长期秸秆还田对白浆土物理性质及水稻产量的影响

王秋菊，常本超，张劲松，韩东来，隋玉刚，陈海龙，杨兴玉，王雪冬，焦峰，新家宪，刘峰



长期秸秆还田对白浆土物理性质及水稻产量的影响

王秋菊1，常本超1，张劲松1，韩东来2，隋玉刚2，陈海龙2，杨兴玉2，王雪冬2，焦峰3，新家宪4，刘峰5

（1黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，中国哈尔滨150086；2黑龙江省农垦建三江管理局八五九农场，中国佳木斯156326；3黑龙江八一农垦大学，中国大庆163319；4日本NICH研究所，日本札幌 079-01；5黑龙江省农业科学院科研处，中国哈尔滨150086）

【目的】明确长期秸秆还田对白浆土土壤物理性质及水稻产量的影响。【方法】开展秸秆还田长期定位试验。试验设置4个处理，分别为对照（CK），单施秸秆（S），秸秆+化肥（SNPK），单施化肥（NPK）。在2005年后连年处理，并于试验处理前和2010年、2015年试验处理期间调查土壤容重、硬度、孔隙、三相组成以及水稻产量。【结果】白浆土长期秸秆还田有利于水稻产量提高，10年产量平均，秸秆还田配施肥料处理水稻产量比对照和秸秆单独还田处理增产275.70%和133.23%，比单施化肥处理增产14.17%。秸秆还田处理水稻产量在还田第5—10年平均产量比第1—5年有增加趋势；长期秸秆还田可以改善土壤物理性质，降低土壤容重、硬度，还田10年后，秸秆还田配施化肥处理土壤容重低于化肥单施、秸秆单施及对照处理，SNPK处理0—20、20—30 cm土层土壤容重与对照相比分别降低6.34%和10.00%，与还田5年后同类处理相比仍呈下降趋势；秸秆还田配施化肥处理土壤硬度10年后在10、20、30 cm土层与处理前相比分别降低为26.87%、5.68%和4.62%，在20—30 cm土层与对照相比差异显著，还田10年与5年后相比有下降趋势，其他处理变化不明显；还田5年后，秸秆还田配施化肥处理在0—20、20—30、30—40 cm土层土壤固相比例与对照相比分别下降8.82%、8.36%和3.65%，还田10年后分别下降10.87%、10.61%和4.67%，10年后要比5年后下降幅度大，秸秆还田配施化肥比秸秆单施和化肥单施处理下降幅度大；长期秸秆还田可以增加土壤有效孔隙的数量，在处理间和年限间差异极显著，还田10年后，在0—20、20—30、30—40 cm土层秸秆还田配施化肥土壤有效孔隙比对照增加28.86%、63.85%和23.40%，在20—30 cm和30—40 cm土层比化肥单施增加12.55%和62.96%，在0—20、20—30、30—40cm土层比秸秆单施增加19.68%、56.52%和24.46%；与还田5年后相比，土壤有效孔隙度均呈现增加的趋势。【结论】长期秸秆还田可以改善白浆土不良物理性状，降低白浆层的容重、硬度，增加土壤总孔隙度和有效孔隙的比例，提高水稻产量。秸秆还田年限越长改善土壤不良物理性质效果越明显。单独进行秸秆还田改善土壤效果不明显，秸秆还田配施肥料处理效果明显；在不同处理上，秸秆还田配施化肥处理既有改土效果，又可提高水稻产量，而单施化肥和单独秸秆还田均达不到此类效果。

秸秆还田；白浆土；土壤特性；有效孔隙；容重；产量

0 引言

【研究意义】农作物秸秆是一种含碳丰富的能源物质，对保持和提高土壤肥力以及农业的可持续发展均有重要作用[1]。据调查，发达国家秸秆还田量在70%以上，发展中国家秸秆还田量较低，中国秸秆还田量平均在21.3%，东北地区秸秆还田量低于全国平均水平，为17.6%[2]，水田秸秆还田量不足5%。秸秆还田量低的原因：一方面是农村劳动力减少，农民为了抢农时，节约人力，经常的做法是将大量的农作物秸秆焚烧，导致资源浪费、环境污染，对土壤的生态系统造成不利的影响；另一方面是农民对秸秆还田的优势认识不足，秸秆还田短期见效慢，甚至操作不当影响下茬作物播种、插秧质量，这些均是导致本地区秸秆还田量低的主要因素[3]。【前人研究进展】国内外学者对秸秆还田与土壤酶活性[4]、土壤生物[5]、养分积累[6,7]、气体释放[8]等方面进行了相关研究，基本明确了秸秆还田对作物生长发育和产量形成的影响以及对改良土壤的重要作用[9-11]。【本研究切入点】目前，关于秸秆方面的研究多集中在旱田作物，在水田土壤方面相关研究较少，尤其针对秸秆还田与土壤物理性质方面研究甚少，白浆土是黑龙江省主要种稻土壤，关于白浆土秸秆还田对土壤理化性质变化规律及效果缺乏相关研究。【拟解决的关键问题】本文采用长期定位试验，研究在白浆土上水稻秸秆长期还田对土壤物理性质及作物产量影响，明确水田秸秆长期还田对水田土壤质量的改善作用，以期为水田秸秆还田的推广提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点设在中国东北地区三江平原东北部饶河县859农场水稻田试验示范区（东经133°50′—134°33′，北纬47°18′—47°50′），全年平均气温为-3℃，降雨量为600 mm。本试验是长期定点试验，试验于2005年进行，供试土壤类型为白浆型水稻土（图1），剖面分为耕作层、白浆层、淀积层。白浆土典型特点是有白浆层，这是作物生长的障碍土层，此层养分含量低，容重高、硬度大，通气、透水性差，土壤有效孔隙低，土壤具体性质见表1。

1.2 试验设计

试验设4个处理：（1）CK（秸秆还田量为0）；（2）S（单施秸秆3 000 kg·hm-2）；（3）SNPK（秸秆3 000 kg·hm-2+150 kg N·hm-2+75 kg P2O5·hm-2+ 120 kg K2O·hm-2）；（4）NPK（150 kg N·hm-2+ 75 kg P2O5·hm-2+ 120 kg K2O·hm-2），其中秸秆均为干重。每个处理重复3次，随机排列，小区面积为200 m2（20 m×10 m)，小区间用30 cm水泥埂隔开，单灌单排。试验所用氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为磷酸二铵（N含量18%，P2O5含量46%），钾肥为硫酸钾（K2O含量50%）。50%氮肥，全部磷肥和60%的钾肥用于基肥施用；另外50%氮肥作为追肥分两次施用，第1次在水稻分蘖期追施氮肥，第2次在水稻孕穗期追肥；钾肥一次追施，在水稻孕穗期与氮肥一起施用。每年水稻收获时秸秆直接粉碎抛撒于地表，然后用五铧犁翻耕到20 cm左右土层中，第二年水田进水前再旋耕1—2遍。

图1 白浆土剖面

表1 土壤基本性质

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集及测定方法 分别于2005年、2010年、2015年秋季收获后按照土壤不同层次，用环刀取0—20 cm（耕作层，Ap）、20—30 cm（犁底层，App），30—40 cm（白浆层，Aw）原状土。土壤容重用环刀田间分层取样烘干法测定（5.1cm）；土壤硬度采用DIK-5521硬度计田间直接测定；土壤三相组成采用DIK-1150三相测定仪测定田间取回自然状态下的土壤。土壤孔隙分布测定方法：采用砂柱和压力膜仪测定不同压力下土壤水分含量，得出土壤水分特征曲线，根据土壤水分特征曲线求得土壤孔隙当量直径（d=3/H），得出不同直径孔隙的水分含量，即土壤不同孔隙的分布。其中，d为孔隙当量直径（mm），H为水柱高度（cm）[12]。

1.3.2 产量测定 于每年秋季水稻成熟期，在各小区选取有代表性的水稻植株10穴作为考种材料，考察穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素，每个小区单打测产。

1.4 数据处理

运用SPSS系统软件处理和分析数据，进行差异显著性比较。

2 结果

2.1 秸秆还田对水稻产量的影响

从表2不同处理水稻产量来看，在第1个5年试验期间，秸秆还田配施化肥（SNPK）处理水稻5年平均产量高于单施化肥（NPK）、单施秸秆（S）处理及不施肥（CK）处理，且各处理间差异达到极显著水平（＜0.01）；从第1个5年水稻平均产量看，产量顺序为SNPK＞NPK＞S＞CK，SNPK处理水稻产量比NPK和S处理高598.9 kg·hm-2和4261.1 kg·hm-2，其中S处理5年平均产量比CK高999.9 kg·hm-2，差异达到极显著水平。第2个5年试验期间，不同处理水稻产量为SNPK＞NPK＞S＞CK，与第1个5年试验结果的趋势一致，但SNPK及S处理水稻产量与第1个5年相比有增加趋势，而NPK处理和CK水稻产量低于第1个5年，说明长期秸秆还田对水稻有增产作用。从10年产量平均来看，SNPK处理水稻产量与NPK处理相比，增产14.17%，与S处理相比，增产133.23%，与CK相比，增产275.70%；与CK相比，NPK处理增产效果要高于S处理，10年平均增产229.0%，而S处理增产61.09%。

2.2 秸秆还田对土壤容重、硬度的影响

从表3、图2看出，与试验前土壤物理性质相比，CK由于连年耕作导致土壤容重、硬度增加。土壤容重在2010年调查中，处理间差异虽未达到显著水平，但均呈一定趋势变化。

耕作5年、10年后，对照处理的土壤容重与处理前（表1）相比增加幅度分别为1.29%—4.14%和0.65%—6.21%，其中20—30 cm土层土壤容重增加幅度最大，30—40 cm土层容重增加幅度相对较小，表明连年耕作对土壤物理性质有影响；与处理前相比，S处理在5年后土壤容重没有增加，10年后有下降趋势，与处理5年后相比下降幅度为0.85%—1.38%；与CK相比，S处理5年后土壤容重下降1.27%—3.97%，10年后下降0.64%—7.14%，以20—30 cm土层下降幅度最大。与处理前相比，SNPK处理土壤容重在5年后和10年后均呈下降趋势，随还田年限增加，容重下降幅度增加，以20—30 cm土层下降幅度大，10年后为10.00%；5年后SNPK处理与CK相比降低幅度为1.91%—7.95%，10年后降低幅度为1.28%—14.93%。与处理前相比，NPK处理土壤容重增加，以0—20、20—30 cm土层最为明显，5年后土壤容重增加0.85%和2.07%，10年后土壤容重增加幅度为2.27%和3.69%，处理10年后与5年后相比仍呈增加趋势；在处理5年和10年后，NPK处理土壤容重与对照相比下降，但下降幅度小。

表2 不同处理水稻产量

大写字母A、B、C、D表示在0.01水平差异显著，小写字母a、b、c、d表示在0.05水平差异显著。下同

Uppercase letters represent significant difference at 0.01 level, lowercase letters represent significant difference at 0.05 level. The same as below

表3 不同处理土壤容重

图2 不同处理土壤硬度

土壤硬度在2010年和2015年（5a和10a），各对应处理差异不显著，但呈一定变化趋势。与还田前土壤硬度相比，SNPK处理在还田5年和10年后土壤硬度均呈下降趋势（图2），还田5年后，与处理前相比SNPK处理降低10、20、30 cm土层土壤硬度分别为7.46%、3.41%和2.94%（图3）；还田10年后降低土壤硬度分别为26.87%、5.68%和4.62%；S处理仅在还田10年后有降低20—30 cm土层硬度的效果，NPK处理则使土壤硬度增加。从表4看出，S和NPK处理在土壤硬度上差异不显著，对照处理土壤硬度最高，SNPK处理土壤硬度在5年和10年后均表现最低，其中10年后在20—30 cm土层与CK差异达到显著水平。

2.3 秸秆还田对土壤三相的影响

从图4土壤三相组成来看，SNPK处理与对照相比，土壤固相比例降低幅度大于S和NPK与对照相比降低的幅度，SNPK、S和NPK处理土壤液相和气相比例与对照相比增加；还田5年后，SNPK处理土壤在0—20、20—30、30—40 cm土层土壤固相比例较CK分别下降8.82%、8.36%和3.65%，还田10年后，土壤固相比例较CK分别下降10.87%、10.61%和4.67%，与CK相比，还田10年后要比5年后下降幅度大；S处理土壤固相比例与CK相比，5年后在0—20、20—30、30—40 cm土层分别下降1.15%、2.96%、3.07%，10年后分别下降2.91%、5.52%、5.80%，下降幅度超过还田5年与对照相比下降的幅度；NPK处理土壤固相比例与CK相比，5年后在0—20、20—30、30—40 cm土层分别下降6.25%、4.97%、2.04%，10年后分别下降6.44%、1.53%、3.59%。3个处理与对照相比均可使土壤固相比例下降，但只有SNPK处理对降低土壤固相比例效果最好，其不同土层间下降幅度存在差异，土壤固相比例随着土层深度的增加下降幅度逐渐减小，0—20 cm，20—30 cm土层随年限增加，下降幅度增大。

表4 土壤硬度方差分析

图3 土壤硬度变化幅度

2.4 秸秆还田对土壤孔隙组成的影响

土壤孔隙分级组成是根据土壤水分特征曲线转换计算得出。孔隙分级参照姚贤良[14]的方法，孔隙的当量直径＞0.05 mm的孔隙称为重力水孔隙，通常情况下不能长时间储存水分，可以视为是土壤内排水的通道。直径0.0002—0.05 mm的孔隙，为总有效储水孔隙，孔隙中水分可被植物吸收利用，＜0.0002 mm的孔隙称为无效孔隙，孔隙中的水分一般情况下不能被作物所利用。

从表5不同处理土壤孔隙组成来看，NPK处理土壤孔隙分布量随着孔隙直径的减小而增加，＜0.0002 mm直径的无效孔隙占有比例比其他3个处理高。从表6看出，长期秸秆还田可以增加土壤有效孔隙的数量及有效孔隙比例，降低无效孔隙，而且随还田时间延长，在0—20、20—30 cm土层处理间和年限间差异达到极显著水平。还田5年后，SNPK处理土壤0—20、20—30、30—40 cm有效孔隙分别为9.64%、8.44%和5.67%，分别比对照高出13.9%、50.44%和20.63%；与NPK处理相比，在20—30 cm和30—40 cm土层土壤有效孔隙增加16.89%和32.47%；与S处理相比，在0—20、20—30、30—40 cm土层分别增加13.01%、48.07%和22.99%。随秸秆还田年限的延长，SNPK处理各土层土壤有效孔隙度均呈现增加的趋势，还田10年后，0—20、20—30、30—40 cm土层有效孔隙分别为10.58%、9.11%和5.80%，比CK增加28.86%、63.85%和23.40%；在20—30 cm和30—40 cm土层比NPK处理增加12.55%和62.96%；与S处理相比，在0—20、20—30、30—40 cm土层分别增加19.68%、56.52%和24.46%。NPK处理10年后土壤有效孔隙与5年前相比下降，在0—20、20—30、30—40 cm土层分别降低6.75%、22.58%、0.70%，有效孔隙比例整体低于SNPK处理，但高于S处理。秸秆还田可以增加土壤有效孔隙，提高土壤水分利用率，其中秸秆还田配施化肥处理对土壤总孔隙度、有效孔隙影响最大，单施秸秆效果不明显，在对各土层影响效果看出，秸秆还田对耕层和犁底层影响效果显著。

图4 不同处理土壤三相组成

表5 不同处理土壤孔隙组成

表6 土壤孔隙方差分析

*表示在0.05水平上显著，**表示在0.01水平上显著 * means significant at 0.05 level, ** means significant at 0.01 level

3 讨论

秸秆还田一直是农业上备受关注的问题，相关研究表明，秸秆还田有改善土壤结构，提高土壤养分，增加作物产量的作用[15-16]。但秸秆还田也存在不利因素，影响土壤整地、播种质量，秸秆分解过程存在与作物争肥现象，导致当季作物产量下降[17]。因此，秸秆还田是一项需要长期试验与调查研究的内容。目前在旱田中秸秆还田研究较多，在水田中秸秆还田的研究比较少，尤其国家禁止秸秆焚烧的政策出台后，更使秸秆问题成为焦点，在水田土壤中，秸秆还田对土壤、水稻的影响更需要长期、定位研究。前人研究证实，秸秆还田可以增加土壤有机质、全氮含量，提高土壤地力水平和供肥能力[18-19]，多数研究只是短期结果，且在土壤物理性状方面研究较少。本研究从土壤物理性质开展研究，明确长期秸秆还田可以降低土壤容重、硬度，降低土壤固相、提高土壤有效孔隙的比率，促进土壤通气、透水性，提高水稻对土壤水分的吸收。秸秆还田对耕层和犁底层土壤改善效果明显，传统观点认为，犁底层越硬、越厚，越有利于水田土壤保水、防渗漏，但是这是针对漏水、漏肥的砂性土壤。白浆土是一种特殊土壤，由于成土原因，它的白浆层坚硬、质密、养分含量低，是作物生长的障碍土层，阻止水稻根系下扎，导致水稻根系生存环境变小，限制根系生长及其对土壤中养分的吸收，影响作物生长发育[20]。在深翻作业下秸秆还田后，可以使秸秆混合在0—30 cm土层中，秸秆腐解过程中可以改善土壤的不良性质，长期还田不仅降低土层硬度和容重，还可改善白浆层土壤结构，增加土壤大孔隙数量及有效孔隙数量和比例，增加土壤的通气性，这在旱田研究中得到证实[21]。同时，连年产量调查说明，长期秸秆还田并与速效肥料混合施用，可提高作物产量，且还田时间越长，效果越好[22-23]。单独秸秆还田与常规施用化肥的处理相比会使作物产量降低[24]，因为秸秆在分解过程中微生物活动需要养分的供应，土壤中的养分因要同时供应作物生育和微生物活动的需求，会导致作物从土壤中吸收的养分减少，导致水稻产量低[25]；长期施用化肥，虽然可以保证水稻稳产，但对土壤没有改善作用，而且会使土壤板结、土壤性质恶化[26-27]。本文通过长期施用秸秆，明确了秸秆与化肥配施对改善土壤不良物理性质有重要作用。因此，要使土壤长期可持续利用，应合理实施秸秆还田，注重秸秆还田的长期效果。

4 结论

4.1 白浆土长期秸秆还田有利于提高水稻产量，10年产量平均，水稻产量顺序为秸秆还田配施化肥处理＞化肥处理＞秸秆单施＞对照，秸秆还田配施化肥比其他3个处理分别增产14.17%、133.23%和275.70%。

4.2 白浆土长期秸秆还田可以降低土壤容重、硬度，还田10年后，秸秆还田配施化肥处理土壤容重低于化肥单施、秸秆单施及对照处理，0—30 cm土层土壤容重与对照相比降低6.34%—10.00%；土壤硬度与容重趋势一致，还田10年后，秸秆还田配施化肥处理在20—30 cm土层与对照相比差异达到显著水平，土壤硬度与还田5年后相比有下降趋势。

4.3 长期秸秆还田可以降低土壤固相比例，还田5年后，秸秆还田配施化肥处理比对照下降3.65%—8.82%，还田10年后下降4.67%—10.87%。

4.4 长期秸秆还田可以增加土壤总孔隙和有效孔隙的数量，还田10年后，0—40 cm土层秸秆还田配施化肥处理土壤有效孔隙比对照增加23.40%—63.85%，与单施秸秆相比增加19.68%—56.52%，与化肥单施处理相比，在20—40 cm土层有效孔隙增加12.55%—62.96%；在0—30 cm土层，土壤总孔隙度和有效孔隙度各处理间差异极显著，年限间差异极显著，与还田5年后相比，土壤有效孔隙度均呈现增加的趋势。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Effects of Albic Soil Physical Properties and Rice Yields After Long-Term Straw Incorporation

Wang Qiuju1, Chang Benchao1, Zhang JinSong1, Han DongLai2, Sui YuGang2, Chen HaiLong2, Yang Xingyu2, Wang Xuedong2, Jiao Feng3, Ken Araya4, Liu Feng5

(1Institute of Soil Fertilizer and Environment Resources, Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China;2The 859 Farm of Jiansanjiang management bureau, Jiamusi 156326, China;3Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China;4NICH Laboratory, Sapporo 079-01, Japan;5Management Department of Scientific Research of Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086, China)

【Objective】This study investigated the effects of long-term rice (L.) straw incorporation on the physical properties of albic soil and crop yield. 【Method】The experiment included four treatments: (1) CK (no straw incorporation); (2) S (single application of straw); (3) SNPK (straw and N, P, K fertilizer); and (4) NPK (N, P, K fertilizer). In 2005, 2010, and 2015, after the fall harvest, undisturbed soil from different layers was obtained, and soil bulk density, hardness, porosity, three-phase composition and rice yield were analyzed.【Result】Rice average yield of ten years after SNPK treatment was 275.70% and 133.23% higher than that after CK and S treatment, and was 14.17% higher than that after NPK treatment, rice average yield of SNPK were higher in the 5-10 years than that of the same treatment in the 1-5 years. Long-term straw incorporation improved soil physical properties. After 10 years of SNPK treatment, soil bulk density of the 0-20 cm and 20-30 cm soil layers was reduced by 6.34% and 10.00% than CK, respectively, the trend was degressive than after 5 years; soil hardness of the 10, 20, and 30 cm soil layers was reduced by 26.87%, 5.68%, and 4.62% after SNPK treatment than before treatment, respectively, the difference was significant between SNPK and CK in 20-30 cm layer, the trend of 10 year was degressive than that of 5 year, but not obvious, other treatment were not obvious degressive trend than CK; and the solid phase ratio of the 0-20, 20-30, and 30-40 cm soil layers was reduced by 10.87%, 10.61%, and 4.67% than CK, respectively. These values were lower than those noted after 5 years of straw incorporation. Furthermore, long-term straw incorporation increased the number of effective pores in the soil, and the difference was greatly significant between treatments and between years. After 10 years of treatment, the proportions of effective pores of the 0-20, 20-30, and 30-40 cm soil layers treated with SNPK were 28.86%, 63.85%, and 23.40% higher, respectively, than those treated with CK. The proportions of effective pores in the 0-20 and 20-30 cm soil layers in the SNPK treatment were 12.55% and 62.96% higher than those in the NPK treatment, the proportions of effective pores in the 0-20, 20-30, 30-40 cm soil layers in the SNPK treatment were 19.68%, 56.52% and 24.46% higher than those in the S treatment, the trend was increased than that after 5 years. Each soil layer showed increasing numbers of effective pores over time with SNPK treatment. Straw incorporation improved the quality of albic soil, however, its effects become apparent over the long term.【Conclusion】Long-term straw incorporation could improve soil physical properties, increased soil effective pore, decreased soil bulk density, and increased rice yield. Good results were obtained from straw incorporation and chemical fertilizer application. The effect of straw incorporation with fertilizer application on soil and rice was obvious than the treatment of single straw incorporation and single fertilizer application.

straw incorporation, albic soil, soil properties, effective pore size, soil bulk density, rice yield

2016-11-25；接受日期：2017-02-28

国家重点研发计划（2016YFD0300902-05）、农业部公益性行业专项（201503118-04）、黑龙江省博士后基金（LBH-Z13189）、黑龙江省自然科学基金（D2015005）、黑龙江省农业科学院创新工程（2014JQ03）

王秋菊，E-mail：bqjwang@126.com。通信作者刘峰，E-mail：liufengjms@163.com