甘肅中東部旱區(qū)秸稈還田量對土壤水分、玉米生物性狀及產(chǎn)量的影響

高　飛，崔增團，孫淑梅，郭世乾，付親民

(甘肅省農(nóng)業(yè)節(jié)水與土壤肥料管理總站， 甘肅 蘭州 730020)

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甘肅中東部旱區(qū)秸稈還田量對土壤水分、玉米生物性狀及產(chǎn)量的影響

高飛，崔增團，孫淑梅，郭世乾，付親民

(甘肅省農(nóng)業(yè)節(jié)水與土壤肥料管理總站， 甘肅 蘭州 730020)

在甘肅省安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)的旱川地上通過大田試驗研究了不同秸稈還田量對玉米關(guān)鍵生育期土壤水分、生物性狀及產(chǎn)量的影響。試驗設(shè)計為三個秸稈還田量水平，分別為100%玉米秸稈(10 500 kg·hm-2)粉碎還田、75%玉米秸稈(7 875 kg·hm-2)粉碎還田、50%玉米秸稈(5 250 kg·hm-2)粉碎還田，對照為秸稈不還田。每個處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列,玉米秸稈粉碎后均勻翻埋至0～25 cm的土層。結(jié)果表明：播前各還田處理0～200 cm土層土壤含水量均較CK有所提高，秸稈還田量由高到低，土壤含水量平均分別提高2.0%、2.8%和1.9%，但不同還田量之間差異不顯著；玉米株高、莖粗和葉面積較對照顯著增加(P<0.05)；100%、75%和50%等三個不同秸稈還田量處理的玉米產(chǎn)量較對照分別提高10.3%、5.7%和3.7%，玉米水分利用效率(WUE)較對照分別提高9.2%、4.9%和3.1%。秸稈還田措施可提高土壤的保墑貯水能力，促進作物生長，增加產(chǎn)量，提高水分利用效率。

秸稈還田;土壤水分;玉米生物性狀;甘肅中東部旱區(qū)

近年來，甘肅省中東部旱區(qū)由于化肥、農(nóng)藥及地膜施用量逐年加大，土壤理化性狀逐漸惡化，土壤有機質(zhì)含量不斷下降，致使土壤貯蓄天然降水的能力變?nèi)?、耕地質(zhì)量等級下降，限制了作物增產(chǎn)的潛力[1-2]。實行秸稈還田能改善土壤理化性狀,補充土壤養(yǎng)分,增加土壤團粒體，改進土壤滲水性,是作物生產(chǎn)中節(jié)水保墑、增加作物產(chǎn)量和提高水分利用效率的有效措施[3-6]。同時，通過秸稈還田，可充分利用秸稈資源,減輕焚燒秸稈對生態(tài)環(huán)境的不利影響，也是發(fā)展有機可持續(xù)農(nóng)業(yè)的一條有效途徑。關(guān)于秸稈還田的研究[7-12]，已經(jīng)取得了一定進展。李有兵[13]等研究表明，在秸稈還田條件下，15%減量施N對作物養(yǎng)分含量和吸收量影響相對較小。30%減量施N會顯著降低小麥和玉米秸稈N含量，N、K攜出量，籽粒 N和秸稈N、K周年總吸收量。長期來看，30%減量施N處理有造成土壤N素虧缺的風(fēng)險。杜守宇稱[14]，秸稈還田可減輕雨水對土壤的拍打沖擊淋洗，保持表土不被壓實而下沉，并可以消除陽光曝曬而引起的表土硬結(jié)龜裂，使土壤保持良好的結(jié)構(gòu)；更為重要的是秸稈還田后增加了土壤有機質(zhì)，土壤中腐殖質(zhì)與團粒結(jié)構(gòu)的比重大大增加，容重下降，穩(wěn)水保肥性能增強，為土壤良好結(jié)構(gòu)的形成奠定了基礎(chǔ)。前人的研究雖然已基本明確秸稈還田對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響以及對改良土壤的重要作用，但關(guān)于不同秸稈還田量對甘肅干旱區(qū)玉米的生長和關(guān)鍵生育時期土壤水分變化的影響研究還少見報道。

據(jù)此,本研究在甘肅中東部旱區(qū)定位設(shè)置了不同秸稈還田量試驗，對土壤水分、玉米生長的影響進行了分析，為秸稈還田技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2013—2014年設(shè)在安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)景家口村(位于甘肅中東部旱區(qū))的旱川地中進行。該地土壤類型為黑麻壚土，試驗地海拔2 030 m，氣候干燥，蒸發(fā)強烈，年平均降雨量360 mm，降雨多集中在7—9三個月，蒸發(fā)量1 500 mm，無霜期141天。年平均氣溫6.5℃，≥10℃有效積溫2 239.1℃，播前采樣化驗耕層土壤(0～20 cm)有機質(zhì)含量11.521 g·kg-1，速效氮128 mg·kg-1，速效磷11.24 mg·kg-1，速效鉀378 mg·kg-1，試驗地前茬作物為玉米。

1.2試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個處理，處理G：收獲后100%玉米秸稈10 500 kg·hm-2粉碎還田、處理Z：收獲后75%玉米秸稈7 875 kg·hm-2粉碎還田、處理D：收獲后50%玉米秸稈5 250 kg·hm-2粉碎還田，對照為秸稈不還田。每個處理設(shè)3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為(6 m×10 m)60 m2。秸稈被粉碎機打碎成5 cm左右的小段，均勻翻埋至不同處理小區(qū)25 cm左右深度的土層。2013年試驗地前茬作物為玉米，收獲玉米籽粒后，10月20日將玉米秸稈粉碎按試驗設(shè)置要求進行秸稈還田，10月29日起壟鋪膜，大壟寬70 cm，壟高10 cm，小壟寬40 cm，壟高15 cm，全膜覆蓋；2014年4月17日壟溝內(nèi)穴播點種，品種為沈單16，處理及對照播前均施用575 kg·hm-2過磷酸鈣和450 kg·hm-2尿素，密度5.25 萬株·hm-2，10月11日收獲。玉米全生育期降雨量為474.8 mm，較常年同期偏多26%。

1.3計算方法

1.3.1土壤水分含量的測定土壤水分含量測定深度為0～200 cm土層,取樣方法為每0～20 cm取1個土樣,測定時間為玉米播種期、生長各階段及收獲期，,每次測定3次重復(fù)，采用烘干法測定。

1.3.2土壤貯水量的計算：

W=h×a×b×10/100

式中，W為土壤貯水量(mm)，h土層深度(cm)，a土壤容重(g·cm-3)，b土壤含水量(質(zhì)量%)。其中土壤容重使用環(huán)刀法測定。

1.3.3土壤耗水量的計算：

ETa=W1-W2+P

式中，ETa為土壤耗水量(mm)，W1播前土貯水量(mm)，W2收獲后的貯水量(mm)，P生育期有效降水量(mm)，式中土壤貯水量及耗水量均以2m土層含水量計算。

1.3.4水分利用效率：

WUE=Y/ETa

式中，WUE為水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)，Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3.5株高、徑粗和葉面積的測定每小區(qū)選5株有代表性、長勢一致植株進行掛牌標記,從進入拔節(jié)期開始,在各生育時期測單株株高、徑粗和葉面積。葉面積測定方法采用系數(shù)法,即單葉面積=葉片中脈長度(cm)×葉片最大寬度(cm)×系數(shù)(0.75)，株高(cm)采用卷尺測量，徑粗(cm)采用游標卡尺測量。

1.3.6產(chǎn)量因素的測定測定項目為收獲后玉米產(chǎn)量及穗部性狀(千粒重、穗粒數(shù)、穗長及穗粗)，數(shù)據(jù)結(jié)果為3次重復(fù)的平均值。

1.4統(tǒng)計方法

用DPS6.55處理軟件進行樣本方差分析及Duncan’s新復(fù)極差檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理下玉米各生長階段的土壤水分含量變化

圖1表明的是2014年玉米全生育期0～200 cm土層土壤水分的動態(tài)變化。播前各還田處理0～200 cm土層土壤含水量均較CK有所提高，秸稈還田量由高到低，土壤含水量平均分別提高2.0%、2.8%、1.9%。秸稈還田處理與對照之間土壤貯水量差異不顯著(P>0.05)。隨著玉米生育進程的推移，玉米生長耗水增加，各處理土壤貯水量較對照呈現(xiàn)下降趨勢。由圖1可以看出，在玉米苗期，隨秸稈還田量由高到低，0～200 cm土層的土壤平均含水量分別較CK提高5.0%、3.9%、2.5%，但各秸稈還田處理間無顯著差異(P>0.05)；抽雄期0～200 cm土層土壤平均含水量分別較CK提高8.8%、12.0%、10.6%，100%秸稈還田處理與對照間差異顯著(P<0.05)。玉米進入灌漿期，生殖生長旺盛，耗水強度較大，同時當(dāng)?shù)赜晁藭r也較為豐沛。在降雨前取土樣經(jīng)過烘干法測定，隨秸稈還田量由高到低，灌漿期0～200 cm土層土壤平均含水量分別較CK提高2.9%、3.8%、2.4%；收獲期0～200 cm土層土壤平均含水量分別較CK顯著提高4.5%、7.7%、6.3%(P<0.05)。土壤貯水量在玉米生長旺盛生育時期(拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期)，由于還田處理玉米生長旺盛需水量較大所以土壤貯水量有小于CK對照的趨勢。

2.2玉米植株的農(nóng)藝性狀變化

2.2.1玉米株高由圖2可見，不同還田處理的玉米株高動態(tài)變化均呈先增高后趨向平穩(wěn)的變化態(tài)勢。秸稈還田處理的玉米株高在苗期和抽穗期明顯高于對照(P<0.05)，在玉米抽穗期100%秸稈還田、75%秸稈還田和50%秸稈還田處理株高較對照分別高33.4、22.2、9.8 cm；玉米播種后,全生育期100%秸稈還田、75%秸稈還田和50%秸稈還田處理下平均株高較對照高20.15%、13.16%和8.18%。

2.2.2玉米莖粗由圖3可見，不同還田處理下，喇叭口期100%秸稈還田、75%秸稈還田處理的玉米莖粗與對照差異顯著，50%秸稈還田處理玉米莖粗與對照差異不顯著(P<0.05)。在玉米全生育期，喇叭口期的莖粗變化最為明顯，100%秸稈還田、75%秸稈還田處理的莖粗都顯著大于對照，分別高出對照62.74%、40.25%。

圖1　不同還田量處理對玉米全生育時期0～200 cm土層土壤水分變化的影響

圖2　玉米株高動態(tài)

圖3玉米徑粗動態(tài)

Fig.3Corn stem diameter dynamics

2.2.3玉米葉面積由圖4可見，不同秸稈還田量處理下，在苗期和喇叭口期，玉米單株葉面積明顯大于對照且差異顯著(P<0.05)。全生育期100%秸稈還田、75%秸稈還田和50%秸稈還田處理下玉米單株葉面積平均較對照大21.14%、12.21%和6.17%。

圖4玉米葉面積動態(tài)

Fig.4Corn leaf area dynamics

2.3玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀

對3種不同還田量處理下的玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀的分析結(jié)果表明(表1)，不同秸稈還田處理對玉米穗長無明顯影響。100%秸稈還田處理顯著增加了玉米千粒重、穗粒數(shù)、穗粗等，較對照分別增加11.3%、33.4%和11.2%。

表1　玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素及穗部性狀

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達5%顯著水平，下同。

Note: The data in the same column followed by different small letters mean significantly different atP<0.05 level, and hereinafter.

2.4玉米產(chǎn)量和水分利用效率

如表2所示，經(jīng)過測產(chǎn)后，100%秸稈還田處理玉米產(chǎn)量最高，達8 330.5 kg·hm-2，其次為75%秸稈還田處理和50%秸稈還田處理，分別較對照提高10.3%、5.7%和3.7%，不同秸稈還田量處理玉米產(chǎn)量與對照相比差異均達到顯著水平，100%秸稈還田處理與其余兩種還田處理間存在明顯差異，而75%秸稈還田處理與50%秸稈還田處理之間差異不明顯(P>0.05)。隨秸稈還田量水平不同，秸稈還田處理玉米水分利用效率較CK分別提高9.2%、4.9%和3.1%，秸稈還田處理水分利用效率與對照相比差異不顯著(P>0.05)。

表2　玉米產(chǎn)量及水分利用效率

3　討論與結(jié)論

秸稈還田可以形成良好團聚體結(jié)構(gòu)的土壤，具有高度的孔隙性、持水性和通透性，還可以提高土壤有機質(zhì)含量、優(yōu)化土壤物理性狀，在植物生長期間能很好的調(diào)節(jié)植物對水、肥、氣、熱諸因素的需要，為作物高產(chǎn)提供了保證[15-18]。相關(guān)研究同時表明，長期施用秸稈對土壤微生物環(huán)境也有改良作用，秸稈還田能夠使0～40 cm土層細菌、真菌、放線菌群體數(shù)量明顯增加，有效增加土壤微生物C源供給，有利于土壤的可持續(xù)發(fā)展[19-21]。通過本試驗可知，秸稈還田處理可以提高播前0～200 cm土層土壤貯水量，隨還田量的不同而不同；在玉米出苗到拔節(jié)期還田處理較對照土壤貯水量有不同程度增加。從拔節(jié)到灌漿期，各處理的土壤貯水量較對照有所下降，該時段秸稈還田處理的玉米株高、單株葉面積和玉米莖粗較對照增長幅度顯著，其土壤貯水量低于對照可能與玉米旺盛生長消耗較多水分有關(guān)；在玉米生長后期，秸稈腐解過程基本結(jié)束，且進入當(dāng)?shù)赜昙?，降水較多，秸稈還田處理的保墑貯水能力得以體現(xiàn)，改善了土壤水分狀況，因而表現(xiàn)出秸稈還田處理較對照土壤貯水量增加的態(tài)勢。

并非秸稈還田量越多越有利于土壤理化性狀和保墑貯水能力的改善。吳菲研究結(jié)果表明，秸稈還田后對土壤水分性狀的影響具有雙重性[22]：初期秸稈腐解過程消耗大量水分，產(chǎn)生與作物爭奪水分的現(xiàn)象；腐解過程結(jié)束后，由于秸稈還田增加了土壤的保水性，因而有利于土壤水分狀況的改善和土壤含水量的增加。在不同土壤條件和氣候條件下，秸稈的完全腐解時期延續(xù)的長短不同。在本研究中，經(jīng)過一年的還田試驗，大部分秸稈已經(jīng)得到腐解(這可能與全膜覆蓋導(dǎo)致地溫上升，同時試驗當(dāng)年雨水充足有關(guān))，因而改善了土壤的水分狀況，秸稈還田量的多少與玉米的產(chǎn)量、株高、徑粗、葉面積等指標存在一定的相關(guān)性。

試驗表明，100%秸稈還田處理玉米產(chǎn)量最高，為8 330.5 kg·hm-2，較對照產(chǎn)量顯著提高，增幅為10.3%。這是由于秸稈還田措施提高了土壤貯水量，促進了玉米的生長，增加了玉米單株葉面積，進而增強了植物的光合作用，同時還田措施還增加了土壤的微生物含量，從而使土壤酶的活性顯著提高，加速土壤礦質(zhì)養(yǎng)分和土壤有機質(zhì)養(yǎng)分的分解利用，為玉米生長發(fā)育提供了充足的養(yǎng)分供應(yīng)，最終使玉米的產(chǎn)量增加，水分利用效率提高。

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Effects of straw returning on soil water, biological traits and yield of maize in the eastern arid region of Gansu

GAO Fei, CUI Zeng-tuan, SUN Shu-mei, GUO Shi-qian, FU Qin-min

(Agricultural Water-saving and Soil fertility Management Station of Gansu, Lanzhou, Gansu 730020, China)

To investigate the effects of different straw returning treatments on the yield, soil water, and growth characteristics of corn during key growth period, a field experiment was conducted in the area of eastern Gansu province. The experiment of corn straw returning was implemented by three levels including 10 500 kg·hm-2(G), 7 875 kg·hm-2(Z), and 5 250 kg·hm-2(D). The control treatment had no straw returning. Each treatment contained three replicates. With a completely randomized block arrangement, straw was chopped at the length about 5 cm and was uniformly buried in the 25 cm soil layer. The results showed that compared with the control treatment, the average soil moisture in the 0～200 cm soil layer was significantly increased by 2.0%, 2.8% and 1.9% by G, Z and D treatments, respectively. The differences were not significant between different straw returning treatments. Compared with CK, maize height, stem diameter and leaf area had been significantly increased (P<0.05) by 100% to 50%. Also, grain yield of corn was increased by 10.3%, 5.7% and 3.7%, respectively; WUE of corn was increased by 9.2%, 4.9% and 3.1%, respectively. The results indicated that straw returning treatments in the area of eastern Gansu province can increase WUE, ability of soil water storage and soil microbial content, improving soil physical and chemical properties and thereby increasing the yield of corn.

straw returning; soil moisture; corn biological traits; arid region in eastern Gansu

1000-7601(2016)05-0074-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.11

2015-05-15

耕地保護與質(zhì)量提升項目甘財農(nóng)[2014]203號

高飛(1982—)，男，山西侯馬人，碩士，主要從事耕地質(zhì)量保護與提升技術(shù)的研究和應(yīng)用推廣。 E-mail：gsnywatergfei@163.com。

崔增團(1963—)，男，陜西華陰縣人，推廣研究員,主要從事農(nóng)田節(jié)水和土壤肥料技術(shù)的應(yīng)用推廣和研究。 E-mail：gsnywater@163.com。

S343.1

A