許思思，呂雪梅，周 萌，2，隋躍宇，2，焦曉光，2

（1. 黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081）

近年來，隨著糧食產(chǎn)量的提升，秸稈量也增加[1]。雖然野外焚燒秸稈被禁止，但大量秸稈仍被露天焚燒，浪費資源且污染環(huán)境[2]，因此，合理利用秸稈資源十分重要。秸稈還田作為肥料化利用的一種方式，不僅可以減少因露天焚燒而產(chǎn)生的溫室氣體[3]，而且能有效促進土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀等的積累，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[4]。但秸稈分解產(chǎn)生大量的碳，增大了土壤碳氮比，還田初期土壤中微生物會將大量有效氮固定，造成微生物與作物爭氮現(xiàn)象，影響后期作物生長[5]。氮肥的合理配施對土壤碳氮比的調(diào)節(jié)有重要作用，有助于土壤中大團聚體的形成，可促進土壤有機碳的積累[6]。

土壤有機碳決定土壤肥力，對土壤質(zhì)量的評價有重要意義[7]，但其無法全面反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在變化。土壤有機碳中的活性有機碳含量雖低但有效性高，對土壤物質(zhì)循環(huán)具有表征意義，有助于評估土壤質(zhì)量[8]。因此，通過秸稈還田等措施提高土壤碳儲量，探究有機碳的變化特征成為研究熱點。有研究表明，秸稈覆蓋還田有效促進了活性有機碳的積累，翻壓還田提高了較穩(wěn)定有機碳組分的含量[9]。尤錦偉等[10]認(rèn)為，半量和全量秸稈還田均能促進土壤有機碳及其組分的積累。WANG等[11]的研究表明，不同地區(qū)秸稈還田均會提高土壤有機碳含量。江晶等[12]的研究表明，氮素的添加能有效促進土壤有機碳、活性有機碳的積累。但王楠等[13]的研究表明，低、中、高肥力地區(qū)土壤有機碳組分對施氮水平的響應(yīng)不盡相同。

東北黑土有機質(zhì)含量高、保水保肥性好，是我國珍貴的土壤資源之一。然而隨著土地資源不斷開墾、化肥過量施用、耕作方式不合理及有機物料投入嚴(yán)重缺乏等，土壤出現(xiàn)有機質(zhì)流失、養(yǎng)分失調(diào)、肥力下降等問題[14]。面對黑土退化帶來的諸多問題，保護黑土刻不容緩。XIAO 等[15]和ZHOU 等[16]對東北黑土進行的相關(guān)研究均表明，長期秸稈還田能有效促進黑土0～20 cm 有機碳的積累；劉必東等[17]的研究表明，秸稈還田配施菌劑會增加黑土活性有機碳組分。

當(dāng)前較多研究集中于秸稈還田方式[9，18]、秸稈還田量[10，19-20]、不同區(qū)域秸稈還田等對耕地有機碳及組分影響[11]，或施氮水平對土壤有機碳及組分影響[21-22]。秸稈深埋對不同施氮水平下土壤有機碳組分及養(yǎng)分的影響鮮有報道。鑒于此，以東北黑土為研究對象，探討秸稈深埋對不同施氮水平下土壤有機碳組分及養(yǎng)分的影響，以明確東北黑土秸稈深埋條件下提高土壤肥力的氮肥施用量。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)（126.58°E、45.90°N），該地冬長夏短，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均總降雨量為569.1 mm，土壤類型為黑土，樣地土壤基本性狀見表1。

表1 樣地土壤基本性狀Tab.1 Basic properties of sample plot

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015—2020 年進行，采用裂區(qū)試驗設(shè)計，以有無秸稈深埋為主因素，以4 個施氮（純N）水平（無氮：0 kg/hm2；低氮：135 kg/hm2；中氮：180 kg/hm2；高氮：225 kg/hm2）為副因素，3次重復(fù)。每年秋天玉米收割后，將玉米秸稈粉碎后深埋，秸稈粉碎為2 cm 左右的小段，還田量為7 500 kg/hm2，還田深度為土層35 cm以下。2020年試驗玉米品種為禾豐6 號，種植密度為4 000～5 000 株/hm2。試驗所用肥料[氮肥為尿素（N，46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5，12%），鉀肥為硫酸鉀（K2O，50%）]及施肥量見表2。玉米于2020年5月5日栽種，9月30日收獲，整個時期管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

表2 2020年試驗所用肥料及施肥量Tab.2 fertilizer and fertilizer amount used in the test in 2020

1.3 樣品采集及測定

2020 年9 月30 日按照五點取樣法采集各個小區(qū)0～20 cm 的土壤，土壤樣品分成2 份。一份新鮮土樣于4 ℃冰箱中儲藏，用于測定可溶性有機碳（DOC）含量。另一份風(fēng)干，其中一部分研磨、過1 mm篩，用于測定易氧化有機碳（ROC）含量、輕組有機碳（LFOC）含量和顆粒有機碳（POC）含量；另一部分研磨過0.25 mm 篩，用于測定總有機碳（SOC）含量、全氮（TN）含量、全磷（TP）含量、全鉀（TK）含量。

采用元素分析儀（Vario EL Ⅲ型，德國）測定全碳、TN含量，由于供試土壤不含無機碳，全碳含量即為SOC 含量；采用酸溶-鉬銻抗比色法測定TP 含量[23]；采用氫氧化鈉熔融法測定TK 含量[24]；采用高錳酸鉀氧化比色法測定ROC 含量[25]；采用重液分離法測定LFOC 含量[25]；采用六偏磷酸鈉分散法測定POC含量[26]；采用浸提提取法測定DOC含量[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、SPSS 22.0 對數(shù)據(jù)進行分析處理，并用OriginPro 2019和R 4.0.2繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈深埋配施氮肥土壤總有機碳及組分變化特征

由表3可知，與無秸稈處理相比，相同施氮量下秸稈深埋處理土壤SOC、LFOC、ROC、DOC含量均提高，增幅分別在2.45%～10.96%、8.76%～70.50%、1.72%～2.54%、47.53%～64.21%。其中，SOC、LFOC、DOC 含量差異達顯著水平（P＜0.05）。秸稈深埋會降低POC 的含量，下降幅度在4.45%～15.31%（P＞0.05）。

表3 秸稈深埋不同施氮水平土壤有機碳及有機碳組分含量Tab.3 Contents of soil organic carbon and organic carbon components at different nitrogen application levels with straw deep burial

無秸稈深埋處理，施氮會提高土壤SOC、DOC含量，呈現(xiàn)隨施氮量的增加先提高后降低的變化規(guī)律，增幅分別在12.52%～21.26%（P＜0.05）、5.42%～21.88%（P＞0.05）；與無氮相比，LFOC 含量隨施氮量的增加先提高后降低，低氮和中氮條件下分別顯著提高23.28%、7.92%（P＜0.05），高氮條件下則顯著降低8.23%（P＜0.05）。隨施氮量的提高POC 含量先降低后提高，低氮和中氮條件下分別降低10.66%、16.47%，高氮條件下提高6.58%，但與無氮相比差異都未達顯著水平（P＞0.05）。隨施氮量的增加ROC含量降低，下降幅度在5.26%～8.84%（P＜0.05）。

秸稈深埋處理，施氮會提高土壤SOC、DOC 含量，呈現(xiàn)隨施氮量的增加先提高后降低的變化規(guī)律，增幅分別在5.56%～11.96%（P＜0.05）、10.87%～18.66%（P＞0.05）；施氮會降低土壤LFOC、POC 含量，呈現(xiàn)隨施氮量的增加先降低后提高的變化規(guī)律，降幅分別在19.71%～31.10%（P＜0.05）、5.53%～17.41%（P＞0.05）。與無氮相比，ROC 的含量隨施氮量的增加反而降低，下降幅度在4.75%～8.75%（P＜0.05）。

秸稈深埋配施氮肥對土壤有機碳組分含量影響的雙因素分析結(jié)果表明，秸稈深埋對SOC 含量、LFOC 含量和DOC 含量有極顯著影響（P＜0.01）；施氮水平對SOC 含量、LFOC 含量和ROC 含量有極顯著影響（P＜0.01），對POC 含量有顯著影響（P＜0.05）；施氮水平×秸稈深埋對LFOC 含量有極顯著影響（P＜0.01），對SOC含量有顯著影響（P＜0.05）。

2.2 秸稈深埋配施氮肥土壤養(yǎng)分含量變化特征

由圖1可知，與無秸稈深埋處理相比，相同施氮量下秸稈深埋會提高土壤TN 含量，無氮、低氮、中氮、高氮水平下增幅分別為3.71%、2.43%、2.05%、2.34%（P＞0.05）。無論有無秸稈深埋，土壤TN 含量均隨施氮量的增加而提高。與無氮相比，無秸稈深埋處理低氮、中氮、高氮水平下增幅分別為1.57%（P＞0.05）、5.02%（P＜0.05）、6.24%（P＜0.05）；秸稈深埋處理低氮、中氮、高氮水平下TN 含量增幅分別為0.31%（P＞0.05）、3.34%（P＞0.05）、4.83%（P＜0.05）。

圖1 秸稈深埋配施氮肥土壤養(yǎng)分含量Fig.1 Soil nutrient content of straw deep burial combined with nitrogen fertilizer

與無秸稈深埋處理相比，相同施氮量下秸稈深埋會降低土壤TP 含量，無氮、低氮、中氮、高氮水平下 降 幅 分 別 為3.62%、2.29%、3.28%、0.30%（P＞0.05）。無論有無秸稈深埋，土壤TP含量均隨施氮量的增加而降低。與無氮相比，低氮、中氮、高氮水平下，無秸稈深埋處理分別顯著下降4.47%、6.74%、8.71%（P＜0.05）；秸稈深埋處理分別顯著下降3.14%、6.40%、5.57%（P＜0.05）。

與無秸稈深埋處理相比，相同施氮量下秸稈深埋對土壤TK 含量的影響無一致變化規(guī)律，無氮水平下增幅為2.09%（P＞0.05），低氮、高氮水平下降幅分別為4.77%、0.95%（P＞0.05），中氮水平下無變化。無論有無秸稈深埋，土壤TK 含量均隨施氮量的增加而提高。與無氮相比，低氮、中氮、高氮水平下，無秸稈深埋處理增幅分別為9.37%、10.41%、11.47%，其中，中氮、高氮水平下差異達顯著水平（P＜0.05）；秸稈深埋處理增幅分別為2.02%、8.14%、8.14%（P＞0.05）。

2.3 秸稈深埋條件下總有機碳與有機碳組分及土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析

由圖2 可知，無秸稈深埋處理LFOC 含量與ROC、TP 含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；與SOC、TK 含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。ROC含量與TP含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與SOC、TN 含量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。DOC含量與TK 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。SOC含量與TN 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與TK含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與TP含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。TN 含量與TP 含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。TP 含量與TK 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

圖2 無秸稈深埋條件下有機碳與有機碳組分及土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of organic carbon，organic carbon components and soil nutrients under the condition of no straw

由圖3 可知，秸稈深埋處理POC 含量與DOC 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。ROC 含量與TP 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與SOC、TN 含量均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。DOC 含量與SOC、TK含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。SOC 含量與TK 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與TP 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

圖3 秸稈深埋條件下有機碳與有機碳組分及土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of organic carbon，organic carbon components and soil nutrients under the condition of straw deep burial

3 結(jié)論與討論

土壤有機質(zhì)是反映耕地質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)，糧食作物秸稈能為耕地供應(yīng)大量的有機質(zhì)[28]。本研究結(jié)果表明，與無秸稈深埋相比，秸稈深埋能顯著提高土壤SOC 含量，這與張莉等[29]的研究結(jié)果一致。但吳榮美等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對土壤SOC 含量無顯著影響，這可能是因為本研究的土壤類型為黑土，土壤肥力較高所致。LFOC 主要是游離態(tài)的有機碳，由植物碎片、植物根系和木炭等部分組成[31-32]。王毅等[33]的研究表明，小麥秸稈還田對煙田土壤LFOC 含量的提升無明顯作用；本研究結(jié)果則表明，秸稈深埋能顯著提高土壤LFOC 含量。這可能是玉米秸稈分解后產(chǎn)生的養(yǎng)分更多，且本研究樣地的基本有機碳含量較高所致。DOC 只是有機碳總量的一小部分，但它是生物碳庫中最活躍的組分之一[34-35]，可因土壤生物生理分泌、秸稈分解和微生物死亡等過程而積累[36]。盧萍等[37]的研究表明，小麥秸稈還田促進了水稻生育期前2 個月DOC的積累，其后影響不明顯。這與本研究結(jié)果有所不同，可能是本研究種植的是玉米，未受到水稻種植期間水淹過程DOC 含量減小和流失的影響。秸稈還田能有效改善土壤肥力，戴伊莎等[38]的研究表明，玉米秸稈覆蓋能明顯提高土壤中TN 和TP 含量，這與本研究結(jié)果不同，可能與本研究中長期采用單一的耕作方式和秸稈還田方式有關(guān)。

在植物的生長發(fā)育過程，氮具有非常重要的作用[39-40]，外源氮的添加有利于植物的生長，一定程度上能提高土壤肥力。本研究結(jié)果表明，施氮會顯著提高土壤SOC 含量，這與張世漢等[41]的研究結(jié)果基本一致。土壤中的氮被水溶解后才能被植株有效吸收利用，過多的氮則會加重水分的損失，降低土壤含水率，致使植株對氮的利用量大大減少[42]。本研究結(jié)果表明，秸稈深埋條件下施氮會顯著降低土壤LFOC 的含量，這與王楠等[13]的研究結(jié)果相似。這是因為秸稈本身含有一定的氮，還田后會提高土壤中氮的濃度，此時氮肥的增施會加速LFOC 的礦化損失，降低土壤LFOC 含量。本研究結(jié)果表明，氮的添加會顯著降低ROC 含量，這與習(xí)單等[43]的研究結(jié)果一致；但也有研究表明，施氮對ROC 含量無顯著影響[44]，這可能是研究的土壤類型不一樣所致。本研究結(jié)果表明，秸稈深埋條件下施氮會提高土壤TN 含量，但只有高氮條件下差異達到了顯著水平，這與李春梅等[45]的研究結(jié)論不完全一致，可能是研究的試驗地基本性質(zhì)、環(huán)境、耕作方式等不同所致。郝宇[46]的研究表明，施氮對土壤TP 含量無明顯影響，本研究結(jié)果則表明，秸稈深埋條件下施氮會顯著降低土壤TP含量，這可能與研究的作物及秸稈種類不同有關(guān)。

相關(guān)分析結(jié)果表明，秸稈深埋增大了SOC 含量與DOC 含量的相關(guān)性，并使其相關(guān)達到顯著水平，秸稈深埋提高了土壤SOC 含量的同時也提高了DOC 含量，但兩者間的耦合關(guān)系還需進一步論證。秸稈深埋減小了SOC 含量與LFOC、ROC、POC、TN、TP、TK 含量的相關(guān)性，這可能是LFOC、ROC、POC、TN、TP、TK 含量相對SOC 含量來說較低，當(dāng)秸稈深埋顯著提高土壤SOC 含量時，相互間差異更大所致。

綜上，秸稈深埋會顯著提高土壤SOC、LFOC、DOC 含量，對土壤POC、ROC 含量影響不顯著。秸稈深埋條件下，施氮會顯著提高土壤SOC 含量，配施180 kg/hm2氮肥時土壤SOC 含量達最高，為21.31 g/kg；施氮顯著降低土壤LFOC、ROC的含量，氮肥為0 kg/hm2時，土壤LFOC 和ROC 含量最高，分別為356.12、499.56 mg/kg；施氮對POC 和DOC 影響不顯著。秸稈深埋對土壤TN、TP 和TK 含量影響不大。秸稈深埋條件下，施氮會顯著降低土壤TP 含量，提高土壤TN 和TK 含量，但只有配施高氮時秸稈深埋會顯著提高土壤TN 含量。秸稈深埋增大了SOC 與DOC 的相關(guān)性，減小了SOC 與其他有機碳組分及TN、TP、TK 的相關(guān)性。綜合考慮，推薦秸稈深埋配施純N 180 kg/hm2，此時更有利于提高土壤有機碳含量，提高土壤肥力。