秸秆还田量对小麦-玉米轮作中土壤理化性质及作物产量的影响

董 亮，田慎重，王学君，孙泽强，郑东峰，刘盛林，董晓霞，郭洪海*，罗加法

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东济南 250100；2.农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东济南 250100；3.农业部山东省耕地保育科学试验观测实验站，山东济南 250100)



秸秆还田量对小麦-玉米轮作中土壤理化性质及作物产量的影响

董 亮1，2，田慎重1，3，王学君1，3，孙泽强1，3，郑东峰1，3，刘盛林1，董晓霞1，3，郭洪海1，2*，罗加法2

(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东济南 250100；2.农业部黄淮海平原农业环境重点实验室，山东济南 250100；3.农业部山东省耕地保育科学试验观测实验站，山东济南 250100)

[目的]研究秸秆还田量对一年两熟小麦-玉米轮作制度下土壤理化性质的影响。[方法]通过田间试验，研究秸秆不还田，50%小麦、玉米秸秆还田，100%小麦、玉米秸秆还田，150%小麦、玉米秸秆还田对麦-玉轮作体系中土壤容重、有机质和养分含量，以及小麦和玉米产量的影响。[结果]秸秆还田可以降低土壤容重，增加土壤有机质含量，提高土壤养分库容。50%、100%和150%秸秆还田条件下，土壤容重降幅为1.41%～9.15%，土壤有机质含量增加0.02～0.04 g/kg，土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全钾含量分别增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。不同秸秆还田量均能提高小麦、玉米产量，产量增幅分别为7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。[结论]秸秆还田量达到150%时，在土壤理化性质及作物产量方面出现转折，建议不超过100%秸秆还田为宜。

秸秆还田量；小麦-玉米轮作；产量；土壤养分库容量

作物秸秆是普遍存在的有机农业废弃物资源，如何科学、高效地处理农作物秸秆已成为农业生产、环境保护面临的紧迫问题。秸秆含有大量的有机质、氮、磷、钾等养分，因此秸秆直接或间接还田，可以建立良好的土壤生态体系[1]，同时也是提升农田土壤基础肥力的重要措施。研究发现，秸秆还田不仅可以提高作物产量，还能增加土壤有机质含量及养分含量[2-3]，改善土壤结构[4]，提高化肥利用效率[5]，直接或间接减少温室气体排放[6]，缓解我国钾肥资源紧缺造成的压力，是发展可持续农业的有效途径[7]。但是随着秸秆还田技术的推广，尤其是在黄淮海区域小麦-玉米一年两熟的轮作制度下，秸秆还田引起的作物出苗率低、病虫草害等问题日趋凸显[8]。在实际农业生产中秸秆在未有效分解的情况下，秸秆还田量影响着其培肥改土作用[9-10]。笔者以黄淮海区域的粮食高产区之一——山东省德州市平原县为试验地，在一年两熟的小麦-玉米轮作制度下，探讨了不同秸秆还田量对土壤理化性质及作物产量的影响，以期为黄淮海平原区小麦-玉米一年两熟轮作体系中秸秆科学原位还田及粮食稳产高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况 平原县位于鲁西北黄河冲积平原，地处暖温带，大陆性季风气候，干湿季明显，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季凉爽，冬季干冷，光照充足，年平均降水量535 mm，土层深厚，地形平坦。该地区种植业发达，小麦、玉米、棉花、蔬菜大面积种植，小麦-玉米实现一年两作。当地土壤类型为潮土，基本理化性质：有机质含量13.40 g/kg，碱解氮含量65.10 mg/kg，有效磷含量23.40 mg/kg，速效钾含量156.00 mg/kg，全钾含量17.8 g/kg，容重1.42 g/cm3，pH 8.47。

1.2 试验材料 玉米品种为郑单958，小麦品种为济麦22号。

1.3 试验设计 秸秆原位还田于2013年进行，共设4个处理(表1)，每处理3次重复。小区按照长期定位试验池标准，四周用水泥板围砌，小区面积36.0 m2(4.5 m×8.0 m)，小区间距为0.5 m。

秸秆还田量的操作处理：50%秸秆还田处理，即移出50%秸秆；100%秸秆还田处理为全量原位还田；150%秸秆还田处理，即全量还田，并加入从50%秸秆还田处理的田块中取出的50%秸秆。秸秆还田方式：小麦秸秆粉碎后地表覆盖还田，玉米秸秆粉碎后旋地耕翻还田。

表1 各处理秸秆还田量

1.4 田间管理 所有试验处理的施肥均按照当地农民习惯，即玉米季施肥量为N 260 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、钾肥做基肥一次施入，氮肥的基追比为5∶5；小麦季施肥量为N 240 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2，磷、钾肥做基肥一次施入，氮肥的基追比为6∶4。播种、灌溉等田间管理按照当地农民习惯操作。

1.5 测定项目与方法 收获后取小区内(2.0 m×2.0 m)样方计产，统计玉米产量、小麦产量。2015年小麦收获后用环刀或土钻取土测定0～20 cm土层的土壤容重、有机质、养分(碱解氮、有效磷、速效钾、全钾)含量等指标。土壤容重采用环刀法测定；有机质含量采用重铬酸钾-硫酸滴定法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用醋酸铵浸提火焰光度计法测定；全钾含量采用氢氧化钠熔融原子吸收分光光度法测定[11]。

1.6 数据统计 用DPS软件进行数据方差分析，用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量对土壤容重的影响 由表2可知，不同秸秆还田量能明显影响0～20 cm土层的土壤容重，秸秆还田后降低了耕层土壤容重。与CK相比，50%ST、100%ST、150%ST处理的土壤容重分别降低了1.41%、3.52%、9.15%。方差分析显示，50%ST与CK之间差异不显著，150%ST与100%ST处理之间差异显著。

秸秆还田后经过微生物作用形成的腐殖酸与土壤中的钙、镁等结合成腐殖酸钙、腐殖酸镁等，使土壤形成大量的水稳性团粒结构，增加了土壤通透性[12]，降低了土壤容重。但过量还田会导致土壤容重过低，影响土壤的保水保肥性。

表2 不同秸秆还田量对土壤容重的影响

Table 2 Effect of amount of returned-straw on soil bulk density

处理Treat-ment土壤容重Bulkdensityg/cm3与CK相比ComparedwithCK土壤容重Bulkdensity∥g/cm3降幅Degreeofreduction∥%CK1.42±0.02a——50%ST1.40±0.08ab-0.021.41100%ST1.37±0.05b-0.153.52150%ST1.29±0.06c-0.139.15

注：同列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

注：不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。Note：Different lowercases indicated significant difference at 0.05 level.图1 不同秸秆还田量对土壤有机质含量的影响Fig.1 Effect of amount of returned-straw on soil organic matter

2.2 不同秸秆还田量对土壤有机质含量的影响 从图1可以看出，秸秆还田后增加了土壤有机质含量。与CK相比，50%ST、100%ST、150%ST处理的0～20 cm土层土壤有机质含量分别增加0.02、0.04、0.03 g/kg。原因可能是秸秆还田后促进了微生物的活动，形成了土壤微生物活跃的活动层，从而加速了微生物对秸秆中有机态养分的分解释放，进而提高了土壤有机质含量[13]。但土壤有机质含量的提高是一个长期的积累过程，该试验中秸秆还田进行了2 a，从结果能看出秸秆还田可提高土壤有机质含量，但增幅不明显。2.3 不同秸秆还田量对土壤养分含量的影响 由表3可知，秸秆还田能明显提高土壤养分含量。与CK相比，50%ST、100%ST、150%ST处理的土壤碱解氮含量分别增加6.43、9.00、6.80 mg/kg，有效磷含量分别增加3.50、4.07、3.37 mg/kg，速效钾含量分别增加12.33、19.00、10.33 mg/kg，全钾含量分别增加70.00、120.00、40.00 mg/kg。尤其在土壤钾素方面，因为秸秆中含有较多的钾，所以与碱解氮、有效磷相比，秸秆还田后向土壤中贡献的速效钾更多。150%ST处理的土壤养分出现下降趋势，原因可能是秸秆还田量过大，需要更多的养分提供给微生物活动以进行秸秆腐解，因此消耗了部分土壤养分。

2.4 不同秸秆还田量对玉米-小麦产量的影响 由表4可知，不同秸秆还田量可显著影响玉米和小麦的产量。对于玉米来说，与CK相比，50%ST、100%ST、150%ST处理的玉米产量分别提高了16.29%、26.06%、23.93%。方差分析显示，秸秆还田处理与CK间差异极显著，而不同秸秆还田量处理之间差异不显著。对于小麦来说，与CK相比，50%ST、100%ST、150%ST处理的小麦产量分别提高7.57%、13.16%、9.13%。方差分析显示，秸秆还田处理与CK间差异极显著，100%ST与150%ST处理间差异不显著。

当秸秆还田量达到150%时，玉米、小麦产量均下降，原因可能是秸秆还田量过大，土壤容重降幅过大，导致土壤保水保肥性差，土壤养分含量由于微生物活动的消耗而降低，对玉米幼苗返青、分蘖生长带来负面影响，从而影响作物生长及产量的形成。

表3 不同秸秆还田量对土壤养分含量的影响

注：同列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

Note：Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

表4 不同秸秆还田量对玉米-小麦产量的影响

注：同列不同大写字母表示处理间在0.01水平差异极显著。

Note：Different capital letters in the same column stand for significant difference at 0.01 level among treatments.

3 结论与讨论

(1)秸秆还田作为全球可持续农业发展的重要环节，对于维持农田肥力、减少化肥使用、提高土壤碳汇能力具有积极作用[14]。王振忠等[15]研究发现，无论秸秆覆盖还是翻压，都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重，使土壤疏松，通透性改善。陈冬林等[16]研究表明，秸秆还田可以显著提高土壤中有效磷和速效钾含量，增加水稻生育后期土壤碱解氮含量。这与笔者的研究结果一致，即秸秆还田有利于改善土壤理化环境。

(2)2014年6—10月德州市平原县玉米季降水总量为389 mm，2014年10月至2015年6月该地小麦季降水总量为256 mm，年份降水总量为645 mm，较正常年平均降水量(547 mm)偏多，属于偏丰水年份。因此，推测秸秆还田后由于降水的关系，腐解速度加快，对土壤理化性质及作物产量起到了积极的作用。但探讨降水与秸秆腐解速度、土壤理化性状及作物产量的关系，需要对常年多点的试验结果进行拟合，还需要将土壤温度考虑在内。

(3)虽然秸秆还田能改善土壤理化性质，提高作物产量，但是存在还田量阈值的问题。秸秆还田量过多，会导致土壤耕种性差、作物出苗率低、苗弱、作物产量降低、病害加剧等问题。这可能是由于秸秆过量还田，过多的秸秆覆盖会阻碍土壤与大气的物质交换，同时C/N提高，土壤微生物与土壤酶活性降低，进而抑制其对秸秆的分解，秸秆还田对土壤产生的积极作用会随着秸秆还田量的增多而降低[17]。

(4)该试验条件下，秸秆还田能降低土壤容重，增加土壤有机质及氮、磷、钾速效养分含量。不同秸秆还田量对土壤理化性质影响不同。50%秸秆还田、100%秸秆还田、150%秸秆还田条件下，土壤容重降幅为1.41%～9.15%，土壤有机质增幅为0.02～0.04 g/kg，土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全钾含量分别增加6.64～9.00、3.37～4.07、10.33～19.00、40.00～120.00 mg/kg。秸秆还田后改善了土壤环境，因而可以提高小麦和玉米的产量。不同秸秆还田量对作物产量的影响不同，小麦、玉米产量的增幅分别为7.57%～13.16%、16.29%～26.06%。并且在秸秆原位还田时，建议秸秆还田量以不超过100%为宜。下一步拟从土壤微生物、土壤酶的角度进一步明确秸秆直接还田的科学阈值，以期为秸秆还田提供科学的数据支撑。

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Effects of Amount of Returned-straw on Soil Physical and Chemical Properties, Crop Yield in Wheat-maize Rotation System

DONG Liang1,2, TIAN Shen-zhong1,3, WANG Xue-jun1,3, GUO Hong-hai1,2*et al>

(1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Science, Jinan, Shandong 250100; 2. Key Laboratory of Agro-environment in Huanghuaihai Plain, Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100; 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Shandong), Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100)

[Objective] The aim was to study effects of amount of returned-straw on soil physical and chemical properties in wheat-maize rotation system. [Method] Through field experiment, effects of straw not returned to field, 50%, 100%, 150% wheat, maize straw returned to field on soil bulk density, organic matter, nutrient content, wheat and maize yield in wheat-maize rotation system were studied. [Result] The results showed that returned-straw decreased the soil bulk density by 1.41%-9.15%, increased the soil organic matter content by 0.02-0.04 g/kg, increased available nitrogen by 6.64-9.00 mg/kg, increased available phosphorus by 3.37-4.07 mg/kg, increased available potassium by 10.33-19.00 mg/kg, increased total potassium by 40.00 - 120.00 mg/kg respectively. And it also increased wheat yield and maize yield by 7.57%-13.16% and 16.29%-26.06% respectively. [Conclusion] Excessive amount of straw returned 150% was not benefit for farmland productivity because its negative turning point in soil physical-chemical properties and crop field. It was suggested the amount of returned-straw was not more than 100%.

Returned-straw amount; Wheat-maize rotation system; Yield; Soil nutrient capacity

山东省农业科学院青年科研基金项目(2014QNM51)；国家科技支撑计划课题(2012BAD14B07)；济南市成果转化及专利实施项目(201401311)；海外泰山学者建设工程专项经费资助。

董亮(1979- )，女，山东安丘人，副研究员，硕士，从事农业废弃物资源循环利用与土壤培肥改良研究。*通讯作者，研究员，从事循环农业研究。

2016-08-12

S 141.4

A

0517-6611(2016)29-0107-03