麦豆长期轮作下秸秆还田对土壤碳氮组分及作物产量的影响

孔德杰，朱金霞，任成杰，任广鑫，冯永忠，杨改河，刘娜娜

(1.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心，宁夏 银川 750002；2. 西北农林科技大学农学院，陕西 杨凌 712100；3. 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100；4.宁夏中科精科检测技术有限公司，宁夏 银川 750011)

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西关中平原西部杨凌区西北农林科技大学北校区科研基地(108°7′E，34°12′N)，试验地海拔高度520 m，年平均气温12.9℃，年平均降水量为660 mm，主要集中在 7—9月，全年日照时数2 163.5 h，无霜期211 d，为暖温带季风区气候，一年两熟。试验为冬小麦-夏大豆轮作模式下秸秆不同还田处理的长期定位试验，开始于2010年9月，试验地土壤为塿土，不种植其他作物。本研究所用数据为2016年4月—2018年6月，研究期间具体月均气温和降雨量见图1。

图1 试验期月平均气温和月降雨量变化Fig.1 Change of monthly mean air temperature and monthly precipitation during test period

1.2 试验设计及试验材料

设置3种秸秆还田量，分别为：秸秆不还田(NS)、秸秆半量还田(HS)、秸秆全量还田(TS)，重复3次，共9个小区，随机分布，小区面积68 m2。秸秆中养分含量及秸秆还田量见表1。秸秆不还田：小麦、大豆作物收获后，人工拔除作物秸秆及根系，并捡拾小区内凋落物和残茬。秸秆半量还田：冬小麦和夏大豆用收割机收获后，人工隔行拔除小区50%的秸秆，剩余秸秆施用方式同秸秆全量还田处理。秸秆全量还田：冬小麦收割机收获后秸秆均匀覆盖在小区表面；夏大豆收获后，全部大豆秸秆用粉碎机粉碎，均匀撒入小区表面旋耕后播种冬小麦，旋耕深度15 cm左右。小麦6月份收获后种植夏大豆，小麦秸秆覆盖在土壤表面，夏大豆9月底收获，大豆秸秆打碎旋耕后种植小麦。试验供试冬小麦品种为西农889，夏大豆品种为东豆339。播种方式为机械条播，小麦行距20 cm，夏大豆行距60 cm。各小区化肥统一施用量为全氮135 kg·hm-2，P2O5118 kg·hm-2。小麦、大豆生育期均不灌水，其他田间管理措施同当地常规栽培。

表1 秸秆中碳、氮含量及秸秆还田量

1.3 检测指标及方法

在小麦(苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期)、大豆(籽粒膨大期)生长关键时期及种植前、收获后进行取样，在每试验小区对角线位置用土钻多点取样，同一土层土样混合过筛，取样深度分别为0～20 cm和20～40 cm，土壤中全氮含量采用H2SO4-连续流动分析仪测定。土壤鲜样过筛经KCl溶液浸提过滤、氯仿熏蒸-K2SO4浸提，用连续流动分析仪分别测定土壤中硝态氮、微生物量氮含量。土壤中有机碳含量采用K2CrO7- H2SO4法测得；水溶性有机碳用0.5 mol·L-1的K2SO4溶液浸提，TOC分析仪(日本岛津)测定；微生物量碳采用氯仿熏蒸- K2SO4溶液浸提-TOC分析仪测定[12]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2013软件对原始数据进行收集整理。用Spss 21进行方差分析，用Origin 9.0进行图片制作，用R语言进行产量和土壤碳、氮指标的相关性分析和作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田量对麦豆长期轮作土壤氮素含量的影响

麦豆长期轮作模式下秸秆还田对不同时期土壤全氮、硝态氮、矿质氮、微生物量氮含量有明显促进作用(图2)，不同秸秆还田处理间有显著性差异，秸秆全量还田处理土壤氮素含量总体上高于半量还田处理，并且土壤中硝态氮、微生物量氮含量变化受秸秆还田量的影响差异较为明显。麦豆轮作种植模式下土壤中氮素含量存在着有规律的动态变化，受小麦播种施用基肥和大豆固氮、秸秆腐解等因素影响，在每年的9—12月份土壤中硝态氮、矿质氮含量出现峰值。3—5月份随温度上升小麦生长旺盛，对土壤中养分消耗增加，在小麦抽穗灌浆期土壤硝态氮、矿质氮含量出现低谷。土壤中微生物量氮含量受温度影响较大，变化趋势与硝态氮、矿物质含量相反，表现为每年的9—12月份含量低，3—6月份含量高的特点。土壤中全氮含量特别是20～40 cm土层中的含量年季间变化较小。

图2表明：受秸秆还田、施肥及耕作等因素影响，同一时期农田0～20 cm土壤全氮、硝态氮、矿物质氮、微生物量氮含量高于20～40 cm土壤养分含量，随剖面深度逐渐降低。层化比(Stratification ratio, SR)是在相同土壤条件下，表层土壤养分含量与下层含量的比率，该比率大小受土壤养分吸收运移、采样层深度等因素影响较大。本研究层化比按照0～20 cm土层土壤养分与20～40 cm土层养分比值进行计算，结果表明：NS、HS、TS处理土壤微生物量氮含量层化比平均值分别为2.94、2.27、2.68，全氮含量层化比平均值分别为1.60、1.51、1.47，随着秸秆还田量增加，微生物量氮含量层化比有先减少后增加趋势，而全氮含量层化比呈减少趋势。

注：小写字母表示秸秆不同还田量间同一时期差异显著(P<0.05)，下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differences among straw retention treatments under the same time at P<0.05 level, the same as below.

从图3可以看出：秸秆还田措施增加了土壤中硝态氮、矿物质氮、微生物量氮、全氮含量，不同还田量、不同土壤深度增加比例不同。HS处理0～20 cm土壤全氮、矿物质氮、硝态氮、微生物量氮平均含量比NS处理增加比例分别为7.33%、12.13%、16.86%、25.02%，TS处理比NS处理增加比例分别为14.52%、19.79%、24.46%、34.56%。20～40 cm土壤HS处理全氮、矿物质氮、硝态氮、微生物量氮平均含量比NS处理增加比例分别13.69%、11.02%、14.55%、46.34%，TS处理比NS处理增加比例分别

图3 秸秆还田量对土壤不同氮组分平均含量的影响Fig.3 Effects on mean content of different nitrogen components in soil under different straw application level

为24.70%、23.90%、28.54%、46.98%。秸秆还田处理0～40 cm土壤全氮、矿物质氮、硝态氮、微生物量氮含量比不还田处理平均增加15.06%、16.71%、21.10%、38.23%。NS、HS、TS处理土壤硝态氮含量占土壤总氮含量的比例平均分别为0.98%、1.09%、1.08%，土壤矿质氮含量占总氮含量的比例平均分别为1.15%、1.18%、1.25%，土壤微生物量氮含量占总氮含量的比例平均分别为2.28%、2.71%、2.75%，土壤硝态氮占土壤总氮比例、矿质氮含量占总氮的比例、微生物量氮占总氮的比例随着秸秆还田量的增加而增加。

2.2 秸秆还田量对麦豆长期轮作土壤碳组分含量的影响

微生物量碳、水溶性有机碳、有机碳含量是反映土壤有机质含量和肥力状况的重要指标。秸秆还田显著促进了土壤有机碳含量提升，全量还田处理下土壤微生物量碳、土壤水溶性有机碳、土壤有机碳平均含量最高(图4)。从图4可以看出土壤中微生物量碳含量在不同时期变化较大，其中在每年的秋冬季9—12月含量逐渐降低，在3—5月小麦生长旺盛时较高，在6月小麦收获后微生物量碳有所降低。不同秸秆还田处理下0～20 cm土壤微生物量碳含量差异性较大，20～40 cm土壤的变化差异性较小，并且不同时期土壤微生物量碳含量变异系数大于土壤水溶性有机碳和有机碳含量的变异系数，表明秸秆还田量和温度变化是影响土壤中微生物量碳含量的重要因素。

图4 秸秆还田量对土壤碳组分含量的影响Fig.4 Effects on soil carbon content under different straw application level

随着秸秆还田量的增加土壤中微生物量碳、水溶性有机碳、有机碳含量逐渐增加， TS处理下各种碳组分含量的变异系数大于NS处理，并且同一秸秆还田量对0～20 cm土壤碳素含量增幅大于20～40 cm土壤(图4、图5)。在0～20 cm和20～40 cm土壤中，土壤微生物量碳含量HS处理比NS处理分别增加10.45%和2.96%，TS处理比NS处理分别增加14.13%和2.98%；土壤水溶性有机碳含量HS处理比NS处理分别增加3.28%和0.73%，TS处理比NS处理分别增加8.76%和4.60%；土壤有机碳含量HS处理比NS处理分别增加4.41%和3.78%, TS处理比NS处理分别增加14.15%和15.00%。秸秆还田处理0～40 cm土壤微生物量碳、水溶性有机碳、有机碳平均含量比不还田处理分别增加7.63%、4.34%、9.34%。从表1可以算出：HS处理每年投入的秸秆碳、氮含量平均为2 282.5 kg·hm-2和41.1 kg·hm-2，TS处理每年投入4 564.9 kg·hm-2和82.14 kg·hm-2，加上施入化肥，HS和TS处理投入C/N比分别为12.96、21.02。结果显示：NS、HS、TS处理下土壤微生物熵(MBC/SOC)的平均值分别为2.72%、2.79%、2.58%，水溶性有机碳占有机碳的比例(DOC/SOC)平均值分别为2.11%、2.06%、1.96%，表明MBC/SOC、DOC/SOC随秸秆还田量增加有减少趋势。NS、HS、TS处理下土壤碳氮比(TC/TN)平均分别为11.10、12.25、13.02，微生物量碳氮比(MBC/MBN)平均分别为13.49、10.04、9.79，表明TC/TN随秸秆还田量增加而增加，而MBC/MBN随秸秆还田量增加而减少。

图5 秸秆还田量对土壤不同碳组分平均含量的影响Fig.5 Effects on mean content of different carbon components in soil under different straw application level

2.3 秸秆还田量对麦、豆产量的影响及其相关性分析

秸秆还田对小麦、大豆产量有显著的促进作用(图6)，2016年、2017年、2018年度HS处理大豆产量较NS处理增产幅度分别为2.42%、7.55%、0.12%，平均增产3.63%，TS处理较NS处理增产幅度分别为16.43%、24.26%、18.39%，平均增产19.69%。2016年、2017年、2018年度秸秆HS处理小麦产量较NS处理增产幅度分别为7.86%、5.07%、3.38%，平均增产5.44%，TS处理小麦产量较NS处理增产幅度分别为10.10%、13.13%、7.91%，平均增产10.38%。秸秆还田对小麦、大豆的平均增产幅度分别为7.91%、11.53%。

图6 秸秆还田对小麦、大豆产量的影响Fig.6 Effects on yield of soybean and wheat by straw retention application

作物总产与小麦产量、大豆产量有显著的正相关关系，与土壤总氮含量、硝态氮含量有极显著的正相关关系，相关系数分别为0.86和0.84(表2)。大豆产量与土壤总氮、硝态氮含量有极显著的正相关关系，相关系数分别为0.94、0.85，与土壤有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳呈显著正相关关系。小麦产量与土壤中总氮含量呈极显著正相关，相关系数0.85，与土壤中硝态氮含量、微生物量碳含量呈显著性正相关，相关系数分别为0.82、0.72，与土壤有机碳、水溶性有机碳呈正相关关系。土壤中硝态氮与土壤全氮含量呈显著正相关，相关系数为0.79，与微生物量氮含量呈负相关关系，相关性系数为-0.21。

表2 土壤碳、氮组分与小麦、大豆产量相关性分析

3 讨 论

3.1 麦豆长期轮作下秸秆还田对土壤氮组分动态变化的影响

麦豆长期轮作种植模式下秸秆还田量对土壤中的氮素含量有显著影响，土壤全氮、微生物量氮层化比作为土壤演替方向的评价指标，一般情况下其值越高表明土壤质量越好[13]。秸秆还田后激发土壤微生物活性，增加了对土壤中氮的固持[14]，导致全氮含量层化比随着秸秆还田量的增加而逐渐减少，师江澜等[15]的研究结论与此相符。蔡丽君等[16]的研究表明秸秆还田使土壤全氮增加2.2%～20.0%，本研究表明秸秆还田处理下土壤全氮含量较不还田处理增加8.79%～25.00%(图2)。秸秆还田增加微生物养分能量来源和土壤有机质积累[17-18]，土壤中微生物量氮含量与秸秆还田有显著相关性[18]，本研究显示微生物量氮层化比都高于2，又在2附近，说明麦豆轮作种植模式下连续9 a的秸秆还田措施改善了土壤理化状况。土壤中硝态氮、矿质氮含量及所占比例能反映土壤氮素形态及供肥水平，本研究表明土壤中硝态氮、矿质氮含量峰值发生在秋冬季，低谷出现在小麦拔节-灌浆时期。土壤硝态氮含量及其占土壤总氮的比例随着秸秆还田量的增加而增加，原因可能是大豆秸秆中氮素含量高，腐解过程促进微生物对有机氮素矿化而造成的，合理的秸秆还田可提高土壤中有机氮的矿化速率[19]。

土壤微生物量氮在调控土壤氮素供应、提高氮肥利用效率等方面发挥了重要作用，受多种因素影响，其含量占土壤全氮的2%～7%[20]，本研究表明土壤微生物量氮含量占总氮含量的比例平均为2.58%，并随秸秆还田量的增加而增加。已有研究表明秸秆还田措施下土壤微生物量氮比对照高12.1%～60.2%[21]，本研究结果显示HS、TS处理微生物量氮含量较NS处理分别增加25.02%和34.56%。整合分析表明施用有机肥比不施肥、单施化肥土壤微生物量氮分别提高为70.2%和34.2%[22]，高于本研究的增加幅度。但由于秸秆还田对土壤微生物的激发效应，造成土壤微生物和作物之间的矿质氮竞争[23]，而Zhang等[24]的研究表明大豆秸秆还田后分解矿化速率快于土壤生物固持作用，向土壤释放氮素，表明大豆秸秆更适宜直接还田。

3.2 麦豆长期轮作下秸秆还田对土壤有机碳含量的影响

施用有机肥、秸秆还田是提升土壤有机碳密度的有效措施[25]，秸秆还田措施下土壤有机碳含量可提升8.9%～28.1%[18]，杨晨璐等[26]研究表明秸秆还田处理下土壤有机碳含量增加比例为6%～14%，本研究表明麦豆长期轮作下秸秆还田处理有机碳含量比不还田处理平均高出9.31%，与两者研究结果相符。土壤有机碳、TC/TN比值随着秸秆还田量的增加而增加，MBC/SOC、DOC/SOC、MBC/MBN随着秸秆还田量的增加而减少，说明合理的秸秆还田可以显著提高土壤有机碳储量，提高土壤固碳减排能力，过量秸秆还田促进土壤微生物繁殖，增加对矿质氮的固定，导致MBC/SOC和MBC/MBN比值随着秸秆还田量的增加而减少。而长期施用化肥且不施用有机肥会导致土壤碳氮比下降，土壤有机碳分解，土壤质地变差[27]。

土壤中水溶性有机碳、微生物量碳是影响作物生长发育的关键因素[28]。种植豆科作物并结合大豆秸秆还田可明显增加土壤中水溶性有机碳含量[29]。本研究表明麦豆长期轮作种植模式下秸秆还田使土壤水溶性有机碳含量平均增加4.34%。整合分析研究表明：秸秆还田、秸秆还田与化肥配施、厩肥、厩肥与化肥配施、平衡施肥、不平衡施肥的土壤微生物量碳平均值依次是515、464、421、385、331、274 mg·hm-2[30]，白桦、山杨和蒙古栎森林土壤微生物量碳平均含量分别为331.37、418.52 mg·hm-2和529.34 mg·hm-2[31]，作物秸秆还田措施下，旋耕耕作条件下微生物量碳含量比免耕增加33.87%～39.33%[32]，以上微生物量碳含量及增幅高于本试验检测结果，可能是不同区域的降雨、土壤类型以及归还土壤有机物不同造成的。

3.3 秸秆还田对小麦、大豆产量的影响

麦豆长期轮作种植模式下连续秸秆还田处理可增加土壤的供氮能力，激发土壤微生物活性，提高土壤供肥能力和作物产量，武际等[33]的研究报道与此相符。但很多研究者对秸秆还田是否有益作物增产意见不一致，有研究认为秸秆还田后短时间不能腐解，导致土壤“跑气漏风”，造成土壤水分不足[34]，不利于下季作物的出苗、成苗，并且病、虫、草害发生几率加大，大量秸秆腐解时微生物对土壤中矿质氮固持增大，进而引起作物产量降低的负面效应[35]。秸秆还田时配施氮肥协调土壤碳氮比，提高秸秆腐解率、作物产量及氮肥利用率[36]，等氮条件下秸秆替代化肥的比例应控制在50%以下[37]，蔡丽君等[16]研究表明豆玉轮作种植模式下60%玉米秸秆还田量较不还田处理大豆产量增产7.3%。因此合理运筹秸秆还田和优化施肥能保证土壤中氮素供应、减少损失又能满足作物的生长发育[38]。

4 结 论

作物秸秆可作为土壤氮、碳重要来源之一，小麦-大豆长期轮作种植模式下，由于豆科作物的固氮作用和秸秆还田后养分矿化，增加了土壤碳氮养分含量。与不还田相比，秸秆半量、全量还田处理土壤全氮含量分别增加10.51%、19.61%，矿物质氮含量分别增加11.58%、21.84%，硝态氮含量分别增加15.71%、26.50%，微生物量氮含量分别增加35.68%、40.77%。秸秆半量、全量还田处理土壤有机碳比不还田处理分别增加4.10%、14.58%，水溶性有机碳分别增加2.01%、6.68%，微生物量碳含量分别增加6.71%、7.67%。不同秸秆还田处理间差异显著(P<0.05)。秸秆还田提高了农田耕地质量和作物产量，土壤中硝态氮、全氮与作物产量呈极显著正相关关系(P<0.01)。