秸秆还田配施腐秆剂下不同氮肥运筹对土壤养分及活性有机碳库的影响

何治逢，王时聪，尹 众，王 鑫，柴如山，邬 刚，刘 荣，师焕芝，马 超

(1. 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所，合肥 230031；3. 安徽六国化工股份有限公司，铜陵 244021；4. 合肥市农业经济技术服务管理总站，合肥 230091)

沿淮地区的农业自然资源条件优越，是我国主要粮食产区之一[1]。但是近年来，沿淮区仍以重化肥而轻有机肥的施肥方式为主，作物施肥量过大,特别是氮肥的过量施入, 造成肥效和土壤质量下降[2]。因此，通过农业技术措施培肥地力来改善土壤质量，对提高沿淮地区农田生产力和粮食产量具有重要意义。

土壤有机碳和氮磷钾等养分是土壤肥力的核心因子[3]。土壤有机碳可划分为活性和惰性两部分，土壤活性有机碳因其周转迅速，直接影响土壤微生物活性，故对农业生产措施的反应更灵敏，可更好地指示土壤质量。土壤碳库决定着农田土壤质量和农业可持续发展的程度。土壤碳库管理指数评价某项培肥措施下土壤碳库的有效性和土壤肥力的变化[4]。因此，研究某项农业技术措施下土壤活性有机碳含量和土壤碳库管理指数的变化情况，对评价该措施土壤培肥的效果具有重要意义。

农作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾和微量元素以及大量的木质素和纤维素等有机物[5]，将其合理还田能够提高土壤养分和有机质的含量[6]。然而，当前因还田秸秆腐解缓慢易造成诸如土壤碳氮比失调、耕作困难、作物产量下降、病虫害增加等问题而难以推广[7-8]。近年来，一些学者提出了基于腐秆剂应用的秸秆促腐还田培肥模式，缓解常规秸秆还田引起的不利影响[9-10]。但腐秆剂作为一种新型微生物产品，其田间应用功能并不稳定，易受配套农艺措施的影响[1]。秸秆促腐还田配施氮肥可以调解C/N 比，提高秸秆腐解速率，缓解秸秆分解过程中微生物对无机氮素的竞争利用，为作物生长提供养分[11-13]。前人研究表明，秸秆还田配施氮肥调节C/N为15 时，可显著增加土壤有机质和碱解氮的含量[14]。王保君等[15]发现秸秆还田施氮量为240 kg·hm-2时，稻田土壤速效磷和速效钾含量较不施氮分别显著增加了43.16%和31.86%。但现阶段的研究主要集中在腐秆剂配合氮肥施用对秸秆还田的培肥效果和作物增产方面，鲜有从不同氮肥运筹方式下的角度研究短期秸秆还田配施腐秆剂对土壤养分和活性有机碳库的影响。考虑到外源腐秆菌的引入会使得土壤中土著菌的数量和群落结构发生改变，势必会影响秸秆腐解的最适C/N[16]。因此，亟需开展秸秆促腐还田条件下的氮肥运筹方案研究，明确腐秆剂使用后的氮肥最佳基追比。

为此，本研究通过布置在沿淮稻麦轮作区的定位试验，对比不同初始C/N 对稻秸促腐还田后土壤养分、活性碳含量和土壤碳库特征的影响，分析它们的相关性，以期明确沿淮地区秸秆还田施用腐秆剂的氮肥最佳基追比，为该地区秸秆资源和氮肥的合理利用以及土壤的培肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在安徽省霍邱县宋店乡（116°32´ E，32°36´N）的小麦季进行。该地位于淮河流域南岸，属北亚热带季风气候，年均积温、年均降雨量和年均气温分别为5 623 ℃、951.3 mm 和15.4 ℃。供试土壤为水稻土，试验前耕层土壤( 0 ～15 cm) pH 6.05，有机质21.3 g·kg-1，全氮1.12 g·kg-1，全磷 0.40 g·kg-1,全钾15.42 g·kg-1, 碱解氮112.0 mg·kg-1，速效磷21.2 mg·kg-1，速效钾180.0 mg·kg-1。种植制度为水稻-小麦轮作。

1.2 试验材料

供试作物为小麦，品种为周麦23。还田秸秆为水稻秸秆，其有机碳425.5 g·kg-1，全氮8.24 g·kg-1，全磷1.05 g·kg-1，全钾18.0 g·kg-1。氮肥选用尿素（N 46%），磷肥选用过磷酸钙（P2O512%），钾肥选用氯化钾（K2O 60%）。腐秆剂选用商品有机废物发酵菌曲（粉末），包含枯草芽孢杆菌（2.21×108cells·g-1）、嗜热脂肪地芽孢杆菌（0.005 4×108cells·g-1）、青天链霉菌（0.17×108cells·g-1）和白链霉菌（2.76×108cells·g-1）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设4 个处理：① 秸秆还田+腐秆剂（CN52，C/N = 52:1）；② 秸秆还田+增基减拔施N 肥+腐秆剂（CN11，C/N = 11:1）；③ 秸秆还田+常规施肥+腐秆剂（CN17，C/N = 17:1）；④秸秆还田+减基增拔施N 肥+腐秆剂（CN22，C/N=22:1）。水稻秸秆还田量为6 000 kg·hm-2，各处理均将用量为30 kg·hm-2的腐秆剂均匀撒施到铺好粉碎秸秆（长度为10 cm 左右）的田内并立即翻耕，翻耕深度为15 cm。每个处理3 次重复，小区面积为24 m2。试验各处理施肥方案见表1。

表1 田间小区试验施肥量Table 1 Fertilization application rates in field plot experiment

1.4 样品采集与测定

小麦收获后，用土钻在各小区内按“五点对角线法”法采集耕层土壤（0 ～ 15 cm）5 个点混合，一部分风干过筛用于测定土壤养分和总有机碳等指标，一部分保存于4 ℃ 冰箱中用于测定土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳等指标。总有机碳、土壤活性有机碳、土壤微生物生物量碳和土壤可溶性有机碳的测定和计算方法分别参照文献[17-20]；土壤养分测定参照常规分析方法[21]。

1.5 数据计算和分析

活性有机碳有效率ALC（%）、微生物生物量碳有效率AMC（%）、可溶性碳有效率ADC（%）、碳库指数（CPI）、碳库活度（L）、碳库活度指数（LI）以及碳库管理指数（CPMI）的计算方法参照文献[22]。

采用One-way ANOVA 和 Duncan 多重比较法（P＜ 0.05）分析不同氮基肥用量下土壤养分、不同形态碳素、活性碳有效率及碳库管理指数的差异；采用皮尔逊相关性检验分析土壤不同形态碳素有效率、碳库管理指数和土壤肥力指标之间的相关性。统计分析和图形制作分别由软件SPSS19.0和Origin 9.0 实现。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量

不同处理对土壤主要养分含量的影响结果（表2）显示，施氮肥处理（CN17、CN11和CN22）土壤全量养分含量均略高于对照不施氮肥处理（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，差异不显著（P＞ 0. 05）。不同处理之间土壤速效养分含量差异显著（P＜ 0. 05）。施氮肥处理（CN17、CN11和CN22）皆显著提高了土壤中的碱解氮含量，其中以处理CN17最高，比对照处理增加了57.5%，处理CN11、CN22分别增加了24.1%和23.0%；处理CN11的速效磷含量最高，较对照处理增加了38.3%，差异显著（P＜ 0. 05）；处理CN22则增加了18.7%，差异显著（P＜ 0. 05）；处理CN17增加了3.1%，差异不显著（P＞ 0. 05）。处理CN11的速效钾含量同样处于最高水平，较对照处理增加了14.0%，差异显著（P＜ 0. 05），而处理CN17和CN22的速效钾含量则分别降低了0.3%和2.4%，差异不显著（P＞ 0. 05）。

表2 不同氮基肥用量对土壤主要养分含量的影响Table 2 Effects of different amount of nitrogen-based fertilizer on soil major nutrients

2.2 土壤不同形态碳的含量及活性碳有效率

除可溶性碳外，秸秆促腐还田配施氮肥较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，处理CN17、CN11和CN22的总有机碳含量较CN52分别增加4.3%、16.6%和7.7%，差异显著（P＜ 0.05）；活性有机碳含量分别增加13.4%、28.2%和14.8%，差异显著（P＜ 0.05）；微生物生物量碳分别增加4.5%、3.8%和4.2%，差异不显著（P＞ 0.05）；可溶性有机碳含量仅CN11较对照处理显著增加了149.0%（P＜ 0.05），CN17和CN22则分别降低了66.8%（P＜ 0.05）和17.7%（P＞ 0.05）；CN17和CN11的活性有机碳有效率较对照处理分别增加了8.7%和9.9%，差异显著（P＜ 0.05），而处理CN22增加了6.6%，差异不显著（P＞ 0.05）；微生物生物量碳有效率除CN17较对照处理增加了0.4%外，CN11和CN22分别降低了11.1%和3.6%，差异不显著（P＞ 0.05）；可溶性有机碳有效率仅CN11显著增加127.3%，CN17和CN22分别显著降低63.6%和18.2%（P＜ 0.05）。

表3 不同处理对不同形态碳含量及活性碳有效率的影响Table 3 Effects of different treatments on different forms of carbon contents and labile organic carbon efficiency

2.3 土壤碳库管理指数

小麦季不同处理的碳库活度管理指数（LI）、碳库指数（CPI）和碳库管理指数（CPMI）如图 1 所示。秸秆促腐还田配施氮肥后土壤的LI、CPI 和CPMI 值整体高于不施氮肥处理CN52。CN17、CN11和CN22的LI 值较CN52分别增加36.1%、45.9%和25.4%，CPI 值分别增加4.0%、16.1%和7.1%，CPMI值分别增加42.1%、70.0%和35.4%。且处理CN17、CN11与处理CN52间LI、CPMI 值的差异达显著水平（P＜ 0. 05），处理CN11、CN22与CN52间CPI 值的差异达显著水平（P＜ 0. 05）。

图1 不同处理小麦季土壤LI、CPI 和CPMI 的变化Figure 1 Changes of LI, CPI and CPMI in soil during wheat season under different treatments

2.4 土壤不同形态碳素有效率、碳库管理指数与土壤养分的相关性

相关性分析结果表明，土壤微生物生物量碳有效率与全钾、微生物生物量碳分别存在显著正相关（P＜ 0.05）和极显著正相关关系（P＜ 0.01）；土壤可溶性有机碳有效率与速效钾显著正相关（P＜0.05），与速效磷和可溶性有机碳极显著正相关（P＜0.01）；土壤碳库指数（CPI）与全磷和总有机碳显著正相关（P＜ 0.05），与速效磷和可溶性有机碳极显著正相关（P＜ 0.01）；土壤碳库管理指数和速效磷显著正相关（P＜ 0.05）（表4）。

表4 碳素有效率、碳库管理指数与土壤养分的相关性Table 4 Relationships between soil fertility and ALC, AMC, ADC and CPMI

3 讨论

3.1 不同氮基肥用量对土壤养分含量的影响

前人研究表明，秸秆还田后施用氮肥可以促进秸秆分解、腐熟过程，减少微生物对土壤氮的固持，增加土壤氮素有效性，为作物后期生长提供养分[23]。本研究也得出了类似的结果，秸秆促腐还田配施氮肥的处理土壤速效养分含量显著高于不施氮肥的处理，增施氮肥的处理CN11速效磷、钾含量和平衡施氮的处理CN17碱解氮含量显著高于其他处理（P＜ 0.05）（表2）。这主要是因为处理CN17中充足的基肥氮素可以缓解作物与微生物之间对氮素的竞争，有利于提高微生物的数量和活性，使土壤微生物更好地参与土壤养分的循环过程中[24]。到了作物生长的中后期，土壤微生物群落演替，先前被固持的氮素从微生物体内开始释放出来，土壤碱解氮含量骤升[25]，然而处理CN11较高的氮投入导致大量氮素在土壤中累积，这不利于微生物的存活，限制了土壤微生物对磷、钾的吸收[26]，故使得平衡施肥的处理CN17维持了最高的碱解氮含量，增施氮肥的处理CN11维持了最高的速效磷和速效钾含量（P＜0.05）。处理CN11速效磷含量之所以最高，可能是因为施氮量偏高使得铵基肥料氧化释放质子进而导致土壤酸化，提高了土壤中某些对磷利用能力强的微生物的丰度[27]，使得速效磷含量上升。相比对照处理CN52，处理CN22也会显著提高土壤碱解氮和速效磷的含量。这是因为在秸杆自身C/N 较高时，基肥减施氮肥和拔节期增施氮肥同样可以调节C/N比，满足秸秆腐解需要，从而增加土壤碱解氮含量[28]。氮添加在一定程度上增加了土壤中N 的含量，但较高的氮添加可能也会造成土壤酸化[29]，使得土壤中有效磷含量增加[30]。至于土壤全量养分含量，促腐还田配施氮肥的处理总体上高于对照，但差异不显著，则可能是因为田间条件下影响结果差异因素的复杂性，使得部分全量养分的增加趋势未达到统计学显著水平，但是也能在一定程度上反映处理的效果。

3.2 不同氮基肥用量对土壤不同形态碳素及活性碳有效率的影响

本研究显示，秸秆促腐还田配施氮肥的处理有机碳不同组分显著高于不施氮肥的处理。这一结果与郭万里等[31]研究发现类似：与不施氮肥对比，秸秆还田配施50 和100 kg·hm-2氮肥时，土壤中各活性有机碳（SOC、MBC、EOC 以及DOC）均显著增加。秸秆中富含大量的碳、氮是增加土壤有机碳的重要来源[18]，当秸秆、腐秆剂和化肥施入土壤后，增强了土壤中有关微生物的新陈代谢。因此，相关的土壤酶活性得到显著提升，从而促进秸秆的腐解和养分的释放[32]。高施氮量不仅有利于作物生长，同时也促进了根际碳沉积，使得土壤不同形态碳素含量上升[33]。本研究还发现：增基减拔施N 肥的处理CN11的总有机碳、活性有机碳、可溶性有机碳和可溶性有机碳有效率显著高于其他处理（P＜ 0.05）。前人也得到了类似的结果，如Guo 等[34]发现在作物生长施基肥的时候，施入充足的氮肥可以提高水稻秸秆的腐解速率，促进更多秸秆碳素的释放；也有研究指出当作物基期蘖肥施入比例过大时，土壤有机碳含量和土壤酶活性也会更高[35]。综上，秸秆还田配施腐秆剂下适量提高基期氮肥比例，可以增加土壤酶活性，促进水稻秸秆碳素分解，提高土壤碳素水平。

3.3 不同氮基肥用量对土壤碳库指数、碳库活度指数和碳库管理指数的影响

相较于处理CN52，本研究中秸秆促腐还田下添加不同比例的氮肥均能显著提高土壤碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数，且增基减拔施N 肥的处理CN11对上述指标的提升幅度最大（P＜ 0.05）（图1）。与单施秸秆相比，处理CN11最有利于土壤碳库指数和碳库管理指数的提高。这是因为碳库活度指数和碳库指数分别决定于土壤活性有机碳和有机碳[22]，而处理CN11显著增加了土壤活性有机碳和有机碳含量，所以LI 和CPI 最高，使得CPMI表现为增加，这与马艳芹等[36]对不同氮肥用量下紫云英还田的土壤碳库管理指数的研究结果大体一致。相关性分析表明：土壤养分、不同形态碳素和土壤碳库指数（CPI）呈显著（或极显著）相关的指标最多，和土壤碳库管理指数（CPMI）相关的指标最少（表4）。该结果与马超等[10]的研究结果不一致，这或可归因于前人的试验并未关注氮肥施用量，而本试验通过施氮调控了秸秆还田的初始C/N。诸多研究表明，外加新鲜有机质能够通过激活土壤中多种微生物活性提高对土壤固有有机质的降解[37-38]。本试验中，作为外源有机质的稻秸C/N 高达52，且本地区主要为需氮量高的水稻-小麦轮作体系[39]，秸秆促腐还田可以配施一定量的氮肥可以促进秸秆降解，加速秸秆碳向土壤碳转化，进而使得土壤TOC 和速效养分含量上升。而CPI 与土壤TOC 相关，故因不同施氮量引起的TOC、速效养分上升与CPI 相关。从表4 还可得知，土壤养分、不同形态碳素与LI 没有相关性，而LI 与CPMI 相关，因而土壤养分、不同形态碳素和CPMI 之间相关性较低。所以当施肥措施涉及不同施氮水平时，CPI与速效养分、不同形态碳素的相关性较好。而马超等[10]的研究设置了不同水平的P、K 肥处理，直接刺激了碳库活性组分含量，使得土壤肥力与有机碳库发生显著变化，此时CPMI 可以对土壤的质量、肥力状况起到很好的指示作用。

4 结论

秸秆促腐还田配施不同比例的氮肥均提高沿淮地区土壤的土壤养分及活性有机碳库，尤以增基减拔施N 肥的促腐还田措施（CN11）提升效果最为显著。土壤碳库指数与土壤碳库管理指数相比可更好地反映秸秆促腐还田配施氮肥对土壤的培肥效果。值得一提的是，尽管氮肥施用量仅基肥与拔节肥的施用比例不一致，而C/N 比是根据基肥与秸秆量进行计算的，本研究也未在拔节期前取样，但是这并不影响不同氮肥运筹方式下秸秆促腐还田对土壤质量影响的研究重点。因此建议在该区进行秸秆还田促腐时，增施氮肥调节CN11，从而实现沿淮地区稻麦轮作系统下秸秆资源和氮肥的合理利用以及土壤的培肥。