稻麥輪作下連續(xù)秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及土壤肥力的影響

王紅梅，顧建芹，相家英，沈天菊，屠莉宏，江健*

(1.上海市奉賢區(qū)奉城鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心，上海 201411；2.上海市奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海 201499；3.上海市奉賢區(qū)莊行鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務(wù)中心，上海 201415；4.上海市奉賢區(qū)農(nóng)民科技教育培訓(xùn)中心，上海 201499)

近年來(lái)，作物收獲后將秸稈直接還田是一項(xiàng)有效的生態(tài)農(nóng)業(yè)措施[1]，是秸稈肥料化利用中最經(jīng)濟(jì)有效的方式。奉賢區(qū)是糧食作物種植大區(qū)，水稻播種面積約為1.02萬(wàn)hm2，所產(chǎn)生的秸稈資源總量超過(guò)9.72萬(wàn)t，約占農(nóng)作物秸稈總量80%以上。在稻麥輪作模式下，隨著糧食單產(chǎn)水平的提高，稻麥兩季作物秸稈的產(chǎn)量大幅增加，而作物光合作用的產(chǎn)物有一半以上存于秸稈內(nèi)，其含有大量的有機(jī)物質(zhì)、氮、磷、鉀和各種微量元素等，是重要的有機(jī)肥資源。按照水稻秸稈含氮0.91%、磷0.13%、鉀1.89%[2]估算，奉賢區(qū)水稻秸稈含氮約884 t、磷126 t和鉀1 827 t。若將這部分秸稈全部還田，既能減少大量化肥投入，解決秸稈隨意丟棄或焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染和危害問(wèn)題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源的循環(huán)利用，同時(shí)秸稈回歸農(nóng)田，改善耕作層土壤微生物群落的分布和活性，積極參與有機(jī)碳分解和循環(huán)利用，提升土壤理化性狀，培肥地力，提高土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提升土壤肥力有良好效應(yīng)。因此，研究秸稈還田對(duì)稻麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的作用是評(píng)價(jià)秸稈還田效應(yīng)的主要指標(biāo)。

目前，關(guān)于秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成[3-5]、秸稈腐解特性[6-7]、土壤肥力質(zhì)量[8-9]、土壤與重金屬含量[10-11]、微生物與酶活性[12-13]的影響等方面研究較多。這些研究基本明確了秸稈進(jìn)入土壤后，在土壤微生物和酶的作用下進(jìn)行腐熟的過(guò)程，釋放的大量營(yíng)養(yǎng)元素被作物吸收利用，以此增加產(chǎn)量，且秸稈入田后對(duì)其酶活性和微生物量有積極作用，改變土壤性質(zhì)，提升肥力。但這些研究大多集中于短期內(nèi)秸稈還田對(duì)土壤環(huán)境及作物產(chǎn)量的影響，而在長(zhǎng)江下游稻麥輪作條件下，連續(xù)秸稈還田和秸稈還田量(全量和半量)對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響研究較少。因此，本文通過(guò)連續(xù)5 a稻麥秸稈不同還田量定位試驗(yàn)，研究了奉賢地區(qū)稻麥輪作條件下秸稈還田對(duì)當(dāng)?shù)氐钧渻杉咀魑锂a(chǎn)量及其構(gòu)成、土壤肥力的影響，探索適宜當(dāng)?shù)丶Z食生產(chǎn)和生態(tài)條件的秸稈還田量，為該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物秸稈合理還田和科學(xué)施肥、提升土壤肥力和質(zhì)量及保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2010年末至2015年在奉賢區(qū)莊行鎮(zhèn)長(zhǎng)堤村進(jìn)行，地理坐標(biāo)121°24.1′E，30°54.9′N(xiāo)，連續(xù)10季秸稈還田定位試驗(yàn)。該地區(qū)氣候類(lèi)型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨熱同期，降雨較多，年降水量1 193.6 mm，年降雨天數(shù)146 d，年均氣溫17.2 ℃，年日照1 821.9 h，年無(wú)霜期242 d。主要種植制度為一年兩熟制的稻麥輪作模式。土壤類(lèi)型是湖河相交互沉積母質(zhì)為主的青黃土，肥力中等，質(zhì)地中壤，地面高程3.5～4.0 m。還田初期土壤理化性狀pH 7.43、有機(jī)質(zhì)14.4 g·kg-1、全氮1.08 g·kg-1、全磷0.67 g·kg-1、全鉀21.3 g·kg-1、有效磷14.3 mg·kg-1、速效鉀115 mg·kg-1、容重1.23 g·cm-3。

1.2 處理設(shè)計(jì)

每年小麥季和水稻季均設(shè)置3個(gè)處理，分別為秸稈不還田(CK)、秸稈半量還田和秸稈全量還田，其中秸稈半量(全量)還田指小麥、水稻收獲后一半(全部)秸稈經(jīng)粉碎為約10 cm長(zhǎng)度均勻撒施試驗(yàn)田內(nèi)，旋耕滅茬還田，深度5～20 cm，對(duì)裸露在外的秸稈人工翻入土層中，使秸稈均勻腐解。麥季、稻季連續(xù)交替進(jìn)行秸稈還田試驗(yàn)，每季的還田秸稈為前茬作物的收獲秸稈。為便于機(jī)械化操作，采用大區(qū)試驗(yàn)，田塊面積0.13 hm2。本試驗(yàn)中水稻供試品種為花優(yōu)14，土壤施入N∶P2O5∶K2O肥料比例為1∶0.2∶0.25，純氮總用量300 kg·hm-2。小麥品種為揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥11，土壤施入N∶P2O5∶K2O肥料比例為1∶0.6∶0.6，純氮總用量225 kg·hm-2。病蟲(chóng)草防治及其他栽培措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理相同。

1.3 采樣和測(cè)定

土樣采集：每年水稻收割后、小麥播種與施肥前，采用“S”形法定點(diǎn)采集0～20 cm耕作層土壤樣品，用四分法取出足夠的樣品，室內(nèi)風(fēng)干過(guò)篩后測(cè)試土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷等養(yǎng)分，用環(huán)刀法測(cè)定各處理的耕作層土壤容重[14]。作物產(chǎn)量及構(gòu)成因素測(cè)定：小麥、水稻成熟期，每處理取代表性的樣品測(cè)定有效穗、實(shí)粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量性狀，實(shí)打?qū)嵤招^(qū)產(chǎn)量，按照標(biāo)準(zhǔn)含水量折算作物的單位產(chǎn)量。試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均用Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.1.1 產(chǎn)量構(gòu)成因子

由圖1、表1可知，在2011—2015年連續(xù)秸稈還田定位試驗(yàn)中，不同秸稈還田量處理對(duì)小麥和水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因子有相反的作用。與秸稈不還田(CK)相比，小麥季秸稈全量還田處理的有效穗為連續(xù)5 a最低，平均值為322.7萬(wàn)穗·hm-2，5 a中平均減少9.1%，千粒重則在5 a中逐漸增加，平均值為44 g，平均增重2.3%。而水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因子表現(xiàn)與小麥有差異，除2011年水稻季秸稈全量還田處理的有效穗低于秸稈半量還田處理外，其他年份都較高，5 a平均318.9萬(wàn)穗·hm-2，平均增加11.1%，千粒重總體較低，平均為27.2 g，平均減少1.4%。秸稈半量還田處理的產(chǎn)量構(gòu)成因子在不同年度間的增減規(guī)律不明顯。土壤中增加秸稈對(duì)糧食作物的每穗實(shí)粒數(shù)形成帶來(lái)不利影響，無(wú)論是小麥季還是水稻季，實(shí)粒數(shù)均隨著秸稈還田量的增加而逐漸減少；不同作物的有效穗和千粒重在秸稈還田處理上的變化隨土壤中秸稈量的增加有不同變化，小麥作物有效穗隨著秸稈量的增加而減少，但能增加千粒重，而水稻作物則相反，這也與各處理不同年度間變化相似。

圖1 秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

表1 秸稈還田量對(duì)產(chǎn)量結(jié)構(gòu)平均值的影響

2.1.2 作物產(chǎn)量

由圖2可知，連續(xù)5 a秸稈定位還田后，秸稈還田處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響要小于對(duì)小麥產(chǎn)量的影響，且隨著還田秸稈量的增加，水稻和小麥產(chǎn)量表現(xiàn)出相反趨勢(shì)，水稻產(chǎn)量隨著還田量增加而提高，小麥則有所減產(chǎn)。5 a中，小麥年度產(chǎn)量除2013、2014年外，其余各年均以CK處理產(chǎn)量最高，為4 834.5～5 662.5 kg·hm-2，而水稻年度產(chǎn)量都依次為秸稈全量還田>秸稈半量還田>CK，以全量還田處理年度產(chǎn)量最高，為8 920.5～9 868.5 kg·hm-2。周年產(chǎn)量是當(dāng)年收獲的小麥季產(chǎn)量和水稻季產(chǎn)量的總和，其中秸稈全量還田處理產(chǎn)量總體較高，這與水稻季年度產(chǎn)量表現(xiàn)較一致。水稻和小麥的年度產(chǎn)量差別可能是不同秸稈種類(lèi)和水旱模式對(duì)其的影響。從連續(xù)5 a的各處理年均產(chǎn)量變化來(lái)看(表2)，小麥季和水稻季年均產(chǎn)量差異表現(xiàn)更加明顯，相比CK，小麥季秸稈半量還田處理和秸稈全量還田處理分別減產(chǎn)4.2%、5.1%，年均產(chǎn)量隨秸稈還田量的增加而降低；而水稻季年均產(chǎn)量和周年平均產(chǎn)量卻表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，秸稈半量還田處理和秸稈全量還田處理比CK分別增加3.6%、5.8%和0.7%、1.8%。

圖2 秸稈還田對(duì)稻麥年度產(chǎn)量的影響

表2 秸稈還田量對(duì)作物年均產(chǎn)量的影響

2.2 對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分的影響

稻麥秸稈連續(xù)5 a還田后，除全鉀含量的年際間變化不明顯外，秸稈還田處理對(duì)土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀等主要養(yǎng)分積累有一定提高作用，各處理隨時(shí)間變化而略有不同(圖3)。在水旱輪作連續(xù)秸稈還田條件下，秸稈還田能較好地提高耕作層有機(jī)質(zhì)含量，半量還田和全量還田處理的有機(jī)質(zhì)含量增長(zhǎng)速度較快，連續(xù)5 a高于CK，表現(xiàn)為半量>全量>CK。連續(xù)還田后，半量還田處理和全量還田處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量比CK分別提高1.7、1.2 g·kg-1，比還田初期提高6.9、6.4 g·kg-1，年際間平均增幅8.2%、7.8%。土壤中的全氮含量在年際間變化較為平緩，還田3 a后達(dá)到高峰，隨后全氮含量略有降低，但秸稈半量和全量還田處理的全氮連續(xù)多年高于CK，與土壤有機(jī)質(zhì)含量變化較一致，可見(jiàn)連續(xù)秸稈還田處理可同時(shí)提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量。

圖3 秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

全磷和有效磷年際含量變化規(guī)律總體波動(dòng)較大，但兩者波動(dòng)狀態(tài)較為相似，經(jīng)兩者相關(guān)性檢測(cè)，r=0.666 04，為極顯著相關(guān)。同時(shí)秸稈半量還田和全量還田處理的全磷和有效磷含量都要高于CK，5 a平均含量為半量>全量>CK。磷素多為表層富集，土壤中磷素循環(huán)具有較大的復(fù)雜性和差異性，增加秸稈還田促進(jìn)磷素向有效形態(tài)轉(zhuǎn)化，提高土壤中有效磷和全磷含量，增加磷素利用率[15-16]。而土壤中的速效鉀出現(xiàn)明顯的拋物線趨勢(shì)，還田3 a處于最高值，此時(shí)秸稈全量、半量處理較CK增加14.7%和21.8%，且處理間年際變化較為明顯，全量>半量>CK，可見(jiàn)秸稈進(jìn)入土壤后鉀素分解釋放速度較快且逐步形成穩(wěn)定供應(yīng)趨勢(shì)。

2.3 對(duì)農(nóng)田土壤容重的影響

稻麥秸稈直接還田對(duì)土壤物理性狀有明顯改善作用，土壤耕層0～20 cm隨著秸稈還田數(shù)量的增加，土壤通氣性增加，土質(zhì)疏松度遞增，容重降低速度較快(圖4)。土壤容重是土壤肥力的一個(gè)重要物理指標(biāo)，與土壤孔隙度、結(jié)構(gòu)狀況以及腐殖質(zhì)含量的高低有密切關(guān)系[17-19]。容重降低有利于改善土壤質(zhì)地，促進(jìn)稻麥根系的生長(zhǎng)，提高后期產(chǎn)量。秸稈連續(xù)5 a還田后，半量還田和全量還田處理的容重降低速度較快，比CK降低12.8%和13.8%，比還田初期降低22.8%、23.6%，且全量還田處理的降低幅度大于半量還田處理。連續(xù)秸稈還田能更快更好地降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)。

圖4 秸稈還田對(duì)土壤容重的影響

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤質(zhì)量和肥力高低的重要標(biāo)準(zhǔn)[20]，連續(xù)秸稈還田下耕作層的有機(jī)質(zhì)含量增加最為明顯。本研究中，半量和全量還田5 a后，耕層有機(jī)質(zhì)較對(duì)照增加8.7%和5.6%，隨著還田年限增加而效果更大；連續(xù)秸稈還田還能提高土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量，除土壤全鉀含量在不同處理間變化不明顯外，全氮、全磷、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量隨年限增加均有不同程度的增加，但變化趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)略有不同，其中土壤速效鉀含量的提高尤為顯著。隨著秸稈連續(xù)還田年限延長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分不斷積累，土壤肥力將高于不還田處理，主要是因?yàn)榈钧溄斩掃€田可腐解釋放出豐富的有機(jī)碳和氮磷鉀養(yǎng)分，為土壤直接輸入新鮮的生物碳、氮源，直接補(bǔ)償土壤有機(jī)質(zhì)，加速積累養(yǎng)分含量，這與一些研究結(jié)果相符[21-24]。但本研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田量對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的影響并非以還田量越多越好，秸稈半量還田處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷及有效磷含量作用最好，秸稈全量還田處理次之。這是因?yàn)榻斩捀馑俣群艽蟪潭壬鲜艿酵寥繡/N影響，秸稈還田過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤碳源提高，而土壤沒(méi)有充分氮素供微生物繁殖生長(zhǎng)，使微生物的數(shù)量和活性大幅降低，進(jìn)而抑制秸稈分解，不利于秸稈養(yǎng)分向土層中釋放和循環(huán)，而秸稈半量還田為微生物提供了適宜的C/N環(huán)境，加快秸稈腐解并釋放出更多的有機(jī)碳和有效養(yǎng)分[25-26]。

土壤容重是土壤水、肥、氣、熱協(xié)調(diào)的指標(biāo)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是土壤的松緊程度，其大小可改變土壤水分入滲規(guī)律和養(yǎng)分運(yùn)移特征，與作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育緊密相關(guān)。當(dāng)土壤容重在0.8～1.2 g·cm-3變化時(shí)，隨土壤容重增加，土壤孔隙度減少，入滲能力減弱，徑流系數(shù)增大，蓄肥蓄水能力減弱[27-29]。本研究通過(guò)連續(xù)5 a秸稈還田后，秸稈還田處理的土壤容重從還田初期的1.23 g·cm-3分別降低至0.95 g·cm-3和0.94 g·cm-3，足以讓土壤疏松，孔隙度增加，增強(qiáng)土層的保水保肥能力，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。稻田耕層土壤容重一般在1～1.2 g·cm-3最為理想，且稻田在長(zhǎng)期翻耕、旋耕方式下，顯著降低0～10 g·cm-3土壤容重[30]。故無(wú)論秸稈還田還是不還田處理，稻田容重都會(huì)隨著年限增加而降低，但研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈半量和全量還田5 a后的容重已低于1 g·cm-3，此時(shí)的土體為不穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu)，反而會(huì)影響土壤供氮能力和作物根系活性，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育[31]。故在后續(xù)秸稈還田定位試驗(yàn)中，可適當(dāng)增加土壤團(tuán)聚體、持水量、總孔隙度、氧化還原電位、酶活性等物理指標(biāo)的測(cè)定，以便更客觀地判斷連續(xù)稻麥秸稈還田對(duì)研究區(qū)耕層土壤質(zhì)量的影響。

適量的稻麥秸稈還田在促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累和養(yǎng)分含量提高的同時(shí)，能有效促進(jìn)稻麥兩季作物生長(zhǎng)，提高作物周年產(chǎn)量，且隨著秸稈還田年限和還田量的增加而日趨明顯，這與一些研究結(jié)果相似[25,32-33]。但兩季作物的產(chǎn)量在秸稈還田量上表現(xiàn)有所不同，小麥產(chǎn)量隨秸稈還田量的增加而減少，水稻產(chǎn)量則相反，呈增加趨勢(shì)。可能是因?yàn)椴煌魑锝斩掃€田對(duì)養(yǎng)分響應(yīng)有差異[26,34-37]，小麥秸稈還田正處于夏季高溫和淹水條件下，微生物活性增強(qiáng)，有利于小麥秸稈的腐解和養(yǎng)分釋放，促進(jìn)水稻增產(chǎn)；相比小麥秸稈產(chǎn)量，水稻秸稈產(chǎn)出率較多，且還田時(shí)間處于冬季，氣溫低且干旱，水稻秸稈腐解速度減弱，過(guò)量的水稻秸稈還田不利于小麥出苗和有效穗形成，從而使小麥減產(chǎn)。有研究認(rèn)為，稻麥輪作下，以50%或75%秸稈還田量為宜[38]，但在上海郊區(qū)實(shí)行50%、75%秸稈直接還田勢(shì)必會(huì)增加一定的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，不符合當(dāng)?shù)氐牟僮髁?xí)慣[39]，建議在奉賢地區(qū)繼續(xù)實(shí)行秸稈全量還田措施，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但可以在秸稈全量還田過(guò)程中減少小麥季播種面積，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到更好的培肥增產(chǎn)效應(yīng)。

4 小結(jié)

秸稈還田有助于土壤肥力的整體提高。通過(guò)5 a秸稈半量還田和全量還田，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀均表現(xiàn)出不同程度的增加，5 a平均值分別為18.2 g·kg-1、17.7 g·kg-1，12.22 g·kg-1、12.46 g·kg-1，0.76 g·kg-1、0.74 g·kg-1，24.3 mg·kg-1、22.2 mg·kg-1，160.2 mg·kg-1、180.6 mg·kg-1；秸稈半量還田處理在土壤有機(jī)質(zhì)、磷素增加作用上高于秸稈全量還田。逐年秸稈還田變化趨勢(shì)結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)持續(xù)提升，土壤全氮含量保持在穩(wěn)定水平，全磷和有效磷上升，兩者變化規(guī)律較相似，速效鉀增長(zhǎng)速度較快，在還田3 a出現(xiàn)峰值后有所下降，但仍保持較高水平。秸稈還田可改善土壤通透性，降低土壤容重。稻麥輪作條件下，土壤容重隨還田年限增加而逐漸降低，半量還田和全量還田處理的容重降低速度較快，分別較不還田處理降低了0.14和0.15 g·cm-3。土壤肥力的提高和物理性狀的改善，影響著小麥和水稻的生長(zhǎng)和最終產(chǎn)量的形成。秸稈還田對(duì)稻麥兩季作物的產(chǎn)量構(gòu)成和實(shí)際產(chǎn)量有明顯不同，小麥有效穗隨著秸稈量的增加而減少，千粒重增加，產(chǎn)量表現(xiàn)為減產(chǎn)，而水稻作物則相反，表現(xiàn)為有效穗增加、千粒重減少和增產(chǎn)的趨勢(shì)。