秸秆还田与耕作管理策略重塑土壤功能并提升玉米生产力

《Agronomy》：Straw Return and Tillage Management Strategies Reshape Soil Functionality and Enhance Maize Productivity

　　

摘要

亚热带双季种植制度下的长期集约化玉米种植已导致土壤紧实度增加和肥力下降。尽管保护性耕作和秸秆还田已被广泛采用以改善土壤质量，但二者对0–40 cm土层土壤理化性质、生物学功能及玉米产量表现的联合效应仍知之甚少。研究人员开展了一项为期六年的田间试验，以评估秸秆管理（CK：常规种植；SR：秸秆还田）与耕作制度（NT：免耕；RT：旋耕；SS：深松；SS+RT：深松联合旋耕）对土壤理化性质、酶活性、微生物生物量碳（MBC）及玉米产量的综合影响。SR+SS+RT集成处理显著降低了土壤容重2.57%，同时使土壤含水量提高达12.20%。与传统种植相比，秸秆还田使土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）分别提高了8.38%和13.52%。土壤生物学活性亦显著增强，MBC提高了7.70%，土壤酶活性显著提升，尤其以纤维素酶（+12.08%）和酸性磷酸酶（+15.80%）增幅最为突出。此外，SS+RT联合处理与碳氮的更加均匀的垂直分布相关联，从而缓解了土壤剖面内的养分分层现象。籽粒产量与蔗糖酶（r = 0.773）和纤维素酶（r = 0.738）活性呈极显著正相关，表明所选土壤生物学指标与玉米产量之间存在显著关联。因此，SR+SS+RT处理获得了最高的春、秋两季籽粒产量（分别为9405和8696 kg ha^?1），优于SR+NT处理。将秸秆还田与深松和旋耕相结合，为缓解土壤紧实、改善整个根区的土壤理化及生物学性质、提高玉米生产力提供了一种协同策略。该集成管理措施为亚热带集约化农业系统中恢复土壤肥力和维持作物高产提供了一条可持续途径。

论文解读：秸秆还田与耕作管理策略对亚热带双季玉米系统土壤功能及生产力的协同调控

**1. 研究背景与科学问题**

全球人口快速增长的背景下，粮食需求持续攀升，集约化农业生产成为保障粮食安全的关键路径。玉米作为全球重要的粮食、饲料及工业原料作物，其持续高产对农业系统稳定至关重要。华南亚热带季风区（广西）拥有丰富的水热资源，为双季玉米（春、秋两季）集约化种植提供了优越条件。然而，长期的生产实践，如秸秆移除或焚烧，加之过度依赖化学肥料，已严重扰乱了农田碳氮循环，加速了土壤退化。这些问题集中表现为土壤有机碳（SOC）耗竭、土壤紧实度增加、酸化加剧以及微生物功能容量降低，已成为限制双季玉米产量进一步提升的主要障碍。

为应对土壤退化与农业面源污染的双重挑战，以秸秆还田和少免耕为主要特征的保护性农业在全球范围内得到广泛推广。秸秆还田可直接增加土壤有机质输入，改善团聚体稳定性，并促进碳、氮、磷等关键养分的生物地球化学循环。然而，秸秆还田的生态与农艺效果在很大程度上取决于所配套的耕作措施。传统免耕结合地表残茬覆盖，易使作物残茬集中于表土层，改变颗粒有机质动态与土壤孔隙结构，进而影响SOC在土壤剖面中的空间再分布。长期缺乏深层土壤疏松可能导致根系下扎受限，限制深层水分利用，最终降低水分利用效率并制约产量形成。相比之下，深松通过机械破碎作用扰动犁底层，可有效降低土壤容重、增加孔隙度和水分入渗。进一步将深松与旋耕结合，不仅能改善底土物理结构，还能促进表层残茬均匀混入耕作层，大幅增加作物残茬与土壤微生物的接触，加速有机质分解与养分释放。

土壤中的生化转化主要由土壤微生物及其分泌的胞外酶驱动。作为活性土壤有机碳库的关键组分，微生物生物量碳对土壤微环境变化响应迅速。土壤酶是生态系统代谢的直接介导者，其活性被广泛视为土壤质量和肥力的敏感指标。在碳循环方面，纤维素酶和蔗糖酶催化复杂多糖分解为简单糖类，调控秸秆来源碳的周转；在氮磷循环方面，脲酶和酸性磷酸酶分别参与这些养分的转化与活化；过氧化氢酶则在维持土壤微生态系统氧化还原平衡中发挥关键作用。然而，尽管已有大量研究关注秸秆还田或单一耕作措施，但关于它们在不同耕作深度（免耕、旋耕、深松及其组合）下的交互效应，尤其是在华南亚热带季风区典型粘性红壤双季玉米系统中，对0–40 cm土层土壤理化性质、关键酶活性及籽粒产量的综合影响，系统研究仍十分有限。基于此，研究人员依托一项长期六年田间试验，综合评价了不同秸秆管理方式和耕作组合对土壤容重、pH、水分、主要养分（SOC、TN、TP、TK）、MBC及五种关键土壤酶活性的影响，并进一步阐明这些土壤健康指标与玉米产量及其构成要素之间的关系。

**2. 主要技术方法**

该研究依托位于广西南宁的广西农业科学院玉米研究所长期试验基地开展六年田间定位试验。试验采用裂区设计，主区为秸秆管理（CK：常规种植，收获后全部移除地上部秸秆；SR：秸秆还田，前季玉米秸秆机械粉碎至5–10 cm后均匀覆盖于地表），副区为四种耕作方式（NT：免耕，0 cm扰动；RT：旋耕，深度约25 cm；SS：深松，深度35 cm；SS+RT：深松联合旋耕，深松35 cm+旋耕25 cm）。供试玉米品种为当地高产品种“桂单162”，春、秋季播种密度均为52,500株 ha^?1。土壤样品采集自0–10、10–20、20–30和30–40 cm四层，测定了容重、含水量、pH、SOC、TN、TP、TK、MBC及五种酶活性，并在成熟期测定产量及构成因素。数据采用裂区设计方差分析和Pearson相关分析进行统计。

**3. 主要研究结果**

**3.1 秸秆还田与耕作方式对土壤pH的影响**

在春、秋两季，SR处理的土壤pH值分别为6.80和6.79，均略高于CK（6.75和6.74），但差异未达显著水平（p > 0.05）。在不同耕作方式中，土壤pH均表现为SS+RT > RT > SS > NT的顺序，且在0–10 cm土层中，SS+RT处理的pH显著高于其他耕作处理。这表明秸秆还田配合适宜的耕作方式可在一定程度上缓和土壤酸化，但效应较为有限。

**3.2 秸秆还田与耕作方式对土壤容重的影响**

秸秆还田显著降低了土壤容重。春季SR处理下平均容重为1.59 g cm^?3，较CK（1.63 g cm^?3）降低2.57%（p < 0.05）；秋季降幅为2.29%。在四种耕作方式中，SS+RT处理在0–10和10–20 cm土层的容重显著低于其他处理，表明深松打破犁底层与旋耕混拌秸秆的联合效应能有效改善根区土壤的物理结构。

**3.3 秸秆还田与耕作方式对土壤含水量的影响**

SR处理显著提高了土壤含水量。春季和秋季SR处理下平均土壤含水量分别为16.83%和16.48%，较CK分别提高6.84%和12.20%（p < 0.05）。土壤含水量随土层加深而增加，在各土层中均表现为SS+RT > RT > SS > NT的趋势，SS+RT处理在0–10 cm层的含水量显著高于其他处理，表明该集成耕作方式能有效提升土壤的蓄水保水能力。

**3.4 秸秆还田与耕作方式对土壤化学性质的影响**

秸秆还田显著提高了土壤养分含量。两季平均数据表明，SR处理使土壤TN较CK显著提高13.52%（0.57 vs 0.50 g kg^?1），TP提高8.68%，TK提高4.23%。秋季SOC在SR下较CK显著增加3.48%，而春季增幅达8.38%。在垂直分布上，SS+RT处理使SOC和TN在不同土层的分布更趋均匀，有效缓解了养分表聚和深层贫化的分层现象。

**3.5 秸秆还田与耕作方式对土壤微生物生物量碳和酶活性的影响**

两季平均结果显示，SR处理下MBC为114.19 mg kg^?1，较CK（106.06 mg kg^?1）提高约7.7%。在酶活性方面，SR处理下过氧化氢酶（CAT）活性平均提高7.46%，脲酶（UE）和蔗糖酶（SC）均提高约5.15%，纤维素酶（CL）提高12.08%，酸性磷酸酶（ACP）从14,511.68 U g^?1增至16,806.87 U g^?1，增幅约15.8%。在各耕作方式中，SS+RT处理均表现出最高的酶活性水平。

**3.6 玉米生产力**

SR处理显著提高了春、秋两季玉米的穗粒数、千粒重和籽粒产量。在SR条件下，SS+RT处理获得了两季最高的籽粒产量，春季为9405 kg ha^?1，秋季为8696 kg ha^?1，均显著高于RT、SS和NT处理。产量构成因素分析表明，SS+RT处理的增产主要源于穗粒数和千粒重的协同提高。

**3.7 相关性分析**

相关分析表明，籽粒产量与TN（r = 0.754）、SOC（r = 0.716）、蔗糖酶（r = 0.773）、纤维素酶（r = 0.738）、脲酶（r = 0.729）及千粒重（r = 0.729）均呈显著正相关（p < 0.05）。这一结果表明，土壤养分状况和养分转化潜力与玉米产量形成密切相关，其中碳氮循环相关酶活性的指示作用尤为突出。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，长期免耕易导致20–40 cm土层紧实，而SR与SS+RT的联合应用通过深松破碎犁底层和旋耕混拌表层秸秆，协同优化了0–40 cm根区的物理环境。SR显著扩大了土壤剖面尺度的总养分库，SS+RT则促进了SOC和TN的均匀垂直分布。SR通过提高MBC和相关酶活性增强了土壤生物学活性和养分转化潜力。产量优势与根区物理结构改善、养分库扩大及生物活性增强所构成的系统化地下生态改良紧密相关。研究结果明确支持了初始假设，即秸秆还田配合深松旋耕的集成管理措施，通过改善根区土壤的物理、化学和生物学性质，为亚热带集约化双季玉米系统提供了恢复土壤肥力和维持高产稳产的可持续途径。