兩種玉米秸稈還田方式對甜玉米生長、品質及土壤性狀的影響

黃連喜，王鈺靜，黃 慶，魏 嵐，李 翔，陳偉盛，黃玉芬，劉忠珍

（1.廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省養分循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣州市南沙區農業農村服務中心，廣東 廣州 511400）

【研究意義】作物秸稈是農作物生產過程中產生的一種生物質資源，含有豐富的氮、磷、鉀等大量營養元素、中微量元素及其他的一些營養元素，如木質素、纖維素等富含碳元素的物質［1-2］。我國每年約產秸稈8×108t，但其利用指數不高，大部分秸稈被焚燒，造成資源浪費和大氣環境污染［3］。因此，如何對作物秸稈進行有效的資源化利用是當前農業發展迫切需要解決的問題?！厩叭搜芯窟M展】作為目前秸稈利用的主要方式，直接還田具有良好的土壤改良效應［4-6］。長期秸桿還田對土壤養分管理、土壤質量提升和維持其可持續生產力具有重要意義［7-9］。但是，由于微生物的分解作用，秸稈還田后降解速率較快，增加了土壤CO2排放，削弱了其碳匯功能［10］。隨著全球氣候變暖日趨嚴重，農業被賦予了低碳減排的新使命［11］。農田土壤是地球表層系統中較為活躍的碳儲庫，兼具碳源與碳匯的雙重功能［12-13］。秸稈經無氧高溫熱解可以得到生物炭，具有高度的生物化學抗分解性，與直接還田相比能夠大幅度提升土壤碳庫的穩定性［14］。因此秸稈炭化還田日益被接受為一種重要的CO2減排增匯途徑。秸稈炭化還田具有廣闊的前景，但是目前缺乏具體可行的還田模式。由于秸稈資源的可再生性，秸稈炭化還田需要長期進行，而土壤對炭化秸稈的容納能力，還田炭量積累到一定限度時將如何影響土壤的肥力及作物生長目前尚不清楚。

【本研究切入點】據不完全統計，廣州市南沙區橫瀝鎮常年玉米種植面積（含復種）達0.14萬hm2，年產量達2 萬t［15］。由于需肥量大，甜玉米施肥量普遍高于一般大田作物，廣東省的甜玉米氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）肥推薦施肥量分別達到360、120、360 kg/hm2，而常規施肥量普遍高于此值［16］。因此，玉米種植過程中高投入高產出的生產模式十分普遍，存在重化肥、輕有機肥及氮磷鉀復混肥投入量高等現象，導致土壤環境質量下降，土壤養分失調及土壤酸化加劇等多種問題。因此本試驗設置玉米秸稈直接還田和玉米秸稈炭化還田兩種農藝措施，研究兩種秸桿還田措施對玉米產量、玉米品質及土壤理化性質的提升效果。【擬解決的關鍵問題】通過玉米秸稈直接還田和玉米秸稈炭化還田兩種農藝措施的大田應用試驗，評價兩者對玉米合理施肥、土壤肥力提升、土壤環境質量提高及玉米生產提質增效的影響，為拓展廢棄農林秸稈還田措施提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗點位于廣東省廣州市南沙區橫瀝鎮馮馬二村（22°43′57″N，113°29′40″E）。試驗開始前，每壟試驗地按照S形采集土壤，采樣深度為20 cm，把采集的土壤充分混勻，室內風干，壓碎后過孔徑2 mm篩進行pH、土壤速效鉀、堿解氮及有效磷含量測定；再用四分法取出一部分繼續碾磨，過孔徑0.25 mm篩后進行土壤有機質測定。試驗地土壤pH為6.01，土壤有機質含量為25.9

mg/kg，堿解氮106.8 mg/kg，有效磷222.0 mg/kg，速效鉀584 mg/kg。每茬試驗所用玉米秸稈為該試驗地上一茬玉米收獲后產生，曬干后用鍘草機剪成3 cm長度，根據小區面積取相應的玉米秸稈置于熱解爐中450 ℃缺氧熱解2 h制備玉米秸桿生物炭。玉米秸桿產量約為300 kg/667m2，炭化產率約為33%，即玉米秸桿炭的產量約為100 kg/667m2。

供試玉米品種為金百甜10 號（粵審玉2015018）。第1 茬還田玉米秸稈（CS1）、第2茬還田玉米秸稈（CS2）、第1 茬還田玉米秸桿生物炭（CSB1）及第2 茬還田玉米秸桿生物炭（CSB2）4 種添加物的基本理化性質見表1。

表1 玉米秸稈及玉米秸稈生物炭基本理化性質Table 1 Physico-chemical properties of cornstalk and cornstalk biochar

1.2 試驗方法

試驗地為兩壟，長32 m，寬5 m，每壟前后各留1 m作為保護行，中間每隔5 m作為一個小區，共12 個小區，隨機區組分布，小區面積約為25 m2，連續進行兩茬玉米田間試驗。試驗設3 個處理，分別為CK，常規施肥對照；T1，常規施肥+秸稈還田，300 kg/667m2·茬；T2，常規施肥+秸稈炭化還田，100 kg/667m2·茬。4 次重復。

2019 年3 月25 日，第1 茬玉米開始育苗，3 月27 日，全部試驗小區按照15 kg/667m2用量施入復合肥（26-6-18）作為底肥，T1、T2 處理各小區同時分別施入玉米秸稈（300 kg/667m2）及玉米秸稈炭（100 kg/667m2），并用翻土機進行深翻。10 d 后玉米小苗移栽，整個生育期內追施復合肥（26-6-18）2 次，時間分別為4 月24 日和5 月17 日，用量分別為15、20 kg/667m2。6 月10 日采收玉米。從育苗到采收，該茬玉米全生育期為78 d。第2 茬玉米于7 月17 日開始育苗。試驗全部小區按照13.5 kg/667m2用量施入復合肥（26-6-18）作為底肥，T2、T3 處理各小區同時分別施入玉米秸稈（300 kg/667m2）及玉米秸稈炭（100 kg/667m2），并用翻土機進行深翻。4 d 后玉米移栽，整個生育期內追肥3 次，時間分別為8 月7 日、8 月20 日及9 月2 日，復合肥（26-6-18）用量分別為12、15、8 kg/667m2。9 月29 日采收玉米。從育苗到采收，該茬玉米全生育期為75 d。

1.3 測定項目及方法

兩茬玉米采收時均確定每個小區玉米的株數，隨機量取10 株玉米的株高，對每個小區玉米進行測產，并隨機每個小區選取2 個玉米苞帶回實驗室進行品質（維生素C、可溶糖含量）分析，剩余玉米粒烘干粉碎后進行養分含量分析，同時采集每個小區的土壤，測定土壤pH、有機質及有效態養分含量。土壤pH 值采用酸度計測定，土水比為1 ∶2.5；土壤有機質含量用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定；堿解氮、有效磷及速效鉀分別采用堿解擴散法、碳酸氫鈉法及乙酸銨提取法測定。玉米可溶糖及維生素C（Vc）含量分別采用費林試劑標定法及2,6-二氯靛酚滴定法測定；玉米粒樣品用H2SO4-H2O2消煮，消煮液分別利用凱氏定氮儀蒸餾、鉬銻抗比色法及火焰光度法測定全量N、P、K 含量。

試驗數據應用Excel 軟件進行處理，用SAS 9.0軟件進行單因素Duncan統計分析，Origin8.6 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈還田方式對玉米生長的影響

2.1.1 秸稈還田方式對玉米產量的影響 由圖1第1 茬玉米產量結果可知，CK 玉米產量為15.65 t/hm2，T1 處理玉米產量為 15.02 t/hm2，T2 處理玉米產量為15.42 t/hm2，CK、T1、T2 處理間玉米產量差異不顯著。由圖1 第2 茬玉米產量結果可知，CK 玉米產量為11.80 t/hm2，T1 處理玉米產量為11.54 t/hm2，T2 處理玉米產量為11.69 t/hm2，CK、T1、T2 處理間同樣差異不顯著。從兩茬玉米產量的結果來看，常規施肥可以獲得較高的產量，常規施肥配合秸稈直接還田及秸稈炭化還田玉米產量稍有降低，但影響不顯著。

圖1 不同秸稈還田方式處理的玉米產量Fig.1 Corn yield treated by different cornstalk returning methods

2.1.2 秸稈還田方式對玉米株高的影響 從表2可以看出，第1 茬玉米試驗中，CK、T1、T2 處理玉米株高無顯著差異；而第2 茬玉米試驗中，CK 與T1 處理間無顯著差異，T2 處理株高則顯著高于CK，與CK 相比，T1、T2 處理對玉米株高的提高效果分別為0.3%、4.59%。

表2 秸稈還田方式對玉米株高的影響Table 2 Effects of different cornstalk returning methods on plant heightof corn（cm）

2.2 玉米秸稈還田方式對玉米品質的影響

由表3 第1 茬玉米粒維生素C 和可溶性糖含量結果可知，玉米秸稈還田和玉米秸稈炭化還田處理均顯著提升玉米粒維生素C 和可溶性糖含量，且秸稈炭化還田處理對玉米粒維生素C 和可溶性糖含量提升效果優于秸稈還田處理。玉米秸稈還田和玉米秸稈炭化還田處理對第1 茬玉米粒維生素C 含量的提升效果分別為16.5%、25.9%，而對可溶性糖含量的提升效果分別為20.7%、22.3%。第2 茬玉米粒維生素C 和可溶性糖含量結果則顯示，玉米秸稈還田處理顯著提升玉米粒維生素C 及可溶性糖含量，提升效果分別為10.3%、24.7%；玉米秸稈炭化還田則對玉米?？扇苄蕴呛烤哂酗@著提升作用，提升效果為10.6%，而玉米粒維生素C 含量的提升效果不顯著，提升效果僅為1.7%。因此，第2 茬玉米試驗中秸稈還田處理對玉米粒維生素C 和可溶性糖含量提升效果優于秸稈炭化還田處理。

2.3 玉米秸稈還田方式對土壤pH 和有機碳含量的影響

2.3.1 秸稈還田方式對土壤pH 的影響 兩茬玉米收獲后，采集試驗小區土壤進行pH 測定。由圖2 第1 茬玉米收獲后土壤pH 結果可知，T1、T2 處理土壤pH 值均稍微提升，但均與CK 土壤pH 值無顯著差異；T1、T2 處理均顯著提升第2茬玉米采收后土壤pH 值，提升值分別為0.33、0.23個單位，且T1、T2 處理間土壤pH 值無顯著差異。

圖2 兩茬玉米收獲后的土壤pHFig.2 pH value of soil after the two crops of corn harvested

2.3.2 秸稈還田方式對土壤有機碳的影響 土壤有機碳是土壤固相部分的重要組成成分，盡管土壤有機碳的含量只占土壤總量的很小一部分，但它對土壤肥力具有極其重要作用［17］，因此土壤有機碳常被作為評價土壤肥力水平的一項重要指標［18］。由圖3 第1 茬玉米土壤有機碳結果可知，T1、T2 處理均顯著提升土壤有機碳含量，提升效果分別為10.3%及10.0%；第2 茬玉米土壤有機碳結果顯示，與CK 相比，T1 處理土壤有機碳含量輕微降低1.7%，但沒有達到顯著差異，而T2處理則仍然顯著提升土壤有機碳含量，提升效果為3.6%。

圖3 兩茬玉米收獲后土壤有機質含量Fig.3 Organic matter content of soil after the two crops of corn harvested

2.4 玉米秸稈還田方式對土壤有效養分及玉米植株養分吸收的影響

2.4.1 秸稈還田方式對土壤有效養分的影響 由表4 兩茬玉米試驗的土壤有效養分含量結果可知，T1、T2 處理兩茬玉米土壤堿解氮、有效磷含量及第1 茬玉米土壤速效鉀含量均輕微提高，但處理間無顯著差異；T1、T2 處理第2 茬玉米土壤速效鉀含量均顯著提升，提升效果分別為16.8%及36.0%。

表4 兩茬玉米試驗土壤有效養分含量Table 4 Soil available nutrient contents in two-crop corn experiments

2.4.2 秸稈還田方式對玉米植株養分吸收的影響每茬玉米收獲時，各小區選取兩株玉米帶回實驗室，分成玉米莖葉及玉米苞兩部分取樣，玉米莖葉又細分為玉米稈及玉米葉兩部分，玉米苞細分為玉米芯和玉米粒兩部分，各部位烘干、粉碎、過篩，進行全N、全P 和全K 分析，結果見圖4。由圖4 可知，玉米植株生長過程中從土壤吸收的氮和磷主要分布于玉米粒和玉米稈兩個部位，鉀主要分布于玉米葉和玉米稈兩個部位。玉米秸稈還田和炭化還田處理對兩茬玉米植株各部位氮、磷及鉀吸收均無顯著影響。

圖4 玉米植株各部位全N、全P 和全K 含量Fig.4 Contents of total nitrogen,total phosphorus and total potassium in different parts of corn plant

3 討論

玉米植株生長與土壤水肥狀況密切相關，不同玉米秸稈還田方式可改善玉米生育期土壤的水肥狀況，從而影響其生長發育。玉米產量是玉米生長發育狀況的最直接體現，第1 茬玉米產量結果顯示，相對于常規施肥對照，常規施肥+秸稈還田及常規施肥+秸稈炭化還田處理玉米產量分別降低0.63、0.23 t/hm2；第2 茬玉米試驗中常規施肥+秸稈還田及常規施肥+秸稈炭化還田處理玉米產量則比對照分別降低0.26、0.11 t/hm2。該結果表明，與對照相比，秸稈還田、秸稈炭化還田處理均輕微降低了兩茬玉米的產量，但降低幅度不顯著。相關研究［19-20］也表明，秸稈還田對作物產量有可能產生負效應。鄧智惠等［21］研究表明，在深松條件下，秸稈還田第1 年作物出現減產的現象，之后隔年秸稈還田第2 年、連年秸稈還田第3 年才實現增產。戰秀梅等［22］研究也表明，秸稈還田后作物當年產量具有降低的趨勢。牛芬菊等［23］研究發現，玉米秸稈還田后，在作物生長發育過程中不斷軟化、腐爛，到玉米成熟時尚未完全腐解的也都分解成碎的小片，秸稈還田對玉米葉面積及莖粗有一定的降低作用，產量較不還田處理降低4.6%～4.7%。本試驗中秸稈炭化還田處理玉米產量稍高于秸稈還田處理，兩處理間玉米產量無顯著差異，說明秸稈炭化還田相對秸稈直接還田效果更快一些，但增產效果在試驗第1 年也還沒能體現出來。株高是玉米生長發育狀況的另一個重要體現。玉米株高結果顯示，秸稈還田、秸稈炭化還田處理對第1 茬玉米株高均具體輕微提升效果，但與對照相比并無顯著差異；秸稈還田、秸稈炭化還田處理對第2 茬玉米株高也有一定的提升作用，其中秸稈炭化還田處理能顯著提高第2 茬玉米株高。因此，秸稈還田和秸稈炭化還田處理對玉米生長的促進作用主要表現在對玉米株高的影響，而對玉米產量的影響還要繼續多年試驗才有可能體現出來。

秸稈還田不僅能提高作物的產量，還對作物的品質具有提升效果。袁玲等［24］研究發現秸稈還田能提高水稻稻米中鐵和鋅的含量，改善稻米品質。張學林等［25］研究發現秸稈還田后玉米籽粒中的蛋白質及淀粉含量有所增加。維生素C 和可溶糖含量均為甜玉米品質的重要指標，這些物質在植物中的合成和積累與光照、水分及土壤養分及理化性質等環境因素密切相關。本試驗中，玉米秸稈還田和玉米秸稈炭化還田處理均對玉米粒維生素C 和可溶糖含量具有顯著的提升效果，且秸稈炭化還田處理對玉米粒維生素C 和可溶糖含量提升效果更快于秸稈還田處理，而秸稈還田處理對玉米粒維生素C 和可溶糖含量提升的持續效果更優于秸稈炭化還田處理。

秸稈還田對作物產量品質的影響主要是通過提升土壤理化性質來實現的。研究表明，水稻秸稈直接還田及炭化后還田均可降低土壤容重、增加土壤孔隙度，均未對稻田土壤有效磷、速效鉀和CEC 含量產生顯著影響，而秸稈炭化后還田可顯著增加土壤有機炭及速效鉀含量，顯著提升土壤pH 值［26］。本試驗結果表明，玉米秸稈直接還田與炭化后還田均對土壤pH 值均具有一定的提升效果，而玉米秸稈直接還田處理對土壤pH 值提升效果的長期效應更優于炭化后還田。玉米秸稈直接還田與炭化后還田均對土壤有機碳含量具有顯著的提升效果，而玉米秸稈炭化后還田對土壤有機碳含量提升效果的長期效應更優于直接還田處理。本研究結果顯示，秸稈炭化后還田比直接還田更有利于土壤有機碳的積累，對于農田土壤固碳增匯具有更大的潛力。這是由于生物炭具有芳香化穩定結構［27］，含碳量通常在30% 以上（與炭化溫度有關），當其施入土壤后難以被微生物降解，得以長期存留于土壤中。因此，玉米秸稈炭化還田對增加土壤碳庫貯量及維持土壤生態系統平衡意義重大。

土壤肥力是農田生產力的基礎，而土壤養分取決于土壤肥力的高低。植物可以直接或間接從土壤中吸收利用的營養元素被稱之為土壤養分，土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量是土壤養分的直接體現。本試驗中，玉米秸稈直接還田與炭化后還田處理均對第1 茬玉米土壤堿解氮、有效磷及速效鉀含量影響不大，對第2 茬玉米土壤堿解氮及有效磷含量也沒有顯著影響，卻對第2 茬玉米土壤速效鉀含量均有顯著提升作用，且秸稈炭化后還田處理對土壤速效鉀含量的提升效果強于秸稈直接還田處理。堿解氮、有效磷及速效鉀在土壤含量變化并沒有引起玉米稈、玉米葉、玉米芯和玉米粒等玉米各個部位對土壤N、P 和K 吸收的差異性影響。

4 結論

本研究在廣州市南沙區連續進行兩茬甜玉米田間小區試驗，考察玉米秸稈還田及玉米秸稈炭化處理還田兩種農藝措施對土壤理化性狀、農作物生長及品質提升的效果，得出以下結論：（1）秸稈直接還田與炭化后還田處理對土壤堿解氮及有效磷含量影響不大，對第2 茬玉米土壤速效鉀含量、有機碳含量及土壤pH值均有顯著提升作用，其中秸稈炭化后還田處理對土壤速效鉀及土壤有機碳含量提升效果強于秸稈直接還田處理，而秸桿直接還田處理則對土壤pH 值的提升效果強于秸稈炭化后還田處理。（2）玉米秸稈還田和玉米秸稈炭化還田處理均對玉米粒維生素C 和可溶糖含量具有顯著的提升效果，秸稈炭化還田處理對玉米粒維生素C 和可溶糖含量提升效果更快于秸稈還田處理，而秸稈還田處理對玉米粒維生素C和可溶糖含量提升的持續效果更優于秸稈炭化還田處理。（3）秸稈還田和秸稈炭化還田處理對玉米生長的促進作用主要表現在對玉米株高的影響上，而對玉米產量的影響還要繼續多年試驗才有可能體現出來。