秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)和春玉米生長的影響

于 博,王鈺艷,任 琴,黨玉蕾,張志鵬,王 宇

(集寧師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

作物秸稈是培肥土壤重要的可再生資源,秸稈還田是培肥和改良土壤最為經(jīng)濟有效的技術(shù)措施,同時可解決秸稈田間焚燒污染大氣的環(huán)境問題[1]。土壤容重和毛管孔隙度是反映土壤結(jié)構(gòu)特性的重要指標,秸稈還田對降低土壤容重、增加孔隙度有積極作用[2]。韓上等[3]研究表明,施用稻草后土壤總孔隙度增加,土壤容重降低。王秋菊等[4]研究表明,秸稈還田后土壤容重降低,耕層土壤孔隙度和非毛管孔隙度增大,毛管孔隙增加,大孔隙占總孔隙的比例增大,黏質(zhì)土壤的通透性改善。龐黨偉等[5]研究表明,秸稈深耕還田后0～20 cm土層的土壤容重減小,總孔隙度和毛管孔隙度增加。徐瑩瑩等[6]研究表明,深翻秸稈還田后耕層土壤容重顯著降低1.9%～3.7%,總孔隙度增加4%～7%,通氣孔隙增加2%～7.5%,非毛管孔隙增加0.5%～3.0%。玉米秸稈還田可促進土壤微粒的團聚作用,顯著改善土壤結(jié)構(gòu)性狀[7-8]。高洪軍等[9]、張翰林等[10]研究表明,秸稈還田條件下土壤水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量、平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑均顯著提高,分形維數(shù)顯著降低,還田年限越長,該趨勢越明顯。冀保毅等[11]研究表明,秸稈還田能增加壤土和黏土的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體的平均質(zhì)量直徑,進而增加土壤團聚體的穩(wěn)定性。秸稈還田培肥土壤,改善了土壤結(jié)構(gòu),利于作物根系的生長發(fā)育,促進了根系的吸收活動,增加了玉米根干重、根表面積和根體積,利于作物增產(chǎn)[12-13]。內(nèi)蒙古平原灌區(qū)玉米帶是我國重要的糧食生產(chǎn)基地,在生產(chǎn)實踐中,受制于長期的小動力農(nóng)機耕作和有機肥投入不足、化肥不合理施用,當?shù)氐拇河衩字鳟a(chǎn)區(qū)普遍存在耕層淺、亞耕層(20～40 cm)堅硬、土壤通透性差、蓄水保肥能力偏低的土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力問題,導(dǎo)致春玉米根系下扎困難,難以利用深層土壤養(yǎng)分,成為制約當?shù)卮河衩赘弋a(chǎn)栽培技術(shù)重演和大面積推廣的科技難題。隨著農(nóng)村土地經(jīng)營模式的不斷變革和農(nóng)業(yè)機械保有體制和現(xiàn)狀的變化,一些傳統(tǒng)的土壤培肥理論和技術(shù)體系已落后于當前農(nóng)村土地經(jīng)營模式、農(nóng)機保有現(xiàn)狀,及由此產(chǎn)生的耕作、施肥與栽培模式等不斷變革的需求,導(dǎo)致春玉米高產(chǎn)農(nóng)田的定向培育目標和方向不明確。為此,本研究設(shè)計了秸稈還田定位試驗,旨在探究秸稈還田對春玉米旱地土壤結(jié)構(gòu)的影響,闡明土壤結(jié)構(gòu)與春玉米根系的關(guān)系,為科學(xué)利用秸稈進行土壤肥力調(diào)控、實現(xiàn)玉米大面積高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

秸稈還田定位試驗于2018年5月至2021年10月在集寧師范學(xué)院玉米試驗田進行,玉米秸稈收獲后全量粉碎深翻(25 cm)還田。自2018年起,逐年形成秸稈還田1～4 a共4個試驗處理:HT1,僅2021年還田;HT2,2020、2021年連續(xù)2 a還田;HT3,2019—2021年連續(xù)3 a還田;HT4,2018—2021年連續(xù)4 a還田。秸稈還田量按照1.0∶1.2的籽粒-秸稈比計算,2018—2021年秸稈年均還田量分別為15.88、15.70、16.50、17.38 t·hm-2。以秸稈不還田作為對照(CK)。

每個試驗小區(qū)長6 m、寬5 m,小區(qū)面積30 m2,共15個試驗小區(qū),隨機區(qū)組排列,每個處理重復(fù)3次。試驗田土壤質(zhì)地層次以“砂-黏-砂”的形式出現(xiàn),土壤質(zhì)地剖面如下:0～20 cm(耕層)為輕壤土,20～40 cm(亞耕層)為中壤土,40～100 cm(心土層和底土層)為砂壤土。耕層土壤基本理化性質(zhì)如下:有機質(zhì)含量1.34%,堿解氮含量50.23 mg·kg-1,速效磷含量11.82 mg·kg-1,速效鉀含量136.10 mg·kg-1,pH值8.01。

春玉米品種為先玉1619,密度75 000株·hm-2,等行距60 cm種植。按照《內(nèi)蒙古平原灌區(qū)飼用玉米施肥技術(shù)規(guī)程》(DB15/T 1088—2016)的規(guī)定施肥,施肥量折純:N 151 kg·hm-2,P2O564 kg·hm-2,K2O 189 kg·hm-2。磷、鉀肥全部作基肥,氮肥按3∶6∶1的比例分別用作基肥和2次追肥(分別于拔節(jié)期與灌漿期前追肥)。玉米生育期灌水4次:拔節(jié)期1次,大喇叭口期1次,灌漿期2次,每次的灌水定額為300 m3·hm-2。

1.2 測定指標與方法

土壤剖面觀測:于春玉米吐絲期挖取土壤剖面,觀測耕層與亞耕層的分界線、顏色等特征。

用環(huán)刀采集原狀土,5點取樣,每個點重復(fù)3次,烘干法測定土壤容重和質(zhì)量含水量,測算土壤總孔隙度、孔隙比、質(zhì)量含水量、田間持水量。

采用薩維諾夫法(干篩、濕篩)測定不同粒級土壤團聚體的相對百分含量[14],計算粒徑≥0.25 mm團聚體的質(zhì)量占比(R0.25)、團聚體平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter, MWD)、團聚體幾何平均直徑(geometric mean diameter, GWD)、團聚體破壞率(percentage of aggregate disruption, PAD)、團聚體穩(wěn)定指數(shù)(aggregate stability, AS)、團聚體不穩(wěn)定系數(shù)(sabotage of water-stable aggregates, SWA)和分形維數(shù)(D)[15-16]。

采用“1/2株距×1/2行距”法3點取樣,用WinRHIZO Reg STD4800根系分析系統(tǒng)(加拿大Regent)分析根系形態(tài)指標,并測定根鮮重和干重。

于收獲期實測每個小區(qū)的春玉米產(chǎn)量。取連續(xù)20個果穗,風(fēng)干后考種,測定14%含水率的百粒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件繪制圖表。采用SPSS 13.0軟件進行方差分析,對有顯著(P<0.05)差異的,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對土壤剖面特征的影響

依據(jù)芒塞爾土壤比色卡,CK的耕層土壤顏色為黃色(圖1),秸稈還田1～4 a后,耕層土壤的顏色依次為棕黃色、棕色、深棕色和黑色。隨秸稈還田年限增加,土壤耕層顏色逐漸加深。

圖1 不同秸稈還田年限下土壤剖面特征的變化Fig.1 Changes of soil profile characteristics with increasing straw returning years

2.2 秸稈還田對土壤基本物理性質(zhì)和土壤水分的影響

總體來看,隨秸稈還田年限增加,土壤容重呈降低趨勢(圖2)。其中,HT1與CK無顯著差異,但HT2、HT3、HT4顯著小于CK;HT1與HT2無顯著差異,HT3與HT4無顯著差異,但HT3、HT4顯著低于HT1和HT2。與CK相比,HT4的土壤容重顯著降低了0.2 g·cm-3,降幅15.04%。

柱上無相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate signficant difference at P<0.05.圖2 不同秸稈還田年限下土壤容重的變化Fig.2 Changes of soil bulk density with increasing straw returning years

隨秸稈還田年限增加:土壤總孔隙度整體呈增大趨勢(表1),其中,HT4、HT3顯著高于其他處理,CK的最低,顯著低于除HT1外的其他處理;土壤孔隙比亦呈增大趨勢,HT4、HT3顯著高于其他處理,其他處理間無顯著差異;土壤質(zhì)量含水量逐年顯著增加;土壤田間持水量亦呈逐年增加趨勢,除HT2分別與HT1和HT3無顯著差異外,其他處理間均差異顯著。與CK相比,HT4的土壤總孔隙度增加了7.53百分點,孔隙比增加了0.35,質(zhì)量含水量增加了9.92百分點,田間持水量增加了13.05百分點。

表1 不同秸稈還田年限下土壤水分和孔隙的變化

由以上結(jié)果可知,秸稈還田1～2 a,土壤的基本物理性質(zhì)和水分含量變化不明顯,但秸稈還田3～4 a后,土壤容重顯著減小,土壤質(zhì)量含水量、田間持水量、總孔隙度和孔隙比顯著增加,表明土壤耕層的松緊狀況得到改善,土壤保持水分的能力增強,土壤有效水的貯存能力顯著提高,土壤的通透性增強。綜上,連續(xù)3～4 a的秸稈還田使得耕層土壤的基本物理性質(zhì)得到顯著改善。

2.3 秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 秸稈還田對土壤團聚體含量和特征數(shù)的影響

各處理相比,CK處理粒徑≥5 mm的團聚體含量顯著低于其他處理(圖3),0.5～<1 mm的團聚體含量顯著低于其他處理;HT4處理粒徑1～<2 mm的團聚體含量顯著小于除HT1外的其他處理;HT2、HT3、HT4處理粒徑<0.25 mm的團聚體含量顯著小于CK;其他粒徑的團聚體含量在各處理間無顯著差異?？偟膩砜?隨秸稈還田年限增加,土壤中粒徑≥0.25 mm的團聚體含量逐年增加。與CK相比,HT4處理粒徑≥5 mm和0.5～<1 mm的團聚體含量分別顯著增加了5.66百分點和1.88百分點,增幅分別為32.10%和25.93%;粒徑1～<2 mm和<0.25 mm的團聚體含量分別顯著降低了1.62百分點和6.60百分點,降幅分別為21.32%和26.30%;粒徑2～<5 mm和0.25～<0.5 mm的團聚體含量無顯著變化。

同一粒徑柱上無相同字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference within treatments under the same particle size at P<0.05.圖3 不同秸稈還田年限下土壤團聚體的變化Fig.3 Changes of soil aggregates with increasing straw returning years

與CK相比,秸稈還田后,HT2、HT3、HT4的R0.25分別顯著增加10.55%、6.28%、8.81%(表2),HT2和HT4的MWD分別顯著增加10.43%和12.61%,HT2和HT4的GMD分別顯著增加18.58%和20.35%,HT3和HT4的AS分別顯著增加18.11%和38.09%,HT3和HT4的PAD分別顯著下降4.04%和8.49%。其他處理與CK相比無顯著差異。

2.3.2 秸稈還田對水穩(wěn)性團聚體含量和水穩(wěn)系數(shù)的影響

從各處理不同粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量(表3)來看:≥5 mm水穩(wěn)性團聚體,CK最低,HT4最高,二者均顯著異于其他處理,HT1～HT3處理間無顯著差異;2～<5 mm水穩(wěn)性團聚體,HT3、HT4顯著大于CK,而HT1顯著小于CK;1～<2 mm水穩(wěn)性團聚體,HT1、HT3、HT4顯著大于CK;0.5～<1 mm水穩(wěn)性團聚體,HT4最高,HT1最低,二者均顯著異于其他處理,其他處理間無顯著差異;0.25～<0.5 mm水穩(wěn)性團聚體,HT2、HT3、HT4顯著大于CK;<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體,HT4HT3>HT2>HT1>CK,各處理間均差異顯著。與CK相比,HT4的SWA提高了6.85百分點。

表3 不同還田年限下土壤水穩(wěn)性團聚體含量和團聚體不穩(wěn)定系數(shù)(SWA)的變化

總的來看,秸稈還田1～2 a,改良土壤結(jié)構(gòu)的效果不明顯;但隨著秸稈還田年限的增加,至秸稈還田4 a時,土壤結(jié)構(gòu)已得到明顯改善,表現(xiàn)為≥0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量增加,團粒的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性增強,團粒抵抗外力破壞的能力增強。

2.4 秸稈還田對春玉米根系的影響

2.4.1 秸稈還田對春玉米根質(zhì)量的影響

在0～10 cm土層,秸稈還田各處理的玉米根干重和鮮重均顯著大于CK(表4),HT4、HT3、HT2處理還顯著高于HT1。在10～20 cm土層,各處理的玉米根干重和鮮重均表現(xiàn)為HT4>HT3>HT2>HT1>CK,且各處理間差異顯著;在20～40 cm土層,各處理的玉米根干重和鮮重?zé)o顯著差異;在40～50 cm土層,各處理的玉米根鮮重?zé)o顯著差異,但HT4、HT3、HT2處理的玉米根干重顯著高于CK;在50～60 cm土層,HT3、HT4的玉米根干重和鮮重均顯著大于CK。與CK相比,HT4處理0～10、10～20、40～50、50～60 cm土層的根干重分別顯著增加了50.76%、34.52%、7.32%、22.58%。

2.4.2 秸稈還田對春玉米根表面積的影響

在0～10 cm土層,秸稈還田各處理的春玉米根表面積均顯著大于CK(表5),HT3、HT4處理還顯著大于HT1、HT2,HT2處理還顯著大于HT1;在10～20 cm土層,秸稈還田各處理的春玉米根表面積同樣顯著大于CK,且HT3、HT4處理的還顯著大于HT1、HT2;在20～60 cm土層,各處理的春玉米根表面積無顯著變化。與CK相比,HT4處理0～10、10～20 cm土層的春玉米根表面積分別顯著增加了48.84%和36.17%。

表5 不同秸稈還田年限下春玉米根表面積的變化

2.4.3 秸稈還田對春玉米根體積的影響

在0～10 cm土層,秸稈還田各處理的春玉米根體積均顯著大于CK(表6),HT4處理的顯著大于其他處理,HT3、HT2處理的顯著大于HT1;在10～20 cm土層,各處理的春玉米根體積表現(xiàn)為HT4>HT3>HT2>HT1>CK,各處理間差異顯著;在20～40 cm土層,各處理的春玉米根體積無顯著差異;在40～50 cm土層,HT3、HT4處理的春玉米根體積顯著大于CK,此外,HT4處理還顯著大于HT1、HT2;在50～60 cm土層,HT3、HT4處理的春玉米根體積顯著大于CK和HT1。與CK相比,HT4處理0～10、10～20、40～50、50～60 cm土層的根體積分別顯著增加了34.90%、160.56%、18.61%、4.69%。

表6 不同還田年限下春玉米根體積的變化

總的來看,耕層春玉米的根質(zhì)量、根表面積和根體積隨秸稈還田年限延長而增加,亞耕層的根質(zhì)量和根體積無明顯變化,心土層(50～60 cm)的春玉米根系秸稈還田1～2 a無明顯變化,但當秸稈還田3～4 a時根質(zhì)量和根體積增加。秸稈還田3～4 a對耕層和心土層的春玉米根系生長表現(xiàn)出明顯促進作用,但對亞耕層根系的影響不明顯。這可能與亞耕層土壤結(jié)構(gòu)堅硬,春玉米根系難以大量下扎穿過堅硬的亞耕層向土壤深層生長有關(guān)。秸稈還田后,根系在耕層吸收的養(yǎng)分增加,向心土層玉米根系運移的養(yǎng)分增加,這可能是導(dǎo)致心土層春玉米根質(zhì)量和根體積增大的原因。

2.5 秸稈還田對春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

在有效穗數(shù)上,HT1、HT2、HT4均顯著高于CK(表7),HT4較CK增加5.65%,秸稈還田各處理間無顯著差異。在穗粒數(shù)上,秸稈還田各處理間無顯著差異,但均顯著高于CK,HT4比CK增加7.94%。在百粒重上,HT4顯著高于除HT3外的其他處理,比CK增加9.30%。在產(chǎn)量上,秸稈還田各處理均顯著高于CK,HT4的產(chǎn)量還顯著高于HT1和HT2,比CK增加24.58%。

表7 不同秸稈還田年限下春玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的變化

3 討論

近年來,關(guān)于秸稈還田對土壤物理性質(zhì)和玉米根系影響的研究很多,但聚焦土壤結(jié)構(gòu)與玉米根系變化的研究報道相對較少。以往的研究顯示,秸稈還田是提升肥力質(zhì)量的有效措施。長期秸稈還田后,>0.25 mm團聚體和水穩(wěn)性團聚體的含量增加,團聚體的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性提高,有利于土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,有利于改善土壤腐殖化程度和土壤結(jié)構(gòu)性[17-18]。秸稈還田提高了耕層>2 mm團聚體的含量,降低了<0.25 mm團聚體的含量[19]。與不還田相比,秸稈還田處理的土壤團聚體主要集中在>0.25 mm粒級[20]。秸稈深翻還田后,>2 mm水穩(wěn)性團聚體比例顯著增加[21]。秸稈還田還提高了土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD和SWA[22],增加了壤土和黏土的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團聚體的平均質(zhì)量直徑[11]。在本研究中,與CK相比,秸稈還田2 a,R0.25、MWD和GMD顯著增加;秸稈還田3～4 a后,AS、SWA逐年顯著增大,PAD逐年減小,土壤團聚體的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性逐年增強。還田后,秸稈中的可溶性糖、淀粉、纖維、果膠、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、單寧、蠟質(zhì)等成分被微生物分解,形成土壤腐殖質(zhì),腐殖質(zhì)中的腐殖酸聯(lián)結(jié)礦物質(zhì)顆粒形成團粒的關(guān)鍵成分,腐殖酸中的親水性極性基團(羧基、羥基、酰胺基等)以靜電力、范德華力與金屬離子吸附,以陽離子橋與土壤微粒發(fā)生交換和吸附作用,形成土壤團粒結(jié)構(gòu)。秸稈還田1～2 a,土壤中的親水性基團較少,土壤團粒結(jié)構(gòu)特征變化不明顯;秸稈還田3～4 a,親水性基團積累增加,這可能是促使SWA逐年提高和出現(xiàn)前述現(xiàn)象的原因。另外,土壤腐殖酸分子還可與礦物顆粒以氫原子結(jié)合而吸著水,形成結(jié)合水層,并通過結(jié)合水層形成團粒。土壤團聚體在干篩與濕篩過程中的水環(huán)境差異很大,結(jié)合水層的多少也會影響團聚體的穩(wěn)定性。這可能是導(dǎo)致本研究中AS與SWA提高趨勢不一致的原因。

秸稈還田對土壤容重、孔隙度、田間持水量有較好的改善效果[23]。張奇等[24]研究顯示,秸稈還田1 a后,土壤容重降低,總孔隙度增加,田間持水量增加25.51～38.70 g·kg-1,秸稈還田2 a的改土效果比秸稈還田1 a要好。秸稈還田促進了干旱年份0～60 cm土層根密度的增加,促進了深層根系的發(fā)育[25]。秸稈還田2 a后,玉米根系總表面積、總體積顯著增加[26]。秸稈還田還能增強玉米的扎根性能,使其根系分布空間擴大6 000～154 500 cm3,秸稈深層還田的根系主要分布在10～20 cm土層[27]。在本研究中,隨秸稈還田年限增加,土壤耕層的春玉米根質(zhì)量、根表面積、根體積逐年增加,但亞耕層的根質(zhì)量、根表面積和根體積無顯著變化,心土層的春玉米根系在秸稈還田1～2 a時無明顯變化,但在秸稈還田3～4 a時根質(zhì)量和根體積增加。這說明,秸稈還田對耕層的春玉米根系有明顯的促生長作用,但對亞耕層根系無明顯影響,秸稈還田1～2 a對心土層的根系發(fā)育無明顯影響,但秸稈還田3～4 a對心土層的根系生長有一定的促進作用?？偟膩砜?秸稈還田有利于促進吐絲期作物的根系形態(tài)發(fā)育和耕層空間分布,有助于促進干物質(zhì)的積累,從而實現(xiàn)增產(chǎn)目的[28]。

綜上,本研究表明,秸稈還田初期(1～2 a)對土壤結(jié)構(gòu)改良的效果不明顯,但隨著秸稈還田年限增加,至秸稈還田4 a時,土壤顏色最深,土壤容重顯著降低了0.2 g·cm-3,總孔隙度、質(zhì)量含水量和田間持水量分別增加了7.53、9.92、13.05百分點,R0.25、MWD、GMD、AS、SWA分別增加了8.81%、12.61%、20.35%、38.09%、6.85百分點,PAD顯著降低8.49%。土壤團粒的機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性增強,耕層春玉米根干重、根表面積和根體積顯著增加,產(chǎn)量顯著提高24.58%。在內(nèi)蒙古平原灌區(qū)利用秸稈還田措施連續(xù)培肥土壤4 a,可有效改良土壤結(jié)構(gòu),促進春玉米根系生長發(fā)育,實現(xiàn)春玉米增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。