秸稈還田與耕作方式對內蒙古平原灌區玉米田土壤質量的影響

崔文芳， 于曉芳， 王志剛， 高聚林， 張 石， 胡樹平， 許 鵬， 雷娟瑋

(內蒙古農業大學，內蒙古呼和浩特 010019)

內蒙古平原灌區土地遼闊、農田土壤地力分布不均[1]，農業生產中存在耕層淺、犁底層堅硬等土壤結構問題，同時，當地玉米生產中以連年淺旋耕作方式為主，導致土壤結構問題逐年加劇[2]，制約了玉米產量的持續提升[3]。在農業生產過程中，秸桿還田和機械耕作措施這2種模式是目前改善土壤環境最為有效的關鍵性措施[4]。土壤進行合理耕作能夠促使土壤中的氣體、溫度、濕度、酸堿度、水分含量等多個因素達到最佳狀態[5]，而秸稈還田可有效改良土壤內部結構，顯著提升地力[6]。李嵩等通過連續3年玉米田旋耕、翻耕、深松試驗，認為深松對改善耕層厚度和降低犁底層厚度具有顯著效果[7]。在中下層土壤，深松可降低土壤緊實度和容重，改善土壤的孔隙狀況。吳建富等認為，連續2年免耕對土壤結構、容重、孔隙狀況等有改善作用，還可提高土壤肥力[8]。但是，于博等認為，深松可以改善長期不合理耕作造成的耕層物理結構變差狀況，但卻不可能通過1年或幾年的單一的深松耕作，使土壤結構恢復到原來的狀態[9]。吳建富等認為，免耕1年對改善土壤物理性質有一定作用，能促進養分向表土層富集，免耕年限延長，物理性質將下降。可見，單一的耕作措施隨著施用年限的延長，不能保證土壤質量的持續提升[8]。于博等對連續多年深翻秸稈還田的土壤研究后認為，2年深翻秸稈還田利于改善犁底層結構，3年和4年深翻秸稈還田利于改善耕層結構[9]。以往的研究多側重于單一耕作措施，關于連年實施不同耕作措施秸稈還田技術模式間的差異性及年際間的變化研究較少。因此，本研究將耕作方式和秸稈還田方式耦合形成不同的秸稈還田模式，通過對不同耕作及秸稈還田模式下土壤質量相關指標的測定及分析，研究連續4年不同耕作及秸稈還田措施提升土壤質量的機制，明確不同耕作及秸稈還田模式對土壤質量的改善效果，以期為內蒙古平原灌區建立以土壤質量提升、秸稈高效利用為核心的秸稈還田技術模式提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年和2018年在內蒙古農業大學科技園區(內蒙古自治區包頭市土默特右旗溝門鎮)進行，試驗基地屬土默川平原灌區，地勢平坦，定點試驗田的耕層為15～17 cm，犁底層為17～40 cm，質地為壤土，前茬是玉米，2017年播種前0～20 cm耕層土壤養分：有機質含量為22.30 g/kg，堿解氮含量為44.89 mg/kg，速效磷含量為7.97 mg/kg，速效鉀含量為82.24 mg/kg。2018年土壤養分：有機質含量為20.72 g/kg，堿解氮含量為51.64 mg/kg，速效磷含量為4.21 mg/kg，速效鉀含量為63.24 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區試驗設計，主區為秸稈還田與耕作方式，分別以農戶淺旋(CK)的土壤肥力為對照，設置推茬清壟條深旋秸稈還田(SCR)、深松秸稈混拌還田(SSR)、深翻秸稈粉碎還田(DPR)、免耕秸稈粉碎覆蓋還田(NTR)，共5個處理，重復4次。

農戶淺旋指在秋季機械收獲后秸稈離田，春季淺旋(15 cm)，整地播種；推茬清壟條深旋秸稈還田指在秋季機械收獲后秸稈全量粉碎覆蓋還田，春季條深旋耕30 cm，推茬清壟播種機播種小雙行；深松秸稈混拌還田：指在秋季機械收獲后秸稈全量粉碎覆蓋還田；秋季深松(35 cm以上)，春季淺旋混拌使秸稈進入土中，整地播種；深翻秸稈粉碎還田指秋季機械收獲后秸稈全量2次粉碎秋深翻(35 cm以上)使秸稈翻入土中，春季整地播種；免耕秸稈粉碎覆蓋還田指秋季機械收獲后秸稈全量覆蓋，春季粉碎還田、免耕播種。副區為品種，選擇品種為先玉696，種植密度為82 500株/hm2，小區面積為 390 m2，長65 m，寬 6 m，行距60 cm，株距20 cm，每個處理重復4次。2年連續定位試驗，各處理田間排列和位置固定不變，2017年4月26日播種，10月26日機械收獲籽粒；2018年4月23日播種，10月28日機械收獲籽粒。施肥量：純氮為465 kg/hm2，P2O5為210 kg/hm2，K2O為202.5 kg/hm2，氮肥按 3 ∶7 比例分別于拔節、大口期追施，P2O5和K2O作基肥一次性施入，其他管理同大田生產。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 測定指標及方法 (1)土壤含水量和容重：采用環刀法(容積100 cm3)測定，于玉米成熟期選擇具有代表性的地塊，用環刀取0～15、15～30、30～45 cm土層土樣，稱質量后，裝入密封袋中帶回實驗室，在80 ℃烘箱內烘干，再稱質量，計算土壤容重和土壤含水量。

土壤容重(g/cm3)=(烘干后帶土環刀質量-環刀質量)/環刀容積；

土壤含水量=(原土質量-烘干土質量)/烘干土質量×100%=水質量/烘干土質量×100%。

(2)土壤孔隙度：成熟期用土壤孔隙度測定儀(型號UGT)測定，測定土壤層次：0～45 cm，每 15 cm 為1層。

(3)土壤養分：在玉米成熟期取0～15、15～30、30～45 cm 土層的土樣，分別測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，堿解氮含量用擴散吸收法測定，速效磷含量采用碳酸氫鈉提取、鉬銻藍比色法測定，速效鉀含量用鹽酸浸提火焰光度法測定。

(4)人工測產及考種：在收獲期測產，去除邊行效應，每個處理隨機選取3點，每點驗收2行，量取5 m，準確量取測產區面積，并調查該面積內總株數、穗數、雙穗數、空稈數、倒伏數、實際收獲株數、收獲總穗數。隨后將每個處理所取果穗自然風干，留作室內考種。測定項目包括穗粒質量、粒質量、千粒質量、行粒數、穗行數、產量等。

1.3.2 土壤質量評價 土壤質量指數能夠綜合有效地反映土壤質量的變異信息，采用加權求和模型對深松條件下土壤含水量、土壤容重、土壤全氮含量、土壤速效鉀含量等指標，進行土壤質量指數的計算。

土壤質量評價指數(SQI)計算公式[10]如下：

(1)

式中：Wi為指標權重；Ni為指標隸屬度；n為指標個數。其中，指標權重表示某指標與其他指標之間相關系數的平均值占所有評價指標相關系數平均值總和的比。隸屬度由評價指標所屬的隸屬度函數確定。隸屬度函數一般分為升型和降型。

升型隸屬度函數公式為

(2)

降型隸屬度函數公式為

(3)

研究根據最小數據集中各指標對土壤質量的正負效應選擇函數和確定其隸屬度。各指標的最小值和最大值作為函數的轉折點x1、x2。

1.4 數據處理

采用Excel記錄與整理數據，利用Excel、DPS 7.5軟件進行方差分析和顯著性檢驗，對各指標進行年際間和處理間差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作還田模式對土壤養分積累的影響

2.1.1 不同耕作還田模式對土壤有機質的影響 由表1可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間比較，各土層有機質積累量均有增加趨勢，且達到顯著差異。從4年的整體結果看，處理間比較，各土層的各處理間，0～15 cm土層的除SSR、NTR處理與CK間差異不顯著，其余處理間均達到顯著差異；15～30 cm，SSR處理顯著高于CK；30～45 cm，DPR處理顯著高于CK。以2020年為例，0～15 cm，SSR、SCR、NTR處理較CK分別提高13.76%、11.38%、51.07%；15～30 cm，SSR、NTR處理分別比CK高12.18%、33.67%；30～45 cm，NTR處理比CK高39.17%。

表1 不同耕作還田方式下土壤有機質養分年際間變化

從各處理的均值看，2017—2020年，SSR、SCR、NTR、CK的有機質積累量均有明顯增加，年平均增長率分別為11.25%、11.72%、29.09%、13.42%，到2020年，SSR、SCR、NTR處理分別比CK提高2.89%、5.23%、41.19%。以上分析表明，SSR、NTR、DPR分別對0～30、0～15、30～45 cm土壤有機質積累有促進作用。

2.1.2 不同耕作還田模式對土壤堿解氮的影響 由表2可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間比較，各土層堿解氮積累量表現增加趨勢，且達到顯著差異。從4年的整體結果看，處理間比較，各土層的各處理間均達到顯著差異，0～15 cm，SSR、SCR、NTR處理顯著高于CK；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR處理顯著高于CK；30～45 cm，NTR處理顯著高于CK。以2020年為例，0～15 cm，處理間差異顯著，SSR、SCR、NTR處理顯著高于CK，3個處理分別比CK高19.23%、21.06%、153.54%；15～30 cm，處理間差異顯著，SSR、NTR處理均顯著高于CK，分別比CK高7.08%、98.62%；30～45 cm，NTR處理與CK差異顯著，比CK高192.14%。

表2 不同耕作還田方式下土壤堿解氮年際間變化

從各處理的均值看，從2017年到2020年DPR、SCR、NTR處理和CK的堿解氮積累量均有明顯增加，年均增長率為1.15%、5.54%、42.16%、5.99%，到2020年，DPR、SSR、SCR、NTR處理分別比CK高10.88%、3.32%、20.58%、145.69%。以上分析表明，SCR、NTR處理更利于土壤堿解氮的積累。

2.1.3 不同耕作還田模式對土壤速效磷的影響 由表3可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間比較，各土層土壤速效磷積累量表現為增加趨勢，且達到顯著差異。從4年的整體結果看，處理間比較，各土層的各處理間均達到顯著差異，0～15 cm，SCR、NTR處理顯著高于CK，15～30、30～45 cm 土層沒有顯著高于CK的處理。以2020年為例，0～15 cm，SSR、NTR處理速效磷含量較高，與CK差異顯著；15～30 cm，NTR處理顯著高于CK；30～45 cm，NTR處理顯著高于CK。

表3 不同耕作還田方式下土壤速效磷養分年際間變化

從各處理的均值看，從2017年到2020年SSR、SCR、NTR處理和CK的速效磷積累量均有明顯增加，年均增長率分別為119.05%、42.28%、145.24%、28.80%，到2020年，SSR、SCR、NTR處理分別比CK高225.59%、92.93%、232.66%。SSR、SCR、NTR處理更有利于土壤速效磷的積累。

2.1.4 不同耕作還田模式對土壤速效鉀的影響 由表4可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間比較，各土層速效鉀積累量表現增加趨勢，且達到顯著差異。從4年的整體結果看，處理間比較，各土層的各處理間均達到顯著差異，0～15、30～45 cm均為SSR處理顯著高于CK。以2020年為例，0～15 cm，處理間差異顯著，SSR、SCR、NTR處理顯著高于CK，3個處理分別比CK高52.66%、16.64%、42.83%；15～30 cm，以2019年為例，SSR顯著比CK提高74.82%；30～45 cm，SSR顯著比CK提高41.54%。

表4 不同耕作還田方式下土壤速效鉀養分年際間變化

從各處理的均值看，從2017年到2020年SCR、NTR的速效鉀積累量均有明顯增加，年均增長率分別為11.83%、27.20%。到2020年，SSR、NTR分別比CK高15.29%、17.68%。SSR、NTR更有利于土壤速效鉀的積累。

2.2 不同耕作還田模式對土壤物理性質的影響

2.2.1 不同耕作還田模式對土壤緊實度的影響 由表5可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，處理間比較，各土層的各處理間均達到顯著差異，0～15、15～30、30～45 cm，均為DPR、SSR處理顯著低于CK。以2020年為例，0～15 cm，DPR、SSR、NTR處理較CK分別降低40.55%、54.15%、25.03%；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR較CK分別降低50.91%、51.18%、38.07%、8.77%；30～45 cm，SCR、NTR分別比CK高12.69%、9.17%。

表5 不同耕作還田方式下土壤緊實度年際間變化

從各處理的均值看，從2018年到2020年DPR、SSR、SCR、NTR的緊實度有降低趨勢，年均以10.75%、19.36%、4.17%、4.76%的比率降低，到2020年，DPR、SSR、SCR、NTR處理分別比CK低44.66%、43.69%、12.06%、4.76%。DPR、SSR、SCR、NTR均有利于降低土壤緊實度效果，但DPR、SSR的效果更顯著。

2.2.2 不同耕作還田模式對土壤孔隙度的影響 孔隙度反映土壤孔隙狀況和松緊程度。分析不同耕作秸稈還田模式下不同處理各土層土壤孔隙度年際間變化(表6)可知，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間比較，孔隙度表現降低趨勢，而處理間未達到顯著差異。

表6 不同耕作還田方式下土壤孔隙度年際間變化

從各處理的均值看，從2017年到2020年DPR、SSR、SCR、NTR、CK的孔隙度有降低趨勢，年均以4.70%、3.56%、6.62%、5.17%、5.73%比例降低，但是到2020年，DPR、SSR、NTR仍分別比CK高2.55%、5.22%、4.83%。DPR、SSR、NTR具有減緩降低土壤空隙度的作用，但效果不顯著。

2.2.3 不同耕作還田模式對土壤含水量的影響 分析不同耕作秸稈還田模式下不同處理各土層土壤含水量年際間變化(表7)，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，年際間含水量表現升高趨勢，且年際間差異顯著。從4年的整體結果看，處理間比較，各土層的各處理間均達到顯著差異，0～15 cm，SSR、SCR處理顯著高于CK；15～30 cm，DPR、SCR處理顯著高于CK；30～45 cm，DPR處理顯著高于CK。以2020年為例，0～15 cm，DPR、SSR、NTR處理分別較CK升高2.82、2.93、4.42百分點；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR處理分別較CK升高4.33、3.59、0.98、5.28百分點；30～45 cm，DPR、SCR、NTR處理分別較CK升高2.25、1.13、5.26百分點。

表7 不同耕作還田方式下土壤含水量年際間變化

從各處理的均值看，從2017年到2020年，DPR、SSR、NTR、CK土壤含水量有升高趨勢，年均以0.96、1.32、2.13、0.44百分點的比率升高，到2020年，DPR、SSR、NTR處理分別比CK提高3.13、2.09、4.99百分點。DPR、SSR、NTR處理均有利于提高土壤含水量。

2.3 不同耕作還田模式對土壤質量指數和產量的影響

2.3.1 不同耕作還田模式對土壤質量指數的影響分析不同耕作秸稈還田模式下不同處理年際間播前土壤質量指數變化，結果(表8)表明，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，2017年，DPR、SSR、SCR處理高于CK；2018年NTR處理播前土壤質量指數為0.67，但仍低于CK(0.71)；2019年，SSR處理最高，其次是DPR，分別比CK高137.84%、45.95%；2020年，NTR處理最高，其次是SSR處理，分別比CK高320.00%、188.00%。2017—2020年土壤質量指數的均值表現為SSR、NTR、DPR、SCR處理均高于CK，分別比CK提高57.31%、31.58%、28.07%、24.56%，而2017—2020年CK的土壤質量指數表現較低且有降低趨勢。因此，農戶淺旋不利于土壤質量的提升，而SSR、NTR處理土壤質量指數逐年提升。

表8 不同耕作還田方式下土壤質量指數年際間變化

2.3.2 不同耕作還田模式對玉米產量的影響 分析不同耕作秸稈還田模式下不同處理產量年際間變化，結果(表9)表明，在實施不同耕作方式與秸稈還田措施下，2017—2020年，DPR、SSR、NTR處理與CK間的產量差異顯著，分別較CK提高16.41%、17.66%、17.46%，年際間差異不顯著。

表9 不同處理玉米產量年際間變化

3 討論與結論

我國農田土壤耕作層淺、實、少，犁底層加厚，蓄水保墑能力差，土壤肥力不均等問題是制約產量持續提升的主要原因之一[11]。深松和深翻均可降低土壤緊實度，改善土壤結構和孔隙度，提升蓄水能力，提高土壤肥力。深松的效果又優于翻耕[12]，本研究也得到相同結果。何鑫在黑土上的研究表明，深松更利于改善土壤結構，提高土壤速效養分[13]。閆洪奎等通過5年定位試驗研究表明，深松秸稈還田導致土壤表層堿解氮、速效鉀積累量降低，增強田間持水能力、表層有機質和速效磷積累量[14]。本研究表明，深松秸稈混拌還田較農戶淺旋能增加0～30 cm土層土壤有機質及堿解氮含量、0～45 cm速效鉀含量，降低0～45 cm土層土壤緊實度，免耕秸稈粉碎覆蓋還田能增加0～15 cm有機質含量、0～45 cm堿解氮含量、0～15 cm 速效鉀積累量。究其原因可能是深松秸稈混拌還田因部分粉碎秸稈入土較深，秸稈腐解后將提高深層土壤養分含量，而免耕秸稈粉碎覆蓋還田秸稈覆蓋于表層，農戶淺旋秸稈入土較淺(15 cm左右)，因此，深松秸稈混拌還田對于提高表層土壤有機質含量效果較顯著，而堿解氮分布則有所不同，因秸稈分解過程中要消耗堿解氮中的部分無機氮，致使深松秸稈混拌還田0～35 cm范圍內無機氮均有消耗，積累量顯著低于免耕秸稈粉碎覆蓋還田，免耕秸稈粉碎覆蓋還田處理3個土層堿解氮含量均較高，經過4年積累，到2020年堿解氮積累到 130.34 g/kg，明顯高于其他處理，農戶淺旋處理淺層土壤消耗無機氮用于秸稈分解，因此，實測結果中農戶淺旋淺層(0～15 cm)土壤堿解氮含量較高，而深松秸稈混拌還田在0～45 cm含量分布均低于免耕秸稈粉碎覆蓋還田，這與江澤普等的研究結果[15-16]一致。本研究設置深翻秸稈粉碎還田、深松秸稈混拌還田、推茬清壟條深旋秸稈還田、免耕秸稈粉碎覆蓋還田、農戶淺旋等5個處理，探索不同耕作模式配套秸稈還田技術對內蒙古平原灌區玉米農田土壤肥力及物理性狀的年際間影響，并對各技術模式的土壤質量進行評價，結果表明，深松秸稈混拌還田和免耕秸稈粉碎覆蓋還田耕作措施利于持續提升土壤質量和肥力，是內蒙古平原灌區持續提升土壤質量的有效措施。

我國持續多年的旋耕耕作方式，導致耕作層變淺、犁底層加厚緊實且表現上移，根系難以深扎，同時也嚴重破壞了土壤的物理性狀。為此，諸多學者利用農家肥、有機肥、秸稈還田等途徑提高地力，通過深松等耕作方式提高保水能力。實踐證明，既加深耕層又提高地力，才能保證耕地綜合生產能力的持續提升，單純的秸稈還田或深松耕作方式無法徹底解決土壤質量下降的問題。為此本研究從2016年秋季開始，進行了深松結合秸稈還田的長期定位試驗。長期秸稈還田，可使0～20 cm土層有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著增加[17]。本研究也證明，深松秸稈混拌還田能有效促進土壤有機質、速效磷的積累，提高土壤含水量，4年間，有機質含量、速效磷含量年均以11.25%、119.05%的比率增長，土壤含水量年均增長1.32百分點，到2020年，有機質含量、速效磷含量、土壤含水量比CK提高2.89、225.59、2.09百分點；免耕秸稈粉碎覆蓋還田能有效促進土壤有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀積累，4年間，有機質年均以29.09%、42.16%、145.24%、27.20%的比率增長，到2020年，比CK提高41.19、145.69、232.66、17.68百分點。且以上2種秸稈還田與耕作方式隨著實施年限的延長使土壤質量逐步提升。

保障糧食安全，關鍵在于落實藏糧于地、藏糧于技戰略，要真正實現“藏糧于地”，首先要有高質量的耕地，與20世紀80年代相比，目前，我國耕地的基礎地力下降了至少10%。因此，持續提升土壤質量勢在必行。而持續秸稈還田是提高有機質含量提升土壤質量最有力的措施，深松秸稈混拌還田能形成虛實并存的土壤結構，有利于降低土壤緊實度，不翻土層，使粉碎秸稈覆蓋地表，利于更大程度地蓄水保水，加之深松后土壤表面粗糙度增加，可阻礙雨水徑流，延長雨水入滲時間，提高土壤水分的有效利用率，疏松0～35 cm土層，能增強土壤通透性，促進微生物的活化和礦物質的分解，促進有機質、速效養分的積累，提升土壤肥力。免耕秸稈粉碎覆蓋還田能夠促進土壤有機質及堿解氮、速效磷、速效鉀速效養分的積累，但蓄水保墑能力不足。且以上2種秸稈還田與耕作方式隨著實施年限的延長使土壤質量逐步提升。因此，這2項措施是內蒙古平原灌區持續提升土壤質量的有效措施。