秸秆不同还田方式对土壤理化性质及玉米产量的影响研究

高利华，屈忠义，丁艳宏，巴慧敏(.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 0008；.巴彦淖尔市水利水电勘测设计院，内蒙古 巴彦淖尔 05000)

中国是世界第一秸秆产量大国，随着中国农业综合生产力水平的不断上升，全国秸秆产量呈逐渐上升的趋势，预计2015年中国主要农作物秸秆产量达到9亿t左右[1]。近年来，我国在秸秆综合利用方面取得了显著的成效，但是秸秆仍然存在产量过剩问题，由此引发秸秆随意丢弃焚烧污染环境和浪费宝贵资源等问题。因此，如何将秸秆有效利用，从而减少能源浪费修复农业生态是我国目前环境保护和农业可持续发展的首要问题。作物秸秆含有丰富的营养元素及复杂的结构，如果将其直接或间接返还到农田，不但减少环境污染、增加土壤碳汇，而且能更好地改善土壤结构，提高土壤肥力，保持作物高产稳产[2]。

作物秸秆还田包括直接还田和间接还田。目前作物秸秆直接还田技术包括机械埋压，留高茬收获或实行套种等[1]，秸秆直接还田作为一种有效且简便易行的土壤培肥方式，可以改善土壤理化性状，提高作物产量[34]，增加土壤微生物数量[5,6]，提高土壤酶活性等[7]。秸秆间接还田方式也有很多种，其中，秸秆炭化(生物炭)还田是目前研究较广泛的一种，生物炭是指将农林生物质在低氧或缺氧条件下经相对低温(<700 ℃)热裂解而形成的含碳率高、孔隙结构丰富、吸附性强、比表面积大、理化性质稳定等的富碳产物[8]。有研究表明，土壤施入生物炭可提高土壤C/N比[9]、土壤肥力[10]和土壤持水性[11]，进而促进作物对矿质养分的吸收[12]，提高作物产量[13]。然而秸秆直接还田和生物炭还田对土壤理化性质和作物的影响依土壤质地、类型[14,15]、秸秆或生物炭种类[16,17]等不同而异，且到目前为止，有关秸秆直接还田与生物炭还田对土壤理化性质和作物产量的影响缺乏深入对比分析，因此，本试验通过设置玉米秸秆生物炭和秸秆两种还田方式，研究玉米整个生育期土壤含水率、电导率、pH值、有机质及速效养分含量和产量的变化规律，探讨秸秆还田与施用生物炭对土壤理化性质和作物产量的影响机理，为深入研究秸秆及生物炭在农业生产上的综合应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年5月初到10月中旬在内蒙古河套灌区临河区双河镇进步村九庄农业合作社(107° 18′ E，40° 41′ N，海拔1 041～1 043 m)进行。该地属于中温带半干旱大陆性气候，其特点是云雾少、降水量少、风大气候干燥，多年年均降水量140 mm左右，年均蒸发量2 032～3 179 mm，平均气温6.8 ℃，昼夜温差大，日照时间长，平均日照时间3 229.9 h，无霜期为130 d左右，地势东高西低，地面坡降1/6 000[18]。

1.2 供试材料

供试生物炭为辽宁金和福农业开发有限公司的玉米秸秆生物炭产品，该产品选用当年玉米秸秆在炭化温度为400 ℃于缺氧条件下燃烧8h后制成。供试土壤主要性质及生物炭主要性质(测试方法见下文1.4)见表1。将当地去年收获的玉米秸秆经铡草机铡碎成5 cm左右的小段作为供试秸秆。

表1 供试土壤和生物炭基础理化性状Tab.1 Soil and biochar physicochemical properties before initiation of experiment

1.3 试验设计

将生物炭和秸秆均匀施于土壤表面，用旋耕机将生物炭和秸秆与耕层土壤均匀混合，混合深度约为15 cm。田间试验设计3个处理，一个空白对照即不施生物炭和秸秆(B0)；一个施生物炭(B15)，生物炭施用量为15 t/hm2；另一个为秸秆直接还田(BJ)，秸秆用量为10 t/hm2；每个处理3个重复，共9个试验小区，每个小区面积为90 m2(15×6)。供试作物为玉米，品种为西蒙6号，株距30 cm，行距50 cm，种植密度为56 667株/hm2。基肥施用量：磷酸二胺[N∶P2O5∶K2O=14%∶39%∶0%]450 kg/hm2，复合肥[N∶P2O5∶K2O=30%∶5%∶5%]337.5 kg/hm2。共追施尿素[ω(CO(NH2)2)=46.67%]375 kg/hm2(在拔节前、中、后期追肥3次，抽雄期1次，灌浆期1次，共5次，每次75 kg/hm2)，施肥方式为随水施肥。灌水方式为膜下滴灌，灌水时间通过张力计控制，灌水下限为-25 kPa，灌水定额225 m3/hm2。

1.4 测试内容及方法

在玉米的各生育期(三叶期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期)初期的不同处理用土钻分别在0～10和10～20 cm的土层取样，将取出的土样混匀后，取部分土样装到铝盒内测定土壤含水率，最后将同一土层的3个重复含水率求平均值；在每个生育期的各处理通过直角地温计连续3 d读取土壤表层温度(10 cm)，每天6∶00-20∶00，每隔2 h读一次，最后将3 d同一时间地温求平均值；在各生育期的不同处理用土钻分别在0～15和15～30 cm土层取样，经自然风干后过筛进行电导率、pH值、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质的测定；在玉米成熟后，进行考种测产。土壤含水率通过烘干称重法进行测定[19]；电导率通过电导率仪测定(土水比为1∶5)；pH值通过pH计测定(水浸提，1∶2.5)；碱解氮采用解碱扩散法[19]，有效磷和速效钾采用联合浸提-比色法[20]，有机质采用重铬酸钾容量法[21]。

1.5 数据分析与处理

数据通过Microsoft Excel 2003进行整理并作图，使用SPSS19.0进行单因素方差分析和相关性分析，采用LSD方法进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果分析与讨论

2.1 秸秆不同还田方式对土壤含水率的影响

如图1所示，在三叶期，土壤深度为0～10和10～20 cm各处理土壤含水率依次均为：BJ>B15>B0，相比对照B0，处理BJ、B15的增幅分别为：12.24%、0.56%和14.17%、2.65%，其中，BJ处理差异性达到显著水平；在拔节期，土壤深度为0～10和10～20 cm各处理土壤含水率从大到小依次均为：BJ>B15>B0，相比对照B0，处理BJ、B15的增幅分别为：4.09%、2.15%和7.82%、5.23%，各处理差异性均没有达到显著水平；在抽雄期，土壤深度为0～10和10～20 cm各处理土壤含水率从大到小依次均为：B15、BJ、B0，相比对照B0，处理BJ、B15的增幅分别为：2.25%、3.20%和1.79%、3.26%，各处理差异不显著；在灌浆期，土壤深度为0～10和10～20 cm各处理土壤含水率从大到小依次均为：B15、B0、BJ，相比对照B0，处理BJ、B15的增幅分别为：-11.02%、10.69%和-9.35%、1.95%，其中，在土层深度为0～10 cm，处理BJ、B15相比对照B0差异性显著，在10～20 cm处理BJ与对照B0相比差异性显著，B15不显著；在成熟期，土壤深度为0～10和10～20 cm各处理土壤含水率从大到小依次均为：B15、B0、BJ，相比对照B0，处理BJ、B15的增幅分别为：-12.27%、13.45%和-7.66%、15.46%，相比对照B0，差异性均达到显著水平。

通过分析可知，秸秆直接还田处理耕层土壤含水率先高于生物炭和对照处理，后逐渐减小低于生物炭处理高于对照，最后低于生物炭和对照处理，表明秸秆直接还田前期可以增加土壤含水率，后期这种增加效应逐渐减弱，甚至降低土壤含水率，这可能是因为前期秸秆本身的水分较大，玉米植株较小，需水较少，导致前期秸秆直接还田的土壤含水率大于生物炭处理和空白对照，之后由于气温不断升高、玉米吸水能力逐渐增强，秸秆本身水分逐渐减少，且秸秆还田增强了土壤的通气能力，增大了蒸发强度，而滴灌灌水又不足以抵掉土壤蒸发的水量和作物的需水量，最终导致秸秆直接还田的土壤含水率小于空白对照。生物炭处理耕层土壤含水率在玉米全生育期均高于对照，表明施入土壤生物炭可以提高土壤含水率，这与王丹丹等的研究一致[22]。主要是因为生物炭具有复杂的孔隙结构，巨大的比表面积，施入土壤后减小土壤容重，增大土壤孔隙度[8]，且生物炭可以增加土壤团聚体数量[23]，改善土壤结构，从而提高土壤含水率。

图1 玉米全生育期不同处理耕层土壤含水率Fig.1 Different treatments arable layer soil moisture in maize whole growth period

2.2 秸秆不同还田方式对地温的影响

如图2所示(地温均是在玉米的各生育初期所测)，在三叶期各处理土壤表层温度差异很小；在拔节期土壤表层温度从大到小依次为：BJ、B15、B0；在抽雄期、灌浆期和成熟期土壤表层温度表现为相同的规律，从大到小依次为：BJ、B0、B15。

通过以上分析可知，秸秆直接还田可提高土壤表层温度且效果优于生物炭并高于对照，主要原因是秸秆还田之后，使土壤变得更加疏松多孔，从而增大了表层土壤与太阳光的接触面积，以及秸秆分解导致大量的热量释放，最终导致秸秆还田处理土壤表层温度较高。李昌见等[24]发现施用生物炭在番茄的全生育期能够提高土壤表层温度，而本试验发现施用生物炭在拔节期提高土壤表层温度，在抽雄期之后均降低土壤表层温度，研究结果不一致，可能原因是供试的作物不同，番茄在整个生育期株高不高，对太阳光对地面的照射影响较小，生物炭混入土壤后，加深土壤颜色，导致土壤表层温度升高，而玉米在拔节初期株高不高，所以土壤表层温度高于对照，在抽雄期及以后株高将近3 m，大范围地遮挡了阳光对地面的照射，导致土壤颜色对土壤温度的影响甚微，而施用生物炭提高了耕层土壤的含水率，致使生物炭处理土壤表层温度低于对照。

2.3 秸秆不同还田方式对土壤pH值和电导率的影响

如图3所示，在土壤深度为0～15 cm，在玉米全生育期各处理土壤pH值从大到小为：B0、B15、BJ，相比对照处理B0，B15和BJ的最大降幅分别为：0.82%和2.38%，最小降幅分别为0.06%和0.55%；在土壤深度为15～30 cm，在玉米全生育期各处理土壤pH值与土层厚度0～15 cm的各处理pH值大小关系一致，与对照B0相比，B15和BJ的最大降幅分别为：0.77%和2.91%，最小降幅分别为0.06%和0.67%。从分析结果可知，生物炭和秸秆直接还田处理均降低了土壤pH值，其中秸秆直接还田降幅相对较大，生物炭处理降幅较小。

图2 玉米全生育期不同处理土壤温度(10 cm)日变化Fig.2 Different treatments soil temperature (10 cm) daily variation in maize whole growth period

图3 玉米全生育期不同处理耕层土壤pH值Fig.3 Different treatments arable layer soil pH value in maize whole growth period

土壤pH值是影响土壤化学反应过程和支配土壤化学成分在土壤中的发挥效果的重要指标[25]。有研究显示，施用生物炭能提高酸性土壤的pH值，对碱性土壤影响不大[26]，原因是生物炭本身呈碱性，本研究施用生物炭后降低耕层土壤pH值，而供试土壤和生物炭均呈碱性(表1)，与前人的研究不一致，原因可能是试验地为碱性土壤(表1)，盐碱土的碱化度通常较高，生物炭本身含有较多的Ca2+，Mg2+，交换出土壤胶体上吸附的Na+，也可能是因为施用生物炭增大了土壤的阳离子交换量[8]，最终减小碱化度，从而降低土壤pH值。同样，秸秆还田降低土壤pH值，这与幕平等[25]的研究一致，可能是秸秆在微生物的作用下腐解，促进了土壤腐殖酸和有机酸的形成[25,27]，最终导致土壤pH的降低，达到改良碱性土壤的效果。

如图4所示，在三叶期，相比对照B0，处理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分别为：25.4%、5.4%和28.3%、9.8%，其中B15差异显著；在拔节期，相比对照B0，处理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分别为：43.2%、43.5%和43.9%、41.1%，差异显著；在抽雄期，相比对照B0，处理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分别为：11.5%、8.7%和51.8%、32.8%，差异显著。在灌浆期，相比对照B0，处理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分别为：30.1%、16.4%和19.4%、6.5%，其中B15差异显著。在成熟期，相比对照B0，处理B15、BJ在土壤深度0～15和15～30 cm的增幅分别为：26.5%、5.2%和15.9%、4.7%，其中B15差异显著。通过分析可知，土壤深度为0～15和15～30 cm，各处理在玉米全生育期土壤电导率均表现为一致的规律：B15>BJ>B0，说明生物炭和秸秆还田可显著提高土壤电导率，其中，施用生物炭较秸秆还田增幅大。

图4 玉米全生育期不同处理耕层土壤电导率值Fig.4 Different treatments arable layer soil electrical conductivity in maize whole growth period

电导率与底物的矿化和矿物质浓度分数有关。生物炭和秸秆还田在玉米整个生育期均提高了土壤的电导率，这可能是因为生物炭和秸秆本身含有较多的可溶性盐或在有机质分解的时候释放出矿质盐分[28]，也有可能是因为生物炭强大的吸附力，促进了盐分的累积，从而导致土壤电导率的升高。

2.4 秸秆不同还田方式对土壤肥力的影响

如图5所示(不同字母表示差异性显著)，在三叶期，碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量从大到小均为BJ、B15、B0，相比对照B0，处理BJ和B15碱解氮含量增幅为：6.6%和1.5%，速效钾增幅为79.8%和10.1%，有机质增幅为：13.9%和0.5%，有效磷增幅为：114.7%和35.9%；在拔节期，碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量从大到小均为BJ、B15、B0，相比对照B0，处理BJ和B15碱解氮含量增幅为：13.1%和4.7%，速效钾增幅为43.4%和14.2%，有机质增幅为：19.8%和2%，有效磷增幅为：133.0%和89.0%；在抽雄期，耕层土壤碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量为B15>BJ>B0，相比对照B0，处理BJ和B15碱解氮含量增幅为：1.8%和6.4%，速效钾增幅为0.4%和16.7%，有机质增幅为：0.5%和11.4%，有效磷增幅为：54.3%和77.7%；在灌浆期，耕层土壤碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量为B15>BJ>B0，相比对照B0，处理BJ和B15碱解氮含量增幅为：0.8%和10.5%，速效钾增幅为4.7%和13%，有机质增幅为：14.1%和28.7%，有效磷增幅为：21.1%和64.8%；在成熟期，耕层土壤碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量为B15>BJ>B0，相比对照B0，处理BJ和B15碱解氮含量增幅为：0.2%和6.9%，速效钾增幅为6.7%和13%，有机质增幅为：5.4%和13%，有效磷增幅为：7%和72.2%。通过上述分析可知，生物炭和秸秆还田均可以提高耕层土壤碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量，其中秸秆还田处理在玉米三叶期和拔节期增幅较大且大于生物炭，而在抽雄期、灌浆期和成熟期增幅较小且小于生物炭，而生物炭处理在玉米整个生育期较均衡显著地提高了土壤肥力，表明生物炭能够缓慢释放肥料中的养分。

图5 玉米全生育期不同处理耕层土壤肥力Fig.5 Different treatments arable layer soil fertility in maize whole growth period

土壤有机质是衡量土壤肥力的重要指标，土壤碱解氮、速效钾和有效磷是可供植物直接吸收的养分，反映了土壤短期内养分的供应状况。研究表明，秸秆还田促进土壤有机质和碱解氮、速效钾和有效磷含量的积累，这与汤文光等[29]的研究结果一致。这是因为玉米秸秆不仅含有丰富的N、P、K等营养成分且富含木质素、纤维素等，这是形成土壤有机质的主要来源[30]，在秸秆腐解的过程中，逐渐释放出来，从而提高土壤肥力，其中秸秆直接还田处理在三叶期和拔节期的碱解氮、速效钾、有机质和有效磷含量较高，在抽雄期、灌浆期和成熟期含量较低，这是因为秸秆在前期迅速腐解且土壤酶的活性较高，形成大量的有机质并释放出大量的氮、磷、钾素，在后期腐解速率降低、土壤酶的活性降低，进而导致有机质及各养分含量相对前期降低[27,31]；同样，施用生物炭也增强土壤的保肥能力且表现出肥料缓释的作用，这与李昌见等[24]的研究结果一致，这一方面是因为生物炭本身含有少量的N、P、K等营养成分且具有较大的比表面积、复杂的孔隙结构和多种官能团，能够吸附土壤溶液中氮磷钾化合物，减少淋溶损失，另一方面是因为生物炭可激发土壤微生物及酶活性，促进土壤有机氮、有机磷、有机钾的矿化[32]，促进土壤中的养分循环，从而提高土壤肥力。

2.5 秸秆不同还田方式对玉米产量的影响

图6表明，与B0相比施用生物炭及秸秆还田显著提高了玉米产量，产量从大到小依次为B15、BJ、B0，与对照相比，处理B15和BJ产量增幅分别为19.27%和8.1%，处理B15相比BJ增产10.3%。表明，施用生物炭和秸秆还田均可提高玉米产量，其中，生物炭的增产效应更大。

图6 不同处理玉米产量Fig.6 Different treatment yield of maize

生物炭和秸秆直接还田最主要的目的是改善土壤结构，培肥土壤，而还田效果的好坏，作物产量是衡量的标准之一。李玮等[3]通过大田试验，发现秸秆还田增产效果明显，勾芒芒等[33]和Claser等[34]等通过室内盆栽试验发现，施用生物炭显著增加番茄的产量，与本研究结果一致。原因是因为生物炭和秸秆还田，提高了土壤有机质和速效养分、优化了土壤结构、改善土壤理化性质，提高土壤微生物和酶活性，从而有利于作物的生长和产量的提高。生物炭处理与秸秆还田对比，生物炭处理的产量更大，原因可能是秸秆还田处理在玉米生育后期土壤有机质和速效养分及土壤含水率低于生物炭处理，水肥利用率较生物炭降低，影响作物生长，进而导致玉米产量低于生物炭，因此，秸秆还田处理可以在玉米生育后期适量追肥，灌水，可能会达到产量的最大化。

3 结 语

(1)生物炭在整个玉米生育期均提高了耕层土壤的持水能力，秸秆还田在玉米生育前期提高土壤含水率，在后期土壤含水率低于对照，表明在灌水水平一致的情况下，生物炭的保水效果更好，因此秸秆还田可在玉米生育后期适当增加灌水量。

(2)与对照相比，秸秆还田显著提高土壤表层温度，生物炭在拔节期促进土壤表层温度，在抽雄期之后降低了土壤表层温度，因此对土壤温度敏感的作物，在施用生物炭时应考虑作物的株高及长势。

(3)相比对照，生物炭和秸秆还田都降低耕层土壤pH值，对碱性土壤起到一定的改良作用，其中秸秆还田降幅相比生物炭较大；两种秸秆还田方式均增大土壤的电导率，但是并没有影响作物的产量，可能是土壤溶液盐浓度在玉米的耐盐范围之内。

(4)生物炭和秸秆还田能够培肥土壤，其中生物炭对肥料有缓释的作用，在每个生育期能够稳定有效地提供养分，而秸秆还田在前后生育期养分供应不均衡，因此秸秆还田在玉米生育后期可适量追施肥料。

(5)生物炭和秸秆还田促进玉米增产，其中施用生物炭增产作用最大。施用生物炭处理的产量相比对照增幅达19.27%，相比秸秆还田增幅达10.3%，差异性显著。

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