秸稈顆粒化高量還田快速提高土壤有機碳含量及小麥玉米產量

叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成

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秸稈顆粒化高量還田快速提高土壤有機碳含量及小麥玉米產量

叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成※

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

針對黃淮海地區秸稈還田難度大不利于土壤快速培肥的問題，探討秸稈顆粒化高量還田快速提高土壤有機碳的可行性。采用2a的田間定位試驗，設置秸稈不還田（CK）、秸稈顆粒12 000kg/hm2（KL1）、秸稈顆粒36 000 kg/hm2（KL3）、粉碎秸稈12 000 kg/hm2（FS1）、粉碎秸稈36 000 kg/hm2（FS3）5種用量30～40 cm還田處理，研究了顆粒化秸稈高、低量還田對土壤有機碳、養分元素比例平衡以及小麥-玉米產量的影響。結果表明，秸稈還田2a內對>20～40、>40～60 cm土層有機碳含量影響顯著，其中FS1提升幅度最低，分別為7.2%（>20～40 cm）、5.9%（>40～60 cm），KL3提升幅度最高，分別為12.3%（>20～40 cm）、11.1%（>40～60 cm）。與粉碎還田相比，秸稈顆粒化還田能在還田1a顯著提高土壤有機碳含量，KL3較FS3 >20～40、>40～60 cm土壤有機碳分別提高1.7%、1.3%，KL1較FS1 >20～40、>40～60 cm分別提高0.8%、0.7%。另外，高量還田具有大幅提高有機碳的優勢，FS3較FS1分別提高>20～40 cm土壤有機碳1.7%～3.9%、>40～60 cm 土層有機碳0.7%～3.8%，KL3較KL1分別提高>20～40 cm有機碳2.4%～4.7%、>40～60 cm土層1.3%～5.1%。秸稈顆粒高量還田（KL3）在各生長季均具有較高的有機碳累積速率，且總體均值最高。秸稈顆粒化高量還田能在一定程度上提高土壤碳氮比（RCN）、碳磷比（RCP）、碳鉀比（RCK），促使土壤養分比向高肥力方向轉化。該試驗中秸稈顆粒化高量還田連續4個生長季增產4.57%、11.40%、10.87%、8.87%，增產效果顯著。綜上可見，秸稈顆粒36 000 kg/hm2深埋還田最有利于黃淮海地區土壤有機碳的提高，在解決土壤“碳饑餓”等問題、保障農業可持續發展上具有重要意義。

秸稈；土壤；有機碳；顆粒化；養分元素平衡；產量

0 引 言

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）占土壤有機質的60%～80%，是土壤的重要組成部分，土壤有機碳含量每增加1 g/kg時，華北地區夏玉米與冬小麥輪作產量可增加約454 kg/hm2[1]，其在土壤肥力、環境保護、農業可持續發展等方面均起著極其重要的作用[2-3]。近些年來，黃淮海平原潮土地區由于長期施用化肥，加之土地重用輕養，導致“碳饑渴”問題出現，有機碳營養與其他養分比例失衡[4]。許多研究表明，秸稈還田是提升土壤有機碳的有效手段，秸稈中含有C、N、P、K等營養元素，施入到土壤中可以培肥土壤[5]，最終提高作物產量。但是目前秸稈還田普遍采用4 500～6 000 kg/hm2的用量[6]，僅能起到穩定土壤有機碳含量的作用，對于體積大、數量多，腐解速率慢[7]的玉米秸稈，還田后不利于有機碳的快速積累，因此亟需尋找秸稈還田提升有機碳的新途徑。

國內外學者普遍認為加快秸稈的腐解速率是快速提高土壤有機碳的途徑之一，在秸稈還田的同時加入微生物腐熟劑，或者通過堆漚的方式提高微生物數量，從而加快秸稈腐爛以提高土壤有機碳[8-9]；再者，提高秸稈粉碎程度也可以促進腐解[10]，玉米秸稈以5～8 cm長的小段進行還田后更利于腐爛，也易于覆蓋[7]。此外，合理的增加秸稈還田量也是提高土壤有機碳的有效途徑，在大幅增加土壤有機碳[11]的同時，緩解秸稈焚燒帶來的環境污染問題。但是這些還田方式大多操作不便，還田方式不成熟，或者秸稈與土壤結合性不好，不利于快速增加土壤有機碳。

為提高秸稈腐解速率，課題組前期研制了秸稈顆粒化產品，將秸稈粉末擠壓制成秸稈顆粒，其堆積密度約為常規粉碎秸稈的5倍，具有體積小、施用方便、與土壤接觸性好的優點[12]，為解決大量秸稈的消納問題提供新的技術手段。前期的室內盆栽試驗研究表明秸稈顆粒與粉碎秸稈相比可顯著提高腐解速率，尤其在快速腐解期可提高31.68%，培養結束后C和N的累積釋放率也較粉碎秸稈提高11.0和13.2個百分點[12]，此外，微區試驗也表明，當以6 000 kg/hm2進行淺耕還田時能較粉碎秸稈更快、更高地增加土壤有機質含量[13]，提高籽粒產量，具有較高的年均凈收益。然而當下的旋耕模式使得秸稈還田量受限，許多研究表明，常規粉碎秸稈旋耕還田量在50%[14]或75%左右[15]時不影響作物出苗同時能較快增加土壤有機碳，也有研究表明全量還田對土壤有機碳提升幅度增大[16]固碳效應增強[17]，但成倍增加秸稈用量對土壤的增碳培肥效果研究較少，對于極具增量還田潛力的秸稈顆粒新產品的培肥增產效果更是鮮有報道。鑒于此，本試驗突破旋耕還田的制約，采用可消納大量秸稈的深埋（40 cm）還田方式，將秸稈顆粒還田與常規粉碎秸稈還田進行比較，設置高、低2種用量，以秸稈不還田為對照（CK），研究秸稈高量還田對不同土層土壤有機碳的提升效果，并從C與N、P、K的比例變化上探究秸稈還田后對養分元素平衡的影響，為快速提高土壤有機碳提供科學指引，同時也為秸稈資源的高效利用找到新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014—2016年在山東省德州市德城區黃河涯鎮的德州市農業科學研究院試驗園區（116°18′E、37°27′N）進行。該地區是典型的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。年均氣溫13.4 ℃，≥10 ℃的年均積溫4 621 ℃，無霜期205 d，年降雨量510 mm，主要集中在7―9月，試驗期間降水量以及溫度狀況如圖1。供試土壤為黃潮土，肥力均勻，試驗前0～20 cm土層土壤基礎理化性質為：pH值=7.76，有機質12.96 g/kg，全氮0.78 g/kg，堿解氮40.65 mg/kg，有效磷3.68 mg/kg，速效鉀128.38 mg/kg。

圖1 試驗期間日平均降雨量和日平均氣溫（2014—2016年）

1.2 試驗材料

粉碎秸稈收集于2014年冬小麥以及夏玉米收獲后的地上部分，自然風干后，一部分用9CFZ-680型粉碎機粉碎至6～10 cm，貯存于干燥室作為粉碎秸稈；另一部分風干的小麥及玉米秸稈按照質量比1∶1混合，再用HC-2000型粉碎機研磨過2 mm篩，隨后添加30%～35%的蒸餾水攪拌均勻，經過FTHBCX350型飼料顆粒機常溫擠壓，制得直徑4 mm、長度為4～6 cm的棒狀圓柱體，冷卻風干后存放于干燥室作為小麥+玉米秸稈顆粒。粉碎秸稈和秸稈顆粒的堆積密度分別為26.44和242.93 kg/m3。

1.3 試驗設計

研究采用微區試驗，微區土池于2013年10月5日開始修建，前茬玉米收獲后，清除地上所有秸稈和根茬，每個微區四周挖深40 cm、寬10 cm的溝槽，放置300 cm′6 cm′55 cm（長′寬′高）的水泥板，其內側鋪設2層塑料薄膜，“U”釘固定在水泥板上，小區間隔50 cm，防止小區間相互影響，微區面積9 m2（3 m×3 m）。試驗布置于2014年10月冬小麥播種前進行，首先將微區內0～20、>20～40 cm土層分別人工挖出，再將收集起來的小麥及玉米秸稈以1∶1的比例混勻，一次性還于土池內，具體試驗處理以及用量如表1所示，最后將挖出的土壤按土層移回池內，以此實現40 cm深埋還田處理，試驗期間不再進行任何秸稈還田，其中對照采用秸稈不還田（CK）處理。

表1 不同處理的秸稈還田方式與用量

試驗時間為2014年11月冬小麥播種至2016年9月夏玉米收獲，共2 a 4季。微區秸稈深埋布置完畢后，每個小區均勻撒施等量基肥，純N、P2O5、K2O分別為105、120和105 kg/hm2，用鐵锨混勻各小區0～15 cm土層土壤，耙平地表，灌水750 m3/hm2。供試小麥品種為濟麥22，于2014年11月7日人工點播，行距20 cm，播量225 kg/hm2，拔節期追施純N 69 kg/hm2，灌水750 m3/hm2。夏玉米品種為鄭單958，行距60 cm，株距20 cm，種植密度為90 000株/hm2，施用控釋肥750 kg/hm2，NPK比例為28∶6∶6，大口期追施尿素300 kg/hm2，在播種后、大口期進行2次灌溉，每次灌水量750 m3/hm2。其他管理措施同當地常規種植。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤有機碳及養分含量測定

分別于2015年、2016年冬小麥、夏玉米成熟期，按照對角線法用不銹鋼土鉆分別采取0～20、>20～40、>40～60 cm土層的土樣，剔除可見的掉落物和根系后，風干過篩，進行土壤理化指標的測定，其中，土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏法測定；堿解氮采用擴散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法；速效鉀采用火焰光度計法[18]。

1.4.2 作物測產

小麥玉米測產采用實打實收方式，各小區人工收獲，脫粒風干，記錄產量。

1.5 數據分析

利用Excel 2016和SAS 9.2軟件進行方差分析及Pearson相關分析，用LSD法進行多重比較（<0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤有機碳含量的提升作用

2.1.1 秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

表2為秸稈還田2a不同處理下3個土層SOC的變化情況。比較發現，秸稈還田后對0～20 cm SOC影響較小，僅在第2年末秸稈還田處理使得SOC顯著提高，這與有機碳在土壤中的緩慢擴散有關。秸稈還田處理下>20～40、>40～60 cm土層SOC顯著高于秸稈不還田處理，且隨著時間延長秸稈還田處理與CK間的差異逐漸增大，從>20～40 cm土層看，在2015年6月FS1較CK差異不顯著，而KL3增幅最大，為5.6%（<0.05），而到2016年10月，FS1增幅7.2%（<0.05），KL3增幅12.3%（<0.05）；從>40～60 cm土層看，同樣表現為FS1在第1季差異不顯著，而KL3增幅最大，為2.8%（<0.05），還田2a后FS1則較CK增加5.9%（<0.05），KL3為11.1% （<0.05），這表明秸稈還田后隨著時間的增加有機碳逐漸積累，而秸稈不還田的土壤因缺少碳源補充使得土壤有機碳只礦化消耗而不累積增加，最終造成二者土壤有機碳含量差異逐漸增大。此外，與CK相比，>20～40 cm土壤有機碳的增幅高于>40～60 cm，這可能因為與有機碳積累相關的土壤微生物隨土層加深而減少[19]。

2.1.2 不同秸稈形態對土壤有機碳的影響

對相同用量不同秸稈處理方式進行比較可以看出（表2），當還田量為36 000 kg/hm2時，顆粒還田>20～40 cm土層SOC在4個生長季分別高于粉碎還田1.3%、1.7%（<0.05）、1.6%、1.0%，>40～60 cm土層下分別高于粉碎還田 0.9%、1.3%、2.2%（<0.05）、1.1%；以12 000 kg/hm2還田時，顆粒處理的SOC含量最高較粉碎處理增加0.8%（>20～40 cm）、0.7%（>40～60 cm），但差異不顯著。與粉碎秸稈相比較，顆粒高量還田對SOC提升幅度表現為先升高后降低，且在第2、3個生長季與FS3差異顯著，這表明秸稈顆粒能在還田后迅速表現出對有機碳的提升作用，粉碎秸稈還田則需經過較長時間腐解才能積累相當量的有機碳。當秸稈還田量低時，供腐解微生物利用的碳源少，秸稈腐解期隨之縮短，因此KL1的SOC含量僅在還田1a內高于FS1。

表2 不同處理下各生長季土壤有機碳含量及有機碳增長率

注：小寫字母代表同一土層不同處理間進行差異比較，差異分析在<0.05的顯著性水平, 下同。

Note:Lowercase letters represent differences between treatments in the same soil layer at level of 0.05. The same below.

2.1.3 不同秸稈用量對土壤有機碳的影響

當秸稈處理方式相同時，比較不同用量對SOC的影響可以看出（表2），在>20～40 cm土層，FS3的SOC含量在4個生長季較FS1分別提高2.1%、1.7%、2.7% （<0.05）、3.9%（<0.05），>40～60 cm土層分別提高1.1%、0.7%、1.5%（<0.05）、3.8%（<0.05）；而KL3在>20～40 cm土層SOC分別高于KL1處理2.4%、2.5% （<0.05）、4.7%（<0.05）、4.7%（<0.05），>40～60 cm土層提高1.3%、1.3%、3.8%（<0.05）、5.1%（<0.05），這表明秸稈處理方式相同時，增大用量可以顯著提高SOC，且增幅隨著還田時間逐漸增大，這可能是因為低量還田所投入的碳源少，后期有機碳累積量低，而高量處理由于秸稈量大，微生物需要較長時間腐解，促使有機碳不斷積累。由此可見，一次性秸稈高量還田后可在2a內使土壤有機碳持續增長，兼具省時省力、培肥土壤的雙重優點。

2.1.4 不同處理對土壤有機碳累積速率的影響

表3為5個處理下>20～40、>40～60 cm土層SOC在4個生長季的累積速率，由表3可見從2014年10月到2015年6月>20～40、>40～60 cm SOC的累積速率KL3最高，FS3、KL1、FS1次之，均顯著高于CK，可見用秸稈顆粒高量還田后的第1個生長季即表現出SOC的迅速累積；從2015年6月到2015年10月各秸稈還田處理的SOC累積速率均顯著高于CK（<0.05），各秸稈還田處理的SOC累積速率進入平穩上升期；從2015年10月到2016年6月的SOC累積速率表現為>20～40 cm土層FS3與KL3最高，FS1次之，均顯著高于KL1與CK，>40～60 cm土層KL3、FS3、FS1顯著高于KL1與CK，表明該階段隨著腐殖化程度加深，高量還田下有機碳的長期積累效應開始凸顯；從2016年6月到2016年10月的SOC累積速率表現為>20～40 cm土層FS3最高（<0.05），>40～60 cm土層FS3與KL3顯著性最高（<0.05），表明粉碎秸稈腐解的滯后性使其在后期能積累一定量的有機碳。從4個生長季各處理的SOC平均累積速率來看，各土層均以KL3最大，且高量還田顯著高于低量，說明試驗期間有機碳的累積速率受秸稈用量影響更大。

2.2 不同處理下土壤SOC與TN、TP、TK比例關系

土壤內部碳氮磷鉀養分元素的化學計量比也是反映土體內養分循環的主要指標[16]，秸稈還田后SOC大量增加，會對養分元素比例平衡造成影響。通過對不同處理下各生長季的土壤碳氮比（CN）、碳磷比（CP）、碳鉀比（CK）的比較分析如圖2所示。

表3 不同處理下土壤有機碳的累積速率

圖2 不同生長季碳氮比（RCN）、碳磷比（RCP）、碳鉀比（RCK）在3個土層的分布

2.2.1CN變化

2015年6月秸稈還田對>20～40、>40～60 cm土層影響顯著，其中高量還田較CK顯著提高土壤CN9.8%（<0.05）左右，低量還田與CK差異不顯著，高、低量之間亦無顯著差異；2015年10月秸稈還田對0～20、>40～60 cm土層CN無顯著影響，僅>20～40 cm FS3處理的CN顯著高于CK 5.5%（<0.05）；2016年6月各處理對CN影響均不顯著；2016年10月除FS3處理在>40～60 cm土層與CK差異不顯著外，各秸稈還田處理的CN均顯著高于CK（<0.05）。可見，秸稈還田初期土壤CN變化較大且提高顯著，隨著還田時間的延長，各處理CN較CK無顯著差異，這可能與該階段氮元素的大幅提升有關，到還田第2年末，CN又開始顯著增加，這與秸稈完全腐解后有機碳的大幅積累有關。

2.2.2CP變化

2015年6月0～20 cm土層CP表現為FS3、FS1顯著高于KL1，但均與CK無顯著性差異；>20～40 cm土層則表現為KL3、FS1處理的CP最高，顯著高于CP最低的FS3處理（<0.05），但二者與CK均無顯著差異；>40～60 cm土層KL1、KL3、FS1處理的CP顯著高于CK與FS3（<0.05），可見在還田初期KL3與FS1對土壤CP有顯著調節作用。2015年10月0～20 cm土層CP僅KL1、KL3處理顯著高于CK（<0.05），>40～60 cm土層則是KL3的CP顯著高于CK與FS3（<0.05），可見該段時期內KL3處理土壤CP仍較高。到2016年6月秸稈還田處理使得3個土層的CP小幅降低，KL3處理對>20～40 cm土層的CP雖有6.3%的提高但差異不顯著。2016年10月僅KL3處理0～20、>20～40 cm的CP顯著高于CK9.2%、12.3%（<0.05）。由此可見，KL3處理在各生長季均有利于CP的提高，且隨還田時間的延長，CP也經歷了升高降低再升高的過程，這可能與秸稈還田后增加了磷的有效性促進作物對磷素的吸收有關。

2.2.3CK變化

4個生長季各處理CK均與CK差異不顯著，僅2015年10月KL3與FS3處理的CK顯著性水平最高，這可能與秸稈鉀含量較高有關。綜上可見，秸稈還田對土壤CN、CP影響較顯著，還田處理可提高土壤CN，標志土壤肥力的提升；KL3處理更能促進碳、磷之間的平衡。

2.3 不同處理對作物實際產量的影響

由表4可以看出，秸稈高量還田的作物產量顯著高于低量還田，產量增幅約是低量還田的2～3倍；秸稈顆粒還田下作物產量要高于粉碎秸稈還田，還田前期，粉碎秸稈還田出現減產，隨著生長季的延長，增幅差距逐漸縮小，表明當秸稈還田量一致時，還田時間越長，對產量的影響差異越小。KL3處理下顯著提高作物產量，2個小麥季分別增產4.57%、10.87%，2個玉米季分別增產11.40%、8.87%，4個生長季產量均值最高。

2.4 各指標的相關性分析

對4個生長季的作物產量與土壤有機碳（SOC）、土壤全氮（soil total nitrogen，STN）、全磷（soil total phosphorus，STP）、全鉀（soil total potassium，STK）、CN、CP、CK各指標進行相關性分析（表5），作物產量與其他養分指標以及元素間比例均成正相關關系，其中與SOC有極顯著正相關，與STN以及CK有顯著正相關，這說明在養分指標中SOC與STN對產量的形成有較明顯作用，CN、CP、CK均與產量有正相關關系，這與SOC的明顯提高有關。此外土壤養分含量與其比例關系間亦有相關性，SOC與STN極顯著正相關，與STP顯著正相關，STN與STP極顯著正相關，與CP顯著負相關，STP與CP極顯著負相關，STK與CK極顯著負相關，由此看出，STN、STP、STK養分間互成正相關關系，而STN、STP、STK分別與CN、CP、CK成負相關關系，這表明各養分的增長具有協調性，秸稈還田后在形成土壤有機碳的同時也刺激了原有土壤有機質的礦化，使得各養分均有增加，但由于秸稈含碳量顯著高于其他養分元素含量，對有機碳含量增幅影響更大，使得CN、CP、CK升高。

表4 不同處理下的小麥-玉米產量

表5 土壤養分含量與作物產量的相關性分析

注：STN為土壤全氮，STP為土壤全磷，STK為土壤全鉀。**代表相關程度在<0.01顯著性水平，*代表相關程度在<0.05顯著性水平。

Note: STN is soil total nitrogen, STP is soil total phosphorus, STK is soil total potassium. **means the significant correlation at<0.01, * means the significant correlation at<0.05.

3 討 論

3.1 秸稈顆粒高量還田對土壤有機碳的快速提升作用

玉米、小麥秸稈約含有40%～50%的碳元素，是土壤有機碳的重要來源[20]。本研究表明，秸稈還田后使土壤有機碳在6.14～6.35 g/kg間緩慢提升，而不進行秸稈還田時土壤有機碳每年約以0.08 g/kg速率下降，其中，秸稈顆粒化高量還田的有機碳的增幅以及平均有機碳累積速率最高，表明秸稈顆粒化還田方式能在短期內加快有機碳的形成，這與秸稈處理方式以及還田用量均有關系。

秸稈顆粒化還田由于秸稈粉碎化程度加大從而加快腐解速率，在短期內生成更多有機碳。玉米秸稈表皮組織主要是硅細胞和木栓細胞，含有較多微生物難以分解的硅化物和蠟質[21]，而秸稈在顆粒化的過程中破壞了秸稈的原始組織結構，將難分解的纖維素、半纖維素、木質素等人為斷鏈，使之與土壤的接觸面積大大增加，利于微生物附著腐解[22-23]，從而加快腐解過程，在相同時間內形成更多腐殖質，這是有機質產生的重要環節。這與Koullas等[10]的觀點相一致，他認為提高秸稈的粉碎程度可以促進腐解，朱玉芹等[7]也指出將秸稈切成5～8 cm的小段比10～20 cm的大段粉碎秸稈更加容易腐解，且易于施用，分布較均勻。但徐萌等[24]并不認為秸稈高量還田后在前期能夠大幅提高土壤有機碳，她指出大量秸稈還田后改變了微生物環境，不利于有機碳形成，本研究秸稈顆粒化還田在第1個小麥季就表現出對有機碳的顯著提升，除與物理粉碎有關外，還可能與施用的秸稈中有一半是易腐解的小麥秸稈有關。

采取直接進樣的方式，將目標物標準溶液注入質譜，分別進行正離子模式和負離子模式全掃描檢測，得到一級質譜圖和準分子離子峰，再用惰性氣體氮氣攻擊該母離子，獲得其二級質譜圖及相應的子離子。結果表明，在負離子模式下響應值及靈敏度均高于正離子模式，因此，本方法選擇負離子電離模式。利用多反應監測模式（MRM）對選定的定性離子和定量離子對碎裂電壓、碰撞能、保留時間、碰撞池加速電壓等質譜參數進行優化，使各監測離子豐度和信號達到最佳。負離子模式下的質譜分析參數見表1。

不少學者的研究也證實了增加秸稈用量可提高土壤有機碳含量，鐘杭等[25]研究秸稈連續2a還田后，全量與半量還田分別較秸稈不還田提升土壤有機質7.09%、5.87%，路文濤等[26]進行了3a的秸稈還田試驗發現秸稈以13 500 kg/hm2還田要較4 500 kg/hm2還田大幅提高土壤總有機碳含量，徐萌等[24]研究發現3～5 cm的粉碎秸稈以18 000 kg/hm2還田時能更顯著地提高土壤有機質以及全氮含量，這與本研究的增幅效果近似。這主要是因為秸稈的碳氮比（65～85）較高，土壤的碳氮比（10～12）偏低，將含碳量低的土壤有機碳和含氮量低的植物殘體混合時使碳氮比接近于適宜微生物生長的碳氮比，能加快秸稈的分解[27]，產生更多腐殖物質，從而提高土壤有機質含量[28-29]。然而，表2表明秸稈還田所增加的有機碳量并不與秸稈增量成相同倍數關系增加，有機碳的增幅比總是低于秸稈用量比值3，原因在于秸稈腐解速率不會隨著秸稈用量提高而無限變大，當秸稈還田量超過一定限度時秸稈腐解速率開始降低，這主要受土壤微生物與土壤氮素限制，微生物在分解秸稈時需攝取土壤中的氮素以滿足自身碳氮比（25∶1）[30]，當土壤中氮素不足時，微生物同化作用受限，不能大量增殖，對秸稈的腐解速率降低。

不少專家還認為，秸稈還田量存在閾值問題，大量秸稈還田造成土壤虛而不實，不利于作物扎根以及出苗[31-32]，同時也有可能打破微生物平衡，降低秸稈腐解速率。由此看來，以往運用高量秸稈還田提升有機碳的主要限制因素有2點，一是常規粉碎秸稈多采用旋耕還田，還田深度淺，影響作物出苗率，二是大量秸稈腐解緩慢，對土壤本身微生物結構造成影響，使土壤養分失衡。而本研究中的秸稈顆粒化高量還田恰好解決了以上2點問題，秸稈顆粒體積約是相同質量粉碎秸稈的1/50，且與土壤結合性好，淺施也不會影響作物出苗，而粉碎秸稈進行高量還田時建議采用深埋方式，再者，前人已證實秸稈顆粒的腐解速率顯著高于粉碎秸稈[12]，這在一定程度上縮短了微生物的腐解過程，有利于有機碳的快速形成。

3.2 秸稈顆粒高量還田對土壤養分比例的影響

近些年化肥的過量施用造成土壤養分不均衡發展，“碳短板”現象存在。小麥、玉米秸稈作為高碳源有機物質（CN約為65～85）施入到土壤中，會對土壤氮、磷、鉀等養分元素平衡造成影響[33-34]。本研究同樣發現施入高量秸稈后土壤CN、CP、CK有一定程度提高，其中，土壤CN由原來10.0上升為11.0，表明土壤肥力提升。一般而言，土壤較適宜的CN在15～25，此時有機質供肥條件優越，而在本研究中土壤CN低于該范圍，在一定程度上利于有機質的積累[30]。此外，秸稈的施入促進了微生物對氮素的有效利用，避免了氮素流失，這對于土壤地下水硝酸鹽污染以及大氣N2O溫室效應的緩解均具有重要意義。從土壤CP來看，KL3處理在各生長季均能大幅度提升土壤CP，但波動范圍僅在 8～11，雖較CK處理有提高但該比值仍然偏低，這與長期施肥導致土壤本身存留的較多磷素有關，另一方面微生物對有機質的分解也促進了土壤有效磷的增加[35]。從CK的變化來看，秸稈還田在第1年對CK影響較大，但與CK無顯著差異，這主要是因為秸稈中80%鉀元素以離子狀態存在[36]，還田后很容易被分解釋放，從而增加土壤鉀含量，使得CN并無顯著差異。綜上可見，秸稈高量還田短期內可引起土壤碳元素的增加，從而提高C與N、P、K的比值。

3.3 秸稈顆粒化還田對作物產量的影響

本研究中新型秸稈顆粒化還田具有較好增產效果，第1個生長季即表現出顯著提高冬小麥產量，而粉碎秸稈則出現減產，是因為大量粉碎秸稈的施入對微生物群落結構擾動較大[37]，微生物同化秸稈所需的氮素受限，腐解變慢，不利于養分的循環與釋放[24]。這與張靜等[11]、劉義國等[38]的研究所得結論相似，即在秸稈還田前期，作物產量并非隨著秸稈還田量的增加而增加。本研究中，作物產量的提升與SOC、STN、CK的增加有顯著正相關關系（表5），許多研究也表明作物產量與土壤有機質、氮磷鉀等養分含量有較好的相關性[13,39]，有機碳的提高使得土壤供肥能力變得優越[40]，其他養分元素得到有效利用，從而提高作物產量。值得指出的是，影響作物產量的因素很多[40-41]，本文僅從秸稈顆粒化還田快速提升土壤有機碳等養分的角度進行分析，其他原因仍需進一步探究。

4 結 論

1）秸稈深埋還田可顯著提高土壤>20～40、>40～60 cm土層有機碳含量，還田2 a以顆粒高量還田提升幅度最高，為12.3%（>20～40 cm）、11.1%（>40～60 cm）（<0.05）。

2）顆粒高量還田1周年較粉碎高量還田提高土壤有機碳1.7%（>20～40 cm）、1.3%（>40～60 cm），顆粒低量較粉碎低量還田提高0.8%（>20～40 cm）、0.7%（>40～60 cm），秸稈顆粒還田表現出快速提升土壤有機碳效應。

4）顆粒高量還田最利于協調土壤碳、氮、磷、鉀間的比例關系，且增產效果較好，4個生長季分別增產4.57%、11.40%、10.87%、8.87%（<0.05）。

綜上可見，秸稈顆粒化高量還田在快速、大幅提高土壤有機碳，以及提高有機碳累積速率、協調養分比例、提高作物產量方面均具有顯著優勢，且試驗期內未出現秸稈高量還田所引發的安全問題，表明高量還田的可行性。這種新型還田方式也為有效利用秸稈解決土壤“碳饑餓”問題提供了研究思路，但是高效化的秸稈用量標準仍需進一步研究。

[1] 邱建軍，王立剛，李虎，等. 農田土壤有機碳含量對作物產量影響的模擬研究[J]. 中國農業科學，2009，42(1)：154－161. Qiu Jianjun, Wang Ligang, Li Hu, et al. Modeling the impacts of soil organic carbon content of croplands on crop yields in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(1): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[2] 李長生. 土壤碳儲量減少：中國農業之隱患：中美農業生態系統碳循環對比研究[J]. 第四紀研究，2000，20(4)：345－350. Li Changsheng. Loss of soil carbon threatens Chinese agriculture: A comparison on agro-ecosystem carbon pool in China and the U. S[J]. Quaternary Sciences, 2000, 20(4): 345－350. (in Chinese with English abstract)

[3] 蘇永中，趙哈林. 土壤有機碳儲量、影響因素及其環境效應的研究進展[J]. 中國沙漠，2002，22(3)：220－228. Su Yongzhong, Zhao Halin. Advances in researches on soil organic carbon storages, affecting factors and its environmental effects[J]. Journal of Desert Research, 2002, 22(3): 220－228. (in Chinese with English abstract)

[4] 趙金花，張叢志，張佳寶. 激發式秸稈深還對土壤養分和冬小麥產量的影響[J]. 土壤學報，2016，53(2)：438－449. Zhao Jinhua, Zhang Congzhi, Zhang Jiabao. Effect of straw returning via deep burial coupled with application of fertilizer as primer on soil nutrients and winter wheat yield[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(2): 438－449. (in Chinese with English abstract)

[5] Beare M H, Wilson P E, Fraser P M. Management effects on barley straw decomposition, nitrogen release and crop production[J]. Soil Science Society of American Journal, 2002, 66: 848－856.

[6] 何生寶. 農作物秸稈還田的可持續發展探討[J]. 農業機械，2001(1)：41. He Shengbao. The research of sustainable development of crop straw-returning[J]. Farm Machinery, 2001(1): 41. (in Chinese with English abstract)

[7] 朱玉芹，岳玉蘭. 玉米秸稈還田培肥地力研究綜述[J]. 玉米科學，2004(3)：106－108. Zhu Yuqin, Yue Yulan. A review on improvement of soil fertility by corn straw returning[J]. Journal of Maize Sciences, 2004(3): 106－108. (in Chinese with English abstract)

[8] Sun Y, Cheng J. Hydrolysis of lingo cellulosic materials for ethanol production: A review[J]. Bioresource Technology, 2002, 83(1): 1－11.

[9] 常娟，盧敏，尹清強，等. 秸稈資源預處理研究進展[J]. 中國農學通報，2012，28(11)：1－8. Chang Juan, Lu Min, Yin Qingqiang, et al. Progress of research on pretreatment of corn stover[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(11): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[10] Koullas D P, Christakopoulos P, Kekos D, et al. Correlating the effect of pretreatment on the enzymatic hydrolysis of straw[J]. Biotechnology and Bioengineering, 1992, 39(1): 113－116.

[11] 張靜，溫曉霞，廖允成，等. 不同秸稈還田量對土壤肥力以及冬小麥產量的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2010，16(3)：612－619. Zhang Jing, Wen Xiaoxia, Liao Yuncheng, et al. Effect of different amount of maize straw returning on soil fertility and yield of winter wheat[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(3): 612－619. (in Chinese with English abstract)

[12] 王婧，張莉，逄煥成，等. 秸稈顆粒化還田加速腐解速率提高培肥效果[J]. 農業工程學報，2017，33(6)：177－183. Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng, et al. Returning granulated straw for accelerating decomposition rate and improving soil fertility[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Translations of the CSAE), 2017, 33(6): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[13] 張莉，王婧，逄煥成，等. 秸稈顆粒還田對土壤養分和冬小麥產量的影響[J]. 中國生態農業學報，2017，25(12)：1770－1778. Zhang Li, Wang Jing, Pang Huancheng, et al. Effects of granulated straw incorporation on soil nutrient contents and grain yield of winter wheat[J]. Chinese Journal of Eco- Agriculture, 2017, 25(12): 1770－1778. (in Chinese with English abstract)

[14] 韓新忠，朱利群，楊敏芳，等. 不同小麥秸稈還田量對水稻生長、土壤微生物生物量及酶活性的影響[J]. 農業環境科學學報，2012，31(11)：2192－2199. Han Xinzhong, Zhu Liqun, Yang Minfang, et al. Effects of different amount of wheat straw returning on rice growth, soil microbial biomass and enzyme activity[J]. Journal of Agro- Environment Science, 2012, 31(11): 2192－2199. (in Chinese with English abstract)

[15] 郭靜，周可金，劉芳，等. 小麥秸稈還田量和還田方式對砂姜黑土地玉米生長發育的影響[J]. 浙江農業學報，2017，29(4)：521－527. Guo Jing, Zhou Kejin, Liu Fang, et al. Effects of returning amount and manner of wheat straw on maize growth in lime concretion black soil field[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2017, 29(4): 521－527. (in Chinese with English abstract)

[16] 徐蔣來，胡乃娟，朱利群. 周年秸稈還田量對麥田土壤養分及產量的影響[J]. 麥類作物學報，2016，36(2)：215－222. Xu Jianglai, Hu Naijuan, Zhu Liqun. Effect of amount of annual straw returning on soil nutrients and yield in winter wheat field[J]. Journal of Triticeae Crops, 2016, 36(2): 215－222. (in Chinese with English abstract)

[17] Lou Y L, Xu M G, Wang W, et al. Return rate of straw residue affects soil organic C sequestration by chemical fertilization[J]. Soil & Tillage Research, 2011, 113(1): 70－73.

[18] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000.

[19] 賀紀正，葛源. 土壤微生物生物地理學研究進展[J]. 生態學報，2008(11)：5571－5582. He Jizheng, Ge Yuan. Recent advances in soil microbial biogeography[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008(11): 5571－5582. (in Chinese with English abstract)

[20] 潘劍玲，代萬安，尚占環，等. 秸稈還田對土壤有機質和氮素有效性影響及機制研究進展[J]. 中國生態農業學報，2013，21(5)：526－535. Pan Jianling, Dai Wanan, Shang Zhanhuan, et al. Review of research progress on the influence and mechanism of field straw residue incorporation on soil organic matter and nitrogen availability[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(5): 526－535. (in Chinese with English abstract)

[21] 徐廣印，沈勝強，胡建軍，等. 秸稈冷態壓縮成型微觀結構變化的實驗研究[J]. 太陽能學報，2010，31(3)：273－278. Xu Guangyin, Shen Shengqiang, Hu Jianjun, et al. Experimental study on the micro structure changes in the process of cold molding with straw[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31(3): 273－278. (in Chinese with English abstract)

[22] Giacomini S J, Recous S, Mary B, et al. Simulating the effects of N availability, straw particle size and location in soil on C and N mineralization[J]. Plant & Soil, 2007, 301(1/2): 289－301.

[23] Fruit L, Recous S, Richard G. Plant Residue Decomposition: Effect of Soil Porosity and Particle Size[M]//Effect of Mineral-Organic-Microorganism Interactions on Soil and Freshwater Environments, Springer U S, 1999: 189－196.

[24] 徐萌，張玉龍，黃毅，等. 秸稈還田對半干旱區農田土壤養分含量及玉米光合作用的影響[J]. 干旱地區農業研究，2012，30(4)：153－156. Xu Meng, Zhang Yulong, Huang Yi, et al. Effects of returning straw to field on soil nutrient content and corn photosynthesis in semiarid region[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 30(4): 153－156. (in Chinese with English abstract)

[25] 鐘杭，張勇勇，林潮瀾，等. 麥稻秸稈全量整草免耕還田方法和效果[J]. 土壤肥料，2003(3)：34－37. Zhong Hang, Zhang Yongyong, Lin Chaolan, et al. Means of all wheat and rice straw application without chopping and cultivation and its effect on crop yield and soil fertility[J]. Soils and Fertilizers, 2003(3): 34－37. (in Chinese with English abstract)

[26] 路文濤，賈志寬，張鵬，等. 秸稈還田對寧南旱作農田土壤活性有機碳及酶活性的影響[J]. 農業環境科學學報，2011，30(3)：522－528. Lu Wentao, Jia Zhikuan, Zhang Peng, et al. Effects of straw returning on soil labile organic carbon and enzyme activity in semi-arid areas of southern Ningxia, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(3): 522－528. (in Chinese with English abstract)

[27] Parnas H. A theoretical explanation of the priming effect based on microbial growth with two limiting substrates[J]. Soil Biology and Biochemistry, 1976, 8(2): 139－144.

[28] 朱培立，王志明，黃東邁，等. 無機氮對土壤中有機碳礦化影響的探討[J]. 土壤學報，2001，38(4)：457－463. Zhu Peili, Wang Zhiming, Huang Dongmai, et al. Effect of inorganic nitrogen on mineralization of organic carbon (14C+12C) soil[J]. Acta Pedologica Sinica, 2001, 38(4): 457－463. (in Chinese with English abstract)

[29] Heitkanp F, Wendland M, Offenberger K, et al. Implications of input estimation, residue quality and carbon saturation on the predictive power of the Rothamsted Carbon Model[J]. Geoderma, 2012, 170: 168－175.

[30] 高寒，王宏燕，李傳寶，等. 玉米秸稈不同腐解處理還田對黑土碳氮比的影響研究[J]. 土壤通報，2013，44(6)：1392－1397. Gao Han, Wang Hongyan, Li Chuanbao, et al. Effects of different maize straw returning modes on C/N ratios in Molliso[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2013, 44(6): 1392－1397. (in Chinese with English abstract)

[31] 李少昆，王克如，馮聚凱，等. 玉米秸稈還田與不同耕作方式下影響小麥出苗的因素[J]. 作物學報，2006，32(3)：463－465. Li Shaokun, Wang Keru, Feng Jukai, et al. Factors affecting seeding emergence in winter under different tillage patterns with maize stalk mulching returned to the field[J]. Acta Agronomica Sinca, 2006, 32(3): 463－465. (in Chinese with English abstract)

[32] 趙聚寶，梅旭榮，薛軍紅，等. 秸稈覆蓋對旱地作物水分利用效率的影響[J]. 中國農業科學，1996，29(2)：59－66. Zhao Jubao, Mei Xurong, Xue Junhong, et al. The effect of straw mulch on crop water use efficiency in dryland[J]. Scientic Agricultura Sinca, 1996, 29(2): 59－66. (in Chinese with English abstract)

[33] 任軍，郭金瑞，邊秀芝，等. 土壤有機碳研究進展[J]. 中國土壤與肥料，2009(6)：1－7，27. Ren Jun, Guo Jinrui, Bian Xiuzhi, et al. The research progress on soil organic carbon[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2009(6): 1－7, 27. (in Chinese with English abstract)

[34] 王紹強，于貴瑞. 生態系統碳氮磷元素的生態化學計量特征[J]. 生態學報，2008，28(8)：3937－3947. Wang Shaoqiang, Yu Guirui. Ecological stoichiometry characteristics of ecosystem carbon, nitrogen and phosphorus elements[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(8): 3937－3947. (in Chinese with English abstract)

[35] 王建林，鐘志明，王忠紅，等. 青藏高原高寒草原生態系統土壤碳磷比的分布特征[J]. 草業學報，2014，23(2)：9－19. Wang Jianlin, Zhong Zhiming, Wang Zhonghong, et al. Soil C/P distribution characteristics of alpine steppe ecosystems in the Qinhai-Tibetan Plateau[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(2): 9－19. (in Chinese with English abstract)

[36] 李繼福，任濤，魯劍巍，等. 水稻秸稈鉀與化肥鉀釋放與分布特征模擬研究[J]. 土壤，2013，45(6)：1017－1022. Li Jifu, Ren Tao, Lu Jianwei, et al. Study on characteristics of release and distribution of rice straw potassium and chemical potassium by lab simulation[J]. Soils, 2013, 45(6): 1017－1022. (in Chinese with English abstract)

[37] Bhoyar S, Kakad G, Hadole S S, et al. Studies on decomposition of soybean stover and wheat straw by lignocellulolytic fungi. [J]. Indian Journal of Agricultural Biochemistry, 2007, 20(1): 7－11.

[38] 劉義國，劉永紅，劉洪軍，等. 秸稈還田量對土壤理化性狀及小麥產量的影響[J]. 中國農學通報，2013，29(3)：131－135. Liu Yiguo, Liu Yonghong, Liu Hongjun, et al. Effects of straw returning amount on soil physical and chemical properties and yield of wheat[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(3): 131－135. (in Chinese with English abstract)

[39] 魏猛，張愛君，諸葛玉平，等. 長期不同施肥對黃潮土區冬小麥產量及土壤養分的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2017，23(2)：304－312. Wei Meng, Zhang Aijun, Zhuge Yuping, et al. Effect of different long-term fertilization on winter wheat yield and soil nutrient contents in yellow fluvo-aquic soil area[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(2): 304－312. (in Chinese with English abstract)

[40] Agegnehu G, Nelson P N, Bird M I. Crop yield, plant nutrient uptake and soil physicochemical properties under organic soil amendments and nitrogen fertilization on Nitisols[J]. Soil & Tillage Research, 2016, 160: 1－13.

[41] 韓霜. 土壤、施肥及氣候因素對作物產量貢獻的研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2012. Han Shuang. Research about the Contribution of Soil, Fertilization and Climate Factors to Crop Production[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

High dosage of pelletized straw returning rapidly improving soil organic carbon content and wheat-maize yield

Cong Ping, Li Yuyi, Gao Zhijuan, Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng※

(100081,)

There is a large straw production in the wheat-maize rotation system of Huang-Huai-Hai Plain in China, which increases the difficulty of straw utilization so that soil fertility cannot be effectively supplemented and the environmental pollution caused by straw burning is aggravated. In view of the difficulty of the large straw returning which is not conducive to rapidly improve soil fertility, the pelletized straw returning was created, which made the same area of farmland hold more straw. But it is unclear that if increasing the amount of pelletized straw has a positive effect on soil organic carbon (SOC) content. Therefore, the aim of this article was to explore the effects of the high and low straw return dosages on SOC content, SOC accumulation rate and soil nutrient elements ratio in 0-20, >20-40 and >40-60 cm soil layer and the yield of wheat-maize during the two-year trial period. Five kinds of straw managements were treated by 2-year field location test, including non-straw returning (CK), 12 000 kg/hm2pelletized straw returning (KL1), 36 000 kg/hm2pelletized straw returning (KL3), 12 000 kg/hm2chopped straw returning (FS1), and 36 000 kg/hm2chopped straw returning (FS3). Each straw treatment was a mixture of half wheat straw and half corn straw. The results showed that the SOCs in >20-40 and >40-60 cm soil layers were significantly affected by the 2-year straw returning. Among the four straw returning treatments, FS1 had the lowest increase, which was only 7.2% in >20-40 cm soil layer and 5.9% in >40-60 cm soil layer higher than that of CK, however, KL3 had the highest increase, which was 12.3% in >20-40 cm soil layer and 11.1% in >40-60 cm soil layer higher than that of CK. Compared with the chopped straw returning treatment, the pelletized straw returning treatment rapidly increased SOC content, which manifested that SOC content of KL3 was 1.7% in >20-40 cm soil layer and 1.3% in >40-60 cm soil layer higher than that of FS3 after 1-year straw returning, and SOC content of KL1 was 0.8% in >20-40 cm soil layer and 0.7% in >40-60 cm soil layer higher than that of FS1 after 1-year straw returning. In addition, high dosage straw returning had the advantage of improving SOC content greatly. Compared with the low dosage straw returning, FS3 increased SOC content by 1.7%-3.9% in >20-40 cm soil layer and 0.7%-3.8% in >40-60 cm soil layer, and KL3 increased SOC content by 2.4%-4.7% in >20-40 cm soil layer and 1.3%-5.1% in >40-60 cm soil layer. KL3 also had the higher SOC accumulation rate in each growing season, and the overall mean value was the highest among the five treatments. What’s more, KL3 improved soil carbon-nitrogen ratio (CN), carbon-phosphorus ratio (CP) and carbon-potassium ratio (CK) to a certain extent, which indicated that high dosage pelletized straw returning promoted soil nutrient conversion to a higher fertility direction. In this experiment, KL3 significantly increased the wheat yield by 4.57% and 10.87%, the maize yield by 11.40% and 8.87%, respectively in the 2-year trial period. In a conclusion, 36 000 kg/hm2pelletized straw deep returning is the most beneficial to promote the SOC in the Huang- Huai-Hai Plain, which has a great significance in solving the problem of soil "carbon starvation" and ensuring the sustainable development of agriculture.

straw; soils; organic carbon; pelletized; nutrient element balance; yield

2018-06-15

2018-11-23

國家重點研發計劃2016YFD0300804；旱地保護性耕作及其農藝化機械作業技術（2016-2020）；公益性行業（農業）科研專項（201303130）：北方旱地合理耕層構建技術及其配套耕作機具研究與示范

叢 萍，博士生，從事土壤耕作與培肥技術研究。 Email：cpqdjz@126.com

逄煥成，研究員，博士，從事合理耕層構建以及鹽堿地改良利用。Email：panghuancheng@caas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018

S512.1；S513

A

1002-6819(2019)-01-0148-09

叢 萍，李玉義，高志娟，王 婧，張 莉，逄煥成. 秸稈顆粒化高量還田快速提高土壤有機碳含量及小麥玉米產量[J]. 農業工程學報，2019，35(1)：148－156. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018 http://www.tcsae.org

Cong Ping, Li Yuyi, Gao Zhijuan, Wang Jing, Zhang Li, Pang Huancheng. High dosage of pelletized straw returning rapidly improving soil organic carboncontent and wheat-maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 148－156. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.018 http://www.tcsae.org