秸稈還田對耕層土壤理化性質及冬小麥-夏玉米產量的影響

摘要 [目的]探討不同秸稈還田模式對膠東半島小麥-玉米周年產量與耕層理化性狀的影響，為該區域土壤培肥及小麥-玉米均衡增產提供科學依據。[方法]試驗設置4個處理，分別為小麥和玉米秸稈均不還田（CK）、小麥秸稈還田玉米秸稈不還田（W1M0）、小麥秸稈不還田玉米秸稈還田（W0M1）、小麥和玉米秸稈均還田（W1M1）。結果秸稈還田處理尤其是W1M1處理顯著提高0～20 cm土層土壤有機碳與活性有機碳含量，增幅達14.22%與33.25%;顯著提高土壤全氮、速效氮、速效磷與速效鉀含量。與CK相比，W1M0處理通過提高穗粒數顯著提高夏玉米籽粒產量;W0M1則對冬小麥的增產效應更為顯著，其主要原因是單位面積粒數的提高;各秸稈還田處理均提高冬小麥-夏玉米周年產量，以W1M1處理最優，增產幅度達18.51%。[結論]在膠東半島地區，雙季秸稈還田模式能夠協同提高耕層土壤質量與冬小麥-夏玉米周年產量。

關鍵詞 有機碳;土壤養分;周年產量;耕層;秸稈還田模式

中圖分類號 S 141.4文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）23-0198-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.051

Effects of Straw Return on Tilth Physicochemical Properties and Grain Yield in Winter Wheat-Summer Maize System

ZHAO Bang-qing

（Agricultural and Rural Center of Dacun Town，Huangdao District，Qingdao City，Shandong Province，Qingdao，Shandong 266417）

Abstract [Objective]This study sought to determine the effects of different straw incorporation patterns on the annual wheat-maize yield and physicochemical properties of tilth.[Method]Four treatments were set up in the experiment：no straw incorporation （CK），summer maize-season straw incorporation （W1M0），winter wheat-season straw incorporation （W0M1） and double-season straw incorporation （W1M1）.[Result]Treatments with straw return，especially W1M1 treatment，significantly increased soil organic carbon （SOC） and labile organic carbon （LOC） at 0～20 cm depth，i.e.，by 14.22% and 33.25%，respectively.Meanwhile，straw return treatments significantly increased the concentration of soil total nitrogen，inorganic nitrogen，rapid available phosphorus and rapidly available potassium.Compared with CK，W1M0 promoted maize yield by increasing the kernel number per ear，and W0M1 improved grain yield by increasing grain number per unit area.In comparison to CK，the W1M1 treatment significantly increased annual yield of winter wheat-summer maize by 18.51%.[Conclusion]W1M1 is the most effective measure to improve soil quality and balance wheat-maize production in Jiao Dong Peninsula.

Key words Organic carbon;Soil nutrient;Annual yield;Soil tilth;Straw return methods

近年來我國糧食產量水平不斷提高，化肥施用量的持續高增長是糧食增產的重要因素之一[1]。化肥的持續大量施用不僅導致農業生產經濟效益下降，而且還造成土壤質量降低、農田生態環境惡化的不良后果[2]。因此，改良土壤質量，提高土壤生產力，同時兼顧農田生態穩定性是我國農業生產保持可持續發展亟需解決的問題之一。

近年來，隨著土壤質量下降及農田生產力不穩定等問題的出現，土壤質量問題引起人們的廣泛關注[2]。土壤有機碳含量顯著影響土壤性狀，是土壤質量的關鍵因子之一。提高土壤有機碳含量，能夠有效地保持土壤養分的有效性和農業生產的穩定性[3]。土壤酶與微生物活性顯著相關，它能有效地促進土壤養分的催化反應[4]。大量研究表明，秸稈還田能夠有效地提高土壤有機碳含量，促進土壤養分的積累循環，提高作物對土壤養分的利用率[3，5]。有許多研究結果表明，秸稈還田不僅能顯著提高土壤碳氮循環相關酶的活性，而且能優化土壤微生物種群結構，改善土壤微生物功能[4，6]。因此，科學的秸稈還田能夠有效地調節土壤性狀、促進養分歸還，從而達到改善和改良土壤質量的目的[7-8]。

膠東半島是冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作種植區域，是我國冬小麥和夏玉米生產的重要產區。農業生產成本過高、土壤質量日益下降，成為限制該地區農業高效、可持續發展的重要因素之一[1]。近年來，隨著秸稈還田推廣力度的加大，農田養分的綜合管理技術創新已迫在眉睫[7]。關于秸稈還田對土壤有機碳含量、土壤結構及土壤酶活性影響的研究已有大量報道[3-6]。但是，有關不同的秸稈還田方式下土壤養分的有效性及其與土壤酶活性的關系方面的研究報道卻很少。對此，筆者研究了冬小麥-夏玉米生產體系中不同秸稈還田模式對耕層土壤性狀和周年產量的影響，旨在為篩選適宜當地的周年秸稈還田模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況 該試驗于2017年10月—2018年10月在青島市黃島區進行（119°39′37″E、35°41′56″N），冬小麥-夏玉米輪作是該地區最常見的種植模式。試驗地常年平均氣溫為13? ℃，平均降水量為680 mm。試驗開始前，對0～20 cm耕層土壤基本肥力指標進行了測定，分別含有機質14.76 g/kg、全氮1.24 g/kg、速效磷9.6 mg/kg、速效鉀85.30 mg/kg、硝態氮12.79 mg/kg 以及銨態氮6.06 mg/kg，土壤pH為8.06。

1.2 試驗設計

試驗供試冬小麥品種為山農20，基本苗為225 株/m2，行距25 cm。2017年10月9日播種，三葉期定苗，2018年6月8日收獲。在冬小麥播前耕地時，施入50%氮肥（尿素，含氮量46%）、P2O5 105 kg/hm2（過磷酸鈣，含量10%）和K2O 105 kg/hm2（氯化鉀，含量50%）作為底肥，另外50%氮肥于小麥拔節期采取開溝追施。夏玉米品種采用當前推廣面積較大的鄭單958，種植6.75萬株/hm2，播種日期為2018年6月12日，于2018年9月30日收獲。夏玉米播種前，50%氮肥（尿素，含氮量46%）、P2O5120 kg/hm2（過磷酸鈣，含量10%）和96 kg/hm2 K2O（氯化鉀，含量50%）于播種前施入，作為底肥，其余50%氮肥于大喇叭口期追施。小麥和玉米施氮量分別為225和180 kg/hm2 。其他管理措施同高產田。還田秸稈均為上季作物殘茬，具體信息見表1。

試驗設置4個處理，分別為小麥和玉米秸稈均不還田（CK）、小麥秸稈還田玉米秸稈不還田（W1M0）、小麥秸稈不還田玉米秸稈還田（W0M1）、小麥和玉米秸稈均還田（W1M1）。隨機區組設計， 3次重復，小區面積為27 m2（9 m×3 m），小區間隔0.5 m。2017年10月夏玉米收獲后，按照試驗處理進行秸稈移除或還田，撒施底肥，旋耕2遍后機械播種;2018年6月冬小麥收獲后，按照要求進行秸稈移除或還田，夏玉米免耕貼茬播種，基肥施用與播種同時進行。

1.3 取樣與分析方法

2018年9月28日（夏玉米收獲前），于各小區隨機選取5個采樣點，采集0～20 cm土層土壤，充分混勻。土壤鮮樣過10目篩，一部分置于4 ℃冰箱，用于測定土壤硝態氮及銨態氮含量;另一部分自然風干，過100目篩，用于土壤有機質含量和全氮含量的測定。在土壤篩分的過程中，排除秸稈殘體、小麥斷根及石塊。

1.3.1 土壤容重與孔隙度。用容積為100 cm3的環刀采集每小區0～20 cm土壤原狀土，帶回實驗室稱重（M1），然后在105 ℃烘干至恒重，然后稱重（M2），最后洗凈環刀內壁土壤，晾干后環刀稱重（M0）。土壤容重（SBD，g/cm3）可以表示為：SBD=（M2-M0）/V。土壤密度采用PD=2.65 g/cm3，則土壤總孔隙度=（1-SBD/PD）× 100。

1.3.2 土壤有機碳。土壤總有機碳采用重鉻酸鉀容量法;土壤活性有機碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法。

1.3.3 土壤氮。H2SO4-H2O2聯合消解，半微量凱氏定氮法測定土壤全氮;1 mol/L KCl浸提，AA3連續流動分析儀（SFA CAF FIA BRAN+LUEBBE Ⅲ）測定土壤硝態氮及銨態氮含量，土壤無機氮含量即為兩者之和。

1.3.4 土壤有效磷與速效鉀。0.5 mol/L碳酸氫鈉法測定土壤速效磷;1 mol/L醋酸銨浸提土壤樣品，火焰光度計法測定土壤速效鉀。

1.3.5 產量及其構成因素。在冬小麥成熟期，各小區內選取長勢均勻一致的2.0 m×6行（共3 m2）的區域用于測產，同時調查測產區域的小麥穗數其中選取30個麥穗調查穗粒數，測產區域人工剪下麥穗采用QKT-320A型小型種子脫粒機（河南省衛輝市種子機械制造廠）脫粒，稱重并調整為含水量12%的籽粒產量，后將籽粒晾曬，在晾曬后的籽粒中隨機取樣調查千粒重。

在夏玉米成熟后，每個小區隨機連續收取玉米30穗，晾曬后在室內進行考種，調查穗行數、行粒數，脫粒后折算成含水量14%的籽粒產量，同時在其中隨機取樣用于調查百粒重。

1.4 統計分析 采用DPS 7.05統計分析軟件對數據進行方差分析和顯著性檢驗（LSD法），用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤容重與孔隙度

由圖1可知，與雙季秸稈均不還田處理（CK）相比，各秸稈還田處理均顯著降低0～20 cm土層土壤容重（P<0.05），分別為3.48%、5.53% 與12.63%。同時，各處理土壤孔隙度表現為W1M1 > W0M1 > W1M0 > W0M0，且處理間差異顯著（P<0.05）。

2.2 土壤有機碳

由圖2可知，與秸稈未還田處理（CK）相比，雙季秸稈還田（W1M1）與玉米秸稈還田（W0M1）均顯著提高0～20 cm土層土壤有機碳（SOC）含量，分別為14.22%與7.19%;小麥秸稈還田處理較CK提高SOC含量，達3.40%，但兩者之間無顯著差異。

與SOC含量略有不同，各秸稈還田處理均顯著提高0～20 cm土層土壤活性有機碳含量（LOC），以W1M1處理最優，達33.25%（圖2）。

2.3 土壤養分含量

與秸稈未還田處理相比，W1M0、W0M1與W1M1處理均顯著（P<0.05）提高0～20 cm土層土壤全氮與無機氮含量（圖3），分別為11.13%、18.68%、30.76%與9.30%、18.52%、66.95%。其中，小麥玉米秸稈均還田處理對無機氮的提升效果顯著高于土壤全氮，這表明其有利于提高土壤氮素的有效性。

由圖4可知，與未秸稈還田處理相比，各秸稈還田模式均顯著提高0～20 cm土層土壤速效磷與速效鉀含量，各處理依次為W1M1 > W0M1 > W1M0 > CK，且處理間差異顯著（P<0.05）。

2.4 冬小麥-夏玉米產量及其構成因素

2.4.1 冬小麥產量及其構成因素。

與CK相比，各秸稈還田處理（W1M0處理除外，其小麥季無秸稈還田）顯著（P<0.05）提高了冬小麥的籽粒產量（圖5），其主要原因是單位面積穗粒數的顯著提高，W0M1與W1M1處理分別提高9.46%與14.34%，千粒重略有增加但差異不顯著;W0M1與W1M1處理對冬小麥產量提高效應無顯著差異，平均為1.80 t/hm2。

2.4.2 夏玉米產量及其構成因素。

由圖6可知，與無秸稈還田處理（CK）相比，W1M1處理顯著提高了夏玉米籽粒產量，達13.32%。從產量構成因素來分析，穗粒數的顯著提高（8.78%，P<0.05）是其產量增加的主要原因;百粒重提高2.98%，但兩處理間無顯著差異。W1M0處理增產效應略高于W0M1處理，分別為7.75%與5.46%，其主要原因是穗粒數的顯著提高（12.02%，P<0.05），但百粒重略有降低。

2.4.3 周年產量。由表2可知，各秸稈還田處理均顯著提高冬小麥-夏玉米周年產量，W1M0、W0M1與W1M1處理分別增產5.74%、10.74%和18.51%。△yield代表各秸稈還田處理產量與NS處理產量之差。在增加的產量部分中，W1M0主要提高了夏玉米產量（圖6），WS則主要提高了冬小麥籽粒產量（圖5），DS處理則均衡提高冬小麥、夏玉米產量，說明秸稈還田主要影響當季作物的籽粒產量。

3 結論和討論

土壤容重和孔隙度是很重要的土壤物理性質，對土壤的水、肥、氣、熱變化有直接關聯[8-9]。在本試驗條件下，經秸稈還田處理的均顯著降低了0～20 cm土壤容重，提高了土壤孔隙度。Rawls等[10]研究表明，土壤容重與土壤有機質含量呈負相關。秸稈還田有利于土壤有機質的增加，促進土壤團聚體的形成，有利于土壤容重的下降[11]。

提高土壤有機碳有利于改善土壤的物理、化學性質，更是評價土壤優劣的重要指標之一[12-13]。本試驗研究結果表明，與未還田處理相比，各秸稈還田處理均顯著提高了0～20 cm土層SOC含量（圖1），這與前人的研究結果相一致[14-16]。Stewart[14]推斷，農田土壤有機碳含量未達飽和時，秸稈還田才能夠提高SOC含量。該研究表明，在膠東半島小麥玉米輪作中，小麥、玉米兩季秸稈還田處理的土壤SOC含量高于單季還田處理的，表明該區域農田土壤中有機碳含量存在可通過秸稈還田提升的空間。因此，通過秸稈還田提升膠東半島的農田土壤質量是可推廣的成本低廉的技術措施。

在農民小規模生產水平下，農田有機碳的積累主要取決于有機物料的投入量，秸稈還田技術可行[17]。從不同的周年秸稈還田模式分析，小麥秸稈還田量比玉米秸稈還田量高，但對土壤SOC含量的提高作用卻較低，究其的原因可能是冬小麥播前旋耕使玉米秸稈和耕層土壤混合的比較緊密充分，同時還田秸稈也為微生物的活動提供了附著點和營養來源，促進了微生物繁殖，加速了玉米秸稈的腐解[18-19];而玉米季是免耕貼茬播種，小麥秸稈直立裸露在地表，只能經風化等物理作用初步分解[20]，只有那些與土壤接觸的下部秸稈才能被微生物快速腐解。另外，小麥秸稈的碳氮比高于玉米秸稈，不易腐解[21]。綜上所述，在唯一秸稈還田處理條件下土壤有機碳的增加主要受還田數量、腐解率的影響。

土壤養分作為作物生長的物質基礎，其含量水平是決定土壤質量的關鍵因素之一。土壤礦化產生的有效養分和化學肥料中的有效成分能夠被作物根系直接吸收利用，是土壤肥力的主要組成部分。有研究結果表明，秸稈還田能夠顯著改良土壤理化性質，提高土壤的有機質含量，促進土壤養分循環，從而保持土壤生產力穩定[22-23]。此外，隨著秸稈腐解、土壤養分轉化，土壤微生物群體結構和土壤酶活性得到顯著改善[24]。

該試驗條件下，秸稈還田處理0～20 cm土層土壤全氮、無機氮及速效磷鉀含量均顯著高于未還田處理（圖3）。與該研究結果相一致，王小彬等[25]通過多年田間定位試驗證實了秸稈還田提高了耕層土壤養分含量及其有效性。

大田秸稈還田已成為農業生產重要普遍的技術，它在農田投入產出結構中發揮出重要作用[26]。秸稈還田對農作物產量的影響已有大量研究，多數研究結果表明秸稈還田對提高作物產量有積極效果[27-28]，這與該研究研究結果相一致。在秸稈還田造成作物減產的研究中，原因主要有兩方面。一是未配施適量氮肥的秸稈還田，導致土壤碳氮比失衡[29];二是還田秸稈空隙導致出苗質量差[30]。在本試驗條件下，W1M1的處理提高了冬小麥的畝穗數和穗粒數，從而增加了冬小麥的籽粒產量，增產幅度最大。譚德水等[31]研究表明，河北辛集市經過連續秸稈全量還田，冬小麥和夏玉米年產量分別增幅可達3.0%和6.8%，與該試驗的研究結果相一致。

在玉米季，只有周年秸稈還田的夏玉米籽粒產量較秸稈不還田增產顯著，主要通過提高夏玉米的穗行數和百粒重，增幅比例達13.32%。這與李亭亭[32]認為的各秸稈還田模式下春玉米產量均比無秸稈處理有所增加，表現為與秸稈周年還田>秸稈單季還田>無秸稈還田的結果相一致。究其原因：秸稈還田為作物生長提供了良好的土壤生態環境，促進了土壤的養分供給，增加了生物量，促進了作物對養分的吸收，最終促進了經濟產量的增加[33]。因此，在膠東半島區域現有的冬小麥旋耕、夏玉米免耕的耕作制度下，雙季秸稈還田模式可以實現土壤質量與作物產量的協同提高。

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作者簡介 趙邦青（1972—），男，山東青島人，農藝師，從事有機綠色無公害農產品種植與管理。

收稿日期 2020-04-04;修回日期 2020-05-13