秸秆还田对土壤结构和春玉米生长的影响

于 博,王钰艳,任 琴,党玉蕾,张志鹏,王 宇

(集宁师范学院 生命科学与技术学院,内蒙古 乌兰察布 012000)

作物秸秆是培肥土壤重要的可再生资源,秸秆还田是培肥和改良土壤最为经济有效的技术措施,同时可解决秸秆田间焚烧污染大气的环境问题[1]。土壤容重和毛管孔隙度是反映土壤结构特性的重要指标,秸秆还田对降低土壤容重、增加孔隙度有积极作用[2]。韩上等[3]研究表明,施用稻草后土壤总孔隙度增加,土壤容重降低。王秋菊等[4]研究表明,秸秆还田后土壤容重降低,耕层土壤孔隙度和非毛管孔隙度增大,毛管孔隙增加,大孔隙占总孔隙的比例增大,黏质土壤的通透性改善。庞党伟等[5]研究表明,秸秆深耕还田后0～20 cm土层的土壤容重减小,总孔隙度和毛管孔隙度增加。徐莹莹等[6]研究表明,深翻秸秆还田后耕层土壤容重显著降低1.9%～3.7%,总孔隙度增加4%～7%,通气孔隙增加2%～7.5%,非毛管孔隙增加0.5%～3.0%。玉米秸秆还田可促进土壤微粒的团聚作用,显著改善土壤结构性状[7-8]。高洪军等[9]、张翰林等[10]研究表明,秸秆还田条件下土壤水稳性大团聚体数量、平均质量直径和几何平均直径均显著提高,分形维数显著降低,还田年限越长,该趋势越明显。冀保毅等[11]研究表明,秸秆还田能增加壤土和黏土的机械稳定性和水稳定性团聚体的平均质量直径,进而增加土壤团聚体的稳定性。秸秆还田培肥土壤,改善了土壤结构,利于作物根系的生长发育,促进了根系的吸收活动,增加了玉米根干重、根表面积和根体积,利于作物增产[12-13]。内蒙古平原灌区玉米带是我国重要的粮食生产基地,在生产实践中,受制于长期的小动力农机耕作和有机肥投入不足、化肥不合理施用,当地的春玉米主产区普遍存在耕层浅、亚耕层(20～40 cm)坚硬、土壤通透性差、蓄水保肥能力偏低的土壤结构和土壤肥力问题,导致春玉米根系下扎困难,难以利用深层土壤养分,成为制约当地春玉米高产栽培技术重演和大面积推广的科技难题。随着农村土地经营模式的不断变革和农业机械保有体制和现状的变化,一些传统的土壤培肥理论和技术体系已落后于当前农村土地经营模式、农机保有现状,及由此产生的耕作、施肥与栽培模式等不断变革的需求,导致春玉米高产农田的定向培育目标和方向不明确。为此,本研究设计了秸秆还田定位试验,旨在探究秸秆还田对春玉米旱地土壤结构的影响,阐明土壤结构与春玉米根系的关系,为科学利用秸秆进行土壤肥力调控、实现玉米大面积高产稳产提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

秸秆还田定位试验于2018年5月至2021年10月在集宁师范学院玉米试验田进行,玉米秸秆收获后全量粉碎深翻(25 cm)还田。自2018年起,逐年形成秸秆还田1～4 a共4个试验处理:HT1,仅2021年还田;HT2,2020、2021年连续2 a还田;HT3,2019—2021年连续3 a还田;HT4,2018—2021年连续4 a还田。秸秆还田量按照1.0∶1.2的籽粒-秸秆比计算,2018—2021年秸秆年均还田量分别为15.88、15.70、16.50、17.38 t·hm-2。以秸秆不还田作为对照(CK)。

每个试验小区长6 m、宽5 m,小区面积30 m2,共15个试验小区,随机区组排列,每个处理重复3次。试验田土壤质地层次以“砂-黏-砂”的形式出现,土壤质地剖面如下:0～20 cm(耕层)为轻壤土,20～40 cm(亚耕层)为中壤土,40～100 cm(心土层和底土层)为砂壤土。耕层土壤基本理化性质如下:有机质含量1.34%,碱解氮含量50.23 mg·kg-1,速效磷含量11.82 mg·kg-1,速效钾含量136.10 mg·kg-1,pH值8.01。

春玉米品种为先玉1619,密度75 000株·hm-2,等行距60 cm种植。按照《内蒙古平原灌区饲用玉米施肥技术规程》(DB15/T 1088—2016)的规定施肥,施肥量折纯:N 151 kg·hm-2,P2O564 kg·hm-2,K2O 189 kg·hm-2。磷、钾肥全部作基肥,氮肥按3∶6∶1的比例分别用作基肥和2次追肥(分别于拔节期与灌浆期前追肥)。玉米生育期灌水4次:拔节期1次,大喇叭口期1次,灌浆期2次,每次的灌水定额为300 m3·hm-2。

1.2 测定指标与方法

土壤剖面观测:于春玉米吐丝期挖取土壤剖面,观测耕层与亚耕层的分界线、颜色等特征。

用环刀采集原状土,5点取样,每个点重复3次,烘干法测定土壤容重和质量含水量,测算土壤总孔隙度、孔隙比、质量含水量、田间持水量。

采用萨维诺夫法(干筛、湿筛)测定不同粒级土壤团聚体的相对百分含量[14],计算粒径≥0.25 mm团聚体的质量占比(R0.25)、团聚体平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚体几何平均直径(geometric mean diameter, GWD)、团聚体破坏率(percentage of aggregate disruption, PAD)、团聚体稳定指数(aggregate stability, AS)、团聚体不稳定系数(sabotage of water-stable aggregates, SWA)和分形维数(D)[15-16]。

采用“1/2株距×1/2行距”法3点取样,用WinRHIZO Reg STD4800根系分析系统(加拿大Regent)分析根系形态指标,并测定根鲜重和干重。

于收获期实测每个小区的春玉米产量。取连续20个果穗,风干后考种,测定14%含水率的百粒重。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件绘制图表。采用SPSS 13.0软件进行方差分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田对土壤剖面特征的影响

依据芒塞尔土壤比色卡,CK的耕层土壤颜色为黄色(图1),秸秆还田1～4 a后,耕层土壤的颜色依次为棕黄色、棕色、深棕色和黑色。随秸秆还田年限增加,土壤耕层颜色逐渐加深。

图1 不同秸秆还田年限下土壤剖面特征的变化Fig.1 Changes of soil profile characteristics with increasing straw returning years

2.2 秸秆还田对土壤基本物理性质和土壤水分的影响

总体来看,随秸秆还田年限增加,土壤容重呈降低趋势(图2)。其中,HT1与CK无显著差异,但HT2、HT3、HT4显著小于CK;HT1与HT2无显著差异,HT3与HT4无显著差异,但HT3、HT4显著低于HT1和HT2。与CK相比,HT4的土壤容重显著降低了0.2 g·cm-3,降幅15.04%。

柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate signficant difference at P<0.05.图2 不同秸秆还田年限下土壤容重的变化Fig.2 Changes of soil bulk density with increasing straw returning years

随秸秆还田年限增加:土壤总孔隙度整体呈增大趋势(表1),其中,HT4、HT3显著高于其他处理,CK的最低,显著低于除HT1外的其他处理;土壤孔隙比亦呈增大趋势,HT4、HT3显著高于其他处理,其他处理间无显著差异;土壤质量含水量逐年显著增加;土壤田间持水量亦呈逐年增加趋势,除HT2分别与HT1和HT3无显著差异外,其他处理间均差异显著。与CK相比,HT4的土壤总孔隙度增加了7.53百分点,孔隙比增加了0.35,质量含水量增加了9.92百分点,田间持水量增加了13.05百分点。

表1 不同秸秆还田年限下土壤水分和孔隙的变化

由以上结果可知,秸秆还田1～2 a,土壤的基本物理性质和水分含量变化不明显,但秸秆还田3～4 a后,土壤容重显著减小,土壤质量含水量、田间持水量、总孔隙度和孔隙比显著增加,表明土壤耕层的松紧状况得到改善,土壤保持水分的能力增强,土壤有效水的贮存能力显著提高,土壤的通透性增强。综上,连续3～4 a的秸秆还田使得耕层土壤的基本物理性质得到显著改善。

2.3 秸秆还田对土壤结构的影响

2.3.1 秸秆还田对土壤团聚体含量和特征数的影响

各处理相比,CK处理粒径≥5 mm的团聚体含量显著低于其他处理(图3),0.5～<1 mm的团聚体含量显著低于其他处理;HT4处理粒径1～<2 mm的团聚体含量显著小于除HT1外的其他处理;HT2、HT3、HT4处理粒径<0.25 mm的团聚体含量显著小于CK;其他粒径的团聚体含量在各处理间无显著差异。总的来看,随秸秆还田年限增加,土壤中粒径≥0.25 mm的团聚体含量逐年增加。与CK相比,HT4处理粒径≥5 mm和0.5～<1 mm的团聚体含量分别显著增加了5.66百分点和1.88百分点,增幅分别为32.10%和25.93%;粒径1～<2 mm和<0.25 mm的团聚体含量分别显著降低了1.62百分点和6.60百分点,降幅分别为21.32%和26.30%;粒径2～<5 mm和0.25～<0.5 mm的团聚体含量无显著变化。

同一粒径柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicate significant difference within treatments under the same particle size at P<0.05.图3 不同秸秆还田年限下土壤团聚体的变化Fig.3 Changes of soil aggregates with increasing straw returning years

与CK相比,秸秆还田后,HT2、HT3、HT4的R0.25分别显著增加10.55%、6.28%、8.81%(表2),HT2和HT4的MWD分别显著增加10.43%和12.61%,HT2和HT4的GMD分别显著增加18.58%和20.35%,HT3和HT4的AS分别显著增加18.11%和38.09%,HT3和HT4的PAD分别显著下降4.04%和8.49%。其他处理与CK相比无显著差异。

2.3.2 秸秆还田对水稳性团聚体含量和水稳系数的影响

从各处理不同粒径的水稳性团聚体含量(表3)来看:≥5 mm水稳性团聚体,CK最低,HT4最高,二者均显著异于其他处理,HT1～HT3处理间无显著差异;2～<5 mm水稳性团聚体,HT3、HT4显著大于CK,而HT1显著小于CK;1～<2 mm水稳性团聚体,HT1、HT3、HT4显著大于CK;0.5～<1 mm水稳性团聚体,HT4最高,HT1最低,二者均显著异于其他处理,其他处理间无显著差异;0.25～<0.5 mm水稳性团聚体,HT2、HT3、HT4显著大于CK;<0.25 mm水稳性团聚体,HT4HT3>HT2>HT1>CK,各处理间均差异显著。与CK相比,HT4的SWA提高了6.85百分点。

表3 不同还田年限下土壤水稳性团聚体含量和团聚体不稳定系数(SWA)的变化

总的来看,秸秆还田1～2 a,改良土壤结构的效果不明显;但随着秸秆还田年限的增加,至秸秆还田4 a时,土壤结构已得到明显改善,表现为≥0.25 mm水稳性团聚体含量增加,团粒的机械稳定性和水稳性增强,团粒抵抗外力破坏的能力增强。

2.4 秸秆还田对春玉米根系的影响

2.4.1 秸秆还田对春玉米根质量的影响

在0～10 cm土层,秸秆还田各处理的玉米根干重和鲜重均显著大于CK(表4),HT4、HT3、HT2处理还显著高于HT1。在10～20 cm土层,各处理的玉米根干重和鲜重均表现为HT4>HT3>HT2>HT1>CK,且各处理间差异显著;在20～40 cm土层,各处理的玉米根干重和鲜重无显著差异;在40～50 cm土层,各处理的玉米根鲜重无显著差异,但HT4、HT3、HT2处理的玉米根干重显著高于CK;在50～60 cm土层,HT3、HT4的玉米根干重和鲜重均显著大于CK。与CK相比,HT4处理0～10、10～20、40～50、50～60 cm土层的根干重分别显著增加了50.76%、34.52%、7.32%、22.58%。

2.4.2 秸秆还田对春玉米根表面积的影响

在0～10 cm土层,秸秆还田各处理的春玉米根表面积均显著大于CK(表5),HT3、HT4处理还显著大于HT1、HT2,HT2处理还显著大于HT1;在10～20 cm土层,秸秆还田各处理的春玉米根表面积同样显著大于CK,且HT3、HT4处理的还显著大于HT1、HT2;在20～60 cm土层,各处理的春玉米根表面积无显著变化。与CK相比,HT4处理0～10、10～20 cm土层的春玉米根表面积分别显著增加了48.84%和36.17%。

表5 不同秸秆还田年限下春玉米根表面积的变化

2.4.3 秸秆还田对春玉米根体积的影响

在0～10 cm土层,秸秆还田各处理的春玉米根体积均显著大于CK(表6),HT4处理的显著大于其他处理,HT3、HT2处理的显著大于HT1;在10～20 cm土层,各处理的春玉米根体积表现为HT4>HT3>HT2>HT1>CK,各处理间差异显著;在20～40 cm土层,各处理的春玉米根体积无显著差异;在40～50 cm土层,HT3、HT4处理的春玉米根体积显著大于CK,此外,HT4处理还显著大于HT1、HT2;在50～60 cm土层,HT3、HT4处理的春玉米根体积显著大于CK和HT1。与CK相比,HT4处理0～10、10～20、40～50、50～60 cm土层的根体积分别显著增加了34.90%、160.56%、18.61%、4.69%。

表6 不同还田年限下春玉米根体积的变化

总的来看,耕层春玉米的根质量、根表面积和根体积随秸秆还田年限延长而增加,亚耕层的根质量和根体积无明显变化,心土层(50～60 cm)的春玉米根系秸秆还田1～2 a无明显变化,但当秸秆还田3～4 a时根质量和根体积增加。秸秆还田3～4 a对耕层和心土层的春玉米根系生长表现出明显促进作用,但对亚耕层根系的影响不明显。这可能与亚耕层土壤结构坚硬,春玉米根系难以大量下扎穿过坚硬的亚耕层向土壤深层生长有关。秸秆还田后,根系在耕层吸收的养分增加,向心土层玉米根系运移的养分增加,这可能是导致心土层春玉米根质量和根体积增大的原因。

2.5 秸秆还田对春玉米产量和产量构成的影响

在有效穗数上,HT1、HT2、HT4均显著高于CK(表7),HT4较CK增加5.65%,秸秆还田各处理间无显著差异。在穗粒数上,秸秆还田各处理间无显著差异,但均显著高于CK,HT4比CK增加7.94%。在百粒重上,HT4显著高于除HT3外的其他处理,比CK增加9.30%。在产量上,秸秆还田各处理均显著高于CK,HT4的产量还显著高于HT1和HT2,比CK增加24.58%。

表7 不同秸秆还田年限下春玉米产量和产量构成的变化

3 讨论

近年来,关于秸秆还田对土壤物理性质和玉米根系影响的研究很多,但聚焦土壤结构与玉米根系变化的研究报道相对较少。以往的研究显示,秸秆还田是提升肥力质量的有效措施。长期秸秆还田后,>0.25 mm团聚体和水稳性团聚体的含量增加,团聚体的机械稳定性和水稳性提高,有利于土壤团粒结构的形成,有利于改善土壤腐殖化程度和土壤结构性[17-18]。秸秆还田提高了耕层>2 mm团聚体的含量,降低了<0.25 mm团聚体的含量[19]。与不还田相比,秸秆还田处理的土壤团聚体主要集中在>0.25 mm粒级[20]。秸秆深翻还田后,>2 mm水稳性团聚体比例显著增加[21]。秸秆还田还提高了土壤水稳性团聚体的MWD和SWA[22],增加了壤土和黏土的机械稳定性和水稳定性团聚体的平均质量直径[11]。在本研究中,与CK相比,秸秆还田2 a,R0.25、MWD和GMD显著增加;秸秆还田3～4 a后,AS、SWA逐年显著增大,PAD逐年减小,土壤团聚体的机械稳定性和水稳性逐年增强。还田后,秸秆中的可溶性糖、淀粉、纤维、果胶、蛋白质、木质素、单宁、蜡质等成分被微生物分解,形成土壤腐殖质,腐殖质中的腐殖酸联结矿物质颗粒形成团粒的关键成分,腐殖酸中的亲水性极性基团(羧基、羟基、酰胺基等)以静电力、范德华力与金属离子吸附,以阳离子桥与土壤微粒发生交换和吸附作用,形成土壤团粒结构。秸秆还田1～2 a,土壤中的亲水性基团较少,土壤团粒结构特征变化不明显;秸秆还田3～4 a,亲水性基团积累增加,这可能是促使SWA逐年提高和出现前述现象的原因。另外,土壤腐殖酸分子还可与矿物颗粒以氢原子结合而吸着水,形成结合水层,并通过结合水层形成团粒。土壤团聚体在干筛与湿筛过程中的水环境差异很大,结合水层的多少也会影响团聚体的稳定性。这可能是导致本研究中AS与SWA提高趋势不一致的原因。

秸秆还田对土壤容重、孔隙度、田间持水量有较好的改善效果[23]。张奇等[24]研究显示,秸秆还田1 a后,土壤容重降低,总孔隙度增加,田间持水量增加25.51～38.70 g·kg-1,秸秆还田2 a的改土效果比秸秆还田1 a要好。秸秆还田促进了干旱年份0～60 cm土层根密度的增加,促进了深层根系的发育[25]。秸秆还田2 a后,玉米根系总表面积、总体积显著增加[26]。秸秆还田还能增强玉米的扎根性能,使其根系分布空间扩大6 000～154 500 cm3,秸秆深层还田的根系主要分布在10～20 cm土层[27]。在本研究中,随秸秆还田年限增加,土壤耕层的春玉米根质量、根表面积、根体积逐年增加,但亚耕层的根质量、根表面积和根体积无显著变化,心土层的春玉米根系在秸秆还田1～2 a时无明显变化,但在秸秆还田3～4 a时根质量和根体积增加。这说明,秸秆还田对耕层的春玉米根系有明显的促生长作用,但对亚耕层根系无明显影响,秸秆还田1～2 a对心土层的根系发育无明显影响,但秸秆还田3～4 a对心土层的根系生长有一定的促进作用。总的来看,秸秆还田有利于促进吐丝期作物的根系形态发育和耕层空间分布,有助于促进干物质的积累,从而实现增产目的[28]。

综上,本研究表明,秸秆还田初期(1～2 a)对土壤结构改良的效果不明显,但随着秸秆还田年限增加,至秸秆还田4 a时,土壤颜色最深,土壤容重显著降低了0.2 g·cm-3,总孔隙度、质量含水量和田间持水量分别增加了7.53、9.92、13.05百分点,R0.25、MWD、GMD、AS、SWA分别增加了8.81%、12.61%、20.35%、38.09%、6.85百分点,PAD显著降低8.49%。土壤团粒的机械稳定性和水稳性增强,耕层春玉米根干重、根表面积和根体积显著增加,产量显著提高24.58%。在内蒙古平原灌区利用秸秆还田措施连续培肥土壤4 a,可有效改良土壤结构,促进春玉米根系生长发育,实现春玉米增产稳产的目的。