玉米秸秆全量深翻还田对高产田土壤结构的影响*

于 博, 于晓芳, 高聚林, 胡树平, 孙继颖, 王志刚, 高 鑫, 朱文新

(内蒙古农业大学 呼和浩特 010019)

土壤团聚体的形成、分布变化及其稳定性是土壤结构研究的主要内容[1]。土壤团聚体含量和粒径大小直接影响作物生长发育[2-3]。土壤团聚体通过对土壤水、气、温度和机械性质间接影响作物产量[4-5]。不同耕作方式通过各种机具直接改变了耕作层土壤土粒空间形态分布[6], 从而改变耕作层土壤容重、孔隙、坚实度和团粒结构等土壤物理结构[7]。深翻秸秆还田通过影响微生物活性, 促进腐殖质的形成,进而增强土壤结构的稳定性。国内学者针对秸秆还田的改土培肥做了大量研究, 认为施用秸秆可使土壤机械强度的破裂系数降低[8], 土壤结构系数增加,特征团聚体组成比例明显下降, 具有明显的改土作用[9]。秸秆还田对土壤物理结构的改善具有积极作用, 特别是土壤容重变轻, 破碎系数变小, 使土壤疏松, 通透性改善; 秸秆还田后土壤大团聚体(＞0.25 mm)数量增加, 小团聚体(＜0.25 mm)数量减少, 土壤有机质增加, 其胶结和团聚的作用增大,使土壤中的细小颗粒缔结成较大的团聚体, 进而使土壤结构得到改善。刘巽浩等[10]研究指出: 秸秆还田腐解过程中, 促进了土壤颗粒的团聚作用, 改良土壤结构, 改善了通气与水分的渗透性和保水能力。高明等[11]研究也表明: 不同稻草还田量可使土壤中1～0.25 mm团聚体含量增加, 而团聚体(＜0.01 mm)含量减少, 证实稻草还田能促进土壤团聚体的团聚和提高土壤结构的稳定性。国外学者就玉米秸秆还田对土壤结构的影响亦做了较多研究, 认为秸秆还田可促进土壤微团聚体(＜0.25 mm)的团聚作用, 显著改善土壤结构状况, 增加土壤孔隙度, 降低土壤容重[12-14]。

内蒙古平原灌区玉米生产中存在耕层浅(16 cm)、犁底层坚硬(坚实度为2 808 kPa、容重1.55～1.68 g·cm-3)的土壤结构问题。前人研究[15-17]明确了土壤团聚体对土壤结构改良和培肥的贡献作用, 土壤结构优劣决定土壤肥力的高低, 而土壤结构又与土壤团粒结构的大小和性质相关[18]。为此, 针对内蒙古平原灌区土壤结构问题, 本研究设计了连续1、2、3、4年深翻秸秆还田定位试验, 采用深翻40 cm结合秸秆全量还田, 分层研究土壤物理性质、结构性和基础土壤肥力及pH等的响应, 探讨解决耕层浅、犁底层坚硬的解决方法, 为研究区及类似地区的作物高产栽培提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于内蒙古农业大学科技示范园区(内蒙古包头市土默特右旗沟门镇)试验基地(属土默川平原灌区)进行。地势平坦, 定点试验田的耕层为15～17 cm, 犁底层为 17～40 cm, 土壤类型为沙壤土, 土壤有机质含量8.15 g·kg-1, 速效氮 68.35 mg·kg-1, 速效磷 36.26 mg·kg-1,速效钾165.05 mg·kg-1, pH 8.05。春玉米生育期降水314 mm, 生育期积温(5月1日—9月23日)2 580 ℃。土壤样品采集定点试验田0～40 cm土层土壤。

1.2 试验设计

定位试验于2010年10月至2013年10月进行,深翻深度 40 cm, 玉米秸秆在联合收割机收获后全量粉碎还田。自 2010年起逐年形成深翻秸秆还田1～4年4个试验处理(SF1-SF4), 秸秆年均还田量分别为 19 392.48 kg·hm-2、19 718.64 kg·hm-2、20 994.48 kg·hm-2、22 338.18 kg·hm-2, 以不深翻秸秆还田作为对照(C K), 秸秆年均还田量为17 730.18 kg·hm-2。共计5个处理试验地, 每个处理试验地块长116.5 m, 宽4.5 m, 秸秆还田量按照1.0∶1.2的籽粒∶秸秆比计算。玉米品种为‘郑单958’, 密度82 500 株·hm-2, 施肥量纯 N 465 kg·hm-2、P2O5210 kg·hm-2、K2O 202.5 kg·hm-2, 施肥方式: 磷、钾肥全部作基肥, 氮肥以3∶6∶1分别用作基肥、拔节期追肥和灌浆前追肥, 灌水4次, 拔节期1次、大喇叭口期1次和灌浆期2次, 详见表1。深翻秸秆还田后各处理产量构成如表 2所示, 以含水量14%折算各处理产量。

表1 深翻秸秆全量还田试验设计方案Table 1 Test design scheme of deep tillage and straw returning

表2 不同年限深翻秸秆还田下春玉米产量及构成Table 2 Yield and its components of spring maize under different treatments of deep tillage and straw return for different years

1.3 试验方法

1.3.1 土壤理化性状测定

土壤容重(soil bulk density, SBD)采用环刀法测定。于2011年、2012年、2013年和2014年春玉米播种前、灌浆期和籽粒收获期, 分别测定 0～20 cm和20～40 cm土壤容重, 每个点重复3次。

土壤坚实度(soil hardness)采用坚实度仪测定。于2011年、2012年、2013年和2014年春玉米播种前、灌浆期和籽粒收获期, 按“△”形3点法取样, 测定深度为0～40 cm, 每2.5 cm一层, 测定土壤坚实度,每个点重复3次。

于每年的春播前和秋季玉米籽粒收获后, 按“△”形3点法取样, 采集0～40 cm土层土壤测定养分含量。土壤速效氮测定采用碱解扩散法, 速效磷测定采用碳酸氢钠浸提分光光度计比色法, 速效钾测定采用火焰光度计法, 有机质测定采用重铬酸钾容量法[18]。

1.3.2 土壤团聚体测定

于2010年10月18日收获期, 2011年4月27日春播前、8月16日灌浆期、10月19日收获期, 2012年4月24日春播前、8月16日灌浆期和10月18日收获期, 2013年4月26日春播前、8月19日灌浆期和10月25日收获期, 2014年4月18日春播前、8月 16日灌浆期, 按“△”形3点取土法在 0～20 cm和20～40 cm 2个土层采集原状土样, 采用 PVC管(内径160 mm)采集原状土, 将原状土壤放于阴凉处风干后除去秸秆及小石块等杂物, 将大土块按照自然裂痕剥离1 cm3, 取500 g, 采用萨维诺夫法[15]筛分土壤样本, 室内分析待用。

机械稳定性团聚体和水稳性团聚体采用萨维诺夫法[15], 分别使用振荡式机械筛分仪和团粒分析仪进行测定, 3次重复。

利用各粒级团聚体数据, 计算＞0.25 mm团聚体比例(R0.25)、团聚体平均重量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚体几何平均直径(geometric mean diameter, GWD)、土壤团聚体破坏率(percentage of aggregate disruption, PAD)、不稳定团粒指数(sabotage water-stable aggregates, SWA)和团聚体分形维数(D)[16]。

式中:R0.25为直径大于0.25 mm团聚体比例,Mt为团聚体的总质量,Mr＞0.25为粒径＞0.25 mm团聚体的质量(g),Mr＜0.25为粒径＜0.25 mm 团聚体的质量(g)。

式中: MWD为团粒平均重量直径(mm),xi为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm),wi为对应于xi的团聚体百分含量(%)。

式中: GMD为团聚体几何平均直径(mm),xi为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm),wi为对应于xi的团聚体百分含量(%)。

式中: PAD为团聚体破坏率(%),RD0.25为＞0.25 mm机械稳定性团聚体含量(%),RS0.25为＞0.25 mm水稳性团聚体含量(%)。

式中: SWA为不稳定团粒指数(%),Mst为供试土壤总重量,Msr＞0.25为水稳性团聚体重量。

式(6)为杨培岭等[19]推导团聚体分形维数(D)公式。

式中,xi为某级团聚体平均直径,Mr＜xi为粒径小于xi的团聚体的重量,Mt为团聚体总重量,xmax为团聚体的最大粒径。

1.3.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理、绘制图表, SPSS 13.0统计分析软件进行单因素方差(One-way ANOVA)分析和相关性分析, 不同处理之间多重比较采用 Tukey’s法, 然后经过t检验(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 深翻秸秆还田对土壤容重的影响

如图1A所示, 0～20 cm土层, 春播前土壤容重SF1-SF4比CK显著降低7.63%、9.72%、15.27%和14.58%; 灌浆期SF1-SF4比CK显著降低14.56%、16.56%、16.56%和18.54%, 且SF1-SF4间差异不显著; 收获期 SF1-SF4比 CK显著降低 11.97%、10.56%、14.08%和 13.38%。20～40 cm 土层土壤容重如图 1B所示, 春播前 SF1-SF4比 CK显著降低8.86%、15.19%、12.65%和14.56%, 灌浆期SF1-SF4比CK显著降低12.82%、12.86%、12.17%和12.18%且SF1-F4间差异不显著, 收获期SF1-SF4比CK显著降低 12.19%、12.21%、14.74%和 12.17%且SF1-SF4间差异不显著。结果表明, 深翻秸秆还田措施能够显著降低0～40 cm土层土壤容重, 但深翻秸秆还田年限对土壤容重影响不显著。

2.2 深翻秸秆还田对土壤坚实度的影响

如图2所示, 玉米春播前、灌浆期和收获后, 土壤坚实度SF1-SF4显著小于CK, CK在10 cm土层处存在坚硬的犁底层, 春播前土壤坚实度2 375 kPa,深翻秸秆还田1～4年后降低到163 kPa、93 kPa、93 kPa和 70 kPa。灌浆期与籽粒收获后土壤坚实度变化规律与春播前变化规律一致, 结果说明: 深翻耕作措施改变土壤结构, 疏松耕层和犁底层土壤, 显著降低土壤坚实度。

2.3 深翻秸秆还田对土壤团聚体的影响

2.3.1 深翻秸秆还田对土壤团聚体特征的影响

如表3所示, 0～20 cm土层＞0.25 mm的机械团聚体的相对含量(R0.25)变化表现为: SF1-SF4比CK显著降低2.83%、0.62%、0.49%和13.79%(P＜0.05); SF1-SF3显著大于SF4, SF1-SF3之间变化差异不显著。20～40 cm土层, SF1和SF2比CK显著增加13.69%和17.83%, SF3和SF4分别比CK增加4.26%和5.68%。

图1 不同年限深翻秸秆还田对春玉米不同生育期0～20 cm (A)和20～40 cm (B)土层容重的影响Fig. 1 Effects of deep tillage and straw return for different years on bulk density in 0-20 cm (A) and 20-40 cm (B) soil layers at different growth stages of spring maize

图2 不同年限深翻秸秆还田对春玉米田春播前(a)、灌浆期(b)及籽粒收获后(c)土壤坚实度的影响Fig. 2 Effects of deep tillage and straw return for different years on soil hardness in 0-40 cm layers before spring sowing (a), at filling stage (b) and after harvest (c) of spring maize

0～20 cm土层土壤团聚体平均重量直径(MWD)变化表现为: SF1和 SF2比 CK分别增加 4.47%和2.06%, SF3和SF4比CK显著减小8.59%和18.90%;各处理间, SF4显著小于SF3, SF3显著小于SF2和SF1, SF1与SF2无显著差异。团聚体几何平均直径(GMD)变化表现为: SF4比CK显著降低27.21%, 其他处理间变化差异不显著。20～40 cm 土层团聚体MWD与GMD呈正相关。SF2处理MWD比CK显著增大23.92%, SF1、SF3和SF4与CK差异不显著;各处理间, SF2显著大于SF1、SF3和SF4, SF1、SF3和SF4之间差异不显著。SF2处理GMD比CK显著增大53.38%, SF1、SF3和SF4与CK差异不显著; 各处理间, SF2显著大于SF1, SF1显著大于SF3和SF4,SF3和SF4间无显著性差异(表3)。

表3 深翻秸秆还田对0～40 cm土层土壤团聚体特征的影响Table 3 Effects of deep tillage and straw return for different years on characteristics of soil aggregates in 0-40 cm soil layer

以上结果说明团聚体特征参数的变化是由于深翻秸秆还田后秸秆腐解增加土壤有机质, 进而增加土壤有机碳, 促进了土壤的吸附作用, 增加土壤团聚体的团聚。但是秸秆当季腐解的速率较慢, 导致深翻1～2年的土壤团聚体的团聚速度小于深翻破坏的土壤团聚体, 深翻秸秆还田 1～2年土壤团聚体的破坏率显著增大, 秸秆还田 3～4年后, 土壤有机质逐渐积累, 土壤团聚体团聚速率大于深翻破坏的土壤团聚体, 促进了土壤团聚体的团聚。

2.3.2 深翻秸秆还田对土壤团聚体稳定性的影响

表4表明, 0～20 cm土层, 团聚体破坏率(PAD),SF1比CK显著减小8.45%, SF2-SF4比CK分别降低3.83%、0.98%和4.77%; 各处理间, SF1显著低于SF2-SF4, SF2和SF4间无差异, SF3显著大于其他各处理。20～40 cm 土层, SF1-SF4比 CK 显著降低9.20%、3.02%、8.38%和 3.16%; 各处理间, SF1和SF3显著低于SF2, SF1、和SF3间无差异。

表4 深翻秸秆还田对0～40 cm土层土壤团聚体破坏率(PAD)的影响Table 4 Effects of deep tillage and straw return on percentage of aggregate disruption (PAD) in 0-40 cm soil layer

表5表明, 0～20 cm土层土壤水稳性团聚体不稳定系数(SWA)表现为: SF1-SF4比 CK显著降低5.05%、2.89%、13.44%和16.38%; SF1、SF2、SF3、SF4各处理间呈逐渐降低趋势。20～40 cm 土层SF1-SF4比CK显著增加12.34%、18.84%、19.38%和16.60%; SF1、SF2、SF3、SF4各处理间呈先逐渐升高再降低的趋势。深翻秸秆还田措施还显著增加了20～40 cm土层土壤水稳性团聚体不稳定系数。

表5 深翻秸秆还田对0～40 cm土层土壤水稳性团聚体不稳定系数(SWA)的影响Table 5 Effects of deep tillage and straw return on soil sabotage of water-stable aggregates (SWA) in 0-40 cm soil layer

2.3.3 深翻秸秆还田对土壤团聚体分维特征的影响

表6表明, 0～20 cm土层土壤团聚体的分形维数(D)表现为: SF3和 SF4比 CK显著增大 3.00%和7.30%, SF1和SF2与CK之间差异不显著; SF1-SF4各处理间, SF4显著大于其他3个处理, 说明逐年深翻秸秆还田措施使土壤团聚变得不规则。20～40 cm土层, SF2比CK显著降低3.54%, 且SF2处理显著小于SF1、SF3和SF4处理。

表6 深翻秸秆还田对0～40 cm土层土壤团聚体分形维数(D)的影响Table 6 Effects of deep tillage and straw return on fractal dimension of aggregates (D) in 0-40 cm soil layer

2.4 深翻秸秆还田对土壤基础肥力和pH的影响

如表 7所示, 深翻秸秆还田对土壤有机质的影响表现为, SF1-SF4比CK显著增加16.32%、24.78%、25.07%和25.56%, 并且SF2、SF3、SF4处理显著大于SF1处理。SF1-SF4处理的土壤速效氮比CK分别显著增加20.28%、14.46%、17.20%和21.95%, 各处理间差异不显著。SF1-SF4处理速效磷比CK显著增加6.80%、12.07%、17.85%和23.30%, SF4处理显著大于SF1、SF2、SF3处理。速效钾SF1-SF4处理比CK显著增加17.59%、16.34%、20.49%和29.85%,各处理间表现为SF4处理显著大于SF1、SF2、SF3处理, SF1、SF2、SF3处理间差异不显著。pH值表现为: SF3和SF4比CK显著降低1.95%和1.70%, 各处理间为 SF1＞SF2＞SF4＞SF3。秸秆腐解还田后, 秸秆中的木质素、纤维素和矿质营养元素还田到土壤中, 增加土壤有机质和速效养分, 秸秆还田具有培肥土壤的作用; 但因为秸秆当季腐解的速率较低,适当配合施用氮肥可促进秸秆的腐解, 有利于恢复深翻破坏的土壤结构, 秸秆还田 3～4年后, 可促进土壤团聚体团粒结构的形成, 培肥土壤。

表7 深翻秸秆还田对土壤有机质、速效养分和pH的影响Table 7 Effects of deep tillage and straw return on contents of organic matter and available nutrients and pH

3 讨论

土壤形成坚硬犁底层的原因是机械压实、灌水和降雨等。耕层(0～20 cm)土壤中的黏粒随水向下迁移, 在下层土壤中沉积, 造成下层土壤坚实度增大,形成新的犁底层[20]; 另外大型机械, 如运输的拖拉机和联合收割机的压实作用, 对形成新的犁底层有一定影响。针对上述问题, 本研究设计不同年限的深翻和秸秆全量还田处理, 发现0～40 cm土层, 1～4年深翻和秸秆全量还田使土壤容重和坚实度显著降低, 说明深翻和秸秆还田打破了土壤20～40 cm土层坚硬的犁底层, 改善了土壤物理性状, 这与马永良等[21]研究结果一致。

团聚体是土壤结构的物质基础, 有供给作物生长养分的功能, 其组成结构和稳定性(机械稳定性和水稳性)影响土壤复杂生物、化学和物理过程。土壤团聚体的组成结构及其稳定性决定了土壤的水力特征和生物活动。本研究发现, 4年深翻和秸秆全量还田使土壤R0.25、MWD、GWD显著减小; 且水稳性团聚体不稳定系数随深翻和秸秆全量还田年限逐渐降低, 团聚体破坏率减小, 这与张鹏等[22]研究结果一致。因本研究在沙壤土的农田进行定位试验, 而张鹏等[22]在黄绵土的轻壤农田进行的定位试验, 且两个试验区气候差异较大, 秸秆分解速率存在差异,以致对土壤团聚的组成和稳定性影响不同。分形维数是评价土壤结构分布的综合指标, 不仅描述了土壤颗粒的大小及分布, 而且反映了土壤质地的均一程度, 其值越高, 表明土壤质地越黏重, 通透性越差[23]。很多研究认为, 团聚体分布具有分形特征[24]。本研究发现, 深翻秸秆还田后, 耕层(0～20 cm土层)土壤团聚体分形维数值显著高于犁底层(20～40 cm土层), 且呈逐年增大的趋势。犁底层分形维数值变化规律与耕层相反。说明深翻秸秆还田 4年后, 耕层土壤黏粒被翻到犁底层处, 犁底层土壤腐殖质的胶结作用形成大团聚体, 促进团粒结构的形成; 而耕层土壤通透反而变差。深翻秸秆还田措施有利于耕层水稳性团聚体的稳定性, 但不利于犁底层水稳性团聚体的稳定性, 深翻在改善土壤物理性质的同时也破坏了犁底层土壤结构的稳定性, 深翻秸秆还田使耕层土壤质地越来越黏重, 犁底层土壤质地越来越轻, 因此在秋深翻整地时, 尤其要关注犁底层水稳性团聚体的破坏和不稳定性, 防止土壤退化,这与张鹏等[22]的研究结果不完全一致。

4 结论

玉米秸秆全量深翻还田处理后, 耕层土壤物理性质、土壤结构得到改良, 土壤速效养分、土壤有机质显著增加, 土壤pH显著减小, 因此该措施可以达到改良犁底层、培肥土壤的目标, 尤其是玉米秸秆全量深翻还田 4年处理。对于改良土壤耕层结构和地力状况应继续玉米全量深翻还田, 达到长期改良培肥土壤耕层的作用。犁底层土壤的物理性质、土壤养分变化规律与耕层相同, 但是土壤结构的变化规律与耕层相反, 土壤团聚体R0.25、MWD、GWD、水稳性团聚体不稳定系数(SWA)、团聚体破坏率(PAD)随秸秆全量深翻还田呈逐年增大的趋势, SWA和PAD的增大指示犁底层土壤结构被破坏, 尤其是玉米秸秆全量深翻还田2年和4年处理土壤结构被破坏的程度最为显著, 因此犁底层土壤结构被破坏的变化规律呈现隔年增大且达到峰值的规律, 因此应用该措施时可以隔年降低深翻深度至 30 cm, 即隔年深翻, 既可达到培肥改良土壤耕层的目的, 同时又能降低土壤犁底层水稳性团聚体不稳定系数(SWA)、团聚体破坏率(PAD), 达到保护犁底层土壤结构的目的。因此, 玉米秸秆全量深翻还田对内蒙古平原灌区玉米高产田耕层和犁底层土壤的改良是一项利于生态农业发展可持续的耕作措施。

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