玉米秸稈碳形態對植煙土壤有機碳及土壤綜合肥力的快速提升效應

何 京，董建新，叢 萍，宋文靜，馬曉剛，管恩森，王大海

(1.中國農業科學院 煙草研究所，山東 青島 266101；2.中國農業科學院 研究生院，北京 100081；3.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261061)

有機碳是評價土壤質量的重要指標，可直接影響土壤肥力和作物產量[1]。其分子組成是影響其分解速率和穩定性的重要機制，最終導致農田土壤有機碳儲量變化[2]。然而，由于受到耕地數量和經濟發展水平的影響，煙葉生產過程中普遍存在煙田長期連作現象，使煙田土壤無外源有機物料補充碳源，導致煙田土壤有機碳嚴重匱乏，土壤肥力急劇衰退。有研究表明，長期連作將顯著降低土壤有機碳和煙葉產量[3]。在當下加強土壤耕地保護的大背景下，急需采取有效措施實現植煙土壤的快速“增碳培肥”，以保障土壤耕地質量的提升及其可持續發展。

秸稈還田是當前提升土壤肥力的主要措施。我國玉米秸稈年產量達9億t，其碳氮比高達71.29∶1，且玉米秸稈中含有大量植物所需的磷鉀硫等營養元素，是土壤固碳培肥的重要生物質原料[4]。當前，玉米秸稈還田方式主要有常規還田、腐熟還田和制備成生物炭還田3種，即分別通過向土壤補充新鮮植物源碳、腐殖化植物源碳以及高溫裂解植物源碳而實現土壤增碳。秸稈常規還田是當前農業生產中應用最為廣泛的土壤培肥方式之一，在提升土壤碳庫，改良土壤方面作用明顯[5]。陳士更等[6]研究發現，腐熟秸稈還田可顯著提高土壤全氮、速效鉀等養分含量，25.29%，27.49%。秸稈經高溫制備成生物炭后含有較高濃度的碳和豐富的多孔結構，能夠提高土壤有機碳含量和穩定性[7]。通過增加土壤外源有機物的輸入，不僅能夠改善農田土壤理化性質，同時能夠影響土壤有機碳的分解速率和穩定性[8]，最終導致土壤有機碳儲量變化。玉米秸稈因具有較高的碳氮比，恰好適宜于煙草“增碳控氮”的土壤需求。然而，當前的研究尚未比較3種不同形態的玉米秸稈碳對植煙土壤的增碳培肥效果。

黃淮煙區是我國主要植煙區域之一，以山東省境內分布面積最廣。然而，調查分析表明，山東主要植煙區土壤有機碳含量為11.37 g/kg，較山東耕地平均有機碳均值降低了30.69%[9]，其增碳培肥的需求尤為迫切。鑒于此，本研究以山東典型植煙土壤為研究對象，探究玉米秸稈碳形態對土壤有機碳、理化特性及酶活性的影響，以期為植煙土壤的快速增碳培肥提供理論依據與技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況與供試材料

試驗于2020年在山東省諸城市賈悅鎮(36°02′N，119°19′E)進行，海拔68 m。該區地處濰坊市東南部，屬溫帶季風氣候，土壤類型為褐土，質地為砂質壤土。年均氣溫14.67 ℃，年均降水量701.40 mm。種植模式為烤煙-冬閑。供試材料為常規秸稈(秸稈粉碎過1 mm篩)，腐熟秸稈(秸稈粉碎過1 mm篩后，均勻撒入促腐劑，進行21 d有氧腐熟)，秸稈生物炭(秸稈粉碎過1 mm篩后，置于馬弗爐中于500 ℃進行炭化)。0～20 cm耕層土壤基本理化性狀：土壤容重(BD)1.30 g/cm3，pH 值8.43，總有機碳(TOC)12.02 g/kg，全氮(TN)0.53 g/kg，有效磷(AP)8.94 mg/kg，速效鉀(AK)198.59 mg/kg，銨態氮(AN)5.86 mg/kg，硝態氮(NN)6.33 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗為土柱試驗，采用隨機區組排列。于2020年5—9月完成。烤煙品種選用NC55，共設置4個處理，每處理3個重復，共計12個處理。分別為：不添加秸稈碳處理(CK)；常規秸稈處理(RS)；腐熟秸稈處理(DS)；秸稈生物炭處理(BC)。秸稈有機碳各組分相對含量見表1。土柱材料采用內徑40 cm，高65 cm的聚氯乙烯(PVC)管制作。將12個土柱埋設位置0～20 cm，20～30 cm的土層挖出，分別過5 mm篩，并混勻備用。將土柱在挖出土層的位置砸入地表下40 cm，地表上留25 cm。按照原土壤容重計算出回填的土，依據等碳量原則將20～30 cm土層的土壤分別與常規秸稈、腐熟秸稈以及秸稈生物炭混勻后填充到土柱內，具體用量見表2。化肥按照煙草推薦肥量施用，即N 76.95 kg/hm2、P2O576.95 kg/hm2和K2O 193.50 kg/hm2。每個土柱間隔0.60 m，植煙1株。

表1 秸稈有機碳各組分相對含量Tab.1 The relative content of each component of straw organic carbon %

表2 田間試驗設計Tab.2 Experimental treatments

1.3 樣品采集

于烤煙成熟期用環刀采集各小區0～20 cm土壤，測定土壤容重；采集耕層0～20 cm土壤，混勻后將土樣分為2份，一份經過風干研磨，用于測定土壤pH值、有機碳、全氮、速效鉀的含量；另一部分儲存于4 ℃冰箱中，用于測定銨態氮、硝態氮、土壤酶活和有機碳組分。

1.4 測定方法

土壤理化指標的測定：容重采用環刀法測定；pH值采用pH計(Sartorius PB-10，Germany)測定；有機碳采用重鉻酸鉀加熱滴定法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；速效鉀的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；銨態氮、硝態氮采用1 mol/L氯化鉀溶液浸提，用SEAL AA3連動流動分析儀測定。

土壤酶活的測定：蔗糖酶活性(Su)采用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性(Ur)用靛酚藍比色法(以NH3-N計)；堿性磷酸酶活性(Ps)采用磷酸苯二鈉比色法；纖維素酶活性(Ce)采用硝基水楊酸比色法測定。

碳組分含量測定：可溶性有機碳(DOC)測定[10]：去離子水浸提(土水比為1∶5)，用Multi N/C 3100自動分析儀測定過濾液中可溶性有機碳含量；顆粒有機碳(POC)測定[11]：5 g/L六偏磷酸鈉溶液進行分離提取；微生物量碳(MBC)測定：氯仿熏蒸-K2SO4提取法。

有機碳官能團結構的測定：采用13C核磁共振波譜技術(NMR)分析。土壤樣品分析前先用HF去除金屬離子干擾[12]。具體方法：風干土過0.15 mm篩，稱取7.5 g于離心管中，加入50 mL 10%的HF溶液振蕩1 h(25 ℃，100 r/min)，離心10 min(3 000 r/min)，移去上清液，繼續用HF處理，共重復處理8次，振蕩時間分別為：4次×1 h，3次×12 h，1次×24 h。處理后的殘余物用蒸餾水洗至中性：加50 mL蒸餾水，振蕩10 min，離心10 min(3 000 r/min)，去掉上清液，整個過程重復5～6次，冷凍干燥后用瑪瑙研缽研磨后過0.15 mm篩待測。土壤有機碳化學結構波譜大多劃分為四大官能區：烷基碳(Alkyl-C，0～45 ppm)；烷氧碳(O-Alkyl-C，45～110 ppm)；芳香碳(Aromatic-C，110～160 ppm)；羰基碳(Carbonyl-C，160～190 ppm)。其中，烷基碳+芳香碳=疏水碳(Hydrophobic-C)，烷氧碳+羰基碳=親水碳(Hydrophilic-C)。

1.5 數據分析

試驗數據用SAS 9.4軟件進行方差分析和主成分分析，用MestReNova軟件進行有機碳官能團的分析，顯著性檢驗采用LSD法(α=0.05)。采用SPSS 21.0統計分析軟件進行相關性分析，制圖采用Origin 9.5軟件。通過提取主成分并計算得分以評價土壤肥力質量。主成分分析計算土壤肥力綜合得分公式如下[13]：

F=F1×δ1+F2×δ2+……+Fn×δn

式中，F指土壤肥力綜合得分；F1指主成分分析中提取出的第1主成分的得分；δ1為第1主成分的方差貢獻率；Fn指主成分分析中提取出的第n主成分的得分；δn為第n主成分的方差貢獻率。

2 結果與分析

2.1 秸稈碳形態對土壤有機碳的影響

2.1.1 秸稈碳形態對土壤有機碳組分的影響 不同秸稈碳形態對土壤有機碳組分含量影響顯著(圖1)。與不添加秸稈碳相比，3種形態秸稈碳投入均顯著提高土壤有機碳和微生物量碳含量(P<0.05)，增幅分別為有機碳：秸稈生物炭19.85%，腐熟秸稈14.46%，常規秸稈8.35%；微生物量碳：腐熟秸稈427.80%，常規秸稈281.77%，秸稈生物炭75.15%；常規秸稈和腐熟秸稈處理顯著提升了可溶性有機碳含量，增幅分別為30.44%，19.58%(P<0.05)；秸稈生物炭處理土壤顆粒有機碳含量顯著提高了42.40%(P<0.05)，常規秸稈和腐熟秸稈處理則表現出顯著降低(P<0.05)。可見，3種形態秸稈碳均對有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳有提升效應，僅秸稈生物炭處理顯著提高土壤顆粒有機碳。

由表3可知，與不添加秸稈碳相比，常規秸稈和腐熟秸稈處理提高了可溶性有機碳/有機碳，其中呈顯著差異的是常規秸稈，增幅達20.63%(P<0.05)；秸稈生物炭處理顯著提高了顆粒有機碳/有機碳，增幅為19.25%(P<0.05)；3種形態秸稈碳均顯著提高微生物量碳/有機碳(P<0.05)，增幅分別達腐熟秸稈317.65%，常規秸稈229.41%，秸稈生物炭47.06%。綜上可知，3種形態秸稈碳通過增加微生物量碳/有機碳，促進土壤有機碳周轉。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05).The same as Fig.3.

2.1.2 秸稈碳形態對土壤有機碳結構的影響 結合圖2和表4可以看出，常規秸稈與腐熟秸稈處理土壤有機碳官能團烷氧碳為主，其相對含量為38.86%～56.69%，較不添加秸稈碳提高了土壤烷氧碳和羰基碳(易降解碳組分)的相對含量，分別提高4.22～22.05百分點和1.15～20.92百分點。而秸

表3 秸稈碳形態對土壤有機碳組分分配比例的影響Tab.3 Effect of straw carbon form on soil organic carbon distribution ratio of the components %

圖2 土壤有機碳的13C-NMR譜圖Fig.2 13C-NMR spectrum of soil organic carbon

稈生物炭處理下土壤有機碳以烷基碳官能團為主，相對含量高達46.30%，較不添加秸稈碳提高了土壤烷基碳(難降解碳組分)的相對含量，提高18.37百分點。此外，秸稈生物炭處理顯著提高了烷基碳/烷氧碳(A/O-A)與疏水碳/親水碳(Hydrophobic-C/Hydrophilic-C)。

2.2 秸稈碳形態對土壤理化性質的影響

由表5可知，不同形態秸稈碳的添加對容重影響不顯著。腐熟秸稈和秸稈生物炭處理較不添加秸稈碳顯著降低土壤pH值，降幅分別為1.75%，1.52%(P<0.05)。常規秸稈處理全氮含量較不添加秸稈碳顯著降低，降幅達22.73%(P<0.05)，而腐熟秸稈、秸稈生物炭處理全氮含量較不添加秸稈碳處理無顯著差異。與不添加秸稈碳處理相比，3種形態秸稈碳處理均增加了土壤碳氮比、速效鉀、銨態氮和硝態氮的含量，其中常規秸稈處理顯著增加了碳氮比，增幅為41.23%；常規秸稈、腐熟秸稈和秸稈生物炭處理對銨態氮的增加作用呈顯著差異，增幅為秸稈生物炭(19.93%)> 腐熟秸稈(9.93%)>常規秸稈(7.11%)；腐熟秸稈和秸稈生物炭處理對速效鉀的增加量顯著，增幅分別達15.24%，65.72%(P<0.05)；秸稈生物炭處理對硝態氮的增加顯著，增幅達5.77%(P<0.05)。由此可見，施用秸稈有利于改善土壤環境，提升土壤養分含量。

表4 不同處理土壤有機碳各組分相對含量Tab.4 The relative content of each component of organic carbon in straw and different treatment soil %

表5 秸稈碳形態對土壤理化性質的影響Tab.5 Effects of straw carbon form on soil physical and chemical properties

2.3 秸稈碳形態對土壤酶活性的影響

由圖3 可知，與不添加秸稈碳相比，常規秸稈、秸稈生物炭處理均可顯著提高蔗糖酶和脲酶活性，其中以常規秸稈處理的增加作用最明顯，增幅分別為71.78%，40.00%(P<0.05)；秸稈生物炭處理提高了纖維素酶的活性，增幅達9.60%(P>0.05)；3種形態秸稈碳均顯著提高了磷酸酶活性(P<0.05)，增幅為秸稈生物炭(57.49%)> 腐熟秸稈(25.15%)> 常規秸稈(19.76%)。可見，原狀秸稈碳的添加更有助于提高蔗糖酶和脲酶活性，而秸稈生物炭添加更有助于提高纖維素酶和磷酸酶活性。

圖3 秸稈碳形態對土壤酶活性的影響Fig.3 Effect of straw carbon form on soil enzyme activity

2.4 秸稈碳形態下土壤有機碳組成及結構與環境因子的關系

由圖4-A可知，RDA分析圖共解釋了土壤有機碳含量總變化的99.00%，其中第一軸和第二軸的解釋率為90.73%，8.27%。結果表明，土壤碳氮比(C/N)(33.6%，F=5.1，P=0.030)、纖維素酶(Ce)(22.1%，F=7.6，P=0.014)、全氮(TN)(3.8%，F=30.3，P=0.040)是影響土壤有機碳含量的主要影響因素。其中，纖維素酶對有機碳含量的影響最大，且纖維素酶與有機碳和顆粒有機碳呈正相關。圖4-B可知，11個環境變量共解釋了土壤有機碳結構總變化的99.89%。第一軸和第二軸的解釋率分別為92.77%，7.12%。結果表明，土壤纖維素酶(Ce)(50.8%，F=10.3，P=0.006)、pH值(37.1%，F=27.4，P=0.002)和速效鉀(AK)(5.1%，F=5.8，P=0.028)對有機碳官能團組成影響均達到顯著水平。其中，pH值對有機碳結構的影響最大，pH值與芳香碳成正相關，纖維素酶和速效鉀與烷基碳呈正相關。因此，土壤纖維素酶、pH值和速效鉀含量改變是導致不同處理間土壤有機碳官能團結構存在差異的主要原因。

圖4 有機碳含量(A)、有機碳官能團結構(B)分別與土壤環境因子的冗余分析(RDA)Fig.4 Redundant analysis(RDA)of organic carbon content(A)，organic carbon functional group structure(B)and soil environmental factors

2.5 秸稈碳形態下土壤肥力質量評價

本研究分別選擇容重、pH值、有機碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、微生物量碳、全氮、碳氮比、速效鉀、銨態氮、硝態氮、蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、磷酸酶、烷基碳和芳香碳共17個指標進行主成分分析。將累積貢獻百分率≥70%作為提取原則[14]，得到2個主成分，累積方差貢獻率為73.67%(表6)，2個主成分的特征值分別為7.69，4.83，貢獻率分別為45.25%，28.42%。第1主成分因子(F1)在容重、有機碳、顆粒有機碳、速效鉀、銨態氮、硝態氮、纖維素酶和磷酸酶指標上的載荷系數較大，第2主成分因子(F2)在可溶性有機碳、微生物量碳和碳氮比的載荷系數最大，可見土壤容重、養分因子、生物酶因子及有機碳含量是決定土壤肥力質量的重要因子。進一步通過主成分得分與各因子的特征值百分率進行加權求和計算得出土壤肥力質量得分，如表7所示，各處理的綜合得分大小順序為不添加秸稈碳(-0.72)<腐熟秸稈(0.02)<常規秸稈(0.13)<秸稈生物炭(0.57)。常規秸稈、腐熟秸稈和秸稈生物炭處理均可較不添加秸稈碳提高土壤質量。其中，秸稈生物炭處理提升效果最明顯，較不添加秸稈碳提升了179.17%。可見，秸稈生物炭是短期內提升土壤質量的較優選擇。

表6 土壤因子的主成分提取及旋轉因子載荷矩陣Tab.6 Principal component extraction and rotated component matrix of soil factors

表7 各因子得分及土壤肥力質量得分Tab.7 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment

3 結論與討論

3.1 秸稈碳形態對土壤有機碳組成及結構的影響

國內外大量研究均證實，秸稈還田可顯著增加土壤有機碳含量[15-16]，同時本研究結果顯示，施用秸稈生物炭處理對于提升土壤有機碳含量的效果最好，原因是秸稈在制備成生物炭時大部分碳以穩定態芳香碳固定下來，施入土壤后可直接提升土壤有機碳含量，且秸稈生物炭相較于常規秸稈和腐熟秸稈有較高的碳含量和孔隙度，可直接提高有機碳含量[17]。利用13C核磁共振波譜技術(NMR)對不同玉米秸稈碳形態的表征和土壤有機碳結構的測定，結果表明，秸稈生物炭處理較不添加秸稈碳增加了烷基碳(難降解碳組分)的相對含量，降低了烷氧碳、羰基碳(易降解碳組分)的相對含量，這與王學霞等[18]研究結果相似，原因是秸稈生物炭中含有大量難分解的碳組分，增加了土壤有機碳穩定性。烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳反映土壤有機碳的穩定性，比值越大說明由團聚體作用引起的有機碳穩定性越高[19]。秸稈生物炭較不添加秸稈碳可提高烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳，表明施用秸稈生物炭可增加土壤穩定性。

可溶性有機碳、顆粒有機碳和微生物量碳能夠較快反映土壤碳庫的微小變化，可作為有機碳變化的早期指標[20]。可溶性有機碳和微生物量碳與土壤中養分流轉、土壤碳循環密切相關[21]。本研究表明，常規秸稈和腐熟秸稈處理較不添加秸稈碳顯著提高了土壤可溶性有機碳和微生物量碳的含量，而秸稈生物炭處理可顯著增加顆粒有機碳和微生物量碳的含量。這是由于常規秸稈和腐熟秸稈均能為土壤微生物提供大量碳源，促進微生物的生長繁殖，使得土壤可溶性有機碳和微生物量碳含量較不添加秸稈碳顯著提高。而秸稈生物炭由于其多孔結構和表面基團，易于吸附多種養分和土壤顆粒，故而增加土壤顆粒有機碳和微生物量碳的含量[22]。可溶性有機碳/有機碳和顆粒有機碳/有機碳能反映土壤中碳庫狀態[23]，比例越高，有機碳越容易被微生物分解利用，土壤碳庫越活躍，比例越小意味著土壤有機碳越穩定。本研究發現，常規秸稈處理較不添加秸稈碳顯著提高可溶性有機碳/有機碳，原因是秸稈還田后被微生物分解，增加了土壤中可溶性有機碳的含量。微生物量碳/有機碳的變化反映了土壤中微生物碳的來源及轉化效率[24]，本研究的3種秸稈碳形態均可顯著提高微生物量碳/有機碳，說明秸稈碳投入可提高土壤有機碳周轉速率。

3.2 土壤環境因子對土壤有機碳組成及結構的調控作用

李美璇等[25]研究表明，玉米秸稈生物炭能夠有效抑制黑土中銨態氮和硝態氮的淋失。本研究也表明，秸稈生物炭對土壤速效養分的提升效果要優于其他形態的秸稈碳，這是因為秸稈碳投入，尤其是制備成生物炭后更易與土壤中的養分發生絡合反應，形成有機結合態養分，促使養分固定[26]，在一定程度上提升了土壤肥力。本研究中不同秸稈碳形態對土壤容重無顯著影響，可能與試驗年限有關[27]，今后需進一步開展多年定位試驗，以明確不同秸稈碳形態對土壤物理特性的影響。

土壤酶活性是反映土壤肥力的重要生物學指標。秸稈還田可促進作物根系代謝，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快，從而提高土壤酶活性[28]。Xin等[29]研究發現，秸稈生物炭處理可提高纖維素酶和磷酸酶的活性，且磷酸酶的活性提高程度要高于纖維素酶，這與本研究中秸稈生物炭處理可顯著提高磷酸酶的活性，而對纖維素酶活性提升效果不顯著的結果一致。可見，秸稈生物炭對土壤酶活性的影響變異性較大，這可能與生物炭結構特性與底物之間的反應有關[30]，由于生物炭較強的吸附性能，一方面通過吸附反應底物促進酶促反應的進行，另一方面通過對酶分子的吸附而抑制酶促反應的進行[31]。

進一步通過冗余探究各指標理化性質及酶活性對土壤有機碳組成及結構的影響發現，碳氮比、纖維素酶和全氮是影響有機碳含量的顯著因子。其中，纖維素酶對有機碳含量的影響最大，且纖維素酶與有機碳和顆粒有機碳呈正相關，這與前人觀點一致，纖維素酶將難溶的纖維素類物質分解成單糖，從而參與土壤有機質的分解轉化，影響土壤活性有機碳的轉化循環過程[32]。而對于有機碳結構組成，纖維素酶、pH值和速效鉀均為極顯著影響因子，其中，纖維素酶和速效鉀與烷基碳和芳香碳呈正相關，pH與芳香碳成正相關。

3.3 秸稈碳形態下土壤綜合肥力的影響

烷基碳和芳香碳是表征土壤碳庫具有更高的穩定性重要官能團[33]。因此，本試驗只選擇了烷基碳和芳香碳2個官能團與另外15個土壤指標進行主成分分析。結果表明，秸稈生物炭處理的土壤肥力質量綜合得分表現最高，該結果與石含之等[34]的研究一致，這與玉米秸稈生物炭性質有關，一是，玉米為高碳氮比(58.30)作物，其秸稈生物炭富含更高的穩定態有機碳，可迅速以自身碳補充土壤有機碳，有利于土壤固碳及改善有機碳結構[35]；二是，生物炭的多孔結構易吸附養料物質，為微生物提供良好的棲息地，促進微生物和酶的活性，進而改善土壤肥力質量。然而，秸稈碳形態對土壤有機碳及肥力的長期影響效應還需要在今后的試驗中進行跟蹤監測。

常規玉米秸稈、腐熟玉米秸稈以及玉米秸稈生物炭均可提升土壤有機碳、可溶性碳和微生物量碳含量，其中，秸稈生物炭處理較其他處理增加烷基碳(難降解碳組分)，有利于增強土壤碳的積累和穩定性。另外，秸稈生物炭處理更有助于提升土壤養分含量和纖維素酶、磷酸酶活性，常規態玉米秸稈處理有助于提高蔗糖酶和脲酶的活性。其中碳氮比、纖維素酶和全氮是影響有機碳各組分含量的主要因子，蔗糖酶、pH值和速效鉀是影響有機碳結構的主要因子。可見，玉米秸稈生物炭在短期內具有提升有機碳含量及穩定性、養分含量和酶活性的顯著優勢，且土壤肥力質量評價中也以秸稈生物炭處理的得分最高(0.57)，因此，在煙田生產中可優先選擇玉米秸稈生物炭以實現植煙土壤的快速增碳培肥。