半干旱地區秸稈還田對土壤有機碳組分及產量的影響

摘要 為了探索半干旱區玉米秸稈還田對土壤有機碳組分和產量的影響，以黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院秸稈長期定位試驗田為研究對象，對CK（常規種植）、FM（秸稈翻埋還田）和FG（秸稈覆蓋還田）3種處理下土壤顆粒有機碳、水溶性有機碳含量及玉米產量進行分析。結果表明：不同處理各土層均是黏粒（lt;0.053 μm）有機碳含量最高。FM處理4個土層砂粒（gt;0.250 μm）和黏粒（lt;0.053 μm）有機碳含量平均值分別提高了21.78%和20.51%，FG處理分別提高了25.87%和13.52%。FM處理在各土層水溶性有機碳含量最高，在0～10和gt;10～20 cm土層中順序為FMgt;FGgt;CK，其中FM處理分別較CK增加22.73%和38.25%，FG處理分別較CK提高2.48%和26.32%。在gt;20～30和gt;30～40 cm土層中，土壤水溶性有機碳含量依次為FMgt;CKgt;FG，其中FG降低幅度分別為14.55%和9.41%，而FM處理增加幅度分別為10.68%和17.85%。不同處理之間穗長、穗粗和穗行數差異不明顯。穗粒數順序為FMgt;FGgt;CK，籽粒含水量順序為FGgt;CKgt;FM；產量順序為FMgt;FGgt;CK，FM和FG處理分別較CK增產5.20%和3.20%。

關鍵詞 半干旱地區；秸稈還田；顆粒有機碳；水溶性有機碳；產量

中圖分類號 S158 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）08-0149-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.034

Effect of Straw Return on Soil Organic Carbon Composition and Yield in Semi-arid Regions

GAO Pan，WANG Yu-xian，XU Ying-ying" et al

（Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Qiqihar，Heilongjiang 161006）

Abstract In order to explore the impact of returning corn straw to the field on soil organic carbon composition and yield in semi-arid areas，the long-term positioning experimental field of straw at Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences was used as the research object to analyze the content of soil particulate organic carbon，water-soluble organic carbon and corn yield under three treatments：CK （conventional planting），FM （straw burying and returning） and FG （straw covering and returning）.The results showed that clay particles （lt;0.053 μm） had the highest organic carbon content in each soil layer under different treatments.The average organic carbon content of sand particles （gt;0.250 μm） and clay particles （lt;0.053 μm） in the four soil layers treated with FM by 21.78% and 20.51%，and FG increased by 25.87% and 13.52%，respectively.FM treatment had the highest content of water-soluble organic carbon in each soil layer，with FMgt;FGgt;CK in the order of 0-10 and 10-20 cm soil layers.FM treatment increased by 22.73% and 2.48% compared to CK，while FG treatment increased by 38.25% and 26.32% compared to CK，respectively.In the soil layers of 20-30 cm and 30-40 cm，the content of water-soluble organic carbon in the soil was in the order of FMgt;CKgt;FG，with FG decreasing by 14.55% and 9.41%，while FM treatment increased by 10.68% and" 17.85%.There was no significant difference in spike length，spike diameter and spike row number among different treatments.The order of grain number per spike was FMgt;FGgt;CK，and the order of grain water content was FGgt;CKgt;FM.The yield order was FMgt;FGgt;CK，with FM and FG treatments increasing production by 5.20% and 3.20%，respectively，compared to CK.

Key words Semi-arid region;Returning straw to the field;Granular organic carbon;Water soluble organic carbon;Yield

土壤有機碳是指土壤中各種正價態的含碳有機化合物，不僅與土壤肥力密切相關，而且對地球碳循環有巨大的影響，既是溫室氣體“源”，也是其重要的“匯”［1］。土壤顆粒有機碳和水溶性有機碳是土壤中極其重要的部分，且易受耕作方式、氣候條件、施肥方式等因素的影響［2］。大量研究表明，秸稈還田是增加土壤有機碳活性和含量、改善土壤理化性質、提高土壤墑情和作物產量的重要措施［3-5］。魏丹等［6］研究認為秸稈還田提升了水溶性有機碳各組分的含量和在總有機碳中的占比。王丹丹等［7］研究了不同有機物料還田對土壤有機碳組分的影響，結果表明，土壤表層的顆粒有機碳和礦物結合態有機碳的含量顯著高于其他土層。秸稈還田還可以提高耕層土壤微生物量碳和可溶性有機碳含量。董珊珊等［8］研究了玉米不同秸稈還田方式對黑土有機碳組成和結構特征的影響，認為秸稈淺施對表層有機碳組成累積效果明顯，秸稈還田則對亞表層培肥效果顯著。辛勵等［9］則認為秸稈還田與氮肥配施能夠提高土壤有機碳含量和土壤腐殖質品質。但在實際生產中，由于各地自然條件的差異，秸稈類型和還田量均會對土壤有機碳組分產生較大的影響，基于此，該研究以黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院長期定位7年的不同秸稈還田模式試驗為依托，研究半干旱區秸稈還田對土壤顆粒有機碳、水溶性有機碳及玉米產量的影響，為黑龍江省西部半干旱區科學施肥、提升地力提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院試驗基地，地勢平坦，肥力中等，為碳酸鹽黑鈣土，屬于中溫帶大陸性季風氣候，年降水量400 mm，始霜期為9月29日，無霜期為150 d。試驗區土壤的基本理化性質為0～20 cm土壤堿解氮100 mg/kg，有效磷16.9 mg/kg，速效鉀134 mg/kg，有機質26.5 g/kg，pH 7.82。

1.2 試驗設計

試驗采用大區對比，該試驗設置CK（常規種植）、秸稈覆蓋還田（FG）、秸稈翻埋還田（FM）3個處理，每個處理用地0.35 hm2，不設重復，各處理具體操作見表1。試驗為全量秸稈還田，還田量為14 700 kg/hm2。試驗在2022年5—10月玉米生長季進行調查。采用免耕播種一體機深施金正大牌控釋肥，總養分≥48%，氮∶磷∶鉀=26∶11∶11。供試品種為嫩單19，4月28日機械精量播種，密度6.75萬株/hm2，播后噴灌，灌水量35 mm。玉米4葉期化學除草，免耕生育期不動土壤。成熟期測產。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土樣采集。2022年9月對各處理小區土壤進行采集，采用“S”型取樣法，深度為0～40 cm。采集樣品自然風干后過0.25 mm分樣篩，常溫保存備用。

1.3.2 土壤有機碳。采用重鉻酸鉀外加熱法［10］測定土壤有機碳含量。

1.3.3 顆粒有機碳。采用 5 g/L六偏磷酸鈉分散法篩分，元素分析儀（Vario ELⅢ，Elementar，Germany）測定含量［11］。

1.3.4 水溶性有機碳提取方法。稱取過 2 mm 篩風干土樣 3.00 g，置于 50 mL 離心管內，加蒸餾水 30 mL，攪勻，置于恒溫水浴振蕩器上振蕩［180 r/min，（50±2）℃］1 h，取出后 3 500 r/min 離心 15 min，上清液用中速定量濾紙過濾。水溶性有機碳含量采用 TOC 分析儀測定［11］。

1.3.5 產量。成熟期時每個處理每個重復隨機挑選長勢均勻一致的 5 m 雙行，選取5穗考察穗長度、禿尖長度、穗粒數、出籽率、含水率并計算籽粒產量（14%標準含水量），其余脫粒曬干后稱量計產。

1.4 數據處理與分析 采用Excel 2010和DPS 8.50統計分析軟件對試驗數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田處理對土壤顆粒有機碳的影響

由表2可知，不同處理各土層均是黏粒（lt;0.053μm）有機碳含量最高。與CK相比，FM處理4個土層砂粒（gt;0.250 μm）和黏粒（lt;0.053μm）有機碳含量平均值分別提高了21.78%、20.51%，FG處理分別提高了25.87%、13.52%。不同處理4個土層粉粒（0.053～0.250 μm）有機碳含量平均值從高到低依次為FGgt;CKgt;FM，其中FG處理比CK增加了19.04%。

2.2 不同秸稈還田處理對水溶性有機碳的影響

由圖1可知，秸稈連續還田7年后，FM處理在各土層水溶性有機碳含量最高，與CK相比，土壤水溶性有機碳含量在0～10和gt;10～20 cm土層中順序為FMgt;FGgt;CK，其中FM處理分別較CK提高22.73%和38.25%，FG處理較CK增加2.48%和26.32%。在gt;20～30和gt;30～40 cm土層中，土壤水溶性有機碳含量從大到小依次為FMgt;CKgt;FG，其中FG處理降低幅度分別為14.55%和9.41%，而FM處理增加幅度分別為10.68%和17.85%。

2.3 不同秸稈還田處理對產量及其相關組成的影響

由表3可知，不同處理之間穗長、穗粗和穗行數差異不明顯。不同處理穗粒數順序為FMgt;FGgt;CK，FM和FG處理分別較CK增加15.75%和3.69%；籽粒含水量順序為FGgt;CKgt;FM，其中FG處理較CK增加14.31%，FM處理則較CK降低6.92%。產量順序為FMgt;FGgt;CK，FM和FG處理分別較CK增產5.20%和3.20%。

3 討論

3.1 秸稈還田對顆粒有機碳和水溶性有機碳的影響

土壤中顆粒有機碳和水溶性有機碳主要來源于植株殘體、外源有機物料的投入及微生物代謝等，且耕作方式和施肥種類發生改變時，顆粒有機碳和水溶性有機碳的含量也隨之變化［12］。研究表明：顆粒有機碳、水溶性有機碳與土壤有機碳含量呈正相關［13］。該研究發現黏粒（lt;0.053 μm ）中有機碳含量明顯高于砂粒（gt;0.250 μm）和粉粒（0.053～0.250 μm），表明土壤顆粒對土壤有機碳吸附作用隨著顆粒粒徑減小而增強。該試驗中FM處理4個土層砂粒（gt;0.250 μm）和黏粒（lt;0.053 μm）有機碳含量平均值分別提高了21.78%、20.51%，FG處理分別提高了25.87%、13.52%，說明長期秸稈還田可以增加土壤顆粒有機碳的含量，且秸稈還田后利于形成良好的土壤團粒結構，亦說明土壤顆粒有機碳對有機物料還田的響應相對更敏感 ，更加適合作為土壤有機碳庫變化的早期預示指標。該研究中FM處理在各土層水溶性有機碳含量最高，可能是因為FM處理中秸稈和土壤均勻混拌，翻埋深度可達30 cm以上分解較充分，而FG處理只覆蓋在土壤表層，而且秸稈還田使土壤中微生物含量驟增，產生激發效應，加速了微生物生長代謝活動，從而促進了土壤有機碳礦化及作物殘體分解，使土壤有機碳更多地轉化為活性有機碳組分。

3.2 秸稈還田對玉米產量的影響

于博等［14］和解文孝等［15］研究認為秸稈還田有助于養分和干物質量的積累，進而對產量有顯著影響；免耕秸稈全量還田可增加玉米葉面積，提高葉片光合能力，有效延緩玉米根系衰老，有利于后期玉米對養分的吸收和產量的形成，進而促進干物質積累和產量提高。該研究中產量順序為FMgt;FGgt;CK，分別較CK增產5.20%和3.20%，這與前人的研究結果一致［16］。秸稈作為有機物料還田對提高產量有促進作用，但幅度不大，可能是因為試驗地區冬季氣溫較低、雨水不豐沛、秸稈腐解慢，并未能發揮出最佳效用。

4 結論

該研究結果表明不同處理各土層均是黏粒（lt;0.053 μm）有機碳含量最高。FM處理4個土層砂粒（gt;0.250 μm）和黏粒（lt;0.053 μm）有機碳含量平均值分別提高了21.78%、20.51%，FG處理分別提高了25.87%、13.52%。FM處理在各土層水溶性有機碳含量最高，在0～10和gt;10～20 cm土層中順序為FMgt;FGgt;CK，而在gt;20～30和gt;30～40 cm土層中，土壤水溶性有機碳含量依次為FMgt;CKgt;FG。不同處理之間穗長、穗粗和穗行數差異不明顯。穗粒數順序為FMgt;FGgt;CK，FM和FG處理分別較CK增加15.75%和3.69%；籽粒含水量順序為FGgt;CKgt;FM，其中FG處理較CK增加14.31%，FM處理較CK降低6.92%；產量順序為FMgt;FGgt;CK，FM和FG處理分別較CK增產5.20%和3.20%。

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基金項目 黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（CZKYF2021-2-C021）；黑龍江省農業科學院農業科技創新跨越工程專項（HNK2019CX12-06）；中國科學院戰略性先導科技專項子課題（XDA28130504）；國家農業環境齊齊哈爾觀測實驗站項目" （NAES058AE10）。

作者簡介 高盼（1990—），女，黑龍江齊齊哈爾人，助理研究員，碩士，從事土壤培肥與改良研究。

收稿日期 2023-05-11