趙吉平，權(quán)寶全，郭鵬燕，任杰成

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西 汾陽 032200)

作為農(nóng)業(yè)大國，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)是農(nóng)業(yè)。但由于人口基數(shù)大，我國人均耕地占有量少，加上土地利用不合理，土壤質(zhì)量持續(xù)下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。農(nóng)作物種植會產(chǎn)生大量的作物秸稈，而秸稈中富含的鉀、氮及碳等元素，有利于促進(jìn)土壤中微生物繁殖，對改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和走可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展道路具有重要意義。但當(dāng)前階段秸稈棄置及露天焚燒情況嚴(yán)重，秸稈還田利用率較低，存在嚴(yán)重的資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問題[2]。近年來，關(guān)于秸稈還田與氮肥互作耕種模式的研究逐漸開展。李培培等[3]在研究中選取秸稈全量還田、秸稈全量炭化還田、秸稈半量炭化還田及無還田4個(gè)處理進(jìn)行田間試驗(yàn)，探究了不同秸稈處理還田方式對潮土硝化微生物的影響，結(jié)果表明，全量炭化還田更能提高土壤硝化活性，改善部分土壤理化性質(zhì)。柴如山等[4]對2013-2017年秸稈還田條件下化學(xué)氮肥替代情況進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，合理利用秸稈氮養(yǎng)分資源是實(shí)現(xiàn)化學(xué)氮肥減量的重要途徑。叢萍等[5]在研究中選取高、中、低不同秸稈還田量進(jìn)行深埋還田試驗(yàn)，結(jié)果顯示，12～18 t/hm2秸稈一次性深埋還田，可顯著提高亞表層土壤肥力質(zhì)量，是黃淮海北部地區(qū)培肥土壤的有效措施。吳玉紅等[6]研究顯示，秸稈還田與氮肥互作可有效提升土壤肥力，輔助提高作物產(chǎn)量，但不同互作模式的效果表現(xiàn)不同。已有研究對于秸稈還田的處理方式以及研究選取的指標(biāo)不盡相同，受環(huán)境、地域影響，不同地區(qū)的處理結(jié)果亦存在差異。

為探究山西汾陽(山西省晉中盆地)最佳的秸稈還田與氮肥互作模式，本研究以晉麥106號為供試材料，通過裂區(qū)試驗(yàn)，分析不同秸稈還田、氮肥互作模式下的土壤質(zhì)量及小麥產(chǎn)量，以期為土壤培肥、小麥增產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期定位試驗(yàn)于2015年10月-2017年6月在山西汾陽(山西省晉中盆地)開展，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°25′～113°09′，北緯37°27′。該地屬北溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥；年平均氣溫10 ℃，無霜期平均170 d，年均降水量426 mm；試驗(yàn)地耕層(0～20 cm)土壤肥力均勻，含堿解氮55.97 mg/kg、速效鉀91.49 mg/kg、速效磷10.57 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為晉麥106號。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，屬于長期定位試驗(yàn)的一部分。其中，主試驗(yàn)區(qū)根據(jù)秸稈還田量進(jìn)行劃分，主要分為無還田(NS)、半量還田(HS)以及全量還田(S)3個(gè)處理；副區(qū)為施氮量，設(shè)全量施氮(F1)、80%施氮(F0.8)、不施氮肥(F0)3個(gè)水平。根據(jù)秸稈還田量及施氮量水平，分9個(gè)試驗(yàn)組合：NSF1、NSF0.8、NSF0、HSF1、HSF0.8、HSF0、SF1、SF0.8、SF0。采用機(jī)械條播，播種量為210 kg/hm2，播幅9 行，于每年9月下旬-10月上旬播種。其中，秸稈全量還田處理是先將秸稈進(jìn)行粉碎，隨后將秸稈殘?jiān)诘乇磉M(jìn)行有效覆蓋，并采用翻壓的形式進(jìn)行還田；半量還田處理是在上述操作的過程中通過隔行拔除的形式對秸稈量進(jìn)行減半處理，隨后進(jìn)行翻壓還田；不還田處理是在對全部秸稈進(jìn)行拔除后，采用旋耕的方式對田地進(jìn)行處理。小麥?zhǔn)┓侍幚碓谛斑M(jìn)行，F(xiàn)1和F0.8處理均撒施尿素和磷酸二銨。F1處理下，施肥量分別為：尿素375 kg/hm2、磷酸二銨375 kg/hm2，含氮量238 kg/hm2。F0.8處理下，施肥量分別為：尿素300 kg/hm2、磷酸二銨300 kg/hm2，含氮量190 kg/hm2。S處理下，秸稈還田量為9 t/hm2，HS處理下，秸稈還田量為4.5 t/hm2。于每年12月上旬，在小麥越冬期，采用小區(qū)畦灌的方式對其進(jìn)行灌溉，灌溉水量控制為100 mm。其余田間管理方式均和當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)習(xí)慣保持一致。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 土壤容重測定[7]每年在小麥播種前用環(huán)刀法進(jìn)行測定。用環(huán)刀在不同處理裂區(qū)內(nèi)的0～40 cm 土層采集原狀土樣，每10 cm為一層，各裂區(qū)均重復(fù)3次，密封好并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干稱質(zhì)量，計(jì)算土壤容重。

①

式中，ρ表示土壤容重；g表示環(huán)刀內(nèi)土壤濕樣質(zhì)量；v表示環(huán)刀容積；w表示土壤樣品含水量。

1.4.2 土壤養(yǎng)分層化比測定[8]用土鉆采集0～40 cm土層土壤，每10 cm為一層，各裂區(qū)均重復(fù)采集3次。將土壤樣品風(fēng)干后，磨碎過篩。采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤中有機(jī)碳含量；采用HClO4-H2SO4法測定土壤中全磷含量；采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷含量；采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量；采用堿解擴(kuò)散法測定堿解氮含量；采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量。

②

1.4.3 土壤酶活性測定[9]在小麥?zhǔn)斋@后，于各裂區(qū)采集0～40 cm土層土壤，每10 cm為一層，各裂區(qū)均重復(fù)采集3次。將土樣過篩，于4 ℃冰箱保存。采用高錳酸鉀滴定法測定土樣過氧化氫酶活性；采用磷酸苯二鈉比色法測定土樣堿性磷酸酶活性。

1.4.4 小麥產(chǎn)量測定 采取“S”字形在各裂區(qū)進(jìn)行采樣，各裂區(qū)選樣面積均為1 m2(1 m×1 m)，將樣方內(nèi)小麥植株脫粒，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

研究獲取數(shù)據(jù)錄入Excel 2018；采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重分析

對2015-2017年兩季麥田土壤容重變化統(tǒng)計(jì)可知，相同處理下，0～20 cm土層土壤容重低于20～40 cm土層；相同秸稈還田量下，施氮量變化對20～40 cm土層土壤容重變化影響相對較?。唤斩掃€田與施氮互作下，伴隨秸稈還田量增加，土壤容重下降；其中，HSF1和SF1處理下10～20 cm土層土壤容重最低；秸稈還田和施氮互作會引起土壤容重的變化，全量秸稈還田配施全量氮肥能降低土壤 0～20 cm土層土壤容重(表1)。

表1 不同土層土壤容重變化Tab.1 Changes in soil bulk density of different soil layers g/m3

2.2 土壤養(yǎng)分層化比分析

對2015-2017年兩季麥田土壤養(yǎng)分層化比分析可知，不同處理下土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮以及全磷等養(yǎng)分層化比均存在差異；SF1處理下養(yǎng)分層化比最小。說明在全量秸稈還田+全量施氮處理下，對0～20 cm土層及20～40 cm土層養(yǎng)分均存在影響，0～40 cm耕層土壤均可獲取充足養(yǎng)分。其他處理對0～20 cm土層及20～40 cm土層養(yǎng)分影響差異較大，20～40 cm土層養(yǎng)分獲取不足，養(yǎng)分分布不均勻(表2)。

2.3 土壤酶活性分析

對2015-2017年兩季麥田土壤酶活性分析可知(表3)，SF1處理下，土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性均最高。其中，2016年，不同處理下，0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性差異均不顯著(P>0.05)；SF1處理下，20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)；SF1處理下，0～40 cm土層土壤堿性磷酸酶活性最高。2017年，0～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性在SF1處理下最高，SF1處理下，可有效加速過氧化氫的分解，減輕土壤過氧化氫的毒害作用，提升土壤質(zhì)量；土壤磷酸酶高對有機(jī)磷的礦化及植物的磷素營養(yǎng)有重要影響，亦可有效增加土壤肥力(表3)。

表2 不同處理下土壤養(yǎng)分層化比變化Tab.2 Changes of soil nutrient stratification ratio under different treatments

表3 不同處理下土壤酶活性變化Tab.3 Variation of soil enzyme activities under different treatments

2.4 作物產(chǎn)量分析

對2015-2017年兩季小麥產(chǎn)量分析可知(表4)，SF1處理下，小麥產(chǎn)量最高。2016年小麥分析可知，SF1條件下產(chǎn)量最高，SF1處理?xiàng)l件下產(chǎn)量顯著高于其他處理?xiàng)l件(P<0.05)；2017年小麥分析可知，SF0.8、SF1條件下產(chǎn)量高于其他處理?xiàng)l件(P<0.05)。其中，SF1條件下產(chǎn)量最高。

表4 不同處理下小麥產(chǎn)量變化Tab.4 Variation of wheat yield under different treatments

3 結(jié)論與討論

土壤容重是衡量土壤質(zhì)量的重要物理性質(zhì)之一，其主要通過改變土壤孔隙度而影響作物養(yǎng)分運(yùn)輸及根系生長[10-11]。相關(guān)研究表明[12]，秸稈還田處理可打破亞表土層，有效降低土壤容重。本研究顯示，相同處理下，0～20 cm土層土壤容重低于20～40 cm土層；秸稈還田與施氮互作下，隨秸稈還田量增加，土壤容重下降。表明秸稈還田可有效降低土壤堅(jiān)實(shí)度，增加土壤孔隙度，進(jìn)而降低土壤容重。通過秸稈還田處理，作物秸稈腐解后，可為土壤提供豐富的纖維素、碳氮磷鉀及微量元素等，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤質(zhì)量[13-15]。本研究中養(yǎng)分層化比分析結(jié)果顯示，不同處理下土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷、速效鉀、全氮以及全磷等養(yǎng)分層化比存在差異。SF1處理下養(yǎng)分層化比最小，全量還田+全量施氮處理下，對0～20 cm土層及20～40 cm土層養(yǎng)分均有影響，0～40 cm耕層土壤均可獲取充足養(yǎng)分。土壤酶主要參與土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分釋放、固定，土壤酶活性的高低是土壤肥力的重要體現(xiàn)形式[16-18]。作物秸稈攜帶大量的獲得性微生物，通過秸稈還田可有效增加土壤微生物含量，進(jìn)而增強(qiáng)土壤酶活性[19-20]。本研究顯示，SF1處理下，土壤過氧化氫酶活性、堿性磷酸酶活性最高。分析其原因，可能是受土壤與外界物質(zhì)交換、能量交換能力的影響，0～20 cm 土層土壤微生物繁殖能力高于20～40 cm土層，故其土壤酶活性亦高于20～40 cm土層。

通過秸稈還田與施氮互作，可降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，有效抑制土壤水分蒸發(fā)，保水保墑[21-23]。同時(shí)，秸稈還田與施氮互作對土壤養(yǎng)分及酶活性的提高，為作物生長提高了良好的土壤環(huán)境，可有效促進(jìn)作物根系發(fā)育，達(dá)到增產(chǎn)的目的[24-25]。研究顯示，SF0.8、SF1條件下小麥產(chǎn)量顯著高于其他處理(P<0.05)，表明該互作條件下的培肥增產(chǎn)效果最佳。

秸稈還田與施氮互作可影響土壤質(zhì)量及小麥產(chǎn)量。研究結(jié)果可為合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。