秸秆还田与耕作方式对内蒙古平原灌区玉米田土壤质量的影响

崔文芳， 于晓芳， 王志刚， 高聚林， 张 石， 胡树平， 许 鹏， 雷娟玮

(内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010019)

内蒙古平原灌区土地辽阔、农田土壤地力分布不均[1]，农业生产中存在耕层浅、犁底层坚硬等土壤结构问题，同时，当地玉米生产中以连年浅旋耕作方式为主，导致土壤结构问题逐年加剧[2]，制约了玉米产量的持续提升[3]。在农业生产过程中，秸杆还田和机械耕作措施这2种模式是目前改善土壤环境最为有效的关键性措施[4]。土壤进行合理耕作能够促使土壤中的气体、温度、湿度、酸碱度、水分含量等多个因素达到最佳状态[5]，而秸秆还田可有效改良土壤内部结构，显著提升地力[6]。李嵩等通过连续3年玉米田旋耕、翻耕、深松试验，认为深松对改善耕层厚度和降低犁底层厚度具有显著效果[7]。在中下层土壤，深松可降低土壤紧实度和容重，改善土壤的孔隙状况。吴建富等认为，连续2年免耕对土壤结构、容重、孔隙状况等有改善作用，还可提高土壤肥力[8]。但是，于博等认为，深松可以改善长期不合理耕作造成的耕层物理结构变差状况，但却不可能通过1年或几年的单一的深松耕作，使土壤结构恢复到原来的状态[9]。吴建富等认为，免耕1年对改善土壤物理性质有一定作用，能促进养分向表土层富集，免耕年限延长，物理性质将下降。可见，单一的耕作措施随着施用年限的延长，不能保证土壤质量的持续提升[8]。于博等对连续多年深翻秸秆还田的土壤研究后认为，2年深翻秸秆还田利于改善犁底层结构，3年和4年深翻秸秆还田利于改善耕层结构[9]。以往的研究多侧重于单一耕作措施，关于连年实施不同耕作措施秸秆还田技术模式间的差异性及年际间的变化研究较少。因此，本研究将耕作方式和秸秆还田方式耦合形成不同的秸秆还田模式，通过对不同耕作及秸秆还田模式下土壤质量相关指标的测定及分析，研究连续4年不同耕作及秸秆还田措施提升土壤质量的机制，明确不同耕作及秸秆还田模式对土壤质量的改善效果，以期为内蒙古平原灌区建立以土壤质量提升、秸秆高效利用为核心的秸秆还田技术模式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年和2018年在内蒙古农业大学科技园区(内蒙古自治区包头市土默特右旗沟门镇)进行，试验基地属土默川平原灌区，地势平坦，定点试验田的耕层为15～17 cm，犁底层为17～40 cm，质地为壤土，前茬是玉米，2017年播种前0～20 cm耕层土壤养分：有机质含量为22.30 g/kg，碱解氮含量为44.89 mg/kg，速效磷含量为7.97 mg/kg，速效钾含量为82.24 mg/kg。2018年土壤养分：有机质含量为20.72 g/kg，碱解氮含量为51.64 mg/kg，速效磷含量为4.21 mg/kg，速效钾含量为63.24 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用裂区试验设计，主区为秸秆还田与耕作方式，分别以农户浅旋(CK)的土壤肥力为对照，设置推茬清垄条深旋秸秆还田(SCR)、深松秸秆混拌还田(SSR)、深翻秸秆粉碎还田(DPR)、免耕秸秆粉碎覆盖还田(NTR)，共5个处理，重复4次。

农户浅旋指在秋季机械收获后秸秆离田，春季浅旋(15 cm)，整地播种；推茬清垄条深旋秸秆还田指在秋季机械收获后秸秆全量粉碎覆盖还田，春季条深旋耕30 cm，推茬清垄播种机播种小双行；深松秸秆混拌还田：指在秋季机械收获后秸秆全量粉碎覆盖还田；秋季深松(35 cm以上)，春季浅旋混拌使秸秆进入土中，整地播种；深翻秸秆粉碎还田指秋季机械收获后秸秆全量2次粉碎秋深翻(35 cm以上)使秸秆翻入土中，春季整地播种；免耕秸秆粉碎覆盖还田指秋季机械收获后秸秆全量覆盖，春季粉碎还田、免耕播种。副区为品种，选择品种为先玉696，种植密度为82 500株/hm2，小区面积为 390 m2，长65 m，宽 6 m，行距60 cm，株距20 cm，每个处理重复4次。2年连续定位试验，各处理田间排列和位置固定不变，2017年4月26日播种，10月26日机械收获籽粒；2018年4月23日播种，10月28日机械收获籽粒。施肥量：纯氮为465 kg/hm2，P2O5为210 kg/hm2，K2O为202.5 kg/hm2，氮肥按 3 ∶7 比例分别于拔节、大口期追施，P2O5和K2O作基肥一次性施入，其他管理同大田生产。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 测定指标及方法 (1)土壤含水量和容重：采用环刀法(容积100 cm3)测定，于玉米成熟期选择具有代表性的地块，用环刀取0～15、15～30、30～45 cm土层土样，称质量后，装入密封袋中带回实验室，在80 ℃烘箱内烘干，再称质量，计算土壤容重和土壤含水量。

土壤容重(g/cm3)=(烘干后带土环刀质量-环刀质量)/环刀容积；

土壤含水量=(原土质量-烘干土质量)/烘干土质量×100%=水质量/烘干土质量×100%。

(2)土壤孔隙度：成熟期用土壤孔隙度测定仪(型号UGT)测定，测定土壤层次：0～45 cm，每 15 cm 为1层。

(3)土壤养分：在玉米成熟期取0～15、15～30、30～45 cm 土层的土样，分别测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，碱解氮含量用扩散吸收法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠提取、钼锑蓝比色法测定，速效钾含量用盐酸浸提火焰光度法测定。

(4)人工测产及考种：在收获期测产，去除边行效应，每个处理随机选取3点，每点验收2行，量取5 m，准确量取测产区面积，并调查该面积内总株数、穗数、双穗数、空秆数、倒伏数、实际收获株数、收获总穗数。随后将每个处理所取果穗自然风干，留作室内考种。测定项目包括穗粒质量、粒质量、千粒质量、行粒数、穗行数、产量等。

1.3.2 土壤质量评价 土壤质量指数能够综合有效地反映土壤质量的变异信息，采用加权求和模型对深松条件下土壤含水量、土壤容重、土壤全氮含量、土壤速效钾含量等指标，进行土壤质量指数的计算。

土壤质量评价指数(SQI)计算公式[10]如下：

(1)

式中：Wi为指标权重；Ni为指标隶属度；n为指标个数。其中，指标权重表示某指标与其他指标之间相关系数的平均值占所有评价指标相关系数平均值总和的比。隶属度由评价指标所属的隶属度函数确定。隶属度函数一般分为升型和降型。

升型隶属度函数公式为

(2)

降型隶属度函数公式为

(3)

研究根据最小数据集中各指标对土壤质量的正负效应选择函数和确定其隶属度。各指标的最小值和最大值作为函数的转折点x1、x2。

1.4 数据处理

采用Excel记录与整理数据，利用Excel、DPS 7.5软件进行方差分析和显著性检验，对各指标进行年际间和处理间差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作还田模式对土壤养分积累的影响

2.1.1 不同耕作还田模式对土壤有机质的影响 由表1可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间比较，各土层有机质积累量均有增加趋势，且达到显著差异。从4年的整体结果看，处理间比较，各土层的各处理间，0～15 cm土层的除SSR、NTR处理与CK间差异不显著，其余处理间均达到显著差异；15～30 cm，SSR处理显著高于CK；30～45 cm，DPR处理显著高于CK。以2020年为例，0～15 cm，SSR、SCR、NTR处理较CK分别提高13.76%、11.38%、51.07%；15～30 cm，SSR、NTR处理分别比CK高12.18%、33.67%；30～45 cm，NTR处理比CK高39.17%。

表1 不同耕作还田方式下土壤有机质养分年际间变化

从各处理的均值看，2017—2020年，SSR、SCR、NTR、CK的有机质积累量均有明显增加，年平均增长率分别为11.25%、11.72%、29.09%、13.42%，到2020年，SSR、SCR、NTR处理分别比CK提高2.89%、5.23%、41.19%。以上分析表明，SSR、NTR、DPR分别对0～30、0～15、30～45 cm土壤有机质积累有促进作用。

2.1.2 不同耕作还田模式对土壤碱解氮的影响 由表2可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间比较，各土层碱解氮积累量表现增加趋势，且达到显著差异。从4年的整体结果看，处理间比较，各土层的各处理间均达到显著差异，0～15 cm，SSR、SCR、NTR处理显著高于CK；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR处理显著高于CK；30～45 cm，NTR处理显著高于CK。以2020年为例，0～15 cm，处理间差异显著，SSR、SCR、NTR处理显著高于CK，3个处理分别比CK高19.23%、21.06%、153.54%；15～30 cm，处理间差异显著，SSR、NTR处理均显著高于CK，分别比CK高7.08%、98.62%；30～45 cm，NTR处理与CK差异显著，比CK高192.14%。

表2 不同耕作还田方式下土壤碱解氮年际间变化

从各处理的均值看，从2017年到2020年DPR、SCR、NTR处理和CK的碱解氮积累量均有明显增加，年均增长率为1.15%、5.54%、42.16%、5.99%，到2020年，DPR、SSR、SCR、NTR处理分别比CK高10.88%、3.32%、20.58%、145.69%。以上分析表明，SCR、NTR处理更利于土壤碱解氮的积累。

2.1.3 不同耕作还田模式对土壤速效磷的影响 由表3可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间比较，各土层土壤速效磷积累量表现为增加趋势，且达到显著差异。从4年的整体结果看，处理间比较，各土层的各处理间均达到显著差异，0～15 cm，SCR、NTR处理显著高于CK，15～30、30～45 cm 土层没有显著高于CK的处理。以2020年为例，0～15 cm，SSR、NTR处理速效磷含量较高，与CK差异显著；15～30 cm，NTR处理显著高于CK；30～45 cm，NTR处理显著高于CK。

表3 不同耕作还田方式下土壤速效磷养分年际间变化

从各处理的均值看，从2017年到2020年SSR、SCR、NTR处理和CK的速效磷积累量均有明显增加，年均增长率分别为119.05%、42.28%、145.24%、28.80%，到2020年，SSR、SCR、NTR处理分别比CK高225.59%、92.93%、232.66%。SSR、SCR、NTR处理更有利于土壤速效磷的积累。

2.1.4 不同耕作还田模式对土壤速效钾的影响 由表4可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间比较，各土层速效钾积累量表现增加趋势，且达到显著差异。从4年的整体结果看，处理间比较，各土层的各处理间均达到显著差异，0～15、30～45 cm均为SSR处理显著高于CK。以2020年为例，0～15 cm，处理间差异显著，SSR、SCR、NTR处理显著高于CK，3个处理分别比CK高52.66%、16.64%、42.83%；15～30 cm，以2019年为例，SSR显著比CK提高74.82%；30～45 cm，SSR显著比CK提高41.54%。

表4 不同耕作还田方式下土壤速效钾养分年际间变化

从各处理的均值看，从2017年到2020年SCR、NTR的速效钾积累量均有明显增加，年均增长率分别为11.83%、27.20%。到2020年，SSR、NTR分别比CK高15.29%、17.68%。SSR、NTR更有利于土壤速效钾的积累。

2.2 不同耕作还田模式对土壤物理性质的影响

2.2.1 不同耕作还田模式对土壤紧实度的影响 由表5可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，处理间比较，各土层的各处理间均达到显著差异，0～15、15～30、30～45 cm，均为DPR、SSR处理显著低于CK。以2020年为例，0～15 cm，DPR、SSR、NTR处理较CK分别降低40.55%、54.15%、25.03%；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR较CK分别降低50.91%、51.18%、38.07%、8.77%；30～45 cm，SCR、NTR分别比CK高12.69%、9.17%。

表5 不同耕作还田方式下土壤紧实度年际间变化

从各处理的均值看，从2018年到2020年DPR、SSR、SCR、NTR的紧实度有降低趋势，年均以10.75%、19.36%、4.17%、4.76%的比率降低，到2020年，DPR、SSR、SCR、NTR处理分别比CK低44.66%、43.69%、12.06%、4.76%。DPR、SSR、SCR、NTR均有利于降低土壤紧实度效果，但DPR、SSR的效果更显著。

2.2.2 不同耕作还田模式对土壤孔隙度的影响 孔隙度反映土壤孔隙状况和松紧程度。分析不同耕作秸秆还田模式下不同处理各土层土壤孔隙度年际间变化(表6)可知，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间比较，孔隙度表现降低趋势，而处理间未达到显著差异。

表6 不同耕作还田方式下土壤孔隙度年际间变化

从各处理的均值看，从2017年到2020年DPR、SSR、SCR、NTR、CK的孔隙度有降低趋势，年均以4.70%、3.56%、6.62%、5.17%、5.73%比例降低，但是到2020年，DPR、SSR、NTR仍分别比CK高2.55%、5.22%、4.83%。DPR、SSR、NTR具有减缓降低土壤空隙度的作用，但效果不显著。

2.2.3 不同耕作还田模式对土壤含水量的影响 分析不同耕作秸秆还田模式下不同处理各土层土壤含水量年际间变化(表7)，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，年际间含水量表现升高趋势，且年际间差异显著。从4年的整体结果看，处理间比较，各土层的各处理间均达到显著差异，0～15 cm，SSR、SCR处理显著高于CK；15～30 cm，DPR、SCR处理显著高于CK；30～45 cm，DPR处理显著高于CK。以2020年为例，0～15 cm，DPR、SSR、NTR处理分别较CK升高2.82、2.93、4.42百分点；15～30 cm，DPR、SSR、SCR、NTR处理分别较CK升高4.33、3.59、0.98、5.28百分点；30～45 cm，DPR、SCR、NTR处理分别较CK升高2.25、1.13、5.26百分点。

表7 不同耕作还田方式下土壤含水量年际间变化

从各处理的均值看，从2017年到2020年，DPR、SSR、NTR、CK土壤含水量有升高趋势，年均以0.96、1.32、2.13、0.44百分点的比率升高，到2020年，DPR、SSR、NTR处理分别比CK提高3.13、2.09、4.99百分点。DPR、SSR、NTR处理均有利于提高土壤含水量。

2.3 不同耕作还田模式对土壤质量指数和产量的影响

2.3.1 不同耕作还田模式对土壤质量指数的影响分析不同耕作秸秆还田模式下不同处理年际间播前土壤质量指数变化，结果(表8)表明，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，2017年，DPR、SSR、SCR处理高于CK；2018年NTR处理播前土壤质量指数为0.67，但仍低于CK(0.71)；2019年，SSR处理最高，其次是DPR，分别比CK高137.84%、45.95%；2020年，NTR处理最高，其次是SSR处理，分别比CK高320.00%、188.00%。2017—2020年土壤质量指数的均值表现为SSR、NTR、DPR、SCR处理均高于CK，分别比CK提高57.31%、31.58%、28.07%、24.56%，而2017—2020年CK的土壤质量指数表现较低且有降低趋势。因此，农户浅旋不利于土壤质量的提升，而SSR、NTR处理土壤质量指数逐年提升。

表8 不同耕作还田方式下土壤质量指数年际间变化

2.3.2 不同耕作还田模式对玉米产量的影响 分析不同耕作秸秆还田模式下不同处理产量年际间变化，结果(表9)表明，在实施不同耕作方式与秸秆还田措施下，2017—2020年，DPR、SSR、NTR处理与CK间的产量差异显著，分别较CK提高16.41%、17.66%、17.46%，年际间差异不显著。

表9 不同处理玉米产量年际间变化

3 讨论与结论

我国农田土壤耕作层浅、实、少，犁底层加厚，蓄水保墒能力差，土壤肥力不均等问题是制约产量持续提升的主要原因之一[11]。深松和深翻均可降低土壤紧实度，改善土壤结构和孔隙度，提升蓄水能力，提高土壤肥力。深松的效果又优于翻耕[12]，本研究也得到相同结果。何鑫在黑土上的研究表明，深松更利于改善土壤结构，提高土壤速效养分[13]。闫洪奎等通过5年定位试验研究表明，深松秸秆还田导致土壤表层碱解氮、速效钾积累量降低，增强田间持水能力、表层有机质和速效磷积累量[14]。本研究表明，深松秸秆混拌还田较农户浅旋能增加0～30 cm土层土壤有机质及碱解氮含量、0～45 cm速效钾含量，降低0～45 cm土层土壤紧实度，免耕秸秆粉碎覆盖还田能增加0～15 cm有机质含量、0～45 cm碱解氮含量、0～15 cm 速效钾积累量。究其原因可能是深松秸秆混拌还田因部分粉碎秸秆入土较深，秸秆腐解后将提高深层土壤养分含量，而免耕秸秆粉碎覆盖还田秸秆覆盖于表层，农户浅旋秸秆入土较浅(15 cm左右)，因此，深松秸秆混拌还田对于提高表层土壤有机质含量效果较显著，而碱解氮分布则有所不同，因秸秆分解过程中要消耗碱解氮中的部分无机氮，致使深松秸秆混拌还田0～35 cm范围内无机氮均有消耗，积累量显著低于免耕秸秆粉碎覆盖还田，免耕秸秆粉碎覆盖还田处理3个土层碱解氮含量均较高，经过4年积累，到2020年碱解氮积累到 130.34 g/kg，明显高于其他处理，农户浅旋处理浅层土壤消耗无机氮用于秸秆分解，因此，实测结果中农户浅旋浅层(0～15 cm)土壤碱解氮含量较高，而深松秸秆混拌还田在0～45 cm含量分布均低于免耕秸秆粉碎覆盖还田，这与江泽普等的研究结果[15-16]一致。本研究设置深翻秸秆粉碎还田、深松秸秆混拌还田、推茬清垄条深旋秸秆还田、免耕秸秆粉碎覆盖还田、农户浅旋等5个处理，探索不同耕作模式配套秸秆还田技术对内蒙古平原灌区玉米农田土壤肥力及物理性状的年际间影响，并对各技术模式的土壤质量进行评价，结果表明，深松秸秆混拌还田和免耕秸秆粉碎覆盖还田耕作措施利于持续提升土壤质量和肥力，是内蒙古平原灌区持续提升土壤质量的有效措施。

我国持续多年的旋耕耕作方式，导致耕作层变浅、犁底层加厚紧实且表现上移，根系难以深扎，同时也严重破坏了土壤的物理性状。为此，诸多学者利用农家肥、有机肥、秸秆还田等途径提高地力，通过深松等耕作方式提高保水能力。实践证明，既加深耕层又提高地力，才能保证耕地综合生产能力的持续提升，单纯的秸秆还田或深松耕作方式无法彻底解决土壤质量下降的问题。为此本研究从2016年秋季开始，进行了深松结合秸秆还田的长期定位试验。长期秸秆还田，可使0～20 cm土层有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加[17]。本研究也证明，深松秸秆混拌还田能有效促进土壤有机质、速效磷的积累，提高土壤含水量，4年间，有机质含量、速效磷含量年均以11.25%、119.05%的比率增长，土壤含水量年均增长1.32百分点，到2020年，有机质含量、速效磷含量、土壤含水量比CK提高2.89、225.59、2.09百分点；免耕秸秆粉碎覆盖还田能有效促进土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾积累，4年间，有机质年均以29.09%、42.16%、145.24%、27.20%的比率增长，到2020年，比CK提高41.19、145.69、232.66、17.68百分点。且以上2种秸秆还田与耕作方式随着实施年限的延长使土壤质量逐步提升。

保障粮食安全，关键在于落实藏粮于地、藏粮于技战略，要真正实现“藏粮于地”，首先要有高质量的耕地，与20世纪80年代相比，目前，我国耕地的基础地力下降了至少10%。因此，持续提升土壤质量势在必行。而持续秸秆还田是提高有机质含量提升土壤质量最有力的措施，深松秸秆混拌还田能形成虚实并存的土壤结构，有利于降低土壤紧实度，不翻土层，使粉碎秸秆覆盖地表，利于更大程度地蓄水保水，加之深松后土壤表面粗糙度增加，可阻碍雨水径流，延长雨水入渗时间，提高土壤水分的有效利用率，疏松0～35 cm土层，能增强土壤通透性，促进微生物的活化和矿物质的分解，促进有机质、速效养分的积累，提升土壤肥力。免耕秸秆粉碎覆盖还田能够促进土壤有机质及碱解氮、速效磷、速效钾速效养分的积累，但蓄水保墒能力不足。且以上2种秸秆还田与耕作方式随着实施年限的延长使土壤质量逐步提升。因此，这2项措施是内蒙古平原灌区持续提升土壤质量的有效措施。