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深耕结合秸秆还田提高作物产量并改善耕层薄化土壤理化性质

韩上 武际 李敏 陈峰 王允青 程文龙 唐杉 王慧 郭熙盛 卢昌艾

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深耕结合秸秆还田提高作物产量并改善耕层薄化土壤理化性质

    作者简介: 韩上 E-mail:hs0059@126.com;
    通讯作者: 武际, E-mail:wuji338@163.com
  • 基金项目: 国家科技支撑计划项目(2018YFD0300901);安徽省重点研究与开发计划项目(1704e1002237);公益性行业科研专项(201503122);安徽省农业科学院团队项目(2019YL044)。

Deep tillage with straw returning increase crop yield and improve soil physicochemical properties under topsoil thinning treatment

    Corresponding author: WU Ji, E-mail:wuji338@163.com ;
  • 摘要:   【目的】  小麦–玉米轮作区土壤耕层变薄,直接深耕往往导致土壤肥力降低。在存在该类问题的土壤上,研究不同耕作方式和秸秆还田对作物产量和土壤理化性质的影响,以期实现在增加耕层厚度的同时维持作物产量,并提升土壤肥力。  【方法】  试验于2012—2016年在华北平原南部濉溪县进行,供试土壤为砂姜黑土。在人工剥离5 cm土层的耕层薄化土壤上开展试验,设旋耕 (RT)、深耕 (DT)、旋耕 + 秸秆还田 (RTS)、深耕 + 秸秆还田 (DTS) 4个处理。在每年玉米和小麦成熟期进行田间测产;在第4季小麦收获后采集0—10和10—20 cm土层土样,分析土壤有机碳各组分和土壤养分含量、土壤团聚体分布。  【结果】  与旋耕 (RT) 相比,单纯深耕 (DT) 不能明显提高玉米和小麦产量,显著降低土壤总有机碳含量、0—10 cm土层有机碳各组分含量和土壤速效钾含量,并显著降低10—20 cm土层胡敏酸与富里酸比值及各土层粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的比例。深耕配合秸秆还田 (DTS) 处理玉米和小麦4季平均分别增产7.72%和8.06%,旋耕配合秸秆还田 (RTS) 处理分别增产7.55%和7.05%。在0—10 cm土层,DTS和RTS处理均明显提升土壤胡敏酸与富里酸比值,提高总有机碳及多数组分碳含量、提高土壤养分含量,RTS处理效果好于DTS处理;而在10—20 cm土层,DTS处理显著提高土壤胡敏酸、全氮和有效磷含量,效果好于RTS处理。DTS和RTS处理均可以显著提高粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的比例,在0—10 cm土层,以DTS处理效果最高,比RT处理增加23.09%,而在10—20 cm土层,以RTS处理效果最好,相比RT处理增加6.32%。  【结论】  在耕层薄化处理的土壤上,单纯深耕提升作物产量的效果不显著,也不利于土壤有机碳及各组分含量、土壤养分含量的提升,还破坏了土壤团粒结构。秸秆还田配合深耕或者旋耕均能显著提高作物产量,秸秆还田配合旋耕能有效培肥0—10 cm土层土壤,但对10—20 cm土层土壤肥力改善效果有限;秸秆还田配合深耕在增加耕层厚度的同时,还改善了土壤养分状况,明显减弱了单纯深耕对10—20 cm土层土壤结构稳定性的不利影响。
  • 图 1  不同耕作方式和秸秆还田处理0—10和10—20 cm土层中粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的质量百分比

    Figure 1.  Weight proportion of size > 0.25 mm water-stable aggregate in soils at 0—10 and 10—20 cm layers under different tillage and straw managements

    表 1  不同耕作方式和秸秆还田处理玉米、小麦产量 (kg/hm2)

    Table 1.  Yields of maize and wheat with different tillage and straw managements

    作物Crop处理Treatment第1年1st year第2年2nd year第3年3rd year第4年4th year平均Average
    玉米MaizeRT 8679 a4474 b7844 b9911 b7727 b
    DT 8856 a3840 c 8248 ab10012 ab7739 b
    RTS9124 a5156 a8926 a10036 ab8340 a
    DTS8754 a5492 a8643 a10405 a 8323 a
    小麦WheatRT 4783 a6174 b5473 b6289 c5680 b
    DT 4823 a6002 b5378 b6644 b5712 b
    RTS5001 a6798 a 5750 ab6772 b6080 a
    DTS4846 a 6429 ab6122 a7154 a6138 a
    注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning; 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 2  不同耕作方式和秸秆还田处理相对于旋耕处理各轮作周期作物产量的变化

    Table 2.  Relative increase of crop yields in a rotation with different tillage and straw managements over that in RT treatment

    处理
    Treatment
    作物
    Crop
    与RT相比增产率Increase rate compared with RT (%)
    第1年1st year第2年2nd year第3年3rd year第4年4th year平均Average
    DT 玉米Maize2.04–14.165.141.020.16
    小麦Wheat0.82–2.78–1.755.640.56
    合计Total 1.61–7.562.312.820.33
    RTS玉米Maize5.1315.2513.801.267.55
    小麦Wheat4.5510.105.057.697.05
    合计Total 5.8112.2710.203.767.56
    DTS玉米Maize0.8622.7510.184.987.72
    小麦Wheat1.324.1311.8613.758.06
    合计Total 1.0311.9510.878.397.86
    注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning.
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    表 3  不同耕作方式和秸秆还田处理土壤有机碳及其各组分含量

    Table 3.  Contents of soil organic carbon and its components under different tillage and straw managements

    土层
    Soil layer
    (cm)
    处理
    Treatment
    总有机碳
    TOC
    (g/kg)
    水溶性有机碳
    WSOC
    (g/kg)
    胡敏酸
    Humic acid
    (g/kg)
    富里酸
    Fulvic acid
    (g/kg)
    胡敏素
    Humin
    (g/kg)
    胡敏酸/富里酸
    Humic acid/
    fulvic acid
    0—10RT 9.494 b0.009 c1.220 b2.484 b5.782 c 0.49 bc
    DT 8.538 c0.001 d0.980 c2.103 c5.453 d0.47 c
    RTS10.769 a 0.032 a1.446 a2.649 a6.642 a0.55 a
    DTS9.967 b0.022 b1.252 b2.442 b6.250 b0.51 b
    10—20RT 8.502 a0.005 c1.049 b1.796 a5.652 a0.58 b
    DT 8.284 a0.004 d0.999 b1.850 a 5.431 ab0.54 c
    RTS8.320 a0.008 b1.197 a1.885 a5.230 b0.63 a
    DTS8.729 a0.010 a1.166 a1.815 a5.738 a0.64 a
    注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning; TOC—Total organic carbon; WSOC—Water-soluble organic carbon. 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同耕作方式和秸秆还田处理土壤养分含量

    Table 4.  Contents of soil nutrients under different tillage and straw managements

    土层
    Soil layer
    (cm)
    处理
    Treatment
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    有效磷
    Avail. P
    (mg/kg)
    速效钾
    Avail. K
    (mg/kg)
    pH
    0—10RT 1.06 bc10.63 b 235.35 b7.88 a
    DT 1.01 c10.71 b 200.86 c7.93 a
    RTS1.21 a11.50 a 290.63 a7.88 a
    DTS1.11 b10.96 ab281.09 a7.98 a
    10—20RT 0.83 b4.61 b158.32 a7.95 a
    DT 0.84 b7.73 a153.28 a8.01 a
    RTS0.84 b4.81 b155.09 a7.94 a
    DTS1.00 a7.90 a157.56 a8.04 a
    注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning. 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-18
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

深耕结合秸秆还田提高作物产量并改善耕层薄化土壤理化性质

    作者简介:韩上 E-mail:hs0059@126.com
    通讯作者: 武际, wuji338@163.com
  • 1. 安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室,安徽合肥 230031
  • 2. 安徽农业大学资源与环境学院,安徽合肥 230036
  • 3. 濉溪县五铺农场,安徽淮北 235118
  • 4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
  • 基金项目: 国家科技支撑计划项目(2018YFD0300901);安徽省重点研究与开发计划项目(1704e1002237);公益性行业科研专项(201503122);安徽省农业科学院团队项目(2019YL044)。
  • 摘要:   【目的】  小麦–玉米轮作区土壤耕层变薄,直接深耕往往导致土壤肥力降低。在存在该类问题的土壤上,研究不同耕作方式和秸秆还田对作物产量和土壤理化性质的影响,以期实现在增加耕层厚度的同时维持作物产量,并提升土壤肥力。  【方法】  试验于2012—2016年在华北平原南部濉溪县进行,供试土壤为砂姜黑土。在人工剥离5 cm土层的耕层薄化土壤上开展试验,设旋耕 (RT)、深耕 (DT)、旋耕 + 秸秆还田 (RTS)、深耕 + 秸秆还田 (DTS) 4个处理。在每年玉米和小麦成熟期进行田间测产;在第4季小麦收获后采集0—10和10—20 cm土层土样,分析土壤有机碳各组分和土壤养分含量、土壤团聚体分布。  【结果】  与旋耕 (RT) 相比,单纯深耕 (DT) 不能明显提高玉米和小麦产量,显著降低土壤总有机碳含量、0—10 cm土层有机碳各组分含量和土壤速效钾含量,并显著降低10—20 cm土层胡敏酸与富里酸比值及各土层粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的比例。深耕配合秸秆还田 (DTS) 处理玉米和小麦4季平均分别增产7.72%和8.06%,旋耕配合秸秆还田 (RTS) 处理分别增产7.55%和7.05%。在0—10 cm土层,DTS和RTS处理均明显提升土壤胡敏酸与富里酸比值,提高总有机碳及多数组分碳含量、提高土壤养分含量,RTS处理效果好于DTS处理;而在10—20 cm土层,DTS处理显著提高土壤胡敏酸、全氮和有效磷含量,效果好于RTS处理。DTS和RTS处理均可以显著提高粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的比例,在0—10 cm土层,以DTS处理效果最高,比RT处理增加23.09%,而在10—20 cm土层,以RTS处理效果最好,相比RT处理增加6.32%。  【结论】  在耕层薄化处理的土壤上,单纯深耕提升作物产量的效果不显著,也不利于土壤有机碳及各组分含量、土壤养分含量的提升,还破坏了土壤团粒结构。秸秆还田配合深耕或者旋耕均能显著提高作物产量,秸秆还田配合旋耕能有效培肥0—10 cm土层土壤,但对10—20 cm土层土壤肥力改善效果有限;秸秆还田配合深耕在增加耕层厚度的同时,还改善了土壤养分状况,明显减弱了单纯深耕对10—20 cm土层土壤结构稳定性的不利影响。

    English Abstract

    • 华北平原是我国小麦和玉米的集中种植区,长期的机械化旋耕以及近年来的少耕、免耕引起的土壤结构紧实、犁底层上移问题已不容忽视[1-2],耕层薄化现象已十分普遍[3-4]。过厚和坚实的犁底层限制了作物根系的生长和产量[5]。提升农田土壤肥力,实现作物持续绿色增产,迫切需要恢复或增加耕层厚度、构建合理耕层结构。

      深耕能有效打破犁底层,改善土壤通气性,促进作物根系下扎,有利于作物生长发育[6-7]。但土壤有机碳投入量不足,深耕会导致土壤有机质含量下降[8-9]。秸秆还田可向土壤中输入大量有机碳,是提高农田土壤有机质含量和质量、活化土壤养分和培肥土壤的重要措施。秸秆还田还可通过改善土壤团粒结构、影响土壤有机碳各组分含量来调节土壤有机质含量,进而改善土壤肥力[10]

      耕作方式和秸秆还田的研究在国内不同地区均有报道[11-16],华北平原的相关研究主要针对其对作物生长和产量[17-18]、土壤水分和养分[19-20]、土壤呼吸和微生物[21]的影响,对土壤有机碳组分和团聚体分布的影响研究较少。而且大多数研究只对单一指标进行评价,耕作方式与秸秆还田对土壤地力的综合提升效应,在理论和实践上仍存在诸多问题需要进一步研究解决。针对耕层变浅的土壤,仅仅增加耕层厚度并不能提高作物产量,而减少耕层厚度则显著降低作物产量和土壤有机质含量[22]。为此,以华北平原南端砂姜黑土为研究对象,在原有耕层厚度 (15 cm) 的基础上人工剥离5 cm耕层,通过在耕层薄化处理土壤上连续多年田间试验,系统分析耕作方式和秸秆还田对玉米和小麦产量、土壤有机质组分、土壤养分含量和团聚体分布的影响,以期明确不同措施的综合培肥效果,为该区域合理耕层构建和作物绿色增产提供科学依据。

      • 试验于2012年6月开始,在安徽省淮北市濉溪县进行。试验采用当地典型的夏玉米–冬小麦轮作制度,在本试验开始前该田块已经种植玉米、小麦超过6年。

        供试玉米品种2012、2013年为浚单20,2014、2015年为津北288,小麦品种为济麦22。玉米采用点播,行距66 cm,株距25 cm,分别于每年6月中下旬播种,10月中旬左右收获。小麦采用条播,行距25 cm,分别于每年10月下旬左右播种,次年6月上旬收获。供试土壤为砂姜黑土,试验开始前测定耕作层厚度为15 cm,容重为1.47 g/cm3,0—20 cm土层土壤养分含量为有机质15.73 g/kg、全氮0.97 g/kg、碱解氮65.5 mg/kg、有效磷7.59 mg/kg、速效钾164 mg/kg、pH为8.15。

      • 试验开始前,先人工剥离试验区耕层5 cm土壤。具体操作如下:试验开始前,先将试验区整体旋耕 (15 cm) 两遍,按试验要求划分试验小区,再将小区划分为若干小块,以小块为单位剥离5 cm土层。在剥离后的土层上设4个处理:1) 旋耕 (RT);2) 深耕 (DT);3) 旋耕 + 秸秆还田 (RTS);4) 深耕 + 秸秆还田 (DTS)。每个处理3次重复,小区面积4 m × 7 m。旋耕采用旋耕机旋耕1遍,作业深度为15 cm左右;深耕模拟铧式犁,进行人工刨叉翻地,深度为25 cm左右。为便于整地播种,上述耕作完成后再用旋耕机表面浅耕1遍,深度为10 cm左右。耕作仅在冬小麦播种前进行,各处理夏玉米均免耕直播。每季作物收获后秸秆还田处理秸秆全量还田,其中玉米秸秆先用秸秆粉碎机粉碎成5—10 cm小段,然后均匀撒在土表随耕作混入土壤,小麦秸秆先用秸秆粉碎机粉碎成5—10 cm小段,然后地表覆盖;不还田处理则将地上部秸秆全部移出小区,留茬高度小于10 cm。

        玉米季的氮肥用量为240 kg/hm2、磷肥为90 kg/hm2、钾肥为120 kg/hm2;60%的氮肥和全部磷钾肥人工开沟基施,施肥深度5—10 cm,40%氮肥拔节期随雨追施。小麦季氮肥用量为225 kg/hm2、磷肥为90 kg/hm2、钾肥为105 kg/hm2;60%的氮肥和全部磷钾肥在整地前匀撒在土表随耕作混入土壤,40%氮肥拔节期随雨追施。供试肥料分别为尿素 (含N 46%)、过磷酸钙 (含P2O5 12%)、氯化钾 (含K2O 60%)。在玉米–小麦整个轮作周期内,玉米季一般不进行灌溉,小麦季根据降雨情况进行适量灌溉,病虫害防治等其它管理措施完全相同。

      • 在2012年6月小麦收获后,采集0—20 cm土层土样,采用常规方法测定基本理化性质[23]

        在玉米和小麦成熟期,按小区全部收获,人工脱粒、称重、测定籽粒含水率并计算各小区产量。

        在2016年6月小麦收获后,每小区按0—10和10—20 cm土层,分别采集混合土样和原状土样。混合土样风干过筛后,采用常规方法测定土壤有机碳、全氮、有效磷、速效钾含量和pH。土壤有机碳组分水溶性有机碳、富里酸、胡敏酸和胡敏素提取根据Kumada方法[24],但进行了修改[25],各组分有机碳用TOC分析仪测定。原状土样用于土壤团聚体测定,团聚体采用湿筛法,测定参考Cambardella方法[26]

      • 用Excel 2010进行数据分析和图表处理,用SPSS 19.0软件进行差异显著性分析。

      • 表1显示,第1季玉米和小麦产量各处理间差异不显著。第2季玉米的产量整体低于其它3季,平均产量分别只有其它3季产量的53.55% (第1季)、56.33% (第3季) 和46.98% (第4季)。这可能与试验区在第2季玉米扬花授粉期间出现的持续极端高温干旱天气有关。第2季和第4季玉米产量均以DTS处理最高,显著高于RT处理。第3季玉米产量则以RTS处理最高,DTS次之。小麦产量在第2季以RTS处理最高,DTS处理次之;第3和第4季均以DTS处理最高,其中在第4季DTS处理的产量达到了7154 kg/hm2,显著高于其它3个处理。综合4季玉米和小麦产量,两种作物均表现为DTS和RTS处理产量处于较高水平,显著高于秸秆不还田的DT和RT处理,而DT和RT处理间没有明显差异。

        表 1  不同耕作方式和秸秆还田处理玉米、小麦产量 (kg/hm2)

        Table 1.  Yields of maize and wheat with different tillage and straw managements

        作物Crop处理Treatment第1年1st year第2年2nd year第3年3rd year第4年4th year平均Average
        玉米MaizeRT 8679 a4474 b7844 b9911 b7727 b
        DT 8856 a3840 c 8248 ab10012 ab7739 b
        RTS9124 a5156 a8926 a10036 ab8340 a
        DTS8754 a5492 a8643 a10405 a 8323 a
        小麦WheatRT 4783 a6174 b5473 b6289 c5680 b
        DT 4823 a6002 b5378 b6644 b5712 b
        RTS5001 a6798 a 5750 ab6772 b6080 a
        DTS4846 a 6429 ab6122 a7154 a6138 a
        注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning; 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

        进一步分析玉米–小麦轮作体系作物产量变化规律 (表2),与RT相比,DT处理玉米和小麦的4季平均产量均无明显差异;RTS处理对第1~4季玉米和小麦产量均有不同程度的提升,4季平均提升7.55%和7.05%;DTS处理的4季玉米产量均有一定的提升,其中在遭遇极端天气的第2季增产效果最好,增产率达到了22.75%;DTS处理的第1~4季小麦增产率分别为1.32%、4.13%、11.86%和13.75%,随着试验的进行,增幅逐年增加。DTS处理在玉米和小麦上的4季平均增产率分别为7.72%和8.06%。说明耕层薄化处理条件下,连续进行深耕 + 秸秆还田处理能较大幅度提高小麦产量。

        表 2  不同耕作方式和秸秆还田处理相对于旋耕处理各轮作周期作物产量的变化

        Table 2.  Relative increase of crop yields in a rotation with different tillage and straw managements over that in RT treatment

        处理
        Treatment
        作物
        Crop
        与RT相比增产率Increase rate compared with RT (%)
        第1年1st year第2年2nd year第3年3rd year第4年4th year平均Average
        DT 玉米Maize2.04–14.165.141.020.16
        小麦Wheat0.82–2.78–1.755.640.56
        合计Total 1.61–7.562.312.820.33
        RTS玉米Maize5.1315.2513.801.267.55
        小麦Wheat4.5510.105.057.697.05
        合计Total 5.8112.2710.203.767.56
        DTS玉米Maize0.8622.7510.184.987.72
        小麦Wheat1.324.1311.8613.758.06
        合计Total 1.0311.9510.878.397.86
        注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning.

        以玉米–小麦轮作体系为研究对象,分析每个轮作周期 (周年) 作物产量的变化规律。与RT相比,DT处理的4周年平均增产率只有0.33%,DTS和RTS处理4周年平均增产率均在7%以上,分别增产1054和984 kg/hm2。其中DTS处理除第1个轮作周期增产率较低,只有1.03%外,后3季的增产率均和RTS处理接近或高于RTS处理。分析后3个轮作周期的增产效果,DTS和RTS处理分别较RT增产1360和1091 kg/hm2,增产率达到了10.16%和8.15%。综合来看,各处理对玉米–小麦轮作体系周年的增产效果表现为:DTS ≈ RTS > DT ≈ RT。

      • 不同耕作方式和秸秆还田处理对土壤总有机碳及各组分含量产生显著影响 (表3)。与旋耕相比,DT处理在0—10和10—20 cm土层土壤总有机碳含量均出现了下降,降幅分别为10.07%和2.57%。配合秸秆还田的2个处理,在0—10 cm土层总有机碳含量均有一定提升,RTS和DTS增幅分别为13.43%和4.98%;在10—20 cm土层,以DTS处理总有机碳含量最高,RTS处理总有机碳含量出现下降。说明秸秆还田条件下,旋耕能有效提高0—10 cm土层有机碳含量,但无法增加10—20 cm土层有机碳含量。

        表 3  不同耕作方式和秸秆还田处理土壤有机碳及其各组分含量

        Table 3.  Contents of soil organic carbon and its components under different tillage and straw managements

        土层
        Soil layer
        (cm)
        处理
        Treatment
        总有机碳
        TOC
        (g/kg)
        水溶性有机碳
        WSOC
        (g/kg)
        胡敏酸
        Humic acid
        (g/kg)
        富里酸
        Fulvic acid
        (g/kg)
        胡敏素
        Humin
        (g/kg)
        胡敏酸/富里酸
        Humic acid/
        fulvic acid
        0—10RT 9.494 b0.009 c1.220 b2.484 b5.782 c 0.49 bc
        DT 8.538 c0.001 d0.980 c2.103 c5.453 d0.47 c
        RTS10.769 a 0.032 a1.446 a2.649 a6.642 a0.55 a
        DTS9.967 b0.022 b1.252 b2.442 b6.250 b0.51 b
        10—20RT 8.502 a0.005 c1.049 b1.796 a5.652 a0.58 b
        DT 8.284 a0.004 d0.999 b1.850 a 5.431 ab0.54 c
        RTS8.320 a0.008 b1.197 a1.885 a5.230 b0.63 a
        DTS8.729 a0.010 a1.166 a1.815 a5.738 a0.64 a
        注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning; TOC—Total organic carbon; WSOC—Water-soluble organic carbon. 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

        分析土壤有机碳各组分含量,各处理均以胡敏素含量最高,占土壤总有机碳的比例在60.90%~66.48%;富里酸和胡敏酸的含量次之;水溶性有机碳含量整体较低,占土壤总有机碳的比例均不足1%。秸秆还田的2个处理在0—10和10—20 cm土层均显著提高了水溶性有机碳含量。其它各组分方面,在0—10 cm土层,胡敏酸、富里酸和胡敏素含量均以DT处理最低,显著低于其它3个处理。与RT相比,RTS处理显著提高了胡敏酸、富里酸和胡敏素含量;DTS处理显著提高了胡敏素含量,对胡敏酸也有提升效果,但未达显著水平。在10—20 cm土层,DT处理也降低了胡敏酸和胡敏素含量,但均未达显著水平;RTS和DTS处理均显著提高了胡敏酸含量,对富里酸含量也有一定提升效果。整体上,耕作措施配合秸秆还田明显提升土壤总有机碳及各组分碳含量,在0—10 cm土层以旋耕 + 秸秆还田处理效果较明显;在10—20 cm土层深耕 + 秸秆还田处理有较好提升效果。

        土壤中胡敏酸和富里酸的比值是衡量土壤腐殖化程度及腐殖质品质的重要指标。一般认为比值越大,土壤有机碳含量越稳定,腐殖质品质越好。结果显示,DT降低了不同土层胡敏酸和富里酸的比值,其中在0—10 cm土层有降低趋势,在10—20 cm土层降低达显著水平。耕作措施配合秸秆还田提高了胡敏酸和富里酸的比值,0—10 cm土层以旋耕 + 秸秆还田效果较好;10—20 cm土层以深耕 + 秸秆还田效果较好。综上所述,秸秆还田与耕作相结合有利于提高土壤有机碳含量及品质。

      • 表4可知,与RT处理相比,在0—10 cm土层,DT处理明显降低了土壤全氮和速效钾含量,配合秸秆还田后土壤全氮、有效磷和速效钾含量均有不同程度的升高;RTS处理土壤全氮、有效磷和速效钾含量均最高,显著高于RT处理的相应指标。在10—20 cm土层,DTS处理显著提高了土壤全氮含量,提升幅度在15.83%~17.25%;DT和DTS处理对土壤有效磷含量的提升效果明显,各处理对土壤速效钾含量没有明显影响。各处理对土壤不同土层pH均没有明显影响。总的来说,DT降低了0—10 cm土层土壤养分含量,配合秸秆还田后各土层土壤养分含量均有一定程度的提升;RTS显著提高0—10 cm土层土壤养分含量,但对10—20 cm土层养分含量没有明显提升,DTS显著提高10—20 cm土层土壤全氮和有效磷含量。

        表 4  不同耕作方式和秸秆还田处理土壤养分含量

        Table 4.  Contents of soil nutrients under different tillage and straw managements

        土层
        Soil layer
        (cm)
        处理
        Treatment
        全氮
        Total N
        (g/kg)
        有效磷
        Avail. P
        (mg/kg)
        速效钾
        Avail. K
        (mg/kg)
        pH
        0—10RT 1.06 bc10.63 b 235.35 b7.88 a
        DT 1.01 c10.71 b 200.86 c7.93 a
        RTS1.21 a11.50 a 290.63 a7.88 a
        DTS1.11 b10.96 ab281.09 a7.98 a
        10—20RT 0.83 b4.61 b158.32 a7.95 a
        DT 0.84 b7.73 a153.28 a8.01 a
        RTS0.84 b4.81 b155.09 a7.94 a
        DTS1.00 a7.90 a157.56 a8.04 a
        注(Note):RT—旋耕 Rotary tillage; DT—深耕 Deep tillage; RTS—旋耕 + 秸秆还田 Rotary tillage with straw returning; DTS—深耕 + 秸秆还田 Deep tillage with straw returning. 同列数字后不同字母表示差异达 5% 显著水平 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 一般把粒径 > 0.25 mm 的团聚体称为土壤团粒结构体,团粒结构是土壤中最好的结构体,其数量与土壤的肥力状况呈正相关。不同耕作方式和秸秆还田对水稳性团聚体分布影响明显 (图1)。与RT相比,DT显著降低了0—10和10—20 cm土层粒径 > 0.25 mm团聚体的比例,降幅分别为7.59%和8.97%。深耕处理水稳性团聚体分布向小粒径倾斜,这可能与深耕对土壤的较大扰动促进了大团聚体的崩解和微团聚体的形成有关。秸秆还田条件下,DTS处理显著提高了0—10 cm土层粒径 > 0.25 mm 团聚体的比例,达到了81.29%,比RT增加23.09%;在10—20 cm土层,DTS处理粒径 > 0.25 mm团聚体比例虽仍较常规旋耕处理低,但较单独深耕处理有了显著提升。综上,单独深耕对土壤结构破坏较大,配合秸秆还田能显著降低深耕对土壤结构稳定性产生的负效应;耕作方式配合秸秆还田有利于提高土壤形成较好的团粒结构,在0—10 cm土层深耕 + 秸秆还田和旋耕 + 秸秆还田的效果均较好;在10—20 cm土层以旋耕 + 秸秆还田效果较好,与RT处理相比,粒径 > 0.25 mm团聚体比例增加了6.32%。

        图  1  不同耕作方式和秸秆还田处理0—10和10—20 cm土层中粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的质量百分比

        Figure 1.  Weight proportion of size > 0.25 mm water-stable aggregate in soils at 0—10 and 10—20 cm layers under different tillage and straw managements

      • 针对耕层薄化土壤,深耕能有效打破过厚的犁底层,直接增加土壤耕层厚度[5, 13]。本研究在原始耕层厚度只有15 cm,又进行了耕层薄化处理后的土壤上的试验结果表明,与传统旋耕相比,深耕不能明显提高玉米和小麦产量。即直接增厚耕层不能明显提高玉米–小麦轮作体系作物产量[22],这与多数研究[1327-28]得出的深耕能明显增产的结论并不一致。一方面,这可能与土壤质地有关,不同质地土壤增产效果并不一致[29-30],本研究位于华北平原南端典型砂姜黑土区,土壤黏粒含量高,变性特征明显[31]。深耕虽然增加了耕层厚度,但仍受限于砂姜黑土既不耐旱也不耐涝、耕性和通透性均较差的不良性状,而未能使作物获得增产;另一方面,可能与深耕降低了土壤有机质含量和破坏了团聚体结构有关,本研究发现深耕显著降低了粒径 > 0.25 mm团聚体在各土层中的比例,在0—10 cm土层显著降低了总有机碳、水溶性有机碳、胡敏酸、富里酸和胡敏素含量,在10—20 cm土层显著降低了胡敏酸和富里酸的比值。前人[32-33]研究也发现,深耕由于对土壤扰动较大,促进了大团聚体的崩解,加速了原本用于保护团聚体的有机质的分解。深耕的同时如果不向土壤中投入足够量的有机碳,随着土壤透气性和微生物活性的提高会导致土壤有机碳含量下降[8-9, 34]。由此可见,单独深耕虽然增加了耕层厚度,但降低了土壤质量,不是构建华北平原南端典型砂姜黑土区域良好耕层结构的有效措施。

        秸秆因为含有大量的有机碳和作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素,在还田后能提高土壤肥力[35],进而影响作物产量。绝大多数研究表明,秸秆还田可以提高作物产量[18, 36-37],本研究也得到相同结论,但也有少量秸秆还田后作物减产或无显著增产的报道[38]。分析减产或未增产的原因,可能是与秸秆还田初期氮肥投入不足,造成微生物在分解秸秆时会消耗土壤中的氮素,进而与作物争氮有关[39-40];在耕层薄化条件下,耕作深度不够使大量秸秆分布在表土层,导致作物出苗质量差也是重要原因[38]。本研究发现,在秸秆还田条件下,无论是旋耕还是深耕均提高了作物产量,深耕 + 秸秆还田处理在玉米和小麦上的4季平均增产率分别为7.72%和8.06%,旋耕 + 秸秆还田处理分别为7.55%和7.05%,两种耕作方式在对作物产量的影响上无明显差异。

        进一步比较秸秆还田条件下两种耕作方式对土壤有机碳和养分含量的影响发现,与单独旋耕相比,在0—10 cm土层旋耕 + 秸秆还田显著提升了土壤总有机碳、各组分碳和养分含量及胡敏酸和富里酸的比值,能有效培肥该土层;深耕 + 秸秆还田降低了单独深耕带来的一系列负效应,与单独旋耕相比土壤有机碳各指标均无显著下降,土壤养分各指标还有一定提升。旋耕 + 秸秆还田在0—10 cm土层分布有更多的作物秸秆,可能是其土壤有机碳和各养分含量指标均高于深耕 + 秸秆还田和单独旋耕处理的主要原因[41-42]。在10—20 cm土层,旋耕 + 秸秆还田不能明显提高土壤养分含量,并显著降低了胡敏素含量,导致土壤总有机碳含量有降低的趋势;而深耕 + 秸秆还田显著提高了土壤胡敏酸含量,并有显著增加总有机碳含量的趋势,同时土壤全氮和有效磷含量也显著提升。与旋耕 + 秸秆还田相比,深耕 + 秸秆还田在改善10—20 cm土层有机碳组成和土壤养分状况方面效果更好,这与前人[20, 43]的研究结果一致。旋耕 + 秸秆还田降低下层土壤胡敏素含量并有降低总机碳含量的趋势,可能与秸秆还田后提高了下层土壤微生物的活性但却没有投入有机物料,加快了有机碳的矿化有关,隋鹏祥等[11]也有类似结论。深耕 + 秸秆还田组合一方面可以将秸秆混入较深土层,有利于下层土壤有机碳含量的提高[44];另一方面通过增加耕层厚度,使更多的作物根系分布在较深土层中,进一步改善下层土壤结构[5, 45]。同时,本研究中不同处理对土壤大团聚体的影响也表明,单独深耕会显著降低0—10和10—20 cm土层水稳性大团聚体比例,深耕配合秸秆还田后显著降低了因深耕扰动土体产生的负效应,并保持了土壤团粒结构的稳定。秸秆还田不但可以提高土壤有机碳含量,还能增加耕作对土壤干扰的阻力[9],并通过影响微生物活性来提高团聚体的稳定性[46]。总的来说,秸秆还田条件下,两种耕作方式均能明显提高作物产量;在改善土壤理化性质方面,0—10 cm土层以旋耕 + 秸秆还田组合效果明显,10—20 cm土层深耕 + 秸秆还田组合有较好改良效果。

        合理的耕层结构有利于作物的生长发育,是作物持续高产稳产的重要保证。针对华北平原,耕层厚度减少,作物产量、氮磷钾养分积累量和土壤有机质含量均出现下降,并在短期内难以恢复[22]。综合本试验结果来看,在玉米季免耕直播、小麦秸秆覆盖还田的条件下,小麦播种前深耕秸秆不还田的措施不能明显提高作物产量,还会降低耕层土壤质量;常规旋耕配合秸秆还田在提高作物产量的基础上能培肥0—10 cm土壤,但对下层土壤肥力改善有限;深耕配合秸秆还田在提高作物产量的同时,还能有效增加耕层厚度,改善土壤团粒结构,提高10—20 cm土层主要养分含量。综上所述,在本试验条件下,深耕配合秸秆还田的组合是华北平原南端砂姜黑土区玉米–小麦轮作下小麦季适宜的耕作措施,但长期此耕种条件下的结果如何还有待进一步研究。

      • 与常规旋耕相比,在耕层薄化处理土壤上,深耕不能明显提高玉米和小麦产量,且0—10 cm土层总有机碳、各组分碳含量和0—20 cm土层粒径 > 0.25 mm水稳性团聚体的比例均显著降低。秸秆还田条件下,旋耕和深耕均能明显提高玉米和小麦产量,4季平均增产率在7.05%~8.06%。旋耕配合秸秆还田能显著提高0—10 cm土层总有机碳、各组分碳及各养分含量,但对10—20 cm土层各指标影响有限;深耕配合秸秆还田在增加耕层厚度的同时,显著提高了10—20 cm土层胡敏酸、全氮和有效磷含量,同时降低了因深耕扰动土体导致的大团聚体比例的下降,保持了土壤团粒结构的稳定。

    参考文献 (46)

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