2019, Vol. 27
2. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所 太原 030031
2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China
作物秸秆是非常重要的有机肥资源之一。2015年我国主要农作物秸秆资源量为71 878.53万t, 所含的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)养分资源总量分别达6.256x106 t、1.979x106 t、1.595x106 t[1]。农作物秸秆作为一类生物质资源, 其丰富的氮磷钾元素并没有得到合理利用, 大量秸秆被焚烧和丢弃[2]。秸秆还田是实现农业生产中化肥减施和提质增效的有效助力, 高效持续利用作物秸秆在养分管理、农田生产力维持和土壤质量提升中具有重要作用。
秸秆还田主要通过两种途径影响作物的生长发育:一是通过自身分解释放的营养元素、化学物质等直接影响作物生长, 二是通过影响作物生长的环境因子间接影响作物的生长[3]。将秸秆施入土壤中, 不仅可以改善土壤环境[4-6], 还可以缓解由于集中、持续的传统耕作所带来的土壤退化[7]。然而, 秸秆在田间的分解及其养分转化较慢, 秸秆还田对土壤肥力和作物产量的影响在短期内的表现并不能反映秸秆还田的实践意义[8-9]。基于长期定位试验的研究则可以较好地反映施肥管理对土壤肥力、养分转化和作物产量的影响[10]。研究长期秸秆还田对作物产量和土壤性质的影响, 探讨秸秆还田对土壤环境的长效影响, 对于长期秸秆施用具有非常重大的现实意义。
前人针对长期秸秆还田已开展了许多研究, 主要集中在秸秆还田量、还田方式、还田频率等对土壤性质和作物产量的影响。Zhou等[11]在我国西南地区水稻(Oryza sativa)-小麦(Triticum aestivum)轮作系统的研究结果表明, 12年秸秆覆盖可以促进土壤有机碳固定并保障基本作物产量。张聪等[12]在甘肃的长期定位试验中发现, 持续秸秆还田可有效增加耕层土壤有机碳、养分和土壤酶活性, 但还田10年后土壤有机碳、养分及作物产量等不再大幅增加。赵士诚等[13]发现华北小麦-玉米(Zea mays)轮作系统32年秸秆直接还田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 对全钾没有影响。廖育林等[14]的研究则表明, 长期施用氮磷的基础上配施稻草还田不仅能提高水稻高产稳产的能力, 而且可以增强土壤的钾吸持能力、保持农田钾素平衡和提高土壤供钾能力。长期不同秸秆还田对土壤性质和作物产量等的影响因还田年限、土壤类型等并没有一致的结论, 尤其是长期秸秆还田下土壤性质的变化对作物产量的影响机制并不清楚。为揭示旱作玉米生产中土壤性质和作物产量对长期秸秆还田的响应, 本研究依托农业部寿阳野外科学观测实验站, 分析长期不同秸秆还田方式中玉米产量的变化特征, 研究长期不同秸秆还田方式对土壤养分和酶活性的影响, 深入探讨玉米累积产量与土壤养分和酶活性的关联, 为旱作玉米生产中秸秆资源利用提供技术支撑, 为黄土旱塬区旱作农田玉米生产及农田土壤可持续利用提供科学依据。
1 材料和方法 1.1 研究区概况长期定位试验在山西寿阳野外科学观测实验站(113°06′E、37°58′N)进行。该实验站海拔1 130 m, 年均气温7.4℃, ≥10℃积温3 400℃, 无霜期约130 d, 年蒸发量1 600~1 800 mm, 年日照时数2 858.3 h, 年均降水量501.1 mm, 70%左右的降水集中在6—9月, 干燥度为1.3, 属暖温带半湿润偏旱区。试验地块基本平坦, 土层深厚, 地下水埋深在10 m以下。土壤为褐土性土, 成土母质为马兰黄土, 属黄土旱塬地。试验初始时耕层土壤基本性质为:有机碳13.6 g∙kg-1, 全氮1.07 g∙kg-1, 全磷1.78 g∙kg-1, 全钾14.10 g∙kg-1, 有效氮76.40 mg∙kg-1, 有效磷2.80 mg∙kg-1, 有效钾95.00 mg∙kg-1, pH为8.4。
1.2 试验设置本研究设4个处理, 分别为: 1)秸秆覆盖还田:在前茬玉米收获后, 将上茬覆盖未腐解的秸秆铡碎, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地直接播种再进行整秆均匀覆盖; 2)秸秆直接还田:在前茬玉米收获后, 将玉米秸秆铡碎为15 cm长, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地后直接播种; 3)秸秆过腹还田:在前茬玉米收获后, 将腐熟湿牛粪均匀撒在地面, 结合秋季深耕翻直接还田, 次年整地后直接播种; 4)空白对照。无重复, 共4个小区, 每个处理小区面积54 m2。为消除处理内差异, 在各小区内设置3个虚拟重复进行采样。
试验从1992年4月开始, 种植制度为玉米一年1熟。1993年至1997年玉米品种为‘烟单14号’, 1998年至2003年为‘晋单34号’, 2004年至2011年为‘强盛31号’, 2012年至2016年为‘晋单81号’。玉米播种时间在4月15—25日, 收获时间为9月20日—10月10日。种植密度为49 500~52 500株∙hm-2。各小区栽培管理措施一致, 田间管理措施主要是除草和防治病虫害。各小区统一施肥, 在前茬玉米收获后结合秋季深耕翻施肥, 玉米生长期间不施肥, 无补充灌溉。施肥量为当地农户习惯施肥量(N 150 kg∙hm-2、P2O5 84 kg∙hm-2), 施用氮肥为尿素(含N 46%), 磷肥为普通过磷酸钙(含P2O5 14%)。秸秆还田量为6 t∙hm-2, 过腹还田牛粪(湿)45 000 kg∙hm-2。
1.3 样品采集及测定方法玉米产量在每年10月5日左右收获, 将每个试验处理区分为3个虚拟小区(每个小区18 m2), 将3个小区玉米穗分别装袋风干, 手工脱粒称重, 测定含水量, 计算玉米产量。于2016年10月在玉米收获后于各处理的虚拟小区内采用对角线法采集土壤混合样品, 分别采集0~20 cm和20~40 cm土层土壤, 并尽快带回实验室, 小心去除土壤样品中的植物残体和石砾等, 在阴凉处晾干并妥善保存。
土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定, 土壤全氮采用凯氏定氮法测定, 土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮-钼锑抗比色法, 土壤全钾采用火焰光度法; 土壤有效氮采用扩散法, 土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法; 土壤纤维素酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法, 土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法, 土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法, 土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法。
1.4 数据处理本文中所有数据利用Excel 2003和SPSS 18.0处理, 采用LSD法对不同处理间玉米产量、土壤化学性质和酶活性的差异显著性进行分析, 利用Pearson相关分析研究玉米累积产量、土壤酶活性以及土壤化学性质之间的相关性。
2 结果与分析 2.1 长期不同秸秆还田对玉米产量的影响长期秸秆还田1993年至2016年玉米籽粒产量变化特征如表 1所示。24年定位试验期间, 1993—1997年玉米产量为3 680~8 360 kg∙hm-2, 1998—2003年为2 450~8 210 kg∙hm-2, 2004—2011年为5 250~10 920 kg∙hm-2, 2012—2016年为5 870~15 950 kg∙hm-2。除1996年、1997年和2015年, 过腹还田处理玉米籽粒产量均显著高于不还田处理(P < 0.05); 1996年和1997年, 3种秸秆还田处理和不还田处理间玉米产量无显著差异(P > 0.05); 2015年过腹还田处理和不还田处理的玉米产量间无显著性差异, 覆盖还田和直接还田处理显著高于不还田处理(P < 0.05)。
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表 1 1993—2016年不同秸秆还田处理玉米籽粒产量变化特征 Table 1 Variation of corn grain yield under different straw returning treatments from 1993 to 2016 |
由图 1可知, 覆盖还田、直接还田、过腹还田和不还田处理累积玉米产量分别为1.885x105 kg∙hm-2、1.854x105 kg∙hm-2、2.001x105 kg∙hm-2和1.695x105 kg∙hm-2。3种秸秆还田方式累积玉米产量均显著高于不还田处理(P < 0.05), 过腹还田处理累积玉米产量显著高于直接还田处理和覆盖还田处理(P < 0.05), 直接还田处理和覆盖还田处理间无显著差异(P > 0.05)。和不还田处理相比, 覆盖还田、直接还田和过腹还田处理增产率分别为10.1%、8.6%、15.3%。
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图 1 长期不同秸秆还田处理的玉米累积产量及增产率 Fig. 1 Cumulative yield and increasing rate of maize under long-term different straw returning treatments CK为不还田处理, SM为秸秆覆盖还田, DS为秸秆直接还田, AS为秸秆过腹还田; 不同大写字母表示不同秸秆还田处理之间累积玉米产量存在显著差异(P < 0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (P < 0.05). |
表 2为长期不同秸秆还田下土壤养分分布特征。不同处理土壤有机碳含量在0~20 cm土层表现为直接还田和过腹还田最高, 覆盖还田居中, 不还田处理最低, 直接还田和过腹还田分别是不还田处理的1.14倍和1.13倍。土壤有机碳含量在20~40 cm土层分布为10.80~11.73 g∙kg-1, 不同处理之间无显著性差异。土壤全氮含量在0~20 cm土层为1.12~1.27 g∙kg-1, 在20~40 cm土层为0.83~0.98 g∙kg-1, 两个土层均表现为覆盖还田和不还田处理间无显著性差异, 直接还田和过腹还田显著高于不还田处理, 是不还田处理的1.13倍。土壤全磷含量在0~20 cm土层为0.70~0.91 g∙kg-1, 在20~40 cm土层为0.52~0.75 g∙kg-1, 过腹还田土壤全磷含量显著高于不还田处理, 直接还田与覆盖还田土壤全磷含量和不还田处理无显著性差异。0~20 cm土层土壤全钾含量过腹还田和直接还田处理比不还田处理分别高3.76 g∙kg-1和1.50 g∙kg-1, 20~40 cm仅表现为过腹还田处理显著高于不还田处理(3.75 g∙kg-1), 覆盖还田处理和不还田处理土壤全钾含量无显著性差异(P > 0.05)。
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表 2 长期不同秸秆还田处理对不同土层土壤化学性质的影响 Table 2 Chemical properties of different soil layers under different long-term straw returning treatments |
长期秸秆还田对土壤有效养分含量产生了显著的影响。土壤有效氮含量在0~20 cm和20~40 cm土层分别为53.77~72.31 mg∙kg-1和38.94~51.92 mg∙kg-1; 0~ 20 cm土层表现为过腹还田土壤有效氮含量最高, 直接还田和覆盖还田居中, 不还田处理最低; 20~40 cm土层表现为过腹还田和直接还田显著高于覆盖还田和不还田处理。直接还田和覆盖还田处理和不还田处理间土壤有效磷含量无显著差异, 过腹还田处理土壤有效磷含量显著高于不还田处理, 其有效磷含量在0~20 cm土层和20~40 cm土层分别是不还田处理的2.53倍和1.56倍。土壤有效钾在0~20 cm土层和20~40 cm土层均表现为过腹还田处理最高, 覆盖还田和直接还田处理居中, 不还田处理最低。
2.3 长期不同秸秆还田对土壤蔗糖酶活性和纤维素酶活性的影响从图 2可知, 长期不同秸秆还田对土壤蔗糖酶活性和纤维素酶活性产生了显著的影响。不还田处理土壤蔗糖酶活性0~20 cm土层和20~40 cm土层分别为19.6mg(glucose)∙24h-1∙g-1和16.1mg(glucose)∙24 h-1∙g-1, 长期秸秆还田土壤蔗糖酶活性均显著高于不还田处理, 其中过腹还田处理在0~20 cm和20~40 cm土层均表现最高, 分别是不还田处理的2.1倍和1.8倍; 秸秆覆盖还田处理在0~20 cm土层土壤蔗糖酶活性为29.0 mg(glucose)∙24h-1∙g-1, 是不还田处理的1.5倍, 在20~40 cm土层则表现为过腹还田≈覆盖还田 > 直接还田 > 不还田。不还田处理土壤纤维素酶活性0~20 cm土层和20~40 cm土层分别为0.7 mg(glucose)∙72h-1∙g-1和0.5 mg(glucose)∙72h-1∙g-1。土壤纤维素酶活性在0~20 cm土层表现为不还田处理最低, 覆盖还田和过腹还田处理居中, 分别为不还田处理的1.7倍和1.4倍, 直接还田处理最高, 为1.5 mg(glucose)∙72h-1∙g-1。土壤纤维素酶活性在20~40 cm土层表现为覆盖还田处理最高[0.9 mg(glucose)∙72h-1∙g-1], 是不还田处理的1.7倍。
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图 2 长期不同秸秆还田处理对不同土层土壤蔗糖酶活性和纤维素酶活性的影响 Fig. 2 Activities of invertase and cellulose of different soil layers under different long-term straw returning treatments CK为不还田处理, SM为秸秆覆盖还田, DS为秸秆直接还田, AS为秸秆过腹还田。不同大写字母表示不同秸秆还田处理间差异显著, 不同小写字母表示不同土层间差异显著(P < 0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (P < 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (P < 0.05). |
长期不同秸秆还田土壤脲酶活性为1.4~1.9 mg(NH3-N)∙24h-1∙g-1。过腹还田处理0~20 cm土层土壤脲酶活性显著高于其他处理, 是不还田处理的1.2倍; 其他处理和不还田处理之间无显著性差异(图 3)。4个处理土壤脲酶活性均表现为0~20 cm土层显著高于20~40 cm土层。土壤碱性磷酸酶活性为0.19~0.35 mg(phenol)∙24h-1∙g-1, 0~20 cm土层表现为过腹还田处理最高, 为0.35 mg(phenol)∙24h-1∙g-1, 高于不还田处理20.0%左右; 覆盖还田和直接还田处理次之, 为0.30 mg(phenol)∙24h-1∙g-1, 和不还田处理无显著差异; 20~40 cm土层表现为过腹还田高于不还田处理21.0%左右, 直接还田和覆盖还田处理和不还田处理无显著性差异。
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图 3 长期不同秸秆还田对不同土层土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性的影响 Fig. 3 Activities of urease and alkaline phosphatase of different soil layers under different long-term straw returning treatments CK为不还田处理, SM为秸秆覆盖还田, DS为秸秆直接还田, AS为秸秆过腹还田。不同大写字母表示不同秸秆还田处理间差异显著, 不同小写字母表示不同土层间差异显著(P < 0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (P < 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (P < 0.05). |
表 3为土壤酶活性与土壤化学性质及玉米累积产量的Pearson相关系数。玉米累积产量和土壤蔗糖酶活性呈显著正相关(P < 0.05)。除土壤有机碳和全氮含量, 土壤蔗糖酶与其他养分含量呈显著正相关(P < 0.05);除土壤全钾含量, 土壤纤维素酶活性与土壤有机碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷和有效钾含量均呈极显著正相关(P < 0.01);土壤脲酶活性与土壤全氮呈显著正相关(P < 0.05);土壤碱性磷酸酶活性与土壤有机碳、土壤全氮、土壤全磷、有效氮、有效磷含量均呈极显著正相关(P < 0.01), 与有效钾含量呈显著正相关(P < 0.05)。
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表 3 土壤酶活性与土壤养分及玉米累积产量的相关系数 Table 3 Correlation coefficients between soil enzyme activities, soil nutrient contents and corn yield |
土壤有机碳是作物高产稳产的基础, 维持和提升土壤有机碳含量是促进农业可持续发展的基本保障。农田土壤有机碳固定过程非常复杂, 受到土壤性质、气候、耕作和施肥等因素的综合影响。研究表明, 进入土壤中的植物残体是影响土壤有机碳固定最重要的因素之一[15-16]。本研究24年不同秸秆还田定位试验表明, 3种秸秆还田方式均可以显著提高0~20 cm土层土壤有机碳含量, 对20~40 cm土层土壤有机碳含量并无显著影响。这与以往的长期定位研究结果基本一致, 陈鲜妮等[17]在关中平原土上进行了21年的长期秸秆还田试验, 发现施用秸秆和厩肥(过腹还田), 土壤有机碳累积系数平均分别为5.6%和7.2%。武均等[18]和Zhang等[6]的研究均发现秸秆直接还田可以显著增加土壤有机碳含量和储量。本研究中秸秆直接还田和过腹还田可以提高表层土壤有机碳含量13%左右, 秸秆覆盖可以提高6%, 这与长期不同秸秆还田中碳源供应方式有关。长期过腹还田中新鲜牛粪的施用以及直接还田中秸秆残体的还田分别作为有机物质的外源供应显著提高土壤有机碳的含量[5-6]; 秸秆覆盖于地表引起的“低温效应”, 微生物活动弱, 有机质矿化分解较慢, 进而影响土壤有机碳含量[19-20]。另外, 秸秆还田后玉米生产水平增高导致的玉米根系增多也是重要原因[21]。由此可知, 在黄土旱塬地的玉米生产中, 长期将秸秆以覆盖还田、直接还田和过腹还田3种方式归还于土壤中, 均可以显著提高表层土壤有机碳含量。
农田土壤养分是作物生长发育各阶段所必须的营养元素, 是决定土壤肥力高低的决定性因素[22]。秸秆还田可以为作物生长提供养分, 促进农业可持续发展和维护生态平衡, 然而秸秆还田存在腐解速率慢和养分释放延迟的问题[23]。本研究结果表明, 从较长时间尺度来看, 长期过腹还田可显著增加土壤全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷和有效钾含量, 秸秆直接还田可显著增加土壤全氮、全钾、有效氮和有效钾含量, 长期覆盖还田仅提高土壤有效氮和有效钾含量。这与以往的研究不完全一致, 赵士诚等[13]发现华北小麦-玉米轮作系统32年秸秆直接还田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 对全钾没有影响, 高量秸秆还田对硝态氮的提高具有促进作用。徐燕等[24]研究证明长期秸秆直接还田能有效提高土壤无机氮、有效磷和有效钾含量, 连续还田效果好于隔年还田。张聪等[12]研究发现随着秸秆还田年限延长, 土壤全氮和全磷显著增加, 且认为秸秆还田达到10年以上应适当减少秸秆的还田量, 从而高效利用玉米秸秆和持续提高改善土壤性能。农作物秸秆中含有大量的氮、磷、钾等营养元素, 长期将秸秆直接还田和过腹还田, 意味着将含有氮、磷、钾的有机物料连年补充入土壤中, 这对于土壤中氮、磷、钾的影响是非常显著的。植物残体的输入可以促进土壤中可溶性物质的转化, 促进土壤中养分的可利用性[25]。秸秆覆盖还田对土壤养分的影响则主要通过秸秆降解过程中对下层土壤的淋溶作用所引起的[26]。可见, 长期秸秆直接还田和过腹还田对土壤养分含量及有效性均产生了深远的影响。
3.2 土壤酶活性对长期不同秸秆还田的响应土壤酶活性可以反映土壤中生物化学过程的强度和方向, 在土壤养分循环和能量转化过程起着重要作用, 是表征土壤生态环境的重要指标, 可以用来了解和预测土壤养分的转化及肥力的演变趋势[24]。本研究中过腹还田可以显著提高土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶和碱性磷酸酶活性, 直接还田和秸秆覆盖仅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纤维素酶活性。这与以往的研究不完全一致。刘建国等[27]发现棉花(Gossypiumspp.)长期连作结合秸秆还田, 土壤蔗糖酶随着还田年限的延长呈现先降低后升高的趋势, 连作10年后逐渐升高。罗珠珠等[28]研究发现, 秸秆还田可以有效提高表层土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶, 对深层土壤影响较小。值得注意的是, 本研究中土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性对过腹还田的响应较大, 土壤纤维素酶活性则对秸秆直接还田的响应较大。土壤酶活性在参与土壤有机质转化、物质转化和能量交换中, 不仅存在共性关系, 土壤含氮有机化合物、有机碳以及磷素的转化是相互影响的[29], 更多的是专一性, 土壤酶的专性特性能反映土壤中各种化合物的转化进程。秸秆还田后土壤酶活性的提高, 其主要原因是酶促反应中底物的增加[12]。
土壤中的养分、酶和微生物等都是植物生长发育中不可或缺的因素, 各因素在玉米生长发育阶段起非常重要的作用, 在各因素的协同作用下玉米才能高产优质[12]。本研究中, 24年的覆盖还田、直接还田和过腹还田处理的平均增产率分别为10.1%、8.6%、15.3%。玉米产量与土壤蔗糖酶活性呈现显著正相关(P < 0.05)。土壤蔗糖酶能促进蔗糖分子中果糖基β-葡萄糖苷碳键的断裂, 使蔗糖水解成葡萄糖和果糖, 因此对增加土壤中易溶性营养物质有很大作用。隋跃宇等[30]在黑龙江黑土发现作物产量和土壤蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶显著相关。杨敏芳等[31]在稻麦两熟制农田中进行秸秆还田, 发现土壤蔗糖酶与土壤养分存在显著差异, 是反映土壤生物活性和土壤肥力的重要指标。可见, 持续秸秆还田条件下土壤酶活性与作物产量有着非常紧密的联系。
4 结论24年不同秸秆还田的长期定位试验表明, 黄土旱塬地旱作玉米生产中秸秆覆盖还田、秸秆直接还田和秸秆过腹还田处理均可以显著提高玉米产量, 其平均增产率分别为10.1%、8.6%和15.3%。长期过腹还田可显著增加土壤全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷和有效钾含量, 秸秆直接还田可显著增加土壤全氮、全钾、有效氮和有效钾含量, 长期覆盖还田仅提高土壤有效氮和有效钾含量。过腹还田可以显著提高土壤蔗糖酶、纤维素酶、脲酶和碱性磷酸酶活性, 直接还田和秸秆覆盖仅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纤维素酶活性。土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性对过腹还田的响应较大, 土壤纤维素酶活性则对秸秆直接还田的响应较大。综上, 长期不同秸秆还田对土壤养分含量和酶活性均产生了显著的影响, 土壤蔗糖酶活性的提高对玉米产量的保障和提高有非常紧密的联系。
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