施肥和秸稈還田對土壤肥力質量及春小麥品質的影響

張亞麗，呂家瓏，金繼運，李書田，陳占全，高旭升

(1西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌712100;2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081;3青海省農林科學院土壤肥料研究所，青海西寧810016)

青海省東部河湟灌區是全省主要的糧食產區，該區水肥條件相對較好，農田土壤生產力有很大的提升空間。但受“缺氮、少磷、鉀豐富”的傳統認識的影響，該區農業生產長期以來偏向于施用氮肥和磷肥，盲目施肥不僅導致了肥料的浪費以及農田土壤養分供應不平衡，長此以往還將造成土壤鉀素的虧缺從而限制作物產量和品質的提高，而且更嚴重的是土壤肥力持續性受到破壞，土壤質量下降。加之近年來高產、超高產的農業生產需求壓力對農田土壤地力的耗竭加劇，造成農田生態系統日益脆弱，出現了稍不施肥或施肥不當就會減產，以及農業生產受自然災害的影響愈來愈嚴重、頻繁的現象。為此有必要對已經連續開展19年的春小麥肥力定位試驗進行深入研究，充分挖掘其蘊藏的信息，闡釋施肥等外界條件對土壤質量的影響及其規律［1-2］，從而為糧食安全生產提供依據。國內外對長期肥力定位試驗的研究報道很多，之前的研究多集中在土壤肥力本身［3-5］，而土壤質量、化肥與糧食安全、長期定位試驗的生態環境效益的研究目前已為眾多學者關注［6-8］，這些研究及其成果為本文的研究提供了思路和寶貴經驗，鑒于青藏高原長期肥力定位試驗的研究報道甚少，因此本文對連續開展第19年的春小麥施肥和秸稈還田定位試驗進行研究，探討土壤肥力質量變化及對春小麥品質的影響，試圖為該區農業生產中科學施肥，提升土壤肥力和質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗于1992年設立，位于西寧市北郊二十里鋪農科院試驗園(E 101°49＇17″，N 36°34＇03″)，海拔高度2360 m。氣候類型屬典型半干旱大陸性氣候，年降水量 368.2 mm，年均氣溫 5.7℃，日照時數為2762 h，＞10℃積溫為 2037.3℃，＞0℃積溫為2749.5℃，無霜期130 d。土壤類型為栗鈣土，屬第四紀黃土母質，質地為中壤。耕作制度為一年一熟制，小麥收獲后人工翻耕冬灌休閑，至翌年春季再行播種。試驗初始土壤理化性狀為pH 7.6，陽離子交換量 13.8 cmol/kg，有機質含量 18.3 g/kg，全氮1.27 g/kg，銨態氮 33.8 mg/kg，硝態氮 42.6 mg/kg，速效磷 90.4 mg/kg，速效鉀 177.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設6個處理(表2):NP、NP+50%ST(秸稈還田)、NP+100%ST、NPK、NPK+50%ST、NPK+100%ST，每個處理 4次重復，小區面積25m2，完全隨機區組排列。磷肥、鉀肥和70%氮肥在播前作為基肥施入，30%氮肥于拔節期追施;秸稈還田處理分50%ST(半還)和100%ST(全還)，半還、全還是指小麥按小區脫粒后一半或全部秸稈經粉碎約10 cm長度均勻撒施該小區，然后人工翻埋。供試春小麥品種2006年以前為“青春323”，由于同一品種長期種植產生退化現象，2007年更換為“青春40”新品種。

表1 春小麥長期定位試驗各處理化肥施用量Table 1 Fertilization plan of the long-term experiment

1.3 分析及測定方法

1.3.1 土壤物理性質的測定 2010年8月初小麥收獲后用環刀法測定各小區0—20 cm耕層土壤容重和含水量;用改進的約得爾法(Yoder)—人工篩法測定土壤團聚體;用平均重量直徑(MWD)評價團聚體的穩定性，其計算方法參見文獻［9］。

1.3.2 土壤化學性質 2010年8月采集土壤樣品，風干，過篩后備用。土壤有機質分組(輕組LFOC、重組 HFOC)用密度浮選法測定［10-11］:即稱取 10.0 g過2 mm篩的風干土，放入150 mL離心試管中，加入密度為 1.7 g/cm3的 NaI重液 50 mL，在 100 r/min的振蕩機上振蕩10 min后在4000 r/min下離心15 min，將上清液倒入附0.45 um濾膜的砂芯漏斗上抽濾，并用0.01 mol/L CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水洗滌，濾紙上的物質即為輕組部分。以上步驟重復操作3次，所得樣品離心管中剩余部分為重組部分，重組和輕組部分分別在60℃ 下烘干至恒重后稱重。耕層土壤有機質、全氮、全磷和全鉀以及速效氮、磷、鉀含量均用常規方法進行測定。

1.3.3 植株養分及小麥品質的測定 小麥秸稈、子粒中的氮、磷、鉀含量以及小麥面粉粗蛋白、濕面筋、淀粉含量均采用常規分析方法測定。

試驗結果用Excel、SPSS等軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 長期施肥和秸稈還田對土壤物理性質的影響

2.1.1 對土壤團聚體及其穩定性的影響 土壤團聚體及其穩定性影響土壤物理、生物、化學等過程，作為土壤的物理特性之一也是評價土壤質量的重要指標［12］。團粒結構是土壤中最好的結構體，其數量與土壤肥力狀況呈正相關［13-14］。本試驗中不同處理耕層土壤大于0.25 mm團聚體數量(R0.25)的測定結果(表 2)表明，干篩法 R0.25均在 81.12% ～84.08%之間，平均重量直徑(MWD)值在 1.77～1.84之間，遠大于濕篩法，但干篩法各處理之間差異不顯著。由干篩法R0.25的最低值81.12%遠大于濕篩法R0.25的最高值13.92%可以看出，該土壤的團聚體大部分為非水穩性團聚體，水穩性團聚體的數量較少。

由于用濕篩法測得的水穩性團聚體數量更能反映土壤結構的穩定性，因而比非穩性團聚體更為重要。由表2還可看出，水穩性團聚體不同處理間差異顯著，其中 NPK+100%ST處理的 R0.25和 MWD比NPK處理分別增加了1.08倍和0.5倍，NPK+50%ST處理也明顯高于NPK處理;NP+100%ST、NP+50%ST處理比 NP處理 R0.25分別提高了48.1%、33.4%，MWD 也分別提高了20%、60%;而NPK+100%ST處理比 NP+100%ST處理 R0.25和MWD分別提高37.2%、50%，NPK+50%ST也比 NP+50%ST 處理 R0.25提高 63.6%，但 MWD 值略低;NPK處理R0.25低于NP處理，但MWD高于NP處理20%。由此說明，單施化肥對提高團粒結構的比例和增加團聚體穩定性作用不大;化肥與秸稈還田配合能夠顯著增加土壤團粒結構的比例和土壤團聚體穩定性，且增施無機鉀肥與秸稈還田配合增加的幅度更大。秸稈還田能夠增加土壤團粒結構及其穩定性的原因是其增加了土壤有機質，姜燦爛［15］等人結合國外相關研究指出，有機質不是大團聚體穩定性高低的直接原因，大團聚體的穩定性也許更依賴于其主要顆粒組成和有機質的化學特性及與不同礦物顆粒的排列情況。本試驗結果中氮磷鉀化肥與秸稈還田配合施用可能改變土壤有機質的化學性質使得大團聚體數量增多。

表2 長期施肥和秸稈還田下土壤＞0.25 mm團聚體數量及平均重量直徑(MWD)Table 2 Effects of the fertilizations and straw return on soil aggregates quantity and mean weight-diameter(MWD)

2.1.2 對土壤容重和水分含量的影響 土壤容重可以概括地反映土壤質地、結構狀況以及腐殖質含量的高低，是土壤肥力的一個重要物理指標，而土壤含水量則決定了土壤的宜耕性，并與作物的正常生長發育緊密相關。2010年試驗收獲后耕層土壤容重、含水量不同處理間存在顯著差異(表3)。各處理土壤容重在1.31 ～1.41 g/cm3之間，其中 NP+100%ST處理容重最低，為1.31 g/cm3，比對照下降了7.1%;秸稈還田處理均較無還田處理土壤容重降低，全部還田降低幅度大于一半還田處理;增施鉀肥(NPK處理)后土壤容重也較對照降低，但增施鉀肥并秸稈還田處理土壤容重降低的幅度小于未增施鉀肥并秸稈還田的處理。秸稈還田和增施鉀肥提高了土壤含水量。秸稈還田處理較無還田處理土壤含水量提高了4.7% ～13.5%;除NPK+100%ST處理比NP+100%ST處理略有降低外，施鉀處理比未施鉀處理提高了2.1% ～5.2%。該結果充分證明秸稈還田直接補充了土壤有機質，而適量增施無機鉀肥，促使土壤養分平衡從而增加了作物根系生物量，間接增加土壤有機質含量，使得二者對改善土壤結構、增強蓄肥蓄水能力有明顯作用。

表3 不同處理土壤容重、含水量變化Table 3 Effects of the fertilizations and straw return on soil bulk density and water content

2.2 長期施肥和秸稈還田對土壤肥力及養分生物有效性的影響

2.2.1 對土壤輕組有機質含量的影響 土壤有機質是土壤質量和健康的重要指標［16］。根據密度的大小可將土壤有機質分為輕組(LF)和重組(HF)，由于輕組有機質主要由可識別的不同分解階段的動、植物殘體、微生物的殘骸以及一些吸附在碎屑上的礦質顆粒組成，雖然只占土壤質量的很小部分，但碳、氮含量高，具有很強的生物學活性，代表著易變土壤有機質的主要部分，在碳和氮循環中具有顯著的作用，被認為是土壤生物調節過程的重要基質和土壤肥力的指標，是土壤質量的一個重要屬性。且有研究表明施肥通常有利于輕組的積累［17］，而秸稈還田作為一種補充土壤有機質的方式，很可能對土壤輕組有機質產生影響。

試驗結果(圖1)表明，在施化肥基礎上秸稈還田各處理均比各自無還田處理輕組有機質含量顯著提高，輕組有機質含量隨著秸稈還田量的增加而增加。其中NP+100%ST處理輕組有機質含量最高，達到了0.73%，比 NP處理提高了46.7%，NPK+100%ST處理比NPK處理提高了48.6%，表明秸稈還田對于提高土壤輕組有機質有很大貢獻。鉀素有促進土壤有機質分解，改變土壤結構的作用［18］，作為土壤有機質中易變組分的輕組有機質，更容易受施礦質鉀肥而加速分解導致含量降低，因此，施鉀處理輕組有機質含量低于未施鉀處理。該結果為一年的測定結果，應繼續進行多年測定，加以驗證。

圖1 長期施肥和秸稈還田對土壤輕組有機質含量的影響(2010年)Fig.1 Effects of different fertilizations and straw return on light fraction of soil organic matter(LFOC)in 2010

2.2.2 對土壤養分的影響 與試驗初始相比，經過19年長期施肥和秸稈還田后，土壤養分含量除速效磷下降外，其他養分含量均有不同程度的增加。2010年試驗收獲后土壤各養分含量不同處理間達到顯著差異水平(圖2)。NP、NPK處理有機質含量較低，秸稈還田和增施鉀肥并秸稈還田處理均較高，比NP處理提高了9.3% ～18.7%，在氮磷(NP)基礎上增施鉀肥，土壤有機質增加了0.8%，說明在施化肥基礎上進行秸稈還田對土壤有機質的提升有重要意義，增施鉀肥也有助于提高土壤有機質含量，但提高的效果沒有秸稈還田明顯。速效氮、磷含量均表現出秸稈還田處理高于未還田處理，且基本上都隨著秸稈還田量的增加而增加。不同之處在于，速效氮含量在增施鉀肥處理中高于未施鉀處理，而速效磷含量在增施鉀肥處理中反而低于未施鉀對照。全氮、全磷變化較小，但不同處理間仍有差異，表現出與速效氮、磷較為相似的規律。全鉀和速效鉀含量隨著秸稈還田量和施鉀的增加而逐漸增加，但全鉀含量的增幅較小，而速效鉀的增幅明顯較大，二者均在NPK+100%ST處理達到最高含量，比對照分別增加了5.95%和260.6%。以上結果表明，在氮、磷肥的基礎上進行秸稈還田能夠明顯增加土壤有機質、速效氮、磷、鉀及全量氮、磷、鉀的含量;氮磷鉀與秸稈還田配合施用能提高土壤氮、鉀養分含量，對土壤速效鉀含量的提高尤為顯著;秸稈還田與氮磷鉀肥配合較之與氮磷肥配合，對土壤養分提高的幅度不大，某些養分甚至有所降低。秸稈還田能夠提高土壤養分的原因主要是經腐解的秸稈為土壤提供了豐富的碳、氮、磷、鉀等營養［19］，增加有機質促進了土壤微生物和酶的活動，使氮、磷、鉀等養分釋放，有效性增強;該試驗結果中土壤鉀素含量隨施鉀和秸稈還田量的增加而明顯增加與相關研究結果［20-21］一致。

圖2 長期施肥和秸稈還田對土壤養分的影響(2010年)Fig.2 Effects of the long-term fertilizations and straw return on soil nutrient content in 2010

2.2.3 對春小麥產量及養分吸收的影響 從產量和經濟效益分析(表4)可以看出，NPK處理增產效果優于其他處理;NP+50%ST處理與NPK處理產量差異不大，但產投比較高，NP+100%ST處理與NPK+50%ST處理產量處于相同差異水平，但前者產投比高，該結果說明在施氮、磷化肥的基礎上，增施無機鉀肥和或秸稈還田均能增加小麥產量。該定位試驗往年的產量結果也表現出這種規律［22］。相比較而言，在增施無機鉀肥時半量秸稈還田多年累計產量高于全量秸稈還田，未施無機鉀肥時半量秸稈還田的增產作用等同于增施無機鉀肥，且具較高的經濟效益，因此提出本試驗條件下半量秸稈還田能夠替代無機鉀肥的推想。由于秸稈中鉀含量較高，長期直接秸稈還田使作物攜走的鉀歸還到土壤中，等于向土壤補充了鉀，在當地土壤條件下，似乎秸稈還田與氮、磷配合正好達到了土壤的養分平衡，積累了一定的有機質，改善了土壤物理、化學性質而使產量增加。Blake等［23］的研究也指出，土壤缺氮、磷、鎂會降低礦質鉀肥的生物有效性，增加耕層鉀素淋溶損失。當礦質鉀肥與有機農肥結合施用時，其有效性因有機農肥中含有更適宜作物生長的鉀素而下降。因此，本試驗結果中全量秸稈還田并增施鉀肥使產量有所下降，原因與此有關。

表4 2010年春小麥定位試驗產量及經濟效益分析Table 4 Effects of different fertilizations and straw return on spring wheat yield and economic benefit

從各處理莖稈、子粒的氮、磷、鉀養分吸收量可以看出(圖3)，春小麥對養分的吸收量為鉀＞氮＞ 磷，其中對氮的吸收量為 N 153.6 ～ 182.6 kg/hm2，對 P2O5的吸收量為 51.1 ～58.3kg/hm2，對K2O的吸收量為179.7～241.9 kg/hm2。各處理小麥對氮、磷的吸收呈現出一致的規律性。在不施鉀的情況下，秸稈還田處理的養分吸收量大于無秸稈還田處理，但在施鉀條件下，秸稈還田處理的養分吸收量低于NPK處理;在無秸稈還田時，施鉀處理的養分吸收量大于不施鉀處理，但在秸稈還田時，施鉀處理的養分吸收量低于不施鉀處理。小麥對鉀的表現出施鉀處理均高于不施鉀處理，秸稈還田處理中除NPK+100%ST外均高于無還田處理。對三種養分的吸收，無論施鉀與否，秸稈半量還田大于全量還田，這與春小麥產量的結果有較為相似的規律。從養分吸收量來看，NPK、NPK+50%ST、NP+50%ST處理養分吸收量較高，也是這幾個處理產量較高的主要原因。

2.3 長期施肥和秸稈還田對春小麥品質的影響

從表5可以看出，各處理濕面筋、淀粉含量分別達到26%、60%以上，達到中筋小麥品質要求，并且處理間沒有明顯差異。各處理粗蛋白含量均達到13%以上，并且處理間有一定差異，NP+100%ST處理蛋白質含量最高，達到14.48%，比對照增加5.2%，差異顯著，NPK+50%ST、NP+50%ST 處理粗蛋白含量次之，NPK+100%ST處理較低，但之間差異不明顯。雖然各品質指標達到中筋小麥標準與春小麥品種有很大關系，但不同施肥處理間粗蛋白含量仍存在一些差異說明適量施肥和秸稈還田對春小麥品質沒有不良影響，且在一定程度上能夠維持和提高品質。較早的研究報道顯示，能使玉米、小麥蛋白質品質提高的施肥方法為:有機無機肥料配合施用＞單施氮素化肥＞單施有機肥［24］，本試驗結果與該研究結論相似。

圖3 不同處理小麥養分吸收量Fig.3 Effects of the different fertilizations and straw return on nutrient uptakes of spring wheat

表5 施肥和秸稈還田對春小麥品質的影響(%)Table 5 Effects of the different fertilizations and straw return on seed quality of spring wheat

3 結論

1)在施氮、磷的基礎上增施一定量的鉀肥和或秸稈還田，特別是秸稈還田，能夠增加土壤團粒結構，提高土壤團粒結構的穩定性，增加土壤輕組有機質在土壤中的比例，同時能夠降低土壤容重，提高土壤含水量，對土壤物理性狀的改善明顯。

2)施肥和秸稈還田對土壤有機質、速效和全量氮、磷、鉀養分含量的影響不同。在施氮、磷肥的基礎上進行秸稈還田和或增施無機鉀肥，能夠增加除磷素以外的大部分土壤養分含量，對土壤速效鉀含量的提高尤其顯著;秸稈還田與NP配合較之與NPK肥配合，對土壤養分含量提高的幅度更大;但在氮、磷肥基礎上長期增施鉀肥并秸稈還田對于增加土壤鉀庫貯量意義重大。

3)在施氮、磷的基礎上增施無機鉀肥春小麥增產效果最為明顯，在氮、磷肥基礎上秸稈還田也具有較為明顯的增產效果，增產幅度大于與NPK配合，半量秸稈還田增產效果優于全量秸稈還田。考慮鉀肥成本、投產比以及資源環境效益，提出在施氮、磷肥的基礎上半量秸稈還田可以替代無機鉀肥。

4)長期施肥和秸稈還田對春小麥品質沒有負面影響，合理增施鉀肥和秸稈還田能夠維持和提高春小麥品質。

綜上，秸稈還田和增施無機鉀肥對于土壤肥力、作物產量等的影響因氣候、土壤母質、種植管理制度等因素而不同。在青海省(富鉀區)增施一定量無機鉀肥或秸稈還田能夠改善土壤質量，對春小麥產量和品質的穩定和提高也有較為明顯的作用，因此在施氮、磷肥的基礎上增施無機鉀肥或半量秸稈還田在當地農業生產實際中可以推廣應用，建議全量秸稈還田增加秸稈腐熟劑等措施，可能會收到更好的效果。隨著該長期定位試驗的繼續推進，或許會有新的發現和認識，并對以上結論進行修正。

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