环境科学  2022, Vol. 43 Issue (10): 4716-4724   PDF    
引用本文
蔡影, 付思伟, 张博睿, 胡宏祥, 刘文雯, 俞金涛, 贾临东, 刘运峰. 秸秆连续还田配施化肥对稻-油轮作土壤碳库及作物产量的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(10): 4716-4724.
CAI Ying, FU Si-wei, ZHANG Bo-rui, HU Hong-xiang, LIU Wen-wen, YU Jin-tao, JIA Lin-dong, LIU Yun-feng. Effects of Continuous Straw Returning with Chemical Fertilizer on the Carbon Pool and Crop Yield of Rice-Rape Rotation Soils[J]. Environmental Science, 2022, 43(10): 4716-4724.
秸秆连续还田配施化肥对稻-油轮作土壤碳库及作物产量的影响
蔡影, 付思伟, 张博睿, 胡宏祥, 刘文雯, 俞金涛, 贾临东, 刘运峰     
安徽农业大学资源与环境学院, 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室, 合肥 230036
收稿日期: 2021-12-04; 修订日期: 2022-02-03
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07603-02-02）；合肥市环巢湖生态示范区项目（2018LJFD0033）；秸秆和畜禽养殖废弃物综合利用产业技术体系项目
作者简介: 蔡影(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤质量与碳库保护, E-mail: yingcai1020@163.com
通信作者: 胡宏祥, E-mail: hongxianghu@163.com
摘要: 依据田间连续7 a秸秆还田定位试验，探讨秸秆还田配施化肥对巢湖地区农田土壤剖面（0~20、20~50和50~80 cm）的土壤总有机碳（TOC）、可溶性有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、活性有机碳（LOC）、碳库管理指数（CPMI）和作物产量的影响.试验设置无秸秆还田+无施肥（CK）、常规施肥（F）、秸秆还田+常规施肥（SF1）和秸秆还田+80%常规施肥（SF2）这4个处理，分析不同土层土壤总有机碳和组分含量、CPMI和油菜-水稻产量的变化规律.结果表明，以CK为参考，常规施肥和秸秆还田配施化肥均提高了垂直剖面土壤总有机碳和组分的含量，且不同土层土壤总有机碳和组分的含量随土层深度增加而逐渐降低.在0~20 cm土层，与F处理相比，SF1和SF2处理显著提高TOC、DOC、POC和LOC的含量，增幅分别为：14.23%~28.97%、7.86%~27.01%、16.46%~24.24%和5.89%~6.64%（P＜0.05）；在20~50 cm土层，SF1较F处理的TOC和LOC的含量显著增加9.43%和8.34%（P＜0.05），SF2较F处理的DOC和POC的含量显著增加17.51%和65.83%（P＜0.05）；在50~80 cm土层，各处理间土壤总有机碳和组分的含量均无显著差异.秸秆还田配施化肥对土壤碳库管理指数影响显著，SF1较F处理显著提高0~50 cm土层的CPMI，而F处理的CPMI在50~80 cm土层最大，但各处理间均无显著差异.秸秆还田配施化肥对作物产量具有显著提升作用，且SF1处理的产量最高，SF1较F处理的水稻、油菜和周年产量分别显著增加6.19%、7.67%和6.54%（P＜0.05）.总的来说，稻-油轮作模式下秸秆还田配施化肥对提高巢湖地区土壤碳库、土壤肥力和作物产量具有重要意义.
关键词: 秸秆还田      不同土层      土壤总有机碳和组分      碳库管理指数      作物产量     
Effects of Continuous Straw Returning with Chemical Fertilizer on the Carbon Pool and Crop Yield of Rice-Rape Rotation Soils
CAI Ying , FU Si-wei , ZHANG Bo-rui , HU Hong-xiang , LIU Wen-wen , YU Jin-tao , JIA Lin-dong , LIU Yun-feng     
Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China
Abstract: According to the positioning experiment of straw returning in the continuous field 7a, the effects of straw returning combined with chemical fertilizer on soil total organic carbon (TOC), dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC), labile organic carbon (LOC), carbon pool management index (CPMI), and crop yield in farmland soil profiles (0-20, 20-50, and 50-80 cm) in the Chaohu Lake area were studied. There were four treatments: no straw returning+no fertilization (CK), conventional fertilization (F), straw returning+conventional fertilization (SF1), and straw returning+80% conventional fertilization (SF2). The changes in soil total organic carbon and component content, CPMI, and rape rice yield in different soil layers were analyzed. Taking CK as a reference, conventional fertilization and straw returning combined with chemical fertilizer increased the content of total organic carbon and components in the soil vertical profile, and the content of total organic carbon and components in different soil layers decreased gradually with the increase in soil depth. In the 0-20 cm soil layer, compared with that in the F treatment, the SF1 and SF2 treatments significantly increased the contents of TOC, DOC, POC, and LOC by 14.23%-28.97%, 7.86%-27.01%, 16.46%-24.24%, and 5.89%-6.64%, respectively (P < 0.05). In the 20-50 cm soil layer, the contents of TOC and LOC in SF1 were significantly increased by 9.43% and 8.34%, respectively, compared with those in the F treatment (P < 0.05), and the contents of DOC and POC in SF2 were significantly increased by 17.51% and 65.83% compared with those in the F treatment (P < 0.05). In the 50-80 cm soil layer, there was no significant difference in the contents of total organic carbon and components among the treatments. The effect of straw returning and chemical fertilizer on the soil carbon pool management index was significant. SF1 significantly improved the CPMI of the 0-50 cm soil layer compared with that in the F treatment, whereas the CPMI of the F treatment was the largest in the 50-80 cm soil layer; however, there was no significant difference among all treatments. Straw returning combined with chemical fertilizer had a significant effect on crop yield, and the yield of the SF1 treatment was the highest; compared with that of the F treatment, the rice, rape, and annual yields were significantly increased by 6.19%, 7.67%, and 6.54%, respectively (P < 0.05). In general, straw returning combined with chemical fertilizer was of great significance to improve the soil carbon pool, soil fertility, and crop yield in the Chaohu Lake area.
Key words: straw returning      different soil layers      soil total organic carbon and fraction      carbon pool management index      crop yield     

土壤有机碳是评价土壤质量和肥力的重要指标之一[1], 土壤有机碳的保护、固定对于提高土壤肥力水平和促进土壤养分循环具有重要意义[2].秸秆还田不仅是土壤碳素重要的源和库, 同时在环境保护和农业可持续发展等方面起着重要作用[3, 4].耕作、施肥和秸秆还田等农业活动对农田土壤有机碳的影响较大[5, 6], 已有研究表明秸秆还田是增加土壤有机碳含量和提升土壤固碳速率的主导因素[7, 8].贺美等[9]研究玉米秸秆还田对土壤有机碳组分的影响, 结果表明全量秸秆还田对碳库管理指数的提升最大.李蓉蓉等[10]的研究发现, 秸秆覆盖还田可以显著提高土壤有机碳及其组分含量, 并指出全生育期9 000 kg·hm-2的秸秆量覆盖还田效果最好.叶超等[11]的研究表明, 不同量的玉米秸秆还田均能增加土壤有机碳的含量.高洪军等[12]的研究表明, 黑钙土土壤有机碳含量随秸秆还田量增加而增加, 同时发现有机碳主要固持在大团聚体中.同时, 有研究表明, 碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)结合土壤碳库和碳库活度常被用于表征不同农业管理措施下土壤有机碳及组分增减状况, 其值越高说明农业管理措施对土壤培肥作用越好[13].徐蒋来等[14]的研究也指出秸秆还田的数量和时间等对土壤不稳定性碳库组分和碳库管理指数具有重要影响.因此, 开展秸秆还田对土壤碳库的相关研究, 有利于改善土壤质量和肥力.

目前, 多数学者主要研究秸秆还田对耕作层土壤有机碳的影响, 关于秸秆还田对土壤剖面总有机碳及组分垂直分布影响的研究较少, 而且不同耕作方式和种植作物种类对秸秆还田的响应也存在差异.有研究表明[15, 16], 秸秆还田配施有机肥和常规施肥在一定程度上改变了土壤结构、团聚性能和肥力水平等微环境, 可能对土壤孔隙特性和养分运移规律产生影响, 进而引起土壤中速效氮磷等养分和水分在土壤剖面中的淋溶和迁移转化规律.水稻土耕作层较浅, 犁底层厚而坚实, 土壤通透性差, 秸秆还田措施可以适当降低水稻土犁底层的土壤容重, 提高土壤孔隙度, 从而引起土壤有效养分和水分通过淋溶等方式由土壤表层向深层迁移转化.因此, 本研究通过连续7 a的田间试验探讨巢湖地区稻-油轮种植模式下秸秆粉碎翻耕还田配施化肥对不同深度土壤总有机碳、组分分布特征和水稻-油菜周年产量的影响, 以期为巢湖地区水稻土提升土壤碳库、土壤肥力和作物产量提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

长期定位试验点位于安徽省巢湖市烔炀镇安徽农业大学试验站(117°41′37″E, 31°39′37″N), 属于北亚热带湿润季风气候区, 气候温和, 雨量充足, 紧靠巢湖湿度较大, 无霜期长, 年平均气温16~18℃, 年平均降水量1 150 mm, 主要集中在5~8月, 占年总降水量的55%左右.土壤类型为水稻土, 2013年试验前耕层(0~20 cm)土壤理化性质：pH为6.08, ω(全氮)为1.37g·kg-1, ω(全磷)为0.35g·kg-1, ω(全钾)为8.57g·kg-1, ω(碱解氮)为142.06mg·kg-1, ω(速效磷)为12.28mg·kg-1, ω(总有机碳)为14.03g·kg-1.

1.2 试验设计

本试验始于2013年6月, 种植制度为水稻-油菜轮作, 水稻供试品种为“赣优735”, 于每年6月中旬移栽, 10月初收获; 油菜供试品种为“秦优十号”, 于每年11月中旬移栽, 次年5月收获.试验设置4个处理：无秸秆还田+无施肥(CK)、常规施肥(F)、秸秆还田+常规施肥(SF1)和秸秆还田+80%常规施肥(SF2).每个处理3次重复, 共12个小区, 每个试验小区面积为30 m2(5 m×6 m), 呈随机区组分布.

秸秆还田的秸秆来源于水稻-油菜轮作中上季收获的水稻或油菜秸秆, 试验前先将上季作物收获, 留茬10cm左右, 通过收割机将根部和地上部秸秆全部粉碎翻耕入土.施肥方式按照当地农户生产种植的施肥习惯, 水稻季施肥分为：基肥(复合肥N-P-K：18-10-18)和两次追肥(尿素N：46.4%), 水稻季常规施肥：基肥施肥量为524.67kg·hm-2, 两次追肥施肥量均为105kg·hm-2; 水稻季80%常规施肥：基肥施肥量为419.74kg·hm-2, 两次追肥施肥量均为84kg·hm-2.油菜季施肥分为：基肥(复合肥N-P-K：18-10-18)和两次追肥(尿素N：46.4%), 油菜季常规施肥：基肥施肥量为502.3kg·hm-2, 两次追肥施肥量均为150kg·hm-2; 油菜季80%常规施肥：基肥施肥量为401.84kg·hm-2, 两次追肥施肥量均为120kg·hm-2.

1.3 样品采集与处理

在长期秸秆还田定位试验的第7年, 即2020年5月油菜成熟收获后, 土壤样品按照五点取样方法, 采集各小区不同土层(0~20、20~50和50~80 cm)的土样, 混合均匀, 自然风干土壤后过2、0.25和0.149 mm筛备用.油菜、水稻成熟后人工收获, 各试验小区单独测定籽粒产量.

1.4 土壤样品分析测试方法

土壤总有机碳(TOC)测定：参照文献[17]中重铬酸钾外加热法测定; 土壤可溶性有机碳(DOC)测定：参考田静等[18]的方法, 并用C/N联合分析仪(2000)测定; 土壤颗粒有机碳(POC)测定：参考Lee[19]的湿筛法, 采用六偏磷酸钠分散-重铬酸钾-浓硫酸外加热氧化法测定; 土壤活性有机碳(LOC)测定：参考Lefroy等[20]的高锰酸钾氧化法(333 mmol·L-1 KMnO4溶液)测定.

1.5 数据计算与分析

碳库管理指数：用于反映秸秆还田后土壤质量的变化.以无秸秆无肥料的土壤为参考土壤, 计算各添加处理的碳库管理指数.具体计算方法如下(CPMI的计算方法参考文献[21])：

碳库指数(CPI)=样品土壤有机碳含量/对照土壤有机碳含量

碳库活度(L)=样品活性有机碳含量/惰性有机碳含量(总有机碳-活性有机碳)

碳库活度指数(LI)=样品碳库活度(L)/对照碳库活度(L1)

碳库管理指数(CPMI)=碳库指数(CPI)×碳库活度指数(LI)×100

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理, 采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和相关性分析, 采用OriginPro 2021作图, 图表数据均为3次重复的平均值±标准误.

2 结果与分析 2.1 不同土层土壤总有机碳的变化

如图 1所示, 较CK处理, 常规施肥和秸秆还田配施化肥均能增加不同土层的土壤总有机碳(TOC)含量, 且随土层深度增加不同处理的TOC含量逐渐降低.在0~20 cm土层, 较CK处理, F、SF1和SF2处理均显著增加TOC的含量, 增幅分别为10.19%、42.11%和25.87%(P＜0.05); 与F处理相比, SF1和SF2处理的TOC含量显著增加28.97%和14.23%(P＜0.05), SF1处理的TOC含量较SF2处理显著增加12.90%(P＜0.05).在20~50 cm土层, 与CK处理相比, SF1处理的TOC含量显著提高14.60%(P＜0.05), F和SF2处理的TOC含量分别提高4.70%和3.16%, 但差异不显著; 较F处理, SF1处理的TOC含量提高9.43%, SF2处理的TOC含量降低1.47%, 但3种处理无显著差异.在50~80 cm土层, 较CK处理, F、SF1和SF2处理的TOC含量均提高2.90%、23.16%和38.67%, 但各处理间均未达显著差异.由此可见, 秸秆还田作为有机碳来源, 通过配施化肥, 加快分解和腐解过程, 显著增加0~50 cm土层土壤总有机碳含量.

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P＜0.05), 下同 图 1 不同处理0~80 cm土层土壤总有机碳含量 Fig. 1 Content of total organic carbon in different treatments at a depth of 0-80 cm

2.2 不同土层土壤有机碳组分的变化

如图 2(a)所示, 不同土层土壤可溶性有机碳(DOC)含量均受秸秆还田影响, 但随土层深度增加各处理的DOC含量降低幅度较小.在0~20 cm土层, 与CK处理相比, SF2处理的DOC含量显著增加34.56%(P＜0.05), F和SF1处理的DOC含量分别增加5.95%和14.27%, 但无显著差异; 较F处理, SF1处理的DOC含量提高7.86%, SF2处理的DOC含量显著提高27.01%(P＜0.05); SF1处理的DOC含量低于SF2处理, 但处理间无显著差异.在20~50 cm土层, 较CK处理, SF2处理的DOC含量显著提高25.76%(P＜0.05), 而F和SF1处理的DOC含量仅提高7.03%和4.96%; 与F处理相比, SF2处理DOC含量显著提高17.51%(P＜0.05), 而SF1处理DOC含量降低1.93%, 但无显著差异.在50~80 cm土层, 与CK处理相比, SF2处理DOC含量显著增加22.21%(P＜0.05), F和SF1处理的DOC含量分别增加4.65%和8.99%, 但差异性不显著; 较F和SF1处理, SF2处理的DOC含量显著增加16.78%和12.12%(P＜0.05).由此可见, 不同土层的DOC均对SF2处理响应最为敏感.

图 2 不同处理0~80 cm土层土壤有机碳组分含量 Fig. 2 Content of soil organic carbon fractions in different treatments at a depth of 0-80 cm

与CK处理相比, 常规施肥和秸秆还田配施化肥均能提高不同土层的土壤颗粒有机碳(POC)含量, 且0~50 cm土层的POC含量受秸秆还田影响显著.在0~20 cm土层, 与CK相比, F、SF1和SF2处理的POC含量分别显著提高14.50%、33.35%和42.26%(P＜0.05); 较F处理, SF1和SF2处理的POC含量显著提高16.46%和24.24%(P＜0.05); SF1处理的POC含量较SF2处理略有降低, 但差异性不显著.在20~50 cm土层, 较CK处理, F处理的POC含量提高12.01%, SF1和SF2处理的POC含量显著提高66.00%和85.74%(P＜0.05); 与F处理相比, SF1和SF2处理的POC含量显著提高48.22%和65.83%(P＜0.05); 较SF1处理, SF2处理的POC含量提高11.89%, 但无显著差异.在50~80 cm土层, 不同处理间的POC含量均无显著差异[图 2(b)].

较CK处理, 常规施肥和秸秆还田配施化肥均能增加不同土层的土壤活性有机碳(LOC)含量, 且随土层深度增加各处理的LOC含量逐渐降低, 这与TOC含量变化趋势一致.在0~20 cm土层, 较CK处理, F、SF1和SF2处理的LOC含量分别显著提高18.19%、30.34%和29.43%(P＜0.05); 与F处理相比, SF1和SF2处理的LOC含量分别显著提高6.64%和5.89%(P＜0.05); SF1和SF2处理间无显著差异.在20~50 cm土层, 较CK处理, F、SF1和SF2处理的LOC含量分别显著提高22.68%、32.92%和14.24%(P＜0.05); 较F和SF2处理, SF1处理的LOC含量显著提高8.34%和16.34%(P＜0.05), SF2处理的LOC含量较F处理略有降低, 但差异不显著.在50~80 cm土层, 较CK处理, F、SF1和SF2处理的LOC含量分别提高8.76%、13.13%和18.75%, 但各处理间均无显著差异[图 2(c)].

2.3 不同土层土壤碳库管理指数的变化

不同土层土壤碳库管理指数变化见表 1.以CK为参考, F、SF1和SF2处理均能不同程度地提高不同土层的碳库管理指数.在0~20 cm土层, 不同处理的土壤CPMI在100~127.07之间, 且CPMI变化趋势表现为：SF1>SF2>F>CK; 在20~50 cm土层, 不同处理的土壤CPMI在100.12~151.90之间, CPMI变化趋势表现为：SF1>F>SF2>CK; 在50~80 cm土层, 不同处理的土壤CPMI在96.31~109.61之间, 且CPMI变化趋势表现为：F>SF2>SF1>CK.该结果表明, SF1处理显著提高0~50 cm土层的CPMI, 而F处理大幅提高50~80 cm土层的CPMI, 但各处理间差异不显著.

表 1 不同处理0~80 cm土层土壤碳库管理指数1) Table 1 Soil carbon pool management indices in different treatments at a depth of 0-80 cm

2.4 不同土层土壤总有机碳与组分的相关性

如表 2所示, 不同土层土壤总有机碳(TOC)与组分的相关性分析表明：在0~50 cm土层, 除DOC外, TOC与POC和LOC存在极显著或显著相关性; 此外, POC与LOC在0~20 cm土层存在显著相关性; POC与DOC在20~50 cm土层存在显著相关性; 然而, 在50~80 cm土层, TOC与有机碳组分均无相关性.

表 2 不同土层土壤有机碳组分与TOC的相关性1) Table 2 Correlation between soil organic carbon fraction and TOC in different soil layers

2.5 水稻-油菜周年产量

表 3是2020年不同处理对水稻、油菜和周年产量的影响.与CK相比, 不同处理的水稻、油菜和周年产量均显著提高, 且不同处理的水稻、油菜和周年产量均表现为：SF1>SF2>F>CK.较F处理, SF1和SF2处理的水稻、油菜和周年产量的增幅分别为3.40% ~6.60%、0.96% ~8.31%和2.84% ~6.99%(P＜0.05); 较SF2处理, SF1处理的水稻和油菜产量分别显著增加3.10%和7.28%(P＜0.05), 周年产量增加4.04%.由此可见, 与F处理相比, SF1处理显著提高作物产量, SF2处理保证作物产量, 且油菜的增产效果优于水稻.

表 3 不同处理对作物产量的影响/t·hm-2 Table 3 Effect of different treatments on crop yield/t·hm-2

3 讨论 3.1 秸秆还田配施化肥对土壤总有机碳和组分的影响

7 a秸秆还田试验表明, 秸秆还田对土壤总有机碳和组分的垂直分布影响显著, 这与叶新新等[22]的研究结果一致.在0~20 cm土层, 秸秆还田处理(SF1和SF2)的TOC和LOC的含量显著高于秸秆不还田处理(CK和F), 说明秸秆还田能够增加耕层土壤(0~20 cm)TOC和LOC的含量[23, 24].秸秆中养分是提高土壤有机碳的重要来源, 外源碳的持续加入激发了土壤微生物的活性和数量, 加强了微生物矿化和固定过程, 促进秸秆中碳在土壤中的固定和积累[25].此外, 秸秆为土壤微生物提供充足的碳源, 提高微生物的数量和活性, 进而促进惰性碳向活性有机碳的转化[26], 提高活性有机碳的含量.然而, 在秸秆还田条件下, SF2处理的TOC和LOC的含量低于SF1处理, 一方面, 可能是化肥减量尤其是氮肥的减少, 导致油菜地上和根系生物量减少, 地上部凋落物、根系及其分泌物进入土壤的量大大降低, 有机碳的积累慢于其分解速率[27, 28], 从而造成SF2处理的有机碳含量低于SF1处理; 另一方面, 可能由于秸秆输入的有机碳量超过了微生物对有机碳分解量, 导致秸秆不完全腐解, 从而不利于土壤有机碳含量的积累[29].在20~50 cm土层, 较秸秆不还田处理, SF1处理的TOC和LOC含量达到显著水平. 由于秸秆腐解过程中, 有机物料的投入改变了土壤的团聚体和孔隙结构[30], 一定程度增加土壤孔隙度和透气性[15, 31], 从而促进土壤有机碳向深层迁移转化.在50~80 cm土层, 不同处理的土壤有机碳和组分的含量均无显著差异, 这与Li等[32]的研究结果一致.原因可能是土层越深植物根系残体和化肥等有机物料减少, 土壤微生物活性降低, 导致有机碳周转循环速度减小, 使得有机碳在深层土壤中越稳定, 所以对较深土层的土壤影响不显著[33].本研究结果表明, 秸秆还田能够显著增加不同土层土壤DOC的含量, 且DOC的含量在不同土层变化幅度较小, 这与贾生强等[34]的研究结果一致.原因可能是秸秆还田后, 土壤团聚体结构发生变化, 土壤孔隙度增加, 在一定程度上会促进土壤DOC随游离水向深层迁移, 从而增加DOC的含量.Poll等[35]的研究也指出, 秸秆碳转化形成的DOC可随土壤含水率的变化在土层中迁移, 并影响土壤MBC的分布.秸秆还田能够显著提高0~50 cm土层土壤POC的含量, 且SF1和SF2处理无显著差异, 这与前人的研究结果一致[36, 37].主要缘于秸秆腐解过程释放的木质素、半纤维素等物质进入土壤与土壤团聚体结合, 使得POC得到积累, 但这样的物理结构决定其在土壤中的纵向迁移能力较弱[38].因此, 长期秸秆还田对深层土壤POC含量的影响甚微.

3.2 秸秆还田配施化肥对土壤碳库、有机碳和组分相关性分析的影响

土壤碳库管理指数(CPMI)综合了碳库指数(CPI)和碳库活度指数(LI), 不仅可以通过土壤有机碳和组分含量的变化来评价田间管理措施的好坏, 而且可以反映土壤质量的高低[39, 40].有研究表明[41, 42], CPMI、土壤有机碳和组分含量的变化与秸秆还田方式、不同种植模式等措施密切相关.本研究结果表明, 秸秆还田配施化肥处理(SF1和SF2)均能不同程度提高0~50 cm土层土壤CPMI, 这与和江鹏等[43]的关于秸秆深耕还田可提高0~40 cm土层CPMI的结果一致. 在50~80 cm土层, F处理的CPMI最大, 但各处理间均无显著差异, 可能是由于土层越深, 土壤碳库活性降低, 使得有机碳在深层土壤中越稳定, 所以不同处理的CPMI差异不显著[44].

土壤有机碳和组分的相关分析表明, 在0~50 cm土层, TOC与POC和LOC存在极显著或显著相关性, 说明POC和LOC在一定程度能够较快地反映土壤碳库变化, 可以作为土壤质量和肥力变化的重要指示因子[45]; 本研究结果表明, POC与LOC和DOC在0~50 cm土层存在显著相关性, 这可能是因为POC一般是指与沙粒结合的植物残体分解产物和微生物组成, 易受到地表植物根系和凋落物的腐化程度影响, 分解和周转速度较快, 对秸秆还田的响应也较快[10].

3.3 秸秆还田配施化肥对作物产量的影响

秸秆还田可以增加土壤养分, 进而增加作物产量[46~48], 这与本研究结果一致.与F处理相比, SF1和SF2处理均能显著增加水稻和油菜的产量.由于秸秆中含有丰富的有机碳和氮、磷等营养元素[49], 秸秆腐解后, 激发微生物活性促进微生物繁殖, 形成微生物的活动层[50], 促进对秸秆有机养分的分解释放, 从而补充和调节农田的土壤养分[51], 增加的养分经由根系、茎秆及叶向籽粒转运[52], 从而提高作物的产量[53].此外, 在秸秆还田条件下, SF1较SF2处理显著增加水稻和油菜的产量, 这可能由于一定范围内产量与施肥量呈正相关, 全量化肥能够提供更为丰富的速效养分, 及时补充因秸杆分解而被微生物同化的土壤有效养分, 保证作物生长所需[54].本研究还发现, 油菜增产效果优于水稻.由于油菜属于旱季作物, 土壤中充沛的氧气环境能够有效促进稻秸腐解, 有利于养分的释放和作物吸收[55]; 反之, 水稻生育期处于淹水厌氧环境, 从而抑制土壤中好氧微生物的活性, 降低微生物的呼吸强度[56], 导致油菜秸秆养分分解和释放速率较低, 这与代文才等[57]得出旱地较水田环境更有利于秸秆腐解和养分积累的结果一致.

4 结论

(1) 秸秆还田能够有效提高土壤垂直剖面的总有机碳和组分的含量.较常规施肥, 在0~20 cm土层, 秸秆还田配施不同量化肥均能显著提高土壤总有机碳和组分的含量; 在20~50 cm土层, 秸秆还田+常规施肥显著提高TOC和LOC的含量, 秸秆还田+80%常规施肥显著提高DOC和POC的含量.

(2) 秸秆还田能够有效提高0~50 cm土层的CPMI, 同时POC和LOC与TOC在0~50 cm土层的显著相关性表明POC和LOC可作为土壤质量和肥力变化的重要指示因子.

(3) 秸秆还田对水稻和油菜产量均具有提升作用, 较常规施肥, 秸秆还田+常规施肥具有显著增产作用, 秸秆还田+80%常规施肥具有减肥稳产的效果.

(4) 秸秆还田+常规施肥是有效提高巢湖地区土壤碳库、土壤肥力和作物产量的农田管理模式.

致谢: 感谢巢湖市烔炀镇安徽农业大学试验站的田间管理人员给予本研究长期的支持与协助.

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