长期秸秆还田和施肥对黑土肥力及玉米产量的影响

严君，韩晓增，邹文秀，陆欣春，陈旭，邹狮，高瑞敏

(中国科学院 东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081)

0 引 言

玉米秸秆是农田生产过程中的副产品，全国每年平均产秸秆7亿t。玉米秸秆是补给土壤有机质良好的物料，秸秆含碳量大约在45%～50%，同时玉米秸秆也是土壤养分来源，其氮、磷、钾营养元素含量分别是0.4%～0.5%、0.2%～0.3%和0.5%～0.7%，是十分重要的有机肥源物质[1-2]。在生产上秸秆直接还田既能够解决焚烧秸秆造成的环境污染问题，又能将秸秆中营养物质归还于土壤，增加土壤养分，改善土壤物理结构，进而对提升作物产量具有巨大的应用潜力[3-4]。

秸秆覆盖还田、秸秆与土壤混合[5]和秸秆埋入土壤某个土层[6]是生产上主要的秸秆还田方式。秸秆覆盖还田能够增加0～10 cm土层土壤的有机质含量，缓解外力对土壤物理结构的挤压，抑制土壤“板结”[7]。但秸秆覆盖还田会影响机械播种，在北方还会导致春季地温低，影响出苗，造成作物减产。秸秆与土壤混合后深埋还田，可在土壤微生物的作用下释放碳、氮等养分，并显著增加土壤有机碳含量[8]，改善有机质性质[9]，释放的氮磷钾等营养元素能够被作物吸收和利用。但不合理的秸秆翻埋方式亦会对作物出苗有一定的影响[10]。因此，秸秆混入土壤是对土壤理化性质和产量影响最显著的秸秆还田方式[11-12]。目前有关于秸秆混入土壤的研究，大多是秸秆施用量、还田深度及还田时间对土壤理化性质和作物产量影响的研究[13-14]。然而，玉米连作条件下长期持续(17年)的秸秆连续还田对土壤有机质、养分状况、理化属性及产量的影响和贡献的报道还较少。本研究基于海伦站玉米连作条件下，连续17年全量秸秆还田试验，分析长期施用秸秆对玉米产量和土壤理化性状的影响，并通过逐步回归方法评价土壤理化性状对玉米产量的影响情况，旨在为玉米秸秆高效利用和土壤耕层重构提供数据支撑，以期为东北黑土地保护及黑土区耕层土壤肥力的快速提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

试验位于黑龙江省海伦市中部(47°27′N，126°55′E)，属于平原地区，农田坡度小于2°，温带大陆性季风气候区，年均≥10 ℃有效积温2 450 ℃，年均日照时数约为2 700 h，无霜期为125 d，作物一年一季。土壤是中厚黑土，其母质为第四纪形成的黄土状母质，质地为轻黏土。供试土壤0～20 cm土层的基本理化性质：土壤有机质含量50.09 g·kg-1，pH 6.61，全氮2.32 g·kg-1，全磷含量0.77 g·kg-1，全钾含量20.6 g·kg-1，碱解氮含量174 mg·kg-1，速效磷含量23.4 mg·kg-1，速效钾含量154.8 mg·kg-1，土壤容重1.13 g·cm-3。

1.2 试验设计及样品采集

试验区于2003年前种植玉米、大豆和小麦匀地，不施肥。2003年开始设置3个处理：不施任何肥料(CK)、仅施用化肥(NPK)、化肥和秸秆搭配(NPKS)。小区面积21 m2，随机排列，4次重复。2003年～2019年间连续种植玉米(2003～2012年供试品种为海玉6号，2013～2019年供试品种为德美亚3号)。肥料用量为：N 112.5 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2和K2O 60 kg·hm-2。氮肥的1/3和全部的磷钾肥在播种时施用，施在距种子斜下方8～12 cm处，2/3的氮肥在玉米拔节期施用。玉米采用垄作种植(垄距65 cm)，在玉米种植过程中，玉米出苗后浅耕，玉米追肥时进行一次深耕，秋季收获后，通过人工或旋耕机将粉碎的玉米秸秆(≤5 cm)均匀混入到0～20 cm土层。

1.3 样品采集与分析

在2003年7月试验开始前和2020年7月在每个小区随机选取3个点，采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品混合后作为该小区的土壤样品，带回实验室风干后，用于测定土壤的基本理化性质[15]。利用环刀采集7.5 cm和22.5 cm土层的原状土，分别代表0～20 cm和20～40 cm土层的土壤样品，用胶带密封环刀后带回实验室，用于土壤总孔隙度、通气孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的测定和分析[12]。

1.4 数据处理与统计分析

运用SPSS 26.0软件对供试前和2020年的0～20 cm和20～40 cm土层的土壤化学、物理性质及产量做单因素方差分析(One-way ANOVA)，用Turkey检验处理间差异显著性。采用SPSS 26.0对不同土层土壤理化因子对玉米产量的影响进行回归分析，通过计算不同物理化学因子标准化系数绝对值与所有因子标准化系数绝对值之和的比值，评价不同土层下土壤物理和化学性质对玉米产量的贡献[23]。采用Origin 13.0绘制图。

2 结果与分析

2.1 长期秸秆还田和施肥对土壤化学性质的影响

2020年与2003年0～20 cm土层土壤化学性质初始值相比，CK处理土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别下降了13.9%，20.6%，24.0%，25.2%和6.6%(P<0.05)，土壤pH、全磷和全钾含量变化不显著；NPKS处理土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加了16.4%、17.3%、43.4%、15.0%，61.5%和26.4%，pH值下降了4.0%(P<0.05)(图1)。除全钾和pH值外，表层土壤养分含量均表现为CK

注:不同的小写字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著。下同。

2020年20～40 cm土层土壤的化学性质与2003年土壤初始值相比，17 a没有肥料投入的CK处理，土壤有机质含量下降了17.0%，全氮含量下降了23.0%，碱解氮含量下降了27.0%，速效磷和速效钾含量分别下降了12.7%和3.9%(P<0.05)；NPKS处理土壤养分均有显著增加，其中有机质含量增加了6.6%，全氮含量增加了4.6%，碱解氮和速效磷含量分别增加了8.0%和59.4%，而pH下降了0.3个单位(P<0.05)。不同处理间土壤养分含量均表现为CK < NPK < NPKS(图2)。与CK相比，NPKS处理的土壤有机质含量提高了28.5%，全氮含量提高了35.8%，碱解氮和速效磷含量显著提高了48.0%和82.7%(P<0.05)；与不添加秸秆的NPK处理相比，NPKS处理的土壤有机质显著增加了14.6%，全氮含量增加了14.0%，碱解氮和速效磷含量显著增加了6.7%和12.3%(P<0.05)。

图2 长期秸秆还田和施肥对20～40 cm土层土壤化学性质的影响

2.2 长期秸秆还田和施肥对土壤物理性质的影响

2020年与2003年初始土壤容重相比，CK和NPK处理0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重差异不显著；NPKS处理0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重显著降低，分别降低14.8%和4.50%(P< 0.05)(图3)。与CK和NPK处理相比，NPKS处理0～20 cm土层土壤容重均下降了14.0%以上；在20～40 cm土层土壤容重显著下降了4.5%和3.7%(P<0.05)。

图3 长期秸秆还田和施肥对0～20 cm和20～40 cm土层容重的影响

2020年与2003年0～20 cm土层土壤孔隙度初始值相比，CK和NPK处理土壤毛管孔隙度、通气孔隙度和非活性孔隙度差异不显著，NPKS处理对土壤毛管孔隙度和非活性孔隙度亦没有显著影响，但通气孔隙度显著增加(P< 0.05)；20～40 cm土层土壤的毛管孔隙度、通气孔隙度和非活性孔隙度均不受施肥的影响(图4)。与CK和NPK处理相比，NPKS处理0～20 cm土层土壤通气孔隙显著增加了43.7%和28.9%(P< 0.05)。

图4 长期秸秆还田和施肥对0～20 cm和20～40 cm土层土壤孔隙组成的影响

2.3 长期秸秆还田和施肥对玉米产量的影响

NPK和NPKS处理玉米产量显著高于CK处理，并随着时间的推移呈逐渐增加的变化趋势，在2013年由于玉米品种的更换，NPK和NPKS处理的产量出现较大波动，但仍然显著的高于CK处理的产量。CK处理的玉米产量不受品种更换的影响，仍呈逐渐下降的变化趋势。从2009年开始(2010年除外)NPKS处理的玉米产量均显著高于NPK处理(P<0.05)(图5)。CK处理玉米平均产量为5 221 kg·hm-2，而NPK和NPKS处理的平均产量分别为8 090 kg·hm-2和8 624 kg·hm-2，较CK处理分别增加了54.9%和65.2%(P<0.05)。NPKS处理的平均产量比NPK的产量高出6.6%。

注:*表示处理间在P<0.05水平上差异显著。

2.4 土壤理化属性对玉米产量的贡献

在0～20 cm土层，土壤有机质和全氮含量对玉米产量的贡献度>30%，其次是pH贡献度为11.5%，其它指标的贡献度均<10%，全钾含量贡献度最小。在20～40 cm土层，土壤碱解氮的贡献度最高达到35.7%，其次是速效磷含量的贡献度达到了31.9%，全氮含量的贡献度为18.3%，其他指标的贡献度均<6%，速效钾含量的贡献度最小(0.2%)。

图6 0～20 cm(a)和20～40 cm(b)土层土壤化学性质对玉米产量的贡献

土壤容重及孔隙分布对玉米产量的贡献见图7。在0～20 cm土层，土壤毛管孔隙和土壤容重对玉米产量的贡献度分别为35.3%和31.6%，通气孔隙的贡献度最小。在20～40 cm土层，容重对玉米产量的贡献度最大(56.96%)，其次是通气孔隙(21.02%)和毛管孔隙(20.62%)，非活性孔隙的贡献度最小为1.4%。

图7 0～20 cm(a)和20～40 cm(b)土层土壤容重和孔隙对玉米产量的贡献

3 讨论

秸秆还田是土壤培肥的重要途径，秸秆施入土壤中经腐解后可以释放大量的矿质元素，有利于土壤养分的积累、改善土壤的肥力状况[16]。等量秸秆连续3年混入0～50 cm土层对土壤化学性质的影响研究发现，等量秸秆混入不同深度土层并没有显著增加相应土层的全磷和全钾含量，但速效磷和速效钾含量显著提高了9.2%～38.2%和12.6%～43.7%[17]。本研究中除了全钾以外，秸秆连续还田17年后0～40 cm土层的土壤有机质、全氮、全磷和速效氮磷钾含量均有显著增加[11]。与无秸秆还田的CK和NPK处理相比，秸秆连续施用17年的NPKS处理土壤有机质、全氮、碱解氮和速效磷含量均显著提高。土壤养分含量的显著增加与秸秆的腐解，即秸秆中养分的释放有直接关系。孙哲等[18]对旋耕和深耕模式下玉米秸秆的养分释放情况进行了研究，结果表明，玉米秸秆中氮、磷、钾和碳的释放率分别为71.8%～74.6%、34.1%～39.3%、66.5%～78.5%和42.9%～50.2%。匡恩俊等[19]通过对不同玉米还田150 d秸秆腐解的研究，表明秸秆氮、磷和钾养分释放率分别为51.1%～67.7%，76.0%～89.8%和76.9%～91.7%。秸秆还田后土壤有机质含量显著提升，一方面是由于秸秆本身是碳源[20]；另一方面秸秆混入土壤后在土壤微生物的作用下能够促进土壤团聚体的形成，增强了土壤有机碳的保护和固持作用[21]，从而有利于土壤有机质的积累。因此，在本研究中不同土层土壤中有机质及速效磷钾的含量显著增加，主要来源于玉米秸秆中的养分释放。

合理的土壤结构(土壤容重和孔隙度)是提高土壤肥力的前提条件，也是协调保证作物正常生长发育的必要条件。秸秆还田能够降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，并且随秸秆施入量的增加作用越明显，还田量为1.32%变化最显著，容重降低了7.19%，总孔隙度增加了6.77%[22]。黑土质地黏重，黏粒含量一般>30%，玉米直接秸秆还田可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改变土壤的三相比，使土壤变得疏松，通气透水性能明显提升[23-24]，进而影响作物根系的生长和土壤中养分的有效性[12]。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田使得5～10 cm土层的土壤容重降低3.76%，而25～30 cm和45～50 cm土层的土壤容重分别降低了2.61%和1.32%[25]。本研究中与秸秆不还田CK处理相比，秸秆连续还田17年0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重分别下降了14%和4.5%(图3)，并且0～20 cm土层土壤中的通气孔隙显著增加了6.01%(图4)。土壤的结构改变对产量产生的影响不同[26]，土壤容重与产量呈线性负相关，土壤容重每增加0.1个单位，玉米减产10%～20%[27-29]。本研究中玉米秸秆长期还田两个土层都是土壤的容重是决定玉米产量的关键因素。

黑土是自然肥力较高的土壤，由于集约型的开垦利用导致土壤肥力下降和土壤结构变差，限制了作物产量的提升[1]，秸秆还田能够有效的提高作物产量。战秀梅等[3]研究表明，秸秆连年还田比秸秆不还田春玉米产量提高5.19%～5.89%。白伟等[30]研究发现，秸秆还田2年比秸秆不还田处理玉米产量增加3.25%。秸秆还田5年以上的定位试验研究证明，秸秆还田后作物平均增产为13%[13]。周怀平等[31]在褐土上的研究发现，秸秆连续还田19年玉米产量累积增加幅度为11.57%。本研究在秸秆连续还田的前3年，即2003～2005年期间NPK和NPKS处理之间的玉米产量无显著差异，且在2004年产量还显著的低于NPK处理，这可能是由于大量秸秆施入引起土壤中的碳、氮比例失衡[32]以及耕作和还田方式不当或播种质量差造成出苗弱等原因引起的[33]。从2009年以后NPKS处理的玉米产量的高于NPK处理(2010年除外)，尤其是从2011年以后NPKS处理的玉米产量增加显著，呈稳定增长的变化趋势(图5)。玉米秸秆连续还田的17年产量和土壤有机质、养分、pH和土壤物理属性均发生显著变化。与2003年的土壤基础生产力相比，CK处理长期没有化肥和秸秆投入，土壤的有机质含量、养分含量较NPK和NPKS处理显著下降，但是其基础生产力经过17年后没有显著的变化，且不受玉米品种的更换所影响，因此在高肥力黑土土壤上即使没有外源的补给仍然能够维持土壤的基础生产力[26]。施入外源的化肥，即NPK处理，显著提高了土壤的有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量，以及玉米的产量，可以明确玉米产量的提升与化肥养分的释放和能快速被作物吸收利用有直接的关系[34]。NPKS处理，由于秸秆的长期还田显著降低了土壤的容重，增加了表层0～20 cm土层的通气孔隙，NPKS处理的秸秆腐解过程提高了土壤中有机质和养分含量(图1和2)，改善土壤的物理结构(图3和4)，进而满足了玉米生长发育和产量进一步提升对养分的需求[35]。

4 结论

基于17年的田间定位试验研究发现：高肥力土壤的基础生产力不受种植年限和种植作物的品种影响，相对较为稳定；长期施用化肥(NPK)主要通过改变土壤的有机质、养分和pH值影响玉米的产量，而化肥和秸杆搭配(NPKS)处理改善了土壤的孔隙度，尤其是土壤的容重，从而确保了玉米产量稳定提高。长期不同施肥制度下，在0～20 cm土层是有机质和全氮含量对玉米产量的贡献率最大；在20～40 cm土层，土壤碱解氮和速效磷含量对玉米产量的贡献度最高。