褐煤基有机肥与秸秆联施对土壤肥力及油葵生长的影响

王亚宁，程振国，郭力莉，褚 屿，叶 霞，陈 亮,2

(1.元泰丰(包头)生物科技有限公司，内蒙古 包头 014100；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350)

0 引 言

土默特右旗是内蒙古自治区的产粮大旗，其中玉米是当地主要粮食作物，在2001年-2015年，全旗玉米种植面积从2.52万hm2增加到8.19万hm2，到2018年，种植面积调减至7.7万hm2，每年干秸秆产量约50万t[1-2]。当地玉米秸秆资源利用率有限，除少部分用于畜牧生产和生活燃料外，大部分直接粉碎及翻耕还田。另外个别区域存在秸秆焚烧现象，对生态环境造成一定的负面影响。农作物秸秆是目前主要有机肥资源之一，秸秆还田有利于土壤有机质的积累和养分提高，还能提供微生物所需的能源物质，促进土壤微生物活动，加速土壤养分循环，从而促进作物生长[3-5]。然而，禾本科作物的秸秆由于C/N比较高，直接还田容易发生土壤微生物与植株幼苗争夺营养的矛盾，造成黄苗、死苗、减产等现象[6]，因此秸秆还田时一般需配施含氮肥料来调控碳氮比。

褐煤是一种储量丰富且富含天然腐植酸类的物质，但作为能源物质利用效率较低。目前，我国大部分的褐煤等低阶煤用作发电、工业燃料、液化、气化等，这些用能模式存在资源消耗、环境污染和能耗过大等负面效应[7-8]。吉纳泰有机肥是以低质煤(褐煤、风化煤、草炭和泥炭)为主要原料，针对煤基物质稳定和难以生化利用的技术难题，通过添加专利催化剂，利用生物、化学和工程手段激活和促进微生物活性，经过一级酸化水解阶段和二级产气阶段而生产的一种新型有机肥[9]，具有机质含量高(≥80%)、富含中微量元素且比例协调、微生物种类丰富且活性高的特点和优势。本试验利用土默特右旗地区玉米秸秆和尿素、吉纳泰有机肥进行优化组合，探究玉米秸秆调控碳氮比后施用对土壤及作物的影响，为玉米秸秆合理利用提供理论依据及生产指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地点为包头市土默特右旗敕勒川现代农业博览园(110°56′99″E，40°59′46″N)。供试土壤为栗钙土，在施肥前采用“S”形5点混合取样法，采集0～20 cm耕层土壤，土壤基本理化性状为pH 8.1，有机碳1.0 g·kg-1，全氮0.1 g·kg-1，全磷100 mg·kg-1，全钾1.7 g·kg-1，肥力中等偏下。

1.2 试验材料

吉纳泰有机肥，元泰丰(包头)生物有限公司生产，C/N=6.9(C 10.3%，N 1.5%)，主要产品指标为：有机质85.1%，N 1.5%，P2O52.2%，K2O 3.2%，水分25.3%，pH 6.6，全钙9.1 g·kg-1，全镁6.0 g·kg-1，全硫5.2 g·kg-1，全铁10.7 g·kg-1，全锰0.17 g·kg-1，全铜24.4 mg·kg-1，全锌65.2 mg·kg-1，全硼40.0 mg·kg-1，总砷6.7 mg·kg-1，总汞<0.1 mg·kg-1，总镉1.2 mg·kg-1，总铬31.0 mg·kg-1，总铅9.7 mg·kg-1。尿素(N 46.0%)，磷酸二铵(N 18.0%，P2O546.0%)。玉米秸秆取自当地C/N=57.0(C 54.7%，N 0.96%)。供试作物为油葵，品种为S679。

1.3 试验设计

试验共设3个处理，CK：玉米秸秆还田；T1：玉米秸秆配施尿素还田；T2：玉米秸秆配施褐煤基有机肥(吉纳泰)还田。采用随机区组试验设计，每个处理3次重复，小区面积56.0 m2(7.0 m×8.0 m)。其中玉米秸秆晒干后粉碎为1～2 cm，用量为4 500 kg·hm-2。秸秆与吉纳泰有机肥、尿素按一定比例将C/N调控为25(表1)。播种前各处理施入常规底肥尿素225 kg·hm-2、磷酸二铵225 kg·hm-2，同时按照表1用量将玉米秸秆、吉纳泰有机肥、尿素一次性撒施于田中，然后进行旋耕，无追肥。试验于2020年5月29日整地，6月1日覆膜播种，株距35cm，行距50 cm，种植密度不少于5.25万株·hm-2，其余种植管理措施按当地习惯保持一致。播种前及收获后，按处理取混合土样检测土壤理化性状。

表1 不同处理C/N调控用量Table 1 The regulation amounts of C/N ratios in different treatments

1.4 检测项目与方法

土壤有机碳采用总有机碳分析仪法(日本岛津，TOC-L)；pH按NY/T1377-2007测定[10]；全氮采用自动定氮仪法(NY/T1121.24-2012)测定[11]；全磷、全钾、钙、镁、硼、铜、锌、铁、锰、钼、镉、铬、铅采用微波消解-电感耦合等离子体法测定(Thermo Fisher,iCAP7200)；砷、汞按GB/T22105.2-2008测定[12]；氯离子按照NY/T1121.17-2006测定[13]。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2019和SPSS 16.0数据统计分析软件进行多重比较和相关分析。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆碳氮比调控对油葵农艺性状的影响

由表2可以看出，与CK相比，除T2处理的茎粗增加23.5%外，各处理的株高、叶片数均未产生显著性差异；苗期至现蕾期间，油葵长势迅速，是营养生长的关键时期，T1、T2的株高较CK分别显著增加了9.2%、13.8%(P<0.05)，茎粗与叶片数虽有所提高，但未达到显著差异。结果说明，玉米秸秆调控C/N后还田能促进油葵生长，但T1与T2之间无显著差异。

表2 不同生育期油葵农艺性状Table 2 Agronomic traits of oil sunflower at different growth stages

2.2 玉米秸秆碳氮比调控对油葵生物量及根系长度的影响

油葵现蕾期时对其生物量及根系长度进行了调查，由图1可以看出，与CK相比，T1和T2的的根鲜重分别显著增加了21.2%和17.0%(P<0.05)，而地上部鲜重、主根长和侧根长虽有所增加，但是未达到显著差异。

图1 现蕾期油葵地上部、根鲜重及根系长度Fig.1 Fresh weights of shoot and root,and root length of oil sunflower at squaring stage

2.3 玉米秸秆碳氮比调控对土壤肥力的影响

在油葵现蕾期和收获期分别对土壤理化性状进行了分析。现蕾期，土壤pH值较种植前有所升高，但各处理间无明显差异(表3)，与CK相比，T1和T2的有机碳含量分别显著降低了11.3%和9.0%，全氮含量分别显著提高了13.3%、5.6%，全钾含量均显著提高了10.0%，另外T1全磷含量显著提高了10.5%(P<0.05)，而T2的全磷含量则无显著变化。收获期，各处理土壤pH无显著变化，T1有机碳含量较CK有所提高，但未达到显著差异，T2有机碳和全磷含量较CK分别显著增加了31.0%和12.4%(P<0.05)，且T2的全磷含量显著高于T1(P<0.05)，而各处理全氮与全钾含量均无显著差异。结果说明，秸秆调控碳氮比还田对土壤有机碳的影响呈先降低后提高的趋势，并且在生育中期能提高土壤氮和钾含量，后期则趋近一致，另外T1、T2均提高了土壤磷含量，但在不同生育期对其影响不同，T1在现蕾期可显著提高土壤磷含量，而T2为油葵生长后期。

表3 土壤基础理化性状Table 3 Basic physical and chemical properties of soil

2.4 玉米秸秆碳氮比调控对土壤中微量元素的影响

由表4可以看出，与CK相比，中量元素中，T1的钙、镁含量有所降低，而T2则有所增加，但均未达到显著差异，并且硫含量同样无显著差异；微量元素中，T1与T2的硼含量分别显著提高了50.6%和37.0%(P<0.05)，而铁、锌含量均显著降低，其中铁含量分别降低了17.1%、11.4%，锌含量分别降低了18.6%、15.4%(P<0.05)，锰、铜及氯离子含量均无显著性差异。

表4 收获期土壤中微量元素含量Table 4 Contents of medium and trace elements in soil at harvesting stage

2.5 玉米秸秆碳氮比调控对土壤重金属含量的影响

油葵收获期土壤重金属含量中(表5)，各处理之间汞、铬含量均未达到显著差异，T2的砷和镉含量较CK分别显著降低了29.0%、8.0%(P<0.05)，而T1的砷和镉含量与CK无显著差异，另外铅含量大幅度上升，T1、T2铅含量较CK分别显著增加了42.7%和49.5%(P<0.05)。结果表明，玉米秸秆配施吉纳泰有机肥可降低土壤中砷和镉含量，但施用尿素和吉纳泰有机肥调控碳氮比均会提高土壤铅含量。

表5 收获期土壤中重金属含量Table 5 Heavy metal contents in soil at harvesting stage mg·kg-1

2.6 玉米秸秆碳氮比调控对油葵产量的影响

与CK相比，T1、T2的花盘直径显著增加了1.4 cm、1.5 cm(P<0.05)，同时盘粒数有所增加，但未达到显著差异(表6)，T2千粒重显著提高了10.5%(P<0.05)，而T1千粒重与CK、T2均无显著差异。CK平均产量为2 718 kg·hm-2，T1、T2产量较CK分别显著增加了12.1%和17.4%(P<0.05)。以上结果表明，通过调控玉米秸秆碳氮比，能显著提高油葵产量，并且T2增产效果优于T1。

表6 产量性状统计Table 6 Statistics of yield components

3 讨论

3.1 褐煤基有机肥与秸秆联施调控碳氮比对土壤肥力的影响

秸秆施入土壤后参与土壤生态系统的物质循环是提升土壤自然肥力的关键因素[14]。多项研究结果表明，秸秆调控碳氮比后施用能提高土壤养分含量[3-4,15]。汪军等[16]研究表明，适宜调控C/N还田比秸秆单独还田更能提高土壤养分含量，这与本研究结果一致，主要提高了土壤氮、磷、钾及硼含量，其原因是秸秆及肥料的施入为土壤输入了一定的养分，调控碳氮比后能促进微生物活动，加速秸秆腐化过程及矿质养分的释放[17]，并且吉纳泰有机肥含有较高的有机碳。侯建勋等[18]研究表明，土壤施碳后可降低土壤容重，提高土壤纤维素酶、蔗糖酶和磷酸酶活性，从而促进土壤中有机物质分解，提升土壤肥力。另外本研究还发现，秸秆调控碳氮比施用后降低了土壤中某些养分的含量，如锌和铁含量，这可能是由于微生物活动促使秸秆分解，纤维素和半纤维素含量逐渐降低，较难降解的木质素含量相对增加，使秸秆呈现多孔的结构，吸附了土壤及秸秆中释放的某些矿质元素[19]，并且土壤有机碳的提高，同样会对某些矿质养分产生吸持作用。

庞飞[20]通过研究秸秆还田与氮肥互作研究发现，秸秆配施氮肥可提高土壤有机碳含量，而李威等[21]研究结果与之相反，大部分研究仅关注了单一时期的结果，未研究不同生育期有机碳变化。本研究发现，土壤有机碳含量呈现出先降低后增加的趋势，与前人研究结果存在差异，这可能与微生物对碳源的利用相关，秸秆还田后需经过分解才能有效增加土壤有机碳源，而调控碳氮比还田直接增加了氮源，前期微生物活动相对增加了对土壤自身有机碳的利用，因此表现出土壤有机碳降低，而后期随秸秆腐化分解，有机碳含量升高。

3.2 褐煤基有机肥与秸秆联施调控碳氮比对土壤重金属的影响

本研究结果中，秸秆配施吉纳泰有机肥后，土壤重金属砷和镉含量显著降低，这可能是由于有机碳增加了土壤吸附的表面积，并且有机碳含多种官能团，能够吸附、络合重金属，进而影响重金属的迁移，降低重金属的生物活性[22-23]。但本试验还发现，秸秆配施尿素或吉纳泰有机肥，均大幅度提高了土壤铅含量，而试验中所用尿素的铅含量可忽略不计，同时吉纳泰有机肥中的总铅含量仅为9.7 mg·kg-1，远低于土壤中的铅含量，可以排除外源带入。张娟琴等[24]研究发现，小麦秸秆配施氮肥与单施秸秆相比，土壤砷含量有上升趋势，但无显著差异。诸多研究表明，施用有机物料带入大量的水溶性有机物，从而提高了土壤中重金属含量，同时秸秆还田后促进微生物活动，也会影响重金属活性[25-26]。本试验中土壤铅含量的上升可能是由于调控土壤碳氮比后，改变了某些微生物种群结构，以离子交换、激素、分泌有机酸等形式影响了某些重金属活性[27]。

3.3 褐煤基有机肥与秸秆联施调控碳氮比对油葵生长的影响

秸秆直接还田通常易发生土壤微生物与作物幼苗争夺养分的矛盾，造成减产现象，通过调控秸秆碳氮比，能有效提高作物产量与品质[28]。吉纳泰有机肥是以含碳矿物为主要原料生产的新型生物有机肥，富含有机碳并含有多种作物必需营养元素。前人研究表明，土壤施碳后可显著降低土壤容重，提高土壤孔隙度[29-30]，有利于协调土壤水、气、热条件，为植株根系提供良好的生长空间，从而促进根系发育，推动地上部植株生长和干物质积累[31]，并且碳对土壤微生态环境的调控效应与施碳量呈正相关关系，施碳量越高，效应越强[32]。本试验结果也表明，有机碳功能与改善土壤性状有关，秸秆调控碳氮比后施用能促进油葵农艺性状、生物量和产量提升，并且配施吉纳泰有机肥效果优于尿素。

4 结论

(1)与玉米秸秆单独还田相比，调控碳氮比后还田对土壤有机碳的影响呈先降低后提高的趋势，并且能显著提高土壤氮、磷、钾及硼含量，而显著降低了土壤锌和铁含量，其中配施尿素主要在油葵生育中期提高了土壤磷含量，而配施吉纳泰有机肥在生育后期提高磷含量，对其它养分含量的影响趋势表现一致。

(2)玉米秸秆配施吉纳泰有机肥能显著降低土壤重金属砷和镉含量，降幅分别为29.0%、8.0%，而施用尿素和吉纳泰有机肥调控碳氮比均会提高土壤铅含量，较单施秸秆分别提高了42.7%、49.5%。

(3)玉米秸秆调控碳氮比后还田可显著提高油葵的株高、根鲜重及产量性状，与单施秸秆相比，配施尿素产量显著增加了12.1%，而配施吉纳泰有机肥的千粒重和产量分别显著增加了10.5%和17.4%。本试验从理论角度做了基础试验研究，证明秸秆配施吉纳泰有机肥还田效果优于尿素，但考虑有机肥用量及成本较高，可在将吉纳泰有机肥与尿素按一定比例调控秸秆碳氮比还田，进一步试验可行性，以此降低种植成本。