叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成

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秸稈顆?；吡窟€田快速提高土壤有機(jī)碳含量及小麥玉米產(chǎn)量

叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成※

（中國農(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）

針對黃淮海地區(qū)秸稈還田難度大不利于土壤快速培肥的問題，探討秸稈顆粒化高量還田快速提高土壤有機(jī)碳的可行性。采用2a的田間定位試驗，設(shè)置秸稈不還田（CK）、秸稈顆粒12 000kg/hm2（KL1）、秸稈顆粒36 000 kg/hm2（KL3）、粉碎秸稈12 000 kg/hm2（FS1）、粉碎秸稈36 000 kg/hm2（FS3）5種用量30～40 cm還田處理，研究了顆?；斩捀?、低量還田對土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分元素比例平衡以及小麥-玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，秸稈還田2a內(nèi)對>20～40、>40～60 cm土層有機(jī)碳含量影響顯著，其中FS1提升幅度最低，分別為7.2%（>20～40 cm）、5.9%（>40～60 cm），KL3提升幅度最高，分別為12.3%（>20～40 cm）、11.1%（>40～60 cm）。與粉碎還田相比，秸稈顆粒化還田能在還田1a顯著提高土壤有機(jī)碳含量，KL3較FS3 >20～40、>40～60 cm土壤有機(jī)碳分別提高1.7%、1.3%，KL1較FS1 >20～40、>40～60 cm分別提高0.8%、0.7%。另外，高量還田具有大幅提高有機(jī)碳的優(yōu)勢，F(xiàn)S3較FS1分別提高>20～40 cm土壤有機(jī)碳1.7%～3.9%、>40～60 cm 土層有機(jī)碳0.7%～3.8%，KL3較KL1分別提高>20～40 cm有機(jī)碳2.4%～4.7%、>40～60 cm土層1.3%～5.1%。秸稈顆粒高量還田（KL3）在各生長季均具有較高的有機(jī)碳累積速率，且總體均值最高。秸稈顆?；吡窟€田能在一定程度上提高土壤碳氮比（RCN）、碳磷比（RCP）、碳鉀比（RCK），促使土壤養(yǎng)分比向高肥力方向轉(zhuǎn)化。該試驗中秸稈顆?；吡窟€田連續(xù)4個生長季增產(chǎn)4.57%、11.40%、10.87%、8.87%，增產(chǎn)效果顯著。綜上可見，秸稈顆粒36 000 kg/hm2深埋還田最有利于黃淮海地區(qū)土壤有機(jī)碳的提高，在解決土壤“碳饑餓”等問題、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展上具有重要意義。

秸稈；土壤；有機(jī)碳；顆?；?；養(yǎng)分元素平衡；產(chǎn)量

0 引 言

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，土壤有機(jī)碳含量每增加1 g/kg時，華北地區(qū)夏玉米與冬小麥輪作產(chǎn)量可增加約454 kg/hm2[1]，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[2-3]。近些年來，黃淮海平原潮土地區(qū)由于長期施用化肥，加之土地重用輕養(yǎng)，導(dǎo)致“碳饑渴”問題出現(xiàn)，有機(jī)碳營養(yǎng)與其他養(yǎng)分比例失衡[4]。許多研究表明，秸稈還田是提升土壤有機(jī)碳的有效手段，秸稈中含有C、N、P、K等營養(yǎng)元素，施入到土壤中可以培肥土壤[5]，最終提高作物產(chǎn)量。但是目前秸稈還田普遍采用4 500～6 000 kg/hm2的用量[6]，僅能起到穩(wěn)定土壤有機(jī)碳含量的作用，對于體積大、數(shù)量多，腐解速率慢[7]的玉米秸稈，還田后不利于有機(jī)碳的快速積累，因此亟需尋找秸稈還田提升有機(jī)碳的新途徑。

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為加快秸稈的腐解速率是快速提高土壤有機(jī)碳的途徑之一，在秸稈還田的同時加入微生物腐熟劑，或者通過堆漚的方式提高微生物數(shù)量，從而加快秸稈腐爛以提高土壤有機(jī)碳[8-9]；再者，提高秸稈粉碎程度也可以促進(jìn)腐解[10]，玉米秸稈以5～8 cm長的小段進(jìn)行還田后更利于腐爛，也易于覆蓋[7]。此外，合理的增加秸稈還田量也是提高土壤有機(jī)碳的有效途徑，在大幅增加土壤有機(jī)碳[11]的同時，緩解秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染問題。但是這些還田方式大多操作不便，還田方式不成熟，或者秸稈與土壤結(jié)合性不好，不利于快速增加土壤有機(jī)碳。

為提高秸稈腐解速率，課題組前期研制了秸稈顆?；a(chǎn)品，將秸稈粉末擠壓制成秸稈顆粒，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[12]，為解決大量秸稈的消納問題提供新的技術(shù)手段。前期的室內(nèi)盆栽試驗研究表明秸稈顆粒與粉碎秸稈相比可顯著提高腐解速率，尤其在快速腐解期可提高31.68%，培養(yǎng)結(jié)束后C和N的累積釋放率也較粉碎秸稈提高11.0和13.2個百分點[12]，此外，微區(qū)試驗也表明，當(dāng)以6 000 kg/hm2進(jìn)行淺耕還田時能較粉碎秸稈更快、更高地增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]，提高籽粒產(chǎn)量，具有較高的年均凈收益。然而當(dāng)下的旋耕模式使得秸稈還田量受限，許多研究表明，常規(guī)粉碎秸稈旋耕還田量在50%[14]或75%左右[15]時不影響作物出苗同時能較快增加土壤有機(jī)碳，也有研究表明全量還田對土壤有機(jī)碳提升幅度增大[16]固碳效應(yīng)增強(qiáng)[17]，但成倍增加秸稈用量對土壤的增碳培肥效果研究較少，對于極具增量還田潛力的秸稈顆粒新產(chǎn)品的培肥增產(chǎn)效果更是鮮有報道。鑒于此，本試驗突破旋耕還田的制約，采用可消納大量秸稈的深埋（40 cm）還田方式，將秸稈顆粒還田與常規(guī)粉碎秸稈還田進(jìn)行比較，設(shè)置高、低2種用量，以秸稈不還田為對照（CK），研究秸稈高量還田對不同土層土壤有機(jī)碳的提升效果，并從C與N、P、K的比例變化上探究秸稈還田后對養(yǎng)分元素平衡的影響，為快速提高土壤有機(jī)碳提供科學(xué)指引，同時也為秸稈資源的高效利用找到新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2016年在山東省德州市德城區(qū)黃河涯鎮(zhèn)的德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗園區(qū)（116°18′E、37°27′N）進(jìn)行。該地區(qū)是典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫13.4 ℃，≥10 ℃的年均積溫4 621 ℃，無霜期205 d，年降雨量510 mm，主要集中在7―9月，試驗期間降水量以及溫度狀況如圖1。供試土壤為黃潮土，肥力均勻，試驗前0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：pH值=7.76，有機(jī)質(zhì)12.96 g/kg，全氮0.78 g/kg，堿解氮40.65 mg/kg，有效磷3.68 mg/kg，速效鉀128.38 mg/kg。

圖1 試驗期間日平均降雨量和日平均氣溫（2014—2016年）

1.2 試驗材料

粉碎秸稈收集于2014年冬小麥以及夏玉米收獲后的地上部分，自然風(fēng)干后，一部分用9CFZ-680型粉碎機(jī)粉碎至6～10 cm，貯存于干燥室作為粉碎秸稈；另一部分風(fēng)干的小麥及玉米秸稈按照質(zhì)量比1∶1混合，再用HC-2000型粉碎機(jī)研磨過2 mm篩，隨后添加30%～35%的蒸餾水?dāng)嚢杈鶆颍?jīng)過FTHBCX350型飼料顆粒機(jī)常溫擠壓，制得直徑4 mm、長度為4～6 cm的棒狀圓柱體，冷卻風(fēng)干后存放于干燥室作為小麥+玉米秸稈顆粒。粉碎秸稈和秸稈顆粒的堆積密度分別為26.44和242.93 kg/m3。

1.3 試驗設(shè)計

研究采用微區(qū)試驗，微區(qū)土池于2013年10月5日開始修建，前茬玉米收獲后，清除地上所有秸稈和根茬，每個微區(qū)四周挖深40 cm、寬10 cm的溝槽，放置300 cm′6 cm′55 cm（長′寬′高）的水泥板，其內(nèi)側(cè)鋪設(shè)2層塑料薄膜，“U”釘固定在水泥板上，小區(qū)間隔50 cm，防止小區(qū)間相互影響，微區(qū)面積9 m2（3 m×3 m）。試驗布置于2014年10月冬小麥播種前進(jìn)行，首先將微區(qū)內(nèi)0～20、>20～40 cm土層分別人工挖出，再將收集起來的小麥及玉米秸稈以1∶1的比例混勻，一次性還于土池內(nèi)，具體試驗處理以及用量如表1所示，最后將挖出的土壤按土層移回池內(nèi)，以此實現(xiàn)40 cm深埋還田處理，試驗期間不再進(jìn)行任何秸稈還田，其中對照采用秸稈不還田（CK）處理。

表1 不同處理的秸稈還田方式與用量

試驗時間為2014年11月冬小麥播種至2016年9月夏玉米收獲，共2 a 4季。微區(qū)秸稈深埋布置完畢后，每個小區(qū)均勻撒施等量基肥，純N、P2O5、K2O分別為105、120和105 kg/hm2，用鐵锨混勻各小區(qū)0～15 cm土層土壤，耙平地表，灌水750 m3/hm2。供試小麥品種為濟(jì)麥22，于2014年11月7日人工點播，行距20 cm，播量225 kg/hm2，拔節(jié)期追施純N 69 kg/hm2，灌水750 m3/hm2。夏玉米品種為鄭單958，行距60 cm，株距20 cm，種植密度為90 000株/hm2，施用控釋肥750 kg/hm2，NPK比例為28∶6∶6，大口期追施尿素300 kg/hm2，在播種后、大口期進(jìn)行2次灌溉，每次灌水量750 m3/hm2。其他管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分含量測定

分別于2015年、2016年冬小麥、夏玉米成熟期，按照對角線法用不銹鋼土鉆分別采取0～20、>20～40、>40～60 cm土層的土樣，剔除可見的掉落物和根系后，風(fēng)干過篩，進(jìn)行土壤理化指標(biāo)的測定，其中，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；堿解氮采用擴(kuò)散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度計法[18]。

1.4.2 作物測產(chǎn)

小麥玉米測產(chǎn)采用實打?qū)嵤辗绞剑餍^(qū)人工收獲，脫粒風(fēng)干，記錄產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016和SAS 9.2軟件進(jìn)行方差分析及Pearson相關(guān)分析，用LSD法進(jìn)行多重比較（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤有機(jī)碳含量的提升作用

2.1.1 秸稈還田對土壤有機(jī)碳含量的影響

表2為秸稈還田2a不同處理下3個土層SOC的變化情況。比較發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后對0～20 cm SOC影響較小，僅在第2年末秸稈還田處理使得SOC顯著提高，這與有機(jī)碳在土壤中的緩慢擴(kuò)散有關(guān)。秸稈還田處理下>20～40、>40～60 cm土層SOC顯著高于秸稈不還田處理，且隨著時間延長秸稈還田處理與CK間的差異逐漸增大，從>20～40 cm土層看，在2015年6月FS1較CK差異不顯著，而KL3增幅最大，為5.6%（<0.05），而到2016年10月，F(xiàn)S1增幅7.2%（<0.05），KL3增幅12.3%（<0.05）；從>40～60 cm土層看，同樣表現(xiàn)為FS1在第1季差異不顯著，而KL3增幅最大，為2.8%（<0.05），還田2a后FS1則較CK增加5.9%（<0.05），KL3為11.1% （<0.05），這表明秸稈還田后隨著時間的增加有機(jī)碳逐漸積累，而秸稈不還田的土壤因缺少碳源補(bǔ)充使得土壤有機(jī)碳只礦化消耗而不累積增加，最終造成二者土壤有機(jī)碳含量差異逐漸增大。此外，與CK相比，>20～40 cm土壤有機(jī)碳的增幅高于>40～60 cm，這可能因為與有機(jī)碳積累相關(guān)的土壤微生物隨土層加深而減少[19]。

2.1.2 不同秸稈形態(tài)對土壤有機(jī)碳的影響

對相同用量不同秸稈處理方式進(jìn)行比較可以看出（表2），當(dāng)還田量為36 000 kg/hm2時，顆粒還田>20～40 cm土層SOC在4個生長季分別高于粉碎還田1.3%、1.7%（<0.05）、1.6%、1.0%，>40～60 cm土層下分別高于粉碎還田 0.9%、1.3%、2.2%（<0.05）、1.1%；以12 000 kg/hm2還田時，顆粒處理的SOC含量最高較粉碎處理增加0.8%（>20～40 cm）、0.7%（>40～60 cm），但差異不顯著。與粉碎秸稈相比較，顆粒高量還田對SOC提升幅度表現(xiàn)為先升高后降低，且在第2、3個生長季與FS3差異顯著，這表明秸稈顆粒能在還田后迅速表現(xiàn)出對有機(jī)碳的提升作用，粉碎秸稈還田則需經(jīng)過較長時間腐解才能積累相當(dāng)量的有機(jī)碳。當(dāng)秸稈還田量低時，供腐解微生物利用的碳源少，秸稈腐解期隨之縮短，因此KL1的SOC含量僅在還田1a內(nèi)高于FS1。

表2 不同處理下各生長季土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳增長率

注：小寫字母代表同一土層不同處理間進(jìn)行差異比較，差異分析在<0.05的顯著性水平, 下同。

Note:Lowercase letters represent differences between treatments in the same soil layer at level of 0.05. The same below.

2.1.3 不同秸稈用量對土壤有機(jī)碳的影響

當(dāng)秸稈處理方式相同時，比較不同用量對SOC的影響可以看出（表2），在>20～40 cm土層，F(xiàn)S3的SOC含量在4個生長季較FS1分別提高2.1%、1.7%、2.7% （<0.05）、3.9%（<0.05），>40～60 cm土層分別提高1.1%、0.7%、1.5%（<0.05）、3.8%（<0.05）；而KL3在>20～40 cm土層SOC分別高于KL1處理2.4%、2.5% （<0.05）、4.7%（<0.05）、4.7%（<0.05），>40～60 cm土層提高1.3%、1.3%、3.8%（<0.05）、5.1%（<0.05），這表明秸稈處理方式相同時，增大用量可以顯著提高SOC，且增幅隨著還田時間逐漸增大，這可能是因為低量還田所投入的碳源少，后期有機(jī)碳累積量低，而高量處理由于秸稈量大，微生物需要較長時間腐解，促使有機(jī)碳不斷積累。由此可見，一次性秸稈高量還田后可在2a內(nèi)使土壤有機(jī)碳持續(xù)增長，兼具省時省力、培肥土壤的雙重優(yōu)點。

2.1.4 不同處理對土壤有機(jī)碳累積速率的影響

表3為5個處理下>20～40、>40～60 cm土層SOC在4個生長季的累積速率，由表3可見從2014年10月到2015年6月>20～40、>40～60 cm SOC的累積速率KL3最高，F(xiàn)S3、KL1、FS1次之，均顯著高于CK，可見用秸稈顆粒高量還田后的第1個生長季即表現(xiàn)出SOC的迅速累積；從2015年6月到2015年10月各秸稈還田處理的SOC累積速率均顯著高于CK（<0.05），各秸稈還田處理的SOC累積速率進(jìn)入平穩(wěn)上升期；從2015年10月到2016年6月的SOC累積速率表現(xiàn)為>20～40 cm土層FS3與KL3最高，F(xiàn)S1次之，均顯著高于KL1與CK，>40～60 cm土層KL3、FS3、FS1顯著高于KL1與CK，表明該階段隨著腐殖化程度加深，高量還田下有機(jī)碳的長期積累效應(yīng)開始凸顯；從2016年6月到2016年10月的SOC累積速率表現(xiàn)為>20～40 cm土層FS3最高（<0.05），>40～60 cm土層FS3與KL3顯著性最高（<0.05），表明粉碎秸稈腐解的滯后性使其在后期能積累一定量的有機(jī)碳。從4個生長季各處理的SOC平均累積速率來看，各土層均以KL3最大，且高量還田顯著高于低量，說明試驗期間有機(jī)碳的累積速率受秸稈用量影響更大。

2.2 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)計量比也是反映土體內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)的主要指標(biāo)[16]，秸稈還田后SOC大量增加，會對養(yǎng)分元素比例平衡造成影響。通過對不同處理下各生長季的土壤碳氮比（CN）、碳磷比（CP）、碳鉀比（CK）的比較分析如圖2所示。

表3 不同處理下土壤有機(jī)碳的累積速率

圖2 不同生長季碳氮比（RCN）、碳磷比（RCP）、碳鉀比（RCK）在3個土層的分布

2.2.1CN變化

2015年6月秸稈還田對>20～40、>40～60 cm土層影響顯著，其中高量還田較CK顯著提高土壤CN9.8%（<0.05）左右，低量還田與CK差異不顯著，高、低量之間亦無顯著差異；2015年10月秸稈還田對0～20、>40～60 cm土層CN無顯著影響，僅>20～40 cm FS3處理的CN顯著高于CK 5.5%（<0.05）；2016年6月各處理對CN影響均不顯著；2016年10月除FS3處理在>40～60 cm土層與CK差異不顯著外，各秸稈還田處理的CN均顯著高于CK（<0.05）?？梢?，秸稈還田初期土壤CN變化較大且提高顯著，隨著還田時間的延長，各處理CN較CK無顯著差異，這可能與該階段氮元素的大幅提升有關(guān)，到還田第2年末，CN又開始顯著增加，這與秸稈完全腐解后有機(jī)碳的大幅積累有關(guān)。

2.2.2CP變化

2015年6月0～20 cm土層CP表現(xiàn)為FS3、FS1顯著高于KL1，但均與CK無顯著性差異；>20～40 cm土層則表現(xiàn)為KL3、FS1處理的CP最高，顯著高于CP最低的FS3處理（<0.05），但二者與CK均無顯著差異；>40～60 cm土層KL1、KL3、FS1處理的CP顯著高于CK與FS3（<0.05），可見在還田初期KL3與FS1對土壤CP有顯著調(diào)節(jié)作用。2015年10月0～20 cm土層CP僅KL1、KL3處理顯著高于CK（<0.05），>40～60 cm土層則是KL3的CP顯著高于CK與FS3（<0.05），可見該段時期內(nèi)KL3處理土壤CP仍較高。到2016年6月秸稈還田處理使得3個土層的CP小幅降低，KL3處理對>20～40 cm土層的CP雖有6.3%的提高但差異不顯著。2016年10月僅KL3處理0～20、>20～40 cm的CP顯著高于CK9.2%、12.3%（<0.05）。由此可見，KL3處理在各生長季均有利于CP的提高，且隨還田時間的延長，CP也經(jīng)歷了升高降低再升高的過程，這可能與秸稈還田后增加了磷的有效性促進(jìn)作物對磷素的吸收有關(guān)。

2.2.3CK變化

4個生長季各處理CK均與CK差異不顯著，僅2015年10月KL3與FS3處理的CK顯著性水平最高，這可能與秸稈鉀含量較高有關(guān)。綜上可見，秸稈還田對土壤CN、CP影響較顯著，還田處理可提高土壤CN，標(biāo)志土壤肥力的提升；KL3處理更能促進(jìn)碳、磷之間的平衡。

2.3 不同處理對作物實際產(chǎn)量的影響

由表4可以看出，秸稈高量還田的作物產(chǎn)量顯著高于低量還田，產(chǎn)量增幅約是低量還田的2～3倍；秸稈顆粒還田下作物產(chǎn)量要高于粉碎秸稈還田，還田前期，粉碎秸稈還田出現(xiàn)減產(chǎn)，隨著生長季的延長，增幅差距逐漸縮小，表明當(dāng)秸稈還田量一致時，還田時間越長，對產(chǎn)量的影響差異越小。KL3處理下顯著提高作物產(chǎn)量，2個小麥季分別增產(chǎn)4.57%、10.87%，2個玉米季分別增產(chǎn)11.40%、8.87%，4個生長季產(chǎn)量均值最高。

2.4 各指標(biāo)的相關(guān)性分析

對4個生長季的作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤全氮（soil total nitrogen，STN）、全磷（soil total phosphorus，STP）、全鉀（soil total potassium，STK）、CN、CP、CK各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表5），作物產(chǎn)量與其他養(yǎng)分指標(biāo)以及元素間比例均成正相關(guān)關(guān)系，其中與SOC有極顯著正相關(guān)，與STN以及CK有顯著正相關(guān)，這說明在養(yǎng)分指標(biāo)中SOC與STN對產(chǎn)量的形成有較明顯作用，CN、CP、CK均與產(chǎn)量有正相關(guān)關(guān)系，這與SOC的明顯提高有關(guān)。此外土壤養(yǎng)分含量與其比例關(guān)系間亦有相關(guān)性，SOC與STN極顯著正相關(guān)，與STP顯著正相關(guān)，STN與STP極顯著正相關(guān)，與CP顯著負(fù)相關(guān)，STP與CP極顯著負(fù)相關(guān)，STK與CK極顯著負(fù)相關(guān)，由此看出，STN、STP、STK養(yǎng)分間互成正相關(guān)關(guān)系，而STN、STP、STK分別與CN、CP、CK成負(fù)相關(guān)關(guān)系，這表明各養(yǎng)分的增長具有協(xié)調(diào)性，秸稈還田后在形成土壤有機(jī)碳的同時也刺激了原有土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，使得各養(yǎng)分均有增加，但由于秸稈含碳量顯著高于其他養(yǎng)分元素含量，對有機(jī)碳含量增幅影響更大，使得CN、CP、CK升高。

表4 不同處理下的小麥-玉米產(chǎn)量

表5 土壤養(yǎng)分含量與作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

注：STN為土壤全氮，STP為土壤全磷，STK為土壤全鉀。**代表相關(guān)程度在<0.01顯著性水平，*代表相關(guān)程度在<0.05顯著性水平。

Note: STN is soil total nitrogen, STP is soil total phosphorus, STK is soil total potassium. **means the significant correlation at<0.01, * means the significant correlation at<0.05.

3 討 論

3.1 秸稈顆粒高量還田對土壤有機(jī)碳的快速提升作用

玉米、小麥秸稈約含有40%～50%的碳元素，是土壤有機(jī)碳的重要來源[20]。本研究表明，秸稈還田后使土壤有機(jī)碳在6.14～6.35 g/kg間緩慢提升，而不進(jìn)行秸稈還田時土壤有機(jī)碳每年約以0.08 g/kg速率下降，其中，秸稈顆?；吡窟€田的有機(jī)碳的增幅以及平均有機(jī)碳累積速率最高，表明秸稈顆?；€田方式能在短期內(nèi)加快有機(jī)碳的形成，這與秸稈處理方式以及還田用量均有關(guān)系。

秸稈顆?；€田由于秸稈粉碎化程度加大從而加快腐解速率，在短期內(nèi)生成更多有機(jī)碳。玉米秸稈表皮組織主要是硅細(xì)胞和木栓細(xì)胞，含有較多微生物難以分解的硅化物和蠟質(zhì)[21]，而秸稈在顆粒化的過程中破壞了秸稈的原始組織結(jié)構(gòu)，將難分解的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等人為斷鏈，使之與土壤的接觸面積大大增加，利于微生物附著腐解[22-23]，從而加快腐解過程，在相同時間內(nèi)形成更多腐殖質(zhì)，這是有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的重要環(huán)節(jié)。這與Koullas等[10]的觀點相一致，他認(rèn)為提高秸稈的粉碎程度可以促進(jìn)腐解，朱玉芹等[7]也指出將秸稈切成5～8 cm的小段比10～20 cm的大段粉碎秸稈更加容易腐解，且易于施用，分布較均勻。但徐萌等[24]并不認(rèn)為秸稈高量還田后在前期能夠大幅提高土壤有機(jī)碳，她指出大量秸稈還田后改變了微生物環(huán)境，不利于有機(jī)碳形成，本研究秸稈顆?；€田在第1個小麥季就表現(xiàn)出對有機(jī)碳的顯著提升，除與物理粉碎有關(guān)外，還可能與施用的秸稈中有一半是易腐解的小麥秸稈有關(guān)。

采取直接進(jìn)樣的方式，將目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)溶液注入質(zhì)譜，分別進(jìn)行正離子模式和負(fù)離子模式全掃描檢測，得到一級質(zhì)譜圖和準(zhǔn)分子離子峰，再用惰性氣體氮氣攻擊該母離子，獲得其二級質(zhì)譜圖及相應(yīng)的子離子。結(jié)果表明，在負(fù)離子模式下響應(yīng)值及靈敏度均高于正離子模式，因此，本方法選擇負(fù)離子電離模式。利用多反應(yīng)監(jiān)測模式（MRM）對選定的定性離子和定量離子對碎裂電壓、碰撞能、保留時間、碰撞池加速電壓等質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使各監(jiān)測離子豐度和信號達(dá)到最佳。負(fù)離子模式下的質(zhì)譜分析參數(shù)見表1。

不少學(xué)者的研究也證實了增加秸稈用量可提高土壤有機(jī)碳含量，鐘杭等[25]研究秸稈連續(xù)2a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[26]進(jìn)行了3a的秸稈還田試驗發(fā)現(xiàn)秸稈以13 500 kg/hm2還田要較4 500 kg/hm2還田大幅提高土壤總有機(jī)碳含量，徐萌等[24]研究發(fā)現(xiàn)3～5 cm的粉碎秸稈以18 000 kg/hm2還田時能更顯著地提高土壤有機(jī)質(zhì)以及全氮含量，這與本研究的增幅效果近似。這主要是因為秸稈的碳氮比（65～85）較高，土壤的碳氮比（10～12）偏低，將含碳量低的土壤有機(jī)碳和含氮量低的植物殘體混合時使碳氮比接近于適宜微生物生長的碳氮比，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]。然而，表2表明秸稈還田所增加的有機(jī)碳量并不與秸稈增量成相同倍數(shù)關(guān)系增加，有機(jī)碳的增幅比總是低于秸稈用量比值3，原因在于秸稈腐解速率不會隨著秸稈用量提高而無限變大，當(dāng)秸稈還田量超過一定限度時秸稈腐解速率開始降低，這主要受土壤微生物與土壤氮素限制，微生物在分解秸稈時需攝取土壤中的氮素以滿足自身碳氮比（25∶1）[30]，當(dāng)土壤中氮素不足時，微生物同化作用受限，不能大量增殖，對秸稈的腐解速率降低。

不少專家還認(rèn)為，秸稈還田量存在閾值問題，大量秸稈還田造成土壤虛而不實，不利于作物扎根以及出苗[31-32]，同時也有可能打破微生物平衡，降低秸稈腐解速率。由此看來，以往運用高量秸稈還田提升有機(jī)碳的主要限制因素有2點，一是常規(guī)粉碎秸稈多采用旋耕還田，還田深度淺，影響作物出苗率，二是大量秸稈腐解緩慢，對土壤本身微生物結(jié)構(gòu)造成影響，使土壤養(yǎng)分失衡。而本研究中的秸稈顆?；吡窟€田恰好解決了以上2點問題，秸稈顆粒體積約是相同質(zhì)量粉碎秸稈的1/50，且與土壤結(jié)合性好，淺施也不會影響作物出苗，而粉碎秸稈進(jìn)行高量還田時建議采用深埋方式，再者，前人已證實秸稈顆粒的腐解速率顯著高于粉碎秸稈[12]，這在一定程度上縮短了微生物的腐解過程，有利于有機(jī)碳的快速形成。

3.2 秸稈顆粒高量還田對土壤養(yǎng)分比例的影響

近些年化肥的過量施用造成土壤養(yǎng)分不均衡發(fā)展，“碳短板”現(xiàn)象存在。小麥、玉米秸稈作為高碳源有機(jī)物質(zhì)（CN約為65～85）施入到土壤中，會對土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素平衡造成影響[33-34]。本研究同樣發(fā)現(xiàn)施入高量秸稈后土壤CN、CP、CK有一定程度提高，其中，土壤CN由原來10.0上升為11.0，表明土壤肥力提升。一般而言，土壤較適宜的CN在15～25，此時有機(jī)質(zhì)供肥條件優(yōu)越，而在本研究中土壤CN低于該范圍，在一定程度上利于有機(jī)質(zhì)的積累[30]。此外，秸稈的施入促進(jìn)了微生物對氮素的有效利用，避免了氮素流失，這對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。從土壤CP來看，KL3處理在各生長季均能大幅度提升土壤CP，但波動范圍僅在 8～11，雖較CK處理有提高但該比值仍然偏低，這與長期施肥導(dǎo)致土壤本身存留的較多磷素有關(guān)，另一方面微生物對有機(jī)質(zhì)的分解也促進(jìn)了土壤有效磷的增加[35]。從CK的變化來看，秸稈還田在第1年對CK影響較大，但與CK無顯著差異，這主要是因為秸稈中80%鉀元素以離子狀態(tài)存在[36]，還田后很容易被分解釋放，從而增加土壤鉀含量，使得CN并無顯著差異。綜上可見，秸稈高量還田短期內(nèi)可引起土壤碳元素的增加，從而提高C與N、P、K的比值。

3.3 秸稈顆?；€田對作物產(chǎn)量的影響

本研究中新型秸稈顆?；€田具有較好增產(chǎn)效果，第1個生長季即表現(xiàn)出顯著提高冬小麥產(chǎn)量，而粉碎秸稈則出現(xiàn)減產(chǎn)，是因為大量粉碎秸稈的施入對微生物群落結(jié)構(gòu)擾動較大[37]，微生物同化秸稈所需的氮素受限，腐解變慢，不利于養(yǎng)分的循環(huán)與釋放[24]。這與張靜等[11]、劉義國等[38]的研究所得結(jié)論相似，即在秸稈還田前期，作物產(chǎn)量并非隨著秸稈還田量的增加而增加。本研究中，作物產(chǎn)量的提升與SOC、STN、CK的增加有顯著正相關(guān)關(guān)系（表5），許多研究也表明作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量有較好的相關(guān)性[13,39]，有機(jī)碳的提高使得土壤供肥能力變得優(yōu)越[40]，其他養(yǎng)分元素得到有效利用，從而提高作物產(chǎn)量。值得指出的是，影響作物產(chǎn)量的因素很多[40-41]，本文僅從秸稈顆?；€田快速提升土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分的角度進(jìn)行分析，其他原因仍需進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

1）秸稈深埋還田可顯著提高土壤>20～40、>40～60 cm土層有機(jī)碳含量，還田2 a以顆粒高量還田提升幅度最高，為12.3%（>20～40 cm）、11.1%（>40～60 cm）（<0.05）。

2）顆粒高量還田1周年較粉碎高量還田提高土壤有機(jī)碳1.7%（>20～40 cm）、1.3%（>40～60 cm），顆粒低量較粉碎低量還田提高0.8%（>20～40 cm）、0.7%（>40～60 cm），秸稈顆粒還田表現(xiàn)出快速提升土壤有機(jī)碳效應(yīng)。

4）顆粒高量還田最利于協(xié)調(diào)土壤碳、氮、磷、鉀間的比例關(guān)系，且增產(chǎn)效果較好，4個生長季分別增產(chǎn)4.57%、11.40%、10.87%、8.87%（<0.05）。

綜上可見，秸稈顆?；吡窟€田在快速、大幅提高土壤有機(jī)碳，以及提高有機(jī)碳累積速率、協(xié)調(diào)養(yǎng)分比例、提高作物產(chǎn)量方面均具有顯著優(yōu)勢，且試驗期內(nèi)未出現(xiàn)秸稈高量還田所引發(fā)的安全問題，表明高量還田的可行性。這種新型還田方式也為有效利用秸稈解決土壤“碳饑餓”問題提供了研究思路，但是高效化的秸稈用量標(biāo)準(zhǔn)仍需進(jìn)一步研究。

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High dosage of pelletized straw returning rapidly improving soil organic carbon content and wheat-maize yield

Cong Ping, Li Yuyi, Gao Zhijuan, Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng※

(100081,)

There is a large straw production in the wheat-maize rotation system of Huang-Huai-Hai Plain in China, which increases the difficulty of straw utilization so that soil fertility cannot be effectively supplemented and the environmental pollution caused by straw burning is aggravated. In view of the difficulty of the large straw returning which is not conducive to rapidly improve soil fertility, the pelletized straw returning was created, which made the same area of farmland hold more straw. But it is unclear that if increasing the amount of pelletized straw has a positive effect on soil organic carbon (SOC) content. Therefore, the aim of this article was to explore the effects of the high and low straw return dosages on SOC content, SOC accumulation rate and soil nutrient elements ratio in 0-20, >20-40 and >40-60 cm soil layer and the yield of wheat-maize during the two-year trial period. Five kinds of straw managements were treated by 2-year field location test, including non-straw returning (CK), 12 000 kg/hm2pelletized straw returning (KL1), 36 000 kg/hm2pelletized straw returning (KL3), 12 000 kg/hm2chopped straw returning (FS1), and 36 000 kg/hm2chopped straw returning (FS3). Each straw treatment was a mixture of half wheat straw and half corn straw. The results showed that the SOCs in >20-40 and >40-60 cm soil layers were significantly affected by the 2-year straw returning. Among the four straw returning treatments, FS1 had the lowest increase, which was only 7.2% in >20-40 cm soil layer and 5.9% in >40-60 cm soil layer higher than that of CK, however, KL3 had the highest increase, which was 12.3% in >20-40 cm soil layer and 11.1% in >40-60 cm soil layer higher than that of CK. Compared with the chopped straw returning treatment, the pelletized straw returning treatment rapidly increased SOC content, which manifested that SOC content of KL3 was 1.7% in >20-40 cm soil layer and 1.3% in >40-60 cm soil layer higher than that of FS3 after 1-year straw returning, and SOC content of KL1 was 0.8% in >20-40 cm soil layer and 0.7% in >40-60 cm soil layer higher than that of FS1 after 1-year straw returning. In addition, high dosage straw returning had the advantage of improving SOC content greatly. Compared with the low dosage straw returning, FS3 increased SOC content by 1.7%-3.9% in >20-40 cm soil layer and 0.7%-3.8% in >40-60 cm soil layer, and KL3 increased SOC content by 2.4%-4.7% in >20-40 cm soil layer and 1.3%-5.1% in >40-60 cm soil layer. KL3 also had the higher SOC accumulation rate in each growing season, and the overall mean value was the highest among the five treatments. What’s more, KL3 improved soil carbon-nitrogen ratio (CN), carbon-phosphorus ratio (CP) and carbon-potassium ratio (CK) to a certain extent, which indicated that high dosage pelletized straw returning promoted soil nutrient conversion to a higher fertility direction. In this experiment, KL3 significantly increased the wheat yield by 4.57% and 10.87%, the maize yield by 11.40% and 8.87%, respectively in the 2-year trial period. In a conclusion, 36 000 kg/hm2pelletized straw deep returning is the most beneficial to promote the SOC in the Huang- Huai-Hai Plain, which has a great significance in solving the problem of soil "carbon starvation" and ensuring the sustainable development of agriculture.

straw; soils; organic carbon; pelletized; nutrient element balance; yield

2018-06-15

2018-11-23

國家重點研發(fā)計劃2016YFD0300804；旱地保護(hù)性耕作及其農(nóng)藝化機(jī)械作業(yè)技術(shù)（2016-2020）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303130）：北方旱地合理耕層構(gòu)建技術(shù)及其配套耕作機(jī)具研究與示范

叢 萍，博士生，從事土壤耕作與培肥技術(shù)研究。 Email：cpqdjz@126.com

逄煥成，研究員，博士，從事合理耕層構(gòu)建以及鹽堿地改良利用。Email：panghuancheng@caas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018

S512.1；S513

A

1002-6819(2019)-01-0148-09

叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成. 秸稈顆?；吡窟€田快速提高土壤有機(jī)碳含量及小麥玉米產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(1)：148－156. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018 http://www.tcsae.org

Cong Ping, Li Yuyi, Gao Zhijuan, Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng. High dosage of pelletized straw returning rapidly improving soil organic carboncontent and wheat-maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 148－156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018 http://www.tcsae.org