武 際，郭熙盛，魯劍巍，王允青，許征宇，張曉玲

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，安徽合肥230031;2安徽養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031;3華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430070)

秸稈是一種重要的可再生有機(jī)資源，含有豐富的碳、氮、磷、鉀以及中、微量元素等養(yǎng)分［1－2］。國內(nèi)外科學(xué)家在秸稈還田對(duì)培肥土壤及提高作物產(chǎn)量等方面做了大量研究，基本明確了秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量形成以及對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、培肥地力和維持土壤持久生產(chǎn)力的重要作用［3－6］。但是近年來，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的減少以及燃料結(jié)構(gòu)的變化，廢棄作物秸稈數(shù)量急劇上升，剩余秸稈己成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重大問題。為了搶農(nóng)時(shí)，節(jié)約人力，農(nóng)民往往采用田間直接焚燒的辦法來處理。這不但造成資源浪費(fèi)，而且秸稈露天焚燒會(huì)釋放出大量危害人體呼吸道的污染物，形成的煙霧導(dǎo)致機(jī)場關(guān)閉，高速公路交通事故頻發(fā)，給人們生產(chǎn)和生活造成了極大的負(fù)面影響。此外，焚燒秸稈還燒掉了土壤中的部分有機(jī)質(zhì);焚燒秸稈過程中產(chǎn)生的高溫，對(duì)土壤微生物具有很大的殺滅作用;焚燒秸稈造成的土壤水分的蒸發(fā)及土壤結(jié)構(gòu)的破壞，也不利于土壤微生物的生存［7］。久而久之，必然會(huì)造成土壤板結(jié)，肥力下降，土壤生態(tài)系統(tǒng)惡化，作物產(chǎn)量降低。因此，如何認(rèn)識(shí)秸稈資源的高效利用問題及探索解決焚燒秸稈的途徑成為普遍關(guān)注的熱點(diǎn)課題，而且在一些地區(qū)為秸稈資源尋求新的出路不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，也已經(jīng)上升為社會(huì)問題。為此，本研究以水旱輪作制為背景，進(jìn)行了連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量影響的研究，旨在為實(shí)現(xiàn)秸稈養(yǎng)分資源的高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2008～2010年連續(xù)3年在安徽省肥東縣進(jìn)行。供試土壤為下蜀黃土母質(zhì)發(fā)育的粘盤黃褐土。試驗(yàn)前采集耕層土壤，分析其基本農(nóng)化性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)含量17.08 g/kg、全氮 0.98 g/kg、堿解氮88.71 mg/kg、全磷 0.34 g/kg、速效磷 11.36 mg/kg、緩效鉀402.34 mg/kg、速效鉀156.96 mg/kg和 pH 6.63。供試作物為水稻、小麥和油菜，水稻品種為新兩優(yōu)6號(hào)，小麥品種為揚(yáng)麥16，油菜品種為秦優(yōu)10號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間定位試驗(yàn)研究方法。設(shè)5個(gè)處理:1)不覆蓋秸稈(CK);2)油菜秸稈半量覆蓋(RS1);3)油菜秸稈全量覆蓋(RS2);4)小麥秸稈半量覆蓋(WS1);5)小麥秸稈全量覆蓋(WS2)。旱季作物種植時(shí)，處理2)、3)、4)、5)全部為水稻秸稈覆蓋。其中處理3)、5)仍然為秸稈全量覆蓋，處理2)、4)為秸稈半量覆蓋。化學(xué)肥料用量為:水稻季純 N 210 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2;小麥季純 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2;油菜季 N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。水稻季氮肥分別做基肥、分蘗肥和穗肥3次施用，施用比例為4∶3∶3;小麥季氮肥分別做基肥、返青肥和拔節(jié)肥3次施用，施用比例為5∶3∶2;油菜季氮肥分別做基肥、臘肥和苔肥3次施用，施用比例為6∶2∶2，全部磷、鉀肥作基肥施用。試驗(yàn)期間田間種植制為水稻—小麥—水稻—油菜—水稻。水稻秸稈全量還田量約為7500 kg/hm2，半量還田量約為3750 kg/hm2;小麥秸稈全量還田量約為6000 kg/hm2，半量還田量約為3000 kg/hm2;油菜秸稈全量還田量約為4500 kg/hm2，半量還田量約為2250 kg/hm2。將作物秸稈剪切至15～20 cm，在水稻、油菜移栽后以及小麥播種出苗前以覆蓋還田的方式將其均勻撒施于各個(gè)小區(qū)。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。小區(qū)面積20 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。其它栽培管理措施同常規(guī)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

在每季作物成熟時(shí)實(shí)收每小區(qū)產(chǎn)量，同時(shí)取樣進(jìn)行常規(guī)室內(nèi)考種。

每季作物收獲后按5點(diǎn)法，用土鉆分0—5 cm、5—15 cm和10—25 cm 3個(gè)土層采集土壤樣品。用環(huán)刀法測土壤容重和土壤水分含量;重鉻酸鉀外加熱法測有機(jī)質(zhì)含量;堿解擴(kuò)散法測堿解氮含量;0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色測速效磷含量;1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法測速效鉀含量;土壤pH值用土壤酸度計(jì)測定［8］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS9.0和Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法作方差分析和顯著性測驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤容重和含水量的影響

2.1.1 對(duì)土壤容重的影響 連續(xù)5季試驗(yàn)結(jié)果顯示(表1)，5季作物收獲后土壤容重總的變化趨勢無明顯規(guī)律。但是將旱季和水季分別進(jìn)行分析，0—5 cm和5—15 cm兩土層土壤容重在旱季和水季均呈降低趨勢，而15—25 cm土層的規(guī)律不明顯。施用秸稈后可以顯著降低0—5 cm土層的容重，而5—15 cm、15—25 cm土層容重基本不受秸稈覆蓋的影響。連續(xù)5季秸稈覆蓋還田后，不施秸稈處理0—5 cm土層的土壤容重為1.40 g/cm3，施用秸稈處理該土層的容重降低到1.27～1.32 g/cm3，降低幅度為6.31%～9.71%。提高秸稈用量，土壤容重的降低幅度也隨之加大。同時(shí)由3季水稻收獲后土壤容重的變化規(guī)律可以看出，施用秸稈可以加速表層土壤容重的降低趨勢。不施秸稈處理，0—5 cm土層土壤容重2009年水稻季比2008年水稻季降低了3.13%，2010年水稻季比2009年水稻季降低了4.88%，而秸稈覆蓋處理相應(yīng)的降低幅度分別為3.30%～4.86%和5.55% ～8.40%?？梢娊斩捀采w對(duì)表層土壤容重有顯著的改善效應(yīng)。

表1 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤容重的影響(g/cm3)Table 1 The effect of the continuous straw mulching on soil bulk density

2.1.2 對(duì)土壤含水量的影響 表2顯示，秸稈覆蓋處理的土壤含水量均較未施秸稈處理的含水量高。0—5 cm土層，秸稈覆蓋處理較CK處理土壤含水量增加了3.19% ～19.49%;5—15 cm土層，秸稈覆蓋處理較CK土壤含水量增加了4.45% ～19.10%，而15—25 cm土層含水量受秸稈覆蓋影響較小。這表明秸稈覆蓋的效應(yīng)不僅在土壤表層，而且在表層以下一定深度土層的含水量也有明顯增加，與土壤容重的變化規(guī)律相似，增加覆蓋秸稈用量對(duì)土壤含水量的提高也有明顯的正效應(yīng)。

2.2 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 圖1A結(jié)果顯示，總體上土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著耕種時(shí)間的延長而提高，連續(xù)秸稈覆蓋可以有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。整個(gè)耕層土壤(0—25 cm)以油菜秸稈全量覆蓋處理(RS2)有機(jī)質(zhì)含量最高，其次為小麥秸稈全量覆蓋處理(WS2)。至第5季水稻收獲后，處理 RS2、WS2有機(jī)質(zhì)含量分別比對(duì)照增加了6.27%和5.78%，差異顯著。3個(gè)土層中以表層土壤(0—5 cm)有機(jī)質(zhì)增加幅度最大，第1季水稻、第2季小麥和第3季水稻收獲后，秸稈覆蓋處理與CK有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著;第4季油菜、第5季水稻收獲后秸稈覆蓋處理有機(jī)質(zhì)含量增幅分別達(dá)到了5.38% ～7.11%和6.08% ～7.53%，與對(duì)照間差異均達(dá)到顯著水平。5—15 cm、15—25 cm土層有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢與表層相似。說明秸稈覆蓋還田后不僅僅有效地增加了耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且也增加了土壤剖面有機(jī)質(zhì)含量。

2.2.2 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響多季秸稈覆蓋還田對(duì)土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量的影響與有機(jī)質(zhì)相似(圖1B～D)。秸稈覆蓋可以明顯增加土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量，其中秸稈覆蓋對(duì)表層土壤(0—5 cm)的影響更明顯，且隨著秸稈用量的增加土壤各速效養(yǎng)分含量的增加幅度也隨之提高。3層土壤均是以油菜秸稈全量覆蓋處理(RS2)的堿解氮、速效磷和速效鉀含量最高，小麥秸稈全量覆蓋處理(WS2)次之。秸稈還田對(duì)土壤速效鉀含量的效應(yīng)尤為明顯(圖1D)，自秸稈覆蓋還田1季后土壤速效鉀含量就得到了顯著增加。以0—5 cm土層為例，在第1季水稻收獲后，秸稈覆蓋處理土壤速效鉀含量與對(duì)照的差異就達(dá)到顯著水平。第5季水稻收獲后，秸稈覆蓋處理速效鉀含量的增幅達(dá)到7.64% ～15.33%，明顯高于相應(yīng)處理的速效磷(7.52% ～10.03%)和堿解氮(7.30%～8.74%)含量的增加幅度。并且對(duì)于土壤堿解氮和速效磷含量來說，全量秸稈覆蓋處理(RS2、WS2)從第2季、半量秸稈覆蓋處理(RS1、WS1)從第3季開始與對(duì)照相比才出現(xiàn)顯著性差異，表明秸稈還田是增加土壤速效鉀儲(chǔ)備的有效途徑。5—15 cm、15—25 cm土層速效養(yǎng)分含量受秸稈覆蓋影響的變化規(guī)律與0—15 cm土層相似。

表2 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)土壤含水量的影響(%)Table 2 The effect of the continuous straw mulching on soil water content

2.3 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

由圖2看出，第1季水稻，秸稈覆蓋處理與對(duì)照產(chǎn)量差異不顯著;第2季小麥，秸稈覆蓋處理的產(chǎn)量比對(duì)照提高了5.47% ～9.77%，差異達(dá)到顯著水平;第3季水稻，全量秸稈覆蓋處理(RS2、WS2)的產(chǎn)量與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平;第4季油菜，秸稈覆蓋處理產(chǎn)量增幅達(dá)到了5.85% ～10.92%，與對(duì)照差異也達(dá)到顯著水平;第5季水稻與第3季水稻相似，僅全量秸稈覆蓋處理產(chǎn)量與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平。5季作物均是以油菜秸稈全量覆蓋處理(RS2)的產(chǎn)量最高，其次是小麥秸稈全量覆蓋處理(WS2)。說明增加秸稈覆蓋量對(duì)作物產(chǎn)量的提高有促進(jìn)作用。3季水稻產(chǎn)量結(jié)果顯示，隨著秸稈施用年限的增加，水稻產(chǎn)量的提高幅度也呈逐年增加趨勢，說明連續(xù)秸稈還田有利于水稻產(chǎn)量的提高。水、旱兩季作物產(chǎn)量間比較，秸稈覆蓋對(duì)旱季作物(小麥、油菜)的產(chǎn)量效應(yīng)要高于水季作物(水稻)，這可能是由于秸稈還田除了可以提高土壤肥力外，還能夠在冬季提高地溫以及具有良好的蓄水保墑效果，這對(duì)于緩解氣溫劇變或干旱對(duì)小麥、油菜的傷害十分有利。

進(jìn)一步分析作物產(chǎn)量構(gòu)成因子(表3)表明，秸稈覆蓋能夠顯著提高水稻有效穗數(shù)，而對(duì)穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重影響不明顯。除了第1季外，其余兩季水稻覆蓋秸稈后，全量覆蓋處理(RS2、WS2)的有效穗數(shù)與CK間差異達(dá)到顯著水平，這也是全量覆蓋處理(RS2、WS2)產(chǎn)量顯著提高的主要原因。小麥季，秸稈覆蓋提高了小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，其中有效穗數(shù)提高幅度達(dá)到了4.80% ～8.72%，差異明顯。油菜季，秸稈覆蓋對(duì)單株角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒重均顯示出正效應(yīng)，其中秸稈覆蓋處理的單株角果數(shù)與對(duì)照差異顯著，而每角粒數(shù)僅全量覆蓋處理(RS2、WS2)與CK間差異達(dá)到顯著水平，千粒重差異不明顯。因此，秸稈覆蓋后顯著提高了油菜單株角果數(shù)和每角粒數(shù)，這是油菜產(chǎn)量增加的主要原因。

表3 連續(xù)秸稈覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響Table 3 The effect of the continuous straw mulching on crop yield components

3 討論

作物生長需要土壤有適宜的松緊度，土壤容重是土壤松緊狀況的度量［9］。本研究結(jié)果顯示，秸稈覆蓋對(duì)土壤表層0—5 cm土壤容重的降低效應(yīng)顯著，而對(duì)5—15 cm、15—25 cm土層容重?zé)o明顯影響。連續(xù)多季秸稈覆蓋還田后，表層土壤(0—5 cm)容重可降低至1.27—1.32 g/cm3(表1)，處在作物生長適宜的范圍內(nèi)(＜1.35 g/cm3)［9］，這主要是因?yàn)榻斩捀采w減少了人畜踐踏和雨滴對(duì)地表的直接沖擊，并可減輕灌溉后由于強(qiáng)烈蒸發(fā)使表層土壤收縮而形成的龜裂及板結(jié)，為維持土壤疏松創(chuàng)造了條件［10］。土壤水分含量的高低及分布情況影響土壤性狀，而間接作用于作物的生長發(fā)育過程。由于秸稈覆蓋層的存在減少了地表徑流和地表水分蒸發(fā)，再加上秸稈覆蓋下土壤導(dǎo)水率提高增加了水分的入滲［11］，這些因素都有利于增加土壤的有效水分。與不施秸稈處理相比，連續(xù)5季秸稈覆蓋還田后明顯提高了0—5 cm和5—15 cm兩土層的土壤含水量，而15—25 cm土層的含水量受秸稈覆蓋影響較小。試驗(yàn)結(jié)果還表明，隨著秸稈還田量的增加土壤含水量增加效果更明顯(表2)。

作物秸稈循環(huán)利用能否替代化學(xué)肥料的施用，一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一［12］。一方面，秸稈含有大量的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，是土壤養(yǎng)分的補(bǔ)給源，秸稈直接還田是循環(huán)利用這部分營養(yǎng)元素有效而簡便的方法。另一方面，作物秸稈進(jìn)入土壤并參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，必然增加土壤中相應(yīng)養(yǎng)分的儲(chǔ)量，這是保持土壤自然肥力的重要因素。張靜等研究表明，秸稈還田可以增加土壤有機(jī)質(zhì)和緩解土壤氮流失，提高土壤供肥水平［13］。羅珠珠等的研究也顯示，秸稈還田可以顯著提高0—5 cm和5—10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量［14］。本研究顯示，連續(xù)秸稈覆蓋還田可以顯著提高耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，尤其是對(duì)表層土壤的效應(yīng)更明顯。這主要是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)含量取決于土壤原有有機(jī)質(zhì)的礦化和外源有機(jī)物(作物殘茬等)的補(bǔ)充［15］，而秸稈本身所含有的豐富的有機(jī)成分和營養(yǎng)元素通過秸稈還田之后能夠作為土壤有機(jī)質(zhì)的有效補(bǔ)充，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加產(chǎn)生顯著的正效應(yīng)。土壤堿解氮含量在秸稈覆蓋后也得到了顯著增加，且隨著秸稈用量的增加和還田年限的延長，土壤堿解氮含量的增加幅度也隨之提高，可能是與高C/N秸稈的持續(xù)施用，為土壤異養(yǎng)微生物的活動(dòng)提供了充足的能源、極大地刺激了土壤氮的礦化作用有關(guān)［16－17］。近年來一些研究表明，秸稈覆蓋還可以通過促進(jìn)固氮微生物和豆科作物的固氮作用來增加土壤中的氮素含量［18－19］。秸稈還田除了能直接補(bǔ)充土壤一部分磷、鉀素外，秸稈覆蓋后土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，其分解產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對(duì)某些固磷化合物具有一定的溶解力并削弱粘土礦物對(duì)鉀的固定作用，從而提高了土壤中固定態(tài)磷和固定態(tài)鉀的有效性［14］。正是由于這兩個(gè)原因使土壤速效磷和速效鉀含量在秸稈還田后得到顯著提高。秸稈覆蓋還田對(duì)土壤速效鉀含量的提高效應(yīng)最為顯著。第5季水稻收獲后，秸稈覆蓋處理速效鉀含量的增幅明顯高于相應(yīng)處理的速效磷、堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量的提高幅度，這可能與作物秸稈中的含鉀量較高且主要是以K+形態(tài)存在、易溶于水而被迅速釋放出來有關(guān)。

前人研究表明，合理施用秸稈可以提高作物產(chǎn)量［11，13，20－26］。本研究在水旱輪作條件下進(jìn)一步證實(shí)了前人的研究成果，秸稈覆蓋還田后，可以不同程度地增加水稻、小麥和油菜產(chǎn)量，其中旱季作物(小麥、油菜)的增產(chǎn)效應(yīng)要大于水稻，并且隨著秸稈還田年限的增加，秸稈覆蓋還田對(duì)水稻的增產(chǎn)效應(yīng)也由第1季的不顯著到第3、5季全量覆蓋處理與對(duì)照的差異顯著，這也表明秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響是一個(gè)長期效應(yīng)。本試驗(yàn)條件下，提高秸稈用量會(huì)進(jìn)一步增加作物產(chǎn)量。產(chǎn)量構(gòu)成因子分析結(jié)果顯示，秸稈覆蓋能夠顯著提高水稻、小麥的有效穗數(shù)以及油菜單株角果數(shù)和每角粒數(shù)，這些可能是作物產(chǎn)量增加的主要原因。

本研究結(jié)果顯示，秸稈覆蓋還田是水旱輪作條件下改善土壤肥力和持續(xù)提高作物產(chǎn)量的有效途徑，但是其技術(shù)的進(jìn)一步完善，諸如合理氮肥運(yùn)籌以緩解秸稈腐解過程中微生物與作物“爭氮”現(xiàn)象、如何減少秸稈還田后前期產(chǎn)生的有害物質(zhì)對(duì)作物生長產(chǎn)生的負(fù)面影響、秸稈還田的合理用量及其與土壤耕作方式的配合等一系列問題還有待進(jìn)一步深入研究。

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