秸秆还田对梓潼江流域土壤肥力及粮食生产的影响

郑雅婷，王学春，胡 瑶，杨国涛，赵长坤，胡运高

(西南科技大学水稻研究所，四川 绵阳 621010)

【研究意义】梓潼江是涪江水系流域面积最大的支流，达到5200 km2，同时是涪江流域农业最发达的区域。梓潼江流域主要地形为丘陵或山地，平坝地形面积小。丘陵或山地区域主要种植小麦、玉米、油菜、豆类、薯类等作物，种植模式主要有小麦-玉米、油菜-玉米、小麦-玉米-豆类或薯类。平坝区主要种植模式为油菜-水稻和小麦-水稻。近年来，随着秸秆还田的推行，大部分秸秆以不同方式还田。当前，常用的秸秆还田方式主要有直接还田和间接还田，其中直接还田主要有覆盖还田、翻压还田、留高茬还田等类型[1]，间接还田包括堆沤还田、过腹还田、过圈还田等类型[2]。小麦-玉米、油菜-水稻、小麦-水稻等种植模式主要采用翻埋或覆盖还田，间接还田常见于大型养殖场周边。【前人研究进展】秸秆中富含氮磷钾及微量营养元素，秸秆作为物质和养分的载体，是粮食作物生产中重要的养分来源[3]。秸秆还田是目前一项应用普遍的影响土壤肥力和粮食生产的措施，符合绿色可持续发展要求[4]，能够明显增加土壤养分含量。研究表明，秸秆还田能够使耕层土壤中有机碳含量提高6%～14%[5]，全氮含量增加3.5%～20.83%[6-7]。土壤有机质含量越高，蓄墒保水能力越好，更有利于作物生长发育，进而实现增产。然而，秸秆还田也可能带来一定的不利影响，若还田方式选择不当，则可能会加重粮食作物的病虫害危害[8]，影响作物出苗[9]，降低播种质量和作物产量。秸秆养分的释放与秸秆施入土壤后的腐解速度和腐解程度有关，不同的秸秆还田方式具有不同的腐解特点和养分释放规律，并会产生不同的农田效应和经济效益。田平[10]等通过试验表明，秸秆炭化还田对水稻产量和土壤养分的增加幅度明显高于秸秆直接还田、秸秆粉碎还田。在梓潼江流域，秸秆堆沤还田的应用引起广泛关注。方华舟等[11]提出秸秆在堆沤过程中，可以有效减少病原及虫卵。秸秆经堆沤处理后还田，有机物质等养分物质被充分腐熟，有机碳含量高，提高了养分利用效率，促进作物生长能力更强。【本研究切入点】关于秸秆还田在培肥土壤和作物增产方面的作用，已有大量研究。而针对梓潼江流域秸秆还田生态效益和经济效益的研究较为缺乏。【拟解决关键问题】本研究通过调查梓潼江流域96个试验点，分析不同秸秆还田方式对土壤养分、不同作物产量及经济效益的影响，明确适宜梓潼江流域农业生产的秸秆还田方式，为充分利用、合理利用秸秆资源提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

梓潼江发源于江油市马角镇北大堰山，在射洪县合江村汇入涪江，是培江水系左岸最大支流，年均径流量55 m3/s。梓潼江流域面积为5200 km2，海拔高度299～700 m，年均气温16.5 ℃，年均降水量978.54 mm，无霜期274 d属亚热带偏干湿润丘陵区气候，适宜种植水稻、小麦、油菜等作物。

1.2 试验设计

本研究连续两年在梓潼江流域共设置96个试验点(图1)，其中种植水稻、油菜、小麦和玉米的试验点各24个，主要分布区域如表1所示。所有试验点的轮作方式为油菜-水稻或小麦-玉米。所有试验点均使用前茬作物作为秸秆，并在作物收获时就地还田。每种作物均调查4种秸秆还田方式，包括秸秆不还田(BR)、秸秆覆盖还田(FR)、秸秆翻埋还田(MR)和秸秆堆沤还田(DR)。

表1 各作物调查点分布区域

1.3 取样与测定方法

待作物成熟后(水稻在9月下旬，玉米在9月初，油菜在5月初，小麦在5月中下旬)，用挖方法测定每个处理作物产量，水稻和小麦选取面积为1 m2，油菜和玉米选取面积为2 m2，并准确丈量挖方面积，测产区域力求分布均匀且具有代表性。每个试验点重复3次，用于估算作物产量。同期在长期进行秸秆不还田与还田区域采集耕作层( 0～20 cm)土壤土样，利用土钻取土，取土方法为三点取样法。得到秸秆不还田、秸秆覆盖还田、秸秆翻埋还田和秸秆堆沤还田土样各24个，用于土壤肥力测定。

土壤肥力测定方法[12]：采用凯氏定氮法测土壤全氮含量，采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量，采用外加热法测定土壤有机质。

农资投入成本包括种植作物所需种子、肥料、农药的费用。劳工和机械投入成本包括所用人工和机械器材的费用。产值则需要通过谷物售卖价格来计算。种子、肥料和农药的价格和用量、人工和机械价格和用量、谷物售卖价格均通过向农户调查后，进一步取平均而得。

1.4 数据处理

土壤全氮、碱解氮、有效磷、有机质含量和作物产量均为3个重复的平均值；采用Microsoft Excel 2010进行数据整理及表格绘制，用SPSS24.0进行差异显著性分析(P<0.05)。

秸秆还田的经济效益用经济产投比、净产值、成本产出率、劳动生产率和劳动盈利率5个指标来衡量。

经济产投比=产值/农资投入成本

净产值(万元/hm2)=产值-农资投入成本

成本产出率=净产值/农资投入成本

劳动生产率=产值/劳工和机械投入成本

劳动盈利率=净产值/劳工和机械投入成本

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对土壤肥力的影响

与秸秆不还田(BR)相比(表2)，秸秆覆盖(FR)、翻埋(MR)和堆沤(DR)还田土壤全氮分别增加了12.10%、14.22%、24.85%，碱解氮增加了1.25%、2.06%、8.08%，有效磷增加了38.17%、44.07%、44.27%，有机质含量增加了2.76%、4.85%、9.78%。DR处理全氮含量显著高于BR处理，FR与MR间差异不显著，但均显著高于BR，显著低于DR。DR处理碱解氮含量显著高于FR、MR和BR处理，FR、MR和BR间差异不显著。FR、MR和DR处理有效磷含量显著高于BR处理，FR、MR和DR间差异不显著。MR和DR处理有机质含量较BR处理显著增加，且DR显著高于MR，FR与BR间差异不显著。表明秸秆还田能增加土壤养分，且DR处理比FR、MR处理对土壤养分的增加效果更好。

表2 不同还田方式下土壤养分含量

2.2 不同秸秆还田方式对作物产量的影响

与秸秆不还田(BR)相比(表3)，秸秆覆盖(FR)、翻埋(MR)和堆沤(DR)处理水稻产量分别提高了12.92%、11.32%、13.43%，小麦产量分别提高了12.54%、12.55%、12.73%，油菜产量分别提高了10.06%、14.29%、17.23%，玉米产量分别提高了10.23%、12.69%、13.80%。FR、MR和DR处理产量平均增幅分别为油菜(13.86%) >小麦(12.61%) >水稻(12.56%) >玉米(12.24%)。FR、MR和DR处理较BR处理显著提高了水稻、油菜、小麦和玉米产量，DR处理油菜产量显著高于FR处理，MR和DR处理玉米产量显著高于FR处理。表明相较于FR和MR，DR处理对作物增产效果更好。不同作物之间，油菜增产幅度最大。

表3 不同秸秆还田方式下粮食作物产量

2.3 不同秸秆还田方式对作物经济效益的影响

与秸秆不还田(BR，表4)相比，秸秆覆盖(FR)、翻埋(MR)和堆沤(DR)处理使水稻、净产值分别提高22.5%、22.5%、41.6%，小麦净产值分别提高75.8%、36.4%、75.8%，油菜净产值分别提高66.7%、75.8%、142.9%、玉米净产值分别提高13.9%、46.5%、72.1%。对于水稻，FR、MR处理经济产投差异不大，但较BR处理高，较DR处理低。DR处理净产值、成本产出率及劳动盈利率均最高，FR处理劳动生产率最高。对于小麦，FR和DR处理经济产投比差异不大，FR和DR处理净产值、成本产出率、劳动生产率、劳动盈利率均较高。对于油菜和玉米，经济产投比、净产值、成本产出率、劳动生产率及劳动盈利率均在DR处理条件下最高。表明秸秆还田能提高作物经济效益，对于水稻、油菜和玉米，DR处理效果最好，对于小麦，FR处理效果最好，DR处理次之。

表4 不同秸秆还田条件下粮食作物的经济效益

3 讨 论

3.1 不同秸秆还田方式对土壤肥力的影响

连续两年的调查结果表明，秸秆覆盖、翻埋、堆沤还田都能增加土壤养分含量，与多数研究结果一致[13-15]。3种还田方式下，堆沤还田处理土壤养分含量均高于覆盖还田和翻埋还田，对土壤的培肥效果最好。王明达[16]研究表明，与秸秆直接还田相比，秸秆腐熟后还田的有机质含量、全氮含量和有效磷含量分别增加了3.93%、5.30%、5.33%。本研究结论与之相近，较覆盖和翻埋还田，堆沤条件下有机质含量平均增加了5.44%，全氮含量平均增加了9.37%，有效磷含量增加了2.19%。

有机质含量是衡量土壤养分的重要指标之一。堆沤还田处理下的土壤有机质含量分别较覆盖、翻埋还田提高6.39%、4.49%。土壤有机质的积累和水解作用不仅直接影响土壤全氮含量的变化，而且有机阴离子与磷酸根离子间存在竞争作用，导致土壤固磷作用相对减弱，从而增加土壤有效磷含量。直接还田秸秆腐解速度慢，腐解率低，养分不易释放，土壤培肥效果较差[10]，且覆盖和翻埋处理对秸秆组织结构的破坏较小。土壤腐殖质对改善土壤物理性状、提高土壤养分含量至关重要，秸秆经堆沤后还田，能够显著增加土壤腐殖质含量，并对腐殖质结构有一定改善作用。腐熟秸秆施入土壤较未腐熟秸秆能为土壤微生物提供更为丰富的有机物质和能源，土壤微生物活力更加旺盛，进而加速了养分的释放，增加了土壤肥力，更好地调节了土壤性状[16]。

3.2 不同秸秆还田方式对粮食作物产量和经济效益的影响

秸秆还田对水稻、油菜等主要粮食作物产量的影响已有大量研究，与大多数研究结果相似[17-19]，秸秆覆盖还田、翻埋还田和堆沤还田水稻、油菜、小麦和玉米产量均显著高于秸秆不还田。并且秸秆堆沤还田效果最佳。产生这一结果的原因是秸秆经堆沤处理后最易被土壤吸收，覆盖秸秆和翻埋秸秆还需要较长一段时间进行腐解，转化为易被吸收的养分。养分含量是否充足直接影响到作物的生长，土壤养分充足，蓄水保墒能力强，植株生长旺盛，从而获得更高的产量[6]。本研究结论与之一致，土壤养分含量趋势与产量趋势一致，这也是堆沤处理土壤养分含量最高，产量最高的原因。

不同的秸秆处理方式，所需要的成本有所不同，对土壤的培肥效果不同、对作物产量存在不同程度的影响，最终经济收益也不同。秸秆还田能够带来极大的经济效益，黄鹂[20]等研究表明，秸秆还田使当年纯收益增加10.49%。吴玉红[21]等认为秸秆促腐还田的经济效益显著高于常规还田。本调查结果表明，水稻、油菜和玉米的净产值、成功产出率、劳动盈利率均表现为堆沤处理略高于覆盖处理和翻埋处理，这可能与堆沤处理产量较高有关。而对于小麦，净产值、成功产出率、劳动盈利率在堆沤处理和覆盖处理间无明显差别。翻埋处理较不还田而言，成本增加，但对油菜净产值仅增加了3.4%，增加幅度明显小于覆盖(27.6%)和堆沤(58.62%)还田，在其他3种作物叶表现为相似结果。堆沤还田虽然明显提高了劳工和机械投入成本，但降低了劳工投入成本，而且经济效益增幅均较高。

4 结 论

在梓潼江流域，秸秆还田对土壤培肥效果优于不还田，且堆沤还田优于覆盖和翻埋还田；堆沤还田增产效果优于覆盖和翻埋还田。对于水稻、油菜和玉米，堆沤还田经济效益优于覆盖和翻埋还田；对于小麦，覆盖还田经济效益优于翻埋和堆沤还田。综合分析耕层土壤培肥效果、作物产量及经济效益，堆沤还田更有利于梓潼江流域水稻、油菜和玉米田的培肥和粮食生产。