秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤化学性状的影响

且天真，李 福，厉雅华，王丽芳，张婷婷，张佳倩，王宏伟，张德健

（1内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特 010070；2牧草与特色作物生物技术教育部重点实验室，呼和浩特 010070；3内蒙古呼伦贝尔扎兰屯市农村经营服务中心，内蒙古 呼伦贝尔 162650）

0 引言

中国是世界第一粮食生产大国，第二大玉米生产国，2020年中国玉米产量高达2.6067亿t[1]。玉米高产的同时也带来了一系列相关问题，随着玉米产量的逐年增加，收获后玉米植株残留在田里的秸秆量逐年加大，由于设备、成本等问题，导致秸秆回收利用效率低[2]。中国农作物秸秆总量占世界第一位，但长期的不合理使用，使得秸秆没有产生应有的价值，反而成为困扰农民生产的难题[3]。秸秆还田技术为解决秸秆资源过剩提供新解决思路，开阔了新视野。秸秆富含N、P、K及众多微量元素，是一种兼具经济与环保的有机肥源。近年来，耕作方式结合秸秆还田已成为农业研究发展的热点方向，前人通过研究发现，秸秆还田结合耕作方式对提高耕地土壤养分含量，培肥地力起到显著的作用。淮北市曾以玉米和小麦作为试验材料，将旋耕、深耕及二者分别结合秸秆还田作为处理进行了对比试验，试验结果发现，深耕结合秸秆还田使供试耕地的有机碳同比增加了4.98%，全氮增加了15.83%以上，同时提升了土壤全磷的含量，但对全钾含量提升并不显著[4]。也有研究表明，翻耕与秸秆还田的组合能够有效提高土壤中速效磷和全磷水平，提高作物吸收利用磷素养分的效率，免耕在一定程度上也能够为土壤磷素补充起到良好效果[5]。扬州大学以沙壤土作试验土壤，对水稻秸秆进行还田试验，结果表明，翻耕秸秆还田能够有效提高土壤有机质含量，连年免耕结合秸秆还田措施对碱解氮、速效磷、速效钾均具有提高作用[6]。

土壤是农业活动的基础，健康的土壤是作物高产的有力保障，反之，则会导致作物减产，甚至抑制作物生长，为农业活动带来困难[7]。合理的耕作方式能够在保障土壤健康的情况下减少土壤养分和水分流失[8]。耕作方式包括多种模式，其中包括深翻、深松、深松浅翻、旋耕、免耕、重耙及传统翻耕等，不同的耕作方式对土壤产生的扰动存在差异，对土壤的养分含量影响也不同。近年来关于秸秆还田的研究较多，对秸秆还田结合耕作方式对土壤养分含量的研究也有但对于在大兴安岭东麓黑土地区秸秆还田的条件下耕作方式对土壤养分的研究却比较少。为此，针对大兴安岭东麓地区黑土地耕地面积减少，耕地质量下降，秸秆资源过剩造成的环境等突出问题，本试验通过秸秆还田条件下不同耕作方式，确定对大兴安岭东麓黑土地化学性状产生较优影响的耕作方式，以期为提高大兴安岭东麓地区地力，实现土地可持续利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地时间、地点

田间试验于2018年4月—2019年10月在呼伦贝尔市阿荣旗那吉镇农业技术推广中心进行；室内实验于2018年6月—2020年12月在内蒙古大学生命科学学院牧草与特色作物教育部重点实验室进行。试验地位于内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗那吉镇农业技术推广中心。阿荣旗位于大兴安岭东麓(122°02′30″—124°05′40″E，47°56′54″—49°19′35″N)，海拔高度256m，属于温带大陆性半湿润气候。气候特点：年平均气温：1.7℃，全年有效积温：2394.1℃。全年日照时数：2750～2850 h。年平均降水量：458.4 mm，年均蒸发量：1455.3 mm。无霜期：90～130天。试验地土壤为典型黑土，主要种植作物为大豆、玉米、马铃薯、油菜、甜菜等，熟制均为一年一熟，以旱作农业生产为主。试验地基础化学性状见表1。

表1 试验地0～60 cm土壤基础化学指标

1.2 供试材料

本试验供试肥料：N-P-K(17-17-17)，阿荣旗兴农专用肥有限责任公司生产；供试机具：中农机2BJ-470型玉米免耕精量播种机（黑龙江省农业机械有限责任公司）、豪丰1GQN-150型旋耕机（博爱县鸿图农机有限公司）、元丰1BYZP-6.2液压折叠重耙（黑龙江省鑫元丰农业机械有限责任公司）、雷肯犁栅条435液压翻转犁（曲阜厂）、格兰复式联合整地机（吉林康达农机）、麦塞福格森2104轮式拖拉机（吉林省吉峰金桥农机有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验共设7个不同耕作处理方式，3次重复，共计21个小区，小区面积为250 m2，随机区组排列。其中秸秆不还田+传统翻耕为对照组，其他处理均为试验组。播种时，严格按照表2中方案实施，于2018年4月20日播种。田间管理同大田，试验田前茬作物为玉米。

表2 秸秆还田结合耕作方式试验设计

1.3.2 测定指标及方法

（1）全氮：全自动凯氏定氮仪测定；（2）全磷：氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法测定；（3）全钾：氢氧化钠碱熔—火焰光度计测定；（4）土壤有机碳：重铬酸钾—硫酸容量法测定；（5）土壤碱解氮：碱解扩散皿扩散法测定；（6）速效磷：钼锑抗比色法测定；（7）速效钾：火焰光度计测定。以上土壤化学分析方法均参照鲍士旦主编的《土壤农化分析》第三版。

1.3.3 数据分析 本试验对测得数据采用Excel 2016进行数据整理分析，SPSS 18.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤有机碳含量的影响

由表3可知，第1年在0～10 cm土层中，播种前各处理有机碳含量均显著高于CK，其中SSS处理较CK提高了73.85%。收获后除SZT处理显著低于CK外，其余处理较CK无显著差异；10～40 cm土层中，播种前SSH处理最高，较CK平均高出9.24%，SDH处理显著低于CK。收获后SH处理高于CK，较CK平均可以高出24.65%，而SZT处理显著低于CK，较CK平均低出17.76%；40～60 cm土层中，播种前各处理有机碳含量均显著低于CK，SSS处理最小为11.11 g/kg。收获后SDH处理显著高于其他处理，较CK高出80.21%。

表3 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤有机碳含量的影响 mg/kg

第2年在0～10 cm土层中，播种前SH处理显著高于其他处理，较CK高出29.16%。收获后各处理均表现为收获后<播种前，SSH处理较播种前降低幅度最大，降低了32.54%；10～20 cm土层中，播种前SRT处理较CK显著高出20.53%。收获后SSH和SSS处理均显著低于CK，分别较CK低出24.48%和16.34%，除SH处理外其余处理较播种前均降低，SSH处理降低幅度最大，降低了20.37%；20～40 cm土层中，播种前SDH、SSH和SRT处理显著高于CK，分别较CK高出35.60%、23.46%和37.87%。收获后SRT处理显著高于其他处理，除SRT处理外，其余处理均低于CK；40～60cm土层中，播种前SRT和SZT处理均显著高于CK，较CK分别高出59.62%和25.41%。收获后SDH、SH和SZT处理显著高于其他处理，除SRT处理外，其余处理均较播种前升高，其中SH处理较播种前升高幅度最大，升高了106.30%。

2.2 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤碱解氮含量的影响

由表4可知，2年秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤碱解氮含量的影响存在较大差异。第1年在0～10 cm和10～20 cm土层中，播种前SSH处理显著高于其他处理。收获后除SSS处理外，SSH处理显著高于其他处理，其中SSH处理较播种前分别提高了57.29%和13.47%，较CK高出100.84%和61.11%；在20～60 cm土层中，播种前和收获后SSH、SSS处理均显著高于CK，较CK分别平均高出89.89%、87.40%、109.98%、122.60%。

表4 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤碱解氮含量的影响 mg/kg

第2年在0～10 cm土层中，播种前除SH、SRT处理外其余处理均显著高于CK，其中SSH处理含量最大，较CK可以高出35.27%。收获后各处理碱解氮含量均显著高于CK，其中SSS处理最大，较CK高出113.05%；10～20 cm土层中，播种前SSH、SSS处理均显著高于其他处理，其中SSS处理较CK可以高出65.84%。收获后除SRT处理外，其余各处理均显著高于CK；20～40 cm土层中，播种前SSH、SSS处理碱解氮含量显著高于其他处理，SSH处理含量最大为38.27 mg/kg。收获后SSS处理显著高于其他处理，较CK高出50.23%；40～60 cm土层中，播种前和收获后SSS处理均为最大，均高于其他各处理，其中较CK分别高出122.97%、256.75%。

2.3 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效磷含量的影响

由表5可知，2年秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效磷含量的影响存在较大差异。在0～60 cm土层中各处理速效磷含量均高于初始土壤，各处理收获后>播种前。第1年在0～60 cm土层中，播种前SSH、SSS处理显著高于其他处理，其中SSH处理较初始土壤提高了11.69%～90.91%，较CK高出7.01%～61.82%。收获后0～10 cm土层中，SSS处理显著高于其他处理，其中SSS处理较播种前提高了101.12%，较CK高出24.11%；10～20 cm土层中SSH、SSS处理速效磷含量显著高于其他处理，其中SSS处理较播种前增加了121.07%，较CK高出101.21%；20～40 cm土层中除SSH外，SSS处理显著高于其他处理，较播种前增加了196.58%，较CK高出91.59%；40～60 cm土层中，SSH、SSS处理显著高于其他处理，SSH处理较播种前增加了52.25%，较CK高出48.90%。

表5 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效磷含量的影响 mg/kg

第2年在0～40 cm土层中，播种前SSH处理显著高于CK，较CK高出的范围为108.60%～197.94%；在40～60 cm土层中SSH、SSS处理均显著高于CK，其中SSS处理较CK高73.18%。收获后0～10 cm中SDH、SSH、SSS处理均显著高于其他处理；10～20 cm土层中SDH、SSH、SSS和SH处理均显著高于CK，其中SSH处理较CK高出36.65%；20～60 cm土层中SSH、SSS处理均显著高于其他处理，但SSH和SSS处理间无显著性差异。

2.4 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效钾含量的影响

由表6可知第1年0～20 cm土层中，播种前和收获后SSH和SSS处理土壤速效钾含量均显著高于其他处理，较CK分别平均高出48.60%、40.34%、22.19%、25.05%；20～40 cm土层中，播种前SSS处理显著高于其他处理，较初始土壤增加了18.09%，较CK高出37.65%。收获后SSH处理显著高于其他处理，较播种前增加了51.69%，较CK高出14.21%；40～60 cm土层中播种前和收获后SSS处理均高于其他处理，其中收获后较播种前增加了57.88%。

表6 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效钾含量的影响 mg/kg

第2年播种前在0～10 cm土层中，SSH、SSS处理显著高于其他处理，其中SSH、SSS处理较CK分别高出34.38%和34.58%；在10～60 cm土层中SSH、SSS处理土壤速效钾含量均显著高于其他处理，其中较CK平均高出29.02%和20.11%。收获后在0～60 cm土层中，SSH、SSS处理均显著高于其他处理，其中SSH处理较CK可以高出22.75%～28.99%，SSS处理较CK可以高出21.90%～28.30%。

2.5 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全氮含量的影响

由表7可知，在0～60 cm土层，土壤全氮含量的变化趋势为随着土层深度的增加含量降低，土壤全氮含量收获后>播种前。第1年在0～10 cm土层中，播种前SSH、SSS和SZT处理显著高于CK，大小为SSH=SSS＞SZT。收获后SSS处理土壤全氮最大为3.57 g/kg，显著高于其他处理，较CK高出13.69%；在10～20 cm土层中播种前SSH处理显著高于其他处理，其中较初始土壤提高了9.38%，较CK高出9.95%。收获后SSS处理显著高于其他处理，较播种前增加了52.20%，较CK高出18.63%；在20～40 cm土层中播种前SSH处理显著高于CK，较CK高出6.43%，其余各处理间差异不显著。收获后SSH、SSS处理全氮含量显著高于其他处理，其中SSS处理最大为2.72 g/kg较播种前增加了51.96%，较CK高出30.77%；在40～60 cm土层中，播种前除SRT处理外其余各处理均显著高于CK，收获后SSH、SSS处理显著高于其他处理，其中SSH处理最大为2.42 g/kg较播种前增加了54.14%，较CK高出41.52%。

表7 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全氮含量的影响 g/kg

第2年在0～10 cm土层中，播种前各处理均显著高于CK，其中SSH和SSS处理显著高于CK、SDH、SRT处理。收获后SSH、SSS处理均显著高于其他处理，其中较CK分别高出26.64%和25.76%；在10～20 cm土层中，播种前SSH、SSS处理下的土壤全氮含量显著高于CK，SSS处理含量最大为2.66 g/kg。收获后除SRT处理外其余各处理均显著高于CK，较CK高出的范围为4.82%～15.35%；在20～40 cm土层中，播种前和收获后SSH处理最大分别为2.53 g/kg和2.58 g/kg高于其他处理，较CK显著高出33.86%和27.09%；在40～60 cm土层中播种前和收获后SSH处理均显著高于其他处理，较CK分别高出90.29%和87.62%。

2.6 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全磷含量的影响

由表8可知，2年秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全磷含量的影响存在较大差异。在0～60 cm土层，土壤全磷的变化趋势为随土层深度增加含量降低。第1年在0～10 cm土层中，播种前SDH、SSH、SSS和SH处理全磷含量显著高于CK，但4个处理间无显著差异，其中SSH处理最大为4.67 g/kg较初始土壤提高2.41%，较CK高出11.72%。收获后SSH处理最大为5.96 g/kg，SDH、SSH、SSS处理均显著高于CK。其中SSH处理较播种前提高27.62%，较CK高出31.57%；在10～20 cm土层中，播种前和收获后SSH处理最大分别为4.37 g/kg和4.80 g/kg均显著高于其他处理，分别较CK高出33.64%和13.21%，且收获后>播种前；在20～40 cm和40～60 cm土层中，播种前SDH、SSH和SSS处理均显著高于其他处理，其中SSS处理最大分别为3.39 g/kg和2.78 g/kg显著高于CK，较CK分别高出10.42%和14.40%。收获后SSH处理全磷最大分别为3.78 g/kg和3.55 g/kg，显著高于CK，较CK分别高出10.53%和15.26%。

表8 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全磷含量的影响 g/kg

第2年在0～10 cm土层中，播种前SDH、SSH和SSS处理显著高于其他处理，但3个处理间无显著性差异，全磷含量大小比较为：SSH>SSS>SDH。收获后SSH处理显著高于CK、SH、SRT、SZT处理；10～20 cm土层中，播种前SDH、SSH、SSS处理显著高于CK、SRT、SZT处理。收获后SSH处理均显著高于其他处理，其中较CK可以高出48.72%；20～40 cm土层中，播种前和收获后SSH处理最大分别为4.47 g/kg和4.58 g/kg，SSH、SSS处理均显著高于CK、SDH、SH、SZT处理；40～60 cm土层中，播种前SSS处理最大为3.57 g/kg，显著高于CK、SH、SRT、SZT处理，其中较CK可高出57.27%。收获后SSH、SSS处理全磷含量显著高于CK，SSH、SSS处理较CK分别高出21.31%和27.15%，且收获后>播种前。

2.7 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全钾含量的影响

由表9可知，2年秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全钾含量的影响存在较大差异。第1年在0～10 cm土层中，播种前SSS处理最大为46.54 g/kg，各处理间全钾含量差异不显著。收获后SSS处理显著高于CK，较CK高出24.98%，但较播种前降低了13.34%；在10～20 cm土层中，播种前和收获后SSS处理最大分别为59.89 g/kg和36.41 g/kg，显著高于其他处理，较CK分别高出81.54%.和18.83%；在20～40 cm土层中，播种前SSH处理显著高于CK、SH、SRT、SZT处理，较初始土壤增加了80.81%，较CK高出67.81%。收获后除SSH处理外，SSS处理显著高于其他处理，其中较CK高出40.58%；40～60 cm土层中除SRT处理外其余处理均显著高于CK，其中SSH处理最大为31.46 g/kg，较CK高出52.72%，较初始土壤增加了58.81%。收获后除SSS、SZT处理以外，SSH处理显著高于其他处理，其中SSH处理较播种前降低了4.64%，较CK高出23.15%。

表9 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全钾含量的影响 g/kg

在第2年0～10 cm土层中，播种前SSS处理全钾含量最高为59.00 g/kg，显著高于CK和SRT处理，较CK、SRT分别高出24.84%、12.12%。收获后SSS处理显著高于SRT，其他处理间无显著性差异；10～20 cm土层中，播种前SSH、SSS处理显著高于其他处理，各处理均高于CK。收获后、SDH、SSH、SSS处理均显著高于CK，较CK分别高出3.67%、6.36%、4.37%；20～40cm土层中，播种前除SRT处理外其余各处理均显著高于CK，SSS处理显著高于其他处理。收获后SSH处理最高为43.32 g/kg，显著高于其他各处理；40～60 cm土层中播种前SSH处理显著高于其他处理，其中较CK可以高出12.69%。收获后SDH、SSH、SSS处理均显著高于其他处理，其中较CK分别高出3.17%、3.55%、5.10%。

3 结论

秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤化学性状的研究表明，秸秆还田后短时间内土壤有机质迅速增长，经过一个生长季有机质水平再次降低。第1年收获后SSH、SSS处理能够使速效磷提高88.11%和101.21%，使全钾含量升高25.90%和40.58%；SDH、SSH和SSS能显著提高土壤碱解氮、速效钾、全氮和全磷含量。第2年0～20 cm土层SDH、SSH、SSS处理使土壤碱解氮含量显著提高53.51%、57.60%、86.42%，10～40 cm土层SSH、SSS使全磷含量显著提高了47.74%和19.81%，使全钾含量提高了6.36%和4.16%；SSH和SSS处理能够显著提高土壤速效磷、速效钾、全氮含量。因此秸秆还田条件下SSH和SSS处理较其他处理可以有效的改善土壤环境，提高土壤的养分含量。

4 讨论

4.1 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤有机质的影响

土壤有机质是指征土壤肥力的重要指标，有研究表明，免耕与深松耕对土壤有机质含量的提升有显著影响[9-10]。研究表明，土壤耕作第1年播前土壤有机质含量在0～10 cm土层富集，以SSS处理最为明显，这与庄恒扬等人研究结果：实施保护性耕作有利于土壤有机质在表层富集相印证[11]。在耕作第2年各处理播种前有机质含量整体呈现上升趋势，收获后变化成下降趋势，这可能是由于秸秆还田分解后短期内释放大量有机质进入土壤，但经过雨水冲刷、作物吸收等多方面因素导致土壤有机质含量下降。

4.2 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤速效养分含量的影响

土壤碱解氮能够有效的反映出土壤短期内氮素供应的能力，研究者常用碱解氮作为指征土壤氮素有效性的重要指标[12-14]。张四伟[15]研究表明，秸秆还田与耕作方式的交互作用能够有效提高土壤速效养分。本研究表明土壤碱解氮含量对秸秆还田条件下不同耕作方式的响应程度不一，但总体表现为收获后大于播种前。各处理碱解氮含量整体表现出随土层的增加逐渐降低的趋势，耕作第2年土壤碱解氮含量总体低于第1年。与CK相比，0～60 cm各土层SDH、SSH和SSS处理土壤碱解氮含量均有所增加，差异达到显著水平。吴安军等[16]的研究表明，翻耕较免耕相比更有利于土壤速效养分的富集，与本文研究结果相似。其原因可能是因为深翻、深松和深松浅翻为耕层创造了疏松环境，土壤溶液产生机械弥散现象，提高了秸秆腐解产生的氮素淋溶量，达到增加土壤碱解氮的效果[17-19]。速效磷是植物吸收磷素的有效部分，本研究表明土壤速效磷含量随着耕作年份的增加而升高，但总体表现为收获后大于播种前。在0～40 cm土层，随着土层的增加土壤速效磷含量逐渐降低，这可能是由于玉米根系主要集中在10～40 cm土层，速效磷吸收效率随根系与土壤的接触面积增大而增加所导致。耕作第1年0～60 cm各土层SSH和SSS处理土壤速效磷含量显著高于CK；耕作第2年0～20 cm土层SDH、SSH和SSS处理土壤速效磷含量显著高于CK，20～40 cm土层只有SSH处理在播种前和收获后均显著提高了土壤速效磷含量。速效钾常用来表征土壤供钾能力，通常与植物根系吸收能力、生物有效性、钾素空间位置以及本身形态等因素密切相关[20]。本研究表明土壤速效钾含量对秸秆还田条件下不同耕作方式的响应程度不一。在0～60 cm各土层，SDH、SSH和SSS处理对增加土壤速效钾含量效果明显，除SRT处理外，其余各处理土壤速效钾含量在40～60 cm土层对连年秸秆还田存在积极响应，有研究表明，秸秆还田结合耕作方式均能够有效提高土壤速效钾含量[21-22]，这与本文研究结果相一致。

4.3 秸秆还田条件下不同耕作方式对土壤全量养分含量的影响

有研究表明，秸秆还田和耕作方式的交互作用下，土壤全氮、全磷和全钾含量在一定程度上均有所增加[23-25]，而本文研究发现，全钾含量未随着耕作年份推进呈现出增加趋势，原因可能是由于秸秆还田与耕作互作增加了作物生物量从而加大了对土壤钾素的吸收。本研究表明耕作处理第1年，除SRT处理其他耕作方式均加速了0～60 cm土层土壤全氮含量的积累，且收获后较播种前均有不同程度的增加，这可能是由于东北地区温度较低，秸秆还田腐熟需要较长周期，在作物生长过程中缓慢释放氮素所致。其中SSH处理在播种前和收获后土壤全氮含量的增加较CK均达到显著水平，其他处理在0～20 cm土层中与CK相比均有不同程度的增加。耕作处理第2年，播种前和收获后在0～60 cm土层SSH和SSS处理较CK达到显著水平，SH和SZT处理在0～60 cm土层土壤全氮含量整体呈现增加趋势。在土壤中磷素具有迟效性，全磷含量高并不能准确指征土壤供磷能力，但含量低时，说明土壤供磷能力不足，需要进行补充[26-27]。对全磷的研究发现，土壤全磷含量表现为随着种植年限的增加而增加，耕作处理第1年土壤全磷含量呈现为SDH、SSH和SSS处理整体水平均显著高于CK，且SSH>SSS>SDH，其余处理土壤全磷含量较CK均有不同程度的增高。耕作处理第2年，SSH处理在0～60 cm土层中全磷含量较CK达到显著水平，且SDH和SSS处理在10～40 cm土层同样显著高于CK，0～10 cm表层土壤水平未达显著，可能是作物枯枝落叶提高了CK磷素含量的原因。两年秸秆还田条件下不同耕作方式土壤全钾含量整体呈现收获后低于播种前的趋势。耕作处理第1年，SSH处理在10～40 cm土层收获后较播种前降幅较大。SSS处理在0～60 cm土层中全钾含量显著高于CK，SRT处理在0～60 cm土层中与CK相比无显著差异，其余各处理在不同土层较CK均有所增加。耕作处理第2年，SDH、SSH和SSS处理在10～60 cm土层显著高于CK。

综上，无论是何种秸秆还田结合不同耕作措施均可提高土壤速效养分和全量养分，但增幅程度不一，其中秸秆还田条件下SSH和SSS处理对土壤养分含量的提升较为显著。