寒区长期秸秆全量还田对水稻土理化特性的影响

董桂军，陈兴良，于洪娇，洪秀杰，袁 媛，申贵男，晏 磊，王彦杰，王伟东

(1.黑龙江省农垦总局 植保植检站，黑龙江 哈尔滨150000； 2.黑龙江省寒区环境微生物与农业废弃物资源化利用重点实验室，黑龙江八一农垦大学 生命学院，黑龙江 大庆 163319； 3.黑龙江省八五〇农场科研站，黑龙江 虎林158422；4.大庆市农业技术推广中心，黑龙江 大庆 163411 )

0 引 言

建国以来东北地区水稻发展迅速，尤其是改革开放以来的40年(1980-2018)水稻种植面积由8.4873×105hm2[1]增加至5.2624×106hm2[2]，水稻面积增加6倍，产量和品质均显著提高。种植面积逐渐提高的同时，水稻秸秆量也显著增加。秸秆焚烧处理不仅浪费资源，还会造成严重的环境污染。

在美国采用免耕或少耕的方法之后，秸秆还田受到各国的重视，并成为提升土壤有机质含量，改善土壤理化性状，提高作物产量及资源化利用秸秆[3-4]及减少化肥施用的一项主要农业措施[5]。农业发展水平较高的国家70%以上的秸秆做了还田处理，我国的还田水平还比较低，平均达到21.3%，并且目前大部分秸秆还田主要在亚热带地区进行，这主要与该地区的光热水资源丰富有关；东北地区仅有17.6%的还田水平，其中水田秸秆作还田处理不足5%[6]。秸秆还田的重点与难点均在东北地区。东北地区秋季收获期集中，冬季封冻时间长，土壤温度较低，气候干燥，直接还田秸秆分解速度缓慢，操作不当会影响春季土壤的墒情、播种、插秧质量及秋季作物的产量。尽管秸秆还田是提升土壤质量及资源化利用的好措施，但目前多数研究成果是短期结果，有必要从其对土壤理化性状及产量的影响进行长期定位的研究。为此，本研究利用黑龙江省垦区现代化机械作业程度高，地块面积大的优势，开展连续7年的秸秆机械粉碎全量还田的定位试验，研究寒区长期秸秆还田对水稻土生产力的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点与土壤理化性状

试验地点为黑龙江省八五〇农场，试验地块分别为该农场的科研站(132°90′05″E，45°53′17″N)、第五管理区20队(132°87′72″E，45°22′60″N)、第七管理区18队(132°60′11″E，45°72′25″N)、第六管理区16队(132°99′11″E，45°73′17″N)及第八管理区24队(132°65′47″E，45°75′26″N)。试验时间为2011至 2017 年。

2010年10月16日，取样测定各供试地块土壤的基础理化性状(表1)。

1.2 试验设计

试验设2个处理：(1)CK(秸秆不还田)，氮肥(基肥∶蘖肥∶穗肥为3∶5∶2)；(2)秸秆还田秸秆机械粉碎全量还田+秸秆腐熟剂，氮肥适量前移，氮肥(基肥∶蘖肥∶穗肥为4∶5∶1)；使用秸秆腐熟剂15 kg·hm-2，在春整地时将腐熟剂用泥土(或肥料)拌匀后立即撒施到铺好秸秆的田内。供试地块根据测土配方施肥，对照与处理的施肥量与肥料种类均一致。试验所用氮肥为尿素(N含量46%)，施用量225 kg·hm-2，磷肥为磷酸二铵(N含量18%，P2O5含量46%)，施用量112.5 kg·hm-2，钾肥为氯化钾(K2O含量60%)，施用量120 kg·hm-2。试验时间为2010年至2017年，每年均设置以上两个试验处理。具体施肥如下：

CK施肥，基肥：尿素67.5 kg·hm-2、磷酸二铵112.5 kg·hm-2和氯化钾75 kg·hm-2；分蘖肥：尿素112.5 kg·hm-2；穗肥：尿素45 kg·hm-2和氯化钾45 kg·hm-2。

秸秆还田施肥，基肥：尿素90 kg·hm-2、磷酸二铵112.5 kg·hm-2和氯化钾75 kg·hm-2；分蘖肥：尿素112.5 kg·hm-2；穗肥：尿素22.5 kg·hm-2和氯化钾45 kg·hm-2。

定位试验，每个试验地设置小区面积不小于100 m2，每组试验3次重复，每个小区均单排单灌。

秸秆腐熟菌剂主要由能分解纤维素、半纤维素和木质素的枯草芽孢杆菌、酿酒酵母和绿色木霉组成，有效活菌数0.5亿·g-1。供试水稻品种为龙粳31。

表1 土壤的基本性质Table 1 Soil physical and chemical properties in experimental sites

1.3 测定方法

每年水稻收获后进行土壤样品的采集。环刀法测定土壤容重，样品有机质测定采用重铬酸钾外加热法，氮、磷、钾含量、pH及土壤阳离子交换量测定均参照鲍士旦[7]的方法。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行处理，利用SPSS 19.0软件进行数据统计及差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田处理对水稻产量、土壤有机质和全氮含量的影响

图1a为供试年份内秸秆还田后水稻的产量情况，结果表明：秸秆还田处理每年产量都均高于对照，年度产量提高幅度在427～524 kg·hm-2之间。与对照相比，试验期内秸秆还田的水稻平均产量显著提高了 460 kg·hm-2。

图1 秸秆还田处理对水稻产量、土壤有机质和全氮含量的影响Fig.1 Effect of straw returning on rice yield,soil organic matter and total nitrogen

由图1b可见，秸秆还田处理后有机质含量呈递增趋势，与实施初期相比，2017年水稻土有机质增加了2.0%；与2017年不还田处理相比，2017年度有机质提高了2.0%；长期进行秸秆还田可以提升土壤有机质的含量，但增幅不显著。

土壤全氮含量是衡量土壤氮素基础肥力的指标，其含量表明土壤潜在的供氮水平。连续测定7年的秸秆还田后土壤的全氮含量见图1c，由图1c可见，秸秆还田后全氮含量呈增加的趋势；与还田初期相比，还田至7年后全氮含量增加了2.2%；与对照比，还田7年后全氮含量增加了2.3%；全氮含量虽然均有增加趋势，但差异不显著。

2.2 秸秆还田处理对土壤容重的影响

土壤容重大小是土壤孔隙优劣及衡量土壤松紧状况的重要指标之一。土壤容重与土壤肥力成反比，一般结构好、有机质含量高的土壤，容重为1.1～1.4 g·cm-3。容重过低的土壤影响作物根系的生长，养分也易流失；容重过高，透水通气差，不利于微生物的活动及养分的转化与吸收。适宜的土壤容重可促进作物生长，提高产量以及改善品质，已有研究表明，秸秆还田处理可降低土壤容重，改善土壤理化性状[3-4]。由图2可见，处理与对照的土壤容重在供试年限内均在适宜的范围内；随着秸秆还田年限的增加，土壤容重呈降低趋势；与对照相比，还田处理容重始终低于对照；供试试验期末，土壤容重显著降低了0.07 g·cm-3。

2.3 秸秆还田处理对土壤有效磷含量的影响

土壤有效磷含量是土壤供应磷素水平的指标，含量的高低反映土壤中磷素的贮量和供应能力。有效磷含量显著高于试验初期，提高了11.2%；与对照相比，2017年秸秆还田后有效磷含量显著提高，提高了10.4%。表明水稻秸秆连续还田后，可以提高土壤磷素的供应能力(图3)。

图2 秸秆还田处理后土壤容重的变化Fig.2 Effect of straw returning on soil bulk densities

图3 秸秆还田处理后土壤有效磷含量的变化Fig.3 Effect of straw returning on soil available phosphorus

2.4 秸秆还田处理对土壤缓效钾及速效钾含量的影响

土壤缓效钾是土壤速效钾的补给源，是土壤钾潜力的主要表征指标；土壤速效钾是指易被作物吸收利用的钾，其含量高低是判断土壤钾素丰缺的重要指标。由图4可见，与还田初期基础值相比，缓效钾和速效钾含量分别显著提高了14.3%和42.3%。与对照相比，连续还田最后一年的缓效钾和速效钾含量分别显著提高了14.1%和45.0%。表明秸秆还田能够显著提高缓效钾和速效钾含量。

2.5 秸秆还田处理对土壤pH和CEC的影响

随着还田年限的增加，pH值呈降低的趋势，降低了0.23%；与不还田比较，还田最后一年的pH值降低了0.21%，差异均不显著(图5)。CEC反映了土壤的缓冲能力，是土壤保肥能力和指导土壤改良的重要指标[8]，CEC值越大，土壤的肥料流失量越少，保肥性能越好[9]。随着还田年限的增加，CEC值逐渐增加，还田结束后与还田初始值相比，CEC值显著提高了7.0%(P<0.05，图5)。与不还田相比，连续还田最后一年，CEC值显著提高了6.3%(P<0.05，图5)。表明水稻秸秆连续还田增加了土壤阳离子交换量，改良了土壤。

图4 秸秆还田处理后土壤缓效钾及速效钾含量的变化Fig.4 Effect of straw returning on soil slowly-available and readily available potassium

图5 秸秆还田处理土壤pH和CEC变化Fig.5 Effect of straw returning on soil pH and CEC

3 讨论和结论

农作物秸秆还田已经成为促进耕地质量提升的重要农业措施。本试验结果表明，与不还田相比，秸秆还田显著提高了水稻产量。与不还田处理及实施初期相比，土壤容重显著降低，土壤有效磷、缓效钾、速效钾含量和CEC值均显著增加，但土壤有机质增加不显著。

土壤有机质累积量与进入土壤的有机物质量及其腐殖化系数直接相关，水稻秸秆中富含纤维素、半纤维素和木质素等含碳物质，是形成土壤有机质的主要来源。有研究认为，秸秆还田会促进秸秆周围微生物的繁殖，秸秆中有机态养分会被微生物分解释放，土壤有机质含量从而得到提高[10-11]。本试验发现，水稻秸秆还田后土壤有机质含量呈逐年增加的趋势，但均未达到显著水平。与目前较多的研究报道秸秆还田可显著提高土壤有机质含量[3-4,12]结果不一致，这可能与秸秆还田后有机质的矿化分解程度有关。

水稻植株在生长过程中吸收的养分，在成熟期有40%的氮在稻秆当中。曾木祥等[13]统计了全国60多个试验结果，秸秆还田后能提高土壤中氮素0.001%～0.1%，平均提高量为0.0014%，即秸秆还田能够补充土壤氮库。但由于水稻秸秆的碳氮比较大，还田腐解过程中存在微生物与作物争氮现象，影响苗期作物的生长，进而影响后期产量[14]。因此，水稻秸秆还田过程中需要调节配施氮肥，降低碳氮比，从而解决水稻秸秆还田过程中微生物争氮问题[15]。本研究在氮肥总量不变的情况下，将氮肥施用时期前移，协调秸秆分解与作物生长对氮的需求。研究结果表明，随着秸秆还田年限的增加，土壤有效磷、缓效钾及速效钾均呈显著增加的趋势，但全氮含量没有提高。这可能与土壤中氮的投入量与农作物成熟收获后的氮移走量达到平衡状态有关[16]。

秸秆还田对土壤磷元素的影响研究结果差异较大。张振江[17]研究表明，小麦秸秆还田10年土壤有效磷的含量显著增加；也有学者研究秸秆还田后土壤有效磷仅有增加的趋势或无明显变化[18]。结果表现不一致的原因可能与秸秆还田的数量、土壤性质、气候条件、作物种类和施肥方式等不同有关[19]。作物生长过程中吸收的钾元素80%残留在作物秸秆中[20]，而95%的钾离子可在还田2 d内释放到土壤中[21]，较多的研究表明，秸秆还田可以显著提高土壤中钾元素的含量。本试验中秸秆还田后缓效钾及速效钾含量均显著提高，表明水稻秸秆还田显著增加了钾的输入量，且高于输出量，秸秆还田后可以减少无机钾的施用以降低种植成本。

已有研究表明，氮肥的长期施用及有机氧分的长期大量投入会降低土壤pH 值，导致土壤酸化[22]。但本研究结果表明，长期秸秆还田并没有显著降低土壤的pH值，这与该研究结果全氮的含量没有显著增加有一定的相关性，表明氮肥施入量不足引起了土壤的酸化。有研究认为秸秆还田后可提高土壤的pH[23]，但也有研究表明秸秆还田对土壤pH值影响不大[24]。

水稻秸秆还田后显著提高了土壤CEC，减少了土壤养分的淋失和固定，改善了土壤养分状况，因此显著提高了水稻产量。由此认为，黑龙江省垦区采用机械粉碎全量还田的技术模式可以改善土壤的理化性状，提高水稻的产量，适合垦区生产实际情况，但在寒区的秸秆还田量及配套的耕作栽培措施还需进一步的研究。