保護(hù)性耕作下棉花-春玉米輪作對(duì)玉米田土壤性狀及水分利用效率的影響

柴玉坡，趙貴元，崔婧婧，郭 強(qiáng)

（1.道一河北農(nóng)作物研究有限公司，石家莊 050051；2.河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所，石家莊 050051；3.唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，河北 唐山 063001）

0 引 言

我國(guó)各種秸稈年產(chǎn)量約7.9億t，約占全世界的40%，除部分用作燃料、飼料和造紙外，大部分秸稈被焚燒[1,2]。隨著化肥用量逐漸減少，綠肥、廄肥等大幅增加，秸稈成為主要有機(jī)肥源之一[3]。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重要的培肥措施，秸稈還田不僅可以減少由于秸稈焚燒帶來(lái)的環(huán)境污染，還可以增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤物理與生物特性，增加土壤保水能力，返還土壤養(yǎng)分，節(jié)省肥料用量，達(dá)到保水保肥提高作物產(chǎn)量的目的[4-8]。我國(guó)棉花種植面積較大，棉花秸稈作為資源總量豐富的可再生資源，提高棉花秸稈利用率是改善土壤微生態(tài)環(huán)境和提高作物產(chǎn)量的重要因素[9-11]。近年來(lái)，圍繞秸稈還田對(duì)農(nóng)田理化特性以及作物生長(zhǎng)的影響研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[12-15]。秸稈還田配合適當(dāng)耕作措施能夠改良土壤，改善土壤理化特性，增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，降低土壤水分蒸發(fā)，提高作物水分利用效率。姜英等[16]研究證實(shí)，旋耕結(jié)合秸稈還田可以顯著促進(jìn)作物根系形態(tài)發(fā)育及耕層空間分布，促進(jìn)干物質(zhì)積累和分配特征優(yōu)化及成熟期干物質(zhì)向果穗的分配，達(dá)到提高春玉米產(chǎn)量的目的。王玉瓏等[17]研究表明，在干旱綠洲灌區(qū)小麥秸稈還田結(jié)合傳統(tǒng)翻耕有利于提高玉米葉面積指數(shù)，促進(jìn)干物質(zhì)積累，進(jìn)而提高玉米籽粒產(chǎn)量。郭強(qiáng)等[18]研究也表明，玉米秸稈還田配合翻耕能夠顯著增加0～30 cm 土層中速效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤孔隙度，減小土壤容重。

邯鄲市曲周縣是河北省種植棉大縣，棉花是該縣主要經(jīng)濟(jì)作物之一，全縣棉花種植面積約0.667 萬(wàn)hm2，該地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)嚴(yán)重依賴化學(xué)肥料，盲目施肥導(dǎo)致肥料浪費(fèi)和棉田耕地質(zhì)量下降，此外，個(gè)別地塊地下水硝酸鹽嚴(yán)重超標(biāo)，表明化學(xué)肥料投入過(guò)量[19]。秸稈還田配合耕作措施作為一種有效的土壤培肥方式，在該區(qū)域已開(kāi)始利用，然而由于秸稈類型以及后茬作物種類不同，秸稈還田對(duì)土壤理化特性、作物水分利用效率、作物產(chǎn)量的影響也不同[20,21]。雖耕作方式結(jié)合秸稈還田措施對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力方面的影響已有諸多報(bào)道[22-25]，然而關(guān)于棉花-玉米輪作下，棉花秸稈還田方式結(jié)合耕作措施對(duì)下茬玉米產(chǎn)量、水分利用效率以及土壤理化特性的影響鮮有報(bào)道。為此，本研究主要針對(duì)棉花主產(chǎn)區(qū)土壤化學(xué)肥料投入過(guò)多、水分利用效率低等問(wèn)題，通過(guò)棉花秸稈還田配合耕作措施，研究其對(duì)下茬玉米產(chǎn)量、水分利用效率、土壤理化特性的影響，以期為該區(qū)域作物高產(chǎn)及水分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行，該地位于邯鄲市曲周縣

槐橋鄉(xiāng)西漳頭村（36°28′N，114°07′E）。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13.1 ℃。7月份最熱，平均氣溫為26.8 ℃；1月份最冷，平均氣溫為-2.9 ℃。無(wú)霜期年平均201 d，10 ℃以上積溫4 472.0 ℃。2018-2021年平均降雨量為689.1 mm，降水主要集中在7-9月份，其分布情況如圖1所示。試驗(yàn)處理前供試土壤0～40 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比、堿解氮質(zhì)量比、有效磷質(zhì)量比、速效鉀質(zhì)量比、pH 值分別為8.9 g/kg、42.9 mg/kg、17.4 mg/kg、199.4 mg/kg、7.3，屬中低肥力水平土壤。

圖1 試驗(yàn)地降水情況Fig.1 Precipitation of the test site

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分別為秸稈還田和耕作方式。2018年開(kāi)始，試驗(yàn)在連續(xù)4 a“棉花-春玉米-棉花-春玉米”一年一熟輪作模式下進(jìn)行，每處理小區(qū)面積60 m2（10 m×6 m）。秸稈處理方式分為棉花秸稈還田（SR）和棉花秸稈不還田（NSR）。SR 即棉花收獲后，在晴天使用秸稈粉碎機(jī)將棉花秸稈全量粉碎至5 cm 左右的小段，均勻覆蓋至地表；NSR即棉花收獲后，將棉花秸稈全部從棉田中移出。本試驗(yàn)中，所有處理的玉米秸稈在玉米收獲后及時(shí)全部移除出玉米田。每年棉花秸稈處理后，立即實(shí)施以下3 種耕作措施：①免耕（NT），不采任何耕作措施，秸稈覆蓋或者裸地直接度過(guò)休閑期。②旋耕（RT），利用旋耕機(jī)旋地1 遍，作業(yè)深度20 cm，然后耙地2 遍。③深翻耕（PT），采用鏵式犁翻地1 遍，作業(yè)深度為40 cm，然后耙地2 遍。在2018-2021年試驗(yàn)期間，各處理小區(qū)的位置和處理方式均未改變。各處理小區(qū)的品種、施肥水平以及其他管理水平均相同，整個(gè)試驗(yàn)階段不進(jìn)行人工灌水。

本試驗(yàn)中，棉花和玉米的施肥量均為N160 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 95 kg/hm2(其中N、P、K 分別以尿素、磷酸二胺、氯化鉀形式作基肥播種前一次施入)。春玉米和棉花種植行距為60 cm，株距為0.32 cm，種植密度均為5.25 萬(wàn)株/hm2。種植的玉米品種為“先玉335”，棉花品種為“冀棉169”。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量測(cè)定

2018年5月上旬試驗(yàn)處理前和2021年春玉米收獲后，進(jìn)行田間土壤取樣。在小區(qū)內(nèi)采用“S”形取樣方法進(jìn)行5 點(diǎn)取樣，在2 行玉米中間用土鉆取0～40 cm 土層的土樣，將土樣混合均勻后立即帶回實(shí)驗(yàn)室。去除土壤中的碎石、植物殘?bào)w等雜物后，一部分土壤過(guò)2 mm 土篩，將過(guò)篩土樣放在冰箱中4 ℃保存，用于土壤微生物數(shù)量的測(cè)定；另一部分土樣用來(lái)測(cè)定土壤中有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤容重

2018年5月上旬試驗(yàn)處理前和2021年春玉米收獲后，用環(huán)刀按照0～20 cm和20～40 cm進(jìn)行取樣，采用環(huán)刀法測(cè)定各土層土壤容重。

1.3.2 土壤含水率和水分利用效率

2019 和2021年玉米播種前和收獲后，采用TDR 中子儀（Model 6050XI,Soil Moisture Equipment Corp.,Santa Barbara,CA,USA），測(cè)定2 行玉米中間0～100 cm 土層的土壤質(zhì)量含水率，每間隔20 cm 土層進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合降雨量、田間灌水量以及水分蒸散量，計(jì)算作物的耗水量。

土壤微生物數(shù)量的測(cè)定采用平板涂抹法，其中真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基、細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、放線菌采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基[26]。土壤微生物量碳（MB-C）和微生物量氮（MB-N）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法進(jìn)行測(cè)定[27]。土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳含量分別采用凱氏定氮法、堿解擴(kuò)散法、鉬銻抗比色法、火焰光度法和重鉻酸鉀氧化法。

1.3.4 玉米植株和產(chǎn)量性狀

在玉米成熟期，每處理小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的植株10株，測(cè)定玉米植株的莖粗和地上部生物量。其中，莖粗是利用游標(biāo)卡尺測(cè)量玉米莖稈基部直徑；地上部生物量：對(duì)所選取植株地上部進(jìn)行取樣，殺青烘干至恒重，計(jì)算其地上部生物量。收獲前，調(diào)查每處理小區(qū)的實(shí)有株數(shù)、空桿數(shù)和雙穗數(shù)。每小區(qū)果穗全部收獲稱重，依據(jù)平均單穗質(zhì)量，稱取10個(gè)具有代表性的果穗進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查記載項(xiàng)目包括穗粒數(shù)和百粒重，根據(jù)10 穗質(zhì)量，折算出小區(qū)籽粒產(chǎn)量（籽粒含水量折合成14%）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

作物水分利用效率以作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與耗水量的比值表示，即：

采用水量平衡法計(jì)算玉米全生育期內(nèi)的總耗水量。由于試驗(yàn)地平坦，地下水埋深較深，降雨較少，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，因此地下水補(bǔ)給、地表徑流量可忽略不計(jì)，因此耗水量計(jì)算公式可簡(jiǎn)寫為：

采用SigmPlot 10.0 進(jìn)行制圖，DPS V7.05 進(jìn)行方差分析，并用Duncan新復(fù)極差法（P<0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重

土壤容重的大小反應(yīng)了土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、保水性以及保水性能的高低。土壤容重越小說(shuō)明土壤透氣透水性能越好。耕作配合秸稈還田措施對(duì)收獲期玉米田土壤容重有顯著影響（見(jiàn)圖2）。試驗(yàn)處理前，0～20 cm 土層平均土壤容重1.52 g/cm3，20～40 cm 土層平均土壤容重1.57 g/cm3。經(jīng)過(guò)2 a棉花秸稈還田和耕作處理后，各處理0～20 cm 土層平均土壤容重由大到小順序?yàn)镹T+NSR（1.54 g/cm3）、NT+SR（1.51 g/cm3）、RT+NSR （1.47 g/cm3)、PT+NSR(1.4 g/cm3)、RT+SR （1.38 g/cm3)、PT+SR（1.37 g/cm3)；各處理20～40 cm 土層平均土壤容重由大到小順序?yàn)镹T+NSR （1.59 g/cm3）、NT+SR （1.57 g/cm3）、RT+NSR （1.56 g/cm3)、PT+NSR(1.52 g/cm3)、RT+SR（1.47 g/cm3)、PT+SR（1.46 g/cm3)。由以上可知，與試驗(yàn)處理前相比，RT+SR 和PT+SR 處理可以明顯降低0～20cm 和20～40cm 土層土壤容重，NT+NSR 處理下各土層土壤容重略有增加。同一處理，隨著土層深度的的增加，土壤容重逐漸增大。

圖2 不同處理下0～40 cm土層土壤容重Fig.2 Soil bulk density in 0～40 cm soil depth under different treatments

2.2 土壤含水率

2019 和2021年玉米播種前和收獲后各處理0～100 cm 土層含水率如圖3所示。2019年玉米播種前，各處理土壤含水率隨土層深度的加深而增加，各處理間0～60 cm 土層土壤含水率差異較大，隨著土層深度的增加，各處理間土壤含水率差異變小。2021年玉米播種前，各處理土壤含水率隨土層深度的加深呈降低趨勢(shì)，各處理間0～100 cm 土層平均土壤含水率差異較大，依次為PT+SR（13.94%） >RT+SR （13.86%） >PT+NSR （13.66%） >RT+NSR （13.42%） >NT+SR （12.66%）>NT+NSR（12.6%）。2019年玉米收獲后，NT+NSR 處理0～100 cm 土層平均土壤含水率最低，為7%；PT+SR 處理0～100cm 土層平均土壤含水率最高，為8.62%。2021年玉米收獲后，PT+SR 處理0～100 cm 土層平均土壤含水率明顯高于其他處理，NT+NSR 處理0～100 cm 土層平均土壤含水率低于其他處理。以上說(shuō)明，秸稈還田配合翻耕可以有效提高0～100 cm土層土壤含水率。

圖3 不同處理下0～100 cm 土層土壤含水率Fig.3 Soil water content in 0～100 cm soil layer under different treatments

2.3 土壤養(yǎng)分和微生物數(shù)量

保護(hù)性耕作可以改善耕層土壤（0～40 cm）有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量，秸稈還田處理可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量，NT+SR、RT+SR 和PT+SR 處理有機(jī)碳含量較處理前分別增加1.9%、4.3%和11.9%；秸稈不還田處理有機(jī)碳含量較處理前顯著降低（見(jiàn)表1）。研究表明，PT+SR 處理土壤全氮和堿解氮含量較高，較處理前增加40.5%和32.8%。秸稈還田處理土壤有效磷和速效鉀含量顯著高于不還田處理，同一秸稈處理下，翻耕和旋耕處理土壤有效磷和速效鉀含量顯著高于免耕處理。秸稈還田處理可以顯著增加土壤真菌、細(xì)菌和放線菌數(shù)量，其中以PT+SR 處理3 者含量最高，分別比處理前增加74.3%、72.1%和41.9%，NT+NSR處理3 者含量最低，分別比處理前降低2.8%、2.3%和3.4%。同一耕作模式下，秸稈還田處理土壤中微生物量碳、氮含量較秸稈不還田處理均有所增加。由此可見(jiàn)，翻耕配合秸稈還田可顯著增加0～40 cm 土層中的土壤養(yǎng)分，微生物數(shù)量和微生物量碳氮含量。

表1 不同處理下0～40 cm 土層土壤養(yǎng)分和微生物Tab.1 Soil nutrient and microorganism content in 0～40 cm soil layer under different treatments

2.4 產(chǎn)量性狀和水分利用效率

耕作方式配合秸稈還田模式對(duì)玉米產(chǎn)量以及產(chǎn)量性狀、耗水量、水分利用效率的影響不同。由表2可知，秸稈還田配合翻耕或旋耕能顯著提高玉米的籽粒產(chǎn)量。2019年各處理玉米籽粒產(chǎn)量由高到低依次為PT+SR、RT+SR、PT+NSR、RT+NSR、NT+SR、NT+NSR，PT+SR處理下玉米增產(chǎn)效果最顯著；2021年各處理玉米籽粒產(chǎn)量順序與2019年相同，PT+SR 處理下玉米增產(chǎn)效果最顯著，其次為RT+SR 處理。整個(gè)試驗(yàn)期間，PT+SR 處理2 a年平均玉米產(chǎn)量最高，為1.29 萬(wàn)kg/hm2。PT+SR 處理下玉米莖粗、地上干物質(zhì)量、穗粒數(shù)和百粒重顯著高于其他處理，2 a 平均值分別為3.26 cm，23.1 t/hm2，658.38粒，36.43 g。2021年玉米生育期（5-9月）降水量（941.9 mm）是2019年（322.9 mm）約3 倍，2021年各處理平均作物耗水量（641.4 mm）是2019年（563.2 mm）約1.1倍，而2021年各處理平均玉米籽粒產(chǎn)量（11 004 kg/hm2）高于2019年（10 968.7 kg/hm2），因此2019年各處理玉米水分利用效率高于2021年（見(jiàn)表2）。研究期間，NT+NSR 處理2 a 平均耗水量最低，為553.81 mm，PT+SR 處理2 a 平均耗水量最高，為651.74 mm。PT+SR處理2 a平均玉米水分利用效率較最高，為2.42 kg/m3，NT+NSR 處理2 a 平均玉米水分利用效率最低，為1.88 kg/m3。

表2 不同處理下玉米產(chǎn)量性狀和水分利用效率Tab.2 Yield characters and water use efficiency under different treatments

3 討 論

（1）秸稈還田配合耕作措施對(duì)土壤容重及含水率的影響。前人研究表明，秸稈還田配合耕作措施對(duì)土壤容重和水分含量有顯著影響[28-30]。秸稈還田配合翻耕可以顯著減低土壤容重、孔隙度，有效調(diào)節(jié)土壤三相比。李鳳博等[31]研究表明:翻耕結(jié)合秸稈還田可以增加土壤總孔隙度，降低土壤容重，改善作物根際的通透性。本研究也表明，棉花秸稈還田配合翻耕后土壤容重較秸稈不還田和免耕處理顯著降低。其主要原因?yàn)椋悍梢杂行Т蚱仆寥览绲讓?，增加土壤孔隙度，同時(shí)腐爛的棉花秸稈可以為土壤微生物的活動(dòng)提供充足的能量，分解土壤中的礦物質(zhì)，同時(shí)土壤微生物的代謝產(chǎn)物能夠促進(jìn)土壤中難溶物質(zhì)的溶解，方便作物吸收利用，提高土壤肥力[32,33]。秸稈還田配合耕作措施可以增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，提高土壤含水率。秸稈還田后，玉米生育前期會(huì)表現(xiàn)出作物和秸稈爭(zhēng)奪土壤水分的現(xiàn)象，生育后期能夠增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力[34]。

（2）秸稈還田配合耕作措施對(duì)土壤肥力和微生物的影響。秸稈還田配合耕作措施有利于提高土壤中有機(jī)碳的積累量，增加土壤氮素供應(yīng)能力，同時(shí)秸稈還田可以增強(qiáng)土壤中微生物的活性，增加土壤氮、磷、鉀含量[35,36]。李景等[37]研究表明，秸稈還田配合翻耕可以提高土壤中有機(jī)碳含量，且有機(jī)碳含量隨處理年份的延長(zhǎng)而增加。傳統(tǒng)的耕作方式破壞了土壤中大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，使受土壤團(tuán)聚體保護(hù)的有機(jī)碳暴露于空氣當(dāng)中，加快了土壤有機(jī)質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化速率，降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量，保護(hù)性耕作有效保護(hù)了土壤中大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，有利于土壤中有機(jī)碳的固定和增加。沈吉成等[38]研究表明，翻耕秸稈還田處理下，豌豆田土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)質(zhì)量均最高。本研究結(jié)果表明，與試驗(yàn)處理前相比，PT+SR 處理0～40 cm 土層全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀均最高。分析其原因主要是由于秸稈還田配合深翻，改善了0～40 cm 土層土壤通透性，增強(qiáng)了土壤蓄水保墑的能力，更有利于土壤微生物的活動(dòng)和繁殖，促進(jìn)了棉花秸稈的腐爛分解，增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)降低了土壤中養(yǎng)分淋失，增加了土壤對(duì)氮磷鉀元素的吸附能力[39]。

（3）秸稈還田配合耕作措施對(duì)玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響。莖粗、地上干物質(zhì)量、穗粒數(shù)和百粒重等指標(biāo)與玉米產(chǎn)量關(guān)系密切，因此協(xié)調(diào)好它們之間的關(guān)系對(duì)玉米產(chǎn)量至關(guān)重要[40]。本研究發(fā)現(xiàn)翻耕配合棉花秸稈還田可以增加玉米莖粗，提高玉米地上生物量。CHEN 等[41]研究表明，秸稈還田配合翻耕玉米莖粗增加，在一定程度上促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，且后期單株地上干物質(zhì)積累量有所提升，積累速率下降緩慢。趙亞麗等[42]研究發(fā)現(xiàn)，合理的保護(hù)性耕作方式是保障作物高產(chǎn)的基本條件，深翻耕可以提高作物葉片的光合效率，有利于地上干物質(zhì)的積累。鄭金玉等[43]研究表明秸稈還田可促進(jìn)玉米地上干物質(zhì)積累，與常規(guī)耕作相比，產(chǎn)量提高了13.59%。解文艷[44]等研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配合翻耕可以增加玉米穗粒數(shù)和百粒重，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。于玲玲等[45]研究表明，深翻耕秸稈還田處理能夠顯著增加玉米的葉面積指數(shù)，有利于玉米產(chǎn)量和水分利用效率的提高。本研究結(jié)果表明：棉花秸稈還田配合耕作措施能顯著提高玉米的籽粒產(chǎn)量，且PT+SR、RT+SR 處理下玉米莖粗、地上干物質(zhì)量、穗粒數(shù)和百粒重顯著高于其他處理。

4 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)耕作措施相比，翻耕秸稈還田可有效降低耕層（0～40 cm）土壤容重，有效提高作物生長(zhǎng)階段0～100 cm土層土壤含水率，顯著提高耕層土壤的養(yǎng)分含量和微生物數(shù)量。

（2）翻耕結(jié)合棉花秸稈還田，對(duì)下茬玉米的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，其莖粗、地上生物量、穗粒數(shù)和百粒重均顯著高于傳統(tǒng)耕作。翻耕結(jié)合棉花秸稈還田能夠提高下茬玉米的產(chǎn)量和水分利用效率。