龐黨偉 陳 金 唐玉海 尹燕枰 楊東清 崔正勇 鄭孟靜 李 勇王振林

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018

玉米秸稈還田方式和氮肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)及冬小麥產(chǎn)量的影響

龐黨偉 陳 金 唐玉海 尹燕枰 楊東清 崔正勇 鄭孟靜 李 勇王振林*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安 271018

為了探討玉米秸稈還田條件下不同耕作方式及施氮量對(duì)土壤耕性及冬小麥產(chǎn)量的影響, 于 2012年10月至2015年6月連續(xù)3個(gè)小麥生長(zhǎng)季進(jìn)行了田間定位試驗(yàn)。設(shè)3種耕作方式, 分別為連續(xù)3年旋耕秸稈不還田、連續(xù)3年旋耕秸稈還田和前2年旋耕秸稈還田第3年深耕秸稈還田, 每種耕作方式下均設(shè)4個(gè)施氮水平, 施氮量依次為165、225、300和360 kg hm-2。與旋耕相比, 深耕促進(jìn)還田玉米秸稈的腐解, 且增施氮肥能提高秸稈腐解速度, 從而提高耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量。秸稈不還田條件下, 連續(xù)旋耕降低了0~30 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量, 結(jié)果土壤容重增大, 孔隙度降低, 且增施氮肥不利于土壤物理性狀的改善; 秸稈還田條件下, 連續(xù)旋耕提高了0~10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量, 土壤容重隨之減小, 孔隙度增加; 秸稈還田條件下, 連續(xù)2年旋耕1年深耕比連續(xù)旋耕增加了10~30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量,顯著降低了0~20 cm土層容重, 增加了0~20 cm土層的總孔隙度和10~30 cm土層的毛管孔隙度。連續(xù)3年旋耕造成冬小麥減產(chǎn), 尤其是秸稈不還田處理, 第 3年產(chǎn)量較第 1年下降 5.0%~8.7%; 旋耕秸稈還田較旋耕不還田平均增產(chǎn)7.3%~8.9%, 但在第 3年產(chǎn)量下滑; 而旋耕還田后適時(shí)深耕還田比連續(xù)旋耕還田平均增加有效穗數(shù) 14.5%, 增加穗粒數(shù)5.7%, 產(chǎn)量平均提高7.6%。在玉米秸稈還田條件下, 增施氮肥有助于改善土壤理化性質(zhì), 但225、300和360 kg hm-2氮肥水平的產(chǎn)量無(wú)顯著差異。本研究結(jié)果表明, 山東省小麥高產(chǎn)高效栽培技術(shù)宜采取秸稈還田、2年旋耕1年深耕、配施純氮225 kg hm-2的種植模式。

耕作模式; 秸稈還田; 氮肥; 產(chǎn)量

土壤是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的自然支撐和生物屏障, 培肥土壤, 穩(wěn)定土體結(jié)構(gòu), 提高土壤地力和土壤質(zhì)量,對(duì)保障糧食生產(chǎn)、維護(hù)糧食安全有重要意義[1-2]。黃淮平原是中國(guó)主要糧食生產(chǎn)區(qū)[3-4], 該區(qū)域小麥播種前土壤耕作以翻耕秸稈不還田、翻耕秸稈還田和旋耕秸稈還田為主。麥田旋耕有效地改善了傳統(tǒng)犁鏵式耕翻工序復(fù)雜、耗費(fèi)能源較多等缺點(diǎn), 省工省時(shí), 經(jīng)濟(jì)方便。但長(zhǎng)期單一的耕作方式不利于形成良好的土壤耕性[5-6],連續(xù)旋耕導(dǎo)致土壤耕層變淺, 犁底層上移[7], 土壤蓄水保墑能力降低[8], 嚴(yán)重影響糧食穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)[9]。

近年來(lái), 作物秸稈作為重要的天然有機(jī)肥料越來(lái)越受到重視[10-11]。研究表明, 秸稈還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量, 提高土壤肥力[12-13], 維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[14-15], 并且有機(jī)質(zhì)含量與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著相關(guān)性[16-17]; 同時(shí)秸稈還田還能提高作物干物質(zhì)積累量, 增加產(chǎn)量[18-20]。然而, 秸稈還田技術(shù)的應(yīng)用也對(duì)作物生產(chǎn)模式提出新的挑戰(zhàn)。如在旋耕條件下實(shí)施秸稈還田, 由于秸稈的物理阻礙、播種過(guò)淺等原因易造成冬小麥出苗率低[21], 而秸稈腐解緩慢, 嚴(yán)重影響下茬作物的生長(zhǎng)[22]; 另外, 隨著秸稈還田規(guī)模的增大, 農(nóng)田氮素的合理利用問(wèn)題亦日趨突出[23]。

旋耕配合秸稈還田是山東省冬小麥生產(chǎn)普遍采用的耕作模式。為改善該省冬小麥產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)技術(shù),合理使用氮肥, 本研究基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田, 比較了4個(gè)施氮水平和3種耕作模式對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 秸稈還田條件下, 旋耕2年后進(jìn)行一次深耕, 同時(shí)適量施用氮肥, 不僅能夠提高小麥季產(chǎn)量, 而且改善了土壤理化特性, 提高了耕層基礎(chǔ)肥力, 為下茬作物高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年10月至2015年6月連續(xù)3個(gè)小麥生長(zhǎng)季在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)站(山東泰安)采用冬小麥–夏玉米一年兩熟種植模式, 其中, 冬小麥?zhǔn)斋@后秸稈全部移除, 夏玉米種植以及管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn),不做特殊處理。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)耕層土壤含有機(jī)質(zhì)14.76 g kg–1、全氮1.24 g kg–1、速效磷9.6 mg kg–1、速效鉀85.30 mg kg–1、硝態(tài)氮12.79 mg kg–1、銨態(tài)氮6.06 mg kg–1, pH 8.06。0~10、10~20和20~30 cm容重分別為1.40、1.47和1.55 g cm–3。

采用裂區(qū)設(shè)計(jì), 3次重復(fù), 主區(qū)為耕作模式, 設(shè)3年旋耕秸稈不還田(RT)、3年旋耕秸稈還田(RTS) 和2年旋耕秸稈還田1年深耕秸稈還田(RTS-DTS) 3個(gè)處理; 副區(qū)為氮肥水平, 設(shè)165、225、300和360 kg hm-24個(gè)水平。50%氮肥(尿素)以及105 kg hm-2P2O5(過(guò)磷酸鈣)和75 kg hm-2K2O (氯化鉀)底施, 拔節(jié)期追施另外 50%氮肥。其中 RT處理為玉米秸稈清理出農(nóng)田, 撒施化肥后旋耕2遍, 旋耕深度10 cm,旋平后播種; RTS處理為玉米秸稈粉碎還田后, 撒施化肥旋耕2遍, 旋耕深度10 cm, 旋平后播種; 深耕處理為玉米秸稈粉碎還田后, 鏵式犁翻耕 1遍, 耕深20 cm, 旋平后播種。玉米秸稈還田量為7500 kg hm-2, 其中N、P2O5、K2O含量分別為0.65%、0.30% 和0.50%。小區(qū)面積為9 m2, 試驗(yàn)品種為濟(jì)麥22, 種植密度為2.25×106hm-2。本試驗(yàn)以3年為周期, 旨在探討連續(xù)耕作以及耕作方式轉(zhuǎn)換下土壤理化性質(zhì)對(duì)耕作的響應(yīng), 因此土壤理化性質(zhì)分析以第 3年土壤為主。

1.2 秸稈腐解測(cè)定方法

采用尼龍網(wǎng)袋法測(cè)定秸稈腐解。網(wǎng)袋規(guī)格為15 cm ×20 cm, 100目。采集秸稈樣本, 烘干, 剪成寸段,稱(chēng)取 20 g。為模擬田間實(shí)際情景, 每個(gè)尼龍袋中混入土壤量200 g, 土壤分別取自相應(yīng)裂區(qū), 按4個(gè)施氮水平計(jì)算每個(gè)網(wǎng)袋所用氮肥量, 分別為 0.495、0.675、0.900和1.080 g。依照耕地的實(shí)際深度將各處理秸稈埋入各裂區(qū)小麥行間, 旋耕埋入深度為 10 cm, 深耕20 cm。分別于埋入后30 d (11月20日)、越冬期(12月5日)、返青期(3月9日)、拔節(jié)期(3月27日)、開(kāi)花期(5月5日)和成熟期(6月12日)取樣,將樣品洗凈后 80℃烘干, 計(jì)算秸稈腐解量和腐解速率(kg d–1hm-2)。腐解速率=2次取樣秸稈質(zhì)量之差/取樣間隔的天數(shù)。

1.3 容重、孔隙度以及有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定方法

于2014—2015年度小麥生長(zhǎng)季成熟期取樣, 從每個(gè)小區(qū)選取3點(diǎn), 采用環(huán)刀法每10 cm一層, 測(cè)定0~30 cm土層的容重和孔隙度[24]。采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量[25]。

1.4 小麥產(chǎn)量相關(guān)性狀測(cè)定

成熟期每小區(qū)收獲1 m2, 測(cè)定有效穗數(shù)和產(chǎn)量。同時(shí), 隨機(jī)選取代表性植株15株于室內(nèi)考種, 考察穗粒數(shù)和千粒重。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, LSD方法進(jìn)行多重比較, SigmaPlot 10.0 和Microsoft Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作模式和施氮量對(duì)秸稈腐解及有機(jī)質(zhì)的影響

2.1.1 對(duì)秸稈腐解速率的影響 玉米秸稈腐解速率呈現(xiàn)“快–慢–快”的趨勢(shì), 以越冬期前的腐解速率最快, RTS與 RTS-DTS的平均腐解速率分別達(dá)到49.70 kg d–1hm-2和48.75 kg d–1hm-2, 二者沒(méi)有顯著差異; 越冬期至返青期秸稈腐解最慢, 不足 4 kg d–1hm-2; 返青期以后進(jìn)入第2次快速腐解階段, 且RTS-DTS的秸稈腐解速率顯著高于RTS, 因而冬小麥整個(gè)生育期平均秸稈腐解速率表現(xiàn)為RTS-DTS顯著高于RTS (表1), 說(shuō)明RTS-DTS促進(jìn)了冬小麥生育后期夏玉米秸稈的腐解。

氮肥施用量顯著影響秸稈的平均腐解速率, 并且增加施氮量能提高秸稈的平均腐解速率。在RTS-DTS模式下, 4個(gè)施氮水平N165、N225、N300、N360的平均腐解速率分別為 16.21、16.97、17.39 和17.72 kg d–1hm-2(表1), 與當(dāng)?shù)赝扑]施氮量(225 kg hm-2, N225)相比較, N300、N360的平均腐解速率分別提高2.5%、4.4%, 而N165處理降低4.5%。

表1 耕作模式和施氮量對(duì)玉米秸稈腐解速率的影響Table1 Effect of tillage pattern and N application rate on maize straw decomposition speed (kg d–1hm-2)

2.1.2 對(duì)秸稈腐解進(jìn)程的影響 圖1表明, 還田玉米秸稈殘余量隨生育進(jìn)程而逐漸減少。耕作模式和氮肥處理共同影響秸稈腐解, 表現(xiàn)為深耕以及增施氮肥(N300、N360)均能促進(jìn)秸稈的腐解。小麥成熟期深耕各施氮量的腐解量分別為3808、3987、4085和 4165 kg hm-2, 較旋耕相應(yīng)施氮量下的腐解量分別提高 13.1%、10.9%、13.1%和 14.0%, 平均提高12.8%, 差異達(dá)到極顯著水平。在旋耕條件下, N165、N225、N300和N360四個(gè)氮肥水平下成熟期的秸稈腐解量分別為3370、3596、3610和3658 kg hm-2。與當(dāng)?shù)赝扑]施氮量N225相比, N300、N360處理的腐解量分別提高 0.4%和 1.7%, 而 N165處理降低6.3%。這說(shuō)明秸稈腐解不但受耕作方式和氮肥施用量共同影響, 并且耕作方式對(duì)秸稈腐解的影響大于氮肥的施用。

2.1.3 對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響 試驗(yàn)處理 3年后成熟期土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量如表2所示。不同耕作措施對(duì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)的分布及影響不同。RT及RTS處理的有機(jī)質(zhì)主要富集在0~20 cm, 并且0~10 cm的有機(jī)質(zhì)含量高于10~20 cm, 而RTS-DTS處理的有機(jī)質(zhì)富集于0~30 cm, 以10~20 cm有機(jī)質(zhì)含量最高。與RT相比, RTS顯著增加了0~20 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量, 這是因?yàn)樾麠l件下秸稈的腐解產(chǎn)物主要聚集在 0~10 cm以及腐解物的向下遷移所致。RTS-DTS較RTS提高了10~30 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量, 這是因?yàn)樯罡^旋耕更易促進(jìn)秸稈腐解(圖1), 轉(zhuǎn)化較多的有機(jī)質(zhì)。秸稈還田條件下, 有機(jī)質(zhì)含量隨氮肥施用量增加而增加(表2), 與增施氮肥能促進(jìn)秸稈的腐解(圖1)相符。

圖1 耕作模式和施氮量對(duì)玉米秸稈腐解的影響Fig.1 Effects of different tillage patterns and N treatments on maize straw decomposition

表2 耕作模式和施氮量對(duì)不同土層土壤有機(jī)質(zhì)的影響Table2 Effects of tillage patterns and nitrogen application amount on organic matter in different soil layers (g kg-1)

2.2 不同耕作模式和施氮量對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)土壤容重的影響 經(jīng)連續(xù) 3年試驗(yàn), 小麥成熟期表層土壤容重隨土壤深度增加而增加(圖2)。0~10、10~20和 20~30 cm 的土壤容重均為RT>RTS>RTS-DTS, 其中, RTS較 RT顯著降低了0~10 cm土層的容重, 而較 RTS-DTS顯著提高了10~20 cm的容重。

耕作處理前試驗(yàn)地塊土壤0~10、10~20和20~30 cm容重分別為1.40、1.47和1.55 g cm-3。試驗(yàn)處理3年后, 土壤表層容重發(fā)生了顯著變化。秸稈不還田條件下, 在N165、N225、N300和N360施氮水平, 連續(xù)3年旋耕導(dǎo)致0~10 cm土壤容重分別增加4.0%、1.9%、2.8%和 3.7%, 10~20 cm土壤容重分別增加3.5%、0.5%、1.1%和3.3%; 秸稈還田條件下, 連續(xù)3年旋耕降低了 0~10 cm土壤容重, 4個(gè)氮肥水平N165、N225、N300、N360分別降低0.3%、0.8%、1.8%、2.1%, 而10~20 cm的容重除N360處理降低0.18%外, 其余均有微弱增加。RTS-DTS降低了0~10 cm和10~20 cm土層的容重, 0~10 cm土層的降低幅度分別為2.6%、3.4%、3.8%和4.7%, 10~20 cm土層的降低幅度分別為2.2%、2.6%、3.0%和3.1%。3種耕作模式對(duì)20~30 cm土層容重影響不明顯, RT、RTS各處理的增加幅度分別為0.6%~1.5%、-0.6%~0.7%, 而RTS-DTS的降低幅度為0.03%~0.90%。

連續(xù) 3年的定位試驗(yàn)表明, 旋耕主要影響 0~10 cm土壤容重, 連續(xù)旋耕后實(shí)施深耕能影響 0~20 cm土壤的容重, 說(shuō)明連續(xù)旋耕可導(dǎo)致耕層變淺, 而深耕可以打破連續(xù)旋耕形成的較淺耕層。相同耕作模式下,氮肥施用量對(duì)容重的影響不顯著, 秸稈還田條件下隨著施氮量的增加, 容重有降低的趨勢(shì), 而旋耕不還田增施氮肥(N300、N360)較N225提高了土壤容重。

圖2 耕作模式和施氮量對(duì)土壤容重的影響(2014–2015)Fig.2 Effects of different tillage patterns and N treatments on the soil bulk density (2014–2015)

2.2.2 對(duì)土壤孔隙度的影響 各處理小麥成熟期的土壤總孔隙度和毛管孔隙度隨土層加深而降低,且受耕作模式和氮肥處理二因素共同影響(表3)。在0~10、10~20和 20~30 cm 土層土壤總孔隙度為RTS-DTS>RTS>RT。秸稈還田能顯著增加土壤的孔隙度, 與RT相比, RTS顯著提高了0~10 cm土層的總孔隙度、毛管孔隙度以及0~20 cm土層的非毛管孔隙度。與RTS相比, RTS-DTS顯著增加了0~20 cm土層的總孔隙度、0~10 cm的非毛管孔隙度以及10~30 cm的毛管孔隙度。這說(shuō)明不同耕作處理對(duì)土壤的作業(yè)深度不同, 進(jìn)而對(duì)土壤孔隙度的影響產(chǎn)生差異。

秸稈不還田條件下, 各土層孔隙度總體上以N225最大, 在 N225的基礎(chǔ)上增加施氮量反而降低耕層土壤孔隙度, 這與N300和N360處理導(dǎo)致土壤容重增加的結(jié)果(圖2)相符。秸稈還田增施氮肥能提高總孔隙度和毛管孔隙度, 但同一耕作模式下各氮肥處理間差異不明顯。

2.3 不同耕作模式和施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

總體來(lái)看, 連續(xù) 3年旋耕條件下, 秸稈還田處理的冬小麥籽粒產(chǎn)量高于秸稈不還田處理。與秸稈不還田相比, 秸稈還田增產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)來(lái)自千粒重的明顯增加和穗粒數(shù)的提高, 二者在 3年間分別平均提高 6.2%~7.3%以及 3.8%~4.9%, 彌補(bǔ)了穗數(shù)下降的影響。無(wú)論是否秸稈還田, 3年內(nèi)連續(xù)旋耕, 特別是實(shí)施到第3年, 冬小麥穗數(shù)下降趨勢(shì)很明顯(旋耕還田N360處理除外); 連續(xù)旋耕至第2年, 穗粒數(shù)和千粒重增長(zhǎng)明顯, 較第1年分別提高3.8%和2.5%,并且旋耕還田的提高幅度(4.9%和 3.6%)顯著高于旋耕不還田(2.7%和1.4%), 但到第3年穗粒數(shù)和千粒重不能協(xié)同提高; 最終導(dǎo)致秸稈不還田條件下, 3年的產(chǎn)量持續(xù)下降, 而秸稈還田條件下, 第2年的產(chǎn)量最高, 第3年呈下降趨勢(shì)。秸稈還田條件下, 施氮量超過(guò)225 kg hm-2時(shí)對(duì)減產(chǎn)趨勢(shì)起到一定緩解作用(圖3)。

表3 耕作模式和施氮量對(duì)土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度的影響Table3 Effects of different tillage patterns and N treatments on capillary porosity, non-capillary porosity, and total porosity

將第 3年的旋耕秸稈還田改為深耕秸稈還田,冬小麥千粒重表現(xiàn)為下降, 較前者降低 1.4%~2.5%,并且在225 kg hm-2的基礎(chǔ)上提高施氮量, 下降越明顯; 穗粒數(shù)則略高于前者在第 2年的高值狀態(tài)。變化最明顯的是, 第 3年深耕秸稈還田的單位面積穗數(shù)較連續(xù) 3年旋耕秸稈還田大幅度提高(12.3%~ 17.1%), 達(dá)到最高水平, 但N225、N300和N360處理之間差異很小。因此, 冬小麥籽粒產(chǎn)量以 2年旋耕秸稈還田+1年深耕秸稈還田模式最高, 比連續(xù) 3年旋耕秸稈還田模式高5.1%~10.0% (圖3)。

3 討論

3.1 不同耕作模式和施氮量對(duì)玉米秸稈腐解的影響

本試驗(yàn)中夏玉米秸稈經(jīng)歷了2個(gè)快速腐解期,分別為秸稈埋入到越冬期以及返青期到成熟期。腐解前期, 旋耕的腐解速率高于深耕; 隨著糖、淀粉、蛋白質(zhì)、半纖維素等易分解物質(zhì)逐漸被微生物分解,腐解速率逐漸降低; 返青期以后腐解速率上升, 深耕的腐解速率顯著高于旋耕。秸稈腐解是一個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)程, 除受自身碳氮比影響外, 水分、溫度以及農(nóng)田管理措施等同樣影響此過(guò)程[26-30]。播種后澆蒙頭水時(shí), 由于深耕可以有效增加土壤通透性[31],土壤蓄水能力強(qiáng)于旋耕, 但土壤含水量過(guò)高易降低土壤溫度, 影響微生物活性, 不利于秸稈腐解[30],導(dǎo)致深耕條件下前期的秸稈腐解速率低于旋耕。返青期后, 深耕的秸稈腐解速率顯著高于旋耕, 這是因?yàn)樯罡杷闪送寥? 改善了通氣性, 增加了好氣微生物的活性[32]。作物秸稈分解時(shí)適宜的C/N比為25, 而玉米秸稈本身 C/N比高, 還田后微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)吸收土壤中固有的無(wú)機(jī)氮, 所以秸稈還田時(shí)需配合施加一定量氮肥來(lái)調(diào)節(jié)土壤微生物碳氮比[33]。本研究中增施氮肥(N300、N360)能促進(jìn)玉米秸稈的腐解, 但與 N225無(wú)顯著性差異, 即每公頃配施225 kg氮能滿(mǎn)足秸稈的有效腐解。秸稈的腐解最終表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)的增加。秸稈還田條件下, 旋耕主要增加了0~10 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量, 而深耕主要增加了10~30 cm土層的有機(jī)質(zhì), 這是因?yàn)樯罡鳂I(yè)導(dǎo)致秸稈富集于10~20 cm土層, 同時(shí)也與深耕作業(yè)將表層有機(jī)質(zhì)機(jī)械翻轉(zhuǎn)到深層有關(guān)[34]。整體來(lái)看, 連續(xù)2年旋耕1年深耕并配施225 kg hm-2氮便能有效促進(jìn)還田玉米秸稈的腐解, 顯著增加耕層10~30 cm土壤的有機(jī)質(zhì)含量。

圖3 耕作模式和施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Fig.3 Effects of different tillage patterns and N treatments on yield and yield components of winter wheat

3.2 不同耕作模式和施氮量對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一, 它直接影響土壤孔隙度與孔隙大小的分配、土壤水肥氣熱變化[35], 而土壤中大小孔隙度的分配及其連續(xù)性和穩(wěn)定性則是直接影響作物根系生長(zhǎng)和養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)闹饕蛩豙36]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就玉米秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響做了較多的研究, 多數(shù)表明秸稈還田對(duì)降低土壤容重、增加孔隙度有積極作用[37-39], 能使土壤的通氣狀況顯著改善[40], 而且土壤容重隨著秸稈還田年限的增加而逐漸降低[41]。連續(xù)3年試驗(yàn)處理后, RTS較RT顯著降低了0~10 cm土層的容重,并顯著提高了0~10 cm土層的總孔隙度、毛管孔隙度以及0~20 cm土層的非毛管孔隙度。長(zhǎng)期單一的耕作方式不利于形成良好的土壤耕性[5-6]。本試驗(yàn)中RT導(dǎo)致0~10 cm、10~20 cm土層的容重較處理前平均增加3.1%、2.1%, RTS雖能降低0~10 cm土層容重, 但其有增加10~20 cm土層容重的趨勢(shì)。周虎等[7]研究證明翻耕處理的耕層(0~20 cm)均低于旋耕處理下相同層次的土壤容重, 本試驗(yàn)中RTS-DTS不僅能較 RTS顯著降低 10~20 cm土層容重, 而且對(duì)20~30 cm土層的容重有一定的降低效應(yīng)。秸稈還田條件下, 氮肥通過(guò)影響秸稈腐解對(duì)土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生影響, 總體上表現(xiàn)為增施氮肥有降低容重、增加孔隙度的趨勢(shì); 秸稈不還田條件下, 在N225的基礎(chǔ)上增加施氮量不利于土壤物理性質(zhì)的改善, 這是因?yàn)楦呋释度雽?dǎo)致耕地土壤有機(jī)質(zhì)出現(xiàn)嚴(yán)重的退化[42-43], 結(jié)果容重增加, 孔隙度降低?？傊? 連續(xù)2年旋耕還田后進(jìn)行深耕還田增加了耕層有機(jī)質(zhì), 改善了耕層土壤結(jié)構(gòu), 為作物創(chuàng)造了良好的生長(zhǎng)條件。

3.3 不同耕作模式和施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

土壤理化性質(zhì)的改變最終影響冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。無(wú)論秸稈還田與否, 連續(xù)3年旋耕均出現(xiàn)冬小麥成穗數(shù)降低的現(xiàn)象, 播種過(guò)淺或者秸稈的物理阻礙等造成還田地塊冬小麥出苗率低[21]是其原因之一,而連續(xù)旋耕造成的耕性下降, 引起單株成穗率低也是主要限制因子。連續(xù)旋耕條件下, 秸稈不還田處理的冬小麥產(chǎn)量逐年下降, 而秸稈還田處理的產(chǎn)量在第3年出現(xiàn)了下滑, 這與旋耕造成的土壤緊實(shí)、耕層變淺、土壤蓄水保墑能力降低有關(guān), 進(jìn)而影響糧食穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)[7-9]。鄭成巖等[44]對(duì)比了旋耕秸稈還田和深耕秸稈還田處理下冬小麥產(chǎn)量水平, 結(jié)果二者在試驗(yàn)處理的第1年無(wú)顯著差異, 而孔凡磊等[18]在吳橋試驗(yàn)站發(fā)現(xiàn)上述2種耕作措施連續(xù)2個(gè)小麥生長(zhǎng)季對(duì)產(chǎn)量無(wú)明顯影響。同時(shí), 本試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)在連續(xù)2個(gè)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi), 旋耕秸稈還田具有增產(chǎn)效應(yīng)。第3年耕作措施由旋耕還田轉(zhuǎn)換為深耕還田后, 最終產(chǎn)量較旋耕還田增加5.1%~10.0%, 這是因?yàn)榈?年深耕還田均衡了耕層的有機(jī)質(zhì)分布, 降低土壤容重, 疏松土壤, 改善土壤的滲透性能, 提高雨水資源利用率[19,45], 促進(jìn)根系的下扎[34], 有利于冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育, 同時(shí)提高小麥旗葉光合速率,延緩葉片衰老, 增加光合產(chǎn)物的積累, 有利于產(chǎn)量的增加[46-47]。

氮素是作物生長(zhǎng)所需大量營(yíng)養(yǎng)元素之一, 在保障中國(guó)糧食安全方面具有不可代替的作用[48]。土壤中氮素的豐缺及供給直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[49]。3種耕作措施下, N225、N300和N360處理的產(chǎn)量均顯著高于 N165水平, 秸稈還田條件下增施氮肥(N300和N360)雖然能改善耕層土壤的理化性質(zhì), 進(jìn)而增加單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù), 但不利于產(chǎn)量的進(jìn)一步提升。所以, 每公頃配施225 kg的施氮量即能滿(mǎn)足冬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育, 并能獲得較高的籽粒產(chǎn)量。

4 結(jié)論

無(wú)論秸稈還田與否, 連續(xù) 3年旋耕均造成有機(jī)質(zhì)富集于表層, 下層土壤容重增加、孔隙度降低。連續(xù) 2年旋耕還田后進(jìn)行深耕還田均衡耕層的有機(jī)質(zhì)分布, 降低容重、改善孔隙度空間分布, 有利于創(chuàng)造適于作物生長(zhǎng)發(fā)育的耕層結(jié)構(gòu), 從而實(shí)現(xiàn)冬小麥年度間穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。在配施純氮225 kg hm-2的基礎(chǔ)上增加施氮量并不能顯著提高產(chǎn)量, 因此, 連續(xù) 2年旋耕還田1年深耕還田并配施225 kg hm-2純氮可以作為實(shí)現(xiàn)山東省冬小麥穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的有效途徑。

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Effect of Returning Methods of Maize Straw and Nitrogen Treatments on Soil Physicochemical Property and Yield of Winter Wheat

PANG Dang-Wei, CHEN Jin, TANG Yu-Hai, YIN Yan-Ping, YANG Dong-Qing, CUI Zheng-Yong, ZHENG Meng-Jing, LI Yong, and WANG Zhen-Lin*
1Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China

The objective of this study was to understand the effect of continuous rotary tillage on soil tilth and wheat yield under straw-return and non-straw return conditions.A three-year field experiment from October 2012 to June 2015 was conducted with three tillage patterns (three-year rotary tillage without maize straw return, RT; three-year rotary tillage with maize straw return, RTS; and two-year rotary tillage plus one-year deep tillage with maize straw returning, RTS-DTS) and four nitrogen application levels (165 kg ha–1, N165; 225 kg ha–1, N225; 300 kg ha–1, N300; 360 kg ha–1, N360).Compared with rotary tillage, deep tillage facilitated decomposition of the maize straw and high N level accelerated the decomposition speed.Under non-straw-return condition, continuous rotary tillage reduced the organic matter content in 0–30 cm soil layer, leading to increased bulk density anddecreased soil porosity.Under straw-return condition, continuous rotary tillage increased the organic matter content in 0–10 cm soil layer and soil porosity and decreased bulk density.Moreover, RTS-DTS showed positive effects on tilth soil structure.For example, compared with RTS, RTS-DTS had the effect on increasing organic matter content in 10–30 cm soil layer, decreasing bulk density in 0–20 cm soil layer, and increasing the total porosity in 0–20 cm soil layer and capillary porosity in 10–30 cm soil layer.Three-year rotary tillage resulted in yield decline of wheat, particularly under non-straw return condition.Grain yield of RT in the third year was 5.0%–8.7% more than that in the first year.Although the yield of RTS was 7.3%–8.9% higher than that of RT, it also showed obvious decline in the third year.Compared with RTS, RTS-DTS showed great improvement in yield and yield components, with the increase of 14.5% in spike number, 5.7% in grain number per spike, and 7.6% in final yield.Under maize straw return condition, soil physical property was improved with the increase of N level.However, the final yield in treatments of N225, N300, and N360 was not significantly different.Our results suggest that RTS-DTS plus maize straw return with N application rate of 225 kg ha-1is a high-yield and high-efficient cultivation pattern in Shandong province.

Tillage practices; Straw returning; Nitrogen fertilizer; Yield

10.3724/SP.J.1006.2016.01689

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271661, 31271667, 30871477), 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB150404), 國(guó)家糧食豐產(chǎn)科技工程項(xiàng)目(2012BAD04B05), 國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201203100, 201203029)和山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J14LF12)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271661, 31271667, 30871477), the National Basic Research Program of China (2015CB150404), the National Technology Engineering Program for Food Crops Production (2012BAD04B05), the Special Fund for Agro-Scientific Research in the Public Interest (201203100, 201203029), and the Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province (J14LF12).

*通訊作者(Corresponding author): 王振林, E-mail: zlwang@sdau.edu.cn

稿日期): 2015-11-23; Accepted(接受日期): 2016-07-11; Published online(

日期): 2016-08-11.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160811.1623.014.html