秸稈還田量對東北旱地土壤磷素淋溶及玉米產(chǎn)量的影響

劉曉輝，高曉梅，于淼，李楊，敖靜，孫玉祿，王智學(xué)

（遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧朝陽 122000）

玉米是東北旱地的主要糧食作物，播種面積大。由于玉米生產(chǎn)中化肥施用量高，易產(chǎn)生農(nóng)田磷素面源污染。世界銀行報(bào)道，農(nóng)業(yè)面源污染造成50%的地下水受到污染[1]。2019 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國環(huán)境狀況公報(bào)》表明，我國農(nóng)業(yè)源磷素輸出對環(huán)境污染的貢獻(xiàn)率達(dá)67.3%，超過工業(yè)等其他源的排放量，成為我國環(huán)境污染的主要來源[2-3]。研究證明，長期過量投入磷肥引起土壤磷素累積，部分設(shè)施農(nóng)田土壤有效磷含量高達(dá)400 mg·kg-1以上[4-6]；而土壤磷素積累是引起農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素[7-8]。

過量的磷素通過地表徑流、土壤侵蝕淋溶等形式進(jìn)入環(huán)境，造成農(nóng)業(yè)面源污染[9]。土壤中磷素淋溶流失主要通過以下2 種形式：降雨產(chǎn)生地表徑流直接進(jìn)入河流湖泊；地表侵蝕通過土壤剖面垂直地滲透到地表水和地下水[10]。影響磷素淋溶流失的因素主要有以下幾方面：①降雨強(qiáng)度，研究表明，降雨強(qiáng)度直接影響土壤中磷元素的淋溶損失量[11]，土壤中全磷含量與降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)[12-13]；②施肥量，施肥量與土壤磷素淋溶流失密切相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，目前的肥料施用量遠(yuǎn)高于農(nóng)作物生長的實(shí)際需求量，近1∕3 的磷殘留于農(nóng)田土壤中，導(dǎo)致土壤中磷素淋溶流失污染環(huán)境[14-15]；③土壤性質(zhì)，秸稈還田有利于改良土壤，改善土壤質(zhì)地和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，提高土壤溶液的入滲率，增加土壤飽和導(dǎo)水率，有效提高作物對土壤磷素的吸收利用[16]，減少土壤磷淋溶損失，且秸稈中的有機(jī)碳可通過影響土壤黏性來影響土壤中磷素的有效性，間接影響土壤磷含量，施加秸稈可以控制土壤磷的淋溶損失[17-18]。

前人研究了不同種類秸稈還田以及秸稈還田方式對土壤磷素淋溶的影響，且多數(shù)為實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，而對東北旱地秸稈還田量對土壤磷素淋溶損失的研究鮮見報(bào)道。因此，本研究探討了不同秸稈還田量對東北旱地土壤中磷素淋失及作物產(chǎn)量的影響，為東北旱地秸稈還田減少磷淋溶、控制農(nóng)業(yè)面源污染、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020 年5月12日至10月21日在遼寧省朝陽市喀左縣六管官子鎮(zhèn)東前溝鄉(xiāng)（41°17′57″N，119°63′48″E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處溫帶半干旱西遼河州向暖溫帶半濕潤冀北山地過渡地帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為春季少雨多風(fēng)，夏季炎熱少雨，秋季晴朗日照足，冬季寒冷降雪稀少，年均氣溫8.7 ℃，年均降水量491.5 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 807.8 h，無霜期144 d。整個(gè)植物生長期（4—9月）的降水量為451.6 mm，占全年降水量的92%。試驗(yàn)前茬作物為玉米。

1.2 試驗(yàn)材料

以春玉米品種吉地67 為試驗(yàn)材料。還田的玉米秸稈原料采自遼寧省朝陽市喀左縣六官營子鎮(zhèn)東前溝鄉(xiāng)附近農(nóng)田。玉米秸稈在室外自然晾曬至含水量為10%～15%，然后用秸稈粉碎機(jī)粉碎（＜10 cm）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以常規(guī)施肥為對照（CK），然后在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置添加秸稈0.25（T0.25）、0.50（T0.50）、0.75（T0.75）、1.00（T1.00）、1.25（T1.25）和1.50 kg·m-2（T1.50），共計(jì)7個(gè)處理。常規(guī)施肥處理為基施復(fù)混肥（N∶P2O5∶K2O=28∶14∶12）750 kg·hm-2，生長期不再追施肥料。每處理3 次重復(fù)，共21 個(gè)小區(qū)。每小區(qū)長8 m，寬6 m，縱向隔離行1.0 m，橫向隔離行0.8 m。其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 秸稈還田方式 采用深埋方式進(jìn)行秸稈還田。在作物種植行下挖25 cm深溝；將粉碎的秸稈按試驗(yàn)設(shè)計(jì)比例均勻施入溝里；將開溝的土覆于粉碎的秸稈上，覆土厚度20～25 cm，形成種植壟。

1.4.2 淋溶方式 采用田間滲漏池法[19]進(jìn)行淋溶。在每個(gè)小區(qū)中央?yún)^(qū)域挖一個(gè)長150 cm×寬80 cm×高40 cm 的淋溶池，在淋溶池中央挖40 cm深置入淋溶桶（直徑40 cm，高40 cm）。淋溶桶蓋帶有數(shù)個(gè)小孔，以便淋溶液的流入；且淋溶桶插有抽水管和通氣管通到地面上。淋溶池用塑料薄膜圍隔，淋溶桶上剪1個(gè)直徑20 cm的孔，在孔下再將裝有細(xì)沙的尼龍袋（100 目）覆蓋在桶面，細(xì)沙厚度5 cm，防止土壤顆粒滲入淋溶桶；隨后覆土至25 cm深左右，再與整個(gè)小區(qū)同樣鋪設(shè)秸稈層，最后覆土。

1.4.3 土樣采集 按照5 點(diǎn)取樣法，分別取秸稈上層0—20 cm、秸稈層20—30 cm及秸稈下層40—50 cm、50—70 cm、70—90 cm 共5個(gè)土層土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室平鋪陰干，同一土層5 個(gè)重復(fù)混合均勻，過100目篩備用。

1.4.4 收集淋溶液 用真空泵抽取淋溶桶中的淋溶液。

1.5 測定項(xiàng)目與方法

1.5.1 土壤理化性狀 按照《土壤農(nóng)化分析》[20]測定土壤中全磷（total phosphorus，TP）和速效磷（available phosphorus，AP）含量。使用FIA6000+流動注射分析儀，采用硫酸、高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷，采用鹽酸硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定速效磷。

1.5.2 淋溶液中全磷和速效磷測定 淋溶液中全磷和速效磷的含量依據(jù)《農(nóng)田面源污染監(jiān)測方法與實(shí)踐》[19]測定，計(jì)算公式如下。

1.5.3 玉米產(chǎn)量的測定 在玉米收獲后，統(tǒng)計(jì)各處理玉米的穗長、穗粗、百粒重，玉米籽粒烘干后稱取質(zhì)量。準(zhǔn)確計(jì)數(shù)試驗(yàn)小區(qū)的全部鮮粒質(zhì)量，然后用谷物水分測定儀測定籽粒含水率，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)含水率14%[21]，計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖，采用DPS 軟件進(jìn)行差異顯著性分析，采用最小顯著極差法進(jìn)行多重比較，采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田量對不同土壤剖面磷素的影響

0—90 cm土壤TP含量變化如圖1所示，各處理土壤TP含量隨著土層深度的增加逐漸降低，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm。對于0—20 和20—30 cm 土層，土壤TP 含量隨著秸稈還田量的增加先增加隨后基本平穩(wěn)，T1.00處理的TP含量最高，其中T1.00處理0—20 cm土壤TP 含量與CK 差異顯著；而不同處理20—30 cm土壤TP含量差異不顯著。這可能是玉米秸稈本身含磷量相較于土壤全磷含量較低，短時(shí)間內(nèi)對土壤全磷含量影響不大。在秸稈下30—90 cm 土壤，TP 含量隨著秸稈還田量的增加而減少，除T0.25 和T0.50 處理外均顯著低于CK；其中在70—90 cm 層不同秸稈處理間TP 含量均差異不顯著。

各處理土壤AP 含量隨著土層深度的增加逐漸減少，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm（圖2）。在0—20 和20—30 cm土層中，隨著秸稈還田量的增加土壤AP含量呈增加趨勢，其中，0—20 cm 層秸稈還田處理的土壤AP 含量均顯著高于CK；20—30 cm 土層中，除T0.25 處理外均顯著高于CK，表明隨著秸稈的腐熟，秸稈中易于分解的磷進(jìn)入土壤，增加了土壤中速效磷含量，且秸稈腐熟過程中生成有機(jī)陰離子、有機(jī)酸和腐殖質(zhì)等，可減少土壤對磷的吸附固定，促進(jìn)土壤中難溶性磷向可溶性磷的轉(zhuǎn)化[22]，秸稈還田還可以促進(jìn)土壤微生物大量繁殖，提高土壤的生物活性，從而增加土壤速效磷含量。在30—50 cm 土層中，秸稈還田處理的土壤AP 含量均顯著低于CK。在50—70 和70—90 cm 土層中，T0.25和T0.50處理的土壤AP含量與CK差異不顯著，而其他秸稈還田處理均顯著低于CK。綜上所述，秸稈下層土壤的AP含量隨秸稈還田量的增加而減少，說明秸稈還田量對土壤中AP向下遷移有顯著影響。

圖2 0—90 cm土壤剖面速效磷含量Fig.2 Contents of soil available phosphorus in 0—90 cm soil profile

2.2 秸稈還田量與淋溶液中TP 和AP 含量的關(guān)系

由圖3 可知，秸稈還田處理的淋溶液中TP 和AP 含量均低于CK，且隨秸稈還田量的增加淋溶液中TP和AP含量逐漸減少。與CK 相比，秸稈還田處理淋溶液中的TP 淋溶量降低12.93%～59.85%，AP 淋溶量降低11.22%～46.28%；除T0.25 處理外，其他秸稈還田處理淋溶液中的TP和AP含量均顯著低于CK。

圖3 不同秸稈還田量下淋溶液中全磷與速效磷含量Fig.3 Coutents pf TP and AP in phosphorus leaching under different straw returning amounts

相關(guān)分析（表1）表明，秸稈還田量與淋溶液中TP 和AP 淋溶液量分別呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)。將秸稈還田量與淋溶液中TP和AP含量進(jìn)行回歸分析，建立的回歸方程R2達(dá)極顯著水平，表明建立的回歸方程具有統(tǒng)計(jì)意義（圖4）。由圖4可知，隨著秸稈還田量的增加，磷素淋溶量逐漸減少。

表1 秸稈還田量對磷素淋溶的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis of straw returning amount to phosphorus leaching

圖4 淋溶液中磷素與秸稈還田量的關(guān)系Fig.4 Correlation of straw returning amount to phosphorus leaching

2.3 秸稈還田量對玉米產(chǎn)量的影響

由表2 可知，秸稈還田處理玉米的百粒重、穗長、穗粗和籽粒產(chǎn)量均高于CK，其中，百粒重較CK提高0.74%～2.39%，穗長增 加3.06%～11.29%，穗粗增加0.34%～1.20%，籽粒產(chǎn)量提高6.34%～14.61%。秸稈還田處理中除T0.25 和T0.50處理外，其余處理的百粒重均顯著高于CK。T0.75、T1.00 和T1.25 處理的穗長顯著高于CK。T0.75 處理的穗粗顯著大于CK。T0.75 和T1.00 處理的產(chǎn)量顯著高于CK。綜上所述，隨著秸稈還田量的增加，玉米的籽粒產(chǎn)量和各產(chǎn)量構(gòu)成要素先增加后降低，當(dāng)秸稈還田量為0.75 kg·m-2時(shí)玉米籽粒產(chǎn)量最高，較CK 增產(chǎn)1 872 kg·hm-2，且各產(chǎn)量構(gòu)成要素均高于其他處理。

表2 不同處理下玉米的產(chǎn)量及構(gòu)成要素Table 2 Yield and yield components of maize under different treatments

3 討論

土壤磷素在土壤中向下遷移和淋溶受土壤性質(zhì)、氣候條件、肥料種類和用量等多種因素影響[23]。改良土壤性質(zhì)能夠從源頭上減少磷素流失，是減少農(nóng)田磷素面源污染的重要手段。本文研究了秸稈還田量對土壤磷素向下遷移和淋溶的影響，結(jié)果表明，秸稈還田量對土壤磷素向下遷移有顯著影響，隨著秸稈還田量的增加磷素向下遷移量減少，與劉紅江等[24]研究結(jié)果一致。秸稈還田量對磷素的淋溶有顯著影響，秸稈下層淋溶液中無論是TP還是AP的含量均隨著秸稈還田量的加大而減少，與CK 相比，淋溶液中TP 含量降低12.93%～59.85%，AP 含量降低11.22%～46.28%，與霍晨[10]結(jié)果一致。由此表明，隨著秸稈還田量的增加有效地限制磷素向下移動和淋溶，減少了磷素的面源污染。

秸稈還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、培肥土壤、改善土壤物理性狀及養(yǎng)分含量，從而增加農(nóng)作物產(chǎn)量[25]。本研究表明，隨著秸稈還田量的增加，玉米產(chǎn)量先增加后緩慢降低，當(dāng)秸稈還田量為0.75 kg·m-2時(shí)玉米產(chǎn)量最高，較CK 提高14.61%。這可能是由于過度增加秸稈還田會影響土壤的C∕N，土壤中氮素不足，微生物與作物競爭氮素，作物因?yàn)槿鄙俚囟L不良，產(chǎn)量降低，與張靜等[26]研究結(jié)果一致。秸稈還田還可以有效地提高土壤保墑和保水等性能，這也是東北旱地玉米產(chǎn)量提高的重要因素。