秸稈不同還田方式對土壤理化性質及玉米產量的影響研究

高利華，屈忠義，丁艷宏，巴慧敏(.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 0008；.巴彥淖爾市水利水電勘測設計院，內蒙古 巴彥淖爾 05000)

中國是世界第一秸稈產量大國，隨著中國農業綜合生產力水平的不斷上升，全國秸稈產量呈逐漸上升的趨勢，預計2015年中國主要農作物秸稈產量達到9億t左右[1]。近年來，我國在秸稈綜合利用方面取得了顯著的成效，但是秸稈仍然存在產量過剩問題，由此引發秸稈隨意丟棄焚燒污染環境和浪費寶貴資源等問題。因此，如何將秸稈有效利用，從而減少能源浪費修復農業生態是我國目前環境保護和農業可持續發展的首要問題。作物秸稈含有豐富的營養元素及復雜的結構，如果將其直接或間接返還到農田，不但減少環境污染、增加土壤碳匯，而且能更好地改善土壤結構，提高土壤肥力，保持作物高產穩產[2]。

作物秸稈還田包括直接還田和間接還田。目前作物秸稈直接還田技術包括機械埋壓，留高茬收獲或實行套種等[1]，秸稈直接還田作為一種有效且簡便易行的土壤培肥方式，可以改善土壤理化性狀，提高作物產量[34]，增加土壤微生物數量[5,6]，提高土壤酶活性等[7]。秸稈間接還田方式也有很多種，其中，秸稈炭化(生物炭)還田是目前研究較廣泛的一種，生物炭是指將農林生物質在低氧或缺氧條件下經相對低溫(<700 ℃)熱裂解而形成的含碳率高、孔隙結構豐富、吸附性強、比表面積大、理化性質穩定等的富碳產物[8]。有研究表明，土壤施入生物炭可提高土壤C/N比[9]、土壤肥力[10]和土壤持水性[11]，進而促進作物對礦質養分的吸收[12]，提高作物產量[13]。然而秸稈直接還田和生物炭還田對土壤理化性質和作物的影響依土壤質地、類型[14,15]、秸稈或生物炭種類[16,17]等不同而異，且到目前為止，有關秸稈直接還田與生物炭還田對土壤理化性質和作物產量的影響缺乏深入對比分析，因此，本試驗通過設置玉米秸稈生物炭和秸稈兩種還田方式，研究玉米整個生育期土壤含水率、電導率、pH值、有機質及速效養分含量和產量的變化規律，探討秸稈還田與施用生物炭對土壤理化性質和作物產量的影響機理，為深入研究秸稈及生物炭在農業生產上的綜合應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年5月初到10月中旬在內蒙古河套灌區臨河區雙河鎮進步村九莊農業合作社(107° 18′ E，40° 41′ N，海拔1 041～1 043 m)進行。該地屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，其特點是云霧少、降水量少、風大氣候干燥，多年年均降水量140 mm左右，年均蒸發量2 032～3 179 mm，平均氣溫6.8 ℃，晝夜溫差大，日照時間長，平均日照時間3 229.9 h，無霜期為130 d左右，地勢東高西低，地面坡降1/6 000[18]。

1.2 供試材料

供試生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司的玉米秸稈生物炭產品，該產品選用當年玉米秸稈在炭化溫度為400 ℃于缺氧條件下燃燒8h后制成。供試土壤主要性質及生物炭主要性質(測試方法見下文1.4)見表1。將當地去年收獲的玉米秸稈經鍘草機鍘碎成5 cm左右的小段作為供試秸稈。

表1 供試土壤和生物炭基礎理化性狀Tab.1 Soil and biochar physicochemical properties before initiation of experiment

1.3 試驗設計

將生物炭和秸稈均勻施于土壤表面，用旋耕機將生物炭和秸稈與耕層土壤均勻混合，混合深度約為15 cm。田間試驗設計3個處理，一個空白對照即不施生物炭和秸稈(B0)；一個施生物炭(B15)，生物炭施用量為15 t/hm2；另一個為秸稈直接還田(BJ)，秸稈用量為10 t/hm2；每個處理3個重復，共9個試驗小區，每個小區面積為90 m2(15×6)。供試作物為玉米，品種為西蒙6號，株距30 cm，行距50 cm，種植密度為56 667株/hm2。基肥施用量：磷酸二胺[N∶P2O5∶K2O=14%∶39%∶0%]450 kg/hm2，復合肥[N∶P2O5∶K2O=30%∶5%∶5%]337.5 kg/hm2。共追施尿素[ω(CO(NH2)2)=46.67%]375 kg/hm2(在拔節前、中、后期追肥3次，抽雄期1次，灌漿期1次，共5次，每次75 kg/hm2)，施肥方式為隨水施肥。灌水方式為膜下滴灌，灌水時間通過張力計控制，灌水下限為-25 kPa，灌水定額225 m3/hm2。

1.4 測試內容及方法

在玉米的各生育期(三葉期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期)初期的不同處理用土鉆分別在0～10和10～20 cm的土層取樣，將取出的土樣混勻后，取部分土樣裝到鋁盒內測定土壤含水率，最后將同一土層的3個重復含水率求平均值；在每個生育期的各處理通過直角地溫計連續3 d讀取土壤表層溫度(10 cm)，每天6∶00-20∶00，每隔2 h讀一次，最后將3 d同一時間地溫求平均值；在各生育期的不同處理用土鉆分別在0～15和15～30 cm土層取樣，經自然風干后過篩進行電導率、pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質的測定；在玉米成熟后，進行考種測產。土壤含水率通過烘干稱重法進行測定[19]；電導率通過電導率儀測定(土水比為1∶5)；pH值通過pH計測定(水浸提，1∶2.5)；堿解氮采用解堿擴散法[19]，有效磷和速效鉀采用聯合浸提-比色法[20]，有機質采用重鉻酸鉀容量法[21]。

1.5 數據分析與處理

數據通過Microsoft Excel 2003進行整理并作圖，使用SPSS19.0進行單因素方差分析和相關性分析，采用LSD方法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果分析與討論

2.1 秸稈不同還田方式對土壤含水率的影響

如圖1所示，在三葉期，土壤深度為0～10和10～20 cm各處理土壤含水率依次均為：BJ>B15>B0，相比對照B0，處理BJ、B15的增幅分別為：12.24%、0.56%和14.17%、2.65%，其中，BJ處理差異性達到顯著水平；在拔節期，土壤深度為0～10和10～20 cm各處理土壤含水率從大到小依次均為：BJ>B15>B0，相比對照B0，處理BJ、B15的增幅分別為：4.09%、2.15%和7.82%、5.23%，各處理差異性均沒有達到顯著水平；在抽雄期，土壤深度為0～10和10～20 cm各處理土壤含水率從大到小依次均為：B15、BJ、B0，相比對照B0，處理BJ、B15的增幅分別為：2.25%、3.20%和1.79%、3.26%，各處理差異不顯著；在灌漿期，土壤深度為0～10和10～20 cm各處理土壤含水率從大到小依次均為：B15、B0、BJ，相比對照B0，處理BJ、B15的增幅分別為：-11.02%、10.69%和-9.35%、1.95%，其中，在土層深度為0～10 cm，處理BJ、B15相比對照B0差異性顯著，在10～20 cm處理BJ與對照B0相比差異性顯著，B15不顯著；在成熟期，土壤深度為0～10和10～20 cm各處理土壤含水率從大到小依次均為：B15、B0、BJ，相比對照B0，處理BJ、B15的增幅分別為：-12.27%、13.45%和-7.66%、15.46%，相比對照B0，差異性均達到顯著水平。

通過分析可知，秸稈直接還田處理耕層土壤含水率先高于生物炭和對照處理，后逐漸減小低于生物炭處理高于對照，最后低于生物炭和對照處理，表明秸稈直接還田前期可以增加土壤含水率，后期這種增加效應逐漸減弱，甚至降低土壤含水率，這可能是因為前期秸稈本身的水分較大，玉米植株較小，需水較少，導致前期秸稈直接還田的土壤含水率大于生物炭處理和空白對照，之后由于氣溫不斷升高、玉米吸水能力逐漸增強，秸稈本身水分逐漸減少，且秸稈還田增強了土壤的通氣能力，增大了蒸發強度，而滴灌灌水又不足以抵掉土壤蒸發的水量和作物的需水量，最終導致秸稈直接還田的土壤含水率小于空白對照。生物炭處理耕層土壤含水率在玉米全生育期均高于對照，表明施入土壤生物炭可以提高土壤含水率，這與王丹丹等的研究一致[22]。主要是因為生物炭具有復雜的孔隙結構，巨大的比表面積，施入土壤后減小土壤容重，增大土壤孔隙度[8]，且生物炭可以增加土壤團聚體數量[23]，改善土壤結構，從而提高土壤含水率。

圖1 玉米全生育期不同處理耕層土壤含水率Fig.1 Different treatments arable layer soil moisture in maize whole growth period

2.2 秸稈不同還田方式對地溫的影響

如圖2所示(地溫均是在玉米的各生育初期所測)，在三葉期各處理土壤表層溫度差異很小；在拔節期土壤表層溫度從大到小依次為：BJ、B15、B0；在抽雄期、灌漿期和成熟期土壤表層溫度表現為相同的規律，從大到小依次為：BJ、B0、B15。

通過以上分析可知，秸稈直接還田可提高土壤表層溫度且效果優于生物炭并高于對照，主要原因是秸稈還田之后，使土壤變得更加疏松多孔，從而增大了表層土壤與太陽光的接觸面積，以及秸稈分解導致大量的熱量釋放，最終導致秸稈還田處理土壤表層溫度較高。李昌見等[24]發現施用生物炭在番茄的全生育期能夠提高土壤表層溫度，而本試驗發現施用生物炭在拔節期提高土壤表層溫度，在抽雄期之后均降低土壤表層溫度，研究結果不一致，可能原因是供試的作物不同，番茄在整個生育期株高不高，對太陽光對地面的照射影響較小，生物炭混入土壤后，加深土壤顏色，導致土壤表層溫度升高，而玉米在拔節初期株高不高，所以土壤表層溫度高于對照，在抽雄期及以后株高將近3 m，大范圍地遮擋了陽光對地面的照射，導致土壤顏色對土壤溫度的影響甚微，而施用生物炭提高了耕層土壤的含水率，致使生物炭處理土壤表層溫度低于對照。

2.3 秸稈不同還田方式對土壤pH值和電導率的影響

如圖3所示，在土壤深度為0～15 cm，在玉米全生育期各處理土壤pH值從大到小為：B0、B15、BJ，相比對照處理B0，B15和BJ的最大降幅分別為：0.82%和2.38%，最小降幅分別為0.06%和0.55%；在土壤深度為15～30 cm，在玉米全生育期各處理土壤pH值與土層厚度0～15 cm的各處理pH值大小關系一致，與對照B0相比，B15和BJ的最大降幅分別為：0.77%和2.91%，最小降幅分別為0.06%和0.67%。從分析結果可知，生物炭和秸稈直接還田處理均降低了土壤pH值，其中秸稈直接還田降幅相對較大，生物炭處理降幅較小。

圖2 玉米全生育期不同處理土壤溫度(10 cm)日變化Fig.2 Different treatments soil temperature (10 cm) daily variation in maize whole growth period

圖3 玉米全生育期不同處理耕層土壤pH值Fig.3 Different treatments arable layer soil pH value in maize whole growth period

土壤pH值是影響土壤化學反應過程和支配土壤化學成分在土壤中的發揮效果的重要指標[25]。有研究顯示，施用生物炭能提高酸性土壤的pH值，對堿性土壤影響不大[26]，原因是生物炭本身呈堿性，本研究施用生物炭后降低耕層土壤pH值，而供試土壤和生物炭均呈堿性(表1)，與前人的研究不一致，原因可能是試驗地為堿性土壤(表1)，鹽堿土的堿化度通常較高，生物炭本身含有較多的Ca2+，Mg2+，交換出土壤膠體上吸附的Na+，也可能是因為施用生物炭增大了土壤的陽離子交換量[8]，最終減小堿化度，從而降低土壤pH值。同樣，秸稈還田降低土壤pH值，這與幕平等[25]的研究一致，可能是秸稈在微生物的作用下腐解，促進了土壤腐殖酸和有機酸的形成[25,27]，最終導致土壤pH的降低，達到改良堿性土壤的效果。

如圖4所示，在三葉期，相比對照B0，處理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分別為：25.4%、5.4%和28.3%、9.8%，其中B15差異顯著；在拔節期，相比對照B0，處理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分別為：43.2%、43.5%和43.9%、41.1%，差異顯著；在抽雄期，相比對照B0，處理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分別為：11.5%、8.7%和51.8%、32.8%，差異顯著。在灌漿期，相比對照B0，處理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分別為：30.1%、16.4%和19.4%、6.5%，其中B15差異顯著。在成熟期，相比對照B0，處理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分別為：26.5%、5.2%和15.9%、4.7%，其中B15差異顯著。通過分析可知，土壤深度為0～15和15～30 cm，各處理在玉米全生育期土壤電導率均表現為一致的規律：B15>BJ>B0，說明生物炭和秸稈還田可顯著提高土壤電導率，其中，施用生物炭較秸稈還田增幅大。

圖4 玉米全生育期不同處理耕層土壤電導率值Fig.4 Different treatments arable layer soil electrical conductivity in maize whole growth period

電導率與底物的礦化和礦物質濃度分數有關。生物炭和秸稈還田在玉米整個生育期均提高了土壤的電導率，這可能是因為生物炭和秸稈本身含有較多的可溶性鹽或在有機質分解的時候釋放出礦質鹽分[28]，也有可能是因為生物炭強大的吸附力，促進了鹽分的累積，從而導致土壤電導率的升高。

2.4 秸稈不同還田方式對土壤肥力的影響

如圖5所示(不同字母表示差異性顯著)，在三葉期，堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量從大到小均為BJ、B15、B0，相比對照B0，處理BJ和B15堿解氮含量增幅為：6.6%和1.5%，速效鉀增幅為79.8%和10.1%，有機質增幅為：13.9%和0.5%，有效磷增幅為：114.7%和35.9%；在拔節期，堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量從大到小均為BJ、B15、B0，相比對照B0，處理BJ和B15堿解氮含量增幅為：13.1%和4.7%，速效鉀增幅為43.4%和14.2%，有機質增幅為：19.8%和2%，有效磷增幅為：133.0%和89.0%；在抽雄期，耕層土壤堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量為B15>BJ>B0，相比對照B0，處理BJ和B15堿解氮含量增幅為：1.8%和6.4%，速效鉀增幅為0.4%和16.7%，有機質增幅為：0.5%和11.4%，有效磷增幅為：54.3%和77.7%；在灌漿期，耕層土壤堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量為B15>BJ>B0，相比對照B0，處理BJ和B15堿解氮含量增幅為：0.8%和10.5%，速效鉀增幅為4.7%和13%，有機質增幅為：14.1%和28.7%，有效磷增幅為：21.1%和64.8%；在成熟期，耕層土壤堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量為B15>BJ>B0，相比對照B0，處理BJ和B15堿解氮含量增幅為：0.2%和6.9%，速效鉀增幅為6.7%和13%，有機質增幅為：5.4%和13%，有效磷增幅為：7%和72.2%。通過上述分析可知，生物炭和秸稈還田均可以提高耕層土壤堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量，其中秸稈還田處理在玉米三葉期和拔節期增幅較大且大于生物炭，而在抽雄期、灌漿期和成熟期增幅較小且小于生物炭，而生物炭處理在玉米整個生育期較均衡顯著地提高了土壤肥力，表明生物炭能夠緩慢釋放肥料中的養分。

圖5 玉米全生育期不同處理耕層土壤肥力Fig.5 Different treatments arable layer soil fertility in maize whole growth period

土壤有機質是衡量土壤肥力的重要指標，土壤堿解氮、速效鉀和有效磷是可供植物直接吸收的養分，反映了土壤短期內養分的供應狀況。研究表明，秸稈還田促進土壤有機質和堿解氮、速效鉀和有效磷含量的積累，這與湯文光等[29]的研究結果一致。這是因為玉米秸稈不僅含有豐富的N、P、K等營養成分且富含木質素、纖維素等，這是形成土壤有機質的主要來源[30]，在秸稈腐解的過程中，逐漸釋放出來，從而提高土壤肥力，其中秸稈直接還田處理在三葉期和拔節期的堿解氮、速效鉀、有機質和有效磷含量較高，在抽雄期、灌漿期和成熟期含量較低，這是因為秸稈在前期迅速腐解且土壤酶的活性較高，形成大量的有機質并釋放出大量的氮、磷、鉀素，在后期腐解速率降低、土壤酶的活性降低，進而導致有機質及各養分含量相對前期降低[27,31]；同樣，施用生物炭也增強土壤的保肥能力且表現出肥料緩釋的作用，這與李昌見等[24]的研究結果一致，這一方面是因為生物炭本身含有少量的N、P、K等營養成分且具有較大的比表面積、復雜的孔隙結構和多種官能團，能夠吸附土壤溶液中氮磷鉀化合物，減少淋溶損失，另一方面是因為生物炭可激發土壤微生物及酶活性，促進土壤有機氮、有機磷、有機鉀的礦化[32]，促進土壤中的養分循環，從而提高土壤肥力。

2.5 秸稈不同還田方式對玉米產量的影響

圖6表明，與B0相比施用生物炭及秸稈還田顯著提高了玉米產量，產量從大到小依次為B15、BJ、B0，與對照相比，處理B15和BJ產量增幅分別為19.27%和8.1%，處理B15相比BJ增產10.3%。表明，施用生物炭和秸稈還田均可提高玉米產量，其中，生物炭的增產效應更大。

圖6 不同處理玉米產量Fig.6 Different treatment yield of maize

生物炭和秸稈直接還田最主要的目的是改善土壤結構，培肥土壤，而還田效果的好壞，作物產量是衡量的標準之一。李瑋等[3]通過大田試驗，發現秸稈還田增產效果明顯，勾芒芒等[33]和Claser等[34]等通過室內盆栽試驗發現，施用生物炭顯著增加番茄的產量，與本研究結果一致。原因是因為生物炭和秸稈還田，提高了土壤有機質和速效養分、優化了土壤結構、改善土壤理化性質，提高土壤微生物和酶活性，從而有利于作物的生長和產量的提高。生物炭處理與秸稈還田對比，生物炭處理的產量更大，原因可能是秸稈還田處理在玉米生育后期土壤有機質和速效養分及土壤含水率低于生物炭處理，水肥利用率較生物炭降低，影響作物生長，進而導致玉米產量低于生物炭，因此，秸稈還田處理可以在玉米生育后期適量追肥，灌水，可能會達到產量的最大化。

3 結 語

(1)生物炭在整個玉米生育期均提高了耕層土壤的持水能力，秸稈還田在玉米生育前期提高土壤含水率，在后期土壤含水率低于對照，表明在灌水水平一致的情況下，生物炭的保水效果更好，因此秸稈還田可在玉米生育后期適當增加灌水量。

(2)與對照相比，秸稈還田顯著提高土壤表層溫度，生物炭在拔節期促進土壤表層溫度，在抽雄期之后降低了土壤表層溫度，因此對土壤溫度敏感的作物，在施用生物炭時應考慮作物的株高及長勢。

(3)相比對照，生物炭和秸稈還田都降低耕層土壤pH值，對堿性土壤起到一定的改良作用，其中秸稈還田降幅相比生物炭較大；兩種秸稈還田方式均增大土壤的電導率，但是并沒有影響作物的產量，可能是土壤溶液鹽濃度在玉米的耐鹽范圍之內。

(4)生物炭和秸稈還田能夠培肥土壤，其中生物炭對肥料有緩釋的作用，在每個生育期能夠穩定有效地提供養分，而秸稈還田在前后生育期養分供應不均衡，因此秸稈還田在玉米生育后期可適量追施肥料。

(5)生物炭和秸稈還田促進玉米增產，其中施用生物炭增產作用最大。施用生物炭處理的產量相比對照增幅達19.27%，相比秸稈還田增幅達10.3%，差異性顯著。

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