土壤水分對玉米秸稈還田腐解率、土壤肥力及小麥籽粒蛋白質產量的影響

張素瑜，楊習文，李向東，楊明達，王和洲，賀德先

(1.河南農業大學農學院/河南糧食作物協同創新中心/小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州450002； 2.河南省農業科學院小麥研究中心/河南省小麥生物學重點實驗室，河南鄭州 450002；3.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉 453003)

黃淮海平原是小麥-玉米一年兩熟區，隨著作物產量不斷提高，越來越多的養分移出農田，作物高產、穩產對土壤肥力的要求與土壤供肥能力之間的矛盾與日俱增。施用有機肥料是培肥土壤的有效途徑，不僅可以改善土壤理化及生物學性質[1-2]，而且可以有效控制農業面源污染，維護農田良好的生態環境。秸稈還田作為一種低耗能、可持續的農業耕作方式和環保的秸稈利用途徑，對提高土壤肥力及自修復能力，改善土壤理化性質及連作障礙有積極作用[2-3]。黃淮地區夏、秋季作物秸稈資源豐富，是一大宗潛在的有機肥源。然而，生產實踐中不少秸稈移出田間，造成嚴重資源浪費和環境污染。據估算，目前中國農田秸稈還田率不足50%，與歐美國家90%以上的還田率相比，仍存在有較大差距[3]。農作物秸稈是地球上第一大可再生資源，富含有機物質及礦質營養元素[4]。研究表明，還田玉米秸稈腐解可增加土壤有機質及礦質養分的含量[5]；冬小麥季玉米秸稈腐解率為61.7%～70.1%[6]。邵 云等[3]指出，玉米秸稈粉碎還田可顯著提高土壤中0～20 cm土層的氮含量，同時秸稈養分釋放緩慢，在一定程度上又起到養分后移的作用。戴志剛等[7]報道，不同作物秸稈經過124 d的淹水處理，秸稈中養分釋放率均表現為K>P>C>N，而釋放量則表現為C>K>N>P。土壤水分含量顯著影響秸稈的腐解速度[8]。在水分有限條件下，秸稈腐解與土壤水分含量呈正比；在充分灌水或水分較高時，由于土壤通透性及溫度降低，秸稈的腐解速率降低[9-10]。近年來，我國作物秸稈還田面積持續擴大，還田技術也日臻完善，但前人在秸稈腐解特征及養分釋放規律方面的探索，大多采用室內模擬方式或在大田不考慮土壤水分狀況條件下進行。鑒于此，本研究充分考慮影響秸稈腐解和養分釋放的重要因素—土壤水分，在移動式防雨棚精確控水條件下，通過微區試驗，研究麥田在不同土壤水分條件下玉米秸稈粉碎翻壓還田后的腐解及氮素釋放規律，探索不同土壤水分條件下土壤肥力的變化及其對籽粒產量和品質的影響，以期為提高玉米秸稈還田技術和效果提供技術參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試點概況

試驗于2014年10月—2015年6月在河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站(34°34′N，115°33′E)移動式防雨棚下進行?？由? m(土層深1.5 m)，土壤面積為6.6 m2(2 m×3.3 m)，測坑四周用鐵皮焊接以防側滲。土壤類型為潮土，有機質含量為10.5 g·kg-1，全氮含量0.95 g·kg-1，堿解氮含量為53.8 mg·kg-1，速效磷含量為27.5 mg·kg-1。試驗點年均氣溫13.9 ℃，≥0 ℃積溫4 723 ℃以上。

1.2 供試材料

供試材料為黃淮平原區大面積推廣的小麥品種百農矮抗58(國審麥2005008)。

1.3 試驗設計

本研究為連續兩年的秸稈還田試驗(2013-2015年)，試驗數據采用2014-2015年。試驗采用裂區設計，主區為秸稈還田(RS)和不還田(CK)；副區為土壤水分含量，分別以田間持水量(field moisture capacity,FMC)的50%～55%、60%～65%、70%～75%為干旱(D)、輕旱(SD)和適宜水分(N)。重復3次?；适┯昧繛榧兊?40 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2，其中，總氮量的50%和全部磷、鉀肥作基肥，于播前整地時施入，其余50%氮肥于拔節期隨澆水施入。2014年10月20日人工開溝播種，行距23 cm，9行區。距離鐵皮兩側留出8 cm空隙，以避免小麥生育后期鐵皮溫度過高而灼傷植株。播種量為150 kg·hm-2。秸稈還田方法：將玉米秸稈用機器粉碎(長度約5 cm)，人工翻埋入土，深度為 20 cm，還田量為9 000 kg·hm-2[11]。 籽粒灌漿初期在試驗區外圍布設防鳥網。試驗田其他管理同一般高產田。2015年6月3日收獲。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 田間原位秸稈腐解過程模擬

采用尼龍網袋法進行模擬，收集一定量收割機處理過的夏玉米秸稈，放入烘箱80 ℃烘至恒重，用剪刀將之截成5 cm左右的秸段，裝入100目尼龍網袋內，每袋7.00 g。袋內秸段均勻混入適量過篩耕層土壤，保證秸稈與土壤充分接觸，于小麥播種時在行間仔細埋入土壤15 cm深處，每個秸稈還田小區放置5個尼龍網袋，均勻分布在小區中間及四周位置，并確保尼龍網袋的位置距離測坑鐵皮有40 cm以上的距離。整個試驗共計45袋。小麥生育期間，分別在秸稈還田后第74天(2015年1月1日)、第133天(3月1日)、 第162天(3月30日)、第192天(4月29日)、 第228 天(6月4日)取出網袋，每小區每次取1袋，用鑷子將未腐解的秸稈挑揀出來，清水洗凈，80 ℃烘干至恒重，計算秸稈質量減少率：

秸稈質量減少率=(秸稈基礎質量-取樣時秸稈剩余質量)÷秸稈基礎質量×100%

1.4.2 秸稈全氮含量測定

將1.4.1中不同還田時期取出的秸稈樣品烘干，粉碎過40目篩。用濃硫酸-過氧化氫消煮法提取后，采用半微量凱式定氮法測定秸稈全氮含量，計算初始秸稈氮積累量(mg)、未腐解秸稈氮積累量(mg)和秸稈氮釋放率：

初始秸稈氮積累量=秸稈基礎質量×秸稈氮含量

未腐解秸稈氮積累量=未腐解秸稈質量×未腐解秸稈氮含量

秸稈氮釋放率=(初始秸稈氮積累量-未腐解秸稈氮積累量)÷初始秸稈氮積累量×100%

1.4.3 土壤堿解氮及有機質含量測定

采用五點取樣法隨機采集不同處理0～25 cm土層的土樣，風干后粉碎過100目篩，采用堿解擴散法和重鉻酸鉀法分別測定土壤堿解氮含量和有機質含量。

1.4.4 籽粒產量和千粒重調查

收獲時，每副區選取1 m2代表樣方，收割、晾曬后脫粒，測千粒重，并計算籽粒產量。

1.4.5 籽粒蛋白質含量測定

每處理選取適量籽粒，磨粉后過100目篩，用濃硫酸-過氧化氫消煮，半微量凱式定氮法測定蛋白質含量(mg·g-1)。

籽粒蛋白質含量=籽粒全氮含量×5.7×10

籽粒蛋白質產量=籽粒蛋白質含量×籽粒產量÷1 000

1.5 數據分析

運用Microsoft Office 2010對數據進行處理與作圖，采用SAS V8.0統計軟件對數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤水分對還田玉米秸稈腐解的影響

在小麥全生育期內，還田玉米秸稈的腐解速率均表現為“快-慢-快”的變化趨勢，還田玉米秸稈的腐解質量減少率因土壤含水量的不同而不同(表1)。腐解前期(播后0～74 d)，秸稈質量迅速降低，干旱、輕旱和適宜水分條件下玉米秸稈質量減少率分別為39.12%，43.72%和45.46%，干旱處理下玉米秸稈質量減少率顯著低于輕旱和適宜水分處理；腐解中期(播后74～133 d)的秸稈腐解量較小，干旱、輕旱和適宜水分處理的秸稈質量減少率分別為2.84%，1.41%和5.50%；播種133 d后，玉米秸稈又進入快速腐解期。隨土壤含水量的提高，秸稈質量累計減少量增加，即適宜水分處理>輕旱處理>干旱處理，干旱處理下秸稈質量減少率顯著低于其他處理。這表明，在小麥生育期間，適宜的土壤含水量有利于還田玉米秸稈腐解，而干旱不利于玉米秸稈腐解。

表1 土壤水分對麥田還田玉米秸稈腐解的影響Table 1 Influence of soil moisture on decomposition of maize stalks

同列數據后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Data followed by different small letters within the same columns mean significant difference at 0.05 level.The same in other tables.

2.2 土壤水分對麥田還田玉米秸稈氮素釋放的影響

由表2可知，秸稈氮素釋放速率隨著秸稈腐解時間的延長基本表現為“快-慢-快”的趨勢。土壤水分含量顯著影響腐解前期(播種后70～133 d)還田玉米秸稈中氮素的釋放速率，而播后162 d(拔節期)和228 d(成熟期)，不同土壤水分條件下秸稈的氮素釋放率則基本一致。秸稈腐解前期(0～133 d)，干旱處理下的秸稈氮素釋放率顯著低于輕旱和適宜水分處理；播種后0～74 d，秸稈氮素釋放率較大，而74 ～133 d(越冬期-起身期)，秸稈氮素釋放量較小，干旱、輕旱和適宜水分處理秸稈氮素釋放率分別為5.6%，3.85%和1.94%。播種133 d后，還田玉米秸稈的氮素釋放率迅速增大，播種后192 d(灌漿期)，干旱處理下的秸稈氮素釋放率最高，并顯著高于適宜水分處理(25.26%)。播種后228 d(成熟期)，不同土壤水分處理間還田玉米秸稈氮素釋放率的差異均未達顯著水平。輕旱和適宜水分處理間秸稈氮素釋放率在相同時期的差異均未達顯著水平。

表2 土壤水分對麥田還田玉米秸稈氮素釋放率的影響Table 2 Influence of soil moisture on nitrogen release rate of maize stalk returning %

2.3 不同土壤水分條件下玉米秸稈還田對耕層土壤肥力的影響

2.3.1 對土壤有機質含量的影響

由表3可知，在小麥越冬期和成熟期，玉米秸稈還田處理麥田0～25 cm耕層土壤的有機質含量分別為11.3～11.46 g·kg-1和9.55～10.4 g·kg-1，與CK相比均表現為提高，幅度為17.2%～16.1%，秸稈處理方式對不同時期麥田土壤有機質含量的影響達顯著或極顯著水平。小麥成熟期，秸稈還田下，隨著土壤水分含量的提高，土壤有機質含量均逐漸升高；秸稈不還田處理下，土壤有機質含量逐漸降低，較播前的增加率分別為-8.60%～3.17%和-11.65～-5.04%；在適宜水分條件下，秸稈還田土壤有機質含量顯著高于干旱；秸稈不還田土壤有機質含量在處理間無顯著差異。上述結果說明，玉米秸稈還田可增加麥田耕層土壤有機質含量，增加幅度與土壤水分含量相關。

表3 不同處理對耕層土壤有機質含量的影響Table 3 Influence of different treatments on content of soil organic matters within 0-25 cm top soil

PRS:Maize stalks treatment; SMC:Soil moisture content; IA:Interaction; SOM:Soil organic matters.*:P<0.05; **:P<0.01.The same below.

2.3.2 對土壤堿解氮含量的影響

由表4可知，不同生育時期玉米秸稈還田土壤0～25 cm土層堿解氮含量為53.87～65.05 g·kg-1，較CK提高11.65%～23.10%，平均增幅達17.28%；秸稈還田與否對土壤堿解氮含量的影響達極顯著水平。秸稈還田和不還田條件下，拔節至灌漿期，干旱處理的土壤堿解氮含量均大于輕旱和適宜水分處理，增加幅度分別為1.51%～18.99%和0.96%～18.11%；在小麥開花期，秸稈還田條件下，干旱處理土壤堿解氮含量比輕旱和適宜水分處理分別增加了17.70%和8.46%，與輕旱處理的差異達顯著水平。成熟期，干旱與輕旱和適宜水分處理間土壤堿解氮含量的差異則均未達顯著水平。

表4 不同處理對耕層土壤堿解氮含量的影響Table 4 Influence of different treatments on content of soil alkaline hydrolytic nitrogen within 0-25 cm top soil mg·kg-1

2.4 不同土壤水分條件下玉米秸稈還田對小麥籽粒產量、蛋白質含量及產量的影響

由表5可知，土壤水分含量對小麥籽粒產量、籽粒蛋白質含量及蛋白質產量的影響均達極顯著水平；秸稈處理方式與土壤水分間的交互作用對籽粒產量及蛋白質產量的影響也達極顯著水平。在相同秸稈處理方式下，小麥籽粒產量和蛋白質產量隨著土壤水分含量的增加而增加。秸稈還田處理的籽粒蛋白質產量平均為84.64 kg·hm-2，較CK降低4.63%，差異達顯著水平(P<0.05)。主要原因在于干旱條件下還田處理的小麥籽粒產量和蛋白質產量顯著低于CK。干旱條件下，籽粒蛋白質含量最大，輕旱和適宜水分條件下籽粒蛋白質含量降低，但兩者間差異未達顯著水平。相同土壤水分條件下，秸稈處理方式對籽粒蛋白質含量影響不顯著。輕旱和適宜水分條件下，還田處理的籽粒產量較不還田顯著增加，蛋白質產量間的差異則未達顯著水平。

表5 不同處理對小麥籽粒產量、籽粒蛋白質含量及產量的影Table 5 Influence of different treatments on wheat grain yield,grain protein content and protein yield

3 討 論

秸稈還田作為農業可持續發展的重要途徑，被廣泛關注。本研究結果表明，還田后玉米秸稈的腐解速率表現為“快-慢-快”的趨勢，這一方面與秸稈本身的性質有關系，另外也與溫度的變化有關。秸稈腐解初期主要以較易溶解的苯/醇溶性、水溶性組分為主，腐解速度較快[12]。在還田后74～133 d，小麥處于越冬-返青、起身階段，氣溫較低，微生物活動減緩，秸稈腐解速度降低[9,13]。而在腐解后期，隨著溫度逐漸回升，微生物繁殖較快，數量增多，秸稈腐解速率加快。本研究中，成熟期不同土壤水分條件下秸稈腐解率間的差異未達顯著水平，這可能是由于玉米秸稈中的木質素較穩定，分解慢[12]，使得不同水分處理間秸稈剩余質量的差異縮小。研究發現，土壤含水量對秸稈腐解具有雙重作用，在一定土壤水分條件下，土壤含水量與有機肥腐殖化系數表現為正相關，然而隨著土壤含水量持續增高，土壤通透性及土壤溫度降低，微生物數量及微生物群落的代謝強度降低，秸稈腐解速率表現為降低趨勢[9-10]。本研究結果與之基本一致。

秸稈腐解過程中，土壤微生物利用秸稈中的碳源物質大量繁殖，將秸稈中的碳同化為微生物體碳，使土壤養分向更易于作物吸收的形態轉化，對作物產量和品質的形成產生良好的促進作用[14]。農作物秸稈還田是農田生態系統中腐殖質的重要來源，而腐殖質又成為土壤有機質的主要組成部分。研究認為，秸稈還田能夠提高土壤有機質含量，如朱瑞祥等[15]的研究表明，連續兩年秸稈還田下土壤有機質含量增加幅度可達12.2%，而未還田時土壤有機質含量則基本不變；另有研究指出，秸稈還田后土壤有機質含量、堿解氮含量均有一定程度的增加，且增加速率表現為先增加后減小[16]。本研究結果表明，秸稈還田可顯著提高越冬期麥田的土壤有機質含量，成熟期麥田的土壤有機質含量較播前均有所下降(還田條件下適宜水分處理除外)，但秸稈還田處理的土壤有機質含量的下降幅度小，這說明秸稈還田對培肥土壤有利，而要想持續培肥土壤，提升或不降低地力，需借助其他途徑進一步增加土壤有機質含量。

冬小麥是對氮素反應特別強烈的禾谷類作物，其中成熟期小麥植株積累氮素的73%～87%來自土壤[17]。苗 峰等[18]的研究指出，秸稈還田有增加潛在養分供應的可能，秸稈還田配施氮肥可增加土壤堿解氮含量；匡恩俊等[19]通過網袋模擬秸稈還田指出，經過150 d的腐解，玉米秸稈的氮釋放率為 51.1%～67.7%。本研究中，開花期干旱處理的秸稈氮素釋放率最大，可能是因為微生物對氮、磷的需求達到一定的含量閾值后，才能分泌足夠數量和活性的胞外酶啟動對秸稈的大量分解并釋放氮、磷養分[20]，而越冬期溫度低，干旱處理下要達到該養分閾值需要較長的時間，所以開花期秸稈氮素才得以大量釋放；另外溫度回升，微生物活動增強也加速對秸稈氮素的分解[21]；微生物通過代償性機制，通過促進秸稈分解提供自身所需氮源[22]，促進了秸稈腐解進程。秸稈還田處理下麥田的土壤堿解氮含量顯著增加，并且在干旱條件下，拔節～灌漿期土壤堿解氮含量較大，原因可能是干旱脅迫抑制了植株的生長發育，從而減少作物對土壤中氮素的吸收，另外干旱處理下秸稈在開花期氮素釋放量較大，進一步提高了土壤堿解氮含量。

干旱可顯著增加籽粒蛋白質含量已成為共識，本研究進一步印證了此結論。灌溉量的增加抑制了花后營養器官中積累的氮素向籽粒的轉運，不利于籽粒蛋白質含量的提高[23]。本研究中，水分顯著影響小麥的產量及籽粒蛋白質產量，但秸稈還田對小麥產量及籽粒蛋白質產量的影響不顯著。這說明，本研究中，與秸稈不還田相比，秸稈還田雖對培肥土壤有利，但在較短的還田年限內，秸稈還田并沒有表現出顯著的增產效應。在不同的土壤水分條件下，小麥產量和蛋白質產量對秸稈還田的響應不一(表5)，但是這說明水分與秸稈還田的交互效應顯著影響小麥的產量和蛋白質產量。在干旱條件下，秸稈還田顯著降低了小麥的產量和蛋白質產量；而在輕旱和適宜水分條件下，與秸稈不還田相比，秸稈還田處理的產量和蛋白質產量分別提高了5.63%～6.96%和1.90%～7.32%。這可能是因為土壤水分狀況與秸稈腐解密切相關[8,11]，在干旱條件下，秸稈腐解造成微生物與植株競爭水分，加重植株的水分脅迫，不利于植株生長及產量形成。通過兩年的秸稈還田試驗得出，在水分狀況較好的情況下，秸稈還田能夠改善土壤水分狀況，促進根系生長并能延緩根系衰老，增加土壤貯水消耗量，最終提高作物產量[11]。因此，合理的水分管理是秸稈還田效應最大化的關鍵。本研究秸稈還田的年限較短，秸稈腐解特征、土壤肥力及產量等對秸稈還田響應的有關結論還需要進一步通過連續多年的秸稈還田定位試驗進行補充及驗證。

4 結 論

麥田還田玉米秸稈腐解和氮素釋放需要較好的土壤水分條件(輕旱和適宜水分)，其腐解過程表現為“快-慢-快”的趨勢。土壤水分適宜時，還田玉米秸稈腐解速率及氮素釋放率較快，土壤有機質含量和堿解氮含量明顯提高，最終籽粒產量及蛋白質產量均提高；而干旱條件下進行秸稈還田，則導致籽粒產量和蛋白質產量明顯降低。