秸稈還田量對東北旱地土壤磷素淋溶及玉米產量的影響

劉曉輝，高曉梅，于淼，李楊，敖靜，孫玉祿，王智學

（遼寧省微生物科學研究院，遼寧朝陽 122000）

玉米是東北旱地的主要糧食作物，播種面積大。由于玉米生產中化肥施用量高，易產生農田磷素面源污染。世界銀行報道，農業面源污染造成50%的地下水受到污染[1]。2019 年生態環境部發布的《中國環境狀況公報》表明，我國農業源磷素輸出對環境污染的貢獻率達67.3%，超過工業等其他源的排放量，成為我國環境污染的主要來源[2-3]。研究證明，長期過量投入磷肥引起土壤磷素累積，部分設施農田土壤有效磷含量高達400 mg·kg-1以上[4-6]；而土壤磷素積累是引起農業面源污染的重要因素[7-8]。

過量的磷素通過地表徑流、土壤侵蝕淋溶等形式進入環境，造成農業面源污染[9]。土壤中磷素淋溶流失主要通過以下2 種形式：降雨產生地表徑流直接進入河流湖泊；地表侵蝕通過土壤剖面垂直地滲透到地表水和地下水[10]。影響磷素淋溶流失的因素主要有以下幾方面：①降雨強度，研究表明，降雨強度直接影響土壤中磷元素的淋溶損失量[11]，土壤中全磷含量與降雨強度呈顯著正相關[12-13]；②施肥量，施肥量與土壤磷素淋溶流失密切相關，研究發現，目前的肥料施用量遠高于農作物生長的實際需求量，近1∕3 的磷殘留于農田土壤中，導致土壤中磷素淋溶流失污染環境[14-15]；③土壤性質，秸稈還田有利于改良土壤，改善土壤質地和團粒結構，增加孔隙度，提高土壤溶液的入滲率，增加土壤飽和導水率，有效提高作物對土壤磷素的吸收利用[16]，減少土壤磷淋溶損失，且秸稈中的有機碳可通過影響土壤黏性來影響土壤中磷素的有效性，間接影響土壤磷含量，施加秸稈可以控制土壤磷的淋溶損失[17-18]。

前人研究了不同種類秸稈還田以及秸稈還田方式對土壤磷素淋溶的影響，且多數為實驗室模擬試驗，而對東北旱地秸稈還田量對土壤磷素淋溶損失的研究鮮見報道。因此，本研究探討了不同秸稈還田量對東北旱地土壤中磷素淋失及作物產量的影響，為東北旱地秸稈還田減少磷淋溶、控制農業面源污染、提高農業產值提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020 年5月12日至10月21日在遼寧省朝陽市喀左縣六管官子鎮東前溝鄉（41°17′57″N，119°63′48″E）進行。試驗區地處溫帶半干旱西遼河州向暖溫帶半濕潤冀北山地過渡地帶，屬大陸性季風氣候，主要氣候特點為春季少雨多風，夏季炎熱少雨，秋季晴朗日照足，冬季寒冷降雪稀少，年均氣溫8.7 ℃，年均降水量491.5 mm，年均日照時數2 807.8 h，無霜期144 d。整個植物生長期（4—9月）的降水量為451.6 mm，占全年降水量的92%。試驗前茬作物為玉米。

1.2 試驗材料

以春玉米品種吉地67 為試驗材料。還田的玉米秸稈原料采自遼寧省朝陽市喀左縣六官營子鎮東前溝鄉附近農田。玉米秸稈在室外自然晾曬至含水量為10%～15%，然后用秸稈粉碎機粉碎（＜10 cm）。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，以常規施肥為對照（CK），然后在常規施肥的基礎上，分別設置添加秸稈0.25（T0.25）、0.50（T0.50）、0.75（T0.75）、1.00（T1.00）、1.25（T1.25）和1.50 kg·m-2（T1.50），共計7個處理。常規施肥處理為基施復混肥（N∶P2O5∶K2O=28∶14∶12）750 kg·hm-2，生長期不再追施肥料。每處理3 次重復，共21 個小區。每小區長8 m，寬6 m，縱向隔離行1.0 m，橫向隔離行0.8 m。其他田間管理同當地大田生產。

1.4 試驗方法

1.4.1 秸稈還田方式 采用深埋方式進行秸稈還田。在作物種植行下挖25 cm深溝；將粉碎的秸稈按試驗設計比例均勻施入溝里；將開溝的土覆于粉碎的秸稈上，覆土厚度20～25 cm，形成種植壟。

1.4.2 淋溶方式 采用田間滲漏池法[19]進行淋溶。在每個小區中央區域挖一個長150 cm×寬80 cm×高40 cm 的淋溶池，在淋溶池中央挖40 cm深置入淋溶桶（直徑40 cm，高40 cm）。淋溶桶蓋帶有數個小孔，以便淋溶液的流入；且淋溶桶插有抽水管和通氣管通到地面上。淋溶池用塑料薄膜圍隔，淋溶桶上剪1個直徑20 cm的孔，在孔下再將裝有細沙的尼龍袋（100 目）覆蓋在桶面，細沙厚度5 cm，防止土壤顆粒滲入淋溶桶；隨后覆土至25 cm深左右，再與整個小區同樣鋪設秸稈層，最后覆土。

1.4.3 土樣采集 按照5 點取樣法，分別取秸稈上層0—20 cm、秸稈層20—30 cm及秸稈下層40—50 cm、50—70 cm、70—90 cm 共5個土層土樣，帶回實驗室平鋪陰干，同一土層5 個重復混合均勻，過100目篩備用。

1.4.4 收集淋溶液 用真空泵抽取淋溶桶中的淋溶液。

1.5 測定項目與方法

1.5.1 土壤理化性狀 按照《土壤農化分析》[20]測定土壤中全磷（total phosphorus，TP）和速效磷（available phosphorus，AP）含量。使用FIA6000+流動注射分析儀，采用硫酸、高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷，采用鹽酸硫酸酸溶-鉬銻抗比色法測定速效磷。

1.5.2 淋溶液中全磷和速效磷測定 淋溶液中全磷和速效磷的含量依據《農田面源污染監測方法與實踐》[19]測定，計算公式如下。

1.5.3 玉米產量的測定 在玉米收獲后，統計各處理玉米的穗長、穗粗、百粒重，玉米籽粒烘干后稱取質量。準確計數試驗小區的全部鮮粒質量，然后用谷物水分測定儀測定籽粒含水率，達到國家標準含水率14%[21]，計算出實際產量。

1.6 數據統計分析

采用Excel 2016 軟件進行數據分析和繪圖，采用DPS 軟件進行差異顯著性分析，采用最小顯著極差法進行多重比較，采用SPSS 26.0軟件進行相關分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田量對不同土壤剖面磷素的影響

0—90 cm土壤TP含量變化如圖1所示，各處理土壤TP含量隨著土層深度的增加逐漸降低，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm。對于0—20 和20—30 cm 土層，土壤TP 含量隨著秸稈還田量的增加先增加隨后基本平穩，T1.00處理的TP含量最高，其中T1.00處理0—20 cm土壤TP 含量與CK 差異顯著；而不同處理20—30 cm土壤TP含量差異不顯著。這可能是玉米秸稈本身含磷量相較于土壤全磷含量較低，短時間內對土壤全磷含量影響不大。在秸稈下30—90 cm 土壤，TP 含量隨著秸稈還田量的增加而減少，除T0.25 和T0.50 處理外均顯著低于CK；其中在70—90 cm 層不同秸稈處理間TP 含量均差異不顯著。

各處理土壤AP 含量隨著土層深度的增加逐漸減少，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm（圖2）。在0—20 和20—30 cm土層中，隨著秸稈還田量的增加土壤AP含量呈增加趨勢，其中，0—20 cm 層秸稈還田處理的土壤AP 含量均顯著高于CK；20—30 cm 土層中，除T0.25 處理外均顯著高于CK，表明隨著秸稈的腐熟，秸稈中易于分解的磷進入土壤，增加了土壤中速效磷含量，且秸稈腐熟過程中生成有機陰離子、有機酸和腐殖質等，可減少土壤對磷的吸附固定，促進土壤中難溶性磷向可溶性磷的轉化[22]，秸稈還田還可以促進土壤微生物大量繁殖，提高土壤的生物活性，從而增加土壤速效磷含量。在30—50 cm 土層中，秸稈還田處理的土壤AP 含量均顯著低于CK。在50—70 和70—90 cm 土層中，T0.25和T0.50處理的土壤AP含量與CK差異不顯著，而其他秸稈還田處理均顯著低于CK。綜上所述，秸稈下層土壤的AP含量隨秸稈還田量的增加而減少，說明秸稈還田量對土壤中AP向下遷移有顯著影響。

圖2 0—90 cm土壤剖面速效磷含量Fig.2 Contents of soil available phosphorus in 0—90 cm soil profile

2.2 秸稈還田量與淋溶液中TP 和AP 含量的關系

由圖3 可知，秸稈還田處理的淋溶液中TP 和AP 含量均低于CK，且隨秸稈還田量的增加淋溶液中TP和AP含量逐漸減少。與CK 相比，秸稈還田處理淋溶液中的TP 淋溶量降低12.93%～59.85%，AP 淋溶量降低11.22%～46.28%；除T0.25 處理外，其他秸稈還田處理淋溶液中的TP和AP含量均顯著低于CK。

圖3 不同秸稈還田量下淋溶液中全磷與速效磷含量Fig.3 Coutents pf TP and AP in phosphorus leaching under different straw returning amounts

相關分析（表1）表明，秸稈還田量與淋溶液中TP 和AP 淋溶液量分別呈極顯著和顯著負相關。將秸稈還田量與淋溶液中TP和AP含量進行回歸分析，建立的回歸方程R2達極顯著水平，表明建立的回歸方程具有統計意義（圖4）。由圖4可知，隨著秸稈還田量的增加，磷素淋溶量逐漸減少。

表1 秸稈還田量對磷素淋溶的相關分析Table 1 Correlation analysis of straw returning amount to phosphorus leaching

圖4 淋溶液中磷素與秸稈還田量的關系Fig.4 Correlation of straw returning amount to phosphorus leaching

2.3 秸稈還田量對玉米產量的影響

由表2 可知，秸稈還田處理玉米的百粒重、穗長、穗粗和籽粒產量均高于CK，其中，百粒重較CK提高0.74%～2.39%，穗長增 加3.06%～11.29%，穗粗增加0.34%～1.20%，籽粒產量提高6.34%～14.61%。秸稈還田處理中除T0.25 和T0.50處理外，其余處理的百粒重均顯著高于CK。T0.75、T1.00 和T1.25 處理的穗長顯著高于CK。T0.75 處理的穗粗顯著大于CK。T0.75 和T1.00 處理的產量顯著高于CK。綜上所述，隨著秸稈還田量的增加，玉米的籽粒產量和各產量構成要素先增加后降低，當秸稈還田量為0.75 kg·m-2時玉米籽粒產量最高，較CK 增產1 872 kg·hm-2，且各產量構成要素均高于其他處理。

表2 不同處理下玉米的產量及構成要素Table 2 Yield and yield components of maize under different treatments

3 討論

土壤磷素在土壤中向下遷移和淋溶受土壤性質、氣候條件、肥料種類和用量等多種因素影響[23]。改良土壤性質能夠從源頭上減少磷素流失，是減少農田磷素面源污染的重要手段。本文研究了秸稈還田量對土壤磷素向下遷移和淋溶的影響，結果表明，秸稈還田量對土壤磷素向下遷移有顯著影響，隨著秸稈還田量的增加磷素向下遷移量減少，與劉紅江等[24]研究結果一致。秸稈還田量對磷素的淋溶有顯著影響，秸稈下層淋溶液中無論是TP還是AP的含量均隨著秸稈還田量的加大而減少，與CK 相比，淋溶液中TP 含量降低12.93%～59.85%，AP 含量降低11.22%～46.28%，與霍晨[10]結果一致。由此表明，隨著秸稈還田量的增加有效地限制磷素向下移動和淋溶，減少了磷素的面源污染。

秸稈還田可增加土壤有機質含量、培肥土壤、改善土壤物理性狀及養分含量，從而增加農作物產量[25]。本研究表明，隨著秸稈還田量的增加，玉米產量先增加后緩慢降低，當秸稈還田量為0.75 kg·m-2時玉米產量最高，較CK 提高14.61%。這可能是由于過度增加秸稈還田會影響土壤的C∕N，土壤中氮素不足，微生物與作物競爭氮素，作物因為缺少氮素而生長不良，產量降低，與張靜等[26]研究結果一致。秸稈還田還可以有效地提高土壤保墑和保水等性能，這也是東北旱地玉米產量提高的重要因素。