不同秸稈還田耕作模式對耕層土壤質量、玉米根系發育及氮積累的影響

常 程劉 晶史 磊韓 雷趙海巖

(1.遼寧省農業科學院玉米研究所,遼寧 沈陽 110161; 2.沈陽農業大學附屬實驗場,遼寧 沈陽 110161)

玉米是我國重要的糧食、飼料、工業原料作物,耕地質量的好壞關系玉米產業的高產、穩產與可持續發展,更是我國農業高質量發展的重要一環。遼寧是我國玉米主產區之一,但當前土壤耕層質量下降,保水保肥性能差等問題已成為了玉米產業實現高產、穩產、節本目標的重要障礙因子,而適宜的秸稈還田耕作可以調節土壤的水、肥、氣、熱、微生物等環境因素,是改善土壤質量、穩定玉米產量、實現節本增效的有效措施。有學者研究認為,苗帶鎮壓行間深松、虛實并存耕層有利于促進地上部養分積累,改善土壤結果,提高含水量[1～3],深松顯著增加玉米耕層厚度,降低犁底層厚度,降低中下層土壤緊實度和容重,改善根系發育提高玉米產量[4～6],但長期連續深松并不能獲得持續增產與培肥土壤效果,應采用免耕、翻耕、深松等輪耕方式[7]。也有學者研究得出,翻耕結合秸稈還田有利于改善土壤理化性狀,有利于玉米生長和產量的提高[8～11];旋耕留高茬行間深松——少耕和免耕顯著增加玉米田上層土壤總碳氮含量,利于土壤質量提升[12];呂秋爽等通過整合文獻分析發現,免耕增加土壤容重和穿透阻力,減少了土壤含水量,顯著降低玉米根長等指標,且降低了玉米產量[13]。

可見,前人在不同生態區針對秸稈還田耕作模式對土壤理化性狀、微生態環境、玉米干物質、養分積累及根系發育等方面開展了大量研究,但耕作方式對土壤質量、玉米生長發育及產量的影響更受氣象因素、土壤類型等不同生態環境條件影響[14～17],因而研究結果不完全一致。據此,基于目前遼寧玉米生產中秸稈還田耕作模式多樣的前提下,本試驗結合學者研究及前期試驗篩選,選用遼寧地區3種主要應用的輕簡化耕作模式,以常規旋耕為對照,通過不同模式對玉米耕層土壤質量及玉米生長發育的影響研究,旨在篩選適宜遼寧生態區玉米耕層質量提升的最佳方式,為機械化耕層質量改良、玉米高產穩產集成技術組裝提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019～2020年在沈陽沈北小洋河村遼寧省農業科學院試驗基地進行,以當地主栽熟期相同的中晚熟玉米品種遼單575為試材開展大田試驗。試驗設置4個秸稈還田耕作模式,T1:滅茬旋耕(常規模式),旋耕深度為16 cm、T2:深松+旋耕,深松深度35 cm,旋耕深度16 cm、T3:深松+秸稈覆蓋還田,深松35 cm、T4:深翻+秸稈扣埋還田,深翻深度30 cm。每個處理3次重復,隨機區組排列。5月3日(2019)、4月26日(2020)播種,種肥一次性施入長效復合肥900 kg/hm2,種植密度為60 000株/hm2,小區面積72.0 m2,田間管理同大田。試驗地0～40 cm耕層試驗前土壤pH值5.9,有機質11.31 g/kg,全氮0.070%,全磷0.047%,全鉀1.5%,速效氮72 mg/kg,有效磷10.4 mg/kg,速效鉀81 mg/kg。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤樣品采集及檢測

在玉米播種前生長關鍵時期取0～40 cm土壤樣品,取土同時用硬度計測定土壤硬度,并用環刀,鋁盒取土測定土壤容重及土壤含水量。土樣取回后,分別放入風干盤,室內通風陰干,用元素分析儀測定土壤化學指標。

1.2.2 植株樣品采集及檢測

在玉米生長關鍵時期采用土壤剖面挖掘法采集根系指標,垂直于壟向,以植株為中心挖一半行距及株距范圍內深度為40 cm土體,人工挑出可見根系,沖洗干凈后,用尺測定根長等數據,烘干后測定根系干重。在成熟期,每區取代表性植株3株,將地上部粉碎烘干后稱重,用元素分析儀測定植株氮含量。

成熟期收獲2行果穗曬干后室內考種及脫粒測產,以含水量14%折算產量。

1.3 數據分析

試驗數據取兩年均值。采用Excel 2013和DPS 18.1進行數據處理和方差計算及作圖。

1.4 試驗氣象條件

2019年、2020年氣象情況見圖1和圖2所示。

圖1 2019年氣象情況Figure 1 Meteorological conditions in 2019

圖2 2020年氣象情況Figure 2 Meteorological conditions in 2020

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田耕作模式對耕層土壤物理性狀的影響

在上一年秋收后進行耕整地,播前土壤取樣測定的數據表明,T1處理耕層土壤含水量在播前和成熟后顯著低于其他3個處理,而T3和T4處理的耕層土壤孔隙度顯著高于T1和T2處理,其中T4處理在兩個生育時期均最高,分別為51.3%和48.4%;耕層土壤容重為T4處理最低,T1處理最高(表1)。因此,兩年T4處理較常規處理T1提高了耕層土壤播前及成熟時含水量2.6 和1.8個百分點、增加了孔隙度3.1和4.9個百分點、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,說明深翻+秸稈扣埋還田改善耕層土壤物理結構效果最好,其次為深松+秸稈覆蓋處理。

表1 耕層土壤物理性狀Table 1 Physical properties of plough layer soil

2.2 不同秸稈還田耕作模式對耕層土壤化學特性的影響

兩年的秸稈還田耕作模式處理改變了0～40 cm耕層土壤全N、全P、全K、有機質含量,對pH值影響較小(圖3)。4個處理對土壤全N含量影響趨勢不同,T2和T3處理提高了土壤全N含量,T1和T4處理略有下降;T2和T4處理提高了土壤全P含量,較試驗前增加了13.0%和11.3%,而T1和T3處理對土壤全P含量影響較小;從對耕層土壤全K和有機質含量的影響來看,4個處理均不同程度提高了全K含量,較試驗前增加了0.6%～5.5%,同時也增加了有機質含量,較試驗前增幅為3.5%～18.3%。除對土壤全N含量影響趨勢不一致外,T2、T3、T4處理較常規旋耕處理有利于改善土壤質量,尤其是對有機質含量影響較大,其中,T4處理在土壤各養分指標測定中表現出了高值,提高耕層土壤養分含量效果較好。

圖3 耕層土壤化學特性Figure 3 Chemical properties of plough layer soil

2.3 不同秸稈還田耕作模式對根系發育的影響

通過不同秸稈還田耕作處理對玉米根系生長發育的影響可見(圖4～圖5),4個處理的根條數及根干重均隨著生育進程的推進先升高后降低,根條數在拔節期至吐絲期達到高值,而后下降;根干重從苗期到拔節期再到吐絲期勻速增長,在吐絲期達到最高值,而后緩慢下降。在不同生育時期,T4處理均在根條數、根干重顯示出最高值,較常規旋耕處理T1根條數增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%,其次為T3、T2,T1處理最低。可見,深翻+秸稈扣埋還田增加了根量及根干重,奠定了植株良好生長的基礎。

圖4 各生育時期根條數Figure 4 Number of roots at each growth stage

圖5 各生育時期根干重Figure 5 Dry weight of root at each growth

2.4 不同秸稈還田耕作模式對成熟期植株氮積累的影響

氮素是玉米植株生長的大量必需養分,成熟時期分析植株單株莖葉器官和籽粒氮積累量可知,4個處理間差異顯著。T4處理下植株顯著獲得了最高的氮積累量,較常規旋耕T1處理植株氮積累量增加了38.7%,籽粒氮積累量增加了31.5%,其次為T3、T2處理,T1處理植株氮積累量最低(圖6)。

圖6 成熟期植株氮素積累Figure 6 Nitrogen accumulation per plant at maturity stage

2.5 不同秸稈還田耕作模式對產量及構成因素的影響

從圖7可知,4個處理下玉米產量間差異顯著,T4處理下產量最高,為12 852.9 kg/hm2,T2和T3差異不顯著,T1處理產量最低,T4較T1處理產量提高了11.8%。本試驗中,收獲區未發生空稈率,故單位面積穗數相同,產量構成因素主要分析穗粒數和百粒重。從穗粒數和百粒重看,均表現為T4處理高于其他3個處理,較常規旋耕處理T1穗粒數增加了10.6%、百粒重增加了6.2%,T1處理最低。因此,T4處理通過提高果穗粒數和百粒重最終提高了產量。

圖7 不同秸稈還田耕作模式對產量及產量構成因素的影響Figure 7 Effects of different tillage patterns of straw returning on yield and its components

3 結論

本試驗通過兩年數據分析得出,深松+旋耕、深松+秸稈覆蓋還田、深翻+秸稈扣埋還田較常規旋耕均改善了土壤質量、促進了根系發育、增加了地上植株氮積累量,從而提高了穗粒數和百粒重,最終獲得高產。其中,深翻+秸稈扣埋還田較常規旋耕提高了0～40 cm耕層土壤播前及成熟時含水量2.6和1.8個百分點、增加了孔隙度3.1和4.9個百分點、降低了土壤容重0.11～0.13 g/m3,提升了有機質含量;較常規旋耕根條數增加了11.8%～35.2%、根干重增加了43.5%～58.9%;成熟時植株氮積累量增加38.7%,籽粒氮積累量增加31.5%,產量增加11.8%。因此,在本試驗地區深翻+秸稈扣埋還田處理改良耕層土壤質量,促進植株生長發育,提高玉米產量效果最佳。

由于同一地區年際間氣象因子有差異,因此試驗仍需多年驗證,且需要進一步開展不同土壤類型環境條件下的耕作對分層土壤質量及微生態環境等影響試驗研究,以深入系統探索土壤改良、玉米增產機制。