长期秸秆还田对提高小麦-玉米轮作耕层土壤养分及产量分析

李守华

（潍坊市坊子区农业农村局，山东潍坊 261200）

0 引言

农作物秸秆是当今世界农业生产所产生的数量最多的农副产品，是农作物收获经济产量后的剩余部分，其含有大量的有机物、无机物和水，其中有机物以碳水化合物为主[1]。秸秆循环利用涉及整个农业生态系统的土壤肥力、农业生态系统循环、农村新能源利用等领域，目前已引起世界多个国家尤其是欧美农业发达国家的普遍关注[2-3]。目前一些经济发达国家通过秸秆还田等方式实现秸秆综合利用，而且数量很大[4-6]，中国作为农业大国，农作物秸秆资源非常丰富，年产农作物秸秆大于9亿t。以前，农作物秸秆常用于农民日常生活燃料和畜牧饲料，随着经济社会发展、农民生活水平提高和畜牧养殖的规模化、集约化发展，农作物秸秆不再主要用于农民日常燃料和畜牧饲料，出现大量剩余，大部分农作物秸秆被任意堆积田间地头而浪费，甚至出现在田间焚烧秸秆等现象，既浪费了能源，又造成了环境污染，与当前的农业生态环境保护和可持续发展不相适应。据测定，农作物秸秆中有机质含量约为150 g/kg，氮、磷、钾、钙、硫等元素含量也很丰富[7]。因此，实施秸秆还田把作物秸秆（玉米秸秆、小麦秸秆等）直接粉碎还田或堆积腐熟后施入土壤中，可以提高土壤肥力，改善土壤理化结构，提高土壤蓄水能力，提高作物产量等优点，在农业可持续发展中有举足轻重的作用[8]。近年来，国内外学者对秸秆还田在提高土壤肥力方面做了一些研究，取得了重要进展[9-13]，但大多周期较短，有的只是对单一小麦或玉米作物进行跟踪研究，没有揭示小麦玉米轮作产量，难以揭示长期实施秸秆还田对土壤养分以及小麦玉米综合产量的影响。因此，本研究对秸秆还田以及土壤养分含量影响等相关研究有一定的理论和实践指导意义。

1 秸秆还田定位试验方法

1.1 定位试验

从2009年小麦收获秸秆还田开始，在坊子区九龙街道穆三村实施秸秆还田定位试验，将面积0.67 hm2以上地块分为秸秆还田和非秸秆还田对照地块各0.33 hm2，所选地块土壤为黏性壤，酸化板结严重，保水性差，透气性低，有机质含量低。试验地块采用小麦-玉米一年两熟轮作种植方式。秸秆还田均采用小麦高留茬秸秆粉碎还田、玉米秸秆粉碎机械还田，非秸秆还田对比地块小麦、玉米收获后所有秸秆全部清除干净。定位试验地块采用常规同等水肥管理，小麦品种采用‘济麦22’配合宽幅精播技术，玉米品种采用‘郑单958’，对连续10年秸秆还田定位试验结果进行分析。秸秆还田定位试验期内试验田块小麦、玉米播种密度、栽培管理方式、施肥量等严格保持一致，浇水结合雨情墒情进行。2009年小麦收获前取土样测定有机质和养分含量作为基础数据。为保证农作物秸秆在土壤中充分腐熟分解，土壤理化性状取样测定时间从2010年5月小麦收获前期开始，取土方式为耕层土壤15～20 cm处。小麦、玉米产量测定从2010年夏季开始。

1.2 土壤有机质测定（重铬酸钾—油浴法）

在加热的条件下，用过量的重铬酸钾—硫酸(K2Cr2O7－H2SO4)溶液，氧化土壤有机质中的碳[14-15]，Cr2O-27等被还原成Cr+3，剩余的重铬酸钾(K2Cr2O7)用硫酸亚铁(FeSO4)标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即为土壤有机质量。

1.3 土壤速效氮测定

参考李立平[16]和侯彦林[17]等总结的土壤速效氮测定方法，采用水杨酸法直接测定。硝酸根在无水条件下被硫酸转化为亚硝酸离子(NO2-)，后者再与水杨酸盐反应生成硝基苯化合物，硝基苯化合物在碱性条件下转化成黄色的醌型化合物，颜色深浅与硝酸根浓度成正比，比色波长为410 nm，检出限可达0.1 mg NO3-/L，显色液颜色稳定时间长。

1.4 土壤速效磷测定

参考李立平[16]和侯彦林[17]等总结，利用比色法测定土壤速效磷。酸性土壤中的磷主要是以Fe-P，A1-P的形态存在，利用氟离子在酸性溶液中络合Fe3+和Al3+的能力，可使这类土壤中比较活性的磷酸铁铝盐被陆续活化释放，同时由于H+的作用，也能溶解出部分活性较大的Ca-P，然后用钼锑抗比色法进行测定。

1.5 土壤速效钾测定

参考李立平[16]和侯彦林[17]等总结的采用火焰光度法，基本原理是：用1 mol/L NH4OAc浸提土壤，将胶体表面吸附的钾离子全部浸提出来，而与矿物晶格固定的钾决然分开。

1.6 产量测定

小麦、玉米产量均采用对定位地块确定的面积部分机械收获实收测定产量。

2 秸秆还田定位试验结果分析

2.1 对土壤耕层有机质的影响

从图1秸秆还田定位研究看出，连续秸秆还田的地块，2019年土壤有机质含量平均为13.53 g/kg，比2009年基础数据增加土壤有机质3.33 g/kg，增幅达32.65%，平均年增有机质0.333 g/kg；非秸秆还田对照地块2019年土壤有机质含量平均仅为10.22 g/kg，增加0.02 g/kg，增幅仅为0.196%。表明连续采用秸秆还田可有效增加土壤中的有机质的含量，这和孙星的研究结果是基本一致的[18-19]。

图1 秸秆还田对耕层土壤有机质含量的影响

2.2 对土壤耕层速效氮、磷、钾养分的影响

土壤中碱解氮有逐年提高的趋势，土壤碱解氮提高的原因主要是氮肥使用量的增加，尤其是尿素、碳酸氢铵、磷酸二铵和复合肥等易溶肥料的使用，加快了土壤氮素的积累，另一个重要的因素就是秸秆还田的连续实施，增加了土壤中有机质的含量，从而增加了土壤中氮素的积累和分解。从图2可以看出，2019年土壤碱解氮含量平均为92 mg/kg，比2009年增加22 mg/kg，碱解氮含量平均年增加2.2 mg/kg；从图3可以看出，10年间非秸秆还田地块的碱解氮几乎没有增加，2019年碱解氮含量仅为70.1 mg/kg。由此可以表明连续采用秸秆还田可有效增加土壤中的碱解氮的含量[20-21]。

图2 秸秆还田对耕层土壤养分的影响

图3 非秸秆还田对耕层土壤养分的影响

土壤中有效磷含量大幅度增加，除施肥因素外，这与秸秆还田的作用有很大的相关性。秸秆还田定位试验证明，长期秸秆还田能有效增加土壤中的有效磷含量，对于促进磷的矿化也有一定的作用。从图2可以看出，2019年土壤有效磷含量平均为37.9 mg/kg，比2009年增加13 mg/kg，有效磷含量平均年增加1.3 mg/kg；从图3可以看出，10年间非秸秆还田地块的有效磷没有增加，2019年有效磷含量仅为24.8 mg/kg。由此可以表明连续秸秆还田可有效增加土壤中的有效磷的含量[22]。

土壤速效钾含量水平大幅提高，随着连续的秸秆还田，土壤中钾含量逐年增加。从图2可以看出，2019年土壤速效钾含量平均为152 mg/kg，比2002年增加38 mg/kg，速效钾含量平均年增加3.8 mg/kg；从图3可以看出，10年间非秸秆还田地块的速效钾没有增加，2019年速效钾含量仅为114.1 mg/kg。由此可以表明连续采用秸秆还田可有效增加土壤中的速效钾的含量[23-24]。

2.3 对粮食产量的影响

如表1所示：定位试验产量结果测定：实行连续秸秆还田，小麦年平均增产144 kg/hm2，增幅22.88%。玉米年平均增产207.6 kg/hm2，增幅34.15%。非秸秆还田小麦年平均增产69.75 kg/hm2，增幅11.36%，玉米年平均增产89.25 kg/hm2，增幅14.77%。表明秸秆还田能够有效增加作物产量[25]。

表1 不同年度小麦、玉米平均产量结果

3 结论与讨论

（1）在连续秸秆还田的地块，土壤有机质平均年增加0.333 g/kg，碱解氮含量平均年增加2.2 mg/kg，有效磷含量平均年增加1.3 mg/kg，速效钾含量平均年增加3.8 mg/kg，试验数据说明，连续多年的小麦高留茬加玉米秸秆还田，能提高土壤养分含量。土壤养分增加也提高了小麦、玉米产量，实现了农业经济、生态效益的双增。

（2）秸秆还田能够维持土壤养分平衡，提高肥料利用率。秸秆还田为土壤微生物生命活动提供了丰富的碳源，促进了土壤微生物生长、繁殖，提高了土壤的生物活性[26]：一方面，秸秆还田促进了耕层土壤中难溶性磷和微量元素转化为有效磷和可以利用的微量元素，土壤氮素得以固定和保存，减少了氮的损失，从而提高了肥料利用率。另一方面，秸秆还田为耕层土壤补充了氮、磷、钾、硅及多种微量元素，为作物吸收提供了60%的微量元素。

（3）秸秆还田的同时应当配合一定氮肥，调节碳氮比。土壤微生物分解秸秆要消耗一定量的氮素，一定程度地降低了耕层土壤氮素含量，所以秸秆还田后配合追施一定量氮肥，以调节耕层土壤的碳氮比，以解决作物生长与秸秆腐解争氮的问题。

（4）秸秆还田应当结合农机、农艺配套技术。秸秆还田增加耕层土壤养分含量的同时，也有其弊端，主要表现在土壤缝隙大沉实不足影响出苗率，病虫害草害高发等弊端。

A.秸秆还田容易造成土壤不能沉实，影响作物出苗率，因此秸秆还田后及时采取机械镇压和浇水以沉实土壤，确保种子与土壤接触紧密，提高种子发芽率。

B.秸秆还田容易引发病虫害，在播种前后及田间管理注意病虫草害的防治。

C.随着城市化进程和土地流转加快，从事农业生产的大多是年老体弱者，秸秆还田要求较高的农业机械程度，因此需要农机研发单位、生产企业、农技部门通力合作，研发较高科技含量的与秸秆还田相配套的秸秆还田、播种等系列机械，解决农机农艺不配套的问题。

（5）大田栽培条件下，作物的产量是受管理水平、水肥投入、气象因素等多种条件影响的。在非秸秆还田对照地块，其产量提高是栽培管理水平、农艺技术提高等综合因素的结果。