基于盆栽試驗分析3 種品牌稻草秸稈腐熟劑對植煙土壤有機碳組分的影響

廖超林，楊振宇，陳治鋒，肖漢乾，肖志鵬，向鵬華，肖孟宇，母婷婷，單雪華

1. 湖南農業大學資源環境學院，長沙市芙蓉區農大路1 號 410128

2. 湖南省煙草公司長沙市公司，長沙市雨花區勞動東路359 號 410007

3. 湖南省煙草公司，長沙市芙蓉南路一段628 號 410004

4. 湖南省煙草公司衡陽市公司，湖南省衡陽市華新開發區延安路8 號 421001

秸稈還田是增加土壤碳庫水平和改善土壤肥力的重要農田管理措施［1］，但還田后秸稈的腐解速率較慢，養分不能及時釋放，導致土壤碳氮比失調［2］、有機酸積累［3］和耕作困難［4］。針對這些問題，有研究表明，秸稈還田時配施腐熟劑可加速秸稈腐解進程、提高土壤微生物活性、改善土壤肥力，從而提高作物產量。楊欣潤等［5］發現秸稈腐熟劑具有促進秸稈快速腐解的作用，能實現秸稈的大量直接還田；李培培等［6］研究發現，秸稈腐解菌劑施入土壤后能增加分解秸稈的微生物數量，加快秸稈的分解和腐熟過程；勉有明等［7］通過研究秸稈還田配施腐熟劑對寧夏揚黃灌區土壤改良和玉米增產的效應，發現秸稈還田配施腐熟劑不僅可有效促進秸稈腐解，還能改善土壤理化性質，促進玉米生長發育，顯著提高作物產量與經濟效益。然而，作為反映土壤肥力的重要指標［8］，土壤有機碳受秸稈配施腐熟劑影響的相關研究還鮮見報道。因此，利用盆栽試驗，通過秸稈還土配施優勢菌種分別為細菌+真菌及細菌+真菌+放線菌的2 種類型腐熟劑，分析稻草秸稈配施腐熟劑對植煙土壤養分和有機碳組分的影響，旨在為腐熟劑研發、秸稈資源利用和土壤培肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自湖南農業大學中國煙草中南農業試驗站試驗田的耕作層，試驗田長期烤煙-蔬菜輪作，土壤類型為紅底河潮泥。采集的土壤經風干過孔徑2 mm 篩后備用。耕層土壤的理化性質為：土壤容重1.12 g/cm3，pH 5.04，有機質12.25 g/kg、堿解氮（AN）105.23 mg/kg、有效磷（AP）8.37 mg/kg、速效鉀（AK）421.81 mg/kg。供試稻草秸稈［C/N=70.3，N 0.77%，P 0.13%，K 0.16%（質量分數）］與采集供試土壤來自同一田塊，秸稈經粉碎至2 cm左右備用。供試腐熟劑種類和用量見表1。

表1 供試腐熟劑種類和用量Tab.1 Types and application amounts of tested decomposition agents

1.2 試驗設計與采樣

盆栽試驗在湖南農業大學試驗基地分2年進行，試驗設5個處理（CK：化肥，T1：稻草秸稈+化肥，T2：稻草秸稈+化肥+沃寶腐熟劑，T3：稻草秸稈+化肥+麗科腐熟劑，T4：稻草秸稈+化肥+谷霖腐熟劑）。試驗所用盆缽的直徑為42 cm，高為40 cm，每盆裝土壤 20 kg，其中T2～T4 分別混入3%（質量分數）粉碎后的稻草秸稈；肥料用量為氮素4.32 g/盆，扣除稻草秸稈氮并以硝酸銨控制氮素用量，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.5∶3，N、P、K 肥分別為分析純硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鉀；充分混合均勻后裝盆，按田間持水量的70%加入去離子水；每處理10盆，完全隨機排列，行株距120 cm×50 cm，共計50 盆。待土壤穩定后，選擇生長狀況相似的健康煙苗進行移栽，每盆移栽1 株。煙苗于3 月移栽，7 月收獲完畢，定量澆水，其他管理按照常規栽培方式進行。供試作物為烤煙，品種為云煙87。

烤煙收獲完畢后，采用多點采樣法從各個盆中采集土壤樣品，將土樣在常溫、通風條件下風干，過孔徑2 mm不銹鋼篩后裝袋，待下一步檢測。

1.3 檢測方法

土壤總有機碳（TOC）含量（質量分數）采用高溫外熱重鉻酸鉀-外加熱法測定［9］；顆粒有機碳（POC）含量采用Cambardella等［10］研究中的方法測定；易氧化有機碳（EOC）含量（質量分數）采用333 mmol/L KMnO4氧化，可見分光光度計（T6新銳，北京普析通用儀器有限責任公司）565 nm 波長比色測定［11］。溶解有機質（DOC）含量（質量分數）采用水提取-震蕩過濾法測定［12］。土壤速效養分含量（質量分數）均采用常規方法測定。

1.4 數據計算

（1）土壤活性有機碳各組分碳素有效率［13］計算公式為：

（2）土壤有機碳氧化穩定系數（Kos）［14］計算公式為：

式中：TOC 為土壤總有機碳含量，g/kg；EOC 為易氧化有機碳含量，g/kg。

1.5 數據處理及統計分析

數據整理及統計采用Excel 和 SPSS 18.0 軟件進行；采用單因素方差分析（One-way ANOVA）比較處理間差異，用Duncan’s 法檢驗差異顯著性（P＜0.05），采用 Pearson 法進行相關性分析。使用Canaco 5 軟件進行土壤有機碳及其組分、有機碳穩定指標及速效養分間的主成分分析。

2 結果與分析

2.1 稻草秸稈配施腐熟劑對土壤速效養分的影響

由表2 可知，相比單施化肥處理，稻草秸稈配施化肥處理的土壤AN 和AP 含量變化不明顯，AK 則顯著降低了23.37%。3個稻草秸稈配施腐熟劑處理的 AN、AP 含量均顯著高于 CK 和 T1 處理，但 AK 含量僅顯著高于T1處理。其中T2、T3處理的AN含量分別比CK 處理顯著增加了8.33%和24.25%，比T1處理分別顯著增加了22.14%和18.26%；T2、T3 處理的AP 含量分別比CK 處理顯著增加了55.12%和49.94%，比T1 處理分別顯著增加了39.15%和34.51%，而AK 含量僅分別比T1 處理顯著增加了30.04%和19.26%。T4處理的AN含量比CK和T1處理分別顯著增加了17.42%和11.76%，AP 含量比CK和T1 處理分別顯著增加了55.68%和39.66%，AK 含量僅比T1 處理顯著增加了21.65%。然而，3 個稻草秸稈配施腐熟劑處理間的土壤速效養分含量差異不顯著。稻草秸稈配施腐熟劑可提高AN 和AP 含量，同時細菌+真菌型（XZ）和細菌+真菌型+放線菌型（XZF）的腐熟劑對提高土壤AN、AP和AK含量的效果不明顯。

表2 不同處理土壤速效養分Tab.2 Soil available nutrients under different treatments （mg·kg-1）

2.2 稻草秸稈配施腐熟劑對土壤有機碳組分的影響

由表 3 可知，T1 處理的土壤 TOC 含量與 CK 處理的差異不顯著，但有機碳組分中的POC、EOC 和DOC 含量和3 個稻草秸稈配施腐熟劑處理的土壤TOC、POC、EOC 和 DOC 含量均顯著高于 CK 處理。相比 T1 處理，T2 和 T3 處理的土壤 POC、EOC 和DOC含量均顯著升高，T4處理的土壤EOC含量顯著高于T1 處理，但3 個稻草秸稈配施腐熟劑處理間的土壤有機碳組分含量變化不顯著。說明稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑顯著提高了土壤活性有機碳組分含量，同時稻草秸稈配施XZ型腐熟劑提高土壤有機碳組分含量的效果更顯著，而配施XZF 型腐熟劑效果不明顯。

表3 不同處理土壤有機碳組分Tab.3 SOC fractions under different treatments

2.3 稻草秸稈配施腐熟劑對土壤活性有機碳有效率及抗氧化能力的影響

由表 4 可見，相比 CK 處理，T1～T4 處理土壤的顆粒態有機碳有效率（POC/TOC）、易氧化有機碳有效率（EOC/TOC）及溶解有機碳有效率（DOC/TOC）均顯著增加。稻草秸稈配施腐熟劑處理中T2、T3處理的EOC/TOC 分別比CK 處理顯著增加了35.49%和49.13%，比T1 處理分別顯著增加了10.87%和22.03%，DOC/TOC 比CK 處理分別顯著增加了91.30%和95.65%，比T1 處理分別顯著增加了25.71%和28.57%；T4處理的EOC/TOC比CK顯著增加了37.70%，比T1 處理顯著增加了12.68%，DOC/TOC 比CK 處理顯著增加了60.87%，但與T1 處理的差異不顯著。同時3個稻草秸稈配施腐熟劑處理間的土壤POC/TOC、EOC/TOC差異不明顯，而T4處理的DOC/TOC 比T2 和T3 處理顯著降低。說明稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑顯著提高了土壤POC、EOC 和DOC 的有效率，同時稻草秸稈配施XZ 型腐熟劑顯著提高了土壤活性有機碳有效率，而配施XZF型腐熟劑的效果則不明顯。

如表 4 所示，T1 處理的 Kos比 CK 處理顯著降低了22.27%；3 個稻草秸稈配施腐熟劑處理間的Kos差異不顯著，但均顯著低于CK 和T1 處理。稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑顯著降低土壤有機碳抗氧化能力，但后者更為顯著，稻草秸稈配施XZ 或XZF 型腐熟劑降低土壤有機碳抗氧化能力的差異不明顯。

表4 不同處理土壤有機碳組分有效率及有機碳氧化穩定系數Tab.4 Effective rate of SOC fractions and Kos under different treatments

2.4 土壤速效養分、有機碳組分及其評價指標間的相互關系與主成分分析

對土壤有機碳組分、有機碳組分評價指標及速效養分間進行主成分分析，結果表明（圖1），第1 主成分（PCA1）和第2主成分（PCA2）分別解釋了總方差的68.33%和 19.24%。土壤TOC、POC、EOC、DOC、AN、AP 含量以及POC/TOC、EOC/TOC、DOC/TOC均與PCA1負軸密切相關；Kos與PCA1正軸密切相關。PCA1 主要代表稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑的應用，通過稻草秸稈配施化肥及稻草秸稈配施不同品種腐熟劑將各組區分開，T1～T4 處理點均與CK處理點分離且相距較遠；同時，T2、T3、T4處理點均與T1 處理分離，且相距CK 處理更遠且具有較高的荷載；此外，T2、T3、T4處理區組間臨近，同時T2和T4處理區組交叉。

圖1 土壤有機碳組分及其評價指標和速效養分間的主成分分析Fig.1 PCA among soil available nutrients, SOC fractions and their evaluation indexes

3 討論

本研究中發現稻草秸稈配施化肥的土壤AN 和AP 含量與單施化肥相比差異不明顯，但AK 含量顯著降低，這可能與稻草秸稈腐解速率低，有機碳輸入和養分釋放速度較慢有關。同時，煙草作物和土壤微生物養分競爭吸收［15］，導致土壤速效養分變化不明顯甚至降低，這也可能是導致該結果的原因。稻草秸稈配施化肥的土壤活性有機碳中的POC、EOC 及DOC含量均顯著高于單施化肥，但土壤TOC含量的差異不明顯，與尤錦偉等［16］和楊敏芳等［17］的研究結果一致，這可能是由于稻草秸稈配施化肥增加了有機物料的輸入量，可供給微生物足夠的底物，從而促進土壤原有有機碳的礦化和植物殘體及有機物料的腐解，釋放活性碳組分促進土壤碳循環［18］，因此活性有機碳組分含量升高。此外，本研究中稻草秸稈配施化肥可能因腐解速率較低，新輸入的土壤有機碳較少，且活性有機碳僅占土壤碳庫極小比例，其含量變化對TOC 庫影響較??；同時秸稈還土后可引起正激發效應，可能加速消耗土壤有機碳［19］，從而導致稻草秸稈配施化肥對土壤TOC含量的影響不明顯。

稻草秸稈配施腐熟劑處理的土壤AN、AP、TOC及有機碳組分含量均高于單施化肥和稻草秸稈配施化肥處理，原因可能是稻草秸稈配施腐熟劑額外添加了富含高效微生物菌系的腐熟劑，同時腐熟劑中微生物具有較強的定殖與擴繁能力，加速了秸稈分解、腐熟，促進了秸稈中纖維素、木質素等富碳物質的腐解［20］，導致稻草秸稈及時釋放活性有機物和有效養分進入土壤，提高了土壤AN、AP及活性有機碳含量。此外，活性有機碳是微生物及其代謝產物，稻草秸稈配施腐熟劑在加速秸稈腐解、腐熟的同時，相對較多的復雜高分子惰性有機碳被釋放進入土壤，有利于有機碳的積累［21］，導致土壤TOC 含量增加。稻草秸稈分別配施XZ 和XZF 型腐熟劑在提高土壤速效養分、有機碳及其組分含量方面差異不明顯，可能是由于細菌和真菌是秸稈中木質纖維素降解的主要參與者［22］，而放線菌對秸稈碳的同化量、周轉速率均遠低于真菌和細菌，其秸稈腐解量僅占秸稈碳的1%～5%［23］。

本研究中稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑處理的土壤 POC/TOC、EOC/TOC 及 DOC/TOC 均顯著高于單施化肥處理，但Kos顯著降低。通常土壤EOC和DOC 等有機碳組分含量越高，有機碳組分有效率越高，有機碳越容易被微生物分解和礦化；反之，有機碳組分有效率越低，土壤有機碳穩定且不易被生物降解，Kos值越大，土壤有機碳的抗氧化能力越高［12，24］。因此，推測本研究中可能施用稻草秸稈處理增加了新鮮有機物料的投入量，短時間內會刺激土壤微生物的生命活動，促進土壤原有碳的分解，釋放更多的土壤易氧化及溶解性有機碳［25］，同時新鮮有機物料在逐漸分解過程中與部分砂粒結合，直接提供了與POC組成相近的有機碳組分，增加了POC組分［26］，在TOC增加量較小的條件下（表3），POC、EOC及DOC有效率增加，而Kos則降低。主成分分析（圖1）進一步表明，TOC、活性有機碳組分含量及其有效率和Kos均屬第一主成分，關聯性較強，且主成分區組表明，稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑的處理點與單施化肥處理點分離，且相距較遠和荷載較高，說明稻草秸稈分別配施化肥及腐熟劑在增加土壤活性有機碳組分含量的同時，提高了土壤活性有機碳組分的有效率并降低了有機碳抗氧化能力。

本研究中稻草秸稈配施腐熟劑處理的土壤AN、AP 及有機碳組分含量和 EOC/TOC 及 DOC/TOC 顯著高于稻草秸稈配施化肥處理，而Kos相反。主成分區組進一步表明（圖1），稻草秸稈配施腐熟劑的處理點均與稻草秸稈配施化肥處理點分離，且具有較高的荷載，說明稻草秸稈配施腐熟劑增加土壤AN、AP、TOC 及其組分含量，提高土壤活性有機碳組分有效率和降低有機碳抗氧化能力更顯著。此外，稻草秸稈分別配施XZ和XZF型腐熟劑的處理間，土壤速效養分、TOC及其組分含量、活性有機碳組分有效率及Kos差異不明顯，且主成分區組進一步表明（圖1），T2、T3和T4處理的區組間臨近，同時T2和T4處理區組交叉，說明稻草秸稈分別配施XZ和XZF型腐熟劑，對增加土壤速效養分、TOC 及其組分含量，提高土壤活性有機碳組分有效率和降低有機碳抗氧化能力不明顯。因此，稻草秸稈配施不同腐熟劑（細菌+真菌+放線菌和細菌+真菌為優勢菌種）在對植煙土壤有效養分和有機碳組分的影響方面沒有明顯差異。

以上結論僅基于3 個品牌腐熟劑的盆栽試驗數據，其相關分析結果和機理仍有待大樣本、大田試驗及微生物結構數據的論證。

4 結論

稻草秸稈配施化肥顯著提高了植煙土壤POC、EOC及DOC含量，而稻草秸稈配施腐熟劑顯著增加了土壤AN、AP、TOC 及其組分含量；稻草秸稈分別配施化肥和腐熟劑均可顯著提高植煙土壤活性有機碳組分有效率并降低有機碳抗氧化能力，但后者更顯著；稻草秸稈分別配施以細菌+真菌和細菌+真菌+放線菌為優勢菌種的腐熟劑，對植煙土壤有效養分和有機碳組分的影響無明顯差異。