長期秸稈還田對旱地玉米產量、效益及水分利用的影響

周懷平，解文艷，關春林，楊振興，李紅梅

(1山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原030006;2山西省農業科學院農產品加工研究所，太原030031)

中國北方干旱地區大部分農田被深厚的黃土所覆蓋，農田土壤中賦存了大量的土壤水資源［1－2］可以用于作物生長，但同時由于黃土的抗蝕能力差及該區降水集中，導致水土流失嚴重、農田生產力低下，使現實的自然降水生產力水平偏低［3－4］。因此加強旱作農田的水肥管理，有效控制水土流失、培肥土壤、減少無效蒸發是提高旱作農田生產力水平的關鍵。

秸稈和糞肥還田、用地和養地相結合是中國精耕細作農業的精華。20世紀80年代末以來，隨著農業秸稈產出量的不斷增大、現代農業生產要素和生活物質對秸稈資源的逐步替代，農業秸稈資源呈現相對過剩的狀態，2000年中國秸稈總產量已經居世界各國之首，達到7.59億噸［5］，而同期秸稈直接燃用量為2.88億噸，秸稈廢棄和焚燒量也在1.52億噸左右，秸稈資源低效利用和環境污染問題日益嚴重［6－10］，為此我國農業部門積極推廣秸稈和糞肥還田技術，但是在我國北方干旱地區圍繞秸稈和糞肥還田腐解同作物水肥需求矛盾方面、秸稈和糞肥還田在不同降水年型的增產效果以及環境效應等問題的研究和爭論一直都沒有停止過［11－15］。因此在1992年秋季，本研究選擇秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎直接還田、秸稈養畜糞肥還田等我國北方干旱地區三種主要秸稈還田方式，布置了長期定位試驗，以期明確長期秸稈和糞肥還田對玉米產量、經濟效益和水分利用的影響，為農作物秸稈的高效利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

秸稈還田長期定位試驗在我國北方半濕潤偏旱區的山西省壽陽縣宗艾村北坪(N37°58'、E113°06')旱塬地上進行，試驗地海拔1130 m，壽陽縣歷年降水量情況見表1。試驗地塊基本平坦，土層深厚，地下水埋深在地表50 m以下。供試土壤為褐土，成土母質為馬蘭黃土。1993年播前耕層土壤(0—20 cm)有機質含量23.5 g/kg，全氮1.07 g/kg，硝態氮21.17 mg/kg，有效磷(P)4.97 mg/kg，速效鉀(K)117.2 mg/kg，土壤pH 8.4。土壤剖面的基本物理性狀如表2。

表1 壽陽縣歷年降水量情況Table 1 Monthly rainfall in 1993－2009 in Shouyang county(mm)

表2 供試土壤剖面的物理性狀Table 2 Soil physical and chemical properties in the experiment

1.2 試驗設計

試驗設4個處理:秸稈不還田(CK);秸稈覆蓋還田(SM)，秸稈覆蓋還田量為6 t/hm2;秸稈粉碎直接還田(SC)，秸稈粉碎直接還田量為6 t/hm2;秸稈養畜糞肥還田(CM)，腐熟濕牛糞還田量45 t/hm2。各處理均施化肥N 150 kg/hm2和P2O584 kg/hm2，試驗小區面積54 m2，無重復。供試作物為春玉米，品種1993年～1997年為煙單14號，1998年～2003年為晉單34號，2004年以后為強盛31號。玉米播種時間在4月15日～25日，收獲時間為9月20日 ～10月10日。種植密度49500～52500 plant/hm2，結合秋季深耕翻施肥，玉米生長期間不再施肥，田間管理措施主要是除草和防治病蟲害。試驗從1992年秋季開始實施，到2011年已連續進行19年，農田栽培管理措施相同。

試驗用氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為普通過磷酸鈣(含 P2O514%)。牛糞(風干)有機質含量90.5～127.3 g/kg，全氮 3.93～4.97 g/kg，全磷(P2O5)1.37～1.46 g/kg，全鉀(K2O)14.1～34.3 g/kg。玉米秸稈(風干)有機碳含量 38.1% ～44.3%，全氮7.39～9.79 g/kg，全磷0.44～0.54 g/kg，全鉀17.1～27.5 g/kg。

1.3 測定項目與方法

1.3.1玉米生物量的測定 每年在玉米成熟期，將試驗處理區分為三個小區(18 m2)，將3個小區玉米穗分別裝袋風干，脫粒稱重，計算玉米籽粒產量。

1.3.2土壤含水量的測定 1993～2011年于玉米播種前和收獲后測定各試驗小區3 m土體的土壤含水量，每20 cm為1層，土壤水分用烘干法測定。玉米耗水量根據農田水分平衡方程式計算。水分利用效率(WUE)的計算公式為:

WUE［kg/(mm·hm2)］=Y/ET (1)式中:Y為作物經濟產量;ET為作物生長期間的蒸散量(生育期耗水量)。ET的估算公式為:

ET=P+I+U+W1－(R+D+W2)(2)式中:P為生育期間降水量;I為灌水量(為零，無灌溉水);U為地下深層水分上滲量(為零，地下水深埋);R為地表徑流量(基本為零，地面平坦);D為土壤水分滲漏量(忽略不計);W1為作物播種時土壤剖面初始貯水量;W2為作物收獲后土壤剖面貯水量。公式(2)可以簡化為ET(mm)=P－(W2－W1)。

2 結果與分析

2.1 長期秸稈還田對玉米產量及經濟效益的影響

2.1.1對玉米產量的影響 秸稈還田長期定位試驗玉米籽粒產量結果(表3)表明，秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎直接還田和秸稈養畜糞肥還田都有顯著的增產效果。主要是因為秸稈還田能使玉米苗全苗壯，根系發達，植株葉片光合速率、蒸騰速率提高，土壤微生物及酶活性增加，可較好地解決深施肥與春季保墑捉全苗的矛盾和秸稈腐解與幼苗爭奪水分養分而影響玉米幼苗生長的矛盾［16－17］。3種秸稈還田處理玉米籽粒產量19年累計比對照增加13.427～24.284 t/hm2，增產幅度為11.57% ～20.92%，同時玉米秸稈增加了29.31～42.49 t/hm2，為秸稈還田提供了更為充裕的有機肥源。3種秸稈還田處理間玉米產量也存在一定差異，其高低順序為秸稈養畜糞肥還田﹥秸稈覆蓋還田﹥秸稈粉碎直接還田﹥秸稈不還田處理。

不同降水年型，秸稈還田的增產作用存在明顯差異(表4)。以正常年份產量最高，豐水年和偏豐年產量次之，再次為偏旱年份，大旱年份產量最低，偏旱年份秸稈覆蓋還田的增產效果明顯優于秸稈粉碎直接還田處理。

2.1.2對玉米經濟效益的影響 長期秸稈還田可以增加種植玉米的經濟效益(表5、表6)，秸稈還田處理的玉米純效益增加了12831～18171 yuan/hm2，增收率提高20.7%～29.4%。但秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎直接還田及秸稈養畜糞肥還田處理又分別增加了秸稈田間覆蓋、秸稈粉碎及糞肥運輸和撒施等勞動用工，秸稈養畜糞肥還田還增加了購買牛糞的成本。降水年型主要是通過影響玉米籽粒產量而對純效益產生影響，由于1999年春季大旱，玉米生長中后期又降雨偏多，低溫寡照，并有早霜嚴重危害，使玉米籽粒產量很低，導致種植玉米的負效益;1997年和2000年玉米生長期內大旱，玉米籽粒產量也偏低，因此種植玉米的效益極低或是負效益。

表3 長期秸稈還田對玉米產量的影響Table 3 Effect of long-term straw-returning on yields of maize in 1993～2011(t/hm2)

表4 不同降水年型長期秸稈還田條件下的玉米平均產量(t/hm2)Table 4 Average corn yield after 19-year continuously straw returning to field in different precipitation years

表5 長期秸稈還田不同年份的玉米純收益(Yuan/hm2)Table 5 Net benefit of corn under long-term straw-returning in 1993－2011

表6 長期秸稈還田下的玉米產量和純收益比較Table 6 Analysis of corn yields and net benefits under different treatments

2.2 長期秸稈還田對玉米水分利用的影響

雨養農業作物生產所需水分主要依靠對天然降水的利用［18］。水分高效利用的內涵為適量的水分耗散、生產盡可能豐富的經濟產量，同時維持和盡可能地增加土壤貯水，以利于可持續利用。因此，從玉米生育期耗水量、土體貯水量和玉米水分利用效率3個方面，分析秸稈還田對水分利用的長期影響。

2.2.1對玉米生育期耗水量的影響 秸稈還田長期定位試驗的玉米生育期耗水量結果(表7)顯示，長期秸稈還田可以減少玉米生育期耗水量，年均減少3.8～14.4 mm，各處理間也存在一定差異。連續19年試驗的玉米生育期平均耗水量由低到高的順序為秸稈覆蓋還田≤秸稈粉碎直接還田﹤秸稈養畜糞肥還田﹤秸稈不還田。而每年度玉米生育期耗水量的多少主要同玉米生育期降水量有關(見表8)，一般表現為正常降水年份各處理玉米生育期耗水量較多，豐水和偏豐年份次之，偏旱年份再次之，大旱年份玉米耗水量最少。

表7 長期秸稈還田對玉米生育期耗水量的影響(mm)Table 7 Effect of different treatments on water consumption at the growth stages of maize in 1993－2011

表8 不同降水年型長期秸稈還田條件下的玉米生育期平均耗水量(mm)Table 8 Water consumption at the growth stages of maize in different precipitation years

2.2.2對土壤貯水量的影響 同1992年秋季試驗農田3 m土體土壤貯水量比較，2011年秋季秸稈不還田和3種秸稈還田處理的3 m土體土壤貯水量基本維持在原有水平或有所增加(見表9、圖1)。1992年秋季，試驗農田3 m土體貯水量為634.6 mm，2011年10月秸稈不還田和秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎直接還田及秸稈養畜糞肥還田處理的3 m土體貯水量分別為641.9 mm、702.6 mm、680.9 mm、645.9 mm，均有所增加;另一方面，2011年秋季秸稈不還田、秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎直接還田、秸稈養畜糞肥還田處理間3 m土體土壤貯水分布規律也明顯不同，即，各處理100—120 cm土層以上土壤貯水量增加，分別增加了24.3 mm、40.2 mm、38.6 mm和17.4 mm;各處理100—120 cm土層以下土壤貯水量減少，各處理減少的深度和水量存在差異。秸稈不還田處理減少的貯水量和深度最大，土壤貯水量減少了17.0 mm，貯水量減少的土層深度達240 cm，甚至達到300 cm;其次為秸稈養畜糞肥還田處理，土壤貯水量減少了10.8 mm，貯水減少土層在120—220 cm范圍;秸稈粉碎直接還田處理，土壤貯水量減少了5.35 mm，貯水減少土層在120—160 cm間;而秸稈覆蓋還田處理，土壤貯水減少的土層幾乎沒有出現，只是120—140 cm土層土壤貯水量略有減少，只減少了1.3 mm。

表9 試驗前后各處理不同土層的土壤貯水量(mm)Table 9 Change of soil water storage in 19 years

圖1 長期秸稈還田對土壤貯水量分布的影響Fig．1 Effects of long-term straw-returning on soil water storage in 0－300 cm soil profiles during harvest period after 19 years

2011年10月所測定的秸稈不還田和3種秸稈還田處理間的3 m土體貯水量進行比較，長期秸稈還田可以增加土壤貯水量，19年內3 m土體多貯水4.0～60.7 mm，秸稈覆蓋還田處理的土壤貯水量增加特別明顯。由此看出，長期秸稈還田可以增加土壤深層貯水、增加對上層土壤貯水的利用，減輕土壤深層干燥化問題。

2.2.3對玉米水分利用效率的影響 秸稈還田長期定位試驗的玉米水分利用效率的研究結果(表10、表11)表明，長期秸稈還田可以提高玉米水分利用效率。同秸稈不還田處理相比，秸稈還田處理的玉米的水分利用效率19年累計平均提高2.32～3.26 kg/(hm2·mm);各處理中玉米水分利用效率由高到低的順序為秸稈養畜糞肥還田﹥秸稈覆蓋還田﹥秸稈粉碎直接還田﹥秸稈不還田。玉米水分利用效率在偏旱年份較高，大旱年份最低。秸稈覆蓋還田處理提高玉米水分利用效率的效果在偏旱年份最為明顯。

3 討論

秸稈還田對作物產量的影響效果，大家爭論了許多年［8，11，13，17，19－22］，其主要的問題在于缺乏長期的研究結果和不同秸稈還田方式效果的比較。本研究19年的結果表明，秸稈還田具有明顯的增產增收效果，但不同的秸稈還田方式和不同降水年型對玉米產量和經濟效益的影響存在明顯差異。

中國北方干旱地區的土壤干燥化問題，一直受到關注［23－26］。秸稈還田可以減輕土壤干燥化程度，特別是秸稈覆蓋還田，本試驗開始后3 m土體間土壤貯水量比以前有所增加，并沒有出現象王學春等［27－28］模擬預測的出現 1—3 m 土壤的干燥化情況，這可能和區域降水量較多及種植一年一作春玉米耗水量較低有關。

豐水年和偏豐年份的玉米產量和水分利用效率不是最高，可能原因是雖然降水量偏多，但由于玉米生長期間光熱資源不足、降水分布不合理等問題，使玉米產量比“風調雨順”的降水正常年份要偏低。因此，生產實踐中在豐水年和偏豐年份應當注意保蓄降水、減少徑流和休閑期無效耗散損失，增加土壤貯水。

4 結論

1)秸稈還田增產增收效果十分明顯。玉米籽粒產量19年累計增加13.427～24.284 t/hm2，增產幅度達11.57%～20.92%。秸稈還田處理的玉米純效益增加了12831～18171 Yuan/hm2，增收率提高20.7%～29.4%。不同秸稈還田方式的玉米產量存在差異，其產量高低順序為秸稈養畜糞肥還田﹥秸稈覆蓋還田﹥秸稈粉碎直接還田﹥秸稈不還田;在不同的降水年型中以正常年份產量最高，偏旱年份秸稈覆蓋還田的增產效果明顯優于秸稈粉碎直接還田。

表10 長期秸稈還田對玉米水分利用效率的影響［kg/(hm2·mm)］Table 10 Effects of different treatments on water use efficiency of rainfed corn in 1993－2011

表11 不同降水年型長期秸稈還田條件下的玉米平均水分利用效率［kg/(hm2·mm)］Table 11 Water use efficiency after 19－year continuously straw returning to field in different precipitation years

2)秸稈還田可以適度減少玉米生育期耗水量，19年平均玉米生育期耗水量由低到高的順序為秸稈覆蓋還田≦秸稈粉碎直接還田﹤秸稈養畜糞肥還田﹤秸稈不還田。各年度玉米生育期耗水量多少主要同玉米生育期降水量有關，一般表現為正常降水年份各處理玉米生育期耗水量較多，豐水和偏豐年份次之，偏旱年份再次之，大旱年份玉米耗水量最少。

3)1992年秋季到2011年10月試驗期間，各處理3 m土體土壤貯水量均有所增加，但各處理間土壤貯水量及分布狀況有明顯差異，土壤貯水量的高低順序為秸稈覆蓋還田﹥秸稈粉碎直接還田﹥秸稈養畜糞肥還田﹥秸稈不還田;秸稈覆蓋還田處理的土壤貯水量增加明顯。因此秸稈還田可以增加土壤深層貯水、增加對上層土壤貯水的利用，減輕土壤深層干燥化問題。

4)同秸稈不還田相比，秸稈還田各處理玉米水分利用效率19年累計平均提高了2.32～3.26 kg/(hm2·mm);各處理的大小順序為秸稈養畜糞肥還田﹥秸稈覆蓋還田﹥秸稈粉碎直接還田﹥秸稈不還田。各處理的玉米水分利用效率在偏旱年份較高，大旱年份最低。秸稈覆蓋還田處理提高玉米水分利用效率的效果在偏旱年份最為明顯。

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