不同耕作措施对麦田土壤碳储量和作物水氮利用效率的影响

李春喜,陈惠婷,马守臣,张令令,王敬婼,邵　云

(1.河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡　453007;2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,国土资源部野外科学观测研究基地,河南 焦作　454000)



不同耕作措施对麦田土壤碳储量和作物水氮利用效率的影响

李春喜1,陈惠婷1,马守臣2,张令令1,王敬婼1,邵云1

(1.河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡453007;2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,国土资源部野外科学观测研究基地,河南 焦作454000)

为了探索耕作措施和秸秆还田对麦田土壤碳氮水的动态变化的影响,在田间定位试验的基础上,通过深耕(T1)、深耕+秸秆还田(T2)、浅耕(T3)、浅耕+秸秆还田(T4)4种不同耕作方式处理,对麦田碳储量、土壤含水量、全氮含量以及作物水氮利用效率的变化进行了研究。结果表明,秸秆还田在不同时期对土壤碳储量有一定的影响,与播前土壤有机碳储量相比,0～20 cm土层各处理在越冬期有较高的有机碳储量,20～40 cm土层则于拔节期有机碳储量达到最大值,40～60 cm土层除T1处理,其他处理皆为拔节期最大。综合来看,在整个生育期有机碳储量均表现为秸秆还田处理大于秸秆不还田处理。深耕处理提高了小麦生育前期的土壤含水量,T2处理的作物耗水量比T4处理高4.2%;秸秆还田提高了作物的水分利用效率,T2的水分利用效率、灌溉水利用效率分别比浅耕加秸秆还田高24.9%,27.6%。除开花期,T1处理的植株含氮量高于浅耕处理,T2处理能够显著提高冬小麦氮素积累量,较不还田处理提高了44%;T1处理的氮素利用效率比浅耕处理高57.2%。秸秆还田处理在生育前期抑制了小麦的生长,但后期促进了植株干物质量的积累。秸秆还田有利于穗粒数的提高,从而提高产量,T2处理较T3处理产量提高了22.1%,较T1处理增产6.7%;T1处理较T3处理增产14.4%。因此,秸秆还田和深耕有助于提高土壤碳储量,提高水分和氮素利用效率,进而提高作物产量。

深耕;秸秆还田;麦田土壤碳储量;水氮利用

耕作是农田生产发展的基础,能够改变土壤结构,影响土壤水分变化,改变土壤养分含量。有研究表明[1-2],耕作方式的不同可通过影响土壤的扰动情况和地表残留物等影响到农田土壤的水、肥情况。大量研究成果表明,耕作活动明显改变了耕层土壤的物理性质和水力学特征,引起土壤持水性及养分量的改变,且变化程度取决于耕作方式[3-6]。

秸秆还田作为循环农业的重要环节,对提高土壤碳汇能力具有积极作用[7]。实施秸秆就地还田,既可解决秸秆焚烧造成的环境污染问题,又可使资源充分利用,形成良性循环,实现农业的可持续发展。据研究,秸秆还田还能提高土壤中碳、氮含量,尤其是玉米秸秆能提高转化酶活性[8-9]。胡立峰等[10]研究表明,无论玉米秸秆整株还田还是粉碎还田,都能使耕层土壤有机质含量明显提高,对小麦后期稳健生长有积极的促进作用。目前,关于秸秆还田和深耕研究的报道主要围绕土壤养分与作物产量[11-12],而在不同的深耕方式与秸秆还田相配合的措施下,对土壤中碳储量及作物水氮利用的研究较少。本试验在田间定位基础上,研究了小麦各生育时期土壤养分、含水量麦田土壤的碳储量和植株的水氮利用效率动态变化规律,旨在为提高土壤固碳能力和作物对水氮利用的能力,实现节约资源和小麦的高产高效提供理论指导与借鉴。

1　材料和方法

1.1试验地基本情况

试验于2012年10月-2013年6月在河南省获嘉县照镜镇前李村进行,试验地肥力水平较高。该地位于35°N、113°E 海拔高度120 m,年平均气温14 ℃,无霜期220 d,全年日照约2 400 h,平均降水量656.3 mm,年蒸发量1 748.4 mm,地势平坦,土壤肥沃,水利条件优越,小麦、玉米种植面积较大。试验田供试土壤为黏壤土,定位试验前耕层土壤(0～20 cm)的养分含量分别为:全氮1.38 g/kg、全磷0.9 g/kg、有机质18.12 g/kg。

1.2材料与处理

小麦供试品种为百农矮抗58。在小麦种植过程中,对小麦实施深耕(犁耙,25～30 cm)和浅耕(旋耕,12～15 cm)2种耕作方式;培肥模式:实施秸秆还田和不还田2种措施。试验采用裂区试验设计,主区为2个培肥模式:秸秆还田和不还田,副区为2个耕作方式:深耕和浅耕。共计4个处理:T1(深耕,秸秆不还田)、T2(深耕+秸秆还田)、T3(浅耕,秸秆不还田)、T4(浅耕+秸秆还田)。每小区面积为35 m2(5 m×7 m),3次重复。

1.3测定项目及方法

1.3.1土壤养分含量测定于小麦各生育期在各小区内用5点法随机采集0～100 cm土层土壤样品,测定其全氮和有机碳含量。全氮含量的测定采用凯氏定氮法,土壤有机碳含量的测定采用重铬酸钾法。

1.3.2土壤含水量采用取土烘干法测定。

1.3.3水分利用效率分析小麦生育期间耗水量按照水分平衡法计算：

水分利用效率(WUE,(kg/(hm2·mm)))=单位面积籽粒产量/耗水量;

灌水利用效率(IUE,(kg/(hm2·mm)))=单位面积籽粒产量/灌水量。

1.3.4植株地上部分生物量及全氮含量在作物的不同生长发育时期,在大田随机取样50～60株,沿基部剪断并装在保鲜袋中,带回实验室测植物地上部分生物量及全氮。1.3.5氮素利用效率分析植株氮素积累量(kg/hm2)=成熟期单株质量(g)×成熟期单株含氮量(%)×密度(104/hm2)/1 000;

氮素偏生产力(kg/kg)=单位面积籽粒产量(kg/hm2)/施入氮量(kg/hm2);

氮素利用效率(kg/kg)=单位面积籽粒产量(kg/hm2)/植株氮素积累量(kg/hm2)；

有机碳储量(g/kg)=生育期有机碳含量(g/kg)-播前有机碳含量(g/kg)。

1.3.6产量及产量性状的测定于小麦成熟期在各小区随机取1 m双行进行测产,3次重复,用小型谷物脱粒机进行脱粒,风干后称重计产。同时随机取30个茎秆,进行室内考种,调查小麦的穗长、穗粒数、结实小穗数、不孕小穗数和千粒质量。

1.4数据分析

试验数据采用Excel 2003和SPSS 13.0软件进行数据分析。

2　结果与分析

2.1不同耕作措施对麦田土壤碳储量的影响

由图1可知，与播前土壤有机碳储量相比,在0～20 cm土层,4个处理均在越冬期的有机碳储量最高,随着生育时期的进行土壤碳储量在逐渐减少,但均表现为秸秆还田(T2、T4)大于秸秆不还田处理(T1、T3)。在越冬期和拔节期,以浅耕+秸秆还田(T4)处理的碳储量最大;开花期和成熟期则为深耕+秸秆还田(T2)处理表现最好。20～40 cm土层则于拔节期有机碳储量达到最大值。其中越冬期表现为浅耕处理(T3、T4)大于深耕处理(T1、T2),秸秆还田未对碳储量造成影响;拔节期与开花期4个处理的土壤碳储量差异不明显;至成熟期,表现为秸秆还田处理(T2、T4)高于秸秆不还田处理(T1、T3)。40～60 cm土层除T1处理,其他处理皆为拔节期最大。在拔节期与开花期,秸秆还田处理(T2、T4)的碳储量较高;在成熟期,各处理的碳储量均较小。综合来看,0～60 cm土层有机碳积累量的趋势为至拔节期升至最高,然后缓慢降低。至成熟时，有机碳储量均表现为秸秆还田处理(T2、T4)大于秸秆不还田处理(T1、T3)。

图1　各处理土壤碳储量变化

2.2不同耕作措施对麦田土壤含水量的影响

由图2可知,在小麦越冬期,T2处理在0～60 cm土层的土壤含水量均为最高,其他处理在0～20 cm土层无差异,20～60 cm土层表现为T3处理最低。拔节期40～100 cm土层均为T2处理最高,其他处理间有差异，但未达到显著水平。开花期T4处理在0～20 cm显著高于其他处理;T2在20～40 cm土层含水量较高,在成熟期0～80 cm土壤层中,T1处理的土壤含水量在各个土层均大于其他处理,T3处理0～60 cm土层含水量较低。

2.3不同耕作措施对麦田作物耗水量和水分利用效率的影响

由表1可知,深耕条件+秸秆还田处理(T2)作物耗水量最高,秸秆还田处理(T2、T4)耗水量均高于秸秆不还田处理(T1、T3),深耕处理(T1、T2)高于浅耕处理(T3、T4),浅耕处理(T3)作物耗水量最低。T2的作物耗水量较T4高4.2%;T2、T3处理能显著地提高冬小麦的水分利用效率及灌溉水利用效率,具体表现为T2>T3>T1>T4,其中T2的水分利用效率比T4高24.9%,灌溉水利用效率比T4高27.6%。

不同小写字母表示各处理在5%水平下差异显著(P<0.05)。表1-3,图3-6同。

处理Treatment总耗水量/mmWaterconsumption水分利用效率/(kg/(hm2·mm))Wateruseefficiency灌溉水利用效率/(kg/(hm2·mm))IrrigationwateruseefficiencyT1417.49b15.56b24.05bT2425.82a17.00a26.82aT3408.62c16.96a25.66aT4413.77b13.72c21.02c

2.4不同深耕措施对麦田土壤全氮含量的影响

试验结果(图3)表明,越冬期,T4处理在0～20 cm土壤含氮量最高,其他处理无显著差异。在20～100 cm土层T3处理的全氮含量最低,与其他处理间差异显著。而在拔节期和开花期,秸秆还田处理(T2、T4)的0～40 cm土壤全氮量高于秸秆不还田处理(T1、T3);拔节期40～60 cm土层T4处理最高,其他处理间无显著差异,T3在60～100 cm的全氮含量最低;开花期0～60 cm土层T3的全氮含量最低,在60～80 cm土层T2与T3高于T1与T4,至成熟期,T3的含氮量在各个土层均为最低。在0～20 cm土层中T1、T2、T4处理的含氮量无显著差异;在20～80 cm土层,各处理含氮量表现为:T1含氮量最多,T2与T4有差异,但是未达到显著水平。

2.5不同耕作措施对植株全氮含量及氮积累量的影响

植株的全氮含量在越冬期、成熟期处理间差异不显著(图4);拔节期表现为T1>T2>T3>T4;开花期T1处理植株含氮量较低,其他3个处理无显著差异;在灌浆期,深耕处理(T2、T1)的植株含氮量高于浅耕处理(T3、T4),其中T2与T1差异显著,说明深耕有利于营养器官含氮量的增加。植株氮素积累量表现为“先升高,后降低”的趋势,在开花期达到最大值(图5)。越冬期植株氮积累量无显著差异;拔节期T1处理植株含氮量显著高于其他处理,T2、T3、T4间差异不显著。在开花期T3处理的氮积累量最高;灌浆期表现为T1>T2>T3>T4;成熟期T1的氮积累量最低。

图3　各处理土壤全氮含量的动态变化

图4　不同耕作措施下植株全氮含量的动态变化

图5　不同耕作措施下植株氮积累的动态变化

2.6不同耕作措施对冬小麦氮素利用效率的影响

由表2可知,深耕秸秆还田处理(T2)能够显著提高冬小麦氮素积累量,较不还田处理(T1)提高了44%;浅耕条件下秸秆还田对氮素积累量无显著影响。深耕+秸秆还田处理(T2)下氮素偏生产力也较高,深耕处理(T1、T2)对氮素偏生产力的提升作用较大,其中T2比T4高22.4%。T1处理的氮素利用效率最高,较T3处理高57.2%,其他处理间差异不显著。

表2　不同处理对冬小麦氮素积累量和氮素利用效率的影响

2.7不同耕作措施对麦田植株干物质积累量的影响

由图6可知,在越冬期,各处理的干物质量没有显著差异;到拔节期时,深耕(T1)处理的干物质量最高,其次为浅耕(T3)处理,深耕+秸秆还田(T2)处理的干物质量最低,说明秸秆直接还田在生育前期抑制了小麦的生长。至开花期,浅耕(T3)处理的干物质量最高,浅耕加秸秆还田(T4)处理干物质量最低;成熟期时,深耕加秸秆还田(T2)处理和浅耕(T3)处理干物质量最高,其次是深耕(T1)处理,T4处理干物质量最低。

图6　不同处理下麦田植株干物质积累变化

2.8不同耕作措施对小麦产量及构成因素的影响

由表3可以看出,在4个处理中,深耕的穗数低于浅耕,秸秆还田处理的穗数低于秸秆不还田,浅耕(T3)处理的穗数最高,深耕加秸秆还田(T2)处理的穗数最低。表明秸秆还田不利于穗数的形成。深耕秸秆还田处理的千粒质量大于秸秆不还田处理,但总体来说无显著差异。深耕处理(T1、T2)条件下,穗粒数大于浅耕处理(T3、T4),而秸秆还田处理(T2、T4)的穗粒数大于秸秆不还田处理(T1、T3)。综合以上试验结果,说明深耕处理对提高作物产量有积极作用,较浅耕处理产量提高了22.1%,较深耕未还田处理增产6.7%;深耕处理较浅耕处理增产14.4%。

表3　不同处理对小麦产量及构成因素的影响

3　结论与讨论

作物秸秆是农业生产中重要的肥料来源和潜在的碳库能源,秸秆还田能提升土壤有机质含量和质量,增加土壤氮素含量等,对农业生产力的提高具有积极作用[13-15]。农业耕作对农田土壤养分和作物产量也具有重要影响,研究表明,深耕作为传统的耕作方式,可以打破土壤犁底层,有利于增加作物产量。深耕也有利于土壤养分的提高,但不同土层增加幅度不尽一致[16-18]。本试验结果表明,秸秆还田有助于提高土壤碳储量,在各个生育时期,秸秆还田处理的土壤0～60 cm有机碳增量均高于秸秆不还田处理,其中浅耕处理对碳储量的提高优势高于深耕处理。不同耕作方式能够影响土壤水分变化,而水分则直接影响了小麦的生长发育及产量[19-20]。有研究表明,深耕能够改善土壤结构,提高土壤通透性,提高土壤水分贮藏能力和利用能力,与本研究结果一致[21-22]。秸秆还田对增加土壤含水量起积极作用,本试验中,在小麦的生育前期,0～60 cm土层的含水量均为秸秆还田大于不还田处理,说明秸秆还田处理有助于提高土壤含水量,使小麦花后期能够有较多的水分用于灌浆。这与王燕培等[23]的研究结果一致。深耕和秸秆还田提高了作物耗水量,这与肖俊夫等[24]认为随耗水量增加,作物产量也逐渐提高的结论一致。同时深耕与秸秆还田也提高了土壤全氮含量。成熟期,深耕条件下秸秆还田处理40～100 cm全氮含量低于对照,说明秸秆还田促进了小麦在花后对土壤深层氮素的利用;本试验中,深耕秸秆还田处理能够显著提高冬小麦氮素积累量、氮素偏生产力。开花前，与秸秆还田有关处理的干物质积累量均低于单纯的深耕或浅耕，说明秸秆直接还田对小麦生育前期物质积累的作用是抑制的；到了成熟期，深耕+秸秆还田的干物质积累速度加快，其积累量和浅耕处理同处较高水平，说明秸秆还田在生育后期作用大于前期，尤其以深耕条件下秸秆还田效果较好，明显好于单纯的深耕或浅耕+秸秆还田。沈学善等[25]研究表明,秸秆还田能增加作物产量,本试验结果还表明,深耕条件下秸秆还田处理有助于提高作物产量,但浅耕条件下,秸秆还田对作物产量的影响不显著。总之,耕作方式、秸秆还田对小麦的生长、土壤养分及小麦产量均有一定影响,秸秆还田和深耕有助于提高土壤碳储量,增加土壤含水量以及作物水分利用效率,并改善土壤氮素含量,提高冬小麦氮素利用效率,进而提高麦田产量。

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Effects of Different Tillage Methods on Carbon Storage of Soil and Utilization Efficiency of Water and Nitrogen in Wheat

LI Chunxi1,CHEN Huiting1,MA Shouchen2,ZHANG Lingling1,WANG Jingruo1,SHAO Yun1

(1.College of Life Science,Henan Normal University,Xinxiang453007,China;2.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Field Scientific Observation & Research Base,Ministry of Land and Resources,Jiaozuo454000,China)

Based on a long-term field experiment,the effects of different tillage measures on the carbon storage of soil and the utilization efficiency of water and nitrogen in wheat were studied.Four models were designed:deep tillage(T1),deep tillage plus straw returning(T2),shallow tillage(T3),and shallow tillage plus straw returning(T4).The results showed that straw returning had a certain infuenceron soil carbon accumulation.Compared with the organic carbon storage before sowing,it was higher at winter stage in 0-20 cm soil,reached to the highest at jointing stage in 20-40 cm,and also had the maximum value at jointing stage in 40-60 cm except T1 treatment.During the whole growth period,the organic carbon storage was generally higher in straw returning treatment than in no straw returning.T1 treatment increased the soil water content in early growth stage of wheat.The crop water consumption of T2 treatment was 4.2% higher than that of T4 treatment.Straw returning could increase the water use efficiency of wheat.The water use efficiency and irrigation water use efficiency of T2 were 24.9% and 27.6% higher,respectively,than that of T4.Except in flowering stage,the nitrogen content of plant was higher in deep tillage than in shallow tillage.And T2 treatment could significantly improve the nitrogen accumulation of wheat,44% higher than that of no straw returning.Deep tillage increased the nitrogen utilization efficiency by 57.2% compared with the shallow tillage straw returning treatment inhibited the growth of wheat in early growing stage,but promoted the dry matter accumulation in later growing stage.Straw returning could increase the grain number of wheat,so as to raise the grain yield.The grain yield of T2 was 22.1% higher that of T3,and 6.7% higher than that of T1,while it was 14.4% higher in T1 than in T3.The results suggested that straw returning and deep tillage could increase the carbon storage of soil,improve the use efficiency of water and nitrogen,and then increase the grain yield of wheat.

Deep tillage;Straw returning;Soil carbon storage in wheat field;Water and nitrogen use

2016-06-17

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD14B08；2013BAD07B07-2);“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFD0300200)

李春喜(1964-),男,河南封丘人,教授,博士，主要从事小麦生理生态研究。

S152.7

A

1000-7091(2016)04-0220-07

10.7668/hbnxb.2016.04.034