秸秆深埋配施氮肥对黑土有机碳组分及养分的影响

许思思，吕雪梅，周 萌，2，隋跃宇，2，焦晓光，2

（1. 黑龙江大学 现代农业与生态环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 中国科学院 东北地理与农业生态研究所/黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081）

近年来，随着粮食产量的提升，秸秆量也增加[1]。虽然野外焚烧秸秆被禁止，但大量秸秆仍被露天焚烧，浪费资源且污染环境[2]，因此，合理利用秸秆资源十分重要。秸秆还田作为肥料化利用的一种方式，不仅可以减少因露天焚烧而产生的温室气体[3]，而且能有效促进土壤有机质和氮、磷、钾等的积累，改善土壤结构，提高土壤肥力[4]。但秸秆分解产生大量的碳，增大了土壤碳氮比，还田初期土壤中微生物会将大量有效氮固定，造成微生物与作物争氮现象，影响后期作物生长[5]。氮肥的合理配施对土壤碳氮比的调节有重要作用，有助于土壤中大团聚体的形成，可促进土壤有机碳的积累[6]。

土壤有机碳决定土壤肥力，对土壤质量的评价有重要意义[7]，但其无法全面反映土壤质量的内在变化。土壤有机碳中的活性有机碳含量虽低但有效性高，对土壤物质循环具有表征意义，有助于评估土壤质量[8]。因此，通过秸秆还田等措施提高土壤碳储量，探究有机碳的变化特征成为研究热点。有研究表明，秸秆覆盖还田有效促进了活性有机碳的积累，翻压还田提高了较稳定有机碳组分的含量[9]。尤锦伟等[10]认为，半量和全量秸秆还田均能促进土壤有机碳及其组分的积累。WANG等[11]的研究表明，不同地区秸秆还田均会提高土壤有机碳含量。江晶等[12]的研究表明，氮素的添加能有效促进土壤有机碳、活性有机碳的积累。但王楠等[13]的研究表明，低、中、高肥力地区土壤有机碳组分对施氮水平的响应不尽相同。

东北黑土有机质含量高、保水保肥性好，是我国珍贵的土壤资源之一。然而随着土地资源不断开垦、化肥过量施用、耕作方式不合理及有机物料投入严重缺乏等，土壤出现有机质流失、养分失调、肥力下降等问题[14]。面对黑土退化带来的诸多问题，保护黑土刻不容缓。XIAO 等[15]和ZHOU 等[16]对东北黑土进行的相关研究均表明，长期秸秆还田能有效促进黑土0～20 cm 有机碳的积累；刘必东等[17]的研究表明，秸秆还田配施菌剂会增加黑土活性有机碳组分。

当前较多研究集中于秸秆还田方式[9，18]、秸秆还田量[10，19-20]、不同区域秸秆还田等对耕地有机碳及组分影响[11]，或施氮水平对土壤有机碳及组分影响[21-22]。秸秆深埋对不同施氮水平下土壤有机碳组分及养分的影响鲜有报道。鉴于此，以东北黑土为研究对象，探讨秸秆深埋对不同施氮水平下土壤有机碳组分及养分的影响，以明确东北黑土秸秆深埋条件下提高土壤肥力的氮肥施用量。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区（126.58°E、45.90°N），该地冬长夏短，属于中温带大陆性季风气候，年均总降雨量为569.1 mm，土壤类型为黑土，样地土壤基本性状见表1。

表1 样地土壤基本性状Tab.1 Basic properties of sample plot

1.2 试验设计

试验于2015—2020 年进行，采用裂区试验设计，以有无秸秆深埋为主因素，以4 个施氮（纯N）水平（无氮：0 kg/hm2；低氮：135 kg/hm2；中氮：180 kg/hm2；高氮：225 kg/hm2）为副因素，3次重复。每年秋天玉米收割后，将玉米秸秆粉碎后深埋，秸秆粉碎为2 cm 左右的小段，还田量为7 500 kg/hm2，还田深度为土层35 cm以下。2020年试验玉米品种为禾丰6 号，种植密度为4 000～5 000 株/hm2。试验所用肥料[氮肥为尿素（N，46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5，12%），钾肥为硫酸钾（K2O，50%）]及施肥量见表2。玉米于2020年5月5日栽种，9月30日收获，整个时期管理同当地大田。

表2 2020年试验所用肥料及施肥量Tab.2 fertilizer and fertilizer amount used in the test in 2020

1.3 样品采集及测定

2020 年9 月30 日按照五点取样法采集各个小区0～20 cm 的土壤，土壤样品分成2 份。一份新鲜土样于4 ℃冰箱中储藏，用于测定可溶性有机碳（DOC）含量。另一份风干，其中一部分研磨、过1 mm筛，用于测定易氧化有机碳（ROC）含量、轻组有机碳（LFOC）含量和颗粒有机碳（POC）含量；另一部分研磨过0.25 mm 筛，用于测定总有机碳（SOC）含量、全氮（TN）含量、全磷（TP）含量、全钾（TK）含量。

采用元素分析仪（Vario EL Ⅲ型，德国）测定全碳、TN含量，由于供试土壤不含无机碳，全碳含量即为SOC 含量；采用酸溶-钼锑抗比色法测定TP 含量[23]；采用氢氧化钠熔融法测定TK 含量[24]；采用高锰酸钾氧化比色法测定ROC 含量[25]；采用重液分离法测定LFOC 含量[25]；采用六偏磷酸钠分散法测定POC含量[26]；采用浸提提取法测定DOC含量[27]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016、SPSS 22.0 对数据进行分析处理，并用OriginPro 2019和R 4.0.2绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆深埋配施氮肥土壤总有机碳及组分变化特征

由表3可知，与无秸秆处理相比，相同施氮量下秸秆深埋处理土壤SOC、LFOC、ROC、DOC含量均提高，增幅分别在2.45%～10.96%、8.76%～70.50%、1.72%～2.54%、47.53%～64.21%。其中，SOC、LFOC、DOC 含量差异达显著水平（P＜0.05）。秸秆深埋会降低POC 的含量，下降幅度在4.45%～15.31%（P＞0.05）。

表3 秸秆深埋不同施氮水平土壤有机碳及有机碳组分含量Tab.3 Contents of soil organic carbon and organic carbon components at different nitrogen application levels with straw deep burial

无秸秆深埋处理，施氮会提高土壤SOC、DOC含量，呈现随施氮量的增加先提高后降低的变化规律，增幅分别在12.52%～21.26%（P＜0.05）、5.42%～21.88%（P＞0.05）；与无氮相比，LFOC 含量随施氮量的增加先提高后降低，低氮和中氮条件下分别显著提高23.28%、7.92%（P＜0.05），高氮条件下则显著降低8.23%（P＜0.05）。随施氮量的提高POC 含量先降低后提高，低氮和中氮条件下分别降低10.66%、16.47%，高氮条件下提高6.58%，但与无氮相比差异都未达显著水平（P＞0.05）。随施氮量的增加ROC含量降低，下降幅度在5.26%～8.84%（P＜0.05）。

秸秆深埋处理，施氮会提高土壤SOC、DOC 含量，呈现随施氮量的增加先提高后降低的变化规律，增幅分别在5.56%～11.96%（P＜0.05）、10.87%～18.66%（P＞0.05）；施氮会降低土壤LFOC、POC 含量，呈现随施氮量的增加先降低后提高的变化规律，降幅分别在19.71%～31.10%（P＜0.05）、5.53%～17.41%（P＞0.05）。与无氮相比，ROC 的含量随施氮量的增加反而降低，下降幅度在4.75%～8.75%（P＜0.05）。

秸秆深埋配施氮肥对土壤有机碳组分含量影响的双因素分析结果表明，秸秆深埋对SOC 含量、LFOC 含量和DOC 含量有极显著影响（P＜0.01）；施氮水平对SOC 含量、LFOC 含量和ROC 含量有极显著影响（P＜0.01），对POC 含量有显著影响（P＜0.05）；施氮水平×秸秆深埋对LFOC 含量有极显著影响（P＜0.01），对SOC含量有显著影响（P＜0.05）。

2.2 秸秆深埋配施氮肥土壤养分含量变化特征

由图1可知，与无秸秆深埋处理相比，相同施氮量下秸秆深埋会提高土壤TN 含量，无氮、低氮、中氮、高氮水平下增幅分别为3.71%、2.43%、2.05%、2.34%（P＞0.05）。无论有无秸秆深埋，土壤TN 含量均随施氮量的增加而提高。与无氮相比，无秸秆深埋处理低氮、中氮、高氮水平下增幅分别为1.57%（P＞0.05）、5.02%（P＜0.05）、6.24%（P＜0.05）；秸秆深埋处理低氮、中氮、高氮水平下TN 含量增幅分别为0.31%（P＞0.05）、3.34%（P＞0.05）、4.83%（P＜0.05）。

图1 秸秆深埋配施氮肥土壤养分含量Fig.1 Soil nutrient content of straw deep burial combined with nitrogen fertilizer

与无秸秆深埋处理相比，相同施氮量下秸秆深埋会降低土壤TP 含量，无氮、低氮、中氮、高氮水平下 降 幅 分 别 为3.62%、2.29%、3.28%、0.30%（P＞0.05）。无论有无秸秆深埋，土壤TP含量均随施氮量的增加而降低。与无氮相比，低氮、中氮、高氮水平下，无秸秆深埋处理分别显著下降4.47%、6.74%、8.71%（P＜0.05）；秸秆深埋处理分别显著下降3.14%、6.40%、5.57%（P＜0.05）。

与无秸秆深埋处理相比，相同施氮量下秸秆深埋对土壤TK 含量的影响无一致变化规律，无氮水平下增幅为2.09%（P＞0.05），低氮、高氮水平下降幅分别为4.77%、0.95%（P＞0.05），中氮水平下无变化。无论有无秸秆深埋，土壤TK 含量均随施氮量的增加而提高。与无氮相比，低氮、中氮、高氮水平下，无秸秆深埋处理增幅分别为9.37%、10.41%、11.47%，其中，中氮、高氮水平下差异达显著水平（P＜0.05）；秸秆深埋处理增幅分别为2.02%、8.14%、8.14%（P＞0.05）。

2.3 秸秆深埋条件下总有机碳与有机碳组分及土壤养分相关性分析

由图2 可知，无秸秆深埋处理LFOC 含量与ROC、TP 含量均呈显著正相关关系（P＜0.05）；与SOC、TK 含量均呈极显著负相关关系（P＜0.01）。ROC含量与TP含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与SOC、TN 含量均呈显著负相关关系（P＜0.05）。DOC含量与TK 含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。SOC含量与TN 含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与TK含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），与TP含量呈极显著负相关关系（P＜0.01）。TN 含量与TP 含量呈极显著负相关关系（P＜0.01）。TP 含量与TK 含量呈显著负相关关系（P＜0.05）。

图2 无秸秆深埋条件下有机碳与有机碳组分及土壤养分相关性分析Fig.2 Correlation analysis of organic carbon，organic carbon components and soil nutrients under the condition of no straw

由图3 可知，秸秆深埋处理POC 含量与DOC 含量呈显著负相关关系（P＜0.05）。ROC 含量与TP 含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与SOC、TN 含量均呈显著负相关关系（P＜0.05）。DOC 含量与SOC、TK含量均呈显著正相关关系（P＜0.05）。SOC 含量与TK 含量呈显著正相关关系（P＜0.05），与TP 含量呈显著负相关关系（P＜0.05）。

图3 秸秆深埋条件下有机碳与有机碳组分及土壤养分相关性分析Fig.3 Correlation analysis of organic carbon，organic carbon components and soil nutrients under the condition of straw deep burial

3 结论与讨论

土壤有机质是反映耕地质量和肥力的重要指标，粮食作物秸秆能为耕地供应大量的有机质[28]。本研究结果表明，与无秸秆深埋相比，秸秆深埋能显著提高土壤SOC 含量，这与张莉等[29]的研究结果一致。但吴荣美等[30]的研究发现，秸秆还田对土壤SOC 含量无显著影响，这可能是因为本研究的土壤类型为黑土，土壤肥力较高所致。LFOC 主要是游离态的有机碳，由植物碎片、植物根系和木炭等部分组成[31-32]。王毅等[33]的研究表明，小麦秸秆还田对烟田土壤LFOC 含量的提升无明显作用；本研究结果则表明，秸秆深埋能显著提高土壤LFOC 含量。这可能是玉米秸秆分解后产生的养分更多，且本研究样地的基本有机碳含量较高所致。DOC 只是有机碳总量的一小部分，但它是生物碳库中最活跃的组分之一[34-35]，可因土壤生物生理分泌、秸秆分解和微生物死亡等过程而积累[36]。卢萍等[37]的研究表明，小麦秸秆还田促进了水稻生育期前2 个月DOC的积累，其后影响不明显。这与本研究结果有所不同，可能是本研究种植的是玉米，未受到水稻种植期间水淹过程DOC 含量减小和流失的影响。秸秆还田能有效改善土壤肥力，戴伊莎等[38]的研究表明，玉米秸秆覆盖能明显提高土壤中TN 和TP 含量，这与本研究结果不同，可能与本研究中长期采用单一的耕作方式和秸秆还田方式有关。

在植物的生长发育过程，氮具有非常重要的作用[39-40]，外源氮的添加有利于植物的生长，一定程度上能提高土壤肥力。本研究结果表明，施氮会显著提高土壤SOC 含量，这与张世汉等[41]的研究结果基本一致。土壤中的氮被水溶解后才能被植株有效吸收利用，过多的氮则会加重水分的损失，降低土壤含水率，致使植株对氮的利用量大大减少[42]。本研究结果表明，秸秆深埋条件下施氮会显著降低土壤LFOC 的含量，这与王楠等[13]的研究结果相似。这是因为秸秆本身含有一定的氮，还田后会提高土壤中氮的浓度，此时氮肥的增施会加速LFOC 的矿化损失，降低土壤LFOC 含量。本研究结果表明，氮的添加会显著降低ROC 含量，这与习单等[43]的研究结果一致；但也有研究表明，施氮对ROC 含量无显著影响[44]，这可能是研究的土壤类型不一样所致。本研究结果表明，秸秆深埋条件下施氮会提高土壤TN 含量，但只有高氮条件下差异达到了显著水平，这与李春梅等[45]的研究结论不完全一致，可能是研究的试验地基本性质、环境、耕作方式等不同所致。郝宇[46]的研究表明，施氮对土壤TP 含量无明显影响，本研究结果则表明，秸秆深埋条件下施氮会显著降低土壤TP含量，这可能与研究的作物及秸秆种类不同有关。

相关分析结果表明，秸秆深埋增大了SOC 含量与DOC 含量的相关性，并使其相关达到显著水平，秸秆深埋提高了土壤SOC 含量的同时也提高了DOC 含量，但两者间的耦合关系还需进一步论证。秸秆深埋减小了SOC 含量与LFOC、ROC、POC、TN、TP、TK 含量的相关性，这可能是LFOC、ROC、POC、TN、TP、TK 含量相对SOC 含量来说较低，当秸秆深埋显著提高土壤SOC 含量时，相互间差异更大所致。

综上，秸秆深埋会显著提高土壤SOC、LFOC、DOC 含量，对土壤POC、ROC 含量影响不显著。秸秆深埋条件下，施氮会显著提高土壤SOC 含量，配施180 kg/hm2氮肥时土壤SOC 含量达最高，为21.31 g/kg；施氮显著降低土壤LFOC、ROC的含量，氮肥为0 kg/hm2时，土壤LFOC 和ROC 含量最高，分别为356.12、499.56 mg/kg；施氮对POC 和DOC 影响不显著。秸秆深埋对土壤TN、TP 和TK 含量影响不大。秸秆深埋条件下，施氮会显著降低土壤TP 含量，提高土壤TN 和TK 含量，但只有配施高氮时秸秆深埋会显著提高土壤TN 含量。秸秆深埋增大了SOC 与DOC 的相关性，减小了SOC 与其他有机碳组分及TN、TP、TK 的相关性。综合考虑，推荐秸秆深埋配施纯N 180 kg/hm2，此时更有利于提高土壤有机碳含量，提高土壤肥力。