秸稈還田深度對土壤性狀及玉米生長的影響

田 雪，孫奧博，陳春羽，任立軍，曹 陽，雷 洋，陳松嶺，鄒洪濤

(沈陽農業大學土地與環境學院，農業部東北耕地保育重點實驗室，土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽 110866)

【研究意義】我國最大的玉米生產基地主要分布在東北地區，其玉米秸稈年產量(6.85×107t)占全國玉米秸稈總量的31.0%[1]。目前，在東北地區乃至全國，秸稈焚燒是一種常規的處理方式，一直受到廣泛關注。秸稈焚燒不但會造成嚴重的環境污染，而且對自然資源也是極大的浪費。秸稈還田作為一種保護型耕作措施，可以改善土壤結構、保持土壤水分、提高土壤肥力水平、增加農作物產量[2-3]。但是覆蓋還田、留茬還田和秸稈淺還田等也會使病蟲害增多及增加作物與土壤爭氮的風險[4]。因此，利用合理的秸稈還田方式來改善土壤結構、提高土壤有機質含量、增強土壤保水能力、提高作物產量，對促進東北地區糧食增產具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】秸稈還田對土壤的影響不盡相同。研究表明，不同量的秸稈集中深還田后，能夠明顯降低土壤容重，0～20 cm土層降低幅度為2.11%～9.15%，20～40 cm土層降低幅度為2.76%～7.59%[5]，但王秋菊等[6]在草甸土上進行連續8年的秸稈覆蓋試驗發現，秸稈覆蓋不僅增加了土壤的容重及緊實度，而且土壤的物理性質并沒有得到有效改善，從而影響作物生長。韋安培等[7]研究發現，秸稈還田結合深松可以有效提高土壤有機碳含量和土壤含水量，0～15 cm土層較對照分別提高9.78%和24.00%，15～30 cm土層分別提高7.08%和15.81%。秸稈還田配施氮肥(300 kg/hm2)可以顯著增加土壤含水量，與對照相比增加了13.64%[8]。武際等[9]在連續3年的秸稈覆蓋試驗中發現，秸稈覆蓋可以顯著增加0～25 cm 土層的有機質含量。研究發現，秸稈中含有大量有機碳(一般秸稈含碳量在40%左右)，秸稈還田后土壤中有機碳含量明顯增加，同時秸稈中還包含大量的氮、磷、鉀等元素，可以培肥地力，從而進一步促進作物生長[10-12]。【本研究切入點】前人研究主要集中于單一秸稈還田深度、相同深度不同還田量、不同耕作方式結合秸稈還田及秸稈配施氮素等對土壤性狀及玉米生長的影響，將秸稈不同還田深度放在一起系統探究對土壤性質和作物生長的研究相對較少，需進一步研究。【擬解決的關鍵問題】本試驗通過小區試驗探究秸稈還田深度對土壤性狀的變化及玉米生長的影響，為秸稈科學合理還田提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在沈陽農業大學后山科研試驗基地(41°82′′N，123°33′E)進行，該區域屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，試驗地為雨養農田，2020年年均降水量為750 mm，年平均蒸發量為1435.6 mm，年平均氣溫為6.2～9.7 ℃，全生育期為130～150 d。試驗于2019年11月11日進行秸稈還田，還田量為10 500 kg/hm2(秸稈長度為3～5 cm)，2020年4月30號播種。供試作物為玉米，品種為鄭單958，供試土壤為棕壤，土壤表層的基本理化性狀為：全氮0.042 g/kg，有機質8.45 g/kg，速效磷14.14 mg/kg，速效鉀107.21 mg/kg，有效氮19.18 mg/kg，pH 7.02，土壤容重1.45 g/cm3。

1.2 試驗設計

本試驗為單因素隨機區組設計，設3種玉米秸稈還田深度，分別為秸稈覆蓋還田(BF)、秸稈淺還田(QH)、秸稈深還田(SH)，秸稈不還田為對照(CK)，共4個處理，每個處理3次重復，共12個微區，微區長1.60 m，寬1.30 m，面積2.08 m2，具體操作如表1所示。2019年秋季收獲后將玉米秸稈還入田中；2020年4月30日正常施肥播種，每個微區播種8株，施肥與田間管理同當地農作經驗(尿素240 kg/hm2，過磷酸鈣75 kg/hm2，硫酸鉀105 kg/hm2)；取適量土壤與肥料均勻混合后施于小區中，然后用鐵鍬進行翻地。2020年于玉米苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、收獲期在每個微區選取長勢一致、具有代表性的4株玉米測定其生長指標；2020年9月26號進行玉米收獲，收獲后將每個微區的玉米全部帶回測產；按S形5點取土法，去除表面雜草，在0～20和20～40 cm 2個土層采集土樣，每個處理3次重復，過篩以備土壤性狀的測定。

表1 秸稈還田深度

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤容重及孔隙度測定 用100 cm3的環刀切割未攪動的自然土壤，使環刀里充滿土樣，105 ℃烘干后稱量土重。

孔隙度(%)=(1-容重/密度)×100(土壤密度=2.65 g/cm3)[13]

1.3.2 土壤含水量測定 用鋁盒裝2.5 g鮮土，在烘箱中105 ℃烘12 h，烘至恒重。

1.3.3 土壤有機質、全氮 土壤樣品過100目篩，均采用元素分析儀測定(Elementar III德國)。

1.3.4 速效養分測定測定 速效磷采用NaHCO3浸提-鉬睇抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定。

1.3.5 玉米生長指標測定 株高：用米尺測量從玉米植株最底部到最上部中心葉的高度；葉面積：用米尺量取玉米第3葉(從上面數)的長度和寬度；葉綠素SPAD值：葉綠素測定儀測定第3葉的SPAD值；莖粗：用游標卡尺測定玉米從最底部向上數第2節的莖粗。

1.3.6 玉米產量構成因素測定 穗粒、穗行數及產量：統計玉米每穗玉米數行數，脫粒后測定玉米產量；玉米百粒重：在每個處理隨機選取100粒玉米進行烘干，直至恒重。

1.4 數據處理

運用Microsoft Excel 2010進行數據整理，利用IBM SPSS Statistics 22軟件進行數據統計分析，其中方差分析為單因素方差分析，多重比較用Duncan法，平均值在P<0.05水平下差異具有統計學意義，采用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 玉米秸稈還田深度對土壤容重及孔隙度的影響

從圖1可知，在0～20 cm土層中，BF、SH和QH的土壤容重較CK分別降低0.10、0.13和0.14 g/cm3，土壤孔隙度較CK分別提高6.82%、10.21%和8.90%，各秸稈還田處理與CK差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，QH、BF和SH的土壤容重較CK分別降低0.09、0.12和0.13 g/cm3，土壤孔隙度較CK分別增加7.23%、9.44%和11.01%，其中以SH效果最好；且各處理與CK差異顯著(P<0.05)。說明，各處理土壤容重均隨土層深度的增加而增大，土壤孔隙度隨深度加深而逐漸減小。

2.2 玉米秸稈還田深度對土壤含水量的影響

從圖2可知，秸稈還田能夠顯著提高各土層(0～20、20～40 cm)的土壤含水量。在0～20 cm土層中，QH、BF和SH的土壤含水量較CK分別增加15.15%、10.32%、和5.96%，其中QH與CK達到顯著差異(P<0.05)；在20～40 cm土層中，SH、QH和BF的土壤含水量較CK分別增加21.30%、20.95%和11.05%，且QH和SH均與CK達到顯著差異(P<0.05)。說明，各處理土壤含水量均隨著土層的加深而增加。

2.3 玉米秸稈還田深度對土壤有機質、全氮的影響

從表2可知，秸稈還田后各土層的土壤有機質含量較CK均有所增加。在0～20 cm土層，SH、QH和BF的土壤有機質含量較CK分別增加32.89%、20.23%和1.45%，且SH和QH與CK差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，SH、QH和BF的土壤有機質含量較CK分別增加11.84%、10.32%和7.87%，各處理與CK之間差異顯著(P<0.05)。說明，從整體來看，隨著土層加深，各處理土壤有機質含量呈逐漸降低的趨勢。

不同小寫字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below圖1 不同處理對土壤容重及孔隙度的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil bulk density porosity

在0～20 cm土層中，QH、BF和SH的土壤全氮含量較CK分別增加28.15%、9.63%和2.96%，且QH與其他3個處理差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，QH、SH和BF的土壤全氮含量分別較CK增加20.34%、16.10%和1.69%，且SH、QH與CK之間差異均達到顯著水平(P<0.05)。說明，土壤全氮含量與土壤有機質含量變化相似，隨著土層加深呈降低的趨勢。

2.4 玉米秸稈還田對土壤速效養分的影響

從圖3-a可知，在0～20 cm土層中，QH、BF和SH的土壤有效氮含量較CK分別增加37.78%、33.95%和5.87%，且BF和QH與CK差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，SH、BF和QH的土壤有效氮含量較CK分別增加16.79%、13.37%和10.41%，且秸稈還田各處理與CK差異顯著(P<0.05)。從圖3-b可知，在0～20 cm土層中，BF、QH和SH的土壤速效鉀含量較CK分別增加28.85%、27.13%和14.83%，且BF、QH與其他2個處理差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，BF、SH和QH的土壤速效鉀含量較CK分別增加29.07%、18.57%和14.57%；且BF與其他3個處理差異顯著(P<0.05)。從圖3-c可知，在0～20 cm土層中，BF、QH和SH的土壤速效磷含量較CK分別增加24.60%、21.10%和17.55%，且CK與其他3個處理差異顯著(P<0.05)；在20～40 cm土層中，SH、QH和BF的土壤速效磷含量較CK分別增加18.88%、15.36%和3.83%，且QH和SH與CK差異顯著(P<0.05)。說明，秸稈還田后能夠增加0～40 cm土層的速效養分含量。

不同小寫字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below圖2 不同處理對土壤含水量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil moisture content

表2 不同處理下土壤有機質及土壤全氮的顯著性差異

圖3 不同處理對土壤速效養分的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil available nutrients

2.5 玉米秸稈還田深度對玉米生長的影響

2.5.1 玉米秸稈還田深度對玉米生長指標的影響 各處理植株莖粗、葉綠素、株高和葉面積均表現為先升高后略微下降的趨勢。從圖4-a可知，在苗期時，BF的莖粗較CK降低17.91%，QH和SH較CK分別增加16.66%和26.13%；各處理的莖粗在玉米拔節期增長速度最快，SH、QH和BF較CK分別增加19.21%、15.75%和7.83%，且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05)。各處理的莖粗均在抽穗期達到最大值，SH、BF和QH分別較CK增加24.34%、33.54%和22.44%，且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05)；收獲期各處理玉米莖粗略有下降，BF、SH和QH分別較CK增加23.27%、10.96%和9.33%，各處理與CK差異顯著(P<0.05)。從4-b可知，在苗期時，供試玉米葉綠素SPAD值表現為SH>QH>BF>CK，SH、QH和BF分別較CK增加42.47%、33.54%和22.44%，且QH和SH與CK顯著差異(P<0.05)。在拔節期時，秸稈還田處理葉綠素SPAD值顯著增加(P<0.05)，BF、QH和SH分別較CK增加50.30%、43.02%和42.54%；在灌漿期時，各處理葉綠素含量SPAD值均達到最大值，BF、SH和QH較CK分別增加47.44%、26.38%和20.30%，且各處理與CK差異性顯著(P<0.05)。從圖4-c可知，在苗期時，BF的株高較CK降低3.91%，而QH和SH的株高較CK分別增加53.83%、15.90%。在拔節期時，SH的株高表現最佳，較CK顯著增加44.64%；在抽穗期時，各處理株高增長速度加快，在灌漿期時，各處理的株高均達到最大值，BF、QH和SH較CK分別增加10.37%、8.30%和4.97%；且BF和QH與CK差異顯著(P<0.05)。從圖4-d可知，在苗期時，各處理的葉面積大小表現為:SH>QH>CK>BF，BF的葉面積比CK降低3.28%，而QH和SH較對照處理增加12.05%、37.87%，且QH與CK差異性顯著(P<0.05)；在拔節期時，BF、SH和QH的葉面積分別較CK增加41.62%、37.22%和4.58%(P<0.05)；在抽穗期時，各處理的葉面積均達到最大值，BF、QH和SH較CK均顯著增加，增幅分別達35.01%、18.13%和16.74%(P<0.05)。說明，秸稈還田增強玉米的光合作用，進而促進玉米生長。

圖4 秸稈還田深度對玉米生長指標的影響Fig.4 Effects of straw returning on maize growth index

2.5.2 玉米秸稈還田深度對玉米產量的影響 從表3可知，BF、SH和QH的百粒重分別較CK增加13.09%、3.18%和8.09%，且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05)。BF、SH和QH的穗行數較CK分別增加18.18%、15.91%和13.64%；穗粒數較CK分別增加19.63%、18.90%和10.11%，各處理與CK顯著差異(P<0.05)，且都以BF效果最好。不同秸稈還田深度均可提高玉米籽粒產量，表現為:BF>SH>QH>CK，其中以BF和SH增產效果較明顯，分別較CK增產23.37%和22.02%，且各秸稈還田處理與CK差異顯著(P<0.05)。

3 討 論

3.1 玉米秸稈還田深度對土壤性狀的影響

土壤容重的大小直接影響土壤孔隙度進而影響土壤的通氣透水性，適宜的土壤容重和孔隙度可以有效促進植物根系生長，為植物提供適宜的營養物質、水分及良好的生長環境[14]。李涵等[15]研究表明，秸稈覆蓋可顯著降低0～20 cm土層的土壤容重，且隨著土層的加深土壤容重逐漸增加。有研究表明連續3年秸稈集條深埋后，0～30 cm土層的土壤容重降低了0.02～0.14 g/cm3，土壤總孔隙度增加了0.70%～5.98%[16]。本研究表明，不同玉米秸稈還田深度在一定程度上均降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙度，且隨著土層的加深土壤容重呈逐漸增大的趨勢，土壤孔隙度的趨勢與之相反，且都以秸稈還田層處理效果最佳，這與Kabiri等[17]的研究結果相一致。可能是因為秸稈密度比土壤密度低，摻入土壤后形成一種稀釋作用，秸稈在土壤中分解，形成孔隙，進而降低土壤容重，增加土壤的孔隙度[18]；另外，秸稈還田后會影響作物根系及微生物的活動；根系的穿插對土壤起疏松作用，進而降低土壤容重。同時，本試驗是第一年秸稈還田，秸稈腐解周期較長，土壤中的秸稈仍然以較大形態存在，因此對降低土壤容重和提高土壤孔隙度起到一定作用[19]。

表3 玉米產量構成要素、產量及顯著性檢驗結果

土壤含水量是表征土壤物理性質好壞的一個重要指標。王勝楠等[20]研究表明，秸稈集中深還田兩年后，秸稈還田層向上和向下10 cm土層的土壤含水量增加了3.99%～14.68%。Cabiles等[21]研究表明，秸稈直接還田和機械粉碎后還田，可以有效降低作物生育前期土壤表層的無效蒸發，蓄水保墑，從而促進作物的增產。本研究表明，0～20和20～40 cm土層的土壤含水量與玉米秸稈還田位置有關，在0～20 cm土層以QH含水量最高；在20～40 cm土層土壤含水量以SH最高；這是由于玉米秸稈本身具有較大的內部空隙，可以吸持來自外界的水分并向土壤中釋放出自身吸持的水分，使土壤的含水量增加；秸稈深還田可能使深層的土壤水分反熵，而且使土壤變得疏松，能夠向下滲透更多的水分，深埋的秸稈能夠吸收自然降水，減少水分流失，從而達到蓄水保水的作用[22-23]。與QH和SH相比，BF在0～20和20～40 cm土層土壤含水量較低，這可能是由于本次取土是在玉米收獲后，后期降雨不頻繁，只有在頻繁的降雨條件下，秸稈覆蓋才能更有效的起到保水和抑制土壤水分蒸發的作用[24]。

土壤有機碳能夠直接和間接影響植物生長，因此土壤肥力常用土壤有機碳進行廣泛評估[25]。Liu等[26]將秸稈混入土層后發現，土壤和秸稈的充分接觸，能夠促進大團聚體的形成，從而增加土壤有機碳含量，這與Dong等[27]提出的秸稈還田對土壤有機碳積累有促進作用，進而提高土壤肥力的觀點一致。武際等[28]和鄒清祺[29]研究表明，連續秸稈覆蓋可以顯著提高表層土壤的有機質含量。本研究表明，秸稈不同還田深度均能增加土壤有機質和全氮含量，且0～20 cm土層的土壤有機質和土壤全氮含量高于20～40 cm土層。分析其原因：由于土壤表層通氣性較好，微生物活動旺盛，使秸稈分解的速度加快，所以表層積累的有機質多于亞表層，這與前人的研究結果一致[30-31]；水分的淋溶作用能夠使玉米秸稈腐解加快，并進一步促進養分轉移和釋放。此外，秸稈還田也可減少施肥后因淋溶而流失的肥料養分，同時使土壤中有機膠結物質增加，促進良好團聚體的形成，團聚體能夠提高土壤對氮、磷、鉀元素的吸附力，從而增加土壤有機碳和全氮含量[32-33]；另一方面秸稈本身作為有機物料，還田后對土壤的有機質具有補充和促進作用[34]。

3.2 玉米秸稈還田深度對玉米生長及產量的影響

本研究中，苗期BF的株高、莖粗和葉面積較CK有所降低，這可能是由于秸稈覆蓋在土壤表面阻擋了光照，土壤表層溫度低，導致玉米的生長受阻，但是對玉米生長的中后期效果顯著，可以明顯促進玉米生長、增加穗粒數和產量，這與前人的研究結果一致[35]；牛芬菊等[36]研究表明，玉米秸稈覆蓋還田后，顯著增加玉米的株高、莖粗及葉面積。本研究結果表明，各秸稈還田處理均能明顯促進作物生長，提高玉米產量，以秸稈覆蓋和秸稈深還田處理效果較好。其原因可能為秸稈覆蓋可以減少土壤水分蒸發，提高土壤的蓄水保墑能力，促進玉米生育后期對土壤養分的吸收；秸稈深還田打破了犁底層，增強了土壤的通氣透水性，從而促進了養分的運輸與轉化。其增產原因與本地區的土壤類型及玉米生育時期降雨量等有關，需要進一步探究其機理。

4 結 論

秸稈還田可以明顯降低土壤容重，提高土壤孔隙度，同時可以培肥土壤，促進玉米生長，提高玉米的光合作用，提高玉米產量；綜合土壤性狀與玉米產量兩個因素考慮，可以初步采用秸稈覆蓋和秸稈深還來指導農業生產，但秸稈還田作為保護性耕作措施已進行多年，怎樣進行秸稈還田方式仍然是農業可持續發展的一個重要課題。