秸秆还田深度对土壤性状及玉米生长的影响

田 雪，孙奥博，陈春羽，任立军，曹 阳，雷 洋，陈松岭，邹洪涛

(沈阳农业大学土地与环境学院，农业部东北耕地保育重点实验室，土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866)

【研究意义】我国最大的玉米生产基地主要分布在东北地区，其玉米秸秆年产量(6.85×107t)占全国玉米秸秆总量的31.0%[1]。目前，在东北地区乃至全国，秸秆焚烧是一种常规的处理方式，一直受到广泛关注。秸秆焚烧不但会造成严重的环境污染，而且对自然资源也是极大的浪费。秸秆还田作为一种保护型耕作措施，可以改善土壤结构、保持土壤水分、提高土壤肥力水平、增加农作物产量[2-3]。但是覆盖还田、留茬还田和秸秆浅还田等也会使病虫害增多及增加作物与土壤争氮的风险[4]。因此，利用合理的秸秆还田方式来改善土壤结构、提高土壤有机质含量、增强土壤保水能力、提高作物产量，对促进东北地区粮食增产具有重要意义。【前人研究进展】秸秆还田对土壤的影响不尽相同。研究表明，不同量的秸秆集中深还田后，能够明显降低土壤容重，0～20 cm土层降低幅度为2.11%～9.15%，20～40 cm土层降低幅度为2.76%～7.59%[5]，但王秋菊等[6]在草甸土上进行连续8年的秸秆覆盖试验发现，秸秆覆盖不仅增加了土壤的容重及紧实度，而且土壤的物理性质并没有得到有效改善，从而影响作物生长。韦安培等[7]研究发现，秸秆还田结合深松可以有效提高土壤有机碳含量和土壤含水量，0～15 cm土层较对照分别提高9.78%和24.00%，15～30 cm土层分别提高7.08%和15.81%。秸秆还田配施氮肥(300 kg/hm2)可以显著增加土壤含水量，与对照相比增加了13.64%[8]。武际等[9]在连续3年的秸秆覆盖试验中发现，秸秆覆盖可以显著增加0～25 cm 土层的有机质含量。研究发现，秸秆中含有大量有机碳(一般秸秆含碳量在40%左右)，秸秆还田后土壤中有机碳含量明显增加，同时秸秆中还包含大量的氮、磷、钾等元素，可以培肥地力，从而进一步促进作物生长[10-12]。【本研究切入点】前人研究主要集中于单一秸秆还田深度、相同深度不同还田量、不同耕作方式结合秸秆还田及秸秆配施氮素等对土壤性状及玉米生长的影响，将秸秆不同还田深度放在一起系统探究对土壤性质和作物生长的研究相对较少，需进一步研究。【拟解决的关键问题】本试验通过小区试验探究秸秆还田深度对土壤性状的变化及玉米生长的影响，为秸秆科学合理还田提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在沈阳农业大学后山科研试验基地(41°82′′N，123°33′E)进行，该区域属于温带半湿润大陆性气候，试验地为雨养农田，2020年年均降水量为750 mm，年平均蒸发量为1435.6 mm，年平均气温为6.2～9.7 ℃，全生育期为130～150 d。试验于2019年11月11日进行秸秆还田，还田量为10 500 kg/hm2(秸秆长度为3～5 cm)，2020年4月30号播种。供试作物为玉米，品种为郑单958，供试土壤为棕壤，土壤表层的基本理化性状为：全氮0.042 g/kg，有机质8.45 g/kg，速效磷14.14 mg/kg，速效钾107.21 mg/kg，有效氮19.18 mg/kg，pH 7.02，土壤容重1.45 g/cm3。

1.2 试验设计

本试验为单因素随机区组设计，设3种玉米秸秆还田深度，分别为秸秆覆盖还田(BF)、秸秆浅还田(QH)、秸秆深还田(SH)，秸秆不还田为对照(CK)，共4个处理，每个处理3次重复，共12个微区，微区长1.60 m，宽1.30 m，面积2.08 m2，具体操作如表1所示。2019年秋季收获后将玉米秸秆还入田中；2020年4月30日正常施肥播种，每个微区播种8株，施肥与田间管理同当地农作经验(尿素240 kg/hm2，过磷酸钙75 kg/hm2，硫酸钾105 kg/hm2)；取适量土壤与肥料均匀混合后施于小区中，然后用铁锹进行翻地。2020年于玉米苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、收获期在每个微区选取长势一致、具有代表性的4株玉米测定其生长指标；2020年9月26号进行玉米收获，收获后将每个微区的玉米全部带回测产；按S形5点取土法，去除表面杂草，在0～20和20～40 cm 2个土层采集土样，每个处理3次重复，过筛以备土壤性状的测定。

表1 秸秆还田深度

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重及孔隙度测定 用100 cm3的环刀切割未搅动的自然土壤，使环刀里充满土样，105 ℃烘干后称量土重。

孔隙度(%)=(1-容重/密度)×100(土壤密度=2.65 g/cm3)[13]

1.3.2 土壤含水量测定 用铝盒装2.5 g鲜土，在烘箱中105 ℃烘12 h，烘至恒重。

1.3.3 土壤有机质、全氮 土壤样品过100目筛，均采用元素分析仪测定(Elementar III德国)。

1.3.4 速效养分测定测定 速效磷采用NaHCO3浸提-钼睇抗比色法测定；速效钾采用火焰光度计法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定。

1.3.5 玉米生长指标测定 株高：用米尺测量从玉米植株最底部到最上部中心叶的高度；叶面积：用米尺量取玉米第3叶(从上面数)的长度和宽度；叶绿素SPAD值：叶绿素测定仪测定第3叶的SPAD值；茎粗：用游标卡尺测定玉米从最底部向上数第2节的茎粗。

1.3.6 玉米产量构成因素测定 穗粒、穗行数及产量：统计玉米每穗玉米数行数，脱粒后测定玉米产量；玉米百粒重：在每个处理随机选取100粒玉米进行烘干，直至恒重。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2010进行数据整理，利用IBM SPSS Statistics 22软件进行数据统计分析，其中方差分析为单因素方差分析，多重比较用Duncan法，平均值在P<0.05水平下差异具有统计学意义，采用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 玉米秸秆还田深度对土壤容重及孔隙度的影响

从图1可知，在0～20 cm土层中，BF、SH和QH的土壤容重较CK分别降低0.10、0.13和0.14 g/cm3，土壤孔隙度较CK分别提高6.82%、10.21%和8.90%，各秸秆还田处理与CK差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，QH、BF和SH的土壤容重较CK分别降低0.09、0.12和0.13 g/cm3，土壤孔隙度较CK分别增加7.23%、9.44%和11.01%，其中以SH效果最好；且各处理与CK差异显著(P<0.05)。说明，各处理土壤容重均随土层深度的增加而增大，土壤孔隙度随深度加深而逐渐减小。

2.2 玉米秸秆还田深度对土壤含水量的影响

从图2可知，秸秆还田能够显著提高各土层(0～20、20～40 cm)的土壤含水量。在0～20 cm土层中，QH、BF和SH的土壤含水量较CK分别增加15.15%、10.32%、和5.96%，其中QH与CK达到显著差异(P<0.05)；在20～40 cm土层中，SH、QH和BF的土壤含水量较CK分别增加21.30%、20.95%和11.05%，且QH和SH均与CK达到显著差异(P<0.05)。说明，各处理土壤含水量均随着土层的加深而增加。

2.3 玉米秸秆还田深度对土壤有机质、全氮的影响

从表2可知，秸秆还田后各土层的土壤有机质含量较CK均有所增加。在0～20 cm土层，SH、QH和BF的土壤有机质含量较CK分别增加32.89%、20.23%和1.45%，且SH和QH与CK差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，SH、QH和BF的土壤有机质含量较CK分别增加11.84%、10.32%和7.87%，各处理与CK之间差异显著(P<0.05)。说明，从整体来看，随着土层加深，各处理土壤有机质含量呈逐渐降低的趋势。

不同小写字母表示同一土层不同处理差异显著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below图1 不同处理对土壤容重及孔隙度的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil bulk density porosity

在0～20 cm土层中，QH、BF和SH的土壤全氮含量较CK分别增加28.15%、9.63%和2.96%，且QH与其他3个处理差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，QH、SH和BF的土壤全氮含量分别较CK增加20.34%、16.10%和1.69%，且SH、QH与CK之间差异均达到显著水平(P<0.05)。说明，土壤全氮含量与土壤有机质含量变化相似，随着土层加深呈降低的趋势。

2.4 玉米秸秆还田对土壤速效养分的影响

从图3-a可知，在0～20 cm土层中，QH、BF和SH的土壤有效氮含量较CK分别增加37.78%、33.95%和5.87%，且BF和QH与CK差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，SH、BF和QH的土壤有效氮含量较CK分别增加16.79%、13.37%和10.41%，且秸秆还田各处理与CK差异显著(P<0.05)。从图3-b可知，在0～20 cm土层中，BF、QH和SH的土壤速效钾含量较CK分别增加28.85%、27.13%和14.83%，且BF、QH与其他2个处理差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，BF、SH和QH的土壤速效钾含量较CK分别增加29.07%、18.57%和14.57%；且BF与其他3个处理差异显著(P<0.05)。从图3-c可知，在0～20 cm土层中，BF、QH和SH的土壤速效磷含量较CK分别增加24.60%、21.10%和17.55%，且CK与其他3个处理差异显著(P<0.05)；在20～40 cm土层中，SH、QH和BF的土壤速效磷含量较CK分别增加18.88%、15.36%和3.83%，且QH和SH与CK差异显著(P<0.05)。说明，秸秆还田后能够增加0～40 cm土层的速效养分含量。

不同小写字母表示同一土层不同处理差异显著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below图2 不同处理对土壤含水量的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil moisture content

表2 不同处理下土壤有机质及土壤全氮的显著性差异

图3 不同处理对土壤速效养分的影响Fig.3 Effects of different treatments on soil available nutrients

2.5 玉米秸秆还田深度对玉米生长的影响

2.5.1 玉米秸秆还田深度对玉米生长指标的影响 各处理植株茎粗、叶绿素、株高和叶面积均表现为先升高后略微下降的趋势。从图4-a可知，在苗期时，BF的茎粗较CK降低17.91%，QH和SH较CK分别增加16.66%和26.13%；各处理的茎粗在玉米拔节期增长速度最快，SH、QH和BF较CK分别增加19.21%、15.75%和7.83%，且BF和SH与CK差异显著(P<0.05)。各处理的茎粗均在抽穗期达到最大值，SH、BF和QH分别较CK增加24.34%、33.54%和22.44%，且BF和SH与CK差异显著(P<0.05)；收获期各处理玉米茎粗略有下降，BF、SH和QH分别较CK增加23.27%、10.96%和9.33%，各处理与CK差异显著(P<0.05)。从4-b可知，在苗期时，供试玉米叶绿素SPAD值表现为SH>QH>BF>CK，SH、QH和BF分别较CK增加42.47%、33.54%和22.44%，且QH和SH与CK显著差异(P<0.05)。在拔节期时，秸秆还田处理叶绿素SPAD值显著增加(P<0.05)，BF、QH和SH分别较CK增加50.30%、43.02%和42.54%；在灌浆期时，各处理叶绿素含量SPAD值均达到最大值，BF、SH和QH较CK分别增加47.44%、26.38%和20.30%，且各处理与CK差异性显著(P<0.05)。从图4-c可知，在苗期时，BF的株高较CK降低3.91%，而QH和SH的株高较CK分别增加53.83%、15.90%。在拔节期时，SH的株高表现最佳，较CK显著增加44.64%；在抽穗期时，各处理株高增长速度加快，在灌浆期时，各处理的株高均达到最大值，BF、QH和SH较CK分别增加10.37%、8.30%和4.97%；且BF和QH与CK差异显著(P<0.05)。从图4-d可知，在苗期时，各处理的叶面积大小表现为:SH>QH>CK>BF，BF的叶面积比CK降低3.28%，而QH和SH较对照处理增加12.05%、37.87%，且QH与CK差异性显著(P<0.05)；在拔节期时，BF、SH和QH的叶面积分别较CK增加41.62%、37.22%和4.58%(P<0.05)；在抽穗期时，各处理的叶面积均达到最大值，BF、QH和SH较CK均显著增加，增幅分别达35.01%、18.13%和16.74%(P<0.05)。说明，秸秆还田增强玉米的光合作用，进而促进玉米生长。

图4 秸秆还田深度对玉米生长指标的影响Fig.4 Effects of straw returning on maize growth index

2.5.2 玉米秸秆还田深度对玉米产量的影响 从表3可知，BF、SH和QH的百粒重分别较CK增加13.09%、3.18%和8.09%，且BF和SH与CK差异显著(P<0.05)。BF、SH和QH的穗行数较CK分别增加18.18%、15.91%和13.64%；穗粒数较CK分别增加19.63%、18.90%和10.11%，各处理与CK显著差异(P<0.05)，且都以BF效果最好。不同秸秆还田深度均可提高玉米籽粒产量，表现为:BF>SH>QH>CK，其中以BF和SH增产效果较明显，分别较CK增产23.37%和22.02%，且各秸秆还田处理与CK差异显著(P<0.05)。

3 讨 论

3.1 玉米秸秆还田深度对土壤性状的影响

土壤容重的大小直接影响土壤孔隙度进而影响土壤的通气透水性，适宜的土壤容重和孔隙度可以有效促进植物根系生长，为植物提供适宜的营养物质、水分及良好的生长环境[14]。李涵等[15]研究表明，秸秆覆盖可显著降低0～20 cm土层的土壤容重，且随着土层的加深土壤容重逐渐增加。有研究表明连续3年秸秆集条深埋后，0～30 cm土层的土壤容重降低了0.02～0.14 g/cm3，土壤总孔隙度增加了0.70%～5.98%[16]。本研究表明，不同玉米秸秆还田深度在一定程度上均降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙度，且随着土层的加深土壤容重呈逐渐增大的趋势，土壤孔隙度的趋势与之相反，且都以秸秆还田层处理效果最佳，这与Kabiri等[17]的研究结果相一致。可能是因为秸秆密度比土壤密度低，掺入土壤后形成一种稀释作用，秸秆在土壤中分解，形成孔隙，进而降低土壤容重，增加土壤的孔隙度[18]；另外，秸秆还田后会影响作物根系及微生物的活动；根系的穿插对土壤起疏松作用，进而降低土壤容重。同时，本试验是第一年秸秆还田，秸秆腐解周期较长，土壤中的秸秆仍然以较大形态存在，因此对降低土壤容重和提高土壤孔隙度起到一定作用[19]。

表3 玉米产量构成要素、产量及显著性检验结果

土壤含水量是表征土壤物理性质好坏的一个重要指标。王胜楠等[20]研究表明，秸秆集中深还田两年后，秸秆还田层向上和向下10 cm土层的土壤含水量增加了3.99%～14.68%。Cabiles等[21]研究表明，秸秆直接还田和机械粉碎后还田，可以有效降低作物生育前期土壤表层的无效蒸发，蓄水保墒，从而促进作物的增产。本研究表明，0～20和20～40 cm土层的土壤含水量与玉米秸秆还田位置有关，在0～20 cm土层以QH含水量最高；在20～40 cm土层土壤含水量以SH最高；这是由于玉米秸秆本身具有较大的内部空隙，可以吸持来自外界的水分并向土壤中释放出自身吸持的水分，使土壤的含水量增加；秸秆深还田可能使深层的土壤水分反熵，而且使土壤变得疏松，能够向下渗透更多的水分，深埋的秸秆能够吸收自然降水，减少水分流失，从而达到蓄水保水的作用[22-23]。与QH和SH相比，BF在0～20和20～40 cm土层土壤含水量较低，这可能是由于本次取土是在玉米收获后，后期降雨不频繁，只有在频繁的降雨条件下，秸秆覆盖才能更有效的起到保水和抑制土壤水分蒸发的作用[24]。

土壤有机碳能够直接和间接影响植物生长，因此土壤肥力常用土壤有机碳进行广泛评估[25]。Liu等[26]将秸秆混入土层后发现，土壤和秸秆的充分接触，能够促进大团聚体的形成，从而增加土壤有机碳含量，这与Dong等[27]提出的秸秆还田对土壤有机碳积累有促进作用，进而提高土壤肥力的观点一致。武际等[28]和邹清祺[29]研究表明，连续秸秆覆盖可以显著提高表层土壤的有机质含量。本研究表明，秸秆不同还田深度均能增加土壤有机质和全氮含量，且0～20 cm土层的土壤有机质和土壤全氮含量高于20～40 cm土层。分析其原因：由于土壤表层通气性较好，微生物活动旺盛，使秸秆分解的速度加快，所以表层积累的有机质多于亚表层，这与前人的研究结果一致[30-31]；水分的淋溶作用能够使玉米秸秆腐解加快，并进一步促进养分转移和释放。此外，秸秆还田也可减少施肥后因淋溶而流失的肥料养分，同时使土壤中有机胶结物质增加，促进良好团聚体的形成，团聚体能够提高土壤对氮、磷、钾元素的吸附力，从而增加土壤有机碳和全氮含量[32-33]；另一方面秸秆本身作为有机物料，还田后对土壤的有机质具有补充和促进作用[34]。

3.2 玉米秸秆还田深度对玉米生长及产量的影响

本研究中，苗期BF的株高、茎粗和叶面积较CK有所降低，这可能是由于秸秆覆盖在土壤表面阻挡了光照，土壤表层温度低，导致玉米的生长受阻，但是对玉米生长的中后期效果显著，可以明显促进玉米生长、增加穗粒数和产量，这与前人的研究结果一致[35]；牛芬菊等[36]研究表明，玉米秸秆覆盖还田后，显著增加玉米的株高、茎粗及叶面积。本研究结果表明，各秸秆还田处理均能明显促进作物生长，提高玉米产量，以秸秆覆盖和秸秆深还田处理效果较好。其原因可能为秸秆覆盖可以减少土壤水分蒸发，提高土壤的蓄水保墒能力，促进玉米生育后期对土壤养分的吸收；秸秆深还田打破了犁底层，增强了土壤的通气透水性，从而促进了养分的运输与转化。其增产原因与本地区的土壤类型及玉米生育时期降雨量等有关，需要进一步探究其机理。

4 结 论

秸秆还田可以明显降低土壤容重，提高土壤孔隙度，同时可以培肥土壤，促进玉米生长，提高玉米的光合作用，提高玉米产量；综合土壤性状与玉米产量两个因素考虑，可以初步采用秸秆覆盖和秸秆深还来指导农业生产，但秸秆还田作为保护性耕作措施已进行多年，怎样进行秸秆还田方式仍然是农业可持续发展的一个重要课题。