秸秆还田对东北黑土碳氮磷钾...学计量特征及玉米产量的影响_张旸.pdf

秸秆还田对东北黑土碳氮磷钾化学计量特征秸秆还田对东北黑土碳氮磷钾化学计量特征及玉米产量的影响及玉米产量的影响张旸1,2，高燕1,2，张延1,2，黄丹丹1，陈学文1,2，张士秀1,2，梁爱珍1,2*（1中国科学院东北地理与农业生态研究所/黑土区农业生态重点实验室，吉林长春130102；2中国科学院大学，北京100049）摘要:【目的目的】秸秆还田是提升农田土壤肥力，改善土壤养分含量及有效性的重要措施。我们分析了东北黑土区不同秸秆还田方式下土壤碳氮磷钾含量和玉米产量的年际变化，并从土壤化学计量特征角度研究了土壤养分的有效性。【方法方法】依托 2012 年在东北黑土区建立的秸秆还田长期定位试验，选取秸秆移除(CK)、秸秆混合还入 020cm耕层(RI)和秸秆覆盖还田(RC)3 个处理，测定了处理实施 1 年(2013)、3 年(2015)、5 年(2017)和 8 年(2020)后，不同土层土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)含量及玉米产量，计算了土壤化学计量特征(CN、CP、NP)，并分析了各指标之间的相关性。【结果结果】随试验年限的增加，在020cm 土层，CK 处理 SOC 含量有所下降，TN 含量基本保持不变，而 RI 和 RC 处理的 SOC 和 TN 含量均有所增加，RC 处理下均为最高；RI 处理的 SOC 和 TN 含量在 020cm 土层分布相对均匀，RC 处理 SOC 和TN 含量在 05cm 土层中明显增加，尤其在试验 58 年间的增幅明显升高。CK、RI 和 RC3 个处理的 TP 和TK 含量均随试验年限的增加缓慢升高，处理间无显著差异(P0.05)。各处理土壤 CN 介于 9.8712.56，与土壤 TN 含量显著负相关(P0.05)；土壤 CP 变化范围为 31.1539.87，也与秸秆还田方式无显著相关(P0.05)；土壤 NP 在 2.813.72，各处理表层土壤 NP 始终无显著差异(P0.05)。随试验时间延长，CK 处理的 CN、CP 和 NP 均显著降低(P0.05)；RI 和 RC 处理的 CN 也显著降低(P0.05)，RC 处理的 NP 比仅在试验第 3 年显著升高(P0.05)。【结论结论】连续 8 年的定位试验表明，玉米连作下不论是否秸秆还田，都显著加快土壤有机质分解速率，长期秸秆不还田提升了黑土磷的有效性，加深了土壤氮限制；秸秆还田增加了土壤中碳氮磷钾的积累量，但没有显著改变土壤磷的有效性和氮限制程度，也没有显著增加玉米产量。秸秆混合还田中土壤碳氮磷钾在 020cm 耕层中分布均匀，但土壤碳氮磷钾含量在秸秆覆盖还田下最高。关键词:黑土；秸秆还田；土壤有机碳；CN；CP；NP；玉米产量Effects of residue return on stoichiometric characteristics of soil carbon,nitrogen,phosphorus,potassium,and the maize yieldin black soil of Northeast ChinaZHANGYang1,2,GAOYan1,2,ZHANGYan1,2,HUANGDan-dan1,CHENXue-wen1,2,ZHANGShi-xiu1,2,LIANGAi-zhen1,2*(1 Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Mollisols Agroecology,Changchun,Jilin 130102,China;2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:【Objectives】Ingeneral,cropresiduereturnisanimportantmeasuretoimprovethesoilfertility,nutrientcontent,andproductivityofcropland.Weanalyzedtheannualdynamicsofsoilorganiccarbon(SOC),植物营养与肥料学报2023,29(1):3144doi:10.11674/zwyf.2022234JournalofPlantNutritionandFertilizershttp:/www.plantnutrifert.org收稿日期：20220505接受日期：20221008基金项目：中国科学院战略性先导科技专项“黑土粮仓”（XDA28080200）；国家自然科学基金项目（41877095）；吉林省科技发展计划“中青年科技创新领军人才及团队”项目（20200301022RQ）；中国科学院黑土区重点实验室开放基金项目（2020ZKHT-06）；吉林省科技发展计划自然科学基金项目（YDZJ202101ZYTS011）。联系方式：张旸E-mail:；*通信作者梁爱珍E-mail:nitrogen(N),phosphorus(P),potassium(K)content,andmaizeyieldunderdifferentresiduereturningmethodsintheblacksoilregionofNortheastChina,andstudiedtheavailabilityofsoilnutrientsbasedonsoilstoichiometriccharacteristics.【Methods】Along-termmaizeresiduereturnexperimentwasestablishedintheblacksoilregionin2012withthreetreatments:residueremoved(CK),residueincorporatedinto020cmsoil(RI),andresiduecoveredonthesoilsurface(RC).ThecontentofSOC,totalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP),totalpotassium(TK)indifferentsoillayersandmaizeyieldweremeasuredafterthetreatmentswereimposedfor1-year(2013),3-year(2015),5-year(2017),and8-year(2020).Thesoilstoichiometriccharacteristics(CN,CP,NP)werecalculated,andthecorrelationsbetweentheindexeswereanalyzed.【Results】Withtheincreaseofexperimentalyears,SOCcontentin020cmsoildepthdecreasedandTNcontentwasnotinfluencedunderCK,whereasthecontentofSOCandTNunderRIandRCbothincreased,withthehighestcontentsinRCtreatment.TheSOCandTNunderRItreatmentwereuniformlydistributedintheploughlayer;whiletheSOCandTNunderRCtreatmentwasmainlyincreasedintop05cmlayer,especiallyfromthe5thto8thyearoftheexperiment.TheTPandTKcontentsinallthethreetreatmentsincreasedslowlywithelongationofexperiment,andnosignificantdifferencewasfoundamongtreatments.SoilCNrangedfrom9.87to12.56,whichwassignificantlynegativelycorrelatedwithsoilTNcontent(P0.05),butnotaffectedbyresiduereturningmethod.ThesoilCPofalltreatmentsrangedfrom31.15to39.87andwasnotaffectedbyresiduereturningmethod.SoilNPofalltreatmentsrangedfrom2.81to3.72,NPdidnotdiffersignificantlyamongtreatmentsintopsoil.Astheexperimentprogressed,CN,CPandNPinCKtreatmentshowedaremarkabledecrease(P0.05),CNinRIandRCtreatmentsalsodecreasedsignificantly(P0.05),whereasNPinRCtreatmentincreasedsignificantlyonlyinthethirdyearoftheexperiment(P0.05).Theaverageannualmaizeyieldofeachtreatmentrangedbetween11025kg/hm2and11127kg/hm2,andtherewasnosignificantdifferenceamongtreatments.【Conclusions】Undertheconsecutive8-yearofmaizecropping,thedecompositionrateofsoilorganicmatteracceleratedsignificantly,regardlessofresiduereturn.Long-termresidueremovalmarkedlyincreasedtheavailabilityofPwhileintensifyingthelimitationofNinblacksoil.AlthoughresiduereturnincreasedtheaccumulationofSOC,N,P,andK,butdidnotsignificantlychangetheavailabilityofPandthelimitationofN,andthemaizeyieldwasnotsignificantlyincreased.ThecontentsofSOC,N,P,andKin020cmploughlayerswererelativelyuniformwhenresiduewasincorporatedintosoils,whilethecontentswerethehighestwhenresiduecoveredonthesoilsurface.Key words:blacksoil;residuereturn;soilorganiccarbon;CN;CP;NP;maizeyield东北黑土区是我国重要的优质商品粮生产基地，其粮食产量约占全国粮食总产量的 32%1，被称为我国粮食安全的“压舱石”和“稳压器”。黑土自开垦以来，土壤有机质(SOM)含量显著下降2，加之自然和人为因素的干扰，黑土退化严重3。在粮食产量持续增加的生产背景下，作为农作物副产品的秸秆生物量也不断增长4。据统计，2019 年东北地区秸秆资源总量达 1.9108t5。农作物秸秆中富含多种营养元素，是一种可再生资源，直接还田是秸秆肥料化利用方式之一6。秸秆还田可以提升土壤养分储量、改善土壤结构及改变土壤微生物多样性等78。Zhao 等9研究发现，相比于秸秆移除，秸秆还田可以使我国农田