耕作方式與秸稈還田對潮土養(yǎng)分剖面分布的影響

伍震威 阮仁杰 黃界潁 單平 周林 王慧 于正國 李宗壕 嚴景

摘要 為明確淮北平原潮土區(qū)麥玉米輪作制度下機播玉米生產(chǎn)適宜的耕作與秸稈還田方式，于2016—2017年通過田間試驗設(shè)置免耕（NT）、免耕秸稈還田（NT+S）、翻耕（T）和翻耕秸稈還田（T+S）4 個處理，研究耕作方式及秸稈還田對土壤養(yǎng)分剖面分布的影響。結(jié)果表明：免耕、翻耕秸稈還田處理均顯著降低了表層土壤容重（-6.25%、-3.68%），提高了表層水穩(wěn)定性大團聚體WR0.25含量（+14.65%、+10.96%），且免耕秸稈還田處理較翻耕秸稈還田處理更好地提高了表層土壤有機質(zhì)（+8.98%）、全氮（+4.63%）含量，翻耕秸稈還田處理更有利于表層土壤堿解氮、土壤有效磷和土壤速效鉀的增加;但在剖面深層，免耕、翻耕秸稈還田處理效應(yīng)出現(xiàn)差異：在20～60 cm土層，免耕秸稈還田處理促進pH增加，而翻耕秸稈還田處理降低土壤pH，翻耕秸稈還田處理土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量顯著高于免耕秸稈還田處理，而免耕秸稈還田處理則更有利于速效養(yǎng)分的增加;免耕和翻耕模式下秸稈還田處理均提高了玉米產(chǎn)量（+15.58%和+271%）?？梢?，在淮北平原潮土區(qū)，免耕模式下的秸稈還田有利于提高剖面土壤肥力質(zhì)量和玉米產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞 耕作方式;秸稈還田;養(yǎng)分;剖面分布;潮土

中圖分類號 S158文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）15-0048-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.015

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Abstract In order to determine the suitable tillage system and straw returning methods for the planting of maize under the wheatmaize rotation system in fluvoaquic soil of the Huaibei Plain，the experiment set four treatments in 2016 and 2017：notillage （NT），notillage with straw returning （NT+S），tillage （T），tillage with straw returning （T+S）.The results showed that the NT+S and T+S treatments significantly reduced the soil bulk density （-6.25%，-3.68%） and increased the water stability of the large agglomerate WR0.25 content （+14.65%，+10.6%） in 0～20cm depth，treatment NT+S was 8.98% and 4.63% higher than treatment T+S in the surface soil organic matter and total nitrogen content，treatment T+S increased the topsoil Alkaline nitrogen，soil available phosphorus and soil available potassium; however，in 20～60 cm soil layer，treatment NT+S increased soil pH while treatment T+S reduced the soil pH value，the soil organic matter，total nitrogen content and total phosphorus content of treatment T+S were significantly higher than treatment NT+S，while treatment NT+S increased the available nutrients as compared with ; the straw returning treatment under notill and tillage mode increased corn yield （+15.58% and +2.71%）.Obviously，in Fluvoaquic soil of the Huaibei Plain，the straw returning under the NT mode is better than T+S in building up the soil fertility quality and improving maize yield.

Key words Tillage system;Straw returning;Nutrient;Profile distribution;Fluvoaquic soil

基金項目 安徽省自然科學基金項目（1708085MD89）;安徽省省級環(huán)保科研項目（2016-13）。

作者簡介 伍震威（1980—），男，安徽桐城人，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境保護研究。*通信作者，教授級高級工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境保護研究。

收稿日期 2019-01-07

優(yōu)良的耕作方式可改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤肥力，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[1-2]。秸稈還田亦可有效提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化性狀，是土壤培肥的重要途徑[3-8]。但不同耕作模式下，秸稈還田對農(nóng)田土壤理化性質(zhì)有著明顯不同的影響[1]。翻耕措施有利于還田秸稈的礦化，提高耕層土壤速效養(yǎng)分含量[4，7-8]，不同翻耕深度秸稈還田對養(yǎng)分含量的影響亦不同[9];免耕處理降低了土壤有機質(zhì)碳的礦化速率，提高了其在表層土壤中的含量[10-11];旋耕秸稈還田條件下，雙季稻區(qū)土壤有機碳、全氮、速效鉀和有效磷均呈增加的趨勢[12];秸稈還田結(jié)合深松則降低表層堿解氮含量、速效鉀含量，增加土壤容重、表層有機質(zhì)和速效磷含量[13]。

淮河流域水、熱生產(chǎn)潛能較大，土壤類型以潮土為主，是我國重要的冬小麥-夏玉米產(chǎn)區(qū)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度集約化發(fā)展，玉米機械直播技術(shù)、聯(lián)合機械收獲、秸稈粉碎還田得到大力推廣，加之近年來勞動力短缺，該區(qū)域農(nóng)民種植玉米時較少采用傳統(tǒng)的翻耕，免耕和秸稈還田被越來越多地應(yīng)用。因此，探究免耕和秸稈還田對玉米產(chǎn)量及土壤理化特征的影響對該區(qū)域玉米生產(chǎn)具有重要意義。雖然耕作方式結(jié)合秸稈還田對農(nóng)田土壤和作物產(chǎn)量的研究較多[3-13]，但主要關(guān)注耕層土壤性質(zhì)變化，而土壤的持續(xù)生產(chǎn)性、作物的生長發(fā)育與產(chǎn)量不僅與耕層性質(zhì)有關(guān)，更與土壤心土層、底土層性質(zhì)相關(guān)。

因此，筆者在淮北平原典型潮土區(qū)開展2年定點試驗，研究免耕、翻耕處理秸稈還田與不還田對剖面土壤養(yǎng)分分布及玉米產(chǎn)量的影響，為選擇該地區(qū)秸稈還田與耕作方式組合提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗設(shè)置于安徽省界首市國家級農(nóng)作物品種審定區(qū)域試驗站（33°0′N、115°32′E）。該區(qū)域?qū)贉貛О霛駶櫦撅L氣候，2017年6月21—10月10日玉米生長季內(nèi)積溫2 813.7 ℃、日照658.8 h、降雨756.8 mm、降雨日41 d，均高于往年平均水平。土壤類型為黃泛沖積物發(fā)育形成的黃潮土，地下水埋深 2.5 m。常規(guī)耕作以小麥-玉米輪作體系為主。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗于2016年開始，設(shè) 4 個處理（表1），每處理3次重復(fù)，共12個小區(qū)，小區(qū)面積32 m2。 2017 年 6 月，小麥收獲后秸稈采用全量翻壓還田（土壤翻耕深度為25 cm）、全量覆蓋還田，供試玉米品種為奧玉 3765。試驗前土壤經(jīng)勻地整地處理，供試土壤容重為1.39 g/cm3、土壤pH為7.78，總孔隙度為 48.13%、>0.25 mm 粒徑水穩(wěn)定性團聚體含量為54.28%、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為 15.36 g/kg、63.62 mg/kg、16.67 mg/kg和210.73 mg/kg。施肥時66%的氮肥為基肥，34%為追肥;磷肥、鉀肥作基肥一次性施用。其他田間管理與當?shù)卮筇锕芾矸绞较嗤?/p>

1.3 樣品采集與測定 分別于玉米灌漿期分層（0～20、20～40和40～60 cm）采集土壤樣品，全小區(qū)收獲進行產(chǎn)量測算。樣品帶回實驗室常溫風干，按照常規(guī)方法測定土壤物理（容重、 田間持水量、含水量、團聚體）和化學（pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮）性質(zhì)[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2013 和 SPSS 19.0 進行統(tǒng)計分析，Duncans新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式與秸稈還田處理下的表層土壤物理性質(zhì)

如表2所示，耕作方式與秸稈還田對潮土表層土壤容重、含水量、田間持水量、團聚體產(chǎn)生了不同影響，各處理下，表層土壤容重為1.31～1.44 g/cm3、含水量為17.33%～2070%、田間持水量為30.92%～34.14%、>0.25mm粒徑水穩(wěn)定性團聚體（WR0.25）含量為52.69%～69.47%。

翻耕和秸稈還田有利于表層土壤容重的降低，在無秸稈還田條件下T處理容重低于NT處理（-0.08 g/cm3），可見翻耕能顯著降低表層土壤容重;而秸稈還田時，免耕模式對土壤容重的改善效果更加明顯（T+S處理較T處理-0.05 g/cm3、NT+S處理較NT處理-0.09 g/cm3，差異顯著P<0.05）。各處理表層土壤含水量差異不大，但土壤田間持水量，T處理顯著高出了NT處理2.71%、T+S處理顯著高出了NT+S處理2.61%，相同耕作方式下，秸稈還田降低了田間持水量，但未達到顯著水平。T處理較NT處理降低了表層土壤WR0.25含量3.89%，秸稈還田處理則提高了WR0.25含量（T+S處理較T處理+10.96%、NT+S處理較NT處理+1465%）。這表明對于表層土壤物理性質(zhì)， T+S處理有利于疏松土壤、增加含水量，而NT+S處理促進土壤大粒徑團聚體的形成，改土效應(yīng)更佳。

2.2 不同耕作方式與秸稈還田處理下pH、有機質(zhì)、全氮與全磷的剖面分布

2.2.1 各處理土壤pH的剖面分布。

各處理pH在0～60 cm的剖面分布均隨土壤深度增加先降低后升高（圖1），其中NT與T處理在各層次內(nèi)pH值相差無幾，而NT+S和T+S處理在各層次內(nèi)pH差異顯著，尤其以20～40 cm 、40～60 cm層次表現(xiàn)明顯。不同耕作模式下秸稈還田處理與不還田處理相比pH變化趨勢不一致，NT+S處理pH高于NT處理（0～20 cm層次+0.09、20～40 cm層次+0.10、40～60 cm層次+015），而T+S處理pH低于T處理（0～20 cm層次-0.03、20～40 cm層次-0.11、40～60 cm層次-0.01），這表明潮土0～20 cm土層的pH要高于20～60 cm土層，且秸稈還田處理顯著影響了pH的剖面分布，免耕時秸稈還田引起pH增加、翻耕時秸稈還田則導(dǎo)致pH降低，而單一的耕作方式處理對pH的剖面分布影響不大。

2.2.2 各處理土壤有機質(zhì)、全氮和全磷的剖面分布。

耕作方式與秸稈還田對剖面土壤有機質(zhì)和全氮、全磷含量的影響如表3所示，有機質(zhì)和全氮、全磷含量均隨土層深度的增加而降低，在0～60 cm土層深度內(nèi)，有機質(zhì)含量為8.55～18.09 g/kg，全氮含量為0.58～1.13 g/kg，全磷含量為0.53～1.03 g/kg。

0～20 cm層土壤有機質(zhì)含量為15.80～18.09 g/kg，其中，NT+S處理下有機質(zhì)含量最高，NT+S處理比T+S處理有機質(zhì)含量高8.98% （P<0.05）;20～40 cm層土壤有機質(zhì)含量為9.40～10.67 g/kg，其中，T+S處理有機質(zhì)含量顯著高于其他處理;40～60 cm土層有機質(zhì)含量為8.55～9.60 g/kg，同樣是T+S處理含量最高，但處理之間差異未達顯著水平。全氮在土壤剖面的空間分布趨勢與有機質(zhì)相似，全氮含量與有機質(zhì)含量顯著相關(guān)，在0～20 cm土層中，NT+S處理土壤全氮含量最高，達1.13 g/kg，較NT、T和T+S處理分別高5.61%、10.78%和4.63%;而在20～40 cm、40～60 cm土層中，T+S處理含量最高;40～60 cm土層中各處理全氮含量差異不顯著。0～20 cm土壤全磷含量為0.85～1.03 g/kg，其中，NT處理下全磷含量最高;在20～40 cm土層中，翻耕模式下土壤全磷含量高于免耕模式，40～60 cm土層中，T+S處理全磷含量最高。

數(shù)據(jù)表明，有機質(zhì)和全量態(tài)氮、磷養(yǎng)分的剖面分布隨土壤深度的增加而降低，其中NT+S處理有利于全量態(tài)養(yǎng)分的表層（0～20 cm）積累，而T+S處理有利于全量態(tài)養(yǎng)分的底層（20～60 cm）積累。

2.3 不同耕作方式與秸稈還田處理下速效態(tài)養(yǎng)分的剖面分布

2.3.1 各處理土壤堿解氮的剖面分布。

耕作方式與秸稈還田處理對土壤堿解氮剖面分布的影響如圖2所示，在0～60 cm土層內(nèi)翻耕處理的堿解氮含量隨著土壤深度增加先減少后增加，而免耕處理的堿解氮含量隨著土壤深度增加先減少后在20～60 cm土層內(nèi)趨于穩(wěn)定。在0～20 cm土層中，翻耕處理的堿解氮含量顯著高于免耕處理，秸稈還田處理堿解氮含量高于無秸稈還田處理，其中，T+S處理堿解氮含量最高達86.16 mg/kg;在20～40 cm土層中，免耕和秸稈還田更有利于該層土壤堿解氮含量的增加，其中，T處理堿解氮含量最低為34.70 mg/kg，而NT處理則為44.04 mg/kg，相比無秸稈還田處理，T+S和NT+S處理堿解氮含量分別增加了22.94%和4.00%;在40～60 cm土層，各處理堿解氮含量無顯著差異。

2.3.2 各處理土壤硝態(tài)氮的剖面分布。

硝態(tài)氮作為土壤中較易隨水遷移的速效養(yǎng)分之一，其剖面分布也顯著受不同耕作方式下秸稈還田處理的影響（圖3）。如圖3所示，土壤硝態(tài)氮的剖面分布特征為0～20 cm土層含量較低，20～60 cm土層含量較高。在各采樣層次中，秸稈還田處理均比對照組硝態(tài)氮含量低，其中，NT+S處理硝態(tài)氮含量最低。無秸稈還田處理中，硝態(tài)氮含量隨剖面深度加深均表現(xiàn)為先增加后減少趨勢，且NT處理硝態(tài)氮含量高于T處理，秸稈還田處理中，硝態(tài)氮含量則表現(xiàn)為隨剖面層次加深逐漸增加，但含量顯著低于無秸稈還田處理。

2.3.3 各處理土壤有效磷的剖面分布。

如圖4所示，土壤有效磷含量剖面分布隨著土壤深度的增加而減少，土壤有效磷含量為3.25～9.04 mg/kg。在0～20 cm土層，NT處理顯著低于其他處理;在20～40 cm土層，免耕處理的土壤有效磷含量高于翻耕處理，與土壤堿解氮分布趨勢相同;40～60 cm土層中，同樣是免耕處理的土壤有效磷含量較高。在剖面0～20 cm層和20～40 cm層，NT+S處理土壤有效磷含量顯著高于NT處理，而T+S處理土壤有效磷含量僅在20～40 cm層高于T處理。

2.3.4 各處理土壤速效鉀的剖面分布。

不同耕作方式和秸稈還田處理下土壤速效鉀的剖面分布見圖5，土壤速效鉀含量為160.00～237.00 mg/kg，表現(xiàn)為隨土壤深度增加逐漸降低。在0～20 cm土層中，翻耕處理速效鉀含量高于免耕處理，秸稈還田增加了土壤速效鉀含量，其中T+S處理土壤速效鉀含量最高達237.00 mg/kg;20～40 cm土層中，T+S、T、NT+S處理土壤速效鉀含量顯著高于NT處理;40～60 cm土層中，T處理土壤速效鉀含量最高。

由此可知，土壤速效養(yǎng)分的剖面分布除堿解氮含量呈現(xiàn)

隨剖面深度增加先減少后增加或先減少后穩(wěn)定趨勢外，有效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為隨土壤深度增加而逐漸減少，其中，T+S處理有利于0～20 cm層土壤速效養(yǎng)分的增加，而NT+S處理則更有利于20～60 cm土層速效養(yǎng)分的增加。

2.4 不同耕作方式與秸稈還田處理下的作物產(chǎn)量

不同耕作方式與秸稈還田處理對玉米穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量的影響如表5所示，秸稈還田對玉米穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量的影響達顯著水平（P<0.05）。其中，T+S處理與T處理相比，穗長增加了0.4 cm，穗粗增加了1.4 mm，穗粒數(shù)增加8.61%、百粒重增加3.42%、產(chǎn)量增加2.71%，且顯著高于其他處理，T處理和NT+S處理下穗粒數(shù)、百粒重及產(chǎn)量無顯著差異，而NT處理下則相對較低，這表明T+S處理有利于當季作物產(chǎn)量的增加。

3 討論

研究表明，不同耕作方式與秸稈還田影響了土壤養(yǎng)分的剖面分布，并最終影響了作物產(chǎn)量。剖面中，表層土壤是受耕作方式和秸稈還田直接影響的區(qū)域。在對表層土壤物理性質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，翻耕降低了WR0.25含量，秸稈還田處理則提高了WR0.25含量，翻耕秸稈還田時，秸稈隨著耕作處理與土壤充分混合，改善土壤容重，增加土壤孔隙度，其土壤含水量和田間持水量相應(yīng)提高，秸稈的分解及翻耕對原有團粒結(jié)構(gòu)的重組在一定程度上增加了大團聚體的含量[15]。相較而言，免耕秸稈覆蓋還田處理的改土效應(yīng)更佳，由于秸稈的覆蓋，減少了雨滴、灌溉水的撞擊，保護了土壤結(jié)構(gòu)，并減少細小顆粒對孔隙的充填，減少了土壤板結(jié)，使土壤容重相應(yīng)下降，兼之覆蓋秸稈后微生物活動及作物根系生長，表層土壤大團聚體含量顯著增加[16-17]。

不同土壤物理性質(zhì)及不同秸稈養(yǎng)分輸入差異影響了土壤pH和全量態(tài)養(yǎng)分的剖面分布[18]。各剖面層次，尤其在20～40 cm土層免耕秸稈還田pH增加、翻耕秸稈還田pH降低，可能是2種不同耕作模式下秸稈的腐解狀況不同導(dǎo)致，翻耕促進秸稈分解，而秸稈分解過程會積累一定的酸性分解產(chǎn)物，導(dǎo)致翻耕秸稈還田處理pH降低[19]。土壤有機質(zhì)及全氮含量的剖面分布隨深度的增加而降低，與該研究結(jié)果類似，多數(shù)研究表明，免耕較翻耕能夠提高表層土壤有機質(zhì)、全氮含量[10-12]。這主要是由于免耕秸稈還田秸稈主要覆蓋于地表，秸稈腐解產(chǎn)生的有機物質(zhì)緩慢地進入土壤，由于不擾動土壤，有機質(zhì)難以進入土壤深層，更有利于0～20 cm層土壤有機質(zhì)、全氮積累;翻耕模式下的秸稈還田由于將秸稈翻壓至25 cm深度，導(dǎo)致土壤容重降低、孔隙度增加，充足的水、氣條件有利于秸稈的腐解，也加快了有機質(zhì)的礦化損失速率[20]，不利于有機質(zhì)的表層積累，而翻耕疏松的土壤利于作物根系下扎，有更多的作物根系分布到較深土層中，更多的有機物質(zhì)投入是翻耕在較深土層（20～40 cm）中全氮含量更高的主要原因，與田慎重等[19]研究結(jié)果一致。秸稈還田顯著提高了土壤全量態(tài)養(yǎng)分含量，免耕覆蓋還田時全量態(tài)養(yǎng)分表層積累，翻耕秸稈還田時全量態(tài)養(yǎng)分積累深度相對較深，但積累量較少[21]。

不同土壤物理性質(zhì)及pH條件亦影響土壤全量態(tài)養(yǎng)分向速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分的剖面分布差異[22]。各處理土壤堿解氮、土壤有效磷和土壤速效鉀含量隨土壤深度增加逐漸減少，翻耕秸稈還田更有利于表層土壤堿解氮、土壤有效磷和土壤速效鉀的增加，這可能與秸稈中養(yǎng)分的釋放率有關(guān)（鉀>磷>碳>氮）[4]。各處理土壤硝態(tài)氮的剖面分布明顯不同，免耕土壤中存有大量大孔隙，而且延伸較深，利于雨水下滲[23]，研究區(qū)夏季多雨的特征，導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮向下淋失，因此0～20 cm土層硝態(tài)氮含量較低，而20～60 cm土層硝態(tài)氮含量較高，而秸稈還田處理的硝態(tài)氮含量明顯低于無秸稈還田處理，可能與秸稈還田時微生物的大量繁殖消耗了土壤中的氮，且秸稈還田提高了作物對硝態(tài)氮的吸收利用率[24]，而秸稈中氮釋放緩慢不能補足有效氮損失有關(guān)。

對不同耕作方式和秸稈還田處理影響下的作物產(chǎn)量分析表明，免耕、翻耕秸稈還田均有利于作物增產(chǎn)，其中翻耕秸稈還田模式下作物產(chǎn)量達到最高，這與研究中發(fā)現(xiàn)的翻耕秸稈還田模式下0～20 cm速效養(yǎng)分含量最高具有顯著相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

在淮北潮土麥玉輪作區(qū)，秸稈還田能提高玉米產(chǎn)量和土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀等含量，連續(xù)2年定位試驗后顯著改善了土壤肥力水平，但不同耕作方式下秸稈還田對玉米產(chǎn)量和土壤剖面養(yǎng)分分布的影響存在差異。與免耕、翻耕秸稈不還田處理相比免耕、翻耕秸稈還田處理玉米產(chǎn)量分別增加15.58%和2.71%;免耕秸稈還田處理較翻耕秸稈還田處理更好地提高了表層土壤有機質(zhì)、全氮含量，增加了剖面20～60 cm土層速效養(yǎng)分的含量;而翻耕秸稈還田處理更有利于表層土壤堿解氮、土壤有效磷和土壤速效鉀等速效態(tài)養(yǎng)分的增加，以及剖面20～60 cm土層土壤有機質(zhì)、全量態(tài)養(yǎng)分的積累。綜合以上指標以及淮北潮土區(qū)的降雨特征，雖然翻耕模式下秸稈還田處理作物產(chǎn)量效應(yīng)最好，但是并不利于土壤養(yǎng)分的積累，不利于土壤可持續(xù)生產(chǎn)力;免耕秸稈還田在提高剖面土壤肥力的同時，減少了養(yǎng)分在土體中的淋失，并保證了穩(wěn)定的作物產(chǎn)量，可獲得更好的經(jīng)濟與環(huán)境效應(yīng)。

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