寒地秸稈還田配套深松對(duì)土壤肥力及花生生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

張 鶴蔣春姬董佳樂(lè)趙新華王曉光趙姝麗劉喜波于海秋

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/花生研究所,遼寧 沈陽(yáng)110161)

花生是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物和油料作物,在國(guó)家糧食安全和對(duì)外貿(mào)易中占有重要地位。 近年來(lái),隨著需求量日益增加,我國(guó)東北地區(qū)花生種植面積有所增加,以遼寧花生生產(chǎn)發(fā)展最為迅速。 據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年遼寧省花生種植面積達(dá)28.61萬(wàn)hm2,成為除玉米和水稻外的第三大農(nóng)作物[1]。 然而,遼寧省地處高緯度,且近55%的花生種植于遼西風(fēng)沙半干旱區(qū),該區(qū)春季風(fēng)多風(fēng)大,降水稀少,土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。 為提高花生產(chǎn)量,節(jié)約成本,當(dāng)?shù)剞r(nóng)民依靠化肥投入,使用小型旋耕機(jī)進(jìn)行田間作業(yè),長(zhǎng)期掠奪性生產(chǎn)導(dǎo)致該區(qū)土壤肥力下降、土壤活性變差、耕層變淺[3]。 季節(jié)性低溫、干旱以及較低的土壤肥力成為限制遼寧省花生生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵性因素。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,適宜的耕作方式和栽培措施對(duì)維持土壤水、肥、氣、熱平衡,營(yíng)造適合作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件極為有效。 作物秸稈中含有大量的有機(jī)碳和作物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,還田后能提高土壤肥力,是循環(huán)利用養(yǎng)分資源、提高產(chǎn)量和培肥地力的重要措施[4]。 有研究表明,秸稈腐解可顯著增加土壤中的氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)含量,提高花生植株?duì)I養(yǎng)器官干物質(zhì)積累,增加籽仁中的養(yǎng)分比例,促進(jìn)養(yǎng)分向籽仁轉(zhuǎn)移,從而增加產(chǎn)量[5]。 秸稈還田可增加氮素供給源和土壤氮素有效性[6],提高水稻中的氮素積累和氮素吸收利用效率,從而促進(jìn)水稻中后期根系及植株的生長(zhǎng)[7]。 此外,秸稈還田還可以抑制土壤表面水分的無(wú)效蒸發(fā),達(dá)到蓄水保墑、提高水分利用率的效果[8],同時(shí)在低溫條件下能增加土壤溫度,緩解低溫冷害,從而保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育[9]。 深松耕種可有效打破犁底層,增加土壤耕層厚度,改善土壤通氣性,促進(jìn)作物根系下扎,是建立合理耕層結(jié)構(gòu)的有效措施[10-11]。 肖繼兵等[12]研究表明,深松耕種可使大豆根系入土深度增加3 cm,根干質(zhì)量增加15.1%,產(chǎn)量提高19.47%;玉米根干質(zhì)量增加3.6%～6.1%,單產(chǎn)增加1.9%～11.3%,且在干旱年份增產(chǎn)效果尤為明顯。 因此,近年來(lái)常采用秸稈還田配套深松的耕作模式來(lái)實(shí)現(xiàn)培肥地力和構(gòu)建理想耕層的綜合提升效應(yīng)[13-14]。

然而,由于耕作制度和生態(tài)條件的不同,研究結(jié)論存在較大差異,在理論和實(shí)踐上仍存在諸多問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。 由于所處寒地的自然環(huán)境限制,目前遼寧地區(qū)秸稈還田配套深松技術(shù)發(fā)展緩慢,關(guān)于其對(duì)花生生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響更是鮮見報(bào)道。 本課題組在2010年開始的長(zhǎng)期大田定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),秸稈分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化是個(gè)緩慢的過(guò)程,秸稈還田對(duì)土壤肥力和花生產(chǎn)量的影響在短期內(nèi)難以體現(xiàn),同時(shí)秸稈還田還應(yīng)注意還田量的影響,秸稈還田量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致缺苗、弱苗甚至死苗現(xiàn)象的發(fā)生。 因此,本研究基于前期篩選出的不影響春季出苗的半量秸稈還田方式,探究了秸稈還田配套深松耕作模式對(duì)土壤肥力及花生生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響,以期為寒地土壤肥力提升、合理耕層構(gòu)建和花生綠色增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017年和2018年在遼寧省阜新市平安地鎮(zhèn)土城子村進(jìn)行,自2010年起開始進(jìn)行秸稈還田配套深松長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。 試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古高原與遼河平原的中間過(guò)渡帶,北緯42°10′,東經(jīng)122°00′。 屬北溫帶大陸型季風(fēng)氣候,年降水量約480 mm,6-9月降水量約125 mm,平均無(wú)霜期154 d。 供試土壤為風(fēng)沙土,土質(zhì)較為疏松,長(zhǎng)期旋耕造成犁底層較淺,土壤基礎(chǔ)理化性狀:有機(jī)質(zhì)含量9.08 g/kg、全氮含量0.53 g/kg、堿解氮含量48.46 mg/kg、速效磷含量17.32 mg/kg、速效鉀含量78.67 mg/kg、p H 值6.84。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以花生品種農(nóng)花5號(hào)為試驗(yàn)材料,施肥量、施肥方法、播種時(shí)期及田間管理等依當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)4個(gè)處理:旋耕(T1)、旋耕+深松25 cm(T2)、旋耕+秸稈還田6000 kg/hm2(T3)、旋耕+深松25 cm+秸稈還田6000 kg/hm2(T4),每處理重復(fù)3次,小區(qū)面積45 m2(9 m×5 m,10行區(qū))。 先將玉米秸稈粉碎成長(zhǎng)度5 cm 左右小段,平鋪于T3和T4處理小區(qū),然后進(jìn)行旋耕,保證秸稈大部分入土,再對(duì)T2 和T4處理小區(qū)進(jìn)行深松25 cm。 于5月11日播種,9月25日收獲,行距50 cm,株距10 cm,雙粒播種,種植密度為21萬(wàn)株/hm2。 分別于播種后的25 d(6月5日)、60 d(7月10日)、85 d(8月4日)和118 d(9月6日)對(duì)苗期、開花下針期、結(jié)莢期和飽果成熟期的植株進(jìn)行取樣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 根系形態(tài)

分別于苗期、開花下針期、結(jié)莢期和飽果成熟期對(duì)各處理的花生根系進(jìn)行取樣,每處理取6株,裝入網(wǎng)袋中沖洗干凈。 利用WinRHIZO Program(Regent Instruments Inc.,Canada)根系掃描分析系統(tǒng)測(cè)定總根長(zhǎng)、根表面積和根體積等指標(biāo)。

1.3.2 根系干物質(zhì)積累量

利用烘干法測(cè)定。

1.3.3 根系吸收面積和活力

用甲烯藍(lán)吸附法測(cè)定根系總吸收面積、活躍吸收面積,并計(jì)算活躍吸收面積/總吸收面積。 采用TTC還原法測(cè)定根系還原力,TTC 還原速率(μg·g-1·h-1)=TTC還原量/(根質(zhì)量×?xí)r間)。

1.3.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

花生收獲前,從每個(gè)處理小區(qū)中隨機(jī)選取5株,測(cè)定單株飽果數(shù)、百果質(zhì)量、百仁質(zhì)量和出仁率。 此外,選取每個(gè)小區(qū)12 m2面積內(nèi)(4行,行長(zhǎng)5 m)的莢果,曬干后測(cè)定產(chǎn)量。

1.3.5 土壤理化性狀

分別于2017年和2018年春播前及秋收后采取土壤樣品,采用5點(diǎn)法取0～20 cm、20～40 cm土層土樣,所有樣品均在壟臺(tái)上采集。 采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重和土壤孔隙度(土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)。 電位法測(cè)定土壤p H。

1.3.6 土壤養(yǎng)分

采用硫酸—重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量;采用半微量凱氏法測(cè)定土壤全氮含量;采用1 mol/L NaOH 堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮含量;采用碳酸氫鈉浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量;采用乙酸銨提取—火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與方差分析,采用LSD 法對(duì)平均數(shù)間差異顯著性進(jìn)行處理,利用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配套深松對(duì)土壤理化性狀的影響

圖1 秸稈還田和深松對(duì)土壤理化性狀的影響Fig.1 Effects of straw returning and subsoiling on soil physical and chemical properties

良好的通水透氣條件能增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與供應(yīng),從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。 如圖1A 所示,2017年,秸稈還田與深松處理對(duì)各土層土壤含水量無(wú)明顯 影 響;2018 年,與T1 處 理 相 比,T2、T3 和T4處理使0～20 cm 土層土壤含水量分別增加了3.16%、9.42%和9.21%,但對(duì)20～40 cm 土層影響不顯著。 秸稈還田和深松處理可顯著影響各土層土壤孔隙度(圖1B),在0～20 cm 土層,T2處理的土壤孔隙度最大,2017年和2018年分別增加了17.89%和16.48%;在20～40 cm 土層,與T1相比,T2、T3 和T4 處理的土壤孔隙度均顯著增加。 秸稈還田和深松處理下各土層的土壤容重有所降低,尤其以0～20 cm 土層變化幅度最大,且T2處理顯著低于其他三個(gè)處理(圖1C)。由圖1D 可看出,2017 年和2018 年各土層土壤p H 值介于5.82～6.25之間,顯著低于基礎(chǔ)土壤的p H 值,但各處理之間差異不顯著。

2.2 秸稈還田配套深松對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

表1可知,與對(duì)照相比,2017年各處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量未發(fā)生明顯變化,2018年T3和T4處理顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,增加幅度分別為12.70%和18.11%。 T3和T4處理下,0～25 cm土層中全氮、堿解氮和速效鉀的含量均顯著增加,全氮含量分別增加(兩年平均)29.83%和39.44%,堿解氮含量分別增加了20.13%和29.23%,速效鉀含量分別增加了11.45%和25.55%。 而土壤中速效磷的含量?jī)H在T4處理下顯著增加,在其他各處理下的變化并不顯著。

2.3 秸稈還田配套深松對(duì)花生根系形態(tài)的影響

2017年和2018 年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,同一生長(zhǎng)時(shí)期不同處理下花生植株的總根長(zhǎng)差異顯著(圖2)。 在苗期和開花下針期,與T1相比,T2和T4處理下花生植株的總根長(zhǎng)顯著增加,而T3處理下未發(fā)生顯著變化。 在結(jié)莢期和飽果成熟期,T2、T3和T4處理下花生植株的總根長(zhǎng)均顯著增加,其中結(jié)莢期的增加幅度最大,各處理的總體增長(zhǎng)表現(xiàn)為T4＞T2＞T3。

表1 深松和秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響(0～25 cm 土層)Table 1 Effects of straw returning and subsoiling on soil nutrient content(0～25 cm soil layer)

圖2 秸稈還田和深松對(duì)花生植株總根長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of straw returning and subsoiling on total root length of peanut plants

植物的根表面積能體現(xiàn)出根系吸收水分和養(yǎng)分的能力。 圖3可知,隨著花生植株生長(zhǎng),根表面積呈逐漸增大的趨勢(shì),但從結(jié)莢期開始,植株根系趨向衰老,根表面積也逐漸縮小。 同時(shí),秸稈還田和深松可對(duì)植株根表面積造成顯著影響,各處理下花生植株的根表面積在四個(gè)生育時(shí)期均有所增加,其中結(jié)莢期和飽果成熟期的變化最為明顯,且T4處理下的根表面積最大,T2處理次之。

圖3 秸稈還田和深松對(duì)花生植株根表面積的影響Fig.3 Effects of straw returning and subsoiling on root surface area of peanut plants

圖4 秸稈還田和深松對(duì)花生植株根體積的影響Fig.4 Effects of straw returning and subsoiling on root volume of peanut plants

圖5 秸稈還田和深松對(duì)花生植株根干質(zhì)量的影響Fig.5 Effects of straw returning and subsoiling on root dry mass of peanut plants

由圖4可知,秸稈還田和深松處理下各生育時(shí)期花生植株根體積也會(huì)發(fā)生顯著變化。 在幼苗期和開花下針期,各處理下的植株根體積均顯著增加,但處理間差異不顯著。 在結(jié)莢期和飽果成熟期,各處理下根體積的增加幅度顯著提高,T4處理下的根體積最大,而T2和T3處理間差異不顯著。

與T1相比,T2、T3和T4處理下花生植株的根干質(zhì)量在各生育時(shí)期均顯著增加,且各處理之間存在一定差異(圖5)。 在幼苗期,三個(gè)處理下的根干質(zhì)量差異較小,但隨著植株的生長(zhǎng),T4處理下的根干質(zhì)量迅速增加,在結(jié)莢期達(dá)到最大值。 同時(shí),在飽果成熟期,T4處理下的根干質(zhì)量下降幅度最小,因此在成熟后期依然可以保持在較高水平,顯著高于T2和T3處理下的根干質(zhì)量。

2.4 秸稈還田配套深松對(duì)花生根系活力的影響

秸稈還田和深松處理下花生各生育時(shí)期根系活躍吸收面積如圖6所示,在苗期,T2、T3和T4處理下花生植株的根系活躍吸收面積均顯著增加,但處理之間差異不顯著。 在開花下針期和結(jié)莢期,T3和T4處理下的根系活躍吸收面積最大,且與T2處理差異顯著。 在飽果成熟期,T2處理下的根系活躍吸收面積大幅度下降,三個(gè)處理之間呈極顯著差異,總體表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1。

根系的還原力可以從一定程度上反映出根系的代謝情況以及根系對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收能力,根系的還原力強(qiáng),根系的吸收能力就強(qiáng)。 秸稈還田和深松處理下花生各生育時(shí)期的根系還原力變化如圖7所示,在苗期、開花下針期和結(jié)莢期,與T1處理相比,T2、T3和T4處理下的根系還原力均顯著增加,其中T4處理下的根系還原力增加幅度最大,T3次之,T2處理增加幅度最小。 在飽果成熟期,各處理下的根系還原能力均明顯減弱,其中T2處理與T1處理無(wú)顯著差異,而T3和T4處理下的根系還原能力依然較強(qiáng)。

圖6 秸稈還田和深松對(duì)花生根系活躍吸收面積的影響Fig.6 Effects of straw returning and subsoiling on root active absorption area of peanut plants

圖7 秸稈還田和深松對(duì)花生根系還原力的影響Fig.7 Effects of straw returning and subsoiling on root reducing capacity of peanut plants

2.5 秸稈還田配套深松對(duì)花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

通過(guò)測(cè)定各處理下花生的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素可知(表2),與對(duì)照相比,秸稈還田和深松處理下花生的出仁率未發(fā)生顯著變化,而單株飽果數(shù)、百果質(zhì)量、百仁質(zhì)量和莢果產(chǎn)量均有所增加。 其中,T4處理下的產(chǎn)量增加幅度最大,于2017年和2018年分別增加了17.64%和28.12%,T2處理下的產(chǎn)量增加幅度最小。 且T1和T2處理之間差異不顯著,T3與T4處理之間差異不顯著。

表2 深松和秸稈還田對(duì)花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of straw returning and subsoiling on yield and its components

3 結(jié)論與討論

合理的耕層結(jié)構(gòu)和較高的土壤肥力有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育,是作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證。針對(duì)部分地區(qū)土壤耕層薄化、土壤肥力降低等問(wèn)題,大量研究表明,深松可使土壤底層得到疏通,提高土壤的儲(chǔ)水能力和透氣性,作物殘?bào)w還田能為土壤提供可速效利用的碳和氮等養(yǎng)分,增加土壤有機(jī)質(zhì),因此,深松和秸稈還田可作為改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力的有效措施[5,15-17]。 然而,目前大部分秸稈還田主要集中在光熱水資源豐富的地區(qū)進(jìn)行,寒地秋季收獲期集中,冬季封凍時(shí)間長(zhǎng),土壤溫度較低,氣候干燥,直接還田秸稈分解速度緩慢,操作不當(dāng)會(huì)影響春季土壤的墑情、播種及秋季作物的產(chǎn)量,因此短期研究未取得顯著結(jié)果[18-19]。 本研究基于自2010年開始的連續(xù)7年秸稈還田配套深松定位試驗(yàn),結(jié)果表明,深松、秸稈還田和秸稈還田配套深松處理下0～20 cm 土層土壤含水量分別增加了3.16%、9.42%和9.21%,而20～40 cm 土層含水量并未發(fā)生顯著變化,表明深松和秸稈還田處理可顯著增加表層土壤含水量。 同時(shí)各處理下0～40 cm 土層的土壤孔隙度均顯著增加,土壤容重均顯著降低,且深松處理變化幅度較大,表明深松耕作是提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤結(jié)構(gòu)的有效措施。 此外,與傳統(tǒng)耕作模式相比,秸稈還田和秸稈還田配套深松處理可顯著增加土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀的含量,尤其以全氮和堿解氮的含量增加幅度最大,為土壤中的根系生長(zhǎng)和莢果發(fā)育創(chuàng)造了良好條件,而深松處理變化并不顯著,這與韓上等[17]得出的結(jié)論相一致。

根系是植物養(yǎng)分吸收的重要器官,合理的根系空間分布有利于植物吸收更多的水分、養(yǎng)分,也有利于作物地上部的生長(zhǎng)發(fā)育,提高根系和地上部的協(xié)同作用[20]。 深松措施也可顯著增加作物的根長(zhǎng)、根深及根量,為有效利用深層土壤水分及養(yǎng)分創(chuàng)造了條件,進(jìn)而使產(chǎn)量提高[21]。 黃毅等[22]研究表明,秸稈深松還田能增強(qiáng)玉米扎根性能,擴(kuò)展根系分布空間,扎根深度可增加5～10 cm。 本研究中,深松及秸稈還田配套深松處理下花生的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積均高于其他處理,說(shuō)明根系生長(zhǎng)環(huán)境得到改善,根系生長(zhǎng)空間充足,促進(jìn)了根系發(fā)育。 其中,秸稈還田配套深松處理的各項(xiàng)指標(biāo)均最高,根干質(zhì)量積累最快,在結(jié)莢期達(dá)到最大積累量,并在飽果成熟期時(shí)下降幅度較小,使成熟后期可獲得較大的根干質(zhì)量,保持較高的根系吸收能力,維持根系不早衰,為營(yíng)養(yǎng)的吸收與運(yùn)輸提供良好條件。 因此,深度秸稈還田能促進(jìn)花生植株根系形態(tài)發(fā)育,有效提高根系的水分和養(yǎng)分吸收能力。

作物產(chǎn)量是一個(gè)系統(tǒng)管理水平與土壤生產(chǎn)力的綜合反映,也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。趙繼浩等[23]研究表明,在相同的耕作方式下,與秸稈不還田處理相比,秸稈還田處理后土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著提高,土壤細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量顯著增加,從而增加了花生植株的干物質(zhì)積累量,提高了花生莢果產(chǎn)量和籽仁產(chǎn)量。 而深松處理可改善10～30 cm 土層的土壤理化性質(zhì),秸稈還田結(jié)合深松處理可使花生的莢果產(chǎn)量和籽仁產(chǎn)量分別提高10.00%和11.77%。 高波等[24]研究表明,秸稈還田可顯著提高花生籽仁的粗脂肪、蛋氨酸、苯丙氨酸含量和雙仁果率、單果質(zhì)量,對(duì)提高產(chǎn)量有一定作用。 另有研究表明,秸稈還田處理在增加土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)上,還尤其顯著提高了籽仁對(duì)養(yǎng)分的吸收能力,促進(jìn)籽仁的干物質(zhì)積累,提高產(chǎn)量[5]。本研究中,秸稈還田和秸稈還田配套深松處理下的單株飽果數(shù)、百果質(zhì)量、百仁質(zhì)量和莢果產(chǎn)量均顯著增加,且秸稈還田配套深松處理的產(chǎn)量增加幅度較大,而深松處理下各產(chǎn)量指標(biāo)未發(fā)生顯著變化,表明秸稈還田對(duì)花生的產(chǎn)量形成具有促進(jìn)作用,尤其以深度秸稈還田增產(chǎn)效果最為明顯,而單純的深松措施對(duì)花生的增產(chǎn)效果并不顯著,這可能是由于秸稈還田處理下土壤中的養(yǎng)分含量增加,尤其是氮素含量的增加,促進(jìn)了產(chǎn)量的形成。 同時(shí)在秸稈還田配套深松處理中,除了有養(yǎng)分的輸入外,深松還促進(jìn)了根系的生長(zhǎng),提高了根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力,使得增產(chǎn)效果更為明顯。

以上結(jié)果表明,秸稈還田配套深松技術(shù)可顯著改善土壤的理化性狀,增加土壤養(yǎng)分,促進(jìn)花生根系的生長(zhǎng)及對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力,進(jìn)而提高花生產(chǎn)量。 由此認(rèn)為,長(zhǎng)期秸稈還田配套深松措施適合寒地的花生生產(chǎn)實(shí)際情況。