長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)提高小麥-玉米輪作耕層土壤養(yǎng)分及產(chǎn)量分析

李守華

（濰坊市坊子區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東濰坊 261200）

0 引言

農(nóng)作物秸稈是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的數(shù)量最多的農(nóng)副產(chǎn)品，是農(nóng)作物收獲經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量后的剩余部分，其含有大量的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和水，其中有機(jī)物以碳水化合物為主[1]。秸稈循環(huán)利用涉及整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的土壤肥力、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、農(nóng)村新能源利用等領(lǐng)域，目前已引起世界多個(gè)國(guó)家尤其是歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍關(guān)注[2-3]。目前一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)秸稈還田等方式實(shí)現(xiàn)秸稈綜合利用，而且數(shù)量很大[4-6]，中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源非常豐富，年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈大于9億t。以前，農(nóng)作物秸稈常用于農(nóng)民日常生活燃料和畜牧飼料，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、農(nóng)民生活水平提高和畜牧養(yǎng)殖的規(guī)?；⒓s化發(fā)展，農(nóng)作物秸稈不再主要用于農(nóng)民日常燃料和畜牧飼料，出現(xiàn)大量剩余，大部分農(nóng)作物秸稈被任意堆積田間地頭而浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)在田間焚燒秸稈等現(xiàn)象，既浪費(fèi)了能源，又造成了環(huán)境污染，與當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展不相適應(yīng)。據(jù)測(cè)定，農(nóng)作物秸稈中有機(jī)質(zhì)含量約為150 g/kg，氮、磷、鉀、鈣、硫等元素含量也很豐富[7]。因此，實(shí)施秸稈還田把作物秸稈（玉米秸稈、小麥秸稈等）直接粉碎還田或堆積腐熟后施入土壤中，可以提高土壤肥力，改善土壤理化結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水能力，提高作物產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中有舉足輕重的作用[8]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈還田在提高土壤肥力方面做了一些研究，取得了重要進(jìn)展[9-13]，但大多周期較短，有的只是對(duì)單一小麥或玉米作物進(jìn)行跟蹤研究，沒(méi)有揭示小麥玉米輪作產(chǎn)量，難以揭示長(zhǎng)期實(shí)施秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分以及小麥玉米綜合產(chǎn)量的影響。因此，本研究對(duì)秸稈還田以及土壤養(yǎng)分含量影響等相關(guān)研究有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 秸稈還田定位試驗(yàn)方法

1.1 定位試驗(yàn)

從2009年小麥?zhǔn)斋@秸稈還田開始，在坊子區(qū)九龍街道穆三村實(shí)施秸稈還田定位試驗(yàn)，將面積0.67 hm2以上地塊分為秸稈還田和非秸稈還田對(duì)照地塊各0.33 hm2，所選地塊土壤為黏性壤，酸化板結(jié)嚴(yán)重，保水性差，透氣性低，有機(jī)質(zhì)含量低。試驗(yàn)地塊采用小麥-玉米一年兩熟輪作種植方式。秸稈還田均采用小麥高留茬秸稈粉碎還田、玉米秸稈粉碎機(jī)械還田，非秸稈還田對(duì)比地塊小麥、玉米收獲后所有秸稈全部清除干凈。定位試驗(yàn)地塊采用常規(guī)同等水肥管理，小麥品種采用‘濟(jì)麥22’配合寬幅精播技術(shù)，玉米品種采用‘鄭單958’，對(duì)連續(xù)10年秸稈還田定位試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。秸稈還田定位試驗(yàn)期內(nèi)試驗(yàn)田塊小麥、玉米播種密度、栽培管理方式、施肥量等嚴(yán)格保持一致，澆水結(jié)合雨情墑情進(jìn)行。2009年小麥?zhǔn)斋@前取土樣測(cè)定有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為保證農(nóng)作物秸稈在土壤中充分腐熟分解，土壤理化性狀取樣測(cè)定時(shí)間從2010年5月小麥?zhǔn)斋@前期開始，取土方式為耕層土壤15～20 cm處。小麥、玉米產(chǎn)量測(cè)定從2010年夏季開始。

1.2 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定（重鉻酸鉀—油浴法）

在加熱的條件下，用過(guò)量的重鉻酸鉀—硫酸(K2Cr2O7－H2SO4)溶液，氧化土壤有機(jī)質(zhì)中的碳[14-15]，Cr2O-27等被還原成Cr+3，剩余的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)用硫酸亞鐵(FeSO4)標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計(jì)算出有機(jī)碳量，再乘以常數(shù)1.724，即為土壤有機(jī)質(zhì)量。

1.3 土壤速效氮測(cè)定

參考李立平[16]和侯彥林[17]等總結(jié)的土壤速效氮測(cè)定方法，采用水楊酸法直接測(cè)定。硝酸根在無(wú)水條件下被硫酸轉(zhuǎn)化為亞硝酸離子(NO2-)，后者再與水楊酸鹽反應(yīng)生成硝基苯化合物，硝基苯化合物在堿性條件下轉(zhuǎn)化成黃色的醌型化合物，顏色深淺與硝酸根濃度成正比，比色波長(zhǎng)為410 nm，檢出限可達(dá)0.1 mg NO3-/L，顯色液顏色穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

1.4 土壤速效磷測(cè)定

參考李立平[16]和侯彥林[17]等總結(jié)，利用比色法測(cè)定土壤速效磷。酸性土壤中的磷主要是以Fe-P，A1-P的形態(tài)存在，利用氟離子在酸性溶液中絡(luò)合Fe3+和Al3+的能力，可使這類土壤中比較活性的磷酸鐵鋁鹽被陸續(xù)活化釋放，同時(shí)由于H+的作用，也能溶解出部分活性較大的Ca-P，然后用鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定。

1.5 土壤速效鉀測(cè)定

參考李立平[16]和侯彥林[17]等總結(jié)的采用火焰光度法，基本原理是：用1 mol/L NH4OAc浸提土壤，將膠體表面吸附的鉀離子全部浸提出來(lái)，而與礦物晶格固定的鉀決然分開。

1.6 產(chǎn)量測(cè)定

小麥、玉米產(chǎn)量均采用對(duì)定位地塊確定的面積部分機(jī)械收獲實(shí)收測(cè)定產(chǎn)量。

2 秸稈還田定位試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 對(duì)土壤耕層有機(jī)質(zhì)的影響

從圖1秸稈還田定位研究看出，連續(xù)秸稈還田的地塊，2019年土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為13.53 g/kg，比2009年基礎(chǔ)數(shù)據(jù)增加土壤有機(jī)質(zhì)3.33 g/kg，增幅達(dá)32.65%，平均年增有機(jī)質(zhì)0.333 g/kg；非秸稈還田對(duì)照地塊2019年土壤有機(jī)質(zhì)含量平均僅為10.22 g/kg，增加0.02 g/kg，增幅僅為0.196%。表明連續(xù)采用秸稈還田可有效增加土壤中的有機(jī)質(zhì)的含量，這和孫星的研究結(jié)果是基本一致的[18-19]。

圖1 秸稈還田對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 對(duì)土壤耕層速效氮、磷、鉀養(yǎng)分的影響

土壤中堿解氮有逐年提高的趨勢(shì)，土壤堿解氮提高的原因主要是氮肥使用量的增加，尤其是尿素、碳酸氫銨、磷酸二銨和復(fù)合肥等易溶肥料的使用，加快了土壤氮素的積累，另一個(gè)重要的因素就是秸稈還田的連續(xù)實(shí)施，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，從而增加了土壤中氮素的積累和分解。從圖2可以看出，2019年土壤堿解氮含量平均為92 mg/kg，比2009年增加22 mg/kg，堿解氮含量平均年增加2.2 mg/kg；從圖3可以看出，10年間非秸稈還田地塊的堿解氮幾乎沒(méi)有增加，2019年堿解氮含量?jī)H為70.1 mg/kg。由此可以表明連續(xù)采用秸稈還田可有效增加土壤中的堿解氮的含量[20-21]。

圖2 秸稈還田對(duì)耕層土壤養(yǎng)分的影響

圖3 非秸稈還田對(duì)耕層土壤養(yǎng)分的影響

土壤中有效磷含量大幅度增加，除施肥因素外，這與秸稈還田的作用有很大的相關(guān)性。秸稈還田定位試驗(yàn)證明，長(zhǎng)期秸稈還田能有效增加土壤中的有效磷含量，對(duì)于促進(jìn)磷的礦化也有一定的作用。從圖2可以看出，2019年土壤有效磷含量平均為37.9 mg/kg，比2009年增加13 mg/kg，有效磷含量平均年增加1.3 mg/kg；從圖3可以看出，10年間非秸稈還田地塊的有效磷沒(méi)有增加，2019年有效磷含量?jī)H為24.8 mg/kg。由此可以表明連續(xù)秸稈還田可有效增加土壤中的有效磷的含量[22]。

土壤速效鉀含量水平大幅提高，隨著連續(xù)的秸稈還田，土壤中鉀含量逐年增加。從圖2可以看出，2019年土壤速效鉀含量平均為152 mg/kg，比2002年增加38 mg/kg，速效鉀含量平均年增加3.8 mg/kg；從圖3可以看出，10年間非秸稈還田地塊的速效鉀沒(méi)有增加，2019年速效鉀含量?jī)H為114.1 mg/kg。由此可以表明連續(xù)采用秸稈還田可有效增加土壤中的速效鉀的含量[23-24]。

2.3 對(duì)糧食產(chǎn)量的影響

如表1所示：定位試驗(yàn)產(chǎn)量結(jié)果測(cè)定：實(shí)行連續(xù)秸稈還田，小麥年平均增產(chǎn)144 kg/hm2，增幅22.88%。玉米年平均增產(chǎn)207.6 kg/hm2，增幅34.15%。非秸稈還田小麥年平均增產(chǎn)69.75 kg/hm2，增幅11.36%，玉米年平均增產(chǎn)89.25 kg/hm2，增幅14.77%。表明秸稈還田能夠有效增加作物產(chǎn)量[25]。

表1 不同年度小麥、玉米平均產(chǎn)量結(jié)果

3 結(jié)論與討論

（1）在連續(xù)秸稈還田的地塊，土壤有機(jī)質(zhì)平均年增加0.333 g/kg，堿解氮含量平均年增加2.2 mg/kg，有效磷含量平均年增加1.3 mg/kg，速效鉀含量平均年增加3.8 mg/kg，試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，連續(xù)多年的小麥高留茬加玉米秸稈還田，能提高土壤養(yǎng)分含量。土壤養(yǎng)分增加也提高了小麥、玉米產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益的雙增。

（2）秸稈還田能夠維持土壤養(yǎng)分平衡，提高肥料利用率。秸稈還田為土壤微生物生命活動(dòng)提供了豐富的碳源，促進(jìn)了土壤微生物生長(zhǎng)、繁殖，提高了土壤的生物活性[26]：一方面，秸稈還田促進(jìn)了耕層土壤中難溶性磷和微量元素轉(zhuǎn)化為有效磷和可以利用的微量元素，土壤氮素得以固定和保存，減少了氮的損失，從而提高了肥料利用率。另一方面，秸稈還田為耕層土壤補(bǔ)充了氮、磷、鉀、硅及多種微量元素，為作物吸收提供了60%的微量元素。

（3）秸稈還田的同時(shí)應(yīng)當(dāng)配合一定氮肥，調(diào)節(jié)碳氮比。土壤微生物分解秸稈要消耗一定量的氮素，一定程度地降低了耕層土壤氮素含量，所以秸稈還田后配合追施一定量氮肥，以調(diào)節(jié)耕層土壤的碳氮比，以解決作物生長(zhǎng)與秸稈腐解爭(zhēng)氮的問(wèn)題。

（4）秸稈還田應(yīng)當(dāng)結(jié)合農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝配套技術(shù)。秸稈還田增加耕層土壤養(yǎng)分含量的同時(shí)，也有其弊端，主要表現(xiàn)在土壤縫隙大沉實(shí)不足影響出苗率，病蟲害草害高發(fā)等弊端。

A.秸稈還田容易造成土壤不能沉實(shí)，影響作物出苗率，因此秸稈還田后及時(shí)采取機(jī)械鎮(zhèn)壓和澆水以沉實(shí)土壤，確保種子與土壤接觸緊密，提高種子發(fā)芽率。

B.秸稈還田容易引發(fā)病蟲害，在播種前后及田間管理注意病蟲草害的防治。

C.隨著城市化進(jìn)程和土地流轉(zhuǎn)加快，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大多是年老體弱者，秸稈還田要求較高的農(nóng)業(yè)機(jī)械程度，因此需要農(nóng)機(jī)研發(fā)單位、生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)技部門通力合作，研發(fā)較高科技含量的與秸稈還田相配套的秸稈還田、播種等系列機(jī)械，解決農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不配套的問(wèn)題。

（5）大田栽培條件下，作物的產(chǎn)量是受管理水平、水肥投入、氣象因素等多種條件影響的。在非秸稈還田對(duì)照地塊，其產(chǎn)量提高是栽培管理水平、農(nóng)藝技術(shù)提高等綜合因素的結(jié)果。