秸稈不同還田方式對輪作小麥—玉米產量、土壤養分及蔗糖酶活性的影響

王 晶，孫松青，李 雪，高鳳婕，吳欽泉，石國明，胡 凱，耿立中，馬學文，

(1.山東農大肥業科技股份有限公司/山東省腐殖酸高效利用示范工程技術研究中心，山東泰安 271600；2.農業農村部腐殖酸類肥料重點實驗室，山東泰安 271000； 3.土肥高效利用國家工程研究中心/山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018； 4.山東省東平縣農業發展服務中心，山東東平 271599；5.山東省鄄城縣農業農村局，山東鄄城 274699； 6.山東省惠民縣農業農村局，山東惠民 251700)

在我國糧食高產穩產的同時，由于化肥大量施用和有機肥施用量較低，土壤質量逐步惡化[1]。秸稈還田是合理利用資源、提高土壤肥力的重要途徑。當前我國可利用秸稈量有9億t，在禁止焚燒秸稈的現實情況下，龐大的秸稈資源如何高效利用成為亟待解決的問題。秸稈還田是當前農業生產普遍采取的措施，可以蓄水保墑、改善土壤板結、提高土壤養分及有機質含量[1]，改善土壤理化性質，提高土壤孔隙度、降低土壤容重[2]和緊實度、增加水穩性團聚體含量、減少水分蒸發，提高土壤含水量和水分利用率、調節土壤熱通量、改善土壤養分狀況，提升土壤肥力。另外，秸稈還田能提高土壤微生物活性。龐荔丹等的研究表明，玉米秸稈配氮還田能顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶的活性[3]；高日平等的研究表明，秸稈還田能顯著提高土壤堿性磷酸酶活性[4]；趙雪淞等的研究表明，秸稈還田處理均可顯著增加花生種植土壤微生物量[5]。秸稈還田能提高農作物的產量和品質，高盼等的試驗表明，與秸稈不還田處理相比，秸稈翻埋還田和秸稈覆蓋還田春玉米產量分別提高了17.20%、15.02%[6]。另有研究表明，秸稈還田還能增加甜瓜[7]、水稻、青椒[8]、花生[5]等農作物的產量。秸稈還田既能培肥地力，又能減少化肥的使用，在農業生產中節約成本，增產增效[9-10]。秸稈還田的主要方式有秸稈粉碎直接還田、秸稈覆蓋還田、秸稈堆肥還田、秸稈過腹還田等[11]，其中秸稈粉碎直接還田方式簡單、易行、成本低，是大田糧食作物普遍采取的一種方式，但其在實際生產中由于耕作方式、耕作深度、粉碎程度等處理不當也存在很多問題，例如：秸稈還田阻礙下茬作物出苗、缺苗斷垅、弱苗[12]，秸稈腐解與農作物爭奪養分，加重作物病蟲害等，使得農民秸稈還田的積極性并不高。

針對秸稈還田現狀，為探索比較黃淮海地區農田小麥、玉米主要農作物秸稈還田對土壤性質及作物生長影響，本研究對輪作小麥—玉米栽培中秸稈直接還田幾種方式的效果進行研究，為當地農作物秸稈還田技術提供理論和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

采取大田小區試驗，試驗時間為2020年10月13日至2021年10月24日。小區寬2.3 m，長 34 m，每小區面積為78 m2。

1.2 試驗材料

供試土壤：供試土壤為普通棕壤(簡育濕潤淋溶土)，中壤質地，有機質含量8.76 g/kg，土壤pH值(水土比=1 ∶1)7.25，電導率(水土比=5 ∶1)271.78 μS/cm，全氮含量為1.10 g/kg，硝態氮含量為10.42 mg/kg，銨態氮含量為5.20 mg/kg，有效磷含量為13.24 mg/kg，速效鉀含量為108.52 mg/kg。

供試作物品種：小麥品種為濟麥22，生育期約240 d，于2020年10月10日播種，播種量 225 kg/hm2，行距23 cm；玉米品種為登海605，生育期約為96 d，于2021年6月24日播種，行距60 cm、株距24 cm，播種密度為67 500株/hm2。

供試秸稈：小麥栽培所用秸稈為上茬玉米秸稈，玉米栽培所用秸稈為上茬小麥秸稈。秸稈用量為上茬作物的全部秸稈，秸稈打碎方式為上茬作物收獲時機械粉碎，粉碎長度小于5 cm。

供試肥料：復合肥為山東農大肥業科技股份有限公司生產的小麥專用復合肥(N含量17%，P2O5含量20%，K2O含量5%)、玉米專用復合肥(N含量20%，P2O5含量5%，K2O含量15%)，有機肥為市售腐熟牛糞(有機物質含量35.5%，總養分含量4.8%)，菌劑為微生物發酵菌劑(禾肥1號，山東寶來利來生物工程股份有限公司生產，原料：枯草芽孢桿菌、釀酒酵母及其代謝產物、麥飯石粉等)。

1.3 試驗處理

以秸稈不還田為對照，根據秸稈直接還田翻耕方式、次數、與有機肥及微生物肥混施等，試驗共設6個處理(表1)，重復3次。

表1 試驗方案

整個研究為小麥—玉米輪作試驗，先進行玉米秸稈還田小麥栽培試驗，再進行小麥秸稈還田玉米試驗。各處理均按750 kg/hm2施用復合肥，秸稈還田各處理中的秸稈用量為上茬作物的全部秸稈，秸稈打碎方式為上茬作物收獲時機械粉碎，粉碎長度小于8 cm。各處理的旋耕、翻耕深度均為25 cm，使用當地常用大型機械進行耕作；DR處理有機肥施用量為30 t/hm2，SRB處理菌劑施用量為 75 kg/hm2，施用方式均為撒施后耕作。

1.4 測定指標及方法

采集小麥抽穗末期(2021年4月28日)、第2茬玉米拔節期(2021年7月10日)和灌漿期(2021年9月9日)3個生長期0～20 cm土樣測定養分及微生物指標；小麥收獲期為2021年6月17日，玉米收獲期為2021年10月9日，測定作物產量指標。具體測定指標及方法如下：

土壤有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；2 mol/L 氯化鉀浸提新鮮土樣后，用靛酚藍比色法測定土壤硝態氮和銨態氮含量；0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；1 mol/L中性乙酸銨浸提，火焰光度計測定土壤速效鉀含量；土壤蔗糖酶活性采用比色法測定。

作物產量：每小區劃定4 m2測小麥產量；每小區每行連續砍30株玉米測玉米產量。玉米穗粒數和百粒質量測定方法為點數、計算稱質量得到。

純收入=小麥(玉米)產量×小麥(玉米)銷售單價-農民總支出。

1.5 統計方法

試驗數據處理采用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行統計分析，采用Duncan’s法進行方差分析，用Dunnett’s T3(3)法檢驗不同處理間差異的顯著性(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田耕作方式對小麥—玉米產量及產量構成因素的影響

表2為不同處理小麥—玉米產量，可以看出，各處理小麥產量在8 240.72～9 216.92 kg/hm2之間。與CK相比，DR、SR2、SRB處理小麥產量分別顯著上升了6.56%、10.16%、4.41%(P<0.05)。各處理玉米產量在12 280.19～13 479.13 kg/hm2之間。與CK相比，DR、SR2、SRB處理玉米產量分別顯著提高了6.33%、5.12%、6.43%，STR處理玉米產量顯著降低了3.04%。與CK相比，DR、SR2、SRB處理玉米穗粒數分別顯著提高了38.08%、13.73%、16.63%。與CK相比，DR、SR2處理玉米百粒質量分別顯著降低了18.83%、6.95%。小麥—玉米周年純收入結果顯示，與CK相比，只有SR2處理周年經濟效益有所提高，提高了289.87元/hm2，DR、SR1、SRB、STR處理周年經濟效益均有所降低，分別降低了16 101.50、1 200.21、23 484.14、1 394.46元/hm2。DR、SR1、SRB、STR處理均顯著低于CK。從產量和經濟效益綜合分析，在實際生產中建議采用SR2處理。

表2 不同處理小麥—玉米周年產量及經濟效益

2.2 秸稈還田耕作方式對小麥抽穗末期土壤Shannon指數的影響

Shannon指數能衡量物種多樣性，群落多樣性越高，物種分布越均勻，Shannon指數越大。物種多樣性取決于2個方面：物種豐富度和物種均勻度。豐富度是看群落內物種數的多寡，均勻度是看各物種個體數量的分配狀況、均勻程度。均勻度越高，即群落內各物種的個體數量比較均衡，物種間達到一個相對平衡的狀態，往往意味著群落更穩定。圖1為小麥抽穗末期不同處理土壤的Shannon指數，可以看出，各處理土壤Shannon指數在9.29～9.58之間，與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB、STR處理小麥抽穗末期土壤Shannon指數分別顯著升高了3.09%、2.51%、2.32%、2.90%、1.67%。綜上，CK的Shannon指數最低，且顯著低于其他處理，這說明與秸稈不還田相比，秸稈還田能顯著提高土壤的物種多樣性；在所有秸稈還田(DR、SR1、SR2、SRB、STR處理)處理中，STR處理Shannon指數最低，且與DR、SRB處理差異達顯著水平，這說明秸稈還田后深翻耕加耙地增加土壤物種多樣性的效果較差，其余處理中，土壤Shannon指數表現為DR>SRB>SR1>SR2，DR處理Shannon指數高達9.58，但與SR1、SR2、SRB處理相比差異不顯著，所以秸稈還田配合旋耕再施加復合肥、 有機肥處理是提高土壤物種多樣性的最佳處理。

2.3 秸稈還田耕作方式對土壤硝態氮含量的影響

圖2為玉米不同時期不同處理的土壤硝態氮含量，可以看出，在玉米拔節期，各處理土壤硝態氮含量為59.08～113.91 mg/kg。與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB處理土壤硝態氮含量分別顯著降低了41.01%、10.13%、28.08%、32.39%，STR處理土壤硝態氮含量顯著增高了13.74%。在玉米灌漿期，各處理土壤硝態氮含量在16.68～26.69 mg/kg之間，與CK相比，SR2、SRB處理的土壤硝態氮含量分別顯著提高了34.77%、38.51%，其余處理與CK相比差異不顯著。

2.4 秸稈還田耕作方式對土壤銨態氮含量的影響

圖3為玉米不同時期不同處理的土壤銨態氮含量，可以看出，在玉米拔節期，各處理土壤銨態氮含量為10.50～13.33 mg/kg，與CK相比，SR2處理土壤銨態氮含量顯著提高了26.58%，其余處理與CK相比差異不顯著。在玉米灌漿期，各處理土壤銨態氮含量為10.37～12.13 mg/kg，各處理與CK相比差異不顯著。綜合分析，秸稈還田有提高土壤銨態氮含量的趨勢，其中以SR2處理相對更高。

2.5 秸稈還田耕作方式對土壤有效磷含量的影響

圖4為玉米不同時期不同處理的土壤有效磷含量，可以看出，在玉米拔節期，各處理有效磷含量在19.33～36.40 mg/kg之間，與CK相比，DR、SR1處理土壤有效磷含量分別顯著增加了86.35%、29.35%。在玉米灌漿期，各處理有效磷含量在11.73～26.87 mg/kg之間，與CK相比，STR處理土壤有效磷含量顯著增加了32.13%，SR1、SR2、SRB處理土壤有效磷含量分別顯著下降了33.44%、20.98%、42.30%。

2.6 秸稈還田耕作方式對土壤速效鉀含量的影響

圖5為玉米不同時期不同處理的土壤速效鉀含量，可以看出，在玉米拔節期，各處理土壤速效鉀含量在185.04～297.21 mg/kg之間，與CK相比，DR處理土壤速效鉀顯著提高了35.51%，SR2、SRB處理土壤速效鉀含量分別顯著下降了15.63%、14.41%。在玉米灌漿期，各處理土壤速效鉀含量在292.00～455.00 mg/kg之間，與CK相比，DR、STR處理土壤速效鉀含量分別顯著上升了36.50%、10.60%。SR1、SRB處理土壤速效鉀含量分別顯著下降了7.80%、12.40%。

2.7 秸稈還田耕作方式對土壤有機質含量的影響

圖6為玉米不同時期不同處理的土壤有機質含量，可以看出，在玉米拔節期，各處理土壤有機質含量在19.05～21.77 mg/kg之間，但與CK相比，差異均不顯著。在玉米灌漿期，各處理土壤有機質在25.28～28.54 mg/kg之間，與CK相比，DR、SRB處理土壤有機質含量分別顯著提高了8.46%、10.97%。

2.8 秸稈還田耕作方式對土壤蔗糖酶含量的影響

土壤蔗糖酶的酶促作用產物與土壤中營養元素(如有機質、氮、磷)含量、微生物數量及土壤呼吸強度密切相關，可作為評價土壤肥力的重要指標之一。為確定秸稈還田能否提高土壤蔗糖酶活性，試驗測定玉米不同時期不同處理的土壤蔗糖酶活性(圖7)。結果顯示，在玉米拔節期，土壤蔗糖酶活性在11.40～33.80之間。與CK相比，DR、SRB處理土壤蔗糖酶活性分別顯著提高了81.72%、43.01%，SR2、STR處理分別顯著降低了23.66%、38.71%。在玉米灌漿期，與CK相比，DR、SR1、SRB處理土壤蔗糖酶活性分別提高了137.98%、47.67%、55.43%，其中DR和SRB處理顯著高于CK；SR2、STR處理顯著降低了29.84%、35.66%。

3 討論與結論

3.1 秸稈還田耕作方式對小麥—玉米產量及產量構成因素的影響

與CK相比，SR2處理最能顯著增加小麥—玉米周年產量。在殷曉燕等的研究結果中，與秸稈不還田+旋耕相比，整株秸稈還田+旋耕小麥產量增加了4.19%[13]，與本試驗結果相符。但在他的試驗中秸稈整株還田+深翻產量比對照增產11.7%，增產效果最好，此結果與本試驗結果產生差異可能是因為2個試驗的秸稈施用量、翻耕深度、氣候條件不同造成了小麥產量的差異。朱敏等的研究表明，秸稈還田后旋耕處理明顯提高了玉米產量[14]。李學平等的研究表明，秸稈還田后深旋耕并施用生物肥最能提高鹽堿地夏玉米產量[15]。范作偉等的研究表明，秸稈還田后施用菌劑能明顯促進秸稈腐解、土壤養分提高和玉米生長[16]。這些研究結果均與本試驗結果一致。SR2處理使秸稈與土壤充分混合，加速秸稈腐熟，降低土壤容重，使土壤疏松多孔，調節土壤水、肥、氣、熱狀況；DR處理能顯著增加土壤中有效養分含量，有機肥中養分釋放長而緩，能持續為土壤增加養分；SRB處理能使秸稈與土壤均勻混合，菌劑的應用加速秸稈腐解從而快速提高土壤肥力，促進作物增產。

3.2 秸稈還田耕作方式對小麥—玉米輪作土壤理化性質的影響

經1周年的小麥—玉米種植試驗，與CK相比，SR2、STR處理在小麥—玉米輪作中均能增加土壤中硝銨態氮含量，說明秸稈還田后旋耕2次更能促進土壤中氮素養分的釋放。李太魁等的研究表明，與深耕相比，旋耕能顯著增加小麥苗期和越冬期土壤硝態氮含量[17-18]。濮超等的研究表明，旋耕能使土壤全氮在表層土壤中的分布有所提高[19]。秸稈還田能直接增加土壤含氮量，并且秸稈與土壤通過旋耕充分混合，微生物作用其中，產生的有機酸可吸附土壤中的氮元素，提高氮素利用率。STR處理在小麥—玉米種植中灌漿期的土壤有效磷含量最高，與李鳳博等的研究結果[20-21]相符。磷素容易被土壤固定，秸稈還田后微生物與之作用產生灌漿期有機酸可與磷元素螯合將磷素從土壤中解放出來，提高了磷素利用率。與CK相比，DR處理能顯著增加小麥—玉米輪作中拔節期和灌漿期土壤速效鉀含量和灌漿期有機質的含量，與季佳鵬等的研究結果[22-23]相符。伍佳等的研究表明，施用有機肥處理比施用化肥處理土壤有機質含量提高了15.9%[24-25]，本試驗結果與之相符。有機肥和腐熟后的秸稈能直接增加土壤中的有機質，二者結合之后增加土壤養分的效果更好。

3.3 秸稈還田耕作方式對小麥—玉米土壤生物性質的影響

與CK相比，DR、SR1、SR2、SRB處理均能顯著增加小麥抽穗末期土壤物種多樣性；DR處理能顯著增加玉米灌漿期的蔗糖酶含量。秸稈還田能促進微生物的生長繁殖，邢鵬飛的研究表明，施用有機肥和秸稈還田+腐熟劑最能提高土壤細菌多樣性[26-27]。康慧玲等的研究表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田后顯著提高了土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性[28]；鄧歐平等的研究表明，秸稈和豬糞還田處理能提高土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性[29]；李純燕等的研究表明，秸稈還田能增加土壤中微生物的含量[30]。本試驗結果與前人研究結果相符。秸稈還田可顯著提高微生物數量和酶活性，旋耕使秸稈翻入土壤中，吸水腐解增加土壤有機質含量、減少土壤水分蒸發保持土溫，循環往復、促進了微生物的生長繁殖，提高了酶活性。

綜上所述，本研究可得出如下結論：(1)與秸稈不還田相比，秸稈還田能改善土壤化學和生物性質。秸稈粉碎直接還田+施復合肥+旋耕2次處理能提高拔節期和灌漿期的土壤硝態氮、銨態氮含量，分別提高了28.08%和34.77%、26.58%和17.04%；秸稈粉碎直接還田+施復合肥+施有機肥+旋耕1次處理能提高拔節期和灌漿期的土壤有效磷、速效鉀、有機質的含量，分別提高了86.35%和7.54%、35.51%和36.50%、12.15%和8.46%，同時也顯著提高了拔節期和灌漿期的土壤蔗糖酶活性、抽穗末期的土壤Shannon指數。(2)秸稈粉碎直接還田配施有機肥后旋耕1次處理、秸稈粉碎直接還田旋耕2次、秸稈粉碎直接還田添加菌劑后旋耕2次均能顯著提高小麥—玉米周年產量，增產5.6%～7.1%。