不同秸秆还田模式的土壤质量综合评价

李有兵，李　硕，李秀双，姜振辉，师江澜，田霄鸿

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)



不同秸秆还田模式的土壤质量综合评价

李有兵，李硕，李秀双，姜振辉，师江澜，田霄鸿

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室， 陕西 杨凌 712100)

【目的】 对不同秸秆还田模式下的土壤质量进行综合评价，筛选相对较优的秸秆还田模式，为关中平原小麦-玉米一年二熟轮作体系下大规模实行机械化秸秆还田提供理论依据。【方法】 采用田间定位试验，在陕西关中冬小麦-夏玉米一年二熟耕作制度下，小麦秸秆设高留茬还田(WH)、粉碎还田(WC)和不还田(WN)3种还田方式，玉米秸秆设深松还田(MM)、旋耕还田(MC)和不还田(MN)3种还田方式，通过完全随机区组设计得到9种秸秆还田模式，分别为WH-MM、WH-MC、WH-MN、WC-MM、WC-MC、WC-MN、WN-MM、WN-MC、WN-MN，测定不同秸秆还田模式下的土壤理化性质，根据主成分分析法定量评价不同秸秆还田模式对土壤质量的影响。【结果】 秸秆还田对土壤速效养分和有机碳活性组分的影响较大，尤其是速效氮，其变异系数最高，达32.38%，是反映土壤质量变化最为敏感的指标。秸秆还田后其自身所含有机碳矿化以CO2形式释放于大气，进入土壤较少，因此土壤总有机碳含量的变异系数较小，为5.31%。通过主成分分析法建立了土壤质量综合评价模型，经计算可知，小麦秸秆高留茬还田-玉米秸秆旋耕还田(WH-MC)模式的土壤质量综合得分最高，达0.751 0，其小麦籽粒和秸秆产量较高，土壤质量相对较优。【结论】 综合土壤质量和作物产量，WH-MC是关中地区相对较优的秸秆还田模式组合。

秸秆还田；土壤质量评价；主成分分析；小麦-玉米轮作

土壤作为植物生长的媒介、水分的过滤器和废物分解的生物介质，是人类赖以生存和发展的重要物质基础。土壤与水、气和植物互作，调节控制水、气质量和植物生长的生态过程，并维持地球的生态系统平衡[1-2]。我国土壤资源严重不足，人均耕地面积不足世界水平的1/3，近几十年来，随着农业生产中有机肥施用量的锐减，加之高产、超高产的农业需求压力对农田地力的过度消耗，造成农田生态系统日益脆弱，土壤质量退化及农田生产力水平下降等生态环境问题加剧，严重影响着我国农业的可持续发展和粮食安全[3-6]。大量试验表明，秸秆还田对土壤有机质有一定的提升作用，还能补充土壤氮、磷、钾等养分含量，改善土壤理化性状和农田生态环境，是目前农业生产中替代传统有机肥、维持和提高土壤质量的有效措施[7-9]。

土壤质量主要依据土壤功能进行定义，根据国际土壤学会对土壤功能的阐述，被定义为土壤在生态系统范围内维持生物的生产力、保护环境质量以及促进动植物健康的能力[10]。土壤质量是土壤物理、化学和生物学性质以及形成这些性质的一些重要过程的综合体[11]，其优劣直接影响作物的生长发育以及人类的生产、生活和发展，土壤质量良好的标准是能够维持较高的农田生产力，并且未引起环境质量的明显退化，通过土壤质量评价，可以了解耕地的生产潜力、健康状况及预测耕地的现实生产力[12-13]。土壤质量评价是一项系统性很强的工作，国内外已在土壤质量评价指标体系和评价方法方面开展了大量的研究工作，但迄今为止尚没有统一的土壤质量评价方法。常见的评价方法可以概括为定性和定量评价，定性评价往往受到较多主观因素干扰，应用不是很广泛；定量评价方法较为客观，适合于各种尺度，但争议也较大，因为不同评价者的目的不一样，侧重的土壤功能也不一样，决定了评价指标的差异，目前研究者多采用主成分分析法对评价指标进行进一步筛选[14]。关于主成分分析法在土壤质量评价中的应用，以往研究者主要针对不同土地利用形式、耕作模式、种植制度、施肥方式[15-16]以及化肥与秸秆配施对土壤质量的影响来评价秸秆还田的作用[17]，也有研究者对关中平原不同秸秆还田模式下的土壤质量进行评价，但多集中于各指标的分开比较，通过土壤的某些性状间接反映土壤质量，并未建立一个综合的评价体系[18-19]。土壤质量评价首先要明确目的，再根据指标的相应功能来选取合适的评价指标[20-21]。秸秆还田直接影响土壤有机碳、氮磷钾等土壤养分指标，以及土壤体积质量、孔隙度等物理性状[22]，因此本研究采用田间定位试验，选取土壤有机碳、氮磷钾等土壤化学指标以及土壤体积质量、孔隙度等土壤物理指标，在田块尺度上采用主成分分析法，建立不同秸秆还田模式的土壤质量综合评价体系，探究不同秸秆还田模式对土壤质量及农田生产力的影响，进而筛选适合关中平原实际情况的秸秆还田模式组合。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验在西北农林科技大学三原试验站秸秆还田定位试验基地(108°52′E，34°36′N，海拔427.4 m)进行。土壤类型为褐土类土娄土亚类红油土属，系统分类名为土垫旱耕人为土(Eum-Orthic Anthrosol)，质地为壤土。该试验区属典型暖温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温12.9 ℃，日照时数2 096 h，年均降水量527 mm，其中60%～70%的降雨集中在7-9月，无霜期220 d左右。试验开始时耕层(0～20 cm)土壤基本理化性质分别为：有机碳10.57 g/kg，全氮0.68 g/kg，速效氮26.79 mg/kg，全磷0.61 g/kg，速效磷52.6 mg/kg，速效钾122.8 mg/kg。

1.2试验设计

试验始于2008-06，轮作制度为冬小麦-夏玉米一年二熟制，玉米于每年6月初播种，10月初收获；小麦于每年10月初播种，次年6月初收获。小麦秸秆设置3种还田方式，即高留茬还田(WH)、粉碎还田(WC)和不还田(WN)；玉米秸秆亦设置3种还田方式，即深松还田(MM)、旋耕还田(MC)和不还田(MN)，田间具体操作措施见表1。因此，在一个轮作期内小麦玉米秸秆共有9种还田方式组合，分别为WH-MM、WH-MC、WH-MN、WC-MM、WC-MC、WC-MN、WN-MM、WN-MC、WN-MN。小区面积约830 m2，每种组合重复4次。

表 1　不同秸秆还田模式的具体操作措施Table 1　Design of experimental treatments under different straw returning modes

玉米播种时，为了促进秸秆腐解，配施尿素(N 67.5 kg/hm2)和磷酸二铵(P2O567.5 kg/hm2)作为基肥，在喇叭口期追施尿素1次(N 120 kg/hm2)；小麦播种时，以尿素(N 150 kg/hm)和磷酸二铵(P2O5110 kg/hm2)作为基肥，在整个生长季内不再追肥。在玉米出苗期、拔节期、抽雄期，以及小麦出苗期、分蘖期、拔节期各灌水1次，每次灌水量约50 mm，采用畦灌方式。各处理播种量、施肥量及施肥时间、灌水、病虫害防治等田间管理措施均保持一致，作物播种、收获和秸秆还田过程均按照试验设计采用大型机械操作。

1.3样品采集与分析测定

1.3.1样品采集2014-06小麦收获后，各处理随机选取8个点(2 m×1 m)采集小麦地上部分，用于测定小麦籽粒与秸秆产量。

采集土壤表层0～20 cm土样。用土钻在每个小区内按“S”形随机采集12个有代表性的土样，混合后作为该小区样品，装入灭菌自封袋后带回实验室，剔除植物残体和其他杂物，分出一部分鲜样备用，其余置于阴凉通风处摊晾风干，磨细，过孔径1和0.15 mm筛备用。

1.3.2分析测定方法土壤体积质量和总孔隙度通过环刀法测定，pH值测定时土水质量体积比为 1∶2.5，采用PB-10酸度计测定，其余指标均采用常规方法测定，其中土壤总有机碳用重铬酸钾-外加热法测定，全氮用半微量凯氏法测定，全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，全钾用NaOH熔融-火焰光度法测定，速效氮用KCl浸提-流动分析仪测定，速效磷用Olsen法测定，速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定，活性有机碳用高锰酸钾氧化法测定，微生物量碳用氯仿熏蒸提取法测定[23]。

1.4数据处理

数据采用Excel 2007进行整理，用DPS 7.05统计软件进行方差分析和多重比较，SPSS 19.0软件进行主成分分析。

2　结果与分析

2.1不同秸秆还田模式下土壤质量指标的敏感性

由土壤质量指标敏感性分析结果(表2)可知，土壤速效氮含量的变异系数最大，达到32.38%，表明不同秸秆还田模式对土壤速效氮含量的影响最大，土壤速效氮也是反映土壤质量变化最为敏感的指标。土壤速效磷、钾的变异系数也较大，表明不同秸秆还田模式主要对土壤速效养分产生影响，而速效养分又是作物吸收养分的直接来源，因此不同秸秆还田模式对作物生长发育有一定影响。对于土壤有机碳指标，土壤微生物量碳和活性有机碳含量的变异系数均较大，尤其是活性有机碳，其变异系数达到11.52%，在本研究中是反映秸秆还田最为敏感的碳指标。土壤全钾和pH值的变异系数均较小，其中pH值的变异系数仅为0.42%，表明秸秆还田对土壤酸碱度的影响很小。

表 2　不同秸秆还田模式下土壤质量指标的敏感性分析Table 2　Sensitivity analysis on soil quality indicators of different straw returning modes

2.2不同秸秆还田模式下土壤质量的综合评价

2.2.1评价模型的建立各土壤属性指标间存在一定的相关关系，直接利用上述指标对土壤质量进行综合评价会存在一定的信息重叠，因此采用主成分分析法[24]，根据累积方差贡献率大于80%的原则，共提取了3个主成分，其特征值分别为5.364，2.851和1.508，各主成分的方差贡献率分别为 44.702%，23.760%和12.563%，3个主成分累积方差贡献率高达81.025%(表3)。

由表4可知，第1主成分(F1)与大多数原始变量之间的关系都较为密切，尤其是在土壤碳、氮及体积质量等指标上的载荷系数较大，可以认为是土壤碳、氮及体积质量影响因子。第2主成分(F2)是次重要的影响因子，该主成分在土壤速效磷和全磷的载荷较大，因此可定为土壤磷素影响因子。第3主成分(F3)是再次重要的影响因子，该主成分在土壤微生物量碳指标上载荷最大，因此可定为土壤微生物影响因子。

表 3　不同秸秆还田模式下土壤质量综合评价主成分提取结果Table 3　Principal component extraction for soil quality comprehensive evaluation under different straw returning modes

表 4　不同秸秆还田模式下土壤质量综合评价主成分因子载荷矩阵和公因子方差Table 4　Component matrix and communalities of soil quality comprehensive evaluation under different straw returning modes

根据主成分得分系数矩阵，可以得到各主成分与不同土壤质量指标间的表达式分别为：

F1=0.168X1+0.163X2+0.058X3-0.069X4+0.143X5+0.086X6+0.115X7-0.060X8+0.119X9-0.183X10+0.165X11+0.062X12，

F2=-0.057X1-0.093X2+0.289X3+0.106X4+0.181X5+0.279X6-0.055X7+0.101X8-0.223X9+0.014X10-0.054X11+0.258X12，

F3=0.023X1+0.044X2-0.094X3+0.158X4-0.191X5-0.045X6+0.500X7+0.562X8-0.089X9-0.018X10+0.093X11+0.074X12。

2.2.2计算主成分得分及综合得分根据以上各主成分的得分表达式，将各土壤评价指标标准化后代入，可以得出9种秸秆还田模式下土壤分别在3个主成分上的得分Fj，以各主成分的方差贡献率为权重，根据评价函数：F=0.447 02F1+0.237 60F2+0.125 63F3，计算出各处理土壤质量评价的综合得分F值并排序，结果(表5)表明，各处理土壤质量综合得分排序为：WH-MC>WH-MM>WH-MN>WC-MN>WN-MM>WC-MM>WC-MC>WN-MC>WN-MN。小麦秸秆高留茬还田-玉米秸秆旋耕还田(WH-MC)模式土壤质量综合得分最高，小麦秸秆不还田-玉米秸秆不还田(WN-MN)模式最低。对于小麦秸秆不同还田方式，以小麦秸秆高留茬还田(WH)模式土壤质量状况最优。

表 5　不同秸秆还田模式下土壤质量评价中各主成分得分及综合得分Table 5　Principal components scores and comprehensive scores for comprehensive evaluation of soil quality under different straw returning modes

2.3土壤质量综合评价结果与作物产量效应的吻合性

土壤质量状况可以根据土壤自身性质来衡量，也可以根据土壤的产出来衡量。本研究中，经过6年田间定位试验，小麦籽粒和秸秆产量与0～20 cm土层土壤质量综合评价结果基本吻合，WH-MC处理土壤质量综合得分最高，相应的小麦籽粒和秸秆产量也较大，且与WC-MC处理达到显著性差异水平。采用小麦秸秆高留茬还田-玉米秸秆旋耕还田(WH-MC)模式对土壤质量起到了良好的维护作用，有利于土壤的可持续发展，并获得了较好的收益。

表 6　不同秸秆还田模式下作物产量与土壤质量评价结果的吻合性分析Table 6　Matching analysis of crop yield and soil quality evaluation under different straw returning modes

注：同列数据后标不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

3　讨　论

3.1主成分分析法在不同秸秆还田模式土壤质量综合评价中的应用

作物生长的一个轮作期内，不同的秸秆还田模式组合对土壤理化性质以及农田生产力会产生不同程度的影响，以往基于不同秸秆还田模式进行土壤质量评价的研究多集中在对各指标分开比较，由于各处理土壤有机碳、氮磷钾以及体积质量等单个指标大小趋势未必一致，因此难以根据各指标数值来准确评价土壤质量的优劣。也有研究者通过建立隶属度函数，运用综合指数法来评价土壤质量，但这种方法在临界值以及指标权重的确定上存在一定的主观性，难以真实反映土壤质量[25]。主成分分析法作为土壤质量评价的一种有效方法，不仅能够减少指标相关性、避免信息重叠，而且在克服确定权重的主观片面性等方面显示了其独特的作用[26]，因此本研究尝试采用主成分分析法对不同秸秆还田模式下的土壤质量进行综合评价，通过计算各个主成分的得分，得出土壤质量综合得分，并按照得分的高低来排序，从而能够综合量化土壤质量等级。

3.2不同秸秆还田模式土壤质量的综合评价

本研究采用主成分分析法对土壤质量进行综合评价，在所获得的12项土壤指标中，土壤速效养分含量的变异系数较大，可能是因为秸秆还田后腐解向土壤中释放氮、磷、钾等元素，导致土壤速效养分含量明显增加。有研究表明，秸秆还田能降低盐碱土土壤pH值[27]，但本研究土壤pH值的变异系数较小，土壤酸碱度较为稳定，可能是因为本试验中土壤pH值和CaCO3含量均较高，土壤pH值的缓冲能力较强，因此秸秆还田后不能对土壤pH值产生明显影响。秸秆还田由于外源C投入的增加，能提升土壤的有机碳含量水平，而土壤有机碳影响土壤物理、化学及生物学过程，被认为是反映土壤质量和土壤可持续性的最重要指标[28-29]。本研究中，秸秆还田能促进土壤总有机碳含量的增加，但其变异系数较小，并非反映秸秆还田最为敏感的指标，这可能是因为秸秆还田后，其自身所含有机碳的40%～50%以CO2形式释放，不利于土壤碳的固定[30]。土壤微生物量碳和活性有机碳含量的变异系数均较大，对秸秆还田的反应较土壤总有机碳更为敏感，这与前人研究结果一致[31]，可能是因为二者都是有机碳的活性组分，对植物养分供应有最直接的作用，在指示土壤质量和土壤肥力的变化时比总有机碳更灵敏，能够更准确、更实际地反映土壤质量的变化，也验证了本研究所采用的土壤质量评价方法的合理性。主成分分析的因子载荷矩阵表明，土壤总有机碳、活性有机碳、全氮、速效氮、速效磷、速效钾在第1主成分上的载荷系数较大，表明这些土壤因子对土壤质量具有决定性的作用。秸秆在腐解过程中形成腐殖质，能有效增加土壤有机碳含量[32]，释放出矿质营养元素，从而有效补充土壤氮、磷、钾养分[33]，因此秸秆还田对土壤质量具有较大的影响。土壤质量综合评价结果表明，小麦秸秆高留茬还田的效果最优，是维持土壤质量较优的秸秆管理措施，这是因为与小麦秸秆粉碎还田和小麦秸秆不还田相比，小麦秸秆高留茬还田能够为后季作物生长发育提供一定的养分来源，玉米季高留茬的小麦秸秆经过风化作用在下季小麦播种时翻入土壤，减少了秸秆直接进入土壤腐解损失的有机碳，同时能够抑制杂草蔓延，减少地面水分蒸发，保持土壤水分，与关中地区雨热同期、年降水量不足600 mm的实际情况结合，对于关中地区小麦-玉米一年两熟的集约化生产具有重要意义。

3.3土壤质量综合评价结果与农田生产力水平的吻合性分析

土壤质量的优劣可以通过农田生产力水平来反映，具体表现为产量效益的高低[34]。本研究中，6年秸秆还田定位试验结果表明，WH-MC模式的小麦籽粒与秸秆产量之和最大，同时土壤质量综合评价结果表明，WH-MC模式土壤质量综合得分最高，土壤质量最佳。因此，本研究采用主成分分析获得的土壤质量综合评价指数(F值)在量化土壤质量等级的同时能够在一定程度上反映农田的生产力水平，可用于评价不同秸秆还田模式下农田土壤质量和生产力状况，是较为理想的土壤质量评价方法。WC-MC处理下小麦籽粒和秸秆产量均最低，且显著低于其他处理，而土壤质量综合得分并非最低，土壤质量的优劣并不能完全反映农田的真实生产力水平，可能是因为WC-MC处理土壤自身生产潜力并未充分发挥，造成土壤质量综合评价结果与农田真实生产力水平存在一定出入。

4　结　论

本研究采用主成分分析法对不同秸秆还田模式的土壤质量进行综合评价，可以客观、准确、综合地反映秸秆还田的效应，确定不同秸秆还田模式下对土壤质量产生较大影响的土壤属性指标，以本研究为例，土壤速效养分和有机碳的活性组分对秸秆还田的反应较为敏感，尤其速效氮是反映土壤质量最为敏感的指标。

综合主成分分析结果和作物产量，小麦秸秆高留茬还田/玉米秸秆旋耕还田(WH-MC)模式在获得较高产量的同时对土壤质量的维持效应较好，是关中地区小麦-玉米一年二熟轮作制度下相对较优的秸秆还田模式组合。

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Comprehensive evaluation of soil quality under different straw returning modes

LI Youbing,LI Shuo,LI Xiushuang,JIANG Zhenhui,SHI Jianglan,TIAN Xiaohong

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofPlantNutrientandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study comprehensively evaluated soil quality under different straw returning modes to screen better straw returning mode and provide theoretical basis for large-scale implementation of mechanized straw returning in Guanzhong Plain under wheat/maize rotation system.【Method】 A field experiment was arranged under wheat/maize rotation system in Guanzhong Plain,Shaanxi.Straw mulching with high stubble returning to field (WH),straw chopping returning to field (WC) and no straw returning (WN) were tested during wheat season, and straw chopping returning to field with subsoiling (MM),straw chopping returning to field (MC) and no straw returning (MN) were tested during maize season with a total of 9 combined straw returning modes:WH-MM,WH-MC,WH-MN,WC-MM,WC-MC,WC-MN,WN-MM,WN-MC,and WN-MN.Soil physical and chemical properties under different straw returning modes were determined and principal component analysis (PCA) was adopted to quantitatively evaluate the effect on soil quality.【Result】 Straw returning to field mainly influenced soil available nutrients and active component of soil organic carbon.Soil available nitrogen had the highest variation coefficient of 32.38% and was the most sensitive indicator reflecting the changes of soil quality.Organic carbon was released to atmosphere in the form of CO2by mineralization after straw returned to field, resulting in small variation coefficient of 5.31%.According to the established comprehensive evaluation model soil quality,wheat straw high stubble returning-maize straw rotary returning (WH-MC) had the highest soil quality comprehensive score (0.751 0) and better soil quality.【Conclusion】 Considering soil quality and crop yield,WH-MC is the suggested straw returning mode in Guanzhong Plain.

straw returning;soil quality assessment;principal component analysis;wheat/maize rotation

时间:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.019

2015-04-15

国家科技支撑计划项目(2012BAD14B11)；国家自然科学基金项目(41371288)

李有兵(1989-)，男，陕西米脂人，硕士，主要从事农业废弃物资源循环利用研究。E-mail：li_youbing@126.com

田霄鸿(1967-)，甘肃天水人，教授，博士，博士生导师，主要从事农业废弃物资源循环利用研究。

E-mail:txhong@hotmail.com

S151.9

A

1671-9387(2016)10-0133-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.038.html