秸稈不同還田方式對(duì)輪作小麥—玉米產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分及蔗糖酶活性的影響

王 晶，孫松青，李 雪，高鳳婕，吳欽泉，石國(guó)明，胡 凱，耿立中，馬學(xué)文，

(1.山東農(nóng)大肥業(yè)科技股份有限公司/山東省腐殖酸高效利用示范工程技術(shù)研究中心，山東泰安 271600；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐殖酸類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271000； 3.土肥高效利用國(guó)家工程研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安 271018； 4.山東省東平縣農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，山東東平 271599；5.山東省鄄城縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東鄄城 274699； 6.山東省惠民縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東惠民 251700)

在我國(guó)糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，由于化肥大量施用和有機(jī)肥施用量較低，土壤質(zhì)量逐步惡化[1]。秸稈還田是合理利用資源、提高土壤肥力的重要途徑。當(dāng)前我國(guó)可利用秸稈量有9億t，在禁止焚燒秸稈的現(xiàn)實(shí)情況下，龐大的秸稈資源如何高效利用成為亟待解決的問題。秸稈還田是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍采取的措施，可以蓄水保墑、改善土壤板結(jié)、提高土壤養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)含量[1]，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤孔隙度、降低土壤容重[2]和緊實(shí)度、增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、減少水分蒸發(fā)，提高土壤含水量和水分利用率、調(diào)節(jié)土壤熱通量、改善土壤養(yǎng)分狀況，提升土壤肥力。另外，秸稈還田能提高土壤微生物活性。龐荔丹等的研究表明，玉米秸稈配氮還田能顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性[3]；高日平等的研究表明，秸稈還田能顯著提高土壤堿性磷酸酶活性[4]；趙雪淞等的研究表明，秸稈還田處理均可顯著增加花生種植土壤微生物量[5]。秸稈還田能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，高盼等的試驗(yàn)表明，與秸稈不還田處理相比，秸稈翻埋還田和秸稈覆蓋還田春玉米產(chǎn)量分別提高了17.20%、15.02%[6]。另有研究表明，秸稈還田還能增加甜瓜[7]、水稻、青椒[8]、花生[5]等農(nóng)作物的產(chǎn)量。秸稈還田既能培肥地力，又能減少化肥的使用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)約成本，增產(chǎn)增效[9-10]。秸稈還田的主要方式有秸稈粉碎直接還田、秸稈覆蓋還田、秸稈堆肥還田、秸稈過腹還田等[11]，其中秸稈粉碎直接還田方式簡(jiǎn)單、易行、成本低，是大田糧食作物普遍采取的一種方式，但其在實(shí)際生產(chǎn)中由于耕作方式、耕作深度、粉碎程度等處理不當(dāng)也存在很多問題，例如：秸稈還田阻礙下茬作物出苗、缺苗斷垅、弱苗[12]，秸稈腐解與農(nóng)作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分，加重作物病蟲害等，使得農(nóng)民秸稈還田的積極性并不高。

針對(duì)秸稈還田現(xiàn)狀，為探索比較黃淮海地區(qū)農(nóng)田小麥、玉米主要農(nóng)作物秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)及作物生長(zhǎng)影響，本研究對(duì)輪作小麥—玉米栽培中秸稈直接還田幾種方式的效果進(jìn)行研究，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物秸稈還田技術(shù)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

采取大田小區(qū)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2020年10月13日至2021年10月24日。小區(qū)寬2.3 m，長(zhǎng) 34 m，每小區(qū)面積為78 m2。

1.2 試驗(yàn)材料

供試土壤：供試土壤為普通棕壤(簡(jiǎn)育濕潤(rùn)淋溶土)，中壤質(zhì)地，有機(jī)質(zhì)含量8.76 g/kg，土壤pH值(水土比=1 ∶1)7.25，電導(dǎo)率(水土比=5 ∶1)271.78 μS/cm，全氮含量為1.10 g/kg，硝態(tài)氮含量為10.42 mg/kg，銨態(tài)氮含量為5.20 mg/kg，有效磷含量為13.24 mg/kg，速效鉀含量為108.52 mg/kg。

供試作物品種：小麥品種為濟(jì)麥22，生育期約240 d，于2020年10月10日播種，播種量 225 kg/hm2，行距23 cm；玉米品種為登海605，生育期約為96 d，于2021年6月24日播種，行距60 cm、株距24 cm，播種密度為67 500株/hm2。

供試秸稈：小麥栽培所用秸稈為上茬玉米秸稈，玉米栽培所用秸稈為上茬小麥秸稈。秸稈用量為上茬作物的全部秸稈，秸稈打碎方式為上茬作物收獲時(shí)機(jī)械粉碎，粉碎長(zhǎng)度小于5 cm。

供試肥料：復(fù)合肥為山東農(nóng)大肥業(yè)科技股份有限公司生產(chǎn)的小麥專用復(fù)合肥(N含量17%，P2O5含量20%，K2O含量5%)、玉米專用復(fù)合肥(N含量20%，P2O5含量5%，K2O含量15%)，有機(jī)肥為市售腐熟牛糞(有機(jī)物質(zhì)含量35.5%，總養(yǎng)分含量4.8%)，菌劑為微生物發(fā)酵菌劑(禾肥1號(hào)，山東寶來利來生物工程股份有限公司生產(chǎn)，原料：枯草芽孢桿菌、釀酒酵母及其代謝產(chǎn)物、麥飯石粉等)。

1.3 試驗(yàn)處理

以秸稈不還田為對(duì)照，根據(jù)秸稈直接還田翻耕方式、次數(shù)、與有機(jī)肥及微生物肥混施等，試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理(表1)，重復(fù)3次。

表1 試驗(yàn)方案

整個(gè)研究為小麥—玉米輪作試驗(yàn)，先進(jìn)行玉米秸稈還田小麥栽培試驗(yàn)，再進(jìn)行小麥秸稈還田玉米試驗(yàn)。各處理均按750 kg/hm2施用復(fù)合肥，秸稈還田各處理中的秸稈用量為上茬作物的全部秸稈，秸稈打碎方式為上茬作物收獲時(shí)機(jī)械粉碎，粉碎長(zhǎng)度小于8 cm。各處理的旋耕、翻耕深度均為25 cm，使用當(dāng)?shù)爻Ｓ么笮蜋C(jī)械進(jìn)行耕作；DR處理有機(jī)肥施用量為30 t/hm2，SRB處理菌劑施用量為 75 kg/hm2，施用方式均為撒施后耕作。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

采集小麥抽穗末期(2021年4月28日)、第2茬玉米拔節(jié)期(2021年7月10日)和灌漿期(2021年9月9日)3個(gè)生長(zhǎng)期0～20 cm土樣測(cè)定養(yǎng)分及微生物指標(biāo)；小麥?zhǔn)斋@期為2021年6月17日，玉米收獲期為2021年10月9日，測(cè)定作物產(chǎn)量指標(biāo)。具體測(cè)定指標(biāo)及方法如下：

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；2 mol/L 氯化鉀浸提新鮮土樣后，用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量；1 mol/L中性乙酸銨浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定土壤速效鉀含量；土壤蔗糖酶活性采用比色法測(cè)定。

作物產(chǎn)量：每小區(qū)劃定4 m2測(cè)小麥產(chǎn)量；每小區(qū)每行連續(xù)砍30株玉米測(cè)玉米產(chǎn)量。玉米穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量測(cè)定方法為點(diǎn)數(shù)、計(jì)算稱質(zhì)量得到。

純收入=小麥(玉米)產(chǎn)量×小麥(玉米)銷售單價(jià)-農(nóng)民總支出。

1.5 統(tǒng)計(jì)方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan’s法進(jìn)行方差分析，用Dunnett’s T3(3)法檢驗(yàn)不同處理間差異的顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田耕作方式對(duì)小麥—玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

表2為不同處理小麥—玉米產(chǎn)量，可以看出，各處理小麥產(chǎn)量在8 240.72～9 216.92 kg/hm2之間。與CK相比，DR、SR2、SRB處理小麥產(chǎn)量分別顯著上升了6.56%、10.16%、4.41%(P<0.05)。各處理玉米產(chǎn)量在12 280.19～13 479.13 kg/hm2之間。與CK相比，DR、SR2、SRB處理玉米產(chǎn)量分別顯著提高了6.33%、5.12%、6.43%，STR處理玉米產(chǎn)量顯著降低了3.04%。與CK相比，DR、SR2、SRB處理玉米穗粒數(shù)分別顯著提高了38.08%、13.73%、16.63%。與CK相比，DR、SR2處理玉米百粒質(zhì)量分別顯著降低了18.83%、6.95%。小麥—玉米周年純收入結(jié)果顯示，與CK相比，只有SR2處理周年經(jīng)濟(jì)效益有所提高，提高了289.87元/hm2，DR、SR1、SRB、STR處理周年經(jīng)濟(jì)效益均有所降低，分別降低了16 101.50、1 200.21、23 484.14、1 394.46元/hm2。DR、SR1、SRB、STR處理均顯著低于CK。從產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益綜合分析，在實(shí)際生產(chǎn)中建議采用SR2處理。

表2 不同處理小麥—玉米周年產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

2.2 秸稈還田耕作方式對(duì)小麥抽穗末期土壤Shannon指數(shù)的影響

Shannon指數(shù)能衡量物種多樣性，群落多樣性越高，物種分布越均勻，Shannon指數(shù)越大。物種多樣性取決于2個(gè)方面：物種豐富度和物種均勻度。豐富度是看群落內(nèi)物種數(shù)的多寡，均勻度是看各物種個(gè)體數(shù)量的分配狀況、均勻程度。均勻度越高，即群落內(nèi)各物種的個(gè)體數(shù)量比較均衡，物種間達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，往往意味著群落更穩(wěn)定。圖1為小麥抽穗末期不同處理土壤的Shannon指數(shù)，可以看出，各處理土壤Shannon指數(shù)在9.29～9.58之間，與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB、STR處理小麥抽穗末期土壤Shannon指數(shù)分別顯著升高了3.09%、2.51%、2.32%、2.90%、1.67%。綜上，CK的Shannon指數(shù)最低，且顯著低于其他處理，這說明與秸稈不還田相比，秸稈還田能顯著提高土壤的物種多樣性；在所有秸稈還田(DR、SR1、SR2、SRB、STR處理)處理中，STR處理Shannon指數(shù)最低，且與DR、SRB處理差異達(dá)顯著水平，這說明秸稈還田后深翻耕加耙地增加土壤物種多樣性的效果較差，其余處理中，土壤Shannon指數(shù)表現(xiàn)為DR>SRB>SR1>SR2，DR處理Shannon指數(shù)高達(dá)9.58，但與SR1、SR2、SRB處理相比差異不顯著，所以秸稈還田配合旋耕再施加復(fù)合肥、 有機(jī)肥處理是提高土壤物種多樣性的最佳處理。

2.3 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖2為玉米不同時(shí)期不同處理的土壤硝態(tài)氮含量，可以看出，在玉米拔節(jié)期，各處理土壤硝態(tài)氮含量為59.08～113.91 mg/kg。與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB處理土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低了41.01%、10.13%、28.08%、32.39%，STR處理土壤硝態(tài)氮含量顯著增高了13.74%。在玉米灌漿期，各處理土壤硝態(tài)氮含量在16.68～26.69 mg/kg之間，與CK相比，SR2、SRB處理的土壤硝態(tài)氮含量分別顯著提高了34.77%、38.51%，其余處理與CK相比差異不顯著。

2.4 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響

圖3為玉米不同時(shí)期不同處理的土壤銨態(tài)氮含量，可以看出，在玉米拔節(jié)期，各處理土壤銨態(tài)氮含量為10.50～13.33 mg/kg，與CK相比，SR2處理土壤銨態(tài)氮含量顯著提高了26.58%，其余處理與CK相比差異不顯著。在玉米灌漿期，各處理土壤銨態(tài)氮含量為10.37～12.13 mg/kg，各處理與CK相比差異不顯著。綜合分析，秸稈還田有提高土壤銨態(tài)氮含量的趨勢(shì)，其中以SR2處理相對(duì)更高。

2.5 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤有效磷含量的影響

圖4為玉米不同時(shí)期不同處理的土壤有效磷含量，可以看出，在玉米拔節(jié)期，各處理有效磷含量在19.33～36.40 mg/kg之間，與CK相比，DR、SR1處理土壤有效磷含量分別顯著增加了86.35%、29.35%。在玉米灌漿期，各處理有效磷含量在11.73～26.87 mg/kg之間，與CK相比，STR處理土壤有效磷含量顯著增加了32.13%，SR1、SR2、SRB處理土壤有效磷含量分別顯著下降了33.44%、20.98%、42.30%。

2.6 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤速效鉀含量的影響

圖5為玉米不同時(shí)期不同處理的土壤速效鉀含量，可以看出，在玉米拔節(jié)期，各處理土壤速效鉀含量在185.04～297.21 mg/kg之間，與CK相比，DR處理土壤速效鉀顯著提高了35.51%，SR2、SRB處理土壤速效鉀含量分別顯著下降了15.63%、14.41%。在玉米灌漿期，各處理土壤速效鉀含量在292.00～455.00 mg/kg之間，與CK相比，DR、STR處理土壤速效鉀含量分別顯著上升了36.50%、10.60%。SR1、SRB處理土壤速效鉀含量分別顯著下降了7.80%、12.40%。

2.7 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

圖6為玉米不同時(shí)期不同處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量，可以看出，在玉米拔節(jié)期，各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在19.05～21.77 mg/kg之間，但與CK相比，差異均不顯著。在玉米灌漿期，各處理土壤有機(jī)質(zhì)在25.28～28.54 mg/kg之間，與CK相比，DR、SRB處理土壤有機(jī)質(zhì)含量分別顯著提高了8.46%、10.97%。

2.8 秸稈還田耕作方式對(duì)土壤蔗糖酶含量的影響

土壤蔗糖酶的酶促作用產(chǎn)物與土壤中營(yíng)養(yǎng)元素(如有機(jī)質(zhì)、氮、磷)含量、微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度密切相關(guān)，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一。為確定秸稈還田能否提高土壤蔗糖酶活性，試驗(yàn)測(cè)定玉米不同時(shí)期不同處理的土壤蔗糖酶活性(圖7)。結(jié)果顯示，在玉米拔節(jié)期，土壤蔗糖酶活性在11.40～33.80之間。與CK相比，DR、SRB處理土壤蔗糖酶活性分別顯著提高了81.72%、43.01%，SR2、STR處理分別顯著降低了23.66%、38.71%。在玉米灌漿期，與CK相比，DR、SR1、SRB處理土壤蔗糖酶活性分別提高了137.98%、47.67%、55.43%，其中DR和SRB處理顯著高于CK；SR2、STR處理顯著降低了29.84%、35.66%。

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈還田耕作方式對(duì)小麥—玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

與CK相比，SR2處理最能顯著增加小麥—玉米周年產(chǎn)量。在殷曉燕等的研究結(jié)果中，與秸稈不還田+旋耕相比，整株秸稈還田+旋耕小麥產(chǎn)量增加了4.19%[13]，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。但在他的試驗(yàn)中秸稈整株還田+深翻產(chǎn)量比對(duì)照增產(chǎn)11.7%，增產(chǎn)效果最好，此結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異可能是因?yàn)?個(gè)試驗(yàn)的秸稈施用量、翻耕深度、氣候條件不同造成了小麥產(chǎn)量的差異。朱敏等的研究表明，秸稈還田后旋耕處理明顯提高了玉米產(chǎn)量[14]。李學(xué)平等的研究表明，秸稈還田后深旋耕并施用生物肥最能提高鹽堿地夏玉米產(chǎn)量[15]。范作偉等的研究表明，秸稈還田后施用菌劑能明顯促進(jìn)秸稈腐解、土壤養(yǎng)分提高和玉米生長(zhǎng)[16]。這些研究結(jié)果均與本試驗(yàn)結(jié)果一致。SR2處理使秸稈與土壤充分混合，加速秸稈腐熟，降低土壤容重，使土壤疏松多孔，調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況；DR處理能顯著增加土壤中有效養(yǎng)分含量，有機(jī)肥中養(yǎng)分釋放長(zhǎng)而緩，能持續(xù)為土壤增加養(yǎng)分；SRB處理能使秸稈與土壤均勻混合，菌劑的應(yīng)用加速秸稈腐解從而快速提高土壤肥力，促進(jìn)作物增產(chǎn)。

3.2 秸稈還田耕作方式對(duì)小麥—玉米輪作土壤理化性質(zhì)的影響

經(jīng)1周年的小麥—玉米種植試驗(yàn)，與CK相比，SR2、STR處理在小麥—玉米輪作中均能增加土壤中硝銨態(tài)氮含量，說明秸稈還田后旋耕2次更能促進(jìn)土壤中氮素養(yǎng)分的釋放。李太魁等的研究表明，與深耕相比，旋耕能顯著增加小麥苗期和越冬期土壤硝態(tài)氮含量[17-18]。濮超等的研究表明，旋耕能使土壤全氮在表層土壤中的分布有所提高[19]。秸稈還田能直接增加土壤含氮量，并且秸稈與土壤通過旋耕充分混合，微生物作用其中，產(chǎn)生的有機(jī)酸可吸附土壤中的氮元素，提高氮素利用率。STR處理在小麥—玉米種植中灌漿期的土壤有效磷含量最高，與李鳳博等的研究結(jié)果[20-21]相符。磷素容易被土壤固定，秸稈還田后微生物與之作用產(chǎn)生灌漿期有機(jī)酸可與磷元素螯合將磷素從土壤中解放出來，提高了磷素利用率。與CK相比，DR處理能顯著增加小麥—玉米輪作中拔節(jié)期和灌漿期土壤速效鉀含量和灌漿期有機(jī)質(zhì)的含量，與季佳鵬等的研究結(jié)果[22-23]相符。伍佳等的研究表明，施用有機(jī)肥處理比施用化肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了15.9%[24-25]，本試驗(yàn)結(jié)果與之相符。有機(jī)肥和腐熟后的秸稈能直接增加土壤中的有機(jī)質(zhì)，二者結(jié)合之后增加土壤養(yǎng)分的效果更好。

3.3 秸稈還田耕作方式對(duì)小麥—玉米土壤生物性質(zhì)的影響

與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB處理均能顯著增加小麥抽穗末期土壤物種多樣性；DR處理能顯著增加玉米灌漿期的蔗糖酶含量。秸稈還田能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖，邢鵬飛的研究表明，施用有機(jī)肥和秸稈還田+腐熟劑最能提高土壤細(xì)菌多樣性[26-27]?？祷哿岬鹊难芯勘砻?，與秸稈不還田相比，秸稈還田后顯著提高了土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性[28]；鄧歐平等的研究表明，秸稈和豬糞還田處理能提高土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性[29]；李純燕等的研究表明，秸稈還田能增加土壤中微生物的含量[30]。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果相符。秸稈還田可顯著提高微生物數(shù)量和酶活性，旋耕使秸稈翻入土壤中，吸水腐解增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、減少土壤水分蒸發(fā)保持土溫，循環(huán)往復(fù)、促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖，提高了酶活性。

綜上所述，本研究可得出如下結(jié)論：(1)與秸稈不還田相比，秸稈還田能改善土壤化學(xué)和生物性質(zhì)。秸稈粉碎直接還田+施復(fù)合肥+旋耕2次處理能提高拔節(jié)期和灌漿期的土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，分別提高了28.08%和34.77%、26.58%和17.04%；秸稈粉碎直接還田+施復(fù)合肥+施有機(jī)肥+旋耕1次處理能提高拔節(jié)期和灌漿期的土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的含量，分別提高了86.35%和7.54%、35.51%和36.50%、12.15%和8.46%，同時(shí)也顯著提高了拔節(jié)期和灌漿期的土壤蔗糖酶活性、抽穗末期的土壤Shannon指數(shù)。(2)秸稈粉碎直接還田配施有機(jī)肥后旋耕1次處理、秸稈粉碎直接還田旋耕2次、秸稈粉碎直接還田添加菌劑后旋耕2次均能顯著提高小麥—玉米周年產(chǎn)量，增產(chǎn)5.6%～7.1%。