土壤水分对玉米秸秆还田腐解率、土壤肥力及小麦籽粒蛋白质产量的影响

2019-03-15张素瑜杨习文李向东杨明达王和洲贺德先

麦类作物学报 2019年2期

张素瑜，杨习文，李向东，杨明达，王和洲，贺德先

(1.河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，河南郑州450002； 2.河南省农业科学院小麦研究中心/河南省小麦生物学重点实验室，河南郑州 450002；3.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453003)

黄淮海平原是小麦-玉米一年两熟区，随着作物产量不断提高，越来越多的养分移出农田，作物高产、稳产对土壤肥力的要求与土壤供肥能力之间的矛盾与日俱增。施用有机肥料是培肥土壤的有效途径，不仅可以改善土壤理化及生物学性质[1-2]，而且可以有效控制农业面源污染，维护农田良好的生态环境。秸秆还田作为一种低耗能、可持续的农业耕作方式和环保的秸秆利用途径，对提高土壤肥力及自修复能力，改善土壤理化性质及连作障碍有积极作用[2-3]。黄淮地区夏、秋季作物秸秆资源丰富，是一大宗潜在的有机肥源。然而，生产实践中不少秸秆移出田间，造成严重资源浪费和环境污染。据估算，目前中国农田秸秆还田率不足50%，与欧美国家90%以上的还田率相比，仍存在有较大差距[3]。农作物秸秆是地球上第一大可再生资源，富含有机物质及矿质营养元素[4]。研究表明，还田玉米秸秆腐解可增加土壤有机质及矿质养分的含量[5]；冬小麦季玉米秸秆腐解率为61.7%～70.1%[6]。邵云等[3]指出，玉米秸秆粉碎还田可显著提高土壤中0～20 cm土层的氮含量，同时秸秆养分释放缓慢，在一定程度上又起到养分后移的作用。戴志刚等[7]报道，不同作物秸秆经过124 d的淹水处理，秸秆中养分释放率均表现为K>P>C>N，而释放量则表现为C>K>N>P。土壤水分含量显著影响秸秆的腐解速度[8]。在水分有限条件下，秸秆腐解与土壤水分含量呈正比；在充分灌水或水分较高时，由于土壤通透性及温度降低，秸秆的腐解速率降低[9-10]。近年来，我国作物秸秆还田面积持续扩大，还田技术也日臻完善，但前人在秸秆腐解特征及养分释放规律方面的探索，大多采用室内模拟方式或在大田不考虑土壤水分状况条件下进行。鉴于此，本研究充分考虑影响秸秆腐解和养分释放的重要因素—土壤水分，在移动式防雨棚精确控水条件下，通过微区试验，研究麦田在不同土壤水分条件下玉米秸秆粉碎翻压还田后的腐解及氮素释放规律，探索不同土壤水分条件下土壤肥力的变化及其对籽粒产量和品质的影响，以期为提高玉米秸秆还田技术和效果提供技术参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试点概况

试验于2014年10月—2015年6月在河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站(34°34′N，115°33′E)移动式防雨棚下进行。坑深2 m(土层深1.5 m)，土壤面积为6.6 m2(2 m×3.3 m)，测坑四周用铁皮焊接以防侧渗。土壤类型为潮土，有机质含量为10.5 g·kg-1，全氮含量0.95 g·kg-1，碱解氮含量为53.8 mg·kg-1，速效磷含量为27.5 mg·kg-1。试验点年均气温13.9 ℃，≥0 ℃积温4 723 ℃以上。

1.2 供试材料

供试材料为黄淮平原区大面积推广的小麦品种百农矮抗58(国审麦2005008)。

1.3 试验设计

本研究为连续两年的秸秆还田试验(2013-2015年)，试验数据采用2014-2015年。试验采用裂区设计，主区为秸秆还田(RS)和不还田(CK)；副区为土壤水分含量，分别以田间持水量(field moisture capacity,FMC)的50%～55%、60%～65%、70%～75%为干旱(D)、轻旱(SD)和适宜水分(N)。重复3次。化肥施用量为纯氮240 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2，其中，总氮量的50%和全部磷、钾肥作基肥，于播前整地时施入，其余50%氮肥于拔节期随浇水施入。2014年10月20日人工开沟播种，行距23 cm，9行区。距离铁皮两侧留出8 cm空隙，以避免小麦生育后期铁皮温度过高而灼伤植株。播种量为150 kg·hm-2。秸秆还田方法：将玉米秸秆用机器粉碎(长度约5 cm)，人工翻埋入土，深度为 20 cm，还田量为9 000 kg·hm-2[11]。籽粒灌浆初期在试验区外围布设防鸟网。试验田其他管理同一般高产田。2015年6月3日收获。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 田间原位秸秆腐解过程模拟

采用尼龙网袋法进行模拟，收集一定量收割机处理过的夏玉米秸秆，放入烘箱80 ℃烘至恒重，用剪刀将之截成5 cm左右的秸段，装入100目尼龙网袋内，每袋7.00 g。袋内秸段均匀混入适量过筛耕层土壤，保证秸秆与土壤充分接触，于小麦播种时在行间仔细埋入土壤15 cm深处，每个秸秆还田小区放置5个尼龙网袋，均匀分布在小区中间及四周位置，并确保尼龙网袋的位置距离测坑铁皮有40 cm以上的距离。整个试验共计45袋。小麦生育期间，分别在秸秆还田后第74天(2015年1月1日)、第133天(3月1日)、第162天(3月30日)、第192天(4月29日)、第228 天(6月4日)取出网袋，每小区每次取1袋，用镊子将未腐解的秸秆挑拣出来，清水洗净，80 ℃烘干至恒重，计算秸秆质量减少率：

秸秆质量减少率=(秸秆基础质量-取样时秸秆剩余质量)÷秸秆基础质量×100%

1.4.2 秸秆全氮含量测定

将1.4.1中不同还田时期取出的秸秆样品烘干，粉碎过40目筛。用浓硫酸-过氧化氢消煮法提取后，采用半微量凯式定氮法测定秸秆全氮含量，计算初始秸秆氮积累量(mg)、未腐解秸秆氮积累量(mg)和秸秆氮释放率：

初始秸秆氮积累量=秸秆基础质量×秸秆氮含量

未腐解秸秆氮积累量=未腐解秸秆质量×未腐解秸秆氮含量

秸秆氮释放率=(初始秸秆氮积累量-未腐解秸秆氮积累量)÷初始秸秆氮积累量×100%

1.4.3 土壤碱解氮及有机质含量测定

采用五点取样法随机采集不同处理0～25 cm土层的土样，风干后粉碎过100目筛，采用碱解扩散法和重铬酸钾法分别测定土壤碱解氮含量和有机质含量。

1.4.4 籽粒产量和千粒重调查

收获时，每副区选取1 m2代表样方，收割、晾晒后脱粒，测千粒重，并计算籽粒产量。

1.4.5 籽粒蛋白质含量测定

每处理选取适量籽粒，磨粉后过100目筛，用浓硫酸-过氧化氢消煮，半微量凯式定氮法测定蛋白质含量(mg·g-1)。

籽粒蛋白质含量=籽粒全氮含量×5.7×10

籽粒蛋白质产量=籽粒蛋白质含量×籽粒产量÷1 000

1.5 数据分析

运用Microsoft Office 2010对数据进行处理与作图，采用SAS V8.0统计软件对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 土壤水分对还田玉米秸秆腐解的影响

在小麦全生育期内，还田玉米秸秆的腐解速率均表现为“快-慢-快”的变化趋势，还田玉米秸秆的腐解质量减少率因土壤含水量的不同而不同(表1)。腐解前期(播后0～74 d)，秸秆质量迅速降低，干旱、轻旱和适宜水分条件下玉米秸秆质量减少率分别为39.12%，43.72%和45.46%，干旱处理下玉米秸秆质量减少率显著低于轻旱和适宜水分处理；腐解中期(播后74～133 d)的秸秆腐解量较小，干旱、轻旱和适宜水分处理的秸秆质量减少率分别为2.84%，1.41%和5.50%；播种133 d后，玉米秸秆又进入快速腐解期。随土壤含水量的提高，秸秆质量累计减少量增加，即适宜水分处理>轻旱处理>干旱处理，干旱处理下秸秆质量减少率显著低于其他处理。这表明，在小麦生育期间，适宜的土壤含水量有利于还田玉米秸秆腐解，而干旱不利于玉米秸秆腐解。

表1 土壤水分对麦田还田玉米秸秆腐解的影响Table 1 Influence of soil moisture on decomposition of maize stalks

同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Data followed by different small letters within the same columns mean significant difference at 0.05 level.The same in other tables.

2.2 土壤水分对麦田还田玉米秸秆氮素释放的影响

由表2可知，秸秆氮素释放速率随着秸秆腐解时间的延长基本表现为“快-慢-快”的趋势。土壤水分含量显著影响腐解前期(播种后70～133 d)还田玉米秸秆中氮素的释放速率，而播后162 d(拔节期)和228 d(成熟期)，不同土壤水分条件下秸秆的氮素释放率则基本一致。秸秆腐解前期(0～133 d)，干旱处理下的秸秆氮素释放率显著低于轻旱和适宜水分处理；播种后0～74 d，秸秆氮素释放率较大，而74 ～133 d(越冬期-起身期)，秸秆氮素释放量较小，干旱、轻旱和适宜水分处理秸秆氮素释放率分别为5.6%，3.85%和1.94%。播种133 d后，还田玉米秸秆的氮素释放率迅速增大，播种后192 d(灌浆期)，干旱处理下的秸秆氮素释放率最高，并显著高于适宜水分处理(25.26%)。播种后228 d(成熟期)，不同土壤水分处理间还田玉米秸秆氮素释放率的差异均未达显著水平。轻旱和适宜水分处理间秸秆氮素释放率在相同时期的差异均未达显著水平。

表2 土壤水分对麦田还田玉米秸秆氮素释放率的影响Table 2 Influence of soil moisture on nitrogen release rate of maize stalk returning %

2.3 不同土壤水分条件下玉米秸秆还田对耕层土壤肥力的影响

2.3.1 对土壤有机质含量的影响

由表3可知，在小麦越冬期和成熟期，玉米秸秆还田处理麦田0～25 cm耕层土壤的有机质含量分别为11.3～11.46 g·kg-1和9.55～10.4 g·kg-1，与CK相比均表现为提高，幅度为17.2%～16.1%，秸秆处理方式对不同时期麦田土壤有机质含量的影响达显著或极显著水平。小麦成熟期，秸秆还田下，随着土壤水分含量的提高，土壤有机质含量均逐渐升高；秸秆不还田处理下，土壤有机质含量逐渐降低，较播前的增加率分别为-8.60%～3.17%和-11.65～-5.04%；在适宜水分条件下，秸秆还田土壤有机质含量显著高于干旱；秸秆不还田土壤有机质含量在处理间无显著差异。上述结果说明，玉米秸秆还田可增加麦田耕层土壤有机质含量，增加幅度与土壤水分含量相关。

表3 不同处理对耕层土壤有机质含量的影响Table 3 Influence of different treatments on content of soil organic matters within 0-25 cm top soil

PRS:Maize stalks treatment; SMC:Soil moisture content; IA:Interaction; SOM:Soil organic matters.*:P<0.05; **:P<0.01.The same below.

2.3.2 对土壤碱解氮含量的影响

由表4可知，不同生育时期玉米秸秆还田土壤0～25 cm土层碱解氮含量为53.87～65.05 g·kg-1，较CK提高11.65%～23.10%，平均增幅达17.28%；秸秆还田与否对土壤碱解氮含量的影响达极显著水平。秸秆还田和不还田条件下，拔节至灌浆期，干旱处理的土壤碱解氮含量均大于轻旱和适宜水分处理，增加幅度分别为1.51%～18.99%和0.96%～18.11%；在小麦开花期，秸秆还田条件下，干旱处理土壤碱解氮含量比轻旱和适宜水分处理分别增加了17.70%和8.46%，与轻旱处理的差异达显著水平。成熟期，干旱与轻旱和适宜水分处理间土壤碱解氮含量的差异则均未达显著水平。

表4 不同处理对耕层土壤碱解氮含量的影响Table 4 Influence of different treatments on content of soil alkaline hydrolytic nitrogen within 0-25 cm top soil mg·kg-1

2.4 不同土壤水分条件下玉米秸秆还田对小麦籽粒产量、蛋白质含量及产量的影响

由表5可知，土壤水分含量对小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量及蛋白质产量的影响均达极显著水平；秸秆处理方式与土壤水分间的交互作用对籽粒产量及蛋白质产量的影响也达极显著水平。在相同秸秆处理方式下，小麦籽粒产量和蛋白质产量随着土壤水分含量的增加而增加。秸秆还田处理的籽粒蛋白质产量平均为84.64 kg·hm-2，较CK降低4.63%，差异达显著水平(P<0.05)。主要原因在于干旱条件下还田处理的小麦籽粒产量和蛋白质产量显著低于CK。干旱条件下，籽粒蛋白质含量最大，轻旱和适宜水分条件下籽粒蛋白质含量降低，但两者间差异未达显著水平。相同土壤水分条件下，秸秆处理方式对籽粒蛋白质含量影响不显著。轻旱和适宜水分条件下，还田处理的籽粒产量较不还田显著增加，蛋白质产量间的差异则未达显著水平。

表5 不同处理对小麦籽粒产量、籽粒蛋白质含量及产量的影Table 5 Influence of different treatments on wheat grain yield,grain protein content and protein yield

3 讨论

秸秆还田作为农业可持续发展的重要途径，被广泛关注。本研究结果表明，还田后玉米秸秆的腐解速率表现为“快-慢-快”的趋势，这一方面与秸秆本身的性质有关系，另外也与温度的变化有关。秸秆腐解初期主要以较易溶解的苯/醇溶性、水溶性组分为主，腐解速度较快[12]。在还田后74～133 d，小麦处于越冬-返青、起身阶段，气温较低，微生物活动减缓，秸秆腐解速度降低[9,13]。而在腐解后期，随着温度逐渐回升，微生物繁殖较快，数量增多，秸秆腐解速率加快。本研究中，成熟期不同土壤水分条件下秸秆腐解率间的差异未达显著水平，这可能是由于玉米秸秆中的木质素较稳定，分解慢[12]，使得不同水分处理间秸秆剩余质量的差异缩小。研究发现，土壤含水量对秸秆腐解具有双重作用，在一定土壤水分条件下，土壤含水量与有机肥腐殖化系数表现为正相关，然而随着土壤含水量持续增高，土壤通透性及土壤温度降低，微生物数量及微生物群落的代谢强度降低，秸秆腐解速率表现为降低趋势[9-10]。本研究结果与之基本一致。

秸秆腐解过程中，土壤微生物利用秸秆中的碳源物质大量繁殖，将秸秆中的碳同化为微生物体碳，使土壤养分向更易于作物吸收的形态转化，对作物产量和品质的形成产生良好的促进作用[14]。农作物秸秆还田是农田生态系统中腐殖质的重要来源，而腐殖质又成为土壤有机质的主要组成部分。研究认为，秸秆还田能够提高土壤有机质含量，如朱瑞祥等[15]的研究表明，连续两年秸秆还田下土壤有机质含量增加幅度可达12.2%，而未还田时土壤有机质含量则基本不变；另有研究指出，秸秆还田后土壤有机质含量、碱解氮含量均有一定程度的增加，且增加速率表现为先增加后减小[16]。本研究结果表明，秸秆还田可显著提高越冬期麦田的土壤有机质含量，成熟期麦田的土壤有机质含量较播前均有所下降(还田条件下适宜水分处理除外)，但秸秆还田处理的土壤有机质含量的下降幅度小，这说明秸秆还田对培肥土壤有利，而要想持续培肥土壤，提升或不降低地力，需借助其他途径进一步增加土壤有机质含量。

冬小麦是对氮素反应特别强烈的禾谷类作物，其中成熟期小麦植株积累氮素的73%～87%来自土壤[17]。苗峰等[18]的研究指出，秸秆还田有增加潜在养分供应的可能，秸秆还田配施氮肥可增加土壤碱解氮含量；匡恩俊等[19]通过网袋模拟秸秆还田指出，经过150 d的腐解，玉米秸秆的氮释放率为 51.1%～67.7%。本研究中，开花期干旱处理的秸秆氮素释放率最大，可能是因为微生物对氮、磷的需求达到一定的含量阈值后，才能分泌足够数量和活性的胞外酶启动对秸秆的大量分解并释放氮、磷养分[20]，而越冬期温度低，干旱处理下要达到该养分阈值需要较长的时间，所以开花期秸秆氮素才得以大量释放；另外温度回升，微生物活动增强也加速对秸秆氮素的分解[21]；微生物通过代偿性机制，通过促进秸秆分解提供自身所需氮源[22]，促进了秸秆腐解进程。秸秆还田处理下麦田的土壤碱解氮含量显著增加，并且在干旱条件下，拔节～灌浆期土壤碱解氮含量较大，原因可能是干旱胁迫抑制了植株的生长发育，从而减少作物对土壤中氮素的吸收，另外干旱处理下秸秆在开花期氮素释放量较大，进一步提高了土壤碱解氮含量。

干旱可显著增加籽粒蛋白质含量已成为共识，本研究进一步印证了此结论。灌溉量的增加抑制了花后营养器官中积累的氮素向籽粒的转运，不利于籽粒蛋白质含量的提高[23]。本研究中，水分显著影响小麦的产量及籽粒蛋白质产量，但秸秆还田对小麦产量及籽粒蛋白质产量的影响不显著。这说明，本研究中，与秸秆不还田相比，秸秆还田虽对培肥土壤有利，但在较短的还田年限内，秸秆还田并没有表现出显著的增产效应。在不同的土壤水分条件下，小麦产量和蛋白质产量对秸秆还田的响应不一(表5)，但是这说明水分与秸秆还田的交互效应显著影响小麦的产量和蛋白质产量。在干旱条件下，秸秆还田显著降低了小麦的产量和蛋白质产量；而在轻旱和适宜水分条件下，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理的产量和蛋白质产量分别提高了5.63%～6.96%和1.90%～7.32%。这可能是因为土壤水分状况与秸秆腐解密切相关[8,11]，在干旱条件下，秸秆腐解造成微生物与植株竞争水分，加重植株的水分胁迫，不利于植株生长及产量形成。通过两年的秸秆还田试验得出，在水分状况较好的情况下，秸秆还田能够改善土壤水分状况，促进根系生长并能延缓根系衰老，增加土壤贮水消耗量，最终提高作物产量[11]。因此，合理的水分管理是秸秆还田效应最大化的关键。本研究秸秆还田的年限较短，秸秆腐解特征、土壤肥力及产量等对秸秆还田响应的有关结论还需要进一步通过连续多年的秸秆还田定位试验进行补充及验证。