深耕與秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤物理性狀和作物產(chǎn)量的影響

郭海斌， 冀保毅,2， 王巧鋒， 趙亞麗， 穆心愿， 薛志偉， 李潮海， 趙志杰

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，河南 鄭州 450002；3.河南省郟縣第一高級(jí)中學(xué)，河南 郟縣 467100； 4.中種國際種子有限公司，河南 鄭州 450000)

黃淮海地區(qū)的糧食總產(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)量的1/3，在保障國家糧食安全中占有舉足輕重的地位[1].但由于該區(qū)連續(xù)多年實(shí)行常規(guī)耕作，造成土壤緊實(shí)、耕層變淺、活土量少，嚴(yán)重限制了該區(qū)作物產(chǎn)量的增加[2].同時(shí)，由于近年來農(nóng)村肥料、燃料和飼料結(jié)構(gòu)的變化，大量的作物秸稈被棄置或露天焚燒，不僅浪費(fèi)資源，而且造成環(huán)境污染[3].土壤耕作和秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要增產(chǎn)技術(shù)措施，因改變了土壤容重，引起土壤孔隙度及土壤水、肥、氣、熱等變化，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量的變化[4,5].研究表明，深耕可以打破犁底層，降低土壤容重，增強(qiáng)土壤通透性，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累，進(jìn)而有利于產(chǎn)量的增加[6～8].而作物秸稈還田不僅可以提高土壤肥力，也可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤水分含量，增加作物產(chǎn)量[9～11].然而，前人多側(cè)重于研究同一土壤質(zhì)地上深耕或秸稈還田對(duì)土壤物理性狀和產(chǎn)量的影響，未明確深耕和秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤物理性狀和作物產(chǎn)量的影響.本研究在不同質(zhì)地土壤上開展深耕和秸稈還田定位試驗(yàn)，研究深耕和秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤物理性狀和作物子粒產(chǎn)量的影響，以期為優(yōu)化黃淮海地區(qū)的耕作方式提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010—2011年在鶴壁市農(nóng)業(yè)科學(xué)院和漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行.鶴壁市農(nóng)業(yè)科學(xué)院位于河南省北部，屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，平均溫度13.7 ℃，平均日照時(shí)數(shù)2 311 h，平均降雨量635.9 mm，土壤質(zhì)地為壤土[m(沙粒)∶m(粉粒)∶m(黏粒)=31∶47∶22].漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院位于河南省中南部，屬暖溫帶暖濕性季風(fēng)氣候，平均溫度14.7 ℃，平均日照時(shí)數(shù)2 350 h，平均降雨量為786 mm，土壤質(zhì)地為黏土[m(砂粒)∶m(粉粒)∶m(黏粒)=12∶41∶47].試驗(yàn)田的土壤基礎(chǔ)肥力見表1.

表1 鶴壁和漯河試驗(yàn)田的土壤質(zhì)地和0～40 cm土層的土壤物理性狀和基礎(chǔ)肥力

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，設(shè)置常規(guī)耕作+秸稈還田(Conventional tillage with straw returning)、深耕+秸稈還田(Deep tillage with straw returning)、深耕+秸稈不還田(Deep tillage with no-straw returning)3個(gè)處理.3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×60 m=360 m2.土壤耕作在冬小麥播種前進(jìn)行.常規(guī)耕作采用鏵式犁翻耕1遍，作業(yè)深度為15 cm，隨后耙地2遍，以便于機(jī)播小麥.深耕采用鏵式犁翻耕1遍，作業(yè)深度為30 cm，隨后耙地2遍.秸稈還田處理為冬小麥、夏玉米秸稈全量還田.冬小麥成熟后，機(jī)械化收獲的同時(shí)，將冬小麥秸稈粉碎后覆蓋地表還田，夏玉米貼茬播種；夏玉米成熟后，機(jī)械化收獲的同時(shí)將夏玉米秸稈粉碎至5 cm左右的小段，冬小麥播種前再結(jié)合土壤耕作混入土壤中進(jìn)行秸稈全量翻埋還田.各秸稈還田處理的秸稈還田量相同，鶴壁和漯河小麥秸稈還田量分別為7 500 kg·hm-2和5 575 kg·hm-2，鶴壁和漯河玉米秸稈還田量分別為9 600 kg·hm-2和7 800 kg·hm-2,各秸稈還田處理的秸稈還田量相同.秸稈不還田處理則將夏玉米和冬小麥秸稈全部移出試驗(yàn)地.漯河和鶴壁試驗(yàn)田的供試玉米品種分別為當(dāng)?shù)刂髟杂衩灼贩N鄭單958和浚單20，種植密度均為67 500株·hm-2.冬小麥?zhǔn)㎞ 240 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O·120 kg·hm-2.其中，磷肥和鉀肥在播前作基肥一次性全部施入，而氮肥則按5∶5分基施和拔節(jié)期追施2次施用.夏玉米施N 270 kg·hm-2，P2O5135 kg·hm-2，K2O 135 kg·hm-2.其中，磷肥和鉀肥在播前作基肥一次性全部施入，而氮肥則按4∶6比例分別在拔節(jié)期和大喇叭口期施入.施用氮肥種類為尿素，磷肥種類為過磷酸鈣，鉀肥種類為硫酸鉀.其他田間管理同當(dāng)?shù)匾话闵a(chǎn)田.

1.3測定指標(biāo)和方法

1.3.1 土壤物理性狀調(diào)查測定 玉米成熟期，每個(gè)處理選擇3塊有代表性的區(qū)域，開挖剖面坑，用環(huán)刀法采集0～10，10～20，20～30，30～40，40～50 cm共5個(gè)土層的原狀土樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤容重、相對(duì)密度和水分含量，并計(jì)算土壤孔隙度.土壤容重=環(huán)刀內(nèi)土壤的干質(zhì)量/環(huán)刀容積；土壤孔隙度=100×(1-容重÷相對(duì)密度).

1.3.3 計(jì)產(chǎn) 夏玉米成熟后，每小區(qū)收獲中間兩行10 m玉米果穗，曬干后脫粒稱質(zhì)量.冬小麥成熟后，每小區(qū)收獲1 m2小麥果穗，曬干后脫粒稱其質(zhì)量.子粒產(chǎn)量以14%含水量為標(biāo)準(zhǔn)折算為小區(qū)產(chǎn)量.

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤由每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)的數(shù)據(jù)計(jì)算而來.利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)和處理間顯著性檢驗(yàn)(DUNCAN).差異顯著性均在P<0.05水平.

2 結(jié)果與分析

2.1深耕與秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤物理性狀的影響

2.1.1 不同因素及其交互作用對(duì)土壤物理性狀的影響 除年份對(duì)土壤容重和孔隙度沒有顯著影響外，年份、土壤質(zhì)地、耕作和土層深度對(duì)土壤物理性狀均有顯著影響(表2).在兩因素交互作用中，除年份×耕作對(duì)土壤容重和孔隙度、年份×土壤質(zhì)地對(duì)土壤水分含量影響不顯著外，不同因素的兩兩交互對(duì)土壤物理性狀均有顯著影響.多數(shù)三因素交互對(duì)土壤物理性狀有顯著影響，但年份×土壤質(zhì)地×耕作×土層深度僅對(duì)土壤R值有顯著影響.

與常規(guī)耕作相比，深耕處理的土壤容重和三相比R值分別下降0.7%和19.0%；與深耕秸稈不還田相比，深耕秸稈還田處理土壤水分含量增加3.2%，R值降低9.3%(表3).黏土的土壤容重、水分含量和三相比R值分別比壤土高0.7%,1.3%和16.0%，黏土的土壤孔隙度比壤土低1.2%.年際間的土壤水分含量差異顯著，2011年耕層土壤水分含量比2010年高2.7%.在0～50 cm土層中，土壤孔隙度和水分含量隨著耕層深度的增加而下降，土壤容重和R值隨著耕層深度的增加而增加.

表2 不同因素及其交互作用對(duì)土壤物理性狀的方差分析

2.1.2 深耕與秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤容重的影響 深耕對(duì)不同質(zhì)地土壤容重均有顯著影響，而秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤容重的影響不顯著(表3).深耕處理20～30 cm土層土壤容重均比常規(guī)耕作小，但深耕對(duì)土壤的效應(yīng)受土壤質(zhì)地影響.在壤土上，深耕主要降低了20～40 cm土層的土壤容重，深耕處理20～30和30～40 cm土層的土壤容重分別比常規(guī)耕作處理低6.5%和6.8%.在黏土上，深耕雖然顯著降低20～30 cm土層的土壤容重，但增加了0～20 cm土層的土壤容重，其20～30 cm土層土壤容重比常規(guī)耕作處理低6.1%，而0～10 cm和10～20 cm土層的土壤容重分別比常規(guī)耕作處理高6.7%和2.3%.

2.1.3 深耕與秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤孔隙度的影響 土壤孔隙度的變化規(guī)律與土壤容重相反(表3).在壤土上，深耕處理20～30和30～40 cm土層的土壤孔隙度分別比常規(guī)耕作高9.7%和10.3%.在黏土上，深耕處理20～30 cm土層土壤孔隙度比常規(guī)耕作處理高6.1%，而0～10 cm和10～20 cm土層土壤孔隙度分別比常規(guī)耕作處理低5.7%和2.6%.

2.1.4 深耕與秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤水分含量的影響 深耕對(duì)不同質(zhì)地土壤水分含量影響顯著，而秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤水分含量沒有顯著影響(表3).在壤土上，深耕主要增加20～40 cm土層土壤的水分含量，其中，深耕處理20～30和30～40 cm土層的土壤水分含量分別比常規(guī)耕作高6.4%和9.0%.在黏土上，深耕處理20～30 cm土層土壤的水分含量比常規(guī)耕作處理高8.1%.

表3 年份、土壤質(zhì)地、耕作和土層深度對(duì)土壤物理性狀的影響

2.1.5 深耕與秸稈還田對(duì)土壤三相比R值的影響 深耕降低了土壤三相比R值(表3).在壤土上，深耕主要降低20～40 cm土壤三相比R值，深耕處理20～30和30～40 cm土壤三相比R值分別比常規(guī)耕作處理低41.1%和39.6%.在黏土上，深耕處理30～40 cm土壤三相比R值比常規(guī)耕作處理低40.0%.秸稈還田也能降低土壤三相比R值，但是秸稈還田效應(yīng)受土壤質(zhì)地影響明顯.在壤土上，深耕秸稈還田處理10～20 cm土壤三相比R值比深耕秸稈不還田處理低29.8%.秸稈還田對(duì)黏土三相比R值的影響不顯著.

2.2深耕與秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

深耕增加了冬小麥和夏玉米產(chǎn)量(表4).與常規(guī)耕作相比，深耕處理漯河和鶴壁的冬小麥產(chǎn)量分別增加0.8%和3.5%，夏玉米產(chǎn)量分別增加0.1%和3.7%，冬小麥和夏玉米的總產(chǎn)量分別增加0.1%和3.6%.秸稈還田也提高了冬小麥和夏玉米的總產(chǎn)量，深耕+秸稈還田處理漯河和鶴壁的冬小麥和夏玉米總產(chǎn)量分別比深耕+秸稈不還田處理增加3.0%和5.5%.

表4 深耕與秸稈還田對(duì)冬小麥和夏玉米子粒產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

與常規(guī)耕作相比，深耕主要降低了20～40 cm土層土壤容重和三相比R值，并增加了該土層的孔隙度和水分含量，這與前人的研究結(jié)果一致.深耕可以使耕層下部的土壤容重下降[13]，孔隙度增加[14]，增加土壤水分的下滲量[15]，提高土壤蓄水能力[16].由于黃淮海區(qū)農(nóng)田長期采用常規(guī)淺耕，土壤耕作的深度小于20 cm，故深耕對(duì)20 cm以下土層的容重、孔隙度和三相比R值的影響較大.同時(shí)，因?yàn)樯罡偈棺魑锔迪略^30 cm土層深度，進(jìn)而對(duì)30 cm以下土層的土壤物理性狀也有一定的改良作用.秸稈還田也可以降低土壤三相比R值，但對(duì)土壤容重、孔隙度、水分和作物子粒產(chǎn)量的影響不顯著，這與前人的研究結(jié)果不完全一致[17,18]，可能是試驗(yàn)的研究時(shí)間相對(duì)較短，秸稈的效果還沒有完全體現(xiàn)出來.

土壤質(zhì)地影響土壤的物理性狀，土壤中細(xì)顆粒的增加會(huì)帶來土壤容重的增加[19]，故漯河黏土的土壤容重比鶴壁壤土高.同時(shí)，因?yàn)轲ね恋耐寥莱炙芰Ρ热劳粮遊20]，漯河黏土的土壤水分含量也高于鶴壁壤土.深耕和秸稈還田對(duì)不同質(zhì)地土壤物理性狀的影響不同.深耕主要降低了壤土20～40 cm、黏土20～30 cm土層的土壤容重，但增加了黏土0～20 cm土層的土壤容重.因?yàn)樯罡麑?0～30 cm土層緊實(shí)的土壤翻轉(zhuǎn)到耕層上部，所以深耕在降低20～30 cm土層土壤容重的同時(shí)增加了耕層上部土壤的容重，這種上層土壤容重增加的現(xiàn)象在黏土上表現(xiàn)尤為突出.陜西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究結(jié)果表明，采用深耕技術(shù)時(shí)要考慮農(nóng)田土壤熟化的深度，土壤深翻以不超過40 cm為佳.此外，秸稈還田降低了壤土10～20 cm土層的土壤三相比R值，但對(duì)黏土三相比R值影響不顯著.故深耕與秸稈還田對(duì)壤土物理性狀的改良效果優(yōu)于黏土.

本研究結(jié)果表明，深耕與秸稈還田均不同程度地提高了作物的產(chǎn)量，該結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[21,22].但深耕對(duì)作物產(chǎn)量的效應(yīng)受氣象條件和土壤質(zhì)地影響.連續(xù)2年鶴壁壤土上深耕與秸稈還田均不同程度地提高了作物的產(chǎn)量，但2010年漯河深耕處理的冬小麥產(chǎn)量比常規(guī)耕作低3.2%.這是因?yàn)榈?年深耕把底層生土過多地翻到表層，造成表層有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量低.同時(shí)，深耕將緊實(shí)的犁底層打碎形成大坷垃分布在耕層土壤中，不利于耕層土壤水分的保持和小麥根系的下扎，進(jìn)而對(duì)冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響.經(jīng)過一年的凍融交替和干濕交替，耕層中的坷垃自然破碎.因此，試驗(yàn)進(jìn)行第2年時(shí)，深耕處理的冬小麥產(chǎn)量均高于常規(guī)耕作.此外，2011年漯河深耕處理的夏玉米產(chǎn)量比常規(guī)耕作低11.5%.這是因?yàn)?011年漯河夏玉米生長季降水量過多，黏土深耕后易形成漬澇災(zāi)害.常規(guī)耕作因表層土壤緊實(shí)，過多雨水形成地表徑流而受災(zāi)較輕.因此，壤土上深耕與秸稈還田對(duì)作物的增產(chǎn)效果大于黏土.

綜合以上研究結(jié)果可以看出，深耕主要降低了壤土20～40 cm、黏土20～30 cm土層的土壤容重，但增加了黏土0～20 cm土層的土壤容重；秸稈還田降低了壤土10～20 cm土層的土壤三相比R值；且壤土上深耕與秸稈還田的增產(chǎn)效果大于黏土.故深耕與秸稈還田對(duì)壤土物理性狀的改良效果和對(duì)作物的增產(chǎn)效果優(yōu)于黏土.

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