秸秆条带还田对东北春玉米产量、土壤水氮及根系分布的影响

安俊朋 李从锋 齐 华,* 隋鹏祥 张文可 田 平 有德宝梅 楠 邢 静



秸秆条带还田对东北春玉米产量、土壤水氮及根系分布的影响

安俊朋1李从锋2齐 华1,*隋鹏祥1张文可1田 平1有德宝1梅 楠1邢 静1

1沈阳农业大学, 辽宁沈阳 110866;2中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部生理生态重点实验室, 北京 100081

为探讨秸秆条带还田对东北春玉米产量的影响, 及其与土壤水氮及根系空间分布的关系, 2015年和2016年在辽宁铁岭开展田间试验, 设置垄间旋耕+秸秆还田(RR+S)、垄间旋耕(RR)、隔行垄间旋耕+秸秆还田(IR+S)和隔行垄间旋耕(IR) 4种处理方式。结果表明, 与不还田处理相比, RR+S和IR+S分别增产6.7%和8.2%, 其穗粒数、收获指数均显著增加, 但千粒重差异不显著; RR+S和IR+S处理较RR和IR处理, 30~60 cm土层土壤水分含量提高7.8%和6.1%, 0~30 cm土层土壤全氮含量平均增加6.9%和4.5%。秸秆还田处理较秸秆不还田处理玉米根长密度增加29.4%和22.7%, 其中30~60 cm土层达到显著水平, 根冠比降低21.0%和32.3%, 水分利用效率提高7.8%和7.0%。垄间与隔行垄间处理间水氮空间分布存在明显差异, 垄间处理(RR+S和RR)的土壤水、氮在空间上呈“植株中心两侧含量对称分布”状态, 而隔行垄间处理(IR+S和IR)则呈“植株中心两侧含量不对称分布”状态。说明秸秆条带还田(RR+S和IR+S)通过优化耕层土壤结构及土壤水氮分布, 显著提高了水分利用效率和籽粒产量, 但水氮空间分布对产量未产生直接影响。此外, 干旱年份(2015年)秸秆条带还田的增产效果更为显著, 为东北春玉米高产高效和秸秆综合利用提供有益的借鉴。

秸秆条带还田; 产量; 根系分布; 土壤水分; 氮素分布; 水分利用效率

秸秆还田是一项有助于改善农田水土条件, 增加土壤有机质含量的保护性耕作措施[1-2]。在提高作物产量、增加土壤水分和养分有效性等方面的作用已被许多研究证实[3-4]。目前, 东北春玉米产区是中国最大的玉米商品粮基地, 该区年玉米秸秆量(约6800万吨)占全国总量的31.0%, 但秸秆还田比例仅为11.2%,远远低于全国17.6%的平均水平[5]。由于该地区冬季温度较低, 秸秆还田后分解缓慢, 严重影响了第2年春玉米播种和出苗质量[6]。另有研究指出, 秸秆分解过程中的反硝化作用可能导致微生物与作物争夺土壤中的氮素, 进而影响作物生长发育及产量[7-8]。

针对传统秸秆还田方式的不足, 近些年出现一种新的还田方式, 即秸秆条带还田。目前, 秸秆条带还田主要包括条带覆盖、条带旋耕和条带沟埋等[9-11]。该措施由于避免了作物与秸秆的直接接触, 一定程度上解决了传统还田方式下播种和出苗困难问题[12]; 土壤容重显著降低, 疏松的土壤条件有利于促进根系生长发育[13]; 利于增加水分蓄纳和入渗能力, 提高田间土壤含水量[14]; 可以有效滞留氮素, 减少土壤氮的淋失[15]。然而, 关于秸秆条带还田影响农田土壤水分、氮素和作物根系空间分布及提高土壤水氮资源利用效率的机制尚不清楚。

东北春玉米产区传统的浅耕和犁耕引发了农田土壤犁底层厚度与紧实度增加等耕层结构性问题[16]。另一方面, 忽视有机物料投入与大量使用化肥的重用轻养生产方式造成了该区农田板结和耕性变差等功能性问题[17]。现有条件下, 秸秆还田仍然是改变该区农田土壤结构和功能障碍的最佳途径。本研究于2015—2016年在辽河平原中西部春玉米地区, 模拟旋耕处理下不同秸秆条带还田方式, 探讨其对春玉米产量的影响, 及对农田土壤水分、氮素和春玉米根系空间分布的调控效应。旨在为解决东北春玉米产区秸秆还田提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

辽宁省铁岭市张庄试验站(42°49′N, 124°16′E)位于辽河平原中西部, 属于温带半湿润半干旱气候区。多年平均气温6.3℃, 降雨量675 mm, 日照时数2700 h, 无霜期146 d。试验地土壤类型为棕壤土, 主要耕作方式为旋耕。2015年0~20 cm土层含有机质19.66 g kg–1、有效氮132.80 mg kg–1、速效磷33.26 mg kg–1和速效钾161.50 mg kg–1。其中, 0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层全氮含量分别为0.92、0.75和0.63 g kg–1。2015年和2016年春玉米全生育期累计降水量分别为355.3 mm和829.0 mm (图1)。

图1 2015年和2016年春玉米生长季日平均气温与降雨量

1.2 试验设计和田间管理

试验区春玉米播种方式为平播, 供试玉米品种为郑单958, 株行距为25 cm × 60 cm, 平均种植密度约为6.75万株 hm–2。在垄间人工开10 m (长)×30 cm (宽)×15 cm (深)沟槽, 沟槽间距分为30 cm (模拟行行旋耕)和90 cm (模拟隔行旋耕)两种(图2-a)。在两种沟槽内, 分别设置秸秆还田(各试验小区秸秆均取自上一茬该区作物秸秆或临近田块秸秆, 还田量均调整为12 t hm–2, 近似于上茬玉米秸秆全量还田)与秸秆不还田处理。前者将秸秆与土壤混拌均匀后原位还入沟槽内(图2-b), 后者将秸秆全部移出。设垄间旋耕+秸秆还田(RR+S)、垄间旋耕(RR)、隔行垄间旋耕+秸秆还田(IR+S)和隔行垄间旋耕(IR) 4个处理, 3次重复。2015年5月17日和2016年5月2日播种, 同时施入氮75 kg hm–2、P2O575 kg hm–2和K2O 225 kg hm–2, 拔节期追施氮150 kg hm–2。其他栽培管理措施按照一般高产田进行, 2015年10月2日和2016年9月28日收获。

图2 田间试验设计(a)、沟槽挖掘(b)以及土壤取样(c)示意和实景图

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素 玉米收获前, 从各小区收取中间4行果穗, 于田间称其总穗重。同时计算平均穗重, 根据平均穗重选取10穗, 观测穗行数、行粒数和千粒重。利用谷物水分测定仪(PM-8188-A, 日本凯特公司)测定籽粒含水量, 换算成14%含水量的玉米产量。

1.3.2 土壤水分、全氮和春玉米根系空间分布

在春玉米吐丝期, 从各处理选取3株代表性植株, 采用 “Monilith 3D空间取样法” 测定土壤水分、收集土壤及根系样品[18]。具体方法见图2-c。利用土壤水分测定仪(ML3, 英国Delta-T公司)测定各块土体含水量, 采集各土体样品, 同时使用3 mm孔径筛子和镊子收集根系于自封袋中。利用根系扫描仪(Epson Perfection V700, Indonesia Inc.)对根系扫描, 使用根系分析系统(Win RHIZO Program, Regent Instruments Inc.)获得根长、根表面积等数据。扫描后的根系经105℃杀青, 80℃烘干至恒重后称重, 获得根干重数据。利用凯氏定氮仪(Kjeltec 8400, 丹麦Foss Inc.)测定土壤全氮含量。

1.3.3 水分利用效率

作物耗水量[19]ET = R1+U − R − F – ΔW (1)

式中, R1为作物生育期降水量, mm; U为地下水补给量, mm; R为径流量, mm; F为土壤水分渗漏量, mm; ΔW为收获后和播种前土壤根层储水量的变化, mm, 其中土壤储水量以2 m土层含水量计算; 因为试验小区土地平坦, 故地表径流和土壤水分渗漏量可以忽略不计; 地下水埋深较大, 多在几十米以下, 地下水的补充可以忽略不计。

据此, 式(1)可简化为

ET = R – ΔW (2)

WUEgy= GY/ ET (3)

式中WUEgy为籽粒(经济)产量水分利用效率, kg hm–2mm–1, GY为玉米籽粒产量。

1.4 数据分析

采用SPSS 18.0 (SPSS, Inc.)进行数据显著性检验(显著性水平为<0.05), 采用Origin 9.0 (OriginLab, Inc.)和Surfer 8.0 (Golden Software, Inc.)制图。

2 结果与分析

2.1 秸秆条带还田对产量及其构成因素的影响

秸秆还田处理可以显著提高春玉米产量, 但还田方式与两者互作均无显著影响(表1)。RR+S和IR+S处理的春玉米产量均显著高于不还田处理, 分别提高6.7%和8.2%, 尤其是在干旱年份(2015年),增产幅度更大, 分别为11.4%和14.3%。秸秆还田可以显著提高穗粒数, 还田方式和两者互作均无显著影响, 在2015年, RR+S和IR+S处理穗粒数较不还田处理显著提高28.3%和45.6%, 处理间千粒重差异不显著。RR+S和IR+S处理均通过增加穗粒数来显著提高产量, 且两者产量差异不显著。

表1 秸秆条带还田对春玉米产量及其构成因素的影响

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕; S: 秸秆处理(有无秸秆); M: 还田方式(行行与隔行)。同列标以不同字母的值为处理间在0.05水平差异显著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

2.2 秸秆条带还田对春玉米根系空间分布的影响

在0~30 cm土层中, 2015年RR+S和IR+S处理的根长密度明显低于不还田处理, 2016年趋势相反, RR+S和IR+S处理的根长密度分别提高26.3%和12.3%。在30~60 cm土层中, RR+S和IR+S处理的根长密度均显著高于不还田处理, 2015年分别提高36.8%和24.6%, 2016年分别提高21.9%和20.7% (图3)。根表面积规律同根长密度(图4)。

2.3 秸秆条带还田对春玉米根冠比的影响

秸秆条带还田处理的根冠比低于不还田处理(表2), 其中, 2016年IR+S处理、2015年RR+S和IR+S处理分别较秸秆不还田处理降低24.6%、36.5%和39.7%, 且均达到显著水平。IR+S与RR+S处理根冠比差异不显著。由表2可知, 秸秆处理对2015年和2016年根冠比有极显著影响, 还田方式对2016年根冠比有极显著影响, 秸秆处理和还田方式互作对2016年根冠比有极显著影响, 分析认为, 秸秆条带还田对雨水充沛年份(2016)根冠比的效应更为显著。

2.4 秸秆条带还田对土壤水氮空间分布的影响

秸秆条带还田对土壤水分空间分布的影响见图5-A。在0~30 cm土层中, 秸秆条带还田与不还田处理土壤水分含量差异不明显; 在30~60 cm土层中, RR+S和IR+S处理分别较秸秆不还田处理增加7.8%和6.1%。秸秆条带还田土壤氮素含量均高于不还田处理(图5-B), 其中在0~20 cm土层, RR+S和IR+S处理分别较秸秆不还田处理提高6.9%和4.5%, 均达到显著水平。

RR+S处理的土壤水、氮在空间上均呈“植株中心两侧含量较为对称”的分布状态, 而IR+S处理则呈“植株中心两侧含量不对称”的分布状态。两者相比, 水氮分布特性差异显著, 但均明显提高了土壤深层水分和耕层土壤氮素含量。说明RR+S和IR+S均可优化土壤结构, 改善农田土壤水氮分布特性。

图3 不同处理0~60 cm春玉米根长密度的空间分布

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

图4 不同处理0~60 cm春玉米根表面积的空间分布

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

表2 吐丝期不同处理对春玉米根干重及根冠比的影响

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕; S: 秸秆处理(有无秸秆); M: 还田方式(行行与隔行)。同列标以不同字母的值为处理间在0.05水平差异显著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

图5 2016年不同处理0~60 cm土层中水分(A)和全氮含量(B)的空间分布

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

2.5 秸秆条带还田对玉米水分利用效率的影响

除播种前RR+S处理外, 播种前和收获后秸秆条带还田处理的土壤贮水量均显著高于不还田处理(表3)。与不还田处理相比, RR+S和IR+S耗水量分别降低3.6%和1.6%, 玉米水分利用效率分别显著提高7.8%和7.0%。秸秆处理对播前和收获后土壤贮水量、耗水量和水分利用效率有极显著影响。

3 讨论

目前, 秸秆还田对作物产量影响的研究报道相对较多, 且均指出积极增产的效果。殷文等[20]研究表明, 秸秆还田2年后, 玉米籽粒增产11.3%~ 17.5%。赵亚丽等[21]研究发现, 2年的秸秆全量还田, 周年作物(玉米、小麦)产量分别提高了18.0%和19.3%。这与本研究结果一致, 秸秆还田显著提高了春玉米产量, 特别是干旱年份增产效果更明显。秸秆还田对穗粒数和产量的提高有极显著的影响, 还田方式(秸秆还田带间隔距离改变)影响不显著, 穗粒数的提高是秸秆条带还田增产的直接原因。

表3 2016年秸秆条带还田对春玉米耗水量和水分利用效率的影响

RR+S: 垄间旋耕秸秆还田; RR: 垄间旋耕; IR+S: 隔行垄间旋耕秸秆还田; IR: 隔行垄间旋耕; S: 秸秆处理(有无秸秆); M: 还田方式(行行与隔行)。同列标以不同字母的值为处理间在0.05水平差异显著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

发达的深层根系是作物获得高产的关键因素[22]。与不还田处理相比, 秸秆条带还田在干旱年份(2015年)和丰水年份(2016年)均改变了根系空间分布, 明显增加土壤深层根长密度和根表面积, 显著降低根冠比, 可能是秸秆条带还田下良好的土壤结构及适宜的水氮环境有利于春玉米深层根系的生长发育, 进而降低根冠比, 提高地上部物质积累[23]。玉米根系的生长对农田土壤含水量和土壤全氮的空间分布可能存在反向调控作用[24]。

秸秆条带还田较不还田处理显著改变了农田土壤水分、土壤氮素空间分布特征。RR+S和IR+S处理可以增加深层(30~60 cm)土壤含水量, 分析认为秸秆还田处理部位相当于混拌秸秆的暗沟, 有效降低了地表径流、增加了雨水入渗、减少表层土壤水分蒸发[25-26]。秸秆条带还田显著提高了耕层(0~20 cm)土壤全氮含量, 可能是因为秸秆有效滞留了土壤中施用的氮肥并减缓了土壤氮素淋失[27], 同时秸秆腐解可能增加表层土壤中全氮含量[28]。还田初期秸秆腐解容易造成土壤微生物与春玉米争氮[7-8], 本研究中较高的土壤全氮含量可能部分来源于前一年(2015年)秸秆腐解所释放的氮。RR+S和IR+S处理下土壤水氮分布存在差异, 但均可显著提高土壤深层水分含量和耕层氮素含量, 这也可能是RR+S和IR+S处理下春玉米产量无显著差异的主要原因。

4 结论

不同秸秆条带还田方式下, 垄间旋耕+秸秆还田与隔行垄间旋耕+秸秆还田均能显著提高玉米产量, 秸秆还田处理较秸秆不还田处理玉米根长密度显著增加29.4%和22.7%, 水分利用效率提高7.8%和7.0%。垄间与隔行垄间处理显著影响水氮空间分布, 垄间处理(RR+S和RR)的土壤水、氮在空间上呈“植株中心两侧含量对称分布”状态, 而隔行垄间处理(IR+S和IR)则呈“植株中心两侧含量不对称分布”状态。表明秸秆条带还田通过优化耕层土壤结构, 改善土壤水氮分布, 提高水分利用效率和籽粒产量。为东北春玉米高产高效和秸秆综合利用提供有益的借鉴。

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Effects of Straw Strip Returning on Spring Maize Yield, Soil Moisture, Nitrogen Contents and Root Distribution in Northeast China

AN Jun-Peng1, LI Cong-Feng2, QI Hua1,*, SUI Peng-Xiang1, ZHANG Wen-Ke1, TIAN Ping1, YOU De-Bao1, MEI Nan1, and XING Jing1

1Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

Field experiments were conducted in 2015 and 2016 at Tieling city, Liaoning province of Northeast China to study the effects of straw stripe returning on yield of spring maize, and the relationships of yield with soil moisture, nitrogen and maize root spatial distribution. The experiments included four treatments: (1) the ridges of the rotary tillage with straw returning (RR+S); (2) the ridges of rotary tillage without straw returning (RR); (3) interlaced ridges of rotary tillage with straw returning (IR+S); (4) interlaced ridges of rotary tillage without straw returning (IR). Compared with no straw returning, under RR+S and IR+S treatments the yield, increased by 6.7% and 8.2%, respectively, with more significant yield-increasing effect in dry year (2015) than in rainy year (2016); their grain number per spike and harvest index increased significantly, but there was no significant difference in 1000-grain weight; their soil moisture content increased by 7.8% and 6.1%, and their soil nitrogen increased by 6.9% and 4.5%, respectively; their root length significantly increased by 29.4% and 22.7%, and the water use efficiency was increased by 7.8% and 7.0%, respectively. We conclude that the straw strip returning (RR+S and IR+S) can improve water use efficiency and grain yield by optimizing distribution of soil structure, moisture and nitrogen. This study provides useful references for improving spring maize yield and straw comprehensive utilization in Northeast of China.

straw strip returning; yield; root distribution; soil moisture content; nitrogen distribution; water use efficiency

2017-09-29;

2018-03-19;

2018-03-19.

10.3724/SP.J.1006.2018.00774

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201503116)和国家重点研发计划项目(2016YFD0300103, 2016YFD0300801)资助。

The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503116) and the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300103, 2016YFD0300801).

齐华, E-mail: qihua10@163.com

E-mail: anjp812@163.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180319.1456.036.html