水旱轮作制下连续秸秆覆盖对土壤理化性质和作物产量的影响

武 际，郭熙盛，鲁剑巍，王允青，许征宇，张晓玲

(1安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽合肥230031;2安徽养分循环与资源环境省级实验室，安徽合肥230031;3华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉430070)

秸秆是一种重要的可再生有机资源，含有丰富的碳、氮、磷、钾以及中、微量元素等养分［1－2］。国内外科学家在秸秆还田对培肥土壤及提高作物产量等方面做了大量研究，基本明确了秸秆还田对作物产量形成以及对提高土壤有机质含量、培肥地力和维持土壤持久生产力的重要作用［3－6］。但是近年来，随着农村劳动力的减少以及燃料结构的变化，废弃作物秸秆数量急剧上升，剩余秸秆己成为农业生产中的重大问题。为了抢农时，节约人力，农民往往采用田间直接焚烧的办法来处理。这不但造成资源浪费，而且秸秆露天焚烧会释放出大量危害人体呼吸道的污染物，形成的烟雾导致机场关闭，高速公路交通事故频发，给人们生产和生活造成了极大的负面影响。此外，焚烧秸秆还烧掉了土壤中的部分有机质;焚烧秸秆过程中产生的高温，对土壤微生物具有很大的杀灭作用;焚烧秸秆造成的土壤水分的蒸发及土壤结构的破坏，也不利于土壤微生物的生存［7］。久而久之，必然会造成土壤板结，肥力下降，土壤生态系统恶化，作物产量降低。因此，如何认识秸秆资源的高效利用问题及探索解决焚烧秸秆的途径成为普遍关注的热点课题，而且在一些地区为秸秆资源寻求新的出路不仅是农业生产问题，也已经上升为社会问题。为此，本研究以水旱轮作制为背景，进行了连续秸秆覆盖对土壤理化性质和作物产量影响的研究，旨在为实现秸秆养分资源的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2008～2010年连续3年在安徽省肥东县进行。供试土壤为下蜀黄土母质发育的粘盘黄褐土。试验前采集耕层土壤，分析其基本农化性质为:有机质含量17.08 g/kg、全氮 0.98 g/kg、碱解氮88.71 mg/kg、全磷 0.34 g/kg、速效磷 11.36 mg/kg、缓效钾402.34 mg/kg、速效钾156.96 mg/kg和 pH 6.63。供试作物为水稻、小麦和油菜，水稻品种为新两优6号，小麦品种为扬麦16，油菜品种为秦优10号。

1.2 试验设计

试验采用田间定位试验研究方法。设5个处理:1)不覆盖秸秆(CK);2)油菜秸秆半量覆盖(RS1);3)油菜秸秆全量覆盖(RS2);4)小麦秸秆半量覆盖(WS1);5)小麦秸秆全量覆盖(WS2)。旱季作物种植时，处理2)、3)、4)、5)全部为水稻秸秆覆盖。其中处理3)、5)仍然为秸秆全量覆盖，处理2)、4)为秸秆半量覆盖。化学肥料用量为:水稻季纯 N 210 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2;小麦季纯 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2;油菜季 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。水稻季氮肥分别做基肥、分蘖肥和穗肥3次施用，施用比例为4∶3∶3;小麦季氮肥分别做基肥、返青肥和拔节肥3次施用，施用比例为5∶3∶2;油菜季氮肥分别做基肥、腊肥和苔肥3次施用，施用比例为6∶2∶2，全部磷、钾肥作基肥施用。试验期间田间种植制为水稻—小麦—水稻—油菜—水稻。水稻秸秆全量还田量约为7500 kg/hm2，半量还田量约为3750 kg/hm2;小麦秸秆全量还田量约为6000 kg/hm2，半量还田量约为3000 kg/hm2;油菜秸秆全量还田量约为4500 kg/hm2，半量还田量约为2250 kg/hm2。将作物秸秆剪切至15～20 cm，在水稻、油菜移栽后以及小麦播种出苗前以覆盖还田的方式将其均匀撒施于各个小区。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。小区面积20 m2，重复3次，随机区组排列。其它栽培管理措施同常规。

1.3 测定项目与方法

在每季作物成熟时实收每小区产量，同时取样进行常规室内考种。

每季作物收获后按5点法，用土钻分0—5 cm、5—15 cm和10—25 cm 3个土层采集土壤样品。用环刀法测土壤容重和土壤水分含量;重铬酸钾外加热法测有机质含量;碱解扩散法测碱解氮含量;0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色测速效磷含量;1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法测速效钾含量;土壤pH值用土壤酸度计测定［8］。

试验数据采用SAS9.0和Excel 2010软件进行统计分析，LSD法作方差分析和显著性测验。

2 结果与分析

2.1 连续秸秆覆盖对土壤容重和含水量的影响

2.1.1 对土壤容重的影响 连续5季试验结果显示(表1)，5季作物收获后土壤容重总的变化趋势无明显规律。但是将旱季和水季分别进行分析，0—5 cm和5—15 cm两土层土壤容重在旱季和水季均呈降低趋势，而15—25 cm土层的规律不明显。施用秸秆后可以显著降低0—5 cm土层的容重，而5—15 cm、15—25 cm土层容重基本不受秸秆覆盖的影响。连续5季秸秆覆盖还田后，不施秸秆处理0—5 cm土层的土壤容重为1.40 g/cm3，施用秸秆处理该土层的容重降低到1.27～1.32 g/cm3，降低幅度为6.31%～9.71%。提高秸秆用量，土壤容重的降低幅度也随之加大。同时由3季水稻收获后土壤容重的变化规律可以看出，施用秸秆可以加速表层土壤容重的降低趋势。不施秸秆处理，0—5 cm土层土壤容重2009年水稻季比2008年水稻季降低了3.13%，2010年水稻季比2009年水稻季降低了4.88%，而秸秆覆盖处理相应的降低幅度分别为3.30%～4.86%和5.55% ～8.40%。可见秸秆覆盖对表层土壤容重有显著的改善效应。

表1 连续秸秆覆盖对土壤容重的影响(g/cm3)Table 1 The effect of the continuous straw mulching on soil bulk density

2.1.2 对土壤含水量的影响 表2显示，秸秆覆盖处理的土壤含水量均较未施秸秆处理的含水量高。0—5 cm土层，秸秆覆盖处理较CK处理土壤含水量增加了3.19% ～19.49%;5—15 cm土层，秸秆覆盖处理较CK土壤含水量增加了4.45% ～19.10%，而15—25 cm土层含水量受秸秆覆盖影响较小。这表明秸秆覆盖的效应不仅在土壤表层，而且在表层以下一定深度土层的含水量也有明显增加，与土壤容重的变化规律相似，增加覆盖秸秆用量对土壤含水量的提高也有明显的正效应。

2.2 连续秸秆覆盖对土壤有机质和速效养分含量的影响

2.2.1 连续秸秆覆盖对土壤有机质含量的影响 图1A结果显示，总体上土壤有机质含量随着耕种时间的延长而提高，连续秸秆覆盖可以有效提高土壤有机质含量。整个耕层土壤(0—25 cm)以油菜秸秆全量覆盖处理(RS2)有机质含量最高，其次为小麦秸秆全量覆盖处理(WS2)。至第5季水稻收获后，处理 RS2、WS2有机质含量分别比对照增加了6.27%和5.78%，差异显著。3个土层中以表层土壤(0—5 cm)有机质增加幅度最大，第1季水稻、第2季小麦和第3季水稻收获后，秸秆覆盖处理与CK有机质含量差异不显著;第4季油菜、第5季水稻收获后秸秆覆盖处理有机质含量增幅分别达到了5.38% ～7.11%和6.08% ～7.53%，与对照间差异均达到显著水平。5—15 cm、15—25 cm土层有机质含量的变化趋势与表层相似。说明秸秆覆盖还田后不仅仅有效地增加了耕层土壤有机质含量，而且也增加了土壤剖面有机质含量。

2.2.2 连续秸秆覆盖对土壤速效养分含量的影响多季秸秆覆盖还田对土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量的影响与有机质相似(图1B～D)。秸秆覆盖可以明显增加土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量，其中秸秆覆盖对表层土壤(0—5 cm)的影响更明显，且随着秸秆用量的增加土壤各速效养分含量的增加幅度也随之提高。3层土壤均是以油菜秸秆全量覆盖处理(RS2)的碱解氮、速效磷和速效钾含量最高，小麦秸秆全量覆盖处理(WS2)次之。秸秆还田对土壤速效钾含量的效应尤为明显(图1D)，自秸秆覆盖还田1季后土壤速效钾含量就得到了显著增加。以0—5 cm土层为例，在第1季水稻收获后，秸秆覆盖处理土壤速效钾含量与对照的差异就达到显著水平。第5季水稻收获后，秸秆覆盖处理速效钾含量的增幅达到7.64% ～15.33%，明显高于相应处理的速效磷(7.52% ～10.03%)和碱解氮(7.30%～8.74%)含量的增加幅度。并且对于土壤碱解氮和速效磷含量来说，全量秸秆覆盖处理(RS2、WS2)从第2季、半量秸秆覆盖处理(RS1、WS1)从第3季开始与对照相比才出现显著性差异，表明秸秆还田是增加土壤速效钾储备的有效途径。5—15 cm、15—25 cm土层速效养分含量受秸秆覆盖影响的变化规律与0—15 cm土层相似。

表2 连续秸秆覆盖对土壤含水量的影响(%)Table 2 The effect of the continuous straw mulching on soil water content

2.3 连续秸秆覆盖对作物产量及其构成因子的影响

由图2看出，第1季水稻，秸秆覆盖处理与对照产量差异不显著;第2季小麦，秸秆覆盖处理的产量比对照提高了5.47% ～9.77%，差异达到显著水平;第3季水稻，全量秸秆覆盖处理(RS2、WS2)的产量与对照差异达到显著水平;第4季油菜，秸秆覆盖处理产量增幅达到了5.85% ～10.92%，与对照差异也达到显著水平;第5季水稻与第3季水稻相似，仅全量秸秆覆盖处理产量与对照差异达到显著水平。5季作物均是以油菜秸秆全量覆盖处理(RS2)的产量最高，其次是小麦秸秆全量覆盖处理(WS2)。说明增加秸秆覆盖量对作物产量的提高有促进作用。3季水稻产量结果显示，随着秸秆施用年限的增加，水稻产量的提高幅度也呈逐年增加趋势，说明连续秸秆还田有利于水稻产量的提高。水、旱两季作物产量间比较，秸秆覆盖对旱季作物(小麦、油菜)的产量效应要高于水季作物(水稻)，这可能是由于秸秆还田除了可以提高土壤肥力外，还能够在冬季提高地温以及具有良好的蓄水保墒效果，这对于缓解气温剧变或干旱对小麦、油菜的伤害十分有利。

进一步分析作物产量构成因子(表3)表明，秸秆覆盖能够显著提高水稻有效穗数，而对穗粒数、结实率和千粒重影响不明显。除了第1季外，其余两季水稻覆盖秸秆后，全量覆盖处理(RS2、WS2)的有效穗数与CK间差异达到显著水平，这也是全量覆盖处理(RS2、WS2)产量显著提高的主要原因。小麦季，秸秆覆盖提高了小麦有效穗数和穗粒数，其中有效穗数提高幅度达到了4.80% ～8.72%，差异明显。油菜季，秸秆覆盖对单株角果数、每角粒数和千粒重均显示出正效应，其中秸秆覆盖处理的单株角果数与对照差异显著，而每角粒数仅全量覆盖处理(RS2、WS2)与CK间差异达到显著水平，千粒重差异不明显。因此，秸秆覆盖后显著提高了油菜单株角果数和每角粒数，这是油菜产量增加的主要原因。

表3 连续秸秆覆盖对作物产量构成因子的影响Table 3 The effect of the continuous straw mulching on crop yield components

3 讨论

作物生长需要土壤有适宜的松紧度，土壤容重是土壤松紧状况的度量［9］。本研究结果显示，秸秆覆盖对土壤表层0—5 cm土壤容重的降低效应显著，而对5—15 cm、15—25 cm土层容重无明显影响。连续多季秸秆覆盖还田后，表层土壤(0—5 cm)容重可降低至1.27—1.32 g/cm3(表1)，处在作物生长适宜的范围内(＜1.35 g/cm3)［9］，这主要是因为秸秆覆盖减少了人畜践踏和雨滴对地表的直接冲击，并可减轻灌溉后由于强烈蒸发使表层土壤收缩而形成的龟裂及板结，为维持土壤疏松创造了条件［10］。土壤水分含量的高低及分布情况影响土壤性状，而间接作用于作物的生长发育过程。由于秸秆覆盖层的存在减少了地表径流和地表水分蒸发，再加上秸秆覆盖下土壤导水率提高增加了水分的入渗［11］，这些因素都有利于增加土壤的有效水分。与不施秸秆处理相比，连续5季秸秆覆盖还田后明显提高了0—5 cm和5—15 cm两土层的土壤含水量，而15—25 cm土层的含水量受秸秆覆盖影响较小。试验结果还表明，随着秸秆还田量的增加土壤含水量增加效果更明显(表2)。

作物秸秆循环利用能否替代化学肥料的施用，一直是众多学者关注的焦点之一［12］。一方面，秸秆含有大量的碳、氮、磷、钾等营养元素，是土壤养分的补给源，秸秆直接还田是循环利用这部分营养元素有效而简便的方法。另一方面，作物秸秆进入土壤并参与土壤生态系统的物质循环，必然增加土壤中相应养分的储量，这是保持土壤自然肥力的重要因素。张静等研究表明，秸秆还田可以增加土壤有机质和缓解土壤氮流失，提高土壤供肥水平［13］。罗珠珠等的研究也显示，秸秆还田可以显著提高0—5 cm和5—10 cm土层有机质含量［14］。本研究显示，连续秸秆覆盖还田可以显著提高耕层土壤有机质含量，尤其是对表层土壤的效应更明显。这主要是因为土壤有机质含量取决于土壤原有有机质的矿化和外源有机物(作物残茬等)的补充［15］，而秸秆本身所含有的丰富的有机成分和营养元素通过秸秆还田之后能够作为土壤有机质的有效补充，对土壤有机质含量的增加产生显著的正效应。土壤碱解氮含量在秸秆覆盖后也得到了显著增加，且随着秸秆用量的增加和还田年限的延长，土壤碱解氮含量的增加幅度也随之提高，可能是与高C/N秸秆的持续施用，为土壤异养微生物的活动提供了充足的能源、极大地刺激了土壤氮的矿化作用有关［16－17］。近年来一些研究表明，秸秆覆盖还可以通过促进固氮微生物和豆科作物的固氮作用来增加土壤中的氮素含量［18－19］。秸秆还田除了能直接补充土壤一部分磷、钾素外，秸秆覆盖后土壤有机质含量显著提高，其分解产生的酸性物质对某些固磷化合物具有一定的溶解力并削弱粘土矿物对钾的固定作用，从而提高了土壤中固定态磷和固定态钾的有效性［14］。正是由于这两个原因使土壤速效磷和速效钾含量在秸秆还田后得到显著提高。秸秆覆盖还田对土壤速效钾含量的提高效应最为显著。第5季水稻收获后，秸秆覆盖处理速效钾含量的增幅明显高于相应处理的速效磷、碱解氮和有机质含量的提高幅度，这可能与作物秸秆中的含钾量较高且主要是以K+形态存在、易溶于水而被迅速释放出来有关。

前人研究表明，合理施用秸秆可以提高作物产量［11，13，20－26］。本研究在水旱轮作条件下进一步证实了前人的研究成果，秸秆覆盖还田后，可以不同程度地增加水稻、小麦和油菜产量，其中旱季作物(小麦、油菜)的增产效应要大于水稻，并且随着秸秆还田年限的增加，秸秆覆盖还田对水稻的增产效应也由第1季的不显著到第3、5季全量覆盖处理与对照的差异显著，这也表明秸秆还田对作物产量的影响是一个长期效应。本试验条件下，提高秸秆用量会进一步增加作物产量。产量构成因子分析结果显示，秸秆覆盖能够显著提高水稻、小麦的有效穗数以及油菜单株角果数和每角粒数，这些可能是作物产量增加的主要原因。

本研究结果显示，秸秆覆盖还田是水旱轮作条件下改善土壤肥力和持续提高作物产量的有效途径，但是其技术的进一步完善，诸如合理氮肥运筹以缓解秸秆腐解过程中微生物与作物“争氮”现象、如何减少秸秆还田后前期产生的有害物质对作物生长产生的负面影响、秸秆还田的合理用量及其与土壤耕作方式的配合等一系列问题还有待进一步深入研究。

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