有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤碳氮和产量的影响

孙 凯 刘 振 胡恒宇 李 耕 刘文涛 杨 柳 宁堂原,* 王彦玲



有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤碳氮和产量的影响

孙 凯1刘 振1胡恒宇1李 耕1刘文涛1杨 柳1宁堂原1,*王彦玲2

1作物生物学国家重点实验室/ 农业部作物水分生理与抗旱种质改良重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018;2滕州市农业局, 山东滕州 277519

探明不同轮耕和有机培肥方式对夏玉米田土壤碳氮及其酶活性的影响, 对提升农田土壤肥力及促进玉米高产具有重要意义。设秸秆(P)与牛粪(F)两种有机培肥方式和小麦季旋耕-玉米季深松(RS)、小麦季深松-玉米季免耕(SN)、小麦季翻耕-玉米季免耕(CN) 3种轮耕方式, 共6个处理, 于2015—2016和2016—2017玉米收获期采样测定, 研究了不同有机培肥和轮耕方式对土壤碳氮及其酶活性和作物产量的影响。结果表明, 轮耕方式、有机肥及其交互效应对土壤肥力有显著影响。在0~10 cm和10~20 cm土层, 与轮耕方式CN相比, RS和SN能够显著提高土壤有机碳、全氮含量和脲酶、蔗糖酶活性。在轮耕方式RS中, 与施用牛粪相比, 秸秆还田显著提高了10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土层的有机碳含量, 增加了10~20 cm土层的全氮含量和蔗糖酶活性。在轮耕方式SN中, 与秸秆还田相比, 施用牛粪显著提高了0~10 cm和10~20 cm土层的有机碳、全氮含量和蔗糖酶活性, 增加了各土层脲酶活性。与秸秆还田+翻耕-免耕(PCN)相比, 秸秆还田+旋耕-深松(PRS)和施用牛粪+深松-免耕(FSN)能显著提高土壤肥力。在0~10 cm和10~20 cm土层, 各处理中以FSN增加土壤有机碳、全氮含量和蔗糖酶、脲酶活性最为明显。轮耕方式、有机肥及其交互效应对产量有显著影响。轮耕方式RS和SN的产量较CN分别显著提高了1.89%~10.49%、5.44%~11.99%。在轮耕方式RS中, 产量表现为秸秆还田较施用牛粪显著提高了2.91%~3.11%; 而在轮耕方式SN中, 则表现为秸秆还田较施用牛粪显著降低了5.02%~9.07%。两年玉米产量均表现为FSN>PRS>FRS>PSN>FCN>PCN。综上所述, 在6种处理中, 处理FSN在提高土壤肥力和产量方面最为显著, 可以作为试验及周边地区适宜的轮耕培肥方式。

轮耕; 有机肥; 土壤碳氮; 酶活性; 产量

保持并提高土壤质量, 实现“藏粮于地”是确保我国粮食安全和农业可持续发展的重要策略[1]。适宜的耕作措施对协调土壤水、肥、气、热有积极作用[2]。少、免耕对土壤结构扰动较小, 在保水、保墒、保肥等方面具有积极作用[3]; 但长期少、免耕会对土壤产生消极影响, 增加土壤硬度[4], 不利于养分深达下层, 影响作物根系生长发育, 从而影响作物产量[5-6]。随着长期单一耕作对土壤质量带来问题的日益突出, 人们开始研究将免耕、旋耕、深松、翻耕等不同的耕作方式合理组合形成轮耕模式, 以期集各耕作方式的优点, 减少长期单一耕作的消极影响[7-8]。土壤碳、氮是衡量土壤质量的重要指标, 其在土壤中的动态平衡会直接影响农田土壤肥力水平和作物产量[9]。与传统耕作相比, 免耕虽然能够显著增加土壤表层有机碳含量, 但深层土壤有机碳含量不仅不会增加还会下降甚至能够抵消表层有机碳积累量[10]。而轮耕措施在增加耕层土壤有机碳含量的同时, 也能够促进耕层土壤碳、氮的均匀分布[11]。免耕后进行深松能够疏松土壤, 有利于作物产量提高[12]。农田在经过10年免耕、耙耕、旋耕后转变为深松耕作方式对土壤有机碳和作物产量均有积极作用[13]。有机肥的施用不仅能够为作物提供所需的养分, 改善作物品质, 提高作物产量; 而且可以改善土壤理化性状, 培肥农田[14]。有机肥为农田土壤带入了大量碳源, 提高了土壤微生物活性, 有利于保持碳输入和输出平衡, 提高土壤固碳能力[15]; 施用有机肥可以显著提高土壤碳氮和酶活性[16]。但施用不同的有机肥对土壤的培肥效果不同[17]。现有研究表明, 轮耕方式或施肥可以通过提高土壤肥力而促进作物增产。为了进一步培肥地力和提高产量, 亟须探明合理的轮耕培肥组合方式。但现有研究大多从轮耕方式或施肥制度单一方面开展, 仅能提出适宜的轮耕方式或施肥方式[8,18]。而研究轮耕方式、有机肥及其交互效应对土壤肥力和作物产量影响的报道较少, 缺乏提高农田土壤肥力和作物产量的轮耕培肥制度。因此, 本试验采用轮耕方式和有机肥相结合的模式, 分析轮耕方式、有机肥单独及交互效应对夏玉米田土壤碳氮及其酶活性和作物产量的影响, 探求适宜提高农田肥力和作物产量的轮耕培肥制度, 以期为试验及周边地区选择适宜的轮耕培肥方式提供理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

山东省滕州市西岗镇温堂村(34°58′10.72″N, 117°0′28.81″E)属于温带季风气候区, 年均温度15.3℃, 年平均日照2283.0 h, 降雨主要集中在6月至9月, 年均降雨量758.4 mm。该区域常年实行冬小麦-夏玉米一年两熟种植制度, 小麦、玉米机械收获后秸秆直接粉碎还田, 少、免耕是常用的耕作方式, 供试土壤为潮褐土。试验开始前0~20 cm土层土壤含有机碳10.47 mg g–1、全氮0.92 mg g–1、有效磷37.72 mg g–1、速效钾161 mg g–1。

1.2 研究方法

2014年开始, 采用两因素随机区组设计, 设小麦旋耕+玉米深松(RS)、小麦深松+玉米免耕(SN)、小麦翻耕+玉米免耕(CN) 3种耕作方式, 旋耕、深松、翻耕深度分别为10 cm、35 cm、30 cm; 设小麦季增施牛粪(F)、玉米秸秆还田(P) 2种有机培肥方式, 玉米季时小麦秸秆全量粉碎还田, 共6个处理。各处理遵循氮、磷、钾等施原则, 玉米秸秆(含N 0.51%、P2O50.34%、K2O 1.20%、C 41.09%)还田量8550 kg hm–2, 牛粪(含N 0.78%、P2O50.97%、K2O 1.01%、C 49.87%)施用量5590 kg hm–2, 各处理的磷、钾差异用化肥补齐并在小麦季作为基肥施入。小区面积80 m2(8 m×10 m), 3次重复。冬小麦供试品种为“泰农18”, 夏玉米为“农单116”。有机肥在小麦季基施, 化肥除基施外, 其余用做追肥。各处理在小麦季施用化肥纯N总量112.5 kg hm–2, 秸秆还田处理施用P2O5总量137.6 kg hm–2、K2O总量112.5 kg hm–2, 增施牛粪处理施用P2O5总量112.5 kg hm–2、K2O总量158.6 kg hm–2, 其中拔节期沟施纯N 69.6 kg hm–2, 其余基施; 玉米季施用化肥纯N、P2O5、K2O总量分别为368.4 kg hm–2、90 kg hm–2、90 kg hm–2, 其中大喇叭口期沟施追肥纯N 278.4 kg hm–2, 其余基施。各处理其他田间管理措施一致。

1.3 测定项目与方法

2014—2015年度为预处理, 不取样。在2016年10月1日玉米收获期、2017年10月3日玉米收获期, 采用S形取样法随机选取每小区5个样点, 用土钻取0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土样, 去除秸秆、石块等杂物后, 将每小区5个样点的同一土层土样均匀混合, 自然风干后过筛用于测定各项指标。用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳, 用半微量凯氏定氮法测定全氮[19]。用靛酚蓝比色法测定土壤脲酶, 用3,5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶[20]。

在两年玉米收获期从各处理中间取10 m双行, 记录各处理的果穗数, 晾干后全部脱粒称重测定产量。从每处理随机选取10穗晒干的玉米, 考察穗粒数, 并测定千粒重。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003软件预处理数据, 用SigmaPlot 10.0制图, 用SPSS Statistics 17.0进行多因素方差分析, 采用LSD法进行多重比较(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤有机碳的影响

由多因素方差分析可知, 轮耕方式、轮耕方式和有机肥交互作用对两年收获期各土层中有机碳含量均有极显著影响(表1)。0~10 cm和10~20 cm土层, 有机肥对两年有机碳含量均有显著影响, 但20~30 cm和30~40 cm土层, 仅在2017年对有机碳含量具有显著影响。秸秆还田时, 两年有机碳含量在各土层均表现为轮耕方式RS较CN显著提高了3.87%~ 28.53%; 施用牛粪时, 轮耕方式SN的有机碳含量较CN显著提高了4.90%~51.54%。在10~20 cm土层, 轮耕方式SN的有机碳含量在两年收获期均表现为施用牛粪高于秸秆还田。2017年, 在30~40 cm土层, 轮耕方式RS和CN的有机碳含量表现为秸秆还田较施用牛粪分别提高5.93%和10.40%。处理间比较, 0~10 cm和10~20 cm土层, 有机碳含量均表现为FSN最高、PRS次之, PCN和FCN最低。

表1 有机培肥与轮耕方式对土壤有机碳的影响

同列标以不同字母的数值在0.05水平差异显著。*和**表示在0.05和0.01水平上的显著性。PRS: 秸秆还田+旋耕-深松; PSN: 秸秆还田+深松-免耕; PCN: 秸秆还田+翻耕-免耕; FRS: 施用牛粪+旋耕-深松; FSN: 施用牛粪+深松-免耕; FCN: 施用牛粪+翻耕-免耕。T: 耕作因素; C: 有机肥因素。

Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** mean significance at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. PRS: straw returning with rotary tillage-subsoiling; PSN: straw returning with subsoiling-no tillage; PCN: straw returning with conventional tillage-no tillage; FRS: cow manure with rotary tillage-subsoiling; FSN: cow manure with subsoiling-no tillage; FCN: cow manure with conventional tillage-no tillage. T: tillage factor; C: organic fertilizer factor.

2.2 有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤全氮的影响

由表2可知, 在0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土层, 轮耕方式、有机肥及其交互效应均对全氮含量影响显著。无论是秸秆还田还是施用牛粪, 在0~10 cm和10~20 cm土层, 轮耕方式RS和SN的全氮含量均显著高于CN。20~30 cm土层, 轮耕方式CN的全氮含量在2016年较RS和SN显著提高了10.34%~25.49%; 而到2017年时轮耕方式RS和SN的全氮含量较CN显著提高了4.92%~22.03%。在0~10 cm土层, 轮耕方式RS和SN的全氮含量均表现为施用牛粪显著高于秸秆还田。在10~20 cm和 20~30 cm土层, 轮耕方式SN和CN的全氮含量也表现为施用牛粪显著高于秸秆还田。处理间比较, 在0~10 cm和10~20 cm土层, FSN的全氮含量在两年收获期均最高。

2.3 有机培肥与轮耕方式对0~40 cm土层有机碳、全氮和C/N的影响

由表3可知, 轮耕方式、轮耕方式和有机肥的交互作用对两年收获期有机碳、全氮和C/N均具有极显著影响; 有机肥对有机碳没有显著影响, 但是对全氮和C/N均有极显著影响。无论是秸秆还田还是施用牛粪, 轮耕方式RS和SN在两年收获期的有机碳、全氮含量均显著高于CN; 轮耕方式SN的C/N在两年收获期是最高的, 较CN显著提高了3.87%~ 8.86%。SN和CN的全氮含量均表现为施用牛粪比秸秆还田分别提高了4.88%~9.86%、3.85%~7.14%。RS和CN的C/N表现为秸秆还田比施用牛粪分别提高了4.46%~17.07%、1.62%~5.02%。处理间比较, FSN的有机碳和全氮含量在两年均显著高于其他处理。

2.4 有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤蔗糖酶的影响

由图1可知, 轮耕方式、有机肥以及两者之间交互作用对两年收获期各土层蔗糖酶活性均具有显著影响。在两年收获期的0~10 cm和10~20 cm 土层, 秸秆还田时, 轮耕方式RS的蔗糖酶活性较CN显著提高了20.48%~25.86%; 在施用牛粪时, 轮耕方式SN的蔗糖酶活性较CN显著提高了20.87%~36.61%。在2017年, 20~30 cm和30~40 cm土层, 无论是秸秆还田还是施用牛粪, SN的蔗糖酶活性较RS和CN显著提高了7.89%~17.80%、12.31%~25.86%。在0~10 cm和10~20 cm土层, SN和CN的土壤蔗糖酶活性均表现为施用牛粪显著高于秸秆还田。处理间比较, 土壤蔗糖酶活性在0~10 cm和10~20 cm土层均表现为FSN最高, PRS次之, 且FSN较PRS显著提高了5.79%~18.20%。

表2 有机培肥与轮耕方式对土壤全氮的影响

同列标以不同字母的数值在0.05水平差异显著。*和**表示在0.05和0.01水平上的显著性。缩写同表1。

Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** mean significance at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

表3 有机培肥与轮耕方式对0~40 cm土层有机碳、全氮和C/N的影响

同列标以不同字母的数值在0.05水平差异显著。**表示在0.01水平上的显著性。缩写同表1。

Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. ** means significance at the 0.01 probability level. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

图1 有机培肥与轮耕方式对土壤蔗糖酶活性的影响

同一土壤层次标以不同字母的柱值表示不同处理间差异显著(<0.05)。*和**表示在0.01水平上的显著性。T: 耕作因素; C: 有机肥因素; P: 秸秆; F: 牛粪。其他缩写同表1。

Bars superscripted by different letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. ** mean significance at the 0.01 probability level. T: tillage factor; C: organic fertilizer factor; P: straw; F: cow manure. Other abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.5 有机培肥与轮耕方式对夏玉米田土壤脲酶的影响

由图2可知, 轮耕方式、有机肥以及两者之间交互作用在各土层对脲酶活性均具有显著影响。在0~10 cm和10~20 cm土层, 无论是秸秆还田还是施用牛粪, RS和SN的脲酶活性较CN分别显著提高了4.16%~25.60%、5.45%~21.28%。轮耕方式SN和CN的脲酶活性在10~20 cm和30~40 cm土层均表现为施用牛粪显著高于秸秆还田。处理FSN的脲酶活性0~10 cm和10~20 cm土层均显著高于其他处理。

2.6 有机培肥与轮耕方式对夏玉米产量及其构成因素的影响

由表4可知, 轮耕方式、轮耕方式与有机肥交互作用、轮耕方式与年限交互作用对千粒重、穗粒数、公顷穗数和产量均有显著影响; 有机肥和轮耕方式、有机肥、年限三者的交互作用对千粒重、公顷穗数没有显著影响, 但对穗粒数和产量具有显著影响; 年限、有机肥与年限的交互作用对穗粒数、公顷穗数、产量均影响显著。在秸秆还田和施用牛粪下, 两年玉米穗粒数、公顷穗数和产量均表现为RS、SN较CN显著提高了3.85%~8.12%、1.46%~ 4.52%、5.44%~11.99%。在轮耕方式SN和CN下, 两年玉米产量均表现为施用牛粪较秸秆还田分别显著提高了5.02%~9.07%、2.77%~3.71%。处理间比较, 两年玉米穗粒数和产量均是处理FSN最高, PRS次之。

图2 有机培肥和轮耕方式对土壤脲酶活性的影响

同一土壤层次标以不同字母的柱值表示不同处理间差异显著(<0.05)。**表示在0.01水平上的显著性。T: 耕作因素; C: 有机肥因素; P: 秸秆; F: 牛粪。其他缩写同表1。

Bars superscripted by different letters are significantly different among different treatments at the same soil layer at<0.05. * and ** means significance at the 0.01 probability level. T: tillage factor; C: organic fertilizer factor; P: straw; F: cow manure. Other abbreviations are the same as those given in Table 1.

表4 有机培肥和轮耕方式对玉米产量及其构成因素的影响

同列标以不同字母的数值在0.05水平差异显著。*和**表示在0.05和0.01水平上的显著性。Y: 年限。其他缩写同表1。

Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 probability level. * and ** mean significance at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Y: year. Other abbreviations are the same as those given in Table 1.

3 讨论

3.1 有机培肥和轮耕方式对夏玉米农田土壤有机碳、全氮和C/N的影响

本研究表明, 在两年收获期的 0~10 cm和10~ 20 cm土层, 土壤有机碳、全氮含量在秸秆还田时均表现为PRS>PSN>PCN, 而在施用牛粪时均表现为FSN>FRS>FCN。造成土壤有机碳、全氮含量在施不同有机肥条件下的最优轮耕方式不同的原因, 一方面可能是秸秆中含有丰富的高纤维, 与秸秆相比牛粪在土壤中更容易分解[21]。另一方面, 不同的轮耕方式对农田土壤形成的环境不同, 从而秸秆和牛粪的腐解速率不同。施入外源物质会影响土壤中有机碳含量的变化, 但这并不是唯一因素, 不同土壤耕作对土壤产生的强度、频率都不同, 从而影响土壤有机碳在农田中的矿化[22]。本试验中, 在施相同有机肥条件下土壤有机碳、全氮和C/N在两年收获期0~40 cm土层均表现为轮耕方式RS、SN优于CN, 究其原因可能是翻耕扰动大, 加速了土壤碳、氮的矿化损失; 而旋耕、深松和免耕在改善土壤环境的同时, 对土壤扰动较小, 有利于土壤碳、氮固存, 土壤碳氮比增大, 这与谢迎新等[23]研究结果一致。不同碳氮比的有机肥对土壤碳氮的影响是不同的[25]。本试验结果表明, 在0~40 cm土层, 有机培肥3年(2017年)后轮耕方式SN的土壤有机碳、全氮和C/N均表现为施用牛粪优于秸秆还田, 而轮耕方式RS的土壤有机碳、全氮和C/N则表现为秸秆还田优于增施牛粪, 这说明有机物料还田后在土壤中的腐解不仅受自身碳氮比的影响, 而且耕作方式所创造的环境也有很大影响。

3.2 有机培肥和轮耕方式对夏玉米农田土壤蔗糖酶、脲酶活性的影响

土壤酶活性与土壤中的潜在养分有效化和土壤胶体吸收性离子有效程度有关, 而这两方面又决定了作物供应养分的能力[20], 所以研究土壤酶活性与土壤养分之间的关系可以有助于了解土壤养分的转化能力[26]。农田土壤中碳、氮发生的生化反应需要土壤蔗糖酶和脲酶的参与, 其活性能够反映碳、氮在土壤中的分解方向和强度[27]。许多研究[17,28-29]表明不同的施肥方式对土壤酶活性的影响不同。本研究表明, 在0~10 cm和10~20 cm土层, 轮耕方式SN、CN的土壤蔗糖酶、脲酶活性均表现为施用牛粪显著高于秸秆还田, 其原因可能是轮耕方式SN、CN在施用牛粪下比秸秆还田更有利于碳、氮的增加, 为土壤蔗糖酶、脲酶提供了更多的酶促基质, 有利于其活性的增加。也有试验研究表明土壤酶活性对耕作方式较为敏感, 不同的耕作方式对土壤酶活性的影响也不同[30]。本试验结果同时表明, 在0~10 cm和10~20 cm土层, 无论是在秸秆还田还是施用牛粪条件下, 土壤蔗糖酶、脲酶活性均表现为轮耕方式RS和SN显著高于CN, 一方面可能是施有机肥后旋耕和深松相对于翻耕对土壤翻动较小, 有利于土壤有机质的增加, 促进了土壤微生物的活动, 从而使土壤酶活性增加; 另一方面可能是深松能够形成“虚实并存”的耕层结构, 增加土壤孔隙度[7]利于气体交换, 具有良好的蓄水保墒的能力, 为酶活性的提高创造了良好的土壤环境, 同时深松有利于土壤根系的生长[31], 增加了土壤酶活性的来源, 这与曾玲玲等[29]的试验结果一致。

3.3 有机培肥和轮耕方式对夏玉米产量的影响

良好的土壤环境和水肥供应是实现作物高产的必要条件[32]。翻耕–免耕轮耕方式虽然能够提高土壤养分含量, 但是也会增加土壤耕层容重, 加快土壤水分的散失, 不利于作物的生长[18]。柏炜霞等[33]研究表明, 免耕–深松轮耕方式对春玉米的增产效果要优于轮耕方式翻耕–免耕。本研究表明无论是在秸秆还田下还是施用牛粪下玉米千粒重、穗粒数和产量均表现为轮耕方式RS、SN高于CN, 这可能是旋耕–深松、深松–免耕与翻耕–免耕相比在对土壤疏松、改善土壤孔隙度和容重的同时, 有利于保护土壤的原有结构, 蓄水保墒能力较强[34]。另外从轮耕方式对土壤碳氮及其酶活性的影响可以看出, 轮耕方式RS、SN有利于土壤碳氮及其酶活性的增加, 进而增加作物产量。在轮耕方式SN、CN下, 两年玉米产量均表现为施用牛粪高于秸秆还田, 这与土壤酶活性和碳氮的趋势一致, 可能是轮耕方式SN、CN所创造的土壤环境更有利于牛粪的腐解, 为土壤酶提供了更多的酶促基质, 为作物生长提供了更多的碳氮, 从而提高了作物产量。

4 结论

耕作方式、有机肥及其交互效应均对土壤肥力和作物产量影响显著。与轮耕方式CN相比, RS和SN增加了有机碳、全氮含量和脲酶、蔗糖酶活性, 并显著提高了作物产量。但不同轮耕方式下有机肥对土壤肥力和作物产量提升有所差异。在RS下, 秸秆还田对土壤碳氮及其酶活性和作物产量的提高显著高于施用牛粪, 而在SN下, 施用牛粪对土壤碳氮及其酶活性和作物产量的提高则显著高于秸秆还田。施用牛粪+深松–免耕(FSN)在提高土壤肥力和产量方面优势显著, 可以作为试验及周边地区适宜的轮耕培肥方式。

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Effect of organic fertilizer and rotational tillage practices on soil carbon and nitrogen and maize yield in wheat-maize cropping system

SUN Kai1, LIU Zhen1, HU Heng-Yu1, LI Geng1, LIU Wen-Tao1, YANG Liu1, NING Tang-Yuan1,*, and WANG Yan-Ling2

1State Laboratory of Crop Biology, Key Laboratory of Crop Water Physiology and Drought-tolerance Germplasm Improvement, Ministry of Agriculture, College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong, China;2Tengzhou Agricultural Bureau, Tengzhou 277519, Shandong, China

Quantitatively analyzing the effects of different tillage rotations and organic fertilization practices on soil carbon, nitrogen and their enzyme activities is of great importance to improve soil fertility and promote maize yield. This study was intended to explore changes of soil organic carbon, total nitrogen, urease and sucrase activities under different tillage rotations and organic manure patterns in wheat-maize cropping system of North China Plain. Six treatments were compared, which were straw returning with rotary tillage-subsoiling (PRS), straw returning with subsoiling-no tillage (PSN), straw returning with conventional tillage-no tillage (PCN), cow manure with rotary tillage-subsoiling (FRS), cow manure with subsoiling-no tillage (FSN), and cow manure with conventional tillage-no tillage (FCN). The tillage mode, organic manure and their interactions had significant effects on soil fertility. The RS and SN patterns had higher contents of soil organic carbon and total nitrogen, and higher enzyme activities of urease and sucrase in 0–10 cm and 10–20 cm soil layers compared with the CN pattern. In rotation tillage mode of RS, straw returning significantly increased the soil organic carbon contents in 10–20 cm, 20–30 cm, and 30–40 cm soil layers, and increased the total nitrogen content and sucrase activity in 10–20 cm soil layer. In rotation tillage mode of SN, the soil organic carbon, total nitrogen content, and sucrase activity in 0–10 cm and 10–20 cm soil layers, and urease enzyme activity in each soil layer, were significantly increased by applying cow manure compared with straw returning. Compared with PCN, PRS and FSN could significantly increase the soil fertility. The soil organic carbon, total nitrogen, urease and sucrase activities in FSN treatment were the highest in 0–10 cm and 10–20 cm soil layers in all treatments. The tillage mode, organic manure and their interactions had significant effects on maize yield. Compare with CN pattern, maize yield of the RS and SN patterns were averagely increased by 1.89%–10.49% and 5.44%–11.99%, respectively. In rotation tillage mode of RS, the yield under straw returning was significantly increased by 2.91%–3.11% compared with that under using cow manure; while in rotation tillage mode of SN, the yield under straw returning was 5.02%–9.07% lower than that under applying cow manure. The average yields of two years were in the order of FSN>PRS>FRS>PSN>FCN>PCN. This study demonstrates that cow manure with subsoiling-no tillage can increase the soil organic carbon, total nitrogen, and urease and sucrase activities, and increase the crop yield as a result. Thus, cow manure with subsoiling-no tillage management practice is a better mode for increasing soil fertility and crop productivity, which should be expected to be adopted in the North China Plain.

rotation tillage; organic fertilizer; soil carbon and nitrogen; enzyme activity; yield

2018-06-26;

2018-12-24;

2019-01-06.

10.3724/SP.J.1006.2019.83028

宁堂原, E-mail: ningty@163.com, Tel: 0538-8242653

E-mail: sksxz92@163.com

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(201503121)和山东省2017年度农业重大应用技术创新项目资助。

This study was supported bythe Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503121) and the Major Agricultural Applied Technology Innovation Project of Shandong Province in 2017.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190104.1119.002.html