研究生开题报告秸秆还田对土壤肥力提升及作物产量氮磷钾养分的影响

**农业大学专业学位研究生

学位论文开题报告

论文题目： 秸秆还田对土壤肥力提升及

作物产量、氮磷钾养分的影响

学 号： 报 告 人： 专业学位（类别）： 研究方向（领域）： 所在学院：

校内导师： 教授 校外导师： 高级工程师 报告时间： 2013年7月

**农业大学研究生处制

1立题依据

农作物秸秆是世界上数量最多的一种农业生产副产品。由于农作物秸秆资源的利用涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、水土保持、环境安全、农村能源的有效利用以及农村居民的生活需求等问题，所以受到世界各国的普遍关注。据报道，在经济发达的国家中，秸秆还田的数量很大[1]。我国是农业大国，也是秸秆资源最丰富的国家之一，主要的秸秆有近20种，而且数量巨大(每年都有6～7亿吨)。随着农村经济的发展和农民生活能源的改善，农作物秸秆出现大量剩余。尤其是夏秋两季，农作物秸秆无组织地焚烧，不仅造成资源的极大浪费，而且严重污染环境。据测定秸秆中有机质含量约为150g/kg，氮、磷、钾、钙、硫等多种营养元素含量也相当丰富[2]。秸秆还田可以以草养田、培肥地力、改善土壤理化性状、促进土壤养分的生物有效性。秸秆还田，在现代可持续农业和生态农业以及有机农业的发展中，已具有举足轻重的作用[3]。

有机质含量是衡量土壤肥力高低的决定因素。作物秸秆含有多种营养元素，是重要的有机肥源[4]。通过人工或机械操作，并综合采用少耕、免耕，选用良种、平衡施肥、防治病虫害、模式化栽培等多项配套农艺措施，以不同形式将秸秆还田，可以起到降低土壤容重、增加土壤孔隙度、减少土壤水分蒸发、提高土壤有机质和氮、磷、钾等养分的含量，维持土壤养分平衡、促进作物生长发育、增加作物产量的作用。尽管秸秆还田具有较好的经济和社会效益以及广阔的推广应用前景，但仍存在一些不容忽视的问题，如还田后的秸秆不易腐烂，影响下茬播种质量；有些农民对秸秆还田的重要性认识不足，没有长期效益观念，秸秆还田机具价格偏高、利用率低等，使推广该项技术存在一定的难度。因此，研究更有效的秸秆还田技术为推进秸秆还田的推广运用具有十分重要的意义。

2 国内外研究进展

2.1 秸秆还田概述

秸秆是成熟农作物茎叶的总称，是作物收获子实后的剩余部分［5］，一般占生物量50%以上。因其含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，故是一种丰富且能直接利用的可再生资源[6]。随着农民生活水平的不断提高以及农村能源结构的调整，秸秆在广大农村地区已不再是主要的燃料物质，秸秆的出路问题已经成为目前我国农村地区急需解决的一大难题。焚烧秸秆不仅污染环境，而且由于有机物不能

回归土壤，切断了农田生态系统的养分物质循环链，不利于土壤质量和生产力的保持与提高，影响农业的可持续发展。近年来，化肥的大量施用以及部分地区的粗放经营和管理，土壤肥力有下降的趋势[4]。秸秆还田是把没用作饲料的秸秆直接或堆沤后施入土壤中的方法，具有培肥、蓄水、调温、增产、减少污染的作用。我国有秸秆还田培肥土壤的悠久历史。20 世纪70 年代以来，北方地区对秸秆覆盖为核心的保护耕作进行了研究与推广，成为该区农业发展的有效措施。但我国秸秆还田的研究主要是北方小麦与玉米，南方较少，仅有研究主要在水稻、小麦上[7]。

根据秸秆还田方式分为堆沤还田、过腹还田、直接还田、留高茬还田等类型

[8]

。秸秆堆沤还田是将作物秸秆制成堆肥、沤肥，在腐熟后施入土壤的方式，据

含水量分沤肥还田和堆肥还田。秸秆堆沤时腐熟矿化加速，释放养分，降解有害的有机酸、多酚等，杀灭寄生虫卵、病原菌及杂草种子等，但氮素易流失，且费工、费时，利用较少[9]。过腹还田是指秸秆在饲喂牲畜后，以畜粪尿施入土壤中的方式[10]，经济与生态效益明显。秸秆是反刍家畜粗饲料的重要来源，被动物吸收的养分转化为肉、奶等，提高了经济效益，又实现了资源循环利用，但比例仅25%～35%[11］。秸秆直接还田方式快捷、省工。秸秆数量较多可采用直接还田方式，分为翻压还田和覆盖还田。翻压还田是指前茬收获后，将前茬秸秆在后茬播种或移栽前翻入土中的方式，可及时处理大量秸秆，避免腐烂焚烧；覆盖还田是指种植作物时将秸秆覆盖于土壤表面达30%以上的技术[12］，可提高土壤有机质，调节土壤温、湿度。留高茬还田是指作物收割时提高留茬高度，翻耕后使根茬在田间腐烂分解的方式，可提高劳动和能源投入效益，且秸秆分布均匀，群众易接受［13］，可用于多种作物。但需明确留茬高度，过高会影响下茬作物生长，过低则还田量少，效果差。 2.2 秸秆还田对土壤结构的影响

秸秆还田能使土壤容重降低，通气孔隙和大粒径微团聚体增加，使耕层土壤较为疏松。由于土壤容重、孔隙度等物理性质的测定受外界因素与田间作业的干扰，再加上本来这些指标即或在同一块土地上，也存在着极大的差异性。吴崇海等[14]进行的小麦不同留茬试验中，发现与空白对照相比各留茬处理的土壤交换量高1.5-2.3cmol/kg，土壤容重降低0.15-0.2 g/cm3，总孔隙度增加5.6-7.4%。杜

守宇[15]报道指出，秸秆覆盖田面可减轻雨水对土壤的拍打冲击淋洗，保持表土不被压实而下沉，并可以消除阳光曝晒而引起的表土硬结龟裂，使土壤保持良好的结构；更为重要的是覆盖的秸秆还田后增加了土壤有机质，土壤中腐殖质与团粒结构的比重大大增加。土壤团聚体数量增多，总孔隙度提高，容重下降，保水保肥性能增强，通透性改善，为土壤良好结构的形成奠定了基础，故使土壤结构状况得以改善。据袁家富[16]的研究表明麦田覆盖3000kg/hm2稻草对土壤有机含量、容重、总孔隙度的影响在试验前后无明显差异；稻草覆盖麦收后土壤有机质含量较裸地和试验前分别平均上升了6.65%和6.39%，容重下降了7.75%和7.03%，总孔隙度增加了6.44%和6.60%。另据王玉坤[17]秸秆覆盖3年试验结果表明，0-20cm耕层土壤容重由1.486g/cm3下降到1.463g/cm3，下降率1.5%；总孔隙度由43.92%增加到44.79%，增长率为2.0 %。

秸秆分解产生的腐殖物质利于土壤团粒结构形成并降低容重，覆盖次数增加，容重降低、田间持水量增加[18]。覆盖使0～0.10m表层土壤孔隙增加50～500μm［19］，也可降低水土流失，提高土壤团聚体稳定性和渗透性［20］。Rajan 等研究表明覆盖可减少水土流失33%［21］。孙建等研究发现，覆盖可分别使地表水径流量和土壤流失量减少21.9% 及88.3%［22］。秸秆覆盖利于减少黄土坡耕地径流次数、径流量、土壤侵蚀量，且覆盖年限与覆盖量增加其效果更明显[23］。因此秸秆还田可改良土壤，利于农业生产发展。 2.3 秸秆还田的土壤培肥效应

国内外的试验均表明，秸秆还田后土壤有机质和养分含量明显增加，尤以表层差异显著。据报道[24]，凡是施用秸秆的处理，0-20 cm土壤有机质含量都在10.0g/kg以上，且随秸秆还田量的增加而增加；并且不同的耕作方式对土壤有机质的积累有不同的影响，免耕处理最有利于有机质的积累，其次是覆盖秸秆，再次是翻压秸秆。袁家富[16]在麦田覆盖3000kg/hm2稻草的试验中发现，稻草覆盖麦收后土壤有机含量较裸地和试验前分别平均上升了6.65%和6.39%，在水田土壤上进行的试验结果相同。有机物料的施用提高了水田土壤耕层有机质含量，特别是长期施用有机物料对土壤有机质的增加有显著的效果。植物物质是保持和提高土壤肥力的重要物质基础，它是土壤有机质的主要来源，同时又是作物养分，特别是N的来源。作物秸秆木身含有各种营养元素，进入土壤后参与土壤生态

系统的物质循环，是土壤养分的补给源。所以秸秆还田是养分在土壤-作物-土壤中循环利用的有效途径，也是保持土壤自然肥力的重要因素。秸秆还田利于土壤有机质的积累［25］。研究表明［26］稻草覆盖免耕直播油菜一季土壤有机质、胡敏酸、富里酸含量低于对照，但覆盖次数增加，这种现象随之消失，三季稻草覆盖后，土壤有机质、胡敏酸含量高于对照，腐殖化程度提高。秸秆还田有利于增加腐殖质，且游离态腐殖质增加比例大，说明秸秆还田可提高腐殖质数量与质量而改良土壤结构[27]。吴景贵等[28]试验结果表明，非腐解有机物料的施用，显著提高了水田土壤中生物量碳和氮含量。籍增顺等[29]人在进行6年试验后认为秋耕覆盖和秋耕秸秆还田是土壤氮强度的两条主要措施。秸秆覆盖除了能直接补充土壤一部分氮素外，近年来一些研究表明[30]，还可以促进固氮微生物的固氮作用和豆科作物的共生固氮，从而增加土壤中的氮素含量。彭琳[31]研究表明，施用有机肥可使土壤有效磷从33mg/kg提高到48mg/kg。土壤磷的吸附与解吸、沉淀与溶解是土壤磷转化的重要化学过程，施用有机肥料能提高磷有效性的机理，多数学者认为是有机肥影响土壤磷的吸附和解吸特性而起作用的。 2.4 秸秆还田对土壤温度和水分的影响

很多研究表明，秸秆覆盖对光辐射的吸收转化和热量传导均有影响。秸秆覆盖在地表形成一层土壤与大气热交换的障碍层，既可以阻止太阳直接辐射，也可以减少土壤热量向大气中散失，同时还可以有效地反射长波辐射。因此，秸秆覆盖下土壤温度年日变化均趋缓和，低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应”，这种双重效应对作物生产十分有利，能有效地缓解气温激变对作物的伤害。秸秆覆盖为作物创造良好的生长环境，尤其对土壤表层的调温效应突出［32］。王明权等认为覆盖免耕对土壤温度的调节能力更强［33］。苏跃等研究表明油菜免耕覆盖土壤温度高于常规耕作，且有助于减缓土壤温度的急剧降低［34］。Chen等研究结果相似，但认为调温效应随叶面积指数增加而减弱[35]。

水分是土壤物理性状的重要组成部分，秸秆覆盖还田后对土壤水分性状的影响是复杂的，如在非灌溉土壤上，还田后秸秆腐解的过程中将消耗大量土壤水分，因而产生与作物争夺水分的现象。当这种腐解过程基本结束后，秸秆覆盖还田又增加了土壤的保水性、渗水性，因而有利于土壤水分性状的改善或土壤含水量的增加。由于在自然条件下，土壤表层受雨滴的直接冲击，土壤团粒结构破坏，土

壤孔隙度减小，形成不易透水透气、结构细密紧实的土壤表层，影响降水的就地入渗。而在土壤表面覆盖一层秸秆，避免了降水对地表的直接冲击，团粒结构稳定，土壤疏松多孔，因而土壤的导水性强，降水就地入渗快，地表径流少。据张志田报道［36］，小麦拔节前覆盖处理的土壤饱和导水率为22.92cm/h，对照为8.25cm/h；小麦收获后覆盖处理的土壤饱和导水率为22.92cm/h，对照为10.29cm/h，由此可见，秸秆覆盖下土壤饱和导水率高，土壤蓄水能力增强。周凌云研究表明[37]，麦田秸秆覆盖措施以后，可有效降低耗水系数8.1%-23.2%，提高了水分利用率。秸秆覆盖提高了土壤的蓄水、保墒能力，更有利于发挥土壤水库的调蓄作用。麦田秸秆覆盖不仅对当季冬小麦有显著的节水效应，也有利于下茬作物的节水。杜守宇[15]等研究发现，秸秆覆盖农田后，因遮住了地面光照，能够抑制杂草滋生，降低了土壤水分的消耗，中后期蒸散耗水比裸地多，全生育期总耗水量与裸地并无明显差异。其意义就在于秸秆覆盖有土壤供水的作用，使作物苗期耗水减少，需水关键期耗水增加，农田水分供需状况趋于协调，从而提高了水分利用效率。

总的来说，秸秆还田保水有以下原因：( 1) 土壤有机质提高了土壤对水的吸持能力；( 2) 土壤结构改善，表层土壤疏松，减少毛细管作用及水分散失；( 3) 地表覆盖物削弱太阳对土壤的照射，调节土壤温度，水分蒸发减少；( 4) 水汽遇到秸秆时冷凝成液态水返回土壤中，土壤水分损失量减少［38］。所以秸秆还田对保蓄田间水分、降低水分消耗速度、减少棵间无效蒸发量、调节地温、培肥地力等多方面生态环境效应有显著效果，是一项具有多功能的节水实用技术，对促进作物的增产有一定的实用价值。 2.5 秸秆还田对土壤微生物的影响

土壤微生物和肥力的演变、作物营养具有密切关系；土壤酶活性的大小反映着土壤中进行的各种生物化学过程的方向和强度。因此，研究秸秆还田的土壤生物学效应，对揭示覆盖还田的实质具有一定的意义。土壤本身固有的养分在增加秸秆有机物质以后，土壤的C/N比发生了变化，为增强酶促反应和土壤呼吸强度提供了基质，从而促进了土壤生物活性的提高。土壤微生物多为有机营养型，富含易分解性的作物秸秆覆盖以后，为土壤生物提供了能源，激发了微生物的增殖，同时在有机物质分解过程中，各种有机或无机养分成分的消长，也必然会引

起土壤微生物区系组成的变化。两者综合作用的结果是促进了土壤微生物生存的生态因素，增加了土壤微生物数量。

秸秆还田后，可供微生物生命活动的有机能源增加，繁殖加快。研究表明［39］

稻草翻耕还田条件下，晚稻生长过程中除放线菌数量下降外，好氧性细菌、厌氧性细菌和真菌数量前期急增，中期缓慢减少，后期迅速减少；微生物活度前期增强达最大值，中期下降，后期回升。多年连续秸秆还田免耕可提高0～10cm土层土壤细菌总数、放线菌数、棒状细菌数和贫营养细菌数量［40］。员学锋等研究表明覆盖处理耕层土壤细菌、放线菌、真菌可为对照的1. 63倍、1. 68倍和1. 07倍［41］。土壤微生物生命活动是土壤酶形成和积累的基础。秸秆还田后土壤微生物繁殖快，土壤酶活提高［42］，利于土壤有机质分解和矿质养分转化。秸秆还田使土壤综合生态因子得到改善，土壤微生物的活动必然更趋活跃，而土壤生物活性的提高和微生物活动的加强又必然会促进秸秆的分解和转化，进一步改善土壤环境，必然会增强土壤生物活性和微生物活动，形成互促效应。 2.6 秸秆还田对作物生长及产量的影响

秸秆还田能缩短作物生育期。王岳忠、祝剑波等研究表明，稻草覆盖促进油菜生育期提前并增加生长量，分枝数和单株角果数增加，早发、早熟明显［43］。薛兰兰等研究表明，秸秆覆盖油菜株高及分枝数高于不覆盖处理；且根系生长量，冬至绿叶数增加[44]。苏伟等研究表明，稻草覆盖对促进油菜苗期生长尤为明显

［45］

。我国半干旱地区秸秆覆盖可促进玉米中后期生长发育，提高单株叶面积和

干物质重，增加单穗粒数和粒重而增加子粒产量［46］。许海涛等研究表明，采用小麦秸秆覆盖处理，玉米根际光、热、水、肥协调，利于根系生长［47］。但秸秆还田对出苗有抑制作用，当秸秆分布不匀时出苗整齐度差，或出现吊根、死苗现象［48］。因此秸秆施用时除应尽量均匀外，生产上还应采取必要措施，如增加播量提高出苗数，将秸秆粉碎或经过腐熟处理后还田。

秸秆还田可提高作物产量［49］，但其与产量呈二次曲线，且有后效［50］。李瑾等研究表明，稻草覆盖大麦产量可增产26.6%，稻草覆盖量与基本苗、最高苗、有效穗呈二次曲线关系，但对结实率及千粒重的影响小[51]。孙进等研究表明，稻草覆盖小麦产量可增产12. 5%，其原因是小穗数及穗粒数增加[52]。稻草覆盖可提高油菜单株角果数和每角粒数而增产［53］。棉田秸秆覆盖可增加棉花果枝数、

棉铃重、籽棉重及皮棉产量［］。

2.7 秸秆还田对作物品质及生理特性的影响

秸秆还田会影响作物品质。秸秆还田可改善强筋小麦营养品质和弱筋小麦面粉加工品质［55］。水稻通过秸秆还田可改善稻米外观品质、蒸煮品质及食味性，表现为整精米率增加，垩白度降低，淀粉峰值黏度和崩解值增加，热浆黏度降低

［56］

。农作物根系活力、叶绿素含量是作物重要的生理指标，游离脯氨酸含量、

CAT活性、SOD活性是作物抗逆强弱的指标。蓝立斌等研究表明，与传统栽培相比免耕稻草覆盖栽培红薯根系活力高于传统栽培；叶片叶绿素含量、CAT及SOD活性高于传统栽培［57］。卿国林等研究表明，覆盖稻草有效降低高温和干旱对玉米的伤害，玉米还原酶活性和根系活力增强［58］。郑曙峰等研究表明，秸秆覆盖免耕棉花气孔导度、胞间CO2浓度较对照均有提高［59］。Zhang等研究表明，覆草旱种水稻光合速率和子粒中蔗糖-淀粉转化的关键酶活性在灌浆期显著提高[60]。

3 研究目标及研究内容

3.1研究目标

为验证秸秆还田腐熟技术的实施效果，稳步推进稻田秸秆还田腐熟技术，提高耕地质量，保护生态环境，在土壤有机质提升项目实施乡镇区域内以对比试验形式开展定点研究。通过试验，评价秸秆还田在三种不同模式下对土壤肥力提升的应用效果，为土壤有机质提升的进一步研究和实施提供技术支撑。 3.2研究内容

3.2.1 土壤基本理化性质研究

秸秆还田实验前，采集土壤基础样品进行理化性质的分析测定，包括土壤容重、机械组成、pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC等。 3.2.2 土壤改良效果研究

秸秆还田后，采集试验田处理后的土壤样品进行理化性质化验分析，包括土壤容重、机械组成、pH值、有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、CEC等。 3.2.3 秸秆还田对农作物养分的影响研究

秸秆还田实验前和秸秆还田后，农作物收获前，均在各试验处理中采集同一种植株样品，用于分析有机质、全氮、全磷及全钾的含量。

3.3 拟解决的关键问题

研究秸秆还田能否提升土壤肥力并增加农作物产量。

探索秸秆还田的最佳方式，稳步推进秸秆还田腐熟技术，解决秸秆直接还田后出现的易发生病虫害，小面积的秸秆机械还田成本高，费事费工不易推广等问题。

4 研究方案

4.1方法设计 4.1.1 试验地点

试验地设在绵阳市游仙区朝真乡、云凤乡、松垭镇、街子乡4个乡镇。该地区位于四川盆地西北部，属平坝浅丘相间地形，境内海拔一般为500-600m。年平均气温16.4℃。无霜期为275天，年平均日照时数为1278.3小时，平均年降水量为969.6毫米。全区幅员1000平方公里，其中耕地面积48.6万亩，土壤类型以黄紫色土为主，为紫色砂岩和泥岩残、坡集物混合母质发育的土壤。土地较为肥沃，灌溉便利，气候条件温润，适宜各种农作物生长。 4.1.2试验设计

处理1：对照（常规施肥，无秸秆还田）；

处理2：不加腐熟剂秸秆还田（常规施肥+秸秆还田）；

处理3：加腐熟剂秸秆还田（常规施肥+秸秆腐熟剂+秸秆还田）。 常规施肥量为每亩尿素34kg，磷肥150kg，钾肥17kg，秸秆还田量均设置为覆盖土壤表面50%。试验的每个处理设3次重复，不同处理随机排列，水稻、小麦每个小区面积不小于30平方米，油菜、玉米每个小区面积不小于60平方米。 4.1.3试验要求

(1) 秸秆还田应保证秸秆有一定的含水量，并且各处理的秸秆含水量基本一致，有利于秸秆腐熟剂的微生物生长和秸秆腐解。

(2) 秸秆腐熟剂用量及秸秆还田施用量均按使用说明书执行。 (3) 保证各处理田间的土壤本底值和农艺措施一致。 4.2 土样及植株的分析测定

在试验地各个小区采集土样，取样深度为0~20cm，采取多点分布的原则，再将其充分混合后用四分法去掉多余部分，贴好标签带回实验室。农作物在收获

前，各试验田的每个小区随机采集5株植株样品，将各小区植株的籽粒和秸秆分别组成混合样。土壤和植株样品均在风干后对对其进行分析化验，参照中国土壤学会编写《土壤农业化学分析方法》[61]。

表1 土壤及植株各测定项目的分析方法 项目 pH值 有机质 容重 全氮 碱解氮 机械组成 CEC 有效磷 速效钾 植株全氮全磷全钾

4.3 技术路线

资料文献查阅 测定方法 电位法

重铬酸钾容量法－外加热法

环刀法 半微量凯氏定氮法 碱解扩散法 比重法

1mol/L中性乙酸铵淋洗法 碳酸氢钠或氟化铵－盐酸浸提－比色法 1mol/L 乙酸铵浸提－火焰光度计法

浓硫酸－过氧化氢消煮法

秸秆还田对土壤肥力提升的效果 秸秆还田后对农作物养分含量的影响 大田试验 试验方案设计 拟定研究课题 对比试验三种不同模式下秸秆还田对土壤肥力提升的应用效果以及对农作物养分的影响，为土壤有机质提升计划的进一步研究提供技术支撑。

4.4数据处理分析

采用Excel、SPSS等数理统计分析软件，对数据进行统计分析和图标制作。

5 特色与预期成果

5.1 研究特色

实地运用秸秆腐熟还田技术对比研究在三种不同模式下对土壤肥力提升及农作物影响的运用效果，为指导农民合理进行秸秆还田提供一定的技术支撑。 5.2 预期成果

(1) 提出秸秆还田的最佳模式

(2) 弄清秸秆还田对土壤肥力的提升效果 (3) 完成毕业论文

6 时间安排

2013年3月~6月，资料搜集整理、方案设计以及基础样品采集

20113年6月~9月，进行大田试验

2013年9月~10月，采集试验后样品，进行相关指标的室内分析测定 2013年10月~11月，数据整理及分析 2013年11月~2014年2月，撰写毕业论文

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