摘要：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程的維持與生態(tài)功能的發(fā)揮受土壤中碳（C）、氮（N）、磷（P）的含量及其耦合關(guān)系的影響。以遼寧省典型棕壤為研究區(qū)，通過田間試驗，探究了秸稈、牛糞和生物炭單獨及其組合還田對棕壤C，N，P化學(xué)計量特征的影響。結(jié)果表明：秸稈還田對土壤總C/N的影響不顯著，但顯著改變了土壤總N/P和C/P；牛糞和生物炭還田分別使土壤總C/P降低了26.7% 和21.2%，N/P分別顯著降低了22.2%和20.9%；秸稈直接還田顯著降低了土壤有效C/N和C/P，降幅分別為45.7%和62.3%；秸稈和生物炭還田相較其他處理，顯著提高了土壤有效N/P，而與其他處理間差異不顯著；土壤總C/P和N/P受到土壤水分和pH的顯著影響；土壤總C/N與土壤容重和總有機碳含量顯著相關(guān)。土壤理化指標(biāo)對土壤有效化學(xué)計量比的影響較小。土壤化學(xué)計量比的變化對土壤酶活性有影響，尤其是有效化學(xué)計量比對土壤酶活性的影響較大。研究表明合理的農(nóng)業(yè)管理措施可以調(diào)節(jié)土壤化學(xué)計量特征，進而影響土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞：電催化秸稈還田; 化學(xué)計量比; 棕壤; 生物炭

中圖分類號：S153文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2024.05.004

Effects of straw returning methods on stoichiometry of brown soils

ZHANG Di1， DING Zifan2， KONG Jianjian2， QI Nan3

（1.Zaohua Sewage Treatment Plant， CHN Energy Environmental Protection Industry Group Co.， Ltd.， Shenyang 110034， China; College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 3.Department of Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：

The maintenance of agricultural ecosystem production processes and the performance of ecological function are affected by the content and coupling relationships of soil carbon， nitrogen and phosphorus. The typical brown soil of Liaoning Province was taken as the study area， and the effects of straw， cow manure and biochar alone and in combination on C， N， P stoichiometric characteristics of typical brown soil were studied through field experiments. The results showed that the straw returning had no significant effect on the soil total C/N， but significantly altered the soil total N/P and C/P; Cow manure and biochar returning reduced the soil total C/P by 26.7% and 21.2%， respectively， and the N/P significantly decreased by 22.2%and 20.9%， respectively; Direct straw returning significantly reduced the soil available C/N and C/P by 45.7% and 62.3%， respectively; Biochar reurning significantly increased the soil available N/P compared to other treatments， while there were no significant differences among other treatments. The soil total C/P and N/P were significantly affected by soil moisture and pH; The soil total C/N was significantly correlated with soil bulk density and total organic carbon content.Soil physicochemical indicators had a minor impact on the soil available stoichiometric ratio. Changes in soil stoichiometric ratio also affected soil enzyme activity， especially the available stoichiometric ratio had a greater impact on soil enzyme activity. This study demonstrates that reasonable agricultural management measures can regulate soil stoichiometric characteristics， thereby affecting soil quality and ecosystem function.

Key words：straw returning; stoichiometric ratio; brown soils; biochar

生源要素碳（C）、氮（N）、磷（P）在土壤中的含量及其耦合關(guān)系密切影響著農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程的維持與生態(tài)功能的發(fā)揮，而這三者的含量及其耦合關(guān)系均受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動（如秸稈還田、有機肥施用等）的影響［1］。秸稈還田是改善土壤質(zhì)量與結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)的重要手段，但秸稈自身含有的C，N，P養(yǎng)分在被施入土壤后可能會改變土壤C，N，P的耦合及其平衡關(guān)系［2］，進而影響土壤的生物地球化學(xué)過程［3］。目前，各種秸稈還田方式已在全國范圍內(nèi)大力推廣，該活動所影響的土壤面積正逐年增加。因此，在這種背景下，研究秸稈還田對農(nóng)田土壤C，N，P含量及其耦合關(guān)系的影響，對保障土壤維持正常的生物地球化學(xué)過程及肥力供給具有十分重要的意義。

土壤C，N，P化學(xué)計量比是反映土壤C，N，P平衡的主要指標(biāo)，研究該指標(biāo)有助于理解生態(tài)過程對全球變化的響應(yīng)［4］。近年來，少量研究者對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤C，N，P化學(xué)計量比進行了一些有價值的前期研究工作，這些工作多集中在農(nóng)田管理活動對植被和土壤C，N，P化學(xué)計量比的影響上。例如，林新堅等［5］采用施肥處理的方式降低了稻田里雜草的碳氮比和碳磷比，使植株的C，N，P化學(xué)計量比與土壤相一致。林少穎等［6］研究了亞熱帶地區(qū)秸稈直接還田和生物炭還田對土壤C，N，P含量及其化學(xué)計量比的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈直接還田能顯著降低土壤鹽分和土壤溫度，而生物炭還田則會顯著降低土壤密度和溫度，生物炭處理下的土壤C，N，P含量增加量顯著高于秸稈處理，生物炭處理下的土壤C/N顯著低于秸稈處理，但二者對土壤N/P和C/P的影響無顯著差異。近期關(guān)于秸稈還田對全球土壤化學(xué)計量平衡影響的meta分析發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能使土壤C，N，P含量分別提高10.5%～12%，7.63%～9.2%和2.62%～5.13%，使土壤C/N，C/P分別提高2.51%～3.42%和7.27%～8.00%，表明秸稈還田緩解了單獨施用礦物肥造成的土壤碳限制，能夠維持平衡的化學(xué)計量關(guān)系［3］。葉迎等［1］綜述了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的化學(xué)計量特征，指出農(nóng)田土壤C，N，P化學(xué)計量比受到土壤類型、種植作物類型、地形、土地利用類型及農(nóng)田管理活動等因素的影響，其中秸稈還田可通過補充土壤有機質(zhì)含量提高土壤C/N。上述研究工作雖揭示了秸稈還田對植被和土壤總C，N，P化學(xué)計量比的影響，但是沒有涉及土壤有效C，N，P化學(xué)計量比對秸稈還田的響應(yīng)，因而不能全面深入地揭示秸稈還田對土壤生態(tài)化學(xué)計量特征的影響。此外，上述研究也沒有考慮秸稈還田后土壤化學(xué)計量特征的變化是否會對土壤酶活性、養(yǎng)分供給和生態(tài)系統(tǒng)功能的整體性有影響。因此，只有系統(tǒng)地分析秸稈還田對土壤C，N，P化學(xué)計量關(guān)系及化學(xué)計量特征的變化對土壤功能的影響，才能準(zhǔn)確地解釋秸稈還田對土壤化學(xué)計量特征的調(diào)控機理。

1研究材料及方法

1.1研究區(qū)概況

本研究選擇遼寧省鞍山市臺安縣所轄的典型棕壤區(qū)開展秸稈還田原位培養(yǎng)試驗。試驗區(qū)位于遼寧省中部偏西南的遼河三角洲腹地（122°11′～122°40′E， 41°01′～41°34′N），區(qū)域內(nèi)無山，地勢較為平坦，平均海拔為6～7m；全境南北總長約為75km，東西寬度約為50km，總面積約為1393km2。本區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均降水量約為600mm，年均氣溫約為9℃，區(qū)域內(nèi)季節(jié)分明，冬夏溫差極大，冬季最低溫度可低于-20℃。供試土壤為典型棕壤，其耕層土壤有機碳含量約為8.05g·kg-1 ，全氮含量約為1.11g·kg-1，全磷含量約為1.05g·kg-1，全鉀含量約為9.88g·kg-1，pH約為 6.92，堿解氮含量約為41.86mg·kg-1。該區(qū)域內(nèi)農(nóng)田管理方式為每年春季4月底至5月初進行土壤施肥淺耕，而后實施機械播種，秋季10月初玉米收獲后，將秸稈移除農(nóng)田，未采取秸稈覆蓋保護措施。由于當(dāng)?shù)厍锛竞投撅L(fēng)大，土壤質(zhì)地較為細膩，因而目前土壤沙化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

1.2試驗設(shè)計

本試驗始于2021年4月，終于2023年10月，原位試驗周期為18個月。于2021年10月秋收后收集玉米秸稈，對其進行粉碎、炭化、牲畜過腹等處理，然后獲取粉碎秸稈、秸稈生物炭和牛糞。秸稈粉碎后處理為長度lt;10cm、直徑lt;0.1cm的條狀；生物炭經(jīng)過450 ℃高溫制備；牛糞經(jīng)發(fā)酵處理后含水量約為20%。本研究中供試秸稈、生物炭和牛糞的主要養(yǎng)分含量見表1。

于2021年4月下旬春季播種前進行秸稈還田試驗。試驗共設(shè)7個秸稈還田方式，即無秸稈還田（對照）、秸稈全量直接還田（秸稈）、秸稈炭化還田（生物炭）、牛糞還田（牛糞）、秸稈+生物炭還田（秸炭）、秸稈+牛糞還田（秸糞）、牛糞+生物炭還田（糞炭），每個處理4個重復(fù)，共計28個大區(qū)，大區(qū)尺寸為5m×8m，大區(qū)間間隔為1m。根據(jù)棕壤玉米秸稈產(chǎn)量和目前生產(chǎn)中所使用的還田量，采用秸稈全量還田，而秸稈炭、牛糞用量也是按照全量還田來計算的，各處理秸稈、生物炭、牛糞用量詳見表2。

布置試驗時，首先將各樣方所需的供試材料均勻撒在地面上，然后用旋耕機進行翻耕，將供試材料與土壤混合在一起，翻耕深度為0～15cm。試驗樣地處理完后，于5月上旬進行玉米種植。供試玉米作物的品種為“鄭丹958”，玉米種植與收獲期間日常管理均遵照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理經(jīng)驗進行。每個大區(qū)內(nèi)，玉米種植株距約為30cm，行距約為50cm，種植密度約為6×104株·hm-2。試驗區(qū)化肥施用量采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施用量，一般在初級播種前進行一次性施用復(fù)合肥（復(fù)合肥養(yǎng)分含量為氮14%、磷22%、鉀14%），用量為750kg·hm-2。在2021年的試驗區(qū)內(nèi)進行相同的試驗處理與操作，并進行2022年的試驗。

1.3樣品測試分析方法

采用濃硫酸-高氯酸消解、鉬銻抗比色法測定土壤總磷（total phosphorus，TP），采用元素分析儀測定土壤總碳（total carbon，TC）、總氮（total nitrogen，TN），采用碳酸氫鈉溶液浸提、鉬銻抗比色法測定土壤有效磷（available phosphorus，AP），采用有機碳分析測定土壤溶解性有機碳（dossiolved organic carbon，DOC）。分別用靛酚藍比色法和紫外分光光度法測定土壤氨氮和硝氮，最終計算氨氮和硝氮二者含量之和，即有效氮含量（available nitrogen，AN）。采用氯仿熏蒸法提取、鉬銻抗比色法測定土壤微生物磷（microbial biomass phosphorus，MBP）。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析檢驗秸稈還田方式對土壤化學(xué)計量特征的影響；采用皮爾森相關(guān)性分析檢測土壤TC，TN，TP，DOC，AN，AP及其化學(xué)計量比間的相關(guān)關(guān)系；采用簡單線性回歸分析土壤性狀與土壤化學(xué)計量比間的關(guān)系，所有統(tǒng)計分析均在4.1.0軟件中完成。

2結(jié)果與分析

2.1還田方式對土壤理化性質(zhì)的影響

由表3可見，秸稈還田方式對土壤水分含量、pH、容重和微生物生物量磷含量無顯著影響，但對土壤有機碳含量影響顯著，其中秸稈粉碎直接還田處理下的有機碳含量最高，為（10.40±0.15）%，顯著高于秸炭、牛糞、秸糞和生物炭處理，但與對照和炭糞處理無顯著差異。

2.2還田方式對土壤C，N，P化學(xué)計量比的影響

秸稈還田方式對土壤總C，N，P化學(xué)計量比的影響如圖1所示。由圖1可知，秸稈還田方式對土壤總C/N無顯著影響，各還田方式間差異不顯著。秸稈還田方式顯著影響土壤總C/P，與對照相比，秸炭、牛糞和生物炭處理下的土壤總C/P顯著降低，分別降低了13.78%，26.74%和21.21%。其中，牛糞處理下的土壤總C/P最低為13.78±0.34，顯著低于對照、秸糞、秸稈和炭糞處理。與對照相比，其他秸稈還田方式處理下的土壤總N/P都有所下降，其中牛糞和生物炭處理達到顯著水平，分別下降了22.00%和20.91%。這些研究結(jié)果表明，各秸稈還田方式對土壤總C/N影響較小，對總C/P和N/P影響較大，且牛糞和生物炭還田對土壤總C/P和N/P 影響最為明顯。

秸稈還田方式對土壤有效C，N，P化學(xué)計量比的影響如圖2所示。秸稈還田方式顯著影響土壤有效C/N；與對照相比，秸稈粉碎直接還田處理下的土壤有效C/N顯著降低，約降低了45.70%，與其他處理間差異不顯著。與對照相比，秸稈粉碎直接還田處理下土壤有效C/P顯著降低了62.13%，且顯著低于秸糞、秸炭、牛糞、生物炭和炭糞處理，分別降低了61.86%，64.85%，56.76%，51.43%和56.26%；秸稈還田方式對土壤有效N/P有顯著影響；秸炭處理下的土壤有效N/P最高，為0.40±0.03，且顯著高于秸稈粉碎直接還田和牛糞處理，分別高了69.57%和71.56%，但與其他處理間差異不顯著。這些研究結(jié)果表明，秸稈粉碎直接還田引起了土壤有效C，N，P化學(xué)計量比的顯著減少，且這種影響持續(xù)時間較長。

2.3土壤化學(xué)計量比間的相關(guān)性關(guān)系

圖3為秸稈還田后的土壤碳、氮、磷含量及其化學(xué)計量比的相關(guān)分析結(jié)果。由圖3可以看出，土壤DOC與有效C/N，C/P呈極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)間無顯著相關(guān)性；土壤有效C/N與有效C/P呈極顯著正相關(guān)，與AN含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤有效C/P與土壤有效N/P呈極顯著正相關(guān)，與TN，TC含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與AN，AP呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤有效N/P與AP呈極顯著負(fù)相關(guān)，與TP呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤總N/P與總C/P，TN，TC含量呈顯著正相關(guān)，但與TP呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤總C/P與TN，TC含量呈極顯著正相關(guān)；土壤TN與TC，AN含量呈極顯著正相關(guān)；土壤TC與總C/N，AN，TP含量呈顯著正相關(guān)；土壤AN與AP，TP含量呈顯著正相關(guān)。

2.4土壤化學(xué)計量比與土壤性狀指標(biāo)間的線性回歸關(guān)系

秸稈還田后，土壤總C，N，P化學(xué)計量比與土壤性狀指標(biāo)間的線性關(guān)系見表4。土壤含水量與土壤總C/N間不存在顯著線性關(guān)系，但與土壤總C/P，N/P呈顯著線性關(guān)系；土壤容重與土壤總C/N呈極顯著線性關(guān)系，但與土壤總C/P，N/P間不存在顯著線性關(guān)系；土壤pH與土壤總C/N間不存在顯著線性關(guān)系，但與土壤總C/P，N/P呈顯著線性關(guān)系；土壤有機碳含量與土壤總C/N，C/P呈顯著線性關(guān)系，但與土壤總N/P間不存在顯著線性關(guān)系；土壤微生物生物量磷與土壤總C/N，C/P和N/P均不存在顯著線性關(guān)系。這些研究結(jié)果表明，秸稈還田后土壤性質(zhì)的變化將會影響土壤總C，N，P化學(xué)計量比。

秸稈還田后土壤有效C，N，P化學(xué)計量比與土壤性狀指標(biāo)間的線性關(guān)系見表5。土壤有效C/N與土壤含水量、容重、pH和微生物生物量磷不存在顯著線性關(guān)系，但與土壤有機碳含量存在顯著線性關(guān)系；土壤有效C/P與土壤含水量、容重、pH和微生物生物量磷均不存在顯著線性關(guān)系，但與土壤有機碳含量存在顯著線性關(guān)系；土壤有效N/P與土壤含水量、容重、pH和有機碳含量均不存在顯著線性關(guān)系，但與土壤微生物生物量磷存在顯著線性關(guān)系。這些研究結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)對土壤有效C，N，P的影響較小，但土壤有機碳含量和微生物生物量磷對其影響較大。

3討論

研究結(jié)果表明，秸稈還田方式對土壤總C/N影響不顯著，這與林少穎等［6］的研究結(jié)果相一致。本研究中秸稈粉碎直接還田使得土壤TC和TN含量同時增加，所以其二者間的化學(xué)計量比與對照間差異不明顯；而其他處理下的土壤TC和TN含量變化量較小，所以使得這些處理間的總C/N差異不顯著。與土壤總C/N 相比，秸稈還田方式對土壤總C/P和N/P影響較大，其中牛糞還田和生物炭還田處理下的土壤總N/P，C/P顯著減小，這與先前的研究結(jié)果相一致［7］。這可能是因為牛糞和生物炭還田后土壤TC含量顯著低于對照，而這些處理下的土壤TP含量雖有所增加，但統(tǒng)計水平上不顯著，這可能會導(dǎo)致其總的N/P和C/P有所降低。孟娜等［8］研究了農(nóng)田施用有機肥對土壤磷含量的影響，發(fā)現(xiàn)施加有機肥可顯著增加土壤TP含量。而施加生物炭時，雖然生物炭本身含磷量較少，但是生物炭本身的多孔結(jié)構(gòu)卻可以減少元素磷的淋失損失［6，9］。本研究中秸糞、秸稈粉碎直接還田、秸炭還田處理下的土壤總N/P，C/P無顯著差異，這可能與這些處理下的TC，TN，TP含量變化較小有關(guān)。

相較于土壤總C，N，P化學(xué)計量比，秸稈還田對土壤有效C，N，P化學(xué)計量比影響更大，秸稈粉碎直接還田處理下的土壤有效C/N，C/P和N/P均有降低，這可能與秸稈降解過程中養(yǎng)分的緩慢釋放有關(guān)。秸稈還田18個月后，秸稈粉碎直接還田處理下的土壤溶解性有機碳含量相較對照降低了27%，而該處理下的土壤有效氮和磷則分別增加了40%和36%。因此，本研究中土壤溶解性有機碳含量的減少與有效氮、磷含量的增加解釋了土壤有效C，N，P變化。相較秸稈粉碎直接還田處理，其他處理通常在還田后短期內(nèi)就能引起土壤溶解性碳、有效氮、有效磷含量顯著上升，因為牛糞和生物炭中本身含有的養(yǎng)分多為有效態(tài)，但隨著還田時長的增加，這些養(yǎng)分大多被植物吸收利用或通過雨水淋失掉［10-11］，所以在還田18個月后，牛糞和生物炭處理下的土壤有效C，N，P化學(xué)計量比變化不顯著。

本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后土壤總有效C/N，C/P均與土壤TOC含量顯著相關(guān)，這表明土壤C，N，P化學(xué)計量平衡與土壤有機碳儲量密切相關(guān)，這一結(jié)果與Manzoni等［12］的研究結(jié)果相一致，該研究發(fā)現(xiàn)被降解的枯落物中的碳動態(tài)是由其化學(xué)計量比所控制的。秸稈還田后土壤C/N，C/P與土壤TOC含量呈顯著正相關(guān)，這表明土壤TOC含量將隨土壤C/N，C/P的增加而增加，秸稈還田后所補充的有機物料在改變土壤化學(xué)計量平衡的同時也增加了土壤有機質(zhì)含量。綜合來看，秸稈還田方式對土壤C-N-P 平衡有影響，秸稈直接還田可能會引起土壤C/N，C/P的增加，改變土壤中的C-N-P平衡，增加土壤養(yǎng)分限制，但同時也增加了土壤固碳量。因此，秸稈粉碎直接還田方式適用于閑置的荒地或施用頻率較低的土地。而頻繁進行耕種的農(nóng)田，則需要配合礦物肥料的施用才能發(fā)揮其最佳的生態(tài)社會效益。在其他幾種還田方式下，各種還田材料均應(yīng)具有較高的有效養(yǎng)分和含碳量，這些養(yǎng)分都可以直接被作物和微生物吸收利用，因而這些方式對土壤C-N-P平衡的影響較為短暫，但對激發(fā)微生物活性方面則具有大的作用。因此，農(nóng)田管理上秸稈還田方式的選取要考慮農(nóng)田土壤生態(tài)恢復(fù)目的、短期效益和長期效益的權(quán)重。

4結(jié)語

本文分析了秸稈還田方式對土壤總C，N，P和有效C，N，P化學(xué)計量比的影響，研究發(fā)現(xiàn)：秸稈還田方式對土壤化學(xué)計量比有顯著影響，其中牛糞和生物炭還田對降低土壤總N/P和C/P效果顯著；秸稈粉碎直接還田對改善土壤有效C/N和C/P有積極作用；秸炭還田在提升土壤有效N/P方面具有潛在優(yōu)勢；土壤化學(xué)計量比與土壤水分、pH、容重和有機碳含量等理化性質(zhì)存在一定關(guān)聯(lián)，但這種關(guān)聯(lián)在總化學(xué)計量比和有效化學(xué)計量比之間存在差異。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了科學(xué)秸稈還田和土壤管理在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、維護土壤健康和促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的重要性。

致謝感謝沈陽師范大學(xué)重大孵化項目（ZD202301）的支持。

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【責(zé)任編輯：王瑞丹】

收稿日期：2024-08-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（32271899）；遼寧省教育廳科學(xué)研究重點項目（LJKZ0994）。

作者簡介：張迪（1983—），男，遼寧盤錦人，國能遼寧環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司助理工程師，碩士；通信作者：齊楠（1983—），男，遼寧臺安人，沈陽師范大學(xué)助理研究員，碩士。