長(zhǎng)期持續(xù)秸稈還田對(duì)土壤理化特性、酶活性和產(chǎn)量性狀的影響

張 聰, 慕 平, 尚建明

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，近年來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在持續(xù)穩(wěn)定使各類農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)的同時(shí)作物秸稈作為其附屬產(chǎn)物也日益增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2013年全國(guó)僅玉米秸稈總量達(dá)到2.48億t，占全國(guó)秸稈總產(chǎn)量的24.17%[1]。甘肅省是我國(guó)西部重要的農(nóng)業(yè)省份，2016年全省糧食產(chǎn)量為1 158.7萬(wàn)t，附帶產(chǎn)出了2 000多萬(wàn)t的秸稈，其中玉米秸稈1 349萬(wàn)t[2-3]。眾所周知農(nóng)作物秸稈中含有碳、氮、磷、鉀等多種豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，在飼料、肥料、造紙、生物質(zhì)能源、燃料、和發(fā)電等方面具有很高的利用價(jià)值[4]。但是受制于資金、技術(shù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)等條件的困擾，我國(guó)很多地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于大宗作物秸稈并沒(méi)有形成專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的處理模式而使其充分利用，大量作物秸稈被廢棄堆置甚至直接焚燒，造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)的事件屢見(jiàn)報(bào)道，受到人們普遍關(guān)注[5-6]。因此，近年來(lái)對(duì)于秸稈資源綜合利用，特別是在農(nóng)田系統(tǒng)循環(huán)利用成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[7-8]。其中武均等[9]研究指出秸稈還田能顯著改善土壤容重和孔隙度，優(yōu)化土壤物理性狀，進(jìn)而提高土壤水、肥、氣、熱的供給能力，提高作物產(chǎn)量。黃金花等[10]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田處理能顯著提高耕層土壤有機(jī)碳含量。土壤養(yǎng)分是植株生長(zhǎng)發(fā)育各階段所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是土壤肥力高低的決定性因素[11]，趙士誠(chéng)等[12]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田增加了土壤TN，TP含量，徐燕等[13]研究證明連續(xù)秸稈還田能有效提高土壤AN，AP，AK含量，且連續(xù)還田效果好于隔年還田。但不同地區(qū)的研究由于氣候、土壤以及還田作物的不同使其對(duì)土壤的改善效果出現(xiàn)差異[14-15]。土壤酶參與了土壤中多種氧化還原反應(yīng)以及土壤養(yǎng)分的固定與釋放，是土壤肥力的直接影響因素[16]。羅珠珠等[17]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以有效提高表層土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶等土壤酶活性，對(duì)深層土壤的影響較小。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于還田技術(shù)不完善、秸稈根茬導(dǎo)致種子霉變和種子生長(zhǎng)受阻等負(fù)效應(yīng)[18]。另外大多數(shù)研究只是探究了不同耕作措施和短期秸稈還田下土壤性質(zhì)的變化，而長(zhǎng)期秸稈還田下土壤理化性狀及酶活性變化的研究較少。因此，本試驗(yàn)依托于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)平?jīng)鲈囼?yàn)站自2002年設(shè)置的長(zhǎng)期玉米秸稈還田定位試驗(yàn)，進(jìn)一步探究秸稈還田年限繼續(xù)延長(zhǎng)后耕層土壤物理性狀、土壤養(yǎng)分和酶活性的變化情況，為秸稈還田的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)平?jīng)鲈囼?yàn)站(106°25′E，35°24′N)長(zhǎng)期玉米秸稈全量還田定位試驗(yàn)田，海拔高度1 170 m，年平均日照達(dá)1 981 h，≥10℃年積溫2 862.8℃，無(wú)霜期163 d，年均溫9.4℃，年降水量600 mm，屬于季風(fēng)型大陸性氣候。試驗(yàn)區(qū)設(shè)有自2002年、2005年、2008年開(kāi)始還田處理的試驗(yàn)田，以沒(méi)有還田處理的地塊作為對(duì)照，4種不同年限處理分別標(biāo)記為Y0(未還田)、Y3(2008—2010)，Y6(2005—2010)，Y9(2002—2010)，2010年測(cè)定不同還田年限0—20 cm土層中土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量顯示，Y9，Y6，Y3和Y0處理pH值分別為8.35，8.51，8.77，8.93，土壤有機(jī)碳SOC含量分別為18.12 g/kg，15.42 g/kg，12.25 g/kg，7.07 g/kg，土壤全氮TN含量分別為1.36 g/kg，1.22 g/kg，1.07 g/kg，0.96 g/kg，土壤全磷TP含量分別為1.93 g/kg，1.86 g/kg，1.81 g/kg，1.79 g/kg，土壤堿解氮AN含量分別為68.27 mg/kg，63.86 mg/kg，62.24 mg/kg，56.89 mg/kg，土壤速效磷AP含量分別為29.85 mg/kg，28.27 mg/kg，27.32 mg/kg，26.98 mg/kg，土壤速效鉀AK含量分別為221.42 mg/kg，218.08 mg/kg，217.46 mg/kg，212.39 mg/kg。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)平?jīng)鲈囼?yàn)站長(zhǎng)期玉米全量秸稈還田定位試驗(yàn)田進(jìn)行。依托于試驗(yàn)區(qū)自2002年、2005年和2008年以來(lái)進(jìn)行連續(xù)全量玉米秸稈(9 800 kg/hm2)還田的試驗(yàn)田，設(shè)有無(wú)秸稈還田、連續(xù)全量秸稈還田9 a、連續(xù)全量秸稈還田12 a及連續(xù)全量秸稈還田15 a共4種處理，4種不同年限處理分別標(biāo)記為Y0(沒(méi)有進(jìn)行秸稈還田)、Y9(2008—2016年連續(xù)全量秸稈還田)、Y12(2005—2016年連續(xù)全量秸稈還田)和Y15(2002—2016年連續(xù)全量秸稈還田)。玉米品種為富農(nóng)588，采用寬行距為0.6 m，窄行距為0.4 m的寬窄行種植方法，小區(qū)行長(zhǎng)10 m，面積50 m2，三個(gè)重復(fù)，種植密度為5.25萬(wàn)株/hm2。每個(gè)重復(fù)處理小區(qū)均施氮肥150 kg/hm2(尿素)，磷肥150 kg/hm2(過(guò)磷酸鈣)各處理于入冬前，玉米果穗收獲后(10月下旬)，將玉米秸稈粉碎后全部還田覆蓋地表，春季播種前(3月下旬)旋耕入土。2016年三月下旬，玉米播種前期于各處理田間S形采樣，先除去土樣表面的枯葉和秸稈，再用內(nèi)徑為5 cm的土鉆在各小區(qū)分層取0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm的土樣，每個(gè)樣品均為多點(diǎn)采集混合而成，然后用四分法取出足夠的樣品，挑出石粒和根系后過(guò)2 mm篩用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定，再于苗期、拔節(jié)期、散粉期、灌漿期和收獲期取0—30 cm土樣測(cè)定土壤酶活性。

1.3 土壤理化指標(biāo)測(cè)定

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法；全氮用凱氏定氮法；全磷用酸溶鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨提取—火焰光度法；堿解氮用擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定[19]。

土壤過(guò)氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶用3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[20]。

玉米成熟后，每小區(qū)收獲中間兩行玉米果穗，曬干后脫粒稱質(zhì)量，子粒產(chǎn)量以14%含水量為標(biāo)準(zhǔn)折算為小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后用鄧肯法(Duncan)測(cè)驗(yàn)處理間差異顯著性(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 持續(xù)還田不同年限處理對(duì)土壤容重何孔隙度的影響

土壤容重和孔隙度是土壤的重要物理性質(zhì)，主要受當(dāng)?shù)貧夂?、土壤?dòng)物、微生物及耕作措施的影響，對(duì)土壤透氣性能、持水量、抗侵蝕能力和根系生長(zhǎng)阻力有非常大的影響[21]。本試驗(yàn)采用秸稈還田的耕作措施改良土壤，由圖1可知，在0—50 cm土層中各處理土壤容重均表現(xiàn)為還田土壤低于未還田土壤，且隨著土層深度的增加容重增加。Y15土壤容重在1.24～1.43 g/cm3范圍內(nèi)變化，Y15相較于Y12下降0.17%，0.28%，0.13%，0.72%，Y12土壤容重在1.24～1.44 g/cm3之間變化，Y12相較于Y9下降1.15%，0.31%，1.56%，0.42%，Y9土壤容重在1.25～1.45 g/cm3變化，Y9相較于Y0下降1.10%，3.00%，10.67%，8.71%?？芍?—20 cm土層中土壤容重變化不明顯。

圖1不同還田年限0-50cm土層土壤容重和孔隙度的變化

土壤孔隙度表現(xiàn)出隨年限延長(zhǎng)升高，隨土層深度的加深減小的趨勢(shì)。圖1可看出0—20 cm表層土壤中各處理土壤孔隙度變化不明顯，但隨著土層的加深，20—50 cm土層中Y15土壤孔隙度值在44.09%～47.10%之間變化，Y15較Y12增加0.15%，0.92%，Y12土壤孔隙度值為43.69%～47.03%之間變化，Y12較Y9增加1.80%，0.54%，Y9土壤孔隙度值為43.45%～46.20%之間變化Y9較Y0增加14.19%，12.79%。由此可知，秸稈還田措施能夠有效提高20—50 cm土層土壤孔隙度，這與作物根系和耕作方式密切相關(guān)，且隨著還田時(shí)間的延長(zhǎng)改良效果越好。

2.2 持續(xù)還田不同年限處理對(duì)土壤pH的影響

土壤酸堿度是一個(gè)重要的土壤性質(zhì)，影響土壤養(yǎng)分的有效性，并且間接影響了作物的生長(zhǎng)發(fā)育。由表1可知，隨著還田年限的延長(zhǎng)土壤pH表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，Y15的pH值變化范圍在8.31～8.49，較Y12下降0%，0.36%，0.24%；Y12的pH值變化范圍在8.31～8.51，較Y9下降0.48%，0.95%，0.47%；Y9的pH值變化范圍在8.35～8.55，較Y0下降6.70%，4.72%，3.63%。方差分析顯示0—10 cm土層中Y15，Y12和Y9之間未達(dá)到0.05顯著水平，但相比于對(duì)照均有明顯改善；10—20 cm土層中各處理達(dá)到0.05顯著水平；20—30 cm土層中Y15與Y12間未達(dá)到0.05顯著水平。對(duì)比試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)可知，Y9較Y6，Y3和Y0下降1.92%，5.03%，6.95%。由此可知，秸稈還田隨著年限的延長(zhǎng)對(duì)土壤pH的影響越大，且對(duì)表層土壤pH值的影響較大，隨土層深度的下降影響力也隨之減小，土壤pH值的增長(zhǎng)幅度隨著年限的延長(zhǎng)而下降。

2.3 持續(xù)還田不同年限處理對(duì)土壤SOC，TN，TP的影響

土壤有機(jī)碳影響著土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、土壤保肥性能和土壤微生物活性等一系列土壤物理化學(xué)過(guò)程，是土壤肥力高低的重要指標(biāo)。表1可知，0—10 cm土層中各處理對(duì)SOC含量的影響差異顯著(p<0.05)，且各處理的SOC含量均顯著高于對(duì)照(Y0)。其中Y15分別高于Y12，Y9，Y0處理1.10%，4.02%，160.50%，Y12分別高于Y9，Y0處理2.89%，157.62%，Y9高于對(duì)照150.40%，說(shuō)明秸稈還田能有效增加土壤中有機(jī)碳含量。土壤氮素主要在有機(jī)質(zhì)中分解轉(zhuǎn)化及保存，是植物體內(nèi)氨基酸的組成部分、是構(gòu)成蛋白質(zhì)的成分，也是植物進(jìn)行光合作用起決定作用的葉綠素的組成部分。表1中TN含量各處理達(dá)到0.05顯著水平，Y15相較于Y12，Y9，Y0增加了0.74%，3.24%，44.07%，Y12相較于Y9，Y0增加了2.48%，43.01%，Y9相較對(duì)照增加了39.55%。土壤氮素含量過(guò)低時(shí)作物生長(zhǎng)緩慢、矮小瘦弱、根系發(fā)育不良、成熟延遲，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。TP含量各處理達(dá)到0.05顯著水平，Y15相較于Y12，Y9，Y0增加了0.76%，2.73%，11.94%，Y12相較于Y9，Y0增加了1.96%，11.10%，Y9相較于對(duì)照增加了8.97%。可見(jiàn)，長(zhǎng)期秸稈還田能有效增加0—10 cm土壤SOC，TN和TP的含量，且隨著年限的增加SOC，TN和TP含量的增加效果越好。

表1 不同還田年限土壤PH及養(yǎng)分含量變化

注：同土層同列相同字母表示差異不顯著(p<0.05)。

10—20 cm土層中SOC含量在Y12和Y9間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了5.16%，4.78%，132.50%。TN含量在Y12與Y9間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了9.67%，8.34%，45.95%。TP含量在Y15和Y12間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了0.40%，2.15%，15.13%。20—30 cm土層中SOC，TN，TP含量變化中Y15較Y12，Y9，Y0增加了20.01%，26.12%，92.48%，1.35%，0.77%，25.02%，2.76%，3.89%，6.05%。且TN在Y15和Y12間差異不顯著，Y12和Y9間差異不顯著。試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)0—20 cm土層中SOC含量Y9較Y6，Y3，Y0增加了17.53%，47.92%，156.28%，TN含量Y9較Y6，Y3，Y0增加了11.48%，27.10%，41.67%，TP含量Y9較Y6，Y3，Y0增加了3.76%，6.63%，7.82%。

由此可見(jiàn)，秸稈還田能夠有效提高土壤中SOC，TN，TP的含量，改善土壤的養(yǎng)分狀況，特別是土壤中SOC和TN含量的增加效果好于TP，說(shuō)明秸稈還田對(duì)耕層土壤SOC和TN的補(bǔ)償效果較好。對(duì)比試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)可知，隨著秸稈還田年限的進(jìn)一步延長(zhǎng)且達(dá)到十年以上時(shí)土壤SOC，TN，TP含量增加幅度明顯下降，由此可知，土壤中SOC，TN，TP含量在十幾年長(zhǎng)期秸稈投放下可能接近達(dá)到飽和狀態(tài)。

2.4 持續(xù)還田不同年限處理對(duì)土壤AN，AP，AK的影響

土壤速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)不僅是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的三大基本元素，也是影響土壤微生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)平衡的重要因素。它受地形、氣候、施肥、灌溉等眾多因子的影響，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量與肥力的重要因素。由表1可見(jiàn)，0—10 cm土層中AN含量在Y15和Y12間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了0.07%，2.52%，25.15%，Y12較Y9，Y0增加了2.45%，25.07%，Y9較Y0增加了22.07%。AP含量變化中處理間達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了2.30%，12.30%，20.55%，Y12較Y9，Y0增加了9.78%，17.85%，Y9較Y0增加了7.35%。AK含量變化中處理間達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了1.84%，5.53%，18.83%，Y12較Y9，Y0增加了3.63%，16.69%，Y9較Y0增加了12.60%。

10—20 cm土層中AN含量Y15和Y12間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了0.20%，6.64%，27.22%，Y12較Y9，Y0增加了6.43%，26.97%，Y9較Y0增加了19.29%。AP含量處理間達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了2.58%，14.20%，28.94%，Y12較Y9，Y0增加了11.33%，25.70%，Y9較Y0增加了12.90%。AK含量處理間達(dá)到0.05顯著水平，Y15較Y12，Y9，Y0增加了1.84%，6.27%，12.90%，Y12較Y9，Y0增加了4.36%，10.87%，Y9較Y0增加了6.24%。

20—30 cm土層中AN，AP，AK含量變化中Y15較Y12，Y9，Y0增加了2.33%，0.10%，16.00%，14.23%，32.77%，45.13%，1.56%，11.68%，16.27%，AN含量在Y15與Y12間未達(dá)到0.05顯著水平。試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)顯示，在0—20 cm土層中AN，AP，AK含量Y9較Y6，Y3，Y0增加了6.91%，9.69%，20.00%，5.59%，9.26%，10.64%，1.53%，1.82%，4.25%，由此可見(jiàn)，秸稈還田對(duì)耕層土壤速效養(yǎng)分的補(bǔ)償作用明顯，且隨著年限的延長(zhǎng)補(bǔ)償效果越好，隨著深度的下降補(bǔ)償效果降低。與試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)相比，耕層土壤AN，AP，AK含量變化也表現(xiàn)出一定的飽和特性，但沒(méi)有SOC，TN，TP含量表現(xiàn)出的那么明顯。

2.5 持續(xù)還田不同年限處理對(duì)玉米生育期土壤酶活性的影響

土壤酶是不同耕作措施下土壤肥力的敏感性指標(biāo)，其主要來(lái)自作物根系分泌物和土壤微生物增殖，在有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中起著重要作用，其活性反映了土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度。由圖2可知，秸稈還田顯著提高了玉米生育期0—30 cm土層中土壤中4種酶的酶活性強(qiáng)度，并且土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和堿性磷酸酶在4種處理下酶活性變化趨勢(shì)一致，表現(xiàn)出從苗期到拔節(jié)期迅速升高，且在拔節(jié)期達(dá)到最大值，從拔節(jié)期到灌漿期緩慢下降，在收獲期出現(xiàn)略微回升。土壤蔗糖酶活性變化趨勢(shì)不同于其他酶活性，在4種處理下酶活性變化表現(xiàn)出從苗期到灌漿期一直升高，在灌漿期達(dá)到最大值，從灌漿期到收獲期緩慢下降。其中土壤脲酶和堿性磷酸酶活性在灌漿后酶活性迅速減小，主要是因?yàn)楣酀{減少了土層中氧氣含量，進(jìn)而阻礙了土層中化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，此外土壤過(guò)氧化氫酶在灌漿期下降不明顯和土壤蔗糖酶活性在灌漿期達(dá)到最大值，說(shuō)明灌漿對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性的影響較小。土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性變化中Y15，Y12，Y9較Y0平均增加了18.09%，11.80%，9.56%，28.62%，26.11%，22.76%，36.01%，31.40%，20.47%，34.30%，23.79%，15.19%。圖中的顯著性分析結(jié)果顯示，在玉米的各個(gè)生育時(shí)期中，還田處理下的土壤酶活性均顯著高于未還田處理下的土壤酶活性，而土壤酶活性極易在外界環(huán)境的影響下發(fā)生變化，所以在玉米有些生育期內(nèi)并未表現(xiàn)出隨著還田年限的延長(zhǎng)而酶活性增加的趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，秸稈還田能有效提高玉米生育期0—30 cm土層中4種酶活性，且酶活性隨著還田年限的升高表現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)。

圖2 不同還田年限下0-30 cm土層土壤酶活性變化

2.6 玉米植株農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量對(duì)長(zhǎng)期秸稈還田的響應(yīng)

土壤性質(zhì)的優(yōu)良決定了作物生長(zhǎng)狀況的好壞，而耕作措施對(duì)土壤的改良最終反映在作物產(chǎn)量上，長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。由表2可知，玉米株高表現(xiàn)出隨著秸稈還田年限的延長(zhǎng)而增高的趨勢(shì)，Y15處理分別較Y12，Y9，Y0高出0.1，5.4，15.4 cm，Y15與Y12處理間未達(dá)到0.05顯著水平；棒三葉葉面積Y15與Y12處理間未達(dá)到0.05顯著水平，Y15處理分別較Y12，Y9，Y0高出0.01%，0.77%，1.37%；穗位高Y15處理分別較Y12，Y9，Y0上升0.3，2.1，11.9 cm，Y15與Y12處理間未達(dá)到了0.05顯著水平；穗長(zhǎng)隨著年限的延長(zhǎng)變化不明顯，處理間未達(dá)到0.05顯著水平，這是因?yàn)樗腴L(zhǎng)主要受遺傳因素控制；但是，百粒重和畝產(chǎn)處理間未達(dá)到顯著水平，其中百粒重Y15處理分別較Y12，Y9，Y0增加0.78%，4.03%，16.22%，籽粒產(chǎn)量Y15處理分別較Y12，Y9，Y0提高0%，1.33%，7.04%。由此可見(jiàn)，秸稈還田能顯著提高玉米籽粒的質(zhì)量，提高玉米產(chǎn)量。但隨著還田年限的延長(zhǎng)玉米籽粒產(chǎn)量和百粒重的增幅明顯減小，這與秸稈還田年限延長(zhǎng)后土壤養(yǎng)分增幅減小和該品種的遺傳因素有關(guān)。

表2 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響

注：同列相同字母表示差異不顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論和討論

土壤容重和孔隙度影響著土壤中水、肥、氣和微生物等的遷移，影響著植株根系的延展，進(jìn)而影響植株對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和根系的呼吸狀態(tài)。相關(guān)研究表明[22]，運(yùn)用合理的保護(hù)性耕作措施能有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，且秸稈覆蓋還田對(duì)土壤的改良效果隨著深度的下降而減小。本研究顯示，0—50 cm土層中土壤容重表現(xiàn)出隨著還田年限的延長(zhǎng)較對(duì)照緩慢降低的趨勢(shì)，土壤孔隙度顯現(xiàn)出較對(duì)照逐漸增大的趨勢(shì)，這與李瑋等[23]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)榻斩捲谖⑸锖兔傅墓餐饔孟鲁掷m(xù)向土壤中提供大量有機(jī)物質(zhì)，且這種秸稈分解有機(jī)物的密度小于土壤密度，因此分解物與土壤顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定疏松的團(tuán)類結(jié)構(gòu)，從而改善了土壤緊實(shí)程度，進(jìn)而降低了土壤容重，增大了土壤孔隙度。與此同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)土壤容重的降低和孔隙度的增大并不是隨著秸稈還田年限延長(zhǎng)呈現(xiàn)無(wú)限下降和增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而是表現(xiàn)出隨著還田年限延長(zhǎng)達(dá)到一定飽和性和平衡性的特點(diǎn)，如本試驗(yàn)區(qū)還田10 a以上耕層土壤容重變化幅度顯著降低。這可能是因?yàn)槊磕杲斩挃z入量和土壤有機(jī)物質(zhì)消耗量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。土壤酸堿度會(huì)導(dǎo)致土壤一系列化學(xué)反應(yīng)發(fā)生變化，如降低土壤養(yǎng)分的有效性或產(chǎn)生有害物質(zhì)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)。本研究中土壤pH值變化范圍在8.3～8.88，且隨著年限增加呈緩慢下降趨勢(shì)，這與朱強(qiáng)根等[24]試驗(yàn)趨勢(shì)一致。與試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，隨著年限的持續(xù)延長(zhǎng)，土壤pH值并未繼續(xù)大幅度下降，而是表現(xiàn)出一定的平衡性。這可能是因?yàn)椋囼?yàn)區(qū)在長(zhǎng)期秸稈還田和外界環(huán)境的循環(huán)作用下使土壤pH值達(dá)到一定的平衡。

本研究顯示，隨著還田年限持續(xù)延長(zhǎng)土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷含量相比于對(duì)照顯著增加，且隨著土層深入土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量逐漸下降；土壤速效養(yǎng)分也表現(xiàn)出隨著還田年限的延長(zhǎng)速效養(yǎng)分含量相對(duì)于對(duì)照顯著增加，隨著土層深度下降速效養(yǎng)分含量逐漸減小，這與張婧等[25]研究結(jié)果一致。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)耕作在每年作物生育期消耗了大量土壤養(yǎng)分，土壤中微生物活動(dòng)消耗了大量有機(jī)碳，作物收獲后沒(méi)有彌補(bǔ)這種消耗，而秸稈在土壤中分解后正好彌補(bǔ)了養(yǎng)分和有機(jī)碳的消耗。與試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著還田年限的持續(xù)延長(zhǎng)土壤中有機(jī)碳、全氮、全磷含量增加幅度下降，但是土壤速效養(yǎng)分的增加幅度下降趨勢(shì)不明顯。這可能是因?yàn)?，首先由于植物較易吸收土壤中的速效養(yǎng)分，導(dǎo)致土壤中不易吸收的養(yǎng)分被逐漸積累下來(lái)，達(dá)到了該區(qū)土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量的庫(kù)容；其次土壤中速效養(yǎng)分處于作物吸收與秸稈分解釋放的動(dòng)態(tài)平衡中，因此土壤速效養(yǎng)分的積累比較緩慢。

土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶隨著玉米生育期的變化表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，四種還田年限下酶活性變化趨勢(shì)基本一致，且隨著還田年限的延長(zhǎng)酶活性逐漸升高，這與楊招弟等[26]研究結(jié)果一致。土壤酶活性在前期逐漸升高，這是因?yàn)?，一方面春季地溫隨著氣溫的回升逐漸升高，溫度增加了土壤酶與底物的親和力，從而增加了酶的活性；另一方面作物的快速生長(zhǎng)使根系活力和分泌物增加，進(jìn)而刺激加強(qiáng)了微生物活力和酶活性強(qiáng)度。土壤脲酶和堿性磷酸酶在拔節(jié)期達(dá)到峰值后逐漸降低，這可能是玉米快速生長(zhǎng)時(shí)對(duì)氮和磷的需求量較大，反饋調(diào)節(jié)使得脲酶和堿性磷酸酶活性升高，之后需求量減小進(jìn)而使酶活性下降。土壤過(guò)氧化氫酶是土壤微生物和作物根系分泌的保護(hù)作物免受氧化氫毒害的酶，其酶活性隨著作物生長(zhǎng)和根系微生物的變化而變化，所以過(guò)氧化氫酶活性在拔節(jié)期后緩慢下降。土壤蔗糖酶在灌漿期達(dá)到峰值后逐漸下降，這可能是因?yàn)橛衩鬃蚜＞徛墒爝^(guò)程中根系和根系微生物需要更多的能量物質(zhì)才能把營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)送到籽粒中，所以蔗糖酶在灌漿期出現(xiàn)峰值。總體而言，秸稈還田增加土壤酶的反應(yīng)底物，減少外力了對(duì)土壤的擾動(dòng)，隨著還田年限的延長(zhǎng)土壤中的秸稈殘?jiān)苍絹?lái)越多，因此在外界溫濕度一樣的情況下使得土壤酶活性隨著還田年限的延長(zhǎng)而升高。

土壤中的酶、養(yǎng)分、微生物及其各種動(dòng)物都是植物生長(zhǎng)發(fā)育中不可或缺的因素，各個(gè)因素在玉米生長(zhǎng)發(fā)育成熟階段起到非常重要的作用，在其協(xié)同作用下玉米才會(huì)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。本試驗(yàn)中，秸稈還田顯著增加了玉米株高、穗位高、但棒三葉葉面積、穗長(zhǎng)、百粒重和籽粒產(chǎn)量，這與袁玲等[27]研究結(jié)果相似。但棒三葉葉面積和穗長(zhǎng)隨著還田年限的延長(zhǎng)增加不明顯，這可能是因?yàn)檫@兩個(gè)性狀受遺傳因素的影響較大，受環(huán)境因素的影響較小。而百粒重和籽粒產(chǎn)量在還田年限10 a以上時(shí)其再增產(chǎn)效果不明顯，這可能是因?yàn)?，長(zhǎng)期秸稈還田使土壤養(yǎng)分含量不再大幅度上升，從而導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量在還田6 a和9 a基礎(chǔ)上的再增產(chǎn)效果不明顯。

綜上所述，秸稈還田有效增加了土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量，改善了土壤的物理性狀，提高了耕層土壤的酶活性。但在還田年限的持續(xù)延長(zhǎng)下，秸稈還田對(duì)土壤的改良效果不再繼續(xù)上升，表現(xiàn)出有機(jī)碳、養(yǎng)分、籽粒產(chǎn)量等性質(zhì)不再大幅度增加。因此，在秸稈還田達(dá)到十年或以上時(shí)可適當(dāng)減少秸稈的還田量，從而更高效地利用玉米秸稈和持續(xù)提高改善土壤性能。

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