• ISSN 1008-505X
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提高滨海盐渍地区春玉米产量及改善土壤盐碱特性的管理措施研究

王韵弘 张济世 王红叶 刘秀萍 崔振岭 苗琪

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提高滨海盐渍地区春玉米产量及改善土壤盐碱特性的管理措施研究

    作者简介: 王韵弘E-mail: wang_yunhong@cau.edu.cn;
    通讯作者: 苗琪, E-mail:miaoqibody@163.com
  • 基金项目: NSFC-山东联合基金重点支持项目(U1706211);山东省泰山学者项目(TS201712082)。

Improving soil properties and maize yield by integrating soil and crop management measures in coastal saline area

    Corresponding author: MIAO Qi, E-mail:miaoqibody@163.com
  • 摘要:   【目的】  研究土壤改良、作物调控和土壤作物系统综合管理措施对玉米生长和土壤盐碱特性的影响,为滨海盐渍地区玉米生产和土壤特性改善提供理论和技术支撑。  【方法】  田间试验于2016年开始在山东省垦利区进行,土壤改良剂为脱硫石膏30 t/hm2加牛粪15 t/hm2,共设4个处理,其中两个处理为农户习惯使用土壤改良剂处理(ISM)和不使用土壤改良剂处理(FP),作物品种郑单958,播种密度7.5×104株/hm2,N-P2O5-K2O用量为280-90-60;另外两个处理为综合作物管理使用土壤改良剂处理(ISCM)和不使用土壤改良剂处理(ICM),作物品种为登海618,播种密度9.0×104株/hm2,N-P2O5-K2O用量为200-135-60。于2020年春玉米收获后取0—60 cm土壤样品,每20 cm为一层,分析了钠离子、交换性钠百分率(ESP)、有机碳和全氮含量;调查了该年度春玉米产量和产量构成因素。  【结果】  相较于FP处理,ISM处理0—20 cm土壤交换性钠离子含量和ESP值分别显著降低17.1%和28.4%,有机碳和全氮含量分别显著增加了15.6%和18.9%,土壤有机碳和全氮储量分别增加了7.2%和10.7%,玉米产量增加了8.0%;ICM处理成熟期玉米生物量累积提高19.7%,氮肥偏生产力提高61.7%,籽粒氮含量提高6.2%,产量提高15.5%;ISCM处理分别显著降低交换性钠离子含量和ESP值31.4%和41.1%,分别显著增加表层土壤有机碳和全氮储量15.8%和17.4%,地上部吸氮量提高29.5%,氮肥偏生产力提高66.2%,并获得最高产量11.24 t/hm2,较FP处理产量提高18.8%。  【结论】  在滨海盐渍地区,通过施用土壤改良剂,适当提高作物密度,调整氮磷钾肥比例和玉米品种,显著增加了土壤中有机碳和全氮储量,降低了土壤交换性钠离子含量及碱化度,进而促进玉米干物质积累和氮素吸收,提高氮肥利用效率,可同步实现滨海盐渍地区土壤质量与玉米产量的提升。
  • 图 1  春玉米生长期间降雨量和日均气温变化图

    Figure 1.  Variation in precipitation and mean daily temperature during the growth of spring maize

    图 2  不同生育时期春玉米生物量积累

    Figure 2.  Biomass accumulation of spring maize at different growth stages

    图 3  不同处理植株氮含量(a)与总吸氮量(b)

    Figure 3.  Nitrogen content (a) and nitrogen uptake (b) of plants under different treatments

    图 4  不同处理土壤中交换性钠离子(a)含量与ESP值(b)

    Figure 4.  Exchangeable Na+ content (a) and ESP value (b) in 0–60 cm soil layers under different treatments

    图 5  不同处理0—20 cm土壤中有机碳(a)与全氮(b)储量

    Figure 5.  Storage of organic carbon (a) and total nitrogen (b) in 0–20 cm soil layer under different treatments

    表 1  试验方案设计表

    Table 1.  Design of the test scheme

    处理
    Treatment
    品种
    Cultivar
    处理代码
    Treatment code
    植株密度
    Plant density (plant/hm2)
    N∶P2O5∶K2O
    (kg/hm2)
    改良剂
    Remediation
    农户习惯
    Farmer's practice
    郑单 958
    ZD 958
    FP7.5×104280∶90∶60不使用 No
    土壤改良
    Improved soil management
    郑单 958
    ZD 958
    ISM7.5×104200∶135∶60使用 Applied
    作物调控
    Improved crop management
    登海 618
    DH 618
    ICM9.0×104200∶135∶60不使用 No
    综合管理
    Integrated soil and crop management
    登海 618
    DH 618
    ISCM9.0×104200∶135∶60使用 Applied
    注(Note):改良剂为脱硫石膏15 t/hm2+牛粪 30 t/hm2 The remediation agent used is desulfurized gypsum 15 t/hm2 + cow dung 30 t/hm2.
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    表 2  春玉米产量及产量构成

    Table 2.  Yield and yield components of spring maize

    处理
    Treatment
    穗数
    Ear number
    (·104 /hm2)
    穗粒数
    Grain number
    per ear
    千粒重
    1000-grain weight
    (g)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    氮肥偏生产力PFPN
    (kg/hm2)
    FP7.44 ± 0.66 b441 ± 38 a271.85 ± 20.29 b9460 ± 630 b33.80 ± 2.25 c
    ISM7.69 ± 0.62 ab456 ± 34 a273.73 ± 19.46 b10220 ± 660 ab51.08 ± 3.31 b
    ICM8.78 ± 0.71 a467 ± 30 a304.46 ± 21.54 ab10930 ± 730 a54.67 ± 3.64 ab
    ISCM8.91 ± 0.60 a470 ± 31 a316.86 ± 21.56 a11240 ± 600 a56.19 ± 3.02 a
    注(Note):FP—农户习惯 Farmer’s practice; ISM—土壤改良 Improved soil management; ICM—作物调控 Improved crop management; ISCM—综合管理 Integrated soil and crop management. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters are significantly different among treatments in the same year at the 5% level.
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    表 3  不同处理土壤中有机碳和全氮含量(g/kg)

    Table 3.  Soil organic carbon and total nitrogen contents under different treatments

    土层
    Soil depth (cm)
    处理
    Treatment
    有机碳含量
    Organic C
    全氮含量
    Total N
    0—20FP9.18 b1.11 b
    ISM10.61 a1.32 a
    ICM9.06 b1.10 b
    ISCM11.61 a1.42 a
    20—40FP7.15 c1.08 b
    ISM8.26 b1.00 b
    ICM6.63 c0.86 c
    ISCM9.83 a1.24 a
    40—60FP1.98 c0.42 b
    ISM2.71 b0.54 a
    ICM1.92 c0.34 b
    ISCM3.44 a0.56 a
    注(Note):FP—农户习惯 Farmer’s practice; ISM—土壤改良 Improved soil management; ICM—作物调控 Improved crop management; ISCM—综合管理 Integrated soil and crop management. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters are significantly different among treatments in the same year at 5% level.
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    [7] 张济世于波涛张金凤刘玉明蒋曦龙崔振岭 . 不同改良剂对滨海盐渍土土壤理化性质和小麦生长的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16415
    [8] 葛均筑徐莹袁国印田少阳李淑娅杨晓妮曹凑贵展茗赵明 . 覆膜对长江中游春玉米氮肥利用效率及土壤速效氮素的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.14445
    [9] 高洪军朱平彭畅张秀芝李强张卫建 . 等氮条件下长期有机无机配施对春玉米的氮素吸收利用和土壤无机氮的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0205
    [10] 谢佳贵侯云鹏尹彩侠孔丽丽秦裕波李前王立春* . 施钾和秸秆还田对春玉米产量、养分吸收及土壤钾素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0507
    [11] 隽英华孙文涛韩晓日邢月华王立春谢佳贵 . 春玉米土壤矿质氮累积及酶活性对施氮的响应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0606
    [12] 杨黎王立刚李虎邱建军刘慧颖 . 基于DNDC模型的东北地区春玉米农田固碳减排措施研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2014.0109
    [13] 隽英华汪仁孙文涛邢月华 . 基于土壤硝态氮测试的春玉米氮肥实时监控技术. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2013.0526
    [14] 王晓慧曹玉军魏雯雯张磊王永军边少锋王立春 . 我国北方37个高产春玉米品种干物质生产及氮素利用特性. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11207
    [15] 范秀艳杨恒山高聚林张瑞富王志刚张玉芹 . 超高产栽培下磷肥运筹对春玉米根系特性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2012.11303
    [16] 郑伟何萍高强沙之敏金继运 . 施氮对不同土壤肥力下玉米氮素吸收和利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0071
    [17] 刘占军谢佳贵张宽王秀芳侯云鹏尹彩侠李书田 . 不同氮肥管理对吉林春玉米生长发育和养分吸收的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0106
    [18] 谷佳林王崇旺李玉泉衣文平李亚星杨宜斌徐秋明 . 包膜尿素氮素释放特性及其采用接触式施肥对春玉米生长的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0626
    [19] . 东北春玉米连作体系中土壤氮矿化、残留特征及氮素平衡. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0515
    [20] 唐政李虎邱建军王立刚邹国元 . 有机种植条件下水肥管理对番茄品质和土壤硝态氮累积的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0223
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  • 收稿日期:  2021-04-02

提高滨海盐渍地区春玉米产量及改善土壤盐碱特性的管理措施研究

    作者简介:王韵弘E-mail: wang_yunhong@cau.edu.cn
    通讯作者: 苗琪, miaoqibody@163.com
  • 1. 中国农业大学资源与环境学院, 北京100193
  • 2. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所, 河南郑州450000
  • 3. 农业农村部耕地质量监测保护中心, 北京 100125
  • 4. 东营市康益农业科技有限责任公司, 山东东营, 257347
  • 基金项目: NSFC-山东联合基金重点支持项目(U1706211);山东省泰山学者项目(TS201712082)。
  • 摘要:   【目的】  研究土壤改良、作物调控和土壤作物系统综合管理措施对玉米生长和土壤盐碱特性的影响,为滨海盐渍地区玉米生产和土壤特性改善提供理论和技术支撑。  【方法】  田间试验于2016年开始在山东省垦利区进行,土壤改良剂为脱硫石膏30 t/hm2加牛粪15 t/hm2,共设4个处理,其中两个处理为农户习惯使用土壤改良剂处理(ISM)和不使用土壤改良剂处理(FP),作物品种郑单958,播种密度7.5×104株/hm2,N-P2O5-K2O用量为280-90-60;另外两个处理为综合作物管理使用土壤改良剂处理(ISCM)和不使用土壤改良剂处理(ICM),作物品种为登海618,播种密度9.0×104株/hm2,N-P2O5-K2O用量为200-135-60。于2020年春玉米收获后取0—60 cm土壤样品,每20 cm为一层,分析了钠离子、交换性钠百分率(ESP)、有机碳和全氮含量;调查了该年度春玉米产量和产量构成因素。  【结果】  相较于FP处理,ISM处理0—20 cm土壤交换性钠离子含量和ESP值分别显著降低17.1%和28.4%,有机碳和全氮含量分别显著增加了15.6%和18.9%,土壤有机碳和全氮储量分别增加了7.2%和10.7%,玉米产量增加了8.0%;ICM处理成熟期玉米生物量累积提高19.7%,氮肥偏生产力提高61.7%,籽粒氮含量提高6.2%,产量提高15.5%;ISCM处理分别显著降低交换性钠离子含量和ESP值31.4%和41.1%,分别显著增加表层土壤有机碳和全氮储量15.8%和17.4%,地上部吸氮量提高29.5%,氮肥偏生产力提高66.2%,并获得最高产量11.24 t/hm2,较FP处理产量提高18.8%。  【结论】  在滨海盐渍地区,通过施用土壤改良剂,适当提高作物密度,调整氮磷钾肥比例和玉米品种,显著增加了土壤中有机碳和全氮储量,降低了土壤交换性钠离子含量及碱化度,进而促进玉米干物质积累和氮素吸收,提高氮肥利用效率,可同步实现滨海盐渍地区土壤质量与玉米产量的提升。

    English Abstract

    • 随着人口的不断增长和耕地面积的不断减少,提高土壤质量和资源利用效率已经成为实现农业可持续发展的关键[1]。黄河三角洲是我国乃至世界上增长速度最快的河口三角洲之一,每年受黄河泥沙淤积影响会形成大量的新生土地,是我国重要的后备土地资源[2]。该地区地下水埋深较浅且矿化度较高,强烈的蒸发作用以及濒临海湾低平的地势条件等因素导致该区域土壤受盐渍化影响较大,严重制约了区域农业生产力的提升和绿色可持续发展[3-5]。滨海盐渍土是黄河三角洲地区主要的土壤类型之一,土壤中较高的钠离子含量和较低的有机碳与全氮含量降低了土壤微生物和酶的活性,导致土壤团粒结构较差、养分含量偏低,抑制了作物根系对营养元素的吸收和利用,最终限制了作物生产力的提升[6-9]

      为了减轻和消除土壤盐渍化对作物生长和土壤特性的不利影响,许多学者开展了大量的研究工作。研究表明含钙材料能够有效改善土壤环境,减轻盐分胁迫对土壤和作物生长的危害[10-11]。脱硫石膏是燃煤火力发电厂的一种副产物,富含钙离子,向盐渍土中添加脱硫石膏,石膏中的钙离子能够置换吸附在土壤胶体表面的交换性钠离子,从而促进土壤的排盐作用,降低土壤中的钠离子含量,并且能够改善土壤团粒结构,提高土壤孔隙度和水传导力度[12-13]。除此之外,动物粪便(如牛粪)等有机物料也能够改善盐渍土壤的理化性状,缓解盐分胁迫作用。向土壤中添加牛粪能够提高土壤有机碳含量,增加土壤有机碳的周转速率和微生物多样性,并且有利于大颗粒团聚体的形成和水稳性团聚体的增加,从而改善土壤孔隙结构促进盐分淋洗[14-15]。作物的生产能力不仅取决于土壤特性,而且与作物的管理措施密切相关,在盐渍土壤区域进行合理的养分管理措施已被证明能够有效增加作物产量[16-17]。而不合理的作物管理措施可能会削弱土壤改良的效果,导致土壤次生盐渍化,甚至会引发一系列环境问题。有研究指出,不合理的氮肥管理会增加氮素损失,进而导致温室气体排放、地下水污染和土壤酸化等问题[18-20]。优化氮肥施用能够在减少氮肥用量的同时不降低籽粒产量,进而提高氮肥利用率;选择耐密品种结合适当提高种植密度,能够挖掘作物产量潜力,提高光合作用效率,进而提高产量[21-22]

      以往大量的研究工作只专注于单因素的改良优化实践,而对土壤作物系统综合管理优化的试验研究却很少涉及。Chen等[23]研究结果表明,土壤作物系统综合管理能够在不增加肥料施用的情况下获得作物产量的增加,并且可以降低环境风险。但是之前的土壤作物系统综合管理措施更多关注于作物调控和水肥管理模块,而对土壤改良的探究较少。因此,我们针对黄河三角洲地区的土壤特性,综合前人研究成果选择了合适的改良材料和作物管理措施整合到土壤作物系统综合管理中,探究土壤改良与作物优化管理协同实现农业生产的潜力,以期在提升土壤质量的同时获得作物高产和资源利用高效,最终为当地的农业生产实践提供技术和理论支撑。

      • 长期定位试验于2016年开始在山东省东营市垦利区良种场(37°42′01′′N,118°47′28′′E)进行,本文选取的是2020年试验数据。试验地位于黄河三角洲沿海地带,属暖温带季风气候区,供试土壤为轻度滨海氯化物盐土,表层土壤初始含盐量1.8 g/kg,区域地下水位1.6 m,矿化度3.7 g/L。2016年播前基础土壤(0—20 cm)理化性质:容重1.47 g/cm3、pH 8.09、有机碳7.81 g/kg、全氮0.88 g/kg、有效磷6.07 mg/kg、水溶性钙295 mg/kg、水溶性钠323 mg/kg、水溶性钾37.1 mg/kg、水溶性镁53.4 mg/kg。2020年试验期间春玉米生长季的降雨量和日平均温度以及光照时长如图1所示,播前灌溉黄河水约250 mm,玉米生长期内不进行灌溉。春玉米生长季总降水量为449 mm,有效积温为2239.5℃(数据来自中国气象数据网站)。

        图  1  春玉米生长期间降雨量和日均气温变化图

        Figure 1.  Variation in precipitation and mean daily temperature during the growth of spring maize

      • 田间试验从2016年开始,2016—2019年为冬小麦-夏玉米轮作,从2020年开始更换为春玉米单作种植体系。试验设置4个处理:1)农户习惯处理(FP),作为对照的按照当地农户种植习惯设计试验方案;2)改善根系土壤营养环境、提高土壤质量支撑高产的土壤改良处理(ISM),在农户习惯基础上优化施肥量和施肥比例,并向土壤中添加脱硫石膏和牛粪作为改良材料;3)设计群体挖掘潜力,优化品种与播量的作物调控处理(ICM),在农户习惯基础上优化施肥并改良品种、调控群体数量,挖掘产量潜力;4)同时改善土壤质量、挖掘群体产量潜力的综合管理处理(ISCM),即,综合处理2)、3)优化改良操作设计。每季作物收获后所有处理进行秸秆还田,改良物料每年玉米季收获后施用(撒施后深翻25—30 cm入土,再旋耕15—20 cm整平地面)。农户管理处理的施肥量与施肥时期根据课题组调研数据获得,优化施肥量根据当地测土配方施肥数据推荐,所有处理氮肥分为基肥和大喇叭口期追肥两次施用,FP处理基追比为2∶1,优化处理基追比为1∶2,磷钾肥一次性基施。每个试验小区面积280 m2,每个处理设置4次重复,采用随机区组设计,具体试验方案详见表1

        表 1  试验方案设计表

        Table 1.  Design of the test scheme

        处理
        Treatment
        品种
        Cultivar
        处理代码
        Treatment code
        植株密度
        Plant density (plant/hm2)
        N∶P2O5∶K2O
        (kg/hm2)
        改良剂
        Remediation
        农户习惯
        Farmer's practice
        郑单 958
        ZD 958
        FP7.5×104280∶90∶60不使用 No
        土壤改良
        Improved soil management
        郑单 958
        ZD 958
        ISM7.5×104200∶135∶60使用 Applied
        作物调控
        Improved crop management
        登海 618
        DH 618
        ICM9.0×104200∶135∶60不使用 No
        综合管理
        Integrated soil and crop management
        登海 618
        DH 618
        ISCM9.0×104200∶135∶60使用 Applied
        注(Note):改良剂为脱硫石膏15 t/hm2+牛粪 30 t/hm2 The remediation agent used is desulfurized gypsum 15 t/hm2 + cow dung 30 t/hm2.
      • 分别在玉米六叶期(V6)、抽雄期(VT)、成熟期(R6)于每个小区中部相邻三行中取6株长势均匀且具有代表性的植株样品,于70℃下烘干至恒重后称得干物质重,用粉碎机分别将秸秆与籽粒样品粉碎后全部过1 mm筛。样品通过硫酸–双氧水消煮后,采用凯氏定氮法测定氮浓度。收获时在每个处理小区中部取12 m2(2.4 m×5 m)样方,取样方内全部有效穗脱粒,完全烘干后换算成含15.5%水分含量的标准产量。用样方内穗数计算收获穗密度,随机抽取6穗评估穗粒数和千粒重。

        土壤样品在玉米收获时期进行采集,小区内按五点采样法进行选点,用土钻按0—20、20—40、40—60cm分层取样,混匀风干后研磨过0.15 mm筛,土壤有机碳和全氮含量采用碳、氮分析仪(MultiN/C3100,德国Analytik Jena公司)通过1 mol/L稀盐酸处理后测定;交换性离子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)采用1 mol/L乙酸铵(pH=7.0)浸提,然后用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, OPTIMA 3300 DV, Perkins-Elmer, 美国)进行测定[24]

      • 氮肥偏生产力 (PFPN)= 产量 (kg/hm2)/氮肥施用量(kg/hm2)

        交换性钠百分率 (ESP)=(交换性钠离子含量/阳离子交换总量) × 100%

        土壤有机碳储量(t/hm2) =有机碳含量(g/kg) × 土层深度(m) ×土壤容重(g/cm3) ×10

        土壤全氮储量(t/hm2) =全氮含量(g/kg) × 土层深度(m) × 土壤容重(g/cm3) ×10

        本试验的数据处理及统计分析采用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 25.0软件进行,不同处理间差异显著性分析采用Duncan法进行多重比较,P<0.05为差异显著,采用Origin 2020软件进行作图。

      • 与FP处理相比,不同优化处理措施均能增加春玉米产量,并且ICM和ISCM与FP处理之间差异显著(表2)。ISCM处理获得最高产量11.24 t/hm2,相较于FP处理增加了18.8%,产量增加的原因是提升了19.8%的穗数和16.6%的千粒重;ICM处理提高了16.8%产量,提高的原因是增加了18.0%穗数;而ISM与FP处理之间产量差异不显著。

        表 2  春玉米产量及产量构成

        Table 2.  Yield and yield components of spring maize

        处理
        Treatment
        穗数
        Ear number
        (·104 /hm2)
        穗粒数
        Grain number
        per ear
        千粒重
        1000-grain weight
        (g)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        氮肥偏生产力PFPN
        (kg/hm2)
        FP7.44 ± 0.66 b441 ± 38 a271.85 ± 20.29 b9460 ± 630 b33.80 ± 2.25 c
        ISM7.69 ± 0.62 ab456 ± 34 a273.73 ± 19.46 b10220 ± 660 ab51.08 ± 3.31 b
        ICM8.78 ± 0.71 a467 ± 30 a304.46 ± 21.54 ab10930 ± 730 a54.67 ± 3.64 ab
        ISCM8.91 ± 0.60 a470 ± 31 a316.86 ± 21.56 a11240 ± 600 a56.19 ± 3.02 a
        注(Note):FP—农户习惯 Farmer’s practice; ISM—土壤改良 Improved soil management; ICM—作物调控 Improved crop management; ISCM—综合管理 Integrated soil and crop management. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters are significantly different among treatments in the same year at the 5% level.

        相较于FP处理,三种优化措施在减施氮肥用量40%的情况下仍然获得了春玉米产量的增长,ISM、ICM和ISCM分别显著提高了51.1%、61.7%和66.2%的氮肥偏生产力。相比于ISM处理,ISCM显著提高了10.0%的氮肥偏生产力,而ISM和ICM之间无显著差异。

      • 不同优化处理显著影响不同时期的春玉米生物量累积(图2)。在V6时期,ISCM较FP处理生物量显著提高了40.8%,而ISM、ICM与FP处理之间差异不显著。在VT时期,ISCM和ICM的生物量分别比FP显著增加了57.8%和49.0%,也分别显著高于ISM处理41.6%和33.7%,而ISCM与ICM无显著差异。在R6时期,ISCM处理仍然具有最高的生物量,达到了19.46 t/hm2,显著高于FP处理24.7%,其次是ICM处理,显著高于FP处理19.7%,而优化处理ISM与FP之间差异不显著。

        图  2  不同生育时期春玉米生物量积累

        Figure 2.  Biomass accumulation of spring maize at different growth stages

      • 图3知,不同处理的植株氮含量与总吸氮量差异显著。相较于FP处理,ISCM的秸秆氮含量减少了9.5%,而籽粒氮含量提高了12.8%,地上部总吸氮量提高了29.5%;ICM的秸秆氮含量减少了21.8%,籽粒氮含量提高了6.2%,总吸氮量提高了15.1%;ISM的秸秆与籽粒氮含量略有提高但无显著性差异,总吸氮量提高了13.3%。

        图  3  不同处理植株氮含量(a)与总吸氮量(b)

        Figure 3.  Nitrogen content (a) and nitrogen uptake (b) of plants under different treatments

      • 表3可知,施用土壤改良剂(ISM和ISCM)提高了不同土层的有机碳和全氮含量。ISCM处理的增加量最大,相较于FP处理,0—60 cm土层有机碳含量显著增加了26.5%~73.7%,全氮含量增加了14.8%~33.3%;其次为ISM处理,0—60 cm土层有机碳含量较FP处理显著增加了15.5%~36.9%;但全氮含量仅仅在0—20和40—60 cm土层显著增加了18.9%和28.6%;ICM处理对不同土层有机碳含量无显著影响,其在20—40 cm土层的全氮含量较FP处理显著降低了20.4%,在0—20和40—60 cm两个处理无显著差异。

        表 3  不同处理土壤中有机碳和全氮含量(g/kg)

        Table 3.  Soil organic carbon and total nitrogen contents under different treatments

        土层
        Soil depth (cm)
        处理
        Treatment
        有机碳含量
        Organic C
        全氮含量
        Total N
        0—20FP9.18 b1.11 b
        ISM10.61 a1.32 a
        ICM9.06 b1.10 b
        ISCM11.61 a1.42 a
        20—40FP7.15 c1.08 b
        ISM8.26 b1.00 b
        ICM6.63 c0.86 c
        ISCM9.83 a1.24 a
        40—60FP1.98 c0.42 b
        ISM2.71 b0.54 a
        ICM1.92 c0.34 b
        ISCM3.44 a0.56 a
        注(Note):FP—农户习惯 Farmer’s practice; ISM—土壤改良 Improved soil management; ICM—作物调控 Improved crop management; ISCM—综合管理 Integrated soil and crop management. 同列数值后不同字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平 Values followed by different small letters are significantly different among treatments in the same year at 5% level.
      • 图4可以看出,ISM、ISCM处理降低了表层和中层土壤交换性钠离子含量和ESP值,而在深层土壤中与农户习惯处理无显著差异。在0—20 cm土层,相比于FP处理,ISCM与ISM处理分别显著降低了31.4%和17.1%的交换性钠离子含量,交换性钠百分比(ESP)分别显著降低了41.1%和28.4%。在20—40 cm土层,ISCM和ISM的钠离子含量分别减少了9.4%和16.3%,并且ESP值降低了17.0%和23.4%的。在40—60 cm土层,ISM、ISCM处理的交换性钠离子含量和ESP值较FP处理略有降低,但差异并不显著。相较于FP处理,ICM处理的交换性钠离子含量与ESP值在0—20、20—40和40—60 cm土层与FP处理没有显著差异。

        图  4  不同处理土壤中交换性钠离子(a)含量与ESP值(b)

        Figure 4.  Exchangeable Na+ content (a) and ESP value (b) in 0–60 cm soil layers under different treatments

      • 图5表明,相较于试验开始前,4年以后的不同处理均增加了表层土壤(0—20 cm)有机碳和全氮储量。相较于FP处理,ISCM处理显著增加了15.8%的有机碳库储量和17.4%的全氮储量;ISM处理提高了7.2%的有机碳库储量和10.7%的全氮储量,但差异并不显著;ICM处理有机碳与全氮储量与FP处理间无显著差异。

        图  5  不同处理0—20 cm土壤中有机碳(a)与全氮(b)储量

        Figure 5.  Storage of organic carbon (a) and total nitrogen (b) in 0–20 cm soil layer under different treatments

      • 土壤钠离子含量与养分状况是反映滨海盐渍土壤生产力的重要指标。本试验条件下,ISM处理收获后0—20 cm土层钠离子含量显著低于FP处理,原因可能是脱硫石膏中的钙离子与钠离子发生置换反应,使钠离子更容易被淋洗到土壤下层或淋出耕层[25]。还有研究表明添加牛粪也能够起到降低盐分含量的作用,并且能够提高土壤肥力促进作物生长[26-27]。本研究中,ISM处理0—20 cm土层土壤有机碳与全氮含量较FP处理分别显著增加15.6%和18.9%。左文刚等[28]在滨海盐土添加牛粪的试验结果表明,添加牛粪能够显著增加土壤有机碳含量达55%,增加全氮可达403.7%。这与本研究结果相似,增幅出现差异的原因可能是试验条件的不同,主要是土壤养分状况以及利用方式的差异。本试验中,ISM处理通过脱硫石膏与牛粪配施,显著降低了耕层土壤交换性钠离子含量,增加了土壤碳氮含量,进而促进了玉米植株的氮素积累,实现了产量的提高。这与Zhang等[29]和卢星辰等[30]使用脱硫石膏和糠醛渣等配施可以改善土壤状况进而提高氮磷钾等养分积累和玉米产量的结果相似。

        作物管理是影响玉米产量的重要因素,已有研究表明改善农作管理能够提高玉米氮磷钾等养分积累能力,进而增加产量[31-32]。本研究中,ICM处理通过提高种植密度、优化施肥管理实现了产量的显著提高。干物质累积是玉米产量形成的物质基础,而研究发现玉米的花后干物质积累能占到全生育期的一半以上[33]。本试验条件下,我们通过适宜提高播种密度与强化后期施肥实现了玉米抽雄期与收获期群体干物质累积量的显著上升,较FP处理分别显著增加49.0%和19.7%。这与曹胜彪等[34]提高种植密度能够增加玉米群体干物质累积量的结果相一致。但同时我们发现提高种植密度造成了秸秆氮吸收能力的下降,这可能是由于增密强化了植株之间的养分竞争。密植效应虽然强化了单株之间的竞争,但适宜密植使群体带来的增益要大于个体能力的降低。本研究中,ICM处理地上部总吸氮量较FP处理提高15.1%,这与程前等[35]提高播种密度实现群体氮素积累增加的研究结果相似。还有研究发现相同施氮水平下,增加种植密度会显著降低穗粒数与粒重[36-37]。本研究条件下,ICM处理增加密度并没有出现穗粒数与粒重显著减少的情况,这可能是因为我们增加密度的同时更换了耐密植品种,并且优化的施肥管理强化了玉米生长后期的养分供给,提高了其对产量的贡献率[33,38]

        改善滨海盐渍土壤理化性质是发展区域土壤生产力的首要前提,提高作物管理技术是获得玉米产量提升的重要途径。通过土壤改良与作物管理结合设计的滨海盐渍土区土壤作物综合管理处理(ISCM)显著改善了土壤养分状况并且实现了最大程度的产量提升。本研究中,相较于FP处理,ISCM处理在减氮28.6%的条件下增加了18.8%的产量。也有研究者认为减少施氮量而未造成产量下降的原因是试验之前田块过量施氮导致的残留肥料氮较高,这种减氮而不减产的现象不会长期保持[39]。而本试验条件下,ISCM处理四年之后的土壤有机碳和全氮储量得到了明显提升,减少施氮量仍然获得了产量的提高,这表明土壤作物系统综合管理所带来土壤生产力的改善是可持续的。滨海盐渍土“盐、碱、板、瘦”的特点严重制约了地区作物产量的提高,而单一技术手段的调控难以满足土壤生产力提高的需要。本研究立足大田试验,按照绿色环保、成本低和易推广的改良管理原则,分别探究土壤改良与作物管理所带来的效果差异,并验证了土壤作物系统综合管理的提升效果。但由于是一个开放性系统的综合试验,所以改良处理的详细方案仍有提升空间,下一步研究应该在考虑改良成本以及技术推广限制因素等问题的基础上,继续加强方案的优化。此外,未来应在产量效益的基础上加入品质效益与环境效益的探究。

      • 土壤作物系统综合管理措施,通过添加改良物料、优化品种选择和适当提高种植密度,调整施肥量和基追比例,可提高土壤碳氮含量,降低钠离子含量及碱化度,促进玉米地上部干物质积累和氮素吸收,增加千粒重,从而提高春玉米产量。同时可提高氮肥利用效率,减少氮素资源消耗,实现滨海盐渍地区春玉米的高产高效。

    参考文献 (39)
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