孫 凱 劉 振 胡恒宇 李 耕 劉文濤 楊 柳 寧堂原,* 王彥玲

?

有機培肥與輪耕方式對夏玉米田土壤碳氮和產(chǎn)量的影響

孫 凱1劉 振1胡恒宇1李 耕1劉文濤1楊 柳1寧堂原1,*王彥玲2

1作物生物學(xué)國家重點實驗室/ 農(nóng)業(yè)部作物水分生理與抗旱種質(zhì)改良重點實驗室 / 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東泰安 271018;2滕州市農(nóng)業(yè)局, 山東滕州 277519

探明不同輪耕和有機培肥方式對夏玉米田土壤碳氮及其酶活性的影響, 對提升農(nóng)田土壤肥力及促進玉米高產(chǎn)具有重要意義。設(shè)秸稈(P)與牛糞(F)兩種有機培肥方式和小麥季旋耕-玉米季深松(RS)、小麥季深松-玉米季免耕(SN)、小麥季翻耕-玉米季免耕(CN) 3種輪耕方式, 共6個處理, 于2015—2016和2016—2017玉米收獲期采樣測定, 研究了不同有機培肥和輪耕方式對土壤碳氮及其酶活性和作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 輪耕方式、有機肥及其交互效應(yīng)對土壤肥力有顯著影響。在0~10 cm和10~20 cm土層, 與輪耕方式CN相比, RS和SN能夠顯著提高土壤有機碳、全氮含量和脲酶、蔗糖酶活性。在輪耕方式RS中, 與施用牛糞相比, 秸稈還田顯著提高了10~20 cm、20~30 cm和30~40 cm土層的有機碳含量, 增加了10~20 cm土層的全氮含量和蔗糖酶活性。在輪耕方式SN中, 與秸稈還田相比, 施用牛糞顯著提高了0~10 cm和10~20 cm土層的有機碳、全氮含量和蔗糖酶活性, 增加了各土層脲酶活性。與秸稈還田+翻耕-免耕(PCN)相比, 秸稈還田+旋耕-深松(PRS)和施用牛糞+深松-免耕(FSN)能顯著提高土壤肥力。在0~10 cm和10~20 cm土層, 各處理中以FSN增加土壤有機碳、全氮含量和蔗糖酶、脲酶活性最為明顯。輪耕方式、有機肥及其交互效應(yīng)對產(chǎn)量有顯著影響。輪耕方式RS和SN的產(chǎn)量較CN分別顯著提高了1.89%~10.49%、5.44%~11.99%。在輪耕方式RS中, 產(chǎn)量表現(xiàn)為秸稈還田較施用牛糞顯著提高了2.91%~3.11%; 而在輪耕方式SN中, 則表現(xiàn)為秸稈還田較施用牛糞顯著降低了5.02%~9.07%。兩年玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為FSN>PRS>FRS>PSN>FCN>PCN。綜上所述, 在6種處理中, 處理FSN在提高土壤肥力和產(chǎn)量方面最為顯著, 可以作為試驗及周邊地區(qū)適宜的輪耕培肥方式。

輪耕; 有機肥; 土壤碳氮; 酶活性; 產(chǎn)量

保持并提高土壤質(zhì)量, 實現(xiàn)“藏糧于地”是確保我國糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要策略[1]。適宜的耕作措施對協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱有積極作用[2]。少、免耕對土壤結(jié)構(gòu)擾動較小, 在保水、保墑、保肥等方面具有積極作用[3]; 但長期少、免耕會對土壤產(chǎn)生消極影響, 增加土壤硬度[4], 不利于養(yǎng)分深達下層, 影響作物根系生長發(fā)育, 從而影響作物產(chǎn)量[5-6]。隨著長期單一耕作對土壤質(zhì)量帶來問題的日益突出, 人們開始研究將免耕、旋耕、深松、翻耕等不同的耕作方式合理組合形成輪耕模式, 以期集各耕作方式的優(yōu)點, 減少長期單一耕作的消極影響[7-8]。土壤碳、氮是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo), 其在土壤中的動態(tài)平衡會直接影響農(nóng)田土壤肥力水平和作物產(chǎn)量[9]。與傳統(tǒng)耕作相比, 免耕雖然能夠顯著增加土壤表層有機碳含量, 但深層土壤有機碳含量不僅不會增加還會下降甚至能夠抵消表層有機碳積累量[10]。而輪耕措施在增加耕層土壤有機碳含量的同時, 也能夠促進耕層土壤碳、氮的均勻分布[11]。免耕后進行深松能夠疏松土壤, 有利于作物產(chǎn)量提高[12]。農(nóng)田在經(jīng)過10年免耕、耙耕、旋耕后轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏筛鞣绞綄ν寥烙袡C碳和作物產(chǎn)量均有積極作用[13]。有機肥的施用不僅能夠為作物提供所需的養(yǎng)分, 改善作物品質(zhì), 提高作物產(chǎn)量; 而且可以改善土壤理化性狀, 培肥農(nóng)田[14]。有機肥為農(nóng)田土壤帶入了大量碳源, 提高了土壤微生物活性, 有利于保持碳輸入和輸出平衡, 提高土壤固碳能力[15]; 施用有機肥可以顯著提高土壤碳氮和酶活性[16]。但施用不同的有機肥對土壤的培肥效果不同[17]?，F(xiàn)有研究表明, 輪耕方式或施肥可以通過提高土壤肥力而促進作物增產(chǎn)。為了進一步培肥地力和提高產(chǎn)量, 亟須探明合理的輪耕培肥組合方式。但現(xiàn)有研究大多從輪耕方式或施肥制度單一方面開展, 僅能提出適宜的輪耕方式或施肥方式[8,18]。而研究輪耕方式、有機肥及其交互效應(yīng)對土壤肥力和作物產(chǎn)量影響的報道較少, 缺乏提高農(nóng)田土壤肥力和作物產(chǎn)量的輪耕培肥制度。因此, 本試驗采用輪耕方式和有機肥相結(jié)合的模式, 分析輪耕方式、有機肥單獨及交互效應(yīng)對夏玉米田土壤碳氮及其酶活性和作物產(chǎn)量的影響, 探求適宜提高農(nóng)田肥力和作物產(chǎn)量的輪耕培肥制度, 以期為試驗及周邊地區(qū)選擇適宜的輪耕培肥方式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

山東省滕州市西崗鎮(zhèn)溫堂村(34°58′10.72″N, 117°0′28.81″E)屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū), 年均溫度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。該區(qū)域常年實行冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度, 小麥、玉米機械收獲后秸稈直接粉碎還田, 少、免耕是常用的耕作方式, 供試土壤為潮褐土。試驗開始前0~20 cm土層土壤含有機碳10.47 mg g–1、全氮0.92 mg g–1、有效磷37.72 mg g–1、速效鉀161 mg g–1。

1.2 研究方法

2014年開始, 采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計, 設(shè)小麥旋耕+玉米深松(RS)、小麥深松+玉米免耕(SN)、小麥翻耕+玉米免耕(CN) 3種耕作方式, 旋耕、深松、翻耕深度分別為10 cm、35 cm、30 cm; 設(shè)小麥季增施牛糞(F)、玉米秸稈還田(P) 2種有機培肥方式, 玉米季時小麥秸稈全量粉碎還田, 共6個處理。各處理遵循氮、磷、鉀等施原則, 玉米秸稈(含N 0.51%、P2O50.34%、K2O 1.20%、C 41.09%)還田量8550 kg hm–2, 牛糞(含N 0.78%、P2O50.97%、K2O 1.01%、C 49.87%)施用量5590 kg hm–2, 各處理的磷、鉀差異用化肥補齊并在小麥季作為基肥施入。小區(qū)面積80 m2(8 m×10 m), 3次重復(fù)。冬小麥供試品種為“泰農(nóng)18”, 夏玉米為“農(nóng)單116”。有機肥在小麥季基施, 化肥除基施外, 其余用做追肥。各處理在小麥季施用化肥純N總量112.5 kg hm–2, 秸稈還田處理施用P2O5總量137.6 kg hm–2、K2O總量112.5 kg hm–2, 增施牛糞處理施用P2O5總量112.5 kg hm–2、K2O總量158.6 kg hm–2, 其中拔節(jié)期溝施純N 69.6 kg hm–2, 其余基施; 玉米季施用化肥純N、P2O5、K2O總量分別為368.4 kg hm–2、90 kg hm–2、90 kg hm–2, 其中大喇叭口期溝施追肥純N 278.4 kg hm–2, 其余基施。各處理其他田間管理措施一致。

1.3 測定項目與方法

2014—2015年度為預(yù)處理, 不取樣。在2016年10月1日玉米收獲期、2017年10月3日玉米收獲期, 采用S形取樣法隨機選取每小區(qū)5個樣點, 用土鉆取0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm土樣, 去除秸稈、石塊等雜物后, 將每小區(qū)5個樣點的同一土層土樣均勻混合, 自然風(fēng)干后過篩用于測定各項指標(biāo)。用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳, 用半微量凱氏定氮法測定全氮[19]。用靛酚藍比色法測定土壤脲酶, 用3,5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶[20]。

在兩年玉米收獲期從各處理中間取10 m雙行, 記錄各處理的果穗數(shù), 晾干后全部脫粒稱重測定產(chǎn)量。從每處理隨機選取10穗曬干的玉米, 考察穗粒數(shù), 并測定千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2003軟件預(yù)處理數(shù)據(jù), 用SigmaPlot 10.0制圖, 用SPSS Statistics 17.0進行多因素方差分析, 采用LSD法進行多重比較(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機培肥與輪耕方式對夏玉米田土壤有機碳的影響

由多因素方差分析可知, 輪耕方式、輪耕方式和有機肥交互作用對兩年收獲期各土層中有機碳含量均有極顯著影響(表1)。0~10 cm和10~20 cm土層, 有機肥對兩年有機碳含量均有顯著影響, 但20~30 cm和30~40 cm土層, 僅在2017年對有機碳含量具有顯著影響。秸稈還田時, 兩年有機碳含量在各土層均表現(xiàn)為輪耕方式RS較CN顯著提高了3.87%~ 28.53%; 施用牛糞時, 輪耕方式SN的有機碳含量較CN顯著提高了4.90%~51.54%。在10~20 cm土層, 輪耕方式SN的有機碳含量在兩年收獲期均表現(xiàn)為施用牛糞高于秸稈還田。2017年, 在30~40 cm土層, 輪耕方式RS和CN的有機碳含量表現(xiàn)為秸稈還田較施用牛糞分別提高5.93%和10.40%。處理間比較, 0~10 cm和10~20 cm土層, 有機碳含量均表現(xiàn)為FSN最高、PRS次之, PCN和FCN最低。

表1 有機培肥與輪耕方式對土壤有機碳的影響

同列標(biāo)以不同字母的數(shù)值在0.05水平差異顯著。*和**表示在0.05和0.01水平上的顯著性。PRS: 秸稈還田+旋耕-深松; PSN: 秸稈還田+深松-免耕; PCN: 秸稈還田+翻耕-免耕; FRS: 施用牛糞+旋耕-深松; FSN: 施用牛糞+深松-免耕; FCN: 施用牛糞+翻耕-免耕。T: 耕作因素; C: 有機肥因素。

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 有機培肥與輪耕方式對夏玉米田土壤全氮的影響

由表2可知, 在0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土層, 輪耕方式、有機肥及其交互效應(yīng)均對全氮含量影響顯著。無論是秸稈還田還是施用牛糞, 在0~10 cm和10~20 cm土層, 輪耕方式RS和SN的全氮含量均顯著高于CN。20~30 cm土層, 輪耕方式CN的全氮含量在2016年較RS和SN顯著提高了10.34%~25.49%; 而到2017年時輪耕方式RS和SN的全氮含量較CN顯著提高了4.92%~22.03%。在0~10 cm土層, 輪耕方式RS和SN的全氮含量均表現(xiàn)為施用牛糞顯著高于秸稈還田。在10~20 cm和 20~30 cm土層, 輪耕方式SN和CN的全氮含量也表現(xiàn)為施用牛糞顯著高于秸稈還田。處理間比較, 在0~10 cm和10~20 cm土層, FSN的全氮含量在兩年收獲期均最高。

2.3 有機培肥與輪耕方式對0~40 cm土層有機碳、全氮和C/N的影響

由表3可知, 輪耕方式、輪耕方式和有機肥的交互作用對兩年收獲期有機碳、全氮和C/N均具有極顯著影響; 有機肥對有機碳沒有顯著影響, 但是對全氮和C/N均有極顯著影響。無論是秸稈還田還是施用牛糞, 輪耕方式RS和SN在兩年收獲期的有機碳、全氮含量均顯著高于CN; 輪耕方式SN的C/N在兩年收獲期是最高的, 較CN顯著提高了3.87%~ 8.86%。SN和CN的全氮含量均表現(xiàn)為施用牛糞比秸稈還田分別提高了4.88%~9.86%、3.85%~7.14%。RS和CN的C/N表現(xiàn)為秸稈還田比施用牛糞分別提高了4.46%~17.07%、1.62%~5.02%。處理間比較, FSN的有機碳和全氮含量在兩年均顯著高于其他處理。

2.4 有機培肥與輪耕方式對夏玉米田土壤蔗糖酶的影響

由圖1可知, 輪耕方式、有機肥以及兩者之間交互作用對兩年收獲期各土層蔗糖酶活性均具有顯著影響。在兩年收獲期的0~10 cm和10~20 cm 土層, 秸稈還田時, 輪耕方式RS的蔗糖酶活性較CN顯著提高了20.48%~25.86%; 在施用牛糞時, 輪耕方式SN的蔗糖酶活性較CN顯著提高了20.87%~36.61%。在2017年, 20~30 cm和30~40 cm土層, 無論是秸稈還田還是施用牛糞, SN的蔗糖酶活性較RS和CN顯著提高了7.89%~17.80%、12.31%~25.86%。在0~10 cm和10~20 cm土層, SN和CN的土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為施用牛糞顯著高于秸稈還田。處理間比較, 土壤蔗糖酶活性在0~10 cm和10~20 cm土層均表現(xiàn)為FSN最高, PRS次之, 且FSN較PRS顯著提高了5.79%~18.20%。

表2 有機培肥與輪耕方式對土壤全氮的影響

同列標(biāo)以不同字母的數(shù)值在0.05水平差異顯著。*和**表示在0.05和0.01水平上的顯著性?？s寫同表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 有機培肥與輪耕方式對0~40 cm土層有機碳、全氮和C/N的影響

同列標(biāo)以不同字母的數(shù)值在0.05水平差異顯著。**表示在0.01水平上的顯著性?？s寫同表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.

圖1 有機培肥與輪耕方式對土壤蔗糖酶活性的影響

同一土壤層次標(biāo)以不同字母的柱值表示不同處理間差異顯著(<0.05)。*和**表示在0.01水平上的顯著性。T: 耕作因素; C: 有機肥因素; P: 秸稈; F: 牛糞。其他縮寫同表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 有機培肥與輪耕方式對夏玉米田土壤脲酶的影響

由圖2可知, 輪耕方式、有機肥以及兩者之間交互作用在各土層對脲酶活性均具有顯著影響。在0~10 cm和10~20 cm土層, 無論是秸稈還田還是施用牛糞, RS和SN的脲酶活性較CN分別顯著提高了4.16%~25.60%、5.45%~21.28%。輪耕方式SN和CN的脲酶活性在10~20 cm和30~40 cm土層均表現(xiàn)為施用牛糞顯著高于秸稈還田。處理FSN的脲酶活性0~10 cm和10~20 cm土層均顯著高于其他處理。

2.6 有機培肥與輪耕方式對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表4可知, 輪耕方式、輪耕方式與有機肥交互作用、輪耕方式與年限交互作用對千粒重、穗粒數(shù)、公頃穗數(shù)和產(chǎn)量均有顯著影響; 有機肥和輪耕方式、有機肥、年限三者的交互作用對千粒重、公頃穗數(shù)沒有顯著影響, 但對穗粒數(shù)和產(chǎn)量具有顯著影響; 年限、有機肥與年限的交互作用對穗粒數(shù)、公頃穗數(shù)、產(chǎn)量均影響顯著。在秸稈還田和施用牛糞下, 兩年玉米穗粒數(shù)、公頃穗數(shù)和產(chǎn)量均表現(xiàn)為RS、SN較CN顯著提高了3.85%~8.12%、1.46%~ 4.52%、5.44%~11.99%。在輪耕方式SN和CN下, 兩年玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為施用牛糞較秸稈還田分別顯著提高了5.02%~9.07%、2.77%~3.71%。處理間比較, 兩年玉米穗粒數(shù)和產(chǎn)量均是處理FSN最高, PRS次之。

圖2 有機培肥和輪耕方式對土壤脲酶活性的影響

同一土壤層次標(biāo)以不同字母的柱值表示不同處理間差異顯著(<0.05)。**表示在0.01水平上的顯著性。T: 耕作因素; C: 有機肥因素; P: 秸稈; F: 牛糞。其他縮寫同表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 有機培肥和輪耕方式對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

同列標(biāo)以不同字母的數(shù)值在0.05水平差異顯著。*和**表示在0.05和0.01水平上的顯著性。Y: 年限。其他縮寫同表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 討論

3.1 有機培肥和輪耕方式對夏玉米農(nóng)田土壤有機碳、全氮和C/N的影響

本研究表明, 在兩年收獲期的 0~10 cm和10~ 20 cm土層, 土壤有機碳、全氮含量在秸稈還田時均表現(xiàn)為PRS>PSN>PCN, 而在施用牛糞時均表現(xiàn)為FSN>FRS>FCN。造成土壤有機碳、全氮含量在施不同有機肥條件下的最優(yōu)輪耕方式不同的原因, 一方面可能是秸稈中含有豐富的高纖維, 與秸稈相比牛糞在土壤中更容易分解[21]。另一方面, 不同的輪耕方式對農(nóng)田土壤形成的環(huán)境不同, 從而秸稈和牛糞的腐解速率不同。施入外源物質(zhì)會影響土壤中有機碳含量的變化, 但這并不是唯一因素, 不同土壤耕作對土壤產(chǎn)生的強度、頻率都不同, 從而影響土壤有機碳在農(nóng)田中的礦化[22]。本試驗中, 在施相同有機肥條件下土壤有機碳、全氮和C/N在兩年收獲期0~40 cm土層均表現(xiàn)為輪耕方式RS、SN優(yōu)于CN, 究其原因可能是翻耕擾動大, 加速了土壤碳、氮的礦化損失; 而旋耕、深松和免耕在改善土壤環(huán)境的同時, 對土壤擾動較小, 有利于土壤碳、氮固存, 土壤碳氮比增大, 這與謝迎新等[23]研究結(jié)果一致。不同碳氮比的有機肥對土壤碳氮的影響是不同的[25]。本試驗結(jié)果表明, 在0~40 cm土層, 有機培肥3年(2017年)后輪耕方式SN的土壤有機碳、全氮和C/N均表現(xiàn)為施用牛糞優(yōu)于秸稈還田, 而輪耕方式RS的土壤有機碳、全氮和C/N則表現(xiàn)為秸稈還田優(yōu)于增施牛糞, 這說明有機物料還田后在土壤中的腐解不僅受自身碳氮比的影響, 而且耕作方式所創(chuàng)造的環(huán)境也有很大影響。

3.2 有機培肥和輪耕方式對夏玉米農(nóng)田土壤蔗糖酶、脲酶活性的影響

土壤酶活性與土壤中的潛在養(yǎng)分有效化和土壤膠體吸收性離子有效程度有關(guān), 而這兩方面又決定了作物供應(yīng)養(yǎng)分的能力[20], 所以研究土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系可以有助于了解土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力[26]。農(nóng)田土壤中碳、氮發(fā)生的生化反應(yīng)需要土壤蔗糖酶和脲酶的參與, 其活性能夠反映碳、氮在土壤中的分解方向和強度[27]。許多研究[17,28-29]表明不同的施肥方式對土壤酶活性的影響不同。本研究表明, 在0~10 cm和10~20 cm土層, 輪耕方式SN、CN的土壤蔗糖酶、脲酶活性均表現(xiàn)為施用牛糞顯著高于秸稈還田, 其原因可能是輪耕方式SN、CN在施用牛糞下比秸稈還田更有利于碳、氮的增加, 為土壤蔗糖酶、脲酶提供了更多的酶促基質(zhì), 有利于其活性的增加。也有試驗研究表明土壤酶活性對耕作方式較為敏感, 不同的耕作方式對土壤酶活性的影響也不同[30]。本試驗結(jié)果同時表明, 在0~10 cm和10~20 cm土層, 無論是在秸稈還田還是施用牛糞條件下, 土壤蔗糖酶、脲酶活性均表現(xiàn)為輪耕方式RS和SN顯著高于CN, 一方面可能是施有機肥后旋耕和深松相對于翻耕對土壤翻動較小, 有利于土壤有機質(zhì)的增加, 促進了土壤微生物的活動, 從而使土壤酶活性增加; 另一方面可能是深松能夠形成“虛實并存”的耕層結(jié)構(gòu), 增加土壤孔隙度[7]利于氣體交換, 具有良好的蓄水保墑的能力, 為酶活性的提高創(chuàng)造了良好的土壤環(huán)境, 同時深松有利于土壤根系的生長[31], 增加了土壤酶活性的來源, 這與曾玲玲等[29]的試驗結(jié)果一致。

3.3 有機培肥和輪耕方式對夏玉米產(chǎn)量的影響

良好的土壤環(huán)境和水肥供應(yīng)是實現(xiàn)作物高產(chǎn)的必要條件[32]。翻耕–免耕輪耕方式雖然能夠提高土壤養(yǎng)分含量, 但是也會增加土壤耕層容重, 加快土壤水分的散失, 不利于作物的生長[18]。柏?zé)樝嫉萚33]研究表明, 免耕–深松輪耕方式對春玉米的增產(chǎn)效果要優(yōu)于輪耕方式翻耕–免耕。本研究表明無論是在秸稈還田下還是施用牛糞下玉米千粒重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量均表現(xiàn)為輪耕方式RS、SN高于CN, 這可能是旋耕–深松、深松–免耕與翻耕–免耕相比在對土壤疏松、改善土壤孔隙度和容重的同時, 有利于保護土壤的原有結(jié)構(gòu), 蓄水保墑能力較強[34]。另外從輪耕方式對土壤碳氮及其酶活性的影響可以看出, 輪耕方式RS、SN有利于土壤碳氮及其酶活性的增加, 進而增加作物產(chǎn)量。在輪耕方式SN、CN下, 兩年玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為施用牛糞高于秸稈還田, 這與土壤酶活性和碳氮的趨勢一致, 可能是輪耕方式SN、CN所創(chuàng)造的土壤環(huán)境更有利于牛糞的腐解, 為土壤酶提供了更多的酶促基質(zhì), 為作物生長提供了更多的碳氮, 從而提高了作物產(chǎn)量。

4 結(jié)論

耕作方式、有機肥及其交互效應(yīng)均對土壤肥力和作物產(chǎn)量影響顯著。與輪耕方式CN相比, RS和SN增加了有機碳、全氮含量和脲酶、蔗糖酶活性, 并顯著提高了作物產(chǎn)量。但不同輪耕方式下有機肥對土壤肥力和作物產(chǎn)量提升有所差異。在RS下, 秸稈還田對土壤碳氮及其酶活性和作物產(chǎn)量的提高顯著高于施用牛糞, 而在SN下, 施用牛糞對土壤碳氮及其酶活性和作物產(chǎn)量的提高則顯著高于秸稈還田。施用牛糞+深松–免耕(FSN)在提高土壤肥力和產(chǎn)量方面優(yōu)勢顯著, 可以作為試驗及周邊地區(qū)適宜的輪耕培肥方式。

[1] 王淑蘭, 王浩, 李娟, 呂薇, 陳寧寧, 李軍. 不同耕作方式下長期秸稈還田對旱作春玉米田土壤碳、氮、水含量及產(chǎn)量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2016, 27: 1530–1540. Wang S L, Wang H, Li J, Lyu W, Chen N N, Li J. Effects of long-term straw mulching on soil organic carbon, nitrogen and moisture and spring maize yield on rain-fed croplands under different patterns of soil tillage practice., 2016, 27: 1530–2540 (in Chinese with English abstract).

[2] 孫立軍, 張仁陟, 黃高寶. 保護性耕作對黃土高原旱地地表土壤理化性狀的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2007, 25(6): 207–211. Sun L J, Zhang R Z, Huang G B. Effects of the conservation tillage on the physicochemical characteristics of soil surface in the semi-arid areas of the Loess plateau., 2007, 25(6): 207–211 (in Chinese with English abstract).

[3] 高煥文, 李問盈, 李洪文. 中國特色保護性耕作技術(shù). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2003, 19(3): 1–4. Gao H W, Li W Y, Li H W. Conservation tillage technology with Chinese characteristics., 2003, 19(3): 1–4 (in Chinese with English abstract).

[4] 陳學(xué)文, 張曉平, 梁愛珍, 賈淑霞, 時秀煥, 范如芹, 魏守才. 耕作方式對黑土硬度和容重的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2012, 23: 439–444. Chen X W, Zhang X P, Liang A Z, Jia S X, Shi X H, Fan R Q, Wei S C. Effects of tillage mode on black soils penetration resistance and bulk density., 2012, 23: 439–444 (in Chinese with English abstract).

[5] Tian S Z, Ning T Y, Zhao H X, Wang B W, Li N, Han H F, Li Z J, Chi S Y. Response of CH4and N2O emissions and wheat yields to tillage method changes in the North China plain., 7: e51206.

[6] 孔凡磊, 陳阜, 張海林, 黃光輝. 輪耕對土壤物理性狀和冬小麥產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2010, 26(8): 150–155. Kong F L, Chen F, Zhang H L, Huang G H. Effects of rotational tillage on soil physical properties and winter wheat yield., 2010, 26(8): 150–155 (in Chinese with English abstract).

[7] 聶良鵬, 郭利偉, 牛海燕, 魏杰, 李增嘉, 寧堂原. 輪耕對小麥-玉米兩熟農(nóng)田耕層構(gòu)造及作物產(chǎn)量與品質(zhì)的影響. 作物學(xué)報, 2015, 41: 468–478. Nie L P, Guo L W, Niu H Y, Wei J, Li Z J, Ning T Y. Effects of rotational tillage on tilth soil structure and crop yield and quality in maize-wheat cropping system., 2015, 41: 468–478 (in Chinese with English abstract).

[8] 呂薇, 李軍, 岳志芳, 陳寧寧, 王淑蘭. 輪耕對渭北旱塬麥田土壤有機質(zhì)和全氮含量的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48: 3186–3200. Lyu W, Li J, Yue Z F, Chen N N, Wang S L. Effects of rotational tillage on soil organic matter and soil total nitrogen contents of continuous cropping wheat field in Weibei Highland., 2015, 48: 3186–3200 (in Chinese with English abstract).

[9] 薛建福, 趙鑫, Dikgwatlhe S B, 陳阜, 張海林. 保護性耕作對農(nóng)田碳、氮效應(yīng)的影響研究進展. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33: 6006–6013. Xue J F, Zhao X, Dikgwatlhe S B, Chen F, Zhang H L. Advances in effects of conservation tillage on soil organic carbon and nitrogen., 2013, 33: 6006–6013 (in Chinese with English abstract).

[10] Huang M X, Liang T, Wang L Q, Zhou C H. Effects of no-tillage systems on soil physical properties and carbon sequestration under long-term wheat-maize double cropping system., 2015, 128: 195–202.

[11] 侯賢清, 李榮, 賈志寬, 韓清芳. 不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式與生態(tài)效應(yīng)研究進展. 生態(tài)學(xué)報, 2016, 36: 1215–1223. Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F. Research progress on ecological effects under the rotational tillage patterns in agricultural regions of China., 2016, 36: 1215–1223 (in Chinese with English abstract).

[12] He J, Li H W, Wang X Y, Li W Y, Gao H W. The adoption of annual subsoiling as conservation tillage in dryland maize and wheat cultivation in northern China., 2007, 94: 493–502.

[13] Tian S Z, Ning T Y, Wang Y, Liu Z, Li G, Li Z J. Crop yield and soil carbon responses to tillage method changes in North China., 2016, 163: 207–213.

[14] 黃鴻翔, 李書田, 李向林, 姚杰, 曹衛(wèi)東, 王敏, 劉榮樂. 我國有機肥的現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析. 中國土壤與肥料, 2006, (1): 3–8. Huang H X, Li S T, Li X L, Yao J, Cao W D, Wang M, Liu R L. Analysis on the status of organic fertilizer and its development strategies in China., 2006, (1): 3–8 (in Chinese with English abstract).

[15] Wang Y D, Hu N, Xu M G, Li Z F, Lou Y L, Chen Y, Wu C Y, Wang Z L. 23-year manure and fertilizer application increases soil organic carbon sequestration of a rice-barley cropping system., 2015, 51: 583–591.

[16] 陸海飛, 鄭金偉, 余喜初, 周惠民, 鄭聚鋒, 張旭輝, 劉曉雨, 程琨, 李戀卿, 潘根興. 長期無機有機肥配施對紅壤性水稻土微生物群落多樣性及酶活性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21: 632–643. Lu H F, Zheng J W, Yu X C, Zhou H M, Zheng J F, Zhang X H, Liu X Y, Cheng K, Li L Q, Pan G X. Microbial community diversity and enzyme activity of red paddy soil under long-term combined inorganic-organic fertilization., 2015, 21: 632–643 (in Chinese with English abstract).

[17] 榮勤雷, 梁國慶, 周衛(wèi), 劉東海, 王秀斌, 孫靜文, 李雙來, 胡誠. 不同有機肥對黃泥田土壤培肥效果及土壤酶活性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20: 1168–1177. Rong Q L, Liang G Q, Zhou W, Liu D H, Wang X B, Sun J W, Li S L, Hu C. Effects of different organic fertilization on fertility and enzyme activities of yellow clayey soil., 2014, 20: 1168–1177 (in Chinese with English abstract)

[18] 王玉玲, 李軍. 利于小麥-玉米輪作田土壤理化性狀和作物產(chǎn)量的耕作方式研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20: 1139–1150. Wang Y L, Li J. Study of tillage patterns suitable for soil physi-cochemical properties and crop yields in wheat-maize fields., 2014, 20: 1139–1150 (in Chinese with English abstract).

[19] 鮑士旦. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析(第3版). 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000. pp 25–114. Bao S D. Analysis of Soil and Agricultural Chemistry, 3rd edn.Beijing: China Agriculture Press, 2000. pp 25–114 (in Chinese).

[20] 關(guān)松蔭. 土壤酶及其研究法. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986. pp 274–297. Guan S Y. Soil Enzyme and Its Research Methods. Beijing: Agriculture Press, 1986. pp 274–297 (in Chinese).

[21] 范黎. 產(chǎn)纖維素酶耐高溫真菌在有機肥料生產(chǎn)中的潛在價值. 微生物學(xué)通報, 2013, 40: 380. Fan L. Potential value of thermostable cellulose-producing fungi in organic fertilizer production., 2013, 40: 380 (in Chinese with English abstract).

[22] Pramod J, Nikita G, Lakaria B L, Biswas A K, Rao A S. Soil and residue carbon mineralization as affected by soil aggregate size., 2012, 121: 57–62.

[23] 謝迎新, 靳海洋, 李夢達, 翟羽雪, 王永華, 謝耀麗, 李向東, 夏來坤, 王晨陽, 郭天財, 賀德先. 周年耕作方式對砂姜黑土農(nóng)田土壤養(yǎng)分及作物產(chǎn)量的影響. 作物學(xué)報, 2016, 42: 1560–1568. Xie Y X, Jin H Y, Li M D, Zhai Y X, Wang Y H, Xie Y L, Li X D, Xia L K, Wang C Y, Guo T C, He D XEffect of annual tillage practices on soil nutrient and crop yield in Lime concretion black soil farmland., 2016, 42: 1560–1568 (in Chinese with English abstract)

[24] 張晗, 歐陽真程, 趙小敏, 郭熙, 匡麗花, 葉英聰. 江西省不同農(nóng)田利用方式對土壤碳、氮和碳氮比的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2018, 38: 2486–2497. Zhang H, Ou-Yang Z C, Zhao X M, Guo X, Kuang L H, Ye Y C. Effects of different land use types on soil organic carbon, nitrogen and ratio of carbon to nitrogen in the plow layer of farmland soil in Jiangxi province., 2018, 38: 2486–2497 (in Chinese with English abstract).

[25] 潘劍玲, 代萬安, 尚占環(huán), 郭瑞英. 秸稈還田對土壤有機質(zhì)和氮素有效性影響及機制研究進展. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21: 526–535. Pan J L, Dai W A, Shang Z H, Guo R Y. Review of research progress on the influence and mechanism of field straw residue incorporation on soil organic matter and nitrogen availability., 2013, 21: 526–535 (in Chinese with English abstract).

[26] 劉善江, 夏雪, 陳桂梅, 卯丹, 車升國, 李亞星. 土壤酶的研究進展. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2011, 27(21): 1–7.Liu S J, Xia X, Chen G M, Mao D, Che S G, Li Y X. Study progress on functions and affecting factors of soil enzymes.2011, 27(21): 1–7 (in Chinese with English abstract).

[27] 邊雪廉, 趙文磊, 岳中輝, 王慧一, 焦浩, 隋海霞. 土壤酶在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)中的作用研究進展. 中國農(nóng)學(xué)通報, 2016, 32(4): 171–178. Bian X L, Zhao W L, Yue Z H, Wang H Y, Jiao H, Sui H X. Research process of soil enzymes effect on carbon and nitrogen cycle in agricultural ecosystem., 2016, 32(4): 171–178 (in Chinese with English abstract).

[28] 邱現(xiàn)奎, 董元杰, 萬勇善, 胡國慶, 王艷華. 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量及土壤酶活性的影響. 土壤, 2010, 42: 249–255. Qiu X K, Dong Y J, Wang Y S, Hu G Q, Wang Y H. Effect of different fertilization treatments on soil nutrient and soil enzyme activities., 2010, 42: 249–255 (in Chinese with English abstract).

[29] 曾玲玲, 張興梅, 洪音, 劉德福. 長期施肥與耕作方式對土壤酶活性的影響. 中國土壤與肥料, 2008, (2): 27–30. Zeng L L, Zhang X M, Hong Y, Liu D F. Effects of long-term fertilization and tillage on soil enzyme activities., 2008, (2): 27–30 (in Chinese with English abstract).

[30] 陳娟, 馬忠明, 劉莉莉, 呂曉東. 不同耕作方式對土壤有機碳、微生物量及酶活性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2016, 22: 667–675.Chen J, Ma Z M, Liu L L, Lyu X D. Effect of tillage system on soil organic carbon, microbial biomass and enzyme activities., 2016, 22: 667–675 (in Chinese with English abstract).

[31] 蔣向, 賀德先, 任洪志, 劉清瑞, 胡敏. 輪耕對麥田土壤容重和小麥根系發(fā)育的影響. 麥類作物學(xué)報, 2012, 32: 711–715. Jiang X, He D X, Ren H Z, Liu Q R, Hu M. Effects of different patterns of rotational tillage on soil bulk density in wheat field and wheat root development.s, 2012, 32: 711–715 (in Chinese with English abstract).

[32] 盧宗凡. 中國黃土高原生態(tài)農(nóng)業(yè). 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 1997. Lu Z F. Chinese Loess Plateau Ecological Agriculture.Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press, 1997 (in Chinese).

[33] 柏?zé)樝? 李軍, 王玉玲, 王麗. 渭北旱塬小麥玉米輪作區(qū)不同耕作方式對土壤水分和作物產(chǎn)量的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 880–894. Bai W X, Li J, Wang Y L, Wang L. Effects of different tillage methods on soil water and crop yield of winter wheat-spring maize rotation region in Weibei highland., 2014, 47: 880–894 (in Chinese with English abstract).

[34] Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F, Wang W, Yang B P. Effects of rotational tillage practices on soil properties, winter wheat yields and water-use efficiency in semi-arid areas of north-west China., 2012, 129: 7–13.

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

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

E-mail: sksxz92@163.com

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503121)和山東省2017年度農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目資助。

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