半干旱地区秸秆还田对土壤有机碳组分及产量的影响

高盼　王宇先　徐莹莹　杨慧莹　王晨　张巩亮

摘要 為了探索半干旱区玉米秸秆还田对土壤有机碳组分和产量的影响，以黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院秸秆长期定位试验田为研究对象，对CK（常规种植）、FM（秸秆翻埋还田）和FG（秸秆覆盖还田）3种处理下土壤颗粒有机碳、水溶性有机碳含量及玉米产量进行分析。结果表明：不同处理各土层均是黏粒（<0.053 μm）有机碳含量最高。FM处理4个土层砂粒（>0.250 μm）和黏粒（<0.053 μm）有机碳含量平均值分别提高了21.78%和20.51%，FG处理分别提高了25.87%和13.52%。FM处理在各土层水溶性有机碳含量最高，在0～10和>10～20 cm土层中顺序为FM>FG>CK，其中FM处理分别较CK增加22.73%和38.25%，FG处理分别较CK提高2.48%和26.32%。在>20～30和>30～40 cm土层中，土壤水溶性有机碳含量依次为FM>CK>FG，其中FG降低幅度分别为14.55%和9.41%，而FM处理增加幅度分别为10.68%和17.85%。不同处理之间穗长、穗粗和穗行数差异不明显。穗粒数顺序为FM>FG>CK，籽粒含水量顺序为FG>CK>FM；产量顺序为FM>FG>CK，FM和FG处理分别较CK增产5.20%和3.20%。

关键词 半干旱地区；秸秆还田；颗粒有机碳；水溶性有机碳；产量

中图分类号 S158文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）08-0149-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.034

Effect of Straw Return on Soil Organic Carbon Composition and Yield in Semi-arid Regions

GAO Pan，WANG Yu-xian，XU Ying-ying  et al

（Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Qiqihar，Heilongjiang 161006）

Abstract In order to explore the impact of returning corn straw to the field on soil organic carbon composition and yield in semi-arid areas，the long-term positioning experimental field of straw at Qiqihar Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences was used as the research object to analyze the content of soil particulate organic carbon，water-soluble organic carbon and corn yield under three treatments：CK （conventional planting），FM （straw burying and returning） and FG （straw covering and returning）.The results showed that clay particles （<0.053 μm） had the highest organic carbon content in each soil layer under different treatments.The average organic carbon content of sand particles （>0.250 μm） and clay particles （<0.053 μm） in the four soil layers treated with FM by 21.78% and 20.51%，and FG increased by 25.87% and 13.52%，respectively.FM treatment had the highest content of water-soluble organic carbon in each soil layer，with FM>FG>CK in the order of 0-10 and 10-20 cm soil layers.FM treatment increased by 22.73% and 2.48% compared to CK，while FG treatment increased by 38.25% and 26.32% compared to CK，respectively.In the soil layers of 20-30 cm and 30-40 cm，the content of water-soluble organic carbon in the soil was in the order of FM>CK>FG，with FG decreasing by 14.55% and 9.41%，while FM treatment increased by 10.68% and  17.85%.There was no significant difference in spike length，spike diameter and spike row number among different treatments.The order of grain number per spike was FM>FG>CK，and the order of grain water content was FG>CK>FM.The yield order was FM>FG>CK，with FM and FG treatments increasing production by 5.20% and 3.20%，respectively，compared to CK.

Key words Semi-arid region;Returning straw to the field;Granular organic carbon;Water soluble organic carbon;Yield

土壤有机碳是指土壤中各种正价态的含碳有机化合物，不仅与土壤肥力密切相关，而且对地球碳循环有巨大的影响，既是温室气体“源”，也是其重要的“汇”［1］。土壤颗粒有机碳和水溶性有机碳是土壤中极其重要的部分，且易受耕作方式、气候条件、施肥方式等因素的影响［2］。大量研究表明，秸秆还田是增加土壤有机碳活性和含量、改善土壤理化性质、提高土壤墒情和作物产量的重要措施［3-5］。魏丹等［6］研究认为秸秆还田提升了水溶性有机碳各组分的含量和在总有机碳中的占比。王丹丹等［7］研究了不同有机物料还田对土壤有机碳组分的影响，结果表明，土壤表层的颗粒有机碳和矿物结合态有机碳的含量显著高于其他土层。秸秆还田还可以提高耕层土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量。董珊珊等［8］研究了玉米不同秸秆还田方式对黑土有机碳组成和结构特征的影响，认为秸秆浅施对表层有机碳组成累积效果明显，秸秆还田则对亚表层培肥效果显著。辛励等［9］则认为秸秆还田与氮肥配施能够提高土壤有机碳含量和土壤腐殖质品质。但在实际生产中，由于各地自然条件的差异，秸秆类型和还田量均会对土壤有机碳组分产生较大的影响，基于此，该研究以黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院长期定位7年的不同秸秆还田模式试验为依托，研究半干旱区秸秆还田对土壤颗粒有机碳、水溶性有机碳及玉米产量的影响，为黑龙江省西部半干旱区科学施肥、提升地力提供科学依据。

1 材料與方法

1.1 试验区概况

试验设在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院试验基地，地势平坦，肥力中等，为碳酸盐黑钙土，属于中温带大陆性季风气候，年降水量400 mm，始霜期为9月29日，无霜期为150 d。试验区土壤的基本理化性质为0～20 cm土壤碱解氮100 mg/kg，有效磷16.9 mg/kg，速效钾134 mg/kg，有机质26.5 g/kg，pH 7.82。

1.2 试验设计

试验采用大区对比，该试验设置CK（常规种植）、秸秆覆盖还田（FG）、秸秆翻埋还田（FM）3个处理，每个处理用地0.35 hm2，不设重复，各处理具体操作见表1。试验为全量秸秆还田，还田量为14 700 kg/hm2。试验在2022年5—10月玉米生长季进行调查。采用免耕播种一体机深施金正大牌控释肥，总养分≥48%，氮∶磷∶钾=26∶11∶11。供试品种为嫩单19，4月28日机械精量播种，密度6.75万株/hm2，播后喷灌，灌水量35 mm。玉米4叶期化学除草，免耕生育期不动土壤。成熟期测产。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土样采集。2022年9月对各处理小区土壤进行采集，采用“S”型取样法，深度为0～40 cm。采集样品自然风干后过0.25 mm分样筛，常温保存备用。

1.3.2 土壤有机碳。采用重铬酸钾外加热法［10］测定土壤有机碳含量。

1.3.3 颗粒有机碳。采用 5 g/L六偏磷酸钠分散法筛分，元素分析仪（Vario ELⅢ，Elementar，Germany）测定含量［11］。

1.3.4 水溶性有机碳提取方法。称取过 2 mm 筛风干土样 3.00 g，置于 50 mL 离心管内，加蒸馏水 30 mL，搅匀，置于恒温水浴振荡器上振荡［180 r/min，（50±2）℃］1 h，取出后 3 500 r/min 离心 15 min，上清液用中速定量滤纸过滤。水溶性有机碳含量采用 TOC 分析仪测定［11］。

1.3.5 产量。成熟期时每个处理每个重复随机挑选长势均匀一致的 5 m 双行，选取5穗考察穗长度、秃尖长度、穗粒数、出籽率、含水率并计算籽粒产量（14%标准含水量），其余脱粒晒干后称量计产。

1.4 数据处理与分析 采用Excel 2010和DPS 8.50统计分析软件对试验数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田处理对土壤颗粒有机碳的影响

由表2可知，不同处理各土层均是黏粒（<0.053μm）有机碳含量最高。与CK相比，FM处理4个土层砂粒（>0.250 μm）和黏粒（<0.053μm）有机碳含量平均值分别提高了21.78%、20.51%，FG处理分别提高了25.87%、13.52%。不同处理4个土层粉粒（0.053～0.250 μm）有机碳含量平均值从高到低依次为FG>CK>FM，其中FG处理比CK增加了19.04%。

2.2 不同秸秆还田处理对水溶性有机碳的影响

由图1可知，秸秆连续还田7年后，FM处理在各土层水溶性有机碳含量最高，与CK相比，土壤水溶性有机碳含量在0～10和>10～20 cm土层中顺序为FM>FG>CK，其中FM处理分别较CK提高22.73%和38.25%，FG处理较CK增加2.48%和26.32%。在>20～30和>30～40 cm土层中，土壤水溶性有机碳含量从大到小依次为FM>CK>FG，其中FG处理降低幅度分别为14.55%和9.41%，而FM处理增加幅度分别为10.68%和17.85%。

2.3 不同秸秆还田处理对产量及其相关组成的影响

由表3可知，不同处理之间穗长、穗粗和穗行数差异不明显。不同处理穗粒数顺序为FM>FG>CK，FM和FG处理分别较CK增加15.75%和3.69%；籽粒含水量顺序为FG>CK>FM，其中FG处理较CK增加14.31%，FM处理则较CK降低6.92%。产量顺序为FM>FG>CK，FM和FG处理分别较CK增产5.20%和3.20%。

3 讨论

3.1 秸秆还田对颗粒有机碳和水溶性有机碳的影响

土壤中颗粒有机碳和水溶性有机碳主要来源于植株残体、外源有机物料的投入及微生物代谢等，且耕作方式和施肥种类发生改变时，颗粒有机碳和水溶性有机碳的含量也随之变化［12］。研究表明：颗粒有机碳、水溶性有机碳与土壤有机碳含量呈正相关［13］。该研究发现黏粒（<0.053 μm ）中有机碳含量明显高于砂粒（>0.250 μm）和粉粒（0.053～0.250 μm），表明土壤颗粒对土壤有机碳吸附作用随着颗粒粒径减小而增强。该试验中FM处理4个土层砂粒（>0.250 μm）和黏粒（<0.053 μm）有机碳含量平均值分别提高了21.78%、20.51%，FG处理分别提高了25.87%、13.52%，说明长期秸秆还田可以增加土壤颗粒有机碳的含量，且秸秆还田后利于形成良好的土壤团粒结构，亦说明土壤颗粒有机碳对有机物料还田的响应相对更敏感 ，更加适合作为土壤有机碳库变化的早期预示指标。该研究中FM处理在各土层水溶性有机碳含量最高，可能是因为FM处理中秸秆和土壤均匀混拌，翻埋深度可达30 cm以上分解较充分，而FG处理只覆盖在土壤表层，而且秸秆还田使土壤中微生物含量骤增，产生激发效应，加速了微生物生长代谢活动，从而促进了土壤有机碳矿化及作物残体分解，使土壤有机碳更多地转化为活性有机碳组分。

3.2 秸秆还田对玉米产量的影响

于博等［14］和解文孝等［15］研究认为秸秆还田有助于养分和干物质量的积累，进而对产量有显著影响；免耕秸秆全量还田可增加玉米叶面积，提高叶片光合能力，有效延缓玉米根系衰老，有利于后期玉米对养分的吸收和产量的形成，进而促进干物质积累和产量提高。该研究中产量顺序为FM>FG>CK，分别较CK增产5.20%和3.20%，這与前人的研究结果一致［16］。秸秆作为有机物料还田对提高产量有促进作用，但幅度不大，可能是因为试验地区冬季气温较低、雨水不丰沛、秸秆腐解慢，并未能发挥出最佳效用。

4 结论

该研究结果表明不同处理各土层均是黏粒（<0.053 μm）有机碳含量最高。FM处理4个土层砂粒（>0.250 μm）和黏粒（<0.053 μm）有机碳含量平均值分别提高了21.78%、20.51%，FG处理分别提高了25.87%、13.52%。FM处理在各土层水溶性有机碳含量最高，在0～10和>10～20 cm土层中顺序为FM>FG>CK，而在>20～30和>30～40 cm土层中，土壤水溶性有机碳含量依次为FM>CK>FG。不同处理之间穗长、穗粗和穗行数差异不明显。穗粒数顺序为FM>FG>CK，FM和FG处理分别较CK增加15.75%和3.69%；籽粒含水量顺序为FG>CK>FM，其中FG处理较CK增加14.31%，FM处理较CK降低6.92%；产量顺序为FM>FG>CK，FM和FG处理分别较CK增产5.20%和3.20%。

参考文献

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基金项目 黑龙江省省属科研院所科研业务费项目（CZKYF2021-2-C021）；黑龙江省农业科学院农业科技创新跨越工程专项（HNK2019CX12-06）；中国科学院战略性先导科技专项子课题（XDA28130504）；国家农业环境齐齐哈尔观测实验站项目  （NAES058AE10）。

作者简介 高盼（1990—），女，黑龙江齐齐哈尔人，助理研究员，硕士，从事土壤培肥与改良研究。

收稿日期 2023-05-11