李躍飛 李彬 陶加樂

摘要 ? ?為明確宿遷市宿豫區(qū)長時(shí)間秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響，連續(xù)6年研究了秸稈還田對(duì)土壤pH值和有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀等土壤肥力指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，秸稈全量還田后，土壤pH值呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，逐漸穩(wěn)定在中性范圍。秸稈還田后5年土壤平均有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀分別為25.45 g/kg、1.56 g/kg、27.52 mg/kg、115.38 mg/kg，較2012年分別增加了5.31%、17.19%、82.1%、18.4%。逐年的秸稈還田平均土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀呈極顯著增加，而全氮保持在穩(wěn)定水平，說明長期秸稈還田有利于土壤肥力的提高和維持土壤肥力的長期穩(wěn)定，對(duì)保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)區(qū)域耕地地力水平提高具有重要意義。

關(guān)鍵詞 ? ?秸稈還田;稻麥輪作;土壤肥力;蘇北地區(qū)

中圖分類號(hào) ? ?S158 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）04-0160-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

農(nóng)作物秸稈是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品，我國秸稈資源豐富，作物秸稈的生產(chǎn)量每年高達(dá)9億t[1]，約占世界秸稈總量的25%，是世界第一秸稈大國[2-3]。作物秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)和豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素[4]，秸稈還田是增加農(nóng)田土壤養(yǎng)分的重要途徑之一，也是減少因秸稈焚燒造成環(huán)境污染的重要舉措，秸稈還田可以改善農(nóng)田土壤基本理化性狀，起到提高土壤質(zhì)量和養(yǎng)分利用效率，增加作物產(chǎn)量的重要作用，有利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5-6]。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的過量施入，造成土壤酸化、板結(jié)等諸多問題[7]。土壤是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，作物產(chǎn)量40%～80%的養(yǎng)分來自土壤，只有在土壤肥力提高的條件下，才能達(dá)到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)[8]。秸稈還田能夠?qū)⒆魑镂盏拇蟛糠譅I養(yǎng)元素歸還到土壤，達(dá)到提升土壤肥力等作用。雖然國內(nèi)科技工作者對(duì)秸稈還田培肥土壤等方面進(jìn)行了大量研究[9-13]，但試驗(yàn)周期較短，很難深入掌握秸稈還田下土壤質(zhì)量演變規(guī)律。已有的長期定位試驗(yàn)研究顯示，秸稈還田有助于增加土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤養(yǎng)分[5，14]，但是研究尺度較小，研究代表性差。宿遷市宿豫區(qū)是蘇北農(nóng)業(yè)大區(qū)，本試驗(yàn)在全區(qū)開展長期秸稈還田，并采集具有代表性的土壤樣品進(jìn)行分析，研究長期秸稈還田對(duì)土壤肥力的影響。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2012年1月至2017年12月在江蘇省宿遷市宿豫區(qū)進(jìn)行。宿遷市宿豫區(qū)位于江蘇省北部，屬于長三角經(jīng)濟(jì)圈、東隴海產(chǎn)業(yè)帶、沿海經(jīng)濟(jì)帶、沿江經(jīng)濟(jì)帶的交叉輻射區(qū)，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，光熱資源比較優(yōu)越，四季分明，氣候濕潤，年均氣溫14.2 ℃，年均降水量910 mm，太陽總輻射量約為489.5 kJ/cm2，年均日照總時(shí)數(shù)2 291 h。無霜期較長，平均為211 d，年均活動(dòng)積溫5 189 ℃，全年作物生長期為310.5 d。宿豫區(qū)耕地面積3.65萬hm2，屬于黃淮海沖擊平原地帶，土類主要為潮土和砂姜黑土，宿豫區(qū)種植制度為稻麥輪作。

1.2 ? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合測(cè)土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目和宿豫區(qū)長期秸稈還田現(xiàn)狀，選擇2012—2017年6年時(shí)間，分析研究秸稈還田對(duì)稻麥輪作體系土壤肥力的影響。每年10月水稻收獲后秸稈還田前為一年處理，并在全區(qū)均勻布點(diǎn)進(jìn)行土壤樣品采集化驗(yàn)工作，連續(xù)6年重復(fù)試驗(yàn)，每年土樣均是在小麥水稻秸稈全量還田的大田中采集。旨在區(qū)域范圍內(nèi)推廣秸稈還田基礎(chǔ)上，開展歷年采土化驗(yàn)分析工作，在大區(qū)域長時(shí)間條件下研究秸稈還田與土壤理化性狀的關(guān)系，揭示秸稈全量還田對(duì)土壤肥力的影響。

1.3 ? ?樣品采集與測(cè)定方法

2012—2017年，每年10月左右，在水稻收獲后秸稈還田前，結(jié)合測(cè)土配方施肥補(bǔ)貼項(xiàng)目采集土樣任務(wù)，在全區(qū)11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照100～360 hm2設(shè)置1個(gè)樣點(diǎn)均勻布點(diǎn)，共計(jì)1 396個(gè)土壤樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)采用“S”型方法，采集0～20 cm混合土壤樣品，檢測(cè)土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀5項(xiàng)參數(shù)。其中，土壤pH值按照NY/T 1377—2007方法測(cè)定、有機(jī)質(zhì)采用NY/T 1121.6—2006方法測(cè)定，土壤全氮采用半微量開氏法 NY/T 53—1987方法測(cè)定、有效磷采用NY/T 1121.7—2014方法測(cè)定、速效鉀采用LY/T 1234—2015方法測(cè)定。測(cè)定數(shù)據(jù)以2012年數(shù)據(jù)作為對(duì)照，對(duì)比分析之后5年長期秸稈還田對(duì)宿豫稻麥輪作體系土壤肥力的影響。

1.4 ? ?數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan方法進(jìn)行不同處理間差異顯著性檢驗(yàn)分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?長期秸稈還田對(duì)土壤pH值的影響

2012—2017年，土壤pH值呈現(xiàn)先下降再升高的變化趨勢(shì)，雖然秸稈還田土壤pH值數(shù)值總體變動(dòng)有降低趨勢(shì)，但差異并不顯著。土壤平均pH值在2015年達(dá)到最低值6.3，呈現(xiàn)土壤酸化現(xiàn)象，且土壤平均pH值極顯著低于其他年份土壤pH值（P<0.01）;2016—2017年這2年中，呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，至2017年10月，土壤平均pH值增加至7.16（中性范圍）。秸稈還田條件下的土壤pH值變化規(guī)律呈現(xiàn)類反拋物線（R2=0.466 8）（表1、圖1）。土壤pH值的變化規(guī)律說明，秸稈還田條件下，在前期秸稈分解過程中，可能產(chǎn)生一定的酸性物質(zhì)，進(jìn)而影響土壤的pH值。長期耕作施用化肥對(duì)土壤pH值具有酸化作用，在施肥的同時(shí)，配合秸稈還田，可以有效改善因長期施肥造成的土壤酸化問題。

2.2 ? ?長期秸稈還田條件下對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

秸稈還田條件下，土壤有機(jī)質(zhì)總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且隨著秸稈還田年份的增加，呈極顯著增加趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為先增加再降低再增加的變化趨勢(shì)，其中土壤有機(jī)質(zhì)在2015年達(dá)到最低值，平均為22.64 g/kg，低于2012年土壤有機(jī)質(zhì)，但差異不顯著，極顯著低于其他年份的土壤有機(jī)質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)的總體變化趨勢(shì)呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)，說明秸稈還田后，在大區(qū)域長時(shí)間范圍內(nèi)，有利于土壤有機(jī)質(zhì)的增加，有利于整個(gè)區(qū)域土壤的培肥（R2=0.120 2）（圖2）。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，土壤pH值與土壤有機(jī)質(zhì)變化具有極顯著負(fù)相關(guān)（表2）。

2.3 ? ?長期秸稈還田對(duì)土壤全氮的影響

秸稈還田條件下，土壤全氮總體呈增加趨勢(shì)，逐年變動(dòng)表現(xiàn)為先升高后降低，土壤全氮變化規(guī)律呈現(xiàn)拋物線。不同于pH值和有機(jī)質(zhì)的變化規(guī)律，土壤全氮在秸稈還田環(huán)境下，于2015年達(dá)到最高值1.76 g/kg，極顯著高于其他年份土壤全氮含量，并在隨后的年際間降低，除2017年土壤全氮和2012年差異不顯著外，其他年份的土壤全氮均極顯著地高于2012年（表1、圖3），說明在秸稈還田條件下，土壤的氮素肥力狀況呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并維持在穩(wěn)定水平。土壤全氮和有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)（P<0.01），說明表征土壤基礎(chǔ)地力的指標(biāo)具有相同的變化規(guī)律，體現(xiàn)了秸稈還田對(duì)土壤基礎(chǔ)地力的提高作用。

2.4 ? ?長期秸稈還田對(duì)土壤有效磷的影響

秸稈全量還田條件下，土壤有效磷總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，且逐年變動(dòng)呈上升趨勢(shì)，在2015—2017年3年時(shí)間內(nèi)，有效磷平均值穩(wěn)定大于30 mg/kg，極顯著高于2012年的15.12 mg/kg，有效磷含量平均增加82.1%（表1）。秸稈還田條件下，土壤有效磷含量總體呈增加趨勢(shì)，說明秸稈還田有助于土壤有效磷的增加（R2=0.805 5，圖4）。土壤有效磷與土壤全氮、速效鉀等營養(yǎng)元素表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，與土壤pH值表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)（表2），這可能和土壤pH值降低有利于土壤被固定的磷元素轉(zhuǎn)化為活性的有效磷，增加土壤活性營養(yǎng)元素含量。

2.5 ? ?秸稈還田條件下對(duì)土壤速效鉀的影響

秸稈還田條件下，土壤速效鉀總體表現(xiàn)為升高趨勢(shì)，逐年變化趨勢(shì)為先升高再降低然后再升高。土壤速效鉀含量在2016年、2017年均極顯著高于2012年，長期秸稈全量還田條件下，宿豫區(qū)范圍內(nèi)，土壤速效鉀呈現(xiàn)很好的線性增加趨勢(shì)（R2=0.684 7，圖5），說明秸稈還田有利于增加土壤速效鉀含量，提高土壤營養(yǎng)元素含量。土壤速效鉀與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（表2），說明秸稈還田有助于土壤肥力的整體提高。

3 ? ?結(jié)論與討論

3.1 ? ?結(jié)論

通過長期秸稈全量還田，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀均呈現(xiàn)出不同程度的增加，秸稈還田后5年的土壤平均有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀分別為25.45 g/kg、1.56 g/kg、27.52 mg/kg、115.38 mg/kg;較2012年分別增加了5.31%、17.19%、82.1%、18.4%。逐年的秸稈還田多重比較結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀均呈現(xiàn)極顯著增加;全氮秸稈還田后5年較第1年表現(xiàn)為增加，但后5年之間全氮變化差異不顯著，土壤全氮保持在穩(wěn)定水平，說明長期秸稈還田有利于土壤肥力的提高和維持土壤肥力的長期穩(wěn)定，且對(duì)土壤pH值環(huán)境具有長期調(diào)控作用，減少過量施肥造成土壤酸化等問題的危害，減少農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生，對(duì)維持蘇北稻麥輪作區(qū)域耕地地力水平提高和農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，走農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路，保障區(qū)域糧食生產(chǎn)功能和糧食安全具有重要意義。

3.2 ? ?討論

秸稈全量還田條件下，土壤pH值先降低，這與楊連飛[15]的秸稈全量還田有助于降低土壤pH值的研究結(jié)果相同。土壤pH值降低到2015年的微酸性，又逐步上升呈中性，這與萬毅林[16]研究結(jié)果相同。秸稈還田使得土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，而有機(jī)質(zhì)在分解過程中生成二氧化碳和大量有機(jī)酸，可能導(dǎo)致前期秸稈還田后土壤pH值的降低[17]，但秸稈還田在一定程度上對(duì)土壤pH值起到調(diào)節(jié)作用，可以使土壤pH值由偏酸性或偏堿性向中性轉(zhuǎn)化[18]。王淑平等[19]研究認(rèn)為，秸稈還田增強(qiáng)了土壤的緩沖能力，使土壤pH值保持在對(duì)于土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化和作物生長有益并且比較穩(wěn)定的水平。因此，秸稈還田對(duì)土壤pH值的整體調(diào)節(jié)具有重要作用，有助于維持作物生長所需的正常pH值范圍。秸稈全量還田條件下，土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，說明土壤pH值對(duì)土壤微生物活性、有機(jī)質(zhì)礦化、礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化有重要作用，進(jìn)而影響土壤團(tuán)養(yǎng)分的存在狀態(tài)、有效性，以及有效養(yǎng)分的釋放和遷移[20]。

秸稈全量還田可以培肥地力，使土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀分別出現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)，這與許多學(xué)者研究結(jié)果相同[21-25]。秸稈還田有助于增加土壤微生物的數(shù)量[26]，土壤微生物對(duì)秸稈的分解、土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、腐殖質(zhì)形成和分解、營養(yǎng)元素循環(huán)具有積極作用，可以在一定程度上提高土壤肥力[27]，這是秸稈還田土壤培肥地力的主要原因。劉曉霞等[28]在我國南方地區(qū)連續(xù)實(shí)施秸稈還田3～4年，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于秸稈不還田，秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量都顯著提高，但秸稈還田對(duì)土壤全氮含量的短期效應(yīng)很有限，與本文研究較為一致。白建忠等[29]在我國西北從2013—2015年連續(xù)實(shí)施秸稈還田3年，發(fā)現(xiàn)秸稈還田量對(duì)2014年水稻種植前土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效鉀含量有顯著影響，而對(duì)其他不同時(shí)期土壤堿解氮、有效磷含量影響不大。這可能是由于秸稈還田受不同的土壤類型、氣候、秸稈種類、耕作體系等綜合因素影響，表現(xiàn)出不同的研究結(jié)論，有待進(jìn)一步研究。秸稈還田還可以在稻麥輪作條件下顯著地降低農(nóng)田地表徑流中的氮、磷、鉀流失量，減少農(nóng)業(yè)面源污染[30-32]，對(duì)土壤肥力的提高、維持土壤肥力的穩(wěn)定以及減少農(nóng)業(yè)面源污染具有重要的意義。

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