【研究意义】作物秸秆是农作物生产过程中产生的一种生物质资源，含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素、中微量元素及其他的一些营养元素，如木质素、纤维素等富含碳元素的物质^[1-2]。我国每年约产秸秆8×10⁸ t，但其利用指数不高，大部分秸秆被焚烧，造成资源浪费和大气环境污染^[3]。因此，如何对作物秸秆进行有效的资源化利用是当前农业发展迫切需要解决的问题。【前人研究进展】作为目前秸秆利用的主要方式，直接还田具有良好的土壤改良效应^[4-6]。长期秸杆还田对土壤养分管理、土壤质量提升和维持其可持续生产力具有重要意义^[7-9]。但是，由于微生物的分解作用，秸秆还田后降解速率较快，增加了土壤CO₂排放，削弱了其碳汇功能^[10]。随着全球气候变暖日趋严重，农业被赋予了低碳减排的新使命^[11]。农田土壤是地球表层系统中较为活跃的碳储库，兼具碳源与碳汇的双重功能^[12-13]。秸秆经无氧高温热解可以得到生物炭，具有高度的生物化学抗分解性，与直接还田相比能够大幅度提升土壤碳库的稳定性^[14]。因此秸秆炭化还田日益被接受为一种重要的CO₂减排增汇途径。秸秆炭化还田具有广阔的前景，但是目前缺乏具体可行的还田模式。由于秸秆资源的可再生性，秸秆炭化还田需要长期进行，而土壤对炭化秸秆的容纳能力，还田炭量积累到一定限度时将如何影响土壤的肥力及作物生长目前尚不清楚。

【本研究切入点】据不完全统计，广州市南沙区横沥镇常年玉米种植面积（含复种）达0.14万hm²，年产量达2万t^[15]。由于需肥量大，甜玉米施肥量普遍高于一般大田作物，广东省的甜玉米氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）肥推荐施肥量分别达到360、120、360 kg/hm²，而常规施肥量普遍高于此值^[16]。因此，玉米种植过程中高投入高产出的生产模式十分普遍，存在重化肥、轻有机肥及氮磷钾复混肥投入量高等现象，导致土壤环境质量下降，土壤养分失调及土壤酸化加剧等多种问题。因此本试验设置玉米秸秆直接还田和玉米秸秆炭化还田两种农艺措施，研究两种秸杆还田措施对玉米产量、玉米品质及土壤理化性质的提升效果。【拟解决的关键问题】通过玉米秸秆直接还田和玉米秸秆炭化还田两种农艺措施的大田应用试验，评价两者对玉米合理施肥、土壤肥力提升、土壤环境质量提高及玉米生产提质增效的影响，为拓展废弃农林秸秆还田措施提供参考依据。

1　材料与方法 1.1　试验材料

试验点位于广东省广州市南沙区横沥镇冯马二村（22°43′57″N，113°29′40″E）。试验开始前，每垄试验地按照S形采集土壤，采样深度为20 cm，把采集的土壤充分混匀，室内风干，压碎后过孔径2 mm筛进行pH、土壤速效钾、碱解氮及有效磷含量测定；再用四分法取出一部分继续碾磨，过孔径0.25 mm筛后进行土壤有机质测定。试验地土壤pH为6.01，土壤有机质含量为25.9 mg/kg，碱解氮106.8 mg/kg，有效磷222.0 mg/kg，速效钾584 mg/kg。每茬试验所用玉米秸秆为该试验地上一茬玉米收获后产生，晒干后用铡草机剪成3 cm长度，根据小区面积取相应的玉米秸秆置于热解炉中450 ℃缺氧热解2 h制备玉米秸杆生物炭。玉米秸杆产量约为300 kg/667m²，炭化产率约为33%，即玉米秸杆炭的产量约为100 kg/667m²。

供试玉米品种为金百甜10号（粤审玉2015018）。第1茬还田玉米秸秆（CS1）、第2茬还田玉米秸秆（CS2）、第1茬还田玉米秸杆生物炭（CSB1）及第2茬还田玉米秸杆生物炭（CSB2）4种添加物的基本理化性质见表 1。

1.2　试验方法

试验地为两垄，长32 m，宽5 m，每垄前后各留1 m作为保护行，中间每隔5 m作为一个小区，共12个小区，随机区组分布，小区面积约为25 m²，连续进行两茬玉米田间试验。试验设3个处理，分别为CK，常规施肥对照；T1，常规施肥+ 秸秆还田，300 kg/667m²·茬；T2，常规施肥+ 秸秆炭化还田，100 kg/667m²·茬。4次重复。

2019年3月25日，第1茬玉米开始育苗，3月27日，全部试验小区按照15 kg/667m²用量施入复合肥（26-6-18）作为底肥，T1、T2处理各小区同时分别施入玉米秸秆（300 kg/667m²）及玉米秸秆炭（100 kg/667m²），并用翻土机进行深翻。10 d后玉米小苗移栽，整个生育期内追施复合肥（26-6-18）2次，时间分别为4月24日和5月17日，用量分别为15、20 kg/667m²。6月10日采收玉米。从育苗到采收，该茬玉米全生育期为78 d。第2茬玉米于7月17日开始育苗。试验全部小区按照13.5 kg/667m²用量施入复合肥（266-18）作为底肥，T2、T3处理各小区同时分别施入玉米秸秆（300 kg/667m²）及玉米秸秆炭（100 kg/667m²），并用翻土机进行深翻。4 d后玉米移栽，整个生育期内追肥3次，时间分别为8月7日、8月20日及9月2日，复合肥（26-6-18）用量分别为12、15、8 kg/667m²。9月29日采收玉米。从育苗到采收，该茬玉米全生育期为75 d。

1.3　测定项目及方法

两茬玉米采收时均确定每个小区玉米的株数，随机量取10株玉米的株高，对每个小区玉米进行测产，并随机每个小区选取2个玉米苞带回实验室进行品质（维生素C、可溶糖含量）分析，剩余玉米粒烘干粉碎后进行养分含量分析，同时采集每个小区的土壤，测定土壤pH、有机质及有效态养分含量。土壤pH值采用酸度计测定，土水比为1 ∶ 2.5；土壤有机质含量用重铬酸钾硫酸氧化法测定；碱解氮、有效磷及速效钾分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠法及乙酸铵提取法测定。玉米可溶糖及维生素C（Vc）含量分别采用费林试剂标定法及2, 6- 二氯靛酚滴定法测定；玉米粒样品用H₂SO₄-H₂O₂消煮，消煮液分别利用凯氏定氮仪蒸馏、钼锑抗比色法及火焰光度法测定全量N、P、K含量。

试验数据应用Excel软件进行处理，用SAS 9.0软件进行单因素Duncan统计分析，Origin8.6软件作图。

2　结果与分析 2.1　玉米秸秆还田方式对玉米生长的影响

2.1.1 秸秆还田方式对玉米产量的影响　由图 1第1茬玉米产量结果可知，CK玉米产量为15.65 t/hm²，T1处理玉米产量为15.02 t/hm²，T2处理玉米产量为15.42 t/hm²，CK、T1、T2处理间玉米产量差异不显著。由图 1第2茬玉米产量结果可知，CK玉米产量为11.80 t/hm^[1]，T1处理玉米产量为11.54 t/hm^[2]，T2处理玉米产量为11.69 t/hm²，CK、T1、T2处理间同样差异不显著。从两茬玉米产量的结果来看，常规施肥可以获得较高的产量，常规施肥配合秸秆直接还田及秸秆炭化还田玉米产量稍有降低，但影响不显著。

2.1.2 秸秆还田方式对玉米株高的影响　从表 2可以看出，第1茬玉米试验中，CK、T1、T2处理玉米株高无显著差异；而第2茬玉米试验中，CK与T1处理间无显著差异，T2处理株高则显著高于CK，与CK相比，T1、T2处理对玉米株高的提高效果分别为0.3%、4.59%。

2.2　玉米秸秆还田方式对玉米品质的影响

由表 3第1茬玉米粒维生素C和可溶性糖含量结果可知，玉米秸秆还田和玉米秸秆炭化还田处理均显著提升玉米粒维生素C和可溶性糖含量，且秸秆炭化还田处理对玉米粒维生素C和可溶性糖含量提升效果优于秸秆还田处理。玉米秸秆还田和玉米秸秆炭化还田处理对第1茬玉米粒维生素C含量的提升效果分别为16.5%、25.9%，而对可溶性糖含量的提升效果分别为20.7%、22.3%。第2茬玉米粒维生素C和可溶性糖含量结果则显示，玉米秸秆还田处理显著提升玉米粒维生素C及可溶性糖含量，提升效果分别为10.3%、24.7%；玉米秸秆炭化还田则对玉米粒可溶性糖含量具有显著提升作用，提升效果为10.6%，而玉米粒维生素C含量的提升效果不显著，提升效果仅为1.7%。因此，第2茬玉米试验中秸秆还田处理对玉米粒维生素C和可溶性糖含量提升效果优于秸秆炭化还田处理。

2.3　玉米秸秆还田方式对土壤pH和有机碳含量的影响

2.3.1 秸秆还田方式对土壤pH的影响　两茬玉米收获后，采集试验小区土壤进行pH测定。由图 2第1茬玉米收获后土壤pH结果可知，T1、T2处理土壤pH值均稍微提升，但均与CK土壤pH值无显著差异；T1、T2处理均显著提升第2茬玉米采收后土壤pH值，提升值分别为0.33、0.23个单位，且T1、T2处理间土壤pH值无显著差异。

2.3.2 秸秆还田方式对土壤有机碳的影响　土壤有机碳是土壤固相部分的重要组成成分，尽管土壤有机碳的含量只占土壤总量的很小一部分，但它对土壤肥力具有极其重要作用^[17]，因此土壤有机碳常被作为评价土壤肥力水平的一项重要指标^[18]。由图 3第1茬玉米土壤有机碳结果可知，T1、T2处理均显著提升土壤有机碳含量，提升效果分别为10.3% 及10.0%；第2茬玉米土壤有机碳结果显示，与CK相比，T1处理土壤有机碳含量轻微降低1.7%，但没有达到显著差异，而T2处理则仍然显著提升土壤有机碳含量，提升效果为3.6%。

2.4　玉米秸秆还田方式对土壤有效养分及玉米植株养分吸收的影响

2.4.1 秸秆还田方式对土壤有效养分的影响　由表 4两茬玉米试验的土壤有效养分含量结果可知，T1、T2处理两茬玉米土壤碱解氮、有效磷含量及第1茬玉米土壤速效钾含量均轻微提高，但处理间无显著差异；T1、T2处理第2茬玉米土壤速效钾含量均显著提升，提升效果分别为16.8% 及36.0%。

2.4.2 秸秆还田方式对玉米植株养分吸收的影响　每茬玉米收获时，各小区选取两株玉米带回实验室，分成玉米茎叶及玉米苞两部分取样，玉米茎叶又细分为玉米秆及玉米叶两部分，玉米苞细分为玉米芯和玉米粒两部分，各部位烘干、粉碎、过筛，进行全N、全P和全K分析，结果见图 4。由图 4可知，玉米植株生长过程中从土壤吸收的氮和磷主要分布于玉米粒和玉米秆两个部位，钾主要分布于玉米叶和玉米秆两个部位。玉米秸秆还田和炭化还田处理对两茬玉米植株各部位氮、磷及钾吸收均无显著影响。

3　讨论

玉米植株生长与土壤水肥状况密切相关，不同玉米秸秆还田方式可改善玉米生育期土壤的水肥状况，从而影响其生长发育。玉米产量是玉米生长发育状况的最直接体现，第1茬玉米产量结果显示，相对于常规施肥对照，常规施肥+ 秸秆还田及常规施肥+ 秸秆炭化还田处理玉米产量分别降低0.63、0.23 t/hm²；第2茬玉米试验中常规施肥+ 秸秆还田及常规施肥+ 秸秆炭化还田处理玉米产量则比对照分别降低0.26、0.11 t/hm²。该结果表明，与对照相比，秸秆还田、秸秆炭化还田处理均轻微降低了两茬玉米的产量，但降低幅度不显著。相关研究^[19-20]也表明，秸秆还田对作物产量有可能产生负效应。邓智惠等^[21]研究表明，在深松条件下，秸秆还田第1年作物出现减产的现象，之后隔年秸秆还田第2年、连年秸秆还田第3年才实现增产。战秀梅等^[22]研究也表明，秸秆还田后作物当年产量具有降低的趋势。牛芬菊等^[23]研究发现，玉米秸秆还田后，在作物生长发育过程中不断软化、腐烂，到玉米成熟时尚未完全腐解的也都分解成碎的小片，秸秆还田对玉米叶面积及茎粗有一定的降低作用，产量较不还田处理降低4.6%~4.7%。本试验中秸秆炭化还田处理玉米产量稍高于秸秆还田处理，两处理间玉米产量无显著差异，说明秸秆炭化还田相对秸秆直接还田效果更快一些，但增产效果在试验第1年也还没能体现出来。株高是玉米生长发育状况的另一个重要体现。玉米株高结果显示，秸秆还田、秸秆炭化还田处理对第1茬玉米株高均具体轻微提升效果，但与对照相比并无显著差异；秸秆还田、秸秆炭化还田处理对第2茬玉米株高也有一定的提升作用，其中秸秆炭化还田处理能显著提高第2茬玉米株高。因此，秸秆还田和秸秆炭化还田处理对玉米生长的促进作用主要表现在对玉米株高的影响，而对玉米产量的影响还要继续多年试验才有可能体现出来。

秸秆还田不仅能提高作物的产量，还对作物的品质具有提升效果。袁玲等^[24]研究发现秸秆还田能提高水稻稻米中铁和锌的含量，改善稻米品质。张学林等^[25]研究发现秸秆还田后玉米籽粒中的蛋白质及淀粉含量有所增加。维生素C和可溶糖含量均为甜玉米品质的重要指标，这些物质在植物中的合成和积累与光照、水分及土壤养分及理化性质等环境因素密切相关。本试验中，玉米秸秆还田和玉米秸秆炭化还田处理均对玉米粒维生素C和可溶糖含量具有显著的提升效果，且秸秆炭化还田处理对玉米粒维生素C和可溶糖含量提升效果更快于秸秆还田处理，而秸秆还田处理对玉米粒维生素C和可溶糖含量提升的持续效果更优于秸秆炭化还田处理。

秸秆还田对作物产量品质的影响主要是通过提升土壤理化性质来实现的。研究表明，水稻秸秆直接还田及炭化后还田均可降低土壤容重、增加土壤孔隙度，均未对稻田土壤有效磷、速效钾和CEC含量产生显著影响，而秸秆炭化后还田可显著增加土壤有机炭及速效钾含量，显著提升土壤pH值^[26]。本试验结果表明，玉米秸秆直接还田与炭化后还田均对土壤pH值均具有一定的提升效果，而玉米秸秆直接还田处理对土壤pH值提升效果的长期效应更优于炭化后还田。玉米秸秆直接还田与炭化后还田均对土壤有机碳含量具有显著的提升效果，而玉米秸秆炭化后还田对土壤有机碳含量提升效果的长期效应更优于直接还田处理。本研究结果显示，秸秆炭化后还田比直接还田更有利于土壤有机碳的积累，对于农田土壤固碳增汇具有更大的潜力。这是由于生物炭具有芳香化稳定结构^[27]，含碳量通常在30% 以上（与炭化温度有关），当其施入土壤后难以被微生物降解，得以长期存留于土壤中。因此，玉米秸秆炭化还田对增加土壤碳库贮量及维持土壤生态系统平衡意义重大。

土壤肥力是农田生产力的基础，而土壤养分取决于土壤肥力的高低。植物可以直接或间接从土壤中吸收利用的营养元素被称之为土壤养分，土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量是土壤养分的直接体现。本试验中，玉米秸秆直接还田与炭化后还田处理均对第1茬玉米土壤碱解氮、有效磷及速效钾含量影响不大，对第2茬玉米土壤碱解氮及有效磷含量也没有显著影响，却对第2茬玉米土壤速效钾含量均有显著提升作用，且秸秆炭化后还田处理对土壤速效钾含量的提升效果强于秸秆直接还田处理。碱解氮、有效磷及速效钾在土壤含量变化并没有引起玉米秆、玉米叶、玉米芯和玉米粒等玉米各个部位对土壤N、P和K吸收的差异性影响。

4　结论

本研究在广州市南沙区连续进行两茬甜玉米田间小区试验，考察玉米秸秆还田及玉米秸秆炭化处理还田两种农艺措施对土壤理化性状、农作物生长及品质提升的效果，得出以下结论：（1）秸秆直接还田与炭化后还田处理对土壤碱解氮及有效磷含量影响不大，对第2茬玉米土壤速效钾含量、有机碳含量及土壤pH值均有显著提升作用，其中秸秆炭化后还田处理对土壤速效钾及土壤有机碳含量提升效果强于秸秆直接还田处理，而秸杆直接还田处理则对土壤pH值的提升效果强于秸秆炭化后还田处理。（2）玉米秸秆还田和玉米秸秆炭化还田处理均对玉米粒维生素C和可溶糖含量具有显著的提升效果，秸秆炭化还田处理对玉米粒维生素C和可溶糖含量提升效果更快于秸秆还田处理，而秸秆还田处理对玉米粒维生素C和可溶糖含量提升的持续效果更优于秸秆炭化还田处理。（3）秸秆还田和秸秆炭化还田处理对玉米生长的促进作用主要表现在对玉米株高的影响上，而对玉米产量的影响还要继续多年试验才有可能体现出来。