長期秸稈還田對白漿土物理性質及水稻產量的影響

王秋菊，常本超，張勁松，韓東來，隋玉剛，陳海龍，楊興玉，王雪冬，焦峰，新家憲，劉峰

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長期秸稈還田對白漿土物理性質及水稻產量的影響

王秋菊1，常本超1，張勁松1，韓東來2，隋玉剛2，陳海龍2，楊興玉2，王雪冬2，焦峰3，新家憲4，劉峰5

（1黑龍江省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，中國哈爾濱150086；2黑龍江省農墾建三江管理局八五九農場，中國佳木斯156326；3黑龍江八一農墾大學，中國大慶163319；4日本NICH研究所，日本札幌 079-01；5黑龍江省農業科學院科研處，中國哈爾濱150086）

【目的】明確長期秸稈還田對白漿土土壤物理性質及水稻產量的影響。【方法】開展秸稈還田長期定位試驗。試驗設置4個處理，分別為對照（CK），單施秸稈（S），秸稈+化肥（SNPK），單施化肥（NPK）。在2005年后連年處理，并于試驗處理前和2010年、2015年試驗處理期間調查土壤容重、硬度、孔隙、三相組成以及水稻產量。【結果】白漿土長期秸稈還田有利于水稻產量提高，10年產量平均，秸稈還田配施肥料處理水稻產量比對照和秸稈單獨還田處理增產275.70%和133.23%，比單施化肥處理增產14.17%。秸稈還田處理水稻產量在還田第5—10年平均產量比第1—5年有增加趨勢；長期秸稈還田可以改善土壤物理性質，降低土壤容重、硬度，還田10年后，秸稈還田配施化肥處理土壤容重低于化肥單施、秸稈單施及對照處理，SNPK處理0—20、20—30 cm土層土壤容重與對照相比分別降低6.34%和10.00%，與還田5年后同類處理相比仍呈下降趨勢；秸稈還田配施化肥處理土壤硬度10年后在10、20、30 cm土層與處理前相比分別降低為26.87%、5.68%和4.62%，在20—30 cm土層與對照相比差異顯著，還田10年與5年后相比有下降趨勢，其他處理變化不明顯；還田5年后，秸稈還田配施化肥處理在0—20、20—30、30—40 cm土層土壤固相比例與對照相比分別下降8.82%、8.36%和3.65%，還田10年后分別下降10.87%、10.61%和4.67%，10年后要比5年后下降幅度大，秸稈還田配施化肥比秸稈單施和化肥單施處理下降幅度大；長期秸稈還田可以增加土壤有效孔隙的數量，在處理間和年限間差異極顯著，還田10年后，在0—20、20—30、30—40 cm土層秸稈還田配施化肥土壤有效孔隙比對照增加28.86%、63.85%和23.40%，在20—30 cm和30—40 cm土層比化肥單施增加12.55%和62.96%，在0—20、20—30、30—40cm土層比秸稈單施增加19.68%、56.52%和24.46%；與還田5年后相比，土壤有效孔隙度均呈現增加的趨勢。【結論】長期秸稈還田可以改善白漿土不良物理性狀，降低白漿層的容重、硬度，增加土壤總孔隙度和有效孔隙的比例，提高水稻產量。秸稈還田年限越長改善土壤不良物理性質效果越明顯。單獨進行秸稈還田改善土壤效果不明顯，秸稈還田配施肥料處理效果明顯；在不同處理上，秸稈還田配施化肥處理既有改土效果，又可提高水稻產量，而單施化肥和單獨秸稈還田均達不到此類效果。

秸稈還田；白漿土；土壤特性；有效孔隙；容重；產量

0 引言

【研究意義】農作物秸稈是一種含碳豐富的能源物質，對保持和提高土壤肥力以及農業的可持續發展均有重要作用[1]。據調查，發達國家秸稈還田量在70%以上，發展中國家秸稈還田量較低，中國秸稈還田量平均在21.3%，東北地區秸稈還田量低于全國平均水平，為17.6%[2]，水田秸稈還田量不足5%。秸稈還田量低的原因：一方面是農村勞動力減少，農民為了搶農時，節約人力，經常的做法是將大量的農作物秸稈焚燒，導致資源浪費、環境污染，對土壤的生態系統造成不利的影響；另一方面是農民對秸稈還田的優勢認識不足，秸稈還田短期見效慢，甚至操作不當影響下茬作物播種、插秧質量，這些均是導致本地區秸稈還田量低的主要因素[3]。【前人研究進展】國內外學者對秸稈還田與土壤酶活性[4]、土壤生物[5]、養分積累[6,7]、氣體釋放[8]等方面進行了相關研究，基本明確了秸稈還田對作物生長發育和產量形成的影響以及對改良土壤的重要作用[9-11]。【本研究切入點】目前，關于秸稈方面的研究多集中在旱田作物，在水田土壤方面相關研究較少，尤其針對秸稈還田與土壤物理性質方面研究甚少，白漿土是黑龍江省主要種稻土壤，關于白漿土秸稈還田對土壤理化性質變化規律及效果缺乏相關研究。【擬解決的關鍵問題】本文采用長期定位試驗，研究在白漿土上水稻秸稈長期還田對土壤物理性質及作物產量影響，明確水田秸稈長期還田對水田土壤質量的改善作用，以期為水田秸稈還田的推廣提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點設在中國東北地區三江平原東北部饒河縣859農場水稻田試驗示范區（東經133°50′—134°33′，北緯47°18′—47°50′），全年平均氣溫為-3℃，降雨量為600 mm。本試驗是長期定點試驗，試驗于2005年進行，供試土壤類型為白漿型水稻土（圖1），剖面分為耕作層、白漿層、淀積層。白漿土典型特點是有白漿層，這是作物生長的障礙土層，此層養分含量低，容重高、硬度大，通氣、透水性差，土壤有效孔隙低，土壤具體性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗設4個處理：（1）CK（秸稈還田量為0）；（2）S（單施秸稈3 000 kg·hm-2）；（3）SNPK（秸稈3 000 kg·hm-2+150 kg N·hm-2+75 kg P2O5·hm-2+ 120 kg K2O·hm-2）；（4）NPK（150 kg N·hm-2+ 75 kg P2O5·hm-2+ 120 kg K2O·hm-2），其中秸稈均為干重。每個處理重復3次，隨機排列，小區面積為200 m2（20 m×10 m)，小區間用30 cm水泥埂隔開，單灌單排。試驗所用氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為磷酸二銨（N含量18%，P2O5含量46%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量50%）。50%氮肥，全部磷肥和60%的鉀肥用于基肥施用；另外50%氮肥作為追肥分兩次施用，第1次在水稻分蘗期追施氮肥，第2次在水稻孕穗期追肥；鉀肥一次追施，在水稻孕穗期與氮肥一起施用。每年水稻收獲時秸稈直接粉碎拋撒于地表，然后用五鏵犁翻耕到20 cm左右土層中，第二年水田進水前再旋耕1—2遍。

圖1 白漿土剖面

表1 土壤基本性質

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集及測定方法 分別于2005年、2010年、2015年秋季收獲后按照土壤不同層次，用環刀取0—20 cm（耕作層，Ap）、20—30 cm（犁底層，App），30—40 cm（白漿層，Aw）原狀土。土壤容重用環刀田間分層取樣烘干法測定（5.1cm）；土壤硬度采用DIK-5521硬度計田間直接測定；土壤三相組成采用DIK-1150三相測定儀測定田間取回自然狀態下的土壤。土壤孔隙分布測定方法：采用砂柱和壓力膜儀測定不同壓力下土壤水分含量，得出土壤水分特征曲線，根據土壤水分特征曲線求得土壤孔隙當量直徑（d=3/H），得出不同直徑孔隙的水分含量，即土壤不同孔隙的分布。其中，d為孔隙當量直徑（mm），H為水柱高度（cm）[12]。

1.3.2 產量測定 于每年秋季水稻成熟期，在各小區選取有代表性的水稻植株10穴作為考種材料，考察穗粒數、結實率、千粒重等產量構成因素，每個小區單打測產。

1.4 數據處理

運用SPSS系統軟件處理和分析數據，進行差異顯著性比較。

2 結果

2.1 秸稈還田對水稻產量的影響

從表2不同處理水稻產量來看，在第1個5年試驗期間，秸稈還田配施化肥（SNPK）處理水稻5年平均產量高于單施化肥（NPK）、單施秸稈（S）處理及不施肥（CK）處理，且各處理間差異達到極顯著水平（＜0.01）；從第1個5年水稻平均產量看，產量順序為SNPK＞NPK＞S＞CK，SNPK處理水稻產量比NPK和S處理高598.9 kg·hm-2和4261.1 kg·hm-2，其中S處理5年平均產量比CK高999.9 kg·hm-2，差異達到極顯著水平。第2個5年試驗期間，不同處理水稻產量為SNPK＞NPK＞S＞CK，與第1個5年試驗結果的趨勢一致，但SNPK及S處理水稻產量與第1個5年相比有增加趨勢，而NPK處理和CK水稻產量低于第1個5年，說明長期秸稈還田對水稻有增產作用。從10年產量平均來看，SNPK處理水稻產量與NPK處理相比，增產14.17%，與S處理相比，增產133.23%，與CK相比，增產275.70%；與CK相比，NPK處理增產效果要高于S處理，10年平均增產229.0%，而S處理增產61.09%。

2.2 秸稈還田對土壤容重、硬度的影響

從表3、圖2看出，與試驗前土壤物理性質相比，CK由于連年耕作導致土壤容重、硬度增加。土壤容重在2010年調查中，處理間差異雖未達到顯著水平，但均呈一定趨勢變化。

耕作5年、10年后，對照處理的土壤容重與處理前（表1）相比增加幅度分別為1.29%—4.14%和0.65%—6.21%，其中20—30 cm土層土壤容重增加幅度最大，30—40 cm土層容重增加幅度相對較小，表明連年耕作對土壤物理性質有影響；與處理前相比，S處理在5年后土壤容重沒有增加，10年后有下降趨勢，與處理5年后相比下降幅度為0.85%—1.38%；與CK相比，S處理5年后土壤容重下降1.27%—3.97%，10年后下降0.64%—7.14%，以20—30 cm土層下降幅度最大。與處理前相比，SNPK處理土壤容重在5年后和10年后均呈下降趨勢，隨還田年限增加，容重下降幅度增加，以20—30 cm土層下降幅度大，10年后為10.00%；5年后SNPK處理與CK相比降低幅度為1.91%—7.95%，10年后降低幅度為1.28%—14.93%。與處理前相比，NPK處理土壤容重增加，以0—20、20—30 cm土層最為明顯，5年后土壤容重增加0.85%和2.07%，10年后土壤容重增加幅度為2.27%和3.69%，處理10年后與5年后相比仍呈增加趨勢；在處理5年和10年后，NPK處理土壤容重與對照相比下降，但下降幅度小。

表2 不同處理水稻產量

大寫字母A、B、C、D表示在0.01水平差異顯著，小寫字母a、b、c、d表示在0.05水平差異顯著。下同

Uppercase letters represent significant difference at 0.01 level, lowercase letters represent significant difference at 0.05 level. The same as below

表3 不同處理土壤容重

圖2 不同處理土壤硬度

土壤硬度在2010年和2015年（5a和10a），各對應處理差異不顯著，但呈一定變化趨勢。與還田前土壤硬度相比，SNPK處理在還田5年和10年后土壤硬度均呈下降趨勢（圖2），還田5年后，與處理前相比SNPK處理降低10、20、30 cm土層土壤硬度分別為7.46%、3.41%和2.94%（圖3）；還田10年后降低土壤硬度分別為26.87%、5.68%和4.62%；S處理僅在還田10年后有降低20—30 cm土層硬度的效果，NPK處理則使土壤硬度增加。從表4看出，S和NPK處理在土壤硬度上差異不顯著，對照處理土壤硬度最高，SNPK處理土壤硬度在5年和10年后均表現最低，其中10年后在20—30 cm土層與CK差異達到顯著水平。

2.3 秸稈還田對土壤三相的影響

從圖4土壤三相組成來看，SNPK處理與對照相比，土壤固相比例降低幅度大于S和NPK與對照相比降低的幅度，SNPK、S和NPK處理土壤液相和氣相比例與對照相比增加；還田5年后，SNPK處理土壤在0—20、20—30、30—40 cm土層土壤固相比例較CK分別下降8.82%、8.36%和3.65%，還田10年后，土壤固相比例較CK分別下降10.87%、10.61%和4.67%，與CK相比，還田10年后要比5年后下降幅度大；S處理土壤固相比例與CK相比，5年后在0—20、20—30、30—40 cm土層分別下降1.15%、2.96%、3.07%，10年后分別下降2.91%、5.52%、5.80%，下降幅度超過還田5年與對照相比下降的幅度；NPK處理土壤固相比例與CK相比，5年后在0—20、20—30、30—40 cm土層分別下降6.25%、4.97%、2.04%，10年后分別下降6.44%、1.53%、3.59%。3個處理與對照相比均可使土壤固相比例下降，但只有SNPK處理對降低土壤固相比例效果最好，其不同土層間下降幅度存在差異，土壤固相比例隨著土層深度的增加下降幅度逐漸減小，0—20 cm，20—30 cm土層隨年限增加，下降幅度增大。

表4 土壤硬度方差分析

圖3 土壤硬度變化幅度

2.4 秸稈還田對土壤孔隙組成的影響

土壤孔隙分級組成是根據土壤水分特征曲線轉換計算得出。孔隙分級參照姚賢良[14]的方法，孔隙的當量直徑＞0.05 mm的孔隙稱為重力水孔隙，通常情況下不能長時間儲存水分，可以視為是土壤內排水的通道。直徑0.0002—0.05 mm的孔隙，為總有效儲水孔隙，孔隙中水分可被植物吸收利用，＜0.0002 mm的孔隙稱為無效孔隙，孔隙中的水分一般情況下不能被作物所利用。

從表5不同處理土壤孔隙組成來看，NPK處理土壤孔隙分布量隨著孔隙直徑的減小而增加，＜0.0002 mm直徑的無效孔隙占有比例比其他3個處理高。從表6看出，長期秸稈還田可以增加土壤有效孔隙的數量及有效孔隙比例，降低無效孔隙，而且隨還田時間延長，在0—20、20—30 cm土層處理間和年限間差異達到極顯著水平。還田5年后，SNPK處理土壤0—20、20—30、30—40 cm有效孔隙分別為9.64%、8.44%和5.67%，分別比對照高出13.9%、50.44%和20.63%；與NPK處理相比，在20—30 cm和30—40 cm土層土壤有效孔隙增加16.89%和32.47%；與S處理相比，在0—20、20—30、30—40 cm土層分別增加13.01%、48.07%和22.99%。隨秸稈還田年限的延長，SNPK處理各土層土壤有效孔隙度均呈現增加的趨勢，還田10年后，0—20、20—30、30—40 cm土層有效孔隙分別為10.58%、9.11%和5.80%，比CK增加28.86%、63.85%和23.40%；在20—30 cm和30—40 cm土層比NPK處理增加12.55%和62.96%；與S處理相比，在0—20、20—30、30—40 cm土層分別增加19.68%、56.52%和24.46%。NPK處理10年后土壤有效孔隙與5年前相比下降，在0—20、20—30、30—40 cm土層分別降低6.75%、22.58%、0.70%，有效孔隙比例整體低于SNPK處理，但高于S處理。秸稈還田可以增加土壤有效孔隙，提高土壤水分利用率，其中秸稈還田配施化肥處理對土壤總孔隙度、有效孔隙影響最大，單施秸稈效果不明顯，在對各土層影響效果看出，秸稈還田對耕層和犁底層影響效果顯著。

圖4 不同處理土壤三相組成

表5 不同處理土壤孔隙組成

表6 土壤孔隙方差分析

*表示在0.05水平上顯著，**表示在0.01水平上顯著 * means significant at 0.05 level, ** means significant at 0.01 level

3 討論

秸稈還田一直是農業上備受關注的問題，相關研究表明，秸稈還田有改善土壤結構，提高土壤養分，增加作物產量的作用[15-16]。但秸稈還田也存在不利因素，影響土壤整地、播種質量，秸稈分解過程存在與作物爭肥現象，導致當季作物產量下降[17]。因此，秸稈還田是一項需要長期試驗與調查研究的內容。目前在旱田中秸稈還田研究較多，在水田中秸稈還田的研究比較少，尤其國家禁止秸稈焚燒的政策出臺后，更使秸稈問題成為焦點，在水田土壤中，秸稈還田對土壤、水稻的影響更需要長期、定位研究。前人研究證實，秸稈還田可以增加土壤有機質、全氮含量，提高土壤地力水平和供肥能力[18-19]，多數研究只是短期結果，且在土壤物理性狀方面研究較少。本研究從土壤物理性質開展研究，明確長期秸稈還田可以降低土壤容重、硬度，降低土壤固相、提高土壤有效孔隙的比率，促進土壤通氣、透水性，提高水稻對土壤水分的吸收。秸稈還田對耕層和犁底層土壤改善效果明顯，傳統觀點認為，犁底層越硬、越厚，越有利于水田土壤保水、防滲漏，但是這是針對漏水、漏肥的砂性土壤。白漿土是一種特殊土壤，由于成土原因，它的白漿層堅硬、質密、養分含量低，是作物生長的障礙土層，阻止水稻根系下扎，導致水稻根系生存環境變小，限制根系生長及其對土壤中養分的吸收，影響作物生長發育[20]。在深翻作業下秸稈還田后，可以使秸稈混合在0—30 cm土層中，秸稈腐解過程中可以改善土壤的不良性質，長期還田不僅降低土層硬度和容重，還可改善白漿層土壤結構，增加土壤大孔隙數量及有效孔隙數量和比例，增加土壤的通氣性，這在旱田研究中得到證實[21]。同時，連年產量調查說明，長期秸稈還田并與速效肥料混合施用，可提高作物產量，且還田時間越長，效果越好[22-23]。單獨秸稈還田與常規施用化肥的處理相比會使作物產量降低[24]，因為秸稈在分解過程中微生物活動需要養分的供應，土壤中的養分因要同時供應作物生育和微生物活動的需求，會導致作物從土壤中吸收的養分減少，導致水稻產量低[25]；長期施用化肥，雖然可以保證水稻穩產，但對土壤沒有改善作用，而且會使土壤板結、土壤性質惡化[26-27]。本文通過長期施用秸稈，明確了秸稈與化肥配施對改善土壤不良物理性質有重要作用。因此，要使土壤長期可持續利用，應合理實施秸稈還田，注重秸稈還田的長期效果。

4 結論

4.1 白漿土長期秸稈還田有利于提高水稻產量，10年產量平均，水稻產量順序為秸稈還田配施化肥處理＞化肥處理＞秸稈單施＞對照，秸稈還田配施化肥比其他3個處理分別增產14.17%、133.23%和275.70%。

4.2 白漿土長期秸稈還田可以降低土壤容重、硬度，還田10年后，秸稈還田配施化肥處理土壤容重低于化肥單施、秸稈單施及對照處理，0—30 cm土層土壤容重與對照相比降低6.34%—10.00%；土壤硬度與容重趨勢一致，還田10年后，秸稈還田配施化肥處理在20—30 cm土層與對照相比差異達到顯著水平，土壤硬度與還田5年后相比有下降趨勢。

4.3 長期秸稈還田可以降低土壤固相比例，還田5年后，秸稈還田配施化肥處理比對照下降3.65%—8.82%，還田10年后下降4.67%—10.87%。

4.4 長期秸稈還田可以增加土壤總孔隙和有效孔隙的數量，還田10年后，0—40 cm土層秸稈還田配施化肥處理土壤有效孔隙比對照增加23.40%—63.85%，與單施秸稈相比增加19.68%—56.52%，與化肥單施處理相比，在20—40 cm土層有效孔隙增加12.55%—62.96%；在0—30 cm土層，土壤總孔隙度和有效孔隙度各處理間差異極顯著，年限間差異極顯著，與還田5年后相比，土壤有效孔隙度均呈現增加的趨勢。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Effects of Albic Soil Physical Properties and Rice Yields After Long-Term Straw Incorporation

Wang Qiuju1, Chang Benchao1, Zhang JinSong1, Han DongLai2, Sui YuGang2, Chen HaiLong2, Yang Xingyu2, Wang Xuedong2, Jiao Feng3, Ken Araya4, Liu Feng5

(1Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China;2The 859 Farm of Jiansanjiang management bureau, Jiamusi 156326, China;3Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China;4NICH Laboratory, Sapporo 079-01, Japan;5Management Department of Scientific Research of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China)

【Objective】This study investigated the effects of long-term rice (L.) straw incorporation on the physical properties of albic soil and crop yield. 【Method】The experiment included four treatments: (1) CK (no straw incorporation); (2) S (single application of straw); (3) SNPK (straw and N, P, K fertilizer); and (4) NPK (N, P, K fertilizer). In 2005, 2010, and 2015, after the fall harvest, undisturbed soil from different layers was obtained, and soil bulk density, hardness, porosity, three-phase composition and rice yield were analyzed.【Result】Rice average yield of ten years after SNPK treatment was 275.70% and 133.23% higher than that after CK and S treatment, and was 14.17% higher than that after NPK treatment, rice average yield of SNPK were higher in the 5-10 years than that of the same treatment in the 1-5 years. Long-term straw incorporation improved soil physical properties. After 10 years of SNPK treatment, soil bulk density of the 0-20 cm and 20-30 cm soil layers was reduced by 6.34% and 10.00% than CK, respectively, the trend was degressive than after 5 years; soil hardness of the 10, 20, and 30 cm soil layers was reduced by 26.87%, 5.68%, and 4.62% after SNPK treatment than before treatment, respectively, the difference was significant between SNPK and CK in 20-30 cm layer, the trend of 10 year was degressive than that of 5 year, but not obvious, other treatment were not obvious degressive trend than CK; and the solid phase ratio of the 0-20, 20-30, and 30-40 cm soil layers was reduced by 10.87%, 10.61%, and 4.67% than CK, respectively. These values were lower than those noted after 5 years of straw incorporation. Furthermore, long-term straw incorporation increased the number of effective pores in the soil, and the difference was greatly significant between treatments and between years. After 10 years of treatment, the proportions of effective pores of the 0-20, 20-30, and 30-40 cm soil layers treated with SNPK were 28.86%, 63.85%, and 23.40% higher, respectively, than those treated with CK. The proportions of effective pores in the 0-20 and 20-30 cm soil layers in the SNPK treatment were 12.55% and 62.96% higher than those in the NPK treatment, the proportions of effective pores in the 0-20, 20-30, 30-40 cm soil layers in the SNPK treatment were 19.68%, 56.52% and 24.46% higher than those in the S treatment, the trend was increased than that after 5 years. Each soil layer showed increasing numbers of effective pores over time with SNPK treatment. Straw incorporation improved the quality of albic soil, however, its effects become apparent over the long term.【Conclusion】Long-term straw incorporation could improve soil physical properties, increased soil effective pore, decreased soil bulk density, and increased rice yield. Good results were obtained from straw incorporation and chemical fertilizer application. The effect of straw incorporation with fertilizer application on soil and rice was obvious than the treatment of single straw incorporation and single fertilizer application.

straw incorporation, albic soil, soil properties, effective pore size, soil bulk density, rice yield

2016-11-25；接受日期：2017-02-28

國家重點研發計劃（2016YFD0300902-05）、農業部公益性行業專項（201503118-04）、黑龍江省博士后基金（LBH-Z13189）、黑龍江省自然科學基金（D2015005）、黑龍江省農業科學院創新工程（2014JQ03）

王秋菊，E-mail：bqjwang@126.com。通信作者劉峰，E-mail：liufengjms@163.com