連續(xù)免耕與秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量的影響

李 華， 劉世平， 陳 暢， 王 靜

(揚州大學農(nóng)學院，江蘇揚州 225009)

保護性耕作作為世界上應(yīng)用范圍最廣、效果最好的一項農(nóng)業(yè)技術(shù)，越來越受到世界各國的關(guān)注[1-2]。我國保護性耕作的研究開始于20世紀60年代，關(guān)于免耕與秸稈還田技術(shù)的研究取得了巨大發(fā)展，研究表明保護性耕作在我國可行[3]。農(nóng)作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素，是一種重要的可再生資源，免耕與秸稈還田具有改變土壤容重，增加土壤通氣、田間持水量和水穩(wěn)性團粒結(jié)構(gòu)的功能，從而改善土壤物理性狀，提高土壤保肥、保水能力。稻稈在覆蓋還田后通過雨水和土壤微生物的共同作用進入土壤，能夠促進土壤有機質(zhì)的形成，增加土壤中氮、磷，尤其是可溶性鉀的含量。作物秸稈本身含有各種營養(yǎng)元素，是土壤養(yǎng)分的主要補給源。保護性耕作能夠減輕小麥凍害，降低死苗率，保證小麥安全越冬，促進小麥的根系發(fā)育，秸稈還田可以增加酶的數(shù)量，提高酶的活性，可以使土壤中脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶等酶的活性均高于不還田處理，還田后土壤中轉(zhuǎn)化酶活性明顯提高，是促進土壤中氮素養(yǎng)分增加的有效途徑之一[4-6]。少免耕配合秸稈還田有利于籽粒的充實，從而能提高作物產(chǎn)量[7-8]。保護性耕作適宜大面積推廣，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)增產(chǎn)增效，也是解決生態(tài)環(huán)境問題，促進旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的措施之一。江蘇省位于我國東部沿海，雖然水資源豐富，風蝕現(xiàn)象發(fā)生概率小，但由于傳統(tǒng)翻耕模式、化學肥料和粗放型植保機械施藥技術(shù)的長期使用，部分地區(qū)土壤板結(jié)嚴重，滲透性差，水、肥不能有效利用，土壤肥力下降。保護性耕作技術(shù)的推廣能夠明顯減少風對土壤的侵蝕，提高土壤蓄水保墑能力，可以培肥土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，達到節(jié)本增效、增產(chǎn)增收，解決了長期傳統(tǒng)性耕作帶來的土壤貧瘠、水土流失嚴重等問題，同時避免秸稈焚燒，改善了生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。目前，國內(nèi)外大量研究結(jié)果證明，秸稈還田對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是有利的[10-13]，但對不同耕法與秸稈還田所引起的生態(tài)效應(yīng)，尚缺乏系統(tǒng)定位研究。因此，本研究選擇稻麥兩熟地區(qū)進行連續(xù)定位試驗，意在探討免耕與秸稈還田相配套的耕作技術(shù)體系對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、生產(chǎn)力的影響，豐富耕作和生態(tài)學的理論，為稻麥免耕高產(chǎn)栽培和秸稈科學還田提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗在揚州大學遺傳生理重點實驗室試驗田和網(wǎng)室內(nèi)進行，設(shè)置大田小區(qū)試驗和網(wǎng)室微區(qū)試驗，于2014年和2015年以揚麥3號和南粳9108為試驗材料進行定位試驗，對2014年和2015年不同處理土壤的理化性質(zhì)進行測定分析。

1.2 試驗材料

供試土壤為沙壤土，大田土壤的有機質(zhì)含量為 14.66 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量依次為87.9、30.8、75.5 mg/kg。網(wǎng)室土壤的有機質(zhì)含量為15.7 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量依次為93.2、49.3、87.6 mg/kg。

1.3 試驗設(shè)計

大田試驗設(shè)置8個處理，每處理25 m2，隨機排列，重復3次。8個處理為免耕秸稈覆蓋還田(NTS)：連免覆，稻季覆蓋麥秸，麥茬高25～30 cm，麥季覆蓋稻秸，稻茬高20～25 cm，秸稈還田量為每季4 500 kg/hm2；耕高茬還田(NTH)：免高茬，留茬高度同NTS，秸稈還田量為每季3 000 kg/hm2；麥免稻耕(RNT)：輪耕1，秸稈還田量為麥季3 000 kg/hm2；麥耕稻免(RCT)：輪耕2，秸稈還田量為稻季3 000 kg/hm2；翻耕秸稈全量還田(CTS1)：耕全還，秸稈稻季翻埋麥季覆蓋，秸稈還田量為每季4 500 kg/hm2；翻耕秸稈半量還田(CTS2)：耕半還，秸稈還田量為每季3 000 kg/hm2；稻麥秸稈焚燒(CTB)：耕燒還，秸稈焚燒量為每季3 000 kg/hm2；翻耕無秸稈還田(CT)：耕無。

網(wǎng)室設(shè)置4個處理，分別為連續(xù)免耕秸稈覆蓋還田(網(wǎng)免覆，NTS)、免耕高茬還田(網(wǎng)免高，NTH)、翻耕秸稈還田(網(wǎng)耕還，CTS)和翻耕無秸稈還田(網(wǎng)耕無，CT)。每處理2 m2，隨機排列，重復3次。

1.4 測定項目與方法

在水稻(10月中下旬)、小麥(6月上旬)收獲后，分3層取土壤樣品備用，分別為0～7 cm、7～14 cm、14～21 cm。用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質(zhì)的含量；用硫酸-混合催化劑聯(lián)合消煮開氏蒸餾法測定土壤全氮的含量；用堿解擴散法測定土壤堿解氮的含量；用NaHCO3法測定土壤速效磷的含量；用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)免耕與秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 對土壤有機質(zhì)的影響 對不同處理水稻收獲后和小麥收獲后土壤有機質(zhì)含量進行測定，結(jié)果(表1)表明，大田試驗中，7個處理表層土壤有機質(zhì)含量以及平均有機質(zhì)含量均大于CT處理，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加13.69%～31.97%。從上下層變化趨勢來看，免耕處理分層差距比翻耕處理明顯，在相同耕作方式中，NTS處理、NTH處理表層有機質(zhì)含量較高，平均有機質(zhì)含量NTS處理略高，差異不明顯，對下層有機質(zhì)含量影響不大；CTS1、CTS2處理的各層有機質(zhì)含量均高于CT，CTS2處理平均有機質(zhì)含量高于CTS1，但差異不明顯。網(wǎng)室處理中，NTS、NTH、CTS處理的有機質(zhì)含量均高于CT處理，其中NTS處理上層有機質(zhì)含量最高，與CT處理有顯著差異。

表1 免耕與秸稈還田對土壤有機質(zhì)含量的影響

注：同欄同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.1.2 對土壤全氮的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對不同處理土壤全氮含量進行測定，結(jié)果(表2)表明，大田試驗土壤全氮的變化趨勢與有機質(zhì)趨勢基本相似，7個處理表層土壤的全氮含量均高于CT處理，耕層平均全氮含量也比CT處理高。與CT處理相比，稻麥兩季收后土壤全氮含量平均增加2.08%～17.71%?？梢哉f明，無論大田還是網(wǎng)室，連續(xù)免耕處理土壤表層全氮含量均較高，而下層全氮含量較低，輪免、輪耕和翻耕處理全氮分布較均勻。各個處理全氮含量均高于CT處理，且在稻后和麥后均沒有明顯差異。

2.2 對土壤供肥特性的影響

2.2.1 對土壤堿解氮的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對不同處理土壤堿解氮含量進行測定，結(jié)果(表3)表明，在大田試驗中，7個處理的土壤堿解氮含量都高于CT處理，且各處理土壤堿解氮表層含量處于較高水平，與CT相比，稻麥兩季收后平均增加9.46%～19.71%。連續(xù)免耕處理(NTS、NTH處理)上層堿解氮含量高于其他處理，并且不同層次差異明顯。由于免耕處理表層土壤保持原狀，NTS處理、NTH處理水稻收獲后上層(0～7cm) 堿解氮含量約是CT 處理的1.6倍。小麥收獲后NTS處理上層(0～7 cm)比CT處理提高30.69%。而中層(7～14 cm)、下層(14～21 cm)土壤堿解氮含量與CT處理處理相近或者偏低。翻耕秸稈還田處理的土壤各層堿解氮含量都明顯高于CT處理。網(wǎng)室試驗中，免耕處理土壤堿解氮含量高于CT處理，免耕處理上層(0～7 cm)土壤堿解氮含量在水稻收后和小麥收后均高于翻耕處理，稻收后各處理的堿解氮含量也均低于小麥收后，與大田一致。

表2 免耕與秸稈還田對土壤全氮含量的影響

表3 免耕與秸稈還田對土壤堿解氮含量的影響

2.2.2 對土壤速效磷的影響 在水稻收后和小麥收后對土壤速效磷含量進行測定，結(jié)果(表4)表明，在大田試驗中，連續(xù)免耕處理的土壤表層速效磷含量與其他處理接近甚至更低，沒有出現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象，各土層之間也無明顯差異，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加-4.86%～9.38%。水稻收后7個處理速效磷含量均高于CT處理，但之間的差異不明顯，小麥收后NTS、NTH、RCT和CTS2處理速效磷含量甚至低于CT處理，其他處理也只是略高于CT處理。網(wǎng)室試驗中無論是水稻收后還是小麥收后，各個處理之間速效磷含量無明顯差異。

表4 免耕與秸稈還田對土壤速效磷含量的影響

2.2.3 對土壤速效鉀的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對土壤速效鉀含量進行測定。由表5可以看出，在大田試驗中，7個處理(除CTB外)的土壤表層速效鉀含量處于較高水平，有明顯的富集現(xiàn)象，各層次之間差異明顯，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加4.42%～10.31%。其中NTS處理的土壤表層速效鉀富集表現(xiàn)最為明顯，CTS1處理的土壤全層速效鉀含量高于CTS2處理，說明免耕與秸稈還田均有利提高土壤速效鉀含量，免耕有利于提高表層速效鉀含量，而翻耕處理有利于提高土壤全層速效鉀含量，而且秸稈還田量越多，速效鉀含量越高。網(wǎng)室與大田基本一致，與CT處理相比，秸稈還田對土壤速效鉀含量的影響更為明顯。

表5 免耕與秸稈還田對土壤速效鉀含量的影響

2.2.4 連續(xù)免耕與秸稈還田對耕層土壤有機質(zhì)含量的影響 將2006—2015年連續(xù)10年麥后的耕層土壤有機質(zhì)含量進行分析，結(jié)果(表6)表明，在大田7個處理中，免耕與秸稈還田處理10年有機質(zhì)平均含量均高于CT處理，平均增加6.45%～22.01%，以CTS1和CTS2處理為高。免耕處理中，NTS和NTH處理10年連續(xù)免耕有機質(zhì)含量均較高，且兩者含量差別不大。連續(xù)秸稈還田處理(CTS1、CTS2)有機質(zhì)含量處于最高水平，CTS1為全量秸稈還田處理，CTS2為半量秸稈還田處理，其中CTS1處理的有機質(zhì)含量最高。CTB和CT處理為連續(xù)翻耕無秸稈直接還田處理，CTB處理有機質(zhì)含量略高于CT處理。綜合來看，翻耕秸稈還田處理對土壤耕層有機質(zhì)含量增加效果最好，免耕次之。網(wǎng)室連續(xù)10年不同處理中，翻耕秸稈還田處理CTS有機質(zhì)平均含量最高，免耕處理NTS和NTH次之，比CT處理平均增加0.40%～8.35%，表明翻耕秸稈還田與免耕處理對土壤耕層有機質(zhì)含量均有提高作用，又以翻耕秸稈還田提高有機質(zhì)含量效果最好。

表6 不同處理對土壤耕層有機質(zhì)含量的影響(麥后)

2.2.5 連續(xù)免耕與秸稈還田對耕層土壤全氮含量的影響 對2006—2015年連續(xù)10年不同處理麥后耕層土壤全氮含量進行比較，結(jié)果如表7所示，大田處理中，免耕處理與秸稈還田處理的耕層全氮平均含量均高于CT處理，平均增加5.49%～21.98%。NTS和NTH處理全氮含量在10年中無顯著差異。RNT和RCT為輪耕處理，RNT處理的10年平均全氮含量略高于RCT處理，RCT處理只有2011年、2014年和2015年高于RNT處理，這可能與氣候、小麥生長等其他因素有關(guān)。連續(xù)翻耕秸稈還田處理CTS1和CTS2耕層全氮含量隨著時間推進有增加的趨勢，且兩者均高于其他處理，說明連續(xù)翻耕秸稈還田處理對土壤耕層全氮含量有明顯的提高作用，而CTS2處理耕層平均全氮含量略高于CTS1，說明秸稈還田量的多少對土壤耕層全氮含量也有一定的影響，并不是越多越好。相對大田處理，網(wǎng)室處理中，10年間NTS、NTH、CTS處理基本上均高于CT處理，平均增加7.07%～11.11%，翻耕秸稈還田處理CTS最高，免耕NTS、NTH處理次之。所以，免耕與秸稈還田可以增加土壤耕層全氮含量，尤其以翻耕秸稈還田效果最好。

表7 不同處理對土壤耕層全氮含量的影響(麥后)

3 結(jié)論與討論

3.1 不同耕作與秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量的影響

連續(xù)免耕與直接還田對土壤的營養(yǎng)元素有一定的改善作用。2014—2015年連續(xù)免耕處理NTS和NTH、輪耕處理RNT和RCT、秸稈翻耕直接還田處理CTS1和CTS2的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀含量與CT處理相比均有所增加。稻麥兩季收獲后的有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀含量分別增加13.69%～31.97%、2.08%～17.71%、9.46%～19.71%、4.42%～10.31%，對速效磷的增加效果不明顯，焚燒秸稈還田處理CTB比CT也略有增加，但增加幅度沒有翻耕秸稈直接還田處理大。RNT、RCT處理與CT處理相比，稻后、麥后的土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀含量均有一定程度的增加，表明一季秸稈直接還田對土壤有一定的培肥作用，但是兩季秸稈直接還田的效果更為明顯，而在一定范圍內(nèi)，土壤有機質(zhì)和速效鉀的含量與秸稈還田量的多少呈正比關(guān)系，翻耕秸稈還田處理的土壤全氮和堿解氮含量高于免耕處理。說明免耕、輪耕與秸稈還田有利于改善土壤的營養(yǎng)元素，免耕與秸稈還田有利于提高土壤有機質(zhì)和速效鉀含量，而翻耕秸稈還田能夠增加土壤有效氮，可以適當減少肥料的施用量。在大田免耕與秸稈還田處理10年有機質(zhì)和全氮平均含量均高于CT處理，平均增加分別為6.45%～22.01%和5.49%～21.98%，其中CTS1和CTS2處理有機質(zhì)和全氮平均含量較高。

3.2 關(guān)于不同耕作方法對土壤肥力的影響

土壤肥力是協(xié)調(diào)植物營養(yǎng)生長和環(huán)境條件的重要因素之一，不同的耕作方式對土壤肥力的影響不同。通過合理的耕作方式可以改善土壤過松、龜裂、板結(jié)等問題。常規(guī)的土壤耕作雖然短時間內(nèi)可以提高作物產(chǎn)量，但隨著時間的積累，常規(guī)土壤耕作成本增加，土壤結(jié)構(gòu)破壞，水土流失加劇，土壤肥力下降，最終會導致過于依賴化肥而造成土壤板結(jié)。免耕可以減少土壤耕作次數(shù)，保持土壤原有結(jié)構(gòu)。作物秸稈含有大量的有機質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，秸稈還田可有效補給土壤肥力，參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，增加土壤中養(yǎng)分儲量，秸稈還田是循環(huán)利用這部分營養(yǎng)元素簡便有效的方法。適量秸稈還田可以改善土壤供肥特性，適當減少化肥的使用。