秸秆还田与土壤耕作对玉米产量及土壤理化特性的影响

李 辉，宋成孝，陈小翠，罗 勇，段明禹，舒中兵，陈 浪，苟晓松

（遵义市农业科学研究院，遵义市作物基因资源与种质创制重点实验室，贵州 遵义 563000）

我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富，但现阶段秸秆利用率还很低[1]。农作物的秸秆中含有作物生长所必需的氮、磷、钾、钙、镁、硫等中、微量元素，这些中、微量元素对作物的生长至关重要。因此，秸秆还田能够提高土壤肥力，增加作物产量[4]。此外，土壤中的微生物可分解利用作物秸秆中含有的木质素、脂肪、醛、酮和碳水化合物等，并将其加工成动物饲料[2-3]。因此，玉米秸秆还田还可以改善土壤微生物群落数量，调节土壤酶活性，优化植物根际的生长环境[5]。综上所述，秸秆还田不仅可以提高作物产量，而且还能够减少焚烧造成的环境污染，促进生态环境效益[6]。

土壤耕作是保证植物生长的重要条件，它通过改善土壤的结构影响作物的生长[7]。不同的耕作深度对土壤结构的影响也不同，深翻和深松耕作方式比普通旋耕更能促进玉米产量的提高[8]。但是，土壤耕作过于频繁，将加速土壤有机质的矿化分解，从而导致土壤养分的丢失[9]。由此可见，合理的土壤耕作才能够提高土壤肥力，增加作物产量[10]。

秸秆还田及土壤耕作方式已经成为了绿色农业生产增产及保护农田生态的重要举措，是确保现代农业可持续发展的最有效措施[11]。大量研究结果表明，秸秆还田及合理的耕作方式可以提高作物的产量，改善土壤肥力[12]。笔者以遵义地区主推玉米品种新中玉801 为材料，开展秸秆粉碎还田与不同土壤耕作方式对玉米产量及土壤理化特性的影响研究，从而为当地秸秆资源的利用提供理论指导，为播前土壤培肥提供强有力的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及供试材料

试验于2016—2019 年在遵义市农业科学研究院新舟试验基地固定地块进行。新舟地处丘陵地带，属中亚热带湿润季风气候，平均海拔830 m，年平均气温15.1℃，年降水量1 160 mm。根据邵代兴等[13]2016年的调查可知，遵义市的耕地土壤pH 值均值为6.82，有机质、全氮含量均值分别为29.63、1.76 g/kg，碱解氮、有效磷、缓效钾、速效钾含量的均值分别为146.70、17.56、309.77 和130.91 mg/kg。按照全国第二次土壤普查分级标准，遵义市全氮含量处于上等水平，有机质、有效磷、速效钾含量处于中等水平。

供试品种为遵义地区主推玉米品种新中玉801。

1.2 试验设计

研究采用裂区试验设计，以秸秆粉碎还田（A1）、秸秆不还田（A2）为主处理，以免耕（B1）、旋耕（B2）为副处理，共4 个处理（A1B1、A1B2、A2B1、A2B2）。秸秆粉碎还田是指采用上茬玉米秸秆就地还田。秸秆不还田是指将上茬或上年秸秆移出田间后种植玉米。免耕是指玉米播种前不翻耕、不旋耕，仅灭茬清理田间。旋耕是指玉米播种前采用灭茬旋耕机旋耕1～2 次，以达到播种要求。

每个处理设置3 次重复，种植密度3 300 株/667m2，小区面积144 m2，小区行长12 m，行距0.8 m，株距0.25 m，每个小区15 行。肥水管理和病虫害防治采用参照大面积生产管理。

1.3 调查指标及方法

1.3.1 农艺性状及产量调查 （1）生育进程。包括播种期、出苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期和生理成熟期，除播种期外其他生育期以各区内植株60%以上达到标准为记载期。（2）株高、穗位高。按照区试标准观测、记载。（3）产量。以标准小区实收计算产量，测量相关农艺性状（包括穗长、穗粗、秃尖、穗行数、行粒数和千粒重等），每小区取20 个样穗考种，采用区试方法调查，用平均值进行比较，并折算成标准含水量（14%）的产量[14]。

1.3.2 土壤理化特性测定 （1）土壤物理性状。玉米收获后，每小区选择0～20 cm 和20～40 cm 的耕层土壤进行取样[15]，采用对角线法选择有代表性3 个样点对土壤物理性状进行监测。①容重：采用环刀法测定[16]，环刀体积为100 cm3，取样后烘干2 个土壤耕层原状土，称重，重量与体积比值即为容重（g/cm3）。②总孔隙度：取样后将2 个土壤耕层原状土置于水中浸泡12 h，取出后马上称重，然后烘干，再称重，得到水的体积与总体积之比即为总孔隙度。③田间持水量：用环刀分别取2 个土壤耕层原状土，然后上下加滤纸后盖好[16]，采用烘干法测定吸水后的土样，此含水量即为田间持水量；含水量（%）＝（湿土重－干土重）/干土重×100。（2）土壤养分和pH 值。①土壤养分测定：再用S 形多点取样法采集0～40 cm 耕层土壤，再通过四分法保留1 kg 样品，将样品送往四川省农业科学研究院土肥所用土壤养分速测仪测定土壤全N、碱解N、全P、速效P、全K、速效K 和有机质的含量。②pH 值测定：将土壤样品过2 mm 土壤筛，风干后用pH 计测定。

1.4 数据处理及分析

试验数据采用 Excel 2019 软件进行处理，采用SPSS 19.0 软件进行统计分析。采用单因素（One-way ANOVA）和Duncan 法进行差异显著性分析（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田与土壤耕作对玉米生育进程的影响

由表1 可知，在播种日期相同的条件下，秸秆还田处理后玉米的出苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期和成熟期提前了1～6 d。调查记载发现，免耕和旋耕处理下玉米的生育进程差异不明显。因此，推测在管理条件相同的情况下，是否进行旋耕可能对玉米的生育期影响不明显。

表1 不同处理对玉米生育进程的影响 （d）

2.2 秸秆还田与土壤耕作对玉米产量相关性状的影响

秸秆还田与土壤耕作对玉米产量相关性状具有一定的影响。从表2 可知，不同处理玉米穗位高存在5～10 cm 的差距，其中，粉碎还田+免耕处理（A1B1）的穗位最高，可达115 cm，秃尖最短，为1.20 cm，千粒重最重，达333.1 g。由此可见，秸秆还田配合免耕可以提升玉米的穗位高、降低秃尖长，从而增加千粒重。但是，秸秆还田与土壤耕作对玉米穗行数、穗粗和出籽率等性状的影响并不显著。综合来看，秸秆还田+免耕处理（A1B1），玉米产量相关性状表现最好。

表2 不同处理对玉米产量相关性状的影响

2.3 秸秆还田与土壤耕作对玉米产量的影响

从表2 可知，秸秆粉碎还田（A1B1、A1B2）与秸秆不还田（A2B1、A2B2）对玉米产量的影响显著，秸秆还田处理后玉米的籽粒产量有明显提升。其中，秸秆还田+免耕处理（A1B1）的产量最高，可达450.40 kg/667m2，比秸秆不还田+免耕处理（A2B1）高15.07%；其次是秸秆还田+旋耕处理（A1B2），产量为425.61 kg/667m2，比秸秆不还田+旋耕处理（A2B2）高8.65%。这表明秸秆还田可提高玉米的产量。

2.4 秸秆还田与土壤耕作对土壤物理性状的影响

经过连续4 a 的定点试验，各处理不同深度耕层土壤的物理性状表现出一定差异。从图1 可知，0～20 cm 土壤耕层，秸秆还田+免耕处理（A1B1）的土壤容重最高，秸秆不还田+旋耕处理（A2B2）的土壤容重最低；20～40 cm 土壤耕层，各处理土壤容重均低于对照，表明免耕还田能够增加0～20 cm 土壤耕层的土壤容重；从图2 可知，与播前空白相比，秸秆还田对20～40 cm 耕层土壤总孔隙度没有明显影响，其他各处理均能使土壤总孔隙度变大；从图3 可知，0～20 cm 耕层土壤田间持水量相对较高，不同处理间相比，秸秆还田+免耕处理（A1B1）田间持水量最高，其中0～20 cm 耕层土壤田间持水量最高可达32.45%；20～40 cm 耕层土壤田间持水量最高可达30.29%，推测可能与免耕还田增加土壤水分入渗、减少土表水分蒸发有关。

图1 秸秆还田与土壤耕作对不同深度土壤耕层容重的影响

图2 秸秆还田与土壤耕作对不同深度土壤总孔隙度的影响

图3 秸秆还田与土壤耕作对不同深度土壤田间持水量的影响

2.5 秸秆还田与土壤耕作对耕作层土壤养分和pH 值的影响

从表3 可以看出，秸秆还田以及免耕均能显著提高土壤的全N、全K、有机质以及碱解氮的含量，由此推测免耕还田可能有利于提高土壤养分含量，改善土壤理化状况；与空白对照相比，4 种处理的土壤全P、速效K、速效P 含量及pH 值均显著降低，其中速效K 含量下降最为显著；不同处理间比较，不还田＋旋耕处理（A2B2）下，土壤的全P 及速效P 含量下降最为显著；随着免耕还田与旋耕还田处理年限的增加，土壤的全N、全K、碱解N、速效K 以及有机质的含量均显著增加。同时，免耕还田与旋耕还田处理均能降低土壤pH 值，达到培肥土壤的目的，从而提高玉米产量。

表3 秸秆还田与土壤耕作对耕作层土壤养分和pH 值的影响

3 结论与讨论

秸秆还田是一种绿色环保的农事操作，在有机农业生产中经常应用，其在保持土壤肥力、减少化肥使用、提高作物产量等方面都发挥了重要作用[17-18]。研究表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田处理后玉米的籽粒产量显著增加（秸秆还田比秸秆不还田平均增产11.86%）。有研究报道表明，短期连续免耕水稻产量高于常规翻耕或旋耕，直至第5 年免耕产量才呈下降趋势[19]。甚至还有连续免耕11 a 不减产的报道[20]。在该研究中，秸秆还田＋免耕处理（A1B1），供试品种产量最高，且千粒重、穗长、行粒数、穗粗、秃尖等产量相关农艺性状表现也最好，这与前人研究结果相符。这可能是因为耕作方式提升了土壤肥力从而影响作物的生长发育。

秸秆还田及土壤耕作方式对土壤理化性质也有一定的影响。试验结果显示，在秸秆还田＋免耕耕作方式下，由于土壤耕层基本未受扰动，表层（0～20 cm）土壤容重显著增加；秸秆还田＋旋耕耕作方式下，整个耕层（0～40 cm）土壤容重显著降低，可能由于该试验地区长期实行旋耕作业，导致土壤紧实度变低，尽管配合实行秸秆还田措施，对土壤容重的影响也相对有限。有研究发现，深翻或旋耕可显著降低土壤容重，改良土壤结构[21-22]；也有研究表明，旋耕还田会将作物秸秆集中在浅层土壤中，使浅层土壤间隙度不断增大，伴随季风性气候的到来，容易造成浅层土壤失水跑墒[23]。但该研究发现，免耕还田对20～40 cm 耕层土壤总孔隙度没有影响，而其他处理均能使土壤总孔隙度变大；从整个土壤耕层来看，0～20 cm 耕层土壤含水率相对较大，秸秆还田处理后，土壤耕层田间持水量相对较高。前人研究表明，覆盖在土壤表面的秸秆可吸纳自然降雪降雨为作物生长提供更多水分，秸秆覆盖有利于水分入渗土壤，增强土壤保水能力，同时减缓土壤表层水分蒸发，使土壤贮水量增加[23]。因此，推测土壤耕层田间持水量的升高，可能与免耕还田增加土壤水分入渗、减少土壤表层水分蒸发有关。

作物秸秆是农业生产过程中重要的有机肥之一，大多数研究者认为秸秆还田有利于提高土壤养分含量，改善土壤理化状况[24,18]。张慧等[25]研究证实，秸秆还田可不同程度增加土壤有机质、全N、硝态N、铵态N、缓效K 的含量。也有研究认为，秸秆还田降低了土壤pH 值，且对K 含量无影响[26]。而试验结果显示，免耕还田能显著提高土壤的全N、全K、有机质以及碱解N 的含量，此结果与前人研究结果相一致，进一步验证了免耕还田有利于提高土壤养分含量，改善土壤理化状；同时，研究发现，与空白对照相比，不同处理后，土壤的全P、速效K、速效P 含量均显著降低，其中速效K 含量下降最为显著；随着免耕还田与旋耕还田处理年限的增加，土壤的全N、全K、速效K、碱解N 以及有机质的含量均显著增加。以上试验结果表明，免耕还田处理能够通过提高土壤的全N、全K、有机质、碱解N 等养分含量及降低土壤pH 值，达到培肥土壤的目的，从而提高玉米产量。这进一步说明秸秆还田在作物耕作方式中的重要性，表明免耕还田对遵义地区土壤水分和养分状况的改善意义重大，是一项有利于生态农业可持续发展的耕作措施。