連續免耕與秸稈還田對土壤養分含量的影響

李 華， 劉世平， 陳 暢， 王 靜

(揚州大學農學院，江蘇揚州 225009)

保護性耕作作為世界上應用范圍最廣、效果最好的一項農業技術，越來越受到世界各國的關注[1-2]。我國保護性耕作的研究開始于20世紀60年代，關于免耕與秸稈還田技術的研究取得了巨大發展，研究表明保護性耕作在我國可行[3]。農作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀和微量元素，是一種重要的可再生資源，免耕與秸稈還田具有改變土壤容重，增加土壤通氣、田間持水量和水穩性團粒結構的功能，從而改善土壤物理性狀，提高土壤保肥、保水能力。稻稈在覆蓋還田后通過雨水和土壤微生物的共同作用進入土壤，能夠促進土壤有機質的形成，增加土壤中氮、磷，尤其是可溶性鉀的含量。作物秸稈本身含有各種營養元素，是土壤養分的主要補給源。保護性耕作能夠減輕小麥凍害，降低死苗率，保證小麥安全越冬，促進小麥的根系發育，秸稈還田可以增加酶的數量，提高酶的活性，可以使土壤中脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶等酶的活性均高于不還田處理，還田后土壤中轉化酶活性明顯提高，是促進土壤中氮素養分增加的有效途徑之一[4-6]。少免耕配合秸稈還田有利于籽粒的充實，從而能提高作物產量[7-8]。保護性耕作適宜大面積推廣，它不僅能夠實現增產增效，也是解決生態環境問題，促進旱區農業可持續發展的措施之一。江蘇省位于我國東部沿海，雖然水資源豐富，風蝕現象發生概率小，但由于傳統翻耕模式、化學肥料和粗放型植保機械施藥技術的長期使用，部分地區土壤板結嚴重，滲透性差，水、肥不能有效利用，土壤肥力下降。保護性耕作技術的推廣能夠明顯減少風對土壤的侵蝕，提高土壤蓄水保墑能力，可以培肥土壤，改善土壤結構，達到節本增效、增產增收，解決了長期傳統性耕作帶來的土壤貧瘠、水土流失嚴重等問題，同時避免秸稈焚燒，改善了生態環境，實現農業的可持續發展[9]。目前，國內外大量研究結果證明，秸稈還田對農業生態系統是有利的[10-13]，但對不同耕法與秸稈還田所引起的生態效應，尚缺乏系統定位研究。因此，本研究選擇稻麥兩熟地區進行連續定位試驗，意在探討免耕與秸稈還田相配套的耕作技術體系對農田生態系統結構、功能、生產力的影響，豐富耕作和生態學的理論，為稻麥免耕高產栽培和秸稈科學還田提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗在揚州大學遺傳生理重點實驗室試驗田和網室內進行，設置大田小區試驗和網室微區試驗，于2014年和2015年以揚麥3號和南粳9108為試驗材料進行定位試驗，對2014年和2015年不同處理土壤的理化性質進行測定分析。

1.2 試驗材料

供試土壤為沙壤土，大田土壤的有機質含量為 14.66 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量依次為87.9、30.8、75.5 mg/kg。網室土壤的有機質含量為15.7 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量依次為93.2、49.3、87.6 mg/kg。

1.3 試驗設計

大田試驗設置8個處理，每處理25 m2，隨機排列，重復3次。8個處理為免耕秸稈覆蓋還田(NTS)：連免覆，稻季覆蓋麥秸，麥茬高25～30 cm，麥季覆蓋稻秸，稻茬高20～25 cm，秸稈還田量為每季4 500 kg/hm2；耕高茬還田(NTH)：免高茬，留茬高度同NTS，秸稈還田量為每季3 000 kg/hm2；麥免稻耕(RNT)：輪耕1，秸稈還田量為麥季3 000 kg/hm2；麥耕稻免(RCT)：輪耕2，秸稈還田量為稻季3 000 kg/hm2；翻耕秸稈全量還田(CTS1)：耕全還，秸稈稻季翻埋麥季覆蓋，秸稈還田量為每季4 500 kg/hm2；翻耕秸稈半量還田(CTS2)：耕半還，秸稈還田量為每季3 000 kg/hm2；稻麥秸稈焚燒(CTB)：耕燒還，秸稈焚燒量為每季3 000 kg/hm2；翻耕無秸稈還田(CT)：耕無。

網室設置4個處理，分別為連續免耕秸稈覆蓋還田(網免覆，NTS)、免耕高茬還田(網免高，NTH)、翻耕秸稈還田(網耕還，CTS)和翻耕無秸稈還田(網耕無，CT)。每處理2 m2，隨機排列，重復3次。

1.4 測定項目與方法

在水稻(10月中下旬)、小麥(6月上旬)收獲后，分3層取土壤樣品備用，分別為0～7 cm、7～14 cm、14～21 cm。用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質的含量；用硫酸-混合催化劑聯合消煮開氏蒸餾法測定土壤全氮的含量；用堿解擴散法測定土壤堿解氮的含量；用NaHCO3法測定土壤速效磷的含量；用NH4OAc浸提-火焰光度計法測定土壤速效鉀的含量。

2 結果與分析

2.1 連續免耕與秸稈還田對土壤養分含量的影響

2.1.1 對土壤有機質的影響 對不同處理水稻收獲后和小麥收獲后土壤有機質含量進行測定，結果(表1)表明，大田試驗中，7個處理表層土壤有機質含量以及平均有機質含量均大于CT處理，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加13.69%～31.97%。從上下層變化趨勢來看，免耕處理分層差距比翻耕處理明顯，在相同耕作方式中，NTS處理、NTH處理表層有機質含量較高，平均有機質含量NTS處理略高，差異不明顯，對下層有機質含量影響不大；CTS1、CTS2處理的各層有機質含量均高于CT，CTS2處理平均有機質含量高于CTS1，但差異不明顯。網室處理中，NTS、NTH、CTS處理的有機質含量均高于CT處理，其中NTS處理上層有機質含量最高，與CT處理有顯著差異。

表1 免耕與秸稈還田對土壤有機質含量的影響

注：同欄同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.1.2 對土壤全氮的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對不同處理土壤全氮含量進行測定，結果(表2)表明，大田試驗土壤全氮的變化趨勢與有機質趨勢基本相似，7個處理表層土壤的全氮含量均高于CT處理，耕層平均全氮含量也比CT處理高。與CT處理相比，稻麥兩季收后土壤全氮含量平均增加2.08%～17.71%。可以說明，無論大田還是網室，連續免耕處理土壤表層全氮含量均較高，而下層全氮含量較低，輪免、輪耕和翻耕處理全氮分布較均勻。各個處理全氮含量均高于CT處理，且在稻后和麥后均沒有明顯差異。

2.2 對土壤供肥特性的影響

2.2.1 對土壤堿解氮的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對不同處理土壤堿解氮含量進行測定，結果(表3)表明，在大田試驗中，7個處理的土壤堿解氮含量都高于CT處理，且各處理土壤堿解氮表層含量處于較高水平，與CT相比，稻麥兩季收后平均增加9.46%～19.71%。連續免耕處理(NTS、NTH處理)上層堿解氮含量高于其他處理，并且不同層次差異明顯。由于免耕處理表層土壤保持原狀，NTS處理、NTH處理水稻收獲后上層(0～7cm) 堿解氮含量約是CT 處理的1.6倍。小麥收獲后NTS處理上層(0～7 cm)比CT處理提高30.69%。而中層(7～14 cm)、下層(14～21 cm)土壤堿解氮含量與CT處理處理相近或者偏低。翻耕秸稈還田處理的土壤各層堿解氮含量都明顯高于CT處理。網室試驗中，免耕處理土壤堿解氮含量高于CT處理，免耕處理上層(0～7 cm)土壤堿解氮含量在水稻收后和小麥收后均高于翻耕處理，稻收后各處理的堿解氮含量也均低于小麥收后，與大田一致。

表2 免耕與秸稈還田對土壤全氮含量的影響

表3 免耕與秸稈還田對土壤堿解氮含量的影響

2.2.2 對土壤速效磷的影響 在水稻收后和小麥收后對土壤速效磷含量進行測定，結果(表4)表明，在大田試驗中，連續免耕處理的土壤表層速效磷含量與其他處理接近甚至更低，沒有出現明顯的富集現象，各土層之間也無明顯差異，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加-4.86%～9.38%。水稻收后7個處理速效磷含量均高于CT處理，但之間的差異不明顯，小麥收后NTS、NTH、RCT和CTS2處理速效磷含量甚至低于CT處理，其他處理也只是略高于CT處理。網室試驗中無論是水稻收后還是小麥收后，各個處理之間速效磷含量無明顯差異。

表4 免耕與秸稈還田對土壤速效磷含量的影響

2.2.3 對土壤速效鉀的影響 在水稻收獲后和小麥收獲后對土壤速效鉀含量進行測定。由表5可以看出，在大田試驗中，7個處理(除CTB外)的土壤表層速效鉀含量處于較高水平，有明顯的富集現象，各層次之間差異明顯，與CT處理相比，稻麥兩季收后平均增加4.42%～10.31%。其中NTS處理的土壤表層速效鉀富集表現最為明顯，CTS1處理的土壤全層速效鉀含量高于CTS2處理，說明免耕與秸稈還田均有利提高土壤速效鉀含量，免耕有利于提高表層速效鉀含量，而翻耕處理有利于提高土壤全層速效鉀含量，而且秸稈還田量越多，速效鉀含量越高。網室與大田基本一致，與CT處理相比，秸稈還田對土壤速效鉀含量的影響更為明顯。

表5 免耕與秸稈還田對土壤速效鉀含量的影響

2.2.4 連續免耕與秸稈還田對耕層土壤有機質含量的影響 將2006—2015年連續10年麥后的耕層土壤有機質含量進行分析，結果(表6)表明，在大田7個處理中，免耕與秸稈還田處理10年有機質平均含量均高于CT處理，平均增加6.45%～22.01%，以CTS1和CTS2處理為高。免耕處理中，NTS和NTH處理10年連續免耕有機質含量均較高，且兩者含量差別不大。連續秸稈還田處理(CTS1、CTS2)有機質含量處于最高水平，CTS1為全量秸稈還田處理，CTS2為半量秸稈還田處理，其中CTS1處理的有機質含量最高。CTB和CT處理為連續翻耕無秸稈直接還田處理，CTB處理有機質含量略高于CT處理。綜合來看，翻耕秸稈還田處理對土壤耕層有機質含量增加效果最好，免耕次之。網室連續10年不同處理中，翻耕秸稈還田處理CTS有機質平均含量最高，免耕處理NTS和NTH次之，比CT處理平均增加0.40%～8.35%，表明翻耕秸稈還田與免耕處理對土壤耕層有機質含量均有提高作用，又以翻耕秸稈還田提高有機質含量效果最好。

表6 不同處理對土壤耕層有機質含量的影響(麥后)

2.2.5 連續免耕與秸稈還田對耕層土壤全氮含量的影響 對2006—2015年連續10年不同處理麥后耕層土壤全氮含量進行比較，結果如表7所示，大田處理中，免耕處理與秸稈還田處理的耕層全氮平均含量均高于CT處理，平均增加5.49%～21.98%。NTS和NTH處理全氮含量在10年中無顯著差異。RNT和RCT為輪耕處理，RNT處理的10年平均全氮含量略高于RCT處理，RCT處理只有2011年、2014年和2015年高于RNT處理，這可能與氣候、小麥生長等其他因素有關。連續翻耕秸稈還田處理CTS1和CTS2耕層全氮含量隨著時間推進有增加的趨勢，且兩者均高于其他處理，說明連續翻耕秸稈還田處理對土壤耕層全氮含量有明顯的提高作用，而CTS2處理耕層平均全氮含量略高于CTS1，說明秸稈還田量的多少對土壤耕層全氮含量也有一定的影響，并不是越多越好。相對大田處理，網室處理中，10年間NTS、NTH、CTS處理基本上均高于CT處理，平均增加7.07%～11.11%，翻耕秸稈還田處理CTS最高，免耕NTS、NTH處理次之。所以，免耕與秸稈還田可以增加土壤耕層全氮含量，尤其以翻耕秸稈還田效果最好。

表7 不同處理對土壤耕層全氮含量的影響(麥后)

3 結論與討論

3.1 不同耕作與秸稈還田對土壤養分含量的影響

連續免耕與直接還田對土壤的營養元素有一定的改善作用。2014—2015年連續免耕處理NTS和NTH、輪耕處理RNT和RCT、秸稈翻耕直接還田處理CTS1和CTS2的土壤有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量與CT處理相比均有所增加。稻麥兩季收獲后的有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量分別增加13.69%～31.97%、2.08%～17.71%、9.46%～19.71%、4.42%～10.31%，對速效磷的增加效果不明顯，焚燒秸稈還田處理CTB比CT也略有增加，但增加幅度沒有翻耕秸稈直接還田處理大。RNT、RCT處理與CT處理相比，稻后、麥后的土壤有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量均有一定程度的增加，表明一季秸稈直接還田對土壤有一定的培肥作用，但是兩季秸稈直接還田的效果更為明顯，而在一定范圍內，土壤有機質和速效鉀的含量與秸稈還田量的多少呈正比關系，翻耕秸稈還田處理的土壤全氮和堿解氮含量高于免耕處理。說明免耕、輪耕與秸稈還田有利于改善土壤的營養元素，免耕與秸稈還田有利于提高土壤有機質和速效鉀含量，而翻耕秸稈還田能夠增加土壤有效氮，可以適當減少肥料的施用量。在大田免耕與秸稈還田處理10年有機質和全氮平均含量均高于CT處理，平均增加分別為6.45%～22.01%和5.49%～21.98%，其中CTS1和CTS2處理有機質和全氮平均含量較高。

3.2 關于不同耕作方法對土壤肥力的影響

土壤肥力是協調植物營養生長和環境條件的重要因素之一，不同的耕作方式對土壤肥力的影響不同。通過合理的耕作方式可以改善土壤過松、龜裂、板結等問題。常規的土壤耕作雖然短時間內可以提高作物產量，但隨著時間的積累，常規土壤耕作成本增加，土壤結構破壞，水土流失加劇，土壤肥力下降，最終會導致過于依賴化肥而造成土壤板結。免耕可以減少土壤耕作次數，保持土壤原有結構。作物秸稈含有大量的有機質、氮、磷、鉀等營養元素，秸稈還田可有效補給土壤肥力，參與土壤生態系統的物質循環，增加土壤中養分儲量，秸稈還田是循環利用這部分營養元素簡便有效的方法。適量秸稈還田可以改善土壤供肥特性，適當減少化肥的使用。