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我国是一个粮食生产大国，也是秸秆资源大国[1]，每年秸秆产量可达 10 亿 t，以玉米秸秆体量最大，为 2.4 亿 t。玉米秸秆中富含大量的碳 （C，45.0%～50.0%）、氮（N，0.4%～0.5%）、磷（P，0.2%～0.3%）、钾（K，0.5%～0.7%）等营养元素[2]，秸秆还田将养分归还于土壤，对于提升地力水平，促进作物良好生长有积极效应[3]。已有研究表明，秸秆还田能改善土壤结构，降低土壤容重和增加土壤孔隙度，与不施秸秆相比，半量还田和全量还田分别降低土壤容重 0.14 和 0.15 g·cm-3[4-5]，提升土壤有机碳含量 6%～13%[6]，同时能增加氮、磷、钾养分含量，且适当增加秸秆用量有助于增强改善效果。此外，秸秆还田还能提高土壤酶活性[7]，促进物质代谢与养分循环，对作物产量提升亦有积极作用。因此，实施秸秆还田对于保护农业生态环境和保障粮食安全有重要意义。
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棕壤性土是我国沂蒙丘陵生态区重要的植烟土壤类型，主要分布在中东部丘陵地带，质地粗（砂质或砂壤质）、通气性和透水性好，适宜烟草种植，烤烟香型风格属蜜甜焦香型[8]，但棕壤性土肥力低、保肥性能差，在烟草连作种植模式下，土壤肥力下降显著。然而，当前针对壤质砂土型棕壤性土的培肥措施较少，对于运用不同玉米秸秆形态培肥壤质沙土的研究更是鲜有，因此，本研究设置一系列不同形态的玉米秸秆还田对棕壤性土植烟土壤进行培肥，通过监测土壤物理性质、养分状况和酶活性等指标综合评价不同秸秆形态对土壤综合肥力的影响，结合土壤烤烟产值筛选出适宜于棕壤性土的秸秆还田形态，为植烟土壤肥力的快速提升提供理论依据与技术支持。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况与供试材料
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试验地为山东省临沂市沂水县（118°63′ E， 35°70′ N，海拔高度 130 m），土壤为棕壤性土，供试作物为烤烟，该区域属温带季风性气候，年均日照时数 2414.7 h，气温 12.3℃，降水量约 800 mm，无霜期 191.7 d，土壤质地为砂土及壤质砂土（国际制：砂粒，87.1%；粉粒，8.2%；黏粒， 4.7%），耕层（0～20 cm）土壤基本理化性状见表1。供试材料为玉米秸秆（C 40.25%；N 9.39%； P 0.10%；K 0.98%），烤烟品种为中烟特香 301。
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1.2 试验设计
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试验开始于 2020 年 4 月，采用随机区组设计，试验地每个小区 40 m2，株距 0.60 m，垄距 1.00 m。设置的处理包括不施秸秆（CK）以及施用秸秆 4 类形态：秸秆粉碎 1 cm（FS1）、秸秆粉碎 5 cm（FS5）、秸秆粉碎 10 cm（FS10）以及秸秆粉末 （FM），每个处理 3 次重复。于试验布置前用粉碎机以及铡刀将玉米秸秆制备成不同大小，而后按照 11244 kg·hm-2 用量将秸秆均匀平铺于各小区地表，随旋耕翻入土壤，之后进行正常起垄、移栽处理。施肥量为有机无机复混肥 80 kg（N 6%；P2O5 9%； K2O 20%），提苗肥 5 kg 磷酸二铵（N 16%；P2O5 40%）。连续两年进行秸秆还田，于 2021 年 10 月烤烟收获时取土壤样品进行测定，同时对烟叶进行化学成分及产量测定。
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1.3 样品采集
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2021 年 10 月于烤烟成熟期用环刀法采集各小区 0～20 cm 土层土壤，测定容重；按梅花形用土钻采集 5 点耕层土壤，混匀后将土样分为两份，一份经过风干研磨，用于测定土壤有机碳、全氮、速效钾、有效磷含量；另一部分储存于 4℃冰箱中，用于测定铵态氮、硝态氮、土壤酶活性。烘烤完成后，在烤房内自然回潮 3 d，严格按照 GB/T2635—1992 烤烟分级标准对烟叶进行分级；挑选中橘三等级进行测样。
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1.4 测定方法
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（1）土壤指标测定：容重和田间持水量采用环刀法测定；土壤紧实度采用 SC900 紧实度仪测定。有机碳含量采用重铬酸钾加热滴定法测定；全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；微生物量碳和微生物量氮含量用氯仿熏蒸-K2SO4 提取法测定。脲酶活性用靛酚蓝比色法（以铵态氮计）测定；蔗糖酶活性用 3，5-二硝基水杨酸比色法；纤维素酶活性用蒽酮比色法测定。
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（2）烟叶化学成分的测定：采用连续流动分析法测定烟叶样品烟碱、总氮、总糖、还原糖、钾、氯含量。
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1.5 数据分析
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采用 Excel 2016 对试验数据进行整理分析。运用 SPSS 26.0 进行单因素方差分析、LSD 法显著性检验和主成分分析，用 Origin 2021 进行作图。通过提取主成分并计算其方差贡献率 δi 和得分，主成分分析计算土壤肥力综合得分，公式为[9]：
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式中：F 指土壤肥力综合得分；F1 指主成分分析中提取出主成分 1 的得分；δi 为主成分 i 的方差贡献率；Fn 指主成分分析中提取出主成分 n 的得分；δn 为主成分 n 的方差贡献率。
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2 结果与分析
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2.1 秸秆还田形态对土壤物理性状的影响
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2.1.1 秸秆还田形态对于土壤容重及田间持水量的影响
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由表2 可见，与 CK 相比，秸秆还田能降低 0～20 cm 耕层土壤容重和提升田间持水量，其中 FS5 处理效果最为显著，其显著降低容重 10.79% （P<0.05） 和提升田间持水量 34.02%（P<0.05），FS5 与 FS10、FM 处理土壤田间持水量呈现显著差异。可见，FS5 处理对于降低土壤容重和提升田间持水量均有积极作用。
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注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.1.2 秸秆还田形态对土壤穿透阻力的影响
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土壤穿透阻力即土壤紧实度，是指土壤抵抗外力压实和破碎能力。图1 表明，试验地土壤自 25 cm 土层以下土壤穿透阻力急剧上升，25～35 cm 土层土壤穿透阻力从 750 kPa 增至 2000 kPa，秸秆还田各处理中 FS5 处理穿透阻力最低，其次是 FM 处理，与 CK 相比降低了 29.55%～34.09%。秸秆还田各处理与 CK 相比，各土层土壤紧实度变化趋势相同，且相同土层深度下，施用秸秆处理土壤穿透阻力均低于 CK，其中 0～25 cm 土层土壤穿透阻力降幅为 14.06%～89.03%；25～35 cm 土层土壤穿透阻力降幅为 14.49%～60.71%。结果表明，施用秸秆可疏松土壤，增加土壤的通透性，有利于根系生长及深扎。
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图1 秸秆还田形态对 0～50 cm 土层土壤穿透阻力的影响
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2.2 秸秆还田形态对土壤化学性状的影响
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2.2.1 秸秆还田形态对土壤碳氮的影响
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从图2 土壤碳氮变化结果发现，与 CK 相比，FS5 和 FM 处理显著提升土壤有机碳含量，增幅分别为 74.08% 和 44.84%，其中 FS5 处理高于其余处理，增幅为 20.19%～74.08%；FS1 和 FS5 处理土壤全氮含量较 CK 也有提升，增幅分别为 34.16% 和 34.40%，有机碳含量和全氮含量的变化趋势基本一致。与 CK 相比，FS1、FS5 和 FS10 处理分别显著提升微生物量碳 80.79%、125.31% 和 70.39%；而在微生物量氮方面，FS10 和 FM 处理分别较 CK 显著增加 80.34% 和 76.07%，FS5 处理与 CK 相比微生物量氮含量有所增加但不显著。另外，FM 处理碳氮比显著高于 CK，增幅为 25.23%； FS1 和 FS5 处理与 CK 相比微生物量碳氮比显著增加，增幅分别为 229.65% 和 131.38%；与 FS10、 FM 处理相比，FS5 处理微生物量碳氮比也显著增加。由此可见，FS5 处理更有利于促进土壤碳氮积累。
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2.2.2 秸秆还田形态对土壤速效养分的影响
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从土壤速效养分变化（图3）可见，各处理与 CK 相比，在铵态氮含量方面差异不显著。各处理硝态氮含量与 CK 相比均显著增加，增幅顺序为 FS5（749.06%）>FM（373.08%）>FS1（171.03%） >FS10（131.25%）；FS10 处理与 CK 相比有效磷含量显著降低，降幅为 31.72%；各处理间速效钾含量无显著差异。
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2.3 秸秆还田形态对土壤酶活性的影响
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由图4 可知，不同秸秆还田形态对土壤脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均有显著影响。不同处理土壤脲酶活性为 572.48～920.91 μg·d-1·g-1，脲酶活性大小表现为 FS5>CK>FS1>FM>FS10，仅 FS5 处理较 CK 显著提升土壤脲酶活性 20.32%。不同处理土壤蔗糖酶活性为 11.74～70.04 mg·d-1·g-1，蔗糖酶活性大小表现为 FS1>FS5>FM>CK>FS10，与 CK 相比，FS1、FS5 和 FM 处理增幅分别为 222.39%、188.75% 和 54.40%，FS10 处理与 CK 相比为负增长，为-45.98%。不同处理土壤纤维素酶活性为 55.87～70.89 mg·d-1·g-1，纤维素酶活性大小表现为 FS5>FM>FS10>FS1>CK，与 CK 相比，各处理增幅为 6.19%～26.88%，其中 FS5 处理增幅最大，为 26.88%。
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图2 秸秆还田形态对耕层（0～20 cm）土壤碳、氮含量和碳氮比的影响
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注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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图3 秸秆还田对耕层土壤速效养分含量的影响
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图4 秸秆还田形态对耕层土壤酶活性的影响
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2.4 土壤肥力质量评价
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本文选择土壤容重、田间持水量、铵态氮、硝态氮、有机碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮、 脲酶、蔗糖酶、纤维素酶、速效钾、有效磷 13 个指标进行主成分分析。共有 4 个主成分特征值大于 1，累加方差贡献率为 81.08%，4 个主成分方差贡献率分别为 27.53%、18.60%、17.55% 和 17.40%， 主成分 1 土壤硝态氮、有机碳、微生物量碳、纤维素酶和田间持水量载荷系数较大，主成分 2 土壤铵态氮、微生物量氮和有效磷载荷系数较大，主成分 3 土壤微生物量氮和速效钾载荷系数最大，主成分 4 脲酶载荷系数最大，由此可见，养分因子和生物酶因子是决定土壤肥力质量的重要因子。进一步进行各因子加权求和并计算出土壤肥力综合得分，如表4 所示，各处理综合得分顺序为 FS5 （0.72）>FS1（0.10）>FS10（-0.16）>FM（-0.27） >FM（-0.39）。由此可见，FS5 处理对于土壤肥力提升作用最佳。
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2.5 不同秸秆还田形态对烟叶化学成分及产量产值的影响
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表5 表明，各处理烟叶总糖含量均偏高，但 FS10 最低；与 CK 相比，秸秆还田处理均能降低烟叶还原糖含量至适宜范围；各处理全氮、烟碱、全钾含量均在适宜范围，其中 FS10 烟叶全钾含量最高；与 CK 相比，秸秆还田均能提高烟叶全氯含量至适宜范围。总体来看，各处理在烟叶总糖、全氮、烟碱、全钾和全氯含量上均无显著性差异，仅 FS10 处理还原糖含量显著低于 CK，低幅为 28.00%。
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试验田烤后烟叶产量与产值数据如表6 所示，与 CK 相比，FS5、FS10 和 FM 处理均呈现显著差异，FS5 增幅为 23.34%，FS10 和 FM 降幅分别为 26.05% 和 14.31%，产量由高到低依次为 FS5 >FS1>CK >FM>FS10，试验当年烟叶均价为 31 元·kg-1，可见，FS5 处理对烤后烟叶产量提升最显著。
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与 CK 相比，FS5 处理显著增加烟叶产值，增幅为 23.37%，而 FS10 和 FM 处理显著降低烟叶产值，降幅为 26.05% 和 14.30%；FS1 处理与 CK 相比增加烟叶产值但影响不显著。烤后烟烟叶上等烟比例由高到低依次为 CK >FM >FS1 >FS10 >FS5，所有处理均降低了烤后烟上等烟比例。整体来看，FS5 处理对烤后烟烟叶产量和产值的提升效果最显著。
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3 讨论
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3.1 秸秆还田形态对土壤容重和田间持水量的影响
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土壤容重是土壤水、肥、气、热协调指标，其大小可以改变土壤水分入渗规律和养分转移特征，与作物正常生长发育密切相关[5]。研究表明，各秸秆处理中，FS5 处理与 CK 相比土壤容重显著降低，田间持水量显著增加。原因可能是秸秆较为蓬松，施入土壤后使土壤孔隙度增大，从而降低单位体积土壤质量[10]。随着土壤容重增加，土壤中孔隙度减少，土壤蓄水保肥能力降低[11]。刘吉宇[12]研究表明，秸秆还田具有抑制水分蒸发、疏松土壤、增加土壤有机质含量、降低土壤容重的作用。土壤紧实度是作物根系细胞在土壤中克服外壁压力和土壤阻力的结果。本研究表明，秸秆还田有利于降低土壤紧实度。董建新等[13]研究表明，秸秆还田时的机械耕翻搅动，导致土层破碎，松碎土块，土壤紧实度降低。
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3.2 秸秆还田形态对土壤化学性质的影响
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土壤微生物量碳、微生物量氮能反映土壤有效养分状况和微生物活性，是评价土壤肥力的重要指标[14]，且微生物量氮含量与土壤氮素肥力的高低有很大关系，在一定程度上反映出土壤的供氮能力[15]。本研究表明，秸秆还田会增加微生物量碳、微生物量氮含量。这主要是土壤表层有更好的温湿度条件，促进土壤微生物生长和秸秆快速降解，从而增加土壤中的碳源和氮源，促进微生物固定土壤活性碳氮[16-17]。荣国华[18]、张奇等[19]、周孟椋等[20]研究发现，秸秆还田显著提高微生物量碳、微生物量氮含量，与本研究结果一致。氮素是农作物生长过程中所必需的营养元素[21]，是作物优质高产的最重要因素[22-23]。连续两年秸秆还田显著提高土壤全氮含量，这与黄琼等[24]的研究结果一致，一是 Angers 等[25]研究表明还田秸秆在制作过程中会破坏玉米表皮组织，增加粉碎程度；二是秸秆腐解后原本光滑的表皮组织遭到破坏并有明显裂痕（图5），因此，秸秆与土壤接触面积越大，被微生物分解的机会越大，进而促进了土壤养分的积累[26]。粉碎秸秆在分解过程中释放大量能量来供给微生物生长繁殖，增加土壤微生物活性，促进养分从有机态转变为无机态，从而促进植物吸收利用[16]。土壤碳氮比是土壤质量变化敏感指标之一，也是氮矿化能力指标，它影响秸秆的分解速率和养分释放[27-28]。一般而言，土壤碳氮比与有机质分解速率成反比[29]。试验结果表明，秸秆还田土壤碳氮比在 9.65～12.49 之间，与中国农田土壤（11.90）和西北农田土壤（12.90）[30]碳氮比相近，这表明烟田连年施用化肥，导致烟田土壤氮素积累过多，碳氮比降低，禾本科作物秸秆的碳氮比通常为（65～85）∶ 1[31]，施用玉米秸秆增加土壤碳含量，提高土壤碳氮比。与 CK 相比，各处理均提高了土壤碳氮比，因此，秸秆还田后土壤有机质分解速率降低，有利于土壤固碳和烤后烟产量的提高。
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图5 玉米原状秸秆（a）及玉米腐熟秸秆（b）的扫描电镜图
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土壤酶对土壤养分转化有重要作用，能反映物质循环和转化强度[32]。秸秆还田能促进作物根系代谢，促使根系分泌物增多，微生物繁殖加快[33]，从而提高土壤酶活性。本研究表明，秸秆还田处理能显著提高蔗糖酶和纤维素酶活性。这可能是秸秆还田导致土壤中存在大量有机碳，提供了充足的营养和良好的环境来维持微生物生命活动，微生物在这种环境条件下大量繁殖，从而提高土壤酶活性。
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3.3 秸秆还田形态对烤烟产质量的影响
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赵文军等[34] 研究表明，连续秸秆还田条件下，作物产量会明显增加，且下一年增加效果更明显。董建新[35]研究表明，连续两年进行秸秆还田，烟叶产量和产值均有显著增加。本研究表明，连续两年玉米秸秆还田后，FS5 处理显著增加烤后烟产量，分析其原因，主要是大量养分随着秸秆分解释放到土壤中，提高土壤有机质含量，土壤养分条件得到改善，促进烟株养分的吸收利用，因此有利于促进烟株生长发育和提高烟叶经济效益。
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综上所述，与不施秸秆处理相比，秸秆还田能显著降低土壤容重和土壤紧实度，显著提高了土壤微生物量碳和硝态氮含量，与其余处理相比，FS5 处理增加了土壤有机碳、微生物量碳和硝态氮含量，但是秸秆用量对于土壤养分等性状也有很大影响，今后将进一步结合秸秆用量研究其对土壤肥力的影响效应。
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4 结论
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玉米秸秆以不同形态还田两年，可显著降低棕壤性土植烟土壤（0～20 cm）的容重和紧实度，提高田间持水量，提升土壤有机碳和微生物量碳、氮含量。其中，粉碎 5 cm 和秸秆粉末处理能显著增加有机碳含量，粉碎 1、5、10 cm 处理显著增加硝态氮含量。与其他秸秆还田处理相比，秸秆粉碎 5 cm 处理显著提升脲酶和纤维素酶活性。主成分分析法评价土壤综合肥力质量发现，玉米秸秆粉碎 5 cm 处理的土壤肥力质量得分最高，为 0.72，相较而言是短期内培肥棕壤性土植烟土壤较为适宜的方式，但对烤烟产量、质量的影响效果仍需进一步关注。
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摘要
为探究不同形态秸秆还田对棕壤性土植烟土壤肥力的影响效应，以不施秸秆为对照（CK），设置玉米秸秆粉碎 1 cm（FS1）、粉碎 5 cm（FS5）、粉碎 10 cm（FS10）和秸秆粉末 1 mm（FM）4 种形态的秸秆还田试验，表征 0 ～ 20 cm 土层土壤物理性质、养分状况以及土壤酶活性，并综合评价土壤肥力质量以及烤烟产质量。两年试验结果表明，（1）与 CK 相比，秸秆还田处理均能改善土壤物理性状，可降低土壤容重 2.88% ～ 10.99%，提高田间持水量 5.96% ～ 34.02%，降低土层平均穿透阻力 19.17% ～ 25.87%，以 FS5 处理的降低或提升效果最显著（P<0.05）；（2）不同形态秸秆还田对土壤碳氮的提升具有差异，FS5 和 FM 处理能较 CK 显著增加土壤总有机碳含量 74.08% 和 44.84%（P<0.05），FS1、FS5 和 FS10 处理分别显著增加微生物量碳含量 80.79%、125.31% 和 70.39%（P<0.05），以 FS5 处理增加量最高，同时能分别提升土壤全氮、碳氮比和硝态氮含量 34.40%、 20.22% 和 749.06%（P<0.05）；（3）与 CK 相比，不同形态秸秆还田分别显著提升土壤蔗糖酶和纤维素酶活性 52.40% ～ 222.39% 和 6.19% ～ 26.88%，以 FS5 处理的提升幅度最高（P<0.05）；（4）土壤肥力评价结果表明， FS5 处理综合质量得分最高（0.72），可作为提升棕壤性土植烟土壤肥力的有效秸秆形态，其中，土壤硝态氮、土壤微生物量碳和纤维素酶是影响土壤肥力的关键因子；（5）FS1 和 FS5 处理可增加烤后烟产量 8.46% ～ 23.34%。综上所述，不同秸秆还田形态在短期内可改善棕壤性土植烟土壤的理化性状和酶活性，其中以秸秆粉碎 5 cm 还田效果较好，可实现土壤综合肥力的快速提升。
Abstract
In order to explore the effects of different forms of straw return on soil fertility of brown loam tobacco planting， an experiment was conducted to characterize the soil physical properties，nutrient status and soil enzyme activities of 0-20 cm soil layer，and comprehensively evaluate the soil fertility quality and flue-cured tobacco yield and quality. Four forms of maize straw returning were set up，including straw crushing 1cm（FS1），straw crushing 5cm（FS5），straw crushing 10 cm （FS10）and straw powder 1 mm（FM），and the no straw application treatment was used as the control（CK）. The results of the two-year test showed that：（1）Compared with CK，straw return treatment could improve soil physical properties， reduce soil bulk density by 2.88%-10.99%，increase field water holding capacity by 5.96%-34.02%，reduce the average penetration resistance of soil layer by 19.17%-25.87%，and the effect of FS5 treatment was the most significant（P<0.05）. （2）Different straw return forms differed in the enhancement of soil carbon and nitrogen. FS5 and FM treatments significantly increased soil total organic carbon content by 74.08% and 44.84% compared to CK（P<0.05），FS1，FS5 and FS10 treatments significantly increased the microbial biomass carbon content by 80.79%，125.31% and 70.39%（P<0.05）， respectively，with the highest increase in FS5 treatment，which could also increase soil total nitrogen，carbon to nitrogen ratio and nitrate nitrogen content by 34.40%，20.22% and 749.06%（P<0.05），respectively.（3）Compared with CK， different straw return forms significantly increased soil sucrase and cellulase activities by 52.40%-222.39% and 6.19%- 26.88%（P<0.05），respectively，with the highest increase of FS5 treatment.（4）The results of soil fertility evaluation showed that FS5 treatment had the highest overall quality score（0.72）and could be used as an effective straw form to improve soil fertility of brown loamy planted tobacco，where soil nitrate nitrogen，soil microbial biomass carbon and cellulase were the key factors affecting soil fertility.（5）FS1 and FS5 treatments could increase post-baking tobacco yield by 8.46%- 23.34%. In conclusion，different straw return forms could improve the physicochemical properties and enzyme activities of brown loam tobacco soil in the short term，among which the effect of straw crushing 5 cm was better，which could achieve rapid improvement of soil comprehensive fertility.