寒區(qū)長期秸稈全量還田對水稻土理化特性的影響

董桂軍，陳興良，于洪嬌，洪秀杰，袁 媛，申貴男，晏 磊，王彥杰，王偉東

(1.黑龍江省農(nóng)墾總局 植保植檢站，黑龍江 哈爾濱150000； 2.黑龍江省寒區(qū)環(huán)境微生物與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 生命學(xué)院，黑龍江 大慶 163319； 3.黑龍江省八五〇農(nóng)場科研站，黑龍江 虎林158422；4.大慶市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 大慶 163411 )

0 引 言

建國以來東北地區(qū)水稻發(fā)展迅速，尤其是改革開放以來的40年(1980-2018)水稻種植面積由8.4873×105hm2[1]增加至5.2624×106hm2[2]，水稻面積增加6倍，產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著提高。種植面積逐漸提高的同時，水稻秸稈量也顯著增加。秸稈焚燒處理不僅浪費(fèi)資源，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

在美國采用免耕或少耕的方法之后，秸稈還田受到各國的重視，并成為提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，提高作物產(chǎn)量及資源化利用秸稈[3-4]及減少化肥施用的一項(xiàng)主要農(nóng)業(yè)措施[5]。農(nóng)業(yè)發(fā)展水平較高的國家70%以上的秸稈做了還田處理，我國的還田水平還比較低，平均達(dá)到21.3%，并且目前大部分秸稈還田主要在亞熱帶地區(qū)進(jìn)行，這主要與該地區(qū)的光熱水資源豐富有關(guān)；東北地區(qū)僅有17.6%的還田水平，其中水田秸稈作還田處理不足5%[6]。秸稈還田的重點(diǎn)與難點(diǎn)均在東北地區(qū)。東北地區(qū)秋季收獲期集中，冬季封凍時間長，土壤溫度較低，氣候干燥，直接還田秸稈分解速度緩慢，操作不當(dāng)會影響春季土壤的墑情、播種、插秧質(zhì)量及秋季作物的產(chǎn)量。盡管秸稈還田是提升土壤質(zhì)量及資源化利用的好措施，但目前多數(shù)研究成果是短期結(jié)果，有必要從其對土壤理化性狀及產(chǎn)量的影響進(jìn)行長期定位的研究。為此，本研究利用黑龍江省墾區(qū)現(xiàn)代化機(jī)械作業(yè)程度高，地塊面積大的優(yōu)勢，開展連續(xù)7年的秸稈機(jī)械粉碎全量還田的定位試驗(yàn)，研究寒區(qū)長期秸稈還田對水稻土生產(chǎn)力的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與土壤理化性狀

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省八五〇農(nóng)場，試驗(yàn)地塊分別為該農(nóng)場的科研站(132°90′05″E，45°53′17″N)、第五管理區(qū)20隊(duì)(132°87′72″E，45°22′60″N)、第七管理區(qū)18隊(duì)(132°60′11″E，45°72′25″N)、第六管理區(qū)16隊(duì)(132°99′11″E，45°73′17″N)及第八管理區(qū)24隊(duì)(132°65′47″E，45°75′26″N)。試驗(yàn)時間為2011至 2017 年。

2010年10月16日，取樣測定各供試地塊土壤的基礎(chǔ)理化性狀(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)2個處理：(1)CK(秸稈不還田)，氮肥(基肥∶蘗肥∶穗肥為3∶5∶2)；(2)秸稈還田秸稈機(jī)械粉碎全量還田+秸稈腐熟劑，氮肥適量前移，氮肥(基肥∶蘗肥∶穗肥為4∶5∶1)；使用秸稈腐熟劑15 kg·hm-2，在春整地時將腐熟劑用泥土(或肥料)拌勻后立即撒施到鋪好秸稈的田內(nèi)。供試地塊根據(jù)測土配方施肥，對照與處理的施肥量與肥料種類均一致。試驗(yàn)所用氮肥為尿素(N含量46%)，施用量225 kg·hm-2，磷肥為磷酸二銨(N含量18%，P2O5含量46%)，施用量112.5 kg·hm-2，鉀肥為氯化鉀(K2O含量60%)，施用量120 kg·hm-2。試驗(yàn)時間為2010年至2017年，每年均設(shè)置以上兩個試驗(yàn)處理。具體施肥如下：

CK施肥，基肥：尿素67.5 kg·hm-2、磷酸二銨112.5 kg·hm-2和氯化鉀75 kg·hm-2；分蘗肥：尿素112.5 kg·hm-2；穗肥：尿素45 kg·hm-2和氯化鉀45 kg·hm-2。

秸稈還田施肥，基肥：尿素90 kg·hm-2、磷酸二銨112.5 kg·hm-2和氯化鉀75 kg·hm-2；分蘗肥：尿素112.5 kg·hm-2；穗肥：尿素22.5 kg·hm-2和氯化鉀45 kg·hm-2。

定位試驗(yàn)，每個試驗(yàn)地設(shè)置小區(qū)面積不小于100 m2，每組試驗(yàn)3次重復(fù)，每個小區(qū)均單排單灌。

秸稈腐熟菌劑主要由能分解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的枯草芽孢桿菌、釀酒酵母和綠色木霉組成，有效活菌數(shù)0.5億·g-1。供試水稻品種為龍粳31。

表1 土壤的基本性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties in experimental sites

1.3 測定方法

每年水稻收獲后進(jìn)行土壤樣品的采集。環(huán)刀法測定土壤容重，樣品有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法，氮、磷、鉀含量、pH及土壤陽離子交換量測定均參照鮑士旦[7]的方法。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行處理，利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田處理對水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響

圖1a為供試年份內(nèi)秸稈還田后水稻的產(chǎn)量情況，結(jié)果表明：秸稈還田處理每年產(chǎn)量都均高于對照，年度產(chǎn)量提高幅度在427～524 kg·hm-2之間。與對照相比，試驗(yàn)期內(nèi)秸稈還田的水稻平均產(chǎn)量顯著提高了 460 kg·hm-2。

圖1 秸稈還田處理對水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響Fig.1 Effect of straw returning on rice yield,soil organic matter and total nitrogen

由圖1b可見，秸稈還田處理后有機(jī)質(zhì)含量呈遞增趨勢，與實(shí)施初期相比，2017年水稻土有機(jī)質(zhì)增加了2.0%；與2017年不還田處理相比，2017年度有機(jī)質(zhì)提高了2.0%；長期進(jìn)行秸稈還田可以提升土壤有機(jī)質(zhì)的含量，但增幅不顯著。

土壤全氮含量是衡量土壤氮素基礎(chǔ)肥力的指標(biāo)，其含量表明土壤潛在的供氮水平。連續(xù)測定7年的秸稈還田后土壤的全氮含量見圖1c，由圖1c可見，秸稈還田后全氮含量呈增加的趨勢；與還田初期相比，還田至7年后全氮含量增加了2.2%；與對照比，還田7年后全氮含量增加了2.3%；全氮含量雖然均有增加趨勢，但差異不顯著。

2.2 秸稈還田處理對土壤容重的影響

土壤容重大小是土壤孔隙優(yōu)劣及衡量土壤松緊狀況的重要指標(biāo)之一。土壤容重與土壤肥力成反比，一般結(jié)構(gòu)好、有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，容重為1.1～1.4 g·cm-3。容重過低的土壤影響作物根系的生長，養(yǎng)分也易流失；容重過高，透水通氣差，不利于微生物的活動及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與吸收。適宜的土壤容重可促進(jìn)作物生長，提高產(chǎn)量以及改善品質(zhì)，已有研究表明，秸稈還田處理可降低土壤容重，改善土壤理化性狀[3-4]。由圖2可見，處理與對照的土壤容重在供試年限內(nèi)均在適宜的范圍內(nèi)；隨著秸稈還田年限的增加，土壤容重呈降低趨勢；與對照相比，還田處理容重始終低于對照；供試試驗(yàn)期末，土壤容重顯著降低了0.07 g·cm-3。

2.3 秸稈還田處理對土壤有效磷含量的影響

土壤有效磷含量是土壤供應(yīng)磷素水平的指標(biāo)，含量的高低反映土壤中磷素的貯量和供應(yīng)能力。有效磷含量顯著高于試驗(yàn)初期，提高了11.2%；與對照相比，2017年秸稈還田后有效磷含量顯著提高，提高了10.4%。表明水稻秸稈連續(xù)還田后，可以提高土壤磷素的供應(yīng)能力(圖3)。

圖2 秸稈還田處理后土壤容重的變化Fig.2 Effect of straw returning on soil bulk densities

圖3 秸稈還田處理后土壤有效磷含量的變化Fig.3 Effect of straw returning on soil available phosphorus

2.4 秸稈還田處理對土壤緩效鉀及速效鉀含量的影響

土壤緩效鉀是土壤速效鉀的補(bǔ)給源，是土壤鉀潛力的主要表征指標(biāo)；土壤速效鉀是指易被作物吸收利用的鉀，其含量高低是判斷土壤鉀素豐缺的重要指標(biāo)。由圖4可見，與還田初期基礎(chǔ)值相比，緩效鉀和速效鉀含量分別顯著提高了14.3%和42.3%。與對照相比，連續(xù)還田最后一年的緩效鉀和速效鉀含量分別顯著提高了14.1%和45.0%。表明秸稈還田能夠顯著提高緩效鉀和速效鉀含量。

2.5 秸稈還田處理對土壤pH和CEC的影響

隨著還田年限的增加，pH值呈降低的趨勢，降低了0.23%；與不還田比較，還田最后一年的pH值降低了0.21%，差異均不顯著(圖5)。CEC反映了土壤的緩沖能力，是土壤保肥能力和指導(dǎo)土壤改良的重要指標(biāo)[8]，CEC值越大，土壤的肥料流失量越少，保肥性能越好[9]。隨著還田年限的增加，CEC值逐漸增加，還田結(jié)束后與還田初始值相比，CEC值顯著提高了7.0%(P<0.05，圖5)。與不還田相比，連續(xù)還田最后一年，CEC值顯著提高了6.3%(P<0.05，圖5)。表明水稻秸稈連續(xù)還田增加了土壤陽離子交換量，改良了土壤。

圖4 秸稈還田處理后土壤緩效鉀及速效鉀含量的變化Fig.4 Effect of straw returning on soil slowly-available and readily available potassium

圖5 秸稈還田處理土壤pH和CEC變化Fig.5 Effect of straw returning on soil pH and CEC

3 討論和結(jié)論

農(nóng)作物秸稈還田已經(jīng)成為促進(jìn)耕地質(zhì)量提升的重要農(nóng)業(yè)措施。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與不還田相比，秸稈還田顯著提高了水稻產(chǎn)量。與不還田處理及實(shí)施初期相比，土壤容重顯著降低，土壤有效磷、緩效鉀、速效鉀含量和CEC值均顯著增加，但土壤有機(jī)質(zhì)增加不顯著。

土壤有機(jī)質(zhì)累積量與進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)量及其腐殖化系數(shù)直接相關(guān)，水稻秸稈中富含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等含碳物質(zhì)，是形成土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源。有研究認(rèn)為，秸稈還田會促進(jìn)秸稈周圍微生物的繁殖，秸稈中有機(jī)態(tài)養(yǎng)分會被微生物分解釋放，土壤有機(jī)質(zhì)含量從而得到提高[10-11]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐年增加的趨勢，但均未達(dá)到顯著水平。與目前較多的研究報(bào)道秸稈還田可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[3-4,12]結(jié)果不一致，這可能與秸稈還田后有機(jī)質(zhì)的礦化分解程度有關(guān)。

水稻植株在生長過程中吸收的養(yǎng)分，在成熟期有40%的氮在稻稈當(dāng)中。曾木祥等[13]統(tǒng)計(jì)了全國60多個試驗(yàn)結(jié)果，秸稈還田后能提高土壤中氮素0.001%～0.1%，平均提高量為0.0014%，即秸稈還田能夠補(bǔ)充土壤氮庫。但由于水稻秸稈的碳氮比較大，還田腐解過程中存在微生物與作物爭氮現(xiàn)象，影響苗期作物的生長，進(jìn)而影響后期產(chǎn)量[14]。因此，水稻秸稈還田過程中需要調(diào)節(jié)配施氮肥，降低碳氮比，從而解決水稻秸稈還田過程中微生物爭氮問題[15]。本研究在氮肥總量不變的情況下，將氮肥施用時期前移，協(xié)調(diào)秸稈分解與作物生長對氮的需求。研究結(jié)果表明，隨著秸稈還田年限的增加，土壤有效磷、緩效鉀及速效鉀均呈顯著增加的趨勢，但全氮含量沒有提高。這可能與土壤中氮的投入量與農(nóng)作物成熟收獲后的氮移走量達(dá)到平衡狀態(tài)有關(guān)[16]。

秸稈還田對土壤磷元素的影響研究結(jié)果差異較大。張振江[17]研究表明，小麥秸稈還田10年土壤有效磷的含量顯著增加；也有學(xué)者研究秸稈還田后土壤有效磷僅有增加的趨勢或無明顯變化[18]。結(jié)果表現(xiàn)不一致的原因可能與秸稈還田的數(shù)量、土壤性質(zhì)、氣候條件、作物種類和施肥方式等不同有關(guān)[19]。作物生長過程中吸收的鉀元素80%殘留在作物秸稈中[20]，而95%的鉀離子可在還田2 d內(nèi)釋放到土壤中[21]，較多的研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤中鉀元素的含量。本試驗(yàn)中秸稈還田后緩效鉀及速效鉀含量均顯著提高，表明水稻秸稈還田顯著增加了鉀的輸入量，且高于輸出量，秸稈還田后可以減少無機(jī)鉀的施用以降低種植成本。

已有研究表明，氮肥的長期施用及有機(jī)氧分的長期大量投入會降低土壤pH 值，導(dǎo)致土壤酸化[22]。但本研究結(jié)果表明，長期秸稈還田并沒有顯著降低土壤的pH值，這與該研究結(jié)果全氮的含量沒有顯著增加有一定的相關(guān)性，表明氮肥施入量不足引起了土壤的酸化。有研究認(rèn)為秸稈還田后可提高土壤的pH[23]，但也有研究表明秸稈還田對土壤pH值影響不大[24]。

水稻秸稈還田后顯著提高了土壤CEC，減少了土壤養(yǎng)分的淋失和固定，改善了土壤養(yǎng)分狀況，因此顯著提高了水稻產(chǎn)量。由此認(rèn)為，黑龍江省墾區(qū)采用機(jī)械粉碎全量還田的技術(shù)模式可以改善土壤的理化性狀，提高水稻的產(chǎn)量，適合墾區(qū)生產(chǎn)實(shí)際情況，但在寒區(qū)的秸稈還田量及配套的耕作栽培措施還需進(jìn)一步的研究。