秸稈覆蓋對寒旱區(qū)農(nóng)田土壤理化性狀的影響

戚穎，李鐵男，白雪峰，汪可欣

（1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150006；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

東北黑土區(qū)作為我國玉米、水稻等商品糧主要供應(yīng)基地，長期大規(guī)模開發(fā)和高強度墾殖，導(dǎo)致土地肥力透支，耕層板結(jié)、土壤環(huán)境污染等問題日趨嚴重。發(fā)展“藏糧于地，藏糧于技”的農(nóng)業(yè)耕地保護技術(shù)刻不容緩。以秸稈覆蓋為核心的保護性耕作措施一直是國內(nèi)外學(xué)者在土壤修復(fù)方面的研究熱點。Wishmeier研究認為覆蓋后水土流失量顯著小于無覆蓋，且保水效果明顯[1]；Drucy等通過研究分析秸稈覆蓋下降雨入滲過程，得到秸稈覆蓋厚度與土壤穩(wěn)定入滲率呈正相關(guān)[2]；Patra等通過長期定位發(fā)現(xiàn)秸稈可有效減少氮元素蒸發(fā)，提高耕層土壤堿解氮、全鉀等營養(yǎng)元素儲量及利用率[3]；鄒文秀等提出秸稈還田是調(diào)節(jié)土壤孔隙度與改善土壤物理結(jié)構(gòu)的有效措施[4]。付強、蓋志佳、解文艷等分別研究不同秸稈覆蓋措施對土壤水分和作物產(chǎn)量的影響，認為不同秸稈覆蓋措施提高耕層土壤墑情，且對玉米、大豆、馬鈴薯等均有增產(chǎn)作用[5-7]。楊青森等發(fā)現(xiàn)以2和4 kg·m-2覆蓋量作秸稈還田后，徑流量和產(chǎn)沙量分別比對照翻耕裸露降低87%和99%以上[8]。研究區(qū)地處寒旱區(qū)，具有春寒少雨、雨熱同期的地域特點，該區(qū)域秸稈還田研究仍主要集中于節(jié)水增產(chǎn)和水土保持效應(yīng)等方面，對不同秸稈覆蓋方式下土壤理化性質(zhì)、團粒結(jié)構(gòu)特點與肥力遷移規(guī)律研究不足。本文通過東北黑土區(qū)田間原位觀測，探索免耕條件下不同秸稈覆蓋方式對土壤墑情、土壤容重、土壤團粒結(jié)構(gòu)及耕層營養(yǎng)成分的影響，為探索寒旱區(qū)東北黑土適宜秸稈覆蓋技術(shù)、改良土壤物理結(jié)構(gòu)方式及改善農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽農(nóng)場綜合試驗站（125°42′′E，44°04′′N，海拔184 m）實施，該區(qū)域全年日照2 450~2 600 h，無霜期120 d左右，全年平均最低氣溫和最高氣溫為-28.5℃和33.6℃，分別出現(xiàn)在1月和7月，年平均蒸發(fā)量1 000~1 150 mm，降水量654.2 mm，作物生育期內(nèi)空氣相對濕度72%，典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。土壤類型為黑質(zhì)壤土，干容重1.38 g·cm-3，有機質(zhì)21.02 g·kg-1，速效磷13.67 mg·kg-1，速效鉀182.30 mg·kg-1，全氮2.88 g·kg-1，堿解氮71.23 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

2019年5月10日播種，10月15日采收，共5個處理，每個處理3次重復(fù)，分別為裸土留茬（Stub?ble on ground，SG）、條帶留茬（Stubble in strips，SS）、碎稈覆蓋（Crushed stalk，CS）、整稈覆蓋（Whole stalk，WS）和對照傳統(tǒng)常規(guī)耕作（Control，CG）。其中，裸土留茬處理為前一年秋收后留茬5 cm，將秸稈移走，保證土壤處于裸露狀態(tài)；條帶留茬處理為秋收后留茬5 cm，秸稈沿壟溝呈條帶狀覆蓋；碎稈覆蓋為秋收后留茬5 cm基礎(chǔ)上，將秸稈粉碎后覆蓋于地表，覆蓋厚度3~5 cm；整桿覆蓋同樣保持留茬5 cm，將秸稈整體垂直壟溝方向覆蓋于地表，覆蓋厚度3~5 cm，以上4個處理春播期均采用免耕種植。試驗材料選用玉米“鄭單958”，種植密度3.4萬株·hm-2，株距0.45 m，行距0.65 m。試驗期間均采用常規(guī)田間管理方式，各處理間無差異。

1.3 試驗指標(biāo)測定

采用TDR測定土壤液態(tài)含水率，測定深度50 cm，分別為0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm；土壤容重采用環(huán)刀法，取樣深度0~40 cm；土壤團聚體采用機械穩(wěn)定法[9]；測定有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[10]；測算全氮則采用凱氏定氮法[11]；測定速效磷和速效鉀分別采用NaHCO3浸提-紫外光分光光度計法和NH4OAC浸提-火焰光度法[12]；測定土壤堿解氮采用堿解擴散法[13]；pH按照土水比為1∶5配制土壤溶液，利用pH計測量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2013、SPSS 19.0、DPS對試驗數(shù)據(jù)作統(tǒng)計分析，采用制圖軟件Origin 9.0繪圖。采用最小顯著性差異（LSD）法對各處理作多重比較（置信水平為0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈覆蓋對土壤液態(tài)含水率的影響

各處理淺層0~50 cm土層之間土壤液態(tài)含水率在不同生育期內(nèi)呈一定差異（見圖1）。播種期地表向下各處理土壤液態(tài)含水率均呈遞增趨勢，0~10 cm土層漲幅較大，且各處理差異明顯，WS含水率最高，CG最低；10~50 cm土層土壤液態(tài)含水率隨深度變化相對變小，且各處理亦無明顯差異。4種覆蓋措施均可提高播種期耕層含水率，0~50 cm土壤液態(tài)含水率SG、SS、CS和WS分別比對照CG提高4.54%、6.95%、18.76%和15.00%，耕層0~10 cm土壤液態(tài)含水率分別比對照CG提高5.60%、13.76%、30.42%和24.50%。造成播種期處理間土層水分狀況差異主要原因是碎桿和整桿覆蓋方式在降雪截留、阻止空氣對流和抑制水分散失上具有明顯優(yōu)勢，而地下水埋藏較深，對下層土壤影響較小。

圖1 不同秸稈覆蓋條件下土壤液態(tài)含水率變異狀況Fig.1 Variation of soil moisture content under different straw mulching conditions

生育期內(nèi)各處理不同土層土壤液態(tài)含水率分布顯示播種~拔節(jié)期表層波動和差異較大，進入拔節(jié)期后則深層差異顯著。苗期0~50 cm土層液態(tài)含水率均值較對照CG提高1.65%~17.08%。其中寒旱區(qū)0~5 cm播種層水分含量是影響玉米出苗率關(guān)鍵因素之一，該土層僅SG降低3.42%，SS、CS和WS較對照CG分別提高8.90%、19.18%和26.03%。2019年拔節(jié)期該時段降雨較為集中，各處理土壤液態(tài)含水率明顯高于苗期，其中CS、WS與對照CG差異較苗期降低2.35%和6.19%，SG、SS差異一致。拔節(jié)期0~50 cm平均土壤液態(tài)含水率分別為18.07%、19.15%、20.28%、20.15%，SS、CS和WS均比對照CG提高5%以上，但SG與對照CG差異較小。其中0~20 cm土層土壤液態(tài)含水率SS、CS、WS較對照CG提高5.60%~10.40%，SG降低4.29%，20~50 cm土層4種覆蓋處理均高于對照CG，其中CS最明顯達到12.43%。上述變化原因為作物需水量主要包括土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，苗期土壤水分消耗主要集中于表層土壤蒸發(fā)，拔節(jié)期后玉米進入營養(yǎng)生長期，植株與根系快速生長，作物蒸騰比重上升，導(dǎo)致下層土壤液態(tài)含水率差異減小。抽穗期、灌漿期及成熟期4種覆蓋處理0~50 cm土層土壤液態(tài)含水率均值較對照CG分別提高0.25%~0.81%，0.91%~2.90%，0.38%~5.04%。其中抽穗期0~20 cm土層SG、SS、CS和WS分別低于對照CG 0.76%、0.44%、3.88%、1.34%；灌漿期分別低于對照CG 6.35%、0.56%、8.23%、5.46%。秸稈殘茬等覆蓋物隨著雨量增加和溫度升高逐漸腐爛，截雨緩流優(yōu)勢降低是該區(qū)域土壤液態(tài)含水率降低的主要原因。此外該時段處于玉米用水關(guān)鍵期，生長發(fā)育最為旺盛，用水需求大，各處理土壤液態(tài)含水率優(yōu)勢略有下降，但因前期保墑效果明顯，下層20~50 cm土壤液態(tài)含水率仍高于對照CG 1.18%~3.04%和4.56%~10.71%。成熟期玉米用水量下降覆蓋處理保墑優(yōu)勢出現(xiàn)明顯回升，SG、SS、CS和WS處理0~20 cm土層和20~50 cm土壤液態(tài)含水率分別高于對照CG 4.70%~2.16%、0.61%~0.15%、4.50%~5.59%、3.27%~4.52%。

2.2 秸稈覆蓋對土壤干容重的影響

土壤干容重為衡量土壤結(jié)構(gòu)與密實程度的重要指標(biāo)。各處理分層土壤容重變化情況如表1所示。除個別測點上升不足3%，播種前各處理0~40 cm土壤容重與對照CG差異較小。隨生育期進程土壤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，秋收后0~10 cm土壤SG、SS、CS、WS土壤容重分別降低0.11、0.13、0.12和0.11 g·cm-3，降幅7.91%~9.56%，其中SS和CS效果明顯，CG降幅僅5.84%。10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土壤容重4種覆蓋處理降幅分別為8.06%~11.11%，2.86%~3.90%，2.76%~3.50%，均高于對照CG，其中CS降幅最顯著、SG次之。LSD多重比較結(jié)果顯示，對照僅與碎桿覆蓋差異顯著（P<0.05）。以上數(shù)據(jù)顯示，10~20 cm土層容重降低幅度大，秸稈還田更有利于改善亞表層土壤物理性質(zhì)，0~10 cm次之，深層影響不顯著。

表1 不同覆蓋條件下各土層土壤干容重Table 1 Soil dry density of each soil layer under the condition of different coverage

2.3 秸稈覆蓋對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，直接影響土壤表層水、土界面行為，進而影響土壤水熱傳輸與養(yǎng)分擴散。秋收后統(tǒng)一取樣不同土層處土壤機械組成情況見表2。

對比表2從不同處理對土壤團聚體分布狀況影響看，均呈現(xiàn)機械穩(wěn)定性大團聚體（粒徑>0.25 mm）含量隨土層延伸增大，微團聚體（粒徑<0.25 mm）隨土層延伸減小的顯著規(guī)律。土壤大團聚體與微團聚體含量之比（R）均在2以上，隨土層增加比值降低，4種處理0~40 cm土層R為對照CG 2.4~3.6倍。團聚體集中分布在<0.25 mm、1~0.25 mm和>5 mm，共占團聚體總數(shù)72.97%~82.54%。0~10 cm土層機械穩(wěn)定性大團聚體（粒徑>0.25 mm）4種處理較對照CG增長4.23%~14.03%，其中CS最顯著；10~20 cm土層SG、SS、CS和WS較對照CG提高5.60%、4.28%、15.33%、10.74%；20~30 cm和30~40 cm土層SG、SS、CS和WS較對照CG提高5.59%~16.65%、8.20%~18.30%。0~40 cm土層微團聚體（粒徑<0.25 mm）含量4種處理較對照CG平均降幅達到10%以上，其中CS最顯著、WS次之，SS差異不顯著。0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm 4種處理較對照分別降低9.86%~32.72%、9.00%~32.63%、11.21%~33.40%、14.51%~32.37%。對照CG與SG、SS、CS、WS處理均差異顯著（P=0~0.011<0.05），此外4種處理中僅SG與SS、WS差異不顯著（P=0.155>0.05，P=0.256>0.05）。

表2 不同覆蓋處理條件下各層次土壤機械組成Table 2 Soil mechanical composition table in each profiles under different mulching treatments conditions

0~40 cm土層機械穩(wěn)定性大團聚體粒徑分布顯示CG和SG呈現(xiàn)1~0.25 mm>（>5 mm）>5~2 mm>2~1 mm，SS、CS和WS呈現(xiàn)（>5 mm）>1~0.25 mm>5~2 mm>2~1 mm。除去個別測點數(shù)據(jù)，4種覆蓋處理對團聚體促進作用主要體現(xiàn)在>5 mm和2~1 mm粒徑，0~40 cm土層較對照CG平均提高16.69%~53.99%和26.69%~74.93%。而1~0.25 mm和5~2 mm團聚體含量出現(xiàn)不同程度下降，平均降幅在4.43%～24.30%。其中0~10 cm和10~20 cm土層>5 mm團聚體含量SG、SS、CS和WS較對照CG分別提高25.17%和11.65%、46.95%和24.63%、61.60%和62.34%、48.87%和38.59%；2~1 mm團聚體含量較對照CG分別提高5.28%和32.71%、13.06%和53.02%、34.96%和59.22%、68.60%和92.40%。此外20~30 cm、30~40 cm土層>5 mm和2~1 mm團聚體含量四種處理均較對照CG提高10個百分點以上，漲幅明顯低于表層土壤，漲幅順序為CS>WS>SS>GS。

2.4 秸稈覆蓋對土壤肥力的影響

土壤中有機和無機礦質(zhì)元素含量體現(xiàn)土壤肥力狀況，其組分在作物全生育期內(nèi)變化過程直接影響植株生長發(fā)育，經(jīng)方差分析各處理間有機質(zhì)與pH差異顯著（P=0.047~0.048<0.05），其他養(yǎng)分差異不顯著（P=0.103~0.896>0.05）。試驗區(qū)播種前和秋收后土壤肥力監(jiān)測成果見圖2。

圖2 土壤肥力變化Fig.2 Change of soil fertility

分析土壤有機質(zhì)成分變化差異，播種前耕層有機質(zhì)含量4種處理顯著升高，SG、SS、CS和WS分別較對照CG提高15.45%、20.91%、6.36、13.18%。對比播種前和秋收后0~40 cm土層有機質(zhì)含量僅對照CG出現(xiàn)下降，降幅2.27%，4種處理均呈明顯上升趨勢，較對照CG提高22.79%~33.95%，增幅6.02%~12.82%，增幅從大到小依次為CS>SS>SG>WS。主要原因是秸稈和殘茬處理可提高融雪與降水入滲，影響土壤中腐殖質(zhì)含量，促進地表植物殘骸腐化，因此4種處理春播期和秋收后有機質(zhì)含量均較對照提高且增幅高于播種前。

氮素是確保作物質(zhì)量和產(chǎn)量提高的必要因素。播種前對照CG全氮含量較覆蓋處理低2.78%~13.89%，與CS差異最顯著。各處理經(jīng)過作物完整生育期后均出現(xiàn)明顯下降，秋收后SG、SS、CS、WS和對照CG全氮含量降幅分別為4.73%、4.61%、4.27%、6.88%和10.28%。而堿解氮含量則呈現(xiàn)不同規(guī)律，各處理秋收后堿解氮含量明顯高于播種前，增幅達37.8%~67.56%，其中CS效果最顯著、SS次之。此外播種前和秋收后SG、SS、CS和WS分別較對照CG提高14.07%~17.43%和8.47%~29.13%，說明秸稈覆蓋有利于積累土壤氮素和提高供氮能力。播種前耕層速效磷含量SG、SS、CS、WS均高于對照CG，達30%以上，速效鉀含量則較對照CG降低2.07%~9.27%。秋收后速效磷和速效鉀含量各處理均呈下降趨勢，其中速效磷和速效鉀含量降幅分別為14.99%~21.63%和6.01%~23.56%、降幅順序為CS>WS>SS>SG。SG、SS、CS、WS速效磷和速效鉀含量分別較對照CG提高20.78%~50.23%和3.71%~18.26%。作物初期生物量較小對養(yǎng)分需求小，隨植株生長對營養(yǎng)需求不斷增大，導(dǎo)致速效磷和速效鉀含量下降，但秸稈覆蓋處理可明顯改善速效鉀供應(yīng)能力。適宜酸堿性可促進作物吸收土壤中養(yǎng)分和礦質(zhì)元素，玉米適宜土壤pH為5~8，以pH為6.5~7.0最適宜。對比播種前和秋收后土壤pH變化范圍SG、SS、CS、WS和CG分別為6.65~6.75、6.94~7.19、6.95~7.14、7.10~7.12與7.15~7.45。以上數(shù)據(jù)充分說明秸稈、殘茬覆蓋明顯改善玉米生育期土壤酸堿性，且隨覆蓋度增加土壤pH更趨于穩(wěn)定。

3 討論

秸稈還田可改善土壤物理特征，提高土壤滲水性，實現(xiàn)土壤節(jié)水、保墑目標(biāo)[9,14]。春旱是寒旱區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)作物種植期重要影響因素，直接影響種子萌發(fā)和作物生長。于慶峰等提出免耕秸稈覆蓋處理春播期土層含水率較傳統(tǒng)旋耕可提高8.35%~24.82%[15]；趙家煦等研究表明，作物生長前期，秸稈施入0~20 cm土層含水率較其他處理提高6.5%~14.7%[16]；均與本研究結(jié)論一致。同時發(fā)現(xiàn)播種期~苗期秸稈還田對表層土壤液態(tài)含水率貢獻率明顯高于深層，0~10 cm土層為覆蓋調(diào)控敏感區(qū)，其中碎桿覆蓋效果顯著達25%以上。進入作物拔節(jié)期后覆蓋調(diào)控區(qū)逐漸上移至0~5 cm，碎桿覆蓋和整桿覆蓋保墑優(yōu)勢明顯高于其他處理。原因可能是覆蓋方式影響種植區(qū)域性水分入滲，覆蓋層形成隔絕效應(yīng)影響土壤空氣交換通道直接導(dǎo)致蒸發(fā)差異。

4種秸稈還田方式均可有效降低耕層容重，0~40 cm土層容重平均降幅5.38%~6.77%，均高于對照傳統(tǒng)耕作，且降幅與土層深度呈負相關(guān)，隨土層延伸效果減弱，與張聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)合理運用秸稈開展保護性耕作可有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度結(jié)論吻合[17]。但各處理10~20 cm亞表層土壤結(jié)構(gòu)緩解作用明顯，尤其碎桿覆蓋在降低土壤容重方面效果更佳。本研究發(fā)現(xiàn)覆蓋處理可顯著提高0~20 cm土層大團聚體含量及穩(wěn)定性，20~40 cm效果不顯著（P>0.05），微團聚體則規(guī)律相反，與閆雷、盧倩倩等對黑土研究結(jié)果一致[18-19]。主要原因為表層秸稈與土壤接觸面積大，易于腐解，改善作為團聚體膠結(jié)材料有機質(zhì)的分布，促進表層大團聚體形成。此外因免耕導(dǎo)致土壤三項中固相比例增加，覆蓋措施對大團聚體促進作用主要體現(xiàn)在>5 mm粒徑，與李偉群等提出秸稈還田增加土壤中>2.0 mm和0.25~2.0 mm團聚體含量和王海霞等提出>5.0 mm徑級的土壤、機械穩(wěn)定團聚體含量隨土層加深而增加的結(jié)果不同[20-21]。

秸稈還田對釋放營養(yǎng)元素，增加土壤養(yǎng)分，改善土壤肥力和質(zhì)量具有緩沖和調(diào)節(jié)作用。本研究表明秸稈還田后有機質(zhì)均得到明顯提升，播種前條帶覆蓋與殘茬覆蓋增幅顯著，秋收后則碎桿覆蓋和整桿覆蓋增幅顯著。原因是播種前覆蓋隔絕效應(yīng)明顯，地表裸露處理便于休閑期土壤增溫和水分入滲利于有機質(zhì)形成，進入作物生育期后整體環(huán)境溫度升高，秸稈增墑恒溫優(yōu)勢凸顯，加速促進覆蓋物殘骸腐化，因此秋收后覆蓋度較高的處理有機質(zhì)提升迅速。同時本研究表明覆蓋處理對生育期全氮、堿解氮、速效磷及速效鉀均得到提高，同時調(diào)控耕層酸堿性具有一定效果，與王喜艷等[22]研究成果一致。但本試驗條件下播種前速效鉀出現(xiàn)下降趨勢且速效磷對覆蓋方式更為敏感，增幅均高于20%，碎桿覆蓋土壤養(yǎng)分增效顯著，與其研究略有不同。產(chǎn)生差異原因可能是因地處寒旱區(qū)播前期積溫較低對速效鉀釋放不利。

4 結(jié)論

a.秸稈覆蓋措施對提高0~40 cm耕層土壤水分效果明顯，覆蓋措施對土壤水分影響生育前期主要集中在表層0~10 cm，拔節(jié)期后影響范圍減小至0~5 cm，其中裸土留茬與條帶留茬保墑優(yōu)勢較小。

b.4種秸稈覆蓋方式均可有效降低0~40 cm耕層土壤容重5%以上，降幅與土層深度呈負相關(guān)，本試驗條件下10~20 cm亞表層土壤結(jié)構(gòu)緩解效果明顯，碎桿覆蓋效果最佳。

c.地表0~20 cm土層大團聚體含量及穩(wěn)定性對覆蓋方式響應(yīng)顯著，微團聚體具有相反規(guī)律，此外覆蓋措施對大團聚體促進作用主要體現(xiàn)在>5 mm粒徑。

d.對比傳統(tǒng)耕作，4種秸稈還田方式在提升耕層有機質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀等營養(yǎng)元素和調(diào)控土壤酸堿性均具有積極作用，受覆蓋方式影響增幅略有不同。

e.覆蓋度過高或過低均不利于改善耕層土壤環(huán)境，本試驗條件下碎桿覆蓋處理具有較高土壤墑情，合理養(yǎng)分分布及良好改善土壤結(jié)構(gòu)效果，是實現(xiàn)保墑、培肥、集約、增效的寒旱區(qū)東北黑土較理想的耕層構(gòu)造模式和秸稈還田技術(shù)。