周怀平,解文艳,关春林,杨振兴,李红梅
(1山西省农业科学院农业环境与资源研究所,太原030006;2山西省农业科学院农产品加工研究所,太原030031)
中国北方干旱地区大部分农田被深厚的黄土所覆盖,农田土壤中赋存了大量的土壤水资源[1-2]可以用于作物生长,但同时由于黄土的抗蚀能力差及该区降水集中,导致水土流失严重、农田生产力低下,使现实的自然降水生产力水平偏低[3-4]。因此加强旱作农田的水肥管理,有效控制水土流失、培肥土壤、减少无效蒸发是提高旱作农田生产力水平的关键。
秸秆和粪肥还田、用地和养地相结合是中国精耕细作农业的精华。20世纪80年代末以来,随着农业秸秆产出量的不断增大、现代农业生产要素和生活物质对秸秆资源的逐步替代,农业秸秆资源呈现相对过剩的状态,2000年中国秸秆总产量已经居世界各国之首,达到7.59亿吨[5],而同期秸秆直接燃用量为2.88亿吨,秸秆废弃和焚烧量也在1.52亿吨左右,秸秆资源低效利用和环境污染问题日益严重[6-10],为此我国农业部门积极推广秸秆和粪肥还田技术,但是在我国北方干旱地区围绕秸秆和粪肥还田腐解同作物水肥需求矛盾方面、秸秆和粪肥还田在不同降水年型的增产效果以及环境效应等问题的研究和争论一直都没有停止过[11-15]。因此在1992年秋季,本研究选择秸秆覆盖还田、秸秆粉碎直接还田、秸秆养畜粪肥还田等我国北方干旱地区三种主要秸秆还田方式,布置了长期定位试验,以期明确长期秸秆和粪肥还田对玉米产量、经济效益和水分利用的影响,为农作物秸秆的高效利用提供依据。
秸秆还田长期定位试验在我国北方半湿润偏旱区的山西省寿阳县宗艾村北坪(N37°58'、E113°06')旱塬地上进行,试验地海拔1130 m,寿阳县历年降水量情况见表1。试验地块基本平坦,土层深厚,地下水埋深在地表50 m以下。供试土壤为褐土,成土母质为马兰黄土。1993年播前耕层土壤(0—20 cm)有机质含量23.5 g/kg,全氮1.07 g/kg,硝态氮21.17 mg/kg,有效磷(P)4.97 mg/kg,速效钾(K)117.2 mg/kg,土壤pH 8.4。土壤剖面的基本物理性状如表2。
表1 寿阳县历年降水量情况Table 1 Monthly rainfall in 1993-2009 in Shouyang county(mm)
表2 供试土壤剖面的物理性状Table 2 Soil physical and chemical properties in the experiment
试验设4个处理:秸秆不还田(CK);秸秆覆盖还田(SM),秸秆覆盖还田量为6 t/hm2;秸秆粉碎直接还田(SC),秸秆粉碎直接还田量为6 t/hm2;秸秆养畜粪肥还田(CM),腐熟湿牛粪还田量45 t/hm2。各处理均施化肥N 150 kg/hm2和P2O584 kg/hm2,试验小区面积54 m2,无重复。供试作物为春玉米,品种1993年~1997年为烟单14号,1998年~2003年为晋单34号,2004年以后为强盛31号。玉米播种时间在4月15日~25日,收获时间为9月20日 ~10月10日。种植密度49500~52500 plant/hm2,结合秋季深耕翻施肥,玉米生长期间不再施肥,田间管理措施主要是除草和防治病虫害。试验从1992年秋季开始实施,到2011年已连续进行19年,农田栽培管理措施相同。
试验用氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为普通过磷酸钙(含 P2O514%)。牛粪(风干)有机质含量90.5~127.3 g/kg,全氮 3.93~4.97 g/kg,全磷(P2O5)1.37~1.46 g/kg,全钾(K2O)14.1~34.3 g/kg。玉米秸秆(风干)有机碳含量 38.1% ~44.3%,全氮7.39~9.79 g/kg,全磷0.44~0.54 g/kg,全钾17.1~27.5 g/kg。
1.3.1玉米生物量的测定 每年在玉米成熟期,将试验处理区分为三个小区(18 m2),将3个小区玉米穗分别装袋风干,脱粒称重,计算玉米籽粒产量。
1.3.2土壤含水量的测定 1993~2011年于玉米播种前和收获后测定各试验小区3 m土体的土壤含水量,每20 cm为1层,土壤水分用烘干法测定。玉米耗水量根据农田水分平衡方程式计算。水分利用效率(WUE)的计算公式为:
WUE[kg/(mm·hm2)]=Y/ET (1)式中:Y为作物经济产量;ET为作物生长期间的蒸散量(生育期耗水量)。ET的估算公式为:
ET=P+I+U+W1-(R+D+W2)(2)式中:P为生育期间降水量;I为灌水量(为零,无灌溉水);U为地下深层水分上渗量(为零,地下水深埋);R为地表径流量(基本为零,地面平坦);D为土壤水分渗漏量(忽略不计);W1为作物播种时土壤剖面初始贮水量;W2为作物收获后土壤剖面贮水量。公式(2)可以简化为ET(mm)=P-(W2-W1)。
2.1.1对玉米产量的影响 秸秆还田长期定位试验玉米籽粒产量结果(表3)表明,秸秆覆盖还田、秸秆粉碎直接还田和秸秆养畜粪肥还田都有显著的增产效果。主要是因为秸秆还田能使玉米苗全苗壮,根系发达,植株叶片光合速率、蒸腾速率提高,土壤微生物及酶活性增加,可较好地解决深施肥与春季保墒捉全苗的矛盾和秸秆腐解与幼苗争夺水分养分而影响玉米幼苗生长的矛盾[16-17]。3种秸秆还田处理玉米籽粒产量19年累计比对照增加13.427~24.284 t/hm2,增产幅度为11.57% ~20.92%,同时玉米秸秆增加了29.31~42.49 t/hm2,为秸秆还田提供了更为充裕的有机肥源。3种秸秆还田处理间玉米产量也存在一定差异,其高低顺序为秸秆养畜粪肥还田﹥秸秆覆盖还田﹥秸秆粉碎直接还田﹥秸秆不还田处理。
不同降水年型,秸秆还田的增产作用存在明显差异(表4)。以正常年份产量最高,丰水年和偏丰年产量次之,再次为偏旱年份,大旱年份产量最低,偏旱年份秸秆覆盖还田的增产效果明显优于秸秆粉碎直接还田处理。
2.1.2对玉米经济效益的影响 长期秸秆还田可以增加种植玉米的经济效益(表5、表6),秸秆还田处理的玉米纯效益增加了12831~18171 yuan/hm2,增收率提高20.7%~29.4%。但秸秆覆盖还田、秸秆粉碎直接还田及秸秆养畜粪肥还田处理又分别增加了秸秆田间覆盖、秸秆粉碎及粪肥运输和撒施等劳动用工,秸秆养畜粪肥还田还增加了购买牛粪的成本。降水年型主要是通过影响玉米籽粒产量而对纯效益产生影响,由于1999年春季大旱,玉米生长中后期又降雨偏多,低温寡照,并有早霜严重危害,使玉米籽粒产量很低,导致种植玉米的负效益;1997年和2000年玉米生长期内大旱,玉米籽粒产量也偏低,因此种植玉米的效益极低或是负效益。
表3 长期秸秆还田对玉米产量的影响Table 3 Effect of long-term straw-returning on yields of maize in 1993~2011(t/hm2)
表4 不同降水年型长期秸秆还田条件下的玉米平均产量(t/hm2)Table 4 Average corn yield after 19-year continuously straw returning to field in different precipitation years
表5 长期秸秆还田不同年份的玉米纯收益(Yuan/hm2)Table 5 Net benefit of corn under long-term straw-returning in 1993-2011
表6 长期秸秆还田下的玉米产量和纯收益比较Table 6 Analysis of corn yields and net benefits under different treatments
雨养农业作物生产所需水分主要依靠对天然降水的利用[18]。水分高效利用的内涵为适量的水分耗散、生产尽可能丰富的经济产量,同时维持和尽可能地增加土壤贮水,以利于可持续利用。因此,从玉米生育期耗水量、土体贮水量和玉米水分利用效率3个方面,分析秸秆还田对水分利用的长期影响。
2.2.1对玉米生育期耗水量的影响 秸秆还田长期定位试验的玉米生育期耗水量结果(表7)显示,长期秸秆还田可以减少玉米生育期耗水量,年均减少3.8~14.4 mm,各处理间也存在一定差异。连续19年试验的玉米生育期平均耗水量由低到高的顺序为秸秆覆盖还田≤秸秆粉碎直接还田﹤秸秆养畜粪肥还田﹤秸秆不还田。而每年度玉米生育期耗水量的多少主要同玉米生育期降水量有关(见表8),一般表现为正常降水年份各处理玉米生育期耗水量较多,丰水和偏丰年份次之,偏旱年份再次之,大旱年份玉米耗水量最少。
表7 长期秸秆还田对玉米生育期耗水量的影响(mm)Table 7 Effect of different treatments on water consumption at the growth stages of maize in 1993-2011
表8 不同降水年型长期秸秆还田条件下的玉米生育期平均耗水量(mm)Table 8 Water consumption at the growth stages of maize in different precipitation years
2.2.2对土壤贮水量的影响 同1992年秋季试验农田3 m土体土壤贮水量比较,2011年秋季秸秆不还田和3种秸秆还田处理的3 m土体土壤贮水量基本维持在原有水平或有所增加(见表9、图1)。1992年秋季,试验农田3 m土体贮水量为634.6 mm,2011年10月秸秆不还田和秸秆覆盖还田、秸秆粉碎直接还田及秸秆养畜粪肥还田处理的3 m土体贮水量分别为641.9 mm、702.6 mm、680.9 mm、645.9 mm,均有所增加;另一方面,2011年秋季秸秆不还田、秸秆覆盖还田、秸秆粉碎直接还田、秸秆养畜粪肥还田处理间3 m土体土壤贮水分布规律也明显不同,即,各处理100—120 cm土层以上土壤贮水量增加,分别增加了24.3 mm、40.2 mm、38.6 mm和17.4 mm;各处理100—120 cm土层以下土壤贮水量减少,各处理减少的深度和水量存在差异。秸秆不还田处理减少的贮水量和深度最大,土壤贮水量减少了17.0 mm,贮水量减少的土层深度达240 cm,甚至达到300 cm;其次为秸秆养畜粪肥还田处理,土壤贮水量减少了10.8 mm,贮水减少土层在120—220 cm范围;秸秆粉碎直接还田处理,土壤贮水量减少了5.35 mm,贮水减少土层在120—160 cm间;而秸秆覆盖还田处理,土壤贮水减少的土层几乎没有出现,只是120—140 cm土层土壤贮水量略有减少,只减少了1.3 mm。
表9 试验前后各处理不同土层的土壤贮水量(mm)Table 9 Change of soil water storage in 19 years
图1 长期秸秆还田对土壤贮水量分布的影响Fig.1 Effects of long-term straw-returning on soil water storage in 0-300 cm soil profiles during harvest period after 19 years
2011年10月所测定的秸秆不还田和3种秸秆还田处理间的3 m土体贮水量进行比较,长期秸秆还田可以增加土壤贮水量,19年内3 m土体多贮水4.0~60.7 mm,秸秆覆盖还田处理的土壤贮水量增加特别明显。由此看出,长期秸秆还田可以增加土壤深层贮水、增加对上层土壤贮水的利用,减轻土壤深层干燥化问题。
2.2.3对玉米水分利用效率的影响 秸秆还田长期定位试验的玉米水分利用效率的研究结果(表10、表11)表明,长期秸秆还田可以提高玉米水分利用效率。同秸秆不还田处理相比,秸秆还田处理的玉米的水分利用效率19年累计平均提高2.32~3.26 kg/(hm2·mm);各处理中玉米水分利用效率由高到低的顺序为秸秆养畜粪肥还田﹥秸秆覆盖还田﹥秸秆粉碎直接还田﹥秸秆不还田。玉米水分利用效率在偏旱年份较高,大旱年份最低。秸秆覆盖还田处理提高玉米水分利用效率的效果在偏旱年份最为明显。
秸秆还田对作物产量的影响效果,大家争论了许多年[8,11,13,17,19-22],其主要的问题在于缺乏长期的研究结果和不同秸秆还田方式效果的比较。本研究19年的结果表明,秸秆还田具有明显的增产增收效果,但不同的秸秆还田方式和不同降水年型对玉米产量和经济效益的影响存在明显差异。
中国北方干旱地区的土壤干燥化问题,一直受到关注[23-26]。秸秆还田可以减轻土壤干燥化程度,特别是秸秆覆盖还田,本试验开始后3 m土体间土壤贮水量比以前有所增加,并没有出现象王学春等[27-28]模拟预测的出现 1—3 m 土壤的干燥化情况,这可能和区域降水量较多及种植一年一作春玉米耗水量较低有关。
丰水年和偏丰年份的玉米产量和水分利用效率不是最高,可能原因是虽然降水量偏多,但由于玉米生长期间光热资源不足、降水分布不合理等问题,使玉米产量比“风调雨顺”的降水正常年份要偏低。因此,生产实践中在丰水年和偏丰年份应当注意保蓄降水、减少径流和休闲期无效耗散损失,增加土壤贮水。
1)秸秆还田增产增收效果十分明显。玉米籽粒产量19年累计增加13.427~24.284 t/hm2,增产幅度达11.57%~20.92%。秸秆还田处理的玉米纯效益增加了12831~18171 Yuan/hm2,增收率提高20.7%~29.4%。不同秸秆还田方式的玉米产量存在差异,其产量高低顺序为秸秆养畜粪肥还田﹥秸秆覆盖还田﹥秸秆粉碎直接还田﹥秸秆不还田;在不同的降水年型中以正常年份产量最高,偏旱年份秸秆覆盖还田的增产效果明显优于秸秆粉碎直接还田。
表10 长期秸秆还田对玉米水分利用效率的影响[kg/(hm2·mm)]Table 10 Effects of different treatments on water use efficiency of rainfed corn in 1993-2011
表11 不同降水年型长期秸秆还田条件下的玉米平均水分利用效率[kg/(hm2·mm)]Table 11 Water use efficiency after 19-year continuously straw returning to field in different precipitation years
2)秸秆还田可以适度减少玉米生育期耗水量,19年平均玉米生育期耗水量由低到高的顺序为秸秆覆盖还田≦秸秆粉碎直接还田﹤秸秆养畜粪肥还田﹤秸秆不还田。各年度玉米生育期耗水量多少主要同玉米生育期降水量有关,一般表现为正常降水年份各处理玉米生育期耗水量较多,丰水和偏丰年份次之,偏旱年份再次之,大旱年份玉米耗水量最少。
3)1992年秋季到2011年10月试验期间,各处理3 m土体土壤贮水量均有所增加,但各处理间土壤贮水量及分布状况有明显差异,土壤贮水量的高低顺序为秸秆覆盖还田﹥秸秆粉碎直接还田﹥秸秆养畜粪肥还田﹥秸秆不还田;秸秆覆盖还田处理的土壤贮水量增加明显。因此秸秆还田可以增加土壤深层贮水、增加对上层土壤贮水的利用,减轻土壤深层干燥化问题。
4)同秸秆不还田相比,秸秆还田各处理玉米水分利用效率19年累计平均提高了2.32~3.26 kg/(hm2·mm);各处理的大小顺序为秸秆养畜粪肥还田﹥秸秆覆盖还田﹥秸秆粉碎直接还田﹥秸秆不还田。各处理的玉米水分利用效率在偏旱年份较高,大旱年份最低。秸秆覆盖还田处理提高玉米水分利用效率的效果在偏旱年份最为明显。
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