玉米与秸秆种还分离栽培对土壤腐殖化特征和产量的影响

王世杰　李志洪　崔婷婷

摘要：通过将3垄2行的种植方式与秸秆还田相结合，形成种还分离模式，研究其对土壤腐殖化特征和玉米产量的影响。结果表明，种还分离模式能有效提高土壤有机碳和腐殖质各组分碳含量，且随着秸秆还田量的增加呈增加趋势。土壤过氧化氢酶、脲酶以及蔗糖酶活性同未秸秆还田处理相比显著增加。种还分离模式下R1和R2处理的玉米根系体积、根干质量相较未秸秆还田处理分别增加了10.98%、11.95%和27.24%、25.47%，与常规种植相比，CK、R1、R2处理玉米产量分别增加了6.36%、4.90%、3.07%，说明种还分离模式在一定程度上促进了玉米的生长发育，其产量并未受到不利影响。结果表明，种还分离模式通过将秸秆还田区域和玉米种植区域分离，既可提高土壤肥力，改善土壤环境，又可减少秸秆还田对玉米生长发育的不利影响，相对提高玉米产量。

关键词：玉米；秸秆；种还分离；土壤；腐殖化特征；产量

中图分类号： S158文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）14-0062-04

中国是一个农业生产大国，每年我国秸秆产量高达 7亿t[1-3]，随着我国农业生产力的提高，我国粮食产量不断增加，秸秆产量也随之增加[4]。秸秆还田作为秸秆有效利用方式之一，通过在田间将秸秆直接粉碎后还田，不仅充分利用了秸秆资源，减少运输和处理成本，解决秸秆焚烧屡禁不止的问题，同时可改善土壤环境，使土壤肥力得到提高，从而极大地促进农业资源的循环利用[5-6]。然而常规栽培模式下，在表层土壤中进行全量秸秆还田会导致秸秆腐解不完全，未完全腐解的玉米秸稈裸露在地表将会影响春季播种，致使作物的出苗率降低，大量秸秆的添加会使部分害虫和病菌重新返回田间，危害作物的生长，使作物产量下降。因此，本研究通过将3垄2行的栽培方式与秸秆还田相结合，形成种还分离的新模式，通过人为增加玉米秸秆的腐解时间，减少全量秸秆直接施入农田后秸秆不能完全腐解造成的出苗率降低、病虫害增加、农作物减产等不利影响，指导农民的生产实践活动。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验田选自吉林农业大学试验站玉米连作耕地（草甸黑土），位于吉林省长春市南关区（125°23′16.81″E，43°48′38.20″N），属于北温带大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季高温多雨，秋季气温下降快，冬季寒冷，具有四季分明、干湿适中的气候特征。最热的月份为7月，平均气温为23 ℃。年均气温4.8 ℃，最低气温-39.8 ℃，最高气温 39.5 ℃。日照时间可达2 688 h，年均降水量617 mm，多集中在7、8月份，夏季降雨量占年降水量的60%以上。秋季温差较大，风速与春季相比较小。

1.2供试材料

试验为大田试验，供试土壤采自吉林农业大学试验田，土壤类型为草甸黑土，土壤0～20 cm耕层基本理化性质见表1。

供试作物残体为成熟期的玉米秸秆，粉碎后长度3～5 cm，秸秆的有机碳含量437.6 g/kg，全氮含量5.72 g/kg，C/N 为76.50，还田时将碳氮比调节为25 ∶

1.3试验设计

试验区是吉林农业大学试验站，试验设置常规种植模式和种还分离种植模式。常规种植模式不进行秸秆还田，种植方式为大垄双行（用ZC表示）。种还分离模式进行秸秆还田，还田量分别为未秸秆还田（对照）、0.88%、1.32%的玉米秸秆（分别使用CK、R1、R2来表示），种植方式采用3垄2行模式，即40 cm宽种2行玉米（图1）；在空垄位置进行秸秆还田处理，还田区宽1 m，各处理重复3次。小区长5 m，宽9 m，还田时将秸秆与土均匀混合后翻埋，还田深度为表层25 cm，还田时将C/N控制为25 ∶[KG-*3]1。2种种植模式种植的玉米品种为先玉335，基肥（N 60 kg/hm2，P2O5 75 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2）一致，拔节期追施氮肥（N 120 kg/hm2），种植密度均为6万株/hm2。

试验于2014年4月末在空垄位置进行秸秆还田，形成秸秆还田带，种植玉米区域不进行秸秆还田，形成玉米种植带；2015年4月末进行轮换，在2014年的秸秆还田带上种植玉米，玉米种植带上进行秸秆还田，各还田处理与2014年相同。这样将种植区和还田区进行分离，形成种还分离的年际循环栽培模式。

2015年9月底秋收前进行取样，秸秆还田的各小区在玉米种植带和秸秆还田带分别取土样，按“S”形路线随机选取5个点，采集0～20 cm的耕层土壤，混合后剔除石块、动植物残体等杂物，在实验室将风干后的土壤研磨后过1、0.25 mm筛备用。成熟期时，对2种栽培模式下的各试验小区测产。

1.4分析方法

土壤氮、磷、钾采用常规方法[7]进行分析，全氮采用半微量凯氏法测定；碱解氮采用碱解扩散法；全磷采用HClO4-H2SO4法测定；pH值采用pHS-3C型pH计测定；土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾外加热法测定；色调系数（ΔlgK）参照Kumada等的方法[8]测定；胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（fulvic acid，FA）的提取和分离采用腐殖质组成修改法[8-9]测定；土壤腐殖质各组分有机碳均采用重铬酸钾容量（外加热）法测定；酶活性参照关松荫的方法[10]测定，采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性，活性以20 min后1 g土壤所消耗的0.02 mol/L高锰酸钾的体积（mL）表示；靛酚蓝比色法测脲酶活性，结果以24 h后1 g土壤中NH4+-N的质量（mg）表示；3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，结果以24 h（37 ℃）后土壤中1 g土壤中葡萄糖的质量（mg）表示。

1.5数据处理

试验数据采用Excel 2013软件整理，利用SPSS 22.0软件进行统计分析，采用最小显著性差异法（LSD）检验试验数据的差异显著性水平（α=0.05）。

2结果与分析

2.1种还分离对土壤总有机碳含量的影响

由图2可知，2015年玉米种植带（2014年秸秆还田带）CK、R1、R2处理土壤有机碳含量为16.03、18.61、21.72 g/kg，R1、R2处理较CK分别增加16.08%、 35.47%，各处理之间具有显著性差异。2015年秸秆还田带CK、R1、R2处理土壤有机碳含量为16.62、21.31、24.29 g/kg，R1、R2处理较CK分别增加了28.24%、 46.19%，各处理之间具有显著性差异，玉米种植带土壤有机碳含量低于秸秆还田带。结果表明，种还分离模式下，秸秆还田能显著提高土壤有机碳含量，且随着还田量的增加而增加。

[FK（W11][TPWSJ2.tif]

2.2种还分离对土壤腐殖质各组分含量的影响

由表2可知，玉米种植带R1、R2处理腐殖物质（humic substance，HS）碳含量较CK分别增加了11.49%、18.01%，胡敏酸（HA）碳含量较CK分别增加13.60%、2053%，富里酸（FA）碳含量较CK分别增加了 7.56% 、13.33%。秸秆还田带R1和R2处理HS碳含量较CK分别增加了20.21%、3484%，HA碳含量较CK分别增加了21.86%、41.16%，FA碳含量较CK分别增加了 17.17% 、23.18%。结果表明，种还分离模式可以有效提高土壤腐殖质各组分碳含量，且随着还田量的增加而增加，玉米种植带各处理含量均低于秸秆还田带。

添加秸秆后，玉米种植带和秸秆还田带HA-C/FA-C均呈增加趋势，且随着秸秆还田量的增加而增加，说明秸秆还田增加了土壤中胡敏酸的比重，使FA等小分子化合物向HA转化。使用ΔlgK来表征土壤中HA和FA的结构特征，由表2可知，随着秸秆还田量的增加HA和FA的ΔlgK均呈增加趋势，说明秸秆还田后HA和FA均向着结构简单化方向发展。

2.3种还分离对土壤酶活性的影响

2.3.1过氧化氢酶活性

种还分离模式对土壤过氧化氢酶活性的影响见图3，玉米种植带CK、R1、R2处理土壤过氧化氢酶活性分别为2.46、2.82、2.92 mL/g，还田处理R1、R2较CK土壤过氧化氢酶活性分别显著增加14.39%、18.72%。秸秆还田带CK、R1、R2处理土壤过氧化氢酶活性分别为245、2.89、2.96 mL/g，还田处理R1、R2较CK土壤过氧化氢酶活性分别显著增加18.11%、 20.93%。结果表明，种还分离模式能够增加土壤过氧化氢酶活性，但是不同秸秆添加量的处理间没有显著性差异。

2.3.2脲酶活性

由图4可知，在玉米种植带，CK、R1、R2处理的土壤脲酶活性分别为0.47、0.61、0.81 mg/g，还田处理R1、R2较CK分别增加了28.82%、71.69%，R2处理增加效果更显著。在秸秆还田带，CK、R1、R2處理土壤脲酶活性分别为0.56、0.93、1.00 mg/g，R1、R2处理较CK分别增加了67.94%、79.57%，R1和R2处理均与CK有显著性差异。说明种还分离模式能够增加土壤脲酶活性，且土壤脲酶活性表现出随秸秆还田量的增加而增加的趋势。

2.3.3蔗糖酶活性

在玉米种植带，CK、R1、R2处理的土壤蔗糖酶活性分别为47.01、66.92、74.40 mg/g，还田处理R1、R2较CK分别增加42.33%、58.24%，各处理之间具有显著性差异。在秸秆还田带，CK、R1、R2处理土壤蔗糖酶活性分别为35.79、75.32、98.32 mg/g，R1、R2处理较CK分别增加11041%、174.69%，各处理之间差异显著。种还分离模式可以显著增加土壤蔗糖酶活性，且表现出随秸秆还田量的增大而增加的趋势（图5）。

2.4种还分离对玉米根系生长发育的影响

在种还分离模式下，CK、R1、R2处理成熟期根系体积分别为205.0、227.5、229.5 cm3，R1、R2处理较CK增加了 10.98% 、11.95%，但均与CK差异不显著（图6）。

由图7可知，CK、R1、R2处理根干质量分别为20.34、25.88、25.52 g，R1、R2处理较CK分别显著增加27.24%、 25.47%。根据玉米根系体积和根干质量的变化可知，种还分离模式下进行秸秆还田对玉米根系生长具有一定的促进作用，但效果并不显著。

2.5种还分离对玉米产量的影响

种还分离模式下不同处理对玉米产量的影响如图8所示，常规种植（ZC）、CK、R1、R2处理的玉米产量分别为 10 598、11 272、11 117、10 923 kg/hm2，与常规种植相比，CK、R1、R2处理玉米产量分别增加6.36%、4.90%、3.07%，但各处理之间没有显著性差异。说明与常规种植相比，种还分离模式下进行秸秆还田玉米产量有增加的趋势，秸秆还田后玉米产量有一定的增加，并不会造成产量下降。

3讨论

秸秆还田可以有效提高土壤有机碳和腐殖质各组分碳含量，张鹏等的4年秸秆还田试验结果表明，秸秆还田使土壤中的有机碳含量显著增加[11]。刘军等的研究结果表明，长期连作的棉田土壤胡敏酸和胡敏素的含量在秸秆还田后显著增加，并且增加土壤富里酸的含量使之处于稳定水平之上[12]。本研究在种还分离模式下进行秸秆还田同样提高了土壤有机碳含量，在玉米种植带，R1、R2处理较对照处理显著增加1608%、35.47%；在秸秆还田带，R1、R2处理较对照显著增加28.24%、46.19%。胡敏酸和富里酸碳含量相较于未秸秆还田处理同样呈增加趋势，并且随着秸秆还田量的增加，其含量均呈增加趋势。

秸秆还田能够改善土壤物理性状，促进土壤微生物的生长，进而影响土壤酶活性。冀保毅等通过2年定位试验研究表明，秸秆还田和深耕均能提高耕层土壤水解酶活性，提高效果与土壤质地和年份有关[13]。杨滨娟等的研究显示，秸秆还田配施化肥各处理对根际土壤过氧化氢酶、脲酶、转化酶活性均有明显的提高作用，但处理间存在一定的差异[14]。本研究结果表明，种还分离模式同样促进土壤过氧化氢酶、脲酶以及蔗糖酶活性的增加，在玉米种植带和秸秆还田带上，R1和R2处理土壤过氧化氢酶、脲酶以及蔗糖酶活性较未秸秆还田处理均显著增加。

很多学者研究表明，深层秸秆还田可以改善深层土壤理化性质，促进玉米生长，提高玉米产量。黄毅等通过秸秆机械化深层还田与常规耕作的对比试验，测定玉米根系生长状况，结果表明，深层秸秆还田能够有效增强玉米扎根性能，扩展玉米根系分布空间，扎根深度增加5～10 cm，次生根数目明显高于未秸秆还田处理；深层秸秆还田处理玉米产量较未秸秆还田处理增加18.16%，差异显著[15]。王喜艳等通过田间试验，研究了深层秸秆还田对0～40 cm土层土壤肥力和玉米产量的影响，结果表明，玉米秸秆深层还田不仅有利于改善土壤的理化性质，培肥土壤，而且还能提高玉米产量[16]。但是部分学者认为秸秆还田会降低作物出苗率，增加病虫害，影响作物生长发育。韩宾等研究表明，免耕秸秆覆盖处理2年，冬小麦出苗率均在60%左右[17]。李少昆等研究表明，玉米秸秆还田后小麦出苗率均有不同程度下降，幼苗的整齐度降低[18]。籍增顺等进行田间试验发现，免耕秸秆覆盖还田能够使玉米螟等害虫安全过冬，安全越冬率达93.8%；并且增加了地老虎、金针虫等地下害虫的数量，使这些害虫的危害率升高，并且随秸秆免耕覆盖还田年限的延长而升高[19]。本研究结果显示，种还分离模式下R1、R2处理的玉米根系体积相较未秸秆还田处理分别增加10.98%、11.95%，但各处理间差异不显著；还田处理的根干质量较未秸秆还田处理增幅明显，R1、R2分别增加27.24%、25.47%，说明种还分离模式下进行秸秆还田对玉米的根系生长有一定的促进作用。与常规种植相比，CK、R1、R2处理玉米产量分别增加6.36%、490%、3.07%，但差异不显著。说明种还分离模式下进行秸秆还田并未造成玉米产量的降低，反而有所增加，但随着秸秆还田量的增加，玉米产量有所下降，这可能是由于秸秆含量过多无法完全腐解，部分秸秆在耕作过程中覆盖在了玉米种植区，从而影响了玉米产量。

4结论

种还分离模式能增加土壤有机碳和腐殖质各组分碳含量，并且随着秸秆添加量的增加而增加，土壤过氧化氢酶、脲酶以及蔗糖酶活性也得到提高。R1和R2处理的玉米根系体积和根干质量相较未秸秆还田处理分别增加了10.98%、11.95% 和27.24%、25.47%，说明种还分离模式对玉米根系生长有一定的促进作用。与常规种植相比，CK、R1、R2处理玉米产量分别增加了6.36%、4.90%、3.07%，说明种还分离模式下进行秸秆还田并未对玉米生长发育产生不利影响，相对提高了玉米产量。

参考文献：

[1]毕于运，王亚静，高春雨. 中国秸秆资源综合利用的系统构成及总体趋势[J]. 中国农业资源与区划，2010，31（4）：35-38.

[2]谢光辉，王晓玉，任兰天. 中国作物秸秆资源评估研究现状[J]. 生物工程学报，2010，26（7）：855-863.

[3]高海，李国东，刘伟，等. 农作物秸秆综合利用现状及技術[J]. 现代农业科技，2011（18）：290-291.

[4]孙明湖，咸惠军，南方. 大工业应用是解决秸秆问题的根本途径[J]. 中国生态农业学报，2005，13（3）：196-198.

[5]黄毅，王瑞丽，赵凯. 辽西旱农区深层水肥调控对土壤主要物理性质和玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2013，31（1）：8-13.

[6]Turmel M S，Speratti A，Baudron F，et al. Crop residue management and soil health：a systems analysis[J]. Agricultural Systems，2015，134：6-16.

[7]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2000.

[8]Kumada K，Sato O，Ohsumi Y，et al. Humus composition of mountain soil in central Japan with special reference to the distribution of P type humic acid[J]. Soil Science and Plant Nutrition，2012（13）：151-158.

[9]于水强，窦森，张晋京，等. 不同氧气浓度对玉米秸秆分解期间腐殖物质形成的影响[J]. 吉林农业大学学报，2005，27（5）：528-533.

[10]关松荫. 土壤酶及其研究法[M]. 北京：农业出版社，1986.

[11]张鹏，李涵，贾志宽，等. 秸秆还田对宁南旱区土壤有机碳含量及土壤碳矿化的影响[J]. 农业环境科学学报，2011，30（12）：2518-2525.

[12]刘军，景峰，李同花，等. 秸秆还田对长期连作棉田土壤腐殖质组分含量的影响[J]. 中国农业科学，2015（2）：293-302.

[13]冀保毅，赵亚丽，穆心愿，等. 深耕和秸秆还田对土壤酶活性的影响[J]. 河北农业科学，2016，20（1）：46-51.

[14]杨滨娟，黄国勤，钱海燕. 秸秆还田配施化肥对土壤温度，根际微生物及酶活性的影响[J]. 土壤学报，2014，51（1）：150-157.

[15]黄毅，毕素艳，邹洪涛，等. 秸秆深层还田对玉米根系及产量的影响[J]. 玉米科学，2013，21（5）：109-112.

[16]王喜艳，张亚文，冯燕，等. 玉米秸秆深层还田技术对土壤肥力和玉米产量的影响研究[J]. 干旱地区农业研究，2013（6）：103-107.

[17]韩宾，李增嘉，王芸，等. 土壤耕作及秸秆还田对冬小麦生长状况及产量的影响[J]. 农业工程学报，2007，23（2）：48-53.

[18]李少昆，王克如，冯聚凯，等. 玉米秸秆还田与不同耕作方式下影响小麦出苗的因素[J]. 作物学报，2006，32（3）：463-465.

[19]籍增顺，张乃生，刘杰. 旱地玉米免耕整秸秆半覆盖技术体系及其评价[J]. 干旱地区农业研究，1995，13（2）：14-19.