秸秆还田对增强土壤肥力的影响

1、秸秆还田对增强土壤肥力的影响黄志浩吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118摘要：秸秆还田可以改善土壤结构，增强其保水、肥、气、热的能力，有利于提高有机质含量，使养分结构趋于合理。秸秆还田作为一种培肥地力的农艺措施，可以提高土壤中植物、动物和微生物的活性，促进其分泌胞外酶，增强土壤酶活性。研究了秸秆和厩肥两种有机质还田后土壤酶活性的变化，结果表明秸秆还田可以显著提高土壤蔗糖酶活性。秸秆还田配施氮磷肥后，一方面可以促进秸秆矿质化，为作物生长发育提供速效养分，另一方面秸秆进入土壤增强了土壤中动物、植物和微生物的代谢活动，加快了土壤物质循环，提高了土壤养分的生物有效性。同时，秸秆在土壤中可以减少

2、旱地土壤水分蒸发，促进水肥互促协同作用，提高作物水分和养分利用效率，从而提高作物产量。关键词：秸秆还田，氮磷配施，培肥地力Abstract: Straw returned can improve soil structure, enhance its ability to water, fertilizer, gas and heat, is beneficial to improve the content of organic matter, nutrient structure more reasonable.Straw returned as a soil fertilizer agr

3、onomic measures, can improve the activity of plants, animals, and microorganisms in the soil, promote the secretion of extracellular enzymes, strengthen soil enzyme activity.Straw returning and manure two kinds of organic matter was studied after the change of soil enzyme activity, the results showe

4、d that straw returned can significantly improve the soil invertase activity.After the straw returned with nitrogen and phosphate, on the one hand, can promote the straw mineral, to provide available nutrients for crop growth and development, on the other hand the straw into the soil enhances the met

5、abolic activity of animals, plants and microorganisms in the soil, sped up the soil material cycle, improved the soil nutrient bio-availability.At the same time, the straw in the soil can reduce soil moisture evaporation, promote each other to promote synergy, water increase crop water and nutrient

6、use efficiency, so as to improve crop production.Key word : Straw returned , nitrogen and phosphorus , Enriching the soil fertility引言研究结果表明，在小麦-玉米生长期内，秸秆还田初期土壤EC值呈先增高后降低的趋势。EC值的大小与秸秆中有机物质的矿化-腐殖质化过程有关，在这一过程中，由于土壤微生物对秸秆的矿质化作用， 有机物质分解产生大量小分子物质，其中的小分子有机酸和阴阳离子，如HCO 3, HSO J、NH 4+、H +等，使土壤EC值上升，随着秸秆还田后腐殖化

7、过程的深入进 行，小分子有机酸和阴阳离子被微生物转化利用，合成腐殖质类物质， EC值下降。秸秆还田配施有机、无机肥料可以显著提高土壤E C值1 5 .0 %6 6 .5 %,这说明添加腐熟有机肥和氮磷肥，可以调节土C/N比、C/P比，为土壤微生物提供适宜的养分比例，有利于增强微生物的活动，促进秸秆的矿质化，使矿质养分得到充分释放。研究了不同施氮量对土壤微生物群落 功能多样性和酶活性的影响，发现氮肥的施用可以提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落的丰富度和功能多样性，且低量和中量氮肥能够提高蔗糖酶活性和服酶活性。本试验结果显示， 不同施肥方式中，秸秆还田配施氮肥处理的土壤蔗糖酶活性和服酶活性最

8、高。一方面含有大量有机物质的秸秆和氮肥配合施用，不仅为土壤动物、植物和微生物提供了丰富的能源物质，而且可以促进秸秆矿化，使养分得到释放，增强土壤动物、植物和微生物的代谢活性，使土壤中酶活性增加；另一方面随着作物的生长，根系分泌物增多，分泌物中一些未知的次级代谢产物可能对微生物活性有刺激作用，可增强微生物的代谢活性。作物秸秆本身含有丰富的氮、磷、钾等作物生长所必需的营养元素，秸秆还田后，伴随秸秆的分解，养分得到释放，会增加土壤养分的含量。 秸秆还田配施化肥可以促进土壤中有机氮矿化和固定氮的转化，加速土壤-植物系统中氮的循 环，这与本试验研究结果一致。农作物秸秆中含有较多的钾素，且容易释放到土壤中

9、，增强土壤供钾能力，试验结果也表明了秸秆还田，尤其是秸秆配施氮肥能显著增加土壤钾含量，表明秸秆还田配施氮肥可以促进秸秆中钾的释放。秸秆还田对土壤磷素的影响尚存在争议，有研究显示秸秆还田后土壤磷素显著增加，也有研究显示秸秆还田对磷素循环作用不显著，本试验的结果是秸秆还田对土壤全磷含量影响较小，但速效磷在不同处理间的差异显著，这说明秸秆还田有利于提高土壤磷素的生物有效性。秸秆还田配合肥料可以提高作物产量已有相关报道。本试验结果表明，秸秆还田与有机、无机肥料配合施用有增产效应，其中小麦产量以秸秆配施氮磷肥处理最高，较对照处理提高了 5 0.6%,玉米产量以秸秆配施氮肥处理最高，较对照处理提高了 34

10、.3 %。由于土壤微生物群落的代谢活性及其多样性对土壤酶活性、土壤理化性状、土壤养分含量和作物产量都有较大影 响，因此，今后尚需结合B i o 1 o g和PCR DGGE等现代分子生物学技术，分析秸秆还田后土壤微生物群落的代谢活性和遗传多样性的变化，从本质上揭示秸秆还田与有机、无机肥料配合施用对土壤酶活性及作物增产效应的影响。1有机肥与无机非配施对土壤氮肥力的影响高土壤肥力是作物高产的保证。氮是作物生长必需的矿质营养元素，由于氮肥在土壤中易发生形态转化而损失， 氮肥管理一直是农田养分管理研究的重点531O 土壤氮包括有机态氮和无机态氮，有机态氮主要指存在于未分解或半分解动植物残体和有机质中的

11、氮，是土壤氮素的主要存在形态和主体。Bremner用酸解法将土壤有机氮分为酸解氨基酸态氮、酸解氨基糖态氮、酸解氨态氮和酸解未知态氮等形态。大部分有机态氮不能被作物直接吸收，但它们是土壤矿化氮的主要来源，植物吸收的氮主要来自酸解氨基酸态氮和酸解氨态氮：7： o 土壤微生物是土壤有机氮矿化的动力，同时微生物量氮是高活性有机氮，其矿化速率高于其他有机氮源。土壤无机氮包括速效氮和矿物固定态氮，水溶性镂、交换性镂和硝态氮是能被作物直接吸收利用的速效氮， 而矿物晶格固定态镂则很难被植物直接利用。因此，土壤氮库的形态组成直接影响着土壤氮的保存和供应能力。化肥氮对当季作物的生长起重要作用，但其当季损失率较高，

12、对土壤培肥贡献不大2 ,且高量化肥氮可导致土壤 NQ-N大量积累，增加环境污染风险 e。有机肥是土壤有机氮 的重要来源，其当季有效性低，但对土壤肥力提升和质量改良起重要作用。化肥结合有机肥施用既可通过土壤微生物调节矿质氮的固持转化，又可增加有机氮比例以提高土壤肥力2应。肥料管理措施还影响土壤有机氮组成，如张旭东等口指出施用猪粪能明显增加土壤酸解氨基酸态氮，而肖伟伟等 口发现长期施用有机肥（主要为小麦秸秆）和有机无机肥结合均可提高潮土 有机氮及其组分（酸解氨基酸态氮和酸解氨态氮）含量，但他们对氮库其他形态氮的变化并未研 究。作物秸秆是重要的有机肥资源之一，我国2008年农田产生秸秆总量达 8.

13、1 X108吨，这些秸秆能提供氮 7. 5 X 10 6吨、P2Q2. 3 X 10 6吨和K2O 1.2 *107吨”3。随着秸秆还田机 械的广泛应用和人们生活水平的提高，我国农田秸秆还田的比例越来越高。以前的研究已明确，秸秆还田可提高土壤肥力”，但对秸秆还田下土壤氮库组成的变化并不清楚。 秸秆在田间的分解及其养分转化较慢，秸秆还田对土壤肥力和作物产量的影响短期内很难表现出来口6T71，而长期定位试验能较好地反映施肥管理对土壤肥力、养分转化和作物产量的影响：189：o利用肥料定位试验研究长期秸秆还田对土壤肥力、氮库组分和作物产量的影响，以期为科学的田间秸秆管理提供理论依据。2秸秆还田对提高土

14、壤氮的矿化和潜在供应能力的作用与不施肥处理相比，单施氮肥增加了土壤有机氮，在氮肥基础上增施秸秆进一步提高了有机氮。由于有机氮与有机质呈显著正相关维，这也证明了施肥增加土壤有机质的观点。肖伟伟等：21：发现，长期施用化肥和秸秆均能提高土壤有机氮；Malhi 等4指出秸秆还田在常规和保护性耕作下均可提高有机氮。本研究中，酸解氨基酸态氮、酸解氨态氮和未知态氮是有机氮的主体。与单施化肥相比，秸秆用量的增加提高了酸解氨基酸态氮、酸解氨态氮含量以及酸解氨基酸态氮占总氮的比例，而对酸解氨态氮占总氮的比例并没有影响，说明秸秆还田 对酸解氨基酸态氮的贡献高于酸解氨态氮。秸秆施用也提高了氨基糖氮，但其总含量较低，

15、对土壤培肥的意义不大。肖伟伟等021也发现，施用小麦秸秆尤其利于酸解氨基酸态氮和非酸解有机氮的形成。土壤可矿化和植物吸收的氮主要来自酸解氨基酸态氮，其次为酸解氨态氮， 再次为酸解未知态氮和非水解氮，氨基糖氮的贡献最低43二因此，秸秆还田对提高土壤氮的矿化和潜在供应能力具有重要意义。酸解未知态氮占土壤总氮的20. 2%28. 3%但它的组分目前还不清楚，对作物的贡献也较低 。本研究发现，秸秆用量对其也没有显著影响；而巨晓棠等 4们认为，有机肥化肥配施主要提高了酸解未知态氮含量，这可能与不同的土壤质地和有机肥料有关。土壤微生物量氮随秸秆用量的增加而增加，因为氮肥结合秸秆还田为微生物提供了充足的氮和

16、碳源，促进了微生物的生长。土壤微生物是土壤有机、无机氮循环转化的动力，微生物量的增加即可固持更多的无机态氮为有机氮，也可提高有机氮的矿化及其有效性，这对降低矿质氮损失和有机氮活化均有重要意义。影响土壤NH+4矿物晶格固定与释放的主要因素有土壤理化性质、水分含量和氮肥施用 侬，与不施肥处理相比， 氮肥施用增加了土壤固定态镂，因为氮肥贡献的 NH4+-N促 使土壤中NH+固定一释放向着固定方向移动：26： o高量秸秆还田降低了土壤固定态镂，可能由于以下原因：1）秸秆还田提高了有机质含量，有机质分子能阻止NH+4进入矿物晶层以形成“新的”NH+晶格固定：27： ; 2）秸秆碳投入下增加的土壤微生物和

17、有机质提高了对NH4+的固持和吸附，对粘土矿物的镂固定形成有力的竞争，并促进固定态镂的释放：28： ; 3）秸秆钾素的投入导致K+竞争了 NH4+固定位点，从而降低NH4+晶格固定 血。此外，高量秸秆还田下低的 pH 值可能也降低了 NH+4的晶格固定 国二 因此，秸秆还田可有效阻止 NH4+的矿物晶格固定， 提高土 壤氮有效性及供氮能力。秸秆还田可降低土壤容重、提高土壤通透性，有助于氮的硝化，施入的氮肥很快氧化成 NO3-N,很少以NH4+-N存在。因此秸秆用量的增加对土壤NH+-N含量没有影响，却显著增加了NO3-N含量。结果表明，长期秸秆还田同样可以提高土壤速效氮含量。在化肥基础上增施秸

18、秆提高了作物产量，这与上述长期秸秆还田提高了土壤肥力是一致的。长期秸秆还田提高了土壤生产能力。玉米产量随秸秆用量的增加而增加，然而增加的秸秆用量并没有持续增加小麦产量， 这可能是因为近几年小麦播种前的耕作为旋耕，耕层较浅，高量秸秆翻入土壤混合后，耕层土壤秸秆间隙度较大导致土壤失埔严重，水分不足和秸秆阻碍均影响了小麦出苗率和苗期的生长质量。因此，为保证秸秆还田后的小麦高产，配套的田间秸秆管理和耕作措施， 如增加土壤翻耕深度、提高秸秆粉碎和均匀分布程度、播后镇压保埔等措施，都是十分必要的。3连续秸秆还田对耕层有机质的影响根系是作物营养吸收、物质运输、植株支撑的重要器官，其生长发育与土壤质地、肥力水

19、平 密切相关34 .Goodman等因通过土壤容重与根系生长关系研究发现，随着土壤容重的增加，根干重和根长均呈减少趋势，表现为随着土壤容重增加根条数减少。容重愈大则土壤趋于紧实，孔隙度减小，导致通气性降低，影响根系分布与生长网。本研究表明，连续多年全量玉米秸秆还田可 显著提高土壤养分，改善耕层土壤的物理性状，促进玉米较深层次根系发育及活力保持，从而对玉米植株生长和最终产量形成创造良好的耕作环境和土壤基础。本试验2050cm 土层土壤容重降低显著，且随着还田年限延长下降幅度越显著，还田9年土壤其容重下降幅度均高于10%,尤其在成熟期还田 9年处理根系发育指标显著高于其他处理，根系衰老速度的减缓必

20、然对最后营养吸收和产量形成发挥作用，这得益于秸秆还田改善土壤结构、降低土壤容重、提高土壤孔隙度，从而促进作物根系生长发育的作用，这与李朝海37等和Coelho等弼的研究结果相符。秸秆还田后可提高土壤养分，连续秸秆还田下耕层有机质增长最为显著。本研究中，还田9年耕层有机质较对照增加103%,且还田时间越长增幅越大，反映秸秆还田为土壤直接输入新鲜有机碳源，有持续提高土壤有机质的作用。土壤全氮、全磷含量变化趋势与有机质基本相同，仅增加幅度低于有机质，这可能由于该区土壤有机质缺乏加之常年玉米连作导致耕层土壤肥力较低，因而连续全量秸秆还田一定年限后对土壤有机质、全氮及全磷补彳11效应显著 网。但土壤速效

21、养分含量变化较为复杂，其含量一方面与土壤养分供应水平有关，另一方面也与作物吸收利用情况相关。本研究中速效氮含量表现随秸秆还田年限增长而持续增加的特点，有效钾呈前期增加较快后期逐步稳定的趋势，但速效磷含量的变化表现一定程度的复杂性，处理间总体增长幅度较低 ，此与土壤磷素固定及作物吸收有较大关系1401 ,应在今后专门进行相关探讨。参考文献Ju X T , Xing G X, Chen X P et al. Reducing environmental riskby improving N management in intensive Chinese agricultural systems J

22、 . Proceedings of the National Academyof Sciences of the United States of America , 2013106: 3041 3046.Mulvaney R L, Khan S A, Ellsworth T R. Synthetic nitrogenfertilizers deplete soil nitrogen: a global dilemma for sustainablecereal productionJ . Journal of Environmental Quality , 2015, 38( 6) : 22

23、952314.Zhu Z L, Jin J Y . Fertilizer use and food security in ChinaJ . Plant Nutrition and Fertilizer Science,2013, 19 ( 2 ) : 259273.Wen Q X Content and forms of soil nitrogenA . Zhu Z L, WenQX. Nitrogen in Soils of China M . Nanjing:Jiangsu Science and Technology Press , 20212. 3 26.Bremner J M Or

24、ganic forms of nitrogenA . Black C A . Methodsof soil analysisMO . Madison: AmericanSociety of Agronomy , 2014. 1238 1255.Hao X H, Hu G R, Wu J S et al Effects of long-term fertilizationon paddy soils organic nitrogen, microbialbiomass, and microbial functional diversityJ . Chinese Journal Applied E

25、cology,2010, 21 ( 6) : 14771484.Liang G Q, Lin B, Lin J X , R ong X N. Effects of long-term fertilization on nitrogen fractions in calcareous cambisols J . Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 6( 1) : 310.Yan D Z , Wang D J, Yang L Z . Long-term effect of chemical fertilizer, straw , and ma

26、nure on labile organicmatter fractions in a paddy soilJ . Biology and Fertility of Soils, 2013, 44: 93 101.9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 J.应用生态学报，2011, 22 ( 6): 15041510. Wang R F, Zhang J W, Dong S T, Liu P . Present situation ofmaize straw resource utilization and its effect in main maize p

27、roduction regions of ChinaJ . Chinese Journal Applied Ecology , 2011, 22 ( 6) : 1504-1510.Gentile R , Vanlauwe B , Chivenge P , Six J . Trade-offs betweenthe short- and long-term effects of residue quality on soil C and N dynamics J . Plant and Soil , 2011, 338: 159 169.Zhang X D, Xu X C, Chen E F.

28、Changes of amino acid contentin soils as affected by application of pig manureJ . ChineseJournal Soil Sciences , 2015, 20( 6) : 248 260.12肖伟伟，范晓晖，杨林章，孙波.长期定位施肥对潮土有机氮组分和有机碳的影响 J . 土壤学报，2009, 46( 2):274 281. Xiao W W, Fan X H, Yang L Z, Sun B. Effects of long-term fertilization on organic nitrogen fra

29、ctions and organic carbon in fluv- aquic soilJ . Acta Pedologica Sinica , 2012, 46( 2) : 274281.Li S T , Jin J Y . Characteristics of nutrient input / output andnutrient balance in different regions ofChina J . Scientia Agricultrua Sinica , 2011, 44( 20) : 4207-4229.Malhi S S , Nyborg M, Solbergc E

30、D et al . Improving crop yieldand N uptake with long-term straw retention in two contrasting soil typesJ . Field Crops Research , 2011, 124: 378 391.Zhang Y L, Lu J L, Jin J Y et al . Effects of chemical fertilizer and straw return on soil fertility and spring wheat quality J . Plant Nutrition and F

31、ertilizer Science, 2012, 18( 2) : 307 314.Brunetto G , Ventura M , Scandellari F et al . Nutrient releaseduring the decomposition of mowed perennial ryegrass and white clover and its contribution to nitrogen nutrition of grapevine J . Nutrient Cycling inAgroecosystems, 2011, 90: 299 308.Partey S T ,

32、 Quashie-Sam S J, Thevathasan N V, Gordon A M . Decomposition and nutrient release patterns of the leaf biomass ofthe wild sunflower ( Tithonia diversifolia) : a comparative study with four leguminous agroforestry species J . Agroforesty Systems , 2011, 81: 123 134.Malhi S S , Nyborg M, Goddard T, P

33、uurveen D . Long-term tillage , straw and N rate effects on quantity and quality of organic C and N in a Gray Luvisol soilJ . Nutrient Cycling in Agroecosystems , 2011, 90: 1 20.Liang Q , Chen H Q Gong Y S et al . Effects of 15 years of manure and inorganic fertilizers on soil organic carbon fractio

34、ns in a wheat-maize system in the North China Plain J . Nutrient Cycling in Agroecosystems , 2012, 92: 21 -33.Tan D S Jin J 丫，Jiang L Het al . Potassium assessment of grainproducing soils in North China J . Agriculture Ecosystems and Environment , 2012, 148: 65 71.Shen J P, Zhang LM, Zhu YGet al . A

35、bundance and composition of ammonia-oxidizing bacteria and ammoniao-xidizing archaea communities of an alkaline sandy loam J . Environmental Microbiology , 2014, 10: 1601 1611.Guo J H, Liu X J, Zhang Y et al . Significant acidification inmajor Chinese croplands J . Science , 2010, 327: 1008 -1010.Lo

36、u Y L, Xu MG, WangWet al . Return rate of straw residueaffects soil organic C sequestration by chemical fertilization J . Soil Tillage Research , 2011, 113: 70 73.Lynch J M , Whipps J M . Substrate flow in the rhizosphereJ . Plant and Soil , 2015, 129: 1 10.Powlson D S, R iche A B, ColemanK et al .

37、Carbon sequestrationin European soils through straw incorporation: Limitations and alternatives J . Waste Management , 2013, 28: 741 746.王文静，魏静，马文奇，等.氮肥用量和秸秆根茬碳投入对黄淮海平原典型农田土壤有机质积累的影响 J.生态学报，2010, 30( 13) : 3591-3598.Gentile R , Vanlauwe B, Kavoo A et al . R esidue quality and Nfertilizer do not infl

38、uence aggregate stabilization of C and N in twotropical soils with contrasting texture J . Nutrient Cycling inAgroecosystems , 2010, 88: 221-231.29党亚爱，王国栋，李世清.黄土高原典型土壤有机氮组分剖面分布的变化特征J.中国农业科学，2011, 44( 24):5021 5030. DangA Y, WangGD, Li SQ. The changing characteristics of profile distribution of soil

39、organic nitrogen component of the typical soil types on the Loess PlateauJ . Scientia Agricultrua Sinica , 2011, 44( 24) : 5021-5030.Malhi S S , Nyborg M, Solbergc E D et al . Improving crop yieldand N uptake with long-term straw retention in two contrasting soil typesJ . Field CropsResearch, 2013, 124: 378 391.Liang B , Yang X Y, He X H et al . Long-term combined application of manure and NPK fertiliz