秸稈還田配施化肥對春玉米耕層土壤理化性質及產量的影響①

劉 艷，葉 鑫，包紅靜，王曉暉，雋英華*

秸稈還田配施化肥對春玉米耕層土壤理化性質及產量的影響①

劉 艷1，葉 鑫1，包紅靜1，王曉暉2，雋英華1*

(1 遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，沈陽 110161；2瓦房店市農業技術推廣中心，遼寧瓦房店 116300)

通過連續3 a田間定位試驗，研究了不同秸稈還田方式配施化肥對春玉米耕層土壤理化性質及產量的影響。結果表明：秸稈還田能顯著提高各土層的田間持水量8.6% ～ 18.0%，降低土壤緊實度6.3% ～ 27.5%，且以秸稈深翻和深旋還田方式效果較好，同時這兩種方式還能顯著降低20 ～ 40 cm土層容重。連續秸稈還田后耕層土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量較無還田處理平均提高21.2%、8.6%、15.0% 和17.2%。此外，在秸稈還田時配合適量氮肥施用更利于土壤養分的提高，其中秸稈深翻和秸稈深旋配施210 kg/hm2氮肥和90 ～ 120 kg/hm2鉀肥可顯著提升土壤養分狀況，促進春玉米穗長、穗粗和百粒重的增加，進而提高春玉米產量，是遼寧棕壤區春玉米生產中比較理想的一種農藝措施，在農業發展中具有一定的應用和推廣價值。

秸稈還田；土壤理化性質；春玉米；產量

作物秸稈是農業生產中的主要副產物，每年我國作物秸稈產量高達7億 ～ 9億t[1–2]，資源量極其豐富。作物秸稈中含有豐富的氮磷鉀和中微量元素，秸稈還田不僅能將其本身的養分元素歸還給土壤，維持土壤養分平衡，培肥地力，而且還能通過還田耕作改善土壤耕層結構[3–4]，促進土壤水分、養分庫容擴大[5–6]，有效提升農業生產力，是實現農業綠色發展的一項重要農藝措施[7]。已有研究表明，合理利用秸稈資源無論對土壤還是作物產量均有影響。徐嘉翼等[8]在遼北的研究結果顯示，秸稈連年翻壓還田可顯著降低整個耕層土壤容重，增加表層土壤含水率，改善土壤養分狀況，提高產量13.6%。隋鵬祥等[9]的研究結果表明，秸稈還田顯著增加了春玉米產量和水分利用效率，同時提高了0 ～ 60 cm土層的硝態氮、有效磷和速效鉀含量。

然而也有研究顯示，由于秸稈碳氮比較高，自然狀態分解時需要消耗一定的氮素，故而造成土壤微生物與作物爭氮的現象，影響作物前期生長[10–11]。另外，作物秸稈中的鉀離子還田后雖然可以快速釋放進入土壤，但其有效性受外界環境影響后與化肥鉀相差甚遠[12]，尤其在低鉀土壤上，如果單純依靠秸稈還田并不能滿足作物對鉀素的需求，因此，秸稈還田后不適宜盲目地增加或減少氮鉀肥的用量，進一步研究秸稈還田配施氮鉀肥具有重要的意義。宮明波等[13]的研究表明，秸稈還田配施中等氮肥可以顯著提高作物產量，同時顯著提高土壤有機質和速效鉀含量。Chen等[14]通過長期定位試驗發現，秸稈還田配施化肥可以顯著提高土壤有機碳、全氮和有效磷含量。目前，已有的秸稈還田與化肥配施研究多集中在氮素上，關于秸稈還田同時與氮鉀肥配施的研究則鮮有報道。鑒于此，本文利用3 a定位試驗研究了春玉米不同秸稈還田方式與氮鉀肥配施對土壤理化性質及玉米產量的影響，以期為本地區秸稈還田條件下氮鉀肥的合理施用、土壤的可持續利用及糧食的增產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018—2020年在瓦房店市元臺鎮(39°31′10″N，122°3′16″E)進行。該區屬暖溫帶大陸性季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，年平均氣溫9.3 ℃，無霜期165 ～ 185 d，年降水量580 ～ 750 mm，5—9月有效日照總數約1 100 h，≥10 ℃有效積溫約3 200 ℃。供試土壤為棕壤土，耕層土壤(0 ～ 20 cm)基本理化性質為：pH 5.2，全氮0.74 g/kg，全磷 1.09 g/kg，全鉀23.9 g/kg，有機質9.22 g/kg，堿解氮(N) 81 mg/kg，有效磷(P2O5) 20.2 mg/kg，速效鉀(K2O) 55.0 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主因素為4個秸稈還田方式(S)：S1為秸稈粉碎深翻還田，S2為秸稈粉碎深旋還田，S3為秸稈覆蓋免耕還田，S4為秸稈不還田；副因素為施肥(F)，設2個氮水平(N，210、180 kg/hm2)和2個鉀水平(K2O，120、90 kg/hm2)4個組合：F1為N210-K120，F2為N210-K90，F3為N180-K120，F4為N180-K90。試驗共16個處理，3次重復，每個小區長為20 m，寬為3.6 m(6壟)，面積為72 m2。每年秋季機械收獲玉米時將秸稈全部粉碎，在經滅茬機處理后，按試驗要求進行還田操作，深翻還田30 cm，深旋還田20 cm，覆蓋還田鋪于地表，不還田將秸稈離田后常規旋耕12 cm。氮、磷、鉀肥分別為尿素(含N 460 g/kg)、磷酸二銨(含N 180 g/kg，P2O5460 g/kg)和氯化鉀(含K2O 600 g/kg)。各處理磷肥統一用量為P2O590 kg/hm2。全部肥料均在播種時一次性側深施入。供試玉米品種為當地常規品種宏碩899，生育期約130 d，種植密度4 000株/畝(1畝=667 m2)，生育期內無灌溉。每年5月上旬播種，10月上旬收獲。除草和田間管理按常規管理方式。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤物理性狀 玉米收獲后，采用環刀法測定土壤容重和田間持水量。用標準體積為100 cm3環刀在秸稈還田主區采集2.5、22.5和42.5 cm土層的原狀土，分別代表0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm土層土壤樣品，每區隨機選取3點，用膠帶密封環刀后帶回實驗室用于容重和田間持水量的測定；每區利用 SC900土壤硬度儀，按照“S”型隨機觀測法，測定0 ～ 45 cm土壤緊實度，每區6 次重復，計算其平均值。

1.3.2 土壤化學性質 玉米收獲后，各小區采集0 ～ 20 cm耕層土壤用于化學性質的測定。采用重鉻酸鉀容量法測定有機質；采用堿解擴散法測定速效氮；采用NaHCO3溶液浸提，鉬銻抗比色法測定有效磷；采用 NH4OAC 溶液浸提，火焰光度計法測定速效鉀。

1.3.3 產量及其構成因素 玉米收獲時，各小區取12 m2測產，按14% 含水率折合成單位面積產量。另選取有代表性的果穗10穗，待風干后于室內考種，測定穗長、穗粗、禿尖長和百粒重等產量構成因素。

1.4 數據處理

采用 Excel 2010進行數據處理；應用 SPSS22進行GLM單變量(Univariate)方差分析，Duncan法進行多重比較；采用Origin 9.1繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對土壤物理性狀的影響

2.1.1 土壤容重 土壤容重和孔隙度等物理指標是決定土壤水、肥、氣、熱等因素相互協調，以滿足作物正常生長發育需要的重要因素。連續2 a試驗結果顯示，土壤容重隨土層深度增加而增加(圖1)。在0 ～ 20 cm表層，兩年結果均顯示S3處理的容重最大，平均為1.47 g/cm3，顯著高于其他處理21.6% ～ 28.2%，主要是由于免耕處理沒有土壤耕作的過程，使表層土壤變得相對結實。在20 ～ 40 cm土層，2019年由于秸稈還田年限較短故各處理差異不顯著，2020年各處理容重表現為S1

2.1.2 田間持水量 從圖2可知，2019年，在0 ～ 20 cm土層秸稈還田處理的田間持水量都高于無秸稈處理，順序為S1>S2>S3>S4，其中S1和S2處理較S4處理(對照)差異顯著，提高了22.2% 和12.8%；在20 ～ 40 cm土層，S3和S1處理的田間持水量較S4處理顯著提高了10.8% 和9.8%；在40 ～ 60 cm土層，秸稈還田處理的田間持水量均高于無秸稈處理，順序為S2>S1>S3>S4，其中S2和S1處理較S4處理提高了38.2% 和14.9%，差異顯著。2020年，各土層田間持水量的變化趨勢基本一致，均表現為S1≈S2>S3≈S4，S1和S2處理較S4處理各土層持水量分別增加8.6% 和11.7%、13.7% 和9.6%、18.0% 和14.2%，且差異顯著。說明秸稈連續還田后能增加耕層及深層土壤田間持水量，且深翻和深旋的還田方式對于增強土壤持水能力更好。

2.1.3 土壤緊實度 從圖3可以看出，各處理土壤緊實度隨著土層深度的增加呈先快速增加后趨于平穩的趨勢。經過3 a田間試驗后各秸稈還田處理均降低了0 ～ 40 cm土層的土壤緊實度，具體表現為0 ～ 20 cm土壤緊實度隨土層加深逐漸增加，各處理平均緊實度大小為S1

圖3 不同秸稈還田方式對土壤緊實度的影響

2.2 秸稈還田配施化肥對土壤養分的影響

多因素交互結果表明(表1)，秸稈還田極顯著影響了土壤有機質含量(<0.001)，連續2 a試驗結果均顯示秸稈還田各處理有機質含量顯著高于無秸稈處理(<0.05)，兩年分別平均提高5.2% 和21.1%。此外，施肥、秸稈與施肥互作均對有機質含量產生顯著影響(<0.01)。多重比較結果顯示，高氮量組合處理(F1、F2)的有機質含量顯著高于F4處理，平均高出2.8% ～ 15.8%。另外，從表1還可以看出，秸稈還田配合高氮處理的有機質含量顯著高于無秸稈低氮處理。

秸稈還田、施肥、秸稈還田與施肥互作對堿解氮和有效磷含量均產生了極顯著影響(<0.001)。連續2 a試驗結果表明，S1和S2處理堿解氮含量較S4處理平均提高2.5% 和8.6%，且2020年差異達顯著水平；秸稈還田各處理有效磷含量在2020年較S4處理提高了10.8% ～ 17.8%，其中S1和S2處理提高顯著。從施肥角度分析發現，F1處理堿解氮和有效磷含量在2 a試驗結果中均是最高，與其他施肥組合差異顯著，其次是高氮低鉀F2處理和低氮高鉀F3處理，與F4處理差異亦達顯著水平，說明在有秸稈還田的條件下需要適當地增加氮肥或鉀肥的用量才能保證土壤中速效養分的擴充。

秸稈還田顯著影響了土壤速效鉀含量(<0.05)，2020年秸稈還田各處理的速效鉀含量均顯著高于無秸稈處理，平均提高13.8% ～ 20.6%；此外秸稈還田各處理中，S1處理顯著高于S2和S3處理，說明秸稈在深翻還田時擾動土壤能夠促進速效鉀的釋放。施肥對速效鉀含量的影響兩年結果不相一致，2019年有極顯著影響(<0.01)，但2020年無顯著影響，可能與兩年的氣候和降雨量差異較大有關。秸稈還田和施肥的互作對速效鉀含量有顯著或極顯著影響，S1F1和 S2F1處理較S4F4處理的速效鉀含量均有顯著提高(<0.05)。

表1 秸稈還田與施肥對土壤養分的影響及交互作用

注：表中同列不同小寫字母表示在<0.05水平處理間差異顯著。S表示秸稈還田處理，F表示施肥處理，S×F表示交互作用；*表示達<0.05顯著水平，**表示達<0.01 顯著水平，***表示達<0.001 顯著水平，ns 表示不顯著。下同。

2.3 秸稈還田配施化肥對玉米產量及其構成的影響

從多因素交互作用結果(表2)可以看出，2 a試驗結果中秸稈還田均對穗長有極顯著性影響(<0.001)，2019年對穗粗和百粒重有極顯著影響(<0.001)，2020年對禿尖長有顯著性影響(<0.05)。施肥均對穗長有極顯著性影響(<0.05)，對穗粗無影響。二者的交互作用在2019年對產量構成各因素均無顯著影響，在2020年對穗粗和百粒重有顯著性影響。多重比較結果表明，秸稈還田各處理的穗長和穗粗均高于無秸稈處理0.6% ～ 4.6% 和2.0% ～ 33.9%，其中S1和S2處理與S4處理差異達顯著水平。從施肥角度分析發現，2019年高氮量施肥處理能提高玉米穗長、穗粗和百粒重，較低氮低鉀的F4處理分別平均提高2.8%、1.8% 和2.6%，且F1和F2處理的穗長較F4處理增加差異顯著，說明施肥可通過提高穗長來促進產量的形成。

從多因素交互作用結果還可以看出，秸稈還田、施肥和二者的交互作用對產量有極顯著或顯著性影響(<0.05)。連續2 a試驗結果表明(表2)，秸稈還田各處理的產量均高于無秸稈還田處理，S1、S2和S3處理比S4處理兩年分別提高17.2% 和13.9%、9.8%和16.2%、7.3% 和2.9%，其中S1和S2處理與S4處理差異達顯著水平，主要是由于深耕秸稈還田后能夠打破犁底層，增加耕層厚度，促進了玉米根系對下層土壤養分的吸收，進而增加產量。施肥各處理產量順序為F1>F2>F3>F4，其中高氮處理F1和F2較低氮處理平均提高3.7% ～ 13.8%，差異達顯著水平；高鉀處理F1和F3較低鉀處理平均提高3.2% ～ 6.3%，但差異不顯著。另外，從整體上看，S1F1>S1F4、S2F1>S2F4、S3F1>S3F4，且差異均顯著。

3 討論

3.1 秸稈還田配施化肥對土壤物理性狀的影響

秸稈還田后經腐解產生的腐殖質是土壤結構的膠結劑，能調控土壤團粒結構的形成[16]，從而間接改善土壤結構。與常規耕作相比，免耕雖然對土壤不產生擾動，但是土壤沉降作用已使土壤顆粒間排列比較緊實，再加上春種秋收時的機械壓實，即使表層覆蓋了秸稈，依然使土壤容重顯著增加，尤其0 ～ 20 cm土壤容重增加了21.6% ～ 28.2%，這與徐瑩瑩等[17]研究結果一致。土壤緊實度是評估土壤結構的一個重要指標，可用于表征土壤壓實強度[18]。本研究中雖然秸稈還田方式不同，但卻都不同程度地緩解了土壤板結緊實的問題，且以深翻和深旋秸稈還田方式更優。深翻或深旋還田方式通過深耕作業楔入或混入秸稈改善了土壤松緊程度，提高了土壤孔隙度[19]，擴大了土壤水分的貯存空間，容納更多的大氣降水，加之秸稈本身的親水性，使0 ～ 20 cm土層的田間持水量提高22.2% 和12.8%，緊實度降低了20.3% 和13.8%。對于20 cm以下土壤，通過深耕還田打破犁底層，利于水分傳導與入滲，有效增加了相應土層土壤的田間持水量，有效預防田間徑流的發生[20]，對于緩解研究區域內由年際間降水不均和年內降水分布不均而引起的季節性干旱具有十分重要的作用。

3.2 秸稈還田配施化肥對土壤養分的影響

秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀和各種微量元素等多種養分，還田后可為土壤補充部分外源有機物質，同時提高土壤中養分的有效性[21]。已有研究表明，秸稈連續還田后耕層土壤有機質、全氮磷鉀和速效氮磷鉀含量均有顯著增加[22]。本研究也有相同結論，秸稈連續還田3 a后，有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量較無秸稈還田平均提高21.2%、8.6%、15.0% 和17.2%。土壤養分含量的增加與秸稈腐解釋放養分有直接的關系，孫哲等[23]、匡恩俊等[24]已對玉米秸稈的養分釋放情況做了相關研究。土壤有機質含量顯著提升，一方面是由于秸稈還田后它本身就充當了碳源；另一方面，外源碳的持續加入激發了土壤微生物的活性和數量，加強了微生物礦化和固定程度，促進了秸稈中碳在土壤中的固定和積累[25]。因此，在本研究中有機質和速效養分含量的顯著增加，主要來源于玉米秸稈中的養分釋放。此外，本研究還發現，在秸稈還田條件下，低施肥量處理的有機質和堿解氮含量低于高氮施肥處理，可能是由于低施肥量尤其是低氮量，導致玉米地上和根系生物量減少，地上部凋落物、根系及其分泌物進入土壤的量大大降低，有機碳的積累少、分解快[26]。另外，玉米秸稈碳氮比較高，還田后亦需要大量微生物分解，缺氮導致秸稈腐解不完全，影響其養分釋放，從而不利于土壤養分含量的積累。因此，本研究顯示，秸稈還田的同時應配合大量氮肥的投入，更有利于秸稈腐解與有機養分的礦化，促進養分積累，實現土壤深層次培肥，這與宋佳杰等[27]研究較為一致。

3.3 秸稈還田配施化肥對玉米產量的影響

關于秸稈還田配施化肥對玉米產量影響的研究很多，但不同土壤類型、氣候區域所得結果存在差異。本研究結果表明，秸稈還田、施肥和二者的互作對玉米產量都有顯著或極顯著影響，秸稈還田處理均能提高玉米產量2.9% ～ 17.2%，且秸稈深翻和深旋處理產量提高顯著，分析其原因應是深耕秸稈還田一方面將秸稈翻埋或深混于土中更有利于秸稈腐解釋放它本身含有的豐富營養元素，從而補充和調節農田土壤養分[28]；另一方面，深翻/深旋秸稈還田改善土壤結構，有利于根系下扎生長，吸收更多的養分，從而提高玉米產量[29]。另有研究表明，秸稈還田同時減少10% ～ 20% 化肥用量，仍能提高作物產量[30–31]。而本文研究結果顯示，秸稈還田只有與高氮量(210 kg/hm2)配施才能夠顯著提高玉米產量，施用低肥量有減產風險，主要原因可能是玉米秸稈還田后會引起土壤C/N比過高，出現土壤養分被微生物爭奪，使作物前期缺肥，進而影響產量。本試驗區土壤基礎養分并不豐富，因此在秸稈還田時需要配合適量的氮肥才能更充分地激發和利用秸稈中的養分，達到培肥增產的目的。

4 結論

在本試驗條件下及土壤和氣候相近區域，施肥及田間管理相同的情況下，秸稈深翻或深旋還田顯著降低土壤容重和土壤緊實度，增加田間持水量，有效改善土壤物理性狀；同時配合210 kg/hm2氮肥和90 ～ 120 kg/hm2鉀肥可顯著提升土壤養分狀況，同時提高春玉米產量，可見，該秸稈還田和施肥模式是遼寧棕壤區春玉米生產中比較理想的一種農藝措施，在農業發展中具有一定的應用和推廣價值。

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Effects of Straw Incorporation Combined with Fertilizer on Physiochemical Properties of Soil and Yield of Spring Maize

LIU Yan1, YE Xin1, BAO Hongjing1, WANG Xiaohui2, JUAN Yinghua1*

(1 Institute of Plant Nutrition and Environmental Resource, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China; 2 Agricultural Technology Extension Center of Wafangdian City in Liaoning Province, Wafangdian, Liaoning 116300, China)

A 3-year located field experiment was conducted to study the influences of different straw incorporation methodscombined with fertilizers on physiochemical properties of soil and yield of spring maize. The results show that no matter under what kind of straw returning methods, compared with non-straw returning, straw incorporation significantly increases the field capacity of every soil layer by 8.6%–18.0%, reduces soil compactness by 6.3%–27.5%, and deep turning and deep rotation of straws is better in the effects, which also significantly reduces soil bulk density of 20–40 cm. Straw incorporation increases the contents of soil organic matter by 21.2%, alkaline nitrogen by 8.6%, available phosphorus by 15.0% and available potassium by 17.2% in the plough layer after continuous straw returning for 3 years compared with the non-straw returning. In addition, appropriate nitrogen fertilizer combined with straw returning is more conducive to the improvement of soil nutrients. The application of 210 kg/hm2nitrogen and 90–120 kg/hm2potassium fertilizer with straw deep turning and rotation significantly improves soil nutrients, promotes the ear length and diameter as well as 100-grain weight, so increases the yield of spring maize, thus, it is an ideal model in spring maize production and has good application and promotion potential in agricultural development in brown soil area in Liaoning.

Straw incorporation; Physiochemical properties of soil; Spring maize; Yield

S152

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.004

劉艷, 葉鑫, 包紅靜, 等. 秸稈還田配施化肥對春玉米耕層土壤理化性質及產量的影響. 土壤, 2023, 55(2): 254–261.

沈陽市科技計劃項目(21-109-3-01)，遼寧省揭榜掛帥項目(2021JH1/10400039)，遼寧省重點研發計劃項目(2021JH2/10200030)和國家重點研發計劃項目(2018YFD0300303)資助。

(juanyong_001@sohu.com)

劉艷(1980—)，女，碩士，副研究員，主要從事植物營養與高效施肥研究。E-mail: liuyan1980@163.com