玉米與秸稈種還分離栽培對土壤腐殖化特征和產量的影響

王世杰　李志洪　崔婷婷

摘要：通過將3壟2行的種植方式與秸稈還田相結合，形成種還分離模式，研究其對土壤腐殖化特征和玉米產量的影響。結果表明，種還分離模式能有效提高土壤有機碳和腐殖質各組分碳含量，且隨著秸稈還田量的增加呈增加趨勢。土壤過氧化氫酶、脲酶以及蔗糖酶活性同未秸稈還田處理相比顯著增加。種還分離模式下R1和R2處理的玉米根系體積、根干質量相較未秸稈還田處理分別增加了10.98%、11.95%和27.24%、25.47%，與常規種植相比，CK、R1、R2處理玉米產量分別增加了6.36%、4.90%、3.07%，說明種還分離模式在一定程度上促進了玉米的生長發育，其產量并未受到不利影響。結果表明，種還分離模式通過將秸稈還田區域和玉米種植區域分離，既可提高土壤肥力，改善土壤環境，又可減少秸稈還田對玉米生長發育的不利影響，相對提高玉米產量。

關鍵詞：玉米；秸稈；種還分離；土壤；腐殖化特征；產量

中圖分類號： S158文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0062-04

中國是一個農業生產大國，每年我國秸稈產量高達 7億t[1-3]，隨著我國農業生產力的提高，我國糧食產量不斷增加，秸稈產量也隨之增加[4]。秸稈還田作為秸稈有效利用方式之一，通過在田間將秸稈直接粉碎后還田，不僅充分利用了秸稈資源，減少運輸和處理成本，解決秸稈焚燒屢禁不止的問題，同時可改善土壤環境，使土壤肥力得到提高，從而極大地促進農業資源的循環利用[5-6]。然而常規栽培模式下，在表層土壤中進行全量秸稈還田會導致秸稈腐解不完全，未完全腐解的玉米秸稈裸露在地表將會影響春季播種，致使作物的出苗率降低，大量秸稈的添加會使部分害蟲和病菌重新返回田間，危害作物的生長，使作物產量下降。因此，本研究通過將3壟2行的栽培方式與秸稈還田相結合，形成種還分離的新模式，通過人為增加玉米秸稈的腐解時間，減少全量秸稈直接施入農田后秸稈不能完全腐解造成的出苗率降低、病蟲害增加、農作物減產等不利影響，指導農民的生產實踐活動。

1材料與方法

1.1研究區概況

試驗田選自吉林農業大學試驗站玉米連作耕地（草甸黑土），位于吉林省長春市南關區（125°23′16.81″E，43°48′38.20″N），屬于北溫帶大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季高溫多雨，秋季氣溫下降快，冬季寒冷，具有四季分明、干濕適中的氣候特征。最熱的月份為7月，平均氣溫為23 ℃。年均氣溫4.8 ℃，最低氣溫-39.8 ℃，最高氣溫 39.5 ℃。日照時間可達2 688 h，年均降水量617 mm，多集中在7、8月份，夏季降雨量占年降水量的60%以上。秋季溫差較大，風速與春季相比較小。

1.2供試材料

試驗為大田試驗，供試土壤采自吉林農業大學試驗田，土壤類型為草甸黑土，土壤0～20 cm耕層基本理化性質見表1。

供試作物殘體為成熟期的玉米秸稈，粉碎后長度3～5 cm，秸稈的有機碳含量437.6 g/kg，全氮含量5.72 g/kg，C/N 為76.50，還田時將碳氮比調節為25 ∶

1.3試驗設計

試驗區是吉林農業大學試驗站，試驗設置常規種植模式和種還分離種植模式。常規種植模式不進行秸稈還田，種植方式為大壟雙行（用ZC表示）。種還分離模式進行秸稈還田，還田量分別為未秸稈還田（對照）、0.88%、1.32%的玉米秸稈（分別使用CK、R1、R2來表示），種植方式采用3壟2行模式，即40 cm寬種2行玉米（圖1）；在空壟位置進行秸稈還田處理，還田區寬1 m，各處理重復3次。小區長5 m，寬9 m，還田時將秸稈與土均勻混合后翻埋，還田深度為表層25 cm，還田時將C/N控制為25 ∶[KG-*3]1。2種種植模式種植的玉米品種為先玉335，基肥（N 60 kg/hm2，P2O5 75 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2）一致，拔節期追施氮肥（N 120 kg/hm2），種植密度均為6萬株/hm2。

試驗于2014年4月末在空壟位置進行秸稈還田，形成秸稈還田帶，種植玉米區域不進行秸稈還田，形成玉米種植帶；2015年4月末進行輪換，在2014年的秸稈還田帶上種植玉米，玉米種植帶上進行秸稈還田，各還田處理與2014年相同。這樣將種植區和還田區進行分離，形成種還分離的年際循環栽培模式。

2015年9月底秋收前進行取樣，秸稈還田的各小區在玉米種植帶和秸稈還田帶分別取土樣，按“S”形路線隨機選取5個點，采集0～20 cm的耕層土壤，混合后剔除石塊、動植物殘體等雜物，在實驗室將風干后的土壤研磨后過1、0.25 mm篩備用。成熟期時，對2種栽培模式下的各試驗小區測產。

1.4分析方法

土壤氮、磷、鉀采用常規方法[7]進行分析，全氮采用半微量凱氏法測定；堿解氮采用堿解擴散法；全磷采用HClO4-H2SO4法測定；pH值采用pHS-3C型pH計測定；土壤總有機碳（TOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測定；色調系數（ΔlgK）參照Kumada等的方法[8]測定；胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（fulvic acid，FA）的提取和分離采用腐殖質組成修改法[8-9]測定；土壤腐殖質各組分有機碳均采用重鉻酸鉀容量（外加熱）法測定；酶活性參照關松蔭的方法[10]測定，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性，活性以20 min后1 g土壤所消耗的0.02 mol/L高錳酸鉀的體積（mL）表示；靛酚藍比色法測脲酶活性，結果以24 h后1 g土壤中NH4+-N的質量（mg）表示；3，5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性，結果以24 h（37 ℃）后土壤中1 g土壤中葡萄糖的質量（mg）表示。

1.5數據處理

試驗數據采用Excel 2013軟件整理，利用SPSS 22.0軟件進行統計分析，采用最小顯著性差異法（LSD）檢驗試驗數據的差異顯著性水平（α=0.05）。

2結果與分析

2.1種還分離對土壤總有機碳含量的影響

由圖2可知，2015年玉米種植帶（2014年秸稈還田帶）CK、R1、R2處理土壤有機碳含量為16.03、18.61、21.72 g/kg，R1、R2處理較CK分別增加16.08%、 35.47%，各處理之間具有顯著性差異。2015年秸稈還田帶CK、R1、R2處理土壤有機碳含量為16.62、21.31、24.29 g/kg，R1、R2處理較CK分別增加了28.24%、 46.19%，各處理之間具有顯著性差異，玉米種植帶土壤有機碳含量低于秸稈還田帶。結果表明，種還分離模式下，秸稈還田能顯著提高土壤有機碳含量，且隨著還田量的增加而增加。

[FK（W11][TPWSJ2.tif]

2.2種還分離對土壤腐殖質各組分含量的影響

由表2可知，玉米種植帶R1、R2處理腐殖物質（humic substance，HS）碳含量較CK分別增加了11.49%、18.01%，胡敏酸（HA）碳含量較CK分別增加13.60%、2053%，富里酸（FA）碳含量較CK分別增加了 7.56% 、13.33%。秸稈還田帶R1和R2處理HS碳含量較CK分別增加了20.21%、3484%，HA碳含量較CK分別增加了21.86%、41.16%，FA碳含量較CK分別增加了 17.17% 、23.18%。結果表明，種還分離模式可以有效提高土壤腐殖質各組分碳含量，且隨著還田量的增加而增加，玉米種植帶各處理含量均低于秸稈還田帶。

添加秸稈后，玉米種植帶和秸稈還田帶HA-C/FA-C均呈增加趨勢，且隨著秸稈還田量的增加而增加，說明秸稈還田增加了土壤中胡敏酸的比重，使FA等小分子化合物向HA轉化。使用ΔlgK來表征土壤中HA和FA的結構特征，由表2可知，隨著秸稈還田量的增加HA和FA的ΔlgK均呈增加趨勢，說明秸稈還田后HA和FA均向著結構簡單化方向發展。

2.3種還分離對土壤酶活性的影響

2.3.1過氧化氫酶活性

種還分離模式對土壤過氧化氫酶活性的影響見圖3，玉米種植帶CK、R1、R2處理土壤過氧化氫酶活性分別為2.46、2.82、2.92 mL/g，還田處理R1、R2較CK土壤過氧化氫酶活性分別顯著增加14.39%、18.72%。秸稈還田帶CK、R1、R2處理土壤過氧化氫酶活性分別為245、2.89、2.96 mL/g，還田處理R1、R2較CK土壤過氧化氫酶活性分別顯著增加18.11%、 20.93%。結果表明，種還分離模式能夠增加土壤過氧化氫酶活性，但是不同秸稈添加量的處理間沒有顯著性差異。

2.3.2脲酶活性

由圖4可知，在玉米種植帶，CK、R1、R2處理的土壤脲酶活性分別為0.47、0.61、0.81 mg/g，還田處理R1、R2較CK分別增加了28.82%、71.69%，R2處理增加效果更顯著。在秸稈還田帶，CK、R1、R2處理土壤脲酶活性分別為0.56、0.93、1.00 mg/g，R1、R2處理較CK分別增加了67.94%、79.57%，R1和R2處理均與CK有顯著性差異。說明種還分離模式能夠增加土壤脲酶活性，且土壤脲酶活性表現出隨秸稈還田量的增加而增加的趨勢。

2.3.3蔗糖酶活性

在玉米種植帶，CK、R1、R2處理的土壤蔗糖酶活性分別為47.01、66.92、74.40 mg/g，還田處理R1、R2較CK分別增加42.33%、58.24%，各處理之間具有顯著性差異。在秸稈還田帶，CK、R1、R2處理土壤蔗糖酶活性分別為35.79、75.32、98.32 mg/g，R1、R2處理較CK分別增加11041%、174.69%，各處理之間差異顯著。種還分離模式可以顯著增加土壤蔗糖酶活性，且表現出隨秸稈還田量的增大而增加的趨勢（圖5）。

2.4種還分離對玉米根系生長發育的影響

在種還分離模式下，CK、R1、R2處理成熟期根系體積分別為205.0、227.5、229.5 cm3，R1、R2處理較CK增加了 10.98% 、11.95%，但均與CK差異不顯著（圖6）。

由圖7可知，CK、R1、R2處理根干質量分別為20.34、25.88、25.52 g，R1、R2處理較CK分別顯著增加27.24%、 25.47%。根據玉米根系體積和根干質量的變化可知，種還分離模式下進行秸稈還田對玉米根系生長具有一定的促進作用，但效果并不顯著。

2.5種還分離對玉米產量的影響

種還分離模式下不同處理對玉米產量的影響如圖8所示，常規種植（ZC）、CK、R1、R2處理的玉米產量分別為 10 598、11 272、11 117、10 923 kg/hm2，與常規種植相比，CK、R1、R2處理玉米產量分別增加6.36%、4.90%、3.07%，但各處理之間沒有顯著性差異。說明與常規種植相比，種還分離模式下進行秸稈還田玉米產量有增加的趨勢，秸稈還田后玉米產量有一定的增加，并不會造成產量下降。

3討論

秸稈還田可以有效提高土壤有機碳和腐殖質各組分碳含量，張鵬等的4年秸稈還田試驗結果表明，秸稈還田使土壤中的有機碳含量顯著增加[11]。劉軍等的研究結果表明，長期連作的棉田土壤胡敏酸和胡敏素的含量在秸稈還田后顯著增加，并且增加土壤富里酸的含量使之處于穩定水平之上[12]。本研究在種還分離模式下進行秸稈還田同樣提高了土壤有機碳含量，在玉米種植帶，R1、R2處理較對照處理顯著增加1608%、35.47%；在秸稈還田帶，R1、R2處理較對照顯著增加28.24%、46.19%。胡敏酸和富里酸碳含量相較于未秸稈還田處理同樣呈增加趨勢，并且隨著秸稈還田量的增加，其含量均呈增加趨勢。

秸稈還田能夠改善土壤物理性狀，促進土壤微生物的生長，進而影響土壤酶活性。冀保毅等通過2年定位試驗研究表明，秸稈還田和深耕均能提高耕層土壤水解酶活性，提高效果與土壤質地和年份有關[13]。楊濱娟等的研究顯示，秸稈還田配施化肥各處理對根際土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶活性均有明顯的提高作用，但處理間存在一定的差異[14]。本研究結果表明，種還分離模式同樣促進土壤過氧化氫酶、脲酶以及蔗糖酶活性的增加，在玉米種植帶和秸稈還田帶上，R1和R2處理土壤過氧化氫酶、脲酶以及蔗糖酶活性較未秸稈還田處理均顯著增加。

很多學者研究表明，深層秸稈還田可以改善深層土壤理化性質，促進玉米生長，提高玉米產量。黃毅等通過秸稈機械化深層還田與常規耕作的對比試驗，測定玉米根系生長狀況，結果表明，深層秸稈還田能夠有效增強玉米扎根性能，擴展玉米根系分布空間，扎根深度增加5～10 cm，次生根數目明顯高于未秸稈還田處理；深層秸稈還田處理玉米產量較未秸稈還田處理增加18.16%，差異顯著[15]。王喜艷等通過田間試驗，研究了深層秸稈還田對0～40 cm土層土壤肥力和玉米產量的影響，結果表明，玉米秸稈深層還田不僅有利于改善土壤的理化性質，培肥土壤，而且還能提高玉米產量[16]。但是部分學者認為秸稈還田會降低作物出苗率，增加病蟲害，影響作物生長發育。韓賓等研究表明，免耕秸稈覆蓋處理2年，冬小麥出苗率均在60%左右[17]。李少昆等研究表明，玉米秸稈還田后小麥出苗率均有不同程度下降，幼苗的整齊度降低[18]。籍增順等進行田間試驗發現，免耕秸稈覆蓋還田能夠使玉米螟等害蟲安全過冬，安全越冬率達93.8%；并且增加了地老虎、金針蟲等地下害蟲的數量，使這些害蟲的危害率升高，并且隨秸稈免耕覆蓋還田年限的延長而升高[19]。本研究結果顯示，種還分離模式下R1、R2處理的玉米根系體積相較未秸稈還田處理分別增加10.98%、11.95%，但各處理間差異不顯著；還田處理的根干質量較未秸稈還田處理增幅明顯，R1、R2分別增加27.24%、25.47%，說明種還分離模式下進行秸稈還田對玉米的根系生長有一定的促進作用。與常規種植相比，CK、R1、R2處理玉米產量分別增加6.36%、490%、3.07%，但差異不顯著。說明種還分離模式下進行秸稈還田并未造成玉米產量的降低，反而有所增加，但隨著秸稈還田量的增加，玉米產量有所下降，這可能是由于秸稈含量過多無法完全腐解，部分秸稈在耕作過程中覆蓋在了玉米種植區，從而影響了玉米產量。

4結論

種還分離模式能增加土壤有機碳和腐殖質各組分碳含量，并且隨著秸稈添加量的增加而增加，土壤過氧化氫酶、脲酶以及蔗糖酶活性也得到提高。R1和R2處理的玉米根系體積和根干質量相較未秸稈還田處理分別增加了10.98%、11.95% 和27.24%、25.47%，說明種還分離模式對玉米根系生長有一定的促進作用。與常規種植相比，CK、R1、R2處理玉米產量分別增加了6.36%、4.90%、3.07%，說明種還分離模式下進行秸稈還田并未對玉米生長發育產生不利影響，相對提高了玉米產量。

參考文獻：

[1]畢于運，王亞靜，高春雨. 中國秸稈資源綜合利用的系統構成及總體趨勢[J]. 中國農業資源與區劃，2010，31（4）：35-38.

[2]謝光輝，王曉玉，任蘭天. 中國作物秸稈資源評估研究現狀[J]. 生物工程學報，2010，26（7）：855-863.

[3]高海，李國東，劉偉，等. 農作物秸稈綜合利用現狀及技術[J]. 現代農業科技，2011（18）：290-291.

[4]孫明湖，咸惠軍，南方. 大工業應用是解決秸稈問題的根本途徑[J]. 中國生態農業學報，2005，13（3）：196-198.

[5]黃毅，王瑞麗，趙凱. 遼西旱農區深層水肥調控對土壤主要物理性質和玉米產量的影響[J]. 干旱地區農業研究，2013，31（1）：8-13.

[6]Turmel M S，Speratti A，Baudron F，et al. Crop residue management and soil health：a systems analysis[J]. Agricultural Systems，2015，134：6-16.

[7]魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2000.

[8]Kumada K，Sato O，Ohsumi Y，et al. Humus composition of mountain soil in central Japan with special reference to the distribution of P type humic acid[J]. Soil Science and Plant Nutrition，2012（13）：151-158.

[9]于水強，竇森，張晉京，等. 不同氧氣濃度對玉米秸稈分解期間腐殖物質形成的影響[J]. 吉林農業大學學報，2005，27（5）：528-533.

[10]關松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京：農業出版社，1986.

[11]張鵬，李涵，賈志寬，等. 秸稈還田對寧南旱區土壤有機碳含量及土壤碳礦化的影響[J]. 農業環境科學學報，2011，30（12）：2518-2525.

[12]劉軍，景峰，李同花，等. 秸稈還田對長期連作棉田土壤腐殖質組分含量的影響[J]. 中國農業科學，2015（2）：293-302.

[13]冀保毅，趙亞麗，穆心愿，等. 深耕和秸稈還田對土壤酶活性的影響[J]. 河北農業科學，2016，20（1）：46-51.

[14]楊濱娟，黃國勤，錢海燕. 秸稈還田配施化肥對土壤溫度，根際微生物及酶活性的影響[J]. 土壤學報，2014，51（1）：150-157.

[15]黃毅，畢素艷，鄒洪濤，等. 秸稈深層還田對玉米根系及產量的影響[J]. 玉米科學，2013，21（5）：109-112.

[16]王喜艷，張亞文，馮燕，等. 玉米秸稈深層還田技術對土壤肥力和玉米產量的影響研究[J]. 干旱地區農業研究，2013（6）：103-107.

[17]韓賓，李增嘉，王蕓，等. 土壤耕作及秸稈還田對冬小麥生長狀況及產量的影響[J]. 農業工程學報，2007，23（2）：48-53.

[18]李少昆，王克如，馮聚凱，等. 玉米秸稈還田與不同耕作方式下影響小麥出苗的因素[J]. 作物學報，2006，32（3）：463-465.

[19]籍增順，張乃生，劉杰. 旱地玉米免耕整秸稈半覆蓋技術體系及其評價[J]. 干旱地區農業研究，1995，13（2）：14-19.