秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質及作物產量的影響

董 亮，田慎重，王學君，孫澤強，鄭東峰，劉盛林，董曉霞，郭洪海*，羅加法

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，山東濟南 250100；2.農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東濟南 250100；3.農業部山東省耕地保育科學試驗觀測實驗站，山東濟南 250100)

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秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質及作物產量的影響

董 亮1，2，田慎重1，3，王學君1，3，孫澤強1，3，鄭東峰1，3，劉盛林1，董曉霞1，3，郭洪海1，2*，羅加法2

(1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，山東濟南 250100；2.農業部黃淮海平原農業環境重點實驗室，山東濟南 250100；3.農業部山東省耕地保育科學試驗觀測實驗站，山東濟南 250100)

[目的]研究秸稈還田量對一年兩熟小麥-玉米輪作制度下土壤理化性質的影響。[方法]通過田間試驗，研究秸稈不還田，50%小麥、玉米秸稈還田，100%小麥、玉米秸稈還田，150%小麥、玉米秸稈還田對麥-玉輪作體系中土壤容重、有機質和養分含量，以及小麥和玉米產量的影響。[結果]秸稈還田可以降低土壤容重，增加土壤有機質含量，提高土壤養分庫容。50%、100%和150%秸稈還田條件下，土壤容重降幅為1.41%～9.15%，土壤有機質含量增加0.02～0.04 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。不同秸稈還田量均能提高小麥、玉米產量，產量增幅分別為7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。[結論]秸稈還田量達到150%時，在土壤理化性質及作物產量方面出現轉折，建議不超過100%秸稈還田為宜。

秸稈還田量；小麥-玉米輪作；產量；土壤養分庫容量

作物秸稈是普遍存在的有機農業廢棄物資源，如何科學、高效地處理農作物秸稈已成為農業生產、環境保護面臨的緊迫問題。秸稈含有大量的有機質、氮、磷、鉀等養分，因此秸稈直接或間接還田，可以建立良好的土壤生態體系[1]，同時也是提升農田土壤基礎肥力的重要措施。研究發現，秸稈還田不僅可以提高作物產量，還能增加土壤有機質含量及養分含量[2-3]，改善土壤結構[4]，提高化肥利用效率[5]，直接或間接減少溫室氣體排放[6]，緩解我國鉀肥資源緊缺造成的壓力，是發展可持續農業的有效途徑[7]。但是隨著秸稈還田技術的推廣，尤其是在黃淮海區域小麥-玉米一年兩熟的輪作制度下，秸稈還田引起的作物出苗率低、病蟲草害等問題日趨凸顯[8]。在實際農業生產中秸稈在未有效分解的情況下，秸稈還田量影響著其培肥改土作用[9-10]。筆者以黃淮海區域的糧食高產區之一——山東省德州市平原縣為試驗地，在一年兩熟的小麥-玉米輪作制度下，探討了不同秸稈還田量對土壤理化性質及作物產量的影響，以期為黃淮海平原區小麥-玉米一年兩熟輪作體系中秸稈科學原位還田及糧食穩產高產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 平原縣位于魯西北黃河沖積平原，地處暖溫帶，大陸性季風氣候，干濕季明顯，春季干旱多風，夏季濕熱多雨，秋季涼爽，冬季干冷，光照充足，年平均降水量535 mm，土層深厚，地形平坦。該地區種植業發達，小麥、玉米、棉花、蔬菜大面積種植，小麥-玉米實現一年兩作。當地土壤類型為潮土，基本理化性質：有機質含量13.40 g/kg，堿解氮含量65.10 mg/kg，有效磷含量23.40 mg/kg，速效鉀含量156.00 mg/kg，全鉀含量17.8 g/kg，容重1.42 g/cm3，pH 8.47。

1.2 試驗材料 玉米品種為鄭單958，小麥品種為濟麥22號。

1.3 試驗設計 秸稈原位還田于2013年進行，共設4個處理(表1)，每處理3次重復。小區按照長期定位試驗池標準，四周用水泥板圍砌，小區面積36.0 m2(4.5 m×8.0 m)，小區間距為0.5 m。

秸稈還田量的操作處理：50%秸稈還田處理，即移出50%秸稈；100%秸稈還田處理為全量原位還田；150%秸稈還田處理，即全量還田，并加入從50%秸稈還田處理的田塊中取出的50%秸稈。秸稈還田方式：小麥秸稈粉碎后地表覆蓋還田，玉米秸稈粉碎后旋地耕翻還田。

表1 各處理秸稈還田量

1.4 田間管理 所有試驗處理的施肥均按照當地農民習慣，即玉米季施肥量為N 260 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、鉀肥做基肥一次施入，氮肥的基追比為5∶5；小麥季施肥量為N 240 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、鉀肥做基肥一次施入，氮肥的基追比為6∶4。播種、灌溉等田間管理按照當地農民習慣操作。

1.5 測定項目與方法 收獲后取小區內(2.0 m×2.0 m)樣方計產，統計玉米產量、小麥產量。2015年小麥收獲后用環刀或土鉆取土測定0～20 cm土層的土壤容重、有機質、養分(堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀)含量等指標。土壤容重采用環刀法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸滴定法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用醋酸銨浸提火焰光度計法測定；全鉀含量采用氫氧化鈉熔融原子吸收分光光度法測定[11]。

1.6 數據統計 用DPS軟件進行數據方差分析，用Duncan新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤容重的影響 由表2可知，不同秸稈還田量能明顯影響0～20 cm土層的土壤容重，秸稈還田后降低了耕層土壤容重。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤容重分別降低了1.41%、3.52%、9.15%。方差分析顯示，50%ST與CK之間差異不顯著，150%ST與100%ST處理之間差異顯著。

秸稈還田后經過微生物作用形成的腐殖酸與土壤中的鈣、鎂等結合成腐殖酸鈣、腐殖酸鎂等，使土壤形成大量的水穩性團粒結構，增加了土壤通透性[12]，降低了土壤容重。但過量還田會導致土壤容重過低，影響土壤的保水保肥性。

表2 不同秸稈還田量對土壤容重的影響

Table 2 Effect of amount of returned-straw on soil bulk density

處理Treat-ment土壤容重Bulkdensityg/cm3與CK相比ComparedwithCK土壤容重Bulkdensity∥g/cm3降幅Degreeofreduction∥%CK1.42±0.02a——50%ST1.40±0.08ab-0.021.41100%ST1.37±0.05b-0.153.52150%ST1.29±0.06c-0.139.15

注：同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note：Different lowercases indicated significant difference at 0.05 level.圖1 不同秸稈還田量對土壤有機質含量的影響Fig.1 Effect of amount of returned-straw on soil organic matter

2.2 不同秸稈還田量對土壤有機質含量的影響 從圖1可以看出，秸稈還田后增加了土壤有機質含量。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的0～20 cm土層土壤有機質含量分別增加0.02、0.04、0.03 g/kg。原因可能是秸稈還田后促進了微生物的活動，形成了土壤微生物活躍的活動層，從而加速了微生物對秸稈中有機態養分的分解釋放，進而提高了土壤有機質含量[13]。但土壤有機質含量的提高是一個長期的積累過程，該試驗中秸稈還田進行了2 a，從結果能看出秸稈還田可提高土壤有機質含量，但增幅不明顯。2.3 不同秸稈還田量對土壤養分含量的影響 由表3可知，秸稈還田能明顯提高土壤養分含量。與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤堿解氮含量分別增加6.43、9.00、6.80 mg/kg，有效磷含量分別增加3.50、4.07、3.37 mg/kg，速效鉀含量分別增加12.33、19.00、10.33 mg/kg，全鉀含量分別增加70.00、120.00、40.00 mg/kg。尤其在土壤鉀素方面，因為秸稈中含有較多的鉀，所以與堿解氮、有效磷相比，秸稈還田后向土壤中貢獻的速效鉀更多。150%ST處理的土壤養分出現下降趨勢，原因可能是秸稈還田量過大，需要更多的養分提供給微生物活動以進行秸稈腐解，因此消耗了部分土壤養分。

2.4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產量的影響 由表4可知，不同秸稈還田量可顯著影響玉米和小麥的產量。對于玉米來說，與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的玉米產量分別提高了16.29%、26.06%、23.93%。方差分析顯示，秸稈還田處理與CK間差異極顯著，而不同秸稈還田量處理之間差異不顯著。對于小麥來說，與CK相比，50%ST、100%ST、150%ST處理的小麥產量分別提高7.57%、13.16%、9.13%。方差分析顯示，秸稈還田處理與CK間差異極顯著，100%ST與150%ST處理間差異不顯著。

當秸稈還田量達到150%時，玉米、小麥產量均下降，原因可能是秸稈還田量過大，土壤容重降幅過大，導致土壤保水保肥性差，土壤養分含量由于微生物活動的消耗而降低，對玉米幼苗返青、分蘗生長帶來負面影響，從而影響作物生長及產量的形成。

表3 不同秸稈還田量對土壤養分含量的影響

注：同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

表4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產量的影響

注：同列不同大寫字母表示處理間在0.01水平差異極顯著。

Note：Different capital letters in the same column stand for significant difference at 0.01 level among treatments.

3 結論與討論

(1)秸稈還田作為全球可持續農業發展的重要環節，對于維持農田肥力、減少化肥使用、提高土壤碳匯能力具有積極作用[14]。王振忠等[15]研究發現，無論秸稈覆蓋還是翻壓，都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重，使土壤疏松，通透性改善。陳冬林等[16]研究表明，秸稈還田可以顯著提高土壤中有效磷和速效鉀含量，增加水稻生育后期土壤堿解氮含量。這與筆者的研究結果一致，即秸稈還田有利于改善土壤理化環境。

(2)2014年6—10月德州市平原縣玉米季降水總量為389 mm，2014年10月至2015年6月該地小麥季降水總量為256 mm，年份降水總量為645 mm，較正常年平均降水量(547 mm)偏多，屬于偏豐水年份。因此，推測秸稈還田后由于降水的關系，腐解速度加快，對土壤理化性質及作物產量起到了積極的作用。但探討降水與秸稈腐解速度、土壤理化性狀及作物產量的關系，需要對常年多點的試驗結果進行擬合，還需要將土壤溫度考慮在內。

(3)雖然秸稈還田能改善土壤理化性質，提高作物產量，但是存在還田量閾值的問題。秸稈還田量過多，會導致土壤耕種性差、作物出苗率低、苗弱、作物產量降低、病害加劇等問題。這可能是由于秸稈過量還田，過多的秸稈覆蓋會阻礙土壤與大氣的物質交換，同時C/N提高，土壤微生物與土壤酶活性降低，進而抑制其對秸稈的分解，秸稈還田對土壤產生的積極作用會隨著秸稈還田量的增多而降低[17]。

(4)該試驗條件下，秸稈還田能降低土壤容重，增加土壤有機質及氮、磷、鉀速效養分含量。不同秸稈還田量對土壤理化性質影響不同。50%秸稈還田、100%秸稈還田、150%秸稈還田條件下，土壤容重降幅為1.41%～9.15%，土壤有機質增幅為0.02～0.04 g/kg，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。秸稈還田后改善了土壤環境，因而可以提高小麥和玉米的產量。不同秸稈還田量對作物產量的影響不同，小麥、玉米產量的增幅分別為7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。并且在秸稈原位還田時，建議秸稈還田量以不超過100%為宜。下一步擬從土壤微生物、土壤酶的角度進一步明確秸稈直接還田的科學閾值，以期為秸稈還田提供科學的數據支撐。

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Effects of Amount of Returned-straw on Soil Physical and Chemical Properties, Crop Yield in Wheat-maize Rotation System

DONG Liang1,2, TIAN Shen-zhong1,3, WANG Xue-jun1,3, GUO Hong-hai1,2*et al>

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Science, Jinan, Shandong 250100; 2. Key Laboratory of Agro-environment in Huanghuaihai Plain, Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100; 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Shandong), Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100)

[Objective] The aim was to study effects of amount of returned-straw on soil physical and chemical properties in wheat-maize rotation system. [Method] Through field experiment, effects of straw not returned to field, 50%, 100%, 150% wheat, maize straw returned to field on soil bulk density, organic matter, nutrient content, wheat and maize yield in wheat-maize rotation system were studied. [Result] The results showed that returned-straw decreased the soil bulk density by 1.41%-9.15%, increased the soil organic matter content by 0.02-0.04 g/kg, increased available nitrogen by 6.64-9.00 mg/kg, increased available phosphorus by 3.37-4.07 mg/kg, increased available potassium by 10.33-19.00 mg/kg, increased total potassium by 40.00 - 120.00 mg/kg respectively. And it also increased wheat yield and maize yield by 7.57%-13.16% and 16.29%-26.06% respectively. [Conclusion] Excessive amount of straw returned 150% was not benefit for farmland productivity because its negative turning point in soil physical-chemical properties and crop field. It was suggested the amount of returned-straw was not more than 100%.

Returned-straw amount; Wheat-maize rotation system; Yield; Soil nutrient capacity

山東省農業科學院青年科研基金項目(2014QNM51)；國家科技支撐計劃課題(2012BAD14B07)；濟南市成果轉化及專利實施項目(201401311)；海外泰山學者建設工程專項經費資助。

董亮(1979- )，女，山東安丘人，副研究員，碩士，從事農業廢棄物資源循環利用與土壤培肥改良研究。*通訊作者，研究員，從事循環農業研究。

2016-08-12

S 141.4

A

0517-6611(2016)29-0107-03