秸稈還田和施肥對(duì)砂姜黑土理化性質(zhì)及小麥-玉米產(chǎn)量的影響

李 瑋，喬玉強(qiáng)，陳 歡，曹承富，* ，杜世州，趙 竹

(1．安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，合肥 230031;2．安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230031)

植物殘?bào)w能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改良土壤、培肥地力，特別對(duì)緩解我國(guó)氮、磷、鉀肥比例失調(diào)的矛盾，彌補(bǔ)磷鉀肥不足等具有十分重要的意義。目前，秸稈覆蓋在發(fā)達(dá)國(guó)家已相當(dāng)完善，得到了較大普及，并且取得了較好的效果［1-5］。雖然國(guó)內(nèi)關(guān)于秸稈還田的研究起步較晚，但涉及作物產(chǎn)量［6-7］、土壤理化性狀［8］、微生物群落［9-10］等方面的研究文獻(xiàn)報(bào)道目前也比較多。國(guó)內(nèi)外已有的研究表明，秸稈覆蓋可以顯著改善土壤物理性狀［11］，緩和土壤溫度的季、日變化［12-13］，減少土壤水分蒸發(fā)［14］，提高土壤含水率［15-17］以及不同程度的增加土壤有機(jī)質(zhì)、全磷和全氮的含量［18-21］。

安徽省黃淮海南部砂姜黑土區(qū)是全省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，但該區(qū)土壤質(zhì)地粘重、結(jié)構(gòu)性差，加之有機(jī)質(zhì)含量低，養(yǎng)分貧乏，嚴(yán)重影響作物的正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤生產(chǎn)率較低。該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期以來(lái)偏向于施用化學(xué)氮肥，盲目施肥不僅導(dǎo)致肥料的浪費(fèi)，長(zhǎng)此以往也將限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，而且更嚴(yán)重的是土壤結(jié)構(gòu)以及土壤肥力持續(xù)性受到破壞，土壤質(zhì)量下降［22-24］。近年來(lái)，該區(qū)也推廣應(yīng)用秸稈還田技術(shù)，但關(guān)于秸稈還田條件下土壤理化性質(zhì)與作物產(chǎn)量的理論性探討，尚未見(jiàn)試驗(yàn)性研究報(bào)道。因此，本文基于連續(xù)4a的小麥-玉米秸稈還田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，探討了長(zhǎng)期秸稈還田同時(shí)配施不同量的化學(xué)氮肥對(duì)砂姜黑土理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響，旨在為該區(qū)科學(xué)的進(jìn)行秸稈還田和施肥提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2008—2012年度在安徽省蒙城縣農(nóng)業(yè)示范場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)地土質(zhì)為砂姜黑土，0—20 cm土層養(yǎng)分含量為:土壤有機(jī)質(zhì)14．24 g/kg，全氮含量0．99 g/kg，堿解氮 57．84 mg/kg，全磷含量 0．67 g/kg，有效磷 21．57 mg/kg，速效鉀197．46 mg/kg。供試小麥品種為濟(jì)麥22，玉米品種為鄭單958。

1．2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)秸稈還田和施氮量?jī)梢蛩?。其中秸稈處理為主區(qū)，設(shè)小麥-玉米秸稈全量粉碎還田(S)和移除(R)兩種方式，秸稈全量還田年還田量為21000 kg/hm2，其中小麥9000 kg/hm2，玉米12000 kg/hm2;氮肥施用為副區(qū)，設(shè)置6個(gè)處理，施氮量為 0、360、450、540、630、720 kg N hm－2a－1，分別用N0、N1、N2、N3、N4、N5 表示;磷、鉀肥施用量分別為180 kg P2O5hm－2a－1、180 kg K2O hm－2a－1，除 N0(對(duì)照)之外，其余氮肥處理均施用磷鉀肥，且施用量一致。各處理氮、磷、鉀肥小麥季施用量占年施用總量的45%，玉米季55%。小麥季氮肥基追比為55:45，追肥時(shí)期為拔節(jié)期，磷鉀肥在小麥播種時(shí)一次性基施;玉米季氮肥基追比為45∶55，追肥時(shí)期為大喇叭口期，磷鉀肥在玉米播種時(shí)一次性基施。小麥10月中旬播種，玉米6月中旬播種。小區(qū)面積21．6 m2，隨機(jī)排列，3次重復(fù)。

1．3 樣品采集

土樣采集:土壤樣品于2012年10月采集，取0—20 cm的土樣，每個(gè)樣品均為多點(diǎn)采集混合而成，然后用四分法取出足夠的樣品，保存于4℃冰箱中，4 d之內(nèi)測(cè)完。

1．4 指標(biāo)測(cè)定

無(wú)機(jī)氮 土樣采集后測(cè)定土壤水分以及硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。分析硝態(tài)氮和銨態(tài)氮時(shí)先將土壤解凍，稱取 10 g鮮土于震蕩瓶(150 mL)中，加入2 mol/L KCl溶液50 mL，震蕩1 h后過(guò)濾，浸提液硝態(tài)氮采用雙波長(zhǎng)(220 nm，275 nm)法測(cè)定，銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法(625 nm)測(cè)定，同時(shí)測(cè)定土壤含水量以矯正水分系數(shù)［25］。

土壤容重 采集0—20 cm原狀土壤樣品，環(huán)刀法測(cè)定。

土壤孔隙度 通過(guò)土壤容重和密度計(jì)算得到，公式如下:式中，Pt表示土壤總孔隙度，%;Bd表示土壤容重，g/cm3;Ds表示土壤密度，通常采用的密度值為2．65 g/cm3。

土壤毛管孔隙度用下式計(jì)算:

式中，Pc表示土壤毛管孔隙度，%;Wc表示土壤毛管含水量，%;V表示土壤體積，為100 cm3。

作物產(chǎn)量 小麥和玉米成熟后實(shí)收每小區(qū)產(chǎn)量。

1．5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16．0和Excel 2003軟件進(jìn)行處理和作圖。分析試驗(yàn)中秸稈還田、氮肥水平及秸稈還田×氮肥水平交互效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的作用力，用變異度表示。分析過(guò)程中按照導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生差異的來(lái)源，將作用力分為區(qū)組、秸稈還田、氮肥水平、秸稈還田×氮肥水平、誤差共5種。

2 結(jié)果與分析

2．1 對(duì)土壤容重和含水量的影響

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，是土壤重要的物理特性之一，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(zhǎng)發(fā)育緊密相關(guān)。砂姜黑土土壤物理性狀差、土壤粘重、容重大、通氣透水性能差，進(jìn)行秸稈還田處理4a后，于2012年玉米收獲期對(duì)0—20 cm土層的土壤容重和含水量進(jìn)行了測(cè)定，其不同處理間存在顯著差異(表 1)。秸稈移除(R)各處理在1.24—1．31 g/cm3之間，而秸稈還田(S)各處理在1.14—1．20 g/cm3范圍內(nèi)，秸稈還田處理均較秸稈移除處理土壤容重降低，下降幅度為2．5%—9．2%。所有秸稈還田和秸稈移除處理施用氮肥后土壤容重均較不施氮肥降低，但過(guò)量增施氮肥后土壤容重又有所增加，其中高量氮肥處理(N5)秸稈移除較秸稈還田容重增加幅度可達(dá)到9．2%。秸稈還田提高了土壤含水量，秸稈還田較秸稈移除處理土壤含水量提高了 8．2%—28．5%，表層土壤貯水量提高了4.1%—19．9%。

2．2 對(duì)耕層土壤孔隙度的影響

如表2所示，土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度及毛管孔隙度/總孔隙度各處理變化趨勢(shì)一致，所有秸稈還田處理高于秸稈移除處理。土壤總孔隙度各處理在50．7%—57．1% 之間，秸稈還田較秸稈移除處理增加1．1%—8．9%;其中秸稈移除(R)的土壤總孔隙度變化范圍在50．7%—54．6%之間，秸稈還田為53．0%—57．1%，秸稈還田顯著高于秸稈移除。土壤毛管孔隙度秸稈移除各處理在27．3%—29．5%范圍變化，而秸稈還田在33．9%—41．0%之間，秸稈還田較秸稈移除增加18．9%—41．0%，二者之間差異達(dá)顯著水平。土壤非毛管孔隙度與土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度的變化趨勢(shì)相反，秸稈還田比秸稈移除處理降低6．4%—38．8%，二者之間差異顯著;土壤毛管孔隙度占總孔隙度比例秸稈還田顯著高于秸稈移除處理，變化幅度分別為秸稈還田61．7%—75．4%、秸稈移除 50．1%—56．9%。

表1 秸稈還田對(duì)耕層土壤容重和含水量的影響Table 1 Effects of straw incorporating on soil buck density and soilwater content

2．3 對(duì)土壤耕層速效氮的影響

秸稈還田和氮肥施用對(duì)土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的影響如圖1所示。土壤耕層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量的變化范圍分別為秸稈還田(S)處理26．90—67．54、15．43—26．87 kg/hm2，秸稈移除(R) 處理24.49—42．33、15．44—20．87 kg/hm2;S 和 R 處理土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量隨氮肥用量呈增加—下降的趨勢(shì)，各處理土壤硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮，施用氮肥比不施氮肥處理顯著增加了土壤中的硝態(tài)氮含量，S+N4處理的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量最高，而R+N5處理其硝態(tài)氮含量最高。方差分析表明(表3)，氮肥用量相同時(shí)，土壤硝態(tài)氮含量S處理均顯著高于R處理，提高幅度達(dá)9．80%—86．71%，其中N4水平的提高幅度最大，比R處理增加31．37 kg/hm2的硝態(tài)氮含量，即使不施肥，S比R的土壤硝態(tài)氮也要高出2．40 kg/hm2。與土壤硝態(tài)氮含量比較，銨態(tài)氮含量表現(xiàn)規(guī)律各處理不一致。圖2顯示，夏玉米收獲后表層土壤的硝態(tài)氮含量隨著氮肥用量的增加呈指數(shù)趨勢(shì)增加，硝態(tài)氮含量與施氮量的相關(guān)性R處理高于S處理;氮肥施用分別為N1、N2、N3、N4和N5處理時(shí)，秸稈還田條件下耕層土壤硝態(tài)氮累積量分別為 N0 處理的 1．42、1．53、2．22、2．51 和 2．12 倍，秸稈移除條件下分別為 1．24、1．38、1．53、1．59 和 1．72，顯然，隨著施氮量的增加硝態(tài)氮的累積越明顯。銨態(tài)氮含量在秸稈還田時(shí)隨施氮量增加呈指數(shù)趨勢(shì)增加，而秸稈移除條件下呈指數(shù)趨勢(shì)減小，相關(guān)系數(shù)分別為 0．0487、0．3173。

圖1 秸稈還田配施不同量氮肥條件下耕層土壤無(wú)機(jī)氮變化Fig．1 Change in soil inorganic nitrogen in soil tilth layer under the combination of straw mulching and nitrogen fertilizer app lication圖中字母表示秸稈相同還田條件下氮肥水平處理之間的差異顯著性，不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P＜0．05)

表3 秸稈還田條件下耕層土壤無(wú)機(jī)氮方差分析Table 3 Variance analysis of soil inorganic nitrogen in soil tilth layer under the straw incorporation

2．4 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量的影響

由圖3可以看出，對(duì)單施氮肥的處理來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，施用氮肥可以增加玉米籽粒產(chǎn)量，施氮量從 360 kg N hm－2a－1上升到 720 kg N hm－2a－1，玉米籽粒產(chǎn)量逐漸增加，增加率為0．2%—2．9% 。但對(duì)于小麥產(chǎn)量，施氮量從360 kg N hm－2a－1增加到450 kg N hm－2a－1時(shí)，產(chǎn)量隨施氮量增加呈遞增趨勢(shì)，增加幅度為1．5%—6．7%;但施氮量從540 kg N hm－2a－1上升到 720 kg N hm－2a－1時(shí)，產(chǎn)量不再增加反而下降了2．4%。說(shuō)明過(guò)量施用氮肥并不能有效提高小麥產(chǎn)量，但能提高玉米產(chǎn)量。對(duì)秸稈還田加施氮處理來(lái)說(shuō)，玉米產(chǎn)量隨施氮量的增加呈遞增趨勢(shì);對(duì)于小麥產(chǎn)量，施氮量從360 kg N hm－2a－1上升到630 kg N hm－2a－1，產(chǎn)量逐漸增加，增加率為1.3%—6．2%，隨著施氮量的增大增加率降低，但施氮量從 630 kg N hm－2a－1達(dá)到720 kg N hm－2a－1時(shí)，產(chǎn)量不再增加反而下降了0．4%。說(shuō)明秸稈還田條件下過(guò)量施用氮肥并不能有效提高小麥產(chǎn)量，而顯著提高了玉米產(chǎn)量。小麥和玉米的年產(chǎn)量變化趨勢(shì)與玉米一致，隨施氮量增加呈遞增趨勢(shì)變化。

圖2 2012年玉米收獲后耕層土壤無(wú)機(jī)氮與施氮量的關(guān)系Fig．2 Correlation of soil inorganic nitrogen content and nitrogen app lication rates after maize harvesting in 2012

圖3 4年連續(xù)秸稈還田條件下不同施氮量小麥和玉米的平均產(chǎn)量Fig．3 Yields of crops under the straw incorporation continuously for four years

相同施氮量條件下，秸稈還田與秸稈移除的產(chǎn)量比較，各氮肥處理玉米季4a平均產(chǎn)量秸稈還田高于秸稈移除 109．5—562．5 kg/hm2，N3 處理的增幅最高;小麥季在施氮量降低時(shí)，秸稈還田有降低產(chǎn)量的趨勢(shì)，但施氮量增加至630 kg N hm－2a－1時(shí)，其產(chǎn)量超過(guò)秸稈移除處理最高，為286．5 kg/hm2。從施氮量與作物產(chǎn)量的關(guān)系看(圖4)，無(wú)論秸稈還田還是秸稈移除，小麥和玉米產(chǎn)量均與施氮量呈二次曲線關(guān)系，但是秸稈還田條件下，產(chǎn)量與施氮量的相關(guān)性高于秸稈移除。玉米季，秸稈還田施氮量為696 kg N hm－2a－1時(shí)獲得最高產(chǎn)量，達(dá) 10360．5 kg/hm2，而秸稈移除在施氮量為627 kg N hm－2a－1時(shí)達(dá)到高產(chǎn)9861．5 kg/hm2，相對(duì)秸稈移除，秸稈還田條件下獲得高產(chǎn)的施氮量增加了69 kg N hm－2a－1;小麥季，秸稈還田氮肥用量為630 kg N hm－2a－1時(shí)產(chǎn)量最高，達(dá)7900．5 kg/hm2，而秸稈移除在施氮量為580．5 kg N hm－2a－1時(shí)達(dá)到高產(chǎn) 7782．0 kg/hm2，相對(duì)秸稈移除，秸稈還田獲得高產(chǎn)的施氮量增加了51 kg N hm－2a－1?？梢?jiàn)，秸稈還田條件下要取得高產(chǎn)，必須要多施一定量氮肥。

圖4 連續(xù)秸稈還田條件下施氮量和作物產(chǎn)量的關(guān)系Fig．4 Correlation of nitrogen app lication rates and crop yields under the straw incorporation

2．5 單項(xiàng)技術(shù)對(duì)土壤理化性質(zhì)的作用力及交互效應(yīng)分析

由分析可知，在各因素獨(dú)立效應(yīng)中，秸稈還田措施對(duì)土壤容重、土壤毛管持水量、土壤總孔隙度和作物產(chǎn)量的影響達(dá)顯著水平，對(duì)土壤含水量、土壤貯水量、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管孔隙度/土壤總孔隙度、土壤耕層硝態(tài)氮含量的影響均達(dá)到極顯著，而對(duì)銨態(tài)氮含量沒(méi)有顯著影響。氮肥水平僅對(duì)土壤耕層硝態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量有極顯著影響，各測(cè)定指標(biāo)均不受秸稈還田×氮肥水平的交互效應(yīng)(表4)。

3 結(jié)論與討論

土壤容重、孔隙度反映了土壤的緊實(shí)狀況，關(guān)系到土壤水、氣、熱狀況和養(yǎng)分的調(diào)節(jié)，以及作物根系的伸展和生長(zhǎng)發(fā)育。國(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為，連續(xù)秸稈還田結(jié)合土壤淺耕，能夠降低耕層土壤容重［26］;在施氮、磷化肥的基礎(chǔ)上秸稈還田可降低土壤容重1.2%—7．1%，提高土壤含水量 4．7%—13．5%［19］。北方干旱地區(qū)18年的長(zhǎng)期秸稈還田田間定位試驗(yàn)表明，長(zhǎng)期秸稈覆蓋玉米生育期耗水量減少，土壤貯水量增加，水分利用效率明顯增加［27］。本研究結(jié)果表明，秸稈還田能降低土壤容重和非毛管孔隙度，提高耕層貯水量，增加土壤總孔隙度和毛管孔隙度?？梢?jiàn)，逐年連續(xù)全量秸稈還田，能起到疏松土壤、降低土壤容重、增強(qiáng)土壤蓄水能力、增加孔隙度的作用;與之相反，氮肥施用對(duì)土壤物理性狀沒(méi)有顯著的改善作用。這與秸稈還田使秸稈纖維腐解殘?bào)w與土壤團(tuán)粒結(jié)合改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲、減少土面蒸發(fā)有關(guān)。降雨過(guò)程中，土壤表層的秸稈覆蓋物對(duì)雨滴起到緩沖和吸附水分的作用，使土壤免受雨水的直接沖擊，利于水分入滲土壤;另外，有利于雨水快速下滲，也增強(qiáng)了土壤的保水性能。秸稈覆蓋使土面蒸發(fā)受到明顯的抑制，并且表層水分含量明顯高于秸稈移除，土壤貯水量增加。

表4 單項(xiàng)技術(shù)措施對(duì)土壤物理性質(zhì)和作物產(chǎn)量的作用力及交互效應(yīng)分析Table 4 Force analysis of single and interactivemeasure on soil physical properties and crop yields

據(jù)慕平等［28］研究，全量秸稈連續(xù)還田能增加耕層0—30 cm土層有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量，速效氮、速效鉀顯著增加。本研究中秸稈還田處理耕層的土壤硝態(tài)氮含量高于秸稈移除處理，施氮540、630、720 kg N hm－2a－1時(shí)，硝態(tài)氮含量秸稈還田處理顯著高于秸稈移除處理，表明長(zhǎng)期秸稈還田能提高土壤的速效養(yǎng)分，主要是因?yàn)榻斩掃€田與秸稈移除對(duì)土壤有機(jī)氮的礦化程度不同，秸稈還田可明顯增強(qiáng)土壤有機(jī)養(yǎng)分的礦化，秸稈自身腐解也會(huì)釋放出豐富的碳、氮、磷、鉀等速效養(yǎng)分，但是秸稈的分解程度與氮肥的施用量有密切聯(lián)系［29］。

有文獻(xiàn)報(bào)道秸稈還田對(duì)小麥、玉米有增產(chǎn)作用［30-31］，但也有減產(chǎn)的報(bào)道［32］。本研究結(jié)果表明，秸稈還田配施適量化學(xué)氮肥可以提高作物產(chǎn)量。秸稈還田配施純氮630 kg N hm－2a－1時(shí)冬小麥產(chǎn)量最高，增產(chǎn)幅度最大，比秸稈移除增產(chǎn)3．8%;配施純氮720 kg N hm－2a－1的夏玉米產(chǎn)量最高，增產(chǎn)幅度最大，同樣比秸稈移除增產(chǎn)4．5%。關(guān)于秸稈還田增產(chǎn)的原因，研究結(jié)果不盡一致。劉義國(guó)等［33］認(rèn)為，秸稈還田提高了小麥葉綠素含量，促進(jìn)了旗葉的光合作用與蒸騰作用，進(jìn)而促進(jìn)了物質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)化;趙鵬等［34］認(rèn)為，秸稈還田配施適量氮肥可以解決土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)土壤中氮源的問(wèn)題，提高了冬小麥的氮效率。還有研究者認(rèn)為，秸稈還田向土壤微生物提供了碳源，可刺激微生物生長(zhǎng)和酶的活性，促進(jìn)土壤的供養(yǎng)能力，提高作物產(chǎn)量［35］。

作用力分析結(jié)果證明，秸稈還田是土壤理化性質(zhì)最重要的變異源，其作用力大于氮肥水平及秸稈還田×氮肥水平的交互效應(yīng);對(duì)于土壤耕作層硝態(tài)氮含量和作物產(chǎn)量，氮肥水平因素的獨(dú)立效應(yīng)均大于秸稈還田及秸稈還田×氮肥水平的交互效應(yīng)，各測(cè)定指標(biāo)均不受秸稈還田×氮肥水平交互效應(yīng)的影響。

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