秸稈還田方式對土壤理化性質(zhì)的綜合影響評價

陳 昊，饒繼翔，孫慶業(yè)

(安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601)

農(nóng)作物秸稈作為一種重要的生物質(zhì)資源，具有重要的養(yǎng)分價值，不但含有豐富的氮、磷、鉀以及部分微量元素，還含有豐富的木質(zhì)素和纖維素[1]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國每年產(chǎn)出大約7億t秸稈[2]，其中水稻、小麥和玉米3種糧食作物秸稈產(chǎn)量最高，可達(dá)5億t，分別占到總產(chǎn)量的29.0%、19.9%和37.5%[3]。這些秸稈資源若不能被有效合理地利用，將占用大量土地資源。

農(nóng)作物秸稈還田對土壤容重和孔隙度產(chǎn)生影響。馬永良等[4]通過研究表明，秸稈還田可以使0～20 cm耕作層土壤容重降低0.17～0.25 g·cm-3；同時秸稈還田增加土壤總孔隙度和毛管孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，抑制土壤板結(jié)，對退化土壤有一定的修復(fù)能力[5]。秸稈殘體施入后可以提高土壤孔隙度，減少水分的蒸發(fā)，增強(qiáng)土壤水分入滲能力從而增加土壤含水量[6]。秸稈還田不僅可以改善土壤的物理性狀，還可以減少土壤養(yǎng)分流失，增加土壤肥力，改善土壤質(zhì)量[7]。秸稈還田后，增加了土壤有機(jī)質(zhì)的積累，為微生物的活動提供了能源，提高了微生物的種類和數(shù)量[8]；同時秸稈腐解產(chǎn)生的大量的N、P和K，又可以為作物提供養(yǎng)分[9]，秸稈還田減少了焚燒污染，保護(hù)了大氣環(huán)境[10]。但是秸稈還田增加土壤養(yǎng)分元素的同時可能會導(dǎo)致潛在面源污染?，F(xiàn)有關(guān)于秸稈還田研究有很多，主要是針對還田量和還田方式對土壤物理性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤微生物和土壤酶活，說明秸稈還田對土壤的影響因秸稈種類、數(shù)量、溫度和水分等多種情況而有所不同，但是以往的研究往往只針對一季作物秸稈還田，對于砂姜黑土地區(qū)小麥-玉米輪作模式下兩季作物秸稈均還田對土壤的影響缺少系統(tǒng)性的研究。

為此，本試驗在砂姜黑土地區(qū)麥玉輪作模式下開展大田試驗，在小麥季和玉米季均進(jìn)行秸稈還田，并設(shè)置了不同的秸稈還田量，研究其對土壤養(yǎng)分的影響，確定在當(dāng)前習(xí)慣性施肥下最適合的秸稈還田量，為麥玉輪作砂姜黑土地區(qū)提供科學(xué)依據(jù)，以期找到一種既可以提高土壤肥力，又可以減少潛在面源污染，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的還田方式。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為安徽省宿州市埇橋區(qū)的宿州市農(nóng)科院的試驗田，該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，光照充分，雨量適中，雨量多集中于夏秋季，年平均氣溫15.7 ℃，無霜期約210 d。土壤土質(zhì)為砂姜黑土，試驗田主要耕作方式為小麥-玉米輪作，宿州市年平均降水量在774～896.3 mm。

每個處理設(shè)計4個重復(fù)，每個種植小區(qū)面積相同，長15 m，寬8 m。本試驗采用旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕還田，將田里秸稈全部清除后進(jìn)行測算后再進(jìn)行返田。秸稈還田量分別為小麥秸稈全還田（114.31 kg），玉米秸稈全還田（122.03 kg），小麥秸稈50%還田（57.15 kg），玉米秸稈50%還田（61.02 kg）。設(shè)定為設(shè)置7個處理（見表1）每個處理4個重復(fù)進(jìn)行試驗探討其中地下鋪設(shè)地膜以防止深處土層對耕作土壤的影響。小麥播種行距20 cm，播種量為165 kg·hm-2。播種玉米行距60 cm，播量為45 kg·hm-2。小麥季施肥：尿素585 kg·hm-2、過磷酸鈣750 kg·hm-2、氯化鉀150 kg·hm-2；玉米季施肥：配方25-12-8復(fù)合肥540 kg·hm-2氯化鉀82.5 kg·hm-2過磷酸鈣465 kg·hm-2。施肥為施肥總量進(jìn)行一次性施肥，除G處理外，其余處理均在相同時間施相同量肥料。

表1 不同秸稈還田方式的處理Table 1 Treatment of different straw returning methods

供試品種小麥季選用國審小麥新品種宿553，2017年10月23日播種；玉米季選用大穗型玉米新品種隆平206，2018年6月20日播種，連續(xù)2年實施，自2017年到2019年，每年實施日期有細(xì)微差別。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與預(yù)處理 2019年3月用土鉆采集各試驗小區(qū)0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土樣，每試驗小區(qū)采集5份土壤亞樣本混勻為1個土壤樣本，采樣之前將地面的作物以及凋落物去除。所采集的土壤樣品帶回實驗室分成兩部分，一部分冷凍儲存，另一部分于室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨后過20目和100目篩后用于土壤理化性質(zhì)分析。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)的測定 采用單因素方土壤理化性質(zhì)的測定參照《土壤農(nóng)化分析》[11]。土壤含水量采用烘干法測定，土壤總氮采用凱氏定氮法測定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀濕氧化法。土壤中的銨氮采用靛酚藍(lán)比色法，硝氮采用紫外分光光度法。微生物量氮采用熏蒸法測定[12]。

方差分析和Duncan法檢驗不同秸稈還田處理后土壤養(yǎng)分之間的差異（P＜0.05）。借助SPSS15進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 指標(biāo)篩選方法

1.3.1 指標(biāo)的選取 選取能反應(yīng)土壤理化性質(zhì)的含水率、有機(jī)碳、全氮、銨氮、硝氮、微生物量氮、速效磷和全磷作為候選指標(biāo)。

1.3.2 指標(biāo)篩選方法 對指標(biāo)的獨(dú)立性進(jìn)行分析，將待篩選指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，符合正態(tài)分布檢驗的候選指標(biāo)進(jìn)行Person相關(guān)性分析，不符合正態(tài)分布的采用Spearman秩相關(guān)分析，采用統(tǒng)計學(xué)分析和主觀判斷相結(jié)合的原則，選取相對獨(dú)立和重要的指標(biāo)作為評價指標(biāo)。

1.3.3 評價方法 利用熵權(quán)法對不同處理后的土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田處理下對各深度土壤含水率影響

不同處理不同土層間含水率變化極大。如圖1所示同一處理下，土層越深含水率越高，從0～20 cm土層到40～60 cm土層，含水率依次增加。0～20 cm土層含水率變化顯著，其中含量最低為處理G，僅為8.6%，含水率最高為處理F，達(dá)到15.25%，秸稈還田對含水率有顯著影響。

圖1 不同秸稈還田處理對各深度土壤含水率的影響Figure 1 Effects of different straw returning treatments on soil moisture content at different depths

2.2 不同秸稈還田處理對各深度土壤有機(jī)碳影響

通過圖2可以明顯看出0～40 cm土層各處理土壤有機(jī)碳含量均比處理G高，說明秸稈還田對土壤有機(jī)碳有顯著影響。處理C土壤有機(jī)碳含量最高，達(dá)到6.51%，比對照G增加33.03%～60.23%。0～20 cm土層中，各處理土壤有機(jī)碳含量按從小到大排序依次是：G＜D＜E＜F＜A＜B＜C，土壤有機(jī)碳有隨著秸稈還田量的增加而增加的趨勢。同一處理中隨著土層深度增加土壤有機(jī)碳含量下降。

圖2 不同秸稈還田處理對各深度土壤有機(jī)碳的影響Figure 2 Effects of different straw returning treatments on soil organic carbon at different depths

2.3 不同秸稈還田方式對各深度土壤氮素影響

通過比較不同處理和不同深度土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化后發(fā)現(xiàn)，各處理間氮素水平各不相同（表2）。秸稈還田對土壤氮素含量影響顯著，處理C土壤總氮含量最高，且與其他處理達(dá)到顯著差異，A、B、C、E和F處理下全氮含量分別增加了78.29%、83.16%、90.74%、47.74%和51.74%，銨態(tài)氮降低，硝態(tài)氮增加，并且這種增加與還田秸稈量有關(guān)，小麥玉米秸稈全量還田增加總氮效果最好。

表2 不同秸稈還田處理對不同深度土壤氮素的影響Table 2 Effects of different straw returning treatments on soil nitrogen at different depths

2.4 不同的秸稈還田方式對各深度土壤微生物量氮的影響

根據(jù)圖3得到結(jié)果顯示，在0～60 cm整體土層中，與處理G相比，其余處理下微生物氮含量均呈增加趨勢，差異達(dá)到顯著水平，秸稈還田對土壤微生物有影響，其中0～20 cm土層處理C的微生物氮含量最高，為14.71 mg·kg-1，相較于對照處理G增加了128.41%。在0～20 cm土層中，微生物量氮含量從低到高依次是G＜D＜E＜F＜B＜A＜C。

圖3 不同秸稈還田處理對各深度土壤微生物量氮的影響Figure 3 Effects of different straw returning treatments on soil microbial biomass nitrogen at different depth

2.5 不同的秸稈還田方式對各深度土壤全磷和速效磷的影響

通過表3可知，與對照處理G相比，秸稈還田處理的全磷速效磷含量均明顯增加，秸稈還田可以提高土壤磷素含量。其中0～20 cm土層中，處理C下全磷含量最高，為830.87 mg·kg-1比處理G增加了26.23%，同時增加了162.06%的速效磷含量；處理G含量最低，為658.61 mg·kg-1，0～20 cm土層磷含量從低到高依次是G＜D＜E＜F＜A＜B＜C。

表3 不同秸稈還田方式對各深度土壤全磷和速效磷的影響Table 3 Effects of different straw returning methods on soil total phosphorus and available phosphorus in different depth

2.6 不同秸稈還田方式對土壤影響效果綜合評價

2.6.1 指標(biāo)的篩選 相關(guān)性分析結(jié)果表明（表4），幾種秸稈還田處理均可以對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，為評價不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分實際影響效果，對候選指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，可以看出有機(jī)碳與其余指標(biāo)相關(guān)性極強(qiáng)，因此舍去；硝氮與全氮相關(guān)性極強(qiáng)，速效磷與全磷相關(guān)性極強(qiáng)，但是全氮與全磷能全面反映土壤養(yǎng)分情況，因此保留全氮和全磷作為評價指標(biāo)；雖然微生物量氮與其余指標(biāo)相關(guān)性顯著，但是微生物量氮可以反映土壤微生物數(shù)量和活性，所以予以保留。根據(jù)上述分析選取含水率、全氮、銨氮、微生物量氮和全磷5個指標(biāo)作為土壤養(yǎng)分評價指標(biāo)。

表4 Person相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 Results of Person correlation analysis

2.6.2 土壤綜合評價 采用熵權(quán)法計算篩選出來的5個指標(biāo)的權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重見表5。

表5 各指標(biāo)權(quán)重Table 5 Weight of each index

秸稈還田可以增加土壤養(yǎng)分，但是養(yǎng)分增加會帶來養(yǎng)分流失風(fēng)險，在土壤養(yǎng)分流失中，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是氮素流失的主要形式，主要是通過地表徑流的方式流失[13]。磷素則主要通過降水和排水造成的地表徑流以溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷的形式從土壤進(jìn)入水體中[14]，通過計算銨氮與硝氮之和占總氮的比例即RN以及速效磷占總磷的比例Rp，即 ：

通過比較各個處理以及各土層中RN和RP的高低來評估潛在的養(yǎng)分流失風(fēng)險（見表6）。

表6 土壤綜合評價Table 6 Comprehensive evaluation of soil

通過熵權(quán)法得出的結(jié)果可以看出在0～20 cm養(yǎng)分增加效果更好的是A（小麥秸稈全量還田處理）、B（玉米秸稈全量還田）和C（小麥玉米秸稈全量還田），效果最好的是C處理。根據(jù)RN和RP可以評估潛在的養(yǎng)分流失風(fēng)險。在0～20 cm土層，除對照處理D和G外，養(yǎng)分流失風(fēng)險B＞A＞C＞E＞F，因此得出在增加土壤養(yǎng)分的前提下，小麥玉米秸稈全還田處理是一種既能增加養(yǎng)分又能降低潛在的面源污染的手段。同時C處理在垂直剖面上養(yǎng)分流失風(fēng)險也是最低的。

3 討論與結(jié)論

土壤含水率受土壤孔隙度、土壤容重的影響，梁衛(wèi)等[15]在試驗研究中發(fā)現(xiàn)秸稈還田配合施肥處理可以減少水分蒸發(fā)改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的含水率。本研究結(jié)果表明0～40 cm土層中，秸稈還田處理的土壤中含水量顯著高于不施肥也不還田處理，因為秸稈還田后有機(jī)物料的腐解可以改善土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤水分[16]。但是在本試驗中小麥玉米秸稈全還田的處理下土壤含水率最低，這是由于還田秸稈數(shù)量過多，導(dǎo)致土壤容重過低，土壤過于松散，水分蒸發(fā)嚴(yán)重，這在蔣向[17]對玉米秸稈對含水率的影響研究中得以證實。

土壤有機(jī)碳含量與土壤肥力密切相關(guān)，具有重要研究意義。研究證明[18]，玉米和小麥秸稈還田添加了外源有機(jī)物質(zhì)，顯著增加土壤中的有機(jī)碳含量[19]。秸稈還田后土壤有機(jī)碳含量增加，大致有兩個原因：一是秸稈本身作為一種碳源輸入后，增加了土壤中可利用碳源[20]；另一方面相關(guān)報道認(rèn)為是由于秸稈作為外源有機(jī)質(zhì)輸入后可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，團(tuán)聚體形成后增強(qiáng)了對有機(jī)碳的保護(hù)和固持能力[21]。袁曉明等[22]通過試驗發(fā)現(xiàn)，全量秸稈還田相較于半量秸稈還田對土壤有機(jī)碳提升更高。本研究發(fā)現(xiàn)不同種類秸稈還田效果有差異，小麥秸稈還田效果優(yōu)于玉米秸稈，這主要是由于兩種秸稈性質(zhì)不同導(dǎo)致的，小麥秸稈木質(zhì)素含量低，分解容易，更容易影響土壤中有機(jī)碳含量，這與李碩等[23]和梁堯等[24]的研究結(jié)果相一致。

土壤全氮是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，與土壤活性有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，受到廣泛關(guān)注[25]。研究結(jié)果表明，秸稈作為一種外源物質(zhì)進(jìn)行添加，可以有效增加土壤的全氮積累量，含量隨還田秸稈量的增加而增加，這與其他研究[26]結(jié)果相一致。同時小麥和玉米秸稈還田后碳氮比升高，高碳氮比促進(jìn)土壤中的微生物吸收更多無機(jī)氮滿足自身的需要[27]，微生物可以利用更多銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[28]，致使更多有效態(tài)氮被同化進(jìn)入土壤氮庫，增加了土壤氮庫的總量[29]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以增加土壤NH4+-N和NO3--N含量[30]，通過降低土壤容重，提高土壤透氣性[31]，使氮素更容易硝化，促進(jìn)NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化[32]。

微生物量氮對土壤擾動比較敏感，因此可以作為土壤生物指標(biāo)[33]。雖然微生物量氮僅占全氮的2%～6%[34]，但是土壤微生物量氮作為指示土壤微生物數(shù)量與活性的重要指標(biāo)，可以反映土壤肥力情況。本次研究結(jié)果表明，秸稈還田為微生物提供碳源和氮源，促進(jìn)微生物活性不斷增強(qiáng)，從而影響微生物量氮含量[35]。矯麗娜等[36]通過相關(guān)試驗研究發(fā)現(xiàn)，深層土層比0～20 cm土層微生物氮含量低，這是由于上層土壤可以更好地與外界進(jìn)行物質(zhì)能量交換，進(jìn)入土層后養(yǎng)分優(yōu)先聚集于表層，底層土層不能與外界進(jìn)行物質(zhì)能量交換，因此微生物量氮含量低。

秸稈中含有豐富的磷素，隨著秸稈腐解養(yǎng)分釋放，徐國偉等[37]通過連續(xù)3年秸稈還田試驗，發(fā)現(xiàn)秸稈還田后土壤中全磷和速效磷含量顯著增加，張振江[38]對小麥秸稈進(jìn)行長期還田后顯著增加了土壤全磷和速效磷含量，這與本次研究結(jié)果一致。

通過綜合評價土壤養(yǎng)分，與對照處理G相比，其余處理均能增加土壤養(yǎng)分，養(yǎng)分增加效果C＞B＞A＞F＞E＞D＞G；為了降低土壤養(yǎng)分流失造成環(huán)境面源污染的潛在風(fēng)險，應(yīng)結(jié)合土壤養(yǎng)分進(jìn)行風(fēng)險評估，0～20 cm養(yǎng)分流失風(fēng)險各秸稈還田處理養(yǎng)分流失風(fēng)險依次是E＞F＞C＞A＞B，垂直剖面上流失風(fēng)險最低的是C處理。綜合土壤養(yǎng)分增加狀況與養(yǎng)分流失風(fēng)險，可以得出小麥玉米秸稈全量還田是一種更好的還田方式。但是由于本試驗時間較短，要揭示秸稈還田對土壤養(yǎng)分提升以及潛在面源污染的環(huán)境評估仍需進(jìn)行長時間的監(jiān)測與研究。

不同類型和數(shù)量的秸稈還田都可以增加土壤的養(yǎng)分，改善土壤理化性質(zhì)。針對增加土壤養(yǎng)分，效果最好的是小麥玉米秸稈全還田。從減少潛在的面源污染風(fēng)險的角度來講，適當(dāng)?shù)慕斩掃€田可以降低養(yǎng)分流失風(fēng)險，耕作層各秸稈還田處理養(yǎng)分流失風(fēng)險依次是E＞F＞C＞A＞B。綜合考慮，小麥玉米秸稈全量還田是一種更好的還田方式，既可以改善土壤狀況，增加土壤養(yǎng)分，又可以降低潛在的面源污染風(fēng)險，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。