秸秆还田对盐碱地土壤物理性质、酶活性及油葵产量的影响

李 磊，樊丽琴，吴 霞，张永宏

(宁夏农林科学院 农业资源与环境研究所，银川 750002)

秸秆还田在一定程度上可缓解盐碱地土壤僵硬、板结，降低土壤体积质量，且还田年限越长，体积质量越低，土壤结构愈加稳定[1-3]。还田也可降低微团聚体含量，增加土壤通气孔隙度[4-8]。研究发现秸秆还田技术下采用微咸水灌溉，不仅能有效改善土壤结构，而且可减少土壤盐分表聚[9]。秸秆还田技术还可提升表层土壤酶活性，但对下层无显著影响[10-12]。

关于秸秆还田方式、还田量及产生的效应诸多学者已进行较多研究[13-16]。但在宁夏银川北部盐碱地进行秸秆还田对土壤物理性质、酶活性的研究不够系统。因此，本研究在总结前人研究基础上，以具有耐瘠薄、抗干旱、抗盐碱油葵为试验材料。在银北盐碱地开展秸秆还田技术，采用秋季翻耕方式，建立还田1 a、2 a与未还田试验，旨在明确秸秆还田对土壤物理性质、酶活性以及油葵产量的影响，为盐碱地土壤构建良好的团粒结构提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月—2018年10月在宁夏银川北部引黄灌区黄渠桥镇金茂源家庭农场进行，该地区属中温带干旱区，地势平坦，光照资源充足，昼夜温差大，年均气温约8.8 ℃。年均降水量约200 mm，蒸发较强，年均蒸发量达 1 755 mm。耕层土壤pH 8.78，碱化度20.20%，全盐3.20 g/kg，有机质处于偏低水平，质量分数为12.98 g/kg，速效氮质量分数为50.20 mg/kg，有效磷质量分数为13.65 mg/kg，速效钾质量分数为175.91 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以‘同辉562’ 油葵为供试作物。设3个处理，分别为未还田(CK)、还田1 a(T1)和还田 2 a(T2)。T1：参照文献[13-14]，设还田量为 6 000 kg/hm2，2017年10月进行还田；T2：还田总量为12 000 kg/hm2，分别于2016年10月与2017年10月均施。前季玉米收获后将地上部分自然风干，收割回收后用粉碎机揉搓粉碎，粉碎长度≤5 cm，还田处理配施秸秆腐熟剂(有效活菌数≥0.5亿/g)30 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，还田方式采用翻耕，深翻25 cm后及时灌水压实，灌水量为 3 000 m3/hm2，还田措施均在秋季实施。施肥按照该地区常规施肥，每年种植前底肥施尿素(含纯N量为46%)量为450 kg/hm2，过磷酸钙(P2O5≥12%)施用量为900 kg/hm2，硫酸钾(含纯K2O量为50%)施用量为75 kg/hm2，油葵种植方式采用宽窄行(70 cm×50 cm)，小区长10 m，宽5 m，田间试验采用随机区组设计，重复3次，灌溉方式为黄河水漫灌。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤物理指标 收获后(9月15日)采集土壤样品并测定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层相关指标，LJSD-2土壤硬度仪测定土壤紧实度，湿筛-振荡法测定土壤水稳性团聚体[17-18]，环刀法测定土壤体积质量[19]。

1.3.2 土壤化学指标 分别在种植前(5月15日)、苗期(6月15日)、现蕾期(7月15日)、收获期(9月15日)采集土样，土壤酶活性样品需装入无菌密封袋后置于控温箱(4 ℃)带回实验室。土壤pH用pH计测定(水土质量比例 2.5∶1)，DDS-11电导率仪测定电导率，结合线性方程计算全盐质量分数。土壤中脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法，以24 h后土壤中NH3-N的量(mg)表示；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法，以24 h后土壤中释放出酚的质量(mg)表示[19-21]。

1.3.3 产量测定及效益分析 收获期(9月15日)进行各小区单收单计，实收实测。油葵增产 率=(试验处理后产量-空白对照产量)/空白对照产量×100%；总投入为种子、肥料、灌溉、机械及人工费用；总产值=产量×单价；净收益=总产值-总投入；产投比=总产值/总投入。

1.4 数据处理

用Excel 2003对数据整理和作图，用SPASS 17.0进行方差分析，显著性水平为(P<0.05，n=5)，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤体积质量 体积质量的大小直接影响作物根系在土壤中的伸长。由图1可知，随着土层增加体积质量逐渐增加，CK处理最为明显，10～20 cm、20～30 cm较0～10 cm分别增加 0.67%、4.05%，T1处理下10～20 cm较0～10 cm体积质量略有降低，20～30 cm较0～10 cm有所增加，T2处理下10～20 cm、20～30 cm较 0～10 cm均有增加。秸秆还田在一定程度上可明显降低土壤体积质量，T2处理下0～10 cm土层与CK、T1处理同土层间差异显著，T2处理较CK处理降低6.08%，T1、T2处理下10～20 cm土层较CK处理分别降低3.35%、6.04%，20～30 cm各处理与10～20 cm表现相同的趋势，T1、T2处理较CK处理分别显著降低3.89%、 6.49%。由此可见，秸秆还田可降低土壤体积质量，且还田 2 a降低体积质量效果略优越于还田1 a。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments(P<0.05),the same below

图1 秸秆还田处理对土壤体积质量的影响
Fig.1 Effects of straw returning to
the field on soil volumic mass

2.1.2 土壤水稳性团聚体 由表1可知，随着土层加深，>0.25 mm含量逐渐降低，T2处理0～10 cm土层<0.25 mm含量明显降低，分别较CK、T1处理下降17.99%、14.09%；同时，T2明显增加10～20 cm土层1～2 mm、0.5～1 mm团聚体含量，相比CK处理增加2倍以上；T1、T2处理均增加20～30 cm土层1～2 mm、0.5～ 1 mm、0.25～0.5 mm团聚体含量，综合所得，T2处理下0～10、10～20、20～30 cm土层水稳性团聚体含量分别较CK处理增加15.30%、10.34%和8.84%，有利于增强土壤结构稳定性。

2.1.3 土壤紧实度 由图2可知，在土壤垂直空间内，土壤紧实度在20～30 cm土层达到最大，CK处理土壤紧实度在该层达到1 794.12 kPa，而T1与T2处理明显降低该层土壤紧实度，相比CK处理分别降低12.57%、19.49%。0～10 cm土层各处理差异最明显，T1与T2处理较CK处理分别降低13.41%、23.24%；10～20 cm 土层T1与T2处理间无显著性差异，但与CK处理差异显著，T2处理较CK处理降低22.39%。

表1 秸秆还田处理对土壤团聚体的影响Table 1 Effects of straw returning to the field on soil aggregates

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters above the columns indicate significant difference among treatments(P<0.05)，the same below.

图2 秸秆还田处理对土壤紧实度的影响Fig.2 Effects of straw returning to the field on soil compaction

2.2 秸秆还田对土壤酶活性的影响

脲酶与尿素水解密切相关，其活性大小反映尿素的转化能力及氮素利用效率。由表2可以看出，不同土层土壤脲酶活性表现不同，整体随着土层加深而逐渐降低。0～10 cm土层脲酶活性T2处理显著高于T1与CK处理，且较CK、T1处理分别增加93.79%、59.18%；10～20 cm土层脲酶活性T2处理显著高于CK处理，但与T1间无显著性差异；20～30 cm土层各处理下脲酶活性无显著性差异。碱性磷酸酶对土壤磷素的有效性具有重要作用，在土壤中的活性与脲酶变化趋势相一致，随着土层加深而逐渐降低，较CK处理，T1、T2处理明显增加碱性磷酸酶的活性，0～10 cm与20～30 cm均表现出显著性差异。由此可见，秸秆还田增添了土壤微生物能源物质，明显提升土壤中脲酶与碱性磷酸酶的活性，加速氮肥快速分解，同时，提高磷素有效性，减轻磷素在碱性土壤中的固定作用，避免作物因缺磷而出现发育不良的现象。

表2 秸秆还田处理对收获后土壤酶活性的影响Table 2 Effects of straw returning to the field on soil enzyme activities after harvest mg/(g·h)

2.3 秸秆还田对土壤化学性质的影响

2.3.1 土壤pH 由表3可知，土壤pH在不同土层间变化较大，苗期最大，现蕾期、收获期均存在不同程度降低，但降幅较小，但随着土度加深，土壤pH却有逐渐增大的趋势。在油葵苗期各土层pH变化不大，各处理间无显著差异，T1、T2处理土壤pH略有降低。在油葵现蕾期，T1、T2处理效果较为明显，0～10 cm土层 T2 处理土壤pH显著降低，较CK处理降低0.18；10～20 cm各处理无显著差异；20～30 cm T1、T2处理下pH较CK处理显著降低1.86%、2.41%。油葵收获期各处理对pH的影响趋势与现蕾期表现相一致。由此可见，秸秆还田有助于降低土壤pH，可能因为秸秆在腐解过程中产生有机酸的缘故，在0～30 cm土层，还田1 a平均降低pH 0.1，而还田2 a平均降低pH 0.12，二者效果相一致。

表3 秸秆还田处理对土壤pH的影响Table 3 Effects of straw returning to the field on soil pH

2.3.2 土壤全盐质量分数 由表4可知：油葵苗期，随着土层加深土壤全盐质量分数逐渐降低，秸秆还田处理对全盐质量分数也影响较大，0～10 cm各处理间差异显著，T2处理明显降低土壤全盐质量分数，且较CK与T1处理分别降低 24.27%、9.80%； 10～20 cm T2处理相较CK处理显著降低20.85%，而T1处理与CK处理间差异不显著；20～30 cm各处理变化趋势与10～20 cm相一致，T2处理相比CK处理降低19.65%，效果明显。

现蕾期出现积盐现象，主要由于太阳辐射情况下，地表蒸发带动盐分的迁移，造成盐分表聚的窘境，尤其CK和T1处理在0～10 cm盐分超过3 g/kg，而T2处理接近3 g/kg；在10～20 cm T1、T2处理显著降低土壤全盐质量分数，降幅分别为8.06%、24.84%；在20～30 cm处理T1与T2处理相差不大，相比CK处理降低28.12%、27.34%；油葵收获期0～20 cm土壤盐分整体有所下降，而20～30 cm有增加趋势，T1、T2处理在各层均有明显降低土壤全盐的趋势。秸秆还田技术能达到控盐的目的，尤其还田2 a效果最为明显，整个生育期平均降低0～10 cm土层含盐量24.33%。

表4 秸秆还田处理对土壤全盐质量分数的影响Table 4 Effects of straw returning to the field on mass fraction of soil total salt g/kg

2.4 秸秆还田对油葵生产效益的影响

油葵产量是评价该区域土壤地力最基本的指标。由表5可知，各处理间油葵产量存在显著性差异，T2处理显著高于CK与T1处理，而CK与T1处理间无显著性差异。T2处理下油葵产量达到3 002.54 kg/hm2，相比CK于T1处理分别增加20.60%、12.92%，另外，T1处理相比CK处理产量增加6.81%。在收益方面，T2处理下高达11 115.24 元/hm2，相比CK增加2 177.34 元/hm2，产投比达2.61。

表5 秸秆还田经济效益分析表Table 5 Statement of economic benefit analysis in straw returning to the field

注：2018年油葵单价为6.0元/kg；油葵常规投入6 000元/hm2，包括种子、肥料、灌溉、机械及人工费用；秋季粉碎秸秆还田价格还田为450元/hm2。

Notes:The unit price of oil sunflower in 2018 was 6.0 yuan/kg；the conventional total input of oil sunflower was 6 000 yuan/hm2,including seed,fertilizer,irrigation,machinery and labor costs;the price of crushed straw returning in autumn was 450 yuan/hm2.

2.5 产量与各土壤性质的关系

建立产量与体积质量、水稳性团聚体、紧实度、pH、全盐、脲酶活性、碱性磷酸酶相关矩阵可得相关性如表6所示。产量与水稳性团聚体呈现正相关，与0～10 cm处的水稳性团聚体达到极显著相关，相关系数达到0.996；产量与体积质量呈现负相关，相关程度较强烈，0～10 cm相关性达到显著相关；与紧实度、全盐呈负相关；产量与脲酶呈正相关，与0～10 cm及10～20 cm土层的脲酶活性分别达到极显著正相关与显著正相关；产量与碱性磷酸酶也表现正相关，尤其与10～ 20 cm处碱性磷酸酶活性达到显著正相关。由此可见，水稳性团聚体、体积质量、酶活性对增产意义重大，因此在盐碱地改良中应注重土壤良好的团粒结构的构建及土壤酶活性的提高。

表6 产量与各指标相关性分析Table 6 Analysis of correlation between yield and various indicators

注：*表示显著相关(P<0.05)，**表示显著相关(P<0.01)。

Notes:* indicates significant correlation (P<0.05),and ** indicates significant correlation (P<0.01).

3 讨论与结论

体积质量反映了土壤孔隙大小分布及对作物根系穿透阻力[22]。艾天成等[23]、钱凤魁等[24]通过秸秆还田试验发现，在还田措施下土壤体积质量均有降低，相比未还田存在显著性差异，同时有效地提高土壤孔隙度。本研究结果表明在盐碱地上应用秸秆还田技术能显著降低土壤体积质量，从而为好氧微生物活动创造良好环境，有利于作物营养吸收，且还田2 a效果优越于还田 1 a。

土壤团聚体作为土壤结构的基本构成单元，其数量及分布决定着土壤结构的稳定性及侵蚀能力[25]。大量研究结果表明秸秆还田可提高土壤大团聚体的含量，且随着还田年限增加效果更加明显[7,26-29]。本试验研究结果发现还田1 a与2 a均能明显降低微团聚体含量，尤其还田2 a处理下水稳性团聚体含量较对照增加为8.84%～ 15.30%。这在一定程度上有效地改善土壤结构，增加土壤稳定性；土壤紧实度反映出土壤松紧状况及孔隙数量，本试验研究结果发现还田1 a与 2 a处理都能明显降低土壤紧实度，还田2 a处理可降低10～20 cm层土壤紧实度22.36%，效果极为明显，可有效地改善耕区环境，增强透气通水性能，促进作物根系伸长，这与范围等[30]、Kabiri等[31]研究相一致。

土壤酶活性的大小表征了土壤进行生理生化反应的能力。本试验表明秸秆还田2 a显著提高脲酶、碱性磷酸酶的活性，相比CK处理在10～20 cm土层提高接近1倍，而对10～30 cm土层碱性磷酸酶活性影响不大，这与吴玉红等[32]、黄容等[33]的研究结果基本一致。此外，本试验发现秸秆还田能调节水盐运动，降低耕层土壤盐分，增加产量，尤其还田2 a处理相比CK处理在整个生育期0～10 cm土层含盐量平均降低24.33%，增产20.60%，这与陈素英等[34]、张彦群等[35]、孙宏勇等[36]的研究结果一致。

相比未还田，秸秆还田对盐碱地土壤物理性质有极大的改善作用，还田2 a效果相比还田1 a更佳，具体表现在还田2 a降低土壤体积质量 6.04%～6.49%，水稳性团聚体增加8.84%～ 15.30%，同时，还田2 a 处理20～30 cm土壤紧实度相比还田1 a与未还田处理分别降低 12.57%和19.49%，此外，还田2 a 处理相比未还田处理显著提高了土壤脲酶与碱性磷酸酶的活性，耕层含盐量降低25%，从而促使产量增加 20.60%。下一步试验应建立在原有的基础上增加还田年限，从土壤有机碳组分入手，研究土壤肥力的演变，且同时展开还田方式研究，旨在达到增加土壤肥力，抑盐克碱的目的。