施肥和秸稈還田對土壤肥力質(zhì)量及春小麥品質(zhì)的影響

張亞麗，呂家瓏，金繼運，李書田，陳占全，高旭升

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081;3青海省農(nóng)林科學(xué)院土壤肥料研究所，青海西寧810016)

青海省東部河湟灌區(qū)是全省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，該區(qū)水肥條件相對較好，農(nóng)田土壤生產(chǎn)力有很大的提升空間。但受“缺氮、少磷、鉀豐富”的傳統(tǒng)認識的影響，該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期以來偏向于施用氮肥和磷肥，盲目施肥不僅導(dǎo)致了肥料的浪費以及農(nóng)田土壤養(yǎng)分供應(yīng)不平衡，長此以往還將造成土壤鉀素的虧缺從而限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，而且更嚴重的是土壤肥力持續(xù)性受到破壞，土壤質(zhì)量下降。加之近年來高產(chǎn)、超高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求壓力對農(nóng)田土壤地力的耗竭加劇，造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)日益脆弱，出現(xiàn)了稍不施肥或施肥不當(dāng)就會減產(chǎn)，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受自然災(zāi)害的影響愈來愈嚴重、頻繁的現(xiàn)象。為此有必要對已經(jīng)連續(xù)開展19年的春小麥肥力定位試驗進行深入研究，充分挖掘其蘊藏的信息，闡釋施肥等外界條件對土壤質(zhì)量的影響及其規(guī)律［1-2］，從而為糧食安全生產(chǎn)提供依據(jù)。國內(nèi)外對長期肥力定位試驗的研究報道很多，之前的研究多集中在土壤肥力本身［3-5］，而土壤質(zhì)量、化肥與糧食安全、長期定位試驗的生態(tài)環(huán)境效益的研究目前已為眾多學(xué)者關(guān)注［6-8］，這些研究及其成果為本文的研究提供了思路和寶貴經(jīng)驗，鑒于青藏高原長期肥力定位試驗的研究報道甚少，因此本文對連續(xù)開展第19年的春小麥施肥和秸稈還田定位試驗進行研究，探討土壤肥力質(zhì)量變化及對春小麥品質(zhì)的影響，試圖為該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)施肥，提升土壤肥力和質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該定位試驗于1992年設(shè)立，位于西寧市北郊二十里鋪農(nóng)科院試驗園(E 101°49＇17″，N 36°34＇03″)，海拔高度2360 m。氣候類型屬典型半干旱大陸性氣候，年降水量 368.2 mm，年均氣溫 5.7℃，日照時數(shù)為2762 h，＞10℃積溫為 2037.3℃，＞0℃積溫為2749.5℃，無霜期130 d。土壤類型為栗鈣土，屬第四紀黃土母質(zhì)，質(zhì)地為中壤。耕作制度為一年一熟制，小麥收獲后人工翻耕冬灌休閑，至翌年春季再行播種。試驗初始土壤理化性狀為pH 7.6，陽離子交換量 13.8 cmol/kg，有機質(zhì)含量 18.3 g/kg，全氮1.27 g/kg，銨態(tài)氮 33.8 mg/kg，硝態(tài)氮 42.6 mg/kg，速效磷 90.4 mg/kg，速效鉀 177.3 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)6個處理(表2):NP、NP+50%ST(秸稈還田)、NP+100%ST、NPK、NPK+50%ST、NPK+100%ST，每個處理 4次重復(fù)，小區(qū)面積25m2，完全隨機區(qū)組排列。磷肥、鉀肥和70%氮肥在播前作為基肥施入，30%氮肥于拔節(jié)期追施;秸稈還田處理分50%ST(半還)和100%ST(全還)，半還、全還是指小麥按小區(qū)脫粒后一半或全部秸稈經(jīng)粉碎約10 cm長度均勻撒施該小區(qū)，然后人工翻埋。供試春小麥品種2006年以前為“青春323”，由于同一品種長期種植產(chǎn)生退化現(xiàn)象，2007年更換為“青春40”新品種。

表1 春小麥長期定位試驗各處理化肥施用量Table 1 Fertilization plan of the long-term experiment

1.3 分析及測定方法

1.3.1 土壤物理性質(zhì)的測定 2010年8月初小麥收獲后用環(huán)刀法測定各小區(qū)0—20 cm耕層土壤容重和含水量;用改進的約得爾法(Yoder)—人工篩法測定土壤團聚體;用平均重量直徑(MWD)評價團聚體的穩(wěn)定性，其計算方法參見文獻［9］。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 2010年8月采集土壤樣品，風(fēng)干，過篩后備用。土壤有機質(zhì)分組(輕組LFOC、重組 HFOC)用密度浮選法測定［10-11］:即稱取 10.0 g過2 mm篩的風(fēng)干土，放入150 mL離心試管中，加入密度為 1.7 g/cm3的 NaI重液 50 mL，在 100 r/min的振蕩機上振蕩10 min后在4000 r/min下離心15 min，將上清液倒入附0.45 um濾膜的砂芯漏斗上抽濾，并用0.01 mol/L CaCl2溶液100 mL洗滌，再用200 mL蒸餾水洗滌，濾紙上的物質(zhì)即為輕組部分。以上步驟重復(fù)操作3次，所得樣品離心管中剩余部分為重組部分，重組和輕組部分分別在60℃ 下烘干至恒重后稱重。耕層土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀以及速效氮、磷、鉀含量均用常規(guī)方法進行測定。

1.3.3 植株養(yǎng)分及小麥品質(zhì)的測定 小麥秸稈、子粒中的氮、磷、鉀含量以及小麥面粉粗蛋白、濕面筋、淀粉含量均采用常規(guī)分析方法測定。

試驗結(jié)果用Excel、SPSS等軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥和秸稈還田對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 對土壤團聚體及其穩(wěn)定性的影響 土壤團聚體及其穩(wěn)定性影響土壤物理、生物、化學(xué)等過程，作為土壤的物理特性之一也是評價土壤質(zhì)量的重要指標［12］。團粒結(jié)構(gòu)是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)［13-14］。本試驗中不同處理耕層土壤大于0.25 mm團聚體數(shù)量(R0.25)的測定結(jié)果(表 2)表明，干篩法 R0.25均在 81.12% ～84.08%之間，平均重量直徑(MWD)值在 1.77～1.84之間，遠大于濕篩法，但干篩法各處理之間差異不顯著。由干篩法R0.25的最低值81.12%遠大于濕篩法R0.25的最高值13.92%可以看出，該土壤的團聚體大部分為非水穩(wěn)性團聚體，水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量較少。

由于用濕篩法測得的水穩(wěn)性團聚體數(shù)量更能反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因而比非穩(wěn)性團聚體更為重要。由表2還可看出，水穩(wěn)性團聚體不同處理間差異顯著，其中 NPK+100%ST處理的 R0.25和 MWD比NPK處理分別增加了1.08倍和0.5倍，NPK+50%ST處理也明顯高于NPK處理;NP+100%ST、NP+50%ST處理比 NP處理 R0.25分別提高了48.1%、33.4%，MWD 也分別提高了20%、60%;而NPK+100%ST處理比 NP+100%ST處理 R0.25和MWD分別提高37.2%、50%，NPK+50%ST也比 NP+50%ST 處理 R0.25提高 63.6%，但 MWD 值略低;NPK處理R0.25低于NP處理，但MWD高于NP處理20%。由此說明，單施化肥對提高團粒結(jié)構(gòu)的比例和增加團聚體穩(wěn)定性作用不大;化肥與秸稈還田配合能夠顯著增加土壤團粒結(jié)構(gòu)的比例和土壤團聚體穩(wěn)定性，且增施無機鉀肥與秸稈還田配合增加的幅度更大。秸稈還田能夠增加土壤團粒結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的原因是其增加了土壤有機質(zhì)，姜燦爛［15］等人結(jié)合國外相關(guān)研究指出，有機質(zhì)不是大團聚體穩(wěn)定性高低的直接原因，大團聚體的穩(wěn)定性也許更依賴于其主要顆粒組成和有機質(zhì)的化學(xué)特性及與不同礦物顆粒的排列情況。本試驗結(jié)果中氮磷鉀化肥與秸稈還田配合施用可能改變土壤有機質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)使得大團聚體數(shù)量增多。

表2 長期施肥和秸稈還田下土壤＞0.25 mm團聚體數(shù)量及平均重量直徑(MWD)Table 2 Effects of the fertilizations and straw return on soil aggregates quantity and mean weight-diameter(MWD)

2.1.2 對土壤容重和水分含量的影響 土壤容重可以概括地反映土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)狀況以及腐殖質(zhì)含量的高低，是土壤肥力的一個重要物理指標，而土壤含水量則決定了土壤的宜耕性，并與作物的正常生長發(fā)育緊密相關(guān)。2010年試驗收獲后耕層土壤容重、含水量不同處理間存在顯著差異(表3)。各處理土壤容重在1.31 ～1.41 g/cm3之間，其中 NP+100%ST處理容重最低，為1.31 g/cm3，比對照下降了7.1%;秸稈還田處理均較無還田處理土壤容重降低，全部還田降低幅度大于一半還田處理;增施鉀肥(NPK處理)后土壤容重也較對照降低，但增施鉀肥并秸稈還田處理土壤容重降低的幅度小于未增施鉀肥并秸稈還田的處理。秸稈還田和增施鉀肥提高了土壤含水量。秸稈還田處理較無還田處理土壤含水量提高了4.7% ～13.5%;除NPK+100%ST處理比NP+100%ST處理略有降低外，施鉀處理比未施鉀處理提高了2.1% ～5.2%。該結(jié)果充分證明秸稈還田直接補充了土壤有機質(zhì)，而適量增施無機鉀肥，促使土壤養(yǎng)分平衡從而增加了作物根系生物量，間接增加土壤有機質(zhì)含量，使得二者對改善土壤結(jié)構(gòu)、增強蓄肥蓄水能力有明顯作用。

表3 不同處理土壤容重、含水量變化Table 3 Effects of the fertilizations and straw return on soil bulk density and water content

2.2 長期施肥和秸稈還田對土壤肥力及養(yǎng)分生物有效性的影響

2.2.1 對土壤輕組有機質(zhì)含量的影響 土壤有機質(zhì)是土壤質(zhì)量和健康的重要指標［16］。根據(jù)密度的大小可將土壤有機質(zhì)分為輕組(LF)和重組(HF)，由于輕組有機質(zhì)主要由可識別的不同分解階段的動、植物殘體、微生物的殘骸以及一些吸附在碎屑上的礦質(zhì)顆粒組成，雖然只占土壤質(zhì)量的很小部分，但碳、氮含量高，具有很強的生物學(xué)活性，代表著易變土壤有機質(zhì)的主要部分，在碳和氮循環(huán)中具有顯著的作用，被認為是土壤生物調(diào)節(jié)過程的重要基質(zhì)和土壤肥力的指標，是土壤質(zhì)量的一個重要屬性。且有研究表明施肥通常有利于輕組的積累［17］，而秸稈還田作為一種補充土壤有機質(zhì)的方式，很可能對土壤輕組有機質(zhì)產(chǎn)生影響。

試驗結(jié)果(圖1)表明，在施化肥基礎(chǔ)上秸稈還田各處理均比各自無還田處理輕組有機質(zhì)含量顯著提高，輕組有機質(zhì)含量隨著秸稈還田量的增加而增加。其中NP+100%ST處理輕組有機質(zhì)含量最高，達到了0.73%，比 NP處理提高了46.7%，NPK+100%ST處理比NPK處理提高了48.6%，表明秸稈還田對于提高土壤輕組有機質(zhì)有很大貢獻。鉀素有促進土壤有機質(zhì)分解，改變土壤結(jié)構(gòu)的作用［18］，作為土壤有機質(zhì)中易變組分的輕組有機質(zhì)，更容易受施礦質(zhì)鉀肥而加速分解導(dǎo)致含量降低，因此，施鉀處理輕組有機質(zhì)含量低于未施鉀處理。該結(jié)果為一年的測定結(jié)果，應(yīng)繼續(xù)進行多年測定，加以驗證。

圖1 長期施肥和秸稈還田對土壤輕組有機質(zhì)含量的影響(2010年)Fig.1 Effects of different fertilizations and straw return on light fraction of soil organic matter(LFOC)in 2010

2.2.2 對土壤養(yǎng)分的影響 與試驗初始相比，經(jīng)過19年長期施肥和秸稈還田后，土壤養(yǎng)分含量除速效磷下降外，其他養(yǎng)分含量均有不同程度的增加。2010年試驗收獲后土壤各養(yǎng)分含量不同處理間達到顯著差異水平(圖2)。NP、NPK處理有機質(zhì)含量較低，秸稈還田和增施鉀肥并秸稈還田處理均較高，比NP處理提高了9.3% ～18.7%，在氮磷(NP)基礎(chǔ)上增施鉀肥，土壤有機質(zhì)增加了0.8%，說明在施化肥基礎(chǔ)上進行秸稈還田對土壤有機質(zhì)的提升有重要意義，增施鉀肥也有助于提高土壤有機質(zhì)含量，但提高的效果沒有秸稈還田明顯。速效氮、磷含量均表現(xiàn)出秸稈還田處理高于未還田處理，且基本上都隨著秸稈還田量的增加而增加。不同之處在于，速效氮含量在增施鉀肥處理中高于未施鉀處理，而速效磷含量在增施鉀肥處理中反而低于未施鉀對照。全氮、全磷變化較小，但不同處理間仍有差異，表現(xiàn)出與速效氮、磷較為相似的規(guī)律。全鉀和速效鉀含量隨著秸稈還田量和施鉀的增加而逐漸增加，但全鉀含量的增幅較小，而速效鉀的增幅明顯較大，二者均在NPK+100%ST處理達到最高含量，比對照分別增加了5.95%和260.6%。以上結(jié)果表明，在氮、磷肥的基礎(chǔ)上進行秸稈還田能夠明顯增加土壤有機質(zhì)、速效氮、磷、鉀及全量氮、磷、鉀的含量;氮磷鉀與秸稈還田配合施用能提高土壤氮、鉀養(yǎng)分含量，對土壤速效鉀含量的提高尤為顯著;秸稈還田與氮磷鉀肥配合較之與氮磷肥配合，對土壤養(yǎng)分提高的幅度不大，某些養(yǎng)分甚至有所降低。秸稈還田能夠提高土壤養(yǎng)分的原因主要是經(jīng)腐解的秸稈為土壤提供了豐富的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)［19］，增加有機質(zhì)促進了土壤微生物和酶的活動，使氮、磷、鉀等養(yǎng)分釋放，有效性增強;該試驗結(jié)果中土壤鉀素含量隨施鉀和秸稈還田量的增加而明顯增加與相關(guān)研究結(jié)果［20-21］一致。

圖2 長期施肥和秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響(2010年)Fig.2 Effects of the long-term fertilizations and straw return on soil nutrient content in 2010

2.2.3 對春小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響 從產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分析(表4)可以看出，NPK處理增產(chǎn)效果優(yōu)于其他處理;NP+50%ST處理與NPK處理產(chǎn)量差異不大，但產(chǎn)投比較高，NP+100%ST處理與NPK+50%ST處理產(chǎn)量處于相同差異水平，但前者產(chǎn)投比高，該結(jié)果說明在施氮、磷化肥的基礎(chǔ)上，增施無機鉀肥和或秸稈還田均能增加小麥產(chǎn)量。該定位試驗往年的產(chǎn)量結(jié)果也表現(xiàn)出這種規(guī)律［22］。相比較而言，在增施無機鉀肥時半量秸稈還田多年累計產(chǎn)量高于全量秸稈還田，未施無機鉀肥時半量秸稈還田的增產(chǎn)作用等同于增施無機鉀肥，且具較高的經(jīng)濟效益，因此提出本試驗條件下半量秸稈還田能夠替代無機鉀肥的推想。由于秸稈中鉀含量較高，長期直接秸稈還田使作物攜走的鉀歸還到土壤中，等于向土壤補充了鉀，在當(dāng)?shù)赝寥罈l件下，似乎秸稈還田與氮、磷配合正好達到了土壤的養(yǎng)分平衡，積累了一定的有機質(zhì)，改善了土壤物理、化學(xué)性質(zhì)而使產(chǎn)量增加。Blake等［23］的研究也指出，土壤缺氮、磷、鎂會降低礦質(zhì)鉀肥的生物有效性，增加耕層鉀素淋溶損失。當(dāng)?shù)V質(zhì)鉀肥與有機農(nóng)肥結(jié)合施用時，其有效性因有機農(nóng)肥中含有更適宜作物生長的鉀素而下降。因此，本試驗結(jié)果中全量秸稈還田并增施鉀肥使產(chǎn)量有所下降，原因與此有關(guān)。

表4 2010年春小麥定位試驗產(chǎn)量及經(jīng)濟效益分析Table 4 Effects of different fertilizations and straw return on spring wheat yield and economic benefit

從各處理莖稈、子粒的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量可以看出(圖3)，春小麥對養(yǎng)分的吸收量為鉀＞氮＞ 磷，其中對氮的吸收量為 N 153.6 ～ 182.6 kg/hm2，對 P2O5的吸收量為 51.1 ～58.3kg/hm2，對K2O的吸收量為179.7～241.9 kg/hm2。各處理小麥對氮、磷的吸收呈現(xiàn)出一致的規(guī)律性。在不施鉀的情況下，秸稈還田處理的養(yǎng)分吸收量大于無秸稈還田處理，但在施鉀條件下，秸稈還田處理的養(yǎng)分吸收量低于NPK處理;在無秸稈還田時，施鉀處理的養(yǎng)分吸收量大于不施鉀處理，但在秸稈還田時，施鉀處理的養(yǎng)分吸收量低于不施鉀處理。小麥對鉀的表現(xiàn)出施鉀處理均高于不施鉀處理，秸稈還田處理中除NPK+100%ST外均高于無還田處理。對三種養(yǎng)分的吸收，無論施鉀與否，秸稈半量還田大于全量還田，這與春小麥產(chǎn)量的結(jié)果有較為相似的規(guī)律。從養(yǎng)分吸收量來看，NPK、NPK+50%ST、NP+50%ST處理養(yǎng)分吸收量較高，也是這幾個處理產(chǎn)量較高的主要原因。

2.3 長期施肥和秸稈還田對春小麥品質(zhì)的影響

從表5可以看出，各處理濕面筋、淀粉含量分別達到26%、60%以上，達到中筋小麥品質(zhì)要求，并且處理間沒有明顯差異。各處理粗蛋白含量均達到13%以上，并且處理間有一定差異，NP+100%ST處理蛋白質(zhì)含量最高，達到14.48%，比對照增加5.2%，差異顯著，NPK+50%ST、NP+50%ST 處理粗蛋白含量次之，NPK+100%ST處理較低，但之間差異不明顯。雖然各品質(zhì)指標達到中筋小麥標準與春小麥品種有很大關(guān)系，但不同施肥處理間粗蛋白含量仍存在一些差異說明適量施肥和秸稈還田對春小麥品質(zhì)沒有不良影響，且在一定程度上能夠維持和提高品質(zhì)。較早的研究報道顯示，能使玉米、小麥蛋白質(zhì)品質(zhì)提高的施肥方法為:有機無機肥料配合施用＞單施氮素化肥＞單施有機肥［24］，本試驗結(jié)果與該研究結(jié)論相似。

圖3 不同處理小麥養(yǎng)分吸收量Fig.3 Effects of the different fertilizations and straw return on nutrient uptakes of spring wheat

表5 施肥和秸稈還田對春小麥品質(zhì)的影響(%)Table 5 Effects of the different fertilizations and straw return on seed quality of spring wheat

3 結(jié)論

1)在施氮、磷的基礎(chǔ)上增施一定量的鉀肥和或秸稈還田，特別是秸稈還田，能夠增加土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加土壤輕組有機質(zhì)在土壤中的比例，同時能夠降低土壤容重，提高土壤含水量，對土壤物理性狀的改善明顯。

2)施肥和秸稈還田對土壤有機質(zhì)、速效和全量氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響不同。在施氮、磷肥的基礎(chǔ)上進行秸稈還田和或增施無機鉀肥，能夠增加除磷素以外的大部分土壤養(yǎng)分含量，對土壤速效鉀含量的提高尤其顯著;秸稈還田與NP配合較之與NPK肥配合，對土壤養(yǎng)分含量提高的幅度更大;但在氮、磷肥基礎(chǔ)上長期增施鉀肥并秸稈還田對于增加土壤鉀庫貯量意義重大。

3)在施氮、磷的基礎(chǔ)上增施無機鉀肥春小麥增產(chǎn)效果最為明顯，在氮、磷肥基礎(chǔ)上秸稈還田也具有較為明顯的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)幅度大于與NPK配合，半量秸稈還田增產(chǎn)效果優(yōu)于全量秸稈還田?？紤]鉀肥成本、投產(chǎn)比以及資源環(huán)境效益，提出在施氮、磷肥的基礎(chǔ)上半量秸稈還田可以替代無機鉀肥。

4)長期施肥和秸稈還田對春小麥品質(zhì)沒有負面影響，合理增施鉀肥和秸稈還田能夠維持和提高春小麥品質(zhì)。

綜上，秸稈還田和增施無機鉀肥對于土壤肥力、作物產(chǎn)量等的影響因氣候、土壤母質(zhì)、種植管理制度等因素而不同。在青海省(富鉀區(qū))增施一定量無機鉀肥或秸稈還田能夠改善土壤質(zhì)量，對春小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的穩(wěn)定和提高也有較為明顯的作用，因此在施氮、磷肥的基礎(chǔ)上增施無機鉀肥或半量秸稈還田在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中可以推廣應(yīng)用，建議全量秸稈還田增加秸稈腐熟劑等措施，可能會收到更好的效果。隨著該長期定位試驗的繼續(xù)推進，或許會有新的發(fā)現(xiàn)和認識，并對以上結(jié)論進行修正。

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