何治逢，王時聰，尹 眾，王 鑫，柴如山，鄔 剛，劉 榮，師煥芝，馬 超

(1. 農田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥 230036；2. 安徽省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，合肥 230031；3. 安徽六國化工股份有限公司，銅陵 244021；4. 合肥市農業(yè)經濟技術服務管理總站，合肥 230091)

沿淮地區(qū)的農業(yè)自然資源條件優(yōu)越，是我國主要糧食產區(qū)之一[1]。但是近年來，沿淮區(qū)仍以重化肥而輕有機肥的施肥方式為主，作物施肥量過大,特別是氮肥的過量施入, 造成肥效和土壤質量下降[2]。因此，通過農業(yè)技術措施培肥地力來改善土壤質量，對提高沿淮地區(qū)農田生產力和糧食產量具有重要意義。

土壤有機碳和氮磷鉀等養(yǎng)分是土壤肥力的核心因子[3]。土壤有機碳可劃分為活性和惰性兩部分，土壤活性有機碳因其周轉迅速，直接影響土壤微生物活性，故對農業(yè)生產措施的反應更靈敏，可更好地指示土壤質量。土壤碳庫決定著農田土壤質量和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的程度。土壤碳庫管理指數評價某項培肥措施下土壤碳庫的有效性和土壤肥力的變化[4]。因此，研究某項農業(yè)技術措施下土壤活性有機碳含量和土壤碳庫管理指數的變化情況，對評價該措施土壤培肥的效果具有重要意義。

農作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素以及大量的木質素和纖維素等有機物[5]，將其合理還田能夠提高土壤養(yǎng)分和有機質的含量[6]。然而，當前因還田秸稈腐解緩慢易造成諸如土壤碳氮比失調、耕作困難、作物產量下降、病蟲害增加等問題而難以推廣[7-8]。近年來，一些學者提出了基于腐稈劑應用的秸稈促腐還田培肥模式，緩解常規(guī)秸稈還田引起的不利影響[9-10]。但腐稈劑作為一種新型微生物產品，其田間應用功能并不穩(wěn)定，易受配套農藝措施的影響[1]。秸稈促腐還田配施氮肥可以調解C/N 比，提高秸稈腐解速率，緩解秸稈分解過程中微生物對無機氮素的競爭利用，為作物生長提供養(yǎng)分[11-13]。前人研究表明，秸稈還田配施氮肥調節(jié)C/N為15 時，可顯著增加土壤有機質和堿解氮的含量[14]。王保君等[15]發(fā)現秸稈還田施氮量為240 kg·hm-2時，稻田土壤速效磷和速效鉀含量較不施氮分別顯著增加了43.16%和31.86%。但現階段的研究主要集中在腐稈劑配合氮肥施用對秸稈還田的培肥效果和作物增產方面，鮮有從不同氮肥運籌方式下的角度研究短期秸稈還田配施腐稈劑對土壤養(yǎng)分和活性有機碳庫的影響?？紤]到外源腐稈菌的引入會使得土壤中土著菌的數量和群落結構發(fā)生改變，勢必會影響秸稈腐解的最適C/N[16]。因此，亟需開展秸稈促腐還田條件下的氮肥運籌方案研究，明確腐稈劑使用后的氮肥最佳基追比。

為此，本研究通過布置在沿淮稻麥輪作區(qū)的定位試驗，對比不同初始C/N 對稻秸促腐還田后土壤養(yǎng)分、活性碳含量和土壤碳庫特征的影響，分析它們的相關性，以期明確沿淮地區(qū)秸稈還田施用腐稈劑的氮肥最佳基追比，為該地區(qū)秸稈資源和氮肥的合理利用以及土壤的培肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在安徽省霍邱縣宋店鄉(xiāng)（116°32′ E，32°36′N）的小麥季進行。該地位于淮河流域南岸，屬北亞熱帶季風氣候，年均積溫、年均降雨量和年均氣溫分別為5 623 ℃、951.3 mm 和15.4 ℃。供試土壤為水稻土，試驗前耕層土壤( 0 ～15 cm) pH 6.05，有機質21.3 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，全磷 0.40 g·kg-1,全鉀15.42 g·kg-1, 堿解氮112.0 mg·kg-1，速效磷21.2 mg·kg-1，速效鉀180.0 mg·kg-1。種植制度為水稻-小麥輪作。

1.2 試驗材料

供試作物為小麥，品種為周麥23。還田秸稈為水稻秸稈，其有機碳425.5 g·kg-1，全氮8.24 g·kg-1，全磷1.05 g·kg-1，全鉀18.0 g·kg-1。氮肥選用尿素（N 46%），磷肥選用過磷酸鈣（P2O512%），鉀肥選用氯化鉀（K2O 60%）。腐稈劑選用商品有機廢物發(fā)酵菌曲（粉末），包含枯草芽孢桿菌（2.21×108cells·g-1）、嗜熱脂肪地芽孢桿菌（0.005 4×108cells·g-1）、青天鏈霉菌（0.17×108cells·g-1）和白鏈霉菌（2.76×108cells·g-1）。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設4 個處理：① 秸稈還田+腐稈劑（CN52，C/N = 52:1）；② 秸稈還田+增基減拔施N 肥+腐稈劑（CN11，C/N = 11:1）；③ 秸稈還田+常規(guī)施肥+腐稈劑（CN17，C/N = 17:1）；④秸稈還田+減基增拔施N 肥+腐稈劑（CN22，C/N=22:1）。水稻秸稈還田量為6 000 kg·hm-2，各處理均將用量為30 kg·hm-2的腐稈劑均勻撒施到鋪好粉碎秸稈（長度為10 cm 左右）的田內并立即翻耕，翻耕深度為15 cm。每個處理3 次重復，小區(qū)面積為24 m2。試驗各處理施肥方案見表1。

表1 田間小區(qū)試驗施肥量Table 1 Fertilization application rates in field plot experiment

1.4 樣品采集與測定

小麥收獲后，用土鉆在各小區(qū)內按“五點對角線法”法采集耕層土壤（0 ～ 15 cm）5 個點混合，一部分風干過篩用于測定土壤養(yǎng)分和總有機碳等指標，一部分保存于4 ℃ 冰箱中用于測定土壤微生物生物量碳和可溶性有機碳等指標?？傆袡C碳、土壤活性有機碳、土壤微生物生物量碳和土壤可溶性有機碳的測定和計算方法分別參照文獻[17-20]；土壤養(yǎng)分測定參照常規(guī)分析方法[21]。

1.5 數據計算和分析

活性有機碳有效率ALC（%）、微生物生物量碳有效率AMC（%）、可溶性碳有效率ADC（%）、碳庫指數（CPI）、碳庫活度（L）、碳庫活度指數（LI）以及碳庫管理指數（CPMI）的計算方法參照文獻[22]。

采用One-way ANOVA 和 Duncan 多重比較法（P＜ 0.05）分析不同氮基肥用量下土壤養(yǎng)分、不同形態(tài)碳素、活性碳有效率及碳庫管理指數的差異；采用皮爾遜相關性檢驗分析土壤不同形態(tài)碳素有效率、碳庫管理指數和土壤肥力指標之間的相關性。統計分析和圖形制作分別由軟件SPSS19.0和Origin 9.0 實現。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量

不同處理對土壤主要養(yǎng)分含量的影響結果（表2）顯示，施氮肥處理（CN17、CN11和CN22）土壤全量養(yǎng)分含量均略高于對照不施氮肥處理（CN52），土壤全氮和全磷的增加量介于0.06 ～ 0.12 g·kg-1、0.00 ～ 0.03 g·kg-1，差異不顯著（P＞ 0. 05）。不同處理之間土壤速效養(yǎng)分含量差異顯著（P＜ 0. 05）。施氮肥處理（CN17、CN11和CN22）皆顯著提高了土壤中的堿解氮含量，其中以處理CN17最高，比對照處理增加了57.5%，處理CN11、CN22分別增加了24.1%和23.0%；處理CN11的速效磷含量最高，較對照處理增加了38.3%，差異顯著（P＜ 0. 05）；處理CN22則增加了18.7%，差異顯著（P＜ 0. 05）；處理CN17增加了3.1%，差異不顯著（P＞ 0. 05）。處理CN11的速效鉀含量同樣處于最高水平，較對照處理增加了14.0%，差異顯著（P＜ 0. 05），而處理CN17和CN22的速效鉀含量則分別降低了0.3%和2.4%，差異不顯著（P＞ 0. 05）。

表2 不同氮基肥用量對土壤主要養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of different amount of nitrogen-based fertilizer on soil major nutrients

2.2 土壤不同形態(tài)碳的含量及活性碳有效率

除可溶性碳外，秸稈促腐還田配施氮肥較不施氮肥可不同程度地增加土壤碳含量及其有效率（表3）。其中，處理CN17、CN11和CN22的總有機碳含量較CN52分別增加4.3%、16.6%和7.7%，差異顯著（P＜ 0.05）；活性有機碳含量分別增加13.4%、28.2%和14.8%，差異顯著（P＜ 0.05）；微生物生物量碳分別增加4.5%、3.8%和4.2%，差異不顯著（P＞ 0.05）；可溶性有機碳含量僅CN11較對照處理顯著增加了149.0%（P＜ 0.05），CN17和CN22則分別降低了66.8%（P＜ 0.05）和17.7%（P＞ 0.05）；CN17和CN11的活性有機碳有效率較對照處理分別增加了8.7%和9.9%，差異顯著（P＜ 0.05），而處理CN22增加了6.6%，差異不顯著（P＞ 0.05）；微生物生物量碳有效率除CN17較對照處理增加了0.4%外，CN11和CN22分別降低了11.1%和3.6%，差異不顯著（P＞ 0.05）；可溶性有機碳有效率僅CN11顯著增加127.3%，CN17和CN22分別顯著降低63.6%和18.2%（P＜ 0.05）。

表3 不同處理對不同形態(tài)碳含量及活性碳有效率的影響Table 3 Effects of different treatments on different forms of carbon contents and labile organic carbon efficiency

2.3 土壤碳庫管理指數

小麥季不同處理的碳庫活度管理指數（LI）、碳庫指數（CPI）和碳庫管理指數（CPMI）如圖 1 所示。秸稈促腐還田配施氮肥后土壤的LI、CPI 和CPMI 值整體高于不施氮肥處理CN52。CN17、CN11和CN22的LI 值較CN52分別增加36.1%、45.9%和25.4%，CPI 值分別增加4.0%、16.1%和7.1%，CPMI值分別增加42.1%、70.0%和35.4%。且處理CN17、CN11與處理CN52間LI、CPMI 值的差異達顯著水平（P＜ 0. 05），處理CN11、CN22與CN52間CPI 值的差異達顯著水平（P＜ 0. 05）。

圖1 不同處理小麥季土壤LI、CPI 和CPMI 的變化Figure 1 Changes of LI, CPI and CPMI in soil during wheat season under different treatments

2.4 土壤不同形態(tài)碳素有效率、碳庫管理指數與土壤養(yǎng)分的相關性

相關性分析結果表明，土壤微生物生物量碳有效率與全鉀、微生物生物量碳分別存在顯著正相關（P＜ 0.05）和極顯著正相關關系（P＜ 0.01）；土壤可溶性有機碳有效率與速效鉀顯著正相關（P＜0.05），與速效磷和可溶性有機碳極顯著正相關（P＜0.01）；土壤碳庫指數（CPI）與全磷和總有機碳顯著正相關（P＜ 0.05），與速效磷和可溶性有機碳極顯著正相關（P＜ 0.01）；土壤碳庫管理指數和速效磷顯著正相關（P＜ 0.05）（表4）。

表4 碳素有效率、碳庫管理指數與土壤養(yǎng)分的相關性Table 4 Relationships between soil fertility and ALC, AMC, ADC and CPMI

3 討論

3.1 不同氮基肥用量對土壤養(yǎng)分含量的影響

前人研究表明，秸稈還田后施用氮肥可以促進秸稈分解、腐熟過程，減少微生物對土壤氮的固持，增加土壤氮素有效性，為作物后期生長提供養(yǎng)分[23]。本研究也得出了類似的結果，秸稈促腐還田配施氮肥的處理土壤速效養(yǎng)分含量顯著高于不施氮肥的處理，增施氮肥的處理CN11速效磷、鉀含量和平衡施氮的處理CN17堿解氮含量顯著高于其他處理（P＜ 0.05）（表2）。這主要是因為處理CN17中充足的基肥氮素可以緩解作物與微生物之間對氮素的競爭，有利于提高微生物的數量和活性，使土壤微生物更好地參與土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程中[24]。到了作物生長的中后期，土壤微生物群落演替，先前被固持的氮素從微生物體內開始釋放出來，土壤堿解氮含量驟升[25]，然而處理CN11較高的氮投入導致大量氮素在土壤中累積，這不利于微生物的存活，限制了土壤微生物對磷、鉀的吸收[26]，故使得平衡施肥的處理CN17維持了最高的堿解氮含量，增施氮肥的處理CN11維持了最高的速效磷和速效鉀含量（P＜0.05）。處理CN11速效磷含量之所以最高，可能是因為施氮量偏高使得銨基肥料氧化釋放質子進而導致土壤酸化，提高了土壤中某些對磷利用能力強的微生物的豐度[27]，使得速效磷含量上升。相比對照處理CN52，處理CN22也會顯著提高土壤堿解氮和速效磷的含量。這是因為在秸桿自身C/N 較高時，基肥減施氮肥和拔節(jié)期增施氮肥同樣可以調節(jié)C/N比，滿足秸稈腐解需要，從而增加土壤堿解氮含量[28]。氮添加在一定程度上增加了土壤中N 的含量，但較高的氮添加可能也會造成土壤酸化[29]，使得土壤中有效磷含量增加[30]。至于土壤全量養(yǎng)分含量，促腐還田配施氮肥的處理總體上高于對照，但差異不顯著，則可能是因為田間條件下影響結果差異因素的復雜性，使得部分全量養(yǎng)分的增加趨勢未達到統計學顯著水平，但是也能在一定程度上反映處理的效果。

3.2 不同氮基肥用量對土壤不同形態(tài)碳素及活性碳有效率的影響

本研究顯示，秸稈促腐還田配施氮肥的處理有機碳不同組分顯著高于不施氮肥的處理。這一結果與郭萬里等[31]研究發(fā)現類似：與不施氮肥對比，秸稈還田配施50 和100 kg·hm-2氮肥時，土壤中各活性有機碳（SOC、MBC、EOC 以及DOC）均顯著增加。秸稈中富含大量的碳、氮是增加土壤有機碳的重要來源[18]，當秸稈、腐稈劑和化肥施入土壤后，增強了土壤中有關微生物的新陳代謝。因此，相關的土壤酶活性得到顯著提升，從而促進秸稈的腐解和養(yǎng)分的釋放[32]。高施氮量不僅有利于作物生長，同時也促進了根際碳沉積，使得土壤不同形態(tài)碳素含量上升[33]。本研究還發(fā)現：增基減拔施N 肥的處理CN11的總有機碳、活性有機碳、可溶性有機碳和可溶性有機碳有效率顯著高于其他處理（P＜ 0.05）。前人也得到了類似的結果，如Guo 等[34]發(fā)現在作物生長施基肥的時候，施入充足的氮肥可以提高水稻秸稈的腐解速率，促進更多秸稈碳素的釋放；也有研究指出當作物基期蘗肥施入比例過大時，土壤有機碳含量和土壤酶活性也會更高[35]。綜上，秸稈還田配施腐稈劑下適量提高基期氮肥比例，可以增加土壤酶活性，促進水稻秸稈碳素分解，提高土壤碳素水平。

3.3 不同氮基肥用量對土壤碳庫指數、碳庫活度指數和碳庫管理指數的影響

相較于處理CN52，本研究中秸稈促腐還田下添加不同比例的氮肥均能顯著提高土壤碳庫活度指數、碳庫指數和碳庫管理指數，且增基減拔施N 肥的處理CN11對上述指標的提升幅度最大（P＜ 0.05）（圖1）。與單施秸稈相比，處理CN11最有利于土壤碳庫指數和碳庫管理指數的提高。這是因為碳庫活度指數和碳庫指數分別決定于土壤活性有機碳和有機碳[22]，而處理CN11顯著增加了土壤活性有機碳和有機碳含量，所以LI 和CPI 最高，使得CPMI表現為增加，這與馬艷芹等[36]對不同氮肥用量下紫云英還田的土壤碳庫管理指數的研究結果大體一致。相關性分析表明：土壤養(yǎng)分、不同形態(tài)碳素和土壤碳庫指數（CPI）呈顯著（或極顯著）相關的指標最多，和土壤碳庫管理指數（CPMI）相關的指標最少（表4）。該結果與馬超等[10]的研究結果不一致，這或可歸因于前人的試驗并未關注氮肥施用量，而本試驗通過施氮調控了秸稈還田的初始C/N。諸多研究表明，外加新鮮有機質能夠通過激活土壤中多種微生物活性提高對土壤固有有機質的降解[37-38]。本試驗中，作為外源有機質的稻秸C/N 高達52，且本地區(qū)主要為需氮量高的水稻-小麥輪作體系[39]，秸稈促腐還田可以配施一定量的氮肥可以促進秸稈降解，加速秸稈碳向土壤碳轉化，進而使得土壤TOC 和速效養(yǎng)分含量上升。而CPI 與土壤TOC 相關，故因不同施氮量引起的TOC、速效養(yǎng)分上升與CPI 相關。從表4 還可得知，土壤養(yǎng)分、不同形態(tài)碳素與LI 沒有相關性，而LI 與CPMI 相關，因而土壤養(yǎng)分、不同形態(tài)碳素和CPMI 之間相關性較低。所以當施肥措施涉及不同施氮水平時，CPI與速效養(yǎng)分、不同形態(tài)碳素的相關性較好。而馬超等[10]的研究設置了不同水平的P、K 肥處理，直接刺激了碳庫活性組分含量，使得土壤肥力與有機碳庫發(fā)生顯著變化，此時CPMI 可以對土壤的質量、肥力狀況起到很好的指示作用。

4 結論

秸稈促腐還田配施不同比例的氮肥均提高沿淮地區(qū)土壤的土壤養(yǎng)分及活性有機碳庫，尤以增基減拔施N 肥的促腐還田措施（CN11）提升效果最為顯著。土壤碳庫指數與土壤碳庫管理指數相比可更好地反映秸稈促腐還田配施氮肥對土壤的培肥效果。值得一提的是，盡管氮肥施用量僅基肥與拔節(jié)肥的施用比例不一致，而C/N 比是根據基肥與秸稈量進行計算的，本研究也未在拔節(jié)期前取樣，但是這并不影響不同氮肥運籌方式下秸稈促腐還田對土壤質量影響的研究重點。因此建議在該區(qū)進行秸稈還田促腐時，增施氮肥調節(jié)CN11，從而實現沿淮地區(qū)稻麥輪作系統下秸稈資源和氮肥的合理利用以及土壤的培肥。