秸秆还田对耕层土壤理化性质及冬小麦-夏玉米产量的影响

来源:用户上传      作者:赵邦青

　　摘要 [目的]探讨不同秸秆还田模式对胶东半岛小麦-玉米周年产量与耕层理化性状的影响，为该区域土壤培肥及小麦-玉米均衡增产提供科学依据。[方法]试验设置4个处理，分别为小麦和玉米秸秆均不还田（CK）、小麦秸秆还田玉米秸秆不还田（W1M0）、小麦秸秆不还田玉米秸秆还田（W0M1）、小麦和玉米秸秆均还田（W1M1）。结果秸秆还田处理尤其是W1M1处理显著提高0～20 cm土层土壤有机碳与活性有机碳含量，增幅达14.22%与33.25%;显著提高土壤全氮、速效氮、速效磷与速效钾含量。与CK相比，W1M0处理通过提高穗粒数显著提高夏玉米籽粒产量;W0M1则对冬小麦的增产效应更为显著，其主要原因是单位面积粒数的提高;各秸秆还田处理均提高冬小麦-夏玉米周年产量，以W1M1处理最优，增产幅度达18.51%。[结论]在胶东半岛地区，双季秸秆还田模式能够协同提高耕层土壤质量与冬小麦-夏玉米周年产量。
　　关键词 有机碳;土壤养分;周年产量;耕层;秸秆还田模式
　　中图分类号 S 141.4 文献标识码 A
　　文章编号 0517-6611（2020）23-0198-05
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.051
　　Effects of Straw Return on Tilth Physicochemical Properties and Grain Yield in Winter Wheat-Summer Maize System
　　ZHAO Bang-qing
　　（Agricultural and Rural Center of Dacun Town，Huangdao District，Qingdao City，Shandong Province，Qingdao，Shandong 266417）
　　Abstract [Objective]This study sought to determine the effects of different straw incorporation patterns on the annual wheat-maize yield and physicochemical properties of tilth.[Method]Four treatments were set up in the experiment：no straw incorporation （CK），summer maize-season straw incorporation （W1M0），winter wheat-season straw incorporation （W0M1） and double-season straw incorporation （W1M1）.[Result]Treatments with straw return，especially W1M1 treatment，significantly increased soil organic carbon （SOC） and labile organic carbon （LOC） at 0～20 cm depth，i.e.，by 14.22% and 33.25%，respectively.Meanwhile，straw return treatments significantly increased the concentration of soil total nitrogen，inorganic nitrogen，rapid available phosphorus and rapidly available potassium.Compared with CK，W1M0 promoted maize yield by increasing the kernel number per ear，and W0M1 improved grain yield by increasing grain number per unit area.In comparison to CK，the W1M1 treatment significantly increased annual yield of winter wheat-summer maize by 18.51%.[Conclusion]W1M1 is the most effective measure to improve soil quality and balance wheat-maize production in Jiao Dong Peninsula.
　　Key words Organic carbon;Soil nutrient;Annual yield;Soil tilth;Straw return methods
　　
　　近年來我国粮食产量水平不断提高，化肥施用量的持续高增长是粮食增产的重要因素之一[1]。化肥的持续大量施用不仅导致农业生产经济效益下降，而且还造成土壤质量降低、农田生态环境恶化的不良后果[2]。因此，改良土壤质量，提高土壤生产力，同时兼顾农田生态稳定性是我国农业生产保持可持续发展亟需解决的问题之一。
　　近年来，随着土壤质量下降及农田生产力不稳定等问题的出现，土壤质量问题引起人们的广泛关注[2]。土壤有机碳含量显著影响土壤性状，是土壤质量的关键因子之一。提高土壤有机碳含量，能够有效地保持土壤养分的有效性和农业生产的稳定性[3]。土壤酶与微生物活性显著相关，它能有效地促进土壤养分的催化反应[4]。大量研究表明，秸秆还田能够有效地提高土壤有机碳含量，促进土壤养分的积累循环，提高作物对土壤养分的利用率[3，5]。有许多研究结果表明，秸秆还田不仅能显著提高土壤碳氮循环相关酶的活性，而且能优化土壤微生物种群结构，改善土壤微生物功能[4，6]。因此，科学的秸秆还田能够有效地调节土壤性状、促进养分归还，从而达到改善和改良土壤质量的目的[7-8]。 　　胶东半岛是冬小麦-夏玉米一年两熟轮作种植区域，是我国冬小麦和夏玉米生产的重要产区。农业生产成本过高、土壤质量日益下降，成为限制该地区农业高效、可持续发展的重要因素之一[1]。近年来，随着秸秆还田推广力度的加大，农田养分的综合管理技术创新已迫在眉睫[7]。关于秸秆还田对土壤有机碳含量、土壤结构及土壤酶活性影响的研究已有大量报道[3-6]。但是，有关不同的秸秆还田方式下土壤养分的有效性及其与土壤酶活性的关系方面的研究报道却很少。对此，笔者研究了冬小麦-夏玉米生产体系中不同秸秆还田模式对耕层土壤性状和周年产量的影响，旨在为筛选适宜当地的周年秸秆还田模式提供理论依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验点概况 该试验于2017年10月—2018年10月在青岛市黄岛区进行（119°39′37″E、35°41′56″N），冬小麦-夏玉米轮作是该地区最常见的种植模式。试验地常年平均气温为13  ℃，平均降水量为680 mm。试验开始前，对0～20 cm耕层土壤基本肥力指标进行了测定，分别含有机质14.76 g/kg、全氮1.24 g/kg、速效磷9.6 mg/kg、速效钾85.30 mg/kg、硝态氮12.79 mg/kg 以及铵态氮6.06 mg/kg，土壤pH为8.06。
　　1.2 试验设计
　　试验供试冬小麦品种为山农20，基本苗为225 株/m2，行距25 cm。2017年10月9日播种，三叶期定苗，2018年6月8日收获。在冬小麦播前耕地时，施入50%氮肥（尿素，含氮量46%）、P2O5 105 kg/hm2（过磷酸钙，含量10%）和K2O 105 kg/hm2（氯化钾，含量50%）作为底肥，另外50%氮肥于小麦拔节期采取开沟追施。夏玉米品种采用当前推广面积较大的郑单958，种植6.75万株/hm2，播种日期为2018年6月12日，于2018年9月30日收获。夏玉米播种前，50%氮肥（尿素，含氮量46%）、P2O5120 kg/hm2（过磷酸钙，含量10%）和96 kg/hm2 K2O（氯化钾，含量50%）于播种前施入，作为底肥，其余50%氮肥于大喇叭口期追施。小麦和玉米施氮量分别为225和180 kg/hm2 。其他管理措施同高产田。还田秸秆均为上季作物残茬，具体信息见表1。
　　试验设置4个处理，分别为小麦和玉米秸秆均不还田（CK）、小麦秸秆还田玉米秸秆不还田（W1M0）、小麦秸秆不还田玉米秸秆还田（W0M1）、小麦和玉米秸秆均还田（W1M1）。随机区组设计， 3次重复，小区面积为27 m2（9 m×3 m），小区间隔0.5 m。2017年10月夏玉米收获后，按照试验处理进行秸秆移除或还田，撒施底肥，旋耕2遍后机械播种;2018年6月冬小麦收获后，按照要求进行秸秆移除或还田，夏玉米免耕贴茬播种，基肥施用与播种同时进行。
　　1.3 取样与分析方法
　　2018年9月28日（夏玉米收获前），于各小区随机选取5个采样点，采集0～20 cm土层土壤，充分混匀。土壤鲜样过10目筛，一部分置于4 ℃冰箱，用于测定土壤硝态氮及铵态氮含量;另一部分自然风干，过100目筛，用于土壤有机质含量和全氮含量的测定。在土壤筛分的过程中，排除秸秆残体、小麦断根及石块。
　　1.3.1 土壤容重与孔隙度。用容积为100 cm3的环刀采集每小区0～20 cm土壤原状土，带回实验室称重（M1），然后在105 ℃烘干至恒重，然后称重（M2），最后洗净环刀内壁土壤，晾干后环刀称重（M0）。土壤容重（SBD，g/cm3）可以表示为：SBD=（M2-M0）/V。土壤密度采用PD=2.65 g/cm3，则土壤总孔隙度=（1-SBD/PD）× 100。
　　1.3.2 土壤有机碳。土壤总有机碳采用重铬酸钾容量法;土壤活性有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法。
　　1.3.3 土壤氮。H2SO4-H2O2联合消解，半微量凯氏定氮法测定土壤全氮;1 mol/L KCl浸提，AA3连续流动分析仪（SFA CAF FIA BRAN+LUEBBE Ⅲ）测定土壤硝态氮及铵态氮含量，土壤无机氮含量即为两者之和。
　　1.3.4 土壤有效磷与速效钾。0.5 mol/L碳酸氢钠法测定土壤速效磷;1 mol/L醋酸铵浸提土壤样品，火焰光度计法测定土壤速效钾。
　　1.3.5 产量及其构成因素。在冬小麦成熟期，各小区内选取长势均匀一致的2.0 m×6行（共3 m2）的区域用于测产，同时调查测产区域的小麦穗数其中选取30个麦穗调查穗粒数，测产区域人工剪下麦穗采用QKT-320A型小型种子脱粒机（河南省卫辉市种子机械制造厂）脱粒，称重并调整为含水量12%的籽粒产量，后将籽粒晾晒，在晾晒后的籽粒中随机取样调查千粒重。
　　在夏玉米成熟后，每个小区随机连续收取玉米30穗，晾曬后在室内进行考种，调查穗行数、行粒数，脱粒后折算成含水量14%的籽粒产量，同时在其中随机取样用于调查百粒重。
　　1.4 统计分析 采用DPS 7.05统计分析软件对数据进行方差分析和显著性检验（LSD法），用Sigmaplot 10.0作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 土壤容重与孔隙度
　　由图1可知，与双季秸秆均不还田处理（CK）相比，各秸秆还田处理均显著降低0～20 cm土层土壤容重（P<0.05），分别为3.48%、5.53% 与12.63%。同时，各处理土壤孔隙度表现为W1M1 > W0M1 > W1M0 > W0M0，且处理间差异显著（P<0.05）。
　　2.2 土壤有机碳
　　由图2可知，与秸秆未还田处理（CK）相比，双季秸秆还田（W1M1）与玉米秸秆还田（W0M1）均显著提高0～20 cm土层土壤有机碳（SOC）含量，分别为14.22%与7.19%;小麦秸秆还田处理较CK提高SOC含量，达3.40%，但两者之间无显著差异。 　　与SOC含量略有不同，各秸秆还田处理均显著提高0～20 cm土层土壤活性有机碳含量（LOC），以W1M1处理最优，达33.25%（图2）。
　　2.3 土壤养分含量
　　与秸秆未还田处理相比，W1M0、W0M1与W1M1处理均显著（P<0.05）提高0～20 cm土层土壤全氮与无机氮含量（图3），分别为11.13%、18.68%、30.76%与9.30%、18.52%、66.95%。其中，小麦玉米秸秆均还田处理对无机氮的提升效果显著高于土壤全氮，这表明其有利于提高土壤氮素的有效性。
　　 由图4可知，与未秸秆还田处理相比，各秸秆还田模式均显著提高0～20 cm土层土壤速效磷与速效钾含量，各处理依次为W1M1 > W0M1 > W1M0 > CK，且处理间差异显著（P<0.05）。
　　2.4 冬小麦-夏玉米产量及其构成因素
　　2.4.1 冬小麦产量及其构成因素。
　　与CK相比，各秸秆还田处理（W1M0处理除外，其小麦季无秸秆还田）显著（P<0.05）提高了冬小麦的籽粒产量（图5），其主要原因是单位面积穗粒数的显著提高，W0M1与W1M1处理分别提高9.46%与14.34%，千粒重略有增加但差异不显著;W0M1与W1M1处理对冬小麦产量提高效应无显著差异，平均为1.80 t/hm2。
　　2.4.2 夏玉米产量及其构成因素。
　　由图6可知，与无秸秆还田处理（CK）相比，W1M1处理显著提高了夏玉米籽粒产量，达13.32%。从产量构成因素来分析，穗粒数的显著提高（8.78%，P<0.05）是其产量增加的主要原因;百粒重提高2.98%，但两处理间无显著差异。W1M0处理增产效应略高于W0M1处理，分别为7.75%与5.46%，其主要原因是穗粒数的显著提高（12.02%，P<0.05），但百粒重略有降低。
　　2.4.3 周年产量。由表2可知，各秸秆还田处理均显著提高冬小麦-夏玉米周年产量，W1M0、W0M1与W1M1处理分别增产5.74%、10.74%和18.51%。△yield代表各秸秆还田处理产量与NS处理产量之差。在增加的产量部分中，W1M0主要提高了夏玉米产量（图6），WS则主要提高了冬小麦籽粒产量（图5），DS处理则均衡提高冬小麦、夏玉米产量，说明秸秆还田主要影响当季作物的籽粒产量。
　　3 结论和讨论
　　土壤容重和孔隙度是很重要的土壤物理性质，对土壤的水、肥、气、热变化有直接关联[8-9]。在本试验条件下，经秸秆还田处理的均显著降低了0～20 cm土壤容重，提高了土壤孔隙度。Rawls等[10]研究表明，土壤容重与土壤有机质含量呈负相关。秸秆还田有利于土壤有机质的增加，促进土壤团聚体的形成，有利于土壤容重的下降[11]。
　　提高土壤有机碳有利于改善土壤的物理、化学性质，更是评价土壤优劣的重要指标之一[12-13]。本试验研究结果表明，与未还田处理相比，各秸秆还田处理均显著提高了0～20 cm土层SOC含量（图1），这与前人的研究结果相一致[14-16]。Stewart[14]推断，农田土壤有机碳含量未达饱和时，秸秆还田才能够提高SOC含量。该研究表明，在胶东半岛小麦玉米轮作中，小麦、玉米两季秸秆还田处理的土壤SOC含量高于单季还田处理的，表明该区域农田土壤中有机碳含量存在可通过秸秆还田提升的空间。因此，通过秸秆还田提升胶东半岛的农田土壤质量是可推广的成本低廉的技术措施。
　　在农民小规模生产水平下，农田有机碳的积累主要取决于有机物料的投入量，秸秆还田技术可行[17]。从不同的周年秸秆还田模式分析，小麦秸秆还田量比玉米秸秆还田量高，但对土壤SOC含量的提高作用却较低，究其的原因可能是冬小麦播前旋耕使玉米秸秆和耕层土壤混合的比较紧密充分，同时还田秸秆也为微生物的活动提供了附着点和营养来源，促进了微生物繁殖，加速了玉米秸秆的腐解[18-19];而玉米季是免耕贴茬播种，小麦秸秆直立裸露在地表，只能经风化等物理作用初步分解[20]，只有那些与土壤接触的下部秸秆才能被微生物快速腐解。另外，小麦秸秆的碳氮比高于玉米秸秆，不易腐解[21]。综上所述，在唯一秸秆还田处理条件下土壤有机碳的增加主要受还田数量、腐解率的影响。
　　土壤养分作为作物生长的物质基础，其含量水平是决定土壤质量的关键因素之一。土壤矿化产生的有效养分和化学肥料中的有效成分能够被作物根系直接吸收利用，是土壤肥力的主要组成部分。有研究结果表明，秸秆还田能够显著改良土壤理化性质，提高土壤的有机质含量，促进土壤养分循环，从而保持土壤生产力稳定[22-23]。此外，随着秸秆腐解、土壤养分转化，土壤微生物群体结构和土壤酶活性得到显著改善[24]。
　　该试验条件下，秸秆还田处理0～20 cm土层土壤全氮、无机氮及速效磷钾含量均显著高于未还田处理（图3）。与该研究结果相一致，王小彬等[25]通过多年田间定位试验证实了秸秆还田提高了耕层土壤养分含量及其有效性。
　　大田秸秆还田已成为农业生产重要普遍的技术，它在农田投入产出结构中发挥出重要作用[26]。秸秆还田对农作物产量的影响已有大量研究，多数研究结果表明秸秆还田对提高作物产量有积极效果[27-28]，这与该研究研究结果相一致。在秸秆还田造成作物减产的研究中，原因主要有两方面。一是未配施适量氮肥的秸秆还田，导致土壤碳氮比失衡[29];二是还田秸秆空隙导致出苗质量差[30]。在本试验条件下，W1M1的处理提高了冬小麦的亩穗数和穗粒数，从而增加了冬小麦的籽粒产量，增产幅度最大。谭德水等[31]研究表明，河北辛集市经过连续秸秆全量还田，冬小麦和夏玉米年产量分别增幅可达3.0%和6.8%，与该试验的研究结果相一致。
　　在玉米季，只有周年秸秆还田的夏玉米籽粒产量较秸秆不还田增产显著，主要通过提高夏玉米的穗行数和百粒重，增幅比例达13.32%。这与李亭亭[32]认为的各秸秆还田模式下春玉米产量均比无秸秆处理有所增加，表现为与秸秆周年还田>秸秆单季还田>无秸秆还田的结果相一致。究其原因：秸秆还田为作物生长提供了良好的土壤生态环境，促进了土壤的养分供给，增加了生物量，促进了作物对养分的吸收，最终促进了經济产量的增加[33]。因此，在胶东半岛区域现有的冬小麦旋耕、夏玉米免耕的耕作制度下，双季秸秆还田模式可以实现土壤质量与作物产量的协同提高。 　　参考文献
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　　作者简介 赵邦青（1972—），男，山东青岛人，农艺师，从事有机绿色无公害农产品种植与管理。
　　收稿日期 2020-04-04;修回日期 2020-05-13
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