秸秆还田方式对草甸土有机碳和硝态氮分布特征的影响

2019-12-30李玉梅王根林刘峥宇张冬梅李艳蔡姗姗

安徽农业科学 2019年24期

李玉梅　王根林　刘峥宇　张冬梅　李艳　蔡姗姗

摘要 [目的]研究不同耕法與秸秆还田方式下草甸土不同深度土层中有机碳（SOC）和硝态氮（N）的分布特征，为有效利用秸秆培肥土壤提供依据。[方法]采用田间定位试验，研究3种耕法（免耕、浅翻、深翻）与3种秸秆还田方式（覆盖还田、浅翻还田、深翻还田）条件下，不同时期、不同深度土层中SOC与硝态N的变化。[结果]无论秸秆是否还田，不同耕法下土壤硝态N含量随生育进程均表现为先升高再降低的趋势，苗期>成熟期>播种期;无秸秆还田条件下，3种耕法处理土壤硝态N含量随土层深度增加而降低，40～50 cm土层均没有出现硝态N富集现象，浅翻与深翻分别对10～20和20～30 cm土层硝态N含量影响较明显;深翻处理0～30 cm土层SOC含量比免耕和浅翻分别降低8.75%、9.53%;秸秆还田条件下，不同时期土壤硝态N总积累量不同。苗期以深翻还田处理积累量较大，比浅翻还田和免耕覆盖分别增加8.15和9.57 mg/kg;成熟期硝态N总积累量以免耕覆盖处理最大，比浅翻还田和深翻还田分别提高19.23%和14.68%;深翻还田30～40 cm土层SOC含量比免耕覆盖和浅翻还田分别增加3.33和3.86 g/kg。[结论]同一耕法，短期内连续有秸秆还田处理土壤硝态N含量低于无秸秆还田处理，秸秆还田深度影响不同深度土层中SOC的含量。

关键词草甸土;秸秆还田;有机碳;硝态N;分布特征

中图分类号 S-3;S158.2 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）24-0063-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.021

Effects of Straw Returning Methods on Distribution Characteristics of Organic Carbon and Nitrate-N in Meadow Soil

LI Yu-mei1， WANG Gen-lin2， LIU Zheng-yu3 et al

（1.Institute of Soil Fertility and Environmental Resources，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;2.Institute of Animal Husbanbry of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences，Harbin，Heilongjiang 150086;3.Heilongjiang Suibin Farm， Suibin，Heilongjiang 154213）

Abstract [Objective]The research aimed to study the distribution characteristics of organic carbon （SOC） and nitrate nitrogen （N） in different depths of meadow soil under different tillage methods and straw returning methods， and provide a basis for effective use of straw to fertilize soil.[Method]Field positioning experiment was conducted to study the changes of SOC and nitrate-N in soil layers of different periods and depths under the conditions of three kinds of tillage methods （no-tillage， shallow tillage， deep tillage） and three kinds of straw returning methods（covering returning fields， shallow tillage turning field， deep tillage turning field）.[Result]The trend of soil nitrate-N content was increased first then decreased with the growth process whether the straw was returned to the field， seedling stage>maturation period> sowing date.The soil nitrate-N distribution under three kinds of tillage was decreased with the depth of soil layer decreasing without straw， and there was no nitrate-N enrichment in 40-50 cm soil layer in the short term， at the same time the nitrate-N content in 10-20 cm and 20-30 cm soil layers was respectively influenced by shallow tillage and deep tillage.The SOC content was effected at deep tillage in 0-30 cm soil layer， which was lower 8.75% and 9.53% than that in no-tillage and shallow tillage.After the straw was returned to soil， the total accumulation of soil nitrate N in different periods was different.In the seedling stage， the accumulation of nitrate-N in the deep tillage turning field was larger， which was 8.15 and 9.57 mg/kg higher than that of shallow-turning and no-tillage. But in the mature period， it was the largest in the no-tillage treatment， which was 19.23% and 14.68% higher than that of the shallow tillage turning field and the deep tillage turning field.The SOC content with deep tillage turning field in 30-40 cm soil layer was higher 3.33 and 3.86 g/kg separately than no-tillage and shallow tillage turning field.[Conclusion]In the same tillage method， the soil nitrate N content in the short-term continuous straw returning treatment was lower than that without straw returning， and the straw returning depth affected the SOC content in different depth soil layers.

Key words Meadow;Straw return;Soil organic carbon;Nitrate-N;Distribution characteristics

基金项目国家重点研发计划项目（2016YFD0300806）;国家重点研发计划省级资助项目（GX18B013）;黑龙江省重点基金项目（ZD2016008，LBH-Q14148）。

作者简介李玉梅（1971—），女，四川射洪人，研究员，博士，从事土壤修复与培肥研究。*通信作者，研究员，硕士，硕士生导师，从事作物耕作与栽培研究。

收稿日期 2019-06-21

硝态N是植物吸收氮素的主要形态之一，由于硝酸根离子不易被土壤胶体吸附，随土壤溶液移动，因此更易造成氮素损失和地下水污染。长期以来，以追求产量为目标的高化肥投入，带来肥料利用率下降、土壤氮素流失的同时，土壤肥力下降，作物产量降低[1]。秸秆还田是增加土壤有机质、提高土壤肥力的有效途径[2]，秸秆中大量有机碳的介入影响土壤N矿化/固持过程的时间和强度，从而影响土壤无机N的动态变化[3]。不同秸秆还田方式对土壤无机N的分布与积累影响不同[4-5]。杨振兴等[6]研究表明，在投入150 kg/hm2无机N的前提下，无秸秆还田、秸秆覆盖还田、粉碎还田及过腹还田旱地土壤剖面硝态N累积量均在80 cm土层以下出现了明显的硝态N积累峰，秸秆覆蓋还田虽然累积量最少，然而在200～300 cm的累积量却占总累积量的25.63%，硝态N 淋失的风险最高。中层黑土连续免耕和翻耕6年，玉米小区土壤硝态N含量呈自上而下递减，表层和亚表层硝态N含量高于底层，而大豆小区免耕土壤硝态N有向底土层富集的现象，随时间延长，免耕对土壤硝态N淋失的影响开始显现[7]。东北旱地草甸土由于长期耕种和机械化压板，造成耕层浅薄、通气储水能力差等土壤退化现象的发生。因此，该研究通过田间定位试验，探讨秸秆还田对旱地草甸土有机碳及硝态N的分布特征的影响，比较有无秸秆还田条件下耕作方式对土壤养分积累的动态变化，为今后生产中构建合理的轮耕与秸秆还田培肥技术、减少化肥用量、促进黑土资源的可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省牡丹江市温春镇（44°60′N，129°58′E），寒温带大陆性季风气候，年平均气温5.9 ℃，年平均降雨量500～600 mm，平均活动积温2 300～2 500 ℃·d。土壤类型为碳酸盐性草甸土，试验前土壤基础养分含量：全N 1.12 g/kg、全P 0.55 g/kg、全K 2.53 g/kg，碱解N 101.55 mg/kg、速效P 26.50 mg/kg、有效K 130.28 mg/kg，有机质16.50 g/kg，pH 7.93。

1.2 试验设计

该研究于2016年5月—2018年10月进行，设置秸秆还田和不还田2个主处理，3种耕法为副处理，共6个处理，分别为免耕（NT）、浅翻20 cm（ST）、深翻35 cm（DT）和免耕秸秆覆盖地表（NT-S）、秸秆浅翻还田20 cm（ST-S）和秸秆深翻还田35 cm（DT-S）。每小区面积234 m2，3次重复。玉米施肥量为尿素（N 46%）300 kg/hm2、磷酸二铵（P2O5 48%）250 kg/hm2、氯化钾（K2O 50%）150 kg/hm2。

秸秆翻耕还田：每年秋季玉米收获后，利用秸秆粉碎机将秸秆粉碎至长度小于10 cm后，平铺地表，用150马力大型机械带动五铧翻转犁将秸秆翻埋于20 cm或35 cm土层中。

秸秆不还田：采取人工收割秸秆后移走方式。

免耕与免耕秸秆覆盖处理在作物整个生长期间均不进行中耕管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集。

土壤样品于2018年在玉米生长不同时期（播期、苗期和成熟期）采集。用土钻分层采集0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层新鲜土样，每个小区采集3点混合成1个样品，3次重复，一部分立即测定土壤水分及硝态N含量，其余部分风干后用于常规分析。成熟期土壤样品测定土壤有机碳（SOC）。

1.3.2 测定方法。

土壤硝态N：称取过2～3 mm筛孔色新鲜土样12.00 g置于150 mL三角瓶中，加入0.01 mol/L CaCl2浸提液100 mL，置于振荡器上（温度22 ℃，转速200 r/s）振荡1 h，定性滤纸过滤，连续流动分析仪（AMS-Alliance Futura）测定。

土壤SOC：称取过0.25 mm筛孔的风干土样0.05～0.50 g，加入2.0 mol/L盐酸105 ℃烘干1.5 h，TOC仪（N/C2100，德国耶拿公司）测定。

1.4 数据分析

硝态N（mg/kg）=P×100/12×（1-W），

式中，P为工作曲线上查得硝态N浓度（mg/L），W为土壤含水量（%）。

硝态N积累量=各土层硝态N含量之和[8];

SOCD（kg/m2）=土层深度（cm）×有机碳含量（g/kg）×土壤容重（g/cm3）× 10/100。

采用Microsoft Excel 2013绘制图表，SPSS 19.0 软件对数据进行方差及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田方式对土壤硝态N含量变化的影响

从图1a可看出，秸秆不还田条件下，3种耕法土壤硝态N含量随生育进程均表现为先升高再降低的趋势。苗期土壤硝态N含量最高，变幅为7.73～24.50 mg/kg，与苗期土壤温度上升、微生物活动加快，且土壤供N能力大于植株吸收能力有关。其次为成熟期，变幅为4.82～9.24 mg/kg，播期最低，变幅为1.09～8.23 mg/kg。苗期3种耕法0～20 cm土层硝态N平均积累量占总积累量的50.38%，其中以免耕（NT）0～10 cm表土层积累量最高，占总积累量的34.04%，与其他土层差异显著;成熟期0～50 cm土层硝态N的总积累量从大到小依次为DT（36.19 mg/kg）、ST（28.49 mg/kg）、NT（25.89 mg/kg），土壤养分向上或向下移动的积累变化与土壤水分和容重等结构特性变化有关;由于耕翻深度的变化，浅翻和深翻分别对10～20 cm土层（ST）和20～30 cm（DT）土层硝态N含量影响较大，均高于相邻上下土层;3种耕法土体中硝态N分布随土层深度增加呈降低趋势，均没有出现富集现象，说明短期耕作方式的变化对土壤氮的淋失没有显现。

从图1b可看出，与秸秆不还田对土壤硝态N的变化影响趋势基本一致，3种秸秆还田方式下，各时期土壤硝态N含量从大到小依次为苗期、成熟期、播期，3个时期变幅分别为6.40～14.72、4.04～7.76和1.42～6.40 mg/kg;土壤硝态N随土层深度均呈N字形分布，这一点与刘慧颖等[8]的研究一致。播种期，0～10 cm土层与40～50 cm土层硝态N含量接近并最低，不同耕法硝态N含量为NT-SST-S>NT-S，分别为66.05、57.90和56.48 mg/kg，从30 cm土层开始，由于根系向深层下扎同时分泌物增多，促进了土壤异养微生物活动，土壤N的矿化作用增强[9]，秸秆深翻还田土壤硝态N积累量增幅较大;成熟期，以免耕秸秆覆盖0～50 cm土层硝态N总积累量最大，比浅翻还田和深翻还田分别提高19.23%和14.68%。同一耕法，有秸秆还田处理土壤硝态N变幅均低于无秸秆还田处理，说明连续秸秆还田后硝态N随雨水的淋溶流失量减少。

2.2 秸秆还田方式对土壤有机碳含量变化的影响

从图2可看出，秸秆不还田条件下，连续2年免耕0～30 cm土层土壤有机碳（SOC）变化平缓，平均为11.18 g/kg;以主要来源于地上凋落物和细根的10～20 cm表土层SOC含量最高，平均为11.52 g/kg;随土层深度增加，30～50 cm土层SOC降低幅度增大。土壤有机碳密度（SOCD）是表征陆地表层碳库储量的重要指标之一，免耕处理不同土层中SOCD与SOC 变化趋势基本一致，以30～50 cm土层SOCD较低，平均含量0.91 kg/m2，而0～20 cm土層密度较大，平均1.85 kg/m2。

连续浅翻土壤SOC含量随土层深度增加而下降，以 0～10 cm表土层SOC含量最高，平均11.82 g/kg，与10～40 cm土层差异显著（P<0.05）;浅翻对10～40 cm土层中SOCD影响不大，平均1.54 kg/m2，但与0～10 cm上表层和40～50 cm下层差异显著。深层土壤有机碳主要来源于根系脱落物，深翻可导致根系进一步向深层土壤延展聚集。连续深翻由于打破了犁底层，加速了30 cm以上土层有机质的矿化，0～30 cm土层SOC、SOCD分别比免耕和浅翻降低8.75%、9.53%和43.44%、31.15%，而30～40 cm土层SOC和SOCD升高，分别达10.99 g/kg和1.55 kg/m2，与根系向下生长伸长过程中产生的脱落物不断在深层土壤中沉积和分解[5]，增加了深层土壤SOC的来源有关。

从图3可看出，秸秆还田深度的变化对不同土层SOC含量影响较大。免耕秸秆覆盖20～40 cm土层SOC降低幅度较大，平均7.84 g/kg，与0～20 cm土层差异显著（P<0.05），与免耕不动土秸秆覆盖地表且根系主要集中在表层有关，20 cm以下土层SOC含量明显低于秸秆浅翻还田和深翻还田，也证实了这一点;由于浅翻还田，秸秆主要分布于20～30 cm土层，导致秸秆浅翻还田20～30 cm土层SOC含量较高，比秸秆深翻还田和免耕覆盖分别增加0.60和3.36 g/kg;秸秆深翻还田30～40 cm土层SOC含量比免耕覆盖和浅翻还田秸秆分别增加3.33和3.86 g/kg，差异显著（P<0.05）。同时，由于秸秆还田后土壤微生物的活性增强及根系分泌物的大量淋溶、移动，秸秆深翻还田40～50 cm土层SOC含量也高于免耕覆盖和浅翻还田，平均增加0.17 g/kg。秸秆还田条件下，连续2年免耕覆盖，土壤SOC和SOCD的空间分布随土层深度增加而降低，以0～10 cm表土层含量较高，分别为11.68 g/kg和 1.76 kg/m2。

2.3 秸秆还田方式对作物产量变化的影响

与秸秆不还田比较（表1），秸秆还田第1年，深翻还田和免耕覆盖还田方式下玉米产量有下降趋势，分别下降3.28%和5.31%，而秸秆浅翻还田玉米产量变化不大。秸秆还田第2年，浅翻还田和深翻还田玉米产量较同一耕作方式不还田处理分别增加12.42%和5.96%，免耕与免耕秸秆覆盖玉米产量分别较上一年度下降5.78%和2.69%，可能与连续免耕下整个生育期间不进行土壤耕作有关。总体分析，短期内翻耕与秸秆还田处理由于耕作深度的变化和秸秆的投入，玉米产量表现为增加趋势。同一年份内秸秆浅翻与深翻还田差异不显著，还有待于进一步研究。

3 结论

秸秆还田可以有效改善土壤结构，提高土壤有机质、全氮和碱解氮含量[10-13]。而土壤剖面中残留累积的硝态N对作物吸N量及产量的增加具有无效性[14-15]，因此，通过秸秆还田提高土壤氮素供应能力，减少土壤硝态N的淋失，实现肥料高效和作物高产具有重要的意义。该研究表明，

不同耕法下土壤硝态N含量随土层深度增加而降低，短期内连续耕翻40～50 cm土层没有出现硝态N富集现象;

秸秆深翻还田后土壤硝态N的淋溶流失有降低趋势;同一耕法，有秸秆还田处理土壤硝态N变幅低于无秸秆还田处理;

深翻0～30 cm土层有机碳含量低于免耕和浅翻。免耕秸秆覆盖20～40 cm土层SOC减少，而秸秆浅翻还田和深翻还田分别对20～30和30～40 cm土层SOC含量影响较大。

参考文献

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[2]闫洪奎，王欣然.长期定位试验下秸秆还田配套深松对土壤性状及玉米产量的影响[J].华北农学报，2017，32（S1）：250-255.

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[4]汪军，王德建，张刚，等.连续全量秸秆还田与氮肥用量对农田土壤养分的影响[J].水土保持学报，2010，24（5）：40-44.

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[6]杨振兴，周怀平，关春林，等.长期秸秆还田对旱地土壤硝态氮分布与累积的影响[J].华北农学报，2013，28（3）：179-182.