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(duì)黑土亞耕層土壤有機(jī)碳的提升效應(yīng)*

叢 萍1，2，逄煥成1?，王 婧1，劉 娜1，李玉義1，張 莉1

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東青島 266100）

針對(duì)東北黑土亞耕層有機(jī)碳匱乏，且秸稈體量大、利用困難的問(wèn)題，于2015—2018年開(kāi)展田間定位實(shí)驗(yàn)，以秸稈不還田為對(duì)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(duì)土壤有機(jī)碳含量、有機(jī)碳結(jié)構(gòu)以及土壤養(yǎng)分比例的影響，旨在通過(guò)“變廢為寶”促進(jìn)黑土地可持續(xù)發(fā)展。結(jié)果表明：1）秸稈還田對(duì)20~40 cm土壤亞耕層有機(jī)碳提升效果顯著，隨著秸稈倍量的增加，亞耕層土壤有機(jī)碳在2%~20%（1 a）、5%～27%（2 a）、1%～18%（3 a）之間變化，高倍量還田優(yōu)勢(shì)顯著；秸稈還田2 a土壤有機(jī)碳增長(zhǎng)率最高，表明還田第2年是有機(jī)碳的主要積累時(shí)期，且秸稈倍量是影響有機(jī)碳變化更重要的因素。2）秸稈還田3 a后，F(xiàn)S5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(jìn)烷基碳鏈型有機(jī)碳合成，而KL5處理易促進(jìn)芳香烴類(lèi)有機(jī)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(duì)養(yǎng)分元素比例的提高具有短期快速效應(yīng)，而粉碎秸稈具有長(zhǎng)期緩釋效應(yīng)。秸稈高量深埋還田顯著提高亞耕層土壤有機(jī)碳含量，平衡碳與氮、磷、鉀養(yǎng)分元素比例關(guān)系，是增厚培肥黑土層以及解決東北秸稈還田問(wèn)題的可行方法。

秸稈還田；高量；黑土；有機(jī)碳；亞耕層；秸稈顆粒

土壤有機(jī)碳（Soil organic carbon，SOC）占土壤有機(jī)質(zhì)的60%～80%，是土壤的重要組成部分，其在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面均起著極其重要的作用[1-2]。然而我國(guó)黑土地由于長(zhǎng)期施用化肥，重用輕養(yǎng)，導(dǎo)致地力下降。一是長(zhǎng)期淺耕導(dǎo)致的亞耕層有機(jī)碳匱乏問(wèn)題突出，黑土層“上肥下痩”，亞耕層有機(jī)碳含量?jī)H為耕層的1/3～1/2；二是“碳饑渴”問(wèn)題顯現(xiàn)，導(dǎo)致有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)與其他養(yǎng)分比例失衡[3]。亞耕層作為聯(lián)結(jié)表土層與心土層的重要耕作層，對(duì)于土壤養(yǎng)分供應(yīng)以及作物根系生長(zhǎng)具有至關(guān)重要的作用，對(duì)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(jī)碳的有效手段，秸稈中含有C、N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素，施入到土壤中可以培肥土壤[4]，最終提高作物產(chǎn)量。我國(guó)東北地區(qū)玉米秸稈體量大，其總量可達(dá)1.4億t，然而肥料化利用率僅為36%[5]，玉米秸稈體量大、產(chǎn)量多，還田困難，因此創(chuàng)新秸稈還田方式從而快速提高黑土層有機(jī)碳水平成為關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外研究表明，在秸稈還田的同時(shí)加入微生物腐熟劑、秸稈堆漚、增大秸稈粉碎程度以及適當(dāng)增加秸稈用量均能提高土壤有機(jī)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(tài)以及用量開(kāi)展研究，一方面研制了秸稈顆粒肥產(chǎn)品，其堆積密度約為常規(guī)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(yōu)點(diǎn)[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(dāng)以6 000 kg·hm–2進(jìn)行淺耕還田時(shí)能較粉碎秸稈更快、更高地增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[10]，為解決大量秸稈的消納問(wèn)題提供新的技術(shù)手段。另一方面研發(fā)了秸稈翻埋機(jī)具，直接將田間大量的玉米秸稈深翻至亞耕層范圍實(shí)施培肥，擺脫了還田量的限制。前期研究表明，當(dāng)粉碎秸稈由6 000 kg·hm–2增至12 000 kg·hm–2和18 000 kg·hm–2時(shí)，土壤有機(jī)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(yīng)用于黑土亞耕層培肥。前人對(duì)于亞耕層有機(jī)碳提升效應(yīng)的研究較少，竇森[12]在東北地區(qū)運(yùn)用風(fēng)力注入法實(shí)施秸稈“富集深還”技術(shù)，使亞耕層土壤有機(jī)碳增加10%～15%；閆洪亮等[13]運(yùn)用翻轉(zhuǎn)犁開(kāi)溝40 cm將秸稈埋入2年后亞耕層有機(jī)碳增加約20%；韓曉增等[14]在20～35 cm土層中摻入秸稈和有機(jī)肥，以在我國(guó)黑土地區(qū)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(tài)的比較。此外，土壤亞耕層的水、氣、熱等環(huán)境均異于耕層，秸稈顆粒與粉碎秸稈還田后可能會(huì)因降解速率以及投入碳量不同而影響亞耕層有機(jī)碳的累積。鑒于此，本試驗(yàn)設(shè)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(yàn)，連續(xù)3年觀(guān)察其對(duì)亞耕層土壤有機(jī)碳及有機(jī)碳與養(yǎng)分比例的影響，從而為解決東北地區(qū)玉米秸稈利用難以及亞耕層肥力低下問(wèn)題找到可行途徑。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間定位試驗(yàn)于2015—2018年在吉林省公主嶺市朝陽(yáng)坡鎮(zhèn)（124°43′E、43°36′N(xiāo)）進(jìn)行，該地處吉林省中西部，東遼河中游右岸。當(dāng)?shù)匾杂牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，種植作物主要為玉米、大豆。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5.6℃，年均降水量594.8 mm，無(wú)霜期144 d。試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為典型黑土，耕作方式以旋耕、翻耕為主。土壤基礎(chǔ)理化性狀如表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)置玉米粉碎與顆粒兩種秸稈形態(tài)，以當(dāng)?shù)爻Ａ窟€田的秸稈用量為基準(zhǔn)（玉米收獲后剩余地上部的總量，每年約為15 t·hm–2），分別設(shè)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(duì)照，共計(jì)7個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共設(shè)21個(gè)田塊，隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)田塊為長(zhǎng)4 m、寬4 m（6壟）共計(jì)16 m2。供試秸稈取自當(dāng)?shù)赜衩资斋@時(shí)隨收割機(jī)粉碎后的玉米秸稈，長(zhǎng)度為10～15 cm，倍量增加的秸稈主要來(lái)自當(dāng)年不翻耕的鄰近田塊。將收集起來(lái)的秸稈分為兩部分，一部分風(fēng)干后用作玉米粉碎秸稈還田處理（FS），另一部分收集起來(lái)用HC-2000型粉碎機(jī)粉碎后過(guò)2 mm篩，按照30%～35%比例添加蒸餾水，攪拌均勻后用FTHBCX350型環(huán)模秸稈顆粒機(jī)擠壓制得直徑4 mm、長(zhǎng)度4～6 cm的棒狀固體，即秸稈顆粒（KL）。各試驗(yàn)處理編號(hào)以及用量如表2所示。

表1 試驗(yàn)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(shí)施秸稈翻埋，將收集到的粉碎秸稈以及秸稈顆粒按設(shè)計(jì)用量均勻鋪于各個(gè)小區(qū)地表，用秸稈翻埋犁（功率>92 kW）將其翻埋進(jìn)入30～40 cm土層深度，使粉碎秸稈以及秸稈顆粒直接到達(dá)亞耕層范圍，此后3年試驗(yàn)期間不再進(jìn)行任何秸稈還田，每年玉米播種前需清除地表殘留秸稈。當(dāng)?shù)胤N植制度為玉米連作一年一熟制，供試玉米品種為奇玉8號(hào)，于2016—2018年5月初進(jìn)行播種，種植密度為67 500 株·hm–2，播種前進(jìn)行側(cè)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(jié)施，各處理的田間管理與普通高產(chǎn)玉米相似。于當(dāng)年10月初收獲，并在收獲期進(jìn)行玉米測(cè)產(chǎn)以及土壤樣品的采集。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

2016—2018年連續(xù)3年在夏玉米成熟期（10月初），按照對(duì)角線(xiàn)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(jiàn)的掉落物和根系后，田間過(guò)2 mm篩[15]，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。在土壤理化指標(biāo)的測(cè)定中，土壤有機(jī)質(zhì)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(kuò)散法；有效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度計(jì)法[16]。

土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的測(cè)定運(yùn)用13C核磁共振法。其主要原理是根據(jù)各種碳核所處的化學(xué)環(huán)境不同，具有不同的共振頻率，從而產(chǎn)生了化學(xué)位移（符號(hào)δ）現(xiàn)象[17-18]。本試驗(yàn)中用AV400型核磁共振儀（Bruker，Switzerland）測(cè)定，13C的共振頻率為100.68 MHz，魔角自旋頻率為5.0 KHz，接觸時(shí)間為2 ms，循環(huán)時(shí)間為5s，數(shù)據(jù)點(diǎn)為2048，峰面積計(jì)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(duì)位移范圍內(nèi)的峰值進(jìn)行積分判斷腐殖質(zhì)中不同含碳官能團(tuán)類(lèi)型占比。用烷基碳/氧烷基碳（Alkyl C：O-alkyl C）表示腐殖化指數(shù)（HI）。芳香度和脂化度的計(jì)算公式[20]如下：

2 結(jié) 果

2.1 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)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(gè)土層SOC的變化情況。比較發(fā)現(xiàn)，秸稈還田3年間對(duì)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(wú)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(shí)現(xiàn)較高的SOC增長(zhǎng)率主要是由于土體對(duì)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(jìn)0～20 cm土層SOC的提高。

秸稈深埋還田對(duì)20～40 cm土層有機(jī)碳提升效應(yīng)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(zhǎng)率最高為21.31%（<0.05），F(xiàn)S1增長(zhǎng)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(zhǎng)率以KL1最低為5.85%（<0.05），F(xiàn)S5最高為27.33%（<0.05）；2018年，僅FS5、FS3、KL5顯著高于CK，其增長(zhǎng)率分別為18.37%（<0.05）、11.60%（<0.05）、11.73%（<0.05）。由不同年份SOC增長(zhǎng)率變化看，2017年各秸稈還田處理增長(zhǎng)率普遍最高，表明秸稈還田后第2年是土壤有機(jī)碳的主要積累時(shí)期。

2.2 秸稈形態(tài)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

對(duì)相同用量不同秸稈形態(tài)的處理進(jìn)行比較可以看出（表3），當(dāng)還田量為均為1倍量時(shí)，0～20 cm土層SOC含量在秸稈顆粒與粉碎秸稈間并無(wú)顯著差異，對(duì)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(dāng)還田量均為3倍量時(shí)，0～20 cm土層SOC含量在秸稈顆粒與粉碎秸稈間仍無(wú)顯著差異，而對(duì)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(dāng)還田量均為5倍量時(shí)，0～20 cm土層僅2016年表現(xiàn)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(duì)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(jiàn)在20～40 cm土壤亞耕層范圍內(nèi)，隨著還田時(shí)間的延長(zhǎng)，粉碎秸稈還田更易在還田后期大幅提高土壤有機(jī)碳。

表3 不同處理下土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳增長(zhǎng)率

注：同一土層無(wú)相同小寫(xiě)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(duì)土壤有機(jī)碳的影響

當(dāng)秸稈形態(tài)相同時(shí)，比較不同用量對(duì)SOC的影響可以看出（表3），0～20 cm土層，SOC含量基本呈現(xiàn)隨秸稈用量增大而升高的狀態(tài)，其中2016年FS5較FS3與FS1高7.8%（<0.05）、12.6%（<0.05）；2017年，F(xiàn)S5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(tài)不同用量間無(wú)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(xiàn)為在2016年，F(xiàn)S5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，F(xiàn)S5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，F(xiàn)S5分別顯著高于FS3與FS1 6.1%、12.9%，F(xiàn)S3也較FS1高6.4%，而KL5分別較KL3與KL1 高8.8%、10.7%?？梢?jiàn)，隨著秸稈用量的成倍增加，土壤有機(jī)碳提升幅度越顯著，且高量還田有較長(zhǎng)時(shí)期的有機(jī)碳提升效應(yīng)。

2.4 秸稈形態(tài)與秸稈用量的交互效應(yīng)

對(duì)秸稈形態(tài)與秸稈用量?jī)煞N影響因素進(jìn)行交互分析，由表4可見(jiàn)，2016年，相較于秸稈形態(tài)，秸稈用量對(duì)2個(gè)土層有機(jī)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(jī)碳含量相符，秸稈形態(tài)與用量對(duì)2個(gè)土層有機(jī)碳的交互影響亦為顯著（<0.05）。2017年，秸稈形態(tài)對(duì)20～40 cm土層影響極顯著（<0.01），秸稈用量對(duì)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(nèi)，而高量還田時(shí)會(huì)致使部分秸稈殘留在0～20 cm土層內(nèi)，因而對(duì)0～20 cm土層亦有顯著影響。2018年，秸稈形態(tài)、秸稈用量與秸稈形態(tài)×用量?jī)H對(duì)20～40 cm土層有機(jī)碳含量影響極顯著（<0.01），表明秸稈深埋還田后對(duì)亞耕層土壤有機(jī)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(jī)碳的持續(xù)提高。

表4 雙因素方差分析秸稈形態(tài)與秸稈用量交互作用對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

2.5 13C核磁共振技術(shù)對(duì)土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的表征

利用核磁共振技術(shù)對(duì)秸稈還田3年后高、低倍量處理下的土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，圖1的結(jié)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(jī)碳含量。亞耕層土壤有機(jī)碳的13C-NMR的化學(xué)位移范圍在0～250之間，這符合固體土壤13C-NMR的化學(xué)位移范圍，在此范圍內(nèi)主要有4種含碳官能團(tuán)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(hào)最強(qiáng)，其次為羰基（羧基）碳，芳香碳信號(hào)最弱，說(shuō)明當(dāng)?shù)赝寥烙袡C(jī)碳是以脂族結(jié)構(gòu)為主，芳香碳并未在有機(jī)碳中占有主要地位，這一方面可能是由于當(dāng)?shù)赝恋乩梅绞介L(zhǎng)期以農(nóng)田為主，類(lèi)似于木質(zhì)素的降解產(chǎn)物相對(duì)較少，芳香結(jié)構(gòu)的來(lái)源較少，另一方面是由于當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁氐?，尤其是亞耕層土壤微生物活性低，?dǎo)致合成芳香化合物并與有機(jī)碳發(fā)生聚合反應(yīng)的速率降低[17]。

結(jié)合圖1對(duì)土壤有機(jī)碳中不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，結(jié)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(jī)碳結(jié)構(gòu)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(guān)[21]。此外，F(xiàn)S5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(duì)土壤有機(jī)碳起到更新作用，在一定程度上活化了有機(jī)碳中的穩(wěn)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(jī)碳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。低倍量秸稈還田3年后有機(jī)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(shù)（HI）的高低，秸稈還田后均會(huì)導(dǎo)致HI的降低，表明秸稈還田后增加了不穩(wěn)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(jī)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(guān)系

土壤內(nèi)部碳氮磷鉀養(yǎng)分元素的化學(xué)計(jì)量比也是反映土體內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)的主要指標(biāo)[22]，秸稈還田后SOC大量增加，會(huì)對(duì)養(yǎng)分元素比例平衡造成影響。通過(guò)對(duì)不同處理下各生長(zhǎng)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(shù)測(cè)定亞耕層（20～40 cm）土壤有機(jī)碳官能團(tuán)相對(duì)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(xiàn)為KL3、KL5顯著提高土壤C/N 7.5%（<0.05）、13.2%（<0.05），可見(jiàn)高量還田在第1年即表現(xiàn)出顯著提高土壤C/N的優(yōu)勢(shì)；2017年，秸稈還田對(duì)0～20 cm土壤C/N無(wú)顯著影響，這與第一年秸稈還田對(duì)上層土壤擾動(dòng)較大有關(guān)，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(dá)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(wú)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?yàn)榇罅糠鬯榻斩掃€田導(dǎo)致腐解期延長(zhǎng)，后期仍有纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)大量分解，為土壤提供有機(jī)碳營(yíng)養(yǎng)。2016年與2018年0～20 cm、20～40 cm 2個(gè)土層C/N約在9～10范圍內(nèi)，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(guān)，另一方面是因?yàn)榇罅拷斩捖袢雭喐麑臃秶?，顯著提高亞耕層有機(jī)碳含量，增大了C/N。

2016年秸稈深埋還田對(duì)0～20 cm土層C/P無(wú)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(duì)0～20 cm土壤C/P亦無(wú)顯著影響，對(duì)于20～40 cm，與CK相比，F(xiàn)S3、FS5及KL5均能顯著提高土壤C/P，增幅分別達(dá)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(jiàn)C/P的增幅隨還田時(shí)間逐漸提高。

秸稈高量還田對(duì)C/K提升具有顯著優(yōu)勢(shì)。2016年，F(xiàn)S5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，F(xiàn)S5、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(duì)0～20 cm土層土壤C/K無(wú)顯著影響，對(duì)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(duì)20～40 cm土壤C/K有顯著提高，其增幅為22.1%（<0.05）。綜上可見(jiàn)，土壤養(yǎng)分元素比例（C/N、C/P、C/K）隨秸稈還田時(shí)間的延長(zhǎng)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(duì)土壤有機(jī)碳的提升具有長(zhǎng)期效應(yīng)。

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

2.7 有機(jī)碳與養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)性

將土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、C/N、C/P、C/K各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)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(guān)，與TK以及C/K有顯著（<0.05）正相關(guān)，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(guān)，而TK與C/P亦有顯著（<0.05）相關(guān)，表明秸稈還田后各養(yǎng)分均有提高，由于秸稈含碳量較高，腐解轉(zhuǎn)化后提高土壤中碳的比例相對(duì)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(guān)，TK與C/K、C/N與C/P亦有極顯著（<0.01）正相關(guān)，表明秸稈深還更有利于亞耕層養(yǎng)分元素比例平衡。

表6 0～20 cm與20～40 cm土層土壤養(yǎng)分指標(biāo)間的Pearson相關(guān)

*，<0.05; **，<0.01.

3 討 論

3.1 秸稈高量還田對(duì)土壤有機(jī)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(jī)碳的重要來(lái)源[23]。本研究表明，秸稈深埋還田對(duì)2個(gè)土層土壤有機(jī)碳均有提高，但對(duì)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(xué)者的研究也證實(shí)了增加秸稈用量可提高土壤有機(jī)碳含量，鐘杭等[24]發(fā)現(xiàn)秸稈連續(xù)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(jī)質(zhì)7.09%、5.87%，路文濤等[25]進(jìn)行了3年的秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)13 500 kg·hm–2還田較4 500 kg·hm–2還田大幅提高土壤總有機(jī)碳含量，徐萌等[26]研究發(fā)現(xiàn)3～5 cm的粉碎秸稈以18 000 kg·hm–2還田時(shí)能更顯著地提高土壤有機(jī)質(zhì)以及全氮含量，均與本研究中的結(jié)果近似。這主要是因?yàn)榻斩挼奶嫉龋?5～85）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?bào)w混合時(shí)使碳氮比接近于適宜微生物生長(zhǎng)的碳氮比，能加快秸稈的分解[27]，產(chǎn)生更多腐殖物質(zhì)，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[28-29]?？偨Y(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，秸稈常量年年還田時(shí)，亞耕層土壤有機(jī)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)一次性實(shí)施3倍量還田時(shí)亞耕層土壤有機(jī)碳提高3%～20%，5倍量還田時(shí)提高12%～27%，且第2年增幅最高，第3年開(kāi)始下降，可見(jiàn)增加秸稈倍量與秸稈年年還田對(duì)土壤有機(jī)碳的提升范圍基本一致，優(yōu)勢(shì)之處在于一方面在還田前2年即表現(xiàn)出對(duì)土壤有機(jī)碳的大幅提高，具有快速效應(yīng)；另一方面，一次性實(shí)施高倍量還田避免了年年翻耕對(duì)土壤的擾動(dòng)與破壞，且節(jié)省人力物力等，提高經(jīng)濟(jì)效益。

秸稈還田量的閾值問(wèn)題一直備受爭(zhēng)議，一是大量秸稈還田造成土壤虛而不實(shí)，不利于作物扎根以及出苗[31]，二是秸稈屬于高碳氮比有機(jī)物，微生物降解時(shí)要消耗土壤氮素，影響了作物對(duì)氮素的利用。本研究的深埋還田措施很好地解決了第一個(gè)問(wèn)題，將大量秸稈直接還至深層，相當(dāng)于直接施入碳源，不影響作物出苗同時(shí)培肥了亞耕層。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诋?dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)正常施基肥的條件下進(jìn)行的試驗(yàn)，且以年為取樣周期進(jìn)行研究時(shí)并未發(fā)現(xiàn)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(shí)期為秸稈還田初期，待到第一次取樣時(shí)，土壤生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)向原有的平衡恢復(fù)，在今后的研究中我們會(huì)進(jìn)一步密集取樣，并對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同樣實(shí)施秸稈深埋還田，東北地區(qū)有機(jī)碳增幅高于黃淮海地區(qū)[32]，這與東北地區(qū)氣候類(lèi)型有關(guān)，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(jié)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致一部分微生物脫水死亡，另一部分微生物的活性也會(huì)因低溫而受到抑制，使可溶性有機(jī)質(zhì)、微生物生物量碳氮以及其他易降解性有機(jī)質(zhì)增加，有機(jī)質(zhì)的礦化作用減弱[34]，最終有機(jī)質(zhì)得以大量累積。另一方面，秸稈顆粒處理（中高量）的土壤有機(jī)碳含量?jī)H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(qū)的試驗(yàn)結(jié)果不同，秸稈顆粒未較粉碎秸稈表現(xiàn)出對(duì)土壤有機(jī)碳的快速提升效應(yīng)，一是由于秸稈顆粒在土壤中降解較快，有機(jī)質(zhì)的積累—礦化速率也較快；二是顆粒狀的秸稈肥易滾動(dòng)，當(dāng)在大田經(jīng)過(guò)撒施于地面—翻埋入土下的過(guò)程后在土壤剖面中呈現(xiàn)“上疏下密”的點(diǎn)狀分布，而粉碎秸稈由于體積大，移動(dòng)性差，翻埋時(shí)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(jī)碳含量相對(duì)較高，所以秸稈顆粒施用時(shí)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(duì)有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響

13C核磁共振波譜已成為有機(jī)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(guān)于有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)信息，從化學(xué)位移值可推測(cè)碳核所處的官能團(tuán)；從各種峰的積分高度比可求得對(duì)應(yīng)的碳核個(gè)數(shù)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(qiáng)的烷基碳與氧烷基碳信號(hào)，說(shuō)明秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)碳在核磁共振中的響應(yīng)靈敏度。KL1處理的核磁共振波譜曲線(xiàn)與CK較為相似，含碳官能團(tuán)吸收峰普遍較低，這也表明了秸稈還田多年后對(duì)土壤有機(jī)碳的影響效果逐漸減弱，最終與土壤原本的有機(jī)碳組成結(jié)構(gòu)相一致，即出現(xiàn)“趨同特征”，這主要與土壤本身的成土過(guò)程、土壤質(zhì)地、土地利用方式以及植被等有關(guān)[17，21，35]。李娜等[21]指出，土壤有機(jī)質(zhì)是在特定氣候和生物環(huán)境條件下不斷形成有機(jī)化合物的長(zhǎng)期演變過(guò)程，它包括了植物腐解過(guò)程產(chǎn)生的多糖、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)以及角質(zhì)等材料，還包括動(dòng)物以及微生物殘?bào)w、分泌物以及排泄物等，是處于不同分解階段的有機(jī)物質(zhì)集合體[36]，與原本土壤有機(jī)質(zhì)的組成及結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本試驗(yàn)中供試土壤為黑土，所測(cè)得的有機(jī)碳的腐殖化指數(shù)（HI）在0.3～0.8之間，這符合世界土壤腐殖化指數(shù)范圍（0.2～1.11）[21]，秸稈還田后降低了腐殖化指數(shù)，這表明秸稈在土壤中參與了這一新的成土過(guò)程，有待于聚合的不穩(wěn)定的有機(jī)碳增多。此外，土地利用方式以及植被也對(duì)各含碳官能團(tuán)的占比有很大影響，本試驗(yàn)田長(zhǎng)期用作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，且種植作物較為單一（玉米），耕作方式以及外源有機(jī)質(zhì)的加入成為對(duì)土壤有機(jī)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(jī)質(zhì)脂肪連上的芳香基不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化形成含氧脂肪烴或者羰基等更穩(wěn)定的脂肪鏈[37]，而秸稈顆粒還田的芳香度較高是因?yàn)榻斩掝w粒在土壤中的腐解速率快[9]，不穩(wěn)定的有機(jī)碳生成后又經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的轉(zhuǎn)化，最終形成更加穩(wěn)定的芳香碳。同時(shí)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(duì)增加[38]，可見(jiàn)玉米葉的施入更有利于有機(jī)碳的穩(wěn)定。綜上可見(jiàn)，粉碎秸稈高量還田雖然能在數(shù)量上提高土壤有機(jī)碳水平，但是對(duì)土壤有機(jī)碳的擾動(dòng)期較長(zhǎng)，不利于短期內(nèi)轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的土壤有機(jī)碳，而秸稈顆粒雖然在還田3年后對(duì)土壤有機(jī)碳含量提升幅度較低，但能使土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。

3.3 秸稈高量還田對(duì)土壤養(yǎng)分比例的影響

近些年化肥的過(guò)量施用造成土壤養(yǎng)分不均衡發(fā)展，“碳短板”現(xiàn)象存在。玉米秸稈作為高碳源有機(jī)物質(zhì)（C/N約為65～85）施入到土壤中，會(huì)對(duì)土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素平衡造成影響[39]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)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(duì)20～40 cm亞耕層有顯著的提升效應(yīng)，其中，土壤C/N由原來(lái)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(shí)有機(jī)質(zhì)供肥條件優(yōu)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(jī)質(zhì)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(jìn)了微生物對(duì)氮素的有效利用，避免了氮素流失，這對(duì)于土壤地下水硝酸鹽污染以及大氣N2O溫室效應(yīng)的緩解均具有重要意義。秸稈深還在各生長(zhǎng)季均能大幅度提升土壤C/P，波動(dòng)范圍在25～35，說(shuō)明在該地區(qū)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(yǎng)分比例的顯著提高與秸稈中C元素占比最高有關(guān)。由于淺施化肥，氮磷鉀養(yǎng)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(wú)顯著差異。由Pearson相關(guān)分析可以看出，各元素比例間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，表明通過(guò)增加秸稈用量提高土壤有機(jī)碳含量可以促進(jìn)養(yǎng)分元素平衡，最終提高土壤肥力水平。

4 結(jié) 論

黑土亞耕層有機(jī)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(jī)碳的主要積累時(shí)期，且土壤有機(jī)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(jìn)烷基碳鏈型與芳香烴型有機(jī)碳分子的形成。秸稈高量還田利于促進(jìn)碳與氮、磷、鉀養(yǎng)分元素平衡，秸稈顆粒還田具有短期快速效應(yīng)，而粉碎秸稈具有長(zhǎng)期緩釋效應(yīng)。可見(jiàn)，秸稈高量還田是緩解黑土地力下降，同時(shí)解決玉米秸稈利用難問(wèn)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

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(duì)黑土亞耕層土壤有機(jī)碳的提升效應(yīng)[J].土壤學(xué)報(bào)，2020，57（4）：811–823.

CONG Ping，PANG Huancheng，WANG Jing，LIU Na，LI Yuyi，ZHANG Li. Effect of Returning Chopped and Pelletized Straw at A High Rate Enhancing Soil Organic Carbon in Subsoil of Farmlands of Black Soil[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：811–823.

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(zé)任編輯：盧 萍）