郭佳瑶，龙 健，廖洪凯，李 娟*，唐 璐

（1.贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550025；2.贵州师范大学贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001）

秸秆是生物质能源物质，含有大量的碳、氮、磷和钾等元素，对提高土壤肥力具有重要作用[1]。长期秸秆还田可以提高土壤养分的含量和稳定性，改善土壤理化性质、质量和肥力，增加作物产量，因此在农业生产中秸秆还田被广泛运用[2]。目前秸秆还田还存在一些问题，例如，秸秆还田在短期内提高土壤肥力效果不明显；作物收获后留茬高或秸秆施入不均匀影响作物的生长；秸秆的降解速率也会影响土壤肥力的提升等[3]。尤其，秸秆降解速率很大程度上影响土壤肥力，有研究报道称，秸秆内部的纤维素类物质在自然条件下难以降解，腐蚀时间过长会影响土壤对养分的固持效率，抑制作物生长[4]。窦森[4]研究证明，一年时间内秸秆腐殖化成营养肥力的分解率仅达65%，并且耗时过长会耽误作物一年的耕种。大多研究采用降解剂，但是化学降解剂会造成土壤污染，生物降解剂的成本较高[3]。因此探索更高效更实惠的秸秆还田方式至关重要。

厌氧淹水处理也称为“强还原土壤灭菌法”，基本操作是在土壤中添加大量易降解的有机物料，淹水覆膜一段时间，在无氧的环境下改善土壤理化性质和抑制土壤病原菌[5]。曹明等[6]研究证明此方法能提高秸秆还田的降解率，缩短秸秆降解时间，并且成本低易操作。杨封科等[2]也通过膜秸双覆盖调控土壤水热环境的增效作用，加快秸秆的降解，提高土壤的养分含量，证明此方法是一种更加高效地管理土壤肥力的方法。当前此方法的研究倾向于解决土壤中微生物失衡的问题，对于提高土壤质量的研究还比较少。并且如何进一步促进厌氧条件下秸秆充分降解和释放大量养分供作物吸收是需要深入研究的科学问题。

贵州的地貌主要以喀斯特较为发育，其面积占比全省62%，而黄色石灰土是贵州喀斯特地貌的第二大土类典型土壤，大多呈弱碱性[7-8]。黄色石灰土的土壤生态系统脆弱、生态效益低以及人为活动影响较为频繁，导致土壤理化性质劣化及养分的流失，不利于作物的生长[9]。并且当前很少有研究关注如何提高黄色石灰土的肥力，大多以酸性或中性的土壤为研究对象。鉴于番茄是我国乃至世界上设施栽培面积最大的茄果蔬菜作物，我国常年产量在5 000 t以上，占全国7.1%，目前贵州正在大力推广进行番茄栽培设施，其种植面积逐年扩大[10]。因此本研究以黄色石灰土为供试土壤，番茄为供试作物，采用盆栽试验，结合土壤养分指标和作物生长量的测定，探讨不同秸秆在厌氧淹水条件下对黄色石灰土肥力的提升效果，以期为提高黄色石灰土的肥力提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

该试验在贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地进行（106°38′5.68″，26°23′7.01″），该地区海拔高度为1 058 m，属于亚热带湿润季风气候，平均温度在15℃，积温4 484.6℃，年平均无霜期285 d，年降水量在1187.1 mm。供试土壤为黄色石灰土，其基本理化性质为：pH值7.51、有机质5.73 g/kg、全氮 0.89 g/kg、碱解氮 20 mg/kg、全磷0.776 g/kg、速效磷 1.804 mg/kg、全钾 18.65 g/kg、速效钾110.70 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共有8个处理：CK(空白对照)、CK1（仅淹水）、R1(低添加量水稻秸秆)、R2（高添加量水稻秸秆）、C1(低添加量玉米秸秆)、C2（高添加量玉米秸秆）、M1(低添加量芒草秸秆)以及M2（高添加量芒草秸秆），低添加量为0.4%，高添加量为2%，每个处理6个重复。将处理好的秸秆与土壤均匀混合，淹水至土壤饱和，覆膜密封，处理周期为21 d，处理温度在25℃以上。处理完后揭膜排水，施入番茄种子，种植周期为一个月。试验用的秸秆是在当地采集的水稻秸秆、玉米秸秆以及芒草秸秆，将收集的作物秸秆自然风干后进行粉碎，长度小于2 cm。秸秆的基本理化性质见表1。

表1 秸秆的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of straw

1.3 样品采集与测定方法

黄色石灰土土壤采集20 cm以上的表层土壤，剔除土壤中的石块和植物根系，风干过2 mm筛，每个盆栽处理装1.5 kg的土壤，与秸秆混匀并淹水覆膜。每个处理以淹水处理7 d为一个周期，每个周期结束后，利用四分法分别采集第7、14和21天的土样测定土壤化学特性[11]，具体的测定方法见表2。并记录后期番茄的发芽率(GP)、株高(PH)、鲜重(FW)与干重(DW)。

表2 土壤理化性质测定指标及方法Table 2 Determination indexes and methods of soil physical and chemical properties

1.4 数据处理

所有样品都通过3次重复，并以平均值加误差线的形式表示，采用Spss、Origin以及Microsoft Excel等软件对其进行整理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆处理下土壤pH值及有机质的动态演变分析

土壤pH值影响着土壤中微生物的活动与土壤养分的转换速率。由图1可知，从厌氧淹水覆膜处理3个周期土壤pH值的变化趋势来看：添加秸秆处理后的pH值均显著比CK高除第三周期的C2处理外；并且土壤pH值在第2周期略有上升的趋势，到第3周期明显下降，变化范围为7.50～8.05，说明随着时间的延长会导致土壤pH值下降。不同的秸秆和不同的施入量会导致最后的结果有所区别，可以从第3周期的结果中看出高量秸秆处理土壤pH值均低于少量处理，其中水稻秸秆和玉米秸秆的处理结果均显著。而玉米秸秆处理的土壤pH值下降的幅度最大，C2处理的结果比CK处理还略低。说明不同的秸秆和施入量都会影响土壤pH值。

图1 土壤pH值、有机质的变化特征Figure 1 Variation characteristics of soil pH value and organic matter

CK1处理中土壤的有机质含量均显著高于CK处理，而各施入秸秆处理下土壤的有机质含量均显著高于CK1处理，说明厌氧淹水覆膜能提高土壤中有机质的含量，而施入秸秆的处理效果更佳，变化范围为5.73～15.55 g/kg。总体上，随着厌氧淹水时间的延长，土壤的有机质含量呈现递增的趋势，并可以明显看出高量秸秆处理下土壤的有机质含量均显著高于少量秸秆处理，说明秸秆的施入量显著影响土壤中有机质的含量。从第3个周期的结果来看，施入秸秆处理土壤的有机质含量比CK处理增加一倍以上，其中玉米秸秆处理的土壤有机质含量最高为15.55 g/kg。

2.2 不同秸秆处理下土壤全量养分的动态演变分析

由图2可知，各处理下土壤的全氮含量均显著低于CK处理，说明厌氧淹水处理会影响土壤的全氮含量降低，变化范围为0.74～0.90 g/kg。随着时间的延长，施入秸秆处理的土壤全氮含量呈现较小上升的波动，且高量秸秆处理下土壤的全氮含量高于少量秸秆处理，除第一周期的芒草处理外。厌氧淹水处理结束后，土壤中全氮的含量表现为施入秸秆处理的土壤全氮含量均显著高于CK1处理。C2处理相比C1处理全氮含量明显提升，差异性达到显著水平，其他两种秸秆处理的结果均不显著，而其中R2处理的土壤全氮含量最大。

图2 土壤全量养分含量的变化特征Figure 2 Variation characteristics of soil total nutrient content

从总体看，土壤的全钾含量有较大波动，呈现逐渐递增的趋势，变化范围为9.75～14.21 g/kg。每个周期中，C2处理提升土壤全钾含量的效果最好，分别为11.32、12.48和14.21 g/kg，也可以看出高量秸秆处理的效果比低量秸秆处理好，但是差异不显著，除第二周期的玉米秸秆处理外。厌氧处理结束后，CK1处理下土壤的全钾含量比CK处理高，但是差异不显著；秸秆处理中土壤的全钾含量均显著高于CK处理，水稻秸秆处理和玉米秸秆处理显著高于CK1处理；等量秸秆处理之间土壤全钾的含量差异也不显著，除玉米秸秆处理外。说明在厌氧淹水处理方面，水稻秸秆与玉米秸秆对全钾具有提升作用。

从总体看，土壤中全磷含量呈现逐渐递增的趋势，变化范围为0.76～1.12 g/kg。每个周期的CK1处理下土壤的全磷含量显著高于CK处理，并且施入秸秆处理的效果显著高于CK和CK1处理，高量秸秆处理的效果比少量秸秆处理好，除第一周期的C2处理土壤全磷含量略低于C1处理外。不同秸秆处理之间差异性不显著，呈现较小的波动。从厌氧淹水处理完成后，其范围为0.81～1.04 g/kg，其中高量玉米秸秆处理土壤中全磷含量值最大，并显著高于其他处理，说明玉米秸秆对促进土壤的全磷含量具有很大的作用。

2.3 不同秸秆处理下土壤速效养分的动态演变分析

由图3可知，土壤中碱解氮含量随着时间的延长呈现逐渐上升的趋势，各处理的效果显著高于CK处理，其变化范围为15.67～38.00 mg/kg，说明厌氧条件下可以提高土壤中碱解氮的含量。高量秸秆处理下土壤的碱解氮含量高于少量秸秆处理，但是差异并不显著，除第一周期的M2处理略低于M1处理外。厌氧淹水结束后，厌氧淹水处理下土壤的碱解氮含量比CK处理显著提高一倍以上，其中R2处理的效果最佳，值为38.00 mg/kg，并且不同秸秆处理之间和等量秸秆处理之间土壤的碱解氮含量差异均不显著。

图3 土壤速效养分含量的变化特征Figure 3 Variation characteristics of soil available nutrients

土壤的速效钾含量呈现较大的波动，呈现逐渐递增的趋势，其变化范围为110.7～277.60 mg/kg。各秸秆处理下土壤的速效钾含量均显著高于CK处理与CK1处理，说明秸秆在厌氧淹水的条件下可促进土壤中速效钾的含量。并且高量秸秆处理的效果明显高于少量秸秆处理，且差异比较显著。不同秸秆处理的效果有所差别，厌氧淹水结束后，玉米秸秆处理的效果显著于其他两种秸秆处理，并且高量玉米秸秆处理最为明显，较其他两种高量秸秆处理增幅分别为34.73%、35.08%。

不同厌氧淹水处理周期之间土壤的速效磷含量随着时间的延长，其呈现递增的规律。随腐解时间延长，呈现上升波动，其变化范围为1.80～2.52 mg/kg。各秸秆处理下土壤的速效磷含量均显著高于CK处理，除第一周期的芒草处理外。高量秸秆处理下土壤的速效磷含量均高于少量秸秆处理，其中第二周期的玉米秸秆处理和第三周期的水稻秸秆处理、玉米秸秆处理的效果差异较为显著。厌氧淹水结束后，R2处理与C2处理下土壤的速效磷含量相对较高，分别为2.52和2.45 mg/kg，并且不同的秸秆处理效果有所差异。

2.4 土壤养分统计及化学计量特征

将厌氧淹水处理结束后所测的8项养分指标进行汇总，得到不同处理下各土壤养分的平均状况（表3）。各处理的养分均有差异，综合8种处理后的数据结果分析，土壤pH值：CK1＞M1＞M2＞R1＞C1＞R2＞CK＞C2；土壤有机质、速效钾：C2＞R2＞M2＞C1＞R1＞M1＞CK1＞CK；全 钾 ：C2＞C1＞R2＞R1＞M2＞M1＞CK1＞CK；全氮：CK＞R2＞M2＞C2＞R1＞M1＞C1＞CK1；全磷：C2＞R2＞M2＞M1＞R1＞C1＞CK1＞CK；碱解氮：R2＞M2＞C2＞R1＞CK1＞M1＞C1＞CK；速效磷：R2＞C2＞R1＞C1＞M2＞M1＞CK1＞CK。总体上可以看出高量水稻秸秆和玉米秸秆处理对提高土壤养分的效果最佳。

表3 不同秸秆处理下的土壤养分特征Table 3 Soil nutrient characteristics under different straw treatments

土壤养分指标的变异系数是土壤性质抵抗外界因素的敏感性和空间变异程度的内在反映。利用算术平均法将8种不同处理的土壤养分含量统计，见表4，结果表明：土壤pH值的范围在7.58～7.87，处理后的土壤为弱碱性，变异系数为1.42%，受外界因素的影响很小。土壤有机质含量的范围在5.73～15.55 g/kg，变异系数为25.66%，所以外界因素的影响较小。此外，土壤中速效养分的变异系数均大于全量养分的变异系数，这是因为速效养分与施入的秸秆降解有很大的关系。总体上，由于是在厌氧淹水条件下处理，不受外界因素的影响，每个处理中土壤养分的提升较为均匀，因此变异系数均相对较小。

表4 不同秸秆处理下的土壤养分统计Table 4 Statistics of soil nutrients under different straw treatments

如图4所示：从8个处理土壤中的碳氮比、氮磷比和碳磷比均值来看，CK处理分别为6.48、1.10和7.12；CK1处理分别为7.61、0.85和6.48；R1处理分别为8.00、0.79和6.35；R2处理分别为8.09、0.76和6.19；C1处理分别为8.02、0.78和6.26；C2处理分别为 8.07、0.70和 5.68；M1处理分别为7.72、0.79和6.08；M2处理分别为7.90、0.79和6.24。碳氮比中以CK处理最小，且与其他处理均显著，高量秸秆处理下的土壤碳氮比比少量处理高，但是并不显著，除芒草处理外，芒草的处理效果要低于其他两种秸秆处理。土壤中氮磷比与碳磷比均表现为CK处理的最大，C2处理的值最小，两者均随秸秆的施入量增加而有下降的趋势，除芒草秸秆处理外。

图4 不同秸秆处理下土壤的化学计量特征Figure 4 Stoichiometric characteristics of soil under different straw treatments

2.5 番茄生物量的响应及与土壤养分的相关性分析

3个周期的厌氧淹水处理结束后，施入番茄种子后，番茄的生长发育结果见表5。总体上看，番茄的发芽率、株高、鲜重与干重均显著高于CK、CK1处理，除C1处理的发芽率较CK相比不显著和芒草处理的发芽率、株高外。番茄的发芽率差异性表现为同种秸秆处理番茄的发芽率差异均不显著；少量秸秆处理下R1处理与C1处理不显著，但是显著于M1处理，而高量秸秆处理之间均不显著，其中R1处理的发芽率最大，为93.33%。株高的差异性表现为C2处理显著高于C1处理，而其他两种秸秆的少量与高量处理之间差异并不显著；等量秸秆处理下，少量、高量秸秆处理下水稻与玉米处理的差异均不显著，但是均显著于芒草处理，C2处理的株高值最大，为8.17 cm。鲜、干重的差异总体表现为高量秸秆处理显著高于少量秸秆处理，除芒草秸秆处理的干重外，少量秸秆处理下R1与C1差异不显著且均显著高于M1，而高量处理的差异均显著，以C2处理的鲜、干重最大，为0.295、0.026 g/株。说明高量玉米秸秆处理对番茄生长发育有较好的促进作用。

表5 番茄的生物量特征Table 5 Biomass characteristics of tomato

以整个试验获取的数据为对象，对土壤各个养分指标与番茄生长发育状况作相关分析，分析结果见表6。按照两两一组总共44组关系，相关系数的绝对值范围为0.005～0.973。从土壤养分指标之间来看，其中有机质与速效磷的相关系数最大，为0.927；土壤pH值与有机质的相关系数最小，为0.066。有机质除与pH值、全氮无显著相关外，与速效钾存在显著性相关，与其他养分指标都存在极显著相关。pH值、全氮与其他的养分指标相关性都不显著，说明本试验中pH值和全氮对土壤其他养分的影响不大。全钾与速效钾、全磷与速效磷、全磷与碱解氮均呈显著相关，而全钾与速效磷呈现极显著相关。碱解氮、速效钾与速效磷三者之间都存在显著相关性。

表6 土壤养分指标与番茄生物量的相关性分析Table 6 Correlation analysis of soil nutrient index and tomato biomass

从土壤养分指标与番茄生长发育状况来看，全钾与干重的相关系数最大，为0.921；全氮与发芽率的相关系数最小，为0.005。土壤pH、全氮、碱解氮均与番茄的生物量呈不显著相关，说明其对番茄生长的影响较小。发芽率与有机质、全钾呈显著相关，与速效磷呈极显著相关；株高与速效磷呈显著相关，与总钾、速效钾呈极显著相关；干重与总钾、速效钾呈显著相关，与速效磷呈极显著相关；干重与有机质呈显著相关，与全钾、速效钾、速效磷呈极显著相关。总体上，全钾、速效钾和速效磷对番茄生长发育的贡献率相对大一些。

3 讨论

3.1 土壤养分的分析与评价

土壤pH影响着土壤生物活动、养分物质的转化，从而影响作物的生长，是影响土壤质量的重要指标之一[12]。本试验研究采用的黄色石灰土pH偏高，呈弱碱性，经研究结果发现厌氧淹水条件下在第一周期会导致土壤的pH上升，但是随着时间的延长，土壤pH有所下降。在厌氧淹水的条件下发生还原反应，土壤中SO42-消耗H+还原生成H2S气体，导致土壤pH上升，并且在未酸化的土壤中，加入秸秆产生的NH4+会提高土壤pH[12]，而随着时间的延长，秸秆降解产生的有机酸使土壤pH值有所降低，这与本研究结果一致。秸秆含有丰富的碳元素，大约为40%～50%，是土壤提升有机质的重要途径[13]。大量有机物质的存在可以促进土壤大团聚体的形成，并使有机质吸附和固持于土壤中，而且土壤的有机质含量与温度和微生物活性有关，随着温度的升高加快秸秆矿化速率和土壤中有机质的积累量[14]。并且也有研究表明，黄色石灰土在25℃左右能极大地促进黄色石灰土对有机碳的矿化[7]，这与本研究相符。本研究结果表明，土壤有机质在5.73～15.55 g/kg范围内逐渐提升。有研究报道称，秸秆在厌氧淹水条件下可以有效保持土壤温度，并且在土壤水分饱和的协同作用下，大量的碳源能快速刺激微生物的活性，加快秸秆的降解与养分的释放[2]。

研究结果表明，除全氮外，CK1处理中土壤养分含量均比CK处理有所提高。覆膜处理能提高土壤温度和水分含量，从而提高微生物活性，对土壤中养分含量的提升效果明显[15]，由于土壤中各养分在自然条件下也将部分释放出来，即使仅覆膜处理的情况下，土壤的养分含量也会随着处理时间的延长有一定的增加[6]。曹明等[6]研究结果表明仅淹水覆膜的土壤养分含量均高于空白对照，这均与本研究结果一致，也有可能是由于未处理之前的土壤中还残留未腐解的有机物料。秸秆中不仅含有丰富的有机碳，还含有大量的氮、磷和钾等养分元素。张婧等[16]与张聪等[17]研究证明随着秸秆还田时间的延长，土壤中全量养分含量与速效养分相比于对照显著增加。曹明等[6]也研究证明秸秆在厌氧条件下可以提高土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量水平，均与本研究结果一致。但是本研究结果表明，各处理下的土壤全氮含量相比于对照显著降低。前人研究表明厌氧淹水条件下可以促进土壤发生反硝化作用，NO3--N转化成N2O和N2，导致土壤中全氮含量的降低[18]，这与本研究结果一致；而在厌氧淹水结束后，各秸秆处理的全氮含量显著比CK1处理的高，说明秸秆还田可以补充一部分土壤消耗的氮元素[19]。研究结果还表明，不同的秸秆与施入量不同土壤的养分指标不同，造成的原因可能有：不同的有机物料物质组成也不同，还田后对土壤中各养分的矿化和固持效果也不同[20]；养分含量较高和碳氮比高的秸秆还田后更能激发土壤对养分元素的矿化，增加土壤氮、磷和钾的含量[21]；高量秸秆还田下土壤微生物对养分固持的效果要高于少量秸秆处理，能更有效提高土壤质量[22]，这均与本研究大致相符。经本研究结果分析，高量玉米秸秆处理的效果最好，因为玉米秸秆比其他两种秸秆的碳氮比高，并且较容易分解，导致更多的有效养分固定于土壤中[23]。朱兴娟等[24]研究证明高量秸秆还田与少量秸秆还田相比，土壤微生物对碳、氮固持的效果要好一些。但是秸秆的施入量存在阈值，当土壤肥力过高时，施入大量秸秆还田会导致土壤养分的过剩，作物生长发育过旺、贪青晚熟，产量降低[25-26]。本研究结果表明，秸秆在厌氧淹水处理下，没有发生对由于土壤养分的过剩导致作物生长发育的问题，一方面原因可能是由于土壤养分的背景值较低，不构成对作物产生迫害；另一方面可能是添加的秸秆量还在土壤可调节的范围内。

3.2 土壤化学计量特征的分析与评价

土壤碳、氮和磷的化学计量比是衡量土壤有机质转化和质量程度的重要指标[27]。其中碳氮比是评价有机质矿化的速率及微生物活性，碳氮比越低土壤中的有效含氮量较高，反之土壤矿化速率较慢，微生物活性较低[28]。但是本试验中各秸秆处理的土壤碳氮比较CK处理呈现下降状态，这是由于厌氧淹水消耗氮元素影响土壤对氮元素的固持，所以建议后期可以适当施入氮肥或者延长厌氧淹水时间。有研究提出，碳磷比是衡量土壤磷元素释放与吸收的重要指标，有效磷受有机质矿化速率的影响，碳磷比越低有效磷含量越高，土壤微生物固持磷的能力较强[29]；氮磷比是预判氮、磷元素对植物生长发育的限制大小和反映磷活性，氮磷比越高磷活性较低，反之越高。本研究结果证明，土壤中氮磷比与碳磷比均表现为C2处理的值最小，显著低于CK处理，并且碳磷比随秸秆的施入量增加而有下降的趋势。说明玉米秸秆比其他两种秸秆更适合提高土壤养分肥力，并且高量处理的效果比少量秸秆处理好。

3.3 土壤各养分指标、番茄生长的相关性分析与评价

有机碳的提高使得土壤供肥能力变得优越，其他养分元素得到有效利用，从而提高作物产量[30]，这与本研究结果表明有机质与其他各养分指标呈显著相关性相符，除与全氮无显著相关外，说明有机质的变化是影响着其他养分变化的重要因素。本研究中pH值、全氮与各养分指标相关性不显著，说明pH值与全氮对土壤其他养分的影响较小。全量养分与速效养分有一定的相关性，除全氮与碱解氮外。有研究报道称，土壤中氨气和氧化亚氮等气体的排放会导致氮元素的流失，影响土壤中氮元素的转化[31]，这可能是导致全氮与碱解氮不相关的原因。碱解氮、速效钾以及速效磷三者之间存在显著相关性，说明速效养分之间会相互影响，这与杨一凡等[14]研究一致。作物生物量是土壤各养分含量最好的反映指标，许多研究表明土壤有机质是作物生长发育的能量供应库，与生物量的形成显著相关[32]；作物产量与土壤有机质、氮磷钾等养分含量有较好的相关性[32]；作物的生物量与土壤氮素养分密切相关[12]。本研究条件下，番茄生物量与有机质、全钾、速效钾以及速效磷具有较强的相关性，这与前人研究一致[34]。但与全氮、碱解氮以及全磷的相关性不显著，可能是由于厌氧淹水造成土壤中的氮元素的降低和土壤的养分初始值较低，对番茄的生物量没有做出较大贡献。

4 结论

黄色石灰土的土壤养分含量相对较低，属于肥力较低的土壤。本研究中秸秆在厌氧淹水处理下在一定的程度上能提高土壤的养分含量，除全氮含量外。为了保持土壤中能有足够的氮元素供作物生长，建议厌氧淹水结束后适量添加氮肥或者延长厌氧淹水的时间。总体上，玉米秸秆的处理效果优于水稻、芒草秸秆处理，并且高量秸秆处理的效果优于少量秸秆处理，从作物的生物量也反映出高量玉米秸秆处理的效果最佳。