張奇茹，劉 冰，謝英荷，3，4，李廷亮，3，4，李 順，姜麗偉，竇 露，柳玉鳳

（1.山西農業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801；2.太原市園林綠化工程質量監(jiān)督站，山西太原 030002；3.山西農業(yè)大學農業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，山西太谷 030801；4.山西農業(yè)大學山西省土壤肥料研究生教育創(chuàng)新中心，山西太谷 030801）

特殊的省情、農情決定了山西有機旱作農業(yè)具有典型代表性。山西干旱少雨，旱地小麥面積約占60%，旱地小麥產量直接決定著山西省小麥總產[1]。施肥是作物增產最有效的途徑[2]，施用不同的肥料會導致土壤肥力的差異，而土壤有機碳是土壤最重要的組成部分，影響土壤質量與土壤肥力[3]，所以，施肥措施的差異會導致土壤有機碳組分含量的顯著差異。增加土壤有機碳對于提高土壤碳匯能力、土地生產力及延緩全球氣候變暖具有重要意義，這使得農田土壤有機碳成為了當前研究的熱點。

秸稈炭是秸稈在高溫（500 ℃）缺氧條件下裂解而形成的一種富碳物質，其比表面積巨大，孔隙結構豐富，具有強大的吸附和交換能力[4]。許多研究表明，秸稈炭能改善農田生態(tài)環(huán)境，促進土壤固碳，從而減少溫室氣體的排放，適量秸稈炭配施氮肥能夠增加土壤碳氮儲量[5-6]；秸稈炭還能增加土壤肥力，提高肥料利用率，提高作物的產量及品質，從而促進經濟發(fā)展[7]。并且秸稈炭資源豐富，可適量減少化肥的施用量，能進一步減少化肥對環(huán)境的污染。研究表明，硅鉀肥配施能夠提高小麥抗旱、抗倒伏能力，促進硅、鉀的吸收從而增加氮、磷的吸收，減輕水分脅迫帶來的干旱危害，提高水分利用率和產量[8]。前人對秸稈炭、硅鉀肥的研究大多集中在提高肥力、增產等方面，而對于旱地土壤中各種碳組分的影響研究尚少。隨著糧食需求的不斷擴大，減少化肥的施用，實現(xiàn)土壤資源的可持續(xù)利用，這將是我國今后肥料施用的發(fā)展趨勢之一。

本研究借助長期定位試驗，通過對秸稈炭和硅鉀肥處理下的土壤活性（水溶、可溶、易氧化、微生物、輕組）有機碳、緩效（顆粒）有機碳、惰性（重組）有機碳各組分及小麥產量的綜合分析，探求不同施肥處理對土壤有機碳組分的改善機制，從而為北方旱地麥田土壤的合理培肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為晉麥47 號。

1.2 試驗地概況

試驗基地設在山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村，為長期定位的旱作麥田區(qū)，年均氣溫12 ℃，年平均降雨量500 mm，石灰性褐土，土層厚度10 m 以上，質地為中壤，表層土壤有機質含量14.48 g/kg、有效磷含量12.28 mg/kg、速效鉀含量200.42 mg/kg，CEC為20.11，pH 值為7.85。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，共設4 個施肥處理，分別為：農戶施肥，參照當地農戶經驗施肥；測控施肥，依據1 m 土壤硝態(tài)氮監(jiān)控施肥，磷、鉀恒量施肥原則；硅鉀肥，在測控施肥的基礎上把鉀肥全部用硅鉀肥替代（硅鉀肥中K2O 含量為25%）；秸稈炭，在測控施肥的基礎上增施秸稈炭，秸稈炭養(yǎng)分含量為 有 機 碳 363.7 g/kg、N 0.26%、P2O50.58%、K2O 3.9%。各處理均設置空白對照。小區(qū)面積為120 m2。4 次重復，各處理的養(yǎng)分用量如表1 所示。

表1 各處理的養(yǎng)分用量 kg/hm2

2016 年10 月8 日播種小麥，2017 年6 月7 日收獲。所有肥料均在小麥播種前作為基肥一次性均勻施入，無追肥。小麥播量為150 kg/hm2，均為壟膜溝播。冬小麥生育期除自然降雨外，不進行灌溉。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土樣采集 在冬小麥收獲后（2017 年6 月7 日）各試驗處理區(qū)進行多點土樣采集，取樣深度為0～20 cm。

1.4.2 土壤有機碳組分測定

1.4.2.1 土壤微生物量碳測定 采用氯仿熏蒸提取-K2Cr2O7加熱氧化比色法[9]進行測定。

1.4.2.2 土壤可溶性有機碳測定 采用1 mol/L KCl浸提，pH 值為4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸鈉和濃硫酸氧化法，分光光度計500 nm 處測定。

1.4.2.3 土壤易氧化有機碳測定 稱取過0.5 mm篩后的土樣2 g 于塑料瓶中，加入20 mL 濃度為333 mmol/L 的高錳酸鉀，密封，振蕩離心，取上清液按一定比例稀釋后，比色測定。

1.4.2.4 土壤水溶性有機碳測定 采用蒸餾水浸提，pH 值為4.3 的10 mmol/L Mn（Ⅲ）-焦磷酸鈉和濃硫酸氧化法，分光光度計500 nm 處測定。

1.4.2.5 土壤顆粒有機碳測定 稱取過2 mm 篩的風干土樣5 g，放入塑料瓶中，然后加入15 mL 的5 g/L 六偏磷酸鈉溶液，振蕩15 h，將分散溶液置于53 μm 篩上，用清水沖洗直至濾液澄清，將剩余土樣烘至恒質量，然后用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定其中的有機碳含量。

1.4.2.6 土壤重組有機碳測定 稱取過0.25 mm 篩的風干土5 g，放入離心管中，加入溴化鋅，重復3 次振蕩離心，用乙醇洗滌振蕩離心3 次，再用蒸餾水洗滌振蕩離心2 次，將土樣磨細烘干后用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定有機碳含量，即為重組有機碳[10]。

1.4.2.7 土壤輕組有機碳測定 土壤輕組有機碳含量采用公式（1）計算。

1.4.3 產量測定 小麥收獲時在各小區(qū)選取30 m2的小麥植株，脫粒計產。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件作圖，試驗數據利用SPSS 軟件進行處理和統(tǒng)計分析，并采用LSD法（P＜0.05）進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈炭、硅鉀肥對旱地麥田土壤活性有機碳含量的影響

2.1.1 秸稈炭、硅鉀肥對土壤水溶性有機碳含量的影響 水溶性有機碳是指在自然狀態(tài)下能由土壤固相進入水相且分子粒徑小于0.45 μm 的有機組分[5]。水溶性有機物是土壤有機物轉化和微生物代謝活動的中間產物，雖然含量很少，但卻是微生物可以直接利用的碳源。從圖1 可以看出，秸稈炭處理與農戶施肥、測控施肥、硅鉀肥處理的水溶性有機碳含量相比分別顯著提高86.8%、150.0%、62.4%，硅鉀肥處理的土壤水溶性有機碳含量與農戶施肥、測控施肥處理相比分別提高15.0%、53.9%。而農戶施肥、測控施肥、硅鉀肥處理之間差異均不顯著。本試驗結果表明，秸稈炭對土壤水溶性有機碳影響顯著（P＜0.05）。

2.1.2 秸稈炭、硅鉀肥對土壤微生物量碳含量的影響 土壤微生物量碳源利用率能反映生態(tài)系統(tǒng)受干擾后的細小變化，是土壤生物肥力的重要指標[11]。從圖2 可以看出，秸稈炭處理與測控施肥處理相比，微生物量碳含量顯著提高99.4%，與農戶施肥和硅鉀肥處理相比分別提高8.5%和60.2%。農戶施肥、測控施肥和硅鉀肥處理之間均未達到顯著水平。本試驗結果表明，秸稈炭對土壤微生物量碳影響顯著（P＜0.05）。

2.1.3 秸稈炭、硅鉀肥對土壤可溶性有機碳含量的影響 可溶性有機碳指能溶于水，在土壤不穩(wěn)定，轉移快，有較強活性的一類土壤有機碳，對土壤養(yǎng)分供給起重要作用[12]。由圖3 可知，4 個處理之間可溶性有機碳均未達到顯著水平，但是秸稈炭處理比農戶施肥、測控施肥處理分別提高3.0%、12.2%。硅鉀肥處理比農戶施肥、測控施肥處理分別提高3.7%、13.0%。本試驗結果表明，秸稈炭、硅鉀肥對可溶性有機碳影響不顯著。

2.1.4 秸稈炭、硅鉀肥對土壤易氧化有機碳與輕組有機碳含量的影響 土壤有機碳可以分為易氧化有機碳和穩(wěn)定（難分解）有機碳。農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)研究中，土壤易氧化有機碳很容易影響土壤總碳的含量，土壤有機質的變化也常用土壤易氧化有機碳來指示[13-14]。從圖4 可以看出，4 個處理之間易氧化有機碳含量差異均不顯著。秸稈炭、硅鉀肥、測控施肥處理與農戶施肥處理相比分別提高2.7%、5.4%、7.6%。本試驗結果表明，秸稈炭、硅鉀肥對土壤易氧化有機碳影響不顯著。

有機質在土壤中以2 種形態(tài)存在，一種是游離態(tài)；另一種是有機礦質復合體。輕組有機碳主要是游離態(tài)的有機質，由部分降解的植物殘體組成，還包括一些微生物和木炭等[15-16]。輕組有機碳屬于活性有機碳，是有機碳庫中較為敏感的一個碳組分[17]。從圖4 可以看出，4 個處理之間均未達到顯著水平，秸稈炭處理較硅鉀肥處理的輕組有機碳含量提高14.8%。本試驗結果表明，秸稈炭、硅鉀肥對輕組有機碳影響不顯著。

2.2 秸稈炭、硅鉀肥對土壤緩效（顆粒）有機碳、惰性（重組）有機碳含量的影響

土壤顆粒有機碳是與土壤砂粒結合的有機碳部分，屬于緩效性的碳組分，主要是由動植物、微生物殘體形成，含有大量的活性有機物[11，18]。土壤顆粒有機碳對土壤碳庫具有重要作用，能促進土壤團聚體形成以及碳素循環(huán)與轉化。從圖5 可以看出，秸稈炭處理較農戶施肥處理的顆粒有機碳含量顯著提高66.4%，與測控施肥、硅鉀肥處理相比分別提高19.4%、23.9%。硅鉀肥與農戶施肥處理相比提高34.5%。本試驗結果表明，秸稈炭對土壤顆粒有機碳影響顯著（P＜0.05）。

重組有機質是土壤有機質的主體部分，土壤重組有機碳是有機礦物結合態(tài)碳，受土壤物理保護，可以抵抗微生物降解，所以，重組有機碳作為穩(wěn)態(tài)碳素影響著土壤物理結構及穩(wěn)定性[19]。從圖6 可以看出，秸稈炭與硅鉀肥處理相比，重組有機碳含量提高4.3%，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高21.78%、14.95%，硅鉀肥處理與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高16.9%、10.3%。本試驗結果表明，秸稈炭對土壤重組有機碳影響顯著（P＜0.05）。

2.3 秸稈炭、硅鉀肥對小麥產量及其產量構成因素的影響

從表2 可以看出，秸稈炭、硅鉀肥處理較農戶施肥、測控施肥處理能夠顯著提高小麥的籽粒產量、生物產量、公頃穗數、穗粒數。從籽粒產量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高4.4%，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高44.25%、54.30%。從生物產量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高2.1%，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高25.2%、24.0%。從公頃穗數來看，硅鉀肥處理最高，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高23.11%、21.30%，與秸稈炭處理相比提高1.6%。從穗粒數來看，硅鉀肥處理最高，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高9.1%、18.9%，與秸稈炭處理相比提高0.2%。從千粒質量來看，秸稈炭處理最高，與硅鉀肥處理相比提高3%，與農戶施肥、測控施肥處理相比分別顯著提高5.7%、7.0%。從收獲指數來看，秸稈炭處理最高，但4 個處理之間差異不顯著。由此看來，秸稈炭對旱地小麥的籽粒產量和生物產量影響效應較大。從增產角度出發(fā)，推薦選擇秸稈炭處理。

表2 各施肥措施下小麥產量及其產量構成比較

3 結論與討論

施肥能直接或間接地調控土壤有機質的輸入，影響土壤有機碳的含量，秸稈炭的施入增加了表層土壤碳含量。農業(yè)土壤中水溶性有機碳含量的變化及其結構特征的研究對了解土壤有機質質量以及土壤養(yǎng)分循環(huán)方面有著重要的作用[20]。本試驗秸稈炭處理后的水溶性有機碳含量增加最顯著，因為表層水熱條件和通氣狀況較好，微生物生長代謝旺盛、活躍，從而降解出高濃度的水溶性有機物，引起水溶性有機碳含量的增加[21]。農戶施肥、測控施肥只有化肥，雖然能促進植物生長，但與秸稈炭相比，碳的輸入還是有限的[11]。本試驗秸稈炭處理后的微生物量碳含量增加最顯著，因為秸稈炭施入土壤后，由于秸稈炭本身的孔隙度大與吸附性強等性質，可以為土壤微生物提供良好的棲息地，還能吸附儲存營養(yǎng)元素，為微生物提供養(yǎng)分[22]，從而顯著增加土壤微生物數量，而農戶施肥的微生物量碳含量相對較高，可能是農戶施用的化肥量較大，也促進了微生物的活動。

土壤顆粒有機碳既可作為有機碳長期變化的累積性指標[23]，又能很好地反映施肥引起的土壤質量的變化[24]。秸稈炭的施用增加了土壤中顆粒物的形成，原因可能是秸稈炭能促進團聚體的形成，另外團聚體的保護作用使得土壤中的碳能固持形成顆粒有機碳[25]。有研究表明，單施有機肥可同時提高復墾土壤重組組分有機碳氮的含量[26]。更有研究表明[27-28]，秸稈炭施用顯著提高了土壤惰性（重組）有機碳含量，這是由于秸稈炭含有豐富的芳香性碳組分，難分解，可長期促進土壤惰性有機碳含量[29]。

本試驗中秸稈炭對土壤易氧化有機碳、可溶性有機碳和輕組有機碳的含量影響不顯著。有研究表明，秸稈炭對土壤有機碳的礦化可能同時存在促進和抑制2 種相反的過程[30]，因此，可能產生不同的效果，也可能與土壤類型、氣候、施肥情況不同，導致結果有差異，相關研究還有待進一步深入開展。

本試驗中秸稈炭、硅鉀肥處理對冬小麥籽粒產量和生物產量有顯著的提升作用，并且秸稈炭處理的籽粒產量和生物產量最高。李偉等[31]研究表明，秸稈炭配施氮肥顯著提高了小麥總產量。闞正榮等[32]研究表明，施用秸稈炭能增強小麥的光合性能和潛力，提高籽粒產量。秸稈炭本身的特性使得它能儲存養(yǎng)分，能減緩養(yǎng)分的釋放，從而達到保肥的效果，因此，施用秸稈炭能提高小麥產量。硅元素是國際公認的第4 種植物營養(yǎng)元素，含量豐富，硅鉀與氮磷之間存在著相互促進肥效的作用，硅鉀配施能大幅度提高冬小麥產量。耿立海[33]研究表明，施用硅鉀肥增加了水稻有效穗數和每穗總粒數，提高了群體穎花量，同時也增加了千粒質量，從而提高了產量。本試驗中硅鉀肥處理的穗粒數在4 個處理中是最高也有了解釋。

本研究結果表明，秸稈炭對旱地土壤活性有機碳中的水溶性有機碳、微生物量碳、緩效（顆粒）有機碳、惰性（重組）有機碳含量以及旱地冬小麥產量有提升作用，硅鉀肥對旱地土壤重組有機碳含量有顯著提升作用。綜合考慮，秸稈炭可以在晉南旱地生產實踐中推廣應用，同時也可為旱地麥田的合理施肥、培肥土壤提供依據。