玉米秸秆还田方式对土默川平原灌区土壤物理特性的影响

2022-06-16张清旺孙继颖高聚林张悦忠于晓芳王志刚胡树平包海柱黄志远

北方农业学报 2022年2期

张清旺，孙继颖，高聚林，刘剑，张悦忠，于晓芳，王志刚，胡树平，包海柱，黄志远

（1.内蒙古农业大学作物栽培与遗传改良自治区重点实验室，内蒙古呼和浩特 010019；2.内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古萨拉齐 014109；3.扎赉特旗农业技术推广中心，内蒙古音德尔 137600；4.内蒙古自治区国营巴彦农场，内蒙古巴彦农场 162890）

玉米是内蒙古重要的粮食作物，土壤质量直接影响玉米的产量及其稳定性[1]，而不科学的耕作和秸秆焚烧又会导致土壤板结、地力下降，严重影响当地旱地玉米的产量[2]。秸秆还田既可以降低秸秆焚烧造成的污染，又可以提升土壤质量，是改善内蒙古地区土壤质量的有效途径。适宜的秸秆还田可以调节土壤的结构和水分等环境因素，是稳定玉米产量、实现节本增效的措施[3]。

研究认为，深翻秸秆还田直接将土壤翻转，可以有效打破耕层结构，疏松土壤，增大土壤孔隙度，提高了降雨和灌溉水的有效利用率，有利于玉米生长和产量的提高[4-5]；苗带行间深松配合秸秆还田可以改善土壤理化性状，降低犁底层厚度，显著降低中下层土壤紧实度和容重，提高含水量[6-8]，有利于改善玉米根系发育，促进地上部养分积累，提高产量[9]；苗带间保持秸秆覆盖有利于减少土壤水分的蒸发，显著增加玉米田上层土壤大团聚体含量，利于土壤质量提升[10-11]，但增加了土壤容重和穿透阻力，降低了土壤储水能力[12]。

前人在不同生态区针对秸秆还田耕作模式对土壤结构和水分等物理特性开展了大量研究，但耕作方式对土壤结构及产量的影响更受气象因素、土壤类型等不同生态环境条件的影响[13]，研究结果不完全一致。多数试验只测定农作物某一生长阶段的水分，甚至有一些只研究几天的水分解释试验结果，短期效应差别巨大[14]。基于目前内蒙古玉米生产中秸秆还田耕作模式多样，本试验结合前人研究及当地主要耕作方式，选用内蒙古地区主要应用的4 种耕作方式，以农户常规耕作为对照，研究不同秸秆还田方式对玉米土壤结构和主要需水时期土壤水分的影响，旨在筛选适宜区域玉米耕层质量提升的最佳方式，为机械化耕层质量改良、玉米高产稳产集成技术组装提供支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于土默川平原灌区内蒙古农业大学职业技术学院科技园区（40°33′ N，110°31′ E）。该地区春季干旱多风，夏季雨量集中，秋季温和凉爽；年平均蒸发量2 055 mm，年平均降水量350 mm，年平均气温9 ℃，无霜期150 d 左右。2019—2021年试验地土壤基础地力及玉米生长季降水量见表1。

表1 试验地土壤基础地力及玉米生长季降水量

1.2 试验设计

试验于2019—2021年进行，采用单因素随机区组设计，设置5 种秸秆还田方式：农户常规耕作（CK），参照当地农户浅旋灭茬后常规播种方式；深翻秸秆还田（DPR），于秋季玉米收获后将秸秆全量二次粉碎，深翻30～40 cm 将秸秆翻耕入土；深松秸秆还田（SSR），于秋季玉米收获后将秸秆全量二次粉碎，深松35～40 cm 将秸秆与土壤混拌均匀；秸秆覆盖免耕（NTR），于秋季收获后将秸秆全量覆盖于地表，翌年使用免耕播种机播种；秸秆覆盖条带深旋（SCR），于秋季收获后将秸秆全量覆盖于地表，翌年使用条深旋精播一体机播种，深旋25～30 cm，并在耕作带上播种。各处理播种密度为8.25 万株/hm2。灌水方式为大水漫灌，灌溉量为900 m3/hm2，底肥N 40 kg/hm2、P2O5105 kg/hm2、K2O 40 kg/hm2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤容重和田间持水量

利用环刀法进行测定，测定深度为0～30 cm，每层取3 个重复，取样时期为播种前。

1.3.2 土壤水稳性团聚体

从不同处理采集到的原状土中大的土块按其结构面轻轻剥开，使其成为直径10 mm 左右的土块，放在纸上风干，用镊子去除肉眼可见的有机残体。用四分法取样50 g。将称量的50 g 风干土样放置于团聚体分析仪（TPF-100）套筛顶部（套筛孔径自上而下依次为2.00、1.00、0.50、0.25 mm），沿桶壁缓慢加入去离子水至水没过土样，浸泡、润湿5 min，竖直振荡5 min，25～30 次/min，振幅为3 cm。将套筛从水中慢慢取出，静置，稍干，将各级筛层团聚体分别洗入100 mL（或200 mL）烧杯，放入烘箱烘干至恒重，称量各个粒径的质量（准确至0.01 g），计算团聚体的质量分数，获得＞2.00 mm、1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm 的土壤水稳性团聚体。

式中，Wi为某级水稳性团聚体的质量百分比（%）；wi为该级水稳性团聚体的烘干质量（g）；Wt为水稳性团聚体烘干总质量[15]。

式中，MWD为团粒平均重量直径（mm）；xi为任一级别范围内水稳性团聚体的平均直径（mm）；wi为对应于xi的水稳性团聚体百分含量（%）[16]。

式中，GMD为团粒几何平均直径（mm）；xi为任一级别范围内水稳性团聚体的平均直径（mm）；wi为对应于xi的水稳性团聚体百分含量（%）[16]。

式中，D 为分形维数；xi为某级水稳性团聚体平均直径；Mr为粒径小于xi的水稳性团聚体的重量；Mt为水稳性团聚体总重量；xmax为水稳性团聚体的最大粒径[16]。

1.3.3 土壤含水量

采用多点土壤湿度记录仪（JL-01）测定。测定深度为0～30 cm，取样位置为玉米株间，取样时期为出苗期（VE）、吐丝期（R1）、灌浆期（R2）。

1.3.4 土壤水入渗速率

入渗实验仪器采用自制单环入渗仪。运用Kostiakov模型对土壤入渗速率进行相关分析。

式中，α 为入渗参数，是反映土壤前期入渗能力的重要指标；n为入渗指数，反映土壤入渗能力的衰减速度，n值越大则入渗速率随时间减少越快；t为渗透时间（min）[17]。

1.3.5 测产及考种

机收前对各处理玉米籽粒产量进行测定，去除边行效应，每小区选双行进行测产，计算实际面积产量。籽粒含水量折成14%计算。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件整理数据，使用SigmaPlot 12.5 软件绘图，利用SPSS 25.0 统计软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对土壤容重的影响

由图1 可知，各处理对土壤容重产生了不同程度的影响。2019—2021年DPR 处理的土壤容重均最低，分别为1.50、1.48、1.47 g/cm3，较CK 分别显著降低4.9%、6.3%、8.5%（P＜0.05）。SSR 处理次之，2019年和2020年土壤容重均为1.50 g/cm3，2021年为1.48 g/cm3，较CK 分别降低4.9%、5.3%、7.7%（P＜0.05）。SCR 和NTR 处理的土壤容重均高于CK，但无显著差异（P＞0.05）。分析可知，DPR 和SSR 处理下的土壤容重随秸秆还田处理时间的延长而下降，2021年较2019年分别降低1.9%、1.1%。因此，连续3年的DPR和SSR 处理能有效降低土壤容重，改善土壤结构。

图1 不同秸秆还田方式对土壤容重的影响

2.2 不同秸秆还田方式对土壤孔隙度的影响

由图2 可知，不同秸秆还田方式对土壤孔隙度影响不同。DPR 和SSR 处理可以显著提高土壤孔隙度（P＜0.05）。2019—2021年，DPR 处理土壤孔隙度分别为43.4%、44.1%、44.5%，较CK 分别提高了2.9、3.8、5.2 个百分点；SSR 处理土壤孔隙度分别为43.4%、43.5%、44.0%，较CK 分别提高了2.9、3.2、4.7 个百分点；NTR 和SCR 处理土壤孔隙度均低于CK，但无显著差异（P＞0.05）。分析可知，DPR 和SSR 处理下的土壤孔隙度随秸秆还田处理时间的延长而增加，2021年较2019年分别增加1.1 和0.6 个百分点。因此，连续3年的DPR 和SSR 处理能有效提高土壤孔隙度，改善土壤通气性。

图2 不同秸秆还田方式对土壤孔隙度的影响

2.3 不同秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体含量的影响

由图3 可知，不同的秸秆还田方式相比CK 均增加了土壤水稳性大团聚体的含量。连续3年的DPR、SSR、SCR 和NTR 处理下＞2.00 mm 的土壤水稳性团聚体含量分别较CK 高2.9、2.2、4.0、7.6 个百分点；1.00～2.00 mm 的土壤水稳性团聚体含量分别较CK 高5.4、4.6、2.7、0.7 个百分点；0.25～1.00 mm的土壤水稳性团聚体含量分别较CK 高10.9、11.3、4.7、0.1 个百分点。结果表明，连续3年的秸秆还田处理能有效增加土壤水稳性大团聚体含量，以DPR 处理最优，连续3年DPR 处理下的土壤水稳性大团聚体（＞0.25 mm）含量较CK 增加了19.2 个百分点，可达到改善土壤质地效果。

图3 不同秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体含量的影响

2.4 不同秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体稳定指数的影响

土壤团聚体稳定性代表土壤结构的稳定性，水稳性团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，二者越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强。由表2 可知，不同处理下的MWD 和GMD 值均显著高于CK（P<0.05），2021年的DPR、SSR、SCR 和NTR 处理MWD 值分别较CK 高24.0%、30.8%、32.0%、50.5%，GMD 值分别较CK 高48.8%、45.0%、34.1%、35.5%。分形维数（D）可以表征土壤团聚体的分布状态，分形维数（D）越大土壤结构越差。DPR、SSR、SCR 和NTR 处理分形维数（D）显著小于CK（P<0.05）。结果表明，连续3年的秸秆还田处理可以显著提高土壤水稳性团聚体的稳定性，改善土壤结构。

表2 不同秸秆还田方式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

2.5 不同秸秆还田方式对土壤含水量的影响

研究表明，各处理不同生育时期平均土壤含水量均大于CK，DPR 处理的土壤含水量显著高于其他处理（P<0.05）。2019—2021年，玉米苗期平均土壤含水量（图4）分别较CK 高2.6、5.8、6.8 个百分点，吐丝期平均土壤含水量（图5）分别较CK 高3.6、4.1、6.7 个百分点，灌浆期平均土壤含水量（图6）分别较CK 高5.0、4.4、5.4 个百分点。DPR 处理，玉米苗期、吐丝期、灌浆期土壤含水量3年平均较CK 分别提高5.1、4.8、4.9 个百分点，是适宜当地蓄水保墒的还田方式。

图4 不同秸秆还田方式下玉米苗期土壤含水量的变化

图5 不同秸秆还田方式下玉米吐丝期土壤含水量的变化

图6 不同秸秆还田方式下玉米灌浆期土壤含水量的变化

2.6 不同秸秆还田方式对田间持水量的影响

由图7 可知，3年田间持水量均表现为DPR 和SSR 处理高于CK，NTR 和SCR 处理低于CK。2019—2021年，DPR 处理的田间持水量分别为28.8%、28.4%、28.7%，2020—2021年分别显著较CK高4.1、5.6 个百分点（P<0.05）；SSR 处理的田间持水量分别为28.2%、28.1%、28.2%，分别较CK 高2.6、3.9、5.2 个百分点。2019-2021年NTR 和SCR 处理田间持水量均低于CK，但差异不显著（P>0.05）。结果表明，DPR 处理和SSR 处理是提升田间持水量的有效还田措施。

图7 不同秸秆还田方式对田间持水量的影响

2.7 不同秸秆还田方式对土壤累积入渗量的影响

由图8 可知，不同的秸秆还田处理对土壤累积入渗量影响较大，达到稳定入渗的时间也不相同。选取2021年各处理10、50、120 min 作为累计入渗量变化的参考时段。当入渗10 min 时，DPR 处理和SSR 处理的累积入渗量较大，但各处理差距较小，均未达到平稳状态；当入渗50 min 时，各处理累积入渗量差值增大，且均高于CK，SCR、NTR 处理和CK入渗速率趋于平稳，DPR 和SSR 处理入渗速率均未达到稳定；入渗120 min 时，各处理已经达到平稳状态，DPR 处理累积入渗量最大。结果表明，连续3年的DPR 处理土壤物理结构较好，可以有效地提高水分的入渗量。

图8 不同秸秆还田方式对土壤累积入渗量的影响

采用考斯加科夫土壤入渗经验模型描述土壤的入渗过程。由表3 可知，各处理决定系数（R2）均大于0.882 7，拟合效果较好。入渗速率与时间呈幂函数关系，α、n为经验入渗指数。连续3年的DPR、SSR、SCR、NTR 处理较CK 处理α 值分别增大1.005 2、0.546 8、0.336 0、0.189 1。不同秸秆还田处理较CK处理n值基本呈增大趋势，DPR 和SSR 处理下的n值大于其他处理，入渗速率随时间增加而减少较快。

表3 不同秸秆还田处理土壤的Kostiakov 模型参数

2.8 不同秸秆还田方式对玉米产量的影响

由图9 可知，不同秸秆还田方式可以显著影响玉米籽粒产量。2019—2021年，DPR 处理的产量最高，分别为12.3、12.6、12.8 t/hm2，较CK 分别增产14.6%、23.7%、21.2%（P<0.05）；SSR 处理次之，产量分别为11.9、12.6、12.4 t/hm2，分别较CK 高11.4%、23.1%、17.7%；SCR 和NTR 处理的玉米产量均高于CK，但无显著差异（P>0.05）。分析可知，不同的秸秆还田方式均能提高玉米产量，且随着秸秆还田处理时间的延长而上升，以DPR 处理增产效果最佳，DPR 处理2021年产量较2019年增产4.1%，3年平均产量为12.6 t/hm2，较CK 增产19.7%。

图9 不同秸秆还田方式对玉米产量的影响

3 讨论

目前，秸秆还田已成为现代农业发展的一项重要措施，应用广、效果好，适合旱作农业的发展[18]。不同的秸秆还田措施能解决我国土壤侵蚀、水资源短缺及干旱加剧等问题，具有独特的经济效益和生态效益。本试验表明，土壤物理结构会因秸秆还田方式的不同而发生变化，各秸秆还田处理中，DPR 处理下的土壤容重降低，土壤孔隙度增大，水稳性大团聚体含量增大，效果逐年递增。一方面，可能是因为秸秆深翻进土壤，使土壤更加蓬松，土壤孔隙度增大，单位体积土壤质量降低[19]，加强地上地下部分的水气交换，对秸秆腐解产生促进作用；秸秆腐解后产生大量多糖物质及有机质，依附在土壤颗粒表面增加土壤颗粒黏着性，使细小的土壤颗粒黏结在一起，形成土壤团聚体，连续3年实施更有利于土壤大团聚体的形成[20]；土壤团聚体几何平均直径（GWD）和平均重量直径（MWD）也升高，加强土壤结构稳定性[21]。另一方面，可能由于深翻秸秆还田对土壤机械扰动大，打破耕层，疏松土壤结构，缓解外力对土壤容重和土壤孔隙度的破坏。NTR 和SCR 处理对土壤扰动较少，多年的机械碾压，外来水分冲击等外部因素导致土壤颗粒排列紧密，增加了单位体积内土壤重量，对土壤孔隙度破坏较大[22]；由于秸秆覆盖在土壤表层，造成表层覆盖秸秆不易腐解，秸秆腐解后产生的有机质等营养元素浮于耕层表面，对土壤结构改善效果不佳[23]。

土壤水分是影响作物生长发育的主要因素之一。寻求不同的方式提高水分利用效率是保证作物稳产的重中之重[24-25]。国外学者研究表明[26-27]，秸秆还田后可以改善土壤结构，提高土壤稳定性，减少土壤水分入渗阻力，提高土壤蓄水能力。不同秸秆还田方式均可以有效提高土壤水分含量。秸秆还田使水稳性大团聚体增加，减少了土壤水分蒸发[28]；秸秆还田可增加田间持水量，减少水分深层入渗阻力，改善土壤蓄水能力，这与本试验结果一致。本试验中，不同秸秆还田方式中DPR 处理的效果最好，这是由于深翻秸秆还田有利于土壤孔隙度的增大，能有效增加土壤的蓄水能力，且秸秆分解后产生的胶体含有大量的亲水基团，可以吸附更多的土壤水，提高土壤蓄水保墒能力，连续3年秸秆还田还可增加水稳性大团聚体，从而使土壤的持水能力更强，进而有效提高作物需水时期的土壤含水量[21]。综上所述，秸秆还田对土壤改良起着积极作用，尤其是DPR 处理对外界水的吸收效果最佳，可有效减弱水分限制对作物生长的影响，显著增加玉米需水时期的土壤含水量，能够达到增产增效的目的。