周年秸秆还田量对麦田土壤养分及产量的影响

徐蒋来,胡乃娟,朱利群

(1.南京农业大学农学院,江苏南京 210095; 2.南京农业大学农村发展学院,江苏南京 210095)



周年秸秆还田量对麦田土壤养分及产量的影响

徐蒋来1,胡乃娟1,朱利群2

(1.南京农业大学农学院,江苏南京 210095; 2.南京农业大学农村发展学院,江苏南京 210095)

摘要：为揭示周年秸秆还田量对小麦高产优质栽培的影响机理，在大田条件下，设置稻麦秸秆均不还田(CK)、25%稻麦秸秆均还田、50%稻麦秸秆均还田、75%稻麦秸秆均还田、100%稻麦秸秆均还田、100%麦季稻秸还田、100%稻季麦秸还田等7个秸秆处理，经过三年田间定位试验，分析了周年秸秆还田量对三年麦田土壤养分及小麦产量的影响。结果表明，周年秸秆还田后三年土壤养分和有机质含量均不同程度地提高，且随秸秆还田量的增加呈先增后减的趋势，效果最好的还田量主要集中在50%和75%。其中，第一年以50%秸秆还田量对土壤养分和有机质含量影响最明显；到第三年以75%还田量影响最显著，土壤全氮、有效磷、速效钾和有机质含量分别比CK提高了2.61%、4.05%、18.25%和5.90%。 在前两年，不同秸秆还田处理对小麦均有增产效果，但在第三年，100%稻麦秸秆均还田和100%麦季稻秸还田处理略微减产。6个秸秆还田处理中只有50%稻麦秸秆均还田对小麦的增产效果在三年中均达到显著水平,增产幅度分别为11.23%、14.74%和14.29%。综合来看，50%稻麦秸秆均还田最适宜当地小麦高产栽培。

关键词：秸秆还田；土壤养分；小麦产量

目前，我国每年作物秸秆总量达8亿吨，约占全世界总量的30%。农作物秸秆作为农业生产中最主要的副产品，富含大量的碳、氮、磷、钾等营养元素，既可以培肥地力，又可以为下茬作物高产栽培提供良好的生长环境[1-3]。秸秆还田作为农作物循环利用的一种还田方式，不仅解决了秸秆焚烧的污染问题，而且有利于促进农业可持续发展[4]。近年来，国内外学者对秸秆还田的研究也在逐渐深入。研究表明，秸秆还田不仅能够改善土壤肥力，提高土壤微生物活性，而且能够减少温室气体排放[5-8]。化肥、耕作方式等影响秸秆还田的效果。在秸秆还田的基础上配施氮、磷肥可降低土壤容重，提高土壤含水量，增加土壤有机质和氮、磷、钾养分含量，对春小麦产量和品质也有一定的促进作用[9]。翻耕和旋耕秸秆还田均能提高土壤养分和微生物量碳含量，从而增强土壤的保肥能力[10]。马超等[11]研究发现，添加秸秆腐解剂处理的土壤养分和碳库管理指数增加速率均大于秸秆直接还田，土壤培肥效果明显。此外，秸秆还田效果与还田量密切相关。从不同秸秆还田量对土壤有机碳含量和酶活性的影响来看，中、高量秸秆还田>低量秸秆还田>秸秆不还田[12]。张 静等的研究结果显示，玉米秸秆还田量9 000 kg·hm-2能有效提高土壤肥力，使接茬冬小麦显著增产[13]。强学彩等研究认为，秸秆全量还田既能调节土壤物理环境，促进微生物的代谢活动，又有利于土壤养分的转化[14]。在翻耕和少耕条件下实行全量秸秆还田及免耕条件下实行2/3秸秆还田量，对提高土壤有效磷和速效钾含量效果显著[15]。然而，以上关于秸秆还田量的研究主要集中在长江中上游或者北方干旱半干旱地区，有关秸秆还田量对长江下游稻麦轮作区麦田土壤养分及产量的影响研究鲜有报道。鉴于此，本研究通过3年大田试验，分析了周年秸秆还田量对苏中稻麦轮作区麦田土壤养分及产量的影响，以期探索出兼顾稻麦轮作区土壤肥力和作物产量的适宜秸秆还田量。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2011年6月-2014年6月在扬州市槐泗镇肖胡村试验田进行。该地区种植制度以水稻-小麦一年两熟制为主，试验地土壤质地为砂壤土，耕层(0～21 cm)土壤有机质含量27.7 g·kg-1，全氮含量1.49 g·kg-1，有效磷含量60.85 mg·kg-1，速效钾含量78.52 mg·kg-1，pH值6.65，容重1.41 g·cm-3。

1.2试验设计与田间管理

试验在稻麦轮作制度上，采用单因素随机区组设计，对水稻季和小麦季设置了不同的秸秆还田量，共7个处理，3次重复，小区面积为30 m2。在每季作物种植前，先将上一季作物收割，留茬10 cm，通过收割机粉碎秸秆，秸秆长度5～10 cm。待秸秆晒干后采用常规旋耕还田，深度15 cm左右。稻季麦秸100%全量还田为6 000 kg·hm-2，麦季稻秸100%全量还田为9 000 kg·hm-2。具体还田比例见表1。

试验共进行了六季，本研究为第一、二、三年的麦季。试验中水稻供试品种为淮稻5号，采用旱育秧，在2011年至2013年间，于每年6月中旬采用机插秧移栽，栽插密度为每公顷25.5万穴，每穴3～4苗，当年11月初收获；小麦供试品种为郑麦9023，在2011年至2014年间，于每年11月中旬采用机械条播，播量为150 kg·hm-2，次年6月初收获。其中，水稻季基肥施用量为45%复合肥375 kg·hm-2和尿素150 kg·hm-2，分蘖肥和穗肥为尿素，均施150 kg·hm-2；小麦季基肥施用量为45%复合肥375 kg·hm-2，拔节期追施尿素150 kg·hm-2。其他栽培措施与当地常规管理相同。

1.3样品采集与测定

1.3.1样品采集

小麦收获后，用土钻在各小区内按五点取样法采集0～21 cm的土壤样品。

表1　试验设计

1.3.2测定项目及方法

土壤养分含量的测定参考鲁如坤的方法[16]。土壤全氮含量采用半微量开氏消煮法测定；土壤有效磷含量采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用火焰光度计比色法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。

成熟时按小区单打单收，测定小麦有效穗数、穗粒数和千粒重，并计算实际产量。

1.4数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003软件进行整理，采用SPSS 17.0进行方差和相关性分析。

2结果与分析

2.1周年秸秆还田量对麦田土壤养分的影响

在试验的第一年，在秸秆还田处理中，只有SR2处理的土壤全氮、有效磷、有机质含量均显著高于CK，增幅分别为33.04%、31.65%和6.83%；SR1处理对土壤全氮含量也有显著的增加作用，增幅为18.26%；秸秆还田对土壤速效钾含量影响不显著(表2)。

秸秆还田两年后，秸秆还田处理能不同程度地提高土壤全氮、速效磷、速效钾和有机质的含量，且随着秸秆还田量的增加，其增幅呈先升后降的趋势，总体表现为稻麦季秸秆均还田>仅一季秸秆还田>秸秆不还田(表3)。其中，SR2处理对全氮和速效钾含量的影响最明显，分别比CK提高9.52%和19.43%；而SR3处理对速效磷含量的影响最明显，比CK提高18.56%；SR2处理对土壤有机质含量的影响最明显，比CK提高了15.68%。

由表4可见，秸秆还田三年后，秸秆还田处理的土壤全氮、速效磷、速效钾和有机质含量均有所提高。其中，SR3处理的土壤全氮含量变化显著，而其他处理变化不显著；SR2和SR3处理显著提高了土壤有效磷含量，增幅分别为5.98%和6.31%，而其他处理与对照差异均不显著；除SR5外，其余处理的土壤速效钾含量变化均显著；SR3、SR4和SR5处理显著提高了土壤有机质含量，增幅分别为5.90%、4.67%和9.06%。

2.2周年秸秆还田量对小麦产量及其构成的影响

由表5可知，不同周年秸秆还田处理对第一年小麦产量构成的影响存在差异。其中，SR1和SR2处理显著增加了有效穗数，增幅分别为9.38%和8.54%；秸秆还田对穗粒数没有显著影响；SR1和SR2处理显著提高了千粒重，增幅分别为10.28%和9.76%。由于前两年小麦出现严重的白粉病害，产量均不高。相对于CK，SR1、SR2和SR3处理第一年增产显著，以SR1处理产量最高，比CK提高了11.45%。

表2　周年秸秆还田量对第一年麦田土壤养分含量的影响

同列数据后不同小写字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。下表同

Different small letters after the values in a same columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. The same as in following tables

在第二年，相比CK，秸秆还田处理虽然增加了小麦有效穗数，但都没达到显著水平；秸秆还田处理均使小麦穗粒数显著增加，但不同还田处理间差异不显著；除SR5处理外，秸秆还田也能显著增加千粒重。所有还田处理中，只有SR2处理显著提高了小麦产量，增幅为14.74%(表6)。

第三年，相比CK，SR2处理显著增加了小麦有效穗数，增幅为14.54%，其他处理与CK差异均不显著；SR1和SR2处理显著提高穗粒数，增幅分别为11.44%和7.23%；秸秆还田对千粒重影响不显著。所有还田处理中，只有SR2处理增产显著，产量增幅为14.29%(表7)。

表3　周年秸秆还田量对第二年麦田土壤养分的影响

表4　周年秸秆还田量对第三年麦田土壤养分的影响

表5　周年秸秆还田量对第一年小麦产量及其构成因素的影响

表6　周年秸秆还田量对第二年小麦产量及其构成因素的影响

表7　周年秸秆还田量对第三年小麦产量及其构成因素的影响

3讨 论

农作物秸秆是一种重要的有机肥源，含有作物生长所必需的氮、磷、钾、纤维素等营养元素[17]。秸秆经过腐解会增加土壤养分和有机质含量，从而提高土壤肥力，供作物生长所需[18-19]。劳秀荣等[20]研究认为，秸秆还田能不同程度地增加土壤有机质积累量和速效氮磷钾含量。徐萌等[21]通过秸秆粉碎和剪碎处理发现，不同秸秆还田量均能提高玉米成熟期土壤速效氮磷钾含量。武际等[22]研究结果显示，秸秆还田后麦田土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效磷含量在整个试验期间均呈增加趋势。本研究结果表明，周年秸秆还田对土壤养分和有机质含量均有不同程度提升。说明在本试验范围内，秸秆还田对麦田土壤养分和有机质均有一定的改善效果。

秸秆归还农田为土壤微生物提供丰富的碳等物质和能量来源，对土壤微生物数量和活性具有一定的促进作用[23-24]。而土壤微生物活跃可促进土壤养分转化，有利于土壤养分的循环与释放[25]。本研究结果表明，土壤养分和有机质含量随秸秆还田量的增加呈先增后减的趋势，且对土壤养分和有机质含量改善效果最好的主要集中在50%和75%还田量，并非以秸秆还田量越多效果越好。究其原因，主要是因为秸秆还田量过少，对土壤养分贡献较小，而秸秆还田量过多易导致土壤高温缺氧，使土壤与大气环境物质交换不通畅，从而降低土壤微生物活性，不利于土壤养分的循环与释放。此外，秸秆还田量会影响土壤整个剖面的水分、养分、热量、微生物及根系生长的状况，从而影响土壤有机碳的平衡。而作物秸秆中C/N比一般较高，全量秸秆还田在秸秆分解初期使微生物自身繁殖生长表现为缺氮，促使其从土壤中吸收矿质氮素，造成微生物和植株竞争氮素养分，影响土壤微生物的数量和活性，进而减缓秸秆的腐解效率。而本试验中可能是中量秸秆还田在调控土壤微生物和作物根系代谢产物中具有合适的C/N比，不仅能提升土壤有机碳含量，而且能营造对作物有利的生长环境[26]。卜毓坚等[27]研究认为，免耕67%秸秆还田量在晚稻齐穗期、乳熟期、黄熟期对土壤有效磷和速效钾含量的提高程度最显著。张彬等[28]研究认为，2/3 (5 000 kg·hm-2)玉米秸秆还田量对免耕黑土碱解氮、速效磷和速效钾含量提高效果最显著。路文涛等[12]经过3年秸秆还田试验发现，土壤总有机碳含量随着还田量由高到低，分别比对照提高了6.96%、22.97%和12.41%。此类研究结果与之相类似。本研究中，土壤全氮、速效磷和有机质的含量在第一年以50%还田量最高，到第三年以75%还田量最高。说明随着秸秆还田时间的延长，75%周年秸秆还田量对提高土壤肥力的效果越来越显著。然而，陈冬林等[15]研究认为，翻耕和少耕条件下实行全量秸秆还田对土壤有效磷和速效钾效果最显著，而免耕条件下宜实行2/3秸秆还田。钟杭等[29]研究发现，稻麦秸秆连续2年还田后，全量与半量还田的土壤有机碳含量较秸秆不还田分别提高了7.09%和5.87%。这与本研究结果存在差异，可能是由不同的土壤质地、气候条件、种植制度、具体的还田量等因素造成的。

秸秆还田作为农业生产过程中的一个重要环节，其对农田生态系统中的物质能量流通及投入产出结构等有着重要影响[30]。研究表明，秸秆还田对小麦产量有一定的增产效果[31-33]。也有少数研究认为，秸秆还田对小麦产量影响并不显著甚至减产[34-36]。本研究发现，在第一、二年，不同秸秆还田量对小麦均有增产效果，但在第三年，100%稻麦秸秆均还田和100%麦季稻秸还田对小麦有略微减产作用。 董志强等[37]研究发现，小麦的株高、鲜重、叶片叶绿素含量随秸秆添加量的增加呈先增后减的趋势。王宁等[38]研究认为，半量秸秆还田处理对玉米有显著增产效果。本研究结果表明，三年小麦与对照相比均以50%还田量增产显著，说明并非秸秆还田量越多，对小麦增产效果越显著，这与张静等[13]、刘义国等[39]研究秸秆还田量对小麦产量的影响研究结果相类似。可能是因为秸秆还田量过多，降低土壤微生物活性，减缓秸秆腐解速率，不利于土壤养分的循环与释放，且易引发病虫害，加重根部病害，降低小麦出苗率，反而不利于营造适宜当地小麦生长的环境[40-42]。综上所述，50%周年秸秆还田量对小麦有显著增产效果，对土壤肥力也有一定的促进作用，适宜当地小麦生长。但是，秸秆还田量对麦田土壤性质和产量的影响是一个长期的过程，其响应机制有待进一步全面研究。

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Effect of Amount of Annual Straw Returning on Soil Nutrients and Yield in Winter Wheat Field

XU Jianglai1,HU Naijuan1，ZHU Liqun2

(1.College of Agriculture,Nanjing Agricultural University,Nanjing,Jiangsu 210095,China；2.College of Rural Development,Nanjing Agricultural University,Nanjing,Jiangsu 210095,China)

Abstract:To explore the influence of amount of annual straw returning on high yields and quality cultivation of wheat,a three-year field experiment was conducted to determine the effects of different amounts of annual straw returning on soil nutrients and crop yields in winter wheat field. Seven treatments were applied with the gradient amount of 25%,50%,75% and 100% rice and wheat straw returning,100% amount of rice straw returning,and 100% amount of wheat straw returning,with no-straw returning as control. The results indicated that annual straw returning increased soil nutrient and soil organic matter content,which were first increased and then decreased with the increasing amount of straw returning and significantly elevated with the treatment of 50% and 75%. Fifty percent of straw returning was the best on soil nutrient and soil organic matter content in the first year,however,it changed to 75% in the third year,and increased by 2.61%,4.05%,18.25% and 5.90%,respectively,compared to control. In the first and second years,the wheat yields were increased by all the straw returning treatments. Nevertheless,the treatments of 100% both rice and wheat straw returning and 100% rice returning slightly decreased wheat yields. In addition,the treatment of 50% significantly increased wheat yields in the first,second and third years,by 11.23%,14.74% and 14.29%,respectively. It is concluded that the treatment of 50% of straw returning is optimal in high yields and quality cultivation of local wheat. More systematic study on the suitable amount of straw returning is needed due to the long-term effects on soil fertility and crop yields.

Key words:Straw returning; Soil nutrient; Wheat yield

中图分类号：S512.1；S318

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)02-0215-08

通讯作者：朱利群(E-mail:zhulq@njau.edu.cn)

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAD14B12)；南京农业大学中央高校基本科研业务费项目(SKCX2014001)

收稿日期：2015-09-06修回日期：2015-09-30

网络出版时间：2016-01-26

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160126.1945.024.html

第一作者E-mail：jianglai532@163.com