土壤是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库中的活性有机碳对农业生产措施反应灵敏，能有效表征土壤物质循环、潜在生产力以及土壤管理措施引起的土壤有机碳变化特征^[1]。土壤养分是衡量土壤质量的重要指标，其含量直接影响土壤肥力，从而决定地上植被的生长^[2]。在我国政府提出“双碳”战略绿色发展的背景下，探索土壤活性有机碳库变化与土壤养分供给意义巨大。

大量研究显示，秸秆还田不仅可以显著提高土壤有机碳含量，提高有机碳活性的同时改善有机碳质量，为提高农田固碳减排提供重要保障；还能显著提高耕层土壤养分含量，有效地改善土壤肥力^[3-5]。但目前的秸秆还田技术存在诸如养分释放速度慢、矿化养分不能及时被当季作物利用和耕作困难等问题，这在一定程度上限制了秸秆还田的推广^[6]。为解决上述问题，前人尝试筛选秸秆降解微生物并制成腐秆剂，通过配施氮肥和添加腐秆剂使秸秆还田后快速腐解，在较短时间内转化为有机肥料^[7-8]。本课题组前期已有研究表明，腐秆剂的田间施用在促腐和增产方面具有肯定效果且不同腐秆剂之间的差异也较为显著^[9]。然而，腐秆剂在土壤养分方面的作用存在争议^[10-12]。例如，王喜枝等^[10]的研究发现秸秆腐熟剂、微生物腐秆剂和秸秆生物降解专用菌剂能促进秸秆中养分的释放，其分别在不同程度上增加了土壤养分的含量；裘希雅等^[11]在稻草还田中使用有机物料腐熟剂后发现有机质、速效钾等指标有所改善，但促进作用并不明显；陈燚等^[12]所分析的 3 种不同的腐秆剂在土壤养分含量与对照组相比均无显著差异。这可能是因为腐秆剂作用的发挥受腐解方式、区域气候、土壤特性以及土著微生物的拮抗 / 协同作用等多方面因素的影响，从而导致腐秆剂难以稳定发挥作用及获得理想结果^[13-14]。沿淮地区气候多变、土壤物理性状差，大多区域土地为中低产田，因而很可能会对腐秆剂的品种有特殊需求^[15]。再者，前人研究开展的腐秆剂田间试验多为一种腐秆剂的应用效果且多关注促腐速率、作物产量和经济效益，对土壤养分方面的研究仍存在一定争议，同时少有涉及有机碳库方面差异的研究。

由上，本研究在安徽省霍邱县开展麦秸还田定位试验，分析了秸秆还田配施不同腐秆剂对土壤养分、土壤不同形态碳及活性碳有效率和土壤碳库管理指数的影响，以期探明不同腐秆剂的增肥、固碳效果及二者关系，旨在研究秸秆促腐还田效果，遴选出最优配施于安徽沿淮稻田的秸秆腐熟剂产品，为该地区优化秸秆还田促腐技术和秸秆资源利用提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地在安徽省霍邱县宋店乡（116°32′E， 32°36′N），该地位于淮河流域南岸，属北亚热带季风气候，年均积温、年均降水量和年均气温分别为 5623℃、951.3 mm 和 15.4℃。供试土壤为水稻土，试验前耕层土壤（0～15 cm）的基本理化性质为：pH 6.05，有机质 21.3 g/kg，全氮 1.12 g/kg，全磷 0.40 g/kg，全钾 15.42 g/kg，碱解氮 112.0 mg/kg，有效磷 21.2 mg/kg，速效钾 180.0 mg/kg。种植制度为小麦-水稻轮作。

1.2 试验材料

种植作物为水稻，品种为新两优 6 号。还田秸秆为小麦，品种为周麦 23 号。有机碳 342.3 g/kg，全氮 3.3 g/kg，全磷 0.46 g/kg，全钾 16.5 g/kg。

氮肥选用尿素（N 46%），磷肥选用过磷酸钙 （P₂O₅ 12%），钾肥选用氯化钾（K₂O 60%）。1 号腐秆剂主要包含枯草芽孢杆菌（2.03×10⁸ cfu/g）、米曲霉（3.1×10⁷ cfu/g）、黑曲霉（6.4×10⁷ cfu/g）、白地霉（1.21×10⁸ cfu/g） 和酿酒酵母（2.7×10⁷ cfu/g）；2 号腐秆剂主要成分包含枯草芽孢杆菌 （2.21×10⁸ cfu/g）、嗜热脂肪地芽孢杆菌（5.4×10⁵ cfu/g）、天青链霉菌（1.7×10⁷ cfu/g）和白链霉菌 （2.76×10⁸ cfu/g）等 4 种功能菌；3 号腐秆剂主要成分为枯草芽孢杆菌（2.3×10⁷ cfu/g）、地衣芽孢杆菌（1.0×10⁸ cfu/g）和多黏芽孢杆菌（3.1×10⁸ cfu/g）等微生物^[9]。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设置 4 个处理：①秸秆粉碎全量还田 +NPK 优化平衡施肥 + 不施腐秆剂（SF）；②秸秆粉碎全量还田 +NPK 优化平衡施肥 + 腐秆剂 1 号（SFD1）；③秸秆粉碎全量还田 +NPK 优化平衡施肥 + 腐秆剂 2 号（SFD2）； ④秸秆粉碎全量还田 +NPK 优化平衡施肥 + 腐秆剂 3 号（SFD3）。每个处理 3 次重复，小区面积为 24 m²。

NPK 优化平衡施肥的施肥方案参照试验点测土配方施肥的建议，氮磷钾施用量分别为 N 195 kg/ hm²，P₂O₅ 45 kg/hm²，K₂O 52.5 kg/hm²，其中磷、钾肥做基肥一次性施入，氮肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥 =6.3∶2.3∶1.3 分次施用。秸秆还田方式为粉碎 （约为 10 cm）全量（约为 6000 kg/hm²）翻耕还田。腐秆剂按 30 kg/hm² 用量均匀撒施到铺好秸秆的田内并立即翻耕。

1.4 样品采集与测定

水稻收获后，用土钻在各小区内按“S”法采集耕层土壤（0～15 cm）7 个点混合，一部分风干过筛用于测定土壤总有机碳、活性有机碳和养分等指标，一部分保存于 4℃冰箱中用于测定土壤微生物生物量碳和可溶性有机碳等指标。土壤总有机碳测定利用元素分析仪（Elementar Vario MACRO， Germany）^[16]；土壤活性有机碳测定采用 333 mmol/L KMnO₄ 高锰酸钾氧化法^[17]；土壤非活性有机碳 = 总有机碳-活性有机碳^[5]；土壤微生物生物量碳测定采用氯仿熏蒸法^[18]；土壤可溶性有机碳测定采用水浸提法^[19]；土壤养分测定参照常规分析方法^[20]。

1.5 数据计算和分析

碳素有效率和碳库管理指数^[21]：

活性有机碳有效率（%）= 活性有机碳 / 总碳 × 100

微生物生物量碳有效率（%）=微生物生物量碳 / 总碳 ×100

可溶性碳有效率（%）= 可溶性碳 / 总碳 ×100

碳库指数（CPI）= 样品总有机碳 / 对照总有机碳

碳库活度（L）= 活性有机碳 / 非活性有机碳

碳库活度指数（LI）= 样品碳库活度 / 对照土壤碳库活度

采用 One-wayANOVA 和 Duncan 多重比较法（P<0.05）分析配施不同腐秆剂土壤养分、不同形态碳素、活性碳有效率及碳库管理指数的差异；采用皮尔逊相关性检验分析土壤不同形态碳素有效率、碳库管理指数和土壤肥力指标之间的相关性。统计分析和图形制作分别由软件 SPSS 19.0 和 Origin 9.0 完成。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量

在所有处理中，土壤全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾均无显著差异。与不施腐秆剂（SF）处理相比，配施 1 号腐秆剂（SFD1）和 2 号腐秆剂 （SFD2）处理的土壤碱解氮含量分别提高了 14.3% 和 15.6%，差异显著（P<0.05），但 3 号腐秆剂（SFD3） 的碱解氮则无显著增加（表1）。

注：平均值 ± 标准差（n=3），同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05），下同。

2.2 土壤不同形态碳的含量及活性碳有效率

配施 1 号腐秆剂（SFD1）和 2 号腐秆剂（SFD2） 处理的活性有机碳、微生物生物量碳含量、活性有机碳有效率和微生物生物量碳有效率较对照组分别提高了 18.8%、48.0%、6.5%、33.3% 和 18.0%、5 1.0%、5.2%、37.5%，差异显著（P<0.05），但 3 号腐秆剂（SFD3）处理的微生物生物量碳和微生物量碳有效率较对照组分别降低了 52.2% 和 41.7%，差异显著（P<0.05）（表2）。

2.3 土壤碳库管理指数

配施 1 号腐秆剂（SFD1） 处理的 LI、CPI 和 CPMI 分别提高了 11.1%、11.8% 和 24.4%，差异显著（P<0.05），SFD2 处理的 CPI 和 CPMI 分别提高了 11.8% 和 22.4%，差异显著（P<0.05）；SFD3 处理的 LI、CPI 和 CPMI 分别降低了 1.9%、3.5% 和 5.2%，差异不显著（图1）。

2.4 土壤不同形态碳素有效率、碳库管理指数与土壤养分的相关性

相关性分析结果表明，土壤总有机碳与全磷、碱解氮、微生物生物量碳和活性有机碳存在极显著正相关关系（P<0.01）；活性有机碳有效率与速效钾和微生物生物量碳存在显著正相关关系 （P<0.05），与活性有机碳存在极显著正相关关系 （P<0.01）；微生物生物量碳有效率与碱解氮存在显著正相关关系（P<0.05），与微生物生物量碳和活性有机碳存在极显著正相关关系（P<0.01）；土壤碳库管理指数与碱解氮、微生物生物量碳、活性有机碳存在极显著正相关关系（P<0.01）。

注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

注：^*、^** 分别表示显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）相关。

3 讨论

3.1 不同腐秆剂对沿淮稻田土壤养分的影响

本研究中配施 1 号腐秆剂和 2 号腐秆剂较不施用腐秆剂的对照组均显著增加了土壤碱解氮的含量 （表1），这是因为腐秆剂的加入能增加土壤中可降解秸秆的微生物数量^[22]，到了作物生长的中后期，土壤微生物群落演替，先前被固持的氮素从微生物体释放出来，土壤碱解氮含量骤升^[23]。但 SDF3 处理的碱解氮含量较对照组却有所下降（表1），一方面可能是因为 3 号腐秆剂中主要菌株均为细菌，而 1 号腐秆剂的主要菌株为细菌和真菌，2 号为细菌和放线菌，研究表明放线菌对坏境适应能力强，细菌与真菌相比稳定性弱^[24]，且微生物多样性一定程度上决定了土壤微生物结构和活性的稳定性^[22]；另一方面可能是因为试验地环境条件与 3 号腐秆菌需求不匹配，腐秆剂作用的发挥与否与其施用的土壤环境有密切关系，如果功能微生物菌株对环境中的 pH、温度和通气状况等严格的要求无法得到满足，将难以存活和发挥作用^[14]。本课题组前期研究表明 2 号腐秆剂处理后的作物产量和秸秆腐解速率较对照组显著提高，第一年 SFD2 秸秆腐解速率较 SF、SFD1 和 SFD3 处理分别增加了 70.6%、262.5% 和 93.3%^[9]，且土壤养分是提高产量最重要和最直接的因素，这说明 2 号腐秆剂能在相对较短时间内腐解秸秆，快速提升土壤养分含量，具有较好的增产效果。

3.2 不同腐秆剂对沿淮稻田活性有机碳库的影响

作物秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。造成秸秆难自然降解的主要原因是作为植物细胞壁主要组成成分的木质素难以自然高效降解^[25]。本研究发现，与不施腐秆剂处理相比，配施 1 号和 2 号腐秆剂的秸秆促腐还田处理均显著增加了土壤活性有机碳、微生物生物量碳、微生物生物量碳有效率和活性有机碳有效率（表2）。这可能是因为腐秆剂中含有大量的纤维素降解菌和木质素降解菌，它们在生长繁殖过程中分泌出大量纤维素酶、半纤维素酶和酚氧化酶，促进了木质纤维素三组分的降解，从而加速秸秆碳向土壤碳的转化^[26]。同时，秸秆还田短期内对微生物群落结构效果显著，可以有效提高表层土壤微生物生物量^[22]。然而，添加 3 号腐秆剂较对照组微生物生物量碳及有效率却显著降低了 52.2% 和 41.7% （表2），已有研究表明土壤碱解氮是引起小麦根际土壤微生物群落变化的主要土壤环境因素之一^[27]，且土壤微生物生物量碳含量与碱解氮存在显著正相关关系^[28]。本研究发现，微生物生物量碳有效率与碱解氮也存在显著正相关关系（表3），与对照组相比配施 3 号腐秆剂后的土壤碱解氮含量降低了 6.1%（表1）。1 号和 2 号腐秆剂处理后的碱解氮（增加 14.3% 和 15.6%）与微生物生物量碳及有效率（增加 48.0%、 33.3% 和 51.0%、37.5%）的相关性也符合此规律。

李小磊等^[29]在江西红壤性水稻土上的试验结果表明，秸秆还田能显著提高 0～20 cm 土层的碳库管理指数。本研究发现，秸秆还田配施 1 号和 2 号腐秆剂能显著增加土壤碳库指数和土壤碳库管理指数，此外，配施 1 号腐秆剂处理的土壤活度指数也显著提高，这可能与秸杆还田提高土壤活性有机碳和总有机碳储量有关（表2）。因为秸秆还田通过外源有机物料的添加增加了土壤有机碳含量，同时还刺激了土壤微生物的繁殖和生长，而土壤碳库活度和碳库活度指数反映了土壤碳素的活跃程度，活度越大，表示有机碳越容易被微生物分解^[30-31]，从而促进土壤有机质的更新与活化，进而提高了土壤活性有机碳含量^[31]。

相关性研究表明，土壤总有机碳能够表征土壤养分及碳素动态变化。前人大多数研究均表明，土壤碳库管理指数较土壤有机碳能灵敏反映农业管理措施对土壤肥力及土壤碳素的动态变化^[5，14]。本研究之所以得到相反的结论，是因为土壤碳库管理指数会显著受到肥料种类的影响^[32]，高明博^[33]的试验结果表明，增施有机肥提高土壤碳库管理指数的增幅大于增施秸秆，这可能是因为当秸秆作为肥料时，在短期内并不能快速分解将其转化为有机碳补充土壤碳库。前人也有研究表明，土壤有机碳与土壤养分、土壤质量和农业生产密切相关，其数量和质量可以反映土壤的矿化水平和平衡机制并直接影响土壤肥力，土壤总有机碳也是土壤养分循环及肥力供应的核心物质和反映土壤质量的重要指标^[34]。因此，本研究认为在秸秆还田模式下，土壤总有机碳比土壤碳库管理指数能更灵敏反映土壤肥力和土壤碳素的动态变化。

4 结论

秸秆还田配施 1 号或 2 号腐秆剂均有利于提高安徽沿淮稻田的土壤养分含量和有机碳中活性组分含量及其有效率。在施用腐秆剂时需要注意品种的遴选，应当优选功能菌多样性丰富的腐秆剂。上述结论对于安徽沿淮地区稻田秸秆还田下腐秆剂的匹配具有一定的参考意义。今后有必要延续和完善本田间试验，对秸秆还田中腐秆剂对不同生育期作物的效果差异及其作用机理作进一步探索，以更好地利用农作物秸秆服务于农业生产。

参考文献