常 程劉 晶史 磊韓 雷趙海巖

(1.遼寧省農業(yè)科學院玉米研究所,遼寧 沈陽 110161; 2.沈陽農業(yè)大學附屬實驗場,遼寧 沈陽 110161)

玉米是我國重要的糧食、飼料、工業(yè)原料作物,耕地質量的好壞關系玉米產業(yè)的高產、穩(wěn)產與可持續(xù)發(fā)展,更是我國農業(yè)高質量發(fā)展的重要一環(huán)。遼寧是我國玉米主產區(qū)之一,但當前土壤耕層質量下降,保水保肥性能差等問題已成為了玉米產業(yè)實現(xiàn)高產、穩(wěn)產、節(jié)本目標的重要障礙因子,而適宜的秸稈還田耕作可以調節(jié)土壤的水、肥、氣、熱、微生物等環(huán)境因素,是改善土壤質量、穩(wěn)定玉米產量、實現(xiàn)節(jié)本增效的有效措施。有學者研究認為,苗帶鎮(zhèn)壓行間深松、虛實并存耕層有利于促進地上部養(yǎng)分積累,改善土壤結果,提高含水量[1～3],深松顯著增加玉米耕層厚度,降低犁底層厚度,降低中下層土壤緊實度和容重,改善根系發(fā)育提高玉米產量[4～6],但長期連續(xù)深松并不能獲得持續(xù)增產與培肥土壤效果,應采用免耕、翻耕、深松等輪耕方式[7]。也有學者研究得出,翻耕結合秸稈還田有利于改善土壤理化性狀,有利于玉米生長和產量的提高[8～11];旋耕留高茬行間深松——少耕和免耕顯著增加玉米田上層土壤總碳氮含量,利于土壤質量提升[12];呂秋爽等通過整合文獻分析發(fā)現(xiàn),免耕增加土壤容重和穿透阻力,減少了土壤含水量,顯著降低玉米根長等指標,且降低了玉米產量[13]。

可見,前人在不同生態(tài)區(qū)針對秸稈還田耕作模式對土壤理化性狀、微生態(tài)環(huán)境、玉米干物質、養(yǎng)分積累及根系發(fā)育等方面開展了大量研究,但耕作方式對土壤質量、玉米生長發(fā)育及產量的影響更受氣象因素、土壤類型等不同生態(tài)環(huán)境條件影響[14～17],因而研究結果不完全一致。據(jù)此,基于目前遼寧玉米生產中秸稈還田耕作模式多樣的前提下,本試驗結合學者研究及前期試驗篩選,選用遼寧地區(qū)3種主要應用的輕簡化耕作模式,以常規(guī)旋耕為對照,通過不同模式對玉米耕層土壤質量及玉米生長發(fā)育的影響研究,旨在篩選適宜遼寧生態(tài)區(qū)玉米耕層質量提升的最佳方式,為機械化耕層質量改良、玉米高產穩(wěn)產集成技術組裝提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019～2020年在沈陽沈北小洋河村遼寧省農業(yè)科學院試驗基地進行,以當?shù)刂髟允炱谙嗤闹型硎煊衩灼贩N遼單575為試材開展大田試驗。試驗設置4個秸稈還田耕作模式,T1:滅茬旋耕(常規(guī)模式),旋耕深度為16 cm、T2:深松+旋耕,深松深度35 cm,旋耕深度16 cm、T3:深松+秸稈覆蓋還田,深松35 cm、T4:深翻+秸稈扣埋還田,深翻深度30 cm。每個處理3次重復,隨機區(qū)組排列。5月3日(2019)、4月26日(2020)播種,種肥一次性施入長效復合肥900 kg/hm2,種植密度為60 000株/hm2,小區(qū)面積72.0 m2,田間管理同大田。試驗地0～40 cm耕層試驗前土壤pH值5.9,有機質11.31 g/kg,全氮0.070%,全磷0.047%,全鉀1.5%,速效氮72 mg/kg,有效磷10.4 mg/kg,速效鉀81 mg/kg。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤樣品采集及檢測

在玉米播種前生長關鍵時期取0～40 cm土壤樣品,取土同時用硬度計測定土壤硬度,并用環(huán)刀,鋁盒取土測定土壤容重及土壤含水量。土樣取回后,分別放入風干盤,室內通風陰干,用元素分析儀測定土壤化學指標。

1.2.2 植株樣品采集及檢測

在玉米生長關鍵時期采用土壤剖面挖掘法采集根系指標,垂直于壟向,以植株為中心挖一半行距及株距范圍內深度為40 cm土體,人工挑出可見根系,沖洗干凈后,用尺測定根長等數(shù)據(jù),烘干后測定根系干重。在成熟期,每區(qū)取代表性植株3株,將地上部粉碎烘干后稱重,用元素分析儀測定植株氮含量。

成熟期收獲2行果穗曬干后室內考種及脫粒測產,以含水量14%折算產量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)取兩年均值。采用Excel 2013和DPS 18.1進行數(shù)據(jù)處理和方差計算及作圖。

1.4 試驗氣象條件

2019年、2020年氣象情況見圖1和圖2所示。

圖1 2019年氣象情況Figure 1 Meteorological conditions in 2019

圖2 2020年氣象情況Figure 2 Meteorological conditions in 2020

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田耕作模式對耕層土壤物理性狀的影響

在上一年秋收后進行耕整地,播前土壤取樣測定的數(shù)據(jù)表明,T1處理耕層土壤含水量在播前和成熟后顯著低于其他3個處理,而T3和T4處理的耕層土壤孔隙度顯著高于T1和T2處理,其中T4處理在兩個生育時期均最高,分別為51.3%和48.4%;耕層土壤容重為T4處理最低,T1處理最高(表1)。因此,兩年T4處理較常規(guī)處理T1提高了耕層土壤播前及成熟時含水量2.6 和1.8個百分點、增加了孔隙度3.1和4.9個百分點、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,說明深翻+秸稈扣埋還田改善耕層土壤物理結構效果最好,其次為深松+秸稈覆蓋處理。

表1 耕層土壤物理性狀Table 1 Physical properties of plough layer soil

2.2 不同秸稈還田耕作模式對耕層土壤化學特性的影響

兩年的秸稈還田耕作模式處理改變了0～40 cm耕層土壤全N、全P、全K、有機質含量,對pH值影響較小(圖3)。4個處理對土壤全N含量影響趨勢不同,T2和T3處理提高了土壤全N含量,T1和T4處理略有下降;T2和T4處理提高了土壤全P含量,較試驗前增加了13.0%和11.3%,而T1和T3處理對土壤全P含量影響較小;從對耕層土壤全K和有機質含量的影響來看,4個處理均不同程度提高了全K含量,較試驗前增加了0.6%～5.5%,同時也增加了有機質含量,較試驗前增幅為3.5%～18.3%。除對土壤全N含量影響趨勢不一致外,T2、T3、T4處理較常規(guī)旋耕處理有利于改善土壤質量,尤其是對有機質含量影響較大,其中,T4處理在土壤各養(yǎng)分指標測定中表現(xiàn)出了高值,提高耕層土壤養(yǎng)分含量效果較好。

圖3 耕層土壤化學特性Figure 3 Chemical properties of plough layer soil

2.3 不同秸稈還田耕作模式對根系發(fā)育的影響

通過不同秸稈還田耕作處理對玉米根系生長發(fā)育的影響可見(圖4～圖5),4個處理的根條數(shù)及根干重均隨著生育進程的推進先升高后降低,根條數(shù)在拔節(jié)期至吐絲期達到高值,而后下降;根干重從苗期到拔節(jié)期再到吐絲期勻速增長,在吐絲期達到最高值,而后緩慢下降。在不同生育時期,T4處理均在根條數(shù)、根干重顯示出最高值,較常規(guī)旋耕處理T1根條數(shù)增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%,其次為T3、T2,T1處理最低?？梢?深翻+秸稈扣埋還田增加了根量及根干重,奠定了植株良好生長的基礎。

圖4 各生育時期根條數(shù)Figure 4 Number of roots at each growth stage

圖5 各生育時期根干重Figure 5 Dry weight of root at each growth

2.4 不同秸稈還田耕作模式對成熟期植株氮積累的影響

氮素是玉米植株生長的大量必需養(yǎng)分,成熟時期分析植株單株莖葉器官和籽粒氮積累量可知,4個處理間差異顯著。T4處理下植株顯著獲得了最高的氮積累量,較常規(guī)旋耕T1處理植株氮積累量增加了38.7%,籽粒氮積累量增加了31.5%,其次為T3、T2處理,T1處理植株氮積累量最低(圖6)。

圖6 成熟期植株氮素積累Figure 6 Nitrogen accumulation per plant at maturity stage

2.5 不同秸稈還田耕作模式對產量及構成因素的影響

從圖7可知,4個處理下玉米產量間差異顯著,T4處理下產量最高,為12 852.9 kg/hm2,T2和T3差異不顯著,T1處理產量最低,T4較T1處理產量提高了11.8%。本試驗中,收獲區(qū)未發(fā)生空稈率,故單位面積穗數(shù)相同,產量構成因素主要分析穗粒數(shù)和百粒重。從穗粒數(shù)和百粒重看,均表現(xiàn)為T4處理高于其他3個處理,較常規(guī)旋耕處理T1穗粒數(shù)增加了10.6%、百粒重增加了6.2%,T1處理最低。因此,T4處理通過提高果穗粒數(shù)和百粒重最終提高了產量。

圖7 不同秸稈還田耕作模式對產量及產量構成因素的影響Figure 7 Effects of different tillage patterns of straw returning on yield and its components

3 結論

本試驗通過兩年數(shù)據(jù)分析得出,深松+旋耕、深松+秸稈覆蓋還田、深翻+秸稈扣埋還田較常規(guī)旋耕均改善了土壤質量、促進了根系發(fā)育、增加了地上植株氮積累量,從而提高了穗粒數(shù)和百粒重,最終獲得高產。其中,深翻+秸稈扣埋還田較常規(guī)旋耕提高了0～40 cm耕層土壤播前及成熟時含水量2.6和1.8個百分點、增加了孔隙度3.1和4.9個百分點、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,提升了有機質含量;較常規(guī)旋耕根條數(shù)增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%;成熟時植株氮積累量增加38.7%,籽粒氮積累量增加31.5%,產量增加11.8%。因此,在本試驗地區(qū)深翻+秸稈扣埋還田處理改良耕層土壤質量,促進植株生長發(fā)育,提高玉米產量效果最佳。

由于同一地區(qū)年際間氣象因子有差異,因此試驗仍需多年驗證,且需要進一步開展不同土壤類型環(huán)境條件下的耕作對分層土壤質量及微生態(tài)環(huán)境等影響試驗研究,以深入系統(tǒng)探索土壤改良、玉米增產機制。