施用粉煤灰和有機肥對土壤溫度和玉米生長發(fā)育及水分利用效率的影響

龐 喆， 張衛(wèi)華， 孫增慧， 馬增輝

(陜西省土地工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司/陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司/國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室/陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西西安 710075)

在我國快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的背景下，山地丘陵區(qū)農(nóng)村空心化問題日益突出，嚴(yán)重阻礙了該區(qū)的農(nóng)村發(fā)展和人居環(huán)境改善。農(nóng)村空心化是城鄉(xiāng)發(fā)展轉(zhuǎn)型進程中鄉(xiāng)村人地關(guān)系地域系統(tǒng)演化的一種不良現(xiàn)象[1]，深入開展山地丘陵空心村綜合土地整治，是實現(xiàn)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展、新農(nóng)村建設(shè)的重要基礎(chǔ)[2]。研究表明，我國空心村整治潛力巨大，通過構(gòu)建完善的農(nóng)村人口轉(zhuǎn)移機制、宅基地退出與盤活機制，全國空心村綜合整治潛力可提高到758萬hm2[3]。開展山地丘陵空心村土地綜合整治，不僅能夠增加可用耕地的面積，更能夠改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營，促進鄉(xiāng)村區(qū)域經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。山地丘陵區(qū)空心村的分布較為分散、水利設(shè)施不便利，在山地丘陵空心村土地整治過程中，水資源是制約山地丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，因此研究不同還田材料對土壤溫度、作物生長和水分利用效率的影響，選擇經(jīng)濟、便利、效果顯著的還田材料，對于實現(xiàn)山地丘陵地區(qū)空心村的綜合整治具有重要的意義。

通過對各類還田材料的分布、數(shù)量、理化性質(zhì)、見效周期、病蟲害、污染風(fēng)險、價格成本、推廣難度等多方面綜合評價，發(fā)現(xiàn)粉煤灰的農(nóng)業(yè)利用具有投資少、容量大、見效快等特點，其養(yǎng)分含量與黃褐土的化學(xué)成分及營養(yǎng)成分基本相同，僅氮含量偏低[4]，同時，粉煤灰中的硅酸鹽礦物質(zhì)和炭粒具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于降低土壤容重，提高孔隙度，提高地溫[5]，縮小土壤膨脹率[6]，有利于植物根部加速對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分泌物的排出，促進植物生長；在粉煤灰的使用過程中，粉煤灰中的金屬離子對土壤環(huán)境的二次污染不容忽視，國外研究證明，施用量≤土壤質(zhì)量的10%時，不會造成作物的毒害[7-8]。國內(nèi)的相關(guān)試驗結(jié)果也表明[5]，根據(jù)土壤質(zhì)地施加粉煤灰的量在60～600 t/hm2時，土壤及糧食作物中有害元素未達到污染程度。有機肥在提高土壤養(yǎng)分的同時還能改善土壤理化性質(zhì)，平衡養(yǎng)分，培肥土壤[8]，且分布廣泛、易于制取，使用成本低。本試驗選取這2種還田材料進行深入研究。

在研究不同還田材料對土壤水分利用效率、產(chǎn)量影響過程中發(fā)現(xiàn)，土壤水分含量、土壤溫度的剖面分布特征對根系水分吸收具有重要的影響，在一定溫度范圍(不高于30 ℃)內(nèi)，土壤溫度的提升可使根系吸水增加30%左右，而且短時間內(nèi)的升溫對根系吸水能力的提升效果尤為明顯[9-10]。所以，土壤溫度所引起的根系吸水差異對水分利用效率的影響不容忽視。本研究在對土壤水分、溫度監(jiān)測的基礎(chǔ)上，觀察各種還田材料施配作用下的作物株高、產(chǎn)量等因素，分析探討不同還田材料對土壤溫度、作物生長及水分利用效率的影響，以期預(yù)選出空心村土地整治過程中合適的還田材料。

1 材料與方法

1.1 培肥材料與土壤

試驗小區(qū)設(shè)置以空心村土地整治工程為背景，模擬黃土丘陵地區(qū)空心村廢棄宅基地整治還田狀況，選擇粉煤灰、有機肥作為培肥材料。土壤剖面中30 cm以下部分為原狀土，0～30 cm為回填土且培肥材料主要施用和混合于本層，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 處理方法

試驗小區(qū)設(shè)在國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平試驗基地，試驗于2015年6月初開始。首先將表層30 cm土層剝離，小區(qū)周圍砌墻，高度為40 cm，其中 10 cm 露出地表。其次將生土回填，回填之前將地面刮毛，回填厚度為30 cm，容重控制在1.5～1.6 g/cm3。最后將培肥材料均勻施用在地表，人工混合均勻。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

試驗設(shè)計考慮有機肥、粉煤灰以及二者混合施用3種培肥處理，另設(shè)計無培肥對照處理，分別設(shè)置2個重復(fù)，共8個小區(qū)，小區(qū)面積4.48 m2，試驗設(shè)計見表2。供試玉米品種為先玉335，播種量為60 000株/hm2，穴播，所有處理在播種前均配施復(fù)合肥2 250 kg/hm2。第1季夏玉米于2015年6月15日播種，2015年10月5日收獲；第2季夏玉米于2016年6月5日播種，2016年10月6日收獲。試驗期間記錄作物的生長發(fā)育情況，主要包括株高、作物產(chǎn)量等；記錄氣象數(shù)據(jù)，主要包括降雨量和蒸發(fā)量等；記錄田間管理情況，包括灌溉(灌溉時間和灌溉量)、追肥(施肥時間和施肥量)等。

表2 試驗設(shè)計

1.3 測定項目

土壤：主要測定土壤水分和土壤溫度；作物：主要測定作物株高和產(chǎn)量。

土壤含水量測定：測定0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90、90～105 cm 土層的土壤體積含水量，每2周取土樣測定1次。試驗小區(qū)于2015年8月28日安裝時域反射儀(TDR)，對各個層次的土壤含水量進行連續(xù)測定，每 10 min 測量1次，記錄數(shù)據(jù)的頻率為1次/h。

玉米產(chǎn)量計算：為防止邊際效應(yīng)的影響，在每個小區(qū)內(nèi)(除邊緣0.5 m)取2行，脫粒，風(fēng)干，稱質(zhì)量，計算換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量(14%)下作物產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰和有機肥施用對土壤溫度的影響

對試驗小區(qū)不同處理下的土層溫度進行實時監(jiān)測和記錄，分析不同處理下的土壤溫度差異。從圖1、圖2可以看出，添加了粉煤灰的TC、TFC處理均提高了土壤表層7.5 cm處溫度，其中TC處理較T0處理平均提高了0.6 ℃，TFC處理提高了0.8 ℃，而沒有添加粉煤灰的TF處理提高了0.3 ℃。這可能是由于粉煤灰的顏色較深，增強了土壤對太陽輻射的吸收能力。另外，在玉米的主要生長周期(6—10月)內(nèi)，土壤表層日均溫度分布大多在30 ℃以下，在此溫度范圍內(nèi)，土壤溫度的提升對根系吸水效率有顯著的提升作用。

2.2 粉煤灰和有機肥施用對株高的影響

使用不同的還田材料，是為了提升土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，在2季作物的生長過程中，不同材料對作物的株高影響見圖3。在土壤整治還田過程中，有機肥和粉煤灰的使用能夠提高玉米的株高，其中粉煤灰和有機肥配合處理對玉米生長的促進作用最好。

2.3 粉煤灰和有機肥施用對產(chǎn)量的影響

TC處理與T0處理相比未能明顯提高作物的產(chǎn)量，而TF、TFC相對于T0明顯提高了作物的產(chǎn)量。有機肥和粉煤灰的配合使用在所有處理中的產(chǎn)量達到最高。2015年TFC相對于T0處理提高了52%；2016年TFC處理相對于T0處理僅提高了23%(圖4)。說明對于空心村廢棄宅基地土地整治而言，單一措施不能夠滿足土壤改良的需要，只有多種改良措施的相互配合才能夠快速地提高土壤的肥力，并取得良好的產(chǎn)量。

2.4 粉煤灰和有機肥施用對土壤水分利用效率的影響

在開展空心村新增耕地肥力提升技術(shù)研究的過程中，由于山地丘陵區(qū)空心村的分布較為分散、水利設(shè)施不便利，研究不同還田材料對土壤水分利用效率的影響至關(guān)重要。不同的培肥措施對土壤含水量變化產(chǎn)生了明顯的影響，且土壤貯水量是土壤含水量的主要表征(圖5、圖6)。黃土高原地下水位較深，因此作物根系層的土壤水分狀況受地下水的影響可以忽略。土壤水分狀況主要受到自然降水、灌溉和作物蒸散的影響。本研究主要用于評估不同還田材料對作物生長的影響，采用傳統(tǒng)種植方式進行常規(guī)灌溉，不同處理間的土壤貯水量變化規(guī)律趨于一致。

依據(jù)作物生長周期的含水量變化計算土壤的貯水量，根據(jù)土壤貯水量、灌溉、降雨情況，計算作物生長周期中的耗水量，每日貯水量之差所計算的蒸發(fā)量再加上灌溉量和降雨量來計算每種處理下的耗水量。結(jié)合不同處理間的作物產(chǎn)量，計算出不同處理間的水分利用效率(表3)。

結(jié)果表明，不同處理間的水分利用效率差異較大。耗水量差異是由于不同處理的末端土壤含水量變化所致，不同的耗水量和產(chǎn)量最終導(dǎo)致各處理土壤水分利用效率。2015年對照處理的水分利用效率和只添加粉煤灰的TC處理差異不明顯，且利用效率較低，添加有機肥的水分利用效率明顯高于對照處理，為17.41 kg/(hm2·mm)；2016年，TC和TF處理均明顯高于對照處理，但水分利用率不高，為15.49、13.99 kg/(hm2·mm)；而添加了粉煤灰和有機肥的TFC處理的水分利用效率均最大，2015年為23.52 kg/(hm2·mm)，2016年為18.27 kg/(hm2·mm)，顯著高于其他3種處理。

表3 不同年份玉米的耗水量及水分利用效率

3 討論與結(jié)論

3.1 粉煤灰和有機肥施用對土壤溫度的影響

土壤溫度在作物生長發(fā)育、土壤中水鹽運移、土壤碳平衡等方面有很重要的意義。在本試驗中添加了粉煤灰的TC、TFC處理均提高了土壤表層7.5 cm處的溫度，粉煤灰和有機肥混合施用的TFC處理表層溫度提升最高，平均提升 0.8 ℃。在玉米的主要生長周期(6—10月)內(nèi)，土壤剖面溫度分布大多低于30 ℃，在此溫度范圍內(nèi)，土壤溫度的提升對根系吸水效率有顯著的提升。在春寒季節(jié)，地溫升高，在導(dǎo)熱性能差的黏質(zhì)土上施用適量的粉煤灰對春播作物爭取早出苗、早育苗奪高產(chǎn)具有一定的現(xiàn)實意義[11-12]。

粉煤灰和有機質(zhì)的混合施用提升了地溫，一方面是由于粉煤灰大多數(shù)為灰黑色，吸收太陽輻熱，增強土壤吸熱能力，從而提高地溫；另一方面粉煤灰能夠改變土壤的氧化還原狀態(tài)。其中，最活躍的鐵礦在逐漸水解氧化成赤鐵礦時釋放出169.35 J/mol的熱量，進一步轉(zhuǎn)變?yōu)槔w鐵礦，又釋放出 44.75 J/mol 的熱量[11]。礦物的加速水解，釋放出大量的能量，加快了有機質(zhì)礦化和其氧化過程的進行，粉煤灰中磁性礦物的氧化水解和有機質(zhì)的氧化分解的加速，都有強烈的能量釋放，進一步提升了地溫。

地溫提高又促進了有機肥的分解和微生物的繁衍，促進了農(nóng)作物的呼吸、代謝過程，使土壤中氮、鉀和磷等養(yǎng)分的有效性增加，形成良性的水熱循環(huán)環(huán)境。

3.2 粉煤灰和有機肥施用對作物產(chǎn)量的影響

粉煤灰對作物品質(zhì)和產(chǎn)量有一定的促進作用；混合施用粉煤灰和有機肥，可使過氧化物酶、多酚氧化酶活性降低，抑制作物光呼吸作用，促進作物新陳代謝，有利于物質(zhì)的積累，從而增加作物的產(chǎn)量，也能使作物的硝酸還原酶活性提高，使有機質(zhì)氮的礦化、硝化作用增大，促進蛋白質(zhì)合成，提高作物品質(zhì)[13]。另外，土壤中施加土壤質(zhì)量為2%的粉煤灰，能顯著提高土壤呼吸作用，促進轉(zhuǎn)化酶活性，增強微生物活性，有利于土壤中各種生化反應(yīng)的進行，促進養(yǎng)分的釋放，加速土壤熟化[7]，加速土壤熟化正是空心村整治過程中土壤肥力提升的關(guān)鍵所在，進而提升作物產(chǎn)量。

在粉煤灰與有機肥混合施用下，粉煤灰改善了土壤結(jié)構(gòu)的同時，土壤中的碳氮含量減少，而有機肥的施用，正好彌補了這點。粉煤灰中磁性礦物的水解，釋放出大量的能量，加快了有機質(zhì)的礦化及其氧化過程，促進了農(nóng)作物的呼吸過程、代謝過程，增加了土壤中氮、鉀和磷等養(yǎng)分的有效性。同時，加快了有機肥在土壤中的腐殖化過程，使得肥效更加顯著，以提升作物產(chǎn)量。

3.3 粉煤灰和有機肥施用對土壤水分利用效率的影響

粉煤灰作為一種高度分散的微細(xì)顆粒集合體，是優(yōu)良的土壤改良劑，可以使土壤容重降低、持水能力增強，飽和導(dǎo)水率降低，并有效降低土壤薄膜水?dāng)嗔训目赡苄訹14-15]。粉煤灰與有機肥混合施用，改善了土壤結(jié)構(gòu)特性，使土壤凈光合速率升高的同時蒸騰速率同步降低，從而降低水分消耗，保持植物體內(nèi)水分含量促進植物生長[16]。土壤溫度提升對根系吸水效率有顯著的提升。在一定程度上增加了土壤水分利用效率，在水利設(shè)施不便利的環(huán)境中，提升土壤儲水性能，也進一步增加了作物的產(chǎn)量。

在山地丘陵區(qū)空心村整治的過程中，還田材料的選擇是關(guān)鍵，通過試驗對比，粉煤灰和有機肥混合施用表層溫度提升最高，平均提升0.8 ℃；2015年，玉米產(chǎn)量與對照處理提高52%，2016年提高23%；2015年TFC處理水分利用效率達23.52 kg/(hm2·mm)，2016年達18.27 kg/(hm2·mm)，顯著高于其他處理。從地溫提升、產(chǎn)量提高、土壤水分利用效率的提高等方面綜合考慮，粉煤灰和有機肥的混合施用效果最佳。