秋翻结合秸秆还田对土壤性状、玉米生长及养分吸收的影响

张德伟 蒋雨洲 刘春梅 王宁 宋玉发 王晓梅 刘畅 王鹏

摘要：采用田间试验研究秋翻结合秸秆还田对土壤物理性状、玉米生长、养分吸收和产量的影响，试验设置空肥区（CK）、常规栽培（T1）、秋翻+秸秆还田（T2）3个处理。结果表明：在0～30 cm土层，随着深度增加以及生育期的推进，T2处理较T1处理降低土壤容重和提高土壤含水量的效果更显著;T2处理的玉米茎粗较T1处理显著提高了802%，对株高的影响差异不明显;收获期T2处理的干物质积累量较T1提高了4 586.77 kg/hm2，氮素、磷素、钾素积累量较T1处理分别提高了21.12%、35.24%、27.96%;T2处理能够提高玉米对氮肥、磷肥、钾肥的利用率，以及对氮素、磷素的生产效率，但T1、T2处理对钾素生产效率的影响处于同一水平;T2处理的玉米产量较T1处理增加1178%，差异达显著水平。综上所述，秋翻与秸秆还田结合可改善土壤物理性状，提高玉米的干物质积累量、养分积累量、养分利用效率、养分生产效率以及玉米产量。

关键词：秋翻;秸秆还田;玉米;土壤性状;养分;产量

中图分类号： S513.04  文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）20-0113-07

收稿日期：2021-03-17

基金项目：国家重点研发计划重点专项（编号：2018YFD0300101-2）;黑龙江八一农垦大学研究生创新基金（编号：YJSCX2019-Y101）。

作者简介：张德伟（1994—），男，内蒙古通辽人，硕士研究生，主要从事作物养分与施肥技术研究。E-mail：654358133@qq.com。

通信作者：王 鹏，博士教授，博士生导师，研究方向为作物养分与施肥技术。E-mail：wangp.ycs@163.com。

玉米是我国主要的粮食作物，其种植面积约占粮食种植总面积的35.56%，产量约占粮食总产量的39.28%[1]。随之产生了大量的玉米秸秆。据统计，我国每年秸秆产量可达9亿t[2]，且焚烧秸秆现象十分严重，破坏生态环境的同时，又造成了秸秆资源的浪费[3-4]。因此，秸秆还田这一措施被广泛研究且认可[5]。Murphy等研究表明，秸秆还田可减少肥料中氮的流失，有利于减肥增效[6]。秸秆是作物的副产物，含有大量养分，秸秆还田不仅能提高土壤酶活性、养分含量，而且可改善土壤结构，进而提高作物对养分的吸收能力[7-10]。

深松可将土壤犁底层打破，使土壤疏松，从而改善土壤结构，且可以改变土壤容重[11]，增加土壤孔隙度，提高土壤温度[12]，蓄水保墒，提高土壤抗旱防涝能力[13]，促进土壤养分利用和分配[14]。黄健等认为，深松可将0～50 cm土层容重平均降低014 g/cm3[15]。齐华等试验结果表明，深松可降低10～30 cm土层容重，从而影响土壤通透性，使含水量降低，但40～100 cm土层含水量升高，因此提高了土壤蓄水能力[16]。土壤紧实程度对玉米根系分布、吸收能力和产量有明显的影响[17]。

深松结合秸秆还田可降低土壤容重，提高土壤含水量[18-19]，刘淑梅等试验结果表明，深松耕作模式与秸秆还田相结合，对作物茎粗有显著提高，同时对玉米产量，干物质积累量，以及氮磷钾吸收量都有显著提升[20-23]。

在前人相关研究中，关于在黑土条件下秋翻结合秸秆还田对土壤性状、玉米生长及养分吸收影响的相关研究较少。本试验以此为契机，研究秋翻耕作模式与秸秆还田技术相结合对土壤容重、含水量，玉米株高、茎粗、干物质积累量、养分吸收量以及肥料利用效率的影响，从而分析玉米在生长发育阶段的需肥规律，以期为玉米高产种植模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在黑龙江省齐齐哈尔市依安县红星乡红旗村进行（47°92′N、125°27′E），供试土壤类型为黑土，前茬作物为玉米，已有1年还田经历。土壤养分状况：有机质含量为40.3 g/kg，碱解氮含量为140.8 mg/kg，有效磷含量为 15.6 mg/kg，速效钾含量为195.0 mg/kg，pH值为7.52。2019年气候条件见表1。

1.2 供试材料

供试玉米品种为金庆253，供试肥料为玉米专用肥料（N ∶P2O5 ∶K2O=16 ∶16 ∶16，湖北新洋丰肥业股份有限公司生产），普通尿素（46%）。

1.3 试验设计

试验于2018年10月收获时进行秋翻，且根据当地施肥规律，试验于2019年5月8日在将玉米专用肥作为种肥一次性施入的基础上，在拔节期将普通尿素作追肥施入。试验设3个处理：空肥区（CK，不施任何肥料）;当地常规栽培模式（T1，旋耕起垄，旋耕深度为15 cm）;秋翻+秸秆还田（T2，秋翻 30 cm，玉米秸秆100%还田）。每个处理面积 50 m2（5 m×10 m），3个重复，种植密度61 500株/hm2，T1和 T2处理施用玉米专用肥料375 kg/hm2，追施尿素 225 kg/hm2。

1.4 采样方法与测定项目

土壤样品于4月26日农田整地（播种前）、7月4日大喇叭口期和9月22日收获期，采用环刀法取玉米根际0～15、15～30 cm深度的土壤样品，测定土壤含水量和容重。

分别在玉米生长的大喇叭口期、成熟期，先觀察各区玉米整体长势情况，每个处理随机选取3株代表该区长势的植株，将根系冲洗干净并擦干，测定玉米株高（去根部，从茎底端至生长点）和茎粗（第2节中部）。然后，将所取的植株按照不同器官（茎、叶、苞叶、穗轴、籽粒）分别进行烘干，105 ℃杀青05 h，再进行70 ℃烘干至恒质量。烘干结束后，称出干物质量，然后进行样品粉碎，进行植株全氮、全磷、全钾养分含量的化验分析，并计算各处理产量。

土壤容重的测定：环刀法[24]。植株全氮含量的测定：浓硫酸-过氧化氢消煮，开式定氮法[25]。植株全磷含量的测定：浓硫酸-过氧化氢消煮，钒钼黄比色法[25]。植株全钾含量的测定：浓硫酸-过氧化氢消煮，火焰光度法[25]。

1.5 数据分析

试验数据用 Microsoft Office Excel 2007表格处理，运用 SPSS 17.0 单因素方差分析，对不同处理各项指标进行显著性檢验（P<0.05）。

有关参数计算公式[26]：

肥料偏生产力（kg/kg）=施肥区籽粒产量/肥料投入量;

肥料籽粒生产效率（g/g）=籽粒质量/植株养分累积量;

肥料生物量生产效率（g/g）=植株生物量/植株养分累积量;

肥料农学效率（kg/kg）=（施肥区籽粒产量-不施肥区籽粒产量）/肥料投入量;

肥料利用率=（施肥区作物吸收养分总量-不施肥区作物吸收养分总量）/化肥投入量×100%;

肥料生理利用率（kg/kg）=（施肥区籽粒产量-不施肥区产量）/（施肥区作物吸收养分总量-不施肥区作物吸收养分总量）。

2 结果与分析

2.1 秋翻结合秸秆还田对玉米田土壤容重的影响

由表2可知，秋翻与秸秆还田结合会对玉米田土壤容重产生影响，随着生育进程的推进，不同处理的不同土层容重总体呈上升趋势。从0～15 cm土层容重变化上来看，T1处理表现为升高趋势，大喇叭口期、收获期分别较播种前提高了594%、1188%;T2处理表现为升高趋势，大喇叭口期、收获期分别较播种前提高了2.25%、5.62%。从不同处理比较来看，T2处理在播种前、大喇叭口期、收获期分别较T1处理降低11.88%、14.95%、16.81%，其中收获期T1处理和T2处理差异显著，播种前和大喇叭口期差异不显著。从15～30 cm土层容重变化来看，T1、T2处理土壤容重总体随生育进程的推进呈升高趋势;其中，T1处理土壤容重在收获期时表现出降低，收获期与大喇叭口期仅相差0.06 g/cm3;T2处理土壤容重在大喇叭口期表现出降低，播种前与大喇叭口期仅相差0.10 g/cm3。从不同处理比较来看，T2处理分别比T1处理降低了8.13%、29.93%、14.18%，播种前差异不显著，大喇叭口期和收获期差异显著。试验结果表明，T2与T1处理相比，随着生育期的延后，0～30 cm土层土壤容重呈增加的趋势，但T2处理土壤容重增加比较缓慢，直到玉米收获期显著低于T1处理，表明秋翻结合秸秆还田降低土壤容重效果显著。

2.2 秋翻结合秸秆还田对玉米田土壤含水量的影响

由表3可知，整个生育期，2个处理在不同土层的含水量总体呈增加趋势。从0～15 cm土层来看，2个处理含水量总体表现为上升。T1处理在收获期、大喇叭口期较播种前高出666、3.93百分点，T2处理收获期较播种前高出1.92百分点，而大喇叭口期较播种前降低了3.01百分点。从不同处理比较来看，播种前、收获期T2较T1处理提高6.55、1.81百分点，差异均达显著水平;大喇叭口期，T1较T2处理仅高出0.39百分点，无显著差异。从15～30 cm 土层来看，2个处理含水量变化与0～15 cm土层相似，T1、T2处理收获期较播种前分别提高095、2.85百分点，T1、T2处理在大喇叭口期较播种前含水量有所降低，分别降低1.7、183百分点。从不同处理比较来看，播种前、大喇叭口期、收获期T2较T1处理含水量分别提高1.73、16、3.63百分点，其中播种前和收获期T1和T2处理均差异达显著水平;大喇叭口期，2个处理对15～30 cm土层含水量的影响处于同一水平。试验结果表明，T2处理土壤含水量明显高于T1处理，说明秋翻结合秸秆还田较常规旋耕播种具有提高土壤含水量的作用。

2.3 秋翻结合秸秆还田对玉米株高及茎粗的影响

由表4可知，从株高变化来看，大喇叭口期，T2较T1处理增加了10.39%，且差异达显著水平;收获期，T2与T1处理仅相差1.57cm，表明2个处理在生育末期对玉米株高的影响处于同一水平。从茎粗变化来看，大喇叭口期，T2较T1处理提高266%，无显著差异;收获期，T2处理茎粗达到最大值，为2.83 cm，较T1处理增加了802%，且差异达显著水平。试验结果表明，秋翻结合秸秆还田能促进玉米前期的生长，提高玉米茎粗。

2.4 秋翻结合秸秆还田对玉米不同器官干物质积累量的影响

由表5可知，随着玉米生育进程的推进，玉米各器官干物质量呈增加趋势。大喇叭口期，地上部、地下部T2比T1处理分别提高89.02%、30.54%，且地上部差异达显著水平;各处理间干物质积累量表现为T2>T1>CK，且地上部和整株差异达显著水平。收获期，各器官干物质积累量表现为籽粒>茎>叶>穗轴>苞叶，除叶以外，T1与T2处理各器官均差异达显著水平;处理间干物质积累量表现为T2>T1>CK，差异显著。试验结果表明，T2处理具有提高玉米干物质积累量的作用。

2.5 秋翻结合秸秆还田对玉米不同器官氮素积累量的影响

由表6可知，随着生育进程的推进，玉米总氮含量均表现为T2>T1>CK，且差异均达显著水平;其中，大喇叭口期、收获期，玉米整株T2较T1处理分别显著高出19.31、36.58 kg/hm2。从各器官氮素分配比例来看，大喇叭口期，各器官氮含量表现为叶>根。其中，T1与T2处理根部氮含量仅相差 0.91 kg/hm2，无显著差异;而叶部氮含量，T2较T1处理显著高出18.39 kg/hm2;收获期，各器官氮含量表现为籽粒>叶>茎>穗轴>苞叶，这5项指标T2较T1处理分别高出21.15、9.14、4.56、0.61、1.12 kg/hm2，其中仅叶和籽粒差异达显著水平。试验结果表明，T2处理提高了玉米对氮素的吸收能力。

2.6 秋翻结合秸秆还田对玉米不同器官磷素积累量的影响

由表7可知，随着生育进程的推进，玉米总磷含量均表现为T2>T1>CK;其中，玉米整株T2较T1处理在大喇叭口期和收获期分别高出4.29、24.56 kg/hm2，差异均达显著水平。大喇叭口期，各器官磷含量表现为叶>根;其中，叶中磷含量T2较T1处理提高了4.15 kg/hm2，差异显著，而对根部磷含量影响较小。收获期，各器官磷含量表现为籽粒>茎>叶>穗轴>苞叶，这5项指标T2较T1处理分别高出18.60、2.72、0.13、2.24、0.87 kg/hm2;其中，仅穗轴和籽粒差异达显著水平。试验结果表明，T2处理提高了玉米对磷素的吸收能力。

2.7 秋翻结合秸秆还田对玉米不同器官钾素积累量的影响

由表8可知，随着生育进程的推进，玉米总钾含量均表现为T2>T1>CK;其中，T2较T1处理在大喇叭口期、收获期分别高出21.07、33.98 kg/hm2，差异均达显著水平。大喇叭口期，各器官钾素含量表现为叶>根;其中T2处理对玉米根部钾含量影响较小，与T1处理仅相差0.72 kg/hm2。而叶中的钾含量，T2较T1处理相比提高了20.34 kg/hm2，差异显著。收获期，T1处理钾含量表现为茎>叶>籽粒>穗轴>苞叶，T2处理表现为茎>籽粒>叶>苞叶>穗轴。T2处理茎、穗轴、籽粒、苞叶钾含量较T1处理分别高出17.99、3.43、8.32、5.50 kg/hm2，差异均达显著水平;而T2处理对玉米叶部钾含量的影响较小，仅与T1处理相差1.27 kg/hm2。试验结果表明，T2处理具有提高玉米对钾素的吸收能力。

2.8 秋翻结合秸秆还田对玉米氮肥利用效率的参数

由表9可知，T2与T1处理的玉米氮肥偏生产力、氮肥农学效率、氮肥利用率差异均达显著水平，而对氮肥生理利用率的影响与T1处理处于同一水平。T2与T1处理相比，玉米氮肥偏生产力增加1176%，氮肥农学效率增加19.97%，氮肥利用率增加29.74%，而氮肥生理利用率仅相差2.85 kg/kg。从氮素生产效率分析，各处理的氮素生物量生产效率和氮素籽粒生产效率表现为T2>T1>CK，差异均达显著水平。T2与T1处理相比，氮素生物量生产效率增加19.02%，氮素籽粒生产效率增加1986%。由此可知，T2较T1处理能提高玉米对氮肥的吸收利用率以及对氮素的生产效率。

2.9 秋翻结合秸秆还田对玉米磷肥利用效率的参数

由表10可知，T2处理的玉米磷肥偏生产力、磷肥农学效率、磷肥利用率差异均达显著水平，而对磷肥生理利用率的影响与T1处理处于同一水平。T2与T1处理相比，玉米磷肥偏生产力增加1178%，磷肥农学效率增加19.99%，磷肥利用率增加56.45%，而磷肥生理利用率仅相差25.43 kg/kg;从磷素生物量生产效率分析，各处理的磷素生物量生产效率和磷素籽粒生产效率表现为T2>T1>CK，差异均达显著水平。T2与T1处理相比，磷素生物量生产效率增加16.82%，磷素籽粒生产效率增加1769%。由此可知，T2较T1处理能提高玉米对磷肥的吸收利用率以及对磷素的生产效率。

2.10 秋翻结合秸秆还田对玉米钾肥利用效率的参数

由表11可知，T2处理的玉米钾肥偏生产力、钾肥农学效率、钾肥利用率差异均达显著水平，T1处理的钾肥生理利用率差异显著。T2与T1处理相比，玉米钾肥偏生产力增加1178%，钾肥农学效率增加19.99%，钾肥利用率增加36.52%，而T1处理的钾肥生理利用率较T2提高13.52%。从钾素生物量生产效率分析，各处理的钾素生物量生产效率和钾素籽粒生产效率表现为T2>T1>CK，T1与T2无显著差异。由此可知，T2较T1处理能提高玉米对钾肥的吸收利用率以及对钾素的生产效率。

2.11 秋翻结合秸秆还田对玉米产量的影响

由图1可知，各处理玉米产量表现为T2>T1>CK，3种处理玉米产量分别为8 611.86、7 704.22、3 165.79 kg/hm2，T2较T1处理提高907.64 kg/hm2，差异显著。

3 讨论

3.1 秋翻结合秸秆还田对土壤性状的影响

秋翻结合秸秆还田与常规栽培模式相比，可打破犁底层，降低土壤容重，促进作物根系下扎，同时能提高土壤含水量，有利于保墒增效。Ehlers等研究表明，根系的生长空间会对作物生长发育以及产量造成影响[27]。Logdon等在研究容重对玉米根系生長情况的研究中发现，玉米幼苗根系生长空间随土壤容重的增加而减小[28]。何进等研究指出，深松秸秆还田使土壤含水量明显增加[29];同时，能增加土壤蓄水能力，减少地表径流量，降低水分损失[30]。本研究表明，秋翻结合秸秆还田与常规栽培相比，可降低土壤容重，且随生育进程的推进和土层的加深，效果更为显著;同时，除大喇叭口期，土壤含水量均显著提高，这可能是因为秋翻秸秆还田促进了玉米生长发育，导致需水量较大。

3.2 秋翻结合秸秆还田对玉米生长发育的影响

株高、茎粗以及干物质积累量是反映作物生长发育的重要指标。土壤物理性状等因素则对玉米的生长发育起决定性作用。研究表明，深松秸秆还田，可使植株发育迅速，提高植株干物质积累量[31-32]。本试验结果表明，秋翻结合秸秆还田对玉米生长发育的影响与同期其他处理相比，表现为 T2>T1>CK，其中收获期T2处理显著提高了玉米茎粗和干物质积累量，而T1与T2处理对玉米株高的影响处于同一水平。

3.3 秋翻结合秸秆还田对玉米养分吸收利用的影响

作物对氮、磷、钾等养分的吸收情况将对其生长发育造成影响，进而影响作物产量。郭家萌等在我国玉米主产区研究中指出，保护性耕作模式对玉米氮、磷、钾吸收有促进作用[33]。深松结合秸秆还田可满足作物生育后期对养分的需求，补充土壤中的氮、磷、钾养分含量，促进作物生长发育的同时，也可培肥土壤[34-36]。本研究表明，秋翻结合秸秆还田与常规栽培相比玉米产量提升了11.78%，秋翻结合秸秆还田的玉米氮、磷、钾含量与常规栽培相比，均显著提升，分别提升了21.12%、35.24%、2796%，这与温美娟等研究结果[22]相似。

4 结论

秋翻结合秸秆还田与常规栽培相比，玉米植株茎粗增加，促进了玉米生长;降低了0～30 cm土层土壤容重，增加了生育期土壤含水量;促进玉米干物质积累和氮素、磷素、钾素吸收，提高籽粒干物质含量，玉米产量提高11.78%，提高玉米对氮肥、磷肥和钾肥的利用率，以及对氮素和磷素的生产效率，对钾素生产效率的影响较小。因此，秋翻结合秸秆还田是提高玉米肥料吸收利用率和籽粒产量的有效措施，是提高玉米产量的一种有效途径。

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