秸稈還田對(duì)梓潼江流域土壤肥力及糧食生產(chǎn)的影響

鄭雅婷，王學(xué)春，胡 瑤，楊國(guó)濤，趙長(zhǎng)坤，胡運(yùn)高

(西南科技大學(xué)水稻研究所，四川 綿陽(yáng) 621010)

【研究意義】梓潼江是涪江水系流域面積最大的支流，達(dá)到5200 km2，同時(shí)是涪江流域農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的區(qū)域。梓潼江流域主要地形為丘陵或山地，平壩地形面積小。丘陵或山地區(qū)域主要種植小麥、玉米、油菜、豆類(lèi)、薯類(lèi)等作物，種植模式主要有小麥-玉米、油菜-玉米、小麥-玉米-豆類(lèi)或薯類(lèi)。平壩區(qū)主要種植模式為油菜-水稻和小麥-水稻。近年來(lái)，隨著秸稈還田的推行，大部分秸稈以不同方式還田。當(dāng)前，常用的秸稈還田方式主要有直接還田和間接還田，其中直接還田主要有覆蓋還田、翻壓還田、留高茬還田等類(lèi)型[1]，間接還田包括堆漚還田、過(guò)腹還田、過(guò)圈還田等類(lèi)型[2]。小麥-玉米、油菜-水稻、小麥-水稻等種植模式主要采用翻埋或覆蓋還田，間接還田常見(jiàn)于大型養(yǎng)殖場(chǎng)周邊?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈中富含氮磷鉀及微量營(yíng)養(yǎng)元素，秸稈作為物質(zhì)和養(yǎng)分的載體，是糧食作物生產(chǎn)中重要的養(yǎng)分來(lái)源[3]。秸稈還田是目前一項(xiàng)應(yīng)用普遍的影響土壤肥力和糧食生產(chǎn)的措施，符合綠色可持續(xù)發(fā)展要求[4]，能夠明顯增加土壤養(yǎng)分含量。研究表明，秸稈還田能夠使耕層土壤中有機(jī)碳含量提高6%～14%[5]，全氮含量增加3.5%～20.83%[6-7]。土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，蓄墑保水能力越好，更有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。然而，秸稈還田也可能帶來(lái)一定的不利影響，若還田方式選擇不當(dāng)，則可能會(huì)加重糧食作物的病蟲(chóng)害危害[8]，影響作物出苗[9]，降低播種質(zhì)量和作物產(chǎn)量。秸稈養(yǎng)分的釋放與秸稈施入土壤后的腐解速度和腐解程度有關(guān)，不同的秸稈還田方式具有不同的腐解特點(diǎn)和養(yǎng)分釋放規(guī)律，并會(huì)產(chǎn)生不同的農(nóng)田效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。田平[10]等通過(guò)試驗(yàn)表明，秸稈炭化還田對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的增加幅度明顯高于秸稈直接還田、秸稈粉碎還田。在梓潼江流域，秸稈堆漚還田的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注。方華舟等[11]提出秸稈在堆漚過(guò)程中，可以有效減少病原及蟲(chóng)卵。秸稈經(jīng)堆漚處理后還田，有機(jī)物質(zhì)等養(yǎng)分物質(zhì)被充分腐熟，有機(jī)碳含量高，提高了養(yǎng)分利用效率，促進(jìn)作物生長(zhǎng)能力更強(qiáng)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】關(guān)于秸稈還田在培肥土壤和作物增產(chǎn)方面的作用，已有大量研究。而針對(duì)梓潼江流域秸稈還田生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的研究較為缺乏?！緮M解決關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)調(diào)查梓潼江流域96個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，分析不同秸稈還田方式對(duì)土壤養(yǎng)分、不同作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響，明確適宜梓潼江流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的秸稈還田方式，為充分利用、合理利用秸稈資源提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

梓潼江發(fā)源于江油市馬角鎮(zhèn)北大堰山，在射洪縣合江村匯入涪江，是培江水系左岸最大支流，年均徑流量55 m3/s。梓潼江流域面積為5200 km2，海拔高度299～700 m，年均氣溫16.5 ℃，年均降水量978.54 mm，無(wú)霜期274 d屬亞熱帶偏干濕潤(rùn)丘陵區(qū)氣候，適宜種植水稻、小麥、油菜等作物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究連續(xù)兩年在梓潼江流域共設(shè)置96個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(圖1)，其中種植水稻、油菜、小麥和玉米的試驗(yàn)點(diǎn)各24個(gè)，主要分布區(qū)域如表1所示。所有試驗(yàn)點(diǎn)的輪作方式為油菜-水稻或小麥-玉米。所有試驗(yàn)點(diǎn)均使用前茬作物作為秸稈，并在作物收獲時(shí)就地還田。每種作物均調(diào)查4種秸稈還田方式，包括秸稈不還田(BR)、秸稈覆蓋還田(FR)、秸稈翻埋還田(MR)和秸稈堆漚還田(DR)。

表1 各作物調(diào)查點(diǎn)分布區(qū)域

1.3 取樣與測(cè)定方法

待作物成熟后(水稻在9月下旬，玉米在9月初，油菜在5月初，小麥在5月中下旬)，用挖方法測(cè)定每個(gè)處理作物產(chǎn)量，水稻和小麥選取面積為1 m2，油菜和玉米選取面積為2 m2，并準(zhǔn)確丈量挖方面積，測(cè)產(chǎn)區(qū)域力求分布均勻且具有代表性。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)3次，用于估算作物產(chǎn)量。同期在長(zhǎng)期進(jìn)行秸稈不還田與還田區(qū)域采集耕作層( 0～20 cm)土壤土樣，利用土鉆取土，取土方法為三點(diǎn)取樣法。得到秸稈不還田、秸稈覆蓋還田、秸稈翻埋還田和秸稈堆漚還田土樣各24個(gè)，用于土壤肥力測(cè)定。

土壤肥力測(cè)定方法[12]：采用凱氏定氮法測(cè)土壤全氮含量，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量，采用外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。

農(nóng)資投入成本包括種植作物所需種子、肥料、農(nóng)藥的費(fèi)用。勞工和機(jī)械投入成本包括所用人工和機(jī)械器材的費(fèi)用。產(chǎn)值則需要通過(guò)谷物售賣(mài)價(jià)格來(lái)計(jì)算。種子、肥料和農(nóng)藥的價(jià)格和用量、人工和機(jī)械價(jià)格和用量、谷物售賣(mài)價(jià)格均通過(guò)向農(nóng)戶調(diào)查后，進(jìn)一步取平均而得。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤全氮、堿解氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)含量和作物產(chǎn)量均為3個(gè)重復(fù)的平均值；采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及表格繪制，用SPSS24.0進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

秸稈還田的經(jīng)濟(jì)效益用經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投比、凈產(chǎn)值、成本產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率和勞動(dòng)盈利率5個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。

經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投比=產(chǎn)值/農(nóng)資投入成本

凈產(chǎn)值(萬(wàn)元/hm2)=產(chǎn)值-農(nóng)資投入成本

成本產(chǎn)出率=凈產(chǎn)值/農(nóng)資投入成本

勞動(dòng)生產(chǎn)率=產(chǎn)值/勞工和機(jī)械投入成本

勞動(dòng)盈利率=凈產(chǎn)值/勞工和機(jī)械投入成本

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對(duì)土壤肥力的影響

與秸稈不還田(BR)相比(表2)，秸稈覆蓋(FR)、翻埋(MR)和堆漚(DR)還田土壤全氮分別增加了12.10%、14.22%、24.85%，堿解氮增加了1.25%、2.06%、8.08%，有效磷增加了38.17%、44.07%、44.27%，有機(jī)質(zhì)含量增加了2.76%、4.85%、9.78%。DR處理全氮含量顯著高于BR處理，F(xiàn)R與MR間差異不顯著，但均顯著高于BR，顯著低于DR。DR處理堿解氮含量顯著高于FR、MR和BR處理，F(xiàn)R、MR和BR間差異不顯著。FR、MR和DR處理有效磷含量顯著高于BR處理，F(xiàn)R、MR和DR間差異不顯著。MR和DR處理有機(jī)質(zhì)含量較BR處理顯著增加，且DR顯著高于MR，F(xiàn)R與BR間差異不顯著。表明秸稈還田能增加土壤養(yǎng)分，且DR處理比FR、MR處理對(duì)土壤養(yǎng)分的增加效果更好。

表2 不同還田方式下土壤養(yǎng)分含量

2.2 不同秸稈還田方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響

與秸稈不還田(BR)相比(表3)，秸稈覆蓋(FR)、翻埋(MR)和堆漚(DR)處理水稻產(chǎn)量分別提高了12.92%、11.32%、13.43%，小麥產(chǎn)量分別提高了12.54%、12.55%、12.73%，油菜產(chǎn)量分別提高了10.06%、14.29%、17.23%，玉米產(chǎn)量分別提高了10.23%、12.69%、13.80%。FR、MR和DR處理產(chǎn)量平均增幅分別為油菜(13.86%) >小麥(12.61%) >水稻(12.56%) >玉米(12.24%)。FR、MR和DR處理較BR處理顯著提高了水稻、油菜、小麥和玉米產(chǎn)量，DR處理油菜產(chǎn)量顯著高于FR處理，MR和DR處理玉米產(chǎn)量顯著高于FR處理。表明相較于FR和MR，DR處理對(duì)作物增產(chǎn)效果更好。不同作物之間，油菜增產(chǎn)幅度最大。

表3 不同秸稈還田方式下糧食作物產(chǎn)量

2.3 不同秸稈還田方式對(duì)作物經(jīng)濟(jì)效益的影響

與秸稈不還田(BR，表4)相比，秸稈覆蓋(FR)、翻埋(MR)和堆漚(DR)處理使水稻、凈產(chǎn)值分別提高22.5%、22.5%、41.6%，小麥凈產(chǎn)值分別提高75.8%、36.4%、75.8%，油菜凈產(chǎn)值分別提高66.7%、75.8%、142.9%、玉米凈產(chǎn)值分別提高13.9%、46.5%、72.1%。對(duì)于水稻，F(xiàn)R、MR處理經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投差異不大，但較BR處理高，較DR處理低。DR處理凈產(chǎn)值、成本產(chǎn)出率及勞動(dòng)盈利率均最高，F(xiàn)R處理勞動(dòng)生產(chǎn)率最高。對(duì)于小麥，F(xiàn)R和DR處理經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投比差異不大，F(xiàn)R和DR處理凈產(chǎn)值、成本產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、勞動(dòng)盈利率均較高。對(duì)于油菜和玉米，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)投比、凈產(chǎn)值、成本產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率及勞動(dòng)盈利率均在DR處理?xiàng)l件下最高。表明秸稈還田能提高作物經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于水稻、油菜和玉米，DR處理效果最好，對(duì)于小麥，F(xiàn)R處理效果最好，DR處理次之。

表4 不同秸稈還田條件下糧食作物的經(jīng)濟(jì)效益

3 討 論

3.1 不同秸稈還田方式對(duì)土壤肥力的影響

連續(xù)兩年的調(diào)查結(jié)果表明，秸稈覆蓋、翻埋、堆漚還田都能增加土壤養(yǎng)分含量，與多數(shù)研究結(jié)果一致[13-15]。3種還田方式下，堆漚還田處理土壤養(yǎng)分含量均高于覆蓋還田和翻埋還田，對(duì)土壤的培肥效果最好。王明達(dá)[16]研究表明，與秸稈直接還田相比，秸稈腐熟后還田的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量和有效磷含量分別增加了3.93%、5.30%、5.33%。本研究結(jié)論與之相近，較覆蓋和翻埋還田，堆漚條件下有機(jī)質(zhì)含量平均增加了5.44%，全氮含量平均增加了9.37%，有效磷含量增加了2.19%。

有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)之一。堆漚還田處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較覆蓋、翻埋還田提高6.39%、4.49%。土壤有機(jī)質(zhì)的積累和水解作用不僅直接影響土壤全氮含量的變化，而且有機(jī)陰離子與磷酸根離子間存在競(jìng)爭(zhēng)作用，導(dǎo)致土壤固磷作用相對(duì)減弱，從而增加土壤有效磷含量。直接還田秸稈腐解速度慢，腐解率低，養(yǎng)分不易釋放，土壤培肥效果較差[10]，且覆蓋和翻埋處理對(duì)秸稈組織結(jié)構(gòu)的破壞較小。土壤腐殖質(zhì)對(duì)改善土壤物理性狀、提高土壤養(yǎng)分含量至關(guān)重要，秸稈經(jīng)堆漚后還田，能夠顯著增加土壤腐殖質(zhì)含量，并對(duì)腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)有一定改善作用。腐熟秸稈施入土壤較未腐熟秸稈能為土壤微生物提供更為豐富的有機(jī)物質(zhì)和能源，土壤微生物活力更加旺盛，進(jìn)而加速了養(yǎng)分的釋放，增加了土壤肥力，更好地調(diào)節(jié)了土壤性狀[16]。

3.2 不同秸稈還田方式對(duì)糧食作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

秸稈還田對(duì)水稻、油菜等主要糧食作物產(chǎn)量的影響已有大量研究，與大多數(shù)研究結(jié)果相似[17-19]，秸稈覆蓋還田、翻埋還田和堆漚還田水稻、油菜、小麥和玉米產(chǎn)量均顯著高于秸稈不還田。并且秸稈堆漚還田效果最佳。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是秸稈經(jīng)堆漚處理后最易被土壤吸收，覆蓋秸稈和翻埋秸稈還需要較長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行腐解，轉(zhuǎn)化為易被吸收的養(yǎng)分。養(yǎng)分含量是否充足直接影響到作物的生長(zhǎng)，土壤養(yǎng)分充足，蓄水保墑能力強(qiáng)，植株生長(zhǎng)旺盛，從而獲得更高的產(chǎn)量[6]。本研究結(jié)論與之一致，土壤養(yǎng)分含量趨勢(shì)與產(chǎn)量趨勢(shì)一致，這也是堆漚處理土壤養(yǎng)分含量最高，產(chǎn)量最高的原因。

不同的秸稈處理方式，所需要的成本有所不同，對(duì)土壤的培肥效果不同、對(duì)作物產(chǎn)量存在不同程度的影響，最終經(jīng)濟(jì)收益也不同。秸稈還田能夠帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益，黃鸝[20]等研究表明，秸稈還田使當(dāng)年純收益增加10.49%。吳玉紅[21]等認(rèn)為秸稈促腐還田的經(jīng)濟(jì)效益顯著高于常規(guī)還田。本調(diào)查結(jié)果表明，水稻、油菜和玉米的凈產(chǎn)值、成功產(chǎn)出率、勞動(dòng)盈利率均表現(xiàn)為堆漚處理略高于覆蓋處理和翻埋處理，這可能與堆漚處理產(chǎn)量較高有關(guān)。而對(duì)于小麥，凈產(chǎn)值、成功產(chǎn)出率、勞動(dòng)盈利率在堆漚處理和覆蓋處理間無(wú)明顯差別。翻埋處理較不還田而言，成本增加，但對(duì)油菜凈產(chǎn)值僅增加了3.4%，增加幅度明顯小于覆蓋(27.6%)和堆漚(58.62%)還田，在其他3種作物葉表現(xiàn)為相似結(jié)果。堆漚還田雖然明顯提高了勞工和機(jī)械投入成本，但降低了勞工投入成本，而且經(jīng)濟(jì)效益增幅均較高。

4 結(jié) 論

在梓潼江流域，秸稈還田對(duì)土壤培肥效果優(yōu)于不還田，且堆漚還田優(yōu)于覆蓋和翻埋還田；堆漚還田增產(chǎn)效果優(yōu)于覆蓋和翻埋還田。對(duì)于水稻、油菜和玉米，堆漚還田經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于覆蓋和翻埋還田；對(duì)于小麥，覆蓋還田經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于翻埋和堆漚還田。綜合分析耕層土壤培肥效果、作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益，堆漚還田更有利于梓潼江流域水稻、油菜和玉米田的培肥和糧食生產(chǎn)。