施肥和秸秆还田对土壤肥力质量及春小麦品质的影响

张亚丽，吕家珑，金继运，李书田，陈占全，高旭升

(1西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100;2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;3青海省农林科学院土壤肥料研究所，青海西宁810016)

青海省东部河湟灌区是全省主要的粮食产区，该区水肥条件相对较好，农田土壤生产力有很大的提升空间。但受“缺氮、少磷、钾丰富”的传统认识的影响，该区农业生产长期以来偏向于施用氮肥和磷肥，盲目施肥不仅导致了肥料的浪费以及农田土壤养分供应不平衡，长此以往还将造成土壤钾素的亏缺从而限制作物产量和品质的提高，而且更严重的是土壤肥力持续性受到破坏，土壤质量下降。加之近年来高产、超高产的农业生产需求压力对农田土壤地力的耗竭加剧，造成农田生态系统日益脆弱，出现了稍不施肥或施肥不当就会减产，以及农业生产受自然灾害的影响愈来愈严重、频繁的现象。为此有必要对已经连续开展19年的春小麦肥力定位试验进行深入研究，充分挖掘其蕴藏的信息，阐释施肥等外界条件对土壤质量的影响及其规律［1-2］，从而为粮食安全生产提供依据。国内外对长期肥力定位试验的研究报道很多，之前的研究多集中在土壤肥力本身［3-5］，而土壤质量、化肥与粮食安全、长期定位试验的生态环境效益的研究目前已为众多学者关注［6-8］，这些研究及其成果为本文的研究提供了思路和宝贵经验，鉴于青藏高原长期肥力定位试验的研究报道甚少，因此本文对连续开展第19年的春小麦施肥和秸秆还田定位试验进行研究，探讨土壤肥力质量变化及对春小麦品质的影响，试图为该区农业生产中科学施肥，提升土壤肥力和质量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该定位试验于1992年设立，位于西宁市北郊二十里铺农科院试验园(E 101°49＇17″，N 36°34＇03″)，海拔高度2360 m。气候类型属典型半干旱大陆性气候，年降水量 368.2 mm，年均气温 5.7℃，日照时数为2762 h，＞10℃积温为 2037.3℃，＞0℃积温为2749.5℃，无霜期130 d。土壤类型为栗钙土，属第四纪黄土母质，质地为中壤。耕作制度为一年一熟制，小麦收获后人工翻耕冬灌休闲，至翌年春季再行播种。试验初始土壤理化性状为pH 7.6，阳离子交换量 13.8 cmol/kg，有机质含量 18.3 g/kg，全氮1.27 g/kg，铵态氮 33.8 mg/kg，硝态氮 42.6 mg/kg，速效磷 90.4 mg/kg，速效钾 177.3 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设6个处理(表2):NP、NP+50%ST(秸秆还田)、NP+100%ST、NPK、NPK+50%ST、NPK+100%ST，每个处理 4次重复，小区面积25m2，完全随机区组排列。磷肥、钾肥和70%氮肥在播前作为基肥施入，30%氮肥于拔节期追施;秸秆还田处理分50%ST(半还)和100%ST(全还)，半还、全还是指小麦按小区脱粒后一半或全部秸秆经粉碎约10 cm长度均匀撒施该小区，然后人工翻埋。供试春小麦品种2006年以前为“青春323”，由于同一品种长期种植产生退化现象，2007年更换为“青春40”新品种。

表1 春小麦长期定位试验各处理化肥施用量Table 1 Fertilization plan of the long-term experiment

1.3 分析及测定方法

1.3.1 土壤物理性质的测定 2010年8月初小麦收获后用环刀法测定各小区0—20 cm耕层土壤容重和含水量;用改进的约得尔法(Yoder)—人工筛法测定土壤团聚体;用平均重量直径(MWD)评价团聚体的稳定性，其计算方法参见文献［9］。

1.3.2 土壤化学性质 2010年8月采集土壤样品，风干，过筛后备用。土壤有机质分组(轻组LFOC、重组 HFOC)用密度浮选法测定［10-11］:即称取 10.0 g过2 mm筛的风干土，放入150 mL离心试管中，加入密度为 1.7 g/cm3的 NaI重液 50 mL，在 100 r/min的振荡机上振荡10 min后在4000 r/min下离心15 min，将上清液倒入附0.45 um滤膜的砂芯漏斗上抽滤，并用0.01 mol/L CaCl2溶液100 mL洗涤，再用200 mL蒸馏水洗涤，滤纸上的物质即为轻组部分。以上步骤重复操作3次，所得样品离心管中剩余部分为重组部分，重组和轻组部分分别在60℃ 下烘干至恒重后称重。耕层土壤有机质、全氮、全磷和全钾以及速效氮、磷、钾含量均用常规方法进行测定。

1.3.3 植株养分及小麦品质的测定 小麦秸秆、子粒中的氮、磷、钾含量以及小麦面粉粗蛋白、湿面筋、淀粉含量均采用常规分析方法测定。

试验结果用Excel、SPSS等软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期施肥和秸秆还田对土壤物理性质的影响

2.1.1 对土壤团聚体及其稳定性的影响 土壤团聚体及其稳定性影响土壤物理、生物、化学等过程，作为土壤的物理特性之一也是评价土壤质量的重要指标［12］。团粒结构是土壤中最好的结构体，其数量与土壤肥力状况呈正相关［13-14］。本试验中不同处理耕层土壤大于0.25 mm团聚体数量(R0.25)的测定结果(表 2)表明，干筛法 R0.25均在 81.12% ～84.08%之间，平均重量直径(MWD)值在 1.77～1.84之间，远大于湿筛法，但干筛法各处理之间差异不显著。由干筛法R0.25的最低值81.12%远大于湿筛法R0.25的最高值13.92%可以看出，该土壤的团聚体大部分为非水稳性团聚体，水稳性团聚体的数量较少。

由于用湿筛法测得的水稳性团聚体数量更能反映土壤结构的稳定性，因而比非稳性团聚体更为重要。由表2还可看出，水稳性团聚体不同处理间差异显著，其中 NPK+100%ST处理的 R0.25和 MWD比NPK处理分别增加了1.08倍和0.5倍，NPK+50%ST处理也明显高于NPK处理;NP+100%ST、NP+50%ST处理比 NP处理 R0.25分别提高了48.1%、33.4%，MWD 也分别提高了20%、60%;而NPK+100%ST处理比 NP+100%ST处理 R0.25和MWD分别提高37.2%、50%，NPK+50%ST也比 NP+50%ST 处理 R0.25提高 63.6%，但 MWD 值略低;NPK处理R0.25低于NP处理，但MWD高于NP处理20%。由此说明，单施化肥对提高团粒结构的比例和增加团聚体稳定性作用不大;化肥与秸秆还田配合能够显著增加土壤团粒结构的比例和土壤团聚体稳定性，且增施无机钾肥与秸秆还田配合增加的幅度更大。秸秆还田能够增加土壤团粒结构及其稳定性的原因是其增加了土壤有机质，姜灿烂［15］等人结合国外相关研究指出，有机质不是大团聚体稳定性高低的直接原因，大团聚体的稳定性也许更依赖于其主要颗粒组成和有机质的化学特性及与不同矿物颗粒的排列情况。本试验结果中氮磷钾化肥与秸秆还田配合施用可能改变土壤有机质的化学性质使得大团聚体数量增多。

表2 长期施肥和秸秆还田下土壤＞0.25 mm团聚体数量及平均重量直径(MWD)Table 2 Effects of the fertilizations and straw return on soil aggregates quantity and mean weight-diameter(MWD)

2.1.2 对土壤容重和水分含量的影响 土壤容重可以概括地反映土壤质地、结构状况以及腐殖质含量的高低，是土壤肥力的一个重要物理指标，而土壤含水量则决定了土壤的宜耕性，并与作物的正常生长发育紧密相关。2010年试验收获后耕层土壤容重、含水量不同处理间存在显著差异(表3)。各处理土壤容重在1.31 ～1.41 g/cm3之间，其中 NP+100%ST处理容重最低，为1.31 g/cm3，比对照下降了7.1%;秸秆还田处理均较无还田处理土壤容重降低，全部还田降低幅度大于一半还田处理;增施钾肥(NPK处理)后土壤容重也较对照降低，但增施钾肥并秸秆还田处理土壤容重降低的幅度小于未增施钾肥并秸秆还田的处理。秸秆还田和增施钾肥提高了土壤含水量。秸秆还田处理较无还田处理土壤含水量提高了4.7% ～13.5%;除NPK+100%ST处理比NP+100%ST处理略有降低外，施钾处理比未施钾处理提高了2.1% ～5.2%。该结果充分证明秸秆还田直接补充了土壤有机质，而适量增施无机钾肥，促使土壤养分平衡从而增加了作物根系生物量，间接增加土壤有机质含量，使得二者对改善土壤结构、增强蓄肥蓄水能力有明显作用。

表3 不同处理土壤容重、含水量变化Table 3 Effects of the fertilizations and straw return on soil bulk density and water content

2.2 长期施肥和秸秆还田对土壤肥力及养分生物有效性的影响

2.2.1 对土壤轻组有机质含量的影响 土壤有机质是土壤质量和健康的重要指标［16］。根据密度的大小可将土壤有机质分为轻组(LF)和重组(HF)，由于轻组有机质主要由可识别的不同分解阶段的动、植物残体、微生物的残骸以及一些吸附在碎屑上的矿质颗粒组成，虽然只占土壤质量的很小部分，但碳、氮含量高，具有很强的生物学活性，代表着易变土壤有机质的主要部分，在碳和氮循环中具有显著的作用，被认为是土壤生物调节过程的重要基质和土壤肥力的指标，是土壤质量的一个重要属性。且有研究表明施肥通常有利于轻组的积累［17］，而秸秆还田作为一种补充土壤有机质的方式，很可能对土壤轻组有机质产生影响。

试验结果(图1)表明，在施化肥基础上秸秆还田各处理均比各自无还田处理轻组有机质含量显著提高，轻组有机质含量随着秸秆还田量的增加而增加。其中NP+100%ST处理轻组有机质含量最高，达到了0.73%，比 NP处理提高了46.7%，NPK+100%ST处理比NPK处理提高了48.6%，表明秸秆还田对于提高土壤轻组有机质有很大贡献。钾素有促进土壤有机质分解，改变土壤结构的作用［18］，作为土壤有机质中易变组分的轻组有机质，更容易受施矿质钾肥而加速分解导致含量降低，因此，施钾处理轻组有机质含量低于未施钾处理。该结果为一年的测定结果，应继续进行多年测定，加以验证。

图1 长期施肥和秸秆还田对土壤轻组有机质含量的影响(2010年)Fig.1 Effects of different fertilizations and straw return on light fraction of soil organic matter(LFOC)in 2010

2.2.2 对土壤养分的影响 与试验初始相比，经过19年长期施肥和秸秆还田后，土壤养分含量除速效磷下降外，其他养分含量均有不同程度的增加。2010年试验收获后土壤各养分含量不同处理间达到显著差异水平(图2)。NP、NPK处理有机质含量较低，秸秆还田和增施钾肥并秸秆还田处理均较高，比NP处理提高了9.3% ～18.7%，在氮磷(NP)基础上增施钾肥，土壤有机质增加了0.8%，说明在施化肥基础上进行秸秆还田对土壤有机质的提升有重要意义，增施钾肥也有助于提高土壤有机质含量，但提高的效果没有秸秆还田明显。速效氮、磷含量均表现出秸秆还田处理高于未还田处理，且基本上都随着秸秆还田量的增加而增加。不同之处在于，速效氮含量在增施钾肥处理中高于未施钾处理，而速效磷含量在增施钾肥处理中反而低于未施钾对照。全氮、全磷变化较小，但不同处理间仍有差异，表现出与速效氮、磷较为相似的规律。全钾和速效钾含量随着秸秆还田量和施钾的增加而逐渐增加，但全钾含量的增幅较小，而速效钾的增幅明显较大，二者均在NPK+100%ST处理达到最高含量，比对照分别增加了5.95%和260.6%。以上结果表明，在氮、磷肥的基础上进行秸秆还田能够明显增加土壤有机质、速效氮、磷、钾及全量氮、磷、钾的含量;氮磷钾与秸秆还田配合施用能提高土壤氮、钾养分含量，对土壤速效钾含量的提高尤为显著;秸秆还田与氮磷钾肥配合较之与氮磷肥配合，对土壤养分提高的幅度不大，某些养分甚至有所降低。秸秆还田能够提高土壤养分的原因主要是经腐解的秸秆为土壤提供了丰富的碳、氮、磷、钾等营养［19］，增加有机质促进了土壤微生物和酶的活动，使氮、磷、钾等养分释放，有效性增强;该试验结果中土壤钾素含量随施钾和秸秆还田量的增加而明显增加与相关研究结果［20-21］一致。

图2 长期施肥和秸秆还田对土壤养分的影响(2010年)Fig.2 Effects of the long-term fertilizations and straw return on soil nutrient content in 2010

2.2.3 对春小麦产量及养分吸收的影响 从产量和经济效益分析(表4)可以看出，NPK处理增产效果优于其他处理;NP+50%ST处理与NPK处理产量差异不大，但产投比较高，NP+100%ST处理与NPK+50%ST处理产量处于相同差异水平，但前者产投比高，该结果说明在施氮、磷化肥的基础上，增施无机钾肥和或秸秆还田均能增加小麦产量。该定位试验往年的产量结果也表现出这种规律［22］。相比较而言，在增施无机钾肥时半量秸秆还田多年累计产量高于全量秸秆还田，未施无机钾肥时半量秸秆还田的增产作用等同于增施无机钾肥，且具较高的经济效益，因此提出本试验条件下半量秸秆还田能够替代无机钾肥的推想。由于秸秆中钾含量较高，长期直接秸秆还田使作物携走的钾归还到土壤中，等于向土壤补充了钾，在当地土壤条件下，似乎秸秆还田与氮、磷配合正好达到了土壤的养分平衡，积累了一定的有机质，改善了土壤物理、化学性质而使产量增加。Blake等［23］的研究也指出，土壤缺氮、磷、镁会降低矿质钾肥的生物有效性，增加耕层钾素淋溶损失。当矿质钾肥与有机农肥结合施用时，其有效性因有机农肥中含有更适宜作物生长的钾素而下降。因此，本试验结果中全量秸秆还田并增施钾肥使产量有所下降，原因与此有关。

表4 2010年春小麦定位试验产量及经济效益分析Table 4 Effects of different fertilizations and straw return on spring wheat yield and economic benefit

从各处理茎秆、子粒的氮、磷、钾养分吸收量可以看出(图3)，春小麦对养分的吸收量为钾＞氮＞ 磷，其中对氮的吸收量为 N 153.6 ～ 182.6 kg/hm2，对 P2O5的吸收量为 51.1 ～58.3kg/hm2，对K2O的吸收量为179.7～241.9 kg/hm2。各处理小麦对氮、磷的吸收呈现出一致的规律性。在不施钾的情况下，秸秆还田处理的养分吸收量大于无秸秆还田处理，但在施钾条件下，秸秆还田处理的养分吸收量低于NPK处理;在无秸秆还田时，施钾处理的养分吸收量大于不施钾处理，但在秸秆还田时，施钾处理的养分吸收量低于不施钾处理。小麦对钾的表现出施钾处理均高于不施钾处理，秸秆还田处理中除NPK+100%ST外均高于无还田处理。对三种养分的吸收，无论施钾与否，秸秆半量还田大于全量还田，这与春小麦产量的结果有较为相似的规律。从养分吸收量来看，NPK、NPK+50%ST、NP+50%ST处理养分吸收量较高，也是这几个处理产量较高的主要原因。

2.3 长期施肥和秸秆还田对春小麦品质的影响

从表5可以看出，各处理湿面筋、淀粉含量分别达到26%、60%以上，达到中筋小麦品质要求，并且处理间没有明显差异。各处理粗蛋白含量均达到13%以上，并且处理间有一定差异，NP+100%ST处理蛋白质含量最高，达到14.48%，比对照增加5.2%，差异显著，NPK+50%ST、NP+50%ST 处理粗蛋白含量次之，NPK+100%ST处理较低，但之间差异不明显。虽然各品质指标达到中筋小麦标准与春小麦品种有很大关系，但不同施肥处理间粗蛋白含量仍存在一些差异说明适量施肥和秸秆还田对春小麦品质没有不良影响，且在一定程度上能够维持和提高品质。较早的研究报道显示，能使玉米、小麦蛋白质品质提高的施肥方法为:有机无机肥料配合施用＞单施氮素化肥＞单施有机肥［24］，本试验结果与该研究结论相似。

图3 不同处理小麦养分吸收量Fig.3 Effects of the different fertilizations and straw return on nutrient uptakes of spring wheat

表5 施肥和秸秆还田对春小麦品质的影响(%)Table 5 Effects of the different fertilizations and straw return on seed quality of spring wheat

3 结论

1)在施氮、磷的基础上增施一定量的钾肥和或秸秆还田，特别是秸秆还田，能够增加土壤团粒结构，提高土壤团粒结构的稳定性，增加土壤轻组有机质在土壤中的比例，同时能够降低土壤容重，提高土壤含水量，对土壤物理性状的改善明显。

2)施肥和秸秆还田对土壤有机质、速效和全量氮、磷、钾养分含量的影响不同。在施氮、磷肥的基础上进行秸秆还田和或增施无机钾肥，能够增加除磷素以外的大部分土壤养分含量，对土壤速效钾含量的提高尤其显著;秸秆还田与NP配合较之与NPK肥配合，对土壤养分含量提高的幅度更大;但在氮、磷肥基础上长期增施钾肥并秸秆还田对于增加土壤钾库贮量意义重大。

3)在施氮、磷的基础上增施无机钾肥春小麦增产效果最为明显，在氮、磷肥基础上秸秆还田也具有较为明显的增产效果，增产幅度大于与NPK配合，半量秸秆还田增产效果优于全量秸秆还田。考虑钾肥成本、投产比以及资源环境效益，提出在施氮、磷肥的基础上半量秸秆还田可以替代无机钾肥。

4)长期施肥和秸秆还田对春小麦品质没有负面影响，合理增施钾肥和秸秆还田能够维持和提高春小麦品质。

综上，秸秆还田和增施无机钾肥对于土壤肥力、作物产量等的影响因气候、土壤母质、种植管理制度等因素而不同。在青海省(富钾区)增施一定量无机钾肥或秸秆还田能够改善土壤质量，对春小麦产量和品质的稳定和提高也有较为明显的作用，因此在施氮、磷肥的基础上增施无机钾肥或半量秸秆还田在当地农业生产实际中可以推广应用，建议全量秸秆还田增加秸秆腐熟剂等措施，可能会收到更好的效果。随着该长期定位试验的继续推进，或许会有新的发现和认识，并对以上结论进行修正。

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