不同秸秆还田方式对小麦产量及土壤养分与生理活性的影响

姚 远，马 泉，郑国利，李春燕,2，丁锦峰,2，朱 敏,2，郭文善,2，朱新开,2,3

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏扬州 225009； 2.粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009； 3.教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室，江苏扬州 225009)

中国是农业大国，秸秆资源丰富，每年产出农作物秸秆近7亿t[1]。随着农作物产量骤增，农作物秸秆资源量也不断增长，过剩的秸秆资源如何处理成为难题。目前中国秸秆资源的利用有三种途径，一是直接作为肥料还入田间；二是经过加工作为饲料原材料；三是作为工业生产原料，发展生物石化能源[2]。

有关秸秆还田对作物产量以及土壤肥力、酶活性等影响的研究很多，但由于涉及到秸秆还田方式、还田量、还田深度等因素，结果不尽一致。前人研究认为，水稻秸秆直接还田使土壤孔隙度增大，土壤通风失墒快，致使小麦出苗率和幼苗素质下降，从而造成冬小麦有效穗数降低[3-4]，但水稻秸秆直接还田可以增加土壤碳素和氮素的供应，增加土壤脲酶和蔗糖酶的活性，特别是长期使用后的效应更加明显[5-6]。也有研究表明，秸秆直接焚烧后还田可造成0～5 cm土层土壤有机质和氮素含量的减少[7]，同时导致多种酶活性降低[8]，但可以增加土壤中磷素和钾素的含量，并有一定的去除病虫害的能力[9]。近年来部分省市相继开工建设秸秆发电项目，致使秸秆消耗量递增，电厂发电后产生的草木灰的合理利用也受到广泛关注[2]。易 姝等[10]研究表明，草木灰还田可以在一定程度上保持土壤墒情，提高土壤pH。但截至目前，有关秸秆直接还田与草木灰还田对土壤养分含量、酶活性以及作物产量的影响到底有多大差异，还鲜有报道。因此，本研究基于秸秆还田与草木灰还田试验，探讨不同秸秆还田方式对小麦产量以及小麦成熟期土壤有机质含量、氮素含量和酶活性的影响，以期为秸秆高效、合理还田提供 依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2018-2019年度和2019-2020年度在扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室试验场进行田间试验。前茬为水稻，土质为沙壤土，土壤基础肥力如表1所示，秸秆中养分如表2所示。

表1 试验田土壤基础肥力状况

表2 供试秸秆养分含量

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设3个处理：(1)秸秆直接还田处理，两个试验年度秸秆均是水稻秸秆全量还田，秸秆还田量为9 000 kg·hm-2，于播种前人工抛匀，旋耕进土壤中。(2)草木灰还田处理，草木灰为同类等量秸秆焚烧形成，于播种前人工抛撒均匀，旋耕进土壤中。(3)秸秆不还田处理(对照)，田间表面无秸秆，仅留稻桩。各处理施氮量均为225 kg·hm-2，氮肥运筹比例为基肥∶状蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥= 5∶1∶2∶2，基肥于播种前施用，状蘖肥于4～5叶期施用，拔节肥于叶龄余数2.5时施用，孕穗肥于倒1叶期时施用；磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)施用量均为120 kg·hm-2，在播种前和拔节期分两次施用。供试小麦品种为扬麦25，分别于2018年11月2日和2019年10月30日播种，小区播种机条播，基本苗225×104株·hm-2，行距27 cm，小区面积 8.4 m2，重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素测定

于小麦成熟期，每个小区选取3个1 m行长，测其穗数；连续取40～60个穗，测定穗粒数。人工计数测定千粒重，按13%水分计算千粒重，重复3次。成熟期每小区收割1.08 m2测定产量。

1.3.2 土壤有机质和氮素含量的测定

于小麦成熟期，采用五点取样法，每个处理采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的土壤样品，样品经风干后研磨、过100目筛分装用于测定养分含量。采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机碳的含量，然后计算有机质的含量(有机质含量=有机碳含量×1.724)；用靛酚蓝比色法测定铵态氮含量；用紫外分光光度法测定硝态氮含量。

1.3.3 土壤脲酶和蔗糖酶活性的测定

土壤取样方法同1.3.2，置于-80 ℃贮藏，待测时样品经风干后研磨、过50目筛分装，用于土壤酶的测定。土壤中脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定；蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定。

1.4 数据分析

采用Excel 2003进行数据统计和绘图，采用DPS 7.5数据处理系统进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对小麦产量及其构成因素的影响

由表3可以看出，不同秸秆还田方式对小麦产量的影响不同。与秸秆不还田处理相比，两个试验年度草木灰还田处理的产量均显著提高，增幅分别为13.65%和6.70%；与秸秆直接还田处理相比，草木灰还田处理的产量在2018-2019年度显著提高，而在2019-2020年度无显著差异；秸秆直接还田处理的产量与秸秆不还田处理相比，在2018-2019年度无显著差异，在2019-2020年度显著提高。分析作物产量构成三要素发现，不同秸秆还田方式间对产量影响较大的是穗数和千粒重，草木灰还田处理的穗数在2018-2019年度显著高于秸秆直接还田处理，而与秸秆不还田处理间无显著差异，秸秆直接还田处理与秸秆不还田处理之间的产量也无显著差异；在2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦穗数差异显著，表现为草木灰还田处理>秸秆不还田处理>秸秆直接还田处理。不同秸秆还田方式在2018-2019年度对小麦穗粒数无显著差异；在2019-2020年度草木灰还田处理、秸秆不还田处理的穗粒数显著低于秸秆直接还田处理，且草木灰还田处理与秸秆不还田处理间无显著差异。千粒重在2018-2019年度以草木灰还田处理最高，且显著高于秸秆不还田处理和秸秆直接还田处理；在2019-2020年度以秸秆直接还田处理最高，显著高于秸秆不还田处理和草木灰还田处理，且秸秆不还田处理和草木灰还田处理间无显著差异。表明在本试验条件下，草木灰还田具有一定的增产效应，表现为增穗增产，秸秆直接还田也能适当提高小麦产量，但主要是增加了小麦的穗粒数和千粒重。

表3 不同秸秆还田方式对小麦产量及其构成因素的影响

2.2 不同秸秆还田方式对土壤有机质含量的影响

从表4可以看出，2018-2019和2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦成熟期0～20 cm土层土壤有机质含量有显著影响，且不同秸秆还田方式处理下0～20 cm土层土壤有机质含量差异显著，两年度均表现为秸秆直接还田处理>秸秆不还田处理>草木灰还田处理，其中秸秆直接还田处理的土壤有机质含量在两个年度比秸秆不还田处理分别增加27.51%和19.33%，而草木灰还田处理的土壤有机质含量则均显著下降；随着土层的深入，土壤有机质含量趋于平稳，20～40 cm和40～60 cm土层中，草木灰还田处理的土壤有机质含量最高，但与其他两个处理间无显著差异。这表明秸秆直接还田有利于耕层土壤贮存有机质，能显著增加0～20 cm土层土壤有机质含量，而草木灰还田在一定程度上不利于表层土壤有机质的积累，深层土壤略有改善。两个试验年度土壤深层有机质含量存在差异，可能是由于气候条件不一致导致的土壤水分不同，进而造成秸秆腐解速度不一致有关。

表4 不同秸秆还田方式对土壤有机质含量的影响

2.3 不同秸秆还田方式对土壤氮素含量的影响

由表5可知，2018-2019年度和2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦成熟期各土层土壤的硝态氮含量均有显著影响。不同秸秆还田方式处理下0～20 cm土层土壤硝态氮含量差异显著，两年度均表现为草木灰还田处理>秸秆不还田处理>秸秆直接还田处理，其中，2018-2019年度和2019-2020年度草木灰还田处理的土壤硝态氮含量比秸秆不还田处理分别提高11.89%和 9.88%，说明草木灰还田处理能够显著增加0～20 cm土层土壤的硝态氮含量；20～40 cm土层土壤硝态氮含量在两个试验年度均表现为秸秆直接还田处理显著低于秸秆不还田处理和草木灰还田处理，且草木灰还田处理和秸秆不还田处理之间差异不显著，说明秸秆直接还田处理显著降低了20～40 cm土层土壤的硝态氮含量；40～60 cm土层土壤硝态氮含量在两个试验年度均表现为草木灰还田处理与秸秆直接还田处理差异不显著，但均显著小于秸秆不还田处理，表明无论秸秆直接还田还是草木灰还田，在一定程度上均可减轻40～60 cm土层土壤中硝态氮的淋溶。

表5 不同秸秆还田方式对土壤氮素含量的影响

2018-2019年度和2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦成熟期各土层土壤铵态氮含量均有显著影响。小麦成熟期0～20 cm土层土壤的铵态氮含量均最高，不同处理下0～20 cm土层土壤铵态氮含量在两年度均表现为草木灰还田处理>秸秆不还田处理>秸秆直接还田处理，其中草木灰还田处理的土壤铵态氮含量在两个年度分别比秸秆不还田处理提高16.07%和17.14%，说明草木灰还田处理能够显著增加0～20 cm土层土壤铵态氮含量；秸秆不还田处理下20～40 cm和40～60 cm土层土壤铵态氮含量在两个试验年度均最高，显著高于秸秆直接还田处理和草木灰还田处理，且草木灰还田处理均显著高于秸秆直接还田处理(除 40～60 cm土层土壤铵态氮含量在2018-2019年度秸秆直接还田处理和草木灰还田处理间无显著差异)，说明无论秸秆直接还田还是草木灰还田，在一定程度上均可减轻20～40 cm和40～60 cm土层土壤铵态氮的淋溶。结合土壤有机质含量变化结果可以看出，在相同施氮量下，秸秆直接还田处理把一定量的土壤硝态氮和铵态氮转换成了有机氮。

2.4 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响

由表6可知，2018-2019年度和2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦成熟期各土层土壤脲酶活性均有显著影响。两个试验年度0～20 cm、20～40 cm土层均以秸秆直接还田处理的土壤脲酶活性最高，且显著高于秸秆不还田处理和草木灰还田处理(除2019-2020年度20～40 cm土层中秸秆直接还田处理与草木灰还田处理无显著差异外)。另外，0～20 cm土层草木灰还田处理的土壤脲酶活性在2018-2019年度显著高于秸秆不还田处理，在2019-2020年度两处理间无显著差异；20～40 cm土层中草木灰还田处理的土壤脲酶活性在2019-2020年度显著高于秸秆不还田处理，而在2018-2019年度无显著差异。40～60 cm土层中草木灰还田处理的土壤脲酶活性在两个试验年度均最高，在2018-2019年度显著高于秸秆直接还田处理和秸秆不还田处理，且秸秆直接还田处理显著高于秸秆不还田处理；在2019-2020年度显著高于秸秆不还田处理，且秸秆直接还田处理与秸秆不还田处理间无显著差异。说明秸秆直接还田处理能够显著提高0～20 cm和20～40 cm土层土壤的脲酶活性，而草木灰还田处理能显著提高深层(40～60 cm)土壤的脲酶活性。

表6 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响

2018-2019年度和2019-2020年度不同秸秆还田方式对小麦成熟期各土层土壤蔗糖酶活性均有显著影响。0～20 cm土层中不同秸秆还田方式处理的土壤蔗糖酶活性在两个试验年度均差异显著，表现为草木灰还田处理>秸秆直接还田处理>秸秆不还田处理；20～40 cm土层中草木灰还田处理的土壤蔗糖酶活性与秸秆直接还田处理在两个试验年度均无显著差异，在2019-2020年度显著高于秸秆不还田处理。40～60 cm土层中秸秆直接还田处理的土壤蔗糖酶活性在 2018-2019年度与草木灰还田处理无显著差异，均显著高于秸秆不还田处理；2019-2020年度秸秆直接还田处理的土壤蔗糖酶活性显著高于草木灰还田处理和秸秆不还田处理，且草木灰还田处理显著高于秸秆不还田处理。说明草木灰还田处理能显著提高0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm各土层中土壤蔗糖酶活性，促进土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖，增加土壤中易溶性营养物质的含量，而秸秆直接还田处理能显著提高0～20 cm和 40～60 cm土层的土壤蔗糖酶活性。

3 讨 论

3.1 不同秸秆还田方式影响小麦产量的原因 分析

3.1.1 调控小麦产量及其构成因子形成

前人研究发现，秸秆直接还田会降低小麦穗数，一方面秸秆直接还田会使出苗率降低[3]；另一方面秸秆的分解在前期会消耗土壤中大量氮素，导致小麦苗期幼苗质量不佳[11]，而连续的水稻秸秆直接还田会增加小麦产量[6]。本试验结果表明，两个试验年度秸秆直接还田处理的产量均高于秸秆不还田处理，这可能与本试验点进行了连续几年的秸秆还田处理有关，但不同秸秆还田方式对产量与产量构成要素的影响不同，草木灰还田处理的增产效应表现为增穗增产，可能是因为草木灰的特性极易吸水，又具备植物所需的养分[12]，使得小麦幼苗质量好，增加了小麦穗数；秸秆直接还田处理的增产效应则主要是增加了小麦的穗粒数和千粒重，而单位面积穗数略有下降，这和前人研究结果基本一致[4,6,11]。因此，小麦生产过程中采用不同的秸秆还田方式，对产量与产量构成要素的影响不同，采用的技术途径与技术措施应有差异，有待进一步深入探讨。

3.1.2 调控土壤理化性状与土壤酶活性

土壤有机质包括各种动植物残体以及微生物及其生命活动的各种有机代谢产物，为作物提供所需的各种营养元素，可以改善土壤的结构性、通气性和吸附性，与小麦的产量有一定的相关性[13]。张 静等[14]研究表明，玉米秸秆翻压还田可以增加0～40 cm土层土壤有机质含量。在本试验条件下，两年度水稻秸秆直接还田处理有利于增加小麦成熟期0～60 cm土层土壤中的有机质含量，且在0～20 cm土层达到显著水平，原因可能是水稻秸秆中有机碳在土壤中腐解形成有机质。但不同秸秆还田方式对土壤有机质含量的影响不同，本研究结果表明，两个试验年度草木灰还田处理显著降低小麦成熟期耕层(0～20 cm)土壤有机质含量，而在20～60 cm土层土壤有机质含量有增加的趋势。与前人研究相比，有异同之处。易 姝等[10]在盆栽试验中的研究结果表明，秸秆灰施入土壤对土壤有机质含量影响很小。本研究大田试验条件下的结果与之不一致，可能原因一是试验方法不一样，二是草木灰对不同层次土壤有机质分布有影响，一方面草木灰会促进小麦根系对土壤养分的吸收[15]，造成表层土壤有机质含量下降；另一方面草木灰会增加土壤对水的入渗速率[16]，同时草木灰中一部分有机碳是稳定的固体芳香烃[17]，这种物质会随着水的渗入进入到土壤深层，导致土壤表层有机质含量减少，深层有机质含量有所增加。

硝态氮是土壤中存在和植株极易吸收利用的主要氮素形态[18]。两年度试验结果表明，水稻秸秆直接还田处理降低了小麦成熟期0～60 cm土层土壤硝态氮含量，与韩明明[19]研究玉米秸秆直接还田对0～120 cm土层土壤硝态氮含量的影响一致。水稻秸秆直接还田处理导致土壤速效氮素含量降低，这可能与秸秆腐解导致土壤微生物增加，土壤微生物可以把土壤氮素固持在土壤中有关[20]。而邹清祺等[21]研究表明，秸秆焚烧还田会提高土壤硝态氮含量。本研究发现，与秸秆不还田处理相比，0～40 cm土层土壤中草木灰处理的硝态氮含量提高，这可能与草木灰有较大的比表面积和较强的吸附作用有关[22]，但在40～60 cm土层中草木灰处理的土壤硝态氮含量降低，说明草木灰有一定防止土壤速效养分淋溶的能力。

两年度试验结果表明，水稻秸秆直接还田处理对小麦成熟期0～60 cm土层铵态氮含量的影响与硝态氮的影响一致，都呈下降趋势。草木灰还田处理对小麦成熟期土壤铵态氮的影响在0～20 cm和40～60 cm土层土壤硝态氮的影响一致，而在20～40 cm土层土壤铵态氮含量小于秸秆不还田处理，这可能与草木灰还田会增加土壤pH[10]有关，pH的增加会促进土壤硝化反应的进行[23]，使得土壤铵态氮向土壤硝态氮转变，进而造成20～40 cm土层铵态氮含量降低。

土壤酶活性是土壤肥力的一个重要指标，在很大程度上反应了土壤中物质循环与转化的强度[24]，影响植株的生长。本研究结果表明，水稻秸秆直接还田处理提高了0～60 cm土层土壤的脲酶活性，原因可能是秸秆腐解为土壤带来大量有机物，有利于增加土壤微生物的数量，从而提高土壤脲酶活性[25]。草木灰还田处理提高了0～60 cm土层土壤的蔗糖酶活性，原因可能是土壤中速效养分的增加促进小麦的代谢活动，促进蔗糖酶活性提高[15,26]。而在40～60 cm土层中不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响与耕作层(0～20 cm)不同，40～60 cm土层中草木灰还田处理的土壤脲酶活性高于水稻秸秆直接还田处理，可能与草木灰吸附尿素渗入到土壤深层有关[27]；而水稻秸秆直接还田处理的土壤蔗糖酶活性高于草木灰还田处理，可能与土壤微生物数量有关[25]。不同秸秆还田方式对深层土壤酶活性的影响还需进一步探究。

3.1.3 调控植株生长状况

前人研究表明，玉米[28]、水稻[4]秸秆直接还田会使越冬期和拔节期小麦幼苗茎蘖数减少，而在小麦孕穗期则相反[28]；也有研究表明，虽然水稻秸秆直接还田处理的小麦孕穗期茎蘖数少于秸秆不还田处理，但由于水稻秸秆直接还田对土壤养分的补偿效应，该处理的小麦叶面积指数高于秸秆不还田处理[6]；生物质炭还田处理也显著影响冬小麦的茎蘖数与旗叶叶面积[17]。本试验结果表明，秸秆直接还田处理下土壤脲酶和蔗糖酶活性均有所提高，但苗期生长不如秸秆不还田处理，分蘖数减少，叶面积指数降低(未发表)，因而不利于穗数的形成，但中后期随养分释放，土壤供肥能力增加，促进了穗分化与发育，穗粒数和粒重提高。草木灰还田处理则表现出与秸秆直接还田处理不一样的养分供应能力，有利于小麦幼苗质量提高，分蘖数增加，但在中后期因养分供应不足，导致小麦籽粒千粒重有所下降。

3.1.4 调控其他因素

土壤微生物是土壤有机质和速效养分的一部分，是重要的植物养分储备库[29]。前人研究认为，稻草秸秆还田处理可显著提高土壤微生物碳和微生物氮的含量[30]，同时土壤微生物的增加促进还田秸秆的腐解[31]，而秸秆的腐解会增加土壤氮素的固定[32],本试验秸秆直接还田处理对土壤氮素的影响与之基本相符。Wang等[33]研究表明，生物炭施入土壤中土壤酶活性与细菌多样性之间存在关联；Otsuka等[34]发现，生物炭入土后土壤细菌多样性显著增加，并显著提高了土壤氮素循环相关酶的活性。本试验草木灰还田处理对土壤酶活的影响与之相吻合。

3.2 秸秆炭化还田的有效利用

由于秸秆直接焚烧存在严重的环境负面效应，当前国家禁止秸秆直接焚烧还田。梁星星等[12]认为，生物质发电厂采用秸秆炭化设备和炭基肥生产设备可以实现秸秆的回收和草木灰的高效利用，是未来解决草木灰来源的潜在途径。本研究表明，水稻秸秆炭化后形成的草木灰有较好的应用效果，能提高土壤养分含量和小麦产量。但由于草木灰同等质量下相对体积偏大，养分含量少，影响运输与施用。因而，可采取相关设备与措施使草木灰形态固形化，添加相应养分制成草木灰颗粒肥料[35]，将有利于促进草木灰的农田利用。草木灰无菌无毒，持水能力较好，营养元素全面，能制成较好的育苗基质，可满足作物农业机械化的播种要求[36]，间接实现了还田的作用，其多元化利用途径将进一步深入研究。