秸秆还田深度对黄棕壤养分及物理性质的影响

任晓明, 陈 粲, 陈效民, 曲成闯, 韩召强, 张晓玲, 孟子惟

(1.南京农业大学 资源与环境科学学院, 江苏 南京 210095; 2.南京信息工程大学 应用气象学院, 江苏 南京210044)

作物秸秆是农业生产中的副产品，也是一种重要的生物质资源。中国是一个农业大国，也是秸秆资源最为丰富的国家之一，每年产生的农作物秸秆量占世界总量的30%[1]。但目前我国秸秆的综合利用率大约只有50%，大量的秸秆被丢弃、焚烧，这不仅造成了资源的浪费，还使得土壤耕性和大气环境恶化，而秸秆还田是合理利用生物质资源促进农业可持续发展的重要途径[2-4]。为了提高秸秆利用率，使秸秆发挥其最大经济效应，近年来已对其做了大量的研究。已有研究表明秸秆还田能有效增加土壤有机质含量、改良土壤理化性质和培肥地力[5-6]。其中大部分研究侧重于通过改变秸秆还田量、利用不同种类秸秆处理方式和改变与氮肥配施量等来探讨如何提高秸秆还田利用效率和对土壤理化性质[4,7-8]、温室气体排放[9-10]、土壤微生物活动[10-11]的影响。而秸秆还田的深度作为在实施过程中的一个基础因素，即通过改变秸秆还田的深度来探讨它对土壤养分的影响方面的研究还鲜见报道，且确定最佳的秸秆还田深度对其利用效率的提高和对土壤理化性质和养分的改善均具有重要的意义。因此，本文选择黄棕壤为供试土壤，通过改变秸秆还田深度来探讨其对黄棕壤物理性质和养分的影响，探索最适秸秆还田深度，旨在为提高秸秆利用率、改善土壤理化性质提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于南京市江浦区农业试验站(32°03′N，118°51′E，海拔约22 m)，土壤类型为典型的地带性土壤—黄棕壤。该区属于亚热带季风气候，多年平均降水量约为1100 mm，平均温度为15.6 ℃，地下水埋深1.5 m以下。研究区土壤的基本理化性质详见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

1.2 试验材料

试验采用小麦—玉米一年两熟种植模式，供试小麦品种为镇麦360，播种量为200 kg/hm2，于2016年10月下旬播种，小麦生育期为当年的10月底至次年6月初。农田按常规施肥：共计施肥为225 kg/hm2，其中基肥折合纯N 165 kg/hm2，各处理小麦拔节期统一追施纯N 60 kg/hm2，各处理的肥料施用量一致。浇拔节水160 mm。

1.3 试验设计

试验区共设计5个处理： ①空白对照(CK)； ②秸秆表面覆盖(T0)； ③秸秆10 cm还田(T10)； ④秸秆20 cm还田(T20)； ⑤秸秆30 cm还田(T30)。每个处理重复3次，采用拉丁方无序排列。每个小区面积为4 m×4 m=16 m2，共15个小区。

试验区四周设1 m的保护行，小区间设0.5m的排水沟。秸秆材料采用水稻秸秆，将其截成5 cm 左右小段,秸秆用量为7 500 kg/hm2，秸秆于2016年10月25日一次性施入土壤中，后期不再添加秸秆。其中T0处理是将秸秆均匀覆盖在地表；T10，T20，T30处理是采用机械翻埋秸秆方式将秸秆翻埋入土壤10，20，30 cm深处。

1.4 土样采集

于小麦成熟后(201706)，按10 cm分四层采取0—40 cm的土样，各小区按对角线布点，进行5点混合取样，新鲜土样带回实验室后，先称取一定质量过2 mm筛的新鲜土壤用于土壤硝态氮、铵态氮的测定；其余土样室内自然风干(20 d)，一部分土样过2 mm筛用于土壤速效磷的测定，另一部分土样过0.149 mm筛用于土壤有机质和全氮的测定。同时，利用环刀法采集原状土测定土壤容重、孔隙度、饱和含水量、田间持水量和有效水含量。加权平均后得到的平均值用于表征0—40 cm整体土层物理性质。

1.5 测定项目及方法

土壤容重及土壤总孔隙度分别采用环刀法和容重—密度计算法(土壤密度为2.65 g/cm3)测定；土壤饱和含水量、土壤田间持水量和有效含水量采用环刀法[12]测定；土壤有机质(SOM)采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮(TN)采用凯氏定氮法测定；土壤的铵态氮采用2 mol/L氯化钾浸提—靛酚蓝比色法；土壤的硝态氮采用2 mol/L氯化钾浸提—紫外分光光度法；土壤有效磷测定采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法。

1.6 数据处理与分析

采用Excel 2013软件对数据进行处理并绘图。采用SPSS 20.0统计分析软件进行相关性和方差分析，多重比较采用LSD法。显著性水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田深度对土壤物理性质的影响

2.1.1 不同秸秆还田深度对土壤容重的影响 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，是土壤重要的物理特性之一。黄棕壤土壤物理性状差、土壤黏重、容重大、通气透水性能不良，进行秸秆还田处理后，于2017年小麦收获后按10 cm为1层共分4层测得0—40 cm土层的土壤容重(如图1所示)，各处理土壤容重大小顺序为：T20

注：不同小写字母表示处理间在5%水平上差异显著。下同。

2.1.2 不同秸秆还田深度对土壤孔隙度的影响 如图2所示，秸秆还田处理土壤总孔隙度显著高于单施化肥处理CK(p<0.05)，其中，T20处理的土壤总孔隙度最高，为41.61%；其次为T10处理、T30处理和T0处理，土壤总孔隙度分别为41.40%，41.20%和40.95%；CK处理的土壤总孔隙度最低，为40.32%。土壤总孔隙度随着秸秆还田深度的增加呈先增加后降低趋势，与土壤容重变化趋势一致。

图2 不同秸秆还田深度处理在0-40 cm土层中的土壤总孔隙度

2.1.3 不同秸秆还田深度对土壤饱和含水量、田间持水量和有效水含量的影响 不同处理的土壤饱和含水量、田间持水量和有效水含量如表2所示。在3项指标中，各处理趋势一致，均表现为：T20>T10>T30>T0>CK，T20处理分别比其他处理高1.77%～9.90%，2.93%～7.24%和3.00%～8.08%。与单施化肥处理CK相比，秸秆还田处理T20，T10，T30和T0的土壤饱和含水量分别增加9.90%，7.99%，3.47%和3.35%，田间持水量分别增加7.24%，4.19%，3.42%和2.61%，有效水含量分别增加8.08%，4.93%，4.13%和3.47%，其中T20处理与CK处理间的土壤饱和含水量、田间持水量和有效水含量间的差异均达到显著水平(p<0.05)。

表2 不同秸秆还田深度处理对土壤饱和含水量、田间持水量和有效水含量的影响 %

注：平均值±标准差(n=3)，同列不同字母表示处理间差异显著(p<0.05)。下同。

2.2 不同秸秆还田深度对土壤养分性质的影响

2.2.1 不同秸秆还田深度处理对土壤有机质含量的影响 不同秸秆还田深度处理对土壤有机质含量的影响详见表3。由表3可知，在0—40 cm整体土层中，与单施化肥处理CK相比，秸秆还田处理T20，T10，T0，T30的有机质含量分别增加9.96%，8.32%，7.69%，6.56%，且差异均达到显著水平(p<0.05)。在0—10 cm土层中，T0处理有机质含量显著高于其他处理，增幅为6.01%～10.87%；在10—20 cm土层中，T10处理有机质含量最高，并与CK，T20，T30处理相比差异显著；在20—30 cm土层中，T20处理相比其它处理均显著增加，增幅为9.45%～20.10%；在30—40 cm土层中，T20，T30处理的有机质含量显著高于其它处理。说明秸秆还田处理能显著增加土壤有机质含量，且对在秸秆还田深度的相邻土层有机质含量的影响最为显著。

表3 不同秸秆还田深度处理对土壤有机质(SOM)含量的影响 g/kg

2.2.2 不同秸秆还田深度处理对土壤有效磷含量的影响 不同秸秆还田深度处理对土壤有效磷含量的影响(表4)。由表4可知，在0—40 cm整体土层中，与单施化肥处理CK相比，秸秆还田处理T0，T10，T20，T30的有效磷含量分别增加2.81%，7.32%，6.27%和5.21%，且T10，T20，T30处理与CK处理的差异均达到显著水平(p<0.05)；在0—10 cm土层中，T10处理的有效磷含量高于其它处理，增幅为4.03%～14.41%；在10—20 cm和20—30 cm土层中，T20处理的有效磷含量均高于其他处理，增幅分别为2.65%～12.07%，4.86%～13.35%；在30—40 cm土层中，T30处理的有效磷含量最高，增幅为1.33%～10.88%。

表4 不同秸秆还田深度处理对土壤有效磷(AP)含量的影响 mg/kg

2.3 土壤性质的主成分分析

如图3所示，对各土壤因子进行主成分分析，第1主成分PC1的方差贡献率为81.01%，第2主成分PC2的方差贡献率为9.22%，二者之和为90.23%，可以代表系统内的所有信息。

从特征值和贡献率可知，各主成分对土壤性质的影响力依次为：PC1>PC2，PC1所含信息量在2个主成分中较高。由土壤性质主成分载荷矩阵分布图可知，除全氮、硝态氮和铵态氮以外，其余土壤因子在PC1上均有较高的因子载荷；全氮、硝态氮和铵态氮在PC2上有较高的因子载荷。综合以上分析，大部分变量在2个主成分中有较高的因子载荷，说明这2个主成分可以反映由上述土壤因子所表征的土壤质量状况的高低。

表5 不同秸秆还田深度处理对土壤氮素含量的影响

图3 土壤性质主成分载荷矩阵分布

不同秸秆还田深度处理的土壤在2个主成分上的得分情况详见表6。综合评价可知，不同秸秆还田深度处理的土壤性质水平差异较大，不同秸秆还田深度处理下的土壤综合得分次序为：T20>T30>T10>T0>CK，T20处理土壤养分及物理性质的水平最高，而CK处理最低。这说明秸秆还田能提高土壤养分水平和改善土壤物理性状，尤其在秸秆还田深度为20 cm时对土壤养分的提高和物理性状的改善最为明显。

表6 不同秸秆还田深度的主成分得分及综合得分

3 讨 论

国内外学者就秸秆还田对土壤物理性质的影响做了较多的研究,多数表明秸秆还田对降低土壤容重、增加孔隙度有积极作用[3-4，13], 能使土壤的通气状况得到显著改善[14]。本研究中，秸秆还田处理与单施化肥处理CK相比，0—40 cm整体土层的容重得到显著降低，降幅为1.05%～2.16%；土壤总孔隙度有所增加，增加幅度为0.63%～1.29%；同时土壤的饱和含水量、田间持水量和有效水含量也有增加，分别增加了3.35%～9.90%，2.61%～7.24%，3.47%～8.08%，此结果与前人研究结果一致。另外本研究还发现T20处理的各项物理指标都优于其他处理，可能是因为，一方面秸秆20 cm还田打破了犁底层，加深了耕作层，疏松了土壤，改善了土壤的水、肥、气、热状况，使T20处理的土壤物理性质优于T0和T10处理，另一方面，在20 cm土层中，该层土壤水分、氧气条件好，微生物活动较为频繁，T20处理的相比其它秸秆还田处理秸秆完全腐解所需时间较短[15]，在相同时间内释放养分较多，使土壤微生物更为活跃，同时秸秆的腐解有利于促进土壤微粒的团聚作用，两者在改善土壤物理性质方面都有积极的作用，因此T20处理对土壤物理性质的改善更为明显。

土壤有机质是影响土壤养分和作物产量高低的决定性因子[16]。从本试验的土壤有机质含量数据可知，秸秆还田促进土壤有机质的增加，而T20处理增加效果更加显著。一方面，可能是由于深层土壤通气性较差，从而避免了秸秆分解以CO2的形式释放[17]，而更有利于有机质的累积[18]，造成T20处理相比于T0和T10处理效果更加显著；另一方面，相比T30处理，T20处理的秸秆在20 cm土层中完全腐解速率较快[15]，在相同时间内释放出的腐殖质含量较多，而土壤腐殖质是有机质的重要组成部分，是衡量土壤有机质含量和稳定性的重要指标。

土壤有效磷是土壤磷素养分供应水平高低的指标,土壤磷素含量高低在一定程度反映了土壤中磷素的贮量和供应能力。武际等[19]研究表明，秸秆还田能使土壤有效磷含量提高7.52%～10.03%，与本试验研究结果一致。秸秆还田深度对相邻土层有效磷增加幅度最为明显，其原因可能是稻杆中含有大量的氮磷钾等营养物质，随着秸秆的施入、腐解和矿化，为秸秆接触的相邻土层提供了大量磷素。而造成T10，T20处理的0—40 cm土层中有效磷含量高于其他处理的原因可能是秸秆在10，20 cm土层中的水分、氧气条件好，微生物活动频繁，使秸秆完全腐解速度较快，从而能释放出较多磷素。

本研究中，秸秆还田深度与土壤理化性质主成分分析的结果显示，不同秸秆还田深度处理的土壤质量水平差异较大，T20处理土壤质量水平最高，而不施肥的CK处理土壤质量水平最低。说明秸秆还田对改良土壤理化性质和培肥地力有一定的积极作用。而造成T20处理土壤质量水平最高的原因可能是秸秆在20 cm深度时，土壤水分、氧气条件好，微生物活动较为频繁，导致秸秆完全腐解时间较短[15]，在小麦生长周期内，相比其他秸秆还田处理的秸秆腐解矿化释放出的营养物质较多，能为土壤提供更多的养分，使土壤微生物更为活跃，同时秸秆的腐解有利于促进土壤微粒的团聚作用；也可能是由于T20与T0，T10处理相比，打破了犁底层，加深了耕作层，疏松土壤，从而降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田间持水量、饱和含水量等，使土壤物理性状得到改善。综合以上原因，使秸秆还田深度为20 cm时，对黄棕壤土壤物理性质和养分含量的改善最为明显。

4 结 论

(1) 秸秆还田处理均可以改善黄棕壤物理性质，提高黄棕壤养分含量。

(2) 秸秆还田处理能增加土壤有机质、有效磷、全氮和铵态氮含量，但降低了土壤硝态氮含量，并且土壤中硝态氮含量与秸秆还田深度呈负相关关系，能显著改善土壤中硝态氮的污染问题。

(3) 由主成分分析结果可知，在秸秆还田条件下，T20处理对土壤养分和物理性质的改善最为明显，T0处理的改善效果较弱，其得分依次排列为：T20>T30>T10>T0>CK。

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