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      秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響

      2016-12-01 10:58:45田慎重王學(xué)君孫澤強(qiáng)鄭東峰劉盛林董曉霞郭洪海羅加法
      安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年29期
      關(guān)鍵詞:田量養(yǎng)分作物

      董 亮,田慎重,王學(xué)君,孫澤強(qiáng),鄭東峰,劉盛林,董曉霞,郭洪海*,羅加法

      (1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,山東濟(jì)南 250100;2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室,山東濟(jì)南 250100;3.農(nóng)業(yè)部山東省耕地保育科學(xué)試驗觀測實(shí)驗站,山東濟(jì)南 250100)

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      秸稈還田量對小麥-玉米輪作中土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響

      董 亮1,2,田慎重1,3,王學(xué)君1,3,孫澤強(qiáng)1,3,鄭東峰1,3,劉盛林1,董曉霞1,3,郭洪海1,2*,羅加法2

      (1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,山東濟(jì)南 250100;2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室,山東濟(jì)南 250100;3.農(nóng)業(yè)部山東省耕地保育科學(xué)試驗觀測實(shí)驗站,山東濟(jì)南 250100)

      [目的]研究秸稈還田量對一年兩熟小麥-玉米輪作制度下土壤理化性質(zhì)的影響。[方法]通過田間試驗,研究秸稈不還田,50%小麥、玉米秸稈還田,100%小麥、玉米秸稈還田,150%小麥、玉米秸稈還田對麥-玉輪作體系中土壤容重、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量,以及小麥和玉米產(chǎn)量的影響。[結(jié)果]秸稈還田可以降低土壤容重,增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,提高土壤養(yǎng)分庫容。50%、100%和150%秸稈還田條件下,土壤容重降幅為1.41%~9.15%,土壤有機(jī)質(zhì)含量增加0.02~0.04 g/kg,土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64~9.00、3.37~4.07、10.33~19.00、40.00~120.00 mg/kg。不同秸稈還田量均能提高小麥、玉米產(chǎn)量,產(chǎn)量增幅分別為7.57%~13.16%、16.29%~26.06%。[結(jié)論]秸稈還田量達(dá)到150%時,在土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量方面出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,建議不超過100%秸稈還田為宜。

      秸稈還田量;小麥-玉米輪作;產(chǎn)量;土壤養(yǎng)分庫容量

      作物秸稈是普遍存在的有機(jī)農(nóng)業(yè)廢棄物資源,如何科學(xué)、高效地處理農(nóng)作物秸稈已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)面臨的緊迫問題。秸稈含有大量的有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分,因此秸稈直接或間接還田,可以建立良好的土壤生態(tài)體系[1],同時也是提升農(nóng)田土壤基礎(chǔ)肥力的重要措施。研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田不僅可以提高作物產(chǎn)量,還能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量及養(yǎng)分含量[2-3],改善土壤結(jié)構(gòu)[4],提高化肥利用效率[5],直接或間接減少溫室氣體排放[6],緩解我國鉀肥資源緊缺造成的壓力,是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的有效途徑[7]。但是隨著秸稈還田技術(shù)的推廣,尤其是在黃淮海區(qū)域小麥-玉米一年兩熟的輪作制度下,秸稈還田引起的作物出苗率低、病蟲草害等問題日趨凸顯[8]。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈在未有效分解的情況下,秸稈還田量影響著其培肥改土作用[9-10]。筆者以黃淮海區(qū)域的糧食高產(chǎn)區(qū)之一——山東省德州市平原縣為試驗地,在一年兩熟的小麥-玉米輪作制度下,探討了不同秸稈還田量對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響,以期為黃淮海平原區(qū)小麥-玉米一年兩熟輪作體系中秸稈科學(xué)原位還田及糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 試驗地概況 平原縣位于魯西北黃河沖積平原,地處暖溫帶,大陸性季風(fēng)氣候,干濕季明顯,春季干旱多風(fēng),夏季濕熱多雨,秋季涼爽,冬季干冷,光照充足,年平均降水量535 mm,土層深厚,地形平坦。該地區(qū)種植業(yè)發(fā)達(dá),小麥、玉米、棉花、蔬菜大面積種植,小麥-玉米實(shí)現(xiàn)一年兩作。當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑槌蓖?,基本理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量13.40 g/kg,堿解氮含量65.10 mg/kg,有效磷含量23.40 mg/kg,速效鉀含量156.00 mg/kg,全鉀含量17.8 g/kg,容重1.42 g/cm3,pH 8.47。

      1.2 試驗材料 玉米品種為鄭單958,小麥品種為濟(jì)麥22號。

      1.3 試驗設(shè)計 秸稈原位還田于2013年進(jìn)行,共設(shè)4個處理(表1),每處理3次重復(fù)。小區(qū)按照長期定位試驗池標(biāo)準(zhǔn),四周用水泥板圍砌,小區(qū)面積36.0 m2(4.5 m×8.0 m),小區(qū)間距為0.5 m。

      秸稈還田量的操作處理:50%秸稈還田處理,即移出50%秸稈;100%秸稈還田處理為全量原位還田;150%秸稈還田處理,即全量還田,并加入從50%秸稈還田處理的田塊中取出的50%秸稈。秸稈還田方式:小麥秸稈粉碎后地表覆蓋還田,玉米秸稈粉碎后旋地耕翻還田。

      表1 各處理秸稈還田量

      1.4 田間管理 所有試驗處理的施肥均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣,即玉米季施肥量為N 260 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2,磷、鉀肥做基肥一次施入,氮肥的基追比為5∶5;小麥季施肥量為N 240 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2,磷、鉀肥做基肥一次施入,氮肥的基追比為6∶4。播種、灌溉等田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣操作。

      1.5 測定項目與方法 收獲后取小區(qū)內(nèi)(2.0 m×2.0 m)樣方計產(chǎn),統(tǒng)計玉米產(chǎn)量、小麥產(chǎn)量。2015年小麥?zhǔn)斋@后用環(huán)刀或土鉆取土測定0~20 cm土層的土壤容重、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分(堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀)含量等指標(biāo)。土壤容重采用環(huán)刀法測定;有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸滴定法測定;堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定;有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用醋酸銨浸提火焰光度計法測定;全鉀含量采用氫氧化鈉熔融原子吸收分光光度法測定[11]。

      1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 用DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析,用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 不同秸稈還田量對土壤容重的影響 由表2可知,不同秸稈還田量能明顯影響0~20 cm土層的土壤容重,秸稈還田后降低了耕層土壤容重。與CK相比,50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤容重分別降低了1.41%、3.52%、9.15%。方差分析顯示,50%ST與CK之間差異不顯著,150%ST與100%ST處理之間差異顯著。

      秸稈還田后經(jīng)過微生物作用形成的腐殖酸與土壤中的鈣、鎂等結(jié)合成腐殖酸鈣、腐殖酸鎂等,使土壤形成大量的水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu),增加了土壤通透性[12],降低了土壤容重。但過量還田會導(dǎo)致土壤容重過低,影響土壤的保水保肥性。

      表2 不同秸稈還田量對土壤容重的影響

      Table 2 Effect of amount of returned-straw on soil bulk density

      處理Treat-ment土壤容重Bulkdensityg/cm3與CK相比ComparedwithCK土壤容重Bulkdensity∥g/cm3降幅Degreeofreduction∥%CK1.42±0.02a——50%ST1.40±0.08ab-0.021.41100%ST1.37±0.05b-0.153.52150%ST1.29±0.06c-0.139.15

      注:同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

      Note:Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

      注:不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Note:Different lowercases indicated significant difference at 0.05 level.圖1 不同秸稈還田量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of amount of returned-straw on soil organic matter

      2.2 不同秸稈還田量對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 從圖1可以看出,秸稈還田后增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量。與CK相比,50%ST、100%ST、150%ST處理的0~20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量分別增加0.02、0.04、0.03 g/kg。原因可能是秸稈還田后促進(jìn)了微生物的活動,形成了土壤微生物活躍的活動層,從而加速了微生物對秸稈中有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放,進(jìn)而提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]。但土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高是一個長期的積累過程,該試驗中秸稈還田進(jìn)行了2 a,從結(jié)果能看出秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,但增幅不明顯。2.3 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量的影響 由表3可知,秸稈還田能明顯提高土壤養(yǎng)分含量。與CK相比,50%ST、100%ST、150%ST處理的土壤堿解氮含量分別增加6.43、9.00、6.80 mg/kg,有效磷含量分別增加3.50、4.07、3.37 mg/kg,速效鉀含量分別增加12.33、19.00、10.33 mg/kg,全鉀含量分別增加70.00、120.00、40.00 mg/kg。尤其在土壤鉀素方面,因為秸稈中含有較多的鉀,所以與堿解氮、有效磷相比,秸稈還田后向土壤中貢獻(xiàn)的速效鉀更多。150%ST處理的土壤養(yǎng)分出現(xiàn)下降趨勢,原因可能是秸稈還田量過大,需要更多的養(yǎng)分提供給微生物活動以進(jìn)行秸稈腐解,因此消耗了部分土壤養(yǎng)分。

      2.4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產(chǎn)量的影響 由表4可知,不同秸稈還田量可顯著影響玉米和小麥的產(chǎn)量。對于玉米來說,與CK相比,50%ST、100%ST、150%ST處理的玉米產(chǎn)量分別提高了16.29%、26.06%、23.93%。方差分析顯示,秸稈還田處理與CK間差異極顯著,而不同秸稈還田量處理之間差異不顯著。對于小麥來說,與CK相比,50%ST、100%ST、150%ST處理的小麥產(chǎn)量分別提高7.57%、13.16%、9.13%。方差分析顯示,秸稈還田處理與CK間差異極顯著,100%ST與150%ST處理間差異不顯著。

      當(dāng)秸稈還田量達(dá)到150%時,玉米、小麥產(chǎn)量均下降,原因可能是秸稈還田量過大,土壤容重降幅過大,導(dǎo)致土壤保水保肥性差,土壤養(yǎng)分含量由于微生物活動的消耗而降低,對玉米幼苗返青、分蘗生長帶來負(fù)面影響,從而影響作物生長及產(chǎn)量的形成。

      表3 不同秸稈還田量對土壤養(yǎng)分含量的影響

      注:同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。

      Note:Different lowercases in the same column stand for significant difference at 0.05 level among treatments.

      表4 不同秸稈還田量對玉米-小麥產(chǎn)量的影響

      注:同列不同大寫字母表示處理間在0.01水平差異極顯著。

      Note:Different capital letters in the same column stand for significant difference at 0.01 level among treatments.

      3 結(jié)論與討論

      (1)秸稈還田作為全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),對于維持農(nóng)田肥力、減少化肥使用、提高土壤碳匯能力具有積極作用[14]。王振忠等[15]研究發(fā)現(xiàn),無論秸稈覆蓋還是翻壓,都可以增加土壤孔隙度、降低土壤容重,使土壤疏松,通透性改善。陳冬林等[16]研究表明,秸稈還田可以顯著提高土壤中有效磷和速效鉀含量,增加水稻生育后期土壤堿解氮含量。這與筆者的研究結(jié)果一致,即秸稈還田有利于改善土壤理化環(huán)境。

      (2)2014年6—10月德州市平原縣玉米季降水總量為389 mm,2014年10月至2015年6月該地小麥季降水總量為256 mm,年份降水總量為645 mm,較正常年平均降水量(547 mm)偏多,屬于偏豐水年份。因此,推測秸稈還田后由于降水的關(guān)系,腐解速度加快,對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量起到了積極的作用。但探討降水與秸稈腐解速度、土壤理化性狀及作物產(chǎn)量的關(guān)系,需要對常年多點(diǎn)的試驗結(jié)果進(jìn)行擬合,還需要將土壤溫度考慮在內(nèi)。

      (3)雖然秸稈還田能改善土壤理化性質(zhì),提高作物產(chǎn)量,但是存在還田量閾值的問題。秸稈還田量過多,會導(dǎo)致土壤耕種性差、作物出苗率低、苗弱、作物產(chǎn)量降低、病害加劇等問題。這可能是由于秸稈過量還田,過多的秸稈覆蓋會阻礙土壤與大氣的物質(zhì)交換,同時C/N提高,土壤微生物與土壤酶活性降低,進(jìn)而抑制其對秸稈的分解,秸稈還田對土壤產(chǎn)生的積極作用會隨著秸稈還田量的增多而降低[17]。

      (4)該試驗條件下,秸稈還田能降低土壤容重,增加土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀速效養(yǎng)分含量。不同秸稈還田量對土壤理化性質(zhì)影響不同。50%秸稈還田、100%秸稈還田、150%秸稈還田條件下,土壤容重降幅為1.41%~9.15%,土壤有機(jī)質(zhì)增幅為0.02~0.04 g/kg,土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、全鉀含量分別增加6.64~9.00、3.37~4.07、10.33~19.00、40.00~120.00 mg/kg。秸稈還田后改善了土壤環(huán)境,因而可以提高小麥和玉米的產(chǎn)量。不同秸稈還田量對作物產(chǎn)量的影響不同,小麥、玉米產(chǎn)量的增幅分別為7.57%~13.16%、16.29%~26.06%。并且在秸稈原位還田時,建議秸稈還田量以不超過100%為宜。下一步擬從土壤微生物、土壤酶的角度進(jìn)一步明確秸稈直接還田的科學(xué)閾值,以期為秸稈還田提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

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      Effects of Amount of Returned-straw on Soil Physical and Chemical Properties, Crop Yield in Wheat-maize Rotation System

      DONG Liang1,2, TIAN Shen-zhong1,3, WANG Xue-jun1,3, GUO Hong-hai1,2*et al>

      (1. Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of Agricultural Science, Jinan, Shandong 250100; 2. Key Laboratory of Agro-environment in Huanghuaihai Plain, Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100; 3. Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation (Shandong), Ministry of Agriculture, Jinan, Shandong 250100)

      [Objective] The aim was to study effects of amount of returned-straw on soil physical and chemical properties in wheat-maize rotation system. [Method] Through field experiment, effects of straw not returned to field, 50%, 100%, 150% wheat, maize straw returned to field on soil bulk density, organic matter, nutrient content, wheat and maize yield in wheat-maize rotation system were studied. [Result] The results showed that returned-straw decreased the soil bulk density by 1.41%-9.15%, increased the soil organic matter content by 0.02-0.04 g/kg, increased available nitrogen by 6.64-9.00 mg/kg, increased available phosphorus by 3.37-4.07 mg/kg, increased available potassium by 10.33-19.00 mg/kg, increased total potassium by 40.00 - 120.00 mg/kg respectively. And it also increased wheat yield and maize yield by 7.57%-13.16% and 16.29%-26.06% respectively. [Conclusion] Excessive amount of straw returned 150% was not benefit for farmland productivity because its negative turning point in soil physical-chemical properties and crop field. It was suggested the amount of returned-straw was not more than 100%.

      Returned-straw amount; Wheat-maize rotation system; Yield; Soil nutrient capacity

      山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年科研基金項目(2014QNM51);國家科技支撐計劃課題(2012BAD14B07);濟(jì)南市成果轉(zhuǎn)化及專利實(shí)施項目(201401311);海外泰山學(xué)者建設(shè)工程專項經(jīng)費(fèi)資助。

      董亮(1979- ),女,山東安丘人,副研究員,碩士,從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用與土壤培肥改良研究。*通訊作者,研究員,從事循環(huán)農(nóng)業(yè)研究。

      2016-08-12

      S 141.4

      A

      0517-6611(2016)29-0107-03

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