寒地秸秆还田配套深松对土壤肥力及花生生长和产量的影响

张 鹤蒋春姬董佳乐赵新华王晓光赵姝丽刘喜波于海秋

(沈阳农业大学农学院/花生研究所,辽宁 沈阳110161)

花生是我国重要的经济作物和油料作物,在国家粮食安全和对外贸易中占有重要地位。 近年来,随着需求量日益增加,我国东北地区花生种植面积有所增加,以辽宁花生生产发展最为迅速。 据统计,2018年辽宁省花生种植面积达28.61万hm2,成为除玉米和水稻外的第三大农作物[1]。 然而,辽宁省地处高纬度,且近55%的花生种植于辽西风沙半干旱区,该区春季风多风大,降水稀少,土壤风蚀现象严重[2]。 为提高花生产量,节约成本,当地农民依靠化肥投入,使用小型旋耕机进行田间作业,长期掠夺性生产导致该区土壤肥力下降、土壤活性变差、耕层变浅[3]。 季节性低温、干旱以及较低的土壤肥力成为限制辽宁省花生生长发育和产量形成的关键性因素。

在农业生产中,适宜的耕作方式和栽培措施对维持土壤水、肥、气、热平衡,营造适合作物生长发育的环境条件极为有效。 作物秸秆中含有大量的有机碳和作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素,还田后能提高土壤肥力,是循环利用养分资源、提高产量和培肥地力的重要措施[4]。 有研究表明,秸秆腐解可显著增加土壤中的氮、磷、钾及有机质含量,提高花生植株营养器官干物质积累,增加籽仁中的养分比例,促进养分向籽仁转移,从而增加产量[5]。 秸秆还田可增加氮素供给源和土壤氮素有效性[6],提高水稻中的氮素积累和氮素吸收利用效率,从而促进水稻中后期根系及植株的生长[7]。 此外,秸秆还田还可以抑制土壤表面水分的无效蒸发,达到蓄水保墒、提高水分利用率的效果[8],同时在低温条件下能增加土壤温度,缓解低温冷害,从而保证作物正常生长发育[9]。 深松耕种可有效打破犁底层,增加土壤耕层厚度,改善土壤通气性,促进作物根系下扎,是建立合理耕层结构的有效措施[10-11]。 肖继兵等[12]研究表明,深松耕种可使大豆根系入土深度增加3 cm,根干质量增加15.1%,产量提高19.47%;玉米根干质量增加3.6%～6.1%,单产增加1.9%～11.3%,且在干旱年份增产效果尤为明显。 因此,近年来常采用秸秆还田配套深松的耕作模式来实现培肥地力和构建理想耕层的综合提升效应[13-14]。

然而,由于耕作制度和生态条件的不同,研究结论存在较大差异,在理论和实践上仍存在诸多问题需要进一步解决。 由于所处寒地的自然环境限制,目前辽宁地区秸秆还田配套深松技术发展缓慢,关于其对花生生长发育和产量的影响更是鲜见报道。 本课题组在2010年开始的长期大田定位试验中发现,秸秆分解和养分转化是个缓慢的过程,秸秆还田对土壤肥力和花生产量的影响在短期内难以体现,同时秸秆还田还应注意还田量的影响,秸秆还田量过高会导致缺苗、弱苗甚至死苗现象的发生。 因此,本研究基于前期筛选出的不影响春季出苗的半量秸秆还田方式,探究了秸秆还田配套深松耕作模式对土壤肥力及花生生长发育和产量的影响,以期为寒地土壤肥力提升、合理耕层构建和花生绿色增产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2017年和2018年在辽宁省阜新市平安地镇土城子村进行,自2010年起开始进行秸秆还田配套深松长期定位试验。 试验区位于内蒙古高原与辽河平原的中间过渡带,北纬42°10′,东经122°00′。 属北温带大陆型季风气候,年降水量约480 mm,6-9月降水量约125 mm,平均无霜期154 d。 供试土壤为风沙土,土质较为疏松,长期旋耕造成犁底层较浅,土壤基础理化性状:有机质含量9.08 g/kg、全氮含量0.53 g/kg、碱解氮含量48.46 mg/kg、速效磷含量17.32 mg/kg、速效钾含量78.67 mg/kg、p H 值6.84。

1.2 试验设计

以花生品种农花5号为试验材料,施肥量、施肥方法、播种时期及田间管理等依当地习惯进行。试验采用随机区组设计,设4个处理:旋耕(T1)、旋耕+深松25 cm(T2)、旋耕+秸秆还田6000 kg/hm2(T3)、旋耕+深松25 cm+秸秆还田6000 kg/hm2(T4),每处理重复3次,小区面积45 m2(9 m×5 m,10行区)。 先将玉米秸秆粉碎成长度5 cm 左右小段,平铺于T3和T4处理小区,然后进行旋耕,保证秸秆大部分入土,再对T2 和T4处理小区进行深松25 cm。 于5月11日播种,9月25日收获,行距50 cm,株距10 cm,双粒播种,种植密度为21万株/hm2。 分别于播种后的25 d(6月5日)、60 d(7月10日)、85 d(8月4日)和118 d(9月6日)对苗期、开花下针期、结荚期和饱果成熟期的植株进行取样。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 根系形态

分别于苗期、开花下针期、结荚期和饱果成熟期对各处理的花生根系进行取样,每处理取6株,装入网袋中冲洗干净。 利用WinRHIZO Program(Regent Instruments Inc.,Canada)根系扫描分析系统测定总根长、根表面积和根体积等指标。

1.3.2 根系干物质积累量

利用烘干法测定。

1.3.3 根系吸收面积和活力

用甲烯蓝吸附法测定根系总吸收面积、活跃吸收面积,并计算活跃吸收面积/总吸收面积。 采用TTC还原法测定根系还原力,TTC 还原速率(μg·g-1·h-1)=TTC还原量/(根质量×时间)。

1.3.4 产量及产量构成因素

花生收获前,从每个处理小区中随机选取5株,测定单株饱果数、百果质量、百仁质量和出仁率。 此外,选取每个小区12 m2面积内(4行,行长5 m)的荚果,晒干后测定产量。

1.3.5 土壤理化性状

分别于2017年和2018年春播前及秋收后采取土壤样品,采用5点法取0～20 cm、20～40 cm土层土样,所有样品均在垄台上采集。 采用环刀法测定土壤容重和土壤孔隙度(土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)。 电位法测定土壤p H。

1.3.6 土壤养分

采用硫酸—重铬酸钾法测定土壤有机质含量;采用半微量凯氏法测定土壤全氮含量;采用1 mol/L NaOH 碱解扩散法测定土壤碱解氮含量;采用碳酸氢钠浸提,钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量;采用乙酸铵提取—火焰光度法测定土壤速效钾含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据处理与方差分析,采用LSD 法对平均数间差异显著性进行处理,利用Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田配套深松对土壤理化性状的影响

图1 秸秆还田和深松对土壤理化性状的影响Fig.1 Effects of straw returning and subsoiling on soil physical and chemical properties

良好的通水透气条件能增强土壤养分的转化与供应,从而促进作物生长。 如图1A 所示,2017年,秸秆还田与深松处理对各土层土壤含水量无明显 影 响;2018 年,与T1 处 理 相 比,T2、T3 和T4处理使0～20 cm 土层土壤含水量分别增加了3.16%、9.42%和9.21%,但对20～40 cm 土层影响不显著。 秸秆还田和深松处理可显著影响各土层土壤孔隙度(图1B),在0～20 cm 土层,T2处理的土壤孔隙度最大,2017年和2018年分别增加了17.89%和16.48%;在20～40 cm 土层,与T1相比,T2、T3 和T4 处理的土壤孔隙度均显著增加。 秸秆还田和深松处理下各土层的土壤容重有所降低,尤其以0～20 cm 土层变化幅度最大,且T2处理显著低于其他三个处理(图1C)。由图1D 可看出,2017 年和2018 年各土层土壤p H 值介于5.82～6.25之间,显著低于基础土壤的p H 值,但各处理之间差异不显著。

2.2 秸秆还田配套深松对土壤养分含量的影响

表1可知,与对照相比,2017年各处理下土壤有机质含量未发生明显变化,2018年T3和T4处理显著增加了土壤有机质含量,增加幅度分别为12.70%和18.11%。 T3和T4处理下,0～25 cm土层中全氮、碱解氮和速效钾的含量均显著增加,全氮含量分别增加(两年平均)29.83%和39.44%,碱解氮含量分别增加了20.13%和29.23%,速效钾含量分别增加了11.45%和25.55%。 而土壤中速效磷的含量仅在T4处理下显著增加,在其他各处理下的变化并不显著。

2.3 秸秆还田配套深松对花生根系形态的影响

2017年和2018 年的试验数据表明,同一生长时期不同处理下花生植株的总根长差异显著(图2)。 在苗期和开花下针期,与T1相比,T2和T4处理下花生植株的总根长显著增加,而T3处理下未发生显著变化。 在结荚期和饱果成熟期,T2、T3和T4处理下花生植株的总根长均显著增加,其中结荚期的增加幅度最大,各处理的总体增长表现为T4＞T2＞T3。

表1 深松和秸秆还田对土壤养分含量的影响(0～25 cm 土层)Table 1 Effects of straw returning and subsoiling on soil nutrient content(0～25 cm soil layer)

图2 秸秆还田和深松对花生植株总根长的影响Fig.2 Effects of straw returning and subsoiling on total root length of peanut plants

植物的根表面积能体现出根系吸收水分和养分的能力。 图3可知,随着花生植株生长,根表面积呈逐渐增大的趋势,但从结荚期开始,植株根系趋向衰老,根表面积也逐渐缩小。 同时,秸秆还田和深松可对植株根表面积造成显著影响,各处理下花生植株的根表面积在四个生育时期均有所增加,其中结荚期和饱果成熟期的变化最为明显,且T4处理下的根表面积最大,T2处理次之。

图3 秸秆还田和深松对花生植株根表面积的影响Fig.3 Effects of straw returning and subsoiling on root surface area of peanut plants

图4 秸秆还田和深松对花生植株根体积的影响Fig.4 Effects of straw returning and subsoiling on root volume of peanut plants

图5 秸秆还田和深松对花生植株根干质量的影响Fig.5 Effects of straw returning and subsoiling on root dry mass of peanut plants

由图4可知,秸秆还田和深松处理下各生育时期花生植株根体积也会发生显著变化。 在幼苗期和开花下针期,各处理下的植株根体积均显著增加,但处理间差异不显著。 在结荚期和饱果成熟期,各处理下根体积的增加幅度显著提高,T4处理下的根体积最大,而T2和T3处理间差异不显著。

与T1相比,T2、T3和T4处理下花生植株的根干质量在各生育时期均显著增加,且各处理之间存在一定差异(图5)。 在幼苗期,三个处理下的根干质量差异较小,但随着植株的生长,T4处理下的根干质量迅速增加,在结荚期达到最大值。 同时,在饱果成熟期,T4处理下的根干质量下降幅度最小,因此在成熟后期依然可以保持在较高水平,显著高于T2和T3处理下的根干质量。

2.4 秸秆还田配套深松对花生根系活力的影响

秸秆还田和深松处理下花生各生育时期根系活跃吸收面积如图6所示,在苗期,T2、T3和T4处理下花生植株的根系活跃吸收面积均显著增加,但处理之间差异不显著。 在开花下针期和结荚期,T3和T4处理下的根系活跃吸收面积最大,且与T2处理差异显著。 在饱果成熟期,T2处理下的根系活跃吸收面积大幅度下降,三个处理之间呈极显著差异,总体表现为T4＞T3＞T2＞T1。

根系的还原力可以从一定程度上反映出根系的代谢情况以及根系对养分和水分的吸收能力,根系的还原力强,根系的吸收能力就强。 秸秆还田和深松处理下花生各生育时期的根系还原力变化如图7所示,在苗期、开花下针期和结荚期,与T1处理相比,T2、T3和T4处理下的根系还原力均显著增加,其中T4处理下的根系还原力增加幅度最大,T3次之,T2处理增加幅度最小。 在饱果成熟期,各处理下的根系还原能力均明显减弱,其中T2处理与T1处理无显著差异,而T3和T4处理下的根系还原能力依然较强。

图6 秸秆还田和深松对花生根系活跃吸收面积的影响Fig.6 Effects of straw returning and subsoiling on root active absorption area of peanut plants

图7 秸秆还田和深松对花生根系还原力的影响Fig.7 Effects of straw returning and subsoiling on root reducing capacity of peanut plants

2.5 秸秆还田配套深松对花生产量及产量构成因素的影响

通过测定各处理下花生的产量及产量构成因素可知(表2),与对照相比,秸秆还田和深松处理下花生的出仁率未发生显著变化,而单株饱果数、百果质量、百仁质量和荚果产量均有所增加。 其中,T4处理下的产量增加幅度最大,于2017年和2018年分别增加了17.64%和28.12%,T2处理下的产量增加幅度最小。 且T1和T2处理之间差异不显著,T3与T4处理之间差异不显著。

表2 深松和秸秆还田对花生产量及产量构成因素的影响Table 2 Effects of straw returning and subsoiling on yield and its components

3 结论与讨论

合理的耕层结构和较高的土壤肥力有利于作物的生长发育,是作物持续高产稳产的重要保证。针对部分地区土壤耕层薄化、土壤肥力降低等问题,大量研究表明,深松可使土壤底层得到疏通,提高土壤的储水能力和透气性,作物残体还田能为土壤提供可速效利用的碳和氮等养分,增加土壤有机质,因此,深松和秸秆还田可作为改善土壤结构、提高土壤肥力的有效措施[5,15-17]。 然而,目前大部分秸秆还田主要集中在光热水资源丰富的地区进行,寒地秋季收获期集中,冬季封冻时间长,土壤温度较低,气候干燥,直接还田秸秆分解速度缓慢,操作不当会影响春季土壤的墒情、播种及秋季作物的产量,因此短期研究未取得显著结果[18-19]。 本研究基于自2010年开始的连续7年秸秆还田配套深松定位试验,结果表明,深松、秸秆还田和秸秆还田配套深松处理下0～20 cm 土层土壤含水量分别增加了3.16%、9.42%和9.21%,而20～40 cm 土层含水量并未发生显著变化,表明深松和秸秆还田处理可显著增加表层土壤含水量。 同时各处理下0～40 cm 土层的土壤孔隙度均显著增加,土壤容重均显著降低,且深松处理变化幅度较大,表明深松耕作是提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤结构的有效措施。 此外,与传统耕作模式相比,秸秆还田和秸秆还田配套深松处理可显著增加土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效钾的含量,尤其以全氮和碱解氮的含量增加幅度最大,为土壤中的根系生长和荚果发育创造了良好条件,而深松处理变化并不显著,这与韩上等[17]得出的结论相一致。

根系是植物养分吸收的重要器官,合理的根系空间分布有利于植物吸收更多的水分、养分,也有利于作物地上部的生长发育,提高根系和地上部的协同作用[20]。 深松措施也可显著增加作物的根长、根深及根量,为有效利用深层土壤水分及养分创造了条件,进而使产量提高[21]。 黄毅等[22]研究表明,秸秆深松还田能增强玉米扎根性能,扩展根系分布空间,扎根深度可增加5～10 cm。 本研究中,深松及秸秆还田配套深松处理下花生的总根长、根表面积和根体积均高于其他处理,说明根系生长环境得到改善,根系生长空间充足,促进了根系发育。 其中,秸秆还田配套深松处理的各项指标均最高,根干质量积累最快,在结荚期达到最大积累量,并在饱果成熟期时下降幅度较小,使成熟后期可获得较大的根干质量,保持较高的根系吸收能力,维持根系不早衰,为营养的吸收与运输提供良好条件。 因此,深度秸秆还田能促进花生植株根系形态发育,有效提高根系的水分和养分吸收能力。

作物产量是一个系统管理水平与土壤生产力的综合反映,也是农业持续发展的重要评价指标。赵继浩等[23]研究表明,在相同的耕作方式下,与秸秆不还田处理相比,秸秆还田处理后土壤有机碳和全氮含量显著提高,土壤细菌、真菌、放线菌的数量显著增加,从而增加了花生植株的干物质积累量,提高了花生荚果产量和籽仁产量。 而深松处理可改善10～30 cm 土层的土壤理化性质,秸秆还田结合深松处理可使花生的荚果产量和籽仁产量分别提高10.00%和11.77%。 高波等[24]研究表明,秸秆还田可显著提高花生籽仁的粗脂肪、蛋氨酸、苯丙氨酸含量和双仁果率、单果质量,对提高产量有一定作用。 另有研究表明,秸秆还田处理在增加土壤养分的基础上,还尤其显著提高了籽仁对养分的吸收能力,促进籽仁的干物质积累,提高产量[5]。本研究中,秸秆还田和秸秆还田配套深松处理下的单株饱果数、百果质量、百仁质量和荚果产量均显著增加,且秸秆还田配套深松处理的产量增加幅度较大,而深松处理下各产量指标未发生显著变化,表明秸秆还田对花生的产量形成具有促进作用,尤其以深度秸秆还田增产效果最为明显,而单纯的深松措施对花生的增产效果并不显著,这可能是由于秸秆还田处理下土壤中的养分含量增加,尤其是氮素含量的增加,促进了产量的形成。 同时在秸秆还田配套深松处理中,除了有养分的输入外,深松还促进了根系的生长,提高了根系对水分和养分的吸收能力,使得增产效果更为明显。

以上结果表明,秸秆还田配套深松技术可显著改善土壤的理化性状,增加土壤养分,促进花生根系的生长及对水分和养分的吸收能力,进而提高花生产量。 由此认为,长期秸秆还田配套深松措施适合寒地的花生生产实际情况。