張清旺，孫繼穎，高聚林，劉 劍，張悅忠，于曉芳，王志剛，胡樹平，包海柱，黃志遠

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)作物栽培與遺傳改良自治區(qū)重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古薩拉齊 014109；3.扎賚特旗農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古音德爾 137600；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)國營巴彥農(nóng)場，內(nèi)蒙古巴彥農(nóng)場 162890）

玉米是內(nèi)蒙古重要的糧食作物，土壤質(zhì)量直接影響玉米的產(chǎn)量及其穩(wěn)定性[1]，而不科學(xué)的耕作和秸稈焚燒又會導(dǎo)致土壤板結(jié)、地力下降，嚴重影響當(dāng)?shù)睾档赜衩椎漠a(chǎn)量[2]。秸稈還田既可以降低秸稈焚燒造成的污染，又可以提升土壤質(zhì)量，是改善內(nèi)蒙古地區(qū)土壤質(zhì)量的有效途徑。適宜的秸稈還田可以調(diào)節(jié)土壤的結(jié)構(gòu)和水分等環(huán)境因素，是穩(wěn)定玉米產(chǎn)量、實現(xiàn)節(jié)本增效的措施[3]。

研究認為，深翻秸稈還田直接將土壤翻轉(zhuǎn)，可以有效打破耕層結(jié)構(gòu)，疏松土壤，增大土壤孔隙度，提高了降雨和灌溉水的有效利用率，有利于玉米生長和產(chǎn)量的提高[4-5]；苗帶行間深松配合秸稈還田可以改善土壤理化性狀，降低犁底層厚度，顯著降低中下層土壤緊實度和容重，提高含水量[6-8]，有利于改善玉米根系發(fā)育，促進地上部養(yǎng)分積累，提高產(chǎn)量[9]；苗帶間保持秸稈覆蓋有利于減少土壤水分的蒸發(fā)，顯著增加玉米田上層土壤大團聚體含量，利于土壤質(zhì)量提升[10-11]，但增加了土壤容重和穿透阻力，降低了土壤儲水能力[12]。

前人在不同生態(tài)區(qū)針對秸稈還田耕作模式對土壤結(jié)構(gòu)和水分等物理特性開展了大量研究，但耕作方式對土壤結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量的影響更受氣象因素、土壤類型等不同生態(tài)環(huán)境條件的影響[13]，研究結(jié)果不完全一致。多數(shù)試驗只測定農(nóng)作物某一生長階段的水分，甚至有一些只研究幾天的水分解釋試驗結(jié)果，短期效應(yīng)差別巨大[14]?；谀壳皟?nèi)蒙古玉米生產(chǎn)中秸稈還田耕作模式多樣，本試驗結(jié)合前人研究及當(dāng)?shù)刂饕鞣绞?，選用內(nèi)蒙古地區(qū)主要應(yīng)用的4 種耕作方式，以農(nóng)戶常規(guī)耕作為對照，研究不同秸稈還田方式對玉米土壤結(jié)構(gòu)和主要需水時期土壤水分的影響，旨在篩選適宜區(qū)域玉米耕層質(zhì)量提升的最佳方式，為機械化耕層質(zhì)量改良、玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)集成技術(shù)組裝提供支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于土默川平原灌區(qū)內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技園區(qū)（40°33′ N，110°31′ E）。該地區(qū)春季干旱多風(fēng)，夏季雨量集中，秋季溫和涼爽；年平均蒸發(fā)量2 055 mm，年平均降水量350 mm，年平均氣溫9 ℃，無霜期150 d 左右。2019—2021年試驗地土壤基礎(chǔ)地力及玉米生長季降水量見表1。

表1 試驗地土壤基礎(chǔ)地力及玉米生長季降水量

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019—2021年進行，采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置5 種秸稈還田方式：農(nóng)戶常規(guī)耕作（CK），參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶淺旋滅茬后常規(guī)播種方式；深翻秸稈還田（DPR），于秋季玉米收獲后將秸稈全量二次粉碎，深翻30～40 cm 將秸稈翻耕入土；深松秸稈還田（SSR），于秋季玉米收獲后將秸稈全量二次粉碎，深松35～40 cm 將秸稈與土壤混拌均勻；秸稈覆蓋免耕（NTR），于秋季收獲后將秸稈全量覆蓋于地表，翌年使用免耕播種機播種；秸稈覆蓋條帶深旋（SCR），于秋季收獲后將秸稈全量覆蓋于地表，翌年使用條深旋精播一體機播種，深旋25～30 cm，并在耕作帶上播種。各處理播種密度為8.25 萬株/hm2。灌水方式為大水漫灌，灌溉量為900 m3/hm2，底肥N 40 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 40 kg/hm2。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤容重和田間持水量

利用環(huán)刀法進行測定，測定深度為0～30 cm，每層取3 個重復(fù)，取樣時期為播種前。

1.3.2 土壤水穩(wěn)性團聚體

從不同處理采集到的原狀土中大的土塊按其結(jié)構(gòu)面輕輕剝開，使其成為直徑10 mm 左右的土塊，放在紙上風(fēng)干，用鑷子去除肉眼可見的有機殘體。用四分法取樣50 g。將稱量的50 g 風(fēng)干土樣放置于團聚體分析儀（TPF-100）套篩頂部（套篩孔徑自上而下依次為2.00、1.00、0.50、0.25 mm），沿桶壁緩慢加入去離子水至水沒過土樣，浸泡、潤濕5 min，豎直振蕩5 min，25～30 次/min，振幅為3 cm。將套篩從水中慢慢取出，靜置，稍干，將各級篩層團聚體分別洗入100 mL（或200 mL）燒杯，放入烘箱烘干至恒重，稱量各個粒徑的質(zhì)量（準確至0.01 g），計算團聚體的質(zhì)量分數(shù)，獲得＞2.00 mm、1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm 的土壤水穩(wěn)性團聚體。

式中，Wi為某級水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量百分比（%）；wi為該級水穩(wěn)性團聚體的烘干質(zhì)量（g）；Wt為水穩(wěn)性團聚體烘干總質(zhì)量[15]。

式中，MWD為團粒平均重量直徑（mm）；xi為任一級別范圍內(nèi)水穩(wěn)性團聚體的平均直徑（mm）；wi為對應(yīng)于xi的水穩(wěn)性團聚體百分含量（%）[16]。

式中，GMD為團粒幾何平均直徑（mm）；xi為任一級別范圍內(nèi)水穩(wěn)性團聚體的平均直徑（mm）；wi為對應(yīng)于xi的水穩(wěn)性團聚體百分含量（%）[16]。

式中，D 為分形維數(shù)；xi為某級水穩(wěn)性團聚體平均直徑；Mr為粒徑小于xi的水穩(wěn)性團聚體的重量；Mt為水穩(wěn)性團聚體總重量；xmax為水穩(wěn)性團聚體的最大粒徑[16]。

1.3.3 土壤含水量

采用多點土壤濕度記錄儀（JL-01）測定。測定深度為0～30 cm，取樣位置為玉米株間，取樣時期為出苗期（VE）、吐絲期（R1）、灌漿期（R2）。

1.3.4 土壤水入滲速率

入滲實驗儀器采用自制單環(huán)入滲儀。運用Kostiakov模型對土壤入滲速率進行相關(guān)分析。

式中，α 為入滲參數(shù)，是反映土壤前期入滲能力的重要指標(biāo)；n為入滲指數(shù)，反映土壤入滲能力的衰減速度，n值越大則入滲速率隨時間減少越快；t為滲透時間（min）[17]。

1.3.5 測產(chǎn)及考種

機收前對各處理玉米籽粒產(chǎn)量進行測定，去除邊行效應(yīng)，每小區(qū)選雙行進行測產(chǎn)，計算實際面積產(chǎn)量。籽粒含水量折成14%計算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件整理數(shù)據(jù)，使用SigmaPlot 12.5 軟件繪圖，利用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對土壤容重的影響

由圖1 可知，各處理對土壤容重產(chǎn)生了不同程度的影響。2019—2021年DPR 處理的土壤容重均最低，分別為1.50、1.48、1.47 g/cm3，較CK 分別顯著降低4.9%、6.3%、8.5%（P＜0.05）。SSR 處理次之，2019年和2020年土壤容重均為1.50 g/cm3，2021年為1.48 g/cm3，較CK 分別降低4.9%、5.3%、7.7%（P＜0.05）。SCR 和NTR 處理的土壤容重均高于CK，但無顯著差異（P＞0.05）。分析可知，DPR 和SSR 處理下的土壤容重隨秸稈還田處理時間的延長而下降，2021年較2019年分別降低1.9%、1.1%。因此，連續(xù)3年的DPR和SSR 處理能有效降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)。

圖1 不同秸稈還田方式對土壤容重的影響

2.2 不同秸稈還田方式對土壤孔隙度的影響

由圖2 可知，不同秸稈還田方式對土壤孔隙度影響不同。DPR 和SSR 處理可以顯著提高土壤孔隙度（P＜0.05）。2019—2021年，DPR 處理土壤孔隙度分別為43.4%、44.1%、44.5%，較CK 分別提高了2.9、3.8、5.2 個百分點；SSR 處理土壤孔隙度分別為43.4%、43.5%、44.0%，較CK 分別提高了2.9、3.2、4.7 個百分點；NTR 和SCR 處理土壤孔隙度均低于CK，但無顯著差異（P＞0.05）。分析可知，DPR 和SSR 處理下的土壤孔隙度隨秸稈還田處理時間的延長而增加，2021年較2019年分別增加1.1 和0.6 個百分點。因此，連續(xù)3年的DPR 和SSR 處理能有效提高土壤孔隙度，改善土壤通氣性。

圖2 不同秸稈還田方式對土壤孔隙度的影響

2.3 不同秸稈還田方式對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

由圖3 可知，不同的秸稈還田方式相比CK 均增加了土壤水穩(wěn)性大團聚體的含量。連續(xù)3年的DPR、SSR、SCR 和NTR 處理下＞2.00 mm 的土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別較CK 高2.9、2.2、4.0、7.6 個百分點；1.00～2.00 mm 的土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別較CK 高5.4、4.6、2.7、0.7 個百分點；0.25～1.00 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體含量分別較CK 高10.9、11.3、4.7、0.1 個百分點。結(jié)果表明，連續(xù)3年的秸稈還田處理能有效增加土壤水穩(wěn)性大團聚體含量，以DPR 處理最優(yōu)，連續(xù)3年DPR 處理下的土壤水穩(wěn)性大團聚體（＞0.25 mm）含量較CK 增加了19.2 個百分點，可達到改善土壤質(zhì)地效果。

圖3 不同秸稈還田方式對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

2.4 不同秸稈還田方式對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定指數(shù)的影響

土壤團聚體穩(wěn)定性代表土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，水穩(wěn)性團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，二者越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強。由表2 可知，不同處理下的MWD 和GMD 值均顯著高于CK（P<0.05），2021年的DPR、SSR、SCR 和NTR 處理MWD 值分別較CK 高24.0%、30.8%、32.0%、50.5%，GMD 值分別較CK 高48.8%、45.0%、34.1%、35.5%。分形維數(shù)（D）可以表征土壤團聚體的分布狀態(tài)，分形維數(shù)（D）越大土壤結(jié)構(gòu)越差。DPR、SSR、SCR 和NTR 處理分形維數(shù)（D）顯著小于CK（P<0.05）。結(jié)果表明，連續(xù)3年的秸稈還田處理可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)。

表2 不同秸稈還田方式對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

2.5 不同秸稈還田方式對土壤含水量的影響

研究表明，各處理不同生育時期平均土壤含水量均大于CK，DPR 處理的土壤含水量顯著高于其他處理（P<0.05）。2019—2021年，玉米苗期平均土壤含水量（圖4）分別較CK 高2.6、5.8、6.8 個百分點，吐絲期平均土壤含水量（圖5）分別較CK 高3.6、4.1、6.7 個百分點，灌漿期平均土壤含水量（圖6）分別較CK 高5.0、4.4、5.4 個百分點。DPR 處理，玉米苗期、吐絲期、灌漿期土壤含水量3年平均較CK 分別提高5.1、4.8、4.9 個百分點，是適宜當(dāng)?shù)匦钏劦倪€田方式。

圖4 不同秸稈還田方式下玉米苗期土壤含水量的變化

圖5 不同秸稈還田方式下玉米吐絲期土壤含水量的變化

圖6 不同秸稈還田方式下玉米灌漿期土壤含水量的變化

2.6 不同秸稈還田方式對田間持水量的影響

由圖7 可知，3年田間持水量均表現(xiàn)為DPR 和SSR 處理高于CK，NTR 和SCR 處理低于CK。2019—2021年，DPR 處理的田間持水量分別為28.8%、28.4%、28.7%，2020—2021年分別顯著較CK高4.1、5.6 個百分點（P<0.05）；SSR 處理的田間持水量分別為28.2%、28.1%、28.2%，分別較CK 高2.6、3.9、5.2 個百分點。2019-2021年NTR 和SCR 處理田間持水量均低于CK，但差異不顯著（P>0.05）。結(jié)果表明，DPR 處理和SSR 處理是提升田間持水量的有效還田措施。

圖7 不同秸稈還田方式對田間持水量的影響

2.7 不同秸稈還田方式對土壤累積入滲量的影響

由圖8 可知，不同的秸稈還田處理對土壤累積入滲量影響較大，達到穩(wěn)定入滲的時間也不相同。選取2021年各處理10、50、120 min 作為累計入滲量變化的參考時段。當(dāng)入滲10 min 時，DPR 處理和SSR 處理的累積入滲量較大，但各處理差距較小，均未達到平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)入滲50 min 時，各處理累積入滲量差值增大，且均高于CK，SCR、NTR 處理和CK入滲速率趨于平穩(wěn)，DPR 和SSR 處理入滲速率均未達到穩(wěn)定；入滲120 min 時，各處理已經(jīng)達到平穩(wěn)狀態(tài)，DPR 處理累積入滲量最大。結(jié)果表明，連續(xù)3年的DPR 處理土壤物理結(jié)構(gòu)較好，可以有效地提高水分的入滲量。

圖8 不同秸稈還田方式對土壤累積入滲量的影響

采用考斯加科夫土壤入滲經(jīng)驗?zāi)Ｐ兔枋鐾寥赖娜霛B過程。由表3 可知，各處理決定系數(shù)（R2）均大于0.882 7，擬合效果較好。入滲速率與時間呈冪函數(shù)關(guān)系，α、n為經(jīng)驗入滲指數(shù)。連續(xù)3年的DPR、SSR、SCR、NTR 處理較CK 處理α 值分別增大1.005 2、0.546 8、0.336 0、0.189 1。不同秸稈還田處理較CK處理n值基本呈增大趨勢，DPR 和SSR 處理下的n值大于其他處理，入滲速率隨時間增加而減少較快。

表3 不同秸稈還田處理土壤的Kostiakov 模型參數(shù)

2.8 不同秸稈還田方式對玉米產(chǎn)量的影響

由圖9 可知，不同秸稈還田方式可以顯著影響玉米籽粒產(chǎn)量。2019—2021年，DPR 處理的產(chǎn)量最高，分別為12.3、12.6、12.8 t/hm2，較CK 分別增產(chǎn)14.6%、23.7%、21.2%（P<0.05）；SSR 處理次之，產(chǎn)量分別為11.9、12.6、12.4 t/hm2，分別較CK 高11.4%、23.1%、17.7%；SCR 和NTR 處理的玉米產(chǎn)量均高于CK，但無顯著差異（P>0.05）。分析可知，不同的秸稈還田方式均能提高玉米產(chǎn)量，且隨著秸稈還田處理時間的延長而上升，以DPR 處理增產(chǎn)效果最佳，DPR 處理2021年產(chǎn)量較2019年增產(chǎn)4.1%，3年平均產(chǎn)量為12.6 t/hm2，較CK 增產(chǎn)19.7%。

圖9 不同秸稈還田方式對玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

目前，秸稈還田已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項重要措施，應(yīng)用廣、效果好，適合旱作農(nóng)業(yè)的發(fā)展[18]。不同的秸稈還田措施能解決我國土壤侵蝕、水資源短缺及干旱加劇等問題，具有獨特的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。本試驗表明，土壤物理結(jié)構(gòu)會因秸稈還田方式的不同而發(fā)生變化，各秸稈還田處理中，DPR 處理下的土壤容重降低，土壤孔隙度增大，水穩(wěn)性大團聚體含量增大，效果逐年遞增。一方面，可能是因為秸稈深翻進土壤，使土壤更加蓬松，土壤孔隙度增大，單位體積土壤質(zhì)量降低[19]，加強地上地下部分的水氣交換，對秸稈腐解產(chǎn)生促進作用；秸稈腐解后產(chǎn)生大量多糖物質(zhì)及有機質(zhì)，依附在土壤顆粒表面增加土壤顆粒黏著性，使細小的土壤顆粒黏結(jié)在一起，形成土壤團聚體，連續(xù)3年實施更有利于土壤大團聚體的形成[20]；土壤團聚體幾何平均直徑（GWD）和平均重量直徑（MWD）也升高，加強土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[21]。另一方面，可能由于深翻秸稈還田對土壤機械擾動大，打破耕層，疏松土壤結(jié)構(gòu)，緩解外力對土壤容重和土壤孔隙度的破壞。NTR 和SCR 處理對土壤擾動較少，多年的機械碾壓，外來水分沖擊等外部因素導(dǎo)致土壤顆粒排列緊密，增加了單位體積內(nèi)土壤重量，對土壤孔隙度破壞較大[22]；由于秸稈覆蓋在土壤表層，造成表層覆蓋秸稈不易腐解，秸稈腐解后產(chǎn)生的有機質(zhì)等營養(yǎng)元素浮于耕層表面，對土壤結(jié)構(gòu)改善效果不佳[23]。

土壤水分是影響作物生長發(fā)育的主要因素之一。尋求不同的方式提高水分利用效率是保證作物穩(wěn)產(chǎn)的重中之重[24-25]。國外學(xué)者研究表明[26-27]，秸稈還田后可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤穩(wěn)定性，減少土壤水分入滲阻力，提高土壤蓄水能力。不同秸稈還田方式均可以有效提高土壤水分含量。秸稈還田使水穩(wěn)性大團聚體增加，減少了土壤水分蒸發(fā)[28]；秸稈還田可增加田間持水量，減少水分深層入滲阻力，改善土壤蓄水能力，這與本試驗結(jié)果一致。本試驗中，不同秸稈還田方式中DPR 處理的效果最好，這是由于深翻秸稈還田有利于土壤孔隙度的增大，能有效增加土壤的蓄水能力，且秸稈分解后產(chǎn)生的膠體含有大量的親水基團，可以吸附更多的土壤水，提高土壤蓄水保墑能力，連續(xù)3年秸稈還田還可增加水穩(wěn)性大團聚體，從而使土壤的持水能力更強，進而有效提高作物需水時期的土壤含水量[21]。綜上所述，秸稈還田對土壤改良起著積極作用，尤其是DPR 處理對外界水的吸收效果最佳，可有效減弱水分限制對作物生長的影響，顯著增加玉米需水時期的土壤含水量，能夠達到增產(chǎn)增效的目的。

4 結(jié)論

對土壤進行深翻深松的DPR 和SSR 處理，能夠降低土壤容重，增大土壤孔隙度，增加土壤水穩(wěn)性大團聚體含量（>0.25 mm），有效改善土壤耕層結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水能力，保證灌溉水較好地入滲和保存，提高玉米苗期、吐絲期和灌漿期土壤含水量，達到增產(chǎn)效果，是適宜土默川平原灌區(qū)的秸稈還田方式。