秸稈還田與施氮量對土壤質量及小麥產量的影響

趙吉平，權寶全，郭鵬燕，任杰成

(山西農業大學 經濟作物研究所，山西 汾陽 032200)

作為農業大國，我國國民經濟發展的基礎是農業。但由于人口基數大，我國人均耕地占有量少，加上土地利用不合理，土壤質量持續下降，嚴重影響了農業的可持續發展[1]。農作物種植會產生大量的作物秸稈，而秸稈中富含的鉀、氮及碳等元素，有利于促進土壤中微生物繁殖，對改善農田生態系統、節約農業生產成本和走可持續農業發展道路具有重要意義。但當前階段秸稈棄置及露天焚燒情況嚴重，秸稈還田利用率較低，存在嚴重的資源浪費及環境污染問題[2]。近年來，關于秸稈還田與氮肥互作耕種模式的研究逐漸開展。李培培等[3]在研究中選取秸稈全量還田、秸稈全量炭化還田、秸稈半量炭化還田及無還田4個處理進行田間試驗，探究了不同秸稈處理還田方式對潮土硝化微生物的影響，結果表明，全量炭化還田更能提高土壤硝化活性，改善部分土壤理化性質。柴如山等[4]對2013-2017年秸稈還田條件下化學氮肥替代情況進行研究，結果顯示，合理利用秸稈氮養分資源是實現化學氮肥減量的重要途徑。叢萍等[5]在研究中選取高、中、低不同秸稈還田量進行深埋還田試驗，結果顯示，12～18 t/hm2秸稈一次性深埋還田，可顯著提高亞表層土壤肥力質量，是黃淮海北部地區培肥土壤的有效措施。吳玉紅等[6]研究顯示，秸稈還田與氮肥互作可有效提升土壤肥力，輔助提高作物產量，但不同互作模式的效果表現不同。已有研究對于秸稈還田的處理方式以及研究選取的指標不盡相同，受環境、地域影響，不同地區的處理結果亦存在差異。

為探究山西汾陽(山西省晉中盆地)最佳的秸稈還田與氮肥互作模式，本研究以晉麥106號為供試材料，通過裂區試驗，分析不同秸稈還田、氮肥互作模式下的土壤質量及小麥產量，以期為土壤培肥、小麥增產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

長期定位試驗于2015年10月-2017年6月在山西汾陽(山西省晉中盆地)開展，地理坐標為東經111°25′～113°09′，北緯37°27′。該地屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；年平均氣溫10 ℃，無霜期平均170 d，年均降水量426 mm；試驗地耕層(0～20 cm)土壤肥力均勻，含堿解氮55.97 mg/kg、速效鉀91.49 mg/kg、速效磷10.57 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試小麥品種為晉麥106號。

1.3 試驗設計

研究采用裂區試驗設計，屬于長期定位試驗的一部分。其中，主試驗區根據秸稈還田量進行劃分，主要分為無還田(NS)、半量還田(HS)以及全量還田(S)3個處理；副區為施氮量，設全量施氮(F1)、80%施氮(F0.8)、不施氮肥(F0)3個水平。根據秸稈還田量及施氮量水平，分9個試驗組合：NSF1、NSF0.8、NSF0、HSF1、HSF0.8、HSF0、SF1、SF0.8、SF0。采用機械條播，播種量為210 kg/hm2，播幅9 行，于每年9月下旬-10月上旬播種。其中，秸稈全量還田處理是先將秸稈進行粉碎，隨后將秸稈殘渣在地表進行有效覆蓋，并采用翻壓的形式進行還田；半量還田處理是在上述操作的過程中通過隔行拔除的形式對秸稈量進行減半處理，隨后進行翻壓還田；不還田處理是在對全部秸稈進行拔除后，采用旋耕的方式對田地進行處理。小麥施肥處理在旋耕之前進行，F1和F0.8處理均撒施尿素和磷酸二銨。F1處理下，施肥量分別為：尿素375 kg/hm2、磷酸二銨375 kg/hm2，含氮量238 kg/hm2。F0.8處理下，施肥量分別為：尿素300 kg/hm2、磷酸二銨300 kg/hm2，含氮量190 kg/hm2。S處理下，秸稈還田量為9 t/hm2，HS處理下，秸稈還田量為4.5 t/hm2。于每年12月上旬，在小麥越冬期，采用小區畦灌的方式對其進行灌溉，灌溉水量控制為100 mm。其余田間管理方式均和當地農業習慣保持一致。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤容重測定[7]每年在小麥播種前用環刀法進行測定。用環刀在不同處理裂區內的0～40 cm 土層采集原狀土樣，每10 cm為一層，各裂區均重復3次，密封好并帶回實驗室進行烘干稱質量，計算土壤容重。

①

式中，ρ表示土壤容重；g表示環刀內土壤濕樣質量；v表示環刀容積；w表示土壤樣品含水量。

1.4.2 土壤養分層化比測定[8]用土鉆采集0～40 cm土層土壤，每10 cm為一層，各裂區均重復采集3次。將土壤樣品風干后，磨碎過篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤中有機碳含量；采用HClO4-H2SO4法測定土壤中全磷含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量；采用堿解擴散法測定堿解氮含量；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

②

1.4.3 土壤酶活性測定[9]在小麥收獲后，于各裂區采集0～40 cm土層土壤，每10 cm為一層，各裂區均重復采集3次。將土樣過篩，于4 ℃冰箱保存。采用高錳酸鉀滴定法測定土樣過氧化氫酶活性；采用磷酸苯二鈉比色法測定土樣堿性磷酸酶活性。

1.4.4 小麥產量測定 采取“S”字形在各裂區進行采樣，各裂區選樣面積均為1 m2(1 m×1 m)，將樣方內小麥植株脫粒，統計產量。

1.5 數據處理分析

研究獲取數據錄入Excel 2018；采用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 土壤容重分析

對2015-2017年兩季麥田土壤容重變化統計可知，相同處理下，0～20 cm土層土壤容重低于20～40 cm土層；相同秸稈還田量下，施氮量變化對20～40 cm土層土壤容重變化影響相對較小；秸稈還田與施氮互作下，伴隨秸稈還田量增加，土壤容重下降；其中，HSF1和SF1處理下10～20 cm土層土壤容重最低；秸稈還田和施氮互作會引起土壤容重的變化，全量秸稈還田配施全量氮肥能降低土壤 0～20 cm土層土壤容重(表1)。

表1 不同土層土壤容重變化Tab.1 Changes in soil bulk density of different soil layers g/m3

2.2 土壤養分層化比分析

對2015-2017年兩季麥田土壤養分層化比分析可知，不同處理下土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮以及全磷等養分層化比均存在差異；SF1處理下養分層化比最小。說明在全量秸稈還田+全量施氮處理下，對0～20 cm土層及20～40 cm土層養分均存在影響，0～40 cm耕層土壤均可獲取充足養分。其他處理對0～20 cm土層及20～40 cm土層養分影響差異較大，20～40 cm土層養分獲取不足，養分分布不均勻(表2)。

2.3 土壤酶活性分析

對2015-2017年兩季麥田土壤酶活性分析可知(表3)，SF1處理下，土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性均最高。其中，2016年，不同處理下，0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性差異均不顯著(P>0.05)；SF1處理下，20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)；SF1處理下，0～40 cm土層土壤堿性磷酸酶活性最高。2017年，0～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性在SF1處理下最高，SF1處理下，可有效加速過氧化氫的分解，減輕土壤過氧化氫的毒害作用，提升土壤質量；土壤磷酸酶高對有機磷的礦化及植物的磷素營養有重要影響，亦可有效增加土壤肥力(表3)。

表2 不同處理下土壤養分層化比變化Tab.2 Changes of soil nutrient stratification ratio under different treatments

表3 不同處理下土壤酶活性變化Tab.3 Variation of soil enzyme activities under different treatments

2.4 作物產量分析

對2015-2017年兩季小麥產量分析可知(表4)，SF1處理下，小麥產量最高。2016年小麥分析可知，SF1條件下產量最高，SF1處理條件下產量顯著高于其他處理條件(P<0.05)；2017年小麥分析可知，SF0.8、SF1條件下產量高于其他處理條件(P<0.05)。其中，SF1條件下產量最高。

表4 不同處理下小麥產量變化Tab.4 Variation of wheat yield under different treatments

3 結論與討論

土壤容重是衡量土壤質量的重要物理性質之一，其主要通過改變土壤孔隙度而影響作物養分運輸及根系生長[10-11]。相關研究表明[12]，秸稈還田處理可打破亞表土層，有效降低土壤容重。本研究顯示，相同處理下，0～20 cm土層土壤容重低于20～40 cm土層；秸稈還田與施氮互作下，隨秸稈還田量增加，土壤容重下降。表明秸稈還田可有效降低土壤堅實度，增加土壤孔隙度，進而降低土壤容重。通過秸稈還田處理，作物秸稈腐解后，可為土壤提供豐富的纖維素、碳氮磷鉀及微量元素等，可增加土壤有機質含量，改善土壤質量[13-15]。本研究中養分層化比分析結果顯示，不同處理下土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮以及全磷等養分層化比存在差異。SF1處理下養分層化比最小，全量還田+全量施氮處理下，對0～20 cm土層及20～40 cm土層養分均有影響，0～40 cm耕層土壤均可獲取充足養分。土壤酶主要參與土壤物質轉化以及養分釋放、固定，土壤酶活性的高低是土壤肥力的重要體現形式[16-18]。作物秸稈攜帶大量的獲得性微生物，通過秸稈還田可有效增加土壤微生物含量，進而增強土壤酶活性[19-20]。本研究顯示，SF1處理下，土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性最高。分析其原因，可能是受土壤與外界物質交換、能量交換能力的影響，0～20 cm 土層土壤微生物繁殖能力高于20～40 cm土層，故其土壤酶活性亦高于20～40 cm土層。

通過秸稈還田與施氮互作，可降低土壤容重，改善土壤結構，有效抑制土壤水分蒸發，保水保墑[21-23]。同時，秸稈還田與施氮互作對土壤養分及酶活性的提高，為作物生長提高了良好的土壤環境，可有效促進作物根系發育，達到增產的目的[24-25]。研究顯示，SF0.8、SF1條件下小麥產量顯著高于其他處理(P<0.05)，表明該互作條件下的培肥增產效果最佳。

秸稈還田與施氮互作可影響土壤質量及小麥產量。研究結果可為合理利用農業廢棄物，促進農業可持續發展奠定良好的基礎。