科学耕作与留茬改良小麦-玉米两熟农田土壤物理性状及增产效果.pdf

第 29 卷 第 9 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 N o.9 2013 年 5 月 Transactions of t he Chi nese Society of A gricultural E ngineering May 2013 113 科学耕作与留茬改良小麦-玉米两熟农田土壤物理性状及增产效果 赵红香，迟淑筠，宁堂原，田慎重，王丙文，李增嘉 （山东农业大学农学院，作物生物学国家重点实验室，土肥资源高效利用国家工程实验室，泰安 271018） 摘 要：为了探讨不同覆盖耕作方式对农田土壤物理性状及作物产量的影响，该试验研究了免耕、常规 2 种耕作 方式和 4 种留茬高度的玉米秸秆还田处理，对麦-玉两熟农田土壤含水率、容重、孔隙度以及作物产量的影响。结 果表明：在 040 cm土层内，秸秆还田的集雨和保水效果显著，免耕留茬 0.5 m还田处理的含水率比免耕无覆盖 处理增加了 15.95%。秸秆还田量对 040 cm内土壤贮水量的影响不同。耕作措施显著影响了土壤容重，小麦播种 前常规留茬 1 m还田、常规全量还田处理容重低至 1.0 g/cm3左右。秸秆还田能增加土壤总孔隙度、降低毛管与非 毛管孔隙度的比值。单一免耕处理降低了作物产量，而免耕覆盖能增产，其留茬 1 m还田处理比无还田处理增产 22.44%，比常规留茬 0.5 m还田处理高 3.64%。因此，免耕留茬 1 m还田处理在改善农田土壤物理性状和增加作物 产量方面显著，该研究可为农田管理过程中耕作措施和秸秆还田量的选择提供参考依据。 关键词：土壤，土壤含水率，物理性状，耕作措施，秸秆还田量，土壤容重，土壤孔隙度，作物产量 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.09.015 中图分类号：S343.1 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-09-0113-10 赵红香，迟淑筠，宁堂原，等. 科学耕作与留茬改良小麦-玉米两熟农田土壤物理性状及增产效果J. 农业工程 学报，2013，29(9)：113122. Zhao Hongxiang, Chi Shuyun, Ning Tangyuan, et al. Covering farming pattern to improve soil physical properties and crop y ield in w heat-maize c ropping systemJ. Transactions of t he Ch inese S ociety of A gricultural E ngineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 113122. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 农田土壤管理措施是影响土壤质量演变方向 和强度的关键因素1-2， 不合理的土壤管理措施会使 土壤结构破坏，土壤质量下降甚至导致土壤物理质 量的退化3。大量研究结果表明，以少、免耕和秸 秆覆盖为代表的保护性耕作措施在改善土壤结构， 增加土壤水分入渗，有效防止水土流失，增加土壤持 水性和通透性等方面具有显著效果， 从而有利于土壤 物理质量的维持和提高，防治土壤质量退化4-9。在 农业生产实践过程中，免耕覆盖还有省工、省力、 省能等特点，是一种符合农业可持续发展目标的有 效模式10。谢瑞芝等11总结了 19942005 年中国 保护性耕作的研究成果，发现关于保护性耕作对土 壤物理性质的影响说法不一，这可能是由于研究方 收稿日期：2012-11-20 修订日期：3013-04-28 基 金 项 目 ： “ 十 二 五 ” 国 家 科 技 支 撑 项 目 (2012BAD14B07 、 2011BAD21B06)； 公益性行业 （农业） 科研专项经费资助 （201103001） ； 国家自然科学基金（30900876、31101127） ；山东省农业重大应用技术 创新课题共同资助。 作者简介：赵红香（1986） ，女，山东日照人，主要从事农业资源利 用研究。泰安 山东农业大学农学院，271018。 Email: hongxiangz86 通信作者：迟淑筠（1955） ，女，山东烟台人，副教授，主要从事 保护性耕作及农机农艺工程与工艺研究。 泰安 山东农业大学， 271018。 Email: chishujun1955163. com 法、措施和区域环境条件等不同而致。 关于秸秆还田的研究多集中于全还田与无还 田的对比上4,8,12-14，以秸秆量梯度还田的研究报道 较少。秸秆还田可以改善土壤，但过量的秸秆还田 不仅对后茬作物的播种和出苗产生不利影响，而且 对农田生态环境的保护不利，尤其是生物量较大的 玉米秸秆易造成资源浪费15-18。玉米秸秆是一种宝 贵的青饲资源。在保证一部分秸秆还田后，剩余的 玉米秸秆可作为畜牧的饲料来源。因此，合理控制 玉米秸秆还田量既保证了秸秆的有效利用，又促进 了该地区循环农业的发展。 本试验基于长期保护性耕作定位试验田（始于 2002 年），通过研究 2 种耕作措施和 4 种秸秆还田 量对 20112012 年小麦播种前和小麦成熟期两时 期的农田土壤物理性状和周年作物产量的影响，试 图从土壤物理性质和作物产量方面探讨农田对耕 作措施和秸秆还田量的响应，以期为该地区农田管 理过程中对耕作措施和秸秆还田量的选择提供参 考依据。 1 材料与方法 1.1 试验区概况 试验于山东农业大学农学试验站进行，地处 1170913.79-1170912.02E，360930.78-360927.59N。 农业工程学报 2013 年 114 属于温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足， 平均气温 13.0，年均日照时数 2 627.1 h，具有华 北平原的典型特点。 供试土壤为棕壤土， 土层深厚， 地下水在 5 m 以下。试验地土壤物理性状见表 1。 表 1 试验地土壤物理性状（2011 年） Table 1 Initial characteristics of main soil physical (2011) 土层 Depth/cm 砂粒 质量分数 Sand/% 粉粒 质量分数 Silt/% 黏粒 质量分数 Clay/% 容重 Bulk density/(gcm3) pH 值 pH value 总孔隙度 Porosity/% 毛管孔隙度 Capillary porosity/% 非毛管孔隙度 Non-capillary porosity/% 020 39 45 16 1.28 7.09 51.59 31.87 19.72 1.2 试验设计与测定方法 试验采用裂区设计，主区为常规和免耕 2 种耕 作措施，副区为 4 种不同留茬高度的玉米秸秆还田 处理。共 8 个处理（见表 2），小区面积 15 m8 m。 试验采用冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式。供试 玉米品种为郑单 958，供试小麦品种为济麦 22。玉 米于2011-06-20播种， 2011-10-06收获， 行距60 cm， 株距 25 c m。小麦于 2011-10-12 播种，2012-06-10 收获，行距 20 cm，播量 90 kg/hm2。小麦、玉米季 分 别 施 基 肥 ， 折 合 纯 N 160 kg/hm2， P2O5 150 kg/hm2，K2O 105 kg/hm2，分别浇小麦、玉米 拔节水 160 mm， 配 合 追 施拔节 肥 折合纯 N 80 kg/hm2。小麦播种前降雨量较大，为 99.2 mm， 小麦成熟期降雨量较少（表 3）。 表 2 试验处理 Table 2 Experimental treatments 玉米秸秆 留茬高度 Stubble height of straw 留茬的玉米秸秆 质量/(kghm-2) Weight of straw stubble 免耕(Z) Zero tillage 常规耕作(C) Conventional tillage 全量还田(P) Straw present 10 053160 PZ PC 留茬 1 m 还田(-1) 1 m straw returning 6 820107 Z-1 C-1 留茬 0.5 m 还田(-0.5) 0.5 m straw returning 3 58068 Z-0.5 C-0.5 无秸秆还田(A) Straw absent 0 AZ AC 表 3 2011 2012 年试验区降雨量 Table 3 Rainfall of test area in 20112012 日期 Date 2011-10 2011-11 2011-12 2012-01 2012-02 2012-03 2012-04 2012-05 2012-06 降雨量 Rainfall/mm 99.2 13.4 14.7 1.8 1.0 25.9 43.7 7.0 11.6 玉米秸秆还田于玉米成熟收获后进行。玉米秸 秆采用距离地面 0、0.5、1 m 3 种方式剪除上部后 移出农田，剩余部分粉碎还田并进行土壤耕作处 理，免耕处理的玉米秸秆覆盖于地表，常规耕作处 理的秸秆用机械翻埋入土壤。 分别在小麦播种前（2011-10-07）和小麦成熟 期（2012-06-10）取样，040 cm土层内每 10 cm 一个土层S型 5 点取土， 在 105下烘干计算土壤含 水率。030 cm土层内每 10 cm一个土层取环刀，3 次重复计算容重和孔隙度。玉米成熟时，各试验小 区去除边行随机收获 10 m双行的玉米籽粒， 小麦成 熟时，各试验小区去除边行随机收获 2 m2试验田的 麦穗，3 次重复计算小麦、玉米籽粒产量和周年籽 粒产量。 1.3 试验数据处理 试验所得数据采用 DPS 7.05 做差异显著性分 析，用 Origin Pro 8.0 作图。 2 结果与分析 2.1 耕作措施与秸秆还田量对土壤水分的影响 由图 1a， 1b 可知，小麦播种前，040 cm 土 层含水率：免耕处理（图 1b）各土层差异显著 （p2030 cm 土层为最低点， 分别为 16.43%、16.37%、16.60%、16.85%，都显 著低于常规耕作各处理（p0.05），都在 18.00% 20.00%内， 波动范围小于免耕处理。 除个别处理外， 含水率随秸秆还田量增加而增加，在 010cm 土 层， AZ、 Z-0.5、 Z-1、 PZ处理的含水率分别为19.88%、 21.16%、21.47%、22.00%。在 010 cm 土层，免耕 各处理含水率显著高于常规耕作各处理。 由图 1c， 1d 可知， 小麦成熟期 040 cm 土层 的含水率：常规耕作（图 1c）在 030 cm 内差异 不显著 （p0.05） ， 但3040 cm 土层显著高于 0 30 cm 土层（p1030 cm 土层（p0.05） ， 不同秸秆还田量之间也表现出不同的变化规律。 由表 4 可知，小麦播种前，030 cm 土层内， 秸秆还田对非毛管孔隙度的影响很大，常规和免耕 处理随秸秆还田量增加非毛管孔隙度增加，各秸秆 还田处理是无秸秆还田处理的 3 倍左右。常规和免 耕各处理的毛管孔隙度都在 34%左右，差异不显著 （p0.05）。因此，总孔隙度的变化主要表现为非毛 管孔隙度的变化上。在 030 cm 内免耕处理随土 层加深非毛管孔隙度显著降低（p1020 AC 34.09e 13.22f 47.31e 31.42ab 19.72ab 51.14f C-0.5 34.19d 28.41b 62.60b 32.63a 26.24ab 58.87a C-1 35.57a 28.67b 64.24ab 28.92ab 21.59b 50.51f PC 35.61a 29.09a 64.70a 29.04b 29.01a 58.05ab AZ 31.17f 6.92g 38.09f 34.63a 21.03ab 55.66cd Z-0.5 34.74c 18.21e 52.95d 32.05ab 21.21ab 53.26e Z-1 34.86b 19.33d 54.19d 31.41ab 24.85ab 56.26bc PZ 34.77c 21.80c 56.57c 32.15ab 21.89ab 54.04de 2030 AC 32.77f 11.41f 44.18e 32.15a 16.36a 48.51c C-0.5 34.24c 28.74a 62.98a 32.85a 23.72a 56.57a C-1 34.69b 27.28b 61.97a 26.87a 19.91a 46.78c PC 35.18a 27.15b 62.33a 29.64a 23.81a 53.45b AZ 30.75h 5.08g 35.83f 31.22a 21.28a 52.50b Z-0.5 32.14g 13.87e 46.01d 32.40a 20.03a 52.43b Z-1 33.06e 16.42d 49.48c 32.56a 19.57a 52.13b PZ 33.89d 17.81c 51.7b 31.25a 22.18a 53.43b 注：不同小写字母表示同一土层不同处理差异达到 5%的显著水平。下同。 Note: Different small letters in the same soil on different treatment mean significant difference at 0.05 level. The same as below. 由表5可知， 毛管与非毛管孔隙度的比值在0 30 cm 土层内表现为：小麦播种前，常规和免耕各 处理随土层加深显著增加（p1030 cm 内常规耕作显著小于免耕 处理（p1030 cm 土层免耕处 理对水分保持效果较好；各无秸秆还田处理显著高 于秸秆还田处理（p1020 cm 2030 cm 010 cm 1020 cm 2030 cm AC 2.860.06a 2.580.08b 2.870.09b 1.110.04abc 1.610.18ab 2.050.55ab C-0.5 1.160.03de 1.200.04f 1.190.04g 0.940.01bc 1.250.12ab 1.400.17ab C-1 1.450.03b 1.240.04f 1.300.04f 1.310.31a 1.330.50a 1.350.21a PC 1.170.02cd 1.220.04f 1.270.04fg 1.190.03ab 1.000.05b 1.250.24b AZ 2.830.06a 4.500.14a 6.060.18a 1.070.10abc 1.650.02ab 1.490.24ab Z-0.5 1.440.03b 1.910.06c 2.320.07c 0.980.10bc 1.510.04ab 1.620.09ab Z-1 1.200.03c 1.800.06d 2.010.06d 0.840.05c 1.330.41ab 1.710.44ab PZ 1.140.03e 1.600.05e 1.900.06e 0.840.16c 1.480.21ab 1.490.50ab 农业工程学报 2013 年 118 2.4 耕作措施与秸秆还田量对作物产量的影响 由表 6 可知，常规耕作处理中C-0.5 处理的玉 米、小麦周年产量最高，分别达到 9.36、8.49 和 17.85 t/hm2， 免耕处理中Z-1 的玉米、 小麦和周年产 量最高，分别达到 9.40、9.10 和 18.50 t/hm2，因此， Z-1 处理的小麦产量显著大于C-0.5 处理 （p2040 cm的 容重。也有连续 15 a免耕覆盖试验表明，免耕覆盖 的容重明显低于常规耕作，并且随免耕覆盖年限的 增加，容重逐渐降低21。本试验结果证明秸秆覆盖 能显著降低土壤 010 cm的容重，免耕秸秆覆盖 010 cm的容重显著低于次层1030 cm，也显著 低于常规耕作 010 cm的容重。 有研究发现土壤本 身对容重具有自调功能，作物种植一段时间后容重 小的会逐渐变大，容重大的则逐渐变小，并随时间 推移逐渐接近自调点 1.30 g/cm328。本试验研究证 明，耕作措施对耕层容重也有显著影响，小麦播种 前，常规耕作降低了耕层 040 cm的容重，但小麦 成熟期， 常规耕作和免耕处理 040 cm的容重差异 不显著。造成结果的可能原因是秸秆的腐熟作用， 土壤本身对容重自调功能（重力作用占主导），作 物整个生育期的生长的作用。但也有研究认为耕作 对容重的影响与作物生长关系较小29。 有研究结果表明，020 cm内土壤的总孔隙度 免耕覆盖处理明显高于常规耕作，且随免耕覆盖年 限的增加总孔隙度逐渐增加，而在2040 cm土层 内，免耕覆盖土壤的总孔隙度与常规耕作土壤无显 著差异22。也有研究说明，常规耕作农田系统中土 壤的总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度随土层 加深变化无明显升高或降低30。另有研究证实，秸 秆还田可以增加土壤的总孔隙度和毛管孔隙度，改 善作物根际透气性31-32。本试验也证明免耕处理的 总孔隙度 010 cm土层极显著大于1030 cm土 层。小麦播种前，常规耕作和免耕处理的总孔隙度 随秸秆还田量的增加显著增加。小麦成熟期，免耕 处理 010 cm的总孔隙度显著高于常规耕作处理， 而在1030 cm土层无差异。关于毛管与非毛管孔 隙度比值研究的报道较少，毛管孔隙具有毛细作 用，既能疏导水分又能保持水分，非毛管孔隙不具 毛细作用，不能保持表层土壤的水分，水分迁出后 即被空气占据，因此毛管与非毛管孔隙度比值对土 壤水、气比例有很大影响。本试验研究证实，常规 第 9 期 赵红香等：科学耕作与留茬改良小麦-玉米两熟农田土壤物理性状及增产效果 119 免耕各处理的毛管与非毛管孔隙度比值随土层加 深增加显著，表明下层土壤对水分的疏导和保持作 用比上层土壤明显。在小麦播种前，各无秸秆还田 处理显著高于秸秆还田处理，尤其免耕处理随秸秆 还田量的增加显著降低 （p10 30 cm土层显著小于免耕处理（p1030 cm土层内免耕处理对水分 保持效果较好，免耕无秸秆还田既能疏导水分又能 保持水分， 此结果与小麦播种前的 040 cm土壤贮 水量研究结论相互论证依据。 本试验研究结果说明免耕处理中玉米秸秆 6 800 kg/hm2左右还田（Z-1 处理）较有利于作物增 产，免耕无覆盖（AZ）处理的作物产量最低。有研 究证明，以免耕覆盖对小麦增产效果最好，保护性 耕作中秸秆覆盖的作用可能大于免耕33。还有研究 结论也表明，单一的免耕并不利于作物产量的提 高，只有结合秸秆覆盖才能达到较好的经济和生态 效益34。在黄土高原有灌溉条件的地区，研究结果 为以 9 000 kg /hm2的玉米秸秆还田量处理对土壤改 善效果最好，对冬小麦的增产效果也显著16。还有 研究表明试验实施初始几年作物产量处理间无显 著差异甚至减产，而 710 a后得出免耕覆盖对作 物产量有显著的促进作用35-36。 4 结 论 在 040 cm土层内， 各土层土壤含水率免耕比 常规耕作处理差异显著，免耕留茬 0.5 m 还田处理 比免耕无覆盖处理增加了 15.95%。 秸秆还田的集雨 和保水效果显著。 秸秆还田量对 040 cm内土壤贮 水量的影响结果不同。小麦播种前，耕作显著影响 土壤容重，常规留茬 1 m还田、常规全量还田处理 各土层容重低至 1.0 g/cm3左右。而小麦成熟期各处 理的容重差异不显著。小麦播种前，秸秆还田能增 加土壤总孔隙度、降低毛管与非毛管孔隙度的比 值。单一的免耕处理降低了作物的产量，而免耕覆 盖能增产， 留茬1 m还田处理比无还田增产22.44%， 比常规耕作中产量最高的常规 0.5 m 还田处理高 3.64%。 因此， 免耕留茬 1 m还田处理在改善农田土 壤物理性状和增加作物产量方面显著。 参 考 文 献 1 Becker M, Johnson D E. 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