秸稈堆腐還田對風沙土土壤性質和玉米產量的影響

劉慧嶼何志剛董 環王秀娟韓英祚趙 穎

(遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所,遼寧 沈陽 110161)

阜新市彰武縣位處科爾沁沙地南部北方農牧交錯帶中,是我國半干旱農牧交錯帶的典型代表區域,土壤非常貧瘠,需要進行有機質提升種養結合的種植栽培模式。玉米秸稈含有豐富的有機碳和大量的氮、磷、鉀、硅等礦質營養元素[1],占作物生物量50%以上,是極為豐富且能直接利用的可再生有機資源,也是農業生產中最經濟有效的有機養分資源,對保持和提高土壤肥力以及農業的可持續發展均有重要作用[2～3]。秸稈還田可顯著提升土壤有機質含量[4],對土壤理化性狀具有顯著的改善作用[5～6],明顯增強土壤的蓄墑保肥能力[7],保障玉米豐產高產的可持續性,但是不同生態環境適宜不同還田方式,增產效果也略有差異。

秸稈直接還田和秸稈堆腐還田均可提高土壤有機質改良土壤。秸稈進入土壤中,纖維素、木質素和半纖維素、蛋白質等組成物質在土壤中腐解和發酵后轉化成土壤有機質[8],當面臨低溫,干旱環境,秸稈腐解會面臨土壤穩定性差、玉米定殖效率低以及與土著微生物競爭生態位等問題[9]。秸稈堆腐還田是通過接種腐熟劑,改變秸稈中不易分解的纖維素、木質素等物質的還田狀態,加速田間秸稈降解和養分釋放[10],以達到種養結合的目的。

因此,本研究針對北方寒涼缺水風沙土地區玉米秸稈還田關鍵瓶頸問題,采用自選菌種對冷涼區秸稈進行低溫秸稈腐熟后,通過大田定位試驗比較秸稈堆腐還田、秸稈粉碎還田和有機糞肥還田對玉米產量及土壤特性的影響,為促進玉米生產、合理利用資源和保護環境提供應用理論依據。

1 試驗區概況與研究方法

1.1 自然概況

風沙土試驗基地位于遼寧省阜新市彰武縣西六家子鄉忙海林子村(E122.36,N42.15),氣候干旱多風,土壤貧瘠。年均氣溫5.9～6.1 ℃,年降雨量450～500 mm,年蒸發量1 300～1 880 mm,無霜期150 d。土壤類型為風沙土。其基本理化性狀詳見表1。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗于2019 年4 月開始,目前連續進行2 年,本文樣品采于2020 年。供試作物為玉米,品種為“東單1331”,種植密度為6 萬株/hm2。堆腐秸稈由遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所土壤研究室提供。

試驗設置5 個處理:(1)不施肥(CK);(2)常規施肥(CF);(3)有機糞肥(MF);(4)秸稈粉碎還田(SF);(5)秸稈堆腐還田(DSF)。每個處理設3 個重復,小區面積為28 m2,處理間等N、P、K(N 280 kg/hm2,P2O590 kg/hm2,K2O 90 kg/hm2),不同處理不同有機物質分別替代30%化學N 素肥料。將有機肥料和20%化學N 素肥料,連同P、K 肥作為底肥一次性施用,其余50%氮素以尿素(N 46%)形式分拔節期、灌漿期、乳熟期3 次滴灌追入田中,其他田間管理按當地常規進行。

表1 試驗地土壤基本理化性質 (0～20 cm)

1.3 樣品采集與測定

玉米產量測定于成熟期整個小區測產,并按重量均值法選代表性果穗 10 穗,待自然風干后考種。作物收獲期,進行土壤樣品采集,每個小區隨機選取 5 點,測定深度為耕地表層0～20 cm,混合為1 個樣品帶回室內自然晾干過篩,用于測定土壤基本的理化性質。作物追肥前以及上凍前采集表層0～20 cm 土壤樣品進行水分測定。土壤樣品測定均采用常規方法。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 軟件對數據進行處理和繪圖,采用SPSS 20.0 統計分析軟件并使用Duncan 檢驗進行多重比較對數據進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 堆腐秸稈對玉米產量特征的影響

秸稈堆腐還田對風沙土玉米產量要素的影響見圖1。CK、CF、MF、SF和DSF處理玉米籽粒產量分別為2342kg/hm2、8752kg/hm2、9656kg/hm2、8986kg/hm2和11627kg/hm2;秸稈產量分別為5246kg/hm2、9404kg/hm2、10814kg/hm2、10577kg/hm2和11463kg/hm2。與常規施肥相比,有機添加MF、SF和DSF處理玉米籽粒產量分別增加了10.33%、2.68%和32.85%,其中SF處理產量增加不穩定,其余處理產量顯著增加;玉米秸稈產量分別增加了14.99%、12.47%和21.90%,處理間差異顯著。比較3 種有機替代處理,MF和DSF 增產效果比較穩定,與MF 相比,DSF 處理籽粒產量和秸稈產量均顯著增加,分別增加了 20.42% 和6.01%。

圖1 秸稈堆腐還田玉米產量

2.2 堆腐秸稈對土壤速效養分的影響

秸稈堆腐還田對風沙土速效養分要素的影響詳見表2。堿解氮含量CK、CF、SF、MF 和DSF 不同處理依次增加。與常規施肥相比,有機替代SF、MF 和DSF 不同處理分別增加了2.07%、5.32%和6.85%,差異顯著。其中,MF 和DSF 處理堿解氮含量最高,二者之間差異不顯著。有效磷含量CK、CF、MF、SF 和DSF 處理依次增加。與常規施肥相比,有機替代MF、SF 和DSF 處理分別增加了6.03%、7.77%和12.78%,差異顯著,其中DSF 處理有效磷含量最高。有效鉀含量CK、CF、MF、SF 和DSF 處理逐漸增加,與常規施肥相比,有機替代MF、SF 和DSF 處理分別增加了4.83%、5.91%和7.83%,差異顯著,其中DSF處理有效鉀含量最高。

表2 秸稈堆腐還田土壤速效養分

2.3 堆腐秸稈對土壤水分的影響

秸稈堆腐還田對風沙土動態水分變化情況見圖2。有機替代的添加可以顯著增加風沙土土壤水分含量,隨著溫度的升高和植株水分需求量的增加,處理間土壤水分含量差異逐漸減小,但依舊有顯著差異。不同處理間6月下旬含土壤水量差異最大,在5.50%～14.75%之間,SF處理土壤含水量最大;與常規施肥相比,土壤含水量有機替代MF、SF 和DSF 處理分別增加了111.88%、121.62%和97.69%。玉米收獲后,處理間土壤含水量差異依舊顯著,在7.02%～8.61%之間,SF 和DSF 處理土壤含水量最高;與常規施肥相比,有機替代MF、SF 和DSF 處理分別增加了12.66%、16.25%和16.29%。

圖2 秸稈堆腐還田土壤水分動態變化

2.4 堆腐秸稈對土壤有機質的影響

秸稈堆腐還田對風沙土有機質的影響見圖3。經過兩年的定位實驗不同處理間土壤有機碳有了一定的改變,分布在5.97～8.17 g/kg,有機替代的添加可以穩定并緩慢增加風沙土土壤有機碳含量。與常規施肥相比,MF、SF 和DSF 處理土壤有機質分別增加了12.56%、20.60%和23.12%,差異顯著。其中,SF 和DSF 處理土壤有機質增加最多,但兩處理統計學上差異不顯著。

圖3 秸稈堆腐還田土壤有機碳含量

3 結論與討論

研究表明,在風沙土環境下,綜合比較玉米產量和土壤理化性質等指標,秸稈堆腐還田有機替代N 素30%模式優于傳統糞肥有機替代,亦優于秸稈粉碎直接還田。初步達到用養結合,豐產、增效以及保育土壤的多重目標,可以在風沙土半干旱區繼續深入試驗研究,為風沙土用養結合提供理論依據。

傳統糞肥有機替代,秸稈粉碎還田和秸稈堆腐還田均有一定土壤培肥、保墑能力和增產增效作用,但適用土壤環境不同[11～14]。作物秸稈直接粉碎還田有利于土壤腐殖質組成的更新和物理性狀的改善,促進土壤養分循環[15],但禾本科秸稈直接還田對于土壤墑情和溫度要求較高,條件不適宜會出現前期“黃弱苗”等現象[16～17]。當土溫過低,田間持水量少于20%時玉米秸稈腐解幾乎停止[18],而遼西風沙土區滿足這個要求的時間段很短,從本實驗結果也可以看出,秸稈粉碎直接還田對玉米增產作用不穩定。由于玉米秸稈本身鉀含量和含碳量均較高,還田后使土壤速效鉀含量和有機碳含量明顯上升,這也是秸稈堆腐還田優于傳統糞肥有機替代的原因,秸稈中的鉀素釋放比肥料鉀慢,在風沙土中供給效果優于肥料鉀,充足的鉀素供應可保證玉米生長代謝的正常進行和健壯生長,是增產穩產的關鍵。

綜上,本研究結果證實在遼西風沙土區,秸稈堆腐還田可以顯著提高土壤生育期內土壤水分含量和鉀含量供給能力,穩定土壤有機質含量,并提高玉米產量的穩定性。