王亞寧，程振國，郭力莉，褚 嶼，葉 霞，陳 亮,2

(1.元泰豐(包頭)生物科技有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014100；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

0 引 言

土默特右旗是內(nèi)蒙古自治區(qū)的產(chǎn)糧大旗，其中玉米是當(dāng)?shù)刂饕Z食作物，在2001年-2015年，全旗玉米種植面積從2.52萬hm2增加到8.19萬hm2，到2018年，種植面積調(diào)減至7.7萬hm2，每年干秸稈產(chǎn)量約50萬t[1-2]。當(dāng)?shù)赜衩捉斩捹Y源利用率有限，除少部分用于畜牧生產(chǎn)和生活燃料外，大部分直接粉碎及翻耕還田。另外個別區(qū)域存在秸稈焚燒現(xiàn)象，對生態(tài)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響。農(nóng)作物秸稈是目前主要有機(jī)肥資源之一，秸稈還田有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累和養(yǎng)分提高，還能提供微生物所需的能源物質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物活動，加速土壤養(yǎng)分循環(huán)，從而促進(jìn)作物生長[3-5]。然而，禾本科作物的秸稈由于C/N比較高，直接還田容易發(fā)生土壤微生物與植株幼苗爭奪營養(yǎng)的矛盾，造成黃苗、死苗、減產(chǎn)等現(xiàn)象[6]，因此秸稈還田時一般需配施含氮肥料來調(diào)控碳氮比。

褐煤是一種儲量豐富且富含天然腐植酸類的物質(zhì)，但作為能源物質(zhì)利用效率較低。目前，我國大部分的褐煤等低階煤用作發(fā)電、工業(yè)燃料、液化、氣化等，這些用能模式存在資源消耗、環(huán)境污染和能耗過大等負(fù)面效應(yīng)[7-8]。吉納泰有機(jī)肥是以低質(zhì)煤(褐煤、風(fēng)化煤、草炭和泥炭)為主要原料，針對煤基物質(zhì)穩(wěn)定和難以生化利用的技術(shù)難題，通過添加專利催化劑，利用生物、化學(xué)和工程手段激活和促進(jìn)微生物活性，經(jīng)過一級酸化水解階段和二級產(chǎn)氣階段而生產(chǎn)的一種新型有機(jī)肥[9]，具有機(jī)質(zhì)含量高(≥80%)、富含中微量元素且比例協(xié)調(diào)、微生物種類豐富且活性高的特點(diǎn)和優(yōu)勢。本試驗(yàn)利用土默特右旗地區(qū)玉米秸稈和尿素、吉納泰有機(jī)肥進(jìn)行優(yōu)化組合，探究玉米秸稈調(diào)控碳氮比后施用對土壤及作物的影響，為玉米秸稈合理利用提供理論依據(jù)及生產(chǎn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為包頭市土默特右旗敕勒川現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽園(110°56′99″E，40°59′46″N)。供試土壤為栗鈣土，在施肥前采用“S”形5點(diǎn)混合取樣法，采集0～20 cm耕層土壤，土壤基本理化性狀為pH 8.1，有機(jī)碳1.0 g·kg-1，全氮0.1 g·kg-1，全磷100 mg·kg-1，全鉀1.7 g·kg-1，肥力中等偏下。

1.2 試驗(yàn)材料

吉納泰有機(jī)肥，元泰豐(包頭)生物有限公司生產(chǎn)，C/N=6.9(C 10.3%，N 1.5%)，主要產(chǎn)品指標(biāo)為：有機(jī)質(zhì)85.1%，N 1.5%，P2O52.2%，K2O 3.2%，水分25.3%，pH 6.6，全鈣9.1 g·kg-1，全鎂6.0 g·kg-1，全硫5.2 g·kg-1，全鐵10.7 g·kg-1，全錳0.17 g·kg-1，全銅24.4 mg·kg-1，全鋅65.2 mg·kg-1，全硼40.0 mg·kg-1，總砷6.7 mg·kg-1，總汞<0.1 mg·kg-1，總鎘1.2 mg·kg-1，總鉻31.0 mg·kg-1，總鉛9.7 mg·kg-1。尿素(N 46.0%)，磷酸二銨(N 18.0%，P2O546.0%)。玉米秸稈取自當(dāng)?shù)谻/N=57.0(C 54.7%，N 0.96%)。供試作物為油葵，品種為S679。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)3個處理，CK：玉米秸稈還田；T1：玉米秸稈配施尿素還田；T2：玉米秸稈配施褐煤基有機(jī)肥(吉納泰)還田。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積56.0 m2(7.0 m×8.0 m)。其中玉米秸稈曬干后粉碎為1～2 cm，用量為4 500 kg·hm-2。秸稈與吉納泰有機(jī)肥、尿素按一定比例將C/N調(diào)控為25(表1)。播種前各處理施入常規(guī)底肥尿素225 kg·hm-2、磷酸二銨225 kg·hm-2，同時按照表1用量將玉米秸稈、吉納泰有機(jī)肥、尿素一次性撒施于田中，然后進(jìn)行旋耕，無追肥。試驗(yàn)于2020年5月29日整地，6月1日覆膜播種，株距35cm，行距50 cm，種植密度不少于5.25萬株·hm-2，其余種植管理措施按當(dāng)?shù)亓?xí)慣保持一致。播種前及收獲后，按處理取混合土樣檢測土壤理化性狀。

表1 不同處理C/N調(diào)控用量Table 1 The regulation amounts of C/N ratios in different treatments

1.4 檢測項(xiàng)目與方法

土壤有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀法(日本島津，TOC-L)；pH按NY/T1377-2007測定[10]；全氮采用自動定氮儀法(NY/T1121.24-2012)測定[11]；全磷、全鉀、鈣、鎂、硼、銅、鋅、鐵、錳、鉬、鎘、鉻、鉛采用微波消解-電感耦合等離子體法測定(Thermo Fisher,iCAP7200)；砷、汞按GB/T22105.2-2008測定[12]；氯離子按照NY/T1121.17-2006測定[13]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2019和SPSS 16.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行多重比較和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對油葵農(nóng)藝性狀的影響

由表2可以看出，與CK相比，除T2處理的莖粗增加23.5%外，各處理的株高、葉片數(shù)均未產(chǎn)生顯著性差異；苗期至現(xiàn)蕾期間，油葵長勢迅速，是營養(yǎng)生長的關(guān)鍵時期，T1、T2的株高較CK分別顯著增加了9.2%、13.8%(P<0.05)，莖粗與葉片數(shù)雖有所提高，但未達(dá)到顯著差異。結(jié)果說明，玉米秸稈調(diào)控C/N后還田能促進(jìn)油葵生長，但T1與T2之間無顯著差異。

表2 不同生育期油葵農(nóng)藝性狀Table 2 Agronomic traits of oil sunflower at different growth stages

2.2 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對油葵生物量及根系長度的影響

油葵現(xiàn)蕾期時對其生物量及根系長度進(jìn)行了調(diào)查，由圖1可以看出，與CK相比，T1和T2的的根鮮重分別顯著增加了21.2%和17.0%(P<0.05)，而地上部鮮重、主根長和側(cè)根長雖有所增加，但是未達(dá)到顯著差異。

圖1 現(xiàn)蕾期油葵地上部、根鮮重及根系長度Fig.1 Fresh weights of shoot and root,and root length of oil sunflower at squaring stage

2.3 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對土壤肥力的影響

在油葵現(xiàn)蕾期和收獲期分別對土壤理化性狀進(jìn)行了分析?，F(xiàn)蕾期，土壤pH值較種植前有所升高，但各處理間無明顯差異(表3)，與CK相比，T1和T2的有機(jī)碳含量分別顯著降低了11.3%和9.0%，全氮含量分別顯著提高了13.3%、5.6%，全鉀含量均顯著提高了10.0%，另外T1全磷含量顯著提高了10.5%(P<0.05)，而T2的全磷含量則無顯著變化。收獲期，各處理土壤pH無顯著變化，T1有機(jī)碳含量較CK有所提高，但未達(dá)到顯著差異，T2有機(jī)碳和全磷含量較CK分別顯著增加了31.0%和12.4%(P<0.05)，且T2的全磷含量顯著高于T1(P<0.05)，而各處理全氮與全鉀含量均無顯著差異。結(jié)果說明，秸稈調(diào)控碳氮比還田對土壤有機(jī)碳的影響呈先降低后提高的趨勢，并且在生育中期能提高土壤氮和鉀含量，后期則趨近一致，另外T1、T2均提高了土壤磷含量，但在不同生育期對其影響不同，T1在現(xiàn)蕾期可顯著提高土壤磷含量，而T2為油葵生長后期。

表3 土壤基礎(chǔ)理化性狀Table 3 Basic physical and chemical properties of soil

2.4 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對土壤中微量元素的影響

由表4可以看出，與CK相比，中量元素中，T1的鈣、鎂含量有所降低，而T2則有所增加，但均未達(dá)到顯著差異，并且硫含量同樣無顯著差異；微量元素中，T1與T2的硼含量分別顯著提高了50.6%和37.0%(P<0.05)，而鐵、鋅含量均顯著降低，其中鐵含量分別降低了17.1%、11.4%，鋅含量分別降低了18.6%、15.4%(P<0.05)，錳、銅及氯離子含量均無顯著性差異。

表4 收獲期土壤中微量元素含量Table 4 Contents of medium and trace elements in soil at harvesting stage

2.5 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對土壤重金屬含量的影響

油葵收獲期土壤重金屬含量中(表5)，各處理之間汞、鉻含量均未達(dá)到顯著差異，T2的砷和鎘含量較CK分別顯著降低了29.0%、8.0%(P<0.05)，而T1的砷和鎘含量與CK無顯著差異，另外鉛含量大幅度上升，T1、T2鉛含量較CK分別顯著增加了42.7%和49.5%(P<0.05)。結(jié)果表明，玉米秸稈配施吉納泰有機(jī)肥可降低土壤中砷和鎘含量，但施用尿素和吉納泰有機(jī)肥調(diào)控碳氮比均會提高土壤鉛含量。

表5 收獲期土壤中重金屬含量Table 5 Heavy metal contents in soil at harvesting stage mg·kg-1

2.6 玉米秸稈碳氮比調(diào)控對油葵產(chǎn)量的影響

與CK相比，T1、T2的花盤直徑顯著增加了1.4 cm、1.5 cm(P<0.05)，同時盤粒數(shù)有所增加，但未達(dá)到顯著差異(表6)，T2千粒重顯著提高了10.5%(P<0.05)，而T1千粒重與CK、T2均無顯著差異。CK平均產(chǎn)量為2 718 kg·hm-2，T1、T2產(chǎn)量較CK分別顯著增加了12.1%和17.4%(P<0.05)。以上結(jié)果表明，通過調(diào)控玉米秸稈碳氮比，能顯著提高油葵產(chǎn)量，并且T2增產(chǎn)效果優(yōu)于T1。

表6 產(chǎn)量性狀統(tǒng)計Table 6 Statistics of yield components

3 討論

3.1 褐煤基有機(jī)肥與秸稈聯(lián)施調(diào)控碳氮比對土壤肥力的影響

秸稈施入土壤后參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)是提升土壤自然肥力的關(guān)鍵因素[14]。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，秸稈調(diào)控碳氮比后施用能提高土壤養(yǎng)分含量[3-4,15]。汪軍等[16]研究表明，適宜調(diào)控C/N還田比秸稈單獨(dú)還田更能提高土壤養(yǎng)分含量，這與本研究結(jié)果一致，主要提高了土壤氮、磷、鉀及硼含量，其原因是秸稈及肥料的施入為土壤輸入了一定的養(yǎng)分，調(diào)控碳氮比后能促進(jìn)微生物活動，加速秸稈腐化過程及礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放[17]，并且吉納泰有機(jī)肥含有較高的有機(jī)碳。侯建勛等[18]研究表明，土壤施碳后可降低土壤容重，提高土壤纖維素酶、蔗糖酶和磷酸酶活性，從而促進(jìn)土壤中有機(jī)物質(zhì)分解，提升土壤肥力。另外本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈調(diào)控碳氮比施用后降低了土壤中某些養(yǎng)分的含量，如鋅和鐵含量，這可能是由于微生物活動促使秸稈分解，纖維素和半纖維素含量逐漸降低，較難降解的木質(zhì)素含量相對增加，使秸稈呈現(xiàn)多孔的結(jié)構(gòu)，吸附了土壤及秸稈中釋放的某些礦質(zhì)元素[19]，并且土壤有機(jī)碳的提高，同樣會對某些礦質(zhì)養(yǎng)分產(chǎn)生吸持作用。

龐飛[20]通過研究秸稈還田與氮肥互作研究發(fā)現(xiàn)，秸稈配施氮肥可提高土壤有機(jī)碳含量，而李威等[21]研究結(jié)果與之相反，大部分研究僅關(guān)注了單一時期的結(jié)果，未研究不同生育期有機(jī)碳變化。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，與前人研究結(jié)果存在差異，這可能與微生物對碳源的利用相關(guān)，秸稈還田后需經(jīng)過分解才能有效增加土壤有機(jī)碳源，而調(diào)控碳氮比還田直接增加了氮源，前期微生物活動相對增加了對土壤自身有機(jī)碳的利用，因此表現(xiàn)出土壤有機(jī)碳降低，而后期隨秸稈腐化分解，有機(jī)碳含量升高。

3.2 褐煤基有機(jī)肥與秸稈聯(lián)施調(diào)控碳氮比對土壤重金屬的影響

本研究結(jié)果中，秸稈配施吉納泰有機(jī)肥后，土壤重金屬砷和鎘含量顯著降低，這可能是由于有機(jī)碳增加了土壤吸附的表面積，并且有機(jī)碳含多種官能團(tuán)，能夠吸附、絡(luò)合重金屬，進(jìn)而影響重金屬的遷移，降低重金屬的生物活性[22-23]。但本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，秸稈配施尿素或吉納泰有機(jī)肥，均大幅度提高了土壤鉛含量，而試驗(yàn)中所用尿素的鉛含量可忽略不計，同時吉納泰有機(jī)肥中的總鉛含量僅為9.7 mg·kg-1，遠(yuǎn)低于土壤中的鉛含量，可以排除外源帶入。張娟琴等[24]研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈配施氮肥與單施秸稈相比，土壤砷含量有上升趨勢，但無顯著差異。諸多研究表明，施用有機(jī)物料帶入大量的水溶性有機(jī)物，從而提高了土壤中重金屬含量，同時秸稈還田后促進(jìn)微生物活動，也會影響重金屬活性[25-26]。本試驗(yàn)中土壤鉛含量的上升可能是由于調(diào)控土壤碳氮比后，改變了某些微生物種群結(jié)構(gòu)，以離子交換、激素、分泌有機(jī)酸等形式影響了某些重金屬活性[27]。

3.3 褐煤基有機(jī)肥與秸稈聯(lián)施調(diào)控碳氮比對油葵生長的影響

秸稈直接還田通常易發(fā)生土壤微生物與作物幼苗爭奪養(yǎng)分的矛盾，造成減產(chǎn)現(xiàn)象，通過調(diào)控秸稈碳氮比，能有效提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[28]。吉納泰有機(jī)肥是以含碳礦物為主要原料生產(chǎn)的新型生物有機(jī)肥，富含有機(jī)碳并含有多種作物必需營養(yǎng)元素。前人研究表明，土壤施碳后可顯著降低土壤容重，提高土壤孔隙度[29-30]，有利于協(xié)調(diào)土壤水、氣、熱條件，為植株根系提供良好的生長空間，從而促進(jìn)根系發(fā)育，推動地上部植株生長和干物質(zhì)積累[31]，并且碳對土壤微生態(tài)環(huán)境的調(diào)控效應(yīng)與施碳量呈正相關(guān)關(guān)系，施碳量越高，效應(yīng)越強(qiáng)[32]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，有機(jī)碳功能與改善土壤性狀有關(guān)，秸稈調(diào)控碳氮比后施用能促進(jìn)油葵農(nóng)藝性狀、生物量和產(chǎn)量提升，并且配施吉納泰有機(jī)肥效果優(yōu)于尿素。

4 結(jié)論

(1)與玉米秸稈單獨(dú)還田相比，調(diào)控碳氮比后還田對土壤有機(jī)碳的影響呈先降低后提高的趨勢，并且能顯著提高土壤氮、磷、鉀及硼含量，而顯著降低了土壤鋅和鐵含量，其中配施尿素主要在油葵生育中期提高了土壤磷含量，而配施吉納泰有機(jī)肥在生育后期提高磷含量，對其它養(yǎng)分含量的影響趨勢表現(xiàn)一致。

(2)玉米秸稈配施吉納泰有機(jī)肥能顯著降低土壤重金屬砷和鎘含量，降幅分別為29.0%、8.0%，而施用尿素和吉納泰有機(jī)肥調(diào)控碳氮比均會提高土壤鉛含量，較單施秸稈分別提高了42.7%、49.5%。

(3)玉米秸稈調(diào)控碳氮比后還田可顯著提高油葵的株高、根鮮重及產(chǎn)量性狀，與單施秸稈相比，配施尿素產(chǎn)量顯著增加了12.1%，而配施吉納泰有機(jī)肥的千粒重和產(chǎn)量分別顯著增加了10.5%和17.4%。本試驗(yàn)從理論角度做了基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，證明秸稈配施吉納泰有機(jī)肥還田效果優(yōu)于尿素，但考慮有機(jī)肥用量及成本較高，可在將吉納泰有機(jī)肥與尿素按一定比例調(diào)控秸稈碳氮比還田，進(jìn)一步試驗(yàn)可行性，以此降低種植成本。