针对目前我国秸秆还田方式多采用粉碎后覆盖和翻压还田等形式,在秸秆资源利用方面存在诸如秸秆分解缓慢,会降低播种质量和土壤墒情,且秸秆自身营养元素不能为当季作物吸收利用;作物秸秆碳氮比较高,在分解过程中易发生与作物争氮等问题,本研究对还田秸秆进行粉碎、氨化处理,以达到增加秸秆与土壤的接触面积和降低秸秆C/N比的目的,于2011-2016年在西北农林科技大学节水灌溉试验站通过5年的田间试验对比研究了不还田对照(CK)、秸秆覆盖(LM)、秸秆翻压还田(LP)、粉碎秸秆翻压还田(SP)、长秸秆氨化翻压还田(ALP)和粉碎秸秆氨化翻压还田(ASP)6个处理对黄土高原南部地区农田土壤理化性质、土壤微生物特性和冬小麦生长和产量的影响,并运用因子分析和聚类分析法,对不同预处理秸秆还田下土壤质量和肥力指标进行评价,以期阐明不同预处理秸秆的改土培肥与增产效应。本研究所得的主要结论如下:(1)氨化秸秆还田(ALP和ASP处理)在短期内(2 a)能显著降低表层(0-10 cm)土壤体积质量、增加土壤孔隙度和饱和含水量,而传统秸秆还田(LM和LP处理)对表层土壤体积质量和孔隙度改善效果不明显。秸秆连续5 a还田后,各秸秆还田措施能显著降低0-20 cm土层土壤体积质量,增加土壤孔隙度和饱和含水量,其中粉碎和氨化秸秆还田改善0-10 cm土层土壤体积质量、孔隙度和饱和含水量效果均优于传统秸秆还田。与不还田对照相比,各秸秆还田处理在土壤低吸力段表现出较高的土壤持水和释水能力,其中氨化秸秆还田提高土壤持水和释水能力效果优于传统秸秆还田。各秸秆还田在中吸力段对土壤持水和释水能力的影响差异逐渐减小。秸秆还田处理主要是通过提高低吸力段有效水分含量来提高总有效水分含量,其中粉碎和氨化秸秆还田较传统秸秆还田均能有效提高土壤总有效水含量,二者结合后效果更加明显。(2)秸秆还田年限和土层深度对土壤>0.25 mm团聚体含量及其稳定性影响明显。与不还田对照相比,各秸秆还田处理能显著提高0-20 cm土层>0.25 mm机械稳定性和水稳性团聚体含量,尤其是水稳性团聚体含量。其中,氨化秸秆还田措施提高0-20 cm土层>0.25 mm机械稳定性和水稳性团聚体含量效果优于传统秸秆还田。传统秸秆还田在短期内(还田2 a后)能显著提高0-20 cm土层机械稳定性团聚体稳定性和0-10 cm土层水稳性团聚体稳定性,氨化秸秆还田则能显著提高0-20 cm土层机械稳定性和水稳性团聚体稳定性。在长期秸秆还田下(还田5 a后)各秸秆还田处理能显著提高0-20 cm土层机械稳定性和水稳性团聚体稳定性,其中氨化秸秆还田效果最为显著,而秸秆长度对土壤机械稳定性和水稳性团聚体稳定性影响不明显。(3)粉碎和氨化措施均能提高还田后秸秆的分解率和土壤呼吸速率,二者结合后效果最为显著,其中SP处理秸秆残留量为52.26%,分别较LM和LP降低18.4%和8.2%;ALP处理秸秆残留量为48.79%,分别较LM和LP降低23.8%和14.3%;ASP处理残留量为42.17%,分别较LM和LP降低34.1%和25.9%。在冬小麦生长前期,土壤呼吸和秸秆分解速率呈极显著正相关关系,而在冬小麦生长后期二者关系不明显。与不还田对照相比,秸秆还田能提高土壤0-20 cm土层SOC和TN含量,其中氨化秸秆还田土壤SOC低于传统秸秆还田,而TN含量高于传统秸秆还田。秸秆还田处理能提高冬小麦各生育期0-20 cm土层土壤MBC、MBN、DOC和DON含量,其中氨化秸秆还田效果最为显著,而秸秆长度对提高土壤MBC、MBN、DOC和DON含量影响不明显。秸秆还田处理较不还田对照能显著提高0-20 cm土层土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性,其中氨化秸秆还田效果最为显著。(4)氨化秸秆还田处理在冬小麦生长后期能显著提高0~100 cm土层的土壤蓄水量,其冬小麦生育期总耗水量显著低于传统秸秆翻压还田,而秸秆长度对土壤蓄水量和生育期总耗水量的影响不明显。秸秆还田对作物增产和水分利用效率提升的效应受年份和灌溉措施的影响。其中,氨化秸秆还田(ALP和ASP)促进了秸秆的快速分解,改善了土壤体积质量、孔隙度、饱和导水率和饱和含水量,提高了土壤大团聚体含量及其稳定性等物理特性,适宜的土壤物理特性促进了土壤微生物的生长和繁殖,提高土壤酶的活性,土壤生物学活性的增加有利于土壤有机质的矿化分解,促进土壤养分循环,提高土壤肥力;土壤物理、化学和生物性状改善后,为冬小麦提供了比较适宜的生长环境,有效增加了冬小麦有效穗数和地上部生物量,进而提高了冬小麦籽粒产量和水分利用效率,其5个冬小麦生长季平均产量分别较秸秆覆盖(LM)提高7.9%和11.6%,分别较秸秆翻压还田(LP)提高5.5%和9.1%,5年平均水分利用效率分别较LM提高7.5%和11.4%,分别较LP提高7.1%和11.0%。(5)应用因子分析法可将18个土壤指标归纳为2个主因子对土壤质量进行表征,可解释的累计方差为88.58%,各处理土壤质量排列顺序为ASP>ALP>SP>LP>LM>CK,即氨化秸秆还田在土壤质量改良方面优于其他处理。聚类分析结果表明,系统聚类图将6个秸秆还田处理分为4类,最后得出氨化秸秆还田(ALP和ASP)土壤质量最高,传统秸秆翻压还田(LP和SP)较高,秸秆覆盖(LM)次之,不还田对照(CK)最差,与因子分析结果一致。从不同秸秆还田处理冬小麦产量效应可以得出氨化秸秆还田有明显的增产效果,这也与因子分析和聚类分析结果一致,说明利用因子分析对不同预处理秸秆还田土壤质量进行评价是可靠的。