郑云珠， 孙树臣

（聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252059）

小麦、玉米作为世界上重要的粮食作物，其增产稳产对满足不断增长的世界人口粮食需求具有重要意义。我国是世界上最大的化肥生产国和消费国，为提高小麦玉米轮作系统的作物产量，过度使用化学肥料的现象较为普遍，而我国氮、磷、钾肥利用率均低于50%，不仅造成了大量营养元素的浪费以及环境污染等问题，长期过度使用化肥还会带来土壤酸化、板结、肥力下降等不利影响，从而对农业生产力产生负面影响[1-2]。为解决化肥过量使用带来的不利后果同时实现农作物增产，越来越多的学者从利用自然资源改善土壤环境的角度出发，将农作物生产中的主要副产物——秸秆作为主要的研究对象应用于农业，以实现农业废弃物资源的合理利用、土壤环境改善及作物增产稳产[3-6]。我国作为农业大国，农作物秸秆年产量约为10 亿t，是世界上秸秆资源最丰富的国家之一，但伴随着我国城镇化的发展及农民生活方式的改变，导致秸秆资源的利用率较低[7-9]。随着我国农业机械化水平的不断提高，秸秆粉碎还田是目前最主要的秸秆还田方式[10]，秸秆还田可以减少堆放浪费以及焚烧秸秆产生的环境污染等问题，作为土壤改良剂还可以促进土地资源的可持续利用[11]。秸秆作为外源有机物料输入土壤中，可以显著降低土壤容重、增加土壤孔隙度，有助于降低土壤板结的发生率以及改善土壤通气透水性，从而增强土壤养分的转化与转移，为作物生长提供良好的土壤条件[12-13]。秸秆中含有较为丰富的碳、氮、磷、钾等元素，秸秆还田的养分能够减少化肥的施用[14]，但由于秸秆本身的碳氮比较高，还田后容易导致土壤中氮素相对不足，微生物与作物争夺氮素而影响作物生长，因此秸秆还田配施化肥可以更好地改善土壤肥力、提高作物产量[9,15-16]。虽然秸秆还田可以增加土壤微生物活性，促进秸秆分解，提高土壤肥力，但秸秆分解较慢，释放的养分供本季作物所利用的部分较少，从而限制当季作物产量增加的效果[17]。

生物炭是农作物秸秆等生物质原料在厌氧条件下经高温裂解而成的黑色固体物质，具有高度的芳香化结构、多种含氧官能团以及较大的比表面积等特性[18-19]，施用生物炭对土壤理化性质的改善可为作物生长和增产提供适宜的土壤环境[20-23]。王智慧等[24]研究发现，玉米产量随生物炭施用量的增加逐渐增加，施用量为80 t·hm-2时玉米秸秆生物炭对土壤有机碳、全氮、有效磷、速效钾以及土壤酶活性的促进效果最佳。在黑垆土中施用小麦秸秆及枯枝残叶等炭化而成的生物炭，小麦产量随生物炭施用量的增加呈先增加后降低的变化趋势，施用30 t·hm-2的生物炭对小麦产量的促进效果最佳，且增产效果显著高于秸秆还田[25]。赵海成等[26]研究发现，施用生物炭和秸秆均可以提高盐碱地土壤的有效磷、速效钾及有机质含量，在改善土壤肥力的同时促进水稻增产，且同量秸秆还田对水稻产量及肥料利用率的提高作用优于生物炭。Martos 等[27]研究发现，在钙质土壤中施用生物炭可以减少作物对氮肥的需求并增加土壤的持水性，但对作物产量无显著影响。

生物炭和秸秆对酸性土壤的改良及作物增产效果明显，而对碱性土壤影响的研究尚未形成统一结论[4,28-29]。目前，大部分研究仅关注单一施用生物炭或秸秆，而单季施用生物炭和秸秆对两季土壤养分及作物产量的持续影响尚不明确，且施用生物炭和秸秆对垂直土壤养分的影响仍不清楚。因此，本研究通过田间试验，欲阐明单季施用不同水平生物炭和秸秆量对石灰性潮土的土壤肥力、冬小麦-夏玉米产量的持续影响，以期为石灰性潮土区小麦玉米轮作系统适宜的秸秆还田方式及还田量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在山东省聊城市聊城大学土壤生态环境教学科研基地（36°43′N，116°01′E）进行，属于典型的冬小麦-夏玉米轮作区。该区属温带大陆性季风气候，年均气温13.5 ℃，无霜期208 d，年均降水量540.4 mm，年平均日照时数2 323 h。本试验冬小麦季（2019 年10 月至2020 年5 月）的平均气温和总降水量分别为9.3 ℃和178.4 mm；夏玉米季（2020 年6—9 月）的平均气温和总降水量分别为25.0 ℃和682.1 mm（图1）。

图1 研究期内的日均气温和日总降水量Fig. 1 Average daily temperature and total daily precipitation during the study period

1.2 供试材料

供试土壤为石灰性潮土，试验前土壤基础理化性质为：容重1.48 g·cm-3，田间持水量26.79%，pH 8.81，有机质10.87 g·kg-1，全氮0.72 g·kg-1，有效磷18.50 mg·kg-1，速效钾100.44 mg·kg-1。生物炭为玉米秸秆生物炭，裂解温度为450 ℃，pH 7.44，全氮15.45 g·kg-1，有效磷1 151.85 mg·kg-1，速效钾5 300.21 mg·kg-1。供试小麦品种为‘济麦22'，玉米品种为‘郑单958'。

1.3 试验设计

冬小麦于2019年10月14日播种，2020年5月27 日 收 获，播 种 量 为150 kg·hm-2。夏 玉 米 于2020 年6 月14 日种植，2020 年9 月23 日收获，种植密度为8万株·hm-2。分别设置4种玉米秸秆生物炭和玉米秸秆施用量，秸秆还田量按照小区内实际平均秸秆生产量（玉米秸秆干物质量）进行0.5、1.0、1.5和2.0倍施用，其中秸秆还田处理的施用量分别为3.80（S0.5）、7.60（S1.0）、11.40（S1.5）和15.20 t·hm-2（S2.0）；生物炭处理为等量玉米秸秆全部转化为生物炭（平均转化率为30%）进行施用，施 用 量 分 别 为1.14（B0.5）、2.28（B1.0）、3.42（B1.5）和4.56 t·hm-2（B2.0）；以无生物炭和秸秆的处理为对照（CK），共计9个处理，每处理3次重复，共27个小区，采用随机区组排列，小区面积8 m2。生物炭和秸秆均于冬小麦播种前均匀撒施在土壤表面，并与化肥一同翻入耕层土壤中，后期均不再施用；对照（CK）仅施用化肥。各小区施肥量一致，冬小麦季N-P-K施用量为225-125-90 kg·hm-2，夏玉米季N-P-K 施用量为225-150-150 kg·hm-2，其中50%的氮肥和全部钾肥、磷肥均于冬小麦、夏玉米播种前一次性施入作为底肥，另50%氮肥于冬小麦、夏玉米拔节期追施。

1.4 测定指标及方法

分别于冬小麦、夏玉米收获后使用土钻取0—100 cm土样，每10 cm为1层，每层土壤混合均匀后依据四分法进行取样，自然风干后测定土壤养分含量[30]。土壤全氮采用凯氏蒸馏法测定；土壤硝态氮采用氯化钙浸提，紫外分光光度法测定；土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；土壤全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；土壤全钾采用氢氧化钠熔融-原子吸收分光光度法测定；土壤速效钾采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

土壤养分（全氮、全磷、全钾、有机碳、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾）累积量的计算公式如下。

1.5 数据处理

采用Excel 2016 软件进行数据处理，采用SPSS 26.0 软件进行差异显著性分析，采用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物炭和秸秆对冬小麦季土壤养分的影响

由图2 可知，土壤全效养分中的全氮、全磷、有机碳含量均表现为随土层的增加逐渐降低的变化趋势。0—10 cm 土层中，全氮含量除S0.5 处理外，其余生物炭和秸秆处理均高于对照。S2.0 处理对10—60 cm 土层全氮的提升效果最好，且对0—60 cm 土层全磷含量的促进作用明显高于其他处理。土壤全钾含量在0—50 cm 土层间变化较小，50—100 cm 土层的全钾含量总体上呈现随土层深度的增加而增加的变化趋势，施用生物炭和秸秆均可以提高0—30 cm 土层土壤的全钾含量。整体上生物炭和秸秆处理均可以提高耕层土壤（0—20 cm）有机碳含量，S2.0 处理0—60 cm 土层的有机碳含量始终保持最高水平，各处理对深层土壤（深度＞70 cm）有机碳含量影响较小。

图2 不同处理下冬小麦季土壤养分的垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil nutrients in winter wheat season under different treatments

冬小麦季，土壤硝态氮含量随土层深度的增加呈先增加后降低的变化规律，0—10 cm 土层施用生物炭和秸秆均有利于硝态氮含量的增加。施用生物炭和秸秆对0—60 cm 土层的铵态氮含量影响较大，S1.0 处理对0—30 cm 土层铵态氮含量提升效果最佳，S1.5处理次之。各处理间的土壤有效磷含量差异较小，整体上S2.0处理0—100 cm土层土壤有效磷含量高于其他处理。土壤速效钾含量在0—10 cm 土层中较高，除S0.5 处理外的生物炭和秸秆处理土壤的速效钾含量均高于对照。

2.2 秸秆生物炭和秸秆对夏玉米季土壤养分的影响

图3 为不同生物炭和秸秆施用量下夏玉米收获后土壤全效、速效养分的垂直分布特征，除全钾外，其余各养分指标大体上均呈现随土层深度的增加而降低的变化趋势。生物炭和秸秆处理均可以提高0—10 cm 土层的全效养分（全氮、全磷、全钾、有机碳）含量，且对0—90 cm 土层的全钾含量具有促进作用。除B0.5、S0.5处理外，其余生物炭和秸秆处理均有利于增加耕层土壤（0—20 cm 土层）硝态氮含量，其中B1.0 处理对0—50 cm 土层硝态氮含量的促进作用高于其余处理。除S2.0处理外，其余生物炭和秸秆处理耕层土壤（0—20 cm土层）的铵态氮含量均高于对照，在0—40 cm土层中S2.0处理最低。施用生物炭和秸秆对土壤有效磷含量的影响较小，其中在10—50 cm 土层，S0.5处理土壤的有效磷含量最高。S2.0处理可以明显提升0—90 cm 土层土壤的速效钾含量，而B2.0 处理在0—70 cm土层土壤的速效钾含量低于其余处理。与冬小麦季的土壤养分（图2）相比，夏玉米季土壤养分在各处理间的差距有所缩小，表明生物炭和秸秆对夏玉米季土壤养分的影响减小。

图3 不同处理下夏玉米季土壤养分的垂直分布Fig. 3 Vertical distribution of soil nutrients in summer maize season under different treatments

2.3 秸秆生物炭和秸秆对土壤碳氮比的影响

图4为不同生物炭和秸秆处理下冬小麦、夏玉米收获后0—100 cm土壤碳氮比的垂直分布特征，整体上表现为冬小麦季的土壤碳氮比高于夏玉米季，且两季均表现出秸秆处理高于生物炭处理。在冬小麦季，土壤碳氮比随土层深度的增加逐渐降低，除B0.5、S1.0、S1.5 处理外，其余生物炭和秸秆处理均整体上增加耕层土壤的碳氮比，其中S2.0处理耕层土壤的碳氮比最高。在夏玉米季，土壤碳氮比随土层深度的增加呈先增加后降低再有所增加的变化趋势，其中0—40 cm 土层中土壤碳氮比随土层深度的增加逐渐增加。秸秆还田处理对夏玉米季20—40 cm 土层土壤碳氮比的提高更为明显，且整体上高于生物炭处理和对照。

图4 不同处理下土壤碳氮比的垂直分布Fig. 4 Vertical distribution of soil C/N under different treatments

2.4 秸秆生物炭和秸秆对土壤养分累积量的影响

由表1和表2可知，生物炭和秸秆处理影响冬小麦、夏玉米收获期各土壤养分累积量。S2.0 处理较对照显著提高冬小麦季0—20 cm 土层土壤的有机碳、硝态氮、速效钾累积量，而生物炭和秸秆还田处理对冬小麦季0—100 cm 土层土壤各养分指标的累积量均无显著影响。与对照相比，B1.0 处理显著提高夏玉米季0—20 cm 土层土壤的硝态氮累积量，S2.0 处理显著增加夏玉米季0—100 cm土层土壤的速效钾累积量。

表1 不同处理下冬小麦季土壤养分的累积量Table 1 Accumulation amounts of soil nutrient under different treatments in winter wheat season （kg·hm-2）

表2 不同处理下夏玉米季土壤养分的累积量Table 2 Accumulation amounts of soil nutrient under different treatments in summer maize season （kg·hm-2）

2.5 秸秆生物炭和秸秆对作物产量的影响

由图5 可知，冬小麦季一次施用不同量的生物炭和秸秆影响冬小麦和夏玉米两季作物的籽粒产量。随生物炭施用量的增加，冬小麦籽粒产量逐渐增加，与对照相比，施用生物炭可显著提高冬小麦籽粒产量9.04%～21.76%，其中B2.0处理显著高于B0.5、B1.0处理。随秸秆还田量的增加，冬小麦籽粒产量呈先增加后降低的变化趋势，秸秆还田使冬小麦籽粒产量较对照显著提高15.31%～22.96%，而秸秆处理间差异不显著。随生物炭施用量的增加，夏玉米的籽粒产量有所降低，其中B0.5 处理较CK、B1.5、B2.0 处理分别显著提高10.86%、14.57%、13.32%；B1.5、B2.0 处理的夏玉米籽粒产量虽低于对照，但差异不显著。随秸秆还田量的增加，夏玉米籽粒产量逐渐增加，S1.0、S1.5、S2.0 处理籽粒产量较对照分别提高8.72%、10.89%、12.22%，且差异显著。由此表明，施用不同量生物炭和秸秆对冬小麦、夏玉米的增产效果不同，但两季均表现出施用秸秆对作物增产的效果优于生物炭。

图5 不同处理下冬小麦-夏玉米的籽粒产量Fig. 5 Grain yield of winter wheat-summer maize under different treatments

3 讨论

3.1 秸秆还田方式对土壤养分的影响

生物炭和秸秆自身均含有一定的养分，将其还田可以改善土壤养分状况[31-32]。本研究发现，石灰性潮土区单季施用秸秆生物炭和秸秆对两季土壤养分均具有一定的促进作用，整体上对冬小麦季土壤肥力的提升效果优于夏玉米季，其中对耕层土壤养分累积量的影响更加明显，但随着麦玉轮作对土壤养分的促进作用有所减小。这可能是由于本研究仅在冬小麦季将生物炭和秸秆施入耕层土壤中，因此对深层土壤及夏玉米季的土壤养分促进效果较弱，这可能也是生物炭和秸秆处理对冬小麦增产效果优于夏玉米的重要原因之一。魏永霞等[33]研究发现，一次施用生物炭后黑土土壤的养分含量随时间的推移有所降低，但仍高于未施炭处理。孙海妮等[25]在黑垆土中施加生物炭和秸秆，发现生物炭和秸秆处理均可以提高冬小麦不同生育期耕层土壤的速效养分以及有机质含量，其中生物炭处理可以更好地改善土壤肥力。本研究表明，秸秆处理对冬小麦季耕层土壤养分累积量的促进效果优于生物炭处理，夏玉米季则为生物炭处理更能促进耕层土壤养分累积量的增加。这可能是由于秸秆在微生物的作用下不断分解并释放养分，使秸秆处理下冬小麦、夏玉米的增产幅度更大，从而提高了养分利用率。

3.2 秸秆还田方式对土壤碳氮比的影响

生物炭和秸秆均具有较高的碳含量，将其施入土壤可以提高土壤碳氮比，导致微生物与作物争氮，影响作物生长发育[17,34-36]。本研究表明，施用生物炭和秸秆处理未明显增加土壤的碳氮比，可能由于本研究是在施用化肥的基础上进行生物炭和秸秆处理，缓解了微生物与作物争氮的现象，从而减小对农作物的不利影响。本研究中冬小麦季土壤的碳氮比整体上高于夏玉米季，可能是由于单季还田模式下生物炭和秸秆为冬小麦季土壤提供了更多的有机碳，夏玉米季正常施肥导致碳氮比降低，加速了土壤有机碳的矿化[37]。

3.3 秸秆还田方式对作物产量的影响

生物炭可改善土壤理化性质，显著提高作物产量[38-39]。本研究也表明，施用不同水平的生物炭均可显著增加冬小麦产量，并表现出随生物炭施用量的增加逐渐增加的变化趋势，但在夏玉米季生物炭处理中仅B0.5 处理的籽粒产量显著高于对照。这可能由于冬小麦季施用生物炭为冬小麦的生长发育提供了充足的养分；而夏玉米生育期内降水量较多，高于研究区多年平均降水量，较多的降水可能降低了生物炭对土壤肥力的有效性，从而使生物炭对夏玉米的增产效果减弱。阚正荣等[40-42]在盐化潮土中的研究也发现，适宜的施炭量可以更好地提高冬小麦产量，而对夏玉米产量无显著影响，甚至表现为减产。本研究中秸秆处理均可以提高冬小麦和夏玉米两季的籽粒产量，且对冬小麦、夏玉米的增产效果优于生物炭。这可能是由于秸秆中含有较为丰富的养分[43]，秸秆不断腐解并释放养分，为冬小麦的生长提供更多的养分，然而由于冬小麦季温度较低，秸秆未能完全腐解，在雨热同期的夏玉米季，秸秆进一步腐解并释放养分，从而促进了夏玉米产量的提高。李昊昱等[44]采用冬小麦季单季秸秆还田，发现秸秆还田可促进冬小麦、夏玉米两季作物产量的提高，且对冬小麦的增产效果更大，与本研究结果一致。顾克军等[45]研究发现，单、双季秸秆还田对稻-麦产量均无显著影响。这可能是由于土壤质地、气候、作物以及秸秆种类等因素的差异，导致研究结果存在差异。本研究表明，在石灰性潮土区正常施肥的基础上，单季施用1.14 t·hm-2的玉米秸秆生物炭或7.60 t·hm-2玉米秸秆既可提高土壤肥力，又可实现冬小麦、夏玉米两季作物增产。