小麦-玉米轮作体系中秸秆还田方式对土壤肥力及作物产量的影响

影响

游东海;田霄鸿;把余玲;李锦;王淑娟;刘廷;南雄雄

【摘 要】【目的】探讨小麦-玉米轮作体系下不同秸秆还田方式对土壤肥力和作物产量的影响,旨在为促进小麦-玉米连续轮作区的农业可持续发展提供理论依据。【方法】在陕西关中地区,于2008-2010年采用2年4季的田间定位试验,以玉米秸秆不还田-小麦秸秆不还田为对照（CK）,比较玉米秸秆覆盖还田-小麦秸秆高留茬还田（T-1）、玉米秸秆直接还田-小麦秸秆高留茬还田（T-2）、玉米秸秆直接还田-小麦秸秆直接还田（T-3）3种秸秆还田方式对土壤碳储量、养分含量及作物周年产量的影响。【结果】与CK相比,3种秸秆还田方式下耕层（0～20cm）土壤总有机碳储量（CT）、土壤活性有机碳储量（CL）、土壤碳库管理指数（CMI）及土壤全磷、硝态氮、速效钾含量和作物周年产量均增加。3种秸秆还田方式对CT、CL及CMI的影响表现为T-3〉T-2〉T-1;对作物周年产量的影响则表现为T-2〉T-3〉T-1;对土壤养分的影响无明显规律性,但是对速效钾含量的影响表现为T-2〉T-3〉T-1。【结论】综合考虑,在陕西关中小麦-玉米轮作体系中,玉米秸秆直接还田-小麦秸秆高留茬还田模式（T-2）是较优的耕作方式。%【Objective】 Investigating the effects of different straw returning models on soil fertility and crop yield is very vital,and can provide references for theory of sustainable agricultural development in continuous winter wheat-summer maize rotation system area.【Method】 The research was carried out continuously from 2008 to 2010 in Guanzhong Plain.There were four treatments including 3 straw management models,namely,T-1：maize straw mulching-high wheat stubble retention,T-2：maize straw chopping-

high wheat stubble retention,T-3：maize straw chopping-wheat straw chopping,and no maize and wheat straw returning was designed as CK.The soil total carbon storage（CT）,soil labile carbons（CL） storage,soil carbon management index（CMI） and soil chemical fertilizer content were determined.And the annual crop yield was recorded.【Result】 Straw returning treatments showed obvious influence on CT,CL,CMI,soil total P,soil NO-3,soil available K content and annual crop yield within 2 years.The difference among the three straw mulching models showed the trend of T-3〉T-2〉T-1 for CT,CL storage,and CMI;whereas,the observed trend was T-2〉T-3〉T-1 in the case of annual grain yield and available K contents in soil;different straw returning model did not show significant effect on other soil chemical fertilizer contents.【Conclusion】 The results indicate that,T-2 is the optimized straw management in the winter wheat-summer maize annual double cropping areas in Guanzhong plain of China 【期刊名称】《西北农林科技大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2012(040)007 【总页数】6页(P167-172)

【关键词】小麦-玉米轮作;秸秆还田方式;周年产量;土壤有机碳;土壤养分 【作 者】游东海;田霄鸿;把余玲;李锦;王淑娟;刘廷;南雄雄

【作者单位】西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部

西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100;西北农林科技大学资源环境学院,农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌712100 【正文语种】中 文 【中图分类】S141.4

国内外学者通过大量研究肯定了秸秆还田的肥田和增产效应，发现适当方式的秸秆还田能够降低土壤体积质量，提高土壤保水保肥能力，增加土壤N、P、K和微量养分含量，提高作物产量［1－6］。而秸秆还田效果与特定地域、气候条件和种植制度以及还田配套技术紧密相关，前人对秸秆还田在不同的轮作种植制度下的效果研究也取得了一定进展。陈尚洪等［7］研究表明，在稻／麦两熟地区秸秆还田配套旋耕技术比配套免耕技术能提高土壤养分含量，增加土壤各形态碳素含量，改善土壤碳库质量；刘立晶等［8］研究表明，在华北地区的玉米－小麦轮作体系下，玉米和小麦秸秆100%还田配套全程免耕覆盖体系和玉米秸秆配套深松覆盖＋小麦秸秆配套免耕覆盖的秸秆还田模式，均有利于提高当地农田土壤的水分利用效率和作物产量。但目前的研究主要探讨轮作体系下单一耕作技术循环使用的效果，而关于小麦－玉米连续机械化轮作体系下不同机械耕作技术交替配套的效果还鲜有报道。 鉴于关中地区小麦－玉米轮作生产中机械化程度越来越高的发展趋势，本研究通过比较关中平原地区田块尺度上秸秆还田交替配套的不同耕作方式对农田土壤碳储量、养分含量和作物周年产量等效应的影响，旨在为找到适于小麦－玉米轮作体系下秸

秆资源的合理利用及农业可持续发展的耕作方式提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验于2008－2010年在西北农林科技大学三原试验站进行，研究区地处关中平原中部（108°52′E，34°36′N，海拔427m），以冬小麦－夏玉米一年二熟轮作体系为最主要的种植制度。该地属暖温带性季风气候半干旱区，年均气温12.9℃，无霜期218d，日照时数2 095.7h，多年平均降水量为526.5mm，且夏秋两季的降水量占全年降水量的70%左右，其中，2008－10－01－2009－10－01的降水量为537.5mm，2009－10－01－2010－10－01的降水量494.0mm。供试土壤类型属于红油土，耕层pH值为8.08，总有机碳储量为23.17t／hm2，活性有机碳储量为4.05t／hm2，全氮、全磷、全钾含量分别为1.17，0.81和29.32g／kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为20.26，10.53和244mg／kg。 1.2 材 料

1.2.1 供试品种 本研究采用的玉米和小麦品种分别为当地广泛种植的“骏单22”和“小偃6号”。

1.2.2 试验机具 研究使用的秸秆粉碎还田覆盖深松机（型号：4JK－1500）和小麦播种机 （型号：2MXF－3／6），均由西北农林科技大学机械与电子工程学院提供；收割粉碎机（雷沃谷神系列）、旋耕机和免耕硬茬播种机（型号：小四行播种机，黑龙江省海轮王农机制造有限公司生产），均由陕西省三原县农机服务市场提供。

1.3 试验设计和田间管理

1.3.1 试验设计 试验设4个处理，分别是：CK.玉米秸秆不还田－小麦秸秆不还田；T－1.玉米秸秆覆盖还田－小麦秸秆高留茬还田；T－2.玉米秸秆直接还田－小麦秸秆高留茬还田；T－3.玉米秸秆直接还田－小麦秸秆直接还田。其中，玉米秸秆不

还田是指在用收割机将玉米收走后，人工砍倒（齐根）移除玉米秸秆，旋耕后播种；玉米秸秆覆盖还田是指秸秆粉碎后覆盖在土壤表面，然后深耕（能够保持大部分秸秆覆盖在地面）播种；玉米直接还田是指秸秆粉碎后，再用旋耕机将秸秆旋混在0～15cm的土层中。小麦秸秆不还田是将小麦低留茬（留下的茬长＜5cm）机械化收割后，人工移除田间剩余秸秆后直接免耕播种；小麦秸秆高留茬还田指在小麦机械化收割时，从小麦根部距地面35～40cm处收割后免耕播种；小麦秸秆直接还田是指用收割机以上述方法高留茬收割的同时粉碎秸秆（秸秆长度＜3cm）后，再用旋耕机将秸秆混入土壤（0～15cm土层），播种。每处理重复3次。小区面积为1 112m2，每个小区内起5垄，垄长、宽分别为75m和0.5m。为了便于机械化操作，区组内实行顺序排列。估算小麦高留茬秸秆还田量约为6 000kg／hm2，低留茬秸秆还田量在900kg／hm2左右；玉米秸秆还田量平均值约为7 500kg／hm2（均忽略作物根部质量）。

1.3.2 田间管理 田间试验于2008－06在进行了一季夏玉米种植后（2008年6月初－2008年9月底）正式开始计产。各小区间的播种量、施肥量（氮、磷）及施肥时间、灌水、病虫害防治等田间管理措施均保持一致。每年6月玉米的播种施肥采用施肥播种机一次性完成。在玉米播种前，为了满足秸秆腐解过程对氮、磷的需要，避免与幼苗生长发生争肥现象，配施尿素（N 67.5kg／hm2）和磷酸二铵（P2O5 22.5kg／hm2）作为基肥；分别在玉米苗期（N 75 kg／hm2）、喇叭口期（N 45kg／hm2）再追施尿素1次。于10月份小麦播种前，一次性配施尿素（N 150 kg／hm2）、磷酸二氢铵（P2O5110kg／hm2）作为基肥。整个玉米生育期内，分别在拔节期和抽雄期各灌水1次，灌水量每次约50mm；小麦生育期内，分别在分蘖期和拔节期灌水1次，灌水量每次约50 mm。每年在玉米播种前施用“百菌灵”防止作物的病虫侵害；在玉米5叶期用“锈去津”进行田间杂草的控制。作物播种、收获和秸秆还田过程均按照试验设计采用大型机械化操作，

试验地其他管理措施按照当地习惯，采取常规管理。 1.4 样品采集与指标测定

1.4.1 土壤指标 2010－10在玉米收获后小麦播种前，对田间每个小区的耕层（0～20cm）土壤进行多点采样（4点），带回实验室风干后研磨分别过孔径1和0.25mm筛子备用。土壤总有机碳（TOC，g／kg）采用浓硫酸－重铬酸钾外加热法测定［9］，然后设定0～20cm 土层的土壤质量（WS）为2.25×106 kg／hm2，计算耕层土壤总有机碳储量（CT）：CT＝TOC×WS。土壤活性有机碳（Labile Carbon，LC）采用高锰酸钾氧化法测定［10－11］，计算耕层土壤活性有机碳储量（CL）：CL＝LC×WS。土壤全氮含量采用开氏法测定，全磷和全钾含量采用NaOH熔融法测定。硝态氮、铵态氮含量采用1mol／L KCl浸提，用AA3型连续流动分析仪测定；速效磷含量用Olsen法测定；速效钾含量用1mol／L NH4OAC浸提，火焰光度法测定。

土壤碳库管理指数（carbon management index，CMI）参考Blair等［12］提出的方法计算。

式中：CNL为耕层土壤非活性有机碳储量，CT为耕层土壤总有机碳储量，CL为耕层土壤活性有机碳储量；L为土壤碳库活度；LI为碳库活度指数，L0为样品土壤碳库活度，L1为参考土壤样品碳库活度；CPI为土壤碳库指数，CT0为样品土壤的总有机碳储量，CT1为参考土壤的总有机碳储量（本研究以试验开始前土壤为参考）。

1.4.2 作物周年产量 在每年的6月中旬和10月上旬作物机械化收获后，对玉米和小麦分别进行计产，然后再计算作物周年产量。本研究界定的周年产量统计周期是第一年的小麦播种季到翌年玉米收获季，如：2009年的周年产量是指2008－10

－2009－06的小麦产量和2009－06－2009－10的玉米产量的总和。 1.5 试验数据处理

本研究采用Sigma plot 11.0作图，数据用SPSS 17.0统计软件进行方差分析（One Way－ANOVA）和多重比较（LSD，P＜0.05）。 2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对耕层土壤碳储量和CMI的影响

不同秸秆还田方式对耕层（0～20cm）土壤碳储量的影响见图1。由图1可见，不同秸秆还田方式对耕层土壤总有机碳储量的影响不同，T－3和T－2模式下，土壤总有机碳储量分别为29.71和25.50 t／hm2，比CK依次增加22%和5%。秸秆还田方式对耕层土壤活性有机碳储量的影响趋势与土壤总有机碳储量一致，也表现为 T－3＞T－2＞T－1，其中 T－3模式下的耕层土壤活性有机碳储量最高，为8.14 t／hm2，比 CK 显著提高40%；T－2模式下为6.20 t／hm2，比CK提高7%。T－3比 T－2和 T－1模式更能提高耕层土壤总有机碳储量和土壤活性有机碳储量，这可能是由于T－3模式下，小麦、玉米秸秆均直接还田的配套旋耕技术，更有利于秸秆有机碳向土壤有机碳转化和贮藏［7］。

由表1可见，不同秸秆还田模式对土壤CMI的影响差异显著，且表现为T－3＞T－2＞CK＞T－1。其中T－3模式的CMI显著高于其他模式，说明在秸秆还田量无明显差异的条件下，T－3比T－2和T－1模式更能提高土壤碳库的质量。 图1 不同秸秆还田方式对耕层（0～20cm）土壤碳储量的影响图柱上标不同小写字母者表示差异达5%显著水平。下图同Fig.1 Effect of tillage management on top（0－20cm）soil carbon stock Significant differences between treatments are indicated with different letter（P＜0.05）.The same as below

表1 不同秸秆还田方式对耕层（0～20cm）土壤碳库管理指数的影响Table 1

Effect of different tillage managements on top（0－20cm）soil carbon management index注：同列数据后标不同小写字母者表示差异达到5%显著水平。Note：Values within a row in the same parameter followed by the same letters are not significantly different（P＜0.05）.处理Treatment碳库指数CPI碳库活度L碳库活度指数LI碳库管理指数CMI CK 1.05b 0.32a 1.49a 156b T－1 1.10b 0.29a 1.37a 151b T－2 1.03b 0.35a 1.65a 171b T－3 1.28a 0.38a 1.79a 230a

2.2 不同秸秆还田方式对耕层土壤养分含量的影响

不同秸秆还田方式对耕层（0～20cm）土壤养分含量的影响见表2。

表2 不同秸秆还田方式对耕层（0～20cm）土壤养分含量的影响Table 2 Effect of tillage management on top（0－20cm）soil fertility注：同行数据后标不同小写字母者表示差异达到5%显著水平。Note：Values within a row in the same parameter followed by the same letters are not significantly different（P＜0.05）.1.19ab 1.04b 1.08b 1.27a全磷／（g·kg－1）Total P 0.78b 0.88a 0.90a 0.90a全钾／（g·kg－1）Total K 21.85a 20.63a20.20a21.a铵态氮／（mg·kg－1）NH＋4－N12.12b13.11b15.a12.04b硝态氮／（mg·kg－1）NO－3－N10.78c14.55b11.96c17.68a速效磷／（mg·kg－1）Ava.P 11.93b 11.52b13.87a 9.51c速效钾／（mg·kg－1）Ava.K CK T－1 T－2 T－3全氮／（g·kg－1）Total N处理Treatment 166b 194b 251a 213ab

由表2可见，在冬小麦－夏玉米轮作体系下，经过2年4季的连续秸秆还田后，不同模式对土壤速效钾含量的影响表现为T－2＞T－3＞T－1＞CK，这可能是由于作物秸秆中的钾含量相对较其他养分高（其中小麦秸秆中的钾含量为4.50g／kg，而玉米秸秆中的钾含量为18.40g／kg），所以3种秸秆还田模式均能在短期内大幅度提高土壤速效钾含量。T－1、T－2和T－3模式对土壤全氮、全磷、全

钾和速效磷、硝态氮和铵态氮含量的影响无明显规律性。 2.3 不同秸秆还田方式对作物周年产量的影响 不同秸秆还田方式对作物周年产量的影响见图2。

图2 不同秸秆还田方式对作物周年产量的影响Fig.2 Influence of different tillage managements on crop annual yield

由图2可见，不同秸秆还田处理的作物周年产量均明显高于CK，在2009和2010年均表现为T－2＞T－3＞T－1＞CK，可能是因为秸秆还田有利于提高土壤保水性，提高作物的水分利用效率，从而增加了作物周年产量。 3 讨 论

3.1 秸秆还田方式对耕层土壤碳储量和CMI的影响

土壤有机碳及其活性直接影响土壤物理、化学和生物学特性［13－15］。CMI综合了耕作管理技术对土壤总有机碳和活性有机碳的影响，是评估耕作管理模式能否改善土壤质量的重要指标［2，12］。本试验对关中地区冬小麦－夏玉米轮作制下的秸秆还田模式进行了研究，结果发现，在秸秆还田量相同的条件下，不同模式对耕层土壤碳储量和CMI的影响有明显差异，且3种模式均表现为T－3＞T－2＞T－1。这可能是因为T－3模式下的全程高强度旋耕技术更有利于秸秆从土壤表层向深层转移，减少了有机质在表层的矿化，从而增加土壤对碳的储存；此外，秸秆还田配套旋耕技术有利于打破微生物的环境障碍，提高CMI，改善土壤碳质量，这与前人的研究结果一致［7，16－17］。T－2和 T－1模式下对土壤的翻动逐渐减少，所以这2种模式下耕层土壤有机碳储量、CMI的增加幅度相对较小。 3.2 秸秆还田方式对土壤肥力状况的影响

作物秸秆还田作为提高资源利用率的重要措施之一，能够为土壤返还植物生长所必需的N、P、K及其他中微量元素。有研究表明，秸秆还田能够显著提高土壤肥力，为根系生长创造良好的土壤环境［18－20］。王应等［21］和吴婕等［22］分 别

在黄 土高原地区和成都平原区进行的研究表明，无论是采用机械化直接还田技术还是采用覆盖还田技术，秸秆都能有效提高土壤有机质含量，改善土壤肥力。本研究结果表明，在冬小麦－夏玉米轮作体系下，秸秆还田使耕层土壤的全量养分和速效养分含量均有所变化，尤其使土壤速效钾含量增加更为明显，不同模式表现为T－2＞T－3＞T－1＞CK。

3.3 秸秆还田方式对作物周年产量的影响

秸秆还田作为农业生产过程中的一个重要环节，对农田生态系统中的物质能量流通、投入产出结构有着重要影响［23］。作为农田产出的重要组成成分，作物周年产量与农田管理方式有很大关系。余延丰等［24］研究表明，在江汉平原地区进行原位秸秆还田能显著提高水稻和小麦的产量，尤其是与化肥配合施用效果更明显。高亚军等［25］的研究也表明，在黄土高原区，秸秆覆盖还田技术能使冬小麦产量明显提高。本研究结果显示，秸秆还田处理的作物周年产量比CK高，尤其是T－2模式（玉米秸秆直接还田－小麦秸秆高留茬）下作物周年产量最高。这可能是由于关中地区属半湿润易旱气候分布区，且降雨季节分布不均，蒸发量大，使得农业生产中容易出现季节性干燥气候，妨碍作物生长，而采用T－2模式，即在小麦秸秆高留茬免耕基础上配合玉米秸秆粉碎旋耕还田方式下，土壤保水相对较好，减弱了季节性干旱造成的影响，保障了农业生产的水分需求，从而提高了作物产量。 在目前小麦秸秆高留茬还田方式已得到大面积推广的情况下，为保障冬小麦－夏玉米轮作制度的可持续发展及关中地区粮食生产的安全，应积极推广“玉米秸秆直接还田－小麦秸秆高留茬还田（T－2）”耕作模式，充分发挥其增产效应。然而，从更大的时间尺度上来看，“玉米秸秆直接还田－小麦秸秆直接还田（T－3）”模式是否能更有效地增加土壤碳储量、养分含量及粮食产量还需要进一步深入探讨。 ［参考文献］

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