秸稈生物炭和秸稈對麥玉輪作系統土壤養分及作物產量的影響

鄭云珠， 孫樹臣

（聊城大學地理與環境學院，山東 聊城 252059）

小麥、玉米作為世界上重要的糧食作物，其增產穩產對滿足不斷增長的世界人口糧食需求具有重要意義。我國是世界上最大的化肥生產國和消費國，為提高小麥玉米輪作系統的作物產量，過度使用化學肥料的現象較為普遍，而我國氮、磷、鉀肥利用率均低于50%，不僅造成了大量營養元素的浪費以及環境污染等問題，長期過度使用化肥還會帶來土壤酸化、板結、肥力下降等不利影響，從而對農業生產力產生負面影響[1-2]。為解決化肥過量使用帶來的不利后果同時實現農作物增產，越來越多的學者從利用自然資源改善土壤環境的角度出發，將農作物生產中的主要副產物——秸稈作為主要的研究對象應用于農業，以實現農業廢棄物資源的合理利用、土壤環境改善及作物增產穩產[3-6]。我國作為農業大國，農作物秸稈年產量約為10 億t，是世界上秸稈資源最豐富的國家之一，但伴隨著我國城鎮化的發展及農民生活方式的改變，導致秸稈資源的利用率較低[7-9]。隨著我國農業機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以及焚燒秸稈產生的環境污染等問題，作為土壤改良劑還可以促進土地資源的可持續利用[11]。秸稈作為外源有機物料輸入土壤中，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的發生率以及改善土壤通氣透水性，從而增強土壤養分的轉化與轉移，為作物生長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，還田后容易導致土壤中氮素相對不足，微生物與作物爭奪氮素而影響作物生長，因此秸稈還田配施化肥可以更好地改善土壤肥力、提高作物產量[9,15-16]。雖然秸稈還田可以增加土壤微生物活性，促進秸稈分解，提高土壤肥力，但秸稈分解較慢，釋放的養分供本季作物所利用的部分較少，從而限制當季作物產量增加的效果[17]。

生物炭是農作物秸稈等生物質原料在厭氧條件下經高溫裂解而成的黑色固體物質，具有高度的芳香化結構、多種含氧官能團以及較大的比表面積等特性[18-19]，施用生物炭對土壤理化性質的改善可為作物生長和增產提供適宜的土壤環境[20-23]。王智慧等[24]研究發現，玉米產量隨生物炭施用量的增加逐漸增加，施用量為80 t·hm-2時玉米秸稈生物炭對土壤有機碳、全氮、有效磷、速效鉀以及土壤酶活性的促進效果最佳。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，小麥產量隨生物炭施用量的增加呈先增加后降低的變化趨勢，施用30 t·hm-2的生物炭對小麥產量的促進效果最佳，且增產效果顯著高于秸稈還田[25]。趙海成等[26]研究發現，施用生物炭和秸稈均可以提高鹽堿地土壤的有效磷、速效鉀及有機質含量，在改善土壤肥力的同時促進水稻增產，且同量秸稈還田對水稻產量及肥料利用率的提高作用優于生物炭。Martos 等[27]研究發現，在鈣質土壤中施用生物炭可以減少作物對氮肥的需求并增加土壤的持水性，但對作物產量無顯著影響。

生物炭和秸稈對酸性土壤的改良及作物增產效果明顯，而對堿性土壤影響的研究尚未形成統一結論[4,28-29]。目前，大部分研究僅關注單一施用生物炭或秸稈，而單季施用生物炭和秸稈對兩季土壤養分及作物產量的持續影響尚不明確，且施用生物炭和秸稈對垂直土壤養分的影響仍不清楚。因此，本研究通過田間試驗，欲闡明單季施用不同水平生物炭和秸稈量對石灰性潮土的土壤肥力、冬小麥-夏玉米產量的持續影響，以期為石灰性潮土區小麥玉米輪作系統適宜的秸稈還田方式及還田量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在山東省聊城市聊城大學土壤生態環境教學科研基地（36°43′N，116°01′E）進行，屬于典型的冬小麥-夏玉米輪作區。該區屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.5 ℃，無霜期208 d，年均降水量540.4 mm，年平均日照時數2 323 h。本試驗冬小麥季（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，試驗前土壤基礎理化性質為：容重1.48 g·cm-3，田間持水量26.79%，pH 8.81，有機質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‘濟麥22'，玉米品種為‘鄭單958'。

1.3 試驗設計

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8萬株·hm-2。分別設置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內實際平均秸稈生產量（玉米秸稈干物質量）進行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化為生物炭（平均轉化率為30%）進行施用，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）；以無生物炭和秸稈的處理為對照（CK），共計9個處理，每處理3次重復，共27個小區，采用隨機區組排列，小區面積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；對照（CK）僅施用化肥。各小區施肥量一致，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、夏玉米拔節期追施。

1.4 測定指標及方法

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四分法進行取樣，自然風干后測定土壤養分含量[30]。土壤全氮采用凱氏蒸餾法測定；土壤硝態氮采用氯化鈣浸提，紫外分光光度法測定；土壤銨態氮采用靛酚藍比色法測定；土壤全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-原子吸收分光光度法測定；土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定。

土壤養分（全氮、全磷、全鉀、有機碳、硝態氮、銨態氮、有效磷、速效鉀）累積量的計算公式如下。

1.5 數據處理

采用Excel 2016 軟件進行數據處理，采用SPSS 26.0 軟件進行差異顯著性分析，采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈生物炭和秸稈對冬小麥季土壤養分的影響

由圖2 可知，土壤全效養分中的全氮、全磷、有機碳含量均表現為隨土層的增加逐漸降低的變化趨勢。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照。S2.0 處理對10—60 cm 土層全氮的提升效果最好，且對0—60 cm 土層全磷含量的促進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隨土層深度的增加而增加的變化趨勢，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）有機碳含量，S2.0 處理0—60 cm 土層的有機碳含量始終保持最高水平，各處理對深層土壤（深度＞70 cm）有機碳含量影響較小。

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

冬小麥季，土壤硝態氮含量隨土層深度的增加呈先增加后降低的變化規律，0—10 cm 土層施用生物炭和秸稈均有利于硝態氮含量的增加。施用生物炭和秸稈對0—60 cm 土層的銨態氮含量影響較大，S1.0 處理對0—30 cm 土層銨態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照。

2.2 秸稈生物炭和秸稈對夏玉米季土壤養分的影響

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、速效養分的垂直分布特征，除全鉀外，其余各養分指標大體上均呈現隨土層深度的增加而降低的變化趨勢。生物炭和秸稈處理均可以提高0—10 cm 土層的全效養分（全氮、全磷、全鉀、有機碳）含量，且對0—90 cm 土層的全鉀含量具有促進作用。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）硝態氮含量，其中B1.0 處理對0—50 cm 土層硝態氮含量的促進作用高于其余處理。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）的銨態氮含量均高于對照，在0—40 cm土層中S2.0處理最低。施用生物炭和秸稈對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分（圖2）相比，夏玉米季土壤養分在各處理間的差距有所縮小，表明生物炭和秸稈對夏玉米季土壤養分的影響減小。

圖3 不同處理下夏玉米季土壤養分的垂直分布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，整體上表現為冬小麥季的土壤碳氮比高于夏玉米季，且兩季均表現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，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土壤養分累積量的影響

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分累積量。S2.0 處理較對照顯著提高冬小麥季0—20 cm 土層土壤的有機碳、硝態氮、速效鉀累積量，而生物炭和秸稈還田處理對冬小麥季0—100 cm 土層土壤各養分指標的累積量均無顯著影響。與對照相比，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作物產量的影響

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量。隨生物炭施用量的增加，冬小麥籽粒產量逐漸增加，與對照相比，施用生物炭可顯著提高冬小麥籽粒產量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，冬小麥籽粒產量呈先增加后降低的變化趨勢，秸稈還田使冬小麥籽粒產量較對照顯著提高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量雖低于對照，但差異不顯著。隨秸稈還田量的增加，夏玉米籽粒產量逐漸增加，S1.0、S1.5、S2.0 處理籽粒產量較對照分別提高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冬小麥、夏玉米的增產效果不同，但兩季均表現出施用秸稈對作物增產的效果優于生物炭。

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

3 討論

3.1 秸稈還田方式對土壤養分的影響

生物炭和秸稈自身均含有一定的養分，將其還田可以改善土壤養分狀況[31-32]。本研究發現，石灰性潮土區單季施用秸稈生物炭和秸稈對兩季土壤養分均具有一定的促進作用，整體上對冬小麥季土壤肥力的提升效果優于夏玉米季，其中對耕層土壤養分累積量的影響更加明顯，但隨著麥玉輪作對土壤養分的促進作用有所減小。這可能是由于本研究僅在冬小麥季將生物炭和秸稈施入耕層土壤中，因此對深層土壤及夏玉米季的土壤養分促進效果較弱，這可能也是生物炭和秸稈處理對冬小麥增產效果優于夏玉米的重要原因之一。魏永霞等[33]研究發現，一次施用生物炭后黑土土壤的養分含量隨時間的推移有所降低，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，發現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分以及有機質含量，其中生物炭處理可以更好地改善土壤肥力。本研究表明，秸稈處理對冬小麥季耕層土壤養分累積量的促進效果優于生物炭處理，夏玉米季則為生物炭處理更能促進耕層土壤養分累積量的增加。這可能是由于秸稈在微生物的作用下不斷分解并釋放養分，使秸稈處理下冬小麥、夏玉米的增產幅度更大，從而提高了養分利用率。

3.2 秸稈還田方式對土壤碳氮比的影響

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，導致微生物與作物爭氮，影響作物生長發育[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上進行生物炭和秸稈處理，緩解了微生物與作物爭氮的現象，從而減小對農作物的不利影響。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碳，夏玉米季正常施肥導致碳氮比降低，加速了土壤有機碳的礦化[37]。

3.3 秸稈還田方式對作物產量的影響

生物炭可改善土壤理化性質，顯著提高作物產量[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量，并表現出隨生物炭施用量的增加逐漸增加的變化趨勢，但在夏玉米季生物炭處理中僅B0.5 處理的籽粒產量顯著高于對照。這可能由于冬小麥季施用生物炭為冬小麥的生長發育提供了充足的養分；而夏玉米生育期內降水量較多，高于研究區多年平均降水量，較多的降水可能降低了生物炭對土壤肥力的有效性，從而使生物炭對夏玉米的增產效果減弱。闞正榮等[40-42]在鹽化潮土中的研究也發現，適宜的施炭量可以更好地提高冬小麥產量，而對夏玉米產量無顯著影響，甚至表現為減產。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量，且對冬小麥、夏玉米的增產效果優于生物炭。這可能是由于秸稈中含有較為豐富的養分[43]，秸稈不斷腐解并釋放養分，為冬小麥的生長提供更多的養分，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，秸稈進一步腐解并釋放養分，從而促進了夏玉米產量的提高。李昊昱等[44]采用冬小麥季單季秸稈還田，發現秸稈還田可促進冬小麥、夏玉米兩季作物產量的提高，且對冬小麥的增產效果更大，與本研究結果一致。顧克軍等[45]研究發現，單、雙季秸稈還田對稻-麥產量均無顯著影響。這可能是由于土壤質地、氣候、作物以及秸稈種類等因素的差異，導致研究結果存在差異。本研究表明，在石灰性潮土區正常施肥的基礎上，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，又可實現冬小麥、夏玉米兩季作物增產。