不同秸秆还田耕作模式对耕层土壤质量、玉米根系发育及氮积累的影响

常 程刘 晶史 磊韩 雷赵海岩

(1.辽宁省农业科学院玉米研究所,辽宁 沈阳 110161; 2.沈阳农业大学附属实验场,辽宁 沈阳 110161)

玉米是我国重要的粮食、饲料、工业原料作物,耕地质量的好坏关系玉米产业的高产、稳产与可持续发展,更是我国农业高质量发展的重要一环。辽宁是我国玉米主产区之一,但当前土壤耕层质量下降,保水保肥性能差等问题已成为了玉米产业实现高产、稳产、节本目标的重要障碍因子,而适宜的秸秆还田耕作可以调节土壤的水、肥、气、热、微生物等环境因素,是改善土壤质量、稳定玉米产量、实现节本增效的有效措施。有学者研究认为,苗带镇压行间深松、虚实并存耕层有利于促进地上部养分积累,改善土壤结果,提高含水量[1～3],深松显著增加玉米耕层厚度,降低犁底层厚度,降低中下层土壤紧实度和容重,改善根系发育提高玉米产量[4～6],但长期连续深松并不能获得持续增产与培肥土壤效果,应采用免耕、翻耕、深松等轮耕方式[7]。也有学者研究得出,翻耕结合秸秆还田有利于改善土壤理化性状,有利于玉米生长和产量的提高[8～11];旋耕留高茬行间深松——少耕和免耕显著增加玉米田上层土壤总碳氮含量,利于土壤质量提升[12];吕秋爽等通过整合文献分析发现,免耕增加土壤容重和穿透阻力,减少了土壤含水量,显著降低玉米根长等指标,且降低了玉米产量[13]。

可见,前人在不同生态区针对秸秆还田耕作模式对土壤理化性状、微生态环境、玉米干物质、养分积累及根系发育等方面开展了大量研究,但耕作方式对土壤质量、玉米生长发育及产量的影响更受气象因素、土壤类型等不同生态环境条件影响[14～17],因而研究结果不完全一致。据此,基于目前辽宁玉米生产中秸秆还田耕作模式多样的前提下,本试验结合学者研究及前期试验筛选,选用辽宁地区3种主要应用的轻简化耕作模式,以常规旋耕为对照,通过不同模式对玉米耕层土壤质量及玉米生长发育的影响研究,旨在筛选适宜辽宁生态区玉米耕层质量提升的最佳方式,为机械化耕层质量改良、玉米高产稳产集成技术组装提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019～2020年在沈阳沈北小洋河村辽宁省农业科学院试验基地进行,以当地主栽熟期相同的中晚熟玉米品种辽单575为试材开展大田试验。试验设置4个秸秆还田耕作模式,T1:灭茬旋耕(常规模式),旋耕深度为16 cm、T2:深松+旋耕,深松深度35 cm,旋耕深度16 cm、T3:深松+秸秆覆盖还田,深松35 cm、T4:深翻+秸秆扣埋还田,深翻深度30 cm。每个处理3次重复,随机区组排列。5月3日(2019)、4月26日(2020)播种,种肥一次性施入长效复合肥900 kg/hm2,种植密度为60 000株/hm2,小区面积72.0 m2,田间管理同大田。试验地0～40 cm耕层试验前土壤pH值5.9,有机质11.31 g/kg,全氮0.070%,全磷0.047%,全钾1.5%,速效氮72 mg/kg,有效磷10.4 mg/kg,速效钾81 mg/kg。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤样品采集及检测

在玉米播种前生长关键时期取0～40 cm土壤样品,取土同时用硬度计测定土壤硬度,并用环刀,铝盒取土测定土壤容重及土壤含水量。土样取回后,分别放入风干盘,室内通风阴干,用元素分析仪测定土壤化学指标。

1.2.2 植株样品采集及检测

在玉米生长关键时期采用土壤剖面挖掘法采集根系指标,垂直于垄向,以植株为中心挖一半行距及株距范围内深度为40 cm土体,人工挑出可见根系,冲洗干净后,用尺测定根长等数据,烘干后测定根系干重。在成熟期,每区取代表性植株3株,将地上部粉碎烘干后称重,用元素分析仪测定植株氮含量。

成熟期收获2行果穗晒干后室内考种及脱粒测产,以含水量14%折算产量。

1.3 数据分析

试验数据取两年均值。采用Excel 2013和DPS 18.1进行数据处理和方差计算及作图。

1.4 试验气象条件

2019年、2020年气象情况见图1和图2所示。

图1 2019年气象情况Figure 1 Meteorological conditions in 2019

图2 2020年气象情况Figure 2 Meteorological conditions in 2020

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田耕作模式对耕层土壤物理性状的影响

在上一年秋收后进行耕整地,播前土壤取样测定的数据表明,T1处理耕层土壤含水量在播前和成熟后显著低于其他3个处理,而T3和T4处理的耕层土壤孔隙度显著高于T1和T2处理,其中T4处理在两个生育时期均最高,分别为51.3%和48.4%;耕层土壤容重为T4处理最低,T1处理最高(表1)。因此,两年T4处理较常规处理T1提高了耕层土壤播前及成熟时含水量2.6 和1.8个百分点、增加了孔隙度3.1和4.9个百分点、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,说明深翻+秸秆扣埋还田改善耕层土壤物理结构效果最好,其次为深松+秸秆覆盖处理。

表1 耕层土壤物理性状Table 1 Physical properties of plough layer soil

2.2 不同秸秆还田耕作模式对耕层土壤化学特性的影响

两年的秸秆还田耕作模式处理改变了0～40 cm耕层土壤全N、全P、全K、有机质含量,对pH值影响较小(图3)。4个处理对土壤全N含量影响趋势不同,T2和T3处理提高了土壤全N含量,T1和T4处理略有下降;T2和T4处理提高了土壤全P含量,较试验前增加了13.0%和11.3%,而T1和T3处理对土壤全P含量影响较小;从对耕层土壤全K和有机质含量的影响来看,4个处理均不同程度提高了全K含量,较试验前增加了0.6%～5.5%,同时也增加了有机质含量,较试验前增幅为3.5%～18.3%。除对土壤全N含量影响趋势不一致外,T2、T3、T4处理较常规旋耕处理有利于改善土壤质量,尤其是对有机质含量影响较大,其中,T4处理在土壤各养分指标测定中表现出了高值,提高耕层土壤养分含量效果较好。

图3 耕层土壤化学特性Figure 3 Chemical properties of plough layer soil

2.3 不同秸秆还田耕作模式对根系发育的影响

通过不同秸秆还田耕作处理对玉米根系生长发育的影响可见(图4～图5),4个处理的根条数及根干重均随着生育进程的推进先升高后降低,根条数在拔节期至吐丝期达到高值,而后下降;根干重从苗期到拔节期再到吐丝期匀速增长,在吐丝期达到最高值,而后缓慢下降。在不同生育时期,T4处理均在根条数、根干重显示出最高值,较常规旋耕处理T1根条数增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%,其次为T3、T2,T1处理最低。可见,深翻+秸秆扣埋还田增加了根量及根干重,奠定了植株良好生长的基础。

图4 各生育时期根条数Figure 4 Number of roots at each growth stage

图5 各生育时期根干重Figure 5 Dry weight of root at each growth

2.4 不同秸秆还田耕作模式对成熟期植株氮积累的影响

氮素是玉米植株生长的大量必需养分,成熟时期分析植株单株茎叶器官和籽粒氮积累量可知,4个处理间差异显著。T4处理下植株显著获得了最高的氮积累量,较常规旋耕T1处理植株氮积累量增加了38.7%,籽粒氮积累量增加了31.5%,其次为T3、T2处理,T1处理植株氮积累量最低(图6)。

图6 成熟期植株氮素积累Figure 6 Nitrogen accumulation per plant at maturity stage

2.5 不同秸秆还田耕作模式对产量及构成因素的影响

从图7可知,4个处理下玉米产量间差异显著,T4处理下产量最高,为12 852.9 kg/hm2,T2和T3差异不显著,T1处理产量最低,T4较T1处理产量提高了11.8%。本试验中,收获区未发生空秆率,故单位面积穗数相同,产量构成因素主要分析穗粒数和百粒重。从穗粒数和百粒重看,均表现为T4处理高于其他3个处理,较常规旋耕处理T1穗粒数增加了10.6%、百粒重增加了6.2%,T1处理最低。因此,T4处理通过提高果穗粒数和百粒重最终提高了产量。

图7 不同秸秆还田耕作模式对产量及产量构成因素的影响Figure 7 Effects of different tillage patterns of straw returning on yield and its components

3 结论

本试验通过两年数据分析得出,深松+旋耕、深松+秸秆覆盖还田、深翻+秸秆扣埋还田较常规旋耕均改善了土壤质量、促进了根系发育、增加了地上植株氮积累量,从而提高了穗粒数和百粒重,最终获得高产。其中,深翻+秸秆扣埋还田较常规旋耕提高了0～40 cm耕层土壤播前及成熟时含水量2.6和1.8个百分点、增加了孔隙度3.1和4.9个百分点、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,提升了有机质含量;较常规旋耕根条数增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%;成熟时植株氮积累量增加38.7%,籽粒氮积累量增加31.5%,产量增加11.8%。因此,在本试验地区深翻+秸秆扣埋还田处理改良耕层土壤质量,促进植株生长发育,提高玉米产量效果最佳。

由于同一地区年际间气象因子有差异,因此试验仍需多年验证,且需要进一步开展不同土壤类型环境条件下的耕作对分层土壤质量及微生态环境等影响试验研究,以深入系统探索土壤改良、玉米增产机制。