秸稈還田對洛陽植煙區黃土質褐土碳庫及煙葉經濟性狀的影響

韓秋靜，趙世民，馬君紅，馬 靜，秦燚鶴，王 惠，劉曉涵，徐 亮，于建軍，葉協鋒*

1. 河南農業大學煙草學院 國家煙草栽培生理生化研究基地 煙草行業煙草栽培重點實驗室，鄭州市金水區文化路95號450002

2. 河南省煙草公司洛陽市公司，河南省洛陽市洛龍區開元大道246 號471000

良好的土壤品質是保證作物產量和品質的前提［1］，而適宜的作物栽培方式有助于土壤品質的改善。秸稈還田作為秸稈利用的一種重要方式，能夠增加土壤中養分的貯藏量［2］。勞秀榮等［3］研究表明，秸稈還田對改善土壤的理化性狀有明顯效果，同時顯著增加土壤有機碳；路文濤等［4］研究發現，秸稈還田后土壤總有機碳含量明顯提高。在0～20 cm 土層，秸稈還田量為9 000、6 000 和3 000 kg/hm2時，土壤總有機碳含量比對照分別提高6.96%、22.97%和12.41%；張鵬等［5］對寧南地區的研究表明，土壤有機碳含量隨著秸稈還田量的增加而增加；李琳等［6］研究認為，秸稈還田在增加有機碳含量的同時，土壤中的活性有機碳組分也有所提高；徐蔣來等［7］研究表明，土壤水溶性有機碳、土壤碳素有效率在秸稈還田條件下表現出明顯優勢，表明外界條件對土壤有機碳性質有一定影響；曾宇等［8］研究提出，施用腐熟小麥秸稈能夠有效提高煙葉產量及上等煙比例。秸稈還田對烤煙生長發育及土壤理化性狀的影響已有較多研究，但有關植煙土壤碳庫的系統研究還鮮見報道。為此，在河南洛陽煙區設置了腐熟小麥秸稈還田的田間試驗，并測定了土壤碳庫及烤煙經濟性狀指標，旨在為植煙土壤保育提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017 年在河南省洛陽市汝陽縣內埠鎮羅洼村進行。洛陽煙區位于河南省西部，黃河中下游，屬溫帶季風氣候，該區域春季干旱較多，夏季炎熱降雨集中，年均氣溫14.8 ℃，年均降水量578.2 mm，年均蒸發量1 200 mm，年均日照時數為2 291.6 h，日照率為52%，無霜期218 d。供試烤煙品種為中煙100，土壤類型為黃土質褐土，有機質16.38 g/kg，堿解氮81.41 mg/kg，速效磷8.55 mg/kg，速效鉀169.23 mg/kg，pH 7.52。

試驗在常規施肥基礎上設置4 個處理：CK（無秸稈還田）、T1（小麥秸稈還田6 000 kg/hm2）、T2（小麥秸稈還田9 000 kg/hm2）、T3（小麥秸稈還田12 000 kg/hm2）。試驗采用隨機區組設計，3 次重復，每小區面積133.33 m2。4 月7 日（煙苗移栽前1個月）將腐熟秸稈均勻撒施到試驗田中，秸稈用旋耕機翻入土壤，澆水閑置1周后用旋耕機再次旋耕，深度約為20 cm。常規施肥純氮用量為52.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶3，腐熟秸稈氮含量0.74%。于5月7 日移栽，按洛陽煙區優質煙葉生產技術規范進行煙田管理。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析

在煙苗移栽后45、60、75 和90 d，采用五點取樣法分別采集各小區土壤樣品。土壤樣品混勻并揀出石塊、植物殘體、雜物，將一部分土壤樣品過孔徑2 mm（10 目）篩，保存于4 ℃冰箱中，用于測定土壤微生物量碳、氮。其余土壤樣品置于陰涼處自然風干，分別過2 mm 和0.15 mm 土壤篩，用于測定土壤總有機碳（TOC）、全碳、全氮、可溶性有機碳（DOC）和活性有機碳含量（質量分數）。

采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤總有機碳含量［9］。用KMnO4氧化法測定土壤活性有機碳含量，KMnO4濃度為33、167 和333 mmol/L 時測定的活性有機碳分別為土壤高活性、中活性和活性有機碳［10-11］。對于土壤全碳和全氮，先采用錫箔包埋燃燒法進行前處理，然后用元素分析儀（Vario Macro Cube，Elementar 大進樣量元素分析儀，德國Elementar 公司）測定［12］。土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法測定［13］。土壤可溶性有機碳采用水提取過濾的方法測定［14］。

土壤碳庫管理指數(CPMI)的計算［10-11］：

穩態碳=總有機碳-活性有機碳

碳庫指數（CPI）=農田土壤有機碳/參考土壤有機碳

碳庫活度（A）=活性有機碳/穩態碳

碳庫活度指數（AI）=農田碳庫活度/參考土壤碳庫活度

碳庫管理指數（CPMI）=碳庫指數×碳庫活度指數×100

式中：參考土壤為試驗田附近未耕作的森林土壤。

1.2.2 烤后煙葉經濟性狀指標分析

將試驗煙葉單獨編竿烘烤，按照烤煙國標GB 2635—1992［15］對烤后煙葉進行分級并計算產量，依據當地煙葉收購價格計算產值。

收益成本=各處理總收入-秸稈成本-機械成本

式中：秸稈成本為洛陽多點秸稈買賣價格平均值計算的各處理所需秸稈量費用；機械成本為秸稈翻壓時使用旋耕機耕翻所需費用。

1.3 數據處理與分析

利用Excel 2010 軟件進行數據初步處理和制圖，利用SPSS20.0 軟件對數據進行單因素方差分析，采用LSD 法進行處理間差異的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田對土壤總有機碳、可溶性有機碳的影響

土壤總有機碳作為土壤質量的核心，對土壤肥力有重要影響［16］。從圖1 可以看出，隨著生育期的推進，土壤總有機碳含量變化平穩。秸稈還田后增加了土壤總有機碳含量，移栽后45 d T1、T2 和T3 處理土壤總有機碳含量分別是CK 的1.06、1.19 和1.28 倍，T2 和T3 處理總有機碳含量顯著大于CK 和T1 處理。移栽后各時期T3 處理的土壤有機碳含量均較高，移栽后90 d T3 處理總有機碳含量為14.84 g/kg，顯著高于其他處理。

圖1 秸稈還田對土壤總有機碳的影響Fig.1 Effects of straw returning on total organic carbon in soil

土壤可溶性有機碳是土壤微生物生命活動和土壤有機物轉化的中間產物，直接影響生態系統中土壤養分的有效性和流動性［17］。由圖2 可以看出，隨著秸稈還田量的增加，土壤可溶性有機碳含量增加。移栽后45 d T3 處理可溶性有機碳含量顯著高于其他處理；移栽后60 d T1、T2 和T3 處理可溶性有機碳含量分別較CK 提高44.01%、68.37%和79.26%。移栽后90 d 施用腐熟小麥秸稈的各處理均顯著高于CK，以T3 處理最高，為33.95 mg/kg。

土壤可溶性有機碳與總有機碳的比值是反映土壤碳庫質量的重要指標，可用來表征土壤有機碳的有效性、穩定性和水溶性［18］。由圖3 可以看出，隨著秸稈還田量的增加，土壤可溶性有機碳占總有機碳的比例整體呈增加趨勢。移栽后45 d T3 處理可溶性有機碳占總有機碳的比例最大，約為0.15%；移栽后60 d T2 和T3 處理所占比例差異減小，但均顯著高于CK 和T1 處理；移栽后90 d 可溶性有機碳所占比例各處理的總體表現依次為T3＞T1＞T2＞CK。

圖2 秸稈還田對土壤可溶性有機碳的影響Fig.2 Effects of straw returning on soluble organic carbon in soil

圖3 秸稈還田對土壤可溶性有機碳/總有機碳比值的影響Fig.3 Effects of straw returning on ratio of soluble organic carbon to total organic carbon in soil

2.2 秸稈還田對土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮的影響

土壤微生物生物量碳（SMBC）是土壤有機碳（SOC）中最具活性的組分，所占比例較低，但對SOC 的動態有重要影響［19］。由圖4 可以看出，隨生育期的推進各處理SMBC 呈現先增加后降低的趨勢，均在移栽后60 d 達到最大值。移栽后45 d 和60 d，T1、T2 和T3 處理的SMBC 含量均顯著高于CK，但3 個處理間差異不顯著；移栽后75 d T2 處理的SMBC 最高，略高于T3，顯著高于CK 和T1 處理；移栽后90 d 各處理SMBC 含量隨秸稈還田量的增加明顯升高，總體表現依次為T3＞T2＞T1＞CK。

土壤微生物生物量氮（SMBN）是土壤活性氮的重要“庫”和“源”，直接調節土壤氮素的供給，作為土壤礦化氮的主要動力來源，在一定程度上可反映土壤的供氮能力，其周轉率是土壤有機氮的6倍［20-21］。由圖5 可以看出，隨著時間的推移土壤SMBN 總體呈先上升后下降的趨勢，各處理土壤SMBN 在移栽后60 d 至75 d 達到最高。移栽后75 d 至90 d 各處理土壤SMBN 含量均表現為T3＞T2＞T1＞CK；移栽后75 d，T1、T2 和T3 處理土壤SMBN 含量分別是CK 的1.75、1.92 和2.42 倍，表明隨著秸稈還田量的增加土壤微生物生物量氮含量提高。

圖4 秸稈還田對土壤微生物生物量碳的影響Fig.4 Effects of straw returning on microbial biomass carbon in soil

圖5 秸稈還田對土壤微生物生物量氮的影響Fig.5 Effects of straw returning on microbial biomass nitrogen in soil

土壤微生物生物量碳氮比(SMBC∶SMBN)是土壤氮素供應能力和有效性的評價指標［22］。如圖6 所示，隨著煙草的生長發育土壤微生物量碳氮比呈現出先降后升的趨勢，移栽后45 d T2 處理顯著高于其他處理。移栽后60 d 微生物量碳氮比表現依次為T2＞T1＞T3＞CK。在烤煙生長發育后期秸稈還田處理使土壤微生物量碳氮比降低，移栽后90 d 總體表現依次為CK＞T1＞T2＞T3。

圖6 秸稈還田對土壤微生物生物量碳/微生物生物量氮比值的影響Fig.6 Effects of straw returning on ratio of microbial biomass carbon to microbial biomass nitrogen in soil

微生物熵（qMB）是指土壤微生物生物量碳與土壤總有機碳的比值，可反映土壤中輸入SOC 向SMBC 的轉化效率、土壤中碳的損失和土壤礦物對有機碳的固定狀況［23］。qMB 值越大，SOC 分解越快，活性有機碳轉化越快，土壤微生物越活躍［24］。從圖7 可以看出，T1、T2 和T3 處理的qMB 值均顯著大于CK。移栽后60 d 各處理的qMB 值均達到較大值，總體表現依次為T3＞T2＞T1＞CK，施用秸稈處理的土壤qMB 值在1.73%～1.89%之間。

圖7 秸稈還田對土壤微生物熵的影響Fig.7 Effects of straw returning on soil microbial entropy

2.3 秸稈還田對土壤碳庫管理指數的影響

表1 表明，秸稈還田影響了土壤碳庫活度指數，從而影響土壤碳庫管理指數，土壤AI 和CPMI 均隨秸稈施用量的增加呈明顯增加趨勢。移栽后45 d，與CK 相比T1、T2 和T3 處理活性有機碳庫活度指數分別提高了71.36%、118.65%和125.53%，碳庫管理指數分別提高了82.41%、160.75%和189.63%，中活性有機碳碳庫管理指數分別提高10.36%、3.11%和58.32%，高活性有機碳碳庫管理指數分別提高177.25%、92.18%和154.00%，活性有機碳的碳庫管理指數和活度指數總體表現依次為T3＞T2＞T1＞CK。移栽后90 d T3 處理活性、中活性和高活性碳庫管理指數和碳庫活度指數均大于其他處理，高活性碳庫管理指數和活度指數的總體表現依次為T3＞T2＞T1＞CK。與CK 相比施用腐熟秸稈提高了土壤碳庫指數，并隨著秸稈還田量的增加碳庫活度指數和碳庫管理指數均有提高。

2.4 秸稈還田對烤后煙葉經濟性狀的影響

由表2 可以看出，秸稈還田處理的煙葉上、中等煙比例，煙葉產量和產值均提高，T3 處理煙葉總產值達到55 192.06 元/hm2，與CK 和T1 處理間存在顯著差異。以T3 處理的中上等煙比例最高（46.11%），各處理的中等煙比例總體表現依次為T3＞T2＞T1＞CK。

通過計算、調研和文獻查閱，對秸稈還田情況進行成本收益分析。在參考梅付春［25］、馬驥［26］計算各種秸稈利用成本與收益方法的基礎上，根據洛陽市煙葉生產實際情況，購入秸稈價格為350 元/噸，秸稈經過自然堆漚發酵后，秸稈翻壓還田機械成本為1 200 元/hm2，減去相應成本后，秸稈還田的T1、T2 和T3 處 理 較CK 收 益 分 別 提 高1 820.12元/hm2、7 936.99元/hm2和9 823.68元/hm2。

表1 秸稈還田對碳庫管理指數的影響①Tab.1 Effects of straw returning on carbon pool management index

表2 烤后煙葉經濟性狀分析①Tab.2 Economic traits of flue-cured tobacco leaves

3 討論

3.1 秸稈還田對土壤碳庫的影響

腐熟秸稈還田是提高土壤有機質和調節土壤碳庫的有效措施［27］。本試驗中，秸稈還田顯著提高了植煙土壤總有機碳含量，這與洪春來等［28］研究結果基本一致。其原因：一方面是秸稈還田增加了土壤有機碳輸入量，進而促進土壤中水穩性團粒結構形成，加速土壤有機碳積累［29］；另一方面可能是秸稈還田處理的土壤水溶性物質胡敏酸、富里酸和胡敏素等土壤腐殖物質增加，提高了土壤總有機碳含量［30］。馬超等［31］研究認為秸稈促腐還田處理的微生物生物量碳含量明顯增加，本研究中也得到類似結果。這可能是因為秸稈還田投入了外源有機物，土壤中微生物所需碳源增加，促使土壤微生物加速繁殖，進而提高了SMBC 和SMBN，微生物數量的增加又加快了有機物料的分解，最終提高了土壤中活性有機碳組分含量［32］。

3.2 秸稈還田對土壤碳庫活性的影響

本研究表明，秸稈還田提高了活性、中活性和高活性有機碳碳庫活度和管理指數，高活性有機碳碳庫管理指數提高幅度較大，這與路文濤等［4］的研究結果一致，而與王改玲等［33］的試驗結果存在差異。本試驗是在洛陽黃土質褐土條件下進行的，秸稈還田能夠提高土壤中活性有機碳碳庫管理指數，但對提高高活性和活性有機碳碳庫管理指數效果不理想，這可能是因王改玲等［33］研究地區位于渭北旱塬區，土壤類型為壚土，由于研究地區、土壤質地、耕作制度和氣候條件等因素的不同而導致研究結果存在差異。

土壤中活性有機碳組分占有機碳的比例可在一定程度上反映土壤有機碳的質量和穩定性，比例越高表明碳素有效性越高，即易被土壤中微生物分解礦化、周轉期較短或活性高［34］。張玉軍等［1］研究表明，在土壤中添加秸稈、沼液及其他有機物料，均會增加土壤中DOC 含量。本研究中秸稈還田顯著增加了土壤活性有機碳組分和DOC 在總有機碳中的比例，提高了土壤微生物熵，這可能是因為土壤中微生物數量增加，促進了有機物料的腐解，而這些新腐解的秸稈礦化所釋放碳素有較高有效性。因此，土壤DOC 作為分解產物，其含量逐漸升高［18］。

3.3 秸稈還田對煙草生長發育的影響

本試驗中，隨著秸稈還田量的增加，烤后煙葉上、中等煙比例提高，煙葉產質量也明顯提高，可能是由于秸稈腐解提高了土壤中有機質含量，土壤容重有所降低，土壤理化性質得到改善，從而促進了煙株的生長發育，提高了煙株的抗逆性，并改善了煙葉品質［35］，這與朱經偉等［36］研究得出的配施玉米秸稈有利于提高烤煙產量的結果一致。王毅等［37］研究表明小麥秸稈還田前期制約、后期促進煙草葉片發育, 煙葉產量、產值增加明顯。而常軼梅［38］研究表明煙葉產值隨秸稈還田量的增加呈先增加后降低的趨勢，其原因可能是秸稈還田量過多會造成土壤與大氣環境物質間交換不順暢，容易導致土壤處于無氧環境，此環境下土壤微生物數量及酶活性降低，抑制了對秸稈的分解和煙株根系的生長，反而不利于土壤養分的循環與釋放［39］。

本研究僅為一年秸稈還田試驗的結果，而有關秸稈還田對作物-土壤系統的持久影響還有待長期的定位試驗。

4 結論

在河南洛陽植煙區黃土質褐土中施用腐熟秸稈條件下，隨著秸稈還田量的增加，表征土壤碳庫質量的多數指標，如土壤總有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳和微生物生物量氮含量，以及土壤碳庫活度指數均顯著增加，尤其是碳庫管理指數增加明顯，對提高土壤高、中、低不同活性組分碳庫管理指數均有顯著作用，且能不同程度地提高不同活性組分有機碳含量。通過秸稈還田，烤后煙葉上中等煙葉比例和經濟效益提高。其中，以常規施肥配施秸稈還田12 000 kg/hm2效果最好。