连续免耕与秸秆还田对土壤养分含量的影响

李 华， 刘世平， 陈 畅， 王 静

(扬州大学农学院，江苏扬州 225009)

保护性耕作作为世界上应用范围最广、效果最好的一项农业技术，越来越受到世界各国的关注[1-2]。我国保护性耕作的研究开始于20世纪60年代，关于免耕与秸秆还田技术的研究取得了巨大发展，研究表明保护性耕作在我国可行[3]。农作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾和微量元素，是一种重要的可再生资源，免耕与秸秆还田具有改变土壤容重，增加土壤通气、田间持水量和水稳性团粒结构的功能，从而改善土壤物理性状，提高土壤保肥、保水能力。稻秆在覆盖还田后通过雨水和土壤微生物的共同作用进入土壤，能够促进土壤有机质的形成，增加土壤中氮、磷，尤其是可溶性钾的含量。作物秸秆本身含有各种营养元素，是土壤养分的主要补给源。保护性耕作能够减轻小麦冻害，降低死苗率，保证小麦安全越冬，促进小麦的根系发育，秸秆还田可以增加酶的数量，提高酶的活性，可以使土壤中脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶等酶的活性均高于不还田处理，还田后土壤中转化酶活性明显提高，是促进土壤中氮素养分增加的有效途径之一[4-6]。少免耕配合秸秆还田有利于籽粒的充实，从而能提高作物产量[7-8]。保护性耕作适宜大面积推广，它不仅能够实现增产增效，也是解决生态环境问题，促进旱区农业可持续发展的措施之一。江苏省位于我国东部沿海，虽然水资源丰富，风蚀现象发生概率小，但由于传统翻耕模式、化学肥料和粗放型植保机械施药技术的长期使用，部分地区土壤板结严重，渗透性差，水、肥不能有效利用，土壤肥力下降。保护性耕作技术的推广能够明显减少风对土壤的侵蚀，提高土壤蓄水保墒能力，可以培肥土壤，改善土壤结构，达到节本增效、增产增收，解决了长期传统性耕作带来的土壤贫瘠、水土流失严重等问题，同时避免秸秆焚烧，改善了生态环境，实现农业的可持续发展[9]。目前，国内外大量研究结果证明，秸秆还田对农业生态系统是有利的[10-13]，但对不同耕法与秸秆还田所引起的生态效应，尚缺乏系统定位研究。因此，本研究选择稻麦两熟地区进行连续定位试验，意在探讨免耕与秸秆还田相配套的耕作技术体系对农田生态系统结构、功能、生产力的影响，丰富耕作和生态学的理论，为稻麦免耕高产栽培和秸秆科学还田提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验在扬州大学遗传生理重点实验室试验田和网室内进行，设置大田小区试验和网室微区试验，于2014年和2015年以扬麦3号和南粳9108为试验材料进行定位试验，对2014年和2015年不同处理土壤的理化性质进行测定分析。

1.2 试验材料

供试土壤为沙壤土，大田土壤的有机质含量为 14.66 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量依次为87.9、30.8、75.5 mg/kg。网室土壤的有机质含量为15.7 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量依次为93.2、49.3、87.6 mg/kg。

1.3 试验设计

大田试验设置8个处理，每处理25 m2，随机排列，重复3次。8个处理为免耕秸秆覆盖还田(NTS)：连免覆，稻季覆盖麦秸，麦茬高25～30 cm，麦季覆盖稻秸，稻茬高20～25 cm，秸秆还田量为每季4 500 kg/hm2；耕高茬还田(NTH)：免高茬，留茬高度同NTS，秸秆还田量为每季3 000 kg/hm2；麦免稻耕(RNT)：轮耕1，秸秆还田量为麦季3 000 kg/hm2；麦耕稻免(RCT)：轮耕2，秸秆还田量为稻季3 000 kg/hm2；翻耕秸秆全量还田(CTS1)：耕全还，秸秆稻季翻埋麦季覆盖，秸秆还田量为每季4 500 kg/hm2；翻耕秸秆半量还田(CTS2)：耕半还，秸秆还田量为每季3 000 kg/hm2；稻麦秸秆焚烧(CTB)：耕烧还，秸秆焚烧量为每季3 000 kg/hm2；翻耕无秸秆还田(CT)：耕无。

网室设置4个处理，分别为连续免耕秸秆覆盖还田(网免覆，NTS)、免耕高茬还田(网免高，NTH)、翻耕秸秆还田(网耕还，CTS)和翻耕无秸秆还田(网耕无，CT)。每处理2 m2，随机排列，重复3次。

1.4 测定项目与方法

在水稻(10月中下旬)、小麦(6月上旬)收获后，分3层取土壤样品备用，分别为0～7 cm、7～14 cm、14～21 cm。用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质的含量；用硫酸-混合催化剂联合消煮开氏蒸馏法测定土壤全氮的含量；用碱解扩散法测定土壤碱解氮的含量；用NaHCO3法测定土壤速效磷的含量；用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定土壤速效钾的含量。

2 结果与分析

2.1 连续免耕与秸秆还田对土壤养分含量的影响

2.1.1 对土壤有机质的影响 对不同处理水稻收获后和小麦收获后土壤有机质含量进行测定，结果(表1)表明，大田试验中，7个处理表层土壤有机质含量以及平均有机质含量均大于CT处理，与CT处理相比，稻麦两季收后平均增加13.69%～31.97%。从上下层变化趋势来看，免耕处理分层差距比翻耕处理明显，在相同耕作方式中，NTS处理、NTH处理表层有机质含量较高，平均有机质含量NTS处理略高，差异不明显，对下层有机质含量影响不大；CTS1、CTS2处理的各层有机质含量均高于CT，CTS2处理平均有机质含量高于CTS1，但差异不明显。网室处理中，NTS、NTH、CTS处理的有机质含量均高于CT处理，其中NTS处理上层有机质含量最高，与CT处理有显著差异。

表1 免耕与秸秆还田对土壤有机质含量的影响

注：同栏同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下表同。

2.1.2 对土壤全氮的影响 在水稻收获后和小麦收获后对不同处理土壤全氮含量进行测定，结果(表2)表明，大田试验土壤全氮的变化趋势与有机质趋势基本相似，7个处理表层土壤的全氮含量均高于CT处理，耕层平均全氮含量也比CT处理高。与CT处理相比，稻麦两季收后土壤全氮含量平均增加2.08%～17.71%。可以说明，无论大田还是网室，连续免耕处理土壤表层全氮含量均较高，而下层全氮含量较低，轮免、轮耕和翻耕处理全氮分布较均匀。各个处理全氮含量均高于CT处理，且在稻后和麦后均没有明显差异。

2.2 对土壤供肥特性的影响

2.2.1 对土壤碱解氮的影响 在水稻收获后和小麦收获后对不同处理土壤碱解氮含量进行测定，结果(表3)表明，在大田试验中，7个处理的土壤碱解氮含量都高于CT处理，且各处理土壤碱解氮表层含量处于较高水平，与CT相比，稻麦两季收后平均增加9.46%～19.71%。连续免耕处理(NTS、NTH处理)上层碱解氮含量高于其他处理，并且不同层次差异明显。由于免耕处理表层土壤保持原状，NTS处理、NTH处理水稻收获后上层(0～7cm) 碱解氮含量约是CT 处理的1.6倍。小麦收获后NTS处理上层(0～7 cm)比CT处理提高30.69%。而中层(7～14 cm)、下层(14～21 cm)土壤碱解氮含量与CT处理处理相近或者偏低。翻耕秸秆还田处理的土壤各层碱解氮含量都明显高于CT处理。网室试验中，免耕处理土壤碱解氮含量高于CT处理，免耕处理上层(0～7 cm)土壤碱解氮含量在水稻收后和小麦收后均高于翻耕处理，稻收后各处理的碱解氮含量也均低于小麦收后，与大田一致。

表2 免耕与秸秆还田对土壤全氮含量的影响

表3 免耕与秸秆还田对土壤碱解氮含量的影响

2.2.2 对土壤速效磷的影响 在水稻收后和小麦收后对土壤速效磷含量进行测定，结果(表4)表明，在大田试验中，连续免耕处理的土壤表层速效磷含量与其他处理接近甚至更低，没有出现明显的富集现象，各土层之间也无明显差异，与CT处理相比，稻麦两季收后平均增加-4.86%～9.38%。水稻收后7个处理速效磷含量均高于CT处理，但之间的差异不明显，小麦收后NTS、NTH、RCT和CTS2处理速效磷含量甚至低于CT处理，其他处理也只是略高于CT处理。网室试验中无论是水稻收后还是小麦收后，各个处理之间速效磷含量无明显差异。

表4 免耕与秸秆还田对土壤速效磷含量的影响

2.2.3 对土壤速效钾的影响 在水稻收获后和小麦收获后对土壤速效钾含量进行测定。由表5可以看出，在大田试验中，7个处理(除CTB外)的土壤表层速效钾含量处于较高水平，有明显的富集现象，各层次之间差异明显，与CT处理相比，稻麦两季收后平均增加4.42%～10.31%。其中NTS处理的土壤表层速效钾富集表现最为明显，CTS1处理的土壤全层速效钾含量高于CTS2处理，说明免耕与秸秆还田均有利提高土壤速效钾含量，免耕有利于提高表层速效钾含量，而翻耕处理有利于提高土壤全层速效钾含量，而且秸秆还田量越多，速效钾含量越高。网室与大田基本一致，与CT处理相比，秸秆还田对土壤速效钾含量的影响更为明显。

表5 免耕与秸秆还田对土壤速效钾含量的影响

2.2.4 连续免耕与秸秆还田对耕层土壤有机质含量的影响 将2006—2015年连续10年麦后的耕层土壤有机质含量进行分析，结果(表6)表明，在大田7个处理中，免耕与秸秆还田处理10年有机质平均含量均高于CT处理，平均增加6.45%～22.01%，以CTS1和CTS2处理为高。免耕处理中，NTS和NTH处理10年连续免耕有机质含量均较高，且两者含量差别不大。连续秸秆还田处理(CTS1、CTS2)有机质含量处于最高水平，CTS1为全量秸秆还田处理，CTS2为半量秸秆还田处理，其中CTS1处理的有机质含量最高。CTB和CT处理为连续翻耕无秸秆直接还田处理，CTB处理有机质含量略高于CT处理。综合来看，翻耕秸秆还田处理对土壤耕层有机质含量增加效果最好，免耕次之。网室连续10年不同处理中，翻耕秸秆还田处理CTS有机质平均含量最高，免耕处理NTS和NTH次之，比CT处理平均增加0.40%～8.35%，表明翻耕秸秆还田与免耕处理对土壤耕层有机质含量均有提高作用，又以翻耕秸秆还田提高有机质含量效果最好。

表6 不同处理对土壤耕层有机质含量的影响(麦后)

2.2.5 连续免耕与秸秆还田对耕层土壤全氮含量的影响 对2006—2015年连续10年不同处理麦后耕层土壤全氮含量进行比较，结果如表7所示，大田处理中，免耕处理与秸秆还田处理的耕层全氮平均含量均高于CT处理，平均增加5.49%～21.98%。NTS和NTH处理全氮含量在10年中无显著差异。RNT和RCT为轮耕处理，RNT处理的10年平均全氮含量略高于RCT处理，RCT处理只有2011年、2014年和2015年高于RNT处理，这可能与气候、小麦生长等其他因素有关。连续翻耕秸秆还田处理CTS1和CTS2耕层全氮含量随着时间推进有增加的趋势，且两者均高于其他处理，说明连续翻耕秸秆还田处理对土壤耕层全氮含量有明显的提高作用，而CTS2处理耕层平均全氮含量略高于CTS1，说明秸秆还田量的多少对土壤耕层全氮含量也有一定的影响，并不是越多越好。相对大田处理，网室处理中，10年间NTS、NTH、CTS处理基本上均高于CT处理，平均增加7.07%～11.11%，翻耕秸秆还田处理CTS最高，免耕NTS、NTH处理次之。所以，免耕与秸秆还田可以增加土壤耕层全氮含量，尤其以翻耕秸秆还田效果最好。

表7 不同处理对土壤耕层全氮含量的影响(麦后)

3 结论与讨论

3.1 不同耕作与秸秆还田对土壤养分含量的影响

连续免耕与直接还田对土壤的营养元素有一定的改善作用。2014—2015年连续免耕处理NTS和NTH、轮耕处理RNT和RCT、秸秆翻耕直接还田处理CTS1和CTS2的土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量与CT处理相比均有所增加。稻麦两季收获后的有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量分别增加13.69%～31.97%、2.08%～17.71%、9.46%～19.71%、4.42%～10.31%，对速效磷的增加效果不明显，焚烧秸秆还田处理CTB比CT也略有增加，但增加幅度没有翻耕秸秆直接还田处理大。RNT、RCT处理与CT处理相比，稻后、麦后的土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量均有一定程度的增加，表明一季秸秆直接还田对土壤有一定的培肥作用，但是两季秸秆直接还田的效果更为明显，而在一定范围内，土壤有机质和速效钾的含量与秸秆还田量的多少呈正比关系，翻耕秸秆还田处理的土壤全氮和碱解氮含量高于免耕处理。说明免耕、轮耕与秸秆还田有利于改善土壤的营养元素，免耕与秸秆还田有利于提高土壤有机质和速效钾含量，而翻耕秸秆还田能够增加土壤有效氮，可以适当减少肥料的施用量。在大田免耕与秸秆还田处理10年有机质和全氮平均含量均高于CT处理，平均增加分别为6.45%～22.01%和5.49%～21.98%，其中CTS1和CTS2处理有机质和全氮平均含量较高。

3.2 关于不同耕作方法对土壤肥力的影响

土壤肥力是协调植物营养生长和环境条件的重要因素之一，不同的耕作方式对土壤肥力的影响不同。通过合理的耕作方式可以改善土壤过松、龟裂、板结等问题。常规的土壤耕作虽然短时间内可以提高作物产量，但随着时间的积累，常规土壤耕作成本增加，土壤结构破坏，水土流失加剧，土壤肥力下降，最终会导致过于依赖化肥而造成土壤板结。免耕可以减少土壤耕作次数，保持土壤原有结构。作物秸秆含有大量的有机质、氮、磷、钾等营养元素，秸秆还田可有效补给土壤肥力，参与土壤生态系统的物质循环，增加土壤中养分储量，秸秆还田是循环利用这部分营养元素简便有效的方法。适量秸秆还田可以改善土壤供肥特性，适当减少化肥的使用。