秸秆还田量对东北旱地土壤磷素淋溶及玉米产量的影响

刘晓辉，高晓梅，于淼，李杨，敖静，孙玉禄，王智学

（辽宁省微生物科学研究院，辽宁朝阳 122000）

玉米是东北旱地的主要粮食作物，播种面积大。由于玉米生产中化肥施用量高，易产生农田磷素面源污染。世界银行报道，农业面源污染造成50%的地下水受到污染[1]。2019 年生态环境部发布的《中国环境状况公报》表明，我国农业源磷素输出对环境污染的贡献率达67.3%，超过工业等其他源的排放量，成为我国环境污染的主要来源[2-3]。研究证明，长期过量投入磷肥引起土壤磷素累积，部分设施农田土壤有效磷含量高达400 mg·kg-1以上[4-6]；而土壤磷素积累是引起农业面源污染的重要因素[7-8]。

过量的磷素通过地表径流、土壤侵蚀淋溶等形式进入环境，造成农业面源污染[9]。土壤中磷素淋溶流失主要通过以下2 种形式：降雨产生地表径流直接进入河流湖泊；地表侵蚀通过土壤剖面垂直地渗透到地表水和地下水[10]。影响磷素淋溶流失的因素主要有以下几方面：①降雨强度，研究表明，降雨强度直接影响土壤中磷元素的淋溶损失量[11]，土壤中全磷含量与降雨强度呈显著正相关[12-13]；②施肥量，施肥量与土壤磷素淋溶流失密切相关，研究发现，目前的肥料施用量远高于农作物生长的实际需求量，近1∕3 的磷残留于农田土壤中，导致土壤中磷素淋溶流失污染环境[14-15]；③土壤性质，秸秆还田有利于改良土壤，改善土壤质地和团粒结构，增加孔隙度，提高土壤溶液的入渗率，增加土壤饱和导水率，有效提高作物对土壤磷素的吸收利用[16]，减少土壤磷淋溶损失，且秸秆中的有机碳可通过影响土壤黏性来影响土壤中磷素的有效性，间接影响土壤磷含量，施加秸秆可以控制土壤磷的淋溶损失[17-18]。

前人研究了不同种类秸秆还田以及秸秆还田方式对土壤磷素淋溶的影响，且多数为实验室模拟试验，而对东北旱地秸秆还田量对土壤磷素淋溶损失的研究鲜见报道。因此，本研究探讨了不同秸秆还田量对东北旱地土壤中磷素淋失及作物产量的影响，为东北旱地秸秆还田减少磷淋溶、控制农业面源污染、提高农业产值提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020 年5月12日至10月21日在辽宁省朝阳市喀左县六管官子镇东前沟乡（41°17′57″N，119°63′48″E）进行。试验区地处温带半干旱西辽河州向暖温带半湿润冀北山地过渡地带，属大陆性季风气候，主要气候特点为春季少雨多风，夏季炎热少雨，秋季晴朗日照足，冬季寒冷降雪稀少，年均气温8.7 ℃，年均降水量491.5 mm，年均日照时数2 807.8 h，无霜期144 d。整个植物生长期（4—9月）的降水量为451.6 mm，占全年降水量的92%。试验前茬作物为玉米。

1.2 试验材料

以春玉米品种吉地67 为试验材料。还田的玉米秸秆原料采自辽宁省朝阳市喀左县六官营子镇东前沟乡附近农田。玉米秸秆在室外自然晾晒至含水量为10%～15%，然后用秸秆粉碎机粉碎（＜10 cm）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，以常规施肥为对照（CK），然后在常规施肥的基础上，分别设置添加秸秆0.25（T0.25）、0.50（T0.50）、0.75（T0.75）、1.00（T1.00）、1.25（T1.25）和1.50 kg·m-2（T1.50），共计7个处理。常规施肥处理为基施复混肥（N∶P2O5∶K2O=28∶14∶12）750 kg·hm-2，生长期不再追施肥料。每处理3 次重复，共21 个小区。每小区长8 m，宽6 m，纵向隔离行1.0 m，横向隔离行0.8 m。其他田间管理同当地大田生产。

1.4 试验方法

1.4.1 秸秆还田方式 采用深埋方式进行秸秆还田。在作物种植行下挖25 cm深沟；将粉碎的秸秆按试验设计比例均匀施入沟里；将开沟的土覆于粉碎的秸秆上，覆土厚度20～25 cm，形成种植垄。

1.4.2 淋溶方式 采用田间渗漏池法[19]进行淋溶。在每个小区中央区域挖一个长150 cm×宽80 cm×高40 cm 的淋溶池，在淋溶池中央挖40 cm深置入淋溶桶（直径40 cm，高40 cm）。淋溶桶盖带有数个小孔，以便淋溶液的流入；且淋溶桶插有抽水管和通气管通到地面上。淋溶池用塑料薄膜围隔，淋溶桶上剪1个直径20 cm的孔，在孔下再将装有细沙的尼龙袋（100 目）覆盖在桶面，细沙厚度5 cm，防止土壤颗粒渗入淋溶桶；随后覆土至25 cm深左右，再与整个小区同样铺设秸秆层，最后覆土。

1.4.3 土样采集 按照5 点取样法，分别取秸秆上层0—20 cm、秸秆层20—30 cm及秸秆下层40—50 cm、50—70 cm、70—90 cm 共5个土层土样，带回实验室平铺阴干，同一土层5 个重复混合均匀，过100目筛备用。

1.4.4 收集淋溶液 用真空泵抽取淋溶桶中的淋溶液。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 土壤理化性状 按照《土壤农化分析》[20]测定土壤中全磷（total phosphorus，TP）和速效磷（available phosphorus，AP）含量。使用FIA6000+流动注射分析仪，采用硫酸、高氯酸酸溶-钼锑抗比色法测定全磷，采用盐酸硫酸酸溶-钼锑抗比色法测定速效磷。

1.5.2 淋溶液中全磷和速效磷测定 淋溶液中全磷和速效磷的含量依据《农田面源污染监测方法与实践》[19]测定，计算公式如下。

1.5.3 玉米产量的测定 在玉米收获后，统计各处理玉米的穗长、穗粗、百粒重，玉米籽粒烘干后称取质量。准确计数试验小区的全部鲜粒质量，然后用谷物水分测定仪测定籽粒含水率，达到国家标准含水率14%[21]，计算出实际产量。

1.6 数据统计分析

采用Excel 2016 软件进行数据分析和绘图，采用DPS 软件进行差异显著性分析，采用最小显著极差法进行多重比较，采用SPSS 26.0软件进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田量对不同土壤剖面磷素的影响

0—90 cm土壤TP含量变化如图1所示，各处理土壤TP含量随着土层深度的增加逐渐降低，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm。对于0—20 和20—30 cm 土层，土壤TP 含量随着秸秆还田量的增加先增加随后基本平稳，T1.00处理的TP含量最高，其中T1.00处理0—20 cm土壤TP 含量与CK 差异显著；而不同处理20—30 cm土壤TP含量差异不显著。这可能是玉米秸秆本身含磷量相较于土壤全磷含量较低，短时间内对土壤全磷含量影响不大。在秸秆下30—90 cm 土壤，TP 含量随着秸秆还田量的增加而减少，除T0.25 和T0.50 处理外均显著低于CK；其中在70—90 cm 层不同秸秆处理间TP 含量均差异不显著。

各处理土壤AP 含量随着土层深度的增加逐渐减少，即0—20 cm＞20—30 cm＞30—50 cm＞50—70 cm＞70—90 cm（图2）。在0—20 和20—30 cm土层中，随着秸秆还田量的增加土壤AP含量呈增加趋势，其中，0—20 cm 层秸秆还田处理的土壤AP 含量均显著高于CK；20—30 cm 土层中，除T0.25 处理外均显著高于CK，表明随着秸秆的腐熟，秸秆中易于分解的磷进入土壤，增加了土壤中速效磷含量，且秸秆腐熟过程中生成有机阴离子、有机酸和腐殖质等，可减少土壤对磷的吸附固定，促进土壤中难溶性磷向可溶性磷的转化[22]，秸秆还田还可以促进土壤微生物大量繁殖，提高土壤的生物活性，从而增加土壤速效磷含量。在30—50 cm 土层中，秸秆还田处理的土壤AP 含量均显著低于CK。在50—70 和70—90 cm 土层中，T0.25和T0.50处理的土壤AP含量与CK差异不显著，而其他秸秆还田处理均显著低于CK。综上所述，秸秆下层土壤的AP含量随秸秆还田量的增加而减少，说明秸秆还田量对土壤中AP向下迁移有显著影响。

图2 0—90 cm土壤剖面速效磷含量Fig.2 Contents of soil available phosphorus in 0—90 cm soil profile

2.2 秸秆还田量与淋溶液中TP 和AP 含量的关系

由图3 可知，秸秆还田处理的淋溶液中TP 和AP 含量均低于CK，且随秸秆还田量的增加淋溶液中TP和AP含量逐渐减少。与CK 相比，秸秆还田处理淋溶液中的TP 淋溶量降低12.93%～59.85%，AP 淋溶量降低11.22%～46.28%；除T0.25 处理外，其他秸秆还田处理淋溶液中的TP和AP含量均显著低于CK。

图3 不同秸秆还田量下淋溶液中全磷与速效磷含量Fig.3 Coutents pf TP and AP in phosphorus leaching under different straw returning amounts

相关分析（表1）表明，秸秆还田量与淋溶液中TP 和AP 淋溶液量分别呈极显著和显著负相关。将秸秆还田量与淋溶液中TP和AP含量进行回归分析，建立的回归方程R2达极显著水平，表明建立的回归方程具有统计意义（图4）。由图4可知，随着秸秆还田量的增加，磷素淋溶量逐渐减少。

表1 秸秆还田量对磷素淋溶的相关分析Table 1 Correlation analysis of straw returning amount to phosphorus leaching

图4 淋溶液中磷素与秸秆还田量的关系Fig.4 Correlation of straw returning amount to phosphorus leaching

2.3 秸秆还田量对玉米产量的影响

由表2 可知，秸秆还田处理玉米的百粒重、穗长、穗粗和籽粒产量均高于CK，其中，百粒重较CK提高0.74%～2.39%，穗长增 加3.06%～11.29%，穗粗增加0.34%～1.20%，籽粒产量提高6.34%～14.61%。秸秆还田处理中除T0.25 和T0.50处理外，其余处理的百粒重均显著高于CK。T0.75、T1.00 和T1.25 处理的穗长显著高于CK。T0.75 处理的穗粗显著大于CK。T0.75 和T1.00 处理的产量显著高于CK。综上所述，随着秸秆还田量的增加，玉米的籽粒产量和各产量构成要素先增加后降低，当秸秆还田量为0.75 kg·m-2时玉米籽粒产量最高，较CK 增产1 872 kg·hm-2，且各产量构成要素均高于其他处理。

表2 不同处理下玉米的产量及构成要素Table 2 Yield and yield components of maize under different treatments

3 讨论

土壤磷素在土壤中向下迁移和淋溶受土壤性质、气候条件、肥料种类和用量等多种因素影响[23]。改良土壤性质能够从源头上减少磷素流失，是减少农田磷素面源污染的重要手段。本文研究了秸秆还田量对土壤磷素向下迁移和淋溶的影响，结果表明，秸秆还田量对土壤磷素向下迁移有显著影响，随着秸秆还田量的增加磷素向下迁移量减少，与刘红江等[24]研究结果一致。秸秆还田量对磷素的淋溶有显著影响，秸秆下层淋溶液中无论是TP还是AP的含量均随着秸秆还田量的加大而减少，与CK 相比，淋溶液中TP 含量降低12.93%～59.85%，AP 含量降低11.22%～46.28%，与霍晨[10]结果一致。由此表明，随着秸秆还田量的增加有效地限制磷素向下移动和淋溶，减少了磷素的面源污染。

秸秆还田可增加土壤有机质含量、培肥土壤、改善土壤物理性状及养分含量，从而增加农作物产量[25]。本研究表明，随着秸秆还田量的增加，玉米产量先增加后缓慢降低，当秸秆还田量为0.75 kg·m-2时玉米产量最高，较CK 提高14.61%。这可能是由于过度增加秸秆还田会影响土壤的C∕N，土壤中氮素不足，微生物与作物竞争氮素，作物因为缺少氮素而生长不良，产量降低，与张静等[26]研究结果一致。秸秆还田还可以有效地提高土壤保墒和保水等性能，这也是东北旱地玉米产量提高的重要因素。