秸秆覆盖对寒旱区农田土壤理化性状的影响

2021-09-09戚颖李铁男白雪峰汪可欣

东北农业大学学报 2021年7期

戚颖，李铁男，白雪峰，汪可欣

（1.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨 150006；2.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030）

东北黑土区作为我国玉米、水稻等商品粮主要供应基地，长期大规模开发和高强度垦殖，导致土地肥力透支，耕层板结、土壤环境污染等问题日趋严重。发展“藏粮于地，藏粮于技”的农业耕地保护技术刻不容缓。以秸秆覆盖为核心的保护性耕作措施一直是国内外学者在土壤修复方面的研究热点。Wishmeier研究认为覆盖后水土流失量显著小于无覆盖，且保水效果明显[1]；Drucy等通过研究分析秸秆覆盖下降雨入渗过程，得到秸秆覆盖厚度与土壤稳定入渗率呈正相关[2]；Patra等通过长期定位发现秸秆可有效减少氮元素蒸发，提高耕层土壤碱解氮、全钾等营养元素储量及利用率[3]；邹文秀等提出秸秆还田是调节土壤孔隙度与改善土壤物理结构的有效措施[4]。付强、盖志佳、解文艳等分别研究不同秸秆覆盖措施对土壤水分和作物产量的影响，认为不同秸秆覆盖措施提高耕层土壤墒情，且对玉米、大豆、马铃薯等均有增产作用[5-7]。杨青森等发现以2和4 kg·m-2覆盖量作秸秆还田后，径流量和产沙量分别比对照翻耕裸露降低87%和99%以上[8]。研究区地处寒旱区，具有春寒少雨、雨热同期的地域特点，该区域秸秆还田研究仍主要集中于节水增产和水土保持效应等方面，对不同秸秆覆盖方式下土壤理化性质、团粒结构特点与肥力迁移规律研究不足。本文通过东北黑土区田间原位观测，探索免耕条件下不同秸秆覆盖方式对土壤墒情、土壤容重、土壤团粒结构及耕层营养成分的影响，为探索寒旱区东北黑土适宜秸秆覆盖技术、改良土壤物理结构方式及改善农业土壤生态环境提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在东北农业大学向阳农场综合试验站（125°42′′E，44°04′′N，海拔184 m）实施，该区域全年日照2 450~2 600 h，无霜期120 d左右，全年平均最低气温和最高气温为-28.5℃和33.6℃，分别出现在1月和7月，年平均蒸发量1 000~1 150 mm，降水量654.2 mm，作物生育期内空气相对湿度72%，典型雨养农业。土壤类型为黑质壤土，干容重1.38 g·cm-3，有机质21.02 g·kg-1，速效磷13.67 mg·kg-1，速效钾182.30 mg·kg-1，全氮2.88 g·kg-1，碱解氮71.23 mg·kg-1。

1.2 试验设计

2019年5月10日播种，10月15日采收，共5个处理，每个处理3次重复，分别为裸土留茬（Stub⁃ble on ground，SG）、条带留茬（Stubble in strips，SS）、碎秆覆盖（Crushed stalk，CS）、整秆覆盖（Whole stalk，WS）和对照传统常规耕作（Control，CG）。其中，裸土留茬处理为前一年秋收后留茬5 cm，将秸秆移走，保证土壤处于裸露状态；条带留茬处理为秋收后留茬5 cm，秸秆沿垄沟呈条带状覆盖；碎秆覆盖为秋收后留茬5 cm基础上，将秸秆粉碎后覆盖于地表，覆盖厚度3~5 cm；整杆覆盖同样保持留茬5 cm，将秸秆整体垂直垄沟方向覆盖于地表，覆盖厚度3~5 cm，以上4个处理春播期均采用免耕种植。试验材料选用玉米“郑单958”，种植密度3.4万株·hm-2，株距0.45 m，行距0.65 m。试验期间均采用常规田间管理方式，各处理间无差异。

1.3 试验指标测定

采用TDR测定土壤液态含水率，测定深度50 cm，分别为0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm；土壤容重采用环刀法，取样深度0~40 cm；土壤团聚体采用机械稳定法[9]；测定有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[10]；测算全氮则采用凯氏定氮法[11]；测定速效磷和速效钾分别采用NaHCO3浸提-紫外光分光光度计法和NH4OAC浸提-火焰光度法[12]；测定土壤碱解氮采用碱解扩散法[13]；pH按照土水比为1∶5配制土壤溶液，利用pH计测量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2013、SPSS 19.0、DPS对试验数据作统计分析，采用制图软件Origin 9.0绘图。采用最小显著性差异（LSD）法对各处理作多重比较（置信水平为0.05）。

2 结果与分析

2.1 秸秆覆盖对土壤液态含水率的影响

各处理浅层0~50 cm土层之间土壤液态含水率在不同生育期内呈一定差异（见图1）。播种期地表向下各处理土壤液态含水率均呈递增趋势，0~10 cm土层涨幅较大，且各处理差异明显，WS含水率最高，CG最低；10~50 cm土层土壤液态含水率随深度变化相对变小，且各处理亦无明显差异。4种覆盖措施均可提高播种期耕层含水率，0~50 cm土壤液态含水率SG、SS、CS和WS分别比对照CG提高4.54%、6.95%、18.76%和15.00%，耕层0~10 cm土壤液态含水率分别比对照CG提高5.60%、13.76%、30.42%和24.50%。造成播种期处理间土层水分状况差异主要原因是碎杆和整杆覆盖方式在降雪截留、阻止空气对流和抑制水分散失上具有明显优势，而地下水埋藏较深，对下层土壤影响较小。

图1 不同秸秆覆盖条件下土壤液态含水率变异状况Fig.1 Variation of soil moisture content under different straw mulching conditions

生育期内各处理不同土层土壤液态含水率分布显示播种~拔节期表层波动和差异较大，进入拔节期后则深层差异显著。苗期0~50 cm土层液态含水率均值较对照CG提高1.65%~17.08%。其中寒旱区0~5 cm播种层水分含量是影响玉米出苗率关键因素之一，该土层仅SG降低3.42%，SS、CS和WS较对照CG分别提高8.90%、19.18%和26.03%。2019年拔节期该时段降雨较为集中，各处理土壤液态含水率明显高于苗期，其中CS、WS与对照CG差异较苗期降低2.35%和6.19%，SG、SS差异一致。拔节期0~50 cm平均土壤液态含水率分别为18.07%、19.15%、20.28%、20.15%，SS、CS和WS均比对照CG提高5%以上，但SG与对照CG差异较小。其中0~20 cm土层土壤液态含水率SS、CS、WS较对照CG提高5.60%~10.40%，SG降低4.29%，20~50 cm土层4种覆盖处理均高于对照CG，其中CS最明显达到12.43%。上述变化原因为作物需水量主要包括土壤蒸发和作物蒸腾，苗期土壤水分消耗主要集中于表层土壤蒸发，拔节期后玉米进入营养生长期，植株与根系快速生长，作物蒸腾比重上升，导致下层土壤液态含水率差异减小。抽穗期、灌浆期及成熟期4种覆盖处理0~50 cm土层土壤液态含水率均值较对照CG分别提高0.25%~0.81%，0.91%~2.90%，0.38%~5.04%。其中抽穗期0~20 cm土层SG、SS、CS和WS分别低于对照CG 0.76%、0.44%、3.88%、1.34%；灌浆期分别低于对照CG 6.35%、0.56%、8.23%、5.46%。秸秆残茬等覆盖物随着雨量增加和温度升高逐渐腐烂，截雨缓流优势降低是该区域土壤液态含水率降低的主要原因。此外该时段处于玉米用水关键期，生长发育最为旺盛，用水需求大，各处理土壤液态含水率优势略有下降，但因前期保墒效果明显，下层20~50 cm土壤液态含水率仍高于对照CG 1.18%~3.04%和4.56%~10.71%。成熟期玉米用水量下降覆盖处理保墒优势出现明显回升，SG、SS、CS和WS处理0~20 cm土层和20~50 cm土壤液态含水率分别高于对照CG 4.70%~2.16%、0.61%~0.15%、4.50%~5.59%、3.27%~4.52%。

2.2 秸秆覆盖对土壤干容重的影响

土壤干容重为衡量土壤结构与密实程度的重要指标。各处理分层土壤容重变化情况如表1所示。除个别测点上升不足3%，播种前各处理0~40 cm土壤容重与对照CG差异较小。随生育期进程土壤结构出现变化，秋收后0~10 cm土壤SG、SS、CS、WS土壤容重分别降低0.11、0.13、0.12和0.11 g·cm-3，降幅7.91%~9.56%，其中SS和CS效果明显，CG降幅仅5.84%。10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土壤容重4种覆盖处理降幅分别为8.06%~11.11%，2.86%~3.90%，2.76%~3.50%，均高于对照CG，其中CS降幅最显著、SG次之。LSD多重比较结果显示，对照仅与碎杆覆盖差异显著（P<0.05）。以上数据显示，10~20 cm土层容重降低幅度大，秸秆还田更有利于改善亚表层土壤物理性质，0~10 cm次之，深层影响不显著。

表1 不同覆盖条件下各土层土壤干容重Table 1 Soil dry density of each soil layer under the condition of different coverage

2.3 秸秆覆盖对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤结构基础，直接影响土壤表层水、土界面行为，进而影响土壤水热传输与养分扩散。秋收后统一取样不同土层处土壤机械组成情况见表2。

对比表2从不同处理对土壤团聚体分布状况影响看，均呈现机械稳定性大团聚体（粒径>0.25 mm）含量随土层延伸增大，微团聚体（粒径<0.25 mm）随土层延伸减小的显著规律。土壤大团聚体与微团聚体含量之比（R）均在2以上，随土层增加比值降低，4种处理0~40 cm土层R为对照CG 2.4~3.6倍。团聚体集中分布在<0.25 mm、1~0.25 mm和>5 mm，共占团聚体总数72.97%~82.54%。0~10 cm土层机械稳定性大团聚体（粒径>0.25 mm）4种处理较对照CG增长4.23%~14.03%，其中CS最显著；10~20 cm土层SG、SS、CS和WS较对照CG提高5.60%、4.28%、15.33%、10.74%；20~30 cm和30~40 cm土层SG、SS、CS和WS较对照CG提高5.59%~16.65%、8.20%~18.30%。0~40 cm土层微团聚体（粒径<0.25 mm）含量4种处理较对照CG平均降幅达到10%以上，其中CS最显著、WS次之，SS差异不显著。0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm 4种处理较对照分别降低9.86%~32.72%、9.00%~32.63%、11.21%~33.40%、14.51%~32.37%。对照CG与SG、SS、CS、WS处理均差异显著（P=0~0.011<0.05），此外4种处理中仅SG与SS、WS差异不显著（P=0.155>0.05，P=0.256>0.05）。

表2 不同覆盖处理条件下各层次土壤机械组成Table 2 Soil mechanical composition table in each profiles under different mulching treatments conditions

0~40 cm土层机械稳定性大团聚体粒径分布显示CG和SG呈现1~0.25 mm>（>5 mm）>5~2 mm>2~1 mm，SS、CS和WS呈现（>5 mm）>1~0.25 mm>5~2 mm>2~1 mm。除去个别测点数据，4种覆盖处理对团聚体促进作用主要体现在>5 mm和2~1 mm粒径，0~40 cm土层较对照CG平均提高16.69%~53.99%和26.69%~74.93%。而1~0.25 mm和5~2 mm团聚体含量出现不同程度下降，平均降幅在4.43%～24.30%。其中0~10 cm和10~20 cm土层>5 mm团聚体含量SG、SS、CS和WS较对照CG分别提高25.17%和11.65%、46.95%和24.63%、61.60%和62.34%、48.87%和38.59%；2~1 mm团聚体含量较对照CG分别提高5.28%和32.71%、13.06%和53.02%、34.96%和59.22%、68.60%和92.40%。此外20~30 cm、30~40 cm土层>5 mm和2~1 mm团聚体含量四种处理均较对照CG提高10个百分点以上，涨幅明显低于表层土壤，涨幅顺序为CS>WS>SS>GS。

2.4 秸秆覆盖对土壤肥力的影响

土壤中有机和无机矿质元素含量体现土壤肥力状况，其组分在作物全生育期内变化过程直接影响植株生长发育，经方差分析各处理间有机质与pH差异显著（P=0.047~0.048<0.05），其他养分差异不显著（P=0.103~0.896>0.05）。试验区播种前和秋收后土壤肥力监测成果见图2。

图2 土壤肥力变化Fig.2 Change of soil fertility

分析土壤有机质成分变化差异，播种前耕层有机质含量4种处理显著升高，SG、SS、CS和WS分别较对照CG提高15.45%、20.91%、6.36、13.18%。对比播种前和秋收后0~40 cm土层有机质含量仅对照CG出现下降，降幅2.27%，4种处理均呈明显上升趋势，较对照CG提高22.79%~33.95%，增幅6.02%~12.82%，增幅从大到小依次为CS>SS>SG>WS。主要原因是秸秆和残茬处理可提高融雪与降水入渗，影响土壤中腐殖质含量，促进地表植物残骸腐化，因此4种处理春播期和秋收后有机质含量均较对照提高且增幅高于播种前。

氮素是确保作物质量和产量提高的必要因素。播种前对照CG全氮含量较覆盖处理低2.78%~13.89%，与CS差异最显著。各处理经过作物完整生育期后均出现明显下降，秋收后SG、SS、CS、WS和对照CG全氮含量降幅分别为4.73%、4.61%、4.27%、6.88%和10.28%。而碱解氮含量则呈现不同规律，各处理秋收后碱解氮含量明显高于播种前，增幅达37.8%~67.56%，其中CS效果最显著、SS次之。此外播种前和秋收后SG、SS、CS和WS分别较对照CG提高14.07%~17.43%和8.47%~29.13%，说明秸秆覆盖有利于积累土壤氮素和提高供氮能力。播种前耕层速效磷含量SG、SS、CS、WS均高于对照CG，达30%以上，速效钾含量则较对照CG降低2.07%~9.27%。秋收后速效磷和速效钾含量各处理均呈下降趋势，其中速效磷和速效钾含量降幅分别为14.99%~21.63%和6.01%~23.56%、降幅顺序为CS>WS>SS>SG。SG、SS、CS、WS速效磷和速效钾含量分别较对照CG提高20.78%~50.23%和3.71%~18.26%。作物初期生物量较小对养分需求小，随植株生长对营养需求不断增大，导致速效磷和速效钾含量下降，但秸秆覆盖处理可明显改善速效钾供应能力。适宜酸碱性可促进作物吸收土壤中养分和矿质元素，玉米适宜土壤pH为5~8，以pH为6.5~7.0最适宜。对比播种前和秋收后土壤pH变化范围SG、SS、CS、WS和CG分别为6.65~6.75、6.94~7.19、6.95~7.14、7.10~7.12与7.15~7.45。以上数据充分说明秸秆、残茬覆盖明显改善玉米生育期土壤酸碱性，且随覆盖度增加土壤pH更趋于稳定。

3 讨论

秸秆还田可改善土壤物理特征，提高土壤渗水性，实现土壤节水、保墒目标[9,14]。春旱是寒旱区雨养农业作物种植期重要影响因素，直接影响种子萌发和作物生长。于庆峰等提出免耕秸秆覆盖处理春播期土层含水率较传统旋耕可提高8.35%~24.82%[15]；赵家煦等研究表明，作物生长前期，秸秆施入0~20 cm土层含水率较其他处理提高6.5%~14.7%[16]；均与本研究结论一致。同时发现播种期~苗期秸秆还田对表层土壤液态含水率贡献率明显高于深层，0~10 cm土层为覆盖调控敏感区，其中碎杆覆盖效果显著达25%以上。进入作物拔节期后覆盖调控区逐渐上移至0~5 cm，碎杆覆盖和整杆覆盖保墒优势明显高于其他处理。原因可能是覆盖方式影响种植区域性水分入渗，覆盖层形成隔绝效应影响土壤空气交换通道直接导致蒸发差异。

4种秸秆还田方式均可有效降低耕层容重，0~40 cm土层容重平均降幅5.38%~6.77%，均高于对照传统耕作，且降幅与土层深度呈负相关，随土层延伸效果减弱，与张聪等研究发现合理运用秸秆开展保护性耕作可有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度结论吻合[17]。但各处理10~20 cm亚表层土壤结构缓解作用明显，尤其碎杆覆盖在降低土壤容重方面效果更佳。本研究发现覆盖处理可显著提高0~20 cm土层大团聚体含量及稳定性，20~40 cm效果不显著（P>0.05），微团聚体则规律相反，与闫雷、卢倩倩等对黑土研究结果一致[18-19]。主要原因为表层秸秆与土壤接触面积大，易于腐解，改善作为团聚体胶结材料有机质的分布，促进表层大团聚体形成。此外因免耕导致土壤三项中固相比例增加，覆盖措施对大团聚体促进作用主要体现在>5 mm粒径，与李伟群等提出秸秆还田增加土壤中>2.0 mm和0.25~2.0 mm团聚体含量和王海霞等提出>5.0 mm径级的土壤、机械稳定团聚体含量随土层加深而增加的结果不同[20-21]。

秸秆还田对释放营养元素，增加土壤养分，改善土壤肥力和质量具有缓冲和调节作用。本研究表明秸秆还田后有机质均得到明显提升，播种前条带覆盖与残茬覆盖增幅显著，秋收后则碎杆覆盖和整杆覆盖增幅显著。原因是播种前覆盖隔绝效应明显，地表裸露处理便于休闲期土壤增温和水分入渗利于有机质形成，进入作物生育期后整体环境温度升高，秸秆增墒恒温优势凸显，加速促进覆盖物残骸腐化，因此秋收后覆盖度较高的处理有机质提升迅速。同时本研究表明覆盖处理对生育期全氮、碱解氮、速效磷及速效钾均得到提高，同时调控耕层酸碱性具有一定效果，与王喜艳等[22]研究成果一致。但本试验条件下播种前速效钾出现下降趋势且速效磷对覆盖方式更为敏感，增幅均高于20%，碎杆覆盖土壤养分增效显著，与其研究略有不同。产生差异原因可能是因地处寒旱区播前期积温较低对速效钾释放不利。