施用粉煤灰和有机肥对土壤温度和玉米生长发育及水分利用效率的影响

庞 喆， 张卫华， 孙增慧， 马增辉

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司/陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司/国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室/陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西西安 710075)

在我国快速工业化和城镇化的背景下，山地丘陵区农村空心化问题日益突出，严重阻碍了该区的农村发展和人居环境改善。农村空心化是城乡发展转型进程中乡村人地关系地域系统演化的一种不良现象[1]，深入开展山地丘陵空心村综合土地整治，是实现统筹城乡发展、新农村建设的重要基础[2]。研究表明，我国空心村整治潜力巨大，通过构建完善的农村人口转移机制、宅基地退出与盘活机制，全国空心村综合整治潜力可提高到758万hm2[3]。开展山地丘陵空心村土地综合整治，不仅能够增加可用耕地的面积，更能够改善农业生产条件，促进农业规模经营，促进乡村区域经济社会的协调发展。山地丘陵区空心村的分布较为分散、水利设施不便利，在山地丘陵空心村土地整治过程中，水资源是制约山地丘陵区农业发展的主要因素，因此研究不同还田材料对土壤温度、作物生长和水分利用效率的影响，选择经济、便利、效果显著的还田材料，对于实现山地丘陵地区空心村的综合整治具有重要的意义。

通过对各类还田材料的分布、数量、理化性质、见效周期、病虫害、污染风险、价格成本、推广难度等多方面综合评价，发现粉煤灰的农业利用具有投资少、容量大、见效快等特点，其养分含量与黄褐土的化学成分及营养成分基本相同，仅氮含量偏低[4]，同时，粉煤灰中的硅酸盐矿物质和炭粒具有多孔结构，有利于降低土壤容重，提高孔隙度，提高地温[5]，缩小土壤膨胀率[6]，有利于植物根部加速对营养物质的吸收和分泌物的排出，促进植物生长；在粉煤灰的使用过程中，粉煤灰中的金属离子对土壤环境的二次污染不容忽视，国外研究证明，施用量≤土壤质量的10%时，不会造成作物的毒害[7-8]。国内的相关试验结果也表明[5]，根据土壤质地施加粉煤灰的量在60～600 t/hm2时，土壤及粮食作物中有害元素未达到污染程度。有机肥在提高土壤养分的同时还能改善土壤理化性质，平衡养分，培肥土壤[8]，且分布广泛、易于制取，使用成本低。本试验选取这2种还田材料进行深入研究。

在研究不同还田材料对土壤水分利用效率、产量影响过程中发现，土壤水分含量、土壤温度的剖面分布特征对根系水分吸收具有重要的影响，在一定温度范围(不高于30 ℃)内，土壤温度的提升可使根系吸水增加30%左右，而且短时间内的升温对根系吸水能力的提升效果尤为明显[9-10]。所以，土壤温度所引起的根系吸水差异对水分利用效率的影响不容忽视。本研究在对土壤水分、温度监测的基础上，观察各种还田材料施配作用下的作物株高、产量等因素，分析探讨不同还田材料对土壤温度、作物生长及水分利用效率的影响，以期预选出空心村土地整治过程中合适的还田材料。

1 材料与方法

1.1 培肥材料与土壤

试验小区设置以空心村土地整治工程为背景，模拟黄土丘陵地区空心村废弃宅基地整治还田状况，选择粉煤灰、有机肥作为培肥材料。土壤剖面中30 cm以下部分为原状土，0～30 cm为回填土且培肥材料主要施用和混合于本层，土壤基本理化性质见表1。

1.2 处理方法

试验小区设在国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室富平试验基地，试验于2015年6月初开始。首先将表层30 cm土层剥离，小区周围砌墙，高度为40 cm，其中 10 cm 露出地表。其次将生土回填，回填之前将地面刮毛，回填厚度为30 cm，容重控制在1.5～1.6 g/cm3。最后将培肥材料均匀施用在地表，人工混合均匀。

表1 土壤基本理化性质

试验设计考虑有机肥、粉煤灰以及二者混合施用3种培肥处理，另设计无培肥对照处理，分别设置2个重复，共8个小区，小区面积4.48 m2，试验设计见表2。供试玉米品种为先玉335，播种量为60 000株/hm2，穴播，所有处理在播种前均配施复合肥2 250 kg/hm2。第1季夏玉米于2015年6月15日播种，2015年10月5日收获；第2季夏玉米于2016年6月5日播种，2016年10月6日收获。试验期间记录作物的生长发育情况，主要包括株高、作物产量等；记录气象数据，主要包括降雨量和蒸发量等；记录田间管理情况，包括灌溉(灌溉时间和灌溉量)、追肥(施肥时间和施肥量)等。

表2 试验设计

1.3 测定项目

土壤：主要测定土壤水分和土壤温度；作物：主要测定作物株高和产量。

土壤含水量测定：测定0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90、90～105 cm 土层的土壤体积含水量，每2周取土样测定1次。试验小区于2015年8月28日安装时域反射仪(TDR)，对各个层次的土壤含水量进行连续测定，每 10 min 测量1次，记录数据的频率为1次/h。

玉米产量计算：为防止边际效应的影响，在每个小区内(除边缘0.5 m)取2行，脱粒，风干，称质量，计算换算成标准含水量(14%)下作物产量。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰和有机肥施用对土壤温度的影响

对试验小区不同处理下的土层温度进行实时监测和记录，分析不同处理下的土壤温度差异。从图1、图2可以看出，添加了粉煤灰的TC、TFC处理均提高了土壤表层7.5 cm处温度，其中TC处理较T0处理平均提高了0.6 ℃，TFC处理提高了0.8 ℃，而没有添加粉煤灰的TF处理提高了0.3 ℃。这可能是由于粉煤灰的颜色较深，增强了土壤对太阳辐射的吸收能力。另外，在玉米的主要生长周期(6—10月)内，土壤表层日均温度分布大多在30 ℃以下，在此温度范围内，土壤温度的提升对根系吸水效率有显著的提升作用。

2.2 粉煤灰和有机肥施用对株高的影响

使用不同的还田材料，是为了提升土壤肥力，增加作物产量，在2季作物的生长过程中，不同材料对作物的株高影响见图3。在土壤整治还田过程中，有机肥和粉煤灰的使用能够提高玉米的株高，其中粉煤灰和有机肥配合处理对玉米生长的促进作用最好。

2.3 粉煤灰和有机肥施用对产量的影响

TC处理与T0处理相比未能明显提高作物的产量，而TF、TFC相对于T0明显提高了作物的产量。有机肥和粉煤灰的配合使用在所有处理中的产量达到最高。2015年TFC相对于T0处理提高了52%；2016年TFC处理相对于T0处理仅提高了23%(图4)。说明对于空心村废弃宅基地土地整治而言，单一措施不能够满足土壤改良的需要，只有多种改良措施的相互配合才能够快速地提高土壤的肥力，并取得良好的产量。

2.4 粉煤灰和有机肥施用对土壤水分利用效率的影响

在开展空心村新增耕地肥力提升技术研究的过程中，由于山地丘陵区空心村的分布较为分散、水利设施不便利，研究不同还田材料对土壤水分利用效率的影响至关重要。不同的培肥措施对土壤含水量变化产生了明显的影响，且土壤贮水量是土壤含水量的主要表征(图5、图6)。黄土高原地下水位较深，因此作物根系层的土壤水分状况受地下水的影响可以忽略。土壤水分状况主要受到自然降水、灌溉和作物蒸散的影响。本研究主要用于评估不同还田材料对作物生长的影响，采用传统种植方式进行常规灌溉，不同处理间的土壤贮水量变化规律趋于一致。

依据作物生长周期的含水量变化计算土壤的贮水量，根据土壤贮水量、灌溉、降雨情况，计算作物生长周期中的耗水量，每日贮水量之差所计算的蒸发量再加上灌溉量和降雨量来计算每种处理下的耗水量。结合不同处理间的作物产量，计算出不同处理间的水分利用效率(表3)。

结果表明，不同处理间的水分利用效率差异较大。耗水量差异是由于不同处理的末端土壤含水量变化所致，不同的耗水量和产量最终导致各处理土壤水分利用效率。2015年对照处理的水分利用效率和只添加粉煤灰的TC处理差异不明显，且利用效率较低，添加有机肥的水分利用效率明显高于对照处理，为17.41 kg/(hm2·mm)；2016年，TC和TF处理均明显高于对照处理，但水分利用率不高，为15.49、13.99 kg/(hm2·mm)；而添加了粉煤灰和有机肥的TFC处理的水分利用效率均最大，2015年为23.52 kg/(hm2·mm)，2016年为18.27 kg/(hm2·mm)，显著高于其他3种处理。

表3 不同年份玉米的耗水量及水分利用效率

3 讨论与结论

3.1 粉煤灰和有机肥施用对土壤温度的影响

土壤温度在作物生长发育、土壤中水盐运移、土壤碳平衡等方面有很重要的意义。在本试验中添加了粉煤灰的TC、TFC处理均提高了土壤表层7.5 cm处的温度，粉煤灰和有机肥混合施用的TFC处理表层温度提升最高，平均提升 0.8 ℃。在玉米的主要生长周期(6—10月)内，土壤剖面温度分布大多低于30 ℃，在此温度范围内，土壤温度的提升对根系吸水效率有显著的提升。在春寒季节，地温升高，在导热性能差的黏质土上施用适量的粉煤灰对春播作物争取早出苗、早育苗夺高产具有一定的现实意义[11-12]。

粉煤灰和有机质的混合施用提升了地温，一方面是由于粉煤灰大多数为灰黑色，吸收太阳辐热，增强土壤吸热能力，从而提高地温；另一方面粉煤灰能够改变土壤的氧化还原状态。其中，最活跃的铁矿在逐渐水解氧化成赤铁矿时释放出169.35 J/mol的热量，进一步转变为纤铁矿，又释放出 44.75 J/mol 的热量[11]。矿物的加速水解，释放出大量的能量，加快了有机质矿化和其氧化过程的进行，粉煤灰中磁性矿物的氧化水解和有机质的氧化分解的加速，都有强烈的能量释放，进一步提升了地温。

地温提高又促进了有机肥的分解和微生物的繁衍，促进了农作物的呼吸、代谢过程，使土壤中氮、钾和磷等养分的有效性增加，形成良性的水热循环环境。

3.2 粉煤灰和有机肥施用对作物产量的影响

粉煤灰对作物品质和产量有一定的促进作用；混合施用粉煤灰和有机肥，可使过氧化物酶、多酚氧化酶活性降低，抑制作物光呼吸作用，促进作物新陈代谢，有利于物质的积累，从而增加作物的产量，也能使作物的硝酸还原酶活性提高，使有机质氮的矿化、硝化作用增大，促进蛋白质合成，提高作物品质[13]。另外，土壤中施加土壤质量为2%的粉煤灰，能显著提高土壤呼吸作用，促进转化酶活性，增强微生物活性，有利于土壤中各种生化反应的进行，促进养分的释放，加速土壤熟化[7]，加速土壤熟化正是空心村整治过程中土壤肥力提升的关键所在，进而提升作物产量。

在粉煤灰与有机肥混合施用下，粉煤灰改善了土壤结构的同时，土壤中的碳氮含量减少，而有机肥的施用，正好弥补了这点。粉煤灰中磁性矿物的水解，释放出大量的能量，加快了有机质的矿化及其氧化过程，促进了农作物的呼吸过程、代谢过程，增加了土壤中氮、钾和磷等养分的有效性。同时，加快了有机肥在土壤中的腐殖化过程，使得肥效更加显著，以提升作物产量。

3.3 粉煤灰和有机肥施用对土壤水分利用效率的影响

粉煤灰作为一种高度分散的微细颗粒集合体，是优良的土壤改良剂，可以使土壤容重降低、持水能力增强，饱和导水率降低，并有效降低土壤薄膜水断裂的可能性[14-15]。粉煤灰与有机肥混合施用，改善了土壤结构特性，使土壤净光合速率升高的同时蒸腾速率同步降低，从而降低水分消耗，保持植物体内水分含量促进植物生长[16]。土壤温度提升对根系吸水效率有显著的提升。在一定程度上增加了土壤水分利用效率，在水利设施不便利的环境中，提升土壤储水性能，也进一步增加了作物的产量。

在山地丘陵区空心村整治的过程中，还田材料的选择是关键，通过试验对比，粉煤灰和有机肥混合施用表层温度提升最高，平均提升0.8 ℃；2015年，玉米产量与对照处理提高52%，2016年提高23%；2015年TFC处理水分利用效率达23.52 kg/(hm2·mm)，2016年达18.27 kg/(hm2·mm)，显著高于其他处理。从地温提升、产量提高、土壤水分利用效率的提高等方面综合考虑，粉煤灰和有机肥的混合施用效果最佳。