秸秆不同还田方式对轮作小麦—玉米产量、土壤养分及蔗糖酶活性的影响

王 晶，孙松青，李 雪，高凤婕，吴钦泉，石国明，胡 凯，耿立中，马学文，

(1.山东农大肥业科技股份有限公司/山东省腐殖酸高效利用示范工程技术研究中心，山东泰安 271600；2.农业农村部腐殖酸类肥料重点实验室，山东泰安 271000； 3.土肥高效利用国家工程研究中心/山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018； 4.山东省东平县农业发展服务中心，山东东平 271599；5.山东省鄄城县农业农村局，山东鄄城 274699； 6.山东省惠民县农业农村局，山东惠民 251700)

在我国粮食高产稳产的同时，由于化肥大量施用和有机肥施用量较低，土壤质量逐步恶化[1]。秸秆还田是合理利用资源、提高土壤肥力的重要途径。当前我国可利用秸秆量有9亿t，在禁止焚烧秸秆的现实情况下，庞大的秸秆资源如何高效利用成为亟待解决的问题。秸秆还田是当前农业生产普遍采取的措施，可以蓄水保墒、改善土壤板结、提高土壤养分及有机质含量[1]，改善土壤理化性质，提高土壤孔隙度、降低土壤容重[2]和紧实度、增加水稳性团聚体含量、减少水分蒸发，提高土壤含水量和水分利用率、调节土壤热通量、改善土壤养分状况，提升土壤肥力。另外，秸秆还田能提高土壤微生物活性。庞荔丹等的研究表明，玉米秸秆配氮还田能显著提高土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性[3]；高日平等的研究表明，秸秆还田能显著提高土壤碱性磷酸酶活性[4]；赵雪淞等的研究表明，秸秆还田处理均可显著增加花生种植土壤微生物量[5]。秸秆还田能提高农作物的产量和品质，高盼等的试验表明，与秸秆不还田处理相比，秸秆翻埋还田和秸秆覆盖还田春玉米产量分别提高了17.20%、15.02%[6]。另有研究表明，秸秆还田还能增加甜瓜[7]、水稻、青椒[8]、花生[5]等农作物的产量。秸秆还田既能培肥地力，又能减少化肥的使用，在农业生产中节约成本，增产增效[9-10]。秸秆还田的主要方式有秸秆粉碎直接还田、秸秆覆盖还田、秸秆堆肥还田、秸秆过腹还田等[11]，其中秸秆粉碎直接还田方式简单、易行、成本低，是大田粮食作物普遍采取的一种方式，但其在实际生产中由于耕作方式、耕作深度、粉碎程度等处理不当也存在很多问题，例如：秸秆还田阻碍下茬作物出苗、缺苗断垅、弱苗[12]，秸秆腐解与农作物争夺养分，加重作物病虫害等，使得农民秸秆还田的积极性并不高。

针对秸秆还田现状，为探索比较黄淮海地区农田小麦、玉米主要农作物秸秆还田对土壤性质及作物生长影响，本研究对轮作小麦—玉米栽培中秸秆直接还田几种方式的效果进行研究，为当地农作物秸秆还田技术提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验方法

采取大田小区试验，试验时间为2020年10月13日至2021年10月24日。小区宽2.3 m，长 34 m，每小区面积为78 m2。

1.2 试验材料

供试土壤：供试土壤为普通棕壤(简育湿润淋溶土)，中壤质地，有机质含量8.76 g/kg，土壤pH值(水土比=1 ∶1)7.25，电导率(水土比=5 ∶1)271.78 μS/cm，全氮含量为1.10 g/kg，硝态氮含量为10.42 mg/kg，铵态氮含量为5.20 mg/kg，有效磷含量为13.24 mg/kg，速效钾含量为108.52 mg/kg。

供试作物品种：小麦品种为济麦22，生育期约240 d，于2020年10月10日播种，播种量 225 kg/hm2，行距23 cm；玉米品种为登海605，生育期约为96 d，于2021年6月24日播种，行距60 cm、株距24 cm，播种密度为67 500株/hm2。

供试秸秆：小麦栽培所用秸秆为上茬玉米秸秆，玉米栽培所用秸秆为上茬小麦秸秆。秸秆用量为上茬作物的全部秸秆，秸秆打碎方式为上茬作物收获时机械粉碎，粉碎长度小于5 cm。

供试肥料：复合肥为山东农大肥业科技股份有限公司生产的小麦专用复合肥(N含量17%，P2O5含量20%，K2O含量5%)、玉米专用复合肥(N含量20%，P2O5含量5%，K2O含量15%)，有机肥为市售腐熟牛粪(有机物质含量35.5%，总养分含量4.8%)，菌剂为微生物发酵菌剂(禾肥1号，山东宝来利来生物工程股份有限公司生产，原料：枯草芽孢杆菌、酿酒酵母及其代谢产物、麦饭石粉等)。

1.3 试验处理

以秸秆不还田为对照，根据秸秆直接还田翻耕方式、次数、与有机肥及微生物肥混施等，试验共设6个处理(表1)，重复3次。

表1 试验方案

整个研究为小麦—玉米轮作试验，先进行玉米秸秆还田小麦栽培试验，再进行小麦秸秆还田玉米试验。各处理均按750 kg/hm2施用复合肥，秸秆还田各处理中的秸秆用量为上茬作物的全部秸秆，秸秆打碎方式为上茬作物收获时机械粉碎，粉碎长度小于8 cm。各处理的旋耕、翻耕深度均为25 cm，使用当地常用大型机械进行耕作；DR处理有机肥施用量为30 t/hm2，SRB处理菌剂施用量为 75 kg/hm2，施用方式均为撒施后耕作。

1.4 测定指标及方法

采集小麦抽穗末期(2021年4月28日)、第2茬玉米拔节期(2021年7月10日)和灌浆期(2021年9月9日)3个生长期0～20 cm土样测定养分及微生物指标；小麦收获期为2021年6月17日，玉米收获期为2021年10月9日，测定作物产量指标。具体测定指标及方法如下：

土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定；2 mol/L 氯化钾浸提新鲜土样后，用靛酚蓝比色法测定土壤硝态氮和铵态氮含量；0.5 mol/L碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；1 mol/L中性乙酸铵浸提，火焰光度计测定土壤速效钾含量；土壤蔗糖酶活性采用比色法测定。

作物产量：每小区划定4 m2测小麦产量；每小区每行连续砍30株玉米测玉米产量。玉米穗粒数和百粒质量测定方法为点数、计算称质量得到。

纯收入=小麦(玉米)产量×小麦(玉米)销售单价-农民总支出。

1.5 统计方法

试验数据处理采用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行统计分析，采用Duncan’s法进行方差分析，用Dunnett’s T3(3)法检验不同处理间差异的显著性(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田耕作方式对小麦—玉米产量及产量构成因素的影响

表2为不同处理小麦—玉米产量，可以看出，各处理小麦产量在8 240.72～9 216.92 kg/hm2之间。与CK相比，DR、SR2、SRB处理小麦产量分别显著上升了6.56%、10.16%、4.41%(P<0.05)。各处理玉米产量在12 280.19～13 479.13 kg/hm2之间。与CK相比，DR、SR2、SRB处理玉米产量分别显著提高了6.33%、5.12%、6.43%，STR处理玉米产量显著降低了3.04%。与CK相比，DR、SR2、SRB处理玉米穗粒数分别显著提高了38.08%、13.73%、16.63%。与CK相比，DR、SR2处理玉米百粒质量分别显著降低了18.83%、6.95%。小麦—玉米周年纯收入结果显示，与CK相比，只有SR2处理周年经济效益有所提高，提高了289.87元/hm2，DR、SR1、SRB、STR处理周年经济效益均有所降低，分别降低了16 101.50、1 200.21、23 484.14、1 394.46元/hm2。DR、SR1、SRB、STR处理均显著低于CK。从产量和经济效益综合分析，在实际生产中建议采用SR2处理。

表2 不同处理小麦—玉米周年产量及经济效益

2.2 秸秆还田耕作方式对小麦抽穗末期土壤Shannon指数的影响

Shannon指数能衡量物种多样性，群落多样性越高，物种分布越均匀，Shannon指数越大。物种多样性取决于2个方面：物种丰富度和物种均匀度。丰富度是看群落内物种数的多寡，均匀度是看各物种个体数量的分配状况、均匀程度。均匀度越高，即群落内各物种的个体数量比较均衡，物种间达到一个相对平衡的状态，往往意味着群落更稳定。图1为小麦抽穗末期不同处理土壤的Shannon指数，可以看出，各处理土壤Shannon指数在9.29～9.58之间，与CK相比，DR、SR1、SR2、SRB、STR处理小麦抽穗末期土壤Shannon指数分别显著升高了3.09%、2.51%、2.32%、2.90%、1.67%。综上，CK的Shannon指数最低，且显著低于其他处理，这说明与秸秆不还田相比，秸秆还田能显著提高土壤的物种多样性；在所有秸秆还田(DR、SR1、SR2、SRB、STR处理)处理中，STR处理Shannon指数最低，且与DR、SRB处理差异达显著水平，这说明秸秆还田后深翻耕加耙地增加土壤物种多样性的效果较差，其余处理中，土壤Shannon指数表现为DR>SRB>SR1>SR2，DR处理Shannon指数高达9.58，但与SR1、SR2、SRB处理相比差异不显著，所以秸秆还田配合旋耕再施加复合肥、 有机肥处理是提高土壤物种多样性的最佳处理。

2.3 秸秆还田耕作方式对土壤硝态氮含量的影响

图2为玉米不同时期不同处理的土壤硝态氮含量，可以看出，在玉米拔节期，各处理土壤硝态氮含量为59.08～113.91 mg/kg。与CK相比，DR、SR1、SR2、SRB处理土壤硝态氮含量分别显著降低了41.01%、10.13%、28.08%、32.39%，STR处理土壤硝态氮含量显著增高了13.74%。在玉米灌浆期，各处理土壤硝态氮含量在16.68～26.69 mg/kg之间，与CK相比，SR2、SRB处理的土壤硝态氮含量分别显著提高了34.77%、38.51%，其余处理与CK相比差异不显著。

2.4 秸秆还田耕作方式对土壤铵态氮含量的影响

图3为玉米不同时期不同处理的土壤铵态氮含量，可以看出，在玉米拔节期，各处理土壤铵态氮含量为10.50～13.33 mg/kg，与CK相比，SR2处理土壤铵态氮含量显著提高了26.58%，其余处理与CK相比差异不显著。在玉米灌浆期，各处理土壤铵态氮含量为10.37～12.13 mg/kg，各处理与CK相比差异不显著。综合分析，秸秆还田有提高土壤铵态氮含量的趋势，其中以SR2处理相对更高。

2.5 秸秆还田耕作方式对土壤有效磷含量的影响

图4为玉米不同时期不同处理的土壤有效磷含量，可以看出，在玉米拔节期，各处理有效磷含量在19.33～36.40 mg/kg之间，与CK相比，DR、SR1处理土壤有效磷含量分别显著增加了86.35%、29.35%。在玉米灌浆期，各处理有效磷含量在11.73～26.87 mg/kg之间，与CK相比，STR处理土壤有效磷含量显著增加了32.13%，SR1、SR2、SRB处理土壤有效磷含量分别显著下降了33.44%、20.98%、42.30%。

2.6 秸秆还田耕作方式对土壤速效钾含量的影响

图5为玉米不同时期不同处理的土壤速效钾含量，可以看出，在玉米拔节期，各处理土壤速效钾含量在185.04～297.21 mg/kg之间，与CK相比，DR处理土壤速效钾显著提高了35.51%，SR2、SRB处理土壤速效钾含量分别显著下降了15.63%、14.41%。在玉米灌浆期，各处理土壤速效钾含量在292.00～455.00 mg/kg之间，与CK相比，DR、STR处理土壤速效钾含量分别显著上升了36.50%、10.60%。SR1、SRB处理土壤速效钾含量分别显著下降了7.80%、12.40%。

2.7 秸秆还田耕作方式对土壤有机质含量的影响

图6为玉米不同时期不同处理的土壤有机质含量，可以看出，在玉米拔节期，各处理土壤有机质含量在19.05～21.77 mg/kg之间，但与CK相比，差异均不显著。在玉米灌浆期，各处理土壤有机质在25.28～28.54 mg/kg之间，与CK相比，DR、SRB处理土壤有机质含量分别显著提高了8.46%、10.97%。

2.8 秸秆还田耕作方式对土壤蔗糖酶含量的影响

土壤蔗糖酶的酶促作用产物与土壤中营养元素(如有机质、氮、磷)含量、微生物数量及土壤呼吸强度密切相关，可作为评价土壤肥力的重要指标之一。为确定秸秆还田能否提高土壤蔗糖酶活性，试验测定玉米不同时期不同处理的土壤蔗糖酶活性(图7)。结果显示，在玉米拔节期，土壤蔗糖酶活性在11.40～33.80之间。与CK相比，DR、SRB处理土壤蔗糖酶活性分别显著提高了81.72%、43.01%，SR2、STR处理分别显著降低了23.66%、38.71%。在玉米灌浆期，与CK相比，DR、SR1、SRB处理土壤蔗糖酶活性分别提高了137.98%、47.67%、55.43%，其中DR和SRB处理显著高于CK；SR2、STR处理显著降低了29.84%、35.66%。

3 讨论与结论

3.1 秸秆还田耕作方式对小麦—玉米产量及产量构成因素的影响

与CK相比，SR2处理最能显著增加小麦—玉米周年产量。在殷晓燕等的研究结果中，与秸秆不还田+旋耕相比，整株秸秆还田+旋耕小麦产量增加了4.19%[13]，与本试验结果相符。但在他的试验中秸秆整株还田+深翻产量比对照增产11.7%，增产效果最好，此结果与本试验结果产生差异可能是因为2个试验的秸秆施用量、翻耕深度、气候条件不同造成了小麦产量的差异。朱敏等的研究表明，秸秆还田后旋耕处理明显提高了玉米产量[14]。李学平等的研究表明，秸秆还田后深旋耕并施用生物肥最能提高盐碱地夏玉米产量[15]。范作伟等的研究表明，秸秆还田后施用菌剂能明显促进秸秆腐解、土壤养分提高和玉米生长[16]。这些研究结果均与本试验结果一致。SR2处理使秸秆与土壤充分混合，加速秸秆腐熟，降低土壤容重，使土壤疏松多孔，调节土壤水、肥、气、热状况；DR处理能显著增加土壤中有效养分含量，有机肥中养分释放长而缓，能持续为土壤增加养分；SRB处理能使秸秆与土壤均匀混合，菌剂的应用加速秸秆腐解从而快速提高土壤肥力，促进作物增产。

3.2 秸秆还田耕作方式对小麦—玉米轮作土壤理化性质的影响

经1周年的小麦—玉米种植试验，与CK相比，SR2、STR处理在小麦—玉米轮作中均能增加土壤中硝铵态氮含量，说明秸秆还田后旋耕2次更能促进土壤中氮素养分的释放。李太魁等的研究表明，与深耕相比，旋耕能显著增加小麦苗期和越冬期土壤硝态氮含量[17-18]。濮超等的研究表明，旋耕能使土壤全氮在表层土壤中的分布有所提高[19]。秸秆还田能直接增加土壤含氮量，并且秸秆与土壤通过旋耕充分混合，微生物作用其中，产生的有机酸可吸附土壤中的氮元素，提高氮素利用率。STR处理在小麦—玉米种植中灌浆期的土壤有效磷含量最高，与李凤博等的研究结果[20-21]相符。磷素容易被土壤固定，秸秆还田后微生物与之作用产生灌浆期有机酸可与磷元素螯合将磷素从土壤中解放出来，提高了磷素利用率。与CK相比，DR处理能显著增加小麦—玉米轮作中拔节期和灌浆期土壤速效钾含量和灌浆期有机质的含量，与季佳鹏等的研究结果[22-23]相符。伍佳等的研究表明，施用有机肥处理比施用化肥处理土壤有机质含量提高了15.9%[24-25]，本试验结果与之相符。有机肥和腐熟后的秸秆能直接增加土壤中的有机质，二者结合之后增加土壤养分的效果更好。

3.3 秸秆还田耕作方式对小麦—玉米土壤生物性质的影响

与CK相比，DR、SR1、SR2、SRB处理均能显著增加小麦抽穗末期土壤物种多样性；DR处理能显著增加玉米灌浆期的蔗糖酶含量。秸秆还田能促进微生物的生长繁殖，邢鹏飞的研究表明，施用有机肥和秸秆还田+腐熟剂最能提高土壤细菌多样性[26-27]。康慧玲等的研究表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田后显著提高了土壤蔗糖酶、过氧化氢酶活性[28]；邓欧平等的研究表明，秸秆和猪粪还田处理能提高土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性[29]；李纯燕等的研究表明，秸秆还田能增加土壤中微生物的含量[30]。本试验结果与前人研究结果相符。秸秆还田可显著提高微生物数量和酶活性，旋耕使秸秆翻入土壤中，吸水腐解增加土壤有机质含量、减少土壤水分蒸发保持土温，循环往复、促进了微生物的生长繁殖，提高了酶活性。

综上所述，本研究可得出如下结论：(1)与秸秆不还田相比，秸秆还田能改善土壤化学和生物性质。秸秆粉碎直接还田+施复合肥+旋耕2次处理能提高拔节期和灌浆期的土壤硝态氮、铵态氮含量，分别提高了28.08%和34.77%、26.58%和17.04%；秸秆粉碎直接还田+施复合肥+施有机肥+旋耕1次处理能提高拔节期和灌浆期的土壤有效磷、速效钾、有机质的含量，分别提高了86.35%和7.54%、35.51%和36.50%、12.15%和8.46%，同时也显著提高了拔节期和灌浆期的土壤蔗糖酶活性、抽穗末期的土壤Shannon指数。(2)秸秆粉碎直接还田配施有机肥后旋耕1次处理、秸秆粉碎直接还田旋耕2次、秸秆粉碎直接还田添加菌剂后旋耕2次均能显著提高小麦—玉米周年产量，增产5.6%～7.1%。