對于第二個問題，我們在當地農戶正常施基肥的條件下進行的試驗，且以年為取樣周期進行研究時并未發現土壤氮素的顯著下降，原因可能在于土壤氮素下降的主要時期為秸稈還田初期，待到第一次取樣時，土壤生態系統已經向原有的平衡恢復，在今后的研究中我們會進一步密集取樣，并對微生物群落結構的變化進行監測。

對比發現，同樣實施秸稈深埋還田，東北地區有機碳增幅高于黃淮海地區[32]，這與東北地區氣候類型有關，吉林省的凍土期通常為10月末至次年4月初，平均凍土深度≥120 cm[33]，凍結過程會導致一部分微生物脫水死亡，另一部分微生物的活性也會因低溫而受到抑制，使可溶性有機質、微生物生物量碳氮以及其他易降解性有機質增加，有機質的礦化作用減弱[34]，最終有機質得以大量累積。另一方面，秸稈顆粒處理（中高量）的土壤有機碳含量僅在還田第1年略高于粉碎秸稈，但差異不顯著，且第2、第3年均低于粉碎秸稈，這與黃淮海地區的試驗結果不同，秸稈顆粒未較粉碎秸稈表現出對土壤有機碳的快速提升效應，一是由于秸稈顆粒在土壤中降解較快，有機質的積累—礦化速率也較快；二是顆粒狀的秸稈肥易滾動，當在大田經過撒施于地面—翻埋入土下的過程后在土壤剖面中呈現“上疏下密”的點狀分布，而粉碎秸稈由于體積大，移動性差，翻埋時恰好集中在了亞耕層（圖3），因而粉碎秸稈處理的亞耕層有機碳含量相對較高，所以秸稈顆粒施用時建議以高量密集還田為主。

圖3 深埋還田后粉碎秸稈（a）與秸稈顆粒（b）在土壤中的分布示意圖

3.2 秸稈高量還田對有機碳結構的影響

13C核磁共振波譜已成為有機碳研究中主要的分析手段之一，從核磁共振波譜能獲得許多關于有機碳的結構信息，從化學位移值可推測碳核所處的官能團；從各種峰的積分高度比可求得對應的碳核個數比[17]。本研究中高量還田在亞耕層土壤核磁共振圖譜上普遍具有較強的烷基碳與氧烷基碳信號，說明秸稈還田能夠提高土壤有機碳在核磁共振中的響應靈敏度。KL1處理的核磁共振波譜曲線與CK較為相似，含碳官能團吸收峰普遍較低，這也表明了秸稈還田多年后對土壤有機碳的影響效果逐漸減弱，最終與土壤原本的有機碳組成結構相一致，即出現“趨同特征”，這主要與土壤本身的成土過程、土壤質地、土地利用方式以及植被等有關[17，21，35]。李娜等[21]指出，土壤有機質是在特定氣候和生物環境條件下不斷形成有機化合物的長期演變過程，它包括了植物腐解過程產生的多糖、木質素、蛋白質以及角質等材料，還包括動物以及微生物殘體、分泌物以及排泄物等，是處于不同分解階段的有機物質集合體[36]，與原本土壤有機質的組成及結構密切相關。本試驗中供試土壤為黑土，所測得的有機碳的腐殖化指數（HI）在0.3～0.8之間，這符合世界土壤腐殖化指數范圍（0.2～1.11）[21]，秸稈還田后降低了腐殖化指數，這表明秸稈在土壤中參與了這一新的成土過程，有待于聚合的不穩定的有機碳增多。此外，土地利用方式以及植被也對各含碳官能團的占比有很大影響，本試驗田長期用作農業生產，且種植作物較為單一（玉米），耕作方式以及外源有機質的加入成為對土壤有機碳影響較大的因素。本研究中除KL5處理外，秸稈還田使芳香碳占比降低，這可能是由于存在于土壤有機質脂肪連上的芳香基不穩定，易轉化形成含氧脂肪烴或者羰基等更穩定的脂肪鏈[37]，而秸稈顆粒還田的芳香度較高是因為秸稈顆粒在土壤中的腐解速率快[9]，不穩定的有機碳生成后又經過了一段時間的轉化，最終形成更加穩定的芳香碳。同時由于玉米莖中的碳水化合物含量較高，玉米葉中脂肪族碳含量較高，施入到土壤中后碳水化合物很快被消耗掉，脂肪碳含量相對增加[38]，可見玉米葉的施入更有利于有機碳的穩定。綜上可見，粉碎秸稈高量還田雖然能在數量上提高土壤有機碳水平，但是對土壤有機碳的擾動期較長，不利于短期內轉化成穩定的土壤有機碳，而秸稈顆粒雖然在還田3年后對土壤有機碳含量提升幅度較低，但能使土壤有機碳結構穩定性更高。

3.3 秸稈高量還田對土壤養分比例的影響

近些年化肥的過量施用造成土壤養分不均衡發展，“碳短板”現象存在。玉米秸稈作為高碳源有機物質（C/N約為65～85）施入到土壤中，會對土壤氮、磷、鉀等養分元素平衡造成影響[39]。本研究同樣發現施入高量秸稈后土壤C/N、C/P、C/K有一定程度提高，尤其對20～40 cm亞耕層有顯著的提升效應，其中，土壤C/N由原來9.0左右上升至10.0～11.0，表明土壤肥力提升。一般而言，土壤較適宜的C/N在15～25，此時有機質供肥條件優越，而在本研究中土壤C/N低于該范圍，在一定程度上利于有機質的積累[40]，其中C/N較低的另一原因是種植玉米前底肥的施入使得土壤氮含量整體增加，因而C/N較低。此外，秸稈的施入促進了微生物對氮素的有效利用，避免了氮素流失，這對于土壤地下水硝酸鹽污染以及大氣N2O溫室效應的緩解均具有重要意義。秸稈深還在各生長季均能大幅度提升土壤C/P，波動范圍在25～35，說明在該地區磷的有效性仍然偏低[41]。高量還田亦能大幅提高亞耕層土壤C/K，亞耕層養分比例的顯著提高與秸稈中C元素占比最高有關。由于淺施化肥，氮磷鉀養分在0～20 cm表層積累，因而表層各處理的C與其他元素比例并無顯著差異。由Pearson相關分析可以看出，各元素比例間呈現顯著正相關，表明通過增加秸稈用量提高土壤有機碳含量可以促進養分元素平衡，最終提高土壤肥力水平。

4 結 論

黑土亞耕層有機碳含量的提升幅度隨秸稈倍量的增加而增加，秸稈還田第2年是有機碳的主要積累時期，且土壤有機碳受秸稈倍量的影響更顯著。粉碎秸稈與秸稈顆粒分別易促進烷基碳鏈型與芳香烴型有機碳分子的形成。秸稈高量還田利于促進碳與氮、磷、鉀養分元素平衡，秸稈顆粒還田具有短期快速效應，而粉碎秸稈具有長期緩釋效應。可見，秸稈高量還田是緩解黑土地力下降，同時解決玉米秸稈利用難問題的可行途徑。

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Effect of Returning Chopped and Pelletized Straw at A High Rate Enhancing Soil Organic Carbon in Subsoil of Farmlands of Black Soil

CONG Ping1, 2, PANG Huancheng1?, WANG Jing1, LIU Na1, LI Yuyi1, ZHANG Li1

(1. Institute of Agriculture Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agriculture Science, Beijing 100081, China; 2. Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Science, Qingdao, Shandong 266100, China)

【】To solve the problems of soil organic carbon deficiency in the subsoil layer and the yield of crop straw being too large in volume to make full use of in farmlands of black soil in Northeast China, a long-term (2015—2018) field experiment was carried out. 【】The field experiment was designed to have three treatments, i.e., CK (no straw returned), FS (returning of chopped straw) and KL (returning of pelletized straw), and three straw returning rates, i.e., Rate 1 (15 t·hm–2), Rate 2 (45 t·hm–2, 3 times as high as Rate 1) and 3 (75 t·hm–2, 5 times as high as Rate 1). The straw was deeply incorporated into the subsoil layer. Soil samples were collected from all the plots separately each year for analysis of soil organic carbon content, organic carbon structure and soil nutrient ratio in an attempt to find out a way to turn waste into treasure and hence to promote sustainable development of black soil. 【】Results show: 1. Organic carbon content in the subsoil of the treatment plots varied in the range of 2%-20% (1 a), 5%-27% (2 a) and 1%-18% (3 a). The effect of straw returning raising organic carbon content in the subsoil was significant and improved with increasing returning rate and the effect of the treatments the highest in returning rate were the most significant and particularly in the second year, which indicates that organic carbon accumulation occurred mainly in the second year. Two-way variance analysis shows that straw returning rate was an important factor affecting soil organic carbon; 2. Nuclear magnetic resonance test shows that at the end of the experiment, the organic carbon in Treatment FS5 was found the highest in aliphaticity, while that in Treatment KL5 the highest in aromaticity, indicating that chopped straw is more likely to promote formation of organic carbon of alkyl carbon chain, while pelletized straw is to promote formation of organic carbon of aromatic hydrocarbon type; 3. In Treatments FS5 and KL5, soil C/N and C/P ratios increased by >10%, and C/K ratio did by >20%. The effect in Treatments KL was short and instant, while that in Treatments FS was long and slow. 【】In a conclusion, deep incorporation of processed straw at a high rate can significantly increase organic carbon in the subsoil layer and help keep soil carbon in balance with nitrogen, phosphorus and potassium. It is, therefore, a feasible way to build up the black soil in thickness and fertility and to solve the difficult problem of straw returning in Northeast China.

Straw returning; High dosage; Black soil; Organic carbon; Subsoil; Pelletized straw

S153

A

10.11766/trxb201907150244

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* 國家重點研發計劃項目（2016YFD0300804）Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFD0300804）

，E-mail：panghuancheng@caas.ac.cn

叢 萍（1989—），女，山東省膠州市人，博士，從事土壤耕作與培肥研究。E-mail：cpqdjz@126.com

2019–07–15；

2019–10–31；

2019–12–26

（責任編輯：盧 萍）