摘要：為提升棕壤質(zhì)量，更好地實現(xiàn)秸稈循環(huán)利用，選擇遼寧地區(qū)典型棕壤設置無秸稈添加、秸稈粉碎還田、生物炭還田、牛糞還田、粉碎秸稈＋牛糞混合還田（秸糞）、粉碎秸稈＋生物炭混合還田（秸炭）、生物炭＋牛糞混合還田（炭糞）7種還田方式，并探究這7種秸稈還田方式對棕壤性狀和養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明：相較于還田2個月，還田18個月后土壤pH和總氮含量顯著增加，而土壤容重、總磷、有效氮和微生物生物量磷含量分別顯著降低了7%，51%，88%，86%。相較于其他還田方式，秸稈粉碎還田處理可顯著提高土壤總氮含量；牛糞處理下的土壤全磷、有效氮、微生物生物量磷和水分含量顯著高于其他還田方式；生物炭處理可顯著增加土壤總磷含量，顯著降低土壤容重和總氮含量；秸炭處理可顯著增加土壤水分含量，顯著降低土壤pH；秸糞處理能顯著增加土壤水分含量，顯著降低土壤容重；炭糞處理能顯著降低土壤容重。還田2個月后，土壤水分含量、pH與土壤磷組分含量關系較為緊密；還田18個月后，僅土壤有機碳對土壤總氮含量有影響。研究表明，短期牛糞還田對土壤性狀和養(yǎng)分含量影響最明顯，可作為短期內(nèi)改善土質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分含量的有效手段。

關鍵詞：生物炭; 牛糞; 土壤性質(zhì); 氮; 磷

中圖分類號：S153文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2024.02.004

CUI Song LYU Yan CHEN Lanfeng KONG Jianjian YANG Yang LIU Xiaoqing DING Zifan QI Nan

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Department of Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：To improve the quality of brown soils and better achieve the straw recycling， typical brown soils in Liaoning was selected to explore the effects of 7 straw returning methods （including no straw addition， crushedstraw returning， biochar returning， cow manure returning， crushedstraw amp; cow manure returning， crushedstraw amp; biochar returning， cow manure amp; biochar returning） on the properties and nutrient content of brown soils. The results showed that soil pH and total nitrogen content increased significantly after 18 months post returning than those of 2 months post returning， while soil bulk density， total phosphorus， available nitrogen and microbial biomass phosphorus content decreased significantly by 7%， 51%， 88% and 86%， respectively. Compared with other returning methods， crushedstraw returning significantly increased the soil total nitrogen content; cow manure returning significantly increased soil total phosphorus， available nitrogen， microbial biomass phosphorus and soil water content; biochar returning significantly increased soil total phosphorus content， but decreased soil bulk density and total nitrogen content; crushedstraw amp; biochar returning significantly increased soil water content but decreased soil pH; crushedstraw amp; cow manure returning significantly increased soil water content but decreased soil bulk density; cow manure amp; biochar returning significantly reduced the soil bulk density. The relationship between soil water content， pH and soil phosphorus components was closer after 2 months post returning. Only soil organic carbon had significant influence on soil total nitrogen content after 18 months post returning. This study indicates that shortterm cow manure returning could have the greatest effects on soil properties and nutrient content， and could be used as an effective means to improve soil quality and increase soil nutrient content in the short term.

Key words：biochar; cow manure; soil properties; nitrogen; phosphorus

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的最多的副產(chǎn)品之一。目前，我國每年生產(chǎn)的秸稈總量已超過9億噸，其中有近2億噸未被利用，未被利用的秸稈大多被露天焚燒，不僅會造成資源的浪費，還會產(chǎn)生大量有害氣體和顆粒物，帶來空氣質(zhì)量污染及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)破壞等負面影響［12］。秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分及大量的有機質(zhì)。適量秸稈還田不僅能降低土壤容重，調(diào)節(jié)pH，還能促進養(yǎng)分的平衡，提升土壤的生產(chǎn)力，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能維持和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均具有重要意義［3］。然而，過量及不合理的秸稈還田會對土壤肥力供給、病蟲害傳播、作物生長等產(chǎn)生不利的影響［4］。因此，如何科學有效地利用秸稈改善土壤質(zhì)量已成為當前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要議題［56］。

秸稈還田是培肥土壤、改良土壤質(zhì)量的重要舉措，當前秸稈還田的方式主要包括秸稈直接粉碎還田、炭化還田、過腹還田和添加生物腐熟劑還田等［7］。學者們對不同還田方式對土壤性質(zhì)、養(yǎng)分含量及作物產(chǎn)量等方面的影響進行了大量研究，但因研究的土壤類型、秸稈種類、氣候條件等有所不同，研究者們的研究結(jié)果也不盡一致［810］。一些研究認為，秸稈還田能夠有效降低土壤容重，提高土壤有機質(zhì)和總氮含量，對土壤堿解氮的提高也有一定的促進作用［1112］。而另有研究則認為，秸稈粉碎還田和炭化還田對土壤有效磷和堿解氮含量的影響未達到顯著水平［1315］。炭化還田是將作物秸稈制成秸稈生物炭后再施入土中的秸稈利用方式。一些研究發(fā)現(xiàn)，秸稈炭化還田既能降低土壤容重，改良土壤結(jié)構［16］，還可以顯著提高有機質(zhì)含量和土壤肥力［1718］。過腹還田也是秸稈還田方式的一種。一些研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加生物有機肥，不僅能改善土壤養(yǎng)分及其酶活性［1920］，還能培肥地力，改善生態(tài)環(huán)境，進而落實資源循環(huán)利用的理念［21］。以上研究雖使人們對秸稈直接還田、炭化還田和過腹還田對土壤性狀及作物產(chǎn)量影響的認識有所提高，但幾種秸稈還田方式交互作用及秸稈還田時長對土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響仍有待研究。

棕壤是中國東北地區(qū)典型的耕作土壤之一，土層深厚，保水性好，生物資源豐富，對保障國家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。但由于長期受風化、沙化、水蝕及過度開發(fā)等因素的影響，棕壤中養(yǎng)分元素流失較多，結(jié)構遭到破壞，土壤功能嚴重退化。為遏制棕壤退化，改善棕壤質(zhì)量，保障國家糧食安全，本研究探討了秸稈還田方式和還田時長對棕壤性質(zhì)和養(yǎng)分的影響，以期為秸稈的高效循環(huán)利用和棕壤質(zhì)量提升提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究地區(qū)自然概況

研究地位于遼寧省鞍山市臺安縣，處遼中平原東南部、遼河三角洲腹地（122°11′～122°40′E，41°01′～41°34′N），平均海拔為6～7m。該區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為8.2℃，年平均降雨量約為644mm。土壤類型以黑壤土和砂壤土為主，土壤養(yǎng)分含量較低。農(nóng)田統(tǒng)一化管理，在4月底至5月初對土壤進行施肥和淺耕，然后進行機械播種，并在秋季收獲后，將秸稈全部移出，未進行秸稈覆蓋。

1.2樣地設計及樣品采集

本研究在臺安縣毛家村選擇典型棕壤玉米種植區(qū)設置試驗區(qū)。試驗樣地在2021年4月中旬進行布設，試驗設置了3種秸稈種類：秸稈、生物炭、牛糞。其中，秸稈全部碎化還田（長度＜10cm，直徑＜0.1cm）。施用的生物炭是由該樣地上一年秋季收獲的玉米秸稈經(jīng)450℃高溫制成，各處理秸稈還田方式及供試材料用量見表1。本試驗共設6個處理，1個對照，共7個大區(qū)，每個大區(qū)間隔1m，每個處理設4個重復，共28個試驗小區(qū)，每個小區(qū)為40m2（5m×8m）。試驗區(qū)采用初次播種前一次性施用復合肥（氮14%、磷22%、鉀14%）的施肥方式，用量為750kg·hm-2，與該區(qū)域常規(guī)方式相同。供試材料的基本化學性質(zhì)見表2。

分別于2021年6月中旬、2022年10月上旬在試驗區(qū)的各處理小區(qū)按照五點取樣法采集0～20cm 耕層的土壤樣品，并去除樣品中的雜質(zhì)，將每個試驗小區(qū)內(nèi)的5個土樣混勻成一個樣品放在自封袋中，并將自封袋置于冰盒，當天采樣結(jié)束后，盡快將土壤樣品帶回實驗室處理。此外，每個小區(qū)用環(huán)刀采集3個樣品用于測定土壤容重。

1.3室內(nèi)分析

帶回實驗室的土樣需全部過2mm篩，去除植物根系、石子等雜物后分為2份：一份冷藏，用于土壤含水量、pH、容重、有效磷、有效氮和微生物生物量磷的測定；另一份于陰涼處風干后研磨過100目篩，用于土壤全磷、全氮和總有機碳含量的測定。

土壤pH、含水量、容重、有機碳、總氮、總磷、有效氮、有效磷和微生物生物量磷均按照土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法進行測定［22］。土壤pH的測定采用電位法（土水比例1∶5），含水量的測定采用烘干法，總有機碳的測定采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法，全磷的測定采用酸溶-鉬銻抗比色法，銨態(tài)氮的測定采用靛酚藍比色法，硝態(tài)氮的測定采用分光光度法，有效磷的測定采用0.1mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法，微生物磷的測定采用氯仿熏蒸-鉬銻抗比色法。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗試驗研究不同秸稈還田方式對土壤性質(zhì)指標的影響。采用Fisher′s LSD檢驗處理組間差異，統(tǒng)計顯著性水平為0.05；采用Spearman相關系數(shù)法分析土壤各性狀指標間的相關性關系。所有數(shù)據(jù)分析均在SPSS 20.0和R4.1.0軟件中完成。

2結(jié)果與分析

2.1秸稈還田方式對土壤含水量、酸堿度和容重的影響

由圖1（a）可以看出，還田時長對土壤含水量無顯著影響，與還田2個月相比，還田18個月后土壤pH顯著增加了約14.6%，而土壤容重顯著降低了6.5%（圖1（b）、圖1（c））。

與對照處理相比，還田2個月后秸糞、秸炭和牛糞處理下的土壤含水量分別顯著增加了64.1%，74.5%和108%；其中牛糞處理下的土壤含水量最高，為20.7%±1.0%，顯著高于對照、秸稈、生物炭和炭糞處理； "而炭糞處理下土壤含水量與對照處理間無顯著差異 （圖2（a））。 "相較于對照，秸炭處理下土壤pH顯著降低了約10%，其他處理間差異不顯著（圖2（c））。相較于對照，不同秸稈還田處理下土壤容重也有不同程度的降低，其中秸糞、秸稈、牛糞、生物炭和炭糞處理下土壤容重分別顯著降低了4.2%，4.1%，4.1%，3.4%和3.6%（圖2（e））。還田18個月后，不同秸稈還田處理下土壤含水量、pH和容重差異均未達到顯著水平（圖2（b）、圖2（d）、圖2（f））。

2.2秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

相較于還田2個月，還田18個月后土壤總氮含量顯著提高了約6.9%（圖3（a））。與還田2個月相比，還田18個月后土壤總磷含量顯著降低了51.1%（圖3（b）），土壤有效氮含量顯著降低了88.4%（圖3（c）），土壤有效磷含量較還田2個月有所減少，但差異不顯著（圖3（d））。

還田2個月后，秸稈粉碎還田處理下土壤總氮含量最高為（0.98±0.06）g·kg-1，顯著高出秸炭、牛糞和生物炭處理的19%，17.9%和26.9%；生物炭處理下的土壤總氮含量最低，且顯著低于對照和秸稈粉碎還田處理（圖4（a））。還田18個月后，秸稈粉碎還田處理下土壤總氮含量最高為（1.08±0.05）g·kg-1，且顯著高于秸糞、秸炭、牛糞、生物炭和炭糞處理，分別高出17.4%，23.1%，18.9%，31%和13.4%；生物炭處理下的土壤總氮含量最低，且顯著低于對照、秸糞和秸稈處理（圖4（b））。還田2個月后，與對照處理相比，牛糞和生物炭處理下土壤總磷含量顯著提高了31.4%和23.2%，牛糞處理下土壤總磷含量最高為（1.04±0.10）g·kg-1，顯著高于對照和炭糞處理（圖4（c））；牛糞處理下的土壤有效氮含量顯著高出生物炭處理，且與其他秸稈還田方式無顯著差異（圖4（e））。還田2個月后，各處理間土壤有效磷含量差異不顯著（圖4（g））；還田18個月后，各處理間土壤總磷、有效氮和有效磷含量差異均不顯著（圖4（d）、圖4（f）、圖4（h））。

2.3秸稈還田方式對棕壤有機碳和微生物生物量磷的影響

與還田2個月相比，還田18個月后的土壤總有機碳含量有所增加，但差異不顯著（圖5（a）），土壤微生物生物量磷含量則顯著減少，約降低86%（圖5（b））。

還田2個月后，不同秸稈還田處理下土壤總有機碳含量差異不顯著；還田18個月后，秸稈處理下土壤總有機碳含量最高為（10.40±0.15）mg·kg-1，顯著高于秸糞、秸炭、牛糞和生物炭處理（圖6（a）、圖6（b））。還田2個月后，牛糞處理下的土壤微生物生物量磷含量最高為（152.55±9.67）mg·kg-1，比對照處理顯著增加了約57.2%，但與其他還田方式間無顯著差異（圖6（c）），但還田18個月后，不同秸稈還田方式間土壤微生物生物量磷含量差異不顯著，這可能與各處理下的數(shù)據(jù)變異大有關（圖6（d））。

2.4土壤性狀指標間相關性關系

還田2個月后，土壤總磷、有效磷和微生物生物量磷與含水量極顯著正相關；土壤總氮與土壤pH極顯著正相關；土壤總有機碳與土壤pH顯著負相關；土壤總磷和有效磷與土壤pH極顯著負相關；土壤總磷與總有機碳顯著正相關；土壤有效磷與總氮顯著負相關；土壤總磷和微生物生物量磷與總氮極顯著負相關；土壤有效磷和微生物生物量磷與全磷極顯著正相關；土壤微生物生物量磷與有效磷極顯著正相關；土壤有效氮、容重與其他土壤性狀間均不存在顯著相關關系（圖7（a））。還田18個月后，土壤有效磷與含水量顯著負相關；土壤總氮和微生物生物量磷與土壤總有機碳極顯著正相關；土壤有效氮與總磷顯著正相關；土壤有效氮與有效磷顯著正相關；土壤pH、容重與其他土壤性狀間均不存在顯著相關關系（圖7（b））。

3討論

3.1秸稈還田方式與還田時長對土壤性狀的影響

本研究表明，還田時長可顯著影響土壤理化性質(zhì)。與還田2個月相比，還田18個月后的土壤pH有所提高，原因可能是還田2個月時玉米處于生長期，根系產(chǎn)生大量的有機酸及土壤中秸稈腐解產(chǎn)生的有機酸會使土壤pH快速下降；而還田18個月時秸稈已進入收獲期，根系無法提供有機酸，同時秸稈腐解產(chǎn)生的有機酸也逐漸減少，所以還田18個月后土壤pH有所提高［23］。相較于還田2個月，還田18個月后土壤容重顯著降低，這一結(jié)果與嚴君等［24］的研究相一致。較低的土壤容重不僅有助于提高土壤的保水能力，提供更多的氧氣給根系和土壤微生物，使這些微生物更好地參與有機物分解、養(yǎng)分循環(huán)等過程，而且可以減少土壤顆粒的流失，維護土壤的肥力和結(jié)構，這對于保護土壤資源、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡及減少環(huán)境污染都具有積極作用［2526］。

秸稈還田方式還可顯著影響土壤理化性質(zhì)。牛糞還田在短期內(nèi)能顯著增加土壤含水量，這與Rasool等［27］的研究結(jié)果相一致。還田2個月后，秸稈+生物炭混合還田使土壤pH顯著降低，其原因可能是秸稈和生物炭加入土壤后產(chǎn)生的有機酸及降雨會導致土壤陽離子和生物炭的淋失，這些都可能降低土壤pH［28］。本文中，還田2個月后，除秸稈+牛糞還田外，其他處理下土壤容重均顯著降低，這與前人的研究結(jié)果相一致［2931］。而還田18個月后，各還田方式間無顯著差異，這可能是因為收割時受人為踩踏或收割器械碾壓的影響，導致各還田方式下土壤緊實度增加。

3.2秸稈還田方式與還田時長對土壤養(yǎng)分含量的影響

研究結(jié)果表明，還田時長對農(nóng)田土壤氮磷肥力影響顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤總氮含量隨秸稈還田時間的增加而增加，這與趙士誠等［32］的研究結(jié)果相一致。土壤總氮含量的提高可能與秸稈腐解，即秸稈中養(yǎng)分釋放有關。張麗娟等［33］對有機物料的腐解特征進行研究發(fā)現(xiàn)，有機物料在栗鈣土中前３個月分解較快，此后逐漸變慢，至腐解２年時有機物料漸趨穩(wěn)定狀態(tài)。相較于總氮，土壤總磷含量隨著還田時間的增加而減少，這與前人的研究結(jié)果不一致［34］。其原因可能是秸稈還田能減少土壤對磷的吸附量，增加土壤磷的活性，從而導致土壤中總磷含量減少［35］。本研究還發(fā)現(xiàn)，土壤有效氮含量隨還田時間增加而顯著降低，這一結(jié)果與呂盛等［36］的研究結(jié)果相一致。這可能是因為當含有較高碳、氮含量的秸稈施入土壤后，補充了土壤碳源，促進了微生物的生長繁殖，加快了土壤中有機氮的轉(zhuǎn)化，進而導致了土壤中有效氮含量的降低［37］。

研究結(jié)果表明，不同秸稈還田方式對土壤各養(yǎng)分含量影響有所不同。秸稈粉碎還田處理下的土壤總氮含量最高，且顯著高于生物炭還田，這與前人的研究結(jié)果相一致［38］。這可能是因為與生物炭相比，秸稈含有更加豐富的氮素養(yǎng)分，其施入土壤中能使土壤養(yǎng)分含量顯著提高。牛糞還田處理下土壤總磷含量顯著提高，這與程曼等［39］的研究結(jié)果相一致。短期內(nèi)，牛糞還田下土壤有效氮含量顯著高于生物炭還田，其原因可能是牛糞等有機肥含有更多的有效養(yǎng)分，其施入土壤中可使土壤有效養(yǎng)分顯著增加，這與賀麗群等［40］的研究結(jié)果相一致。

研究結(jié)果表明，秸稈還田時長和方式對土壤有機碳和微生物生物量磷的影響不同。還田18個月后，秸稈粉碎還田處理下土壤有機碳含量顯著提高，其原因可能是秸稈翻耕還田有助于秸稈與土壤保持密切接觸，改變土壤結(jié)構，增加細菌數(shù)量，從而有助于秸稈分解［41］。隨著還田時間的延長，土壤微生物生物量磷含量顯著降低，其原因可能是施入的秸稈大部分已降解完，僅剩的秸稈已不能滿足土壤微生物對磷的需求［42］。本文中，還田2個月后，牛糞還田處理下土壤微生物生物量磷含量顯著提高，這與陳露［43］的研究結(jié)果相一致。

4結(jié)論

本研究表明，秸稈還田方式能顯著影響土壤理化性狀，增加土壤氮磷肥力和固碳量。短期內(nèi)秸稈還田對土壤性狀和養(yǎng)分含量影響較大，隨著還田時間的增加，各還田方式對土壤性質(zhì)和養(yǎng)分含量的影響隨之衰減，土壤性質(zhì)與氮磷養(yǎng)分間的相關關系也隨之減弱。不同秸稈還田方式均能不同程度地改善土壤質(zhì)量、提高土壤肥力，其中秸稈粉碎還田短期內(nèi)能降低土壤容重，是改善土質(zhì)的重要途徑。牛糞還田短期內(nèi)不僅能增加土壤持水能力，還能有效提高氮磷肥力水平，可作為短期內(nèi)改善土質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分含量的有效手段。因此，在選擇秸稈還田方式時，不僅要考慮秸稈對土壤養(yǎng)分含量的直接影響，還要考慮秸稈還田引起的土壤本身性質(zhì)變化對土壤肥力的影響。

致謝感謝沈陽師范大學重大孵化項目（ZD202301）的支持。

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【責任編輯：王瑞丹】