安俊朋 李從鋒 齊 華,* 隋鵬祥 張文可 田 平 有德寶梅 楠 邢 靜

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秸稈條帶還田對東北春玉米產(chǎn)量、土壤水氮及根系分布的影響

安俊朋1李從鋒2齊 華1,*隋鵬祥1張文可1田 平1有德寶1梅 楠1邢 靜1

1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 遼寧沈陽 110866;2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 / 農(nóng)業(yè)部生理生態(tài)重點實驗室, 北京 100081

為探討秸稈條帶還田對東北春玉米產(chǎn)量的影響, 及其與土壤水氮及根系空間分布的關(guān)系, 2015年和2016年在遼寧鐵嶺開展田間試驗, 設(shè)置壟間旋耕+秸稈還田(RR+S)、壟間旋耕(RR)、隔行壟間旋耕+秸稈還田(IR+S)和隔行壟間旋耕(IR) 4種處理方式。結(jié)果表明, 與不還田處理相比, RR+S和IR+S分別增產(chǎn)6.7%和8.2%, 其穗粒數(shù)、收獲指數(shù)均顯著增加, 但千粒重差異不顯著; RR+S和IR+S處理較RR和IR處理, 30~60 cm土層土壤水分含量提高7.8%和6.1%, 0~30 cm土層土壤全氮含量平均增加6.9%和4.5%。秸稈還田處理較秸稈不還田處理玉米根長密度增加29.4%和22.7%, 其中30~60 cm土層達(dá)到顯著水平, 根冠比降低21.0%和32.3%, 水分利用效率提高7.8%和7.0%。壟間與隔行壟間處理間水氮空間分布存在明顯差異, 壟間處理(RR+S和RR)的土壤水、氮在空間上呈“植株中心兩側(cè)含量對稱分布”狀態(tài), 而隔行壟間處理(IR+S和IR)則呈“植株中心兩側(cè)含量不對稱分布”狀態(tài)。說明秸稈條帶還田(RR+S和IR+S)通過優(yōu)化耕層土壤結(jié)構(gòu)及土壤水氮分布, 顯著提高了水分利用效率和籽粒產(chǎn)量, 但水氮空間分布對產(chǎn)量未產(chǎn)生直接影響。此外, 干旱年份(2015年)秸稈條帶還田的增產(chǎn)效果更為顯著, 為東北春玉米高產(chǎn)高效和秸稈綜合利用提供有益的借鑒。

秸稈條帶還田; 產(chǎn)量; 根系分布; 土壤水分; 氮素分布; 水分利用效率

秸稈還田是一項有助于改善農(nóng)田水土條件, 增加土壤有機質(zhì)含量的保護性耕作措施[1-2]。在提高作物產(chǎn)量、增加土壤水分和養(yǎng)分有效性等方面的作用已被許多研究證實[3-4]。目前, 東北春玉米產(chǎn)區(qū)是中國最大的玉米商品糧基地, 該區(qū)年玉米秸稈量(約6800萬噸)占全國總量的31.0%, 但秸稈還田比例僅為11.2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國17.6%的平均水平[5]。由于該地區(qū)冬季溫度較低, 秸稈還田后分解緩慢, 嚴(yán)重影響了第2年春玉米播種和出苗質(zhì)量[6]。另有研究指出, 秸稈分解過程中的反硝化作用可能導(dǎo)致微生物與作物爭奪土壤中的氮素, 進而影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量[7-8]。

針對傳統(tǒng)秸稈還田方式的不足, 近些年出現(xiàn)一種新的還田方式, 即秸稈條帶還田。目前, 秸稈條帶還田主要包括條帶覆蓋、條帶旋耕和條帶溝埋等[9-11]。該措施由于避免了作物與秸稈的直接接觸, 一定程度上解決了傳統(tǒng)還田方式下播種和出苗困難問題[12]; 土壤容重顯著降低, 疏松的土壤條件有利于促進根系生長發(fā)育[13]; 利于增加水分蓄納和入滲能力, 提高田間土壤含水量[14]; 可以有效滯留氮素, 減少土壤氮的淋失[15]。然而, 關(guān)于秸稈條帶還田影響農(nóng)田土壤水分、氮素和作物根系空間分布及提高土壤水氮資源利用效率的機制尚不清楚。

東北春玉米產(chǎn)區(qū)傳統(tǒng)的淺耕和犁耕引發(fā)了農(nóng)田土壤犁底層厚度與緊實度增加等耕層結(jié)構(gòu)性問題[16]。另一方面, 忽視有機物料投入與大量使用化肥的重用輕養(yǎng)生產(chǎn)方式造成了該區(qū)農(nóng)田板結(jié)和耕性變差等功能性問題[17]?，F(xiàn)有條件下, 秸稈還田仍然是改變該區(qū)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)和功能障礙的最佳途徑。本研究于2015—2016年在遼河平原中西部春玉米地區(qū), 模擬旋耕處理下不同秸稈條帶還田方式, 探討其對春玉米產(chǎn)量的影響, 及對農(nóng)田土壤水分、氮素和春玉米根系空間分布的調(diào)控效應(yīng)。旨在為解決東北春玉米產(chǎn)區(qū)秸稈還田提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

遼寧省鐵嶺市張莊試驗站(42°49′N, 124°16′E)位于遼河平原中西部, 屬于溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)。多年平均氣溫6.3℃, 降雨量675 mm, 日照時數(shù)2700 h, 無霜期146 d。試驗地土壤類型為棕壤土, 主要耕作方式為旋耕。2015年0~20 cm土層含有機質(zhì)19.66 g kg–1、有效氮132.80 mg kg–1、速效磷33.26 mg kg–1和速效鉀161.50 mg kg–1。其中, 0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土層全氮含量分別為0.92、0.75和0.63 g kg–1。2015年和2016年春玉米全生育期累計降水量分別為355.3 mm和829.0 mm (圖1)。

圖1 2015年和2016年春玉米生長季日平均氣溫與降雨量

1.2 試驗設(shè)計和田間管理

試驗區(qū)春玉米播種方式為平播, 供試玉米品種為鄭單958, 株行距為25 cm × 60 cm, 平均種植密度約為6.75萬株 hm–2。在壟間人工開10 m (長)×30 cm (寬)×15 cm (深)溝槽, 溝槽間距分為30 cm (模擬行行旋耕)和90 cm (模擬隔行旋耕)兩種(圖2-a)。在兩種溝槽內(nèi), 分別設(shè)置秸稈還田(各試驗小區(qū)秸稈均取自上一茬該區(qū)作物秸稈或臨近田塊秸稈, 還田量均調(diào)整為12 t hm–2, 近似于上茬玉米秸稈全量還田)與秸稈不還田處理。前者將秸稈與土壤混拌均勻后原位還入溝槽內(nèi)(圖2-b), 后者將秸稈全部移出。設(shè)壟間旋耕+秸稈還田(RR+S)、壟間旋耕(RR)、隔行壟間旋耕+秸稈還田(IR+S)和隔行壟間旋耕(IR) 4個處理, 3次重復(fù)。2015年5月17日和2016年5月2日播種, 同時施入氮75 kg hm–2、P2O575 kg hm–2和K2O 225 kg hm–2, 拔節(jié)期追施氮150 kg hm–2。其他栽培管理措施按照一般高產(chǎn)田進行, 2015年10月2日和2016年9月28日收獲。

圖2 田間試驗設(shè)計(a)、溝槽挖掘(b)以及土壤取樣(c)示意和實景圖

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 玉米收獲前, 從各小區(qū)收取中間4行果穗, 于田間稱其總穗重。同時計算平均穗重, 根據(jù)平均穗重選取10穗, 觀測穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重。利用谷物水分測定儀(PM-8188-A, 日本凱特公司)測定籽粒含水量, 換算成14%含水量的玉米產(chǎn)量。

1.3.2 土壤水分、全氮和春玉米根系空間分布

在春玉米吐絲期, 從各處理選取3株代表性植株, 采用 “Monilith 3D空間取樣法” 測定土壤水分、收集土壤及根系樣品[18]。具體方法見圖2-c。利用土壤水分測定儀(ML3, 英國Delta-T公司)測定各塊土體含水量, 采集各土體樣品, 同時使用3 mm孔徑篩子和鑷子收集根系于自封袋中。利用根系掃描儀(Epson Perfection V700, Indonesia Inc.)對根系掃描, 使用根系分析系統(tǒng)(Win RHIZO Program, Regent Instruments Inc.)獲得根長、根表面積等數(shù)據(jù)。掃描后的根系經(jīng)105℃殺青, 80℃烘干至恒重后稱重, 獲得根干重數(shù)據(jù)。利用凱氏定氮儀(Kjeltec 8400, 丹麥Foss Inc.)測定土壤全氮含量。

1.3.3 水分利用效率

作物耗水量[19]ET = R1+U ? R ? F – ΔW (1)

式中, R1為作物生育期降水量, mm; U為地下水補給量, mm; R為徑流量, mm; F為土壤水分滲漏量, mm; ΔW為收獲后和播種前土壤根層儲水量的變化, mm, 其中土壤儲水量以2 m土層含水量計算; 因為試驗小區(qū)土地平坦, 故地表徑流和土壤水分滲漏量可以忽略不計; 地下水埋深較大, 多在幾十米以下, 地下水的補充可以忽略不計。

據(jù)此, 式(1)可簡化為

ET = R – ΔW (2)

WUEgy= GY/ ET (3)

式中WUEgy為籽粒(經(jīng)濟)產(chǎn)量水分利用效率, kg hm–2mm–1, GY為玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0 (SPSS, Inc.)進行數(shù)據(jù)顯著性檢驗(顯著性水平為<0.05), 采用Origin 9.0 (OriginLab, Inc.)和Surfer 8.0 (Golden Software, Inc.)制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈條帶還田對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

秸稈還田處理可以顯著提高春玉米產(chǎn)量, 但還田方式與兩者互作均無顯著影響(表1)。RR+S和IR+S處理的春玉米產(chǎn)量均顯著高于不還田處理, 分別提高6.7%和8.2%, 尤其是在干旱年份(2015年),增產(chǎn)幅度更大, 分別為11.4%和14.3%。秸稈還田可以顯著提高穗粒數(shù), 還田方式和兩者互作均無顯著影響, 在2015年, RR+S和IR+S處理穗粒數(shù)較不還田處理顯著提高28.3%和45.6%, 處理間千粒重差異不顯著。RR+S和IR+S處理均通過增加穗粒數(shù)來顯著提高產(chǎn)量, 且兩者產(chǎn)量差異不顯著。

表1 秸稈條帶還田對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕; S: 秸稈處理(有無秸稈); M: 還田方式(行行與隔行)。同列標(biāo)以不同字母的值為處理間在0.05水平差異顯著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

2.2 秸稈條帶還田對春玉米根系空間分布的影響

在0~30 cm土層中, 2015年RR+S和IR+S處理的根長密度明顯低于不還田處理, 2016年趨勢相反, RR+S和IR+S處理的根長密度分別提高26.3%和12.3%。在30~60 cm土層中, RR+S和IR+S處理的根長密度均顯著高于不還田處理, 2015年分別提高36.8%和24.6%, 2016年分別提高21.9%和20.7% (圖3)。根表面積規(guī)律同根長密度(圖4)。

2.3 秸稈條帶還田對春玉米根冠比的影響

秸稈條帶還田處理的根冠比低于不還田處理(表2), 其中, 2016年IR+S處理、2015年RR+S和IR+S處理分別較秸稈不還田處理降低24.6%、36.5%和39.7%, 且均達(dá)到顯著水平。IR+S與RR+S處理根冠比差異不顯著。由表2可知, 秸稈處理對2015年和2016年根冠比有極顯著影響, 還田方式對2016年根冠比有極顯著影響, 秸稈處理和還田方式互作對2016年根冠比有極顯著影響, 分析認(rèn)為, 秸稈條帶還田對雨水充沛年份(2016)根冠比的效應(yīng)更為顯著。

2.4 秸稈條帶還田對土壤水氮空間分布的影響

秸稈條帶還田對土壤水分空間分布的影響見圖5-A。在0~30 cm土層中, 秸稈條帶還田與不還田處理土壤水分含量差異不明顯; 在30~60 cm土層中, RR+S和IR+S處理分別較秸稈不還田處理增加7.8%和6.1%。秸稈條帶還田土壤氮素含量均高于不還田處理(圖5-B), 其中在0~20 cm土層, RR+S和IR+S處理分別較秸稈不還田處理提高6.9%和4.5%, 均達(dá)到顯著水平。

RR+S處理的土壤水、氮在空間上均呈“植株中心兩側(cè)含量較為對稱”的分布狀態(tài), 而IR+S處理則呈“植株中心兩側(cè)含量不對稱”的分布狀態(tài)。兩者相比, 水氮分布特性差異顯著, 但均明顯提高了土壤深層水分和耕層土壤氮素含量。說明RR+S和IR+S均可優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu), 改善農(nóng)田土壤水氮分布特性。

圖3 不同處理0~60 cm春玉米根長密度的空間分布

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

圖4 不同處理0~60 cm春玉米根表面積的空間分布

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

表2 吐絲期不同處理對春玉米根干重及根冠比的影響

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕; S: 秸稈處理(有無秸稈); M: 還田方式(行行與隔行)。同列標(biāo)以不同字母的值為處理間在0.05水平差異顯著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

圖5 2016年不同處理0~60 cm土層中水分(A)和全氮含量(B)的空間分布

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning.

2.5 秸稈條帶還田對玉米水分利用效率的影響

除播種前RR+S處理外, 播種前和收獲后秸稈條帶還田處理的土壤貯水量均顯著高于不還田處理(表3)。與不還田處理相比, RR+S和IR+S耗水量分別降低3.6%和1.6%, 玉米水分利用效率分別顯著提高7.8%和7.0%。秸稈處理對播前和收獲后土壤貯水量、耗水量和水分利用效率有極顯著影響。

3 討論

目前, 秸稈還田對作物產(chǎn)量影響的研究報道相對較多, 且均指出積極增產(chǎn)的效果。殷文等[20]研究表明, 秸稈還田2年后, 玉米籽粒增產(chǎn)11.3%~ 17.5%。趙亞麗等[21]研究發(fā)現(xiàn), 2年的秸稈全量還田, 周年作物(玉米、小麥)產(chǎn)量分別提高了18.0%和19.3%。這與本研究結(jié)果一致, 秸稈還田顯著提高了春玉米產(chǎn)量, 特別是干旱年份增產(chǎn)效果更明顯。秸稈還田對穗粒數(shù)和產(chǎn)量的提高有極顯著的影響, 還田方式(秸稈還田帶間隔距離改變)影響不顯著, 穗粒數(shù)的提高是秸稈條帶還田增產(chǎn)的直接原因。

表3 2016年秸稈條帶還田對春玉米耗水量和水分利用效率的影響

RR+S: 壟間旋耕秸稈還田; RR: 壟間旋耕; IR+S: 隔行壟間旋耕秸稈還田; IR: 隔行壟間旋耕; S: 秸稈處理(有無秸稈); M: 還田方式(行行與隔行)。同列標(biāo)以不同字母的值為處理間在0.05水平差異顯著;**<0.01。

RR+S: the ridges of rotary tillage with straw returning; RR: the ridges of rotary tillage without straw returning; IR+S: interlaced ridges of rotary tillage with straw returning; IR: interlaced ridges of rotary tillage without straw returning; S: straw treatment (with or without straw); M: returning method (every or interlaced row). Values within a column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.**<0.01.

發(fā)達(dá)的深層根系是作物獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[22]。與不還田處理相比, 秸稈條帶還田在干旱年份(2015年)和豐水年份(2016年)均改變了根系空間分布, 明顯增加土壤深層根長密度和根表面積, 顯著降低根冠比, 可能是秸稈條帶還田下良好的土壤結(jié)構(gòu)及適宜的水氮環(huán)境有利于春玉米深層根系的生長發(fā)育, 進而降低根冠比, 提高地上部物質(zhì)積累[23]。玉米根系的生長對農(nóng)田土壤含水量和土壤全氮的空間分布可能存在反向調(diào)控作用[24]。

秸稈條帶還田較不還田處理顯著改變了農(nóng)田土壤水分、土壤氮素空間分布特征。RR+S和IR+S處理可以增加深層(30~60 cm)土壤含水量, 分析認(rèn)為秸稈還田處理部位相當(dāng)于混拌秸稈的暗溝, 有效降低了地表徑流、增加了雨水入滲、減少表層土壤水分蒸發(fā)[25-26]。秸稈條帶還田顯著提高了耕層(0~20 cm)土壤全氮含量, 可能是因為秸稈有效滯留了土壤中施用的氮肥并減緩了土壤氮素淋失[27], 同時秸稈腐解可能增加表層土壤中全氮含量[28]。還田初期秸稈腐解容易造成土壤微生物與春玉米爭氮[7-8], 本研究中較高的土壤全氮含量可能部分來源于前一年(2015年)秸稈腐解所釋放的氮。RR+S和IR+S處理下土壤水氮分布存在差異, 但均可顯著提高土壤深層水分含量和耕層氮素含量, 這也可能是RR+S和IR+S處理下春玉米產(chǎn)量無顯著差異的主要原因。

4 結(jié)論

不同秸稈條帶還田方式下, 壟間旋耕+秸稈還田與隔行壟間旋耕+秸稈還田均能顯著提高玉米產(chǎn)量, 秸稈還田處理較秸稈不還田處理玉米根長密度顯著增加29.4%和22.7%, 水分利用效率提高7.8%和7.0%。壟間與隔行壟間處理顯著影響水氮空間分布, 壟間處理(RR+S和RR)的土壤水、氮在空間上呈“植株中心兩側(cè)含量對稱分布”狀態(tài), 而隔行壟間處理(IR+S和IR)則呈“植株中心兩側(cè)含量不對稱分布”狀態(tài)。表明秸稈條帶還田通過優(yōu)化耕層土壤結(jié)構(gòu), 改善土壤水氮分布, 提高水分利用效率和籽粒產(chǎn)量。為東北春玉米高產(chǎn)高效和秸稈綜合利用提供有益的借鑒。

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Effects of Straw Strip Returning on Spring Maize Yield, Soil Moisture, Nitrogen Contents and Root Distribution in Northeast China

AN Jun-Peng1, LI Cong-Feng2, QI Hua1,*, SUI Peng-Xiang1, ZHANG Wen-Ke1, TIAN Ping1, YOU De-Bao1, MEI Nan1, and XING Jing1

1Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, Liaoning, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China

Field experiments were conducted in 2015 and 2016 at Tieling city, Liaoning province of Northeast China to study the effects of straw stripe returning on yield of spring maize, and the relationships of yield with soil moisture, nitrogen and maize root spatial distribution. The experiments included four treatments: (1) the ridges of the rotary tillage with straw returning (RR+S); (2) the ridges of rotary tillage without straw returning (RR); (3) interlaced ridges of rotary tillage with straw returning (IR+S); (4) interlaced ridges of rotary tillage without straw returning (IR). Compared with no straw returning, under RR+S and IR+S treatments the yield, increased by 6.7% and 8.2%, respectively, with more significant yield-increasing effect in dry year (2015) than in rainy year (2016); their grain number per spike and harvest index increased significantly, but there was no significant difference in 1000-grain weight; their soil moisture content increased by 7.8% and 6.1%, and their soil nitrogen increased by 6.9% and 4.5%, respectively; their root length significantly increased by 29.4% and 22.7%, and the water use efficiency was increased by 7.8% and 7.0%, respectively. We conclude that the straw strip returning (RR+S and IR+S) can improve water use efficiency and grain yield by optimizing distribution of soil structure, moisture and nitrogen. This study provides useful references for improving spring maize yield and straw comprehensive utilization in Northeast of China.

straw strip returning; yield; root distribution; soil moisture content; nitrogen distribution; water use efficiency

2017-09-29;

2018-03-19;

2018-03-19.

10.3724/SP.J.1006.2018.00774

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費項目(201503116)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300103, 2016YFD0300801)資助。

The study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503116) and the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300103, 2016YFD0300801).

齊華, E-mail: qihua10@163.com

E-mail: anjp812@163.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20180319.1456.036.html