秸秆还田对洛阳植烟区黄土质褐土碳库及烟叶经济性状的影响

韩秋静，赵世民，马君红，马 静，秦燚鹤，王 惠，刘晓涵，徐 亮，于建军，叶协锋*

1. 河南农业大学烟草学院 国家烟草栽培生理生化研究基地 烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州市金水区文化路95号450002

2. 河南省烟草公司洛阳市公司，河南省洛阳市洛龙区开元大道246 号471000

良好的土壤品质是保证作物产量和品质的前提［1］，而适宜的作物栽培方式有助于土壤品质的改善。秸秆还田作为秸秆利用的一种重要方式，能够增加土壤中养分的贮藏量［2］。劳秀荣等［3］研究表明，秸秆还田对改善土壤的理化性状有明显效果，同时显著增加土壤有机碳；路文涛等［4］研究发现，秸秆还田后土壤总有机碳含量明显提高。在0～20 cm 土层，秸秆还田量为9 000、6 000 和3 000 kg/hm2时，土壤总有机碳含量比对照分别提高6.96%、22.97%和12.41%；张鹏等［5］对宁南地区的研究表明，土壤有机碳含量随着秸秆还田量的增加而增加；李琳等［6］研究认为，秸秆还田在增加有机碳含量的同时，土壤中的活性有机碳组分也有所提高；徐蒋来等［7］研究表明，土壤水溶性有机碳、土壤碳素有效率在秸秆还田条件下表现出明显优势，表明外界条件对土壤有机碳性质有一定影响；曾宇等［8］研究提出，施用腐熟小麦秸秆能够有效提高烟叶产量及上等烟比例。秸秆还田对烤烟生长发育及土壤理化性状的影响已有较多研究，但有关植烟土壤碳库的系统研究还鲜见报道。为此，在河南洛阳烟区设置了腐熟小麦秸秆还田的田间试验，并测定了土壤碳库及烤烟经济性状指标，旨在为植烟土壤保育提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017 年在河南省洛阳市汝阳县内埠镇罗洼村进行。洛阳烟区位于河南省西部，黄河中下游，属温带季风气候，该区域春季干旱较多，夏季炎热降雨集中，年均气温14.8 ℃，年均降水量578.2 mm，年均蒸发量1 200 mm，年均日照时数为2 291.6 h，日照率为52%，无霜期218 d。供试烤烟品种为中烟100，土壤类型为黄土质褐土，有机质16.38 g/kg，碱解氮81.41 mg/kg，速效磷8.55 mg/kg，速效钾169.23 mg/kg，pH 7.52。

试验在常规施肥基础上设置4 个处理：CK（无秸秆还田）、T1（小麦秸秆还田6 000 kg/hm2）、T2（小麦秸秆还田9 000 kg/hm2）、T3（小麦秸秆还田12 000 kg/hm2）。试验采用随机区组设计，3 次重复，每小区面积133.33 m2。4 月7 日（烟苗移栽前1个月）将腐熟秸秆均匀撒施到试验田中，秸秆用旋耕机翻入土壤，浇水闲置1周后用旋耕机再次旋耕，深度约为20 cm。常规施肥纯氮用量为52.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶3，腐熟秸秆氮含量0.74%。于5月7 日移栽，按洛阳烟区优质烟叶生产技术规范进行烟田管理。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 土壤样品采集与分析

在烟苗移栽后45、60、75 和90 d，采用五点取样法分别采集各小区土壤样品。土壤样品混匀并拣出石块、植物残体、杂物，将一部分土壤样品过孔径2 mm（10 目）筛，保存于4 ℃冰箱中，用于测定土壤微生物量碳、氮。其余土壤样品置于阴凉处自然风干，分别过2 mm 和0.15 mm 土壤筛，用于测定土壤总有机碳（TOC）、全碳、全氮、可溶性有机碳（DOC）和活性有机碳含量（质量分数）。

采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤总有机碳含量［9］。用KMnO4氧化法测定土壤活性有机碳含量，KMnO4浓度为33、167 和333 mmol/L 时测定的活性有机碳分别为土壤高活性、中活性和活性有机碳［10-11］。对于土壤全碳和全氮，先采用锡箔包埋燃烧法进行前处理，然后用元素分析仪（Vario Macro Cube，Elementar 大进样量元素分析仪，德国Elementar 公司）测定［12］。土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法测定［13］。土壤可溶性有机碳采用水提取过滤的方法测定［14］。

土壤碳库管理指数(CPMI)的计算［10-11］：

稳态碳=总有机碳-活性有机碳

碳库指数（CPI）=农田土壤有机碳/参考土壤有机碳

碳库活度（A）=活性有机碳/稳态碳

碳库活度指数（AI）=农田碳库活度/参考土壤碳库活度

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数×碳库活度指数×100

式中：参考土壤为试验田附近未耕作的森林土壤。

1.2.2 烤后烟叶经济性状指标分析

将试验烟叶单独编竿烘烤，按照烤烟国标GB 2635—1992［15］对烤后烟叶进行分级并计算产量，依据当地烟叶收购价格计算产值。

收益成本=各处理总收入-秸秆成本-机械成本

式中：秸秆成本为洛阳多点秸秆买卖价格平均值计算的各处理所需秸秆量费用；机械成本为秸秆翻压时使用旋耕机耕翻所需费用。

1.3 数据处理与分析

利用Excel 2010 软件进行数据初步处理和制图，利用SPSS20.0 软件对数据进行单因素方差分析，采用LSD 法进行处理间差异的显著性检验。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤总有机碳、可溶性有机碳的影响

土壤总有机碳作为土壤质量的核心，对土壤肥力有重要影响［16］。从图1 可以看出，随着生育期的推进，土壤总有机碳含量变化平稳。秸秆还田后增加了土壤总有机碳含量，移栽后45 d T1、T2 和T3 处理土壤总有机碳含量分别是CK 的1.06、1.19 和1.28 倍，T2 和T3 处理总有机碳含量显著大于CK 和T1 处理。移栽后各时期T3 处理的土壤有机碳含量均较高，移栽后90 d T3 处理总有机碳含量为14.84 g/kg，显著高于其他处理。

图1 秸秆还田对土壤总有机碳的影响Fig.1 Effects of straw returning on total organic carbon in soil

土壤可溶性有机碳是土壤微生物生命活动和土壤有机物转化的中间产物，直接影响生态系统中土壤养分的有效性和流动性［17］。由图2 可以看出，随着秸秆还田量的增加，土壤可溶性有机碳含量增加。移栽后45 d T3 处理可溶性有机碳含量显著高于其他处理；移栽后60 d T1、T2 和T3 处理可溶性有机碳含量分别较CK 提高44.01%、68.37%和79.26%。移栽后90 d 施用腐熟小麦秸秆的各处理均显著高于CK，以T3 处理最高，为33.95 mg/kg。

土壤可溶性有机碳与总有机碳的比值是反映土壤碳库质量的重要指标，可用来表征土壤有机碳的有效性、稳定性和水溶性［18］。由图3 可以看出，随着秸秆还田量的增加，土壤可溶性有机碳占总有机碳的比例整体呈增加趋势。移栽后45 d T3 处理可溶性有机碳占总有机碳的比例最大，约为0.15%；移栽后60 d T2 和T3 处理所占比例差异减小，但均显著高于CK 和T1 处理；移栽后90 d 可溶性有机碳所占比例各处理的总体表现依次为T3＞T1＞T2＞CK。

图2 秸秆还田对土壤可溶性有机碳的影响Fig.2 Effects of straw returning on soluble organic carbon in soil

图3 秸秆还田对土壤可溶性有机碳/总有机碳比值的影响Fig.3 Effects of straw returning on ratio of soluble organic carbon to total organic carbon in soil

2.2 秸秆还田对土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的影响

土壤微生物生物量碳（SMBC）是土壤有机碳（SOC）中最具活性的组分，所占比例较低，但对SOC 的动态有重要影响［19］。由图4 可以看出，随生育期的推进各处理SMBC 呈现先增加后降低的趋势，均在移栽后60 d 达到最大值。移栽后45 d 和60 d，T1、T2 和T3 处理的SMBC 含量均显著高于CK，但3 个处理间差异不显著；移栽后75 d T2 处理的SMBC 最高，略高于T3，显著高于CK 和T1 处理；移栽后90 d 各处理SMBC 含量随秸秆还田量的增加明显升高，总体表现依次为T3＞T2＞T1＞CK。

土壤微生物生物量氮（SMBN）是土壤活性氮的重要“库”和“源”，直接调节土壤氮素的供给，作为土壤矿化氮的主要动力来源，在一定程度上可反映土壤的供氮能力，其周转率是土壤有机氮的6倍［20-21］。由图5 可以看出，随着时间的推移土壤SMBN 总体呈先上升后下降的趋势，各处理土壤SMBN 在移栽后60 d 至75 d 达到最高。移栽后75 d 至90 d 各处理土壤SMBN 含量均表现为T3＞T2＞T1＞CK；移栽后75 d，T1、T2 和T3 处理土壤SMBN 含量分别是CK 的1.75、1.92 和2.42 倍，表明随着秸秆还田量的增加土壤微生物生物量氮含量提高。

图4 秸秆还田对土壤微生物生物量碳的影响Fig.4 Effects of straw returning on microbial biomass carbon in soil

图5 秸秆还田对土壤微生物生物量氮的影响Fig.5 Effects of straw returning on microbial biomass nitrogen in soil

土壤微生物生物量碳氮比(SMBC∶SMBN)是土壤氮素供应能力和有效性的评价指标［22］。如图6 所示，随着烟草的生长发育土壤微生物量碳氮比呈现出先降后升的趋势，移栽后45 d T2 处理显著高于其他处理。移栽后60 d 微生物量碳氮比表现依次为T2＞T1＞T3＞CK。在烤烟生长发育后期秸秆还田处理使土壤微生物量碳氮比降低，移栽后90 d 总体表现依次为CK＞T1＞T2＞T3。

图6 秸秆还田对土壤微生物生物量碳/微生物生物量氮比值的影响Fig.6 Effects of straw returning on ratio of microbial biomass carbon to microbial biomass nitrogen in soil

微生物熵（qMB）是指土壤微生物生物量碳与土壤总有机碳的比值，可反映土壤中输入SOC 向SMBC 的转化效率、土壤中碳的损失和土壤矿物对有机碳的固定状况［23］。qMB 值越大，SOC 分解越快，活性有机碳转化越快，土壤微生物越活跃［24］。从图7 可以看出，T1、T2 和T3 处理的qMB 值均显著大于CK。移栽后60 d 各处理的qMB 值均达到较大值，总体表现依次为T3＞T2＞T1＞CK，施用秸秆处理的土壤qMB 值在1.73%～1.89%之间。

图7 秸秆还田对土壤微生物熵的影响Fig.7 Effects of straw returning on soil microbial entropy

2.3 秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响

表1 表明，秸秆还田影响了土壤碳库活度指数，从而影响土壤碳库管理指数，土壤AI 和CPMI 均随秸秆施用量的增加呈明显增加趋势。移栽后45 d，与CK 相比T1、T2 和T3 处理活性有机碳库活度指数分别提高了71.36%、118.65%和125.53%，碳库管理指数分别提高了82.41%、160.75%和189.63%，中活性有机碳碳库管理指数分别提高10.36%、3.11%和58.32%，高活性有机碳碳库管理指数分别提高177.25%、92.18%和154.00%，活性有机碳的碳库管理指数和活度指数总体表现依次为T3＞T2＞T1＞CK。移栽后90 d T3 处理活性、中活性和高活性碳库管理指数和碳库活度指数均大于其他处理，高活性碳库管理指数和活度指数的总体表现依次为T3＞T2＞T1＞CK。与CK 相比施用腐熟秸秆提高了土壤碳库指数，并随着秸秆还田量的增加碳库活度指数和碳库管理指数均有提高。

2.4 秸秆还田对烤后烟叶经济性状的影响

由表2 可以看出，秸秆还田处理的烟叶上、中等烟比例，烟叶产量和产值均提高，T3 处理烟叶总产值达到55 192.06 元/hm2，与CK 和T1 处理间存在显著差异。以T3 处理的中上等烟比例最高（46.11%），各处理的中等烟比例总体表现依次为T3＞T2＞T1＞CK。

通过计算、调研和文献查阅，对秸秆还田情况进行成本收益分析。在参考梅付春［25］、马骥［26］计算各种秸秆利用成本与收益方法的基础上，根据洛阳市烟叶生产实际情况，购入秸秆价格为350 元/吨，秸秆经过自然堆沤发酵后，秸秆翻压还田机械成本为1 200 元/hm2，减去相应成本后，秸秆还田的T1、T2 和T3 处 理 较CK 收 益 分 别 提 高1 820.12元/hm2、7 936.99元/hm2和9 823.68元/hm2。

表1 秸秆还田对碳库管理指数的影响①Tab.1 Effects of straw returning on carbon pool management index

表2 烤后烟叶经济性状分析①Tab.2 Economic traits of flue-cured tobacco leaves

3 讨论

3.1 秸秆还田对土壤碳库的影响

腐熟秸秆还田是提高土壤有机质和调节土壤碳库的有效措施［27］。本试验中，秸秆还田显著提高了植烟土壤总有机碳含量，这与洪春来等［28］研究结果基本一致。其原因：一方面是秸秆还田增加了土壤有机碳输入量，进而促进土壤中水稳性团粒结构形成，加速土壤有机碳积累［29］；另一方面可能是秸秆还田处理的土壤水溶性物质胡敏酸、富里酸和胡敏素等土壤腐殖物质增加，提高了土壤总有机碳含量［30］。马超等［31］研究认为秸秆促腐还田处理的微生物生物量碳含量明显增加，本研究中也得到类似结果。这可能是因为秸秆还田投入了外源有机物，土壤中微生物所需碳源增加，促使土壤微生物加速繁殖，进而提高了SMBC 和SMBN，微生物数量的增加又加快了有机物料的分解，最终提高了土壤中活性有机碳组分含量［32］。

3.2 秸秆还田对土壤碳库活性的影响

本研究表明，秸秆还田提高了活性、中活性和高活性有机碳碳库活度和管理指数，高活性有机碳碳库管理指数提高幅度较大，这与路文涛等［4］的研究结果一致，而与王改玲等［33］的试验结果存在差异。本试验是在洛阳黄土质褐土条件下进行的，秸秆还田能够提高土壤中活性有机碳碳库管理指数，但对提高高活性和活性有机碳碳库管理指数效果不理想，这可能是因王改玲等［33］研究地区位于渭北旱塬区，土壤类型为垆土，由于研究地区、土壤质地、耕作制度和气候条件等因素的不同而导致研究结果存在差异。

土壤中活性有机碳组分占有机碳的比例可在一定程度上反映土壤有机碳的质量和稳定性，比例越高表明碳素有效性越高，即易被土壤中微生物分解矿化、周转期较短或活性高［34］。张玉军等［1］研究表明，在土壤中添加秸秆、沼液及其他有机物料，均会增加土壤中DOC 含量。本研究中秸秆还田显著增加了土壤活性有机碳组分和DOC 在总有机碳中的比例，提高了土壤微生物熵，这可能是因为土壤中微生物数量增加，促进了有机物料的腐解，而这些新腐解的秸秆矿化所释放碳素有较高有效性。因此，土壤DOC 作为分解产物，其含量逐渐升高［18］。

3.3 秸秆还田对烟草生长发育的影响

本试验中，随着秸秆还田量的增加，烤后烟叶上、中等烟比例提高，烟叶产质量也明显提高，可能是由于秸秆腐解提高了土壤中有机质含量，土壤容重有所降低，土壤理化性质得到改善，从而促进了烟株的生长发育，提高了烟株的抗逆性，并改善了烟叶品质［35］，这与朱经伟等［36］研究得出的配施玉米秸秆有利于提高烤烟产量的结果一致。王毅等［37］研究表明小麦秸秆还田前期制约、后期促进烟草叶片发育, 烟叶产量、产值增加明显。而常轶梅［38］研究表明烟叶产值随秸秆还田量的增加呈先增加后降低的趋势，其原因可能是秸秆还田量过多会造成土壤与大气环境物质间交换不顺畅，容易导致土壤处于无氧环境，此环境下土壤微生物数量及酶活性降低，抑制了对秸秆的分解和烟株根系的生长，反而不利于土壤养分的循环与释放［39］。

本研究仅为一年秸秆还田试验的结果，而有关秸秆还田对作物-土壤系统的持久影响还有待长期的定位试验。

4 结论

在河南洛阳植烟区黄土质褐土中施用腐熟秸秆条件下，随着秸秆还田量的增加，表征土壤碳库质量的多数指标，如土壤总有机碳、可溶性有机碳、微生物生物量碳和微生物生物量氮含量，以及土壤碳库活度指数均显著增加，尤其是碳库管理指数增加明显，对提高土壤高、中、低不同活性组分碳库管理指数均有显著作用，且能不同程度地提高不同活性组分有机碳含量。通过秸秆还田，烤后烟叶上中等烟叶比例和经济效益提高。其中，以常规施肥配施秸秆还田12 000 kg/hm2效果最好。