2018, Vol. 37
2. 吉林省农业科学院农业环境与资源研究所, 长春 130033;
3. 全国农业技术推广服务中心, 北京 100125
2. Institute of Agricultural Resources and Environment Research, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033, China;
3. The National Agro-Tech Extension and Service Center, Beijing 100125, China
东北黑土面积约1000万hm2，是中国最肥沃和极具生产力的土壤，从二十世纪开垦以来特别是八十年代至今，在不合理施用化肥的集约化大规模种植条件下，黑土耕地土壤肥力不断退减，土壤有机质明显下降[1-2]，与此同时，随着高秆玉米密植栽培技术的广泛应用，玉米秸秆生物量不断增加，玉米秸秆“去往何处”成了一个亟待解决的环境问题。在农业环境“一控、两减、三基本”的政策背景下，控制秸秆焚烧、实施秸秆有效还田成为保持土壤肥力、减少大气污染与农田化肥投入的重要措施。玉米秸秆中富含有机碳、氮、磷、钾、硅和植物生长的其他必需营养元素[3]，适量还田后可以改善土壤结构、提高土壤碳库容量及促进土壤氮循环，对土壤生态系统养分循环和农业生产有重要意义[4-5]。但是秸秆过量还田也会带来一些负面影响，比如分解秸秆的微生物会与作物争夺土壤或者肥料中的养分尤其是矿质氮、造成有机酸的积累和成为一些病原菌或虫害的庇护所等[6-9]。因此，如何合理有效利用秸秆对资源、环境和农业的可持续发展是十分重要的命题[10]。
研究表明[11]，秸秆还田不单意味着土壤碳投入的直接提高，对土壤的影响还表现在还田后土壤理化性质以及作物生长的变化上，可用来判断秸秆还田后农田土壤有机碳（SOC）固存的利益有没有实现。Stewart等[12]和Wang等[13]研究认为土壤有机碳固存潜力存在饱和上限，与秸秆还田碳投入量并非线性递增关系，并且黑土区耕层土壤碳氮含量有较强的空间异质性[14]，不同田块微生物矿化秸秆的数量与能力迥然不同，加上东北属于高纬度地区，冷凉的气候下秸秆腐解十分缓慢，过量的秸秆不仅会增加土壤碳排放而且不利于作物出苗及生长，因此，明确合适的秸秆还田量对于黑土区秸秆资源的有效利用及农田土壤管理有重要意义。本研究针对东北地区土壤有机质下降的突出问题，设置不同秸秆还田量梯度，探讨不同秸秆还田量下土壤有机碳及其组分含量与有效性变化、土壤碳库活度与碳库管理指数特征、土壤酶活性变化和作物产量差异，对不同秸秆还田量下的土壤碳响应情况进行综合评估，以期为东北地区合适的秸秆还田数量提供理论参考。
1 材料与方法 1.1 试验区概况研究地点位于吉林省公主岭市郊区（43°30′ 23″ N，124°48′ 34″ E），年平均气温5~6 ℃，有效积温范围2600~3000 ℃。降水主要集中在5—10月份，年降水量450~650 mm，属于一年一季雨养农业区。种植模式为春玉米（Zea mays L.）连作，种植密度大约6万株每公顷。0~120 cm土壤初始理化性质见表 1。
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表 1 试验地土壤基础理化性状 Table 1 Soil physical and chemical properties of the experimental site |
本试验始于2013年，试验开始前试验地种植模式为春玉米连作，且未经过有机物料还田等处理，化肥用量即当地农民习惯施肥量。试验共设5个处理，每处理3个重复，共15个试验小区，小区面积50 m2（5 m×10 m），随机区组排列。于每年四月中下旬进行田间起垄，然后拉样方划小区，每小区含6条垄，垄宽70 cm，在小区与小区之间留1 m宽的空地作为过道。各施肥处理磷钾肥播种前作为底肥一次性施入，氮肥1/3播种前用作底肥，2/3于拔节期追肥，底肥于起垄当天人工撒施于垄沟中然后覆土。秸秆还田量根据当地秸秆年均产量设置三个梯度：1 / 3秸秆还田（NPKS1）、1 / 2秸秆还田（NPKS2）和全量还田（NPKS3），每年收获后将秸秆移出大田，经自然风干后人工粉碎成2 cm左右小段。为不影响出苗，均于第二年追肥时进行还田，还田前先称取各小区每垄还田量及追肥的尿素用量，装袋后运入大田，借助马犁于两垄间开沟，将追施的氮肥和秸秆均撒施于垄沟中然后人工覆土。各处理化肥与秸秆施用量见表 2。
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表 2 不同处理下的施肥量 Table 2 The different amount of straw application treatments |
2015年作物收获后，采集0~20 cm土层土样，在每小区按梅花形5点法采样后混匀作为一个样本，各处理的土壤样本均重复3次。将采集完的土壤立即用冰盒带回实验室，分装成两部分，一部分风干后挑出碎石、植物根系残渣并过2 mm筛，测定土壤pH值、有机质、全氮、颗粒有机碳与易氧化有机碳含量；另一部分过2 mm筛并保存于4 ℃冰箱用于鲜样的测定，各指标测定均在24 h内完成。土壤基本理化性质参考文献[15]；可溶性有机碳（DOC）采用硫酸钾浸提后用TOC仪测定[16]；颗粒有机碳（POC）测定采用六偏磷酸钠分散法[17]；微生物量碳（MBC）分析采用氯仿熏蒸浸提法[18]；易氧化有机碳（ROC）测定采用高锰酸钾氧化法[19]。
1.3.2 碳库管理指数（CMPI）的计算方法本研究以不施肥CK处理为参照土壤进行计算。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（CMPI）=碳库指数（CPI）×碳库活度指数（AI）×100[20]。
1.3.3 土壤酶活性的测定本研究中所涉及的四种土壤酶[包括木聚糖酶（BXYL）、纤维素酶（CBH）、乙酰基β-葡萄糖胺酶（NAG）和β-葡萄糖苷酶（BG）]活性的测定均采用荧光微型板检测技术[21]，称取相当于1 g干土的鲜土，置于200 mL塑料瓶，加入50 mmol·L-1醋酸缓冲液120 mL（pH和待测土壤基本一致），振荡制备成土壤悬浊液；然后用8通道移液器依照次序加试剂于微型板中，将加好待测液、标准底物、荧光底物的微型板放入25 ℃的培养箱培养，培养4 h后用多功能酶标仪（Scientific Fluoroskan Ascent FL 3001，Thermo）测定。
1.3.4 春玉米产量及植株不同器官干物质质量测定春玉米成熟后，在每个小区选3个10 m2的样方，将样方内所有玉米棒装袋，晒干后脱粒称重，并测试计算含水量后，折算成公顷产量。收获时在各小区随机选2株长势一致的玉米植株，连根拔起整株带回实验室，将根、茎、叶、穗轴和籽粒5部分分别装袋，于105 ℃下杀青0.5 h，后在80 ℃下烘干至恒质量。
1.4 数据处理本文试验数据测定均来自2015年样品采集的测定值，采用Microsoft Excel 2010、OriginPro 9.1和SAS 9.1软件进行处理和统计分析，基于最小显著差数法（Least significant difference）和皮尔逊相关系数法（Pearson correlation coefficient）进行方差检验和相关性分析。
2 结果与分析 2.1 不同秸秆还田量对黑土活性碳库组分的影响秸秆还田后土壤DOC、MBC、POC和ROC含量有明显的上升，且提升效果随着秸秆还田量的增加而增加，各处理中以NPKS3处理提升碳组分的效果最好（图 1）。与NPK处理相比，不同秸秆还田量对DOC、MBC、POC和ROC增加幅度分别为18.40%~28.52%、11.28%~30.84%、24.49%~92.13%和53.43%~113.68%，各处理对土壤ROC含量的提升效果最为显著。NPKS1、NPKS2和NPKS3处理的DOC、MBC和ROC之间均无显著性差异，NPKS2和NPKS3处理的POC分别显著高于NPKS1处理54.33%和42.45%。
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图 1 不同秸秆还田量对土壤活性碳库组分的影响 Figure 1 Effects of different straw returning amount on soil active carbon components |
NPKS1、NPKS2和NPKS3处理间土壤有机碳含量无显著差异，NPKS3处理的土壤有机碳含量显著高于NPK处理16.56 %（表 3）。不同秸秆还田量下碳组分分配比率不同，四种碳组分以POC占SOC百分含量最高（11.72%~36.97%），MBC的分配比率最低（0.51%~0.93%）。DOC/SOC、MBC/SOC和POC/SOC三种碳组分分配率均以NPKS2处理最高。NPKS2和NPKS3处理POC / SOC分别显著高于NPKS1处理42.03%和39.76%，其余三种碳组分分配比率不同秸秆还田量下均无显著差异。
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表 3 不同秸秆还田量对土壤活性碳组分分配比率的影响 Table 3 Fractions of soil active carbon in soil total organic carbon under different amounts of straw returning |
碳库管理指数可以反映土壤质量状况及其肥力水平。以CK处理为对照，对单施化肥与化肥配施秸秆还田下的各处理的碳库参数进行分析（表 4），结果表明，各施肥处理土壤碳库活度（A）、碳库活度指数（AI）、碳库指数（CPI）和碳库管理指数（CMPI）均有不同程度的增加，且增加规律一致，均以NPKS3处理最高。NPKS2和NPKS3处理土壤碳库活度显著高于NPK处理76.08%和82.61%。各秸秆还田处理下碳库活度指数无显著差异，但是NPKS2和NPKS3处理的碳库活度指数显著高于NPK处理78.81%和82.80%。NPKS1、NPKS2与NPK处理碳库指数之间无显著差异，NPKS3的碳库指数显著高于NPK处理16.04%。各处理碳库管理指数以NPKS3处理最高，其中NPKS2和NPKS3处理碳库管理指数显著高于NPK处理86.91%和114.76%，表明秸秆半量及全量还田明显提高黑土土壤质量，使得土壤活性有机质的相对数量增加。
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表 4 不同秸秆还田量对黑土碳库指数、碳库活度、活度指数和碳库管理指数的影响（0~20 cm） Table 4 The effect of different straw returning amounts on CPI、A、AI and CMPI of black soil (0~20 cm) |
不同处理对木聚糖酶（BXYL）、纤维素酶（CBH）、乙酰基β-葡萄糖胺酶（NAG）和β-葡萄糖苷酶（BG）的活性影响明显（图 2），本试验中BXYL、CBH、NAG和BG的活性变化范围分别是5.50~17.58、11.16~ 40.99、12.43~33.36 nmol·g-1·h-1和80.40~164.81 nmol· g-1·h-1。各处理四种酶活性表现一致，均以CK处理最低，NPKS3处理最高。相对NPK处理，化肥配施秸秆还田后BXYL、CBH、NAG和BG的活性提高了17.18%~140.53%、1.69%~111.40%、15.37%~42.72%和34.03%~64.32%。其中BXYL活性对秸秆还田响应较为敏感，NPKS3处理BXYL活性显著高于NPKS1和NPKS2处理105.27%和28.22%，NPKS2处理BXYL活性显著高于NPKS1处理60.08%。NPKS2和NPKS3处理的CBH活性显著高于NPKS1处理81.31%和107.87%，NPKS2和NPKS3处理之间无显著性差异。而NAG和BG活性不同秸秆还田量处理之间则没有显著性差异。
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BXYL：木聚糖酶；CBH：纤维素酶；NAG：乙酰基β-葡萄糖胺酶；BG：β-葡萄糖苷酶 BXYL: β-xylosidase; CBH: Cellobiohydrolase; NAG: N-acetylglucosaminnidase; BG: β-glucosidase 图 2 不同秸秆还田量对土壤酶活性的影响 Figure 2 Effects of different straw returning amounts on soil enzyme activities |
秸秆还田后春玉米不同分器官干物质量均有一定程度的增加（表 5），相对NPK处理，秸秆还田分别提高了玉米单株叶、茎、籽粒、轴和根2.08%~17.14%、22.21%~31.21%、11.74%~16.62%、19.19%~21.02%和25.61%~62.13%。而不同秸秆还田量各分器官干物质量均无显著差异。相对CK处理，NPK处理显著提高了玉米产量47.66%。相对NPK处理，NPKS1、NPKS2和NPKS3处理的产量提高了2.75%、2.25%和4.55%，NPKS3处理下玉米产量表现最高，但是不同秸秆还田量下玉米产量之间无显著差异，说明化肥在作物增产方面效果显著，而不同秸秆还田量对作物生长的影响在目前的实验阶段没有显著差异。
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表 5 不同秸秆还田量对春玉米不同器官干物质分配与产量的影响 Table 5 Effects of different amounts of straw return on spring maize yield and its dry matter distribution |
综合各处理的春玉米产量，土壤酶活性，土壤活性碳库组分含量进行相关性分析（表 6），各处理的作物产量与土壤DOC、MBC和POC含量均呈极显著相关（P < 0.01），与土壤ROC、BG、NAG、CBH、BXYL活性显著相关（P < 0.05）；SOC除与作物产量和DOC不相关，与其他指标均显著（P < 0.05）或者极显著相关（P < 0.01）。碳组分DOC、MBC、POC、ROC和土壤酶活BXYL、CBH、NAG、BG之间两两相关（P < 0.05）。
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表 6 作物产量、土壤有机碳与各活性有机碳库及土壤酶活性之间的相关系数 Table 6 Correlation coefficients between spring maize yield, soil organic carbon and soil active organic carbon components as well as soil enzyme activities |
SOC是改善土壤功能和性质、维持土壤质量和肥力不可缺少的组分[22-23]。本试验中SOC随着秸秆还田量比例的增加而增加，但是不同量秸秆还田对土壤SOC没有显著影响，主要原因可能为秸秆还田对SOC含量的改变是一个比较缓慢的过程，在本研究地区高SOC本底值背景下，秸秆还田对SOC细微的提升效果在短期内没有凸显出来。有研究认为土壤SOC对碳输入和其他管理措施的响应取决于土壤初始碳含量，例如Lou等[24]发现秸秆短期（< 5年）还田后并没有显著改变SOC含量，而Liu等[25]通过meta分析证明持续不断的秸秆还田可以进一步促进农田非碳饱和土壤的碳固存，本研究中不同还田量处理下SOC含量之间的差异还需较长的实验尺度验证。SOC由于较高的本底值及时间和空间上较大的变异性，它的损耗或者增加在短期很难被监测到[26]，其活性组分如DOC、MBC、POC和ROC对于管理措施反应比SOC更快，被用来作为SOC变化的早期敏感指标[27]。这些活性碳组分含量远小于SOC总量，易于被分解，是土壤食物网的“燃料”并强烈影响养分循环[28-29]。本研究发现秸秆还田对土壤活性碳组分的提升随着还田量的增加而增加，主要原因是秸秆作为外源有机物为微生物提供了充足的能量来源，促进微生物的大量繁殖和生长进而释放更多的活性碳组分进入土壤中[30]。土壤DOC被认为是评价土壤质量和功能的指标，秸秆半量和高量还田显著提高了土壤DOC含量，这与前人[31]研究相符。相对NPK处理，秸秆全量和半量还田显著提高土壤POC和ROC的分配比例，说明高量秸秆还田可以提高土壤有机碳的有效性，进而改善土壤质量。土壤微生物量作为养分的“源”和“汇”，参与并调节养分循环过程，本研究结果表明秸秆还田明显提高土壤微生物碳量，这与Zhao等[32]在中国中北部的研究结果高量秸秆还田可以进一步提高土壤微生物磷脂脂肪酸含量相似，我们的研究还发现土壤微生物量碳与春玉米产量呈极显著相关关系（P < 0.01），这可能与微生物参与植物对营养元素的吸收与循环有关。
3.2 秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响基于土壤有机碳及其活性组分变化，碳库管理指数逐步成为评估SOC变化的速率和状态的指标，也可用来指示管理措施对土壤质量提升的能力[33]，进而评估农业实践的功效。本研究以不施肥为参考土壤研究碳库管理指数发现，所有施肥处理的碳库管理指数均大于100，且碳库管理指数随着秸秆还田量的增加而升高，这与王晶等[34]施肥尤其是有机无机配施更有助于黑土活性有机碳的增加和CMPI的提高的研究结果相似。碳库管理指数越大意味着高的SOC储量和ROC含量及高的有机物质中的养分含量，秸秆还田碳库管理指数的增加与土壤SOC和ROC含量升高表现一致，这也与Li等[35]报道一致。但是徐明岗等[36]在红壤上发现秸秆还田10年后其碳库管理指数呈先下降后上升趋势，秸秆还田对红壤旱地有机质含量的促进效果比较慢，推测这可能与施肥种类、数量及土壤质地等有关，红壤地区酸化比较严重，速效养分较低，而黑土区域土壤相对肥沃，尽管处于中温带、秸秆腐解较慢，但是土壤条件的差异足以使得不同区域下碳库管理指数对秸秆还田的响应迥异。曾骏等[37]在灰漠土的研究也发现施肥均可以提高土壤碳库指数，而何翠翠等[20]发现以撂荒处理为对照，化肥配施秸秆还田后其碳库管理指数低于对照，而本研究中土壤碳本底值稍高于何翠翠等研究地区，且参考土壤处理不一致，撂荒处理下明显降低了对土壤的人为扰动，减少了由于作物秸秆移出带来的土壤碳的输出，其土壤有机质含量背景值高于不施肥、单施化肥及化肥配施秸秆还田处理，这可能是造成土壤活性有机质含量与碳库管理指数差异的重要原因。秸秆还田对碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数的提升效果以全量秸秆还田最好，说明秸秆还田后增大了土壤活性有机组分的比重，有利于土壤碳库活度指数的升高，本研究也充分说明了秸秆还田可以提高黑土碳库管理指数和土壤质量，且以高量秸秆还田效果最佳。
3.3 秸秆还田对土壤酶活性的影响土壤酶活性是指示土壤质量最重要的指标之一，与农田管理下SOC变化密切相关，可以用来预测秸秆还田后土壤微生物群落的响应状况及土壤潜在代谢能力[38-39]。Bolinder等[40]认为土壤微生物活性尤其是酶活性比SOC与ROC对土壤质量的变化更敏感。Zhao等[32]发现长期秸秆还田显著增加土壤酶活性，秸秆还田4年后极大地提高了土壤脲酶和蔗糖酶的活性，并且这些酶均与SOC含量相关。在本文的研究中，BXYL、CBH、NAG、BG四种酶活性的变化趋势在不同处理中是相似的，秸秆进入土壤后各类酶活性均有不同程度的提高，且均随着秸秆还田量的增加而增加，可能与秸秆还田促进了土壤微生物的新陈代谢有关。唐晓雪等[41]发现化肥配合秸秆直接还田后，土壤速效氮磷含量均有一定程度降低，且脲酶与转化酶的活性均低于化肥配合秸秆堆肥还田处理，而秸秆还田能够直接增加黑土酶活性的重要原因可能与黑土属于偏中性土壤、速效养分含量较高，较好的土壤条件能保证土壤微生物的分解活动有关，这可能是黑土酶活性对秸秆还田的响应区别于酸性土壤的重要原因之一。各类酶活均与SOC及碳组分呈显著相关关系（P < 0.05），可能是由于秸秆还田加速了与碳循环有关的土壤酶活性的刺激作用所致，而存在于酶活性与土壤碳素之间的相关性（P < 0.05）与我们先前的研究结论也相符[42]。BG和CBH在土壤有机质的分解中扮演重要角色，相对NPK处理，秸秆还田显著提高了BG活性，可能由于秸秆还田后有机物质的降解产生了较多酶解反应的底物，促进酶促反应的进行，但是不同还田量之间没有显著性差异，也有可能与秸秆还田量过多造成土壤与大气流通不畅，导致缺氧使得微生物活性没有显著增加所致[43]。董明哲等[44]研究发现纤维素酶活性在水旱轮作下对秸秆还田的响应更为强烈，各种酶对秸秆还田量响应不一，也可能与土地利用和农田管理方式有关。
3.4 秸秆还田对玉米干物质积累与分配及产量的影响秸秆还田在提高农田土壤有机碳含量的同时改善土壤结构，秸秆中含有多种有益微量元素可以促进植物生长及对土壤养分的吸收，进而增加作物各器官干物质量和籽粒产量。目前有关秸秆还田对作物产量的影响研究结论不一，有增加、减少和没有影响，其差异主要取决于气候条件、种植方式、养分和水分管理等[45-46]。本试验中秸秆还田虽然提高了作物产量，且均以秸秆全量还田对玉米不同器官干物质量和产量的提升效果最好，但是不同秸秆还田量处理对春玉米产量的影响没有显著差异，而王宁等[47]发现秸秆全量还田并不能提高玉米产量，可能与土壤质地贫瘠且施肥量不足有关，因此，不同还田量之间没有显著差异的主要原因可能是由于研究地区土壤质地肥沃且化肥的作用在很大程度上掩盖了秸秆还田的功效。徐蒋来等[48]发现秸秆半量还田对小麦增产效果最好，水稻产量则随着秸秆还田量的增加而增加，但是增幅先快后慢，这可能与秸秆分解矿化过程相关，前期秸秆中易分解物质如单糖、淀粉等被微生物大量转化吸收，促进土壤肥力的提升，后期秸秆中的难分解组分如木质素、纤维素和单宁等分解需要较长的周期，导致对作物产量的提升效果逐渐下降。辛励等[49]研究表明秸秆配施氮肥处理能够显著增加玉米产量，且随着秸秆用量增加玉米籽粒中淀粉和粗脂肪含量越高，因此，我们推测试验周期较短，土壤肥沃以及化肥增产功效明显，这三方面是导致本研究不同量还田下玉米产量没有显著差异的主要原因。
许多研究[36, 50]表明化肥与有机肥配合是改善土壤质量保证作物稳产高产的重要措施，从目前的实验结果来看，化肥与秸秆还田配施是提高玉米产量、保证土壤碳组分质量的重要措施，但是由于本试验缺乏单施秸秆的处理，使得我们难以估算仅由作物秸秆还田后对作物产量与土壤碳库组分增加的贡献。本研究中作物产量除与SOC相关性未达到显著水平外（P < 0.05），与其他所有碳组分及酶活性均显著相关（P < 0.05），而徐明岗等[51]研究认为农田土壤有机碳与作物产量的协同效应存在阈值，并且二者之间的关系会受到气候条件及管理措施等的影响，存在一定的不确定性。而本研究中产量与各碳组分、酶活性的显著相关性也间接说明了这一点，土壤有机质与作物产量间的关系可能被掩盖，而活性碳组分可以更加敏感地反映作物产量与土壤有机碳的关系。秸秆还田通过影响土壤微生物的活性及土壤碳组分的有效性同时影响作物产量，这两方面的改善有可能掩盖了土壤有机碳对产量的有效性。土壤是不可再生的重要农业生产资料，需要不断补充新鲜碳源来补充其碳输入维持其生产力，秸秆作为物质、养分和能源的载体可以很好地补充地力，但是不同秸秆还田量下土壤性质与功能变化仍因气候、种植条件等差异较大，不同量秸秆还田后增产增肥的效果仍然需要更长时间的实验来验证。
4 结论秸秆还田显著增加土壤碳组分含量，相对NPK处理，NPKS1、NPKS2和NPKS3处理对可溶性有机碳、微生物量碳、颗粒有机碳和易氧化有机碳增加幅度分别为18.40%~28.52%、11.28%~30.84%、24.49%~ 92.13%和53.43%~113.68%，且随着秸秆还田量的增加提升效果越明显。秸秆还田显著增加土壤碳库活度和碳库管理指数，同时提高土壤酶活性。秸秆还田后产量有所提升，但是不同还田量之间差异不显著。综合土壤活性碳组分与碳库管理指数响应、土壤酶活性及作物产量等指标情况，秸秆半量还田与全量还田均有利于土壤质量改善和作物生长，即在本试验条件下，秸秆4500~9000 kg·hm-2是比较适宜的秸秆还田量。
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