全 文 ：第 34 卷第 17 期
2014年 9月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.17
Sep.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家科技支撑计划(2012BAD04B09, 2011BAD16B06, 2013BAD07B08); 安徽省农业科学院院长青年基金(13B0217); 安徽省农业科
学院创新团队项目(11C0202, 13C0212)
收稿日期:2013鄄03鄄21; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄05
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: caocfu@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201303210475
李玮,乔玉强,陈欢,曹承富,杜世州,赵竹.秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响.生态学报,2014,34(17):5052鄄5061.
Li W, Qiao Y Q, Chen H, Cao C F, Du S Z, Zhao Z.Effects of combined straw and N application on the physicochemical properties of lime concretion
black soil and crop yields.Acta Ecologica Sinica,2014,34(17):5052鄄5061.
秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质
及小麦鄄玉米产量的影响
李摇 玮1,2,乔玉强1,2,陈摇 欢1,2,曹承富1,2,*,杜世州1,2,赵摇 竹1,2
(1. 安徽省农业科学院作物研究所, 合肥摇 230031; 2.安徽省农作物品质改良重点实验室, 合肥摇 230031)
摘要:通过安徽省蒙城县砂姜黑土上连续 4a的冬小麦鄄夏玉米连作长期定位试验,研究了秸秆还田配合施用不同量氮肥对土壤
理化性质及作物产量的影响。 结果表明,秸秆还田可降低土壤容重 2.5%—9.2%,提高含水量 8. 2%—28. 5%和表层土壤贮水量
4.1%—19.9%;增加土壤总孔隙度 1.1%—8.9%、毛管孔隙度 18.9%—41.0%,非毛管孔隙度降低 6.4%—38.8%,土壤毛管孔隙度
占土壤总孔隙度的比例增加。 秸秆还田所有处理耕层的土壤硝态氮含量高于秸秆移除处理,施氮 540、630、720 kg N hm-2 a-1
时,秸秆还田处理的硝态氮含量显著高于秸秆移除,而铵态氮含量无明显变化规律。 无论秸秆还田还是秸秆移除,耕层土壤的
硝态氮含量随氮肥用量的增加呈指数趋势增加,硝态氮含量与施氮量的相关性秸秆移除处理高于秸秆还田处理;秸秆还田处理
的铵态氮含量随施氮量增加成指数趋势增加,而秸秆移除处理呈指数趋势减小,相关性均不显著。 秸秆还田条件下,小麦和玉
米获得高产的年氮肥用量分别为 630、696 kg N hm-2 a-1,秸秆移除为 579、627 kg N hm-2 a-1。 经作用力分析,秸秆还田是影响土
壤物理性质的最重要因素,作物产量受秸秆还田和施氮量的影响,但氮肥水平大于秸秆还田。
关键词: 秸秆还田;砂姜黑土;氮肥水平;理化性质;作物产量
Effects of combined straw and N application on the physicochemical properties of
lime concretion black soil and crop yields
LI Wei1,2, QIAO Yuqiang1,2, CHEN Huan1,2, CAO Chengfu1,2,*, DU Shizhou1,2, ZHAO Zhu1,2
1 Crop Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China
2 Anhui Key Laboratory of Quality Improvement of Crops, Hefei 230031, China
Abstract: The effects of a combination of returned straw and different N fertilizer application rates on the physical and
chemical properties of lime concretion black soil and crop yields were systematically studied, based on data from a four year
experiment using a winter wheat鄄summer maize rotation system in Mengcheng City, Anhui Province, China. The results
showed that the bulk density of surface soil under areas where straw was either incorporated or removed were 1.14—1.20 g /
cm3 and 1.24—1.31 g / cm3, respectively. Straw incorporation decreased soil density by 2. 5%—9.2%, while soil water
content and water storage increased over the four years by 8.2%—28.5% and 4.1%—19.9%, respectively, after the return
of the straw. The total soil porosity and capillary soil porosity in the areas of returned straw treatments ranged from 3.0%—
57.1% and 33.9%—41.0%, respectively, whilst the same parameters ranged from 50.7%—54.6% and 27.3%—29.5%,
respectively, under the areas where straw was removed. In contrast, non鄄capillary porosity decreased by 6.4%—38.8%,
showing a significant difference between areas where straw was incorporated or removed. The nitrate nitrogen content of top
http: / / www.ecologica.cn
soil under the returned straw treatment areas was significantly increased by 9.80%—86.71% greater than that of the areas
where straw was removed, especially with N application rates of 540, 630, and 720 kg N hm-2 a-1 . Nitrogen accumulation
in surface soil for N application rates of 360, 450, 540, 630 and 720 kg N hm-2 a-1 were 1.42, 1.53, 2.22, 2.51 and 2.12
times that of areas where no fertilizer was added, respectively, for the returned straw areas and 1.24, 1.38, 1.53, 1.59,
1郾 72 times the no added fertilizer accumulation for the area where straw was removed. For both straw incorporated areas or
not, there were exponential relationships between the nitrate nitrogen content and N application amount, although the
correlation coefficient was higher under the straw incorporation treatments than for those where straw was removed. Compared
to nitrate, the ammonia nitrogen content showed no obvious differences between areas of straw incorporation and removal.
Ammonia accumulation under different N application rates was affected by straw addition. Under straw return treatments, it
increased exponentially with the increase of N application rates, and decreased exponentially under areas where straw was
removed, but there was no significant correlation. The effects of straw incorporation and N application rates on maize and
wheat yields were different. For maize, the yield gradually increased from 360 kg N hm-2 a-1 to 720 kg N hm-2 a-1 of N
application levels under both straw added areas and straw removed areas. However, the wheat yield gradually increased from
360 kg N hm-2 a-1 to 450 kg N hm-2 a-1 and from 360 kg N hm-2 a-1 to 630 kg N hm-2 a-1, and decreased when N exceeded
450 kg N hm-2 a-1and 630 kg N hm-2 a-1 under areas of straw removal and straw incorporation. The high yields of maize and
winter-wheat with straw incorporation treatments would be obtained under the N application rates of 696, 630 kg N hm-2
a-1, respectively. N application rates of 579, 627 kg N hm-2 a-1 in straw removal areas would obtain high yields, but they
were lower than that from areas of returned straw treatments. The force analysis showed that returning straw was the most
important influencing factor of soil physical properties, and both straw incorporation and N application rates can compact
crop yields, but the force of N level to yield is stronger than that for returning straw.
Key Words: returning straw; lime concretion black soil; N application rate; physicochemical properties; crop yield
摇 摇 植物残体能有效增加土壤有机质含量、改良土
壤、培肥地力,特别对缓解我国氮、磷、钾肥比例失调
的矛盾,弥补磷钾肥不足等具有十分重要的意义。
目前,秸秆覆盖在发达国家已相当完善,得到了较大
普及,并且取得了较好的效果[1鄄5]。 虽然国内关于秸
秆还田的研究起步较晚,但涉及作物产量[6鄄7]、土壤
理化性状[8]、微生物群落[9鄄10]等方面的研究文献报
道目前也比较多。 国内外已有的研究表明,秸秆覆
盖可以显著改善土壤物理性状[11],缓和土壤温度的
季、日变化[12鄄13],减少土壤水分蒸发[14],提高土壤含
水率[15鄄17]以及不同程度的增加土壤有机质、全磷和
全氮的含量[18鄄21]。
安徽省黄淮海南部砂姜黑土区是全省主要的粮
食产区,但该区土壤质地粘重、结构性差,加之有机
质含量低,养分贫乏,严重影响作物的正常生长,导
致土壤生产率较低。 该区农业生产长期以来偏向于
施用化学氮肥,盲目施肥不仅导致肥料的浪费,长此
以往也将限制作物产量和品质的提高,而且更严重
的是土壤结构以及土壤肥力持续性受到破坏,土壤
质量下降[22鄄24]。 近年来,该区也推广应用秸秆还田
技术,但关于秸秆还田条件下土壤理化性质与作物
产量的理论性探讨,尚未见试验性研究报道。 因此,
本文基于连续 4a 的小麦鄄玉米秸秆还田长期定位试
验,探讨了长期秸秆还田同时配施不同量的化学氮
肥对砂姜黑土理化性质及作物产量的影响,旨在为
该区科学的进行秸秆还田和施肥提供理论依据和技
术支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验区概况
试验于 2008—2012 年度在安徽省蒙城县农业
示范场进行,试验地土质为砂姜黑土,0—20 cm土层
养分含量为:土壤有机质 14.24 g / kg, 全氮含量 0.99
g / kg,碱解氮 57.84 mg / kg,全磷含量 0.67 g / kg,有效
磷 21.57 mg / kg,速效钾 197.46 mg / kg。 供试小麦品
种为济麦 22,玉米品种为郑单 958。
1.2摇 田间试验设计
试验采用裂区设计,设秸秆还田和施氮量两因
3505摇 17期 摇 摇 摇 李玮摇 等:秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
素。 其中秸秆处理为主区,设小麦鄄玉米秸秆全量粉
碎还田(S)和移除(R)两种方式,秸秆全量还田年还
田量为 21000 kg / hm2,其中小麦 9000 kg / hm2,玉米
12000 kg / hm2;氮肥施用为副区,设置 6个处理,施氮
量为 0、360、450、540、630、720 kg N hm-2 a-1,分别用
N0、N1、N2、N3、N4、N5 表示;磷、钾肥施用量分别为
180 kg P 2O5 hm
-2 a-1、180 kg K2O hm
-2 a-1,除 N0(对
照)之外,其余氮肥处理均施用磷钾肥,且施用量一
致。 各处理氮、磷、钾肥小麦季施用量占年施用总量
的 45%,玉米季 55%。 小麦季氮肥基追比为 55:45,
追肥时期为拔节期,磷钾肥在小麦播种时一次性基
施;玉米季氮肥基追比为 45颐55,追肥时期为大喇叭
口期,磷钾肥在玉米播种时一次性基施。 小麦 10 月
中旬播种,玉米 6 月中旬播种。 小区面积 21.6 m2,
随机排列,3次重复。
1.3摇 样品采集
土样采集:土壤样品于 2012 年 10 月采集,取
0—20 cm的土样,每个样品均为多点采集混合而成,
然后用四分法取出足够的样品,保存于 4益冰箱中,4
d之内测完。
1.4摇 指标测定
无机氮摇 土样采集后测定土壤水分以及硝态氮
和铵态氮含量。 分析硝态氮和铵态氮时先将土壤解
冻,称取 10 g 鲜土于震荡瓶 ( 150 mL) 中,加入
2 mol / L KCl溶液 50 mL,震荡 1 h 后过滤,浸提液硝
态氮采用双波长(220 nm,275 nm)法测定,铵态氮采
用靛酚蓝比色法(625 nm)测定,同时测定土壤含水
量以矫正水分系数[25]。
土壤容重摇 采集 0—20 cm 原状土壤样品,环刀
法测定。
土壤孔隙度 摇 通过土壤容重和密度计算得到,
公式如下:
Pt = (1-Bd / Ds) 伊100
式中,Pt表示土壤总孔隙度,%;Bd 表示土壤容重,
g / cm3;Ds表示土壤密度,通常采用的密度值为 2.65
g / cm3。
土壤毛管孔隙度用下式计算:
Pc=Wc伊Bd / V伊100
式中,Pc表示土壤毛管孔隙度,%;Wc 表示土壤毛管
含水量,%;V表示土壤体积,为 100 cm3。
作物产量 摇 小麦和玉米成熟后实收每小区
产量。
1.5摇 数据分析
试验数据采用 SPSS 16.0 和 Excel 2003 软件进
行处理和作图。 分析试验中秸秆还田、氮肥水平及
秸秆还田伊氮肥水平交互效应对试验结果的作用力,
用变异度表示。 分析过程中按照导致试验结果产生
差异的来源,将作用力分为区组、秸秆还田、氮肥水
平、秸秆还田伊氮肥水平、误差共 5种。
2摇 结果与分析
2.1摇 对土壤容重和含水量的影响
土壤容重可以概括地反映土壤质地、结构状况
以及腐殖质含量的高低,是土壤重要的物理特性之
一,而土壤含水量则决定了土壤的宜耕性,并与作物
的正常生长发育紧密相关。 砂姜黑土土壤物理性状
差、土壤粘重、容重大、通气透水性能差,进行秸秆还
田处理 4a后,于 2012 年玉米收获期对 0—20 cm 土
层的土壤容重和含水量进行了测定,其不同处理间
存在显著差异 (表 1)。 秸秆移除 ( R)各处理在
1郾 24—1.31 g / cm3之间,而秸秆还田 ( S)各处理在
1郾 14—1.20 g / cm3范围内,秸秆还田处理均较秸秆移
除处理土壤容重降低,下降幅度为 2.5%—9.2%。 所
有秸秆还田和秸秆移除处理施用氮肥后土壤容重均
较不施氮肥降低,但过量增施氮肥后土壤容重又有
所增加,其中高量氮肥处理(N5)秸秆移除较秸秆还
田容重增加幅度可达到 9.2%。 秸秆还田提高了土
壤含水量,秸秆还田较秸秆移除处理土壤含水量提
高了 8. 2%—28. 5%,表层土壤贮水量提高了
4郾 1%—19.9%。
2.2摇 对耕层土壤孔隙度的影响
如表 2所示,土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度及
毛管孔隙度 /总孔隙度各处理变化趋势一致,所有秸
秆还田处理高于秸秆移除处理。 土壤总孔隙度各处
理在 50.7%—57.1% 之间,秸秆还田较秸秆移除处
理增加 1.1%—8.9%;其中秸秆移除(R)的土壤总孔
隙度变化范围在 50.7%—54.6%之间,秸秆还田为
53.0%—57.1%,秸秆还田显著高于秸秆移除。 土壤
毛管孔隙度秸秆移除各处理在 27.3%—29.5%范围
变化,而秸秆还田在 33.9%—41.0%之间,秸秆还田
较秸秆移除增加 18.9%—41.0%,二者之间差异达显
著水平。 土壤非毛管孔隙度与土壤总孔隙度、土壤
4505 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
毛管孔隙度的变化趋势相反,秸秆还田比秸秆移除
处理降低 6.4%—38.8%,二者之间差异显著;土壤毛
管孔隙度占总孔隙度比例秸秆还田显著高于秸秆移
除处理,变化幅度分别为秸秆还田 61.7%—75.4%、
秸秆移除 50.1%—56.9%。
表 1摇 秸秆还田对耕层土壤容重和含水量的影响
Table 1摇 Effects of straw incorporating on soil buck density and soil water content
处理
Treatments
容重
Soil buck density
/ (g / cm3)
比秸秆移除降低
Decrease / %
含水量
Soil water content
/ (g / cm3)
比秸秆移除降低
Decrease / %
土壤贮水量
Soil water storage
/ (g / cm3)
比秸秆移除降低
Decrease / %
R+N0 1.29 bc 19.0 ab 48.9 ab
S+N0 1.20 bc 7.0 24.5 g 28.5 58.7 c 19.9
R+N1 1.24 bc 19.5 abcd 48.2 ab
S+N1 1.19 abc 4.0 21.4 cdef 9.9 50.5 ab 4.9
R+N2 1.27 bc 19.7 abcd 50.1 ab
S+N2 1.19 bc 6.3 21.3 bcdef 8.2 54.0 bc 7.8
R+N3 1.20 bc 19.1 abc 45.9 a
S+N3 1.17 ab 2.5 22.7 efg 19.1 53.2 bc 16.1
R+N4 1.21 bc 20.4 abcde 49.2 ab
S+N4 1.14 a 5.8 23.2 fg 13.5 52.6 abc 6.9
R+N5 1.31 c 18.9 a 49.5 ab
S+N5 1.19 bc 9.2 21.7 def 14.9 51.5 ab 4.1
摇 摇 表中数据为 3 次重复平均值; 同一列数据后不同字母表示不同处理间差异显著(P< 0. 05) (LSR 法检验) ; S 表示秸秆还田, R表示秸秆
移除;N0,N1,N2,N3,N4,N5表示施氮量分别为 0、360、450、540、630、720 kg N hm-2 a-1; Each value in the table is mean of 3 replicates. Values
followed by a different letter within a column are significantly different at P < 0. 05 according to LSR test. In the 1st column, S denotes straw mulching, R
indicates straw removed. N0,N1,N2,N3,N4,N5 indicate N application rates of 0、360、450、540、630、720 kg N hm-2 a-1, respectively. The below is same
表 2摇 秸秆还田对耕层土壤孔隙度的影响
Table 2摇 Effects of straw incorporation on soil porosity in tilth layer of soil
处理
Treatments
土壤总孔隙度
Total soil porosity
比秸秆
移除提高
Increase / %
土壤毛管孔隙度
Soil capillary
porosity
比秸秆
移除提高
Increase / %
土壤非
毛管孔隙度
Soil aeration
porosity
比秸秆
移除提高
Increase / %
毛管孔隙度 /
总孔隙度
Soil capillary
porosity /
Total soil porosity
比秸秆
移除提高
Increase / %
R+N0 51.5 ab 29.1 a 22.4 bcd 56.6 abc
S+N0 54.7 abc 1.1 41.0 c 41.0 13.7 a 38.8 75.4 e 33.2
R+N1 53.3 abc 28.5 a 24.8 cd 53.6 abc
S+N1 55.3 abc 3.7 33.9 b 18.9 21.4 abcd 13.7 61.7 bcd 15.1
R+N2 53.0 ab 27.6 a 24.4 cd 53.1 ab
S+N2 54.3 ab 2.5 36.3 b 31.5 15.9 ab 34.8 69.6 de 31.1
R+N3 54.6 abc 27.3 a 27.3 d 50.0 a
S+N3 55.8 bc 2.2 36.3 b 33.0 19.5 abc 28.6 65.1 cde 30.2
R+N4 54.4 abc 29.5 a 25.0 cd 54.1 abc
S+N4 57.1 c 5.0 36.5 b 23.7 21.7 bcd 13.2 62.1 bcd 16.3
R+N5 50.7 a 28.7 a 22.0 bcd 56.9 abc
S+N5 55.2 abc 8.9 34.6 b 20.6 20.6 abcd 6.4 63.2 bcd 11.6
2.3摇 对土壤耕层速效氮的影响
秸秆还田和氮肥施用对土壤中硝态氮、铵态氮
含量的影响如图 1 所示。 土壤耕层硝态氮、铵态氮
含量的变化范围分别为秸秆还田( S)处理 26.90—
67. 54、 15. 43—26. 87 kg / hm2,秸秆移除 ( R)处理
24郾 49—42.33、15.44—20.87 kg / hm2;S 和 R 处理土
5505摇 17期 摇 摇 摇 李玮摇 等:秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
壤中硝态氮、铵态氮含量随氮肥用量呈增加—下降
的趋势,各处理土壤硝态氮含量高于铵态氮,施用氮
肥比不施氮肥处理显著增加了土壤中的硝态氮含
量,S+N4处理的硝态氮和铵态氮含量最高,而 R+N5
处理其硝态氮含量最高。 方差分析表明(表 3),氮
肥用量相同时,土壤硝态氮含量 S 处理均显著高于
R处理,提高幅度达 9.80%—86.71%,其中 N4 水平
的提高幅度最大,比 R 处理增加 31.37 kg / hm2的硝
态氮含量,即使不施肥,S 比 R 的土壤硝态氮也要高
出 2.40 kg / hm2。 与土壤硝态氮含量比较,铵态氮含
量表现规律各处理不一致。 图 2 显示,夏玉米收获
后表层土壤的硝态氮含量随着氮肥用量的增加呈指
数趋势增加,硝态氮含量与施氮量的相关性 R 处理
高于 S 处理;氮肥施用分别为 N1、N2、N3、N4 和 N5
处理时,秸秆还田条件下耕层土壤硝态氮累积量分
别为 N0处理的 1.42、1.53、2.22、2.51 和 2.12 倍,秸
秆移除条件下分别为 1.24、1.38、1.53、1.59 和 1.72,
显然,随着施氮量的增加硝态氮的累积越明显。 铵
态氮含量在秸秆还田时随施氮量增加呈指数趋势增
加,而秸秆移除条件下呈指数趋势减小,相关系数分
别为 0.0487、0.3173。
图 1摇 秸秆还田配施不同量氮肥条件下耕层土壤无机氮变化
Fig.1摇 Change in soil inorganic nitrogen in soil tilth layer under the combination of straw mulching and nitrogen fertilizer application
图中字母表示秸秆相同还田条件下氮肥水平处理之间的差异显著性,不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)
表 3摇 秸秆还田条件下耕层土壤无机氮方差分析
Table 3摇 Variance analysis of soil inorganic nitrogen in soil tilth layer under the straw incorporation
处理
Treatments
硝态氮 Nitrate nitrogen / (kg / hm2)
N0 N1 N2 N3 N4 N5
铵态氮 Ammonium nitrogen / (kg / hm2)
N0 N1 N2 N3 N4 N5
S 26.90 a 38.27 a 41.28 a 59.92 a 67.55 a 57.10 a 20.40 a 16.34 a 19.60 a 15.43 a 26.87 a 21.28 a
R 24.49 b 30.38 b 33.87 b 37.52 b 39.17 b 42.33 b 20.87 a 18.33 b 15.68 b 18.67 b 15.44 b 18.65 b
2.4摇 长期秸秆还田对小麦、玉米产量的影响
由图 3可以看出,对单施氮肥的处理来说,在一
定范围内,施用氮肥可以增加玉米籽粒产量, 施氮
量从 360 kg N hm-2 a-1上升到 720 kg N hm-2 a-1,玉
米籽粒产量逐渐增加,增加率为 0.2%—2.9% 。 但
对于小麦产量,施氮量从 360 kg N hm-2 a-1增加到
450 kg N hm-2 a-1时,产量随施氮量增加呈递增趋
势,增加幅度为 1.5%—6.7%;但施氮量从 540 kg N
hm-2 a-1上升到 720 kg N hm-2 a-1时,产量不再增加
反而下降了 2.4%。 说明过量施用氮肥并不能有效
提高小麦产量,但能提高玉米产量。 对秸秆还田加
施氮处理来说,玉米产量随施氮量的增加呈递增趋
势;对于小麦产量,施氮量从 360 kg N hm-2 a-1上升
到 630 kg N hm-2 a-1,产量逐渐增加,增加率为
1郾 3%—6.2%,随着施氮量的增大增加率降低,但施
氮量从 630 kg N hm-2 a-1达到 720 kg N hm-2 a-1时,
产量不再增加反而下降了 0.4%。 说明秸秆还田条
件下过量施用氮肥并不能有效提高小麦产量,而显
著提高了玉米产量。 小麦和玉米的年产量变化趋势
与玉米一致,随施氮量增加呈递增趋势变化。
相同施氮量条件下,秸秆还田与秸秆移除的产
量比较,各氮肥处理玉米季 4a平均产量秸秆还田高
6505 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
图 2摇 2012年玉米收获后耕层土壤无机氮与施氮量的关系
Fig.2 摇 Correlation of soil inorganic nitrogen content and nitrogen application rates after maize harvesting in 2012
图 3摇 4年连续秸秆还田条件下不同施氮量小麦和玉米的平均产量
Fig.3摇 Yields of crops under the straw incorporation continuously for four years
于秸秆移除 109.5—562.5 kg / hm2,N3 处理的增幅最
高;小麦季在施氮量降低时,秸秆还田有降低产量的
趋势,但施氮量增加至 630 kg N hm-2 a-1时,其产量
超过秸秆移除处理最高,为 286.5 kg / hm2。 从施氮
7505摇 17期 摇 摇 摇 李玮摇 等:秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
量与作物产量的关系看(图 4),无论秸秆还田还是
秸秆移除,小麦和玉米产量均与施氮量呈二次曲线
关系,但是秸秆还田条件下,产量与施氮量的相关性
高于秸秆移除。 玉米季,秸秆还田施氮量为 696 kg
N hm-2 a-1时获得最高产量,达 10360.5 kg / hm2,而秸
秆移除在施氮量为 627 kg N hm-2 a-1时达到高产
9861.5 kg / hm2,相对秸秆移除,秸秆还田条件下获得
高产的施氮量增加了 69 kg N hm-2 a-1;小麦季,秸秆
还田氮肥用量为 630 kg N hm-2 a-1时产量最高,达
7900.5 kg / hm2,而秸秆移除在施氮量为 580.5 kg N
hm-2 a-1时达到高产 7782.0 kg / hm2,相对秸秆移除,
秸秆还田获得高产的施氮量增加了 51 kg N hm-2
a-1。 可见,秸秆还田条件下要取得高产,必须要多施
一定量氮肥。
图 4摇 连续秸秆还田条件下施氮量和作物产量的关系
Fig.4摇 Correlation of nitrogen application rates and crop yields under the straw incorporation
2.5摇 单项技术对土壤理化性质的作用力及交互效
应分析
由分析可知,在各因素独立效应中,秸秆还田措
施对土壤容重、土壤毛管持水量、土壤总孔隙度和作
物产量的影响达显著水平,对土壤含水量、土壤贮水
量、土壤毛管孔隙度、土壤非毛管孔隙度、土壤毛管
孔隙度 /土壤总孔隙度、土壤耕层硝态氮含量的影响
均达到极显著,而对铵态氮含量没有显著影响。 氮
肥水平仅对土壤耕层硝态氮含量和作物产量有极显
著影响,各测定指标均不受秸秆还田伊氮肥水平的交
互效应(表 4)。
3摇 结论与讨论
土壤容重、孔隙度反映了土壤的紧实状况,关系
到土壤水、气、热状况和养分的调节,以及作物根系
的伸展和生长发育。 国内外研究认为,连续秸秆还
田结合土壤浅耕,能够降低耕层土壤容重[26];在施
氮、磷化肥的基础上秸秆还田可降低土壤容重
1郾 2%—7.1%,提高土壤含水量 4. 7%—13. 5%[19]。
北方干旱地区 18 年的长期秸秆还田田间定位试验
表明,长期秸秆覆盖玉米生育期耗水量减少,土壤贮
水量增加,水分利用效率明显增加[27]。 本研究结果
表明,秸秆还田能降低土壤容重和非毛管孔隙度,提
高耕层贮水量,增加土壤总孔隙度和毛管孔隙度。
可见,逐年连续全量秸秆还田,能起到疏松土壤、降
低土壤容重、增强土壤蓄水能力、增加孔隙度的作
用;与之相反,氮肥施用对土壤物理性状没有显著的
改善作用。这与秸秆还田使秸秆纤维腐解残体与土
8505 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
表 4摇 单项技术措施对土壤物理性质和作物产量的作用力及交互效应分析
Table 4摇 Force analysis of single and interactive measure on soil physical properties and crop yields
差异源
Source
of variance
变异度 The level of variation%
土壤
含水量
土壤
贮水量
土壤
容重
土壤毛管
持水量
土壤总
孔隙度
土壤毛管
孔隙度
土壤非毛管
孔隙度
毛管
孔隙度 /
总孔隙度
耕层
硝态氮
耕层
铵态氮 年产量
区组 2.91 5.93 3.96 2.98 4.97 7.78 8.64 1.77 1.61 2.44 4.38
秸秆还田(S) 72.74** 68.35** 61.25* 72.38* 85.22* 79.43** 82.50** 65.43** 45.82** 28.98 22.54*
氮肥水平(N) 0.63 0.88 10.78 0.13 0.57 1.46 3.80 2.29 25.76** 26.30 53.42**
S伊N 13.25 16.49 21.26 17.28 4.09 8.86 2.22 21.63 13.37 35.26 1.091
误差 10.48 8.35 2.75 7.23 5.15 2.46 2.84 8.88 13.44 7.02 8.75
摇 摇 * 表示显著水平,**表示极显著水平;土壤含水量 Soil water content; 土壤贮水量 Soil water storage; 土壤容重 Soil bulk density; 土壤毛管
持水量 Soil capillary water capacity; 土壤总孔隙度 Total soil porosity; 土壤毛管孔隙度 Soil capillary porosity; 土壤非毛管孔隙度 Soil non鄄capillay
porosity; 毛管孔隙度 /总孔隙度 Soil capillary porosity / total soil porosity; 耕层硝态氮 Soil nitrate nitrogen; 耕层铵态氮 Soil ammonium nitrogen; 年产
量 Annual yield
壤团粒结合改善了土壤结构,增加土壤入渗、减少土
面蒸发有关。 降雨过程中,土壤表层的秸秆覆盖物
对雨滴起到缓冲和吸附水分的作用,使土壤免受雨
水的直接冲击,利于水分入渗土壤;另外,有利于雨
水快速下渗,也增强了土壤的保水性能。 秸秆覆盖
使土面蒸发受到明显的抑制,并且表层水分含量明
显高于秸秆移除,土壤贮水量增加。
据慕平等[28]研究,全量秸秆连续还田能增加耕
层 0—30 cm 土层有机质、全氮、全磷含量,速效氮、
速效钾显著增加。 本研究中秸秆还田处理耕层的土
壤硝态氮含量高于秸秆移除处理,施氮 540、630、720
kg N hm-2 a-1时,硝态氮含量秸秆还田处理显著高于
秸秆移除处理,表明长期秸秆还田能提高土壤的速
效养分,主要是因为秸秆还田与秸秆移除对土壤有
机氮的矿化程度不同,秸秆还田可明显增强土壤有
机养分的矿化,秸秆自身腐解也会释放出丰富的碳、
氮、磷、钾等速效养分,但是秸秆的分解程度与氮肥
的施用量有密切联系[29]。
有文献报道秸秆还田对小麦、玉米有增产作
用[30鄄31],但也有减产的报道[32]。 本研究结果表明,
秸秆还田配施适量化学氮肥可以提高作物产量。 秸
秆还田配施纯氮 630 kg N hm-2 a-1时冬小麦产量最
高,增产幅度最大,比秸秆移除增产 3.8%;配施纯氮
720 kg N hm-2 a-1的夏玉米产量最高,增产幅度最
大,同样比秸秆移除增产 4.5%。 关于秸秆还田增产
的原因,研究结果不尽一致。 刘义国等[33]认为,秸
秆还田提高了小麦叶绿素含量,促进了旗叶的光合
作用与蒸腾作用,进而促进了物质的合成和转化;赵
鹏等[34]认为,秸秆还田配施适量氮肥可以解决土壤
微生物与作物竞争土壤中氮源的问题,提高了冬小
麦的氮效率。 还有研究者认为,秸秆还田向土壤微
生物提供了碳源,可刺激微生物生长和酶的活性,促
进土壤的供养能力,提高作物产量[35]。
作用力分析结果证明,秸秆还田是土壤理化性
质最重要的变异源,其作用力大于氮肥水平及秸秆
还田伊氮肥水平的交互效应;对于土壤耕作层硝态氮
含量和作物产量,氮肥水平因素的独立效应均大于
秸秆还田及秸秆还田伊氮肥水平的交互效应,各测定
指标均不受秸秆还田伊氮肥水平交互效应的影响。
References:
[ 1 ] 摇 Unger P W. Straw mulch effects on soil temperatures and sorghum
germination and growth. Agronomy Journal, 1978, 70 ( 5 ):
858鄄864.
[ 2 ] 摇 Duley F L, Russel J C. The use of crop residues for soil and
moisture conservation. Agronomy Journal, 1939, 31 ( 8 ):
703鄄709.
[ 3 ] 摇 Cook H F, Valdes G S, Lee H C. Mulch effects on rainfall
interception, soil physical characteristics and temperature under
Zea mays L. Soil and Tillage Research, 2006, 91(1): 227鄄235.
[ 4 ] 摇 Lal R. Long鄄term tillage and maize monoculture effects on a
tropical alfisol in western Nigeria. I. Crop yield and soil physical
properties. Soil and Tillage Research, 1997, 42(3): 145鄄160.
[ 5 ] 摇 Lal R. Beyond Copenhagen: mitigating climate change and
achieving food security through soil carbon sequestration. Food
Security, 2010, 2(2): 169鄄177.
[ 6 ] 摇 Tan D S, Jin J Y, Huang S W, Li S T, He P. Effect of long鄄term
application of K fertilizer and wheat straw to soil on crop yield and
soil K under different planting systems. Scientia Agricultura
Sinica, 2007, 40(1): 133鄄139.
[ 7 ] 摇 Wang R F, Zhang J W, Dong S T, Liu P. Present situation of
9505摇 17期 摇 摇 摇 李玮摇 等:秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响 摇
http: / / www.ecologica.cn
maize straw resource utilization and its effect in main maize
production regions of China. Chinese Journal of Applied Ecology,
2011, 22(6): 1504鄄1510.
[ 8 ] 摇 Lao X R, Wu Z Y, Gao Y C. Effect of long鄄term returning straw
to soil on soil fertility. Transactions of the Chinese Society of
Agricultural Engineering, 2002, 18(2): 49鄄52.
[ 9 ] 摇 Wang X Y, Jiang Y J, Sui Y Y, Sun B. Changes of microbial
communities during decomposition of wheat and maize straw:
analysis by BIOLOG. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49 ( 5):
1003鄄1011.
[10] 摇 Wu R M, Wang Y P, Li F M, Li X G. Effects of coupling film鄄
mulched furrow鄄ridge cropping with maize straw soil鄄incorporation
on maize yields and soil organic carbon pool at a semiarid loess site
of China. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(9): 2855鄄2862.
[11] 摇 Boto K G, Wellington J T. Soil characteristics and nutrient status
in a northern Australian mangrove forest. Estuaries, 1984, 7(1):
61鄄69.
[12] 摇 Mao R H. Effects analysis on improving yield under the wheat bran
covering of summer fallow. Chinese Journal of Agrometeorology,
1993, 14(4): 36鄄38.
[13] 摇 Cai T Y. Effects of Different Rates of Straw Mulch on Farmland
Environment and Physiological Ecology of Spring Maize ( Zea
maysl) in Weibei Highland Area, China [ D ]. Yangling:
Northwest A&F University, 2011.
[14] 摇 Zhang J P, Sun J S, Liu Z G, Li X D, Liu X F. Effects of
different straw mulching quantity on soil evaporation and soil
temperature in summer corn field. Agricultural Research in the
Arid Areas, 2009, 27(1): 95鄄100.
[15] 摇 Wang X, Jia Z K, Han Q F, Yang B P, Nie J F. Effects of
different straw mulching quantity on soil water and WUE in
semiarid region. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009,
27(4): 196鄄202.
[16] 摇 Wang Z W, Hao W P, Gong D Z, Mei X R, Wang C T. Effect of
straw mulch amount on dynamic changes of soil moisture and
temperature in farmland. Chinese Journal of Agrometeorology,
2010, 31(2): 244鄄250.
[17] 摇 Gao F, Jia Z K, Lu W T, Han Q F, Yang B P, Hou X Q. Effects
of different straw returning treatments on soil water, maize growth
and photosynthetic characteristics in the semi鄄arid area of Southern
Ningxia. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(3): 777鄄783.
[18] 摇 Du S Y, Tian E P, Wen M, Wu Q S. The overall effects of
stubble mulching farmlads and its technical series. Agricultural
Research in the Arid Areas, 1994, 12(2): 88鄄94.
[19] 摇 Zhang Y L, L俟 J L, Jin J Y, Li S T, Chen Z Q, Gao X S. Effects
of chemical fertilizer and straw return on soil fertility and spring
wheat quality. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18
(2): 307鄄314.
[20] 摇 Yang F, Dong Y, Xu M G, Bao Y X. Effects of straw returning on
the integrated soil fertility and crop yield in southern China.
Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(11): 3040鄄3044.
[21] 摇 Xu R L, Wang J F, Zhang G L, Dai Q G. Changes of microbe
and organicmatter content in paddy soil applied with straw,
manure and nitrogen fertilizer. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30
(13): 3584鄄3590.
[22] 摇 Zhang X P. Study on fertilization management technology of high鄄
yield grain production and soil fertility characteristics in Huaibei
Shajiang black area. Research of Agricultural Modernization,
1996, 17(4): 218鄄224.
[23] 摇 Li W G. Study on the combined application of organic and
chemical fertilizer for the improvement of Shajiang black soil.
Jorunal of Anhui Agricultural Sciences, 2000, 28(5): 636鄄637.
[24] 摇 Zhang X B. Fertilization techniques of high鄄yield wheat in Huaibei
Shajiang black soil area. Soils, 1994, 26(1): 14鄄18.
[25] 摇 Lu R K. Analysis Method of Soil Agricultural Chemistry. Beijing:
China Agricultural Science and Technology Press, 2000:
156鄄160.
[26] 摇 Mu P, Zhang E H, Wang H N, Fang Y F. Effects of continuous
returning straw to maize tilth soil on chemical character and
microbial biomass. Journal of Soil and Water Conservation, 2011,
25(5): 81鄄85.
[27] 摇 Xie W Y, Fan G S, Zhou H P, Guan C L, Yang Z X. Effect of
straw鄄incorporation on corn yield and water use efficiency in arid
farming areas. Transactions of the Chinese Society for Agricultural
Machinery, 2011, 42(11): 60鄄67.
[28] 摇 Mu P, Zhang E H, Wang H N, Fang Y F. Effects of continuous
straw return to soil on maize growth and soil chemical and physical
characteristics. Chinese Journal of Eco鄄Agriculture, 2012, 20
(3): 291鄄296.
[29] 摇 Chen S H, Zhu Z L, Wu J, Liu D H, Wang C Q. Decomposition
characteristics of straw return to soil and its effect on soil fertility
in purple hilly region. Journal of Soil and Water Conservation,
2006, 20(6): 141鄄144.
[30] 摇 Ma C, Zhou J, Zheng X B, Liu M Q, Li H X, Jiang Z S, Wang
W G. Effects of returning rice straw into field on soil nutrients and
wheat yields under promoting decay condition. Soil, 2012, 44
(1): 30鄄35.
[31] 摇 Zheng X B, Zhang X Z, Cui J, Zhou J, Ma C. Effects of
combined chemical fertilizer with return of total wheat straw on soil
nutrient and maize yield in Shajiang Black Soil region along Huai
River. Soils, 2012, 44(6): 972鄄976.
[32] 摇 Liu X H. The Mechanism and Technology of Straw Returning
Mode. Beijing: China Agriculture Press, 2001: 12鄄23.
[33] 摇 Liu Y G, Lin Q, Wang Y F, Guo J X, Liu H J. Effects of
coupling of straw鄄return and nitrogen fertilizer on photosynthetic
characters and yield of winter wheat. Chinese Journal of Eco鄄
Agriculture, 2007, 15(1): 42鄄44.
[34] 摇 Zhao P, Chen F. Effects of straw mulching plus nitrogen fertilizer
on nitrogen efficiency and grain yield in winter wheat. Acta
0605 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
http: / / www.ecologica.cn
Agronomica Sinica, 2008, 34(6): 1014鄄1018.
[35] 摇 Xu J B, Feng Y Z, Wang Y M, Wang J H, He X H, Lin X G.
Soil microbial mechanisms of Stevia rebaudiana (Bertoni) residue
returning increasing crop yield and quality. Biology and Fertility of
Soils, 2013: 1鄄8, doi: 10.1007 / s00374鄄013鄄0777鄄7.
参考文献:
[ 6 ]摇 谭德水, 金继运, 黄绍文, 李书田, 何萍. 不同种植制度下长
期施钾与秸秆还田对作物产量和土壤钾素的影响. 中国农业
科学, 2007, 40(1): 133鄄139.
[ 7 ] 摇 王如芳, 张吉旺, 董树亭, 刘鹏. 我国玉米主产区秸秆资源利
用现状及其效果. 应用生态学报, 2011, 22(6): 1504鄄1510.
[ 8 ] 摇 劳秀荣, 吴子一, 高燕春. 长期秸秆还田改土培肥效应的研
究. 农业工程学报, 2002, 18(2): 49鄄52.
[ 9 ] 摇 王晓玥, 蒋瑀霁, 隋跃宇, 孙波. 田间条件下小麦和玉米秸秆
腐解过程中微生物群落的变化———BIOLOG 分析. 土壤学报,
2012, 49(5): 1003鄄1011.
[10] 摇 吴荣美, 王永鹏, 李凤民, 李小刚. 秸秆还田与全膜双垄集雨
沟播耦合对半干旱黄土高原玉米产量和土壤有机碳库的影
响. 生态学报, 2012, 32(9): 2855鄄2862.
[12] 摇 毛瑞洪. 夏闲地麦糠覆盖增产效果分析. 中国农业气象,
1993, 14(4): 36鄄38.
[13] 摇 蔡太义. 渭北旱塬不同秸秆覆盖量对农田环境和春玉米生理
生态的影响 [D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2011.
[14] 摇 张俊鹏, 孙景生, 刘祖贵, 李晓东, 刘小飞. 不同麦秸覆盖量
对夏玉米田棵间土壤蒸发和地温的影响. 干旱地区农业研究,
2009, 27(1): 95鄄100.
[15] 摇 王昕, 贾志宽, 韩清芳, 杨保平, 聂俊峰. 半干旱区秸秆覆盖
量对土壤水分保蓄及作物水分利用效率的影响. 干旱地区农
业研究, 2009, 27(4): 196鄄202.
[16] 摇 王兆伟, 郝卫平, 龚道枝, 梅旭荣, 王春堂. 秸秆覆盖量对农
田土壤水分和温度动态的影响. 中国农业气象, 2010, 31
(2): 244鄄250.
[17] 摇 高飞, 贾志宽, 路文涛, 韩清芳, 杨宝平, 侯贤清. 秸秆不同
还田量对宁南旱区土壤水分、玉米生长及光合特性的影响. 生
态学报, 2011, 31(3): 777鄄783.
[18] 摇 杜守宇, 田恩平, 温敏, 吴青山. 秸秆覆盖还田的整体功能效
应与系列化技术研究. 干旱地区农业研究, 1994, 12 ( 2):
88鄄94.
[19] 摇 张亚丽, 吕家珑, 金继运, 李书田, 陈占全, 高旭升. 施肥和
秸秆还田对土壤肥力质量及春小麦品质的影响. 植物营养与
肥料学报, 2012, 18(2): 307鄄314.
[20] 摇 杨帆, 董燕, 徐明岗, 包耀贤. 南方地区秸秆还田对土壤综合
肥力和作物产量的影响. 应用生态学报, 2012, 23 ( 11):
3040鄄3044.
[21] 摇 许仁良, 王建峰, 张国良, 戴其根. 秸秆、有机肥及氮肥配合
使用对水稻土微生物和有机质含量的影响. 生态学报, 2010,
30(13): 3584鄄3590.
[22] 摇 张效朴. 淮北砂姜黑土的肥力特点与高产高效粮食生产的施
肥管理技术研究. 农业现代化研究, 1996, 17(4): 218鄄224.
[23] 摇 李文高. 有机鄄无机肥料配施培肥砂姜黑土研究. 安徽农业科
学, 2000, 28(5): 636鄄637.
[24] 摇 张效朴. 淮北砂姜黑土区小麦高产高效的施肥技术. 土壤,
1994, 26(1): 14鄄18.
[25] 摇 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京: 中国农业科技出版
社, 2000: 156鄄160.
[26] 摇 慕平, 张恩和, 王汉宁, 方永丰. 连续多年秸秆还田对玉米耕
层土壤理化性状及微生物量的影响. 水土保持学报, 2011, 25
(5): 81鄄85.
[27] 摇 解文艳, 樊贵盛, 周怀平, 关春林, 杨振兴. 秸秆还田方式对
旱地玉米产量和水分利用效率的影响. 农业机械学报, 2011,
42(11): 60鄄67.
[28] 摇 慕平, 张恩和, 王汉宁, 方永丰. 不同年限全量玉米秸秆还田
对玉米生长发育及土壤理化性状的影响. 中国生态农业学报,
2012, 20(3): 291鄄296.
[29] 摇 陈尚洪, 朱钟麟, 吴婕, 刘定辉, 王昌全. 紫色土丘陵区秸秆
还田的腐解特征及对土壤肥力的影响. 水土保持学报, 2006,
20(6): 141鄄144.
[30] 摇 马超, 周静, 郑学博, 刘满强, 李辉信, 姜中山, 王维国. 秸
秆促腐还田对土壤养分和小麦产量的影响. 土壤, 2012, 44
(1): 30鄄35.
[31] 摇 郑学博, 张祥志, 崔键, 周静, 马超. 秸秆全量还田条件下配
施化肥对沿淮砂姜黑土培肥及玉米产量的影响. 土壤, 2012,
44(6): 972鄄976.
[32] 摇 刘巽浩. 秸秆还田的机理与技术模式. 北京: 中国农业出版
社, 2001: 12鄄23.
[33] 摇 刘义国, 林琪, 王月福, 郭家选, 刘洪军. 秸秆还田与氮肥耦
合对冬小麦光合特性及产量形成的影响. 中国生态农业学报,
2007, 15(1): 42鄄44.
[34] 摇 赵鹏, 陈阜. 秸秆还田配施化学氮肥对冬小麦氮效率和产量
的影响. 作物学报, 2008, 34(6): 1014鄄1018.
1605摇 17期 摇 摇 摇 李玮摇 等:秸秆还田和施肥对砂姜黑土理化性质及小麦鄄玉米产量的影响 摇