秸稈還田方式與灌溉量對土壤碳水環(huán)境和玉米產(chǎn)量的影響

高天平 張春 劉文濤 安振 寧堂原

摘要：通過防雨棚控水栽培池微區(qū)試驗(yàn)，探究不同秸稈還田方式和水分條件對土壤碳水環(huán)境及玉米產(chǎn)量的影響。試驗(yàn)設(shè)置兩種秸稈還田方式：秸稈地面覆蓋起微壟（溝壟高12～15 cm，壟作，R）和秸稈粉碎摻混土壤后平作（平作，F(xiàn)）;3種花后水分灌溉處理：田間持水量的75%～80%（水分充足，CK），65%～70%（輕度干旱，SD），55%～60%（干旱，D），探究它們對土壤有機(jī)碳和土壤含水量及玉米產(chǎn)量的影響及其交互作用。結(jié)果表明：在水分充足條件下平作還田方式更有利于秸稈保水作用，促進(jìn)有機(jī)碳的積累和產(chǎn)量形成，開花期FCK分別比FSD、FD增加土壤有機(jī)碳含量19.74%、34.81%;在干旱條件下壟作較平作秸稈還田處理更有利于土壤含水量的保持，開花期、灌漿期和收獲期RD土壤含水量較FD分別高10.48%、13.13%、8.21%。充足灌溉能夠顯著提高30 cm土層有機(jī)碳含量和土壤含水量，有利于產(chǎn)量的提高?？梢?，在干旱條件下，秸稈還田與微壟相結(jié)合有利于提高土壤碳含量，提高土壤含水量，并顯著增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：秸稈還田方式;灌溉量;土壤有機(jī)碳;土壤含水量;玉米產(chǎn)量

中圖分類號：S513.05??文獻(xiàn)標(biāo)識號：A??文章編號：1001-4942（2019）06-0108-05

Abstract?This experiment was conducted to explore the effects of different straw returning methods and post-flowering irrigation amount on soil carbon and water environment and maize yield in rain shelter cultivation ponds. The experiment consisted of two modes of straw returning： the 12～15-cm height micro ridge with straw buried （ridge， R） and wheat straw crushed and mixed into soil （flat F）， and three soil water treatments：75%～80% of field water holding capacity（water sufficient， CK）， 65%～70% of that （mild drought， SD） and 55%～60% of that （drought， D）. The effects of the two factors and their interactions were explored on soil organic carbon and water contents and maize yield. The results showed that under the condition of sufficient water， the method of straw returning to the field is more conducive to the water retention， promoting the accumulation of organic carbon and the formation of yield. At flowering stage， the FCK treatment increased the organic carbon content of soil by 19.74% and 34.81%， respectively， compared with FSD and FD. Under drought condition， the ridge treatment was more conducive to the maintenance of soil water content. The water content of RD at the flowering， filling and harvest stages was 10.48%， 13.13% and 8.21% higher than that of FD. In addition， under the well-watered irrigation conditions， the soil water content could be increased， which was more conducive to increasing yield. It could be seen that the combination of straw returing and micro-ridge was beneficial to improve soil carbon content under drought conditions， increase soil moisture content and significantly increase yield.

Keywords?Straw returning method; Amount of irrigation; Soil organic carbon; Soil water content; Maize yield

近年來，我國干旱災(zāi)害頻發(fā)，水資源日益短缺，節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。黃淮海種植區(qū)內(nèi)水資源總量較少，僅占全國平均水資源的7.6%，加之夏季氣溫較高，蒸發(fā)量大，土壤極易出現(xiàn)水分缺失，造成玉米灌漿后期田間土壤持水量下降，最終玉米產(chǎn)量難以繼續(xù)增長[1]。我國是作物秸稈生產(chǎn)大國，然而秸稈利用率卻極低。據(jù)統(tǒng)計我國年生產(chǎn)秸稈量約7億噸，其中直接被焚燒的約占30%，作為動物飼料利用的有30%，而直接還田的僅為總量的20%～30%[2-5]。大量試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用秸稈還田會對土壤理化性狀、碳水環(huán)境以及土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育，促進(jìn)作物產(chǎn)量提高[6-8]。但傳統(tǒng)秸稈還田具有病蟲害多發(fā)、影響土肥融合、降低出苗率等不良問題。壟溝種植模式是一種高效集雨模式，能調(diào)節(jié)自然降水分配，增加溝內(nèi)土壤含水量，提高水分利用效率，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[9-11]。

目前關(guān)于秸稈還田和壟溝種植模式的報道較多，但缺乏二者相結(jié)合的研究。本試驗(yàn)采用溝壟種植方式即把秸稈培壟行和種植行分開，以秸稈平作作為對照，研究不同水分條件下兩種秸稈還田方式（壟作和平作）對土壤有機(jī)碳含量、土壤含水量及玉米產(chǎn)量的影響，為實(shí)現(xiàn)秸稈資源和水分的高效利用提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)于2018年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水肥耦合研究試驗(yàn)站（36°10′N，117°09′E）控水栽培池（長×寬×深為3.0 m×3.0 m×2.4 m）進(jìn)行。栽培池多年用于冬小麥-夏玉米一年兩熟種植，池內(nèi)土壤理化性狀與各營養(yǎng)元素含量一致。玉米種植前，栽培池0～20 cm土層的養(yǎng)分含量：有機(jī)碳10.53 g·kg-1、全氮0.82 g·kg-1、速效磷211.27 mg·kg-1、速效鉀88.9 mg·kg-1、土壤容重1.4 g·cm-3。以常規(guī)尿素與控釋尿素按6∶?4比例溝施基肥，純氮225 kg·hm-2，P2O5、K2O各為150 kg·hm-2。供試玉米品種為鄭單958，密度為每公頃67 500 株。6月20日播種，10月8日收獲，生育期為110天。

花后控水，設(shè)3個灌溉梯度：田間持水量的75%～80%（水分充足，CK）、65%～70%（輕度干旱，SD）、55%～60%（干旱，D）。當(dāng)60%處理土壤濕度降至50%進(jìn)行補(bǔ)灌。兩種秸稈還田方式：秸稈壟作（溝壟高12～15 cm，R）和秸稈平作（秸稈翻入土壤約20 cm，F(xiàn)），秸稈還田量6 000 kg·hm-2。共6個處理，分別為平80（FCK），壟80（RCK），平70（FSD），壟70（RSD），平60（FD），壟60（RD）。田間試驗(yàn)設(shè)計示意圖見圖1。

1.2?樣品采集

玉米開花期、灌漿期、收獲期進(jìn)行土壤樣品采集，三個重復(fù)混合，按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm 共7個層次取樣，并按不同層次混合，將采集的土樣剔除掉巖屑及>2 mm的植物碎片和根系，風(fēng)干后過2 mm篩。

1.3?測定項(xiàng)目及方法

土壤有機(jī)碳：用重鉻酸鉀濕氧化法[12]測定。

土壤含水量：烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素：每個栽培池選取10株，每個處理三次重復(fù)，進(jìn)行室內(nèi)考種，包括穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重。

1.4?數(shù)據(jù)分析與處理

用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析，SigmaPlot 10.0 軟件作圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?秸稈還田方式與灌溉量對土壤有機(jī)碳含量的影響

由表1可以看出，各個處理土壤有機(jī)碳含量隨生育期推進(jìn)不同土層的變化趨勢不同。各處理在0～10 cm土層，土壤有機(jī)碳含量隨著生育進(jìn)程呈現(xiàn)降低趨勢，開花期至收獲期0～10 cm土壤有機(jī)碳含量的減少量表現(xiàn)為CK>SD>D，F(xiàn)CK減少量最大;而10～20 cm土層表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢，開花期至收獲期各處理有機(jī)碳的減少量較小，RD處理土壤有機(jī)碳含量增加;20～30 cm土層土壤有機(jī)碳隨著生育進(jìn)程呈增加趨勢，各個水分條件下土壤有機(jī)碳增加量均表現(xiàn)為R高于F。

在灌水梯度上，0～30 cm土層整個生育期土壤有機(jī)碳含量為CK>SD>D，開花期FCK分別比FSD、FD增加土壤有機(jī)碳含量19.74%、34.81%。在秸稈還田方式上，各個水分梯度下R與F對土壤有機(jī)碳含量的影響有差異性，CK處理在0～10 cm土層整個生育期表現(xiàn)為F高于R，D處理則表現(xiàn)為R高于F。

2.2?秸稈還田方式與灌溉量對土壤含水量的影響

2.2.1?開花期?在同一秸稈還田方式下，CK的0～100 cm土層土壤含水量顯著高于D處理;CK比SD高9.7%，兩者間差異不顯著（圖2）。不同秸稈還田方式在各個水分梯度下對土壤質(zhì)量含水量的影響不同，主要體現(xiàn)在0～30 cm土層：在0～10 cm土層，F(xiàn)CK比RCK高7.67%，其他處理差異較小;在10～20 cm土層，RD較FD顯著增加10.48%;在20～30 cm土層，RD較FD顯著增加34.09%，而RSD比FSD高6.38%。

2.2.2?灌漿期?灌漿期同一秸稈還田方式下水分對土壤含水量的影響規(guī)律與開花期基本一致（圖3）。在0～100 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為CK處理和SD處理顯著高于D處理;CK比SD高15.8%，兩者間差異不顯著。不同秸稈還田方式在各個水分梯度下對土壤含水量的影響也主要表現(xiàn)在0～30 cm土層。0～30 cm土層，RD較FD處理土壤含水量顯著增加13.13%;FCK較RCK顯著增加7.1%;SD處理不同還田方式土壤含水量差異不顯著。

2.2.3?收獲期?由圖4可以看出，同一秸稈還田方式下，收獲期不同水分利用方式在0～100 cm土層對土壤含水量的影響仍然表現(xiàn)為CK處理和SD處理顯著高于D處理;CK比SD高9.8%，兩者間差異不顯著。不同秸稈還田方式對各水分梯度下土壤含水量的影響在不同土層表現(xiàn)存在差異。RD在0～10 cm土層較FD土壤含水量顯著增加8.21%，在10～20 cm土層顯著下降;RCK比FCK在30～60 cm土層土壤含水量顯著增加，在0～30 cm土層差異不顯著。

2.3?秸稈還田和灌溉量對產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

從表2可以看出，不同水分灌溉梯度對產(chǎn)量影響表現(xiàn)為CK>SD>D。不同秸稈還田方式在各個水分梯度下產(chǎn)量表現(xiàn)不同，F(xiàn)CK較RCK產(chǎn)量顯著增加7.71%;但FD處理顯著低于RD處理，RD產(chǎn)量比FD高5.74%，而RSD比FSD高4.58%。這種現(xiàn)象可能是由于秸稈還田方式在不同水分條件下對穗粒數(shù)和千粒重影響造成的。FCK較RCK穗粒數(shù)顯著提高6.38%，而RD較FD顯著增加5.11%，SD處理兩種秸稈還田方式下差異不顯著。穗粒數(shù)的差異可能與禿尖長度有關(guān)，F(xiàn)D禿尖長比RD高10.59%，F(xiàn)CK禿尖長比RCK低7.23%。千粒重表現(xiàn)為CK>SD>D，CK較D顯著提高15.04%。

3?討論

秸稈還田和種植方式顯著影響土壤含水量[5]。劉晶晶、賈亮等研究表明，有機(jī)物的保水作用建立在一定的土壤含水量基礎(chǔ)上。還田的作物秸稈在土壤相對含水量較高（SWC>70%～80%）條件下往往能起到較好的保水效果，而在較低土壤含水量（SWC<60%～55%）條件下其保水能力則不明顯[13，14]。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致：在水分充足條件下，平作土壤含水量、有機(jī)碳含量和產(chǎn)量顯著高于壟作;在干旱條件下，壟作土壤含水量、有機(jī)碳含量和產(chǎn)量優(yōu)于平作?？赡苁怯捎趬抛鳒p少了行間蒸發(fā)，增加溝內(nèi)水分入滲，改變了土壤水分的空間分布，緩解土壤干旱，降低減產(chǎn)幅度。

秸稈還田會通過提高土壤碳含量、改善土壤質(zhì)量，提高土壤蓄水能力，緩解干旱對作物的不良影響[6，7]。灌溉能夠顯著增加作物的生物量和產(chǎn)量，生物量的提高會產(chǎn)生大量的根系和植株體還田，一定程度上起到碳?xì)w還的效果[15]。本研究結(jié)果表明，隨生育進(jìn)程，灌溉會逐漸降低表層土壤有機(jī)碳含量，提高20～30 cm有機(jī)碳含量，且表層土壤有機(jī)碳含量在開花期至收獲期均表現(xiàn)為充分灌溉處理的較高。水分充足條件下，較高的有機(jī)碳?xì)w還量和較低的有機(jī)碳礦化速率可能是造成表層碳含量較高的原因。

土壤含水量也影響還田秸稈分解，從而影響土壤碳含量。吳俊松等[16]研究表明，灌溉量可以顯著影響土壤含水量和土壤貯水量，隨著灌溉量的增加，土壤含水量和土壤貯水量增加，蒸散量也隨之增加，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。灌溉會影響土壤有機(jī)碳含量和空間分布。同一土層的土壤有機(jī)碳含量隨著灌溉量的增加而增加，即CK>SD>D。這與楊振權(quán)[17]和劉振香[18]等的研究結(jié)果一致。

4?結(jié)論

在干旱條件下采用地面微起壟的秸稈還田方式有利于保持土壤持水量，可抑制田間蒸發(fā)，增加溝內(nèi)水分入滲，促進(jìn)壟內(nèi)秸稈腐解，有利于有機(jī)碳的積累，同時緩解干旱脅迫。灌溉能增加土壤含水量。充足的水分更有利于發(fā)揮秸稈保水作用且能夠促進(jìn)有機(jī)物料的分解，有利于有機(jī)碳的積累和產(chǎn)量形成。總之，在干旱條件下，秸稈還田與微壟相結(jié)合有利于提高土壤有機(jī)碳和水含量，并顯著增產(chǎn)。

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