稻稈還田與化肥配施對稻茬麥田土壤肥力和小麥產量的影響

季詩域 王旭東 石思博 陳文博 葉正錢 任澤濤 劉璋 于振文

摘要：在大田試驗條件下，以水稻秸稈為研究對象，設置化肥水平（C）0、70%、100%，秸稈還田水平（S）0、50%、100%，共9個處理，研究不同秸稈還田量與化肥配施對不同時期土壤養分及冬小麥產量的影響。結果表明：在冬小麥的整個生育期內，秸稈還田與化肥配施能明顯提高土壤有機質、堿解氮、速效鉀含量，對土壤有效磷含量影響不大。其中處理S100C70對土壤有機質的積累效果最佳，處理S100C100對提高土壤堿解氮含量的能力最強，處理S50C70對提高土壤速效鉀含量作用最大。在相同施肥水平下，秸稈還田會提高產量，但秸稈還田量并不是越大越好。在C70和C100水平下，冬小麥的穗長、株高、穗粒數、千粒質量等產量構成要素隨秸稈還田量的增加而增加。相關分析結果顯示土壤速效鉀含量對提高小麥產量及其構成要素具有至關重要的作用。運用主成分分析方法找出3個主成分，綜合得分排名第1、第2的處理分別為處理S50C100與處理S100C100，因此在本試驗條件下，處理S50C100與處理S100C100可維持較高的土壤肥力且促進小麥增產，實現廢棄秸稈還田資源化合理利用。

關鍵詞：水稻秸稈;稻茬麥地;土壤肥力;小麥產量

中圖分類號：S512.1+10.61文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2020）05-1181-08

Abstract：In this study， rice straw was used as the research object in field experiment. The fertilizer levels （C） were 0， 70% and 100%， and the straw returning levels （S） were 0， 50% and 100%. There were nine treatments. The effects of different combined application of straw and chemical fertilizers on soil nutrients and winter wheat yield in different were studied. The results showed that the combined application of straw and chemical fertilizers could significantly increase the contents of soil organic matter， available nitrogen and available potassium， but had little effect on soil available phosphorus content during the whole growth period of winter wheat. Among them， treatment S100C70 had the best accumulation effect on soil organic matter， treatment S100C100 had the strongest ability to improve the content of soil available nitrogen， and treatment S50C70 had the strongest effect on increasing soil available potassium content. Under the same fertilization level， straw returning would increase yield， but the amount of straw returning was not the higher the better. At C70 and C100 levels， the yield components of winter wheat， such as ear length， plant height， grain number per spike， and thousand-grain weight， increased with the increase of the amount of straw returning. Correlation analysis results showed that the content of soil available potassium played an important rde in increasing wheat yield and its components. Three principal components were identified by principal component analysis， and the results indicated that the comprehensive score of the S50C100 treatment was highest， and the second was S100C100 treatment. Therefore， based on this experiment conditions， the S50C100 treatment and the S100C100 treatment can maintain high soil fertility， promote wheat yield， and realize rational utilization of waste straw.

Key words：rice straw;rice stubble wheat field;soil fertility;wheat yield

中國是全球第一秸稈生產大國，每年生產秸稈約7×108 t，占全球秸稈產量的1/3，其中水稻秸稈約占50% [1-2]。這些秸稈含有相當數量的碳、磷、鉀、氮等營養元素，其所含的養分約占全國化肥使用量的25%[2-3]，是農業生產中重要的生物資源。浙江省氣候適宜，土壤肥沃，農業發達，農作物秸稈數量巨大，秸稈年均產出量為1.0×107 t[4]，然而卻沒有很好地被利用。因此在該區域開展秸稈還田，既能保護生態環境，又能提升土壤養分含量和土地生產力。

水稻秸稈還田可以為作物生長補充必需的營養元素，也會提升土壤養分含量[5-7]。張奇等研究發現水稻秸稈還田可以提高土壤氮素水平，改良土壤理化性狀，且對土壤微生物生物量有顯著影響[2]。成臣等研究發現水稻秸稈還田配合長期旋耕，可以提高土壤肥力和作物產量[8]。施用不同比例的化肥與水稻秸稈，可以提高作物的干物質積累速率，改善土壤養分，增加群體生物量[9-10]。

綜上所述，以往研究多關注于同一土地類型下，水稻秸稈對土壤肥力和作物生長的影響，而對于土地利用方式轉變如水旱輪作條件下，水稻秸稈還田與化肥配施的具體用量與比例方面還缺乏系統研究。

隨著經濟社會的發展，不同的土地利用轉變越來越多，而不同的土地利用轉變會直接影響到土壤養分的輸入和輸出，進而影響土壤養分儲存量和作物的生長[11]。浙江省因為地形原因，農業生產方式多為散戶、小農戶經營，經常發生土地利用方式轉變。在土地利用方式發生轉變的背景下提高土地利用率十分重要。為此，研究不同比例水稻秸稈與化肥配施對水旱輪作條件下土壤養分、冬小麥產量的影響，以期為水旱輪作下水稻秸稈資源化利用提供理論依據和技術支持。

1材料與方法

1.1試驗地點與供試材料

試驗于2018年11月-2019年5月在浙江省杭州市臨安區橫塘村大田（29°56′N，118°51′E）進行。該地區平均海拔434.75 m，屬于中亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16 ℃，年平均日照時數2 000 h，年平均降水量1 613.9 mm，降水日158 d，全年無霜期237 d。試驗地作物種植方式為：水稻-小麥輪作，一年兩熟。供試土壤基本理化性質為：pH5.7，有機質含量25.4 g/kg，含水量27.3 g/kg，速效鉀含量56.9 mg/kg，堿解氮含量152.2 mg/kg，有效磷含量5.1 mg/kg。供試秸稈為2018年10月份收獲水稻后的水稻秸稈。供試小麥品種為揚麥15。2018年11月2日播種，2019年5月21日收獲。

1.2試驗設計

設3個秸稈還田水平、3個化肥施用水平，雙因素隨機區組排列，9個處理，3次重復，共27個小區。秸稈還田量分別為0 kg/hm2、3 748 kg/hm2、7 496 kg/hm2，相對用量記為0（對照，S0）、50%（S50）、100%（S100）;化肥用量為常規施肥量的0（C0）、70%（C70）、100%（C100）。常規施肥量（100%）施肥方案為：基肥，復合肥（純氮含量15%）375 kg/hm2;追肥，在拔節期追施尿素（含N46%）195 kg/hm2。各處理見表1。

小區面積25 m2（長5 m，寬5 m）。2018年10月下旬，水稻收獲后，去掉水稻根茬并清理田面，以保證各小區秸稈使用量的準確性。水稻秸稈按用量平鋪于各個小區中，而后進行機器翻壓掩埋于20 cm土層，然后平整土地。于2018年11月2日播種冬小麥，田間管理同常規大田。

1.3測定項目及分析方法

分別于分蘗期（1月13日）、拔節期（3月23日）、成熟期（5月21日）采集土壤樣品，每個小區用五點法取0～20 cm耕層土樣混合，測定指標為堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質、pH，均用常規分析方法測定[12]。植物樣品于2019年5月21日收獲后，測定株高、穗長等產量構成因素，并按照小區計算產量。

采用Excel 2010軟件和SPSS17.0軟件進行方差分析和Duncans顯著性檢驗，比較不同處理間在P<0.05水平的顯著性差異，采用OriginPro8.0軟件繪制柱狀圖。采用SPSS17.0軟件進行主成分分析、相關性分析、交互分析，并繪制主成分分析圖。采用R3.6.1軟件的corrplot函數包進行統計分析，繪制相關矩陣圖。

2結果與分析

2.1不同秸稈還田量與化肥配施對土壤基本理化性質的影響

由圖1可知，在小麥的3個生育時期中，土壤有機質、堿解氮、速效鉀含量總體呈現先上升后下降的趨勢并在拔節期達到最高值，土壤有效磷含量呈現先下降后升高趨勢并在成熟期達到最高值，土壤pH值在成熟期達到最大但無明顯變化規律。

在分蘗期的所有處理中，處理S0C100的堿解氮和有效磷含量最高，處理S100C0的pH值最高，處理S100C70的有機質含量最高，處理S100C100的速效鉀含量最高。在拔節期的所有處理中，處理S100C0的pH值最高，處理S100C70的有機質含量最高，處理S100C100的堿解氮、有效磷含量最高。在成熟期的所有處理中，處理S50C100的堿解氮含量最高，處理S100C70的有機質和速效鉀含量最高，處理S100C100的有效磷含量、pH值最大。綜上所述，土壤養分在分蘗期處理S0C100最佳，拔節期處理S100C100最佳，成熟期處理S100C70和S100C100最佳。

在同一時期內S50和S100水平下，施化肥會提高土壤有機質含量，但并不是施肥量越多越好，在C70水平下土壤有機質含量達到最大，C100水平下不如單施秸稈;在同一時期內，與對照相比，單施秸稈、單施化肥、秸稈與化肥配施都會提高土壤有機質含量。在C70、C100水平下，各處理的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量在不同時期有不同變化規律。分蘗期時，堿解氮含量隨秸稈還田量增加而降低，有效磷含量無明顯變化規律，速效鉀含量隨秸稈還田量增加而增加;拔節期時，堿解氮含量隨秸稈還田量增加而增加，有效磷含量無明顯變化規律，速效鉀含量因秸稈還田而有所提高;成熟期時堿解氮、有效磷、速效鉀含量均隨秸稈還田量增加而增加。就提高土壤速效鉀的效果而言，秸稈還田與化肥配施效果最佳，優于單施秸稈、單施化肥。秸稈還田會略微提高土壤pH值，但秸稈還田量的多少與pH值的變化沒有明顯規律。

2.2不同秸稈還田量與化肥配施對小麥產量及其構成要素的影響

經Duncans單因素方差分析可知，處理S100C100產量最高，處理S0C0產量最低;在C100水平下，產量隨著秸稈還田量的增多而提高。在C70、C0水平下，各處理的產量在還田量為S50時最高，S0最低;各處理中，產量較高的有處理S100C100、S50C100，且它們高于處理S0C100、S0C70、S100C0、S50C0，這說明對于提高小麥產量，秸稈還田與化肥配施優于單獨施化肥或者秸稈還田。

由表2可知，不同處理對小麥的產量構成要素也產生了一定的影響。各處理的千粒質量存在差異，S100、S50水平下的各處理與S0水平下的各處理差異顯著。在同一施肥水平下，不同秸稈還田量對千粒質量的影響沒有明顯規律。各處理的穗長、株高存在差異，在相同施肥水平下，秸稈還田與秸稈不還田之間、不同秸稈還田量之間的差異都不顯著。各處理的穗粒數存在差異，在C0水平下，處理S50C0、S100C0顯著高于處理S0C0。在C70和C100水平下，隨秸稈還田量的增加，冬小麥的千粒質量、穗長、株高、穗粒數均增加。就千粒質量、穗長、株高、穗粒數增加的效果而言，秸稈與化肥配施優于單獨施化肥或秸稈還田。各處理的成穗數存在差異，在C0、C70水平下秸稈還田與秸稈不還田之間差異不顯著，在C100水平下秸稈還田與秸稈不還田之間、不同秸稈還田量之間差異顯著。在同一施肥量下，冬小麥的成穗數隨秸稈還田量的增加而增加。就提高小麥成穗數的效果而言，秸稈還田與化肥配施優于單獨施化肥或秸稈還田。各處理的經濟系數存在差異，在同一施肥量下，秸稈還田與秸稈不還田之間、不同秸稈還田量之間差異不顯著。在C0水平下，經濟系數隨秸稈還田量增加而增加。在C70、C100的水平下，水稻秸稈還田能夠提高小麥經濟系數，但并不是秸稈還田量越大越好。就提高小麥經濟系數的效果而言，秸稈還田與化肥配施優于單獨施化肥或秸稈還田[13]。

2.3小麥產量及其構成要素與土壤養分因子的主成分分析和交互相關分析

對小麥產量等要素與土壤養分因子的數據進行主成分分析和交互相關分析（圖2）。 主成分分析（Principal component analysis，PCA），是把各變量之間互相關聯的復雜關系進行簡化分析的方法，它能反映出不同處理的差異狀況。在本試驗中，對各處理的因子進行主成分分析，第1主成分PC1的方差貢獻率為57.45%，第2主成分PC2的方差貢獻率為19.52%，第3主成分PC3的方差貢獻率為15.14%，三者之和為92.11%，可以代表系統內的所有信息。由圖2A可見各處理分布離散，說明各處理之間差異較大，秸稈還田對土壤理化性質和小麥產量影響較大。不同秸稈還田與化肥配施各處理在3個主成分上的得分情況詳見表3。不同處理的土壤理化性質綜合得分由大到小排列為S50C100、S100C100、S100C70、S0C100、S50C70、S0C70、S100C0、S50C0、S0C0。處理S50C100的土壤養分及作物產量的水平最高，而處理S0C0最低。這說明秸稈還田能夠提高土壤養分，改善土壤理化性質，以及促進作物生長，其中秸稈還田與化肥配施的效果最好。

由圖2B可知，小麥產量與土壤速效養分含量均呈正相關關系，產量趨勢與養分趨勢相同。小麥產量與土壤速效鉀含量極顯著相關;小麥成穗數與土壤有效磷含量顯著相關，與土壤速效鉀含量極顯著相關;小麥穗粒數、穗長、株高都分別與土壤有效磷和土壤速效鉀含量存在顯著相關和極顯著相關關系;小麥經濟系數與土壤堿解氮含量顯著相關，與土壤速效鉀含量極顯著相關;小麥千粒質量與土壤堿解氮含量顯著相關，與土壤有效磷和速效鉀含量極顯著相關。總體看來，土壤速效鉀含量對于提高小麥產量及其構成要素具有至關重要的作用。而土壤有機質含量、堿解氮含量、pH等指標與小麥產量及構成要素的相關性不是很大。為了反映秸稈與化肥這2個要素對不同處理的交互影響，進行交互分析。交互分析結果（圖2B）顯示，單獨秸稈還田和單施化肥以及其二者的交互作用對土壤養分、小麥產量及其構成要素均有顯著或極顯著影響（P<0.05）。除穗長外，單獨秸稈還田對其余各項指標均有顯著或極顯著影響（P<0.05）。除pH外，單施化肥對其余各項指標均有顯著或極顯著影響（P<0.05）。秸稈還田與化肥配施對土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、小麥產量、成穗數有極顯著影響。整體看來，秸稈還田與化肥配施對土壤養分的互作效應要強于對小麥產量構成要素的互作效應。

3討論

本研究分析了不同秸稈還田量與化肥配施對不同小麥生育時期土壤肥力的影響，結果顯示各處理的土壤有機質、堿解氮、速效鉀含量均在拔節期最高，這與前人的研究結果并不完全一致[14]，這可能是因為不同試驗地的土壤肥力狀況存在差異。該結果說明秸稈還田與化肥配施主要在拔節期發揮作用。這是因為還田的秸稈在分蘗期沒有完全腐解，而到了拔節期，秸稈中富含的營養元素被釋放出來，導致土壤養分含量顯著上升，之后又因為作物的吸收而導致成熟期的土壤養分含量下降。

研究發現，秸稈還田提高了土壤有機質、速效鉀、堿解氮含量，這與其他研究者在江蘇烏柵土農田進行的秸稈還田研究結果一致[15-18]。與文獻[15]～[17]以及[19]、[20]報道的研究結果不同的是，本試驗中秸稈還田對有效磷的影響不大，這可能是因為不同試驗之間存在氣候、土壤類型、秸稈還田量、耕作方式等差異。秸稈還田對土壤有效磷含量的影響不大，可能是因為秸稈中磷素含量較少，也可能是因為土地利用方式的轉變[11]。本試驗中土壤有效磷含量較低，而秸稈還田對土壤有效磷的影響不大，因此在今后秸稈還田時應注意磷肥的施用。在本研究中，小麥生育前期處理S0C100的土壤養分含量最高，而小麥生育后期處理S100C100和處理S100C70土壤理化性質最佳，這說明秸稈還田能有效提高土壤肥力，且秸稈還田與化肥配施最佳。這是因為化肥是速效養分，它能在小麥生育早期很快釋放出來，而秸稈耐分解，屬于緩釋肥，其養分在小麥生育后期才慢慢釋放出來。此外，本研究發現在分蘗期，土壤堿解氮含量隨秸稈還田量增加而降低，堿解氮含量最低的處理是S100C100，說明秸稈還田在前期不利于土壤堿解氮的增加。這是因為土地利用方式轉變影響了土壤氮素的輸入和輸出，從而影響了土壤堿解氮含量[11]，還因為在該時期大量水稻秸稈為微生物提供了大量的碳源，導致其生命活動旺盛，從而消耗大量的有效態氮素用于合成細胞體，因而降低了土壤堿解氮含量。劉淑云等通過分析不同土壤類型下小麥產量與土壤養分之間的關系，發現土壤有效磷含量對小麥產量的影響最大[21]。本研究經相關分析發現土壤速效鉀含量對于提高小麥產量及其構成要素的作用最大。這是因為水稻秸稈中有豐富的鉀素（約占1.5%），對提高土壤速效鉀含量有重要作用[22]。秸稈還田可能是通過提高土壤速效鉀含量來促進酶活性的增加，最終達到增產效果[23-24]。秸稈還田可以提高某些土壤養分的含量，但關于這部分養分在土壤中的穩定性等問題還有待進一步探討。

眾多研究結果表明水稻秸稈還田除了改善土壤理化性質[25-27]之外，還會對小麥的產量及其構成要素產生影響。白娜玲等通過研究全量秸稈還田與減氮措施對稻麥輪作的影響，發現水稻秸稈還田有助于小麥產量、株高、有效穗數、穗粒數和千粒質量的提高[28-32]，但有學者認為水稻秸稈還田對小麥產量的影響會因地區和土壤類型而異[33-34]。本試驗中，在相同施肥水平下，秸稈還田提高了小麥產量，但并不是還田量越大越好，且水稻秸稈還田與化肥配施優于單獨施化肥或秸稈還田。其中，處理S100C100的小麥產量最高，這可能與該處理在拔節期、成熟期的土壤養分狀況最佳有關。秸稈還田與化肥配施增產效果最優可能是因為該肥力下秸稈腐熟較快，避開了土壤微生物與小麥之間的養分競爭，同時水稻秸稈腐熟后的養分釋放又為小麥的生長發育提供了充足的養分，尤其是土壤速效鉀含量的提高促進了小麥產量的提高。秸稈還田對冬小麥的產量構成要素也產生了一定的影響。在同一施肥水平下，冬小麥的穗長、株高、穗粒數、千粒質量、成穗數隨秸稈還田量的增加而增加。小麥經濟系數的提高是秸稈還田的另一個作用，但并不是還田的量越大越好。總體來看，就小麥的產量構成要素而言，秸稈還田與化肥配施的處理最佳，這可能與這些處理的土壤養分含量最高有關。

綜上所述，合理的水稻秸稈還田量和施肥量能夠有效地改善土壤養分狀況，提高小麥產量。在本試驗條件下，增效作用最明顯的均為秸稈還田與化肥配施的處理（處理S50C100和處理S100C100），這說明秸稈還田量3 748 kg/hm2（或7 496 kg/hm2）與化肥（純氮含量15%的復合肥）用量375 kg/hm2是比較適宜的秸稈還田與化肥配施比例，這為該地區在水旱輪作條件下水稻秸稈資源循環利用提供了科學依據。

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（責任編輯：張震林）