2021, Vol. 40
中国是玉米种植大国，秸秆产量大且呈逐年增多的趋势，因此秸秆还田成为政府和农业工作者大力倡导的土壤培肥途径之一。玉米秸秆内含有丰富的氮、磷、钾、钙、镁等多种元素，是农业生产中重要的肥料来源[1]。秸秆还田能够改善土壤物理性状，提高土壤生物活性，可有效降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，使耕层土壤变得疏松，秸秆还田后减少环境污染，是发展可持续农业的有效措施[2]。不同秸秆还田方式对土壤有机碳（SOC）固定及其机理等是国内外学者研究的重点[3-4]。张鑫等[5]、刘颖颖等[6]研究表明秸秆还田对农业生产力发展具有积极的推动作用，能够促进作物生长发育，提高产量。目前秸秆还田的方式主要有：秸秆覆盖还田、秸秆旋耕还田、秸秆深翻还田[7]。相关研究表明，秸秆覆盖还田容易造成地表温度过低，出苗延迟，还会造成大部分碳矿化流失，不能被有效利用[8]。秸秆旋耕还田由于秸秆破碎程度不好，与土壤接触不良，易造成漏风跑墒的现象，影响下一季作物播种[9]。秸秆深翻还田可以使秸秆碳被土壤固定，促进养分积累，但需要依靠大型机械，资金投入较高[10]。陈素英等[11]研究发现地区气候、秸秆还田方式、还田数量、土壤性质、环境等因素会影响土壤蓄水保墒、温度以及杂草生长等，从而造成减产[12]。不同的耕作和施肥措施是改变有机碳组分的重要原因，也是影响土壤养分转化的主要驱动力[13]。徐明岗等[14]应用活性有机碳组分和碳库管理指数客观评价了长期定位耕作和施肥对红壤、黑土等土壤质量和土壤管理指数的影响。
土壤有机碳是评价土壤质量状况不可或缺的重要指标[15]。土壤活性有机碳库极易受外界条件的影响，是土壤最敏感的有机碳库[16]，能更敏感地响应土壤耕作、施肥管理、植物残体和有机畜禽粪还田等农业管理措施[17]。土壤可溶性有机碳（DOC）虽然占总有机碳很小的一部分，但它参与了生物化学的转化过程，是土壤微生物可直接利用的有机碳源，并影响着土壤中有机、无机物质的转化、迁移和降解[18]。土壤微生物生物量碳（MBC）是土壤有机碳库中最活跃和最易变化的部分，同时也是土壤中易于利用的养分库及有机畜禽粪分解的动力[19]。土壤易氧化有机碳（EOC）是土壤有机碳中周转最快的组分，能有效地反映土壤有机碳库受环境变化的影响[20]。活性有机碳能够高效直接地供给植物养分，容易被土壤微生物分解利用，因此活性有机碳被认为是评价土壤碳库早期动态变化的良好指标[21]。
我国畜禽粪便资源丰富，据相关统计，数量可达3.16×109 t，从畜禽粪便养分资源量看，总养分量来源以猪最大，其次为肉牛、羊和家禽，分别占总量的28.2%、22.8%、15.0% 和14.0%[22]。畜禽粪便施入田中，通过促进土壤微生物的一系列相关活动来加快秸秆的有效分解，作为腐解剂可以实现秸秆快速还田，提升土壤速效养分[23]。本试验中施用的腐熟猪粪与鸡粪均采自于试验田附近，既可减少环境污染，又可有效利用废弃资源，对于农业的可持续发展有重要意义。
针对东北黑土肥力下降、秸秆还田模式存在缺陷等问题，本研究旨在寻求最佳秸秆还田方式，缩短秸秆腐解时间，提高土壤质量，在减少资金投入、不影响植株出苗的同时，促进土壤养分积累。本试验设计了秸秆田间条带堆腐还田方法，即将秸秆与畜禽粪便集条带混合。通过测定土壤活性碳库中的溶解性有机碳、易氧化有机碳、微生物碳及有机碳的含量，综合分析两年秸秆田间条带堆腐土壤活性有机碳的变化特征，为新型秸秆还田方式应用提供依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地位于吉林省公主岭市陶家镇科技示范园区（43°65′02″N，124°98′60″E）。属于寒温带大陆性季风气候区，年平均气温4~5 ℃，年平均降雨量450~ 600 mm，且70% 集中在6、7、8月份；无霜期125~140 d，有效积温2 600~3 000 ℃，年蒸发量1 200~1 600 mm，是典型的黑土。土壤理化性质为：碱解氮119.13 mg · kg-1，速效磷38.04 mg · kg-1，速效钾134.27 mg · kg-1，有机质27.55 g·kg-1，pH值7.08。
1.2 试验设计与样品采集本试验始于2019年4月，试验采用随机区组设计，根据当地秸秆还田习惯共设置4个处理：秸秆覆盖还田（即对照，CK）、玉米秸秆条带还田（ST）、玉米秸秆条带还田+猪粪（STP）、玉米秸秆条带还田+鸡粪（STC）。试验小区的面积为40 m2，垄宽0.65 m，垄长5 m，每小区设置12垄，每个处理进行3次重复。田间管理同大田，供试作物为玉米（优旗698），每年种植一季玉米。本试验供试有机畜禽粪便均来自试验地科技示范园，畜禽粪便经无害化处理直接还田利用，符合《畜禽粪便还田技术规范》（GB/T 25246—2010）的要求，供试有机物料的基本性质见表 1。
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表 1 物料基本性质（g·kg-1） Table 1 Basic properties of materials(g·kg-1) |
在本试验中（2019—2020年），秸秆全量还田量为10 000 kg·hm-2，还田次数为1次（时间为2019年4月）。添加粪肥量（总碳含量为545.260 kg·hm-2）分别为：猪粪2 000 kg·hm-2、鸡粪2 151 kg·hm-2，化肥施用量为当地常规施用量（化肥为复混肥N+P2O5+K2O，质量比为24∶10∶15，总养分≥49%，施用量为824 kg· hm-2）。采用玉米秸秆田间原位堆腐，秸秆每隔6垄归拢成一个条带（带宽60~80 cm，长5 m），每个小区内有两个条带，玉米秸秆粉碎至10 cm以下。春耕时将称好的猪粪、鸡粪与粉碎的玉米秸秆混合，然后覆土镇压，覆土厚度为2~5 cm。
1.3 样品测定在玉米播种后，分别在60、90、120、150、360、540 d进行土壤样品的采集。CK处理取样位置为距玉米植株10~20 cm处0~20 cm土层，秸秆条带堆腐还田取样位置为条带堆腐边和条带堆腐下，条带边为两边距条带10~20 cm处0~20 cm土层（堆边），两边土样混合为一个土样，条带下在下方0~20 cm土层（堆下）取样。将待测土壤装入自封袋中，土壤样品带回实验室后分成两部分，一部分鲜样过2 mm筛，对土壤微生物生物量碳（MBC）和土壤溶解性有机碳（DOC）进行测定，另一部分样品风干后，分别过1 mm和0.25 mm筛，进行土壤基本理化性质和其他活性碳组分的测定[24]。土壤有机碳测定采用重铬酸钾法-外加热法[25]，微生物生物量碳采用氯仿熏蒸- 0.5 mol · L-1 K2SO4提取法[26]，土壤易氧化有机碳采用KMnO4氧化法[13]，土壤溶解性有机碳采用0.5 mol·L-1硫酸钾浸提法[15]。
1.4 计算公式
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式中：A为碳库活度；QEOC为土壤易氧化有机碳含量，g·kg-1；QSOC为土壤有机碳含量，g·kg-1；AI为碳库活度指数；A′为参考碳库活度；CPI为碳库指数；QSOC′为参考有机碳含量，g·kg-1；CPMI为碳库管理指数；QSSOC为土壤稳定性有机碳含量，g·kg-1；Kos为氧化稳定系数。
1.5 数据处理与分析所有测得数据均采用Excel 2010、Origin 2017进行整理、计算和绘图，采用SPSS 13.0软件进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 对土壤有机碳含量的影响秸秆田间条带堆腐还田添加畜禽粪对土壤SOC含量的影响如图 1所示，各处理均不同程度增加土壤SOC含量，SOC含量在60 d至540 d呈现先增加后降低再增加的趋势。堆边各处理土壤SOC平均含量依次为STC（22.72 g·kg-1）＞STP（21.99 g·kg-1）>ST（20.85 g·kg-1）>CK（19.49 g·kg-1）。堆腐150 d时各处理SOC含量与CK相比显著增加，STC、STP、ST处理土壤SOC较CK提高了3.09%~12.05%。540 d时STC、STP、ST处理土壤SOC含量较CK处理提高了5.71% ~ 15.35%，均存在显著性差异。堆下各处理土壤平均SOC含量在22.12~24.67 g·kg-1，表现为STC>STP>ST> CK。150 d时STC、STP、ST、CK处理土壤SOC含量分别为25.29、23.61、23.08、20.42 g·kg-1，540 d时STC、STP、ST、CK处理土壤SOC含量分别为26.05、24.85、24.20、20.63 g·kg-1。连续两年秸秆条带堆腐还田添加畜禽粪便处理SOC含量均高于ST与CK处理，其中以添加鸡粪处理效果最佳，与CK处理相比，SOC含量平均增加了26.42%。
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不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）。下同 Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments(P < 0.05). The same below 图 1 玉米秸秆田间条带堆腐对土壤有机碳含量的影响 Figure 1 Effects of strip composting of corn straw in the field on the content of soil organic carbon |
由图 2可知，各处理土壤MBC含量在60~540 d呈现先增加后降低再升高的趋势，在90 d时各处理土壤MBC含量达到最大值。堆边各处理土壤平均MBC含量依次为STC（149.07 mg·kg-1）>STP（141.70 mg· kg-1）>ST（124.33 mg·kg-1）>CK（107.85 mg·kg-1）。与CK处理相比，秸秆条带堆腐各处理在60、90、120、150、360、540 d土壤MBC含量分别提高了5.94%~ 45.72%、13.03%~30.25%、18.32%~49.41%、18.53% ~33.97%、14.12%~29.73%、21.22%~42.49%。堆下各处理土壤平均MBC含量在144.21~179.40 mg·kg-1之间，表现为STC>STP>ST>CK。与CK处理相比，秸秆条带堆腐各处理在60、90、120、150、360、540 d，土壤MBC含量分别提高23.90% ~70.10%、41.96%~ 80.92%、38.79%~99.40%、29.88%~41.32%、25.93%~ 38.06%、38.16%~463.39%。与150 d相比，540 d后堆边STC、STP、ST处理分别提高17.62%、15.38%、13.10%，堆下STC、STP、ST处理分别提高27.85%、24.68%、17.63%。
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图 2 玉米秸秆田间条带堆腐对土壤微生物生物量碳含量的影响 Figure 2 Effects of strip composting of corn straw in the field on the content of soil microbial biomass carbon |
秸秆田间条带堆腐各处理均提高了土壤溶DOC含量，如图 3所示，在60~540 d呈现先增加后下降再增加的趋势，并且各处理在90 d时达到最大值，表现为STC>STP>ST>CK。与CK处理相比，堆边STC、STP、ST处理在150 d时土壤DOC含量分别增加27.46%、25.19%、6.54%，在540 d时土壤DOC含量分别增加30.75%、19.99%、8.90%，各处理均差异显著。与CK处理相比，堆下STC、STP、ST处理在150 d时土壤DOC含量分别增加55.67%、42.32%、30.16%，在540 d时土壤DOC含量分别增加52.60%、42.46%、27.24%，各处理间均差异显著。与150 d相比，540 d时堆边STC、STP、ST处理提高了2.80%~10.02%，堆下STC、STP、ST处理提高了4.84%~13.79%。
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图 3 玉米秸秆田间条带堆腐对土壤溶解性有机碳含量的影响 Figure 3 Effects of strip composting of corn straw in the field on the content of soil dissolved organic carbon |
秸秆田间条带堆腐各处理对土壤EOC的影响如图 4所示，各处理均提高土壤EOC含量，其中添加畜禽粪便处理提升幅度更大，与空白处理差异显著。随着采样期的延长，土壤EOC含量呈先增加后降低再增加的趋势，在90 d时EOC含量最高。堆边150 d时各处理土壤均显著高于CK处理。540 d时STC和STP处理与CK相比，土壤EOC含量显著提升，而STC与STP处理间差异不显著。堆下各处理在150 d时EOC含量显著高于CK处理，540 d时各处理间EOC含量均存在显著差异。与150 d相比，540 d堆边土壤EOC各处理提高了5.52%~18.49%，堆下各处理提高了11.52%~22.35%。
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图 4 玉米秸秆田间条带堆腐对土壤易氧化有机碳含量的影响 Figure 4 Effects of strip composting of corn straw field on the content of soil oxidizable organic carbon |
土壤的CPMI是评价有机碳的重要指标，由表 2可知，秸秆田间条带堆腐对提高CPMI、CPI、AI、A具有积极意义。与CK处理相比，堆边STC、STP、ST处理土壤CPMI分别提高了152.38%、126.15%、28.86%，土壤CPI分别提高了15.38%、11.54%、5.38%，土壤AI分别提高了119.48%、102.60%、22.08%，土壤A分别提高了117.74%、101.61%、20.97%。与ST处理相比，STC、STP处理土壤CPMI分别提高了95.86%、75.51%，土壤CPI分别提高了9.49%、5.84%，土壤AI分别提高了79.79%、65.96%，土壤A分别提高了80.00%、66.67%。与CK处理相比，堆下STC、STP、ST处理土壤CPMI分别提高了178.19%、125.98%、83.09%，土壤CPI分别提高了26.15%、20.77%、16.92%，土壤AI分别提高了120.78%、83.12%、57.14%，土壤A分别提高了119.35%、87.10%、56.45%。与ST处理相比STC、STP处理土壤CPMI分别提高了51.94%、23.43%，土壤CPI分别提高了7.89%、3.29%，土壤AI分别提高了40.50%、19.83%，土壤A分别提高了40.21%、19.59%。秸秆条带堆腐添加畜禽粪便处理与CK处理差异显著，显著增加土壤AI、CPI、CPMI，说明土壤中有机碳分解更快，且质量更高。
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表 2 玉米秸秆添加畜禽粪田间条带堆腐对土壤碳库管理指数的影响 Table 2 Effects of adding livestock and poultry manure and corn straw field strip composting on soil carbon pool management index |
氧化稳定性是土壤有机碳的重要性质之一，关系到土壤有机碳分解的难易程度以及养分释放。通常使用氧化稳定系数（Kos）来衡量土壤的氧化稳定性，Kos值越大，氧化稳定性越大，反之则越小。秸秆条带堆腐对土壤Kos的影响如图 5所示，各处理间Kos含量存在较大差异，表现为CK>ST>STP>STC。堆边STC、STP、ST处理较CK分别降低了51.39%、50.41%、17.81%。堆下STC、STP、ST处理较CK分别降低了54.59%、46.64%、35.63%。
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图中所用数据为施用畜禽粪540 d土壤指标 The data used in the figure are soil indicators of 540 days of the application of livestock manure 图 5 玉米秸秆田间条带堆腐对土壤氧化系数的影响 Figure 5 Effects of strip composting of corn straw in the field on soil oxidation coefficient |
土壤有机碳与活性有机碳各组分、CPMI及Kos相关分析见表 3，堆边土壤SOC、DOC、MBC、EOC与CPMI呈极显著正相关，相关系数分别为0.804、0.861、0.827、1.000，SOC、DOC、MBC、EOC与Kos呈极显著负相关，相关系数分别为-0.827、-0.892、-0.868、0.977。堆下SOC、DOC、EOC、MBC与CPMI呈极显著正相关，相关系数分别为0.935、0.969、0.936、1.000，SOC、DOC、EOC、MBC与Kos极显著负相关，相关系数分别为-0.929、-0.967、-0.941、-0.976。秸秆田间条带堆腐土壤SOC和土壤活性有机碳组分与CPMI间有着密切的关系，因此土壤CPMI能够很好地表示土壤的碳素变化。
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表 3 玉米秸秆添加畜禽粪便田间条带堆腐土壤有机碳组分与碳库管理指数相关系数 Table 3 Correlation coefficient between active organic carbon and carbon pool management index of strip composting soil in the field with |
秸秆还田作为农田管理过程中重要的技术措施，是提高土壤SOC含量和培肥地力的重要途径[27]。张银平等[28]研究发现，秸秆粉碎混土还田较秸秆免耕覆盖还田更有利于秸秆的腐解和土壤肥力的提升。李江涛等[29]研究也证实了这一点，施用畜禽粪便有机肥有利于土壤SOC的积累，一方面促进作物根系和土壤微生物活动，增加土壤中的有机代谢物，另一方面施用有机肥能够为土壤提供有机碳源，增加土壤中总有机碳含量，这与本研究结果相一致。秸秆条带堆腐还田各处理与CK处理相比更有利于SOC的储存，可能是因为秸秆还田方式发生了改变，条带堆腐使用粉碎秸秆（10 cm以下），并且在秸秆条带上覆土镇压，有利于秸秆内部的保温保湿效果，从而加快秸秆的腐解，且外源有机肥的添加为微生物提供了大量能源，能够促进秸秆的更快速分解，从而增加土壤中的养分积累[30]。本研究中秸秆条带堆腐添加鸡粪较CK处理土壤SOC平均含量增加12.42%~35.44%，秸秆条带添加猪粪较CK处理增加11.27%~20.47%，并且STP、STC处理与ST、CK处理SOC含量存在显著性差异，证明秸秆条带堆腐添加畜禽粪便处理能够显著增加土壤SOC含量，因此秸秆条带堆腐添加畜禽粪便不仅能够调节土壤的碳氮比，还能对秸秆的腐解起到正激发作用，促进SOC的积累[31]。
3.2 玉米秸秆田间条带堆腐添加畜禽粪便对土壤活性碳组分的影响土壤MBC来源于土壤微生物，是土壤有机物分解和矿化的动力，极易受到土壤管理措施的影响，对环境变化敏感[32]，因此它能够反映土壤养分的有效性和土壤的微生物状况，且与土壤肥力关系密切。本研究发现，与CK处理相比，秸秆条带堆腐添加畜禽粪便明显增加了MBC含量，罗原骏等[33]也发现了相同规律，单施有机肥和有机肥配施化肥提高了土壤MBC含量。可能是因为秸秆条带与畜禽粪便均匀混合，外源有机物与秸秆为土壤微生物提供了足够的碳源与能量，促进了土壤微生物的生长繁殖，微生物活性增加，MBC含量也随之增加。
土壤EOC是土壤有机碳中固定转化最快的组分，是土壤有机质动态变化的敏感指标，可用于反映土壤SOC的早期变化[34-36]。本研究发现，相比于CK处理，秸秆条带堆腐各处理均能够提升土壤EOC含量，其中以添加畜禽粪便处理表现最为显著。这与王丹丹等[37]提出的免耕秸秆还田降低10~20 cm土层土壤EOC含量的研究结果有所差异，一方面可能是因为气候条件、土壤类型、土壤质地的不同，另一方面可能是因为秸秆还田方式不同。本研究中，存在外源有机物的加入，进入土壤的有机物和秸秆被微生物分解，分解产物氧化稳定性比较低，从而成为EOC的重要来源。
DOC主要来源于近期植物的枯枝落叶和土壤有机质中的腐殖质，虽然仅占SOC很小的一部分，但它参与生物化学转化过程，是土壤微生物可直接利用的有机碳源，影响着土壤中有机和无机物质的转化、迁移和降解。DOC是土壤中性质最活跃的有机碳，具有极强的溶解、吸附和转移能力，DOC易受自然环境、施肥措施和作物生长等因素的影响。本试验结果显示秸秆条带堆腐各处理土壤DOC含量均高于CK处理，可能是因为免耕减少了土壤的扰动，且秸秆条带堆腐中添加畜禽粪便，增加了土壤微生物生物量、作物掉落物和根系分泌物，提高了土壤微生物学特性，从而增强了土壤有机化合物的分解与转化，利于表层土壤DOC的积累[38]。张黛静等[39]认为，免耕和增施有机肥有利于提高土壤SOC、土壤MBC、土壤DOC、土壤EOC含量，这与本研究结果一致。本研究发现在90 d时各处理土壤DOC含量达到最大值，这与张瑞等[40]研究结果一致，可能是因为秸秆还田方式的改变，短期内畜禽粪便与秸秆施入田中能够增加土壤活性有机碳含量，提高作物生物量和根际分泌物，使微生物活动和降解活动加速，因此在短期内生成高浓度水溶性有机物，增加了土壤DOC含量。
本试验研究结果显示，相较于CK处理，秸秆条带堆腐各处理显著提高了土壤活性有机碳各组分，并且条带堆腐下活性有机碳含量高于条带堆腐边，秸秆腐解养分垂直方向运移高于水平方向，这可能因为自然环境条件下，随着季节性降雨，作物秸秆与有机物料随着雨水下渗，而条带堆腐边缺少物料的输入，导致其各组分活性有机碳含量较条带堆腐下各处理含量低。
3.3 玉米秸秆田间条带堆腐添加畜禽粪便对土壤CP-MI的影响碳库管理指数（CPMI）是反映土壤碳素动态变化的有效指标，能够为培肥地力、提高土壤活性碳含量提供重要的依据[41]。Kos能反映有机碳分解和养分释放的程度，Kos越高说明土壤有机质活性越低，土壤越贫瘠，反之土壤越肥沃。本研究发现STC和STP处理对土壤活性有机碳提升效果明显，其碳库活度（A）和碳库活度指数（AI）也明显上升，并且高于ST处理与CK处理，说明秸秆条带堆腐添加畜禽粪便不仅能提高土壤活性有机碳，还能够提升碳库活度，解释了在秸秆条带堆腐添加畜禽粪便下活性有机碳较高的原因。条带堆腐边各处理中STC处理CPMI最高，其次为STP处理，最低为ST处理，一方面可能是因为不同畜禽粪便化学组成不同，导致其分解速率不同；另一方面是可能因为鸡的肠道短，吃进去的饲料消化利用不充分，大量营养物质随粪便排出，施用后为微生物提供足够的养分，更能够促进秸秆腐解[42]。本研究中Kos也证实了这一点，CK处理土壤Kos高于ST、STP与STC处理，说明ST、STP与STC能有效提高土壤肥力，并且试验中添加畜禽粪便更能增强土壤有机碳活性，提高土壤肥力。本研究中秸秆条带堆腐处理下SOC、DOC、EOC、MBC与土壤CPMI间存在显著或极显著的相关性，各组分活性有机碳相互关联、相互影响、相互包含。
4 结论（1）玉米秸秆田间条带堆腐还田能够增加土壤有机碳、溶解性有机碳、易氧化有机碳、微生物量有机碳与碳库管理指数，降低土壤氧化稳定系数，对改善黑土碳库质量有积极作用。
（2）玉米秸秆田间条带堆腐添加鸡粪处理更有利于土壤有机碳、土壤活性有机碳的积累，具有良好的培肥效果，是提高土壤肥力的有效措施。
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