刘 艳，叶 鑫，包红静，王晓晖，隽英华*
秸秆还田配施化肥对春玉米耕层土壤理化性质及产量的影响①
刘 艳1，叶 鑫1，包红静1，王晓晖2，隽英华1*
(1 辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，沈阳 110161；
2瓦房店市农业技术推广中心，辽宁瓦房店 116300)
通过连续3 a田间定位试验，研究了不同秸秆还田方式配施化肥对春玉米耕层土壤理化性质及产量的影响。结果表明：秸秆还田能显著提高各土层的田间持水量8.6% ～ 18.0%，降低土壤紧实度6.3% ～ 27.5%，且以秸秆深翻和深旋还田方式效果较好，同时这两种方式还能显著降低20 ～ 40 cm土层容重。连续秸秆还田后耕层土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量较无还田处理平均提高21.2%、8.6%、15.0% 和17.2%。此外，在秸秆还田时配合适量氮肥施用更利于土壤养分的提高，其中秸秆深翻和秸秆深旋配施210 kg/hm2氮肥和90 ～ 120 kg/hm2钾肥可显著提升土壤养分状况，促进春玉米穗长、穗粗和百粒重的增加，进而提高春玉米产量，是辽宁棕壤区春玉米生产中比较理想的一种农艺措施，在农业发展中具有一定的应用和推广价值。
秸秆还田；
土壤理化性质；
春玉米；
产量
作物秸秆是农业生产中的主要副产物，每年我国作物秸秆产量高达7亿 ～ 9亿t[1–2]，资源量极其丰富。作物秸秆中含有丰富的氮磷钾和中微量元素，秸秆还田不仅能将其本身的养分元素归还给土壤，维持土壤养分平衡，培肥地力，而且还能通过还田耕作改善土壤耕层结构[3–4]，促进土壤水分、养分库容扩大[5–6]，有效提升农业生产力，是实现农业绿色发展的一项重要农艺措施[7]。已有研究表明，合理利用秸秆资源无论对土壤还是作物产量均有影响。徐嘉翼等[8]在辽北的研究结果显示，秸秆连年翻压还田可显著降低整个耕层土壤容重，增加表层土壤含水率，改善土壤养分状况，提高产量13.6%。隋鹏祥等[9]的研究结果表明，秸秆还田显著增加了春玉米产量和水分利用效率，同时提高了0 ～ 60 cm土层的硝态氮、有效磷和速效钾含量。
然而也有研究显示，由于秸秆碳氮比较高，自然状态分解时需要消耗一定的氮素，故而造成土壤微生物与作物争氮的现象，影响作物前期生长[10–11]。另外，作物秸秆中的钾离子还田后虽然可以快速释放进入土壤，但其有效性受外界环境影响后与化肥钾相差甚远[12]，尤其在低钾土壤上，如果单纯依靠秸秆还田并不能满足作物对钾素的需求，因此，秸秆还田后不适宜盲目地增加或减少氮钾肥的用量，进一步研究秸秆还田配施氮钾肥具有重要的意义。宫明波等[13]的研究表明，秸秆还田配施中等氮肥可以显著提高作物产量，同时显著提高土壤有机质和速效钾含量。Chen等[14]通过长期定位试验发现，秸秆还田配施化肥可以显著提高土壤有机碳、全氮和有效磷含量。目前，已有的秸秆还田与化肥配施研究多集中在氮素上，关于秸秆还田同时与氮钾肥配施的研究则鲜有报道。鉴于此，本文利用3 a定位试验研究了春玉米不同秸秆还田方式与氮钾肥配施对土壤理化性质及玉米产量的影响，以期为本地区秸秆还田条件下氮钾肥的合理施用、土壤的可持续利用及粮食的增产提供理论依据。
1.1 试验区概况
试验于2018—2020年在瓦房店市元台镇(39°31′10″N，122°3′16″E)进行。该区属暖温带大陆性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，年平均气温9.3 ℃，无霜期165 ～ 185 d，年降水量580 ～ 750 mm，5—9月有效日照总数约1 100 h，≥10 ℃有效积温约3 200 ℃。供试土壤为棕壤土，耕层土壤(0 ～ 20 cm)基本理化性质为：pH 5.2，全氮0.74 g/kg，全磷 1.09 g/kg，全钾23.9 g/kg，有机质9.22 g/kg，碱解氮(N) 81 mg/kg，有效磷(P2O5) 20.2 mg/kg，速效钾(K2O) 55.0 mg/kg。
1.2 试验设计
试验采用裂区设计，主因素为4个秸秆还田方式(S)：S1为秸秆粉碎深翻还田，S2为秸秆粉碎深旋还田，S3为秸秆覆盖免耕还田，S4为秸秆不还田；
副因素为施肥(F)，设2个氮水平(N，210、180 kg/hm2)和2个钾水平(K2O，120、90 kg/hm2)4个组合：F1为N210-K120，F2为N210-K90，F3为N180-K120，F4为N180-K90。试验共16个处理，3次重复，每个小区长为20 m，宽为3.6 m(6垄)，面积为72 m2。每年秋季机械收获玉米时将秸秆全部粉碎，在经灭茬机处理后，按试验要求进行还田操作，深翻还田30 cm，深旋还田20 cm，覆盖还田铺于地表，不还田将秸秆离田后常规旋耕12 cm。氮、磷、钾肥分别为尿素(含N 460 g/kg)、磷酸二铵(含N 180 g/kg，P2O5460 g/kg)和氯化钾(含K2O 600 g/kg)。各处理磷肥统一用量为P2O590 kg/hm2。全部肥料均在播种时一次性侧深施入。供试玉米品种为当地常规品种宏硕899，生育期约130 d，种植密度4 000株/亩(1亩=667 m2)，生育期内无灌溉。每年5月上旬播种，10月上旬收获。除草和田间管理按常规管理方式。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 土壤物理性状 玉米收获后，采用环刀法测定土壤容重和田间持水量。用标准体积为100 cm3环刀在秸秆还田主区采集2.5、22.5和42.5 cm土层的原状土，分别代表0 ～ 20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm土层土壤样品，每区随机选取3点，用胶带密封环刀后带回实验室用于容重和田间持水量的测定；
每区利用 SC900土壤硬度仪，按照“S”型随机观测法，测定0 ～ 45 cm土壤紧实度，每区6 次重复，计算其平均值。
1.3.2 土壤化学性质 玉米收获后，各小区采集0 ～ 20 cm耕层土壤用于化学性质的测定。采用重铬酸钾容量法测定有机质；
采用碱解扩散法测定速效氮；
采用NaHCO3溶液浸提，钼锑抗比色法测定有效磷；
采用 NH4OAC 溶液浸提，火焰光度计法测定速效钾。
1.3.3 产量及其构成因素 玉米收获时，各小区取12 m2测产，按14% 含水率折合成单位面积产量。另选取有代表性的果穗10穗，待风干后于室内考种，测定穗长、穗粗、秃尖长和百粒重等产量构成因素。
1.4 数据处理
采用 Excel 2010进行数据处理；
应用 SPSS22进行GLM单变量(Univariate)方差分析，Duncan法进行多重比较；
采用Origin 9.1绘图。
2.1 不同秸秆还田方式对土壤物理性状的影响
2.1.1 土壤容重 土壤容重和孔隙度等物理指标是决定土壤水、肥、气、热等因素相互协调，以满足作物正常生长发育需要的重要因素。连续2 a试验结果显示，土壤容重随土层深度增加而增加(图1)。在0 ～ 20 cm表层，两年结果均显示S3处理的容重最大，平均为1.47 g/cm3，显著高于其他处理21.6% ～ 28.2%，主要是由于免耕处理没有土壤耕作的过程，使表层土壤变得相对结实。在20 ～ 40 cm土层，2019年由于秸秆还田年限较短故各处理差异不显著，2020年各处理容重表现为S1 2.1.2 田间持水量 从图2可知，2019年，在0 ～ 20 cm土层秸秆还田处理的田间持水量都高于无秸秆处理，顺序为S1>S2>S3>S4，其中S1和S2处理较S4处理(对照)差异显著，提高了22.2% 和12.8%； 2.1.3 土壤紧实度 从图3可以看出，各处理土壤紧实度随着土层深度的增加呈先快速增加后趋于平稳的趋势。经过3 a田间试验后各秸秆还田处理均降低了0 ～ 40 cm土层的土壤紧实度，具体表现为0 ～ 20 cm土壤紧实度随土层加深逐渐增加，各处理平均紧实度大小为S1 图3 不同秸秆还田方式对土壤紧实度的影响 多因素交互结果表明(表1)，秸秆还田极显著影响了土壤有机质含量(<0.001)，连续2 a试验结果均显示秸秆还田各处理有机质含量显著高于无秸秆处理(<0.05)，两年分别平均提高5.2% 和21.1%。此外，施肥、秸秆与施肥互作均对有机质含量产生显著影响(<0.01)。多重比较结果显示，高氮量组合处理(F1、F2)的有机质含量显著高于F4处理，平均高出2.8% ～ 15.8%。另外，从表1还可以看出，秸秆还田配合高氮处理的有机质含量显著高于无秸秆低氮处理。 秸秆还田、施肥、秸秆还田与施肥互作对碱解氮和有效磷含量均产生了极显著影响(<0.001)。连续2 a试验结果表明，S1和S2处理碱解氮含量较S4处理平均提高2.5% 和8.6%，且2020年差异达显著水平； 秸秆还田显著影响了土壤速效钾含量(<0.05)，2020年秸秆还田各处理的速效钾含量均显著高于无秸秆处理，平均提高13.8% ～ 20.6%； 表1 秸秆还田与施肥对土壤养分的影响及交互作用 注：表中同列不同小写字母表示在<0.05水平处理间差异显著。S表示秸秆还田处理，F表示施肥处理，S×F表示交互作用； 从多因素交互作用结果(表2)可以看出，2 a试验结果中秸秆还田均对穗长有极显著性影响(<0.001)，2019年对穗粗和百粒重有极显著影响(<0.001)，2020年对秃尖长有显著性影响(<0.05)。施肥均对穗长有极显著性影响(<0.05)，对穗粗无影响。二者的交互作用在2019年对产量构成各因素均无显著影响，在2020年对穗粗和百粒重有显著性影响。多重比较结果表明，秸秆还田各处理的穗长和穗粗均高于无秸秆处理0.6% ～ 4.6% 和2.0% ～ 33.9%，其中S1和S2处理与S4处理差异达显著水平。从施肥角度分析发现，2019年高氮量施肥处理能提高玉米穗长、穗粗和百粒重，较低氮低钾的F4处理分别平均提高2.8%、1.8% 和2.6%，且F1和F2处理的穗长较F4处理增加差异显著，说明施肥可通过提高穗长来促进产量的形成。 从多因素交互作用结果还可以看出，秸秆还田、施肥和二者的交互作用对产量有极显著或显著性影响(<0.05)。连续2 a试验结果表明(表2)，秸秆还田各处理的产量均高于无秸秆还田处理，S1、S2和S3处理比S4处理两年分别提高17.2% 和13.9%、9.8%和16.2%、7.3% 和2.9%，其中S1和S2处理与S4处理差异达显著水平，主要是由于深耕秸秆还田后能够打破犁底层，增加耕层厚度，促进了玉米根系对下层土壤养分的吸收，进而增加产量。施肥各处理产量顺序为F1>F2>F3>F4，其中高氮处理F1和F2较低氮处理平均提高3.7% ～ 13.8%，差异达显著水平； 秸秆还田后经腐解产生的腐殖质是土壤结构的胶结剂，能调控土壤团粒结构的形成[16]，从而间接改善土壤结构。与常规耕作相比，免耕虽然对土壤不产生扰动，但是土壤沉降作用已使土壤颗粒间排列比较紧实，再加上春种秋收时的机械压实，即使表层覆盖了秸秆，依然使土壤容重显著增加，尤其0 ～ 20 cm土壤容重增加了21.6% ～ 28.2%，这与徐莹莹等[17]研究结果一致。土壤紧实度是评估土壤结构的一个重要指标，可用于表征土壤压实强度[18]。本研究中虽然秸秆还田方式不同，但却都不同程度地缓解了土壤板结紧实的问题，且以深翻和深旋秸秆还田方式更优。深翻或深旋还田方式通过深耕作业楔入或混入秸秆改善了土壤松紧程度，提高了土壤孔隙度[19]，扩大了土壤水分的贮存空间，容纳更多的大气降水，加之秸秆本身的亲水性，使0 ～ 20 cm土层的田间持水量提高22.2% 和12.8%，紧实度降低了20.3% 和13.8%。对于20 cm以下土壤，通过深耕还田打破犁底层，利于水分传导与入渗，有效增加了相应土层土壤的田间持水量，有效预防田间径流的发生[20]，对于缓解研究区域内由年际间降水不均和年内降水分布不均而引起的季节性干旱具有十分重要的作用。 秸秆中含有丰富的氮、磷、钾和各种微量元素等多种养分，还田后可为土壤补充部分外源有机物质，同时提高土壤中养分的有效性[21]。已有研究表明，秸秆连续还田后耕层土壤有机质、全氮磷钾和速效氮磷钾含量均有显著增加[22]。本研究也有相同结论，秸秆连续还田3 a后，有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量较无秸秆还田平均提高21.2%、8.6%、15.0% 和17.2%。土壤养分含量的增加与秸秆腐解释放养分有直接的关系，孙哲等[23]、匡恩俊等[24]已对玉米秸秆的养分释放情况做了相关研究。土壤有机质含量显著提升，一方面是由于秸秆还田后它本身就充当了碳源； 关于秸秆还田配施化肥对玉米产量影响的研究很多，但不同土壤类型、气候区域所得结果存在差异。本研究结果表明，秸秆还田、施肥和二者的互作对玉米产量都有显著或极显著影响，秸秆还田处理均能提高玉米产量2.9% ～ 17.2%，且秸秆深翻和深旋处理产量提高显著，分析其原因应是深耕秸秆还田一方面将秸秆翻埋或深混于土中更有利于秸秆腐解释放它本身含有的丰富营养元素，从而补充和调节农田土壤养分[28]； 在本试验条件下及土壤和气候相近区域，施肥及田间管理相同的情况下，秸秆深翻或深旋还田显著降低土壤容重和土壤紧实度，增加田间持水量，有效改善土壤物理性状； [1] 宋大利, 侯胜鹏, 王秀斌, 等. 中国秸秆养分资源数量及替代化肥潜力[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 1–21. [2] 靳玉婷, 李先藩, 蔡影, 等. 秸秆还田配施化肥对稻-油轮作土壤酶活性及微生物群落结构的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 3985–3996. [3] 杨帆, 董燕, 徐明岗, 等. 南方地区秸秆还田对土壤综合肥力和作物产量的影响[J]. 应用生态学报, 2012, 23(11): 3040–3044. [4] Bijay-Singh, Shan Y H, Johnson-Beebout S E, et al. Chapter 3 crop residue management for lowland rice-based cropping systems in Asia[M]//Advances in Agronomy. Amsterdam: Elsevier, 2008: 117–199. [5] Lu S G, Sun F F, Zong Y T. Effect of rice husk biochar and coal fly ash on some physical properties of expansive clayey soil (Vertisol)[J]. CATENA, 2014, 114: 37–44. [6] Hong C, Su Y, Lu S G. Phosphorus availability changes inacidic soils amended with biochar, fly ash, and lime determined by diffusive gradients in thin films (DGT) technique[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25(30): 30547–30556. [7] 陈云峰, 夏贤格, 杨利, 等. 秸秆还田是秸秆资源化利用的现实途径[J]. 中国土壤与肥料, 2020(6): 299–307. [8] 徐嘉翼, 牛世伟, 安景文, 等. 基于秸秆还田条件下辽北地区适宜耕作方式及施肥量研究[J]. 玉米科学, 2018, 26(5): 102–109. 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Effects of Straw Incorporation Combined with Fertilizer on Physiochemical Properties of Soil and Yield of Spring Maize LIU Yan1, YE Xin1, BAO Hongjing1, WANG Xiaohui2, JUAN Yinghua1* (1 Institute of Plant Nutrition and Environmental Resource, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China; 2 Agricultural Technology Extension Center of Wafangdian City in Liaoning Province, Wafangdian, Liaoning 116300, China) A 3-year located field experiment was conducted to study the influences of different straw incorporation methodscombined with fertilizers on physiochemical properties of soil and yield of spring maize. The results show that no matter under what kind of straw returning methods, compared with non-straw returning, straw incorporation significantly increases the field capacity of every soil layer by 8.6%–18.0%, reduces soil compactness by 6.3%–27.5%, and deep turning and deep rotation of straws is better in the effects, which also significantly reduces soil bulk density of 20–40 cm. Straw incorporation increases the contents of soil organic matter by 21.2%, alkaline nitrogen by 8.6%, available phosphorus by 15.0% and available potassium by 17.2% in the plough layer after continuous straw returning for 3 years compared with the non-straw returning. In addition, appropriate nitrogen fertilizer combined with straw returning is more conducive to the improvement of soil nutrients. The application of 210 kg/hm2nitrogen and 90–120 kg/hm2potassium fertilizer with straw deep turning and rotation significantly improves soil nutrients, promotes the ear length and diameter as well as 100-grain weight, so increases the yield of spring maize, thus, it is an ideal model in spring maize production and has good application and promotion potential in agricultural development in brown soil area in Liaoning. Straw incorporation; Physiochemical properties of soil; Spring maize; Yield S152 A 10.13758/j.cnki.tr.2023.02.004 刘艳, 叶鑫, 包红静, 等. 秸秆还田配施化肥对春玉米耕层土壤理化性质及产量的影响. 土壤, 2023, 55(2): 254–261. 沈阳市科技计划项目(21-109-3-01)，辽宁省揭榜挂帅项目(2021JH1/10400039)，辽宁省重点研发计划项目(2021JH2/10200030)和国家重点研发计划项目(2018YFD0300303)资助。 (juanyong_001@sohu.com) 刘艳(1980—)，女，硕士，副研究员，主要从事植物营养与高效施肥研究。E-mail: liuyan1980@163.com 本文来源：http://www.triumph-cn.com/fanwendaquan/gongwenfanwen/2023/0928/109894.html
在20 ～ 40 cm土层，S3和S1处理的田间持水量较S4处理显著提高了10.8% 和9.8%；
在40 ～ 60 cm土层，秸秆还田处理的田间持水量均高于无秸秆处理，顺序为S2>S1>S3>S4，其中S2和S1处理较S4处理提高了38.2% 和14.9%，差异显著。2020年，各土层田间持水量的变化趋势基本一致，均表现为S1≈S2>S3≈S4，S1和S2处理较S4处理各土层持水量分别增加8.6% 和11.7%、13.7% 和9.6%、18.0% 和14.2%，且差异显著。说明秸秆连续还田后能增加耕层及深层土壤田间持水量，且深翻和深旋的还田方式对于增强土壤持水能力更好。
2.2 秸秆还田配施化肥对土壤养分的影响
秸秆还田各处理有效磷含量在2020年较S4处理提高了10.8% ～ 17.8%，其中S1和S2处理提高显著。从施肥角度分析发现，F1处理碱解氮和有效磷含量在2 a试验结果中均是最高，与其他施肥组合差异显著，其次是高氮低钾F2处理和低氮高钾F3处理，与F4处理差异亦达显著水平，说明在有秸秆还田的条件下需要适当地增加氮肥或钾肥的用量才能保证土壤中速效养分的扩充。
此外秸秆还田各处理中，S1处理显著高于S2和S3处理，说明秸秆在深翻还田时扰动土壤能够促进速效钾的释放。施肥对速效钾含量的影响两年结果不相一致，2019年有极显著影响(<0.01)，但2020年无显著影响，可能与两年的气候和降雨量差异较大有关。秸秆还田和施肥的互作对速效钾含量有显著或极显著影响，S1F1和 S2F1处理较S4F4处理的速效钾含量均有显著提高(<0.05)。
*表示达<0.05显著水平，**表示达<0.01 显著水平，***表示达<0.001 显著水平，ns 表示不显著。下同。2.3 秸秆还田配施化肥对玉米产量及其构成的影响
高钾处理F1和F3较低钾处理平均提高3.2% ～ 6.3%，但差异不显著。另外，从整体上看，S1F1>S1F4、S2F1>S2F4、S3F1>S3F4，且差异均显著。
3.1 秸秆还田配施化肥对土壤物理性状的影响
3.2 秸秆还田配施化肥对土壤养分的影响
另一方面，外源碳的持续加入激发了土壤微生物的活性和数量，加强了微生物矿化和固定程度，促进了秸秆中碳在土壤中的固定和积累[25]。因此，在本研究中有机质和速效养分含量的显著增加，主要来源于玉米秸秆中的养分释放。此外，本研究还发现，在秸秆还田条件下，低施肥量处理的有机质和碱解氮含量低于高氮施肥处理，可能是由于低施肥量尤其是低氮量，导致玉米地上和根系生物量减少，地上部凋落物、根系及其分泌物进入土壤的量大大降低，有机碳的积累少、分解快[26]。另外，玉米秸秆碳氮比较高，还田后亦需要大量微生物分解，缺氮导致秸秆腐解不完全，影响其养分释放，从而不利于土壤养分含量的积累。因此，本研究显示，秸秆还田的同时应配合大量氮肥的投入，更有利于秸秆腐解与有机养分的矿化，促进养分积累，实现土壤深层次培肥，这与宋佳杰等[27]研究较为一致。3.3 秸秆还田配施化肥对玉米产量的影响
另一方面，深翻/深旋秸秆还田改善土壤结构，有利于根系下扎生长，吸收更多的养分，从而提高玉米产量[29]。另有研究表明，秸秆还田同时减少10% ～ 20% 化肥用量，仍能提高作物产量[30–31]。而本文研究结果显示，秸秆还田只有与高氮量(210 kg/hm2)配施才能够显著提高玉米产量，施用低肥量有减产风险，主要原因可能是玉米秸秆还田后会引起土壤C/N比过高，出现土壤养分被微生物争夺，使作物前期缺肥，进而影响产量。本试验区土壤基础养分并不丰富，因此在秸秆还田时需要配合适量的氮肥才能更充分地激发和利用秸秆中的养分，达到培肥增产的目的。
同时配合210 kg/hm2氮肥和90 ～ 120 kg/hm2钾肥可显著提升土壤养分状况，同时提高春玉米产量，可见，该秸秆还田和施肥模式是辽宁棕壤区春玉米生产中比较理想的一种农艺措施，在农业发展中具有一定的应用和推广价值。