氨化秸秆还田改善土壤结构增加冬小麦产量

发布时间：2022-01-26

　　摘 要：为探索一种能够充分发挥秸秆改良土壤结构和提高作物产量作用的秸秆还田措施，通过 2 a 小区试验，对比研究了粉碎、氨化秸秆以及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用措施对农田土壤结构及冬小麦产量的影响。结果表明，粉碎并氨化秸秆施入土壤后，能显著(P<0.05)降低耕层(0～15 cm)土壤的体积质量，增加土壤孔隙度，但对耕层以下(>15～30 cm)土壤体积质量及孔隙度改善效果不明显;氨化秸秆施入土壤后较未氨化秸秆能显著(P<0.05)增加 0～15 cm 土壤中>0.25 mm 土壤团聚体含量，粉碎并氨化秸秆能显著(P<0.05)降低土壤团聚体分形维数，提高 0～15 cm 土壤平均重量直径和几何平均直径各项评价指标。此外，穗粒数、1 m2 有效穗数、千粒质量和地上部总干质量与籽粒产量的相关系数分别为 0.30(P>0.05)、0.76(P<0.01)、−0.89(P<0.01)和 0.88(P<0.01)，提高冬小麦有效穗数或地上部总干质量可能是增加作物产量的主要途径。粉碎并氨化秸秆还田较秸秆覆盖能显著(P<0.05)提高冬小麦有效穗数;粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用措施提高冬小麦产量效果最为显著，在冬小麦 2 个生长季较长秸秆覆盖还田分别增产 11.12%和 17.85%，较长秸秆翻压还田分别增产 7.39%和 16.59%，是该试验最佳秸秆还田方式。该研究成果可为干旱、半干旱地区改良秸秆还田措施、提高作物产量提供理论依据。

　　关键词：土壤;结构;秸秆;粉碎;氨化;土壤体积质量;团聚体;产量

　　0 引 言

　　增加土壤中有机质含量，能显著降低土壤体积质量，改善土壤通气状况，提高土壤团聚体稳定性[1-2]，进而改善作物生长环境，达到提高作物产量的目的。秸秆是土壤有机质的一项主要来源，秸秆还田有利于改土保墒、提高土壤肥力，是中国提倡的保护性耕作措施之一[3]。但是目前秸秆还田方式以秸秆覆盖和秸秆翻压还田为主。在秸秆资源利用方面存在较多问题，如秸秆施入土壤后分解较缓慢，易发生与作物争氮和诱发病虫害等现象[4-5]。

　　近年来，国内外针对秸秆不同还田方式的研究已涉及土壤理化性质、作物产量和水分利用效率等多个方面。研究表明，秸秆均匀地施入土壤较秸秆覆盖能加快秸秆的分解速率，提高土壤有机质含量，改善土壤团聚体的稳定性[6]。秸秆粉碎后施入土壤较长秸秆更能显著降低土壤体积质量，提高土壤团聚体的稳定性[7-8];施入土壤的秸秆碳氮比越低，秸秆的分解速率越快，改善土壤理化性质的效果越显著，作物产量也越高[9-11]。无机土壤改良剂如Fe(OH)3等施入土壤后也能有效改良土壤结构[7]。前人的研究焦点主要集中在单一秸秆还田方式、还田量和无机土壤改良剂单施等方面，而关于如何最大限度地发挥秸秆还田综合效益还有待继续研究。同时，秸秆和无机土壤改良剂混合施用对农田土壤结构和作物产量的影响也鲜有报道。

　　鉴于以上研究现状，拟对秸秆进行氨化、粉碎处理后还田，以降低秸秆碳氮比和提高土壤中秸秆分布均匀性;同时，向土壤中加入无机土壤改良剂(硫酸钙)，考虑秸秆与无机土壤改良剂混合配施时对农田土壤结构和冬小麦产量的作用效果。通过田间对比试验，研究秸秆不同还田方式与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用措施对土壤体积质量、团聚体分布以及冬小麦产量的影响，旨在提出一种能够充分发挥秸秆改土增产效果的秸秆还田新措施，为提升秸秆还田综合效应提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验地概况

　　试验地设在陕西省杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(108°24′E、34°20′N)，海拔 521 m，地理位置属暖湿带季风半湿润气候区，全年无霜期 221 d，降水多集中在7-10月。试验时间为2011年10月-2013 年 6 月，供试土壤为中壤土，1 m 土层的平均田间持水率为 23%～25%，凋萎含水率为 8.5%，平均土壤体积质量 1.44 g/cm3 。该站地下水埋深 5 m 以下，其向上补给量可忽略不计。

　　1.2 秸秆预处理及试验设计

　　选取上季作物夏玉米秸秆为试验用秸秆，试验前将玉米秸秆处理为 50 mm 长和粉末状(1 mm)2 个水平。秸秆氨化处理方法参考文献[12]，将占秸秆干质量 1.33%的氮素和 4%的氢氧化钙溶于水中(溶液总质量为秸秆干质量的 30%)，然后将水溶液喷洒在秸秆上混合均匀后用塑料袋密封，在常温下(25℃)培养 6 d 备用。

　　为对比氨化秸秆还田与传统的秸秆还田方式(秸秆覆盖和秸秆翻压还田)在改土增产效果方面的差异，试验将传统的秸秆还田方式作为对照，共设 6 个处理(见表 1)，研究长秸秆氨化翻压还田(CN)及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用(CNT)、粉碎秸秆氨化翻压还田(FN)及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用(FNT)与传统秸秆还田方式在改善土壤体积质量，提高土壤团聚体稳定性及冬小麦产量效果方面的差异。采用随机区组排列，各处理重复 3 次，小区面积为 20 m2 (4 m× 5 m)，试验区周围布置 2 m 宽的作物保护带。

　　1.3 田间管理

　　供试冬小麦品种为小偃 22 号，播种量 187.4 kg/hm2 ，行距 25 cm。分别于 2011 年 10 月 19 日、2012 年 10 月 15 日种植，2012 年 6 月 5 日、 2013 年 6 月 3 日收获，全生育期平均 236 d。秸秆还田量均为 4 500 kg/hm2 ，硫酸钙施入量为 2 500 kg/hm2 ;基肥施用量尿素为(N 质量分数 46%) 225 kg/hm2 、磷酸二铵为(P2O5 质量分数 48%) 112.5 kg/hm2 。基肥与预处理秸秆在播种前通过旋耕机一次性翻入 0～15 cm 耕层土壤内，生育期内不追肥。

　　1.4 测定项目与方法

　　1.4.1 土壤体积质量及饱和含水率

　　土壤体积质量采用环刀法测定，即用体积为 100 cm3 (高 5 cm、直径 5.02 cm)的环刀，以△形布置 3 个采样点，按 0～15 和>15～30 cm 2 个层次采集原状土样，密封带回实验室，测定各土层土壤体积质量并计算孔隙度[13];土壤孔隙度(kg/kg)= (1−土壤体积质量/土壤密度)×100%，土壤密度近似取值 2.65 g/cm3 。

　　土壤饱和含水率的测定方法：将装有原状土样的环刀底部浸水，使土壤吸水至饱和状态后称湿质量，放入烘箱烘干后称干质量。饱和含水率(kg /kg) =(饱和湿土质量-干土质量)/干土质量×100%;

　　1.4.2 土壤团聚体粒级和稳定性

　　1)取样方法：于 2011 年 10 月 10 日试验前及 2013 年 6 月 4 日小麦收获后，按“△”形 3 点取土法在 0～15 和>15～30 cm 2 个土层采集原状土样，将原状土壤放于阴凉处风干后除去秸秆及小石块等杂物，待用。

　　2)测定方法：土壤团聚体粒级分布和稳定性测定方法参考 Limon-Ortega 等[14]方法，将风干后的原状土样称质量后，放入震荡式机械筛分仪(200 ×50GB6003·1-1997)最上层孔径为 5 mm 套筛中，下层套筛的孔径依次分别为 2、1、0.5 及 0.25 mm，最底层用底盒封底，最顶层盖筛盖，开启震荡式机械筛分仪，使其以 300 次/min 的频率震荡 3 min 后停止，按从上到下的次序依次取筛，得到>5 mm、 >2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、>0.25～0.5 mm 以及≤0.25 mm 6 个级别的土壤团聚体，分别收集称质量。将干筛后的土样按上述 6 个级别土样在原状土中所占比例取混合土样 100 g，将其放置在最上层孔径为 5 mm 的套筛中，下层套筛孔径依次分别为 2、1、0.5 及 0.25 mm，将最上层筛子中的团聚体完全浸入水中 10 min 后开启仪器，以 30 次/min 的频率筛 3 min，洗出每层筛子中的团聚体并烘干称质量，即可得各粒级水稳性团聚体含量。

　　1.4.3 冬小麦产量的测定

　　采用 1 m2 的样方进行小麦实际产量的测定，各处理重复 3 次;每个小区取 1 m 的小麦进行考种，分析作物产量构成要素穗粒数、1 m2 有效穗数、千粒质量、地上部总干质量。

　　1.5 统计方法

　　试验中所有数据均为各重复测定的平均值， Excel 和 SPSS15.0 软件用于试验数据分析，Duncan 新复极差法用于显著性检验(P<0.05)。

　　2 结果与分析

　　2.1 秸秆还田方式对农田土壤结构的影响

　　2.1.1 土壤体积质量和孔隙

　　度不同处理连续 2 a 还田后，不同深度土壤体积质量变化见表 2。FN 处理 0～15 cm 土壤体积质量最低，较 CK1、CK2 分别降低 6.30%、7.03%，且差异显著(P<0.05)。说明粉碎并氨化秸秆施入土壤能有效改善土壤体积质量。分析原因可能与粉碎、氨化 2 种措施能显著提高秸秆的分解速率有关。 >15～30 cm 土壤体积质量试验结果表明，各处理土壤体积质量较试验前均未达到显著性差异(P>0.05)，这可能是由于不同处理秸秆的翻压深度(15 cm)较浅，对深层土壤(>15～30 cm)结构改良效果时效性不明显。

　　土壤孔隙度是反映土壤紧实状况的一个重要指标，它关系着土壤水、气、热的流通和贮存以及对植物的供应是否充分和协调[17]。由表 2 可知，秸秆连续还田 2 a 后，秸秆还田对土壤孔隙度的改善作用主要反映在浅层(0～15 cm)土壤。不同处理土壤孔隙度介于 50.65～54.88 kg/kg 之间。其中， FN、FNT 处理孔隙度分别较 CK1 增加 5.07%、 3.79%，分别较 CK2 增加 6.40%、5.10%，且差异显著(P<0.05)。表明秸秆经过粉碎并氨化处理后施入土壤能明显改善土壤通气状况。各处理 15～ 30 cm 土壤孔隙度差异不显著(P>0.05)。

　　2.1.2 秸秆还田方式对土壤饱和质量含水率的影响

　　不同处理秸秆连续 2 a 还田后，各处理土壤饱和含水率变化见图 1。由图 1 可知，0～15 cm 土层中，FN 处理饱和含水率最高，CNT 处理最低，且差异显著(P<0.05)，其他处理间无显著性差异(P>0.05)。这可能是由于粉碎并氨化秸秆施入土壤后对团聚体内部孔隙(毛管孔隙)改良效果较好，而这类孔隙是改善土壤持水能力的重要部分[18-19]。 >15～30 cm 土层中，CK1 处理土壤饱和含水率最高，CNT 处理最低，且差异显著(P<0.05)。在 0～30 cm 土层中，CNT 处理土壤饱和含水率均为最低，其原因有待进一步研究。

　　2.1.3 秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体分布的影响

　　水稳性团聚体指由性质稳定的胶体胶结团聚而形成的在水中浸泡、冲洗而不易分散的>0.25 mm 的土壤团粒[18]。一般来说，>0.25 mm 水稳性团粒对土壤肥力有重要的影响。吴承祯等[20]研究表明，土壤水稳性团聚体及水稳性大团聚体含量越大，土壤肥力越高。不同预处理秸秆连续 2 a 还田后，土壤水稳性团聚体含量测定结果见表 3。由表 3 可知， 0～15 cm 土层中，FN 处理>0.25 mm 水稳性团聚体质量分数分别较 CK1 和 CK2 提高 21.93%和 33.16%，且差异显著(P<0.05)。CNT 处理提高 >0.25 mm 水稳性团聚体含量效果不显著(P>0.05)。由此可知，粉碎并氨化秸秆施入土壤能显著增加耕层土壤中>0.25 mm 团聚体含量，改善土壤结构。氨化长秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合配施措施增加>0.25 mm 水稳性团聚体含量效果不明显。>15～30 cm 土层中，CN、FN、FNT 处理>0.25 mm 水稳性团聚体含量较 CK1、CK2 高，且差异显著(P<0.05);CNT 处理>0.25 mm 水稳性团聚体含量显著(P<0.05)高于 CK2，与 CK1 差异不显著(P>0.05)。

　　2.1.4 秸秆还田方式对土壤团聚体评价指标的影响

　　不同粒级团聚体对协调土壤水分、养分的保蓄与释放具有不同的作用[21]。团聚体平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)参数是评价土壤团聚体分布状况和稳定性特征的重要指标。一般来说，其值越大，土壤团聚度越高，团聚体就越稳定[22]。土壤团聚体分形维数 Dd 是土壤团聚体结构定量化反映，一般认为，Dd 值越小，土壤通透性越好，土壤结构越稳定。各处理 0～30 cm 土壤评价指标见表 4。

　　由表 4 可知，不同处理秸秆连续还田 2 a 后，0～ 15 cm 土层 R0.25、MWD、GMD 各值较试验前呈增高的趋势(CK2、CNT 除外)。其中 FN 处理 R0.25、 MWD、GMD 值最高，分别较 CK1 增加 21.93%、 28.22%和 20.97%，较 CK2 增加 33.16%、50.08%和 30.24%，且与 CK1、CK2 差异显著(P<0.05)。 CN、FNT 处理 R0.25、MWD、GMD 值显著(P<0.05)高于 CK2。说明秸秆经氨化处理后施入土壤能有效增加土壤中大团聚体含量，提高土壤团聚体的稳定性。CNT 处理各项指标与试验前无显著性差异(P>0.05)。说明 CNT 处理提高 R0.25、MWD、GMD 的作用效果不明显。比较 CK2、CN 与 CNT 处理 R0.25、MWD、GMD 值可知，CK2、CNT 处理 R0.25、 MWD、GMD 值均显著(P<0.05)低于 CN，说明长秸秆氨化后施入土壤可显著改良土壤结构，但与无机土壤改良剂(硫酸钙)混施共同作用时，对土壤结构的改良作用不明显。

　　>15～30 cm 土层 FN、FNT 处理 R0.25、MWD、 GMD 值较试验前呈增加的趋势。说明秸秆氨化、粉碎处理后施入土壤能有效提高>15～30 cm 土层的团聚体稳定性。其中，CN、FN、CNT、FNT 处理 MWD、GMD 值均高于 CK1、CK2，且差异显著(P<0.05);FNT 处理 MWD、GMD 值分别显著(P<0.05)高于 FN 处理。说明在>15～30 cm 土层秸秆粉碎、氨化后与无机土壤改良剂混合施用可促进团粒结构的形成，利于提高土壤结构的稳定性。 0～15 cm 土层，FN 处理 MWD、GMD 值显著高于 FNT，>15～30 cm 土层，结果相反。说明粉碎并氨化秸秆对耕层土壤结构的改良效果较好，土壤耕层以下与无机土壤改良剂混合施用改善土壤结构效果更为显著。这可能是无机土壤改良剂(硫酸钙)中的 Ca2+ 淋溶到耕层以下土壤中，加快了土壤黏粒与有机质的结合，促进了耕层以下土壤中团聚体的形成。

　　研究结果表明，0～15 cm 和>15～30 cm 各处理土壤团聚体分形维数 Dd 与各对应处理 R0.25、 MWD、GMD 值呈现规律基本一致。0～15 cm 土层内，FN 处理土壤团聚体分形维数最小，分别比对照 CK1、CK2 低 0.76%、0.89%，且差异显著(P<0.05)。>15～30 cm 土层内，CN、FN 处理土壤团聚体分形维数 Dd 均显著(P<0.05)低于 CK1、 CK2。说明粉碎并氨化秸秆施入土壤后能显著降低土壤团聚体分形维数，提高土壤团聚体稳定性。这可能是由于粉碎并氨化秸秆还田改善了农田土壤条件，增强了微生物活性，其分泌产物有利于土壤团聚体的形成，进而改善土壤结构。

　　2.2 不同处理小麦产量构成要素及产量分析

　　各处理连续 2 a 冬小麦产量特征值及产量变化如表 5 所示。不同处理秸秆连续 2 a 还田试验中， CN、FN 处理 1 m2 有效穗数均显著(P<0.05)高于 CK1。说明秸秆经过氨化措施后施入土壤较秸秆覆盖还田能有效提高单位面积冬小麦的有效穗数。 2011-2012 年，FN 处理籽粒产量显著(P<0.05)高于 CK1，增产达 9.07%，与 CK2 差异不显著(P>0.05);FNT 处理产量显著(P<0.05)高于 CK1 和 CK2，增产分别达 11.12%和 7.39%。2012-2013 年 FN、FNT 处理籽粒产量均显著(P<0.05)高于 CK1 和 CK2，较 CK1 增产分别达 11.42%和 17.85%，较 CK2 增产分别达 10.23%、16.59%。说明秸秆经粉碎、氨化处理后还田及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合配施较秸秆覆盖能显著提高冬小麦籽粒产量，其中，粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂混合配施提高冬小麦产量效果优于传统秸秆还田方式。连续 2 a 的试验研究结果表明，FNT 处理提高冬小麦籽粒产量效果最为显著(P<0.05)，分析原因可能是粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用改良了土壤耕层及其以下土壤结构，保蓄了较多的土壤水分，改善了冬小麦生长环境，进而提高了冬小麦产量;CN、FN 处理 2 个生长季较 CK1 各自的增产效果不一致，这可能与年际间降水年型不同有关。

　　相关性分析研究结果表明，穗粒数、1 m2 有效穗数、千粒质量和地上部总干质量与籽粒产量的相关系数分别为 0.30(P>0.05)、0.76(P<0.01)、 −0.89(P<0.01)、0.88(P<0.01)。其中，有效穗数和地上部总干质量与籽粒产量成极显著正相关，说明有效穗数和地上部总干质量决定冬小麦籽粒产量的高低，千粒质量与籽粒产量成极显著负相关，这可能是在土壤水分和养分一定的条件下，有效穗数增加的同时，单个籽粒分配到的营养物质减少，导致千粒质量降低。FN、FNT 处理较 CK1 能有效提高冬小麦有效穗数或地上部总生物量，这可能是其增产的原因之一。

　　3 讨 论

　　3.1 秸秆还田方式对土壤结构的影响

　　粉碎秸秆施入土壤较未粉碎秸秆能有效提高土壤有机质含量，降低土壤体积质量，改善土壤结构，提高土壤持水与供水能力，具有较好的节水效果[23-24]。王增丽等[25]研究表明，粉碎并氨化秸秆及与无机土壤改良剂混合施入土壤均可改良土壤结构，粉碎并氨化秸秆改良土壤作用具有一定的迟效性。前人对粉碎、氨化秸秆的研究基本上都采用的是室内土柱试验，试验周期较短，且没有与作物生长过程结合起来。本研究通过小区试验也得到相似的结论。本研究表明，粉碎并氨化秸秆施入土壤能有效降低耕层(15 cm)土壤体积质量，改善土壤通气状况，改良土壤结构，但对耕层以下土壤体积质量及孔隙度改善效果不明显。这可能是秸秆翻压深度较浅，对深层土壤结构改良效果不明显。此外，粉碎并氨化秸秆施入土壤能显著提高土壤 R0.25、 MWD、GMD 各项评价指标，改善团聚体的稳定性。说明低碳氮比的有机质施入土壤后，改良土壤结构效果明显，这与 Tejada 等[26]研究结果一致。

　　3.2 秸秆还田方式对冬小麦产量的影响

　　目前，秸秆还田措施对作物生长影响的报道不尽相同。有些研究认为秸秆还田能改善作物生长环境，提高作物产量和水分利用效率[27-28]，反之，有些学者则认为，秸秆覆盖后发生的低温效应可推迟作物的物候期，且低温效应随着秸秆覆盖量的增大而越加明显[29-30]，进而不同程度的影响作物产量。本研究表明，氨化并粉碎秸秆还田及与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用均能有效提高冬小麦有效穗数和地上部总干质量，进而提高冬小麦籽粒产量。其中，粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合翻压还田在冬小麦 2 个生长季较长秸秆覆盖还田分别增产 11.12%和 17.85%，较长秸秆翻压还田分别增产 7.39%和 16.59%。这与前人研究结论相似[31]。

　　粉碎、氨化秸秆还田对农田土壤结构和作物产量的影响是一个渐进式的作用过程，经过多年的定位试验后更能体现不同处理的实际效果。不同秸秆还田方式对农田综合效益的提升作用，有待于更进一步长期深入的研究。

　　4 结 论

　　1)粉碎并氨化秸秆施入土壤后能显著降低耕层(0～15 cm)土壤体积质量，改善土壤通气状况，改良土壤结构，对耕层以下(>15～30 cm)土壤体积质量及孔隙度的改善效果不明显。

　　2)粉碎并氨化秸秆施入土壤能显著增加 0～30 cm 土层土壤中>0.25 mm 团聚体含量，改善土壤结构。在 0～15 cm 和>15～30 cm 土层内，各处理土壤团聚体分形维数 Dd 与各处理平均重量直径(mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(geometric mean diameter，GMD)值呈现规律基本一致，其中，粉碎并氨化秸秆还田提高耕层土壤 MWD、GMD 值的效果较好，耕层以下，与无机物改良剂混合施用对 MWD、GMD 值的提高效果更为显著。

　　3)提高有效穗数或地上部总干质量是增产的主要途径，粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合翻压还田能有效提高冬小麦有效穗数，在冬小麦 2 个生长季较长秸秆覆盖还田分别增产 11.12%和 17.85%，较长秸秆翻压还田分别增产 7.39%和 16.59%。

　　综上，秸秆经粉碎、氨化处理后还田在改善农田土壤结构方面效果优于传统秸秆还田;粉碎并氨化秸秆与无机土壤改良剂(硫酸钙)混合施用较传统秸秆还田方式在提高作物产量方面具有明显的促进作用，是本试验最佳的秸秆还田方式。这对干旱、半干旱地区改善秸秆还田措施、提高旱地农业生产潜力具有一定的指导意义。 ——论文作者：余 坤 1 ，冯 浩 1,2※，王增丽 3 ，丁奠元 1

　　[参 考 文 献]

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