秸秆炭、硅钾肥对旱地土壤有机碳组分及小麦产量的影响

张奇茹，刘 冰，谢英荷，3，4，李廷亮，3，4，李 顺，姜丽伟，窦 露，柳玉凤

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.太原市园林绿化工程质量监督站，山西太原 030002；3.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷 030801；4.山西农业大学山西省土壤肥料研究生教育创新中心，山西太谷 030801）

特殊的省情、农情决定了山西有机旱作农业具有典型代表性。山西干旱少雨，旱地小麦面积约占60%，旱地小麦产量直接决定着山西省小麦总产[1]。施肥是作物增产最有效的途径[2]，施用不同的肥料会导致土壤肥力的差异，而土壤有机碳是土壤最重要的组成部分，影响土壤质量与土壤肥力[3]，所以，施肥措施的差异会导致土壤有机碳组分含量的显著差异。增加土壤有机碳对于提高土壤碳汇能力、土地生产力及延缓全球气候变暖具有重要意义，这使得农田土壤有机碳成为了当前研究的热点。

秸秆炭是秸秆在高温（500 ℃）缺氧条件下裂解而形成的一种富碳物质，其比表面积巨大，孔隙结构丰富，具有强大的吸附和交换能力[4]。许多研究表明，秸秆炭能改善农田生态环境，促进土壤固碳，从而减少温室气体的排放，适量秸秆炭配施氮肥能够增加土壤碳氮储量[5-6]；秸秆炭还能增加土壤肥力，提高肥料利用率，提高作物的产量及品质，从而促进经济发展[7]。并且秸秆炭资源丰富，可适量减少化肥的施用量，能进一步减少化肥对环境的污染。研究表明，硅钾肥配施能够提高小麦抗旱、抗倒伏能力，促进硅、钾的吸收从而增加氮、磷的吸收，减轻水分胁迫带来的干旱危害，提高水分利用率和产量[8]。前人对秸秆炭、硅钾肥的研究大多集中在提高肥力、增产等方面，而对于旱地土壤中各种碳组分的影响研究尚少。随着粮食需求的不断扩大，减少化肥的施用，实现土壤资源的可持续利用，这将是我国今后肥料施用的发展趋势之一。

本研究借助长期定位试验，通过对秸秆炭和硅钾肥处理下的土壤活性（水溶、可溶、易氧化、微生物、轻组）有机碳、缓效（颗粒）有机碳、惰性（重组）有机碳各组分及小麦产量的综合分析，探求不同施肥处理对土壤有机碳组分的改善机制，从而为北方旱地麦田土壤的合理培肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为晋麦47 号。

1.2 试验地概况

试验基地设在山西省洪洞县刘家垣镇东梁村，为长期定位的旱作麦田区，年均气温12 ℃，年平均降雨量500 mm，石灰性褐土，土层厚度10 m 以上，质地为中壤，表层土壤有机质含量14.48 g/kg、有效磷含量12.28 mg/kg、速效钾含量200.42 mg/kg，CEC为20.11，pH 值为7.85。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设4 个施肥处理，分别为：农户施肥，参照当地农户经验施肥；测控施肥，依据1 m 土壤硝态氮监控施肥，磷、钾恒量施肥原则；硅钾肥，在测控施肥的基础上把钾肥全部用硅钾肥替代（硅钾肥中K2O 含量为25%）；秸秆炭，在测控施肥的基础上增施秸秆炭，秸秆炭养分含量为 有 机 碳 363.7 g/kg、N 0.26%、P2O50.58%、K2O 3.9%。各处理均设置空白对照。小区面积为120 m2。4 次重复，各处理的养分用量如表1 所示。

表1 各处理的养分用量 kg/hm2

2016 年10 月8 日播种小麦，2017 年6 月7 日收获。所有肥料均在小麦播种前作为基肥一次性均匀施入，无追肥。小麦播量为150 kg/hm2，均为垄膜沟播。冬小麦生育期除自然降雨外，不进行灌溉。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土样采集 在冬小麦收获后（2017 年6 月7 日）各试验处理区进行多点土样采集，取样深度为0～20 cm。

1.4.2 土壤有机碳组分测定

1.4.2.1 土壤微生物量碳测定 采用氯仿熏蒸提取-K2Cr2O7加热氧化比色法[9]进行测定。

1.4.2.2 土壤可溶性有机碳测定 采用1 mol/L KCl浸提，pH 值为4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸钠和浓硫酸氧化法，分光光度计500 nm 处测定。

1.4.2.3 土壤易氧化有机碳测定 称取过0.5 mm筛后的土样2 g 于塑料瓶中，加入20 mL 浓度为333 mmol/L 的高锰酸钾，密封，振荡离心，取上清液按一定比例稀释后，比色测定。

1.4.2.4 土壤水溶性有机碳测定 采用蒸馏水浸提，pH 值为4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸钠和浓硫酸氧化法，分光光度计500 nm 处测定。

1.4.2.5 土壤颗粒有机碳测定 称取过2 mm 筛的风干土样5 g，放入塑料瓶中，然后加入15 mL 的5 g/L 六偏磷酸钠溶液，振荡15 h，将分散溶液置于53 μm 筛上，用清水冲洗直至滤液澄清，将剩余土样烘至恒质量，然后用重铬酸钾容量-外加热法测定其中的有机碳含量。

1.4.2.6 土壤重组有机碳测定 称取过0.25 mm 筛的风干土5 g，放入离心管中，加入溴化锌，重复3 次振荡离心，用乙醇洗涤振荡离心3 次，再用蒸馏水洗涤振荡离心2 次，将土样磨细烘干后用重铬酸钾容量-外加热法测定有机碳含量，即为重组有机碳[10]。

1.4.2.7 土壤轻组有机碳测定 土壤轻组有机碳含量采用公式（1）计算。

1.4.3 产量测定 小麦收获时在各小区选取30 m2的小麦植株，脱粒计产。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 软件作图，试验数据利用SPSS 软件进行处理和统计分析，并采用LSD法（P＜0.05）进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆炭、硅钾肥对旱地麦田土壤活性有机碳含量的影响

2.1.1 秸秆炭、硅钾肥对土壤水溶性有机碳含量的影响 水溶性有机碳是指在自然状态下能由土壤固相进入水相且分子粒径小于0.45 μm 的有机组分[5]。水溶性有机物是土壤有机物转化和微生物代谢活动的中间产物，虽然含量很少，但却是微生物可以直接利用的碳源。从图1 可以看出，秸秆炭处理与农户施肥、测控施肥、硅钾肥处理的水溶性有机碳含量相比分别显著提高86.8%、150.0%、62.4%，硅钾肥处理的土壤水溶性有机碳含量与农户施肥、测控施肥处理相比分别提高15.0%、53.9%。而农户施肥、测控施肥、硅钾肥处理之间差异均不显著。本试验结果表明，秸秆炭对土壤水溶性有机碳影响显著（P＜0.05）。

2.1.2 秸秆炭、硅钾肥对土壤微生物量碳含量的影响 土壤微生物量碳源利用率能反映生态系统受干扰后的细小变化，是土壤生物肥力的重要指标[11]。从图2 可以看出，秸秆炭处理与测控施肥处理相比，微生物量碳含量显著提高99.4%，与农户施肥和硅钾肥处理相比分别提高8.5%和60.2%。农户施肥、测控施肥和硅钾肥处理之间均未达到显著水平。本试验结果表明，秸秆炭对土壤微生物量碳影响显著（P＜0.05）。

2.1.3 秸秆炭、硅钾肥对土壤可溶性有机碳含量的影响 可溶性有机碳指能溶于水，在土壤不稳定，转移快，有较强活性的一类土壤有机碳，对土壤养分供给起重要作用[12]。由图3 可知，4 个处理之间可溶性有机碳均未达到显著水平，但是秸秆炭处理比农户施肥、测控施肥处理分别提高3.0%、12.2%。硅钾肥处理比农户施肥、测控施肥处理分别提高3.7%、13.0%。本试验结果表明，秸秆炭、硅钾肥对可溶性有机碳影响不显著。

2.1.4 秸秆炭、硅钾肥对土壤易氧化有机碳与轻组有机碳含量的影响 土壤有机碳可以分为易氧化有机碳和稳定（难分解）有机碳。农业可持续发展的系统研究中，土壤易氧化有机碳很容易影响土壤总碳的含量，土壤有机质的变化也常用土壤易氧化有机碳来指示[13-14]。从图4 可以看出，4 个处理之间易氧化有机碳含量差异均不显著。秸秆炭、硅钾肥、测控施肥处理与农户施肥处理相比分别提高2.7%、5.4%、7.6%。本试验结果表明，秸秆炭、硅钾肥对土壤易氧化有机碳影响不显著。

有机质在土壤中以2 种形态存在，一种是游离态；另一种是有机矿质复合体。轻组有机碳主要是游离态的有机质，由部分降解的植物残体组成，还包括一些微生物和木炭等[15-16]。轻组有机碳属于活性有机碳，是有机碳库中较为敏感的一个碳组分[17]。从图4 可以看出，4 个处理之间均未达到显著水平，秸秆炭处理较硅钾肥处理的轻组有机碳含量提高14.8%。本试验结果表明，秸秆炭、硅钾肥对轻组有机碳影响不显著。

2.2 秸秆炭、硅钾肥对土壤缓效（颗粒）有机碳、惰性（重组）有机碳含量的影响

土壤颗粒有机碳是与土壤砂粒结合的有机碳部分，属于缓效性的碳组分，主要是由动植物、微生物残体形成，含有大量的活性有机物[11，18]。土壤颗粒有机碳对土壤碳库具有重要作用，能促进土壤团聚体形成以及碳素循环与转化。从图5 可以看出，秸秆炭处理较农户施肥处理的颗粒有机碳含量显著提高66.4%，与测控施肥、硅钾肥处理相比分别提高19.4%、23.9%。硅钾肥与农户施肥处理相比提高34.5%。本试验结果表明，秸秆炭对土壤颗粒有机碳影响显著（P＜0.05）。

重组有机质是土壤有机质的主体部分，土壤重组有机碳是有机矿物结合态碳，受土壤物理保护，可以抵抗微生物降解，所以，重组有机碳作为稳态碳素影响着土壤物理结构及稳定性[19]。从图6 可以看出，秸秆炭与硅钾肥处理相比，重组有机碳含量提高4.3%，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高21.78%、14.95%，硅钾肥处理与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高16.9%、10.3%。本试验结果表明，秸秆炭对土壤重组有机碳影响显著（P＜0.05）。

2.3 秸秆炭、硅钾肥对小麦产量及其产量构成因素的影响

从表2 可以看出，秸秆炭、硅钾肥处理较农户施肥、测控施肥处理能够显著提高小麦的籽粒产量、生物产量、公顷穗数、穗粒数。从籽粒产量来看，秸秆炭处理最高，与硅钾肥处理相比提高4.4%，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高44.25%、54.30%。从生物产量来看，秸秆炭处理最高，与硅钾肥处理相比提高2.1%，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高25.2%、24.0%。从公顷穗数来看，硅钾肥处理最高，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高23.11%、21.30%，与秸秆炭处理相比提高1.6%。从穗粒数来看，硅钾肥处理最高，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高9.1%、18.9%，与秸秆炭处理相比提高0.2%。从千粒质量来看，秸秆炭处理最高，与硅钾肥处理相比提高3%，与农户施肥、测控施肥处理相比分别显著提高5.7%、7.0%。从收获指数来看，秸秆炭处理最高，但4 个处理之间差异不显著。由此看来，秸秆炭对旱地小麦的籽粒产量和生物产量影响效应较大。从增产角度出发，推荐选择秸秆炭处理。

表2 各施肥措施下小麦产量及其产量构成比较

3 结论与讨论

施肥能直接或间接地调控土壤有机质的输入，影响土壤有机碳的含量，秸秆炭的施入增加了表层土壤碳含量。农业土壤中水溶性有机碳含量的变化及其结构特征的研究对了解土壤有机质质量以及土壤养分循环方面有着重要的作用[20]。本试验秸秆炭处理后的水溶性有机碳含量增加最显著，因为表层水热条件和通气状况较好，微生物生长代谢旺盛、活跃，从而降解出高浓度的水溶性有机物，引起水溶性有机碳含量的增加[21]。农户施肥、测控施肥只有化肥，虽然能促进植物生长，但与秸秆炭相比，碳的输入还是有限的[11]。本试验秸秆炭处理后的微生物量碳含量增加最显著，因为秸秆炭施入土壤后，由于秸秆炭本身的孔隙度大与吸附性强等性质，可以为土壤微生物提供良好的栖息地，还能吸附储存营养元素，为微生物提供养分[22]，从而显著增加土壤微生物数量，而农户施肥的微生物量碳含量相对较高，可能是农户施用的化肥量较大，也促进了微生物的活动。

土壤颗粒有机碳既可作为有机碳长期变化的累积性指标[23]，又能很好地反映施肥引起的土壤质量的变化[24]。秸秆炭的施用增加了土壤中颗粒物的形成，原因可能是秸秆炭能促进团聚体的形成，另外团聚体的保护作用使得土壤中的碳能固持形成颗粒有机碳[25]。有研究表明，单施有机肥可同时提高复垦土壤重组组分有机碳氮的含量[26]。更有研究表明[27-28]，秸秆炭施用显著提高了土壤惰性（重组）有机碳含量，这是由于秸秆炭含有丰富的芳香性碳组分，难分解，可长期促进土壤惰性有机碳含量[29]。

本试验中秸秆炭对土壤易氧化有机碳、可溶性有机碳和轻组有机碳的含量影响不显著。有研究表明，秸秆炭对土壤有机碳的矿化可能同时存在促进和抑制2 种相反的过程[30]，因此，可能产生不同的效果，也可能与土壤类型、气候、施肥情况不同，导致结果有差异，相关研究还有待进一步深入开展。

本试验中秸秆炭、硅钾肥处理对冬小麦籽粒产量和生物产量有显著的提升作用，并且秸秆炭处理的籽粒产量和生物产量最高。李伟等[31]研究表明，秸秆炭配施氮肥显著提高了小麦总产量。阚正荣等[32]研究表明，施用秸秆炭能增强小麦的光合性能和潜力，提高籽粒产量。秸秆炭本身的特性使得它能储存养分，能减缓养分的释放，从而达到保肥的效果，因此，施用秸秆炭能提高小麦产量。硅元素是国际公认的第4 种植物营养元素，含量丰富，硅钾与氮磷之间存在着相互促进肥效的作用，硅钾配施能大幅度提高冬小麦产量。耿立海[33]研究表明，施用硅钾肥增加了水稻有效穗数和每穗总粒数，提高了群体颖花量，同时也增加了千粒质量，从而提高了产量。本试验中硅钾肥处理的穗粒数在4 个处理中是最高也有了解释。

本研究结果表明，秸秆炭对旱地土壤活性有机碳中的水溶性有机碳、微生物量碳、缓效（颗粒）有机碳、惰性（重组）有机碳含量以及旱地冬小麦产量有提升作用，硅钾肥对旱地土壤重组有机碳含量有显著提升作用。综合考虑，秸秆炭可以在晋南旱地生产实践中推广应用，同时也可为旱地麦田的合理施肥、培肥土壤提供依据。