秸稈及碳化秸稈還田對土壤性質的影響

摘"" 要：秸稈還田是我國秸稈資源合理利用最古老的技術之一。為避免資源浪費，提高秸稈綜合利用率，研究了秸稈及碳化秸稈（單一或混合）表層覆蓋和深埋2種還田方式對土壤性質和酶活性的影響，結果表明：在表層覆蓋還田方式下，秸稈還田處理（T1）的土壤含水量、銨態氮含量、有效磷含量和過氧化氫酶活性較對照（T0）顯著提高，分別提高了20.02%，61.86%，54.36%和30.59%。在深埋還田方式下，碳化秸稈還田處理（T5）的土壤硝態氮含量和蔗糖酶活性顯著提高，較對照（T0）分別提高了76.85%和138.73%。在實際應用中，可以根據不同的改善目標選擇秸稈表層覆蓋還田方式或碳化秸稈深埋還田方式。

關 鍵 詞：秸稈還田； 碳化秸稈； 土壤性質； 酶活性

中圖分類號：O343.1;O341""" 文獻標志碼：A

Effects of straw and carbonized straw returning application on soil properties

Abstract： Straw returning is one of the oldest technologies in rational utilization of straw resources in China.In order to avoid resource waste and improve the comprehensive utilization rate of straw， the effects of surface covering and deep burying of straw and carbonized straw（single or mixed） on soil properties and enzyme activities were studied. The results are as follows： The soil water content， ammonium nitrogen content， available phosphorus content and catalase activity of straw returning treatment（T1） were significantly increased by 20.02%， 61.86%， 54.36% and 30.59% compared with control （T0） under the surface mulching method. Soil nitrate nitrogen content and sucrase activity were significantly increased under the carbonized straw returning treatment（T5）， which were 76.85% and 138.73%， respectively， compared with control（T0）. In practical application， the method of straw surface covering or carbonized straw deep buried can be chosen according to different improvement objectives.

Key words： straw returning; carbonized straw; soil properties; enzyme activity

秸稈含有大量植物生長所必需的有機質、氮、磷、鉀和微量元素［1］。但因秸稈體積大、收集運輸成本高，以及近年來能源結構改善和替代原料的應用等原因，大部分的農作物秸稈被棄置或者進行露天焚燒，沒有得到合理的綜合利用及開發。秸稈還田是秸稈資源綜合利用中最簡便、經濟和可持續的方法，即避免了資源浪費，又解決了秸稈對環境帶來的污染問題，實現了養分資源的循環利用和農業可持續發展，符合國家對農業發展的大政方針［2］。秸稈還田主要有深埋還田和覆蓋還田2種方式。深埋還田能夠將秸稈中營養物質全部保留于土壤中，進而提高土壤的肥力，減少病蟲害。覆蓋還田可以增加土壤的有機質，減少土壤水分由于蒸發喪失［3］。秸稈碳化是利用農林廢棄物等生物質，在缺氧和一定溫度條件下將秸稈熱解成穩定的富碳產物。秸稈碳化產物（生物碳）有較大的孔隙度和比表面積、較強的吸附力、抗氧化力和抗生物分解能力［4］，因而可廣泛應用于土壤改良、固碳減排等［5］。碳化秸稈還田具備市場化條件，具有固碳特征，是目前秸稈綜合利用的重要途徑之一。

目前，國內外對秸稈或碳化秸稈還田的研究相對較多，但對秸稈和碳化秸稈混合還田后對土壤的影響的研究相對較少［6］。本文研究了玉米秸稈及玉米秸稈碳化（單一或混合）表層覆蓋和深埋2種還田方式對土壤理化性質的影響。本研究有益于農業發展，有利于提高秸稈綜合利用效率，可為秸稈處理利用提供有效途徑，為提升農作物產量和質量提供支持，為秸稈及碳化秸稈還田提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

材料：土壤采自沈陽師范大學溫室大棚，土壤pH、含水量、銨態氮、硝態氮、有機質和有效磷分別為7.32，16.86%，9.82 mg/kg，10.26 mg/kg，14.98 g/kg和99.7 mg/kg。采用室內盆栽模擬實驗，大棚室溫控制在25℃左右。

供試玉米品種為“裕豐303”，供試玉米秸稈及玉米秸稈碳化材料均過40目篩，碳化秸稈為玉米秸稈500℃碳化5 h所得，其各項指標如下：水分系數為1.03%，有機碳含量為410.90g/kg，全氮含量為8.51g/kg，全磷含量為2.34g/kg。

1.2 實驗方法

土壤理化性質指標依據《土壤農化分析》測定［7］：含水量采用烘干法；pH采用pH計法；無機氮、銨態氮采用靛酚藍比色法；硝態氮采用紫外分光光度法；有機質采用重鉻酸鉀硫酸水熱法；有效磷采用碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色、紫外分光光度計法測定。土壤酶活性參照《土壤酶及其研究法》測定［8］：脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性分別采用苯酚-次氯酸鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法和高錳酸鉀滴定法測定。

采用SPSS 27.0.1對數據進行單因素方差分析及差異顯著性比較（P＜0.05），采用Microsoft Excel 2010軟件作群集條形圖。

1.3 實驗設計

設置1個對照組和6個實驗組（每組3個重復），對照組為不添加秸稈和碳化秸稈（T0），秸稈或碳化秸稈單一還田、秸稈和碳化秸稈混合還田（重量比1∶1）均設置表層覆蓋和深埋（深埋土壤20cm處）2種還田方式，還田量為24g/kg。6個實驗組分別為秸稈表層覆蓋（T1）、碳化秸稈表層覆蓋（T2）、秸稈和碳化秸稈混合表層覆蓋（T3）、秸稈深埋（T4）、碳化秸稈深埋（T5）、秸稈和碳化秸稈混合后深埋（T6）。秸稈經自然風干，粉碎后用于還田實驗。種植前一天將花盆澆至濕潤備用，在7個組中分別播種玉米，玉米進行常規施肥，一次施用（施用復合肥，氮磷鉀比例為1∶1∶1，用量為24g/kg）。在玉米生長幼苗期的各階段（胚芽期VE，出苗期 V1，三葉期V3，拔節期V6）取根際土，每個土樣隨機重復取3次，編號放入自封袋中帶回實驗室。混勻后在陰涼通風處自然風干，分別過20目、100目篩，用于土壤指標測定。

2 結果與討論

2.1 秸稈和碳化秸稈不同還田方式對土壤性質的影響

土壤酸度是土壤肥力的重要因素之一，它影響土壤中養分的存在形態和有效性。如表1所見，添加秸稈及碳化秸稈的土壤pH為7.31～7.59。在VE期，在T5處理下的pH為7.36±0.03，顯著高于T0，其他處理間均無顯著差異。在V1期，與T0相比較，在T1，T2，T3，T4，T5，T6處理下的土壤pH均顯著升高，且在T1，T2，T3，T4處理下的土壤pH顯著高于T5和T6處理。在V3期，在T1，T2，T3，T4，T5，T6處理下的土壤pH均升高，其中在T1處理下的pH為7.56±0.04，較T0處理顯著增加3.3%。在V6期，在T1，T2，T3，T4處理下的土壤pH高于T0處理，在T5和T6處理下的土壤pH與T0無顯著差異。玉米整個苗期，T1處理對提高土壤pH最顯著，提高了2.7%。秸稈及碳化秸稈還田的土壤pH都在一定程度上升高，這可能由于秸稈自身為堿性，還田以后使土壤酸堿度提高，這一結論與孫向春等［9］的研究相一致。玉米生長適宜的pH為6.5～7.5，秸稈和生物炭還田后對土壤pH的影響不大；在T1處理下土壤pH升高最多，該處理方法可用于長期施用化肥而酸化的土壤；高pH背景值的土壤可以選用T5處理，因碳化秸稈含有一定量的鹽基離子，可以在一定程度上調節土壤的酸堿度。

土壤含水量是制約玉米生長發育及產量的重要因素。如圖1（a）所示，在表層覆蓋還田下，與T0相比較，在T1處理下的土壤含水量顯著增加，T1處理的土壤含水量為23.62%，比T0增加19.97%，在T2和T3處理下的土壤含水量與T0處理無顯著差異，且在T2處理下的土壤含水量低于T0處理。如圖1（b）所示，在深埋還田處理下，在T4和T5處理下的土壤含水量與T0處理間無顯著差異，而在T6處理下的土壤含水量較T0顯著升高。在玉米苗期內，在T1處理下土壤含水量較T0大幅增加，均比其他處理下含水量提升效果更顯著，這與高飛等［10］的研究結果相一致。秸稈還田提高土壤團聚體穩定性從而增加了土壤含水量［11］。T1處理與T2和T3處理相比顯著提高含水量，由于秸稈含有大量的纖維素和半纖維素，這些成分可以吸附土壤中的水分，增加土壤的保水能力。此外，秸稈還可以改善土壤的結構，增加土壤的通氣性和透水性。T6處理與T4和T5處理相比顯著提高含水量，碳化秸稈增加土壤持水量受其與土壤接觸面積限制，當秸稈和碳化秸稈深埋于土壤中，可增加接觸面積和土壤孔隙度，從而增加土壤持水量。

土壤氮素含量是土壤養分中的一個重要指標，秸稈及碳化秸稈還田對其有一定的影響。如圖2（a）所示，表層覆蓋還田處理在整個苗期內T1，T2，T3與T0的土壤銨態氮含量差異顯著，與T0相比顯著升高。在T1處理下土壤銨態氮含量為16.72mg/kg，較T0土壤銨態氮含量10.33mg/kg顯著提升了61.86%。如圖2（b）所示，在深埋還田T4和T5處理下，銨態氮含量隨著玉米生長期發展逐漸累積，V6期土壤銨態氮含量最大，分別比T0處理增加了75.38%和65.89%；在T4處理下銨態氮含量為16.39mg/kg，與T5和T6相比顯著升高。由以上可知，2種還田方式都顯著提高了土壤銨態氮含量，秸稈及碳化秸稈的施用均可不同程度地促進土壤中銨態氮的積累［9］。

土壤硝態氮是高等植物吸收氮的主要形式之一，其主要來源于土壤中的有機物分解生成銨鹽，被氧化后變為硝態氮。土壤硝態氮含量與作物的產量與品質有直接關系。如圖3（a）所示，在表層覆蓋還田處理下，T2處理的土壤硝態氮含量最高，為15.37mg/kg，較T0處理顯著提高了43.07%。如圖3（b）所示，在深埋還田處理下，在T4，T5，T6處理下的硝態氮含量比T0顯著增加。所有處理的硝態氮含量都比T0顯著增加。在T5處理下的硝態氮含量最高，為19.00mg/kg，比T0提升76.85%。碳化秸稈對土壤硝態氮具有吸附能力，土壤硝化作用明顯，氮素轉化為硝態氮，從而增加了土壤中硝態氮含量［12］。

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，是植物營養的主要來源之一。秸稈及碳化秸稈還田土壤的有機質含量如圖4所示。由圖4（a）可知，在表層覆蓋處理下，T2處理的土壤有機質含量提升效果最好，在玉米V6期時土壤有機質含量為23.61g/kg，較T0土壤有機質含量顯著增加了53.52%。由如圖4（b）可知，在深埋還田處理下，T5處理使土壤有機質含量增加最多，其有機質含量為21.40g/kg，較T0有機質含量提高了39.07%。玉米苗期內，在T1，T2，T3，T4，T5和T6處理下的有機質含量均高于T0處理，且隨玉米種植天數增加差異更顯著。在T2處理下的土壤有機質含量為23.61g/kg，較T0處理顯著提升了53.42%，表面覆蓋還田為所有還田方式中提高土壤有機質含量的最佳方式。碳化秸稈的施用提升了土壤有機質含量，一方面是因為生物炭的吸附及表面催化作用促進有機小分子聚合成土壤有機質，另一方面是因為生物炭的分解作用促進腐殖質的形成，從而提高土壤肥力。

有效磷是土壤中可被植物吸收利用的磷的總稱。由圖5（a）可知，在表層覆蓋還田下，在T3處理下的土壤有效磷含量比T0處理顯著升高。在玉米V6期時在T3處理下的有效磷含量為158.36g/kg，較T0處理顯著增加了65.05%。如圖5（b）所示，在深埋還田處理下，各處理之間的有效磷含量差異不顯著。T6處理的有效磷含量為145.08mg/kg，較T0顯著提升了42.55%。在整個玉米苗期，在T1處理下的有效磷含量為157.10mg/kg，比T0顯著提升了54.36%，有效磷含量最多。總的來說，秸稈及碳化秸稈的還田方式均提高了土壤中有效磷的含量，這也與Nelson等［13］的研究結果相一致。秸稈還田補充土壤磷素供應，增加了土壤有效磷含量。秸稈還田可以提高土壤磷的有效性，促進作物對磷素的吸收利用。T2，T3，T5，T6處理的有效磷含量呈先升高后降低趨勢，這可能是因為生物碳吸附土壤溶液中的磷酸根，減少土壤有效磷的淋溶。因此，添加生物碳的土壤有效磷先升高，而后隨著植物生長有效磷吸收呈下降趨勢。

2.2 秸稈和碳化秸稈不同處理對土壤酶活性的影響

土壤酶可以促進土壤循環代謝，并且制約土壤活性，是土壤系統中最活躍的部分。蔗糖酶可以將蔗糖催化為葡萄糖和果糖，其活性可以反映土壤中易溶性物質的利用及土壤有機質積累和轉化的狀況。如圖6（a）所示，在表層覆蓋還田處理下，T1，T2和 T3處理根際土蔗糖酶活性與T0相比顯著升高，提升最高的為T2，其活性為29.54mg/g/d，比T0顯著提高了121.37%。如圖6（b）所示，在深埋還田處理下，在T4，T5和T6處理下的土壤蔗糖酶活性顯著高于T0處理，且各處理之間具有顯著性差異。綜合來看，在T5處理下的蔗糖酶活性為31.92mg/g/d，較T0顯著提高了138.73%。在玉米生長的整個苗期內，碳化秸稈的表層覆蓋和深埋2種還田方式對土壤根際蔗糖酶活性提高作用最大。原因可能是秸稈碳化后的強穩定性、高吸附能力和大比表面積可有效吸附土壤養分，從而提高土壤酶活性［14］。

土壤脲酶催化尿素水解成銨態氮，被植物根系吸收利用，其活性在一定程度上可以用來表征土壤中氮素的營養狀況。圖7為不同還田方式處理下根際土脲酶活性情況。如圖7（a）所示，在表層覆蓋還田下，VE期T1處理的土壤脲酶活性與T0處理無顯著差異，其他時期T1，T2，T3處理的土壤脲酶活性較T0處理均顯著升高。在V6期，在T3處理下土壤脲酶活性為0.23mg/（g·d），較T0處理顯著增加了88.03%。由圖7（b）可知，深埋還田T5處理的脲酶活性提高最顯著，其活性為0.18mg/（g·d），比空白增加了43.25%。綜合2種還田方式，在T3處理下的脲酶活性為0.18mg/（g·d），比T0顯著提高了50.12%，對脲酶活性的提升最大，這與馮愛青等［15］的研究結果相一致。秸稈是土壤微生物活動的有效能源，秸稈還田可以激發土壤酶與微生物活性，使得土壤酶活性提高，并且生物碳可以提高土壤微生物的代謝速率及對基質的利用率，促進土壤微生物的生長和繁殖，從而提高土壤的脲酶活性［16］。

過氧化氫酶可清除植物體內的過氧化氫，避免其對作物產生毒害。如圖8（a）所示，在表層覆蓋還田下，V1期T2處理的土壤過氧化氫酶活性與T0處理無顯著差異，而T1，T3處理的土壤過氧化氫酶活性較T0均顯著增加。T3處理的土壤過氧化氫酶活性在V6時為5.19mg/g，比空白顯著增加了28.68%。如圖8（b）所示，在深埋還田下，T4，T5和T6處理的土壤過氧化氫酶活性在苗期內呈現上升趨勢，其中T5處理的土壤過氧化氫酶活性為4.18mg/g，較T0的過氧化氫酶活性顯著增加了10.61%。綜合整個苗期，在T1處理下的過氧化氫酶活性為4.94mg/g，較T0顯著增加了30.59%。秸稈和碳化秸稈2種還田方式在一定程度上提升了土壤過氧化氫酶活性，其原因可能是秸稈和生物碳還田改善了土壤理化特性，優化了微生物生活環境，提供了土壤酶載體，使土壤過氧化氫酶活性增高［16］。

3 結" 論

秸稈及碳化秸稈單一或混合還田在一定程度上能提高土壤肥力、改善土壤理化性質、提高土壤酶活性。在秸稈表層覆蓋（T1）處理下的土壤含水量、銨態氮含量、有效磷含量和過氧化氫酶活性均顯著提高，分別比T0提高了20.02%，61.86%，54.36%和30.59%；在碳化秸稈表層覆蓋（T2）處理下的土壤有機質含量顯著提高；在秸稈和碳化秸稈混合表層覆蓋（T3）處理下的土壤脲酶活性顯著提高；在碳化秸稈深埋（T5）處理下的土壤硝態氮含量和蔗糖酶活性分別提高了76.85%h和138.73%。綜合來看，對土壤性質方面的改善可以選擇秸稈表層覆蓋還田處理，其他應用可據實際情況選擇。

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