保护性耕作下棉花-春玉米轮作对玉米田土壤性状及水分利用效率的影响

2022-11-30柴玉坡赵贵元崔婧婧

节水灌溉 2022年11期

柴玉坡，赵贵元，崔婧婧，郭强

（1.道一河北农作物研究有限公司，石家庄 050051；2.河北省农林科学院棉花研究所，石家庄 050051；3.唐山市农业科学研究院，河北唐山 063001）

0 引言

我国各种秸秆年产量约7.9亿t，约占全世界的40%，除部分用作燃料、饲料和造纸外，大部分秸秆被焚烧[1,2]。随着化肥用量逐渐减少，绿肥、厩肥等大幅增加，秸秆成为主要有机肥源之一[3]。作为农业生产上重要的培肥措施，秸秆还田不仅可以减少由于秸秆焚烧带来的环境污染，还可以增加土壤有机质，改善土壤物理与生物特性，增加土壤保水能力，返还土壤养分，节省肥料用量，达到保水保肥提高作物产量的目的[4-8]。我国棉花种植面积较大，棉花秸秆作为资源总量丰富的可再生资源，提高棉花秸秆利用率是改善土壤微生态环境和提高作物产量的重要因素[9-11]。近年来，围绕秸秆还田对农田理化特性以及作物生长的影响研究已成为国内外学者研究的热点[12-15]。秸秆还田配合适当耕作措施能够改良土壤，改善土壤理化特性，增强土壤蓄水保墒能力，降低土壤水分蒸发，提高作物水分利用效率。姜英等[16]研究证实，旋耕结合秸秆还田可以显著促进作物根系形态发育及耕层空间分布，促进干物质积累和分配特征优化及成熟期干物质向果穗的分配，达到提高春玉米产量的目的。王玉珑等[17]研究表明，在干旱绿洲灌区小麦秸秆还田结合传统翻耕有利于提高玉米叶面积指数，促进干物质积累，进而提高玉米籽粒产量。郭强等[18]研究也表明，玉米秸秆还田配合翻耕能够显著增加0～30 cm 土层中速效氮、速效钾和有机质含量，增加土壤孔隙度，减小土壤容重。

邯郸市曲周县是河北省种植棉大县，棉花是该县主要经济作物之一，全县棉花种植面积约0.667 万hm2，该地区长期以来严重依赖化学肥料，盲目施肥导致肥料浪费和棉田耕地质量下降，此外，个别地块地下水硝酸盐严重超标，表明化学肥料投入过量[19]。秸秆还田配合耕作措施作为一种有效的土壤培肥方式，在该区域已开始利用，然而由于秸秆类型以及后茬作物种类不同，秸秆还田对土壤理化特性、作物水分利用效率、作物产量的影响也不同[20,21]。虽耕作方式结合秸秆还田措施对作物产量和土壤肥力方面的影响已有诸多报道[22-25]，然而关于棉花-玉米轮作下，棉花秸秆还田方式结合耕作措施对下茬玉米产量、水分利用效率以及土壤理化特性的影响鲜有报道。为此，本研究主要针对棉花主产区土壤化学肥料投入过多、水分利用效率低等问题，通过棉花秸秆还田配合耕作措施，研究其对下茬玉米产量、水分利用效率、土壤理化特性的影响，以期为该区域作物高产及水分高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在河北省农林科学院棉花研究所试验基地进行，该地位于邯郸市曲周县

槐桥乡西漳头村（36°28′N，114°07′E）。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温13.1 ℃。7月份最热，平均气温为26.8 ℃；1月份最冷，平均气温为-2.9 ℃。无霜期年平均201 d，10 ℃以上积温4 472.0 ℃。2018-2021年平均降雨量为689.1 mm，降水主要集中在7-9月份，其分布情况如图1所示。试验处理前供试土壤0～40 cm 土层土壤有机质质量比、碱解氮质量比、有效磷质量比、速效钾质量比、pH 值分别为8.9 g/kg、42.9 mg/kg、17.4 mg/kg、199.4 mg/kg、7.3，属中低肥力水平土壤。

图1 试验地降水情况Fig.1 Precipitation of the test site

1.2 试验设计

试验采用2因素随机区组设计，分别为秸秆还田和耕作方式。2018年开始，试验在连续4 a“棉花-春玉米-棉花-春玉米”一年一熟轮作模式下进行，每处理小区面积60 m2（10 m×6 m）。秸秆处理方式分为棉花秸秆还田（SR）和棉花秸秆不还田（NSR）。SR 即棉花收获后，在晴天使用秸秆粉碎机将棉花秸秆全量粉碎至5 cm 左右的小段，均匀覆盖至地表；NSR即棉花收获后，将棉花秸秆全部从棉田中移出。本试验中，所有处理的玉米秸秆在玉米收获后及时全部移除出玉米田。每年棉花秸秆处理后，立即实施以下3 种耕作措施：①免耕（NT），不采任何耕作措施，秸秆覆盖或者裸地直接度过休闲期。②旋耕（RT），利用旋耕机旋地1 遍，作业深度20 cm，然后耙地2 遍。③深翻耕（PT），采用铧式犁翻地1 遍，作业深度为40 cm，然后耙地2 遍。在2018-2021年试验期间，各处理小区的位置和处理方式均未改变。各处理小区的品种、施肥水平以及其他管理水平均相同，整个试验阶段不进行人工灌水。

本试验中，棉花和玉米的施肥量均为N160 kg/hm2、P2O5130 kg/hm2、K2O 95 kg/hm2(其中N、P、K 分别以尿素、磷酸二胺、氯化钾形式作基肥播种前一次施入)。春玉米和棉花种植行距为60 cm，株距为0.32 cm，种植密度均为5.25 万株/hm2。种植的玉米品种为“先玉335”，棉花品种为“冀棉169”。

1.3.3 土壤养分含量和微生物数量测定

2018年5月上旬试验处理前和2021年春玉米收获后，进行田间土壤取样。在小区内采用“S”形取样方法进行5 点取样，在2 行玉米中间用土钻取0～40 cm 土层的土样，将土样混合均匀后立即带回实验室。去除土壤中的碎石、植物残体等杂物后，一部分土壤过2 mm 土筛，将过筛土样放在冰箱中4 ℃保存，用于土壤微生物数量的测定；另一部分土样用来测定土壤中有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾的含量。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤容重

2018年5月上旬试验处理前和2021年春玉米收获后，用环刀按照0～20 cm和20～40 cm进行取样，采用环刀法测定各土层土壤容重。

1.3.2 土壤含水率和水分利用效率

2019 和2021年玉米播种前和收获后，采用TDR 中子仪（Model 6050XI,Soil Moisture Equipment Corp.,Santa Barbara,CA,USA），测定2 行玉米中间0～100 cm 土层的土壤质量含水率，每间隔20 cm 土层进行测定，结合降雨量、田间灌水量以及水分蒸散量，计算作物的耗水量。

土壤微生物数量的测定采用平板涂抹法，其中真菌采用马丁氏培养基、细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基、放线菌采用改良高氏一号培养基[26]。土壤微生物量碳（MB-C）和微生物量氮（MB-N）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法进行测定[27]。土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量分别采用凯氏定氮法、碱解扩散法、钼锑抗比色法、火焰光度法和重铬酸钾氧化法。

1.3.4 玉米植株和产量性状

在玉米成熟期，每处理小区随机选取有代表性的植株10株，测定玉米植株的茎粗和地上部生物量。其中，茎粗是利用游标卡尺测量玉米茎秆基部直径；地上部生物量：对所选取植株地上部进行取样，杀青烘干至恒重，计算其地上部生物量。收获前，调查每处理小区的实有株数、空杆数和双穗数。每小区果穗全部收获称重，依据平均单穗质量，称取10个具有代表性的果穗进行室内考种，调查记载项目包括穗粒数和百粒重，根据10 穗质量，折算出小区籽粒产量（籽粒含水量折合成14%）。

1.4 数据统计分析

作物水分利用效率以作物经济产量与耗水量的比值表示，即：

采用水量平衡法计算玉米全生育期内的总耗水量。由于试验地平坦，地下水埋深较深，降雨较少，蒸发作用强烈，因此地下水补给、地表径流量可忽略不计，因此耗水量计算公式可简写为：

采用SigmPlot 10.0 进行制图，DPS V7.05 进行方差分析，并用Duncan新复极差法（P<0.05)进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤容重

土壤容重的大小反应了土壤结构、透气性、保水性以及保水性能的高低。土壤容重越小说明土壤透气透水性能越好。耕作配合秸秆还田措施对收获期玉米田土壤容重有显著影响（见图2）。试验处理前，0～20 cm 土层平均土壤容重1.52 g/cm3，20～40 cm 土层平均土壤容重1.57 g/cm3。经过2 a棉花秸秆还田和耕作处理后，各处理0～20 cm 土层平均土壤容重由大到小顺序为NT+NSR（1.54 g/cm3）、NT+SR（1.51 g/cm3）、RT+NSR （1.47 g/cm3)、PT+NSR(1.4 g/cm3)、RT+SR （1.38 g/cm3)、PT+SR（1.37 g/cm3)；各处理20～40 cm 土层平均土壤容重由大到小顺序为NT+NSR （1.59 g/cm3）、NT+SR （1.57 g/cm3）、RT+NSR （1.56 g/cm3)、PT+NSR(1.52 g/cm3)、RT+SR（1.47 g/cm3)、PT+SR（1.46 g/cm3)。由以上可知，与试验处理前相比，RT+SR 和PT+SR 处理可以明显降低0～20cm 和20～40cm 土层土壤容重，NT+NSR 处理下各土层土壤容重略有增加。同一处理，随着土层深度的的增加，土壤容重逐渐增大。

图2 不同处理下0～40 cm土层土壤容重Fig.2 Soil bulk density in 0～40 cm soil depth under different treatments

2.2 土壤含水率

2019 和2021年玉米播种前和收获后各处理0～100 cm 土层含水率如图3所示。2019年玉米播种前，各处理土壤含水率随土层深度的加深而增加，各处理间0～60 cm 土层土壤含水率差异较大，随着土层深度的增加，各处理间土壤含水率差异变小。2021年玉米播种前，各处理土壤含水率随土层深度的加深呈降低趋势，各处理间0～100 cm 土层平均土壤含水率差异较大，依次为PT+SR（13.94%） >RT+SR （13.86%） >PT+NSR （13.66%） >RT+NSR （13.42%） >NT+SR （12.66%）>NT+NSR（12.6%）。2019年玉米收获后，NT+NSR 处理0～100 cm 土层平均土壤含水率最低，为7%；PT+SR 处理0～100cm 土层平均土壤含水率最高，为8.62%。2021年玉米收获后，PT+SR 处理0～100 cm 土层平均土壤含水率明显高于其他处理，NT+NSR 处理0～100 cm 土层平均土壤含水率低于其他处理。以上说明，秸秆还田配合翻耕可以有效提高0～100 cm土层土壤含水率。

图3 不同处理下0～100 cm 土层土壤含水率Fig.3 Soil water content in 0～100 cm soil layer under different treatments

2.3 土壤养分和微生物数量

保护性耕作可以改善耕层土壤（0～40 cm）有机碳、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量，秸秆还田处理可以显著增加土壤有机碳含量，NT+SR、RT+SR 和PT+SR 处理有机碳含量较处理前分别增加1.9%、4.3%和11.9%；秸秆不还田处理有机碳含量较处理前显著降低（见表1）。研究表明，PT+SR 处理土壤全氮和碱解氮含量较高，较处理前增加40.5%和32.8%。秸秆还田处理土壤有效磷和速效钾含量显著高于不还田处理，同一秸秆处理下，翻耕和旋耕处理土壤有效磷和速效钾含量显著高于免耕处理。秸秆还田处理可以显著增加土壤真菌、细菌和放线菌数量，其中以PT+SR 处理3 者含量最高，分别比处理前增加74.3%、72.1%和41.9%，NT+NSR处理3 者含量最低，分别比处理前降低2.8%、2.3%和3.4%。同一耕作模式下，秸秆还田处理土壤中微生物量碳、氮含量较秸秆不还田处理均有所增加。由此可见，翻耕配合秸秆还田可显著增加0～40 cm 土层中的土壤养分，微生物数量和微生物量碳氮含量。

表1 不同处理下0～40 cm 土层土壤养分和微生物Tab.1 Soil nutrient and microorganism content in 0～40 cm soil layer under different treatments

2.4 产量性状和水分利用效率

耕作方式配合秸秆还田模式对玉米产量以及产量性状、耗水量、水分利用效率的影响不同。由表2可知，秸秆还田配合翻耕或旋耕能显著提高玉米的籽粒产量。2019年各处理玉米籽粒产量由高到低依次为PT+SR、RT+SR、PT+NSR、RT+NSR、NT+SR、NT+NSR，PT+SR处理下玉米增产效果最显著；2021年各处理玉米籽粒产量顺序与2019年相同，PT+SR 处理下玉米增产效果最显著，其次为RT+SR 处理。整个试验期间，PT+SR 处理2 a年平均玉米产量最高，为1.29 万kg/hm2。PT+SR 处理下玉米茎粗、地上干物质量、穗粒数和百粒重显著高于其他处理，2 a 平均值分别为3.26 cm，23.1 t/hm2，658.38粒，36.43 g。2021年玉米生育期（5-9月）降水量（941.9 mm）是2019年（322.9 mm）约3 倍，2021年各处理平均作物耗水量（641.4 mm）是2019年（563.2 mm）约1.1倍，而2021年各处理平均玉米籽粒产量（11 004 kg/hm2）高于2019年（10 968.7 kg/hm2），因此2019年各处理玉米水分利用效率高于2021年（见表2）。研究期间，NT+NSR 处理2 a 平均耗水量最低，为553.81 mm，PT+SR 处理2 a 平均耗水量最高，为651.74 mm。PT+SR处理2 a平均玉米水分利用效率较最高，为2.42 kg/m3，NT+NSR 处理2 a 平均玉米水分利用效率最低，为1.88 kg/m3。

表2 不同处理下玉米产量性状和水分利用效率Tab.2 Yield characters and water use efficiency under different treatments

3 讨论

（1）秸秆还田配合耕作措施对土壤容重及含水率的影响。前人研究表明，秸秆还田配合耕作措施对土壤容重和水分含量有显著影响[28-30]。秸秆还田配合翻耕可以显著减低土壤容重、孔隙度，有效调节土壤三相比。李凤博等[31]研究表明:翻耕结合秸秆还田可以增加土壤总孔隙度，降低土壤容重，改善作物根际的通透性。本研究也表明，棉花秸秆还田配合翻耕后土壤容重较秸秆不还田和免耕处理显著降低。其主要原因为：翻耕可以有效打破土壤犁底层，增加土壤孔隙度，同时腐烂的棉花秸秆可以为土壤微生物的活动提供充足的能量，分解土壤中的矿物质，同时土壤微生物的代谢产物能够促进土壤中难溶物质的溶解，方便作物吸收利用，提高土壤肥力[32,33]。秸秆还田配合耕作措施可以增强土壤蓄水保墒能力，提高土壤含水率。秸秆还田后，玉米生育前期会表现出作物和秸秆争夺土壤水分的现象，生育后期能够增强土壤蓄水保墒能力[34]。

（2）秸秆还田配合耕作措施对土壤肥力和微生物的影响。秸秆还田配合耕作措施有利于提高土壤中有机碳的积累量，增加土壤氮素供应能力，同时秸秆还田可以增强土壤中微生物的活性，增加土壤氮、磷、钾含量[35,36]。李景等[37]研究表明，秸秆还田配合翻耕可以提高土壤中有机碳含量，且有机碳含量随处理年份的延长而增加。传统的耕作方式破坏了土壤中大团聚体结构，使受土壤团聚体保护的有机碳暴露于空气当中，加快了土壤有机质的分解和转化速率，降低了土壤有机质含量，保护性耕作有效保护了土壤中大团聚体结构，有利于土壤中有机碳的固定和增加。沈吉成等[38]研究表明，翻耕秸秆还田处理下，豌豆田土壤物理、化学和生物学质量均最高。本研究结果表明，与试验处理前相比，PT+SR 处理0～40 cm 土层全氮、碱解氮、有效磷和速效钾均最高。分析其原因主要是由于秸秆还田配合深翻，改善了0～40 cm 土层土壤通透性，增强了土壤蓄水保墒的能力，更有利于土壤微生物的活动和繁殖，促进了棉花秸秆的腐烂分解，增加了土壤中有机质含量，同时降低了土壤中养分淋失，增加了土壤对氮磷钾元素的吸附能力[39]。

（3）秸秆还田配合耕作措施对玉米产量和产量构成因素的影响。茎粗、地上干物质量、穗粒数和百粒重等指标与玉米产量关系密切，因此协调好它们之间的关系对玉米产量至关重要[40]。本研究发现翻耕配合棉花秸秆还田可以增加玉米茎粗，提高玉米地上生物量。CHEN 等[41]研究表明，秸秆还田配合翻耕玉米茎粗增加，在一定程度上促进玉米生长，且后期单株地上干物质积累量有所提升，积累速率下降缓慢。赵亚丽等[42]研究发现，合理的保护性耕作方式是保障作物高产的基本条件，深翻耕可以提高作物叶片的光合效率，有利于地上干物质的积累。郑金玉等[43]研究表明秸秆还田可促进玉米地上干物质积累，与常规耕作相比，产量提高了13.59%。解文艳[44]等研究发现秸秆还田配合翻耕可以增加玉米穗粒数和百粒重，进而提高玉米产量。于玲玲等[45]研究表明，深翻耕秸秆还田处理能够显著增加玉米的叶面积指数，有利于玉米产量和水分利用效率的提高。本研究结果表明：棉花秸秆还田配合耕作措施能显著提高玉米的籽粒产量，且PT+SR、RT+SR 处理下玉米茎粗、地上干物质量、穗粒数和百粒重显著高于其他处理。