秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響

董 亮，田慎重，王學(xué)君，孫澤強(qiáng)，鄭東峰，劉盛林，董曉霞，郭洪海*，羅加法

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東濟(jì)南 250100；2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南 250100；3.農(nóng)業(yè)部山東省耕地保育科學(xué)試驗觀測實(shí)驗站，山東濟(jì)南 250100)

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秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響

董 亮1，2，田慎重1，3，王學(xué)君1，3，孫澤強(qiáng)1，3，鄭東峰1，3，劉盛林1，董曉霞1，3，郭洪海1，2*，羅加法2

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東濟(jì)南 250100；2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，山東濟(jì)南 250100；3.農(nóng)業(yè)部山東省耕地保育科學(xué)試驗觀測實(shí)驗站，山東濟(jì)南 250100)

[目的]研究秸稈還田量對一年兩熟小麥-玉米輪作制度下土壤理化性質(zhì)的影響。[方法]通過田間試驗，研究秸稈不還田，50%小麥、玉米秸稈還田，100%小麥、玉米秸稈還田，150%小麥、玉米秸稈還田對麥-玉輪作體系中土壤容重、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，以及小麥和玉米產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]秸稈還田可以降低土壤容重，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤養(yǎng)分庫容。50%、100%和150%秸稈還田條件下，土壤容重降幅為1.41%～9.15%，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加0.02～0.04 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。不同秸稈還田量均能提高小麥、玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量增幅分別為7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。[結(jié)論]秸稈還田量達(dá)到150%時，在土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量方面出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，建議不超過100%秸稈還田為宜。

秸稈還田量；小麥-玉米輪作；產(chǎn)量；土壤養(yǎng)分庫容量

作物秸稈是普遍存在的有機(jī)農(nóng)業(yè)廢棄物資源，如何科學(xué)、高效地處理農(nóng)作物秸稈已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)面臨的緊迫問題。秸稈含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分，因此秸稈直接或間接還田，可以建立良好的土壤生態(tài)體系[1]，同時也是提升農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力的重要措施。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田不僅可以提高作物產(chǎn)量，還能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量及養(yǎng)分含量[2-3]，改善土壤結(jié)構(gòu)[4]，提高化肥利用效率[5]，直接或間接減少溫室氣體排放[6]，緩解我國鉀肥資源緊缺造成的壓力，是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效途徑[7]。但是隨著秸稈還田技術(shù)的推廣，尤其是在黃淮海區(qū)域小麥-玉米一年兩熟的輪作制度下，秸稈還田引起的作物出苗率低、病蟲草害等問題日趨凸顯[8]。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈在未有效分解的情況下，秸稈還田量影響著其培肥改土作用[9-10]。筆者以黃淮海區(qū)域的糧食高產(chǎn)區(qū)之一——山東省德州市平原縣為試驗地，在一年兩熟的小麥-玉米輪作制度下，探討了不同秸稈還田量對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響，以期為黃淮海平原區(qū)小麥-玉米一年兩熟輪作體系中秸稈科學(xué)原位還田及糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 平原縣位于魯西北黃河沖積平原，地處暖溫帶，大陸性季風(fēng)氣候，干濕季明顯，春季干旱多風(fēng)，夏季濕熱多雨，秋季涼爽，冬季干冷，光照充足，年平均降水量535 mm，土層深厚，地形平坦。該地區(qū)種植業(yè)發(fā)達(dá)，小麥、玉米、棉花、蔬菜大面積種植，小麥-玉米實(shí)現(xiàn)一年兩作。當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑槌蓖?，基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量13.40 g/kg，堿解氮含量65.10 mg/kg，有效磷含量23.40 mg/kg，速效鉀含量156.00 mg/kg，全鉀含量17.8 g/kg，容重1.42 g/cm3，pH 8.47。

1.2 試驗材料 玉米品種為鄭單958，小麥品種為濟(jì)麥22號。

1.3 試驗設(shè)計 秸稈原位還田于2013年進(jìn)行，共設(shè)4個處理(表1)，每處理3次重復(fù)。小區(qū)按照長期定位試驗池標(biāo)準(zhǔn)，四周用水泥板圍砌，小區(qū)面積36.0 m2(4.5 m×8.0 m)，小區(qū)間距為0.5 m。

秸稈還田量的操作處理：50%秸稈還田處理，即移出50%秸稈；100%秸稈還田處理為全量原位還田；150%秸稈還田處理，即全量還田，并加入從50%秸稈還田處理的田塊中取出的50%秸稈。秸稈還田方式：小麥秸稈粉碎后地表覆蓋還田，玉米秸稈粉碎后旋地耕翻還田。

表1 各處理秸稈還田量

1.4 田間管理 所有試驗處理的施肥均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，即玉米季施肥量為N 260 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、鉀肥做基肥一次施入，氮肥的基追比為5∶5；小麥季施肥量為N 240 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、鉀肥做基肥一次施入，氮肥的基追比為6∶4。播種、灌溉等田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣操作。

1.5 測定項目與方法 收獲后取小區(qū)內(nèi)(2.0 m×2.0 m)樣方計產(chǎn)，統(tǒng)計玉米產(chǎn)量、小麥產(chǎn)量。2015年小麥?zhǔn)斋@后用環(huán)刀或土鉆取土測定0～20 cm土層的土壤容重、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀)含量等指標(biāo)。土壤容重采用環(huán)刀法測定；有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸滴定法測定；堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用醋酸銨浸提火焰光度計法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融原子吸收分光光度法測定[11]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 用DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤容重的影響 由表2可知，不同秸稈還田量能明顯影響0～20 cm土層的土壤容重，秸稈還田后降低了耕層土壤容重。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤容重分別降低了1.41%、3.52%、9.15%。方差分析顯示，50%ST與CK之間差異不顯著，150%ST與100%ST處理之間差異顯著。

秸稈還田后經(jīng)過微生物作用形成的腐殖酸與土壤中的鈣、鎂等結(jié)合成腐殖酸鈣、腐殖酸鎂等，使土壤形成大量的水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加了土壤通透性[12]，降低了土壤容重。但過量還田會導(dǎo)致土壤容重過低，影響土壤的保水保肥性。

表2 不同秸稈還田量對土壤容重的影響

Table 2 Effect of amount of returned-straw on soil bulk density

處理Treat-ment土壤容重Bulkdensityg/cm3與CK相比ComparedwithCK土壤容重Bulkdensity∥g/cm3降幅Degreeofreduction∥%CK1.42±0.02a——50%ST1.40±0.08ab-0.021.41100%ST1.37±0.05b-0.153.52150%ST1.29±0.06c-0.139.15

注：同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different lowercases indicated significant difference at 0.05 level.圖1 不同秸稈還田量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of amount of returned-straw on soil organic matter

2.2 不同秸稈還田量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 從圖1可以看出，秸稈還田后增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.02、0.04、0.03 g/kg。原因可能是秸稈還田后促進(jìn)了微生物的活動，形成了土壤微生物活躍的活動層，從而加速了微生物對秸稈中有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放，進(jìn)而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]。但土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高是一個長期的積累過程，該試驗中秸稈還田進(jìn)行了2 a，從結(jié)果能看出秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但增幅不明顯。2.3 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量的影響 由表3可知，秸稈還田能明顯提高土壤養(yǎng)分含量。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤堿解氮含量分別增加6.43、9.00、6.80 mg/kg，有效磷含量分別增加3.50、4.07、3.37 mg/kg，速效鉀含量分別增加12.33、19.00、10.33 mg/kg，全鉀含量分別增加70.00、120.00、40.00 mg/kg。尤其在土壤鉀素方面，因為秸稈中含有較多的鉀，所以與堿解氮、有效磷相比，秸稈還田后向土壤中貢獻(xiàn)的速效鉀更多。150%ST處理的土壤養(yǎng)分出現(xiàn)下降趨勢，原因可能是秸稈還田量過大，需要更多的養(yǎng)分提供給微生物活動以進(jìn)行秸稈腐解，因此消耗了部分土壤養(yǎng)分。

2.4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產(chǎn)量的影響 由表4可知，不同秸稈還田量可顯著影響玉米和小麥的產(chǎn)量。對于玉米來說，與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的玉米產(chǎn)量分別提高了16.29%、26.06%、23.93%。方差分析顯示，秸稈還田處理與CK間差異極顯著，而不同秸稈還田量處理之間差異不顯著。對于小麥來說，與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的小麥產(chǎn)量分別提高7.57%、13.16%、9.13%。方差分析顯示，秸稈還田處理與CK間差異極顯著，100%ST與150%ST處理間差異不顯著。

當(dāng)秸稈還田量達(dá)到150%時，玉米、小麥產(chǎn)量均下降，原因可能是秸稈還田量過大，土壤容重降幅過大，導(dǎo)致土壤保水保肥性差，土壤養(yǎng)分含量由于微生物活動的消耗而降低，對玉米幼苗返青、分蘗生長帶來負(fù)面影響，從而影響作物生長及產(chǎn)量的形成。

表3 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

表4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產(chǎn)量的影響

注：同列不同大寫字母表示處理間在0.01水平差異極顯著。

Note：Different capital letters in the same column stand for significant difference at 0.01 level among treatments.

3 結(jié)論與討論

(1)秸稈還田作為全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，對于維持農(nóng)田肥力、減少化肥使用、提高土壤碳匯能力具有積極作用[14]。王振忠等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無論秸稈覆蓋還是翻壓，都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重，使土壤疏松，通透性改善。陳冬林等[16]研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤中有效磷和速效鉀含量，增加水稻生育后期土壤堿解氮含量。這與筆者的研究結(jié)果一致，即秸稈還田有利于改善土壤理化環(huán)境。

(2)2014年6—10月德州市平原縣玉米季降水總量為389 mm，2014年10月至2015年6月該地小麥季降水總量為256 mm，年份降水總量為645 mm，較正常年平均降水量(547 mm)偏多，屬于偏豐水年份。因此，推測秸稈還田后由于降水的關(guān)系，腐解速度加快，對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量起到了積極的作用。但探討降水與秸稈腐解速度、土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的關(guān)系，需要對常年多點(diǎn)的試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，還需要將土壤溫度考慮在內(nèi)。

(3)雖然秸稈還田能改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量，但是存在還田量閾值的問題。秸稈還田量過多，會導(dǎo)致土壤耕種性差、作物出苗率低、苗弱、作物產(chǎn)量降低、病害加劇等問題。這可能是由于秸稈過量還田，過多的秸稈覆蓋會阻礙土壤與大氣的物質(zhì)交換，同時C/N提高，土壤微生物與土壤酶活性降低，進(jìn)而抑制其對秸稈的分解，秸稈還田對土壤產(chǎn)生的積極作用會隨著秸稈還田量的增多而降低[17]。

(4)該試驗條件下，秸稈還田能降低土壤容重，增加土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀速效養(yǎng)分含量。不同秸稈還田量對土壤理化性質(zhì)影響不同。50%秸稈還田、100%秸稈還田、150%秸稈還田條件下，土壤容重降幅為1.41%～9.15%，土壤有機(jī)質(zhì)增幅為0.02～0.04 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。秸稈還田后改善了土壤環(huán)境，因而可以提高小麥和玉米的產(chǎn)量。不同秸稈還田量對作物產(chǎn)量的影響不同，小麥、玉米產(chǎn)量的增幅分別為7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。并且在秸稈原位還田時，建議秸稈還田量以不超過100%為宜。下一步擬從土壤微生物、土壤酶的角度進(jìn)一步明確秸稈直接還田的科學(xué)閾值，以期為秸稈還田提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

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Effects of Amount of Returned-straw on Soil Physical and Chemical Properties, Crop Yield in Wheat-maize Rotation System

DONG Liang1,2, TIAN Shen-zhong1,3, WANG Xue-jun1,3, GUO Hong-hai1,2*et al>

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Science, Jinan, Shandong 250100; 2. Key Laboratory of Agro-environment in Huanghuaihai Plain, Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100; 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Shandong), Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100)

[Objective] The aim was to study effects of amount of returned-straw on soil physical and chemical properties in wheat-maize rotation system. [Method] Through field experiment, effects of straw not returned to field, 50%, 100%, 150% wheat, maize straw returned to field on soil bulk density, organic matter, nutrient content, wheat and maize yield in wheat-maize rotation system were studied. [Result] The results showed that returned-straw decreased the soil bulk density by 1.41%-9.15%, increased the soil organic matter content by 0.02-0.04 g/kg, increased available nitrogen by 6.64-9.00 mg/kg, increased available phosphorus by 3.37-4.07 mg/kg, increased available potassium by 10.33-19.00 mg/kg, increased total potassium by 40.00 - 120.00 mg/kg respectively. And it also increased wheat yield and maize yield by 7.57%-13.16% and 16.29%-26.06% respectively. [Conclusion] Excessive amount of straw returned 150% was not benefit for farmland productivity because its negative turning point in soil physical-chemical properties and crop field. It was suggested the amount of returned-straw was not more than 100%.

Returned-straw amount; Wheat-maize rotation system; Yield; Soil nutrient capacity

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金項目(2014QNM51)；國家科技支撐計劃課題(2012BAD14B07)；濟(jì)南市成果轉(zhuǎn)化及專利實(shí)施項目(201401311)；海外泰山學(xué)者建設(shè)工程專項經(jīng)費(fèi)資助。

董亮(1979- )，女，山東安丘人，副研究員，碩士，從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用與土壤培肥改良研究。*通訊作者，研究員，從事循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。

2016-08-12

S 141.4

A

0517-6611(2016)29-0107-03