基于盆栽试验分析3 种品牌稻草秸秆腐熟剂对植烟土壤有机碳组分的影响

廖超林，杨振宇，陈治锋，肖汉乾，肖志鹏，向鹏华，肖孟宇，母婷婷，单雪华

1. 湖南农业大学资源环境学院，长沙市芙蓉区农大路1 号 410128

2. 湖南省烟草公司长沙市公司，长沙市雨花区劳动东路359 号 410007

3. 湖南省烟草公司，长沙市芙蓉南路一段628 号 410004

4. 湖南省烟草公司衡阳市公司，湖南省衡阳市华新开发区延安路8 号 421001

秸秆还田是增加土壤碳库水平和改善土壤肥力的重要农田管理措施［1］，但还田后秸秆的腐解速率较慢，养分不能及时释放，导致土壤碳氮比失调［2］、有机酸积累［3］和耕作困难［4］。针对这些问题，有研究表明，秸秆还田时配施腐熟剂可加速秸秆腐解进程、提高土壤微生物活性、改善土壤肥力，从而提高作物产量。杨欣润等［5］发现秸秆腐熟剂具有促进秸秆快速腐解的作用，能实现秸秆的大量直接还田；李培培等［6］研究发现，秸秆腐解菌剂施入土壤后能增加分解秸秆的微生物数量，加快秸秆的分解和腐熟过程；勉有明等［7］通过研究秸秆还田配施腐熟剂对宁夏扬黄灌区土壤改良和玉米增产的效应，发现秸秆还田配施腐熟剂不仅可有效促进秸秆腐解，还能改善土壤理化性质，促进玉米生长发育，显著提高作物产量与经济效益。然而，作为反映土壤肥力的重要指标［8］，土壤有机碳受秸秆配施腐熟剂影响的相关研究还鲜见报道。因此，利用盆栽试验，通过秸秆还土配施优势菌种分别为细菌+真菌及细菌+真菌+放线菌的2 种类型腐熟剂，分析稻草秸秆配施腐熟剂对植烟土壤养分和有机碳组分的影响，旨在为腐熟剂研发、秸秆资源利用和土壤培肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自湖南农业大学中国烟草中南农业试验站试验田的耕作层，试验田长期烤烟-蔬菜轮作，土壤类型为红底河潮泥。采集的土壤经风干过孔径2 mm 筛后备用。耕层土壤的理化性质为：土壤容重1.12 g/cm3，pH 5.04，有机质12.25 g/kg、碱解氮（AN）105.23 mg/kg、有效磷（AP）8.37 mg/kg、速效钾（AK）421.81 mg/kg。供试稻草秸秆［C/N=70.3，N 0.77%，P 0.13%，K 0.16%（质量分数）］与采集供试土壤来自同一田块，秸秆经粉碎至2 cm左右备用。供试腐熟剂种类和用量见表1。

表1 供试腐熟剂种类和用量Tab.1 Types and application amounts of tested decomposition agents

1.2 试验设计与采样

盆栽试验在湖南农业大学试验基地分2年进行，试验设5个处理（CK：化肥，T1：稻草秸秆+化肥，T2：稻草秸秆+化肥+沃宝腐熟剂，T3：稻草秸秆+化肥+丽科腐熟剂，T4：稻草秸秆+化肥+谷霖腐熟剂）。试验所用盆钵的直径为42 cm，高为40 cm，每盆装土壤 20 kg，其中T2～T4 分别混入3%（质量分数）粉碎后的稻草秸秆；肥料用量为氮素4.32 g/盆，扣除稻草秸秆氮并以硝酸铵控制氮素用量，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=1∶1.5∶3，N、P、K 肥分别为分析纯硝酸铵、磷酸二氢钾、硫酸钾；充分混合均匀后装盆，按田间持水量的70%加入去离子水；每处理10盆，完全随机排列，行株距120 cm×50 cm，共计50 盆。待土壤稳定后，选择生长状况相似的健康烟苗进行移栽，每盆移栽1 株。烟苗于3 月移栽，7 月收获完毕，定量浇水，其他管理按照常规栽培方式进行。供试作物为烤烟，品种为云烟87。

烤烟收获完毕后，采用多点采样法从各个盆中采集土壤样品，将土样在常温、通风条件下风干，过孔径2 mm不锈钢筛后装袋，待下一步检测。

1.3 检测方法

土壤总有机碳（TOC）含量（质量分数）采用高温外热重铬酸钾-外加热法测定［9］；颗粒有机碳（POC）含量采用Cambardella等［10］研究中的方法测定；易氧化有机碳（EOC）含量（质量分数）采用333 mmol/L KMnO4氧化，可见分光光度计（T6新锐，北京普析通用仪器有限责任公司）565 nm 波长比色测定［11］。溶解有机质（DOC）含量（质量分数）采用水提取-震荡过滤法测定［12］。土壤速效养分含量（质量分数）均采用常规方法测定。

1.4 数据计算

（1）土壤活性有机碳各组分碳素有效率［13］计算公式为：

（2）土壤有机碳氧化稳定系数（Kos）［14］计算公式为：

式中：TOC 为土壤总有机碳含量，g/kg；EOC 为易氧化有机碳含量，g/kg。

1.5 数据处理及统计分析

数据整理及统计采用Excel 和 SPSS 18.0 软件进行；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较处理间差异，用Duncan’s 法检验差异显著性（P＜0.05），采用 Pearson 法进行相关性分析。使用Canaco 5 软件进行土壤有机碳及其组分、有机碳稳定指标及速效养分间的主成分分析。

2 结果与分析

2.1 稻草秸秆配施腐熟剂对土壤速效养分的影响

由表2 可知，相比单施化肥处理，稻草秸秆配施化肥处理的土壤AN 和AP 含量变化不明显，AK 则显著降低了23.37%。3个稻草秸秆配施腐熟剂处理的 AN、AP 含量均显著高于 CK 和 T1 处理，但 AK 含量仅显著高于T1处理。其中T2、T3处理的AN含量分别比CK 处理显著增加了8.33%和24.25%，比T1处理分别显著增加了22.14%和18.26%；T2、T3 处理的AP 含量分别比CK 处理显著增加了55.12%和49.94%，比T1 处理分别显著增加了39.15%和34.51%，而AK 含量仅分别比T1 处理显著增加了30.04%和19.26%。T4处理的AN含量比CK和T1处理分别显著增加了17.42%和11.76%，AP 含量比CK和T1 处理分别显著增加了55.68%和39.66%，AK 含量仅比T1 处理显著增加了21.65%。然而，3 个稻草秸秆配施腐熟剂处理间的土壤速效养分含量差异不显著。稻草秸秆配施腐熟剂可提高AN 和AP 含量，同时细菌+真菌型（XZ）和细菌+真菌型+放线菌型（XZF）的腐熟剂对提高土壤AN、AP和AK含量的效果不明显。

表2 不同处理土壤速效养分Tab.2 Soil available nutrients under different treatments （mg·kg-1）

2.2 稻草秸秆配施腐熟剂对土壤有机碳组分的影响

由表 3 可知，T1 处理的土壤 TOC 含量与 CK 处理的差异不显著，但有机碳组分中的POC、EOC 和DOC 含量和3 个稻草秸秆配施腐熟剂处理的土壤TOC、POC、EOC 和 DOC 含量均显著高于 CK 处理。相比 T1 处理，T2 和 T3 处理的土壤 POC、EOC 和DOC含量均显著升高，T4处理的土壤EOC含量显著高于T1 处理，但3 个稻草秸秆配施腐熟剂处理间的土壤有机碳组分含量变化不显著。说明稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂显著提高了土壤活性有机碳组分含量，同时稻草秸秆配施XZ型腐熟剂提高土壤有机碳组分含量的效果更显著，而配施XZF 型腐熟剂效果不明显。

表3 不同处理土壤有机碳组分Tab.3 SOC fractions under different treatments

2.3 稻草秸秆配施腐熟剂对土壤活性有机碳有效率及抗氧化能力的影响

由表 4 可见，相比 CK 处理，T1～T4 处理土壤的颗粒态有机碳有效率（POC/TOC）、易氧化有机碳有效率（EOC/TOC）及溶解有机碳有效率（DOC/TOC）均显著增加。稻草秸秆配施腐熟剂处理中T2、T3处理的EOC/TOC 分别比CK 处理显著增加了35.49%和49.13%，比T1 处理分别显著增加了10.87%和22.03%，DOC/TOC 比CK 处理分别显著增加了91.30%和95.65%，比T1 处理分别显著增加了25.71%和28.57%；T4处理的EOC/TOC比CK显著增加了37.70%，比T1 处理显著增加了12.68%，DOC/TOC 比CK 处理显著增加了60.87%，但与T1 处理的差异不显著。同时3个稻草秸秆配施腐熟剂处理间的土壤POC/TOC、EOC/TOC差异不明显，而T4处理的DOC/TOC 比T2 和T3 处理显著降低。说明稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂显著提高了土壤POC、EOC 和DOC 的有效率，同时稻草秸秆配施XZ 型腐熟剂显著提高了土壤活性有机碳有效率，而配施XZF型腐熟剂的效果则不明显。

如表 4 所示，T1 处理的 Kos比 CK 处理显著降低了22.27%；3 个稻草秸秆配施腐熟剂处理间的Kos差异不显著，但均显著低于CK 和T1 处理。稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂显著降低土壤有机碳抗氧化能力，但后者更为显著，稻草秸秆配施XZ 或XZF 型腐熟剂降低土壤有机碳抗氧化能力的差异不明显。

表4 不同处理土壤有机碳组分有效率及有机碳氧化稳定系数Tab.4 Effective rate of SOC fractions and Kos under different treatments

2.4 土壤速效养分、有机碳组分及其评价指标间的相互关系与主成分分析

对土壤有机碳组分、有机碳组分评价指标及速效养分间进行主成分分析，结果表明（图1），第1 主成分（PCA1）和第2主成分（PCA2）分别解释了总方差的68.33%和 19.24%。土壤TOC、POC、EOC、DOC、AN、AP 含量以及POC/TOC、EOC/TOC、DOC/TOC均与PCA1负轴密切相关；Kos与PCA1正轴密切相关。PCA1 主要代表稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂的应用，通过稻草秸秆配施化肥及稻草秸秆配施不同品种腐熟剂将各组区分开，T1～T4 处理点均与CK处理点分离且相距较远；同时，T2、T3、T4处理点均与T1 处理分离，且相距CK 处理更远且具有较高的荷载；此外，T2、T3、T4处理区组间临近，同时T2和T4处理区组交叉。

图1 土壤有机碳组分及其评价指标和速效养分间的主成分分析Fig.1 PCA among soil available nutrients, SOC fractions and their evaluation indexes

3 讨论

本研究中发现稻草秸秆配施化肥的土壤AN 和AP 含量与单施化肥相比差异不明显，但AK 含量显著降低，这可能与稻草秸秆腐解速率低，有机碳输入和养分释放速度较慢有关。同时，烟草作物和土壤微生物养分竞争吸收［15］，导致土壤速效养分变化不明显甚至降低，这也可能是导致该结果的原因。稻草秸秆配施化肥的土壤活性有机碳中的POC、EOC 及DOC含量均显著高于单施化肥，但土壤TOC含量的差异不明显，与尤锦伟等［16］和杨敏芳等［17］的研究结果一致，这可能是由于稻草秸秆配施化肥增加了有机物料的输入量，可供给微生物足够的底物，从而促进土壤原有有机碳的矿化和植物残体及有机物料的腐解，释放活性碳组分促进土壤碳循环［18］，因此活性有机碳组分含量升高。此外，本研究中稻草秸秆配施化肥可能因腐解速率较低，新输入的土壤有机碳较少，且活性有机碳仅占土壤碳库极小比例，其含量变化对TOC 库影响较小；同时秸秆还土后可引起正激发效应，可能加速消耗土壤有机碳［19］，从而导致稻草秸秆配施化肥对土壤TOC含量的影响不明显。

稻草秸秆配施腐熟剂处理的土壤AN、AP、TOC及有机碳组分含量均高于单施化肥和稻草秸秆配施化肥处理，原因可能是稻草秸秆配施腐熟剂额外添加了富含高效微生物菌系的腐熟剂，同时腐熟剂中微生物具有较强的定殖与扩繁能力，加速了秸秆分解、腐熟，促进了秸秆中纤维素、木质素等富碳物质的腐解［20］，导致稻草秸秆及时释放活性有机物和有效养分进入土壤，提高了土壤AN、AP及活性有机碳含量。此外，活性有机碳是微生物及其代谢产物，稻草秸秆配施腐熟剂在加速秸秆腐解、腐熟的同时，相对较多的复杂高分子惰性有机碳被释放进入土壤，有利于有机碳的积累［21］，导致土壤TOC 含量增加。稻草秸秆分别配施XZ 和XZF 型腐熟剂在提高土壤速效养分、有机碳及其组分含量方面差异不明显，可能是由于细菌和真菌是秸秆中木质纤维素降解的主要参与者［22］，而放线菌对秸秆碳的同化量、周转速率均远低于真菌和细菌，其秸秆腐解量仅占秸秆碳的1%～5%［23］。

本研究中稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂处理的土壤 POC/TOC、EOC/TOC 及 DOC/TOC 均显著高于单施化肥处理，但Kos显著降低。通常土壤EOC和DOC 等有机碳组分含量越高，有机碳组分有效率越高，有机碳越容易被微生物分解和矿化；反之，有机碳组分有效率越低，土壤有机碳稳定且不易被生物降解，Kos值越大，土壤有机碳的抗氧化能力越高［12，24］。因此，推测本研究中可能施用稻草秸秆处理增加了新鲜有机物料的投入量，短时间内会刺激土壤微生物的生命活动，促进土壤原有碳的分解，释放更多的土壤易氧化及溶解性有机碳［25］，同时新鲜有机物料在逐渐分解过程中与部分砂粒结合，直接提供了与POC组成相近的有机碳组分，增加了POC组分［26］，在TOC增加量较小的条件下（表3），POC、EOC及DOC有效率增加，而Kos则降低。主成分分析（图1）进一步表明，TOC、活性有机碳组分含量及其有效率和Kos均属第一主成分，关联性较强，且主成分区组表明，稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂的处理点与单施化肥处理点分离，且相距较远和荷载较高，说明稻草秸秆分别配施化肥及腐熟剂在增加土壤活性有机碳组分含量的同时，提高了土壤活性有机碳组分的有效率并降低了有机碳抗氧化能力。

本研究中稻草秸秆配施腐熟剂处理的土壤AN、AP 及有机碳组分含量和 EOC/TOC 及 DOC/TOC 显著高于稻草秸秆配施化肥处理，而Kos相反。主成分区组进一步表明（图1），稻草秸秆配施腐熟剂的处理点均与稻草秸秆配施化肥处理点分离，且具有较高的荷载，说明稻草秸秆配施腐熟剂增加土壤AN、AP、TOC 及其组分含量，提高土壤活性有机碳组分有效率和降低有机碳抗氧化能力更显著。此外，稻草秸秆分别配施XZ和XZF型腐熟剂的处理间，土壤速效养分、TOC及其组分含量、活性有机碳组分有效率及Kos差异不明显，且主成分区组进一步表明（图1），T2、T3和T4处理的区组间临近，同时T2和T4处理区组交叉，说明稻草秸秆分别配施XZ和XZF型腐熟剂，对增加土壤速效养分、TOC 及其组分含量，提高土壤活性有机碳组分有效率和降低有机碳抗氧化能力不明显。因此，稻草秸秆配施不同腐熟剂（细菌+真菌+放线菌和细菌+真菌为优势菌种）在对植烟土壤有效养分和有机碳组分的影响方面没有明显差异。

以上结论仅基于3 个品牌腐熟剂的盆栽试验数据，其相关分析结果和机理仍有待大样本、大田试验及微生物结构数据的论证。

4 结论

稻草秸秆配施化肥显著提高了植烟土壤POC、EOC及DOC含量，而稻草秸秆配施腐熟剂显著增加了土壤AN、AP、TOC 及其组分含量；稻草秸秆分别配施化肥和腐熟剂均可显著提高植烟土壤活性有机碳组分有效率并降低有机碳抗氧化能力，但后者更显著；稻草秸秆分别配施以细菌+真菌和细菌+真菌+放线菌为优势菌种的腐熟剂，对植烟土壤有效养分和有机碳组分的影响无明显差异。