長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)黑土肥力及玉米產(chǎn)量的影響

嚴(yán)君，韓曉增，鄒文秀，陸欣春，陳旭，鄒獅，高瑞敏

(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

玉米秸稈是農(nóng)田生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)品，全國(guó)每年平均產(chǎn)秸稈7億t。玉米秸稈是補(bǔ)給土壤有機(jī)質(zhì)良好的物料，秸稈含碳量大約在45%～50%，同時(shí)玉米秸稈也是土壤養(yǎng)分來(lái)源，其氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素含量分別是0.4%～0.5%、0.2%～0.3%和0.5%～0.7%，是十分重要的有機(jī)肥源物質(zhì)[1-2]。在生產(chǎn)上秸稈直接還田既能夠解決焚燒秸稈造成的環(huán)境污染問(wèn)題，又能將秸稈中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)歸還于土壤，增加土壤養(yǎng)分，改善土壤物理結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)提升作物產(chǎn)量具有巨大的應(yīng)用潛力[3-4]。

秸稈覆蓋還田、秸稈與土壤混合[5]和秸稈埋入土壤某個(gè)土層[6]是生產(chǎn)上主要的秸稈還田方式。秸稈覆蓋還田能夠增加0～10 cm土層土壤的有機(jī)質(zhì)含量，緩解外力對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)的擠壓，抑制土壤“板結(jié)”[7]。但秸稈覆蓋還田會(huì)影響機(jī)械播種，在北方還會(huì)導(dǎo)致春季地溫低，影響出苗，造成作物減產(chǎn)。秸稈與土壤混合后深埋還田，可在土壤微生物的作用下釋放碳、氮等養(yǎng)分，并顯著增加土壤有機(jī)碳含量[8]，改善有機(jī)質(zhì)性質(zhì)[9]，釋放的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素能夠被作物吸收和利用。但不合理的秸稈翻埋方式亦會(huì)對(duì)作物出苗有一定的影響[10]。因此，秸稈混入土壤是對(duì)土壤理化性質(zhì)和產(chǎn)量影響最顯著的秸稈還田方式[11-12]。目前有關(guān)于秸稈混入土壤的研究，大多是秸稈施用量、還田深度及還田時(shí)間對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量影響的研究[13-14]。然而，玉米連作條件下長(zhǎng)期持續(xù)(17年)的秸稈連續(xù)還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分狀況、理化屬性及產(chǎn)量的影響和貢獻(xiàn)的報(bào)道還較少。本研究基于海倫站玉米連作條件下，連續(xù)17年全量秸稈還田試驗(yàn)，分析長(zhǎng)期施用秸稈對(duì)玉米產(chǎn)量和土壤理化性狀的影響，并通過(guò)逐步回歸方法評(píng)價(jià)土壤理化性狀對(duì)玉米產(chǎn)量的影響情況，旨在為玉米秸稈高效利用和土壤耕層重構(gòu)提供數(shù)據(jù)支撐，以期為東北黑土地保護(hù)及黑土區(qū)耕層土壤肥力的快速提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)位于黑龍江省海倫市中部(47°27′N(xiāo)，126°55′E)，屬于平原地區(qū)，農(nóng)田坡度小于2°，溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均≥10 ℃有效積溫2 450 ℃，年均日照時(shí)數(shù)約為2 700 h，無(wú)霜期為125 d，作物一年一季。土壤是中厚黑土，其母質(zhì)為第四紀(jì)形成的黃土狀母質(zhì)，質(zhì)地為輕黏土。供試土壤0～20 cm土層的基本理化性質(zhì)：土壤有機(jī)質(zhì)含量50.09 g·kg-1，pH 6.61，全氮2.32 g·kg-1，全磷含量0.77 g·kg-1，全鉀含量20.6 g·kg-1，堿解氮含量174 mg·kg-1，速效磷含量23.4 mg·kg-1，速效鉀含量154.8 mg·kg-1，土壤容重1.13 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

試驗(yàn)區(qū)于2003年前種植玉米、大豆和小麥勻地，不施肥。2003年開(kāi)始設(shè)置3個(gè)處理：不施任何肥料(CK)、僅施用化肥(NPK)、化肥和秸稈搭配(NPKS)。小區(qū)面積21 m2，隨機(jī)排列，4次重復(fù)。2003年～2019年間連續(xù)種植玉米(2003～2012年供試品種為海玉6號(hào)，2013～2019年供試品種為德美亞3號(hào))。肥料用量為：N 112.5 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2和K2O 60 kg·hm-2。氮肥的1/3和全部的磷鉀肥在播種時(shí)施用，施在距種子斜下方8～12 cm處，2/3的氮肥在玉米拔節(jié)期施用。玉米采用壟作種植(壟距65 cm)，在玉米種植過(guò)程中，玉米出苗后淺耕，玉米追肥時(shí)進(jìn)行一次深耕，秋季收獲后，通過(guò)人工或旋耕機(jī)將粉碎的玉米秸稈(≤5 cm)均勻混入到0～20 cm土層。

1.3 樣品采集與分析

在2003年7月試驗(yàn)開(kāi)始前和2020年7月在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品混合后作為該小區(qū)的土壤樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，用于測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)[15]。利用環(huán)刀采集7.5 cm和22.5 cm土層的原狀土，分別代表0～20 cm和20～40 cm土層的土壤樣品，用膠帶密封環(huán)刀后帶回實(shí)驗(yàn)室，用于土壤總孔隙度、通氣孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的測(cè)定和分析[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 26.0軟件對(duì)供試前和2020年的0～20 cm和20～40 cm土層的土壤化學(xué)、物理性質(zhì)及產(chǎn)量做單因素方差分析(One-way ANOVA)，用Turkey檢驗(yàn)處理間差異顯著性。采用SPSS 26.0對(duì)不同土層土壤理化因子對(duì)玉米產(chǎn)量的影響進(jìn)行回歸分析，通過(guò)計(jì)算不同物理化學(xué)因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值與所有因子標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值之和的比值，評(píng)價(jià)不同土層下土壤物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)[23]。采用Origin 13.0繪制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2020年與2003年0～20 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)初始值相比，CK處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別下降了13.9%，20.6%，24.0%，25.2%和6.6%(P<0.05)，土壤pH、全磷和全鉀含量變化不顯著；NPKS處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著增加了16.4%、17.3%、43.4%、15.0%，61.5%和26.4%，pH值下降了4.0%(P<0.05)(圖1)。除全鉀和pH值外，表層土壤養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為CK

注:不同的小寫(xiě)字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。

2020年20～40 cm土層土壤的化學(xué)性質(zhì)與2003年土壤初始值相比，17 a沒(méi)有肥料投入的CK處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降了17.0%，全氮含量下降了23.0%，堿解氮含量下降了27.0%，速效磷和速效鉀含量分別下降了12.7%和3.9%(P<0.05)；NPKS處理土壤養(yǎng)分均有顯著增加，其中有機(jī)質(zhì)含量增加了6.6%，全氮含量增加了4.6%，堿解氮和速效磷含量分別增加了8.0%和59.4%，而pH下降了0.3個(gè)單位(P<0.05)。不同處理間土壤養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為CK < NPK < NPKS(圖2)。與CK相比，NPKS處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了28.5%，全氮含量提高了35.8%，堿解氮和速效磷含量顯著提高了48.0%和82.7%(P<0.05)；與不添加秸稈的NPK處理相比，NPKS處理的土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加了14.6%，全氮含量增加了14.0%，堿解氮和速效磷含量顯著增加了6.7%和12.3%(P<0.05)。

圖2 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)20～40 cm土層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2020年與2003年初始土壤容重相比，CK和NPK處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重差異不顯著；NPKS處理0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重顯著降低，分別降低14.8%和4.50%(P< 0.05)(圖3)。與CK和NPK處理相比，NPKS處理0～20 cm土層土壤容重均下降了14.0%以上；在20～40 cm土層土壤容重顯著下降了4.5%和3.7%(P<0.05)。

圖3 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層容重的影響

2020年與2003年0～20 cm土層土壤孔隙度初始值相比，CK和NPK處理土壤毛管孔隙度、通氣孔隙度和非活性孔隙度差異不顯著，NPKS處理對(duì)土壤毛管孔隙度和非活性孔隙度亦沒(méi)有顯著影響，但通氣孔隙度顯著增加(P< 0.05)；20～40 cm土層土壤的毛管孔隙度、通氣孔隙度和非活性孔隙度均不受施肥的影響(圖4)。與CK和NPK處理相比，NPKS處理0～20 cm土層土壤通氣孔隙顯著增加了43.7%和28.9%(P< 0.05)。

圖4 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層土壤孔隙組成的影響

2.3 長(zhǎng)期秸稈還田和施肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

NPK和NPKS處理玉米產(chǎn)量顯著高于CK處理，并隨著時(shí)間的推移呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，在2013年由于玉米品種的更換，NPK和NPKS處理的產(chǎn)量出現(xiàn)較大波動(dòng)，但仍然顯著的高于CK處理的產(chǎn)量。CK處理的玉米產(chǎn)量不受品種更換的影響，仍呈逐漸下降的變化趨勢(shì)。從2009年開(kāi)始(2010年除外)NPKS處理的玉米產(chǎn)量均顯著高于NPK處理(P<0.05)(圖5)。CK處理玉米平均產(chǎn)量為5 221 kg·hm-2，而NPK和NPKS處理的平均產(chǎn)量分別為8 090 kg·hm-2和8 624 kg·hm-2，較CK處理分別增加了54.9%和65.2%(P<0.05)。NPKS處理的平均產(chǎn)量比NPK的產(chǎn)量高出6.6%。

注:*表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。

2.4 土壤理化屬性對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

在0～20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度>30%，其次是pH貢獻(xiàn)度為11.5%，其它指標(biāo)的貢獻(xiàn)度均<10%，全鉀含量貢獻(xiàn)度最小。在20～40 cm土層，土壤堿解氮的貢獻(xiàn)度最高達(dá)到35.7%，其次是速效磷含量的貢獻(xiàn)度達(dá)到了31.9%，全氮含量的貢獻(xiàn)度為18.3%，其他指標(biāo)的貢獻(xiàn)度均<6%，速效鉀含量的貢獻(xiàn)度最小(0.2%)。

圖6 0～20 cm(a)和20～40 cm(b)土層土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

土壤容重及孔隙分布對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)見(jiàn)圖7。在0～20 cm土層，土壤毛管孔隙和土壤容重對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度分別為35.3%和31.6%，通氣孔隙的貢獻(xiàn)度最小。在20～40 cm土層，容重對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度最大(56.96%)，其次是通氣孔隙(21.02%)和毛管孔隙(20.62%)，非活性孔隙的貢獻(xiàn)度最小為1.4%。

圖7 0～20 cm(a)和20～40 cm(b)土層土壤容重和孔隙對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)

3 討論

秸稈還田是土壤培肥的重要途徑，秸稈施入土壤中經(jīng)腐解后可以釋放大量的礦質(zhì)元素，有利于土壤養(yǎng)分的積累、改善土壤的肥力狀況[16]。等量秸稈連續(xù)3年混入0～50 cm土層對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn)，等量秸稈混入不同深度土層并沒(méi)有顯著增加相應(yīng)土層的全磷和全鉀含量，但速效磷和速效鉀含量顯著提高了9.2%～38.2%和12.6%～43.7%[17]。本研究中除了全鉀以外，秸稈連續(xù)還田17年后0～40 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和速效氮磷鉀含量均有顯著增加[11]。與無(wú)秸稈還田的CK和NPK處理相比，秸稈連續(xù)施用17年的NPKS處理土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷含量均顯著提高。土壤養(yǎng)分含量的顯著增加與秸稈的腐解，即秸稈中養(yǎng)分的釋放有直接關(guān)系。孫哲等[18]對(duì)旋耕和深耕模式下玉米秸稈的養(yǎng)分釋放情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，玉米秸稈中氮、磷、鉀和碳的釋放率分別為71.8%～74.6%、34.1%～39.3%、66.5%～78.5%和42.9%～50.2%?？锒骺〉萚19]通過(guò)對(duì)不同玉米還田150 d秸稈腐解的研究，表明秸稈氮、磷和鉀養(yǎng)分釋放率分別為51.1%～67.7%，76.0%～89.8%和76.9%～91.7%。秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提升，一方面是由于秸稈本身是碳源[20]；另一方面秸稈混入土壤后在土壤微生物的作用下能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，增強(qiáng)了土壤有機(jī)碳的保護(hù)和固持作用[21]，從而有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累。因此，在本研究中不同土層土壤中有機(jī)質(zhì)及速效磷鉀的含量顯著增加，主要來(lái)源于玉米秸稈中的養(yǎng)分釋放。

合理的土壤結(jié)構(gòu)(土壤容重和孔隙度)是提高土壤肥力的前提條件，也是協(xié)調(diào)保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件。秸稈還田能夠降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，并且隨秸稈施入量的增加作用越明顯，還田量為1.32%變化最顯著，容重降低了7.19%，總孔隙度增加了6.77%[22]。黑土質(zhì)地黏重，黏粒含量一般>30%，玉米直接秸稈還田可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改變土壤的三相比，使土壤變得疏松，通氣透水性能明顯提升[23-24]，進(jìn)而影響作物根系的生長(zhǎng)和土壤中養(yǎng)分的有效性[12]。與秸稈不還田處理相比，秸稈還田使得5～10 cm土層的土壤容重降低3.76%，而25～30 cm和45～50 cm土層的土壤容重分別降低了2.61%和1.32%[25]。本研究中與秸稈不還田CK處理相比，秸稈連續(xù)還田17年0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重分別下降了14%和4.5%(圖3)，并且0～20 cm土層土壤中的通氣孔隙顯著增加了6.01%(圖4)。土壤的結(jié)構(gòu)改變對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生的影響不同[26]，土壤容重與產(chǎn)量呈線性負(fù)相關(guān)，土壤容重每增加0.1個(gè)單位，玉米減產(chǎn)10%～20%[27-29]。本研究中玉米秸稈長(zhǎng)期還田兩個(gè)土層都是土壤的容重是決定玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

黑土是自然肥力較高的土壤，由于集約型的開(kāi)墾利用導(dǎo)致土壤肥力下降和土壤結(jié)構(gòu)變差，限制了作物產(chǎn)量的提升[1]，秸稈還田能夠有效的提高作物產(chǎn)量。戰(zhàn)秀梅等[3]研究表明，秸稈連年還田比秸稈不還田春玉米產(chǎn)量提高5.19%～5.89%。白偉等[30]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田2年比秸稈不還田處理玉米產(chǎn)量增加3.25%。秸稈還田5年以上的定位試驗(yàn)研究證明，秸稈還田后作物平均增產(chǎn)為13%[13]。周懷平等[31]在褐土上的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈連續(xù)還田19年玉米產(chǎn)量累積增加幅度為11.57%。本研究在秸稈連續(xù)還田的前3年，即2003～2005年期間NPK和NPKS處理之間的玉米產(chǎn)量無(wú)顯著差異，且在2004年產(chǎn)量還顯著的低于NPK處理，這可能是由于大量秸稈施入引起土壤中的碳、氮比例失衡[32]以及耕作和還田方式不當(dāng)或播種質(zhì)量差造成出苗弱等原因引起的[33]。從2009年以后NPKS處理的玉米產(chǎn)量的高于NPK處理(2010年除外)，尤其是從2011年以后NPKS處理的玉米產(chǎn)量增加顯著，呈穩(wěn)定增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)(圖5)。玉米秸稈連續(xù)還田的17年產(chǎn)量和土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、pH和土壤物理屬性均發(fā)生顯著變化。與2003年的土壤基礎(chǔ)生產(chǎn)力相比，CK處理長(zhǎng)期沒(méi)有化肥和秸稈投入，土壤的有機(jī)質(zhì)含量、養(yǎng)分含量較NPK和NPKS處理顯著下降，但是其基礎(chǔ)生產(chǎn)力經(jīng)過(guò)17年后沒(méi)有顯著的變化，且不受玉米品種的更換所影響，因此在高肥力黑土土壤上即使沒(méi)有外源的補(bǔ)給仍然能夠維持土壤的基礎(chǔ)生產(chǎn)力[26]。施入外源的化肥，即NPK處理，顯著提高了土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，以及玉米的產(chǎn)量，可以明確玉米產(chǎn)量的提升與化肥養(yǎng)分的釋放和能快速被作物吸收利用有直接的關(guān)系[34]。NPKS處理，由于秸稈的長(zhǎng)期還田顯著降低了土壤的容重，增加了表層0～20 cm土層的通氣孔隙，NPKS處理的秸稈腐解過(guò)程提高了土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量(圖1和2)，改善土壤的物理結(jié)構(gòu)(圖3和4)，進(jìn)而滿足了玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量進(jìn)一步提升對(duì)養(yǎng)分的需求[35]。

4 結(jié)論

基于17年的田間定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：高肥力土壤的基礎(chǔ)生產(chǎn)力不受種植年限和種植作物的品種影響，相對(duì)較為穩(wěn)定；長(zhǎng)期施用化肥(NPK)主要通過(guò)改變土壤的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和pH值影響玉米的產(chǎn)量，而化肥和秸桿搭配(NPKS)處理改善了土壤的孔隙度，尤其是土壤的容重，從而確保了玉米產(chǎn)量穩(wěn)定提高。長(zhǎng)期不同施肥制度下，在0～20 cm土層是有機(jī)質(zhì)和全氮含量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率最大；在20～40 cm土層，土壤堿解氮和速效磷含量對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)度最高。