李有兵，李　碩，李秀雙，姜振輝，師江瀾，田霄鴻

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

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不同秸稈還田模式的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

李有兵，李碩，李秀雙，姜振輝，師江瀾，田霄鴻

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 楊凌 712100)

【目的】 對(duì)不同秸稈還田模式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選相對(duì)較優(yōu)的秸稈還田模式，為關(guān)中平原小麥-玉米一年二熟輪作體系下大規(guī)模實(shí)行機(jī)械化秸稈還田提供理論依據(jù)?！痉椒ā?采用田間定位試驗(yàn)，在陜西關(guān)中冬小麥-夏玉米一年二熟耕作制度下，小麥秸稈設(shè)高留茬還田(WH)、粉碎還田(WC)和不還田(WN)3種還田方式，玉米秸稈設(shè)深松還田(MM)、旋耕還田(MC)和不還田(MN)3種還田方式，通過完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)得到9種秸稈還田模式，分別為WH-MM、WH-MC、WH-MN、WC-MM、WC-MC、WC-MN、WN-MM、WN-MC、WN-MN，測(cè)定不同秸稈還田模式下的土壤理化性質(zhì)，根據(jù)主成分分析法定量評(píng)價(jià)不同秸稈還田模式對(duì)土壤質(zhì)量的影響?！窘Y(jié)果】 秸稈還田對(duì)土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)碳活性組分的影響較大，尤其是速效氮，其變異系數(shù)最高，達(dá)32.38%，是反映土壤質(zhì)量變化最為敏感的指標(biāo)。秸稈還田后其自身所含有機(jī)碳礦化以CO2形式釋放于大氣，進(jìn)入土壤較少，因此土壤總有機(jī)碳含量的變異系數(shù)較小，為5.31%。通過主成分分析法建立了土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型，經(jīng)計(jì)算可知，小麥秸稈高留茬還田-玉米秸稈旋耕還田(WH-MC)模式的土壤質(zhì)量綜合得分最高，達(dá)0.751 0，其小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量較高，土壤質(zhì)量相對(duì)較優(yōu)。【結(jié)論】 綜合土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量，WH-MC是關(guān)中地區(qū)相對(duì)較優(yōu)的秸稈還田模式組合。

秸稈還田；土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)；主成分分析；小麥-玉米輪作

土壤作為植物生長(zhǎng)的媒介、水分的過濾器和廢物分解的生物介質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤與水、氣和植物互作，調(diào)節(jié)控制水、氣質(zhì)量和植物生長(zhǎng)的生態(tài)過程，并維持地球的生態(tài)系統(tǒng)平衡[1-2]。我國(guó)土壤資源嚴(yán)重不足，人均耕地面積不足世界水平的1/3，近幾十年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥施用量的銳減，加之高產(chǎn)、超高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)需求壓力對(duì)農(nóng)田地力的過度消耗，造成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)日益脆弱，土壤質(zhì)量退化及農(nóng)田生產(chǎn)力水平下降等生態(tài)環(huán)境問題加劇，嚴(yán)重影響著我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全[3-6]。大量試驗(yàn)表明，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有一定的提升作用，還能補(bǔ)充土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，改善土壤理化性狀和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中替代傳統(tǒng)有機(jī)肥、維持和提高土壤質(zhì)量的有效措施[7-9]。

土壤質(zhì)量主要依據(jù)土壤功能進(jìn)行定義，根據(jù)國(guó)際土壤學(xué)會(huì)對(duì)土壤功能的闡述，被定義為土壤在生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)維持生物的生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[10]。土壤質(zhì)量是土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體[11]，其優(yōu)劣直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育以及人類的生產(chǎn)、生活和發(fā)展，土壤質(zhì)量良好的標(biāo)準(zhǔn)是能夠維持較高的農(nóng)田生產(chǎn)力，并且未引起環(huán)境質(zhì)量的明顯退化，通過土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)，可以了解耕地的生產(chǎn)潛力、健康狀況及預(yù)測(cè)耕地的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力[12-13]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)性很強(qiáng)的工作，國(guó)內(nèi)外已在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法方面開展了大量的研究工作，但迄今為止尚沒有統(tǒng)一的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。常見的評(píng)價(jià)方法可以概括為定性和定量評(píng)價(jià)，定性評(píng)價(jià)往往受到較多主觀因素干擾，應(yīng)用不是很廣泛；定量評(píng)價(jià)方法較為客觀，適合于各種尺度，但爭(zhēng)議也較大，因?yàn)椴煌u(píng)價(jià)者的目的不一樣，側(cè)重的土壤功能也不一樣，決定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異，目前研究者多采用主成分分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步篩選[14]。關(guān)于主成分分析法在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，以往研究者主要針對(duì)不同土地利用形式、耕作模式、種植制度、施肥方式[15-16]以及化肥與秸稈配施對(duì)土壤質(zhì)量的影響來評(píng)價(jià)秸稈還田的作用[17]，也有研究者對(duì)關(guān)中平原不同秸稈還田模式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，但多集中于各指標(biāo)的分開比較，通過土壤的某些性狀間接反映土壤質(zhì)量，并未建立一個(gè)綜合的評(píng)價(jià)體系[18-19]。土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)首先要明確目的，再根據(jù)指標(biāo)的相應(yīng)功能來選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)[20-21]。秸稈還田直接影響土壤有機(jī)碳、氮磷鉀等土壤養(yǎng)分指標(biāo)，以及土壤體積質(zhì)量、孔隙度等物理性狀[22]，因此本研究采用田間定位試驗(yàn)，選取土壤有機(jī)碳、氮磷鉀等土壤化學(xué)指標(biāo)以及土壤體積質(zhì)量、孔隙度等土壤物理指標(biāo)，在田塊尺度上采用主成分分析法，建立不同秸稈還田模式的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)體系，探究不同秸稈還田模式對(duì)土壤質(zhì)量及農(nóng)田生產(chǎn)力的影響，進(jìn)而篩選適合關(guān)中平原實(shí)際情況的秸稈還田模式組合。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)三原試驗(yàn)站秸稈還田定位試驗(yàn)基地(108°52′E，34°36′N，海拔427.4 m)進(jìn)行。土壤類型為褐土類土婁土亞類紅油土屬，系統(tǒng)分類名為土墊旱耕人為土(Eum-Orthic Anthrosol)，質(zhì)地為壤土。該試驗(yàn)區(qū)屬典型暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫12.9 ℃，日照時(shí)數(shù)2 096 h，年均降水量527 mm，其中60%～70%的降雨集中在7-9月，無霜期220 d左右。試驗(yàn)開始時(shí)耕層(0～20 cm)土壤基本理化性質(zhì)分別為：有機(jī)碳10.57 g/kg，全氮0.68 g/kg，速效氮26.79 mg/kg，全磷0.61 g/kg，速效磷52.6 mg/kg，速效鉀122.8 mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2008-06，輪作制度為冬小麥-夏玉米一年二熟制，玉米于每年6月初播種，10月初收獲；小麥于每年10月初播種，次年6月初收獲。小麥秸稈設(shè)置3種還田方式，即高留茬還田(WH)、粉碎還田(WC)和不還田(WN)；玉米秸稈亦設(shè)置3種還田方式，即深松還田(MM)、旋耕還田(MC)和不還田(MN)，田間具體操作措施見表1。因此，在一個(gè)輪作期內(nèi)小麥玉米秸稈共有9種還田方式組合，分別為WH-MM、WH-MC、WH-MN、WC-MM、WC-MC、WC-MN、WN-MM、WN-MC、WN-MN。小區(qū)面積約830 m2，每種組合重復(fù)4次。

表 1　不同秸稈還田模式的具體操作措施Table 1　Design of experimental treatments under different straw returning modes

玉米播種時(shí)，為了促進(jìn)秸稈腐解，配施尿素(N 67.5 kg/hm2)和磷酸二銨(P2O567.5 kg/hm2)作為基肥，在喇叭口期追施尿素1次(N 120 kg/hm2)；小麥播種時(shí)，以尿素(N 150 kg/hm)和磷酸二銨(P2O5110 kg/hm2)作為基肥，在整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)不再追肥。在玉米出苗期、拔節(jié)期、抽雄期，以及小麥出苗期、分蘗期、拔節(jié)期各灌水1次，每次灌水量約50 mm，采用畦灌方式。各處理播種量、施肥量及施肥時(shí)間、灌水、病蟲害防治等田間管理措施均保持一致，作物播種、收獲和秸稈還田過程均按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用大型機(jī)械操作。

1.3樣品采集與分析測(cè)定

1.3.1樣品采集2014-06小麥?zhǔn)斋@后，各處理隨機(jī)選取8個(gè)點(diǎn)(2 m×1 m)采集小麥地上部分，用于測(cè)定小麥籽粒與秸稈產(chǎn)量。

采集土壤表層0～20 cm土樣。用土鉆在每個(gè)小區(qū)內(nèi)按“S”形隨機(jī)采集12個(gè)有代表性的土樣，混合后作為該小區(qū)樣品，裝入滅菌自封袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除植物殘?bào)w和其他雜物，分出一部分鮮樣備用，其余置于陰涼通風(fēng)處攤晾風(fēng)干，磨細(xì)，過孔徑1和0.15 mm篩備用。

1.3.2分析測(cè)定方法土壤體積質(zhì)量和總孔隙度通過環(huán)刀法測(cè)定，pH值測(cè)定時(shí)土水質(zhì)量體積比為 1∶2.5，采用PB-10酸度計(jì)測(cè)定，其余指標(biāo)均采用常規(guī)方法測(cè)定，其中土壤總有機(jī)碳用重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定，全氮用半微量凱氏法測(cè)定，全磷用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定，速效氮用KCl浸提-流動(dòng)分析儀測(cè)定，速效磷用Olsen法測(cè)定，速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定，活性有機(jī)碳用高錳酸鉀氧化法測(cè)定，微生物量碳用氯仿熏蒸提取法測(cè)定[23]。

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行整理，用DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較，SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量指標(biāo)的敏感性

由土壤質(zhì)量指標(biāo)敏感性分析結(jié)果(表2)可知，土壤速效氮含量的變異系數(shù)最大，達(dá)到32.38%，表明不同秸稈還田模式對(duì)土壤速效氮含量的影響最大，土壤速效氮也是反映土壤質(zhì)量變化最為敏感的指標(biāo)。土壤速效磷、鉀的變異系數(shù)也較大，表明不同秸稈還田模式主要對(duì)土壤速效養(yǎng)分產(chǎn)生影響，而速效養(yǎng)分又是作物吸收養(yǎng)分的直接來源，因此不同秸稈還田模式對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有一定影響。對(duì)于土壤有機(jī)碳指標(biāo)，土壤微生物量碳和活性有機(jī)碳含量的變異系數(shù)均較大，尤其是活性有機(jī)碳，其變異系數(shù)達(dá)到11.52%，在本研究中是反映秸稈還田最為敏感的碳指標(biāo)。土壤全鉀和pH值的變異系數(shù)均較小，其中pH值的變異系數(shù)僅為0.42%，表明秸稈還田對(duì)土壤酸堿度的影響很小。

表 2　不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量指標(biāo)的敏感性分析Table 2　Sensitivity analysis on soil quality indicators of different straw returning modes

2.2不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1評(píng)價(jià)模型的建立各土壤屬性指標(biāo)間存在一定的相關(guān)關(guān)系，直接利用上述指標(biāo)對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)會(huì)存在一定的信息重疊，因此采用主成分分析法[24]，根據(jù)累積方差貢獻(xiàn)率大于80%的原則，共提取了3個(gè)主成分，其特征值分別為5.364，2.851和1.508，各主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為 44.702%，23.760%和12.563%，3個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率高達(dá)81.025%(表3)。

由表4可知，第1主成分(F1)與大多數(shù)原始變量之間的關(guān)系都較為密切，尤其是在土壤碳、氮及體積質(zhì)量等指標(biāo)上的載荷系數(shù)較大，可以認(rèn)為是土壤碳、氮及體積質(zhì)量影響因子。第2主成分(F2)是次重要的影響因子，該主成分在土壤速效磷和全磷的載荷較大，因此可定為土壤磷素影響因子。第3主成分(F3)是再次重要的影響因子，該主成分在土壤微生物量碳指標(biāo)上載荷最大，因此可定為土壤微生物影響因子。

表 3　不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)主成分提取結(jié)果Table 3　Principal component extraction for soil quality comprehensive evaluation under different straw returning modes

表 4　不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)主成分因子載荷矩陣和公因子方差Table 4　Component matrix and communalities of soil quality comprehensive evaluation under different straw returning modes

根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣，可以得到各主成分與不同土壤質(zhì)量指標(biāo)間的表達(dá)式分別為：

F1=0.168X1+0.163X2+0.058X3-0.069X4+0.143X5+0.086X6+0.115X7-0.060X8+0.119X9-0.183X10+0.165X11+0.062X12，

F2=-0.057X1-0.093X2+0.289X3+0.106X4+0.181X5+0.279X6-0.055X7+0.101X8-0.223X9+0.014X10-0.054X11+0.258X12，

F3=0.023X1+0.044X2-0.094X3+0.158X4-0.191X5-0.045X6+0.500X7+0.562X8-0.089X9-0.018X10+0.093X11+0.074X12。

2.2.2計(jì)算主成分得分及綜合得分根據(jù)以上各主成分的得分表達(dá)式，將各土壤評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后代入，可以得出9種秸稈還田模式下土壤分別在3個(gè)主成分上的得分Fj，以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)：F=0.447 02F1+0.237 60F2+0.125 63F3，計(jì)算出各處理土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的綜合得分F值并排序，結(jié)果(表5)表明，各處理土壤質(zhì)量綜合得分排序?yàn)椋篧H-MC>WH-MM>WH-MN>WC-MN>WN-MM>WC-MM>WC-MC>WN-MC>WN-MN。小麥秸稈高留茬還田-玉米秸稈旋耕還田(WH-MC)模式土壤質(zhì)量綜合得分最高，小麥秸稈不還田-玉米秸稈不還田(WN-MN)模式最低。對(duì)于小麥秸稈不同還田方式，以小麥秸稈高留茬還田(WH)模式土壤質(zhì)量狀況最優(yōu)。

表 5　不同秸稈還田模式下土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中各主成分得分及綜合得分Table 5　Principal components scores and comprehensive scores for comprehensive evaluation of soil quality under different straw returning modes

2.3土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與作物產(chǎn)量效應(yīng)的吻合性

土壤質(zhì)量狀況可以根據(jù)土壤自身性質(zhì)來衡量，也可以根據(jù)土壤的產(chǎn)出來衡量。本研究中，經(jīng)過6年田間定位試驗(yàn)，小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量與0～20 cm土層土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合，WH-MC處理土壤質(zhì)量綜合得分最高，相應(yīng)的小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量也較大，且與WC-MC處理達(dá)到顯著性差異水平。采用小麥秸稈高留茬還田-玉米秸稈旋耕還田(WH-MC)模式對(duì)土壤質(zhì)量起到了良好的維護(hù)作用，有利于土壤的可持續(xù)發(fā)展，并獲得了較好的收益。

表 6　不同秸稈還田模式下作物產(chǎn)量與土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的吻合性分析Table 6　Matching analysis of crop yield and soil quality evaluation under different straw returning modes

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

3　討　論

3.1主成分分析法在不同秸稈還田模式土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

作物生長(zhǎng)的一個(gè)輪作期內(nèi)，不同的秸稈還田模式組合對(duì)土壤理化性質(zhì)以及農(nóng)田生產(chǎn)力會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，以往基于不同秸稈還田模式進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究多集中在對(duì)各指標(biāo)分開比較，由于各處理土壤有機(jī)碳、氮磷鉀以及體積質(zhì)量等單個(gè)指標(biāo)大小趨勢(shì)未必一致，因此難以根據(jù)各指標(biāo)數(shù)值來準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的優(yōu)劣。也有研究者通過建立隸屬度函數(shù)，運(yùn)用綜合指數(shù)法來評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量，但這種方法在臨界值以及指標(biāo)權(quán)重的確定上存在一定的主觀性，難以真實(shí)反映土壤質(zhì)量[25]。主成分分析法作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種有效方法，不僅能夠減少指標(biāo)相關(guān)性、避免信息重疊，而且在克服確定權(quán)重的主觀片面性等方面顯示了其獨(dú)特的作用[26]，因此本研究嘗試采用主成分分析法對(duì)不同秸稈還田模式下的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過計(jì)算各個(gè)主成分的得分，得出土壤質(zhì)量綜合得分，并按照得分的高低來排序，從而能夠綜合量化土壤質(zhì)量等級(jí)。

3.2不同秸稈還田模式土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)

本研究采用主成分分析法對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在所獲得的12項(xiàng)土壤指標(biāo)中，土壤速效養(yǎng)分含量的變異系數(shù)較大，可能是因?yàn)榻斩掃€田后腐解向土壤中釋放氮、磷、鉀等元素，導(dǎo)致土壤速效養(yǎng)分含量明顯增加。有研究表明，秸稈還田能降低鹽堿土土壤pH值[27]，但本研究土壤pH值的變異系數(shù)較小，土壤酸堿度較為穩(wěn)定，可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)中土壤pH值和CaCO3含量均較高，土壤pH值的緩沖能力較強(qiáng)，因此秸稈還田后不能對(duì)土壤pH值產(chǎn)生明顯影響。秸稈還田由于外源C投入的增加，能提升土壤的有機(jī)碳含量水平，而土壤有機(jī)碳影響土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)過程，被認(rèn)為是反映土壤質(zhì)量和土壤可持續(xù)性的最重要指標(biāo)[28-29]。本研究中，秸稈還田能促進(jìn)土壤總有機(jī)碳含量的增加，但其變異系數(shù)較小，并非反映秸稈還田最為敏感的指標(biāo)，這可能是因?yàn)榻斩掃€田后，其自身所含有機(jī)碳的40%～50%以CO2形式釋放，不利于土壤碳的固定[30]。土壤微生物量碳和活性有機(jī)碳含量的變異系數(shù)均較大，對(duì)秸稈還田的反應(yīng)較土壤總有機(jī)碳更為敏感，這與前人研究結(jié)果一致[31]，可能是因?yàn)槎叨际怯袡C(jī)碳的活性組分，對(duì)植物養(yǎng)分供應(yīng)有最直接的作用，在指示土壤質(zhì)量和土壤肥力的變化時(shí)比總有機(jī)碳更靈敏，能夠更準(zhǔn)確、更實(shí)際地反映土壤質(zhì)量的變化，也驗(yàn)證了本研究所采用的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的合理性。主成分分析的因子載荷矩陣表明，土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀在第1主成分上的載荷系數(shù)較大，表明這些土壤因子對(duì)土壤質(zhì)量具有決定性的作用。秸稈在腐解過程中形成腐殖質(zhì)，能有效增加土壤有機(jī)碳含量[32]，釋放出礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，從而有效補(bǔ)充土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分[33]，因此秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)量具有較大的影響。土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，小麥秸稈高留茬還田的效果最優(yōu)，是維持土壤質(zhì)量較優(yōu)的秸稈管理措施，這是因?yàn)榕c小麥秸稈粉碎還田和小麥秸稈不還田相比，小麥秸稈高留茬還田能夠?yàn)楹蠹咀魑锷L(zhǎng)發(fā)育提供一定的養(yǎng)分來源，玉米季高留茬的小麥秸稈經(jīng)過風(fēng)化作用在下季小麥播種時(shí)翻入土壤，減少了秸稈直接進(jìn)入土壤腐解損失的有機(jī)碳，同時(shí)能夠抑制雜草蔓延，減少地面水分蒸發(fā)，保持土壤水分，與關(guān)中地區(qū)雨熱同期、年降水量不足600 mm的實(shí)際情況結(jié)合，對(duì)于關(guān)中地區(qū)小麥-玉米一年兩熟的集約化生產(chǎn)具有重要意義。

3.3土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與農(nóng)田生產(chǎn)力水平的吻合性分析

土壤質(zhì)量的優(yōu)劣可以通過農(nóng)田生產(chǎn)力水平來反映，具體表現(xiàn)為產(chǎn)量效益的高低[34]。本研究中，6年秸稈還田定位試驗(yàn)結(jié)果表明，WH-MC模式的小麥籽粒與秸稈產(chǎn)量之和最大，同時(shí)土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，WH-MC模式土壤質(zhì)量綜合得分最高，土壤質(zhì)量最佳。因此，本研究采用主成分分析獲得的土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(F值)在量化土壤質(zhì)量等級(jí)的同時(shí)能夠在一定程度上反映農(nóng)田的生產(chǎn)力水平，可用于評(píng)價(jià)不同秸稈還田模式下農(nóng)田土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力狀況，是較為理想的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。WC-MC處理下小麥籽粒和秸稈產(chǎn)量均最低，且顯著低于其他處理，而土壤質(zhì)量綜合得分并非最低，土壤質(zhì)量的優(yōu)劣并不能完全反映農(nóng)田的真實(shí)生產(chǎn)力水平，可能是因?yàn)閃C-MC處理土壤自身生產(chǎn)潛力并未充分發(fā)揮，造成土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與農(nóng)田真實(shí)生產(chǎn)力水平存在一定出入。

4　結(jié)　論

本研究采用主成分分析法對(duì)不同秸稈還田模式的土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以客觀、準(zhǔn)確、綜合地反映秸稈還田的效應(yīng)，確定不同秸稈還田模式下對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生較大影響的土壤屬性指標(biāo)，以本研究為例，土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)碳的活性組分對(duì)秸稈還田的反應(yīng)較為敏感，尤其速效氮是反映土壤質(zhì)量最為敏感的指標(biāo)。

綜合主成分分析結(jié)果和作物產(chǎn)量，小麥秸稈高留茬還田/玉米秸稈旋耕還田(WH-MC)模式在獲得較高產(chǎn)量的同時(shí)對(duì)土壤質(zhì)量的維持效應(yīng)較好，是關(guān)中地區(qū)小麥-玉米一年二熟輪作制度下相對(duì)較優(yōu)的秸稈還田模式組合。

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Comprehensive evaluation of soil quality under different straw returning modes

LI Youbing,LI Shuo,LI Xiushuang,JIANG Zhenhui,SHI Jianglan,TIAN Xiaohong

(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,KeyLaboratoryofPlantNutrientandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study comprehensively evaluated soil quality under different straw returning modes to screen better straw returning mode and provide theoretical basis for large-scale implementation of mechanized straw returning in Guanzhong Plain under wheat/maize rotation system.【Method】 A field experiment was arranged under wheat/maize rotation system in Guanzhong Plain,Shaanxi.Straw mulching with high stubble returning to field (WH),straw chopping returning to field (WC) and no straw returning (WN) were tested during wheat season, and straw chopping returning to field with subsoiling (MM),straw chopping returning to field (MC) and no straw returning (MN) were tested during maize season with a total of 9 combined straw returning modes:WH-MM,WH-MC,WH-MN,WC-MM,WC-MC,WC-MN,WN-MM,WN-MC,and WN-MN.Soil physical and chemical properties under different straw returning modes were determined and principal component analysis (PCA) was adopted to quantitatively evaluate the effect on soil quality.【Result】 Straw returning to field mainly influenced soil available nutrients and active component of soil organic carbon.Soil available nitrogen had the highest variation coefficient of 32.38% and was the most sensitive indicator reflecting the changes of soil quality.Organic carbon was released to atmosphere in the form of CO2by mineralization after straw returned to field, resulting in small variation coefficient of 5.31%.According to the established comprehensive evaluation model soil quality,wheat straw high stubble returning-maize straw rotary returning (WH-MC) had the highest soil quality comprehensive score (0.751 0) and better soil quality.【Conclusion】 Considering soil quality and crop yield,WH-MC is the suggested straw returning mode in Guanzhong Plain.

straw returning;soil quality assessment;principal component analysis;wheat/maize rotation

時(shí)間:2016-09-0709:03DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.10.019

2015-04-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B11)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371288)

李有兵(1989-)，男，陜西米脂人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用研究。E-mail：li_youbing@126.com

田霄鴻(1967-)，甘肅天水人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用研究。

E-mail:txhong@hotmail.com

S151.9

A

1671-9387(2016)10-0133-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160907.0903.038.html