田 雪,孫奧博,陳春羽,任立軍,曹 陽(yáng),雷 洋,陳松嶺,鄒洪濤
(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110866)
【研究意義】我國(guó)最大的玉米生產(chǎn)基地主要分布在東北地區(qū),其玉米秸稈年產(chǎn)量(6.85×107t)占全國(guó)玉米秸稈總量的31.0%[1]。目前,在東北地區(qū)乃至全國(guó),秸稈焚燒是一種常規(guī)的處理方式,一直受到廣泛關(guān)注。秸稈焚燒不但會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,而且對(duì)自然資源也是極大的浪費(fèi)。秸稈還田作為一種保護(hù)型耕作措施,可以改善土壤結(jié)構(gòu)、保持土壤水分、提高土壤肥力水平、增加農(nóng)作物產(chǎn)量[2-3]。但是覆蓋還田、留茬還田和秸稈淺還田等也會(huì)使病蟲害增多及增加作物與土壤爭(zhēng)氮的風(fēng)險(xiǎn)[4]。因此,利用合理的秸稈還田方式來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、增強(qiáng)土壤保水能力、提高作物產(chǎn)量,對(duì)促進(jìn)東北地區(qū)糧食增產(chǎn)具有重要意義?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈還田對(duì)土壤的影響不盡相同。研究表明,不同量的秸稈集中深還田后,能夠明顯降低土壤容重,0~20 cm土層降低幅度為2.11%~9.15%,20~40 cm土層降低幅度為2.76%~7.59%[5],但王秋菊等[6]在草甸土上進(jìn)行連續(xù)8年的秸稈覆蓋試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋不僅增加了土壤的容重及緊實(shí)度,而且土壤的物理性質(zhì)并沒有得到有效改善,從而影響作物生長(zhǎng)。韋安培等[7]研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田結(jié)合深松可以有效提高土壤有機(jī)碳含量和土壤含水量,0~15 cm土層較對(duì)照分別提高9.78%和24.00%,15~30 cm土層分別提高7.08%和15.81%。秸稈還田配施氮肥(300 kg/hm2)可以顯著增加土壤含水量,與對(duì)照相比增加了13.64%[8]。武際等[9]在連續(xù)3年的秸稈覆蓋試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋可以顯著增加0~25 cm 土層的有機(jī)質(zhì)含量。研究發(fā)現(xiàn),秸稈中含有大量有機(jī)碳(一般秸稈含碳量在40%左右),秸稈還田后土壤中有機(jī)碳含量明顯增加,同時(shí)秸稈中還包含大量的氮、磷、鉀等元素,可以培肥地力,從而進(jìn)一步促進(jìn)作物生長(zhǎng)[10-12]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究主要集中于單一秸稈還田深度、相同深度不同還田量、不同耕作方式結(jié)合秸稈還田及秸稈配施氮素等對(duì)土壤性狀及玉米生長(zhǎng)的影響,將秸稈不同還田深度放在一起系統(tǒng)探究對(duì)土壤性質(zhì)和作物生長(zhǎng)的研究相對(duì)較少,需進(jìn)一步研究?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)通過(guò)小區(qū)試驗(yàn)探究秸稈還田深度對(duì)土壤性狀的變化及玉米生長(zhǎng)的影響,為秸稈科學(xué)合理還田提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)后山科研試驗(yàn)基地(41°82′′N,123°33′E)進(jìn)行,該區(qū)域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)大陸性氣候,試驗(yàn)地為雨養(yǎng)農(nóng)田,2020年年均降水量為750 mm,年平均蒸發(fā)量為1435.6 mm,年平均氣溫為6.2~9.7 ℃,全生育期為130~150 d。試驗(yàn)于2019年11月11日進(jìn)行秸稈還田,還田量為10 500 kg/hm2(秸稈長(zhǎng)度為3~5 cm),2020年4月30號(hào)播種。供試作物為玉米,品種為鄭單958,供試土壤為棕壤,土壤表層的基本理化性狀為:全氮0.042 g/kg,有機(jī)質(zhì)8.45 g/kg,速效磷14.14 mg/kg,速效鉀107.21 mg/kg,有效氮19.18 mg/kg,pH 7.02,土壤容重1.45 g/cm3。
本試驗(yàn)為單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)3種玉米秸稈還田深度,分別為秸稈覆蓋還田(BF)、秸稈淺還田(QH)、秸稈深還田(SH),秸稈不還田為對(duì)照(CK),共4個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù),共12個(gè)微區(qū),微區(qū)長(zhǎng)1.60 m,寬1.30 m,面積2.08 m2,具體操作如表1所示。2019年秋季收獲后將玉米秸稈還入田中;2020年4月30日正常施肥播種,每個(gè)微區(qū)播種8株,施肥與田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)作經(jīng)驗(yàn)(尿素240 kg/hm2,過(guò)磷酸鈣75 kg/hm2,硫酸鉀105 kg/hm2);取適量土壤與肥料均勻混合后施于小區(qū)中,然后用鐵鍬進(jìn)行翻地。2020年于玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、收獲期在每個(gè)微區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致、具有代表性的4株玉米測(cè)定其生長(zhǎng)指標(biāo);2020年9月26號(hào)進(jìn)行玉米收獲,收獲后將每個(gè)微區(qū)的玉米全部帶回測(cè)產(chǎn);按S形5點(diǎn)取土法,去除表面雜草,在0~20和20~40 cm 2個(gè)土層采集土樣,每個(gè)處理3次重復(fù),過(guò)篩以備土壤性狀的測(cè)定。
表1 秸稈還田深度
1.3.1 土壤容重及孔隙度測(cè)定 用100 cm3的環(huán)刀切割未攪動(dòng)的自然土壤,使環(huán)刀里充滿土樣,105 ℃烘干后稱量土重。
孔隙度(%)=(1-容重/密度)×100(土壤密度=2.65 g/cm3)[13]
1.3.2 土壤含水量測(cè)定 用鋁盒裝2.5 g鮮土,在烘箱中105 ℃烘12 h,烘至恒重。
1.3.3 土壤有機(jī)質(zhì)、全氮 土壤樣品過(guò)100目篩,均采用元素分析儀測(cè)定(Elementar III德國(guó))。
1.3.4 速效養(yǎng)分測(cè)定測(cè)定 速效磷采用NaHCO3浸提-鉬睇抗比色法測(cè)定;速效鉀采用火焰光度計(jì)法測(cè)定;堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。
1.3.5 玉米生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 株高:用米尺測(cè)量從玉米植株最底部到最上部中心葉的高度;葉面積:用米尺量取玉米第3葉(從上面數(shù))的長(zhǎng)度和寬度;葉綠素SPAD值:葉綠素測(cè)定儀測(cè)定第3葉的SPAD值;莖粗:用游標(biāo)卡尺測(cè)定玉米從最底部向上數(shù)第2節(jié)的莖粗。
1.3.6 玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素測(cè)定 穗粒、穗行數(shù)及產(chǎn)量:統(tǒng)計(jì)玉米每穗玉米數(shù)行數(shù),脫粒后測(cè)定玉米產(chǎn)量;玉米百粒重:在每個(gè)處理隨機(jī)選取100粒玉米進(jìn)行烘干,直至恒重。
運(yùn)用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,利用IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,其中方差分析為單因素方差分析,多重比較用Duncan法,平均值在P<0.05水平下差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,采用Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。
從圖1可知,在0~20 cm土層中,BF、SH和QH的土壤容重較CK分別降低0.10、0.13和0.14 g/cm3,土壤孔隙度較CK分別提高6.82%、10.21%和8.90%,各秸稈還田處理與CK差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,QH、BF和SH的土壤容重較CK分別降低0.09、0.12和0.13 g/cm3,土壤孔隙度較CK分別增加7.23%、9.44%和11.01%,其中以SH效果最好;且各處理與CK差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明,各處理土壤容重均隨土層深度的增加而增大,土壤孔隙度隨深度加深而逐漸減小。
從圖2可知,秸稈還田能夠顯著提高各土層(0~20、20~40 cm)的土壤含水量。在0~20 cm土層中,QH、BF和SH的土壤含水量較CK分別增加15.15%、10.32%、和5.96%,其中QH與CK達(dá)到顯著差異(P<0.05);在20~40 cm土層中,SH、QH和BF的土壤含水量較CK分別增加21.30%、20.95%和11.05%,且QH和SH均與CK達(dá)到顯著差異(P<0.05)。說(shuō)明,各處理土壤含水量均隨著土層的加深而增加。
從表2可知,秸稈還田后各土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK均有所增加。在0~20 cm土層,SH、QH和BF的土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK分別增加32.89%、20.23%和1.45%,且SH和QH與CK差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,SH、QH和BF的土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK分別增加11.84%、10.32%和7.87%,各處理與CK之間差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明,從整體來(lái)看,隨著土層加深,各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量呈逐漸降低的趨勢(shì)。
不同小寫字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below圖1 不同處理對(duì)土壤容重及孔隙度的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil bulk density porosity
在0~20 cm土層中,QH、BF和SH的土壤全氮含量較CK分別增加28.15%、9.63%和2.96%,且QH與其他3個(gè)處理差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,QH、SH和BF的土壤全氮含量分別較CK增加20.34%、16.10%和1.69%,且SH、QH與CK之間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說(shuō)明,土壤全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量變化相似,隨著土層加深呈降低的趨勢(shì)。
從圖3-a可知,在0~20 cm土層中,QH、BF和SH的土壤有效氮含量較CK分別增加37.78%、33.95%和5.87%,且BF和QH與CK差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,SH、BF和QH的土壤有效氮含量較CK分別增加16.79%、13.37%和10.41%,且秸稈還田各處理與CK差異顯著(P<0.05)。從圖3-b可知,在0~20 cm土層中,BF、QH和SH的土壤速效鉀含量較CK分別增加28.85%、27.13%和14.83%,且BF、QH與其他2個(gè)處理差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,BF、SH和QH的土壤速效鉀含量較CK分別增加29.07%、18.57%和14.57%;且BF與其他3個(gè)處理差異顯著(P<0.05)。從圖3-c可知,在0~20 cm土層中,BF、QH和SH的土壤速效磷含量較CK分別增加24.60%、21.10%和17.55%,且CK與其他3個(gè)處理差異顯著(P<0.05);在20~40 cm土層中,SH、QH和BF的土壤速效磷含量較CK分別增加18.88%、15.36%和3.83%,且QH和SH與CK差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明,秸稈還田后能夠增加0~40 cm土層的速效養(yǎng)分含量。
不同小寫字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate that different treatments of the same soil layer are significantly different(P<0.05),the same as below圖2 不同處理對(duì)土壤含水量的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil moisture content
表2 不同處理下土壤有機(jī)質(zhì)及土壤全氮的顯著性差異
圖3 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil available nutrients
2.5.1 玉米秸稈還田深度對(duì)玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響 各處理植株莖粗、葉綠素、株高和葉面積均表現(xiàn)為先升高后略微下降的趨勢(shì)。從圖4-a可知,在苗期時(shí),BF的莖粗較CK降低17.91%,QH和SH較CK分別增加16.66%和26.13%;各處理的莖粗在玉米拔節(jié)期增長(zhǎng)速度最快,SH、QH和BF較CK分別增加19.21%、15.75%和7.83%,且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05)。各處理的莖粗均在抽穗期達(dá)到最大值,SH、BF和QH分別較CK增加24.34%、33.54%和22.44%,且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05);收獲期各處理玉米莖粗略有下降,BF、SH和QH分別較CK增加23.27%、10.96%和9.33%,各處理與CK差異顯著(P<0.05)。從4-b可知,在苗期時(shí),供試玉米葉綠素SPAD值表現(xiàn)為SH>QH>BF>CK,SH、QH和BF分別較CK增加42.47%、33.54%和22.44%,且QH和SH與CK顯著差異(P<0.05)。在拔節(jié)期時(shí),秸稈還田處理葉綠素SPAD值顯著增加(P<0.05),BF、QH和SH分別較CK增加50.30%、43.02%和42.54%;在灌漿期時(shí),各處理葉綠素含量SPAD值均達(dá)到最大值,BF、SH和QH較CK分別增加47.44%、26.38%和20.30%,且各處理與CK差異性顯著(P<0.05)。從圖4-c可知,在苗期時(shí),BF的株高較CK降低3.91%,而QH和SH的株高較CK分別增加53.83%、15.90%。在拔節(jié)期時(shí),SH的株高表現(xiàn)最佳,較CK顯著增加44.64%;在抽穗期時(shí),各處理株高增長(zhǎng)速度加快,在灌漿期時(shí),各處理的株高均達(dá)到最大值,BF、QH和SH較CK分別增加10.37%、8.30%和4.97%;且BF和QH與CK差異顯著(P<0.05)。從圖4-d可知,在苗期時(shí),各處理的葉面積大小表現(xiàn)為:SH>QH>CK>BF,BF的葉面積比CK降低3.28%,而QH和SH較對(duì)照處理增加12.05%、37.87%,且QH與CK差異性顯著(P<0.05);在拔節(jié)期時(shí),BF、SH和QH的葉面積分別較CK增加41.62%、37.22%和4.58%(P<0.05);在抽穗期時(shí),各處理的葉面積均達(dá)到最大值,BF、QH和SH較CK均顯著增加,增幅分別達(dá)35.01%、18.13%和16.74%(P<0.05)。說(shuō)明,秸稈還田增強(qiáng)玉米的光合作用,進(jìn)而促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。
圖4 秸稈還田深度對(duì)玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Fig.4 Effects of straw returning on maize growth index
2.5.2 玉米秸稈還田深度對(duì)玉米產(chǎn)量的影響 從表3可知,BF、SH和QH的百粒重分別較CK增加13.09%、3.18%和8.09%,且BF和SH與CK差異顯著(P<0.05)。BF、SH和QH的穗行數(shù)較CK分別增加18.18%、15.91%和13.64%;穗粒數(shù)較CK分別增加19.63%、18.90%和10.11%,各處理與CK顯著差異(P<0.05),且都以BF效果最好。不同秸稈還田深度均可提高玉米籽粒產(chǎn)量,表現(xiàn)為:BF>SH>QH>CK,其中以BF和SH增產(chǎn)效果較明顯,分別較CK增產(chǎn)23.37%和22.02%,且各秸稈還田處理與CK差異顯著(P<0.05)。
土壤容重的大小直接影響土壤孔隙度進(jìn)而影響土壤的通氣透水性,適宜的土壤容重和孔隙度可以有效促進(jìn)植物根系生長(zhǎng),為植物提供適宜的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水分及良好的生長(zhǎng)環(huán)境[14]。李涵等[15]研究表明,秸稈覆蓋可顯著降低0~20 cm土層的土壤容重,且隨著土層的加深土壤容重逐漸增加。有研究表明連續(xù)3年秸稈集條深埋后,0~30 cm土層的土壤容重降低了0.02~0.14 g/cm3,土壤總孔隙度增加了0.70%~5.98%[16]。本研究表明,不同玉米秸稈還田深度在一定程度上均降低了土壤容重,提高了土壤總孔隙度,且隨著土層的加深土壤容重呈逐漸增大的趨勢(shì),土壤孔隙度的趨勢(shì)與之相反,且都以秸稈還田層處理效果最佳,這與Kabiri等[17]的研究結(jié)果相一致??赡苁且?yàn)榻斩捗芏缺韧寥烂芏鹊?,摻入土壤后形成一種稀釋作用,秸稈在土壤中分解,形成孔隙,進(jìn)而降低土壤容重,增加土壤的孔隙度[18];另外,秸稈還田后會(huì)影響作物根系及微生物的活動(dòng);根系的穿插對(duì)土壤起疏松作用,進(jìn)而降低土壤容重。同時(shí),本試驗(yàn)是第一年秸稈還田,秸稈腐解周期較長(zhǎng),土壤中的秸稈仍然以較大形態(tài)存在,因此對(duì)降低土壤容重和提高土壤孔隙度起到一定作用[19]。
表3 玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素、產(chǎn)量及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果
土壤含水量是表征土壤物理性質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。王勝楠等[20]研究表明,秸稈集中深還田兩年后,秸稈還田層向上和向下10 cm土層的土壤含水量增加了3.99%~14.68%。Cabiles等[21]研究表明,秸稈直接還田和機(jī)械粉碎后還田,可以有效降低作物生育前期土壤表層的無(wú)效蒸發(fā),蓄水保墑,從而促進(jìn)作物的增產(chǎn)。本研究表明,0~20和20~40 cm土層的土壤含水量與玉米秸稈還田位置有關(guān),在0~20 cm土層以QH含水量最高;在20~40 cm土層土壤含水量以SH最高;這是由于玉米秸稈本身具有較大的內(nèi)部空隙,可以吸持來(lái)自外界的水分并向土壤中釋放出自身吸持的水分,使土壤的含水量增加;秸稈深還田可能使深層的土壤水分反熵,而且使土壤變得疏松,能夠向下滲透更多的水分,深埋的秸稈能夠吸收自然降水,減少水分流失,從而達(dá)到蓄水保水的作用[22-23]。與QH和SH相比,BF在0~20和20~40 cm土層土壤含水量較低,這可能是由于本次取土是在玉米收獲后,后期降雨不頻繁,只有在頻繁的降雨條件下,秸稈覆蓋才能更有效的起到保水和抑制土壤水分蒸發(fā)的作用[24]。
土壤有機(jī)碳能夠直接和間接影響植物生長(zhǎng),因此土壤肥力常用土壤有機(jī)碳進(jìn)行廣泛評(píng)估[25]。Liu等[26]將秸稈混入土層后發(fā)現(xiàn),土壤和秸稈的充分接觸,能夠促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成,從而增加土壤有機(jī)碳含量,這與Dong等[27]提出的秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳積累有促進(jìn)作用,進(jìn)而提高土壤肥力的觀點(diǎn)一致。武際等[28]和鄒清祺[29]研究表明,連續(xù)秸稈覆蓋可以顯著提高表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量。本研究表明,秸稈不同還田深度均能增加土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量,且0~20 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量高于20~40 cm土層。分析其原因:由于土壤表層通氣性較好,微生物活動(dòng)旺盛,使秸稈分解的速度加快,所以表層積累的有機(jī)質(zhì)多于亞表層,這與前人的研究結(jié)果一致[30-31];水分的淋溶作用能夠使玉米秸稈腐解加快,并進(jìn)一步促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和釋放。此外,秸稈還田也可減少施肥后因淋溶而流失的肥料養(yǎng)分,同時(shí)使土壤中有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)增加,促進(jìn)良好團(tuán)聚體的形成,團(tuán)聚體能夠提高土壤對(duì)氮、磷、鉀元素的吸附力,從而增加土壤有機(jī)碳和全氮含量[32-33];另一方面秸稈本身作為有機(jī)物料,還田后對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)具有補(bǔ)充和促進(jìn)作用[34]。
本研究中,苗期BF的株高、莖粗和葉面積較CK有所降低,這可能是由于秸稈覆蓋在土壤表面阻擋了光照,土壤表層溫度低,導(dǎo)致玉米的生長(zhǎng)受阻,但是對(duì)玉米生長(zhǎng)的中后期效果顯著,可以明顯促進(jìn)玉米生長(zhǎng)、增加穗粒數(shù)和產(chǎn)量,這與前人的研究結(jié)果一致[35];牛芬菊等[36]研究表明,玉米秸稈覆蓋還田后,顯著增加玉米的株高、莖粗及葉面積。本研究結(jié)果表明,各秸稈還田處理均能明顯促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高玉米產(chǎn)量,以秸稈覆蓋和秸稈深還田處理效果較好。其原因可能為秸稈覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā),提高土壤的蓄水保墑能力,促進(jìn)玉米生育后期對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收;秸稈深還田打破了犁底層,增強(qiáng)了土壤的通氣透水性,從而促進(jìn)了養(yǎng)分的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)化。其增產(chǎn)原因與本地區(qū)的土壤類型及玉米生育時(shí)期降雨量等有關(guān),需要進(jìn)一步探究其機(jī)理。
秸稈還田可以明顯降低土壤容重,提高土壤孔隙度,同時(shí)可以培肥土壤,促進(jìn)玉米生長(zhǎng),提高玉米的光合作用,提高玉米產(chǎn)量;綜合土壤性狀與玉米產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)因素考慮,可以初步采用秸稈覆蓋和秸稈深還來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),但秸稈還田作為保護(hù)性耕作措施已進(jìn)行多年,怎樣進(jìn)行秸稈還田方式仍然是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。