秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响

2018-12-04董勤各董文俊丁奠元

农业机械学报 2018年11期

董勤各李悦冯浩余坤董文俊丁奠元

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100； 3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100； 4.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065； 5.扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225009)

0 引言

水资源短缺严重威胁干旱半干旱地区作物生长[1-2]，制约着我国易旱地区农业可持续发展[3]。我国西北地区属于干旱半干旱区，生态环境较为脆弱[4]，粮食产量易受干旱缺水、降雨年际分布不均影响。因此，如何提高自然降水利用效率，降低土壤水无效蒸发对该地区农业的可持续发展具有重要意义[5]。

国内外多采用覆盖措施(秸秆覆盖、砂石覆盖、地膜覆盖等)节水保墒，提高作物产量。HUANG等[6]研究表明，秸秆覆盖物既能减少蒸散和土壤水分的消耗，又能提高水分利用效率。刘世平等[7]发现秸秆直接还田能有效改良土壤, 增加土壤有机质和速效养分的含量, 改善土壤的透气性, 增加水稻产量, 并能合理利用秸秆资源。赵亚丽等[8]提出秸秆覆盖还田降低了夏玉米和休闲期农田耗水量。秸秆还田也是提高土壤肥力和作物生产潜力的重要农艺措施之一[9-11]。还有研究表明秸秆还田均能显著改善土壤水热状况、提高作物产量和水分利用效率[12-13]。由于多年的耕作和种植习惯，秸秆覆盖存在着诸多问题，如农田作物秸秆直接丢弃或焚烧造成资源浪费及加剧环境污染，还造成土壤紧实、耕层变浅、地表裸露、土壤蓄水保墒能力降低，严重影响了该区粮食的稳产和高产[14]、秸秆分解较缓慢且分解过程中与作物争氮、秸秆营养不能快速为作物所用[15-17]。目前，国内外已有不少关于秸秆还田措施[18-19]的研究，但相关研究的焦点多集中于秸秆直接覆盖还田对于作物的生长和产量的影响，并未深入考虑改变秸秆长度与自身碳氮比如何影响夏玉米各生育期生长与产量的问题。

本文基于2年田间试验，分析秸秆长度与氨化对夏玉米关键生育期土壤体积含水率、叶面积指数、冠层覆盖度、产量和水分利用效率的影响，以期确定科学合理的秸秆还田方式，为优化干旱半干旱地区的夏玉米高产稳产及秸秆资源的合理利用提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014年和2015年6—10月在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站(34°20′ N、108°24′ E，海拔521 m)开展。该区平均无霜期为221 d，年平均气温为12.9℃，平均光日照时间为2 196 h，属于暖温带季风半湿润气候区。降雨量年际变化较大且年内分布不均，降水多集中在7—10月，易形成季节性干旱。供试土壤为中壤土(砂粒、粉粒和粘粒质量分数分别为8%、73%和19%)，0～100 cm土层的平均田间持水率为24%，凋萎含水率为8.5%(均为质量含水率)，pH值为8.4。播前测定耕层土壤(0～20 cm)养分含量为：有机碳质量比、全氮质量比、全磷质量比、全钾质量比、速效磷质量比和速效钾质量比分别为8.14 g/kg、0.95 g/kg、0.83 g/kg、20.42 g/kg、20.91 mg/kg和287 mg/kg，地下水埋深较深，其向上补给量可忽略不计。气象资料由灌溉试验站提供，2年夏玉米生育期内当地气温与降雨动态变化见图1。

图1 2014年和2015 年夏玉米生育期内降雨量和气温分布Fig.1 Distribution of precipitation and temperature during growth seasons of summer maize in 2014 and 2015

1.2 试验设计和田间管理

试验采用随机区组排列布置，设置秸秆长度与氨化2个因素，每个因素2个水平，具体见表1。每个处理重复3次，小区面积为20 m2(5 m×4 m)。种植作物为夏玉米(品种“秦龙11”)，采用人工穴播，株行距30 cm×60 cm。各处理施肥水平相同，且所有肥料均作为基肥在播种时施入，基肥施用量为：N120 kg/hm2(尿素)，P 54 kg/hm2(磷酸二铵)。秸秆还田量均为4 000 kg/hm2。2014年6月20日、2015年6月15日播种，2014年10月12日、2015年10月7日收获。基肥与还田秸秆在播种前通过旋耕机一次性翻入耕层土壤内，其他管理措施同当地种植习惯保持一致。

表1 夏玉米田间试验处理Tab.1 Experimental treatments for summer maize

注：A0:未氨化秸秆；A1:已氨化秸秆；L0:短秸秆；L1:长秸秆(大于50 mm)。

1.3 氨化秸秆处理措施

试验用秸秆为上季冬小麦秸秆。试验前将冬小麦秸秆处理为长秸秆(大于50 mm)与短秸秆(粉碎为短秸秆) 2个水平。将氢氧化钙(4%)和氮素(1.3%秸秆干质量)溶于水中(溶液总质量为0.3乘以秸秆干质量)，然后将水溶液均匀喷洒在秸秆上并混合，在常温下(25℃)用塑料袋密封培养6～7 d备用[20]。

1.4 观测项目和方法

1.4.1土壤含水率

使用时域反射仪Trim-TDR测定土壤体积含水率，在各小区中心部位安装TDR管，测定土层深度为0～160 cm，其中0～100 cm土层每10 cm为一个测量深度间隔，100～160 cm土层每20 cm为一个测量深度间隔。所有小区每7 d测定一次土壤体积含水率，且每次降水前后加测1次。

土壤贮水量的计算公式为

(1)

式中θi——第i层土壤体积含水率，%

H——土壤贮水量，mm

hi——第i层土壤厚度，cm

n——所测土壤体积含水率时的层数，取13

1.4.2株高、叶面积及冠层覆盖度

夏玉米生育期可划分为苗期(ES)、拔节期(JS)、抽雄期(HS)、灌浆期(FS)和成熟期(MS)[21]。待夏玉米长出3片真叶后定苗，每个小区随机选取5株具有代表性植株并挂牌定株，于关键生育期准确观测并记录株高和植株所有绿叶的叶片长度和宽度。

单株叶面积计算公式为[22-23]

(2)

式中LA——单株叶面积，m2

Lk——第k片叶片叶领到叶尖的长度，m

Wk——第k片叶片最宽处的宽度，m

a——与叶片形状有关的叶面积回归系数,取0.75

叶面积指数计算公式为

LAI=0.000 1ρLA

(3)

式中LAI——叶面积指数，m2/m2

ρ——种植密度，株/hm2

冠层覆盖度计算公式为[24]

CC=1.005(1-exp(-0.6LAI))1.2

(4)

式中CC——冠层覆盖度

1.4.3考种测产及地上部干物质量

夏玉米成熟后，每个小区选取中间两行植株并考种，风干后手动脱粒，测定百粒质量和果穗长等产量性状。

夏玉米关键生育期，每个小区分别选取5株生长状况良好、代表平均长势的植株，齐地切断得完整植株，将植株茎、叶等器官分开，干燥法杀青(105℃)30 min，然后干燥(70℃)至恒定质量并称量，记录其地上部干物质量为各部分之和。

1.4.4蒸散量和水分利用效率

夏玉米耗水量(ET)采用农田水量平衡公式计算。作物实际蒸散发量(ETc)依据参考作物蒸发蒸腾量(ET0)和作物系数(Kc)而定[25-27]。

本文将降水量与作物蒸腾量之差称为土壤水分平衡量，其计算公式为

B=P-ETc

(5)

式中B——土壤水分平衡量，mm

P——降雨量，mm

夏玉米水分利用效率(Water use efficiency, WUE)计算公式为

WUE=Y/ETc

(6)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——产量，kg/hm2

1.5 统计分析方法

试验数据采用Excel 2016进行数据整理和处理，所有数据均为各重复测定的平均值，SigmaPlot 12.5软件作图，运用SPSS 20.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析，采用LSD法检验差异显著性(P<0.05)。

2 试验结果

2.1 土壤水分动态变化

2.1.1土壤水分平衡

夏玉米生育期内(2014年和2015年)，土壤水分整体不足(图2)。2014年夏玉米实际蒸散发量在6—8月3个月高于降雨量，土壤水分平衡量呈现不足，至夏玉米生育后期(9月)降雨量高于实际蒸散发量；相比于2015年夏玉米整个生育期间，仅7月和8月土壤水分平衡量呈现不足，而6、9、10月降雨量较实际蒸散发量相差不大，土壤水分平衡量充足。

图2 2014年和2015年夏玉米生长季作物实际蒸散发量与降雨量的变化Fig.2 Changes of crop evapotranspiration and precipitation in summer maize growing periods during 2014 and 2015

2.1.2各处理对土壤体积含水率的影响

图3为不同生育期土壤体积含水率的分布特征。2014年和2015年夏玉米生育期降雨量分别为379.5 mm和277.5 mm (图1)。2014年夏玉米拔节期A1L0处理0～40 cm土层的土壤体积含水率比A0L0、A0L1和A1L1分别高5.30%、4.54% 和2.06%，40～160 cm土层土壤体积含水率比A0L0、A0L1分别高6.62%、7.07%，但比A1L1低2.73%。2015年夏玉米生育期降水量较均匀，各处理0～160 cm土壤贮水量变化趋势与2014年基本趋势相似。拔节期各处理0～40 cm土层平均土壤体积含水率均有相同变化趋势，A1L0处理0～40 cm土层土壤体积含水率比A0L0、A0L1和A1L1分别高6.01%、10.39% 和4.59%；40～160 cm土层平均土壤体积含水率比A0L0、A0L1和A1L1分别高2.87%、6.46%和1.20%。成熟期，不同处理0～160 cm土层土壤贮水量由大到小依次为A1L0、A1L1、A0L0、A0L1。2年夏玉米A1L0平均土壤体积含水率较A0L1分别提高了10.7%和6.4%。

2.2 夏玉米生长发育动态变化

2.2.1夏玉米株高和叶面积指数动态特征

2014年和2015年夏玉米株高和叶面积指数动态变化见图4。株高和叶面积指数动态变化趋势总体先迅速增大然后呈平缓的趋势，且叶面积指数变化趋势大致呈倒“L”型，均为拔节期至抽雄期迅速增长，抽雄期至成熟期变化平缓且有下降。2014年各处理株高迅速生长发生在拔节期至抽雄期之间，且所有处理中A1L0株高均最高，整个生育期间A0L0、A0L1、A1L0和A1L1各处理株高平均增高速率为14.78、16.0、16.08、16.01 mm/d；相比于2015年夏玉米整个生育期间A0L0、A0L1、A1L0和A1L1各处理株高平均增高速率为20.99、20.55、21.11、21.01 mm/d。

2014年和2015年2年试验中，前期的LAI从苗期到抽雄期各处理A0L0、A0L1、A1L0、A1L1增长速率约为0.039、0.042、0.041、0.034 d-1和0.011、0.012、0.015、0.011 d-1。而后期的 LAI 从抽雄期到成熟期的各处理A0L0、A0L1、A1L0、A1L1衰减速率分别为0.030、0.027、0.032、0.029 d-1和0.008、0.014、0.015、0.014 d-1。2年的夏玉米灌浆期平均叶面积指数A1L0较A0L1和A0L0增加13.3%、8.0%。

图3 2014年和2015年不同处理夏玉米不同生育期0～160 cm土壤体积含水率动态变化Fig.3 Dynamics of soil water content of 0～160 cm soil layers at different growth stages of summer maize under different treatments in 2014 and 2015

图4 不同处理夏玉米株高和叶面积指数随生育期的动态变化Fig.4 Dynamics of summer maize plant height and leaf area index (LAI) under different treatments at different growth stages

2.2.2夏玉米冠层覆盖度

2014年和2015年夏玉米各处理生育期冠层覆盖度动态变化呈先增高后略有下降的趋势(图5)。各处理冠层覆盖度差异显著，其中A1L0冠层覆盖度较A1L1、A0L0、A0L1大，2014年夏玉米成熟期冠层覆盖度由小到大依次为A0L0、A0L1、A1L1、A1L0；相比于2015年夏玉米各处理冠层覆盖度动态变化趋势也是呈先增加后减少的“厂”型，至成熟期有所下降；2年平均冠层覆盖度A1L0较A0L0、A0L1、A1L1分别增加6.2%、4.8%、4.4%，A1L0和A1L1之间无显著差异。夏玉米灌浆期氨化短秸秆翻压还田处理(A1L0)的平均冠层覆盖度(CC)比其他处理高3.7%～10.7%。

2.3 不同处理夏玉米产量与水分利用效率

2.3.1不同处理夏玉米产量构成

各处理对2年的夏玉米果穗长、果穗粗和百粒质量有显著影响(图6)。在相同的秸秆长度水平下，A1处理夏玉米的果穗长、果穗粗和百粒质量均大于A0处理。在短秸秆(L0)水平下，A1处理夏玉米的产量构成显著大于A0处理，且夏玉米A1处理的果穗长、果穗粗和百粒质量较A0增加4.6%、9.9%、1.1%和2.2%、4.5%、5.1%。氨化水平(A1)下L0处理夏玉米产量构成均大于L1，2014年夏玉米L0处理果穗粗、果穗长和百粒质量较L1增加1.2%、1.1%和2.6%;2015年夏玉米L0处理果穗粗、果穗长和百粒质量较L1增加2.9%、1.4%和2.8%。

2.3.2不同处理夏玉米产量、生物量和水分利用效率

不同处理夏玉米的产量、生物量和水分利用效率如表2所示。A0L1 处理的夏玉米产量、生物量和水分利用效率均低于A1L0处理和A1L1处理，A1L0处理产量较高，A0L0处理耗水量较高，A1L1处理水分利用效率较高。

在相同氨化水平下，2014年和2015年各处理夏玉米成熟期的地上部干物质积累量随秸秆长度的增加而减少(表2)。A1条件下具体表现为：L0处理夏玉米成熟期均显著大于L1处理，L0处理夏玉米的地上部干物质量与L1相比，成熟期增加 1.2%和3.0%；在相同的秸秆长度水平下，A1处理夏玉米成熟期的地上部干物质量明显大于A0处理，L0条件下A1处理夏玉米地上部干物质量与A0处理相比，成熟期分别增加了7.7%和11.3%。由表2分析可知，氨化秸秆处理夏玉米能有效增加地上部干物质积累，各处理存在显著差异。

2014年和2015年夏玉米A1L0处理产量较A0L0处理、A1L0处理及A1L1处理分别增加6.2%和9.4%，8.1%和10.0%，1.7%和3.9%；2年的夏玉米平均水分利用效率(WUE)A1L0处理较A0L0处理、A1L0处理及A1L1处理分别增加7.4%和6.6%，4.6%和7.3%，2.0%和1.4%。夏玉米成熟期氨化短秸秆翻压还田处理(A1L0)的平均地上部干物质量比其他处理高 2.1%～9.5%，平均产量比其他处理增加2.8%～9.1%，平均水分利用效率比其他处理增加1.7%～7.4%。

3 讨论

3.1 不同处理条件下土壤体积含水率动态变化

农田水分是决定夏玉米产量和品质的关键因素之一[28-29]。本研究2年夏玉米对不同处理条件下农田水分动态变化表现出一定的阶段性和层次性，秸秆翻压还田下(A0和A1)，L0较L1土壤体积含水率大，特别是在夏玉米生育后期。这说明粉碎秸秆施入土壤后增大了土壤与秸秆的接触面积，土壤团聚体内部孔隙得到了改善，使土壤持水能力显著提高。粉碎秸秆施入土壤降低了土壤容重，改善了土壤的含水率，与孙荣国等[30]和卢金伟等[31]的研究结果一致。王珍等[32]认为秸秆粉碎后还田较秸秆直接还田具有更好的节水效果。本研究2年夏玉米秸秆氨化处理还田0～160 cm土壤体积含水率在夏玉米苗期较低，而在灌浆期之后较高，说明氨化秸秆还田后分解速率较快，秸秆分解过程中消耗水分较多，灌浆期自然降雨较多，氨化秸秆施入土壤能有效改善土壤结构，提高土壤持水能力，综合表现为土壤蓄水量有所增加。秸秆氨化可促使秸秆角质层外层的酯类化合物分解，增加粗蛋白含量，作物秸秆的碳氮比随之降低[20,33]。YU等[34]认为，在秸秆还田后氨化措施能降低土壤的蒸发强度，有效促进秸秆的分解，结合粉碎措施后效果更加显著。有研究表明，秸秆还田可以明显调节土壤水分，且随土壤深度的增加调节作用有所减弱[35]。周新国等[36]和李荣等[37]认为土壤水分是影响作物生长发育以及提高作物产量和水分利用效率的重要因素，不同的处理可不同程度地改变土壤水分状况从而影响作物的生长。

图5 2014年和2015年夏玉米生育期内不同处理冠层覆盖度的动态变化Fig.5 Dynamics of canopy cover (CC) under different treatments during growing seasons in 2014 and 2015

图6 2014年和2015年不同处理下夏玉米产量构成Fig.6 Yield composition of summer maize under different treatments in 2014 and 2015

处理2014年2015年ET/mm生物量/(kg·hm-2)产量/(kg·hm-2)WUE/(kg·hm-2·mm-1)ET/mm生物量/(kg·hm-2)产量/(kg·hm-2)WUE/(kg·hm-2·mm-1)A0L0304.7a13421c5791b19.0a249.6b11485b8641c34.6bA0L1292.5b13894b5691b19.5a249.9b11620b8596c34.4bA1L0300.8a14456a6150a20.0a256.6a12788a9456a36.9aA1L1301.6a14288a6049a20.4a249.2b12412a9094b36.4a

注：同一年度中，每列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

3.2 不同处理条件下夏玉米生长动态和产量

叶片是夏玉米进行光合作用的主要器官，而叶面积指数是影响光合速率的重要因子之一，其大小直接决定了产量[38]。为调节土壤碳氮比，促进秸秆较快分解，本研究对秸秆进行氨化处理，发现各生育期夏玉米株高、叶面积指数和冠层覆盖度变化趋势相似，即先增大后平缓或稍有降低的趋势。由此可见，氨化秸秆还田施入土壤中对于微生物的活性和生长繁殖起到了促进作用，降低了土壤碳氮比，缓解了作物与微生物之间争夺氮素；同时氨化秸秆还田后能够分解释放一定量的营养元素，从而促进夏玉米生长[39-40]。本研究发现，氨化秸秆翻压还田较未氨化秸秆翻压还田增加了夏玉米株高、叶面积指数和冠层覆盖度，并促进地上部干物质积累，说明氨化秸秆还田措施提高土壤贮水量的效果主要体现在作物生长后期，可保证作物生长后期干物质的积累及转化，进而为提高作物产量及水分利用效率奠定基础。有研究表明秸秆还田能改善作物生长环境[41]、提高作物水分利用效率和产量[42-44]。高茂盛等[45]和赵四申等[46]研究发现，秸秆还田能够促进作物后期的光合作用并降低作物叶绿素的降解，从而提高了作物后期的叶面积指数。王兆伟等[47]、CAI等[48]和白伟等[49]认为秸秆还田导致土壤温度降低、作物物候期推迟并影响作物产量。本研究表明，氨化短秸秆翻压还田较未氨化秸秆翻压还田分别增产8.7%～10.1%。氨化秸秆还田较传统秸秆还田方式能有效促进夏玉米生长，能较快地改善土壤结构，提高土壤持水能力，粉碎后还田效果更好，与余坤等[50]和王增丽等[51]研究结果一致。说明在夏玉米生育后期秸秆氨化和秸秆粉碎结合(A1L0)还田措施使得土壤有较高的水分，有利于植物生长，从而提高籽粒质量。