不同耕作措施對麥田土壤碳儲量和作物水氮利用效率的影響

李春喜,陳惠婷,馬守臣,張令令,王敬婼,邵　云

(1.河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng)　453007;2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,國土資源部野外科學(xué)觀測研究基地,河南 焦作　454000)

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不同耕作措施對麥田土壤碳儲量和作物水氮利用效率的影響

李春喜1,陳惠婷1,馬守臣2,張令令1,王敬婼1,邵云1

(1.河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河南 新鄉(xiāng)453007;2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院,國土資源部野外科學(xué)觀測研究基地,河南 焦作454000)

為了探索耕作措施和秸稈還田對麥田土壤碳氮水的動態(tài)變化的影響,在田間定位試驗的基礎(chǔ)上,通過深耕(T1)、深耕+秸稈還田(T2)、淺耕(T3)、淺耕+秸稈還田(T4)4種不同耕作方式處理,對麥田碳儲量、土壤含水量、全氮含量以及作物水氮利用效率的變化進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,秸稈還田在不同時期對土壤碳儲量有一定的影響,與播前土壤有機(jī)碳儲量相比,0～20 cm土層各處理在越冬期有較高的有機(jī)碳儲量,20～40 cm土層則于拔節(jié)期有機(jī)碳儲量達(dá)到最大值,40～60 cm土層除T1處理,其他處理皆為拔節(jié)期最大。綜合來看,在整個生育期有機(jī)碳儲量均表現(xiàn)為秸稈還田處理大于秸稈不還田處理。深耕處理提高了小麥生育前期的土壤含水量,T2處理的作物耗水量比T4處理高4.2%;秸稈還田提高了作物的水分利用效率,T2的水分利用效率、灌溉水利用效率分別比淺耕加秸稈還田高24.9%,27.6%。除開花期,T1處理的植株含氮量高于淺耕處理,T2處理能夠顯著提高冬小麥氮素積累量,較不還田處理提高了44%;T1處理的氮素利用效率比淺耕處理高57.2%。秸稈還田處理在生育前期抑制了小麥的生長,但后期促進(jìn)了植株干物質(zhì)量的積累。秸稈還田有利于穗粒數(shù)的提高,從而提高產(chǎn)量,T2處理較T3處理產(chǎn)量提高了22.1%,較T1處理增產(chǎn)6.7%;T1處理較T3處理增產(chǎn)14.4%。因此,秸稈還田和深耕有助于提高土壤碳儲量,提高水分和氮素利用效率,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

深耕;秸稈還田;麥田土壤碳儲量;水氮利用

耕作是農(nóng)田生產(chǎn)發(fā)展的基礎(chǔ),能夠改變土壤結(jié)構(gòu),影響土壤水分變化,改變土壤養(yǎng)分含量。有研究表明[1-2],耕作方式的不同可通過影響土壤的擾動情況和地表殘留物等影響到農(nóng)田土壤的水、肥情況。大量研究成果表明,耕作活動明顯改變了耕層土壤的物理性質(zhì)和水力學(xué)特征,引起土壤持水性及養(yǎng)分量的改變,且變化程度取決于耕作方式[3-6]。

秸稈還田作為循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié),對提高土壤碳匯能力具有積極作用[7]。實施秸稈就地還田,既可解決秸稈焚燒造成的環(huán)境污染問題,又可使資源充分利用,形成良性循環(huán),實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)研究,秸稈還田還能提高土壤中碳、氮含量,尤其是玉米秸稈能提高轉(zhuǎn)化酶活性[8-9]。胡立峰等[10]研究表明,無論玉米秸稈整株還田還是粉碎還田,都能使耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯提高,對小麥后期穩(wěn)健生長有積極的促進(jìn)作用。目前,關(guān)于秸稈還田和深耕研究的報道主要圍繞土壤養(yǎng)分與作物產(chǎn)量[11-12],而在不同的深耕方式與秸稈還田相配合的措施下,對土壤中碳儲量及作物水氮利用的研究較少。本試驗在田間定位基礎(chǔ)上,研究了小麥各生育時期土壤養(yǎng)分、含水量麥田土壤的碳儲量和植株的水氮利用效率動態(tài)變化規(guī)律,旨在為提高土壤固碳能力和作物對水氮利用的能力,實現(xiàn)節(jié)約資源和小麥的高產(chǎn)高效提供理論指導(dǎo)與借鑒。

1　材料和方法

1.1試驗地基本情況

試驗于2012年10月-2013年6月在河南省獲嘉縣照鏡鎮(zhèn)前李村進(jìn)行,試驗地肥力水平較高。該地位于35°N、113°E 海拔高度120 m,年平均氣溫14 ℃,無霜期220 d,全年日照約2 400 h,平均降水量656.3 mm,年蒸發(fā)量1 748.4 mm,地勢平坦,土壤肥沃,水利條件優(yōu)越,小麥、玉米種植面積較大。試驗田供試土壤為黏壤土,定位試驗前耕層土壤(0～20 cm)的養(yǎng)分含量分別為:全氮1.38 g/kg、全磷0.9 g/kg、有機(jī)質(zhì)18.12 g/kg。

1.2材料與處理

小麥供試品種為百農(nóng)矮抗58。在小麥種植過程中,對小麥實施深耕(犁耙,25～30 cm)和淺耕(旋耕,12～15 cm)2種耕作方式;培肥模式:實施秸稈還田和不還田2種措施。試驗采用裂區(qū)試驗設(shè)計,主區(qū)為2個培肥模式:秸稈還田和不還田,副區(qū)為2個耕作方式:深耕和淺耕。共計4個處理:T1(深耕,秸稈不還田)、T2(深耕+秸稈還田)、T3(淺耕,秸稈不還田)、T4(淺耕+秸稈還田)。每小區(qū)面積為35 m2(5 m×7 m),3次重復(fù)。

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤養(yǎng)分含量測定于小麥各生育期在各小區(qū)內(nèi)用5點法隨機(jī)采集0～100 cm土層土壤樣品,測定其全氮和有機(jī)碳含量。全氮含量的測定采用凱氏定氮法,土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀法。

1.3.2土壤含水量采用取土烘干法測定。

1.3.3水分利用效率分析小麥生育期間耗水量按照水分平衡法計算：

水分利用效率(WUE,(kg/(hm2·mm)))=單位面積籽粒產(chǎn)量/耗水量;

灌水利用效率(IUE,(kg/(hm2·mm)))=單位面積籽粒產(chǎn)量/灌水量。

1.3.4植株地上部分生物量及全氮含量在作物的不同生長發(fā)育時期,在大田隨機(jī)取樣50～60株,沿基部剪斷并裝在保鮮袋中,帶回實驗室測植物地上部分生物量及全氮。1.3.5氮素利用效率分析植株氮素積累量(kg/hm2)=成熟期單株質(zhì)量(g)×成熟期單株含氮量(%)×密度(104/hm2)/1 000;

氮素偏生產(chǎn)力(kg/kg)=單位面積籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/施入氮量(kg/hm2);

氮素利用效率(kg/kg)=單位面積籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)/植株氮素積累量(kg/hm2)；

有機(jī)碳儲量(g/kg)=生育期有機(jī)碳含量(g/kg)-播前有機(jī)碳含量(g/kg)。

1.3.6產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的測定于小麥成熟期在各小區(qū)隨機(jī)取1 m雙行進(jìn)行測產(chǎn),3次重復(fù),用小型谷物脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒,風(fēng)干后稱重計產(chǎn)。同時隨機(jī)取30個莖稈,進(jìn)行室內(nèi)考種,調(diào)查小麥的穗長、穗粒數(shù)、結(jié)實小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)和千粒質(zhì)量。

1.4數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同耕作措施對麥田土壤碳儲量的影響

由圖1可知，與播前土壤有機(jī)碳儲量相比,在0～20 cm土層,4個處理均在越冬期的有機(jī)碳儲量最高,隨著生育時期的進(jìn)行土壤碳儲量在逐漸減少,但均表現(xiàn)為秸稈還田(T2、T4)大于秸稈不還田處理(T1、T3)。在越冬期和拔節(jié)期,以淺耕+秸稈還田(T4)處理的碳儲量最大;開花期和成熟期則為深耕+秸稈還田(T2)處理表現(xiàn)最好。20～40 cm土層則于拔節(jié)期有機(jī)碳儲量達(dá)到最大值。其中越冬期表現(xiàn)為淺耕處理(T3、T4)大于深耕處理(T1、T2),秸稈還田未對碳儲量造成影響;拔節(jié)期與開花期4個處理的土壤碳儲量差異不明顯;至成熟期,表現(xiàn)為秸稈還田處理(T2、T4)高于秸稈不還田處理(T1、T3)。40～60 cm土層除T1處理,其他處理皆為拔節(jié)期最大。在拔節(jié)期與開花期,秸稈還田處理(T2、T4)的碳儲量較高;在成熟期,各處理的碳儲量均較小。綜合來看,0～60 cm土層有機(jī)碳積累量的趨勢為至拔節(jié)期升至最高,然后緩慢降低。至成熟時，有機(jī)碳儲量均表現(xiàn)為秸稈還田處理(T2、T4)大于秸稈不還田處理(T1、T3)。

圖1　各處理土壤碳儲量變化

2.2不同耕作措施對麥田土壤含水量的影響

由圖2可知,在小麥越冬期,T2處理在0～60 cm土層的土壤含水量均為最高,其他處理在0～20 cm土層無差異,20～60 cm土層表現(xiàn)為T3處理最低。拔節(jié)期40～100 cm土層均為T2處理最高,其他處理間有差異，但未達(dá)到顯著水平。開花期T4處理在0～20 cm顯著高于其他處理;T2在20～40 cm土層含水量較高,在成熟期0～80 cm土壤層中,T1處理的土壤含水量在各個土層均大于其他處理,T3處理0～60 cm土層含水量較低。

2.3不同耕作措施對麥田作物耗水量和水分利用效率的影響

由表1可知,深耕條件+秸稈還田處理(T2)作物耗水量最高,秸稈還田處理(T2、T4)耗水量均高于秸稈不還田處理(T1、T3),深耕處理(T1、T2)高于淺耕處理(T3、T4),淺耕處理(T3)作物耗水量最低。T2的作物耗水量較T4高4.2%;T2、T3處理能顯著地提高冬小麥的水分利用效率及灌溉水利用效率,具體表現(xiàn)為T2>T3>T1>T4,其中T2的水分利用效率比T4高24.9%,灌溉水利用效率比T4高27.6%。

不同小寫字母表示各處理在5%水平下差異顯著(P<0.05)。表1-3,圖3-6同。

處理Treatment總耗水量/mmWaterconsumption水分利用效率/(kg/(hm2·mm))Wateruseefficiency灌溉水利用效率/(kg/(hm2·mm))IrrigationwateruseefficiencyT1417.49b15.56b24.05bT2425.82a17.00a26.82aT3408.62c16.96a25.66aT4413.77b13.72c21.02c

2.4不同深耕措施對麥田土壤全氮含量的影響

試驗結(jié)果(圖3)表明,越冬期,T4處理在0～20 cm土壤含氮量最高,其他處理無顯著差異。在20～100 cm土層T3處理的全氮含量最低,與其他處理間差異顯著。而在拔節(jié)期和開花期,秸稈還田處理(T2、T4)的0～40 cm土壤全氮量高于秸稈不還田處理(T1、T3);拔節(jié)期40～60 cm土層T4處理最高,其他處理間無顯著差異,T3在60～100 cm的全氮含量最低;開花期0～60 cm土層T3的全氮含量最低,在60～80 cm土層T2與T3高于T1與T4,至成熟期,T3的含氮量在各個土層均為最低。在0～20 cm土層中T1、T2、T4處理的含氮量無顯著差異;在20～80 cm土層,各處理含氮量表現(xiàn)為:T1含氮量最多,T2與T4有差異,但是未達(dá)到顯著水平。

2.5不同耕作措施對植株全氮含量及氮積累量的影響

植株的全氮含量在越冬期、成熟期處理間差異不顯著(圖4);拔節(jié)期表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4;開花期T1處理植株含氮量較低,其他3個處理無顯著差異;在灌漿期,深耕處理(T2、T1)的植株含氮量高于淺耕處理(T3、T4),其中T2與T1差異顯著,說明深耕有利于營養(yǎng)器官含氮量的增加。植株氮素積累量表現(xiàn)為“先升高,后降低”的趨勢,在開花期達(dá)到最大值(圖5)。越冬期植株氮積累量無顯著差異;拔節(jié)期T1處理植株含氮量顯著高于其他處理,T2、T3、T4間差異不顯著。在開花期T3處理的氮積累量最高;灌漿期表現(xiàn)為T1>T2>T3>T4;成熟期T1的氮積累量最低。

圖3　各處理土壤全氮含量的動態(tài)變化

圖4　不同耕作措施下植株全氮含量的動態(tài)變化

圖5　不同耕作措施下植株氮積累的動態(tài)變化

2.6不同耕作措施對冬小麥氮素利用效率的影響

由表2可知,深耕秸稈還田處理(T2)能夠顯著提高冬小麥氮素積累量,較不還田處理(T1)提高了44%;淺耕條件下秸稈還田對氮素積累量無顯著影響。深耕+秸稈還田處理(T2)下氮素偏生產(chǎn)力也較高,深耕處理(T1、T2)對氮素偏生產(chǎn)力的提升作用較大,其中T2比T4高22.4%。T1處理的氮素利用效率最高,較T3處理高57.2%,其他處理間差異不顯著。

表2　不同處理對冬小麥氮素積累量和氮素利用效率的影響

2.7不同耕作措施對麥田植株干物質(zhì)積累量的影響

由圖6可知,在越冬期,各處理的干物質(zhì)量沒有顯著差異;到拔節(jié)期時,深耕(T1)處理的干物質(zhì)量最高,其次為淺耕(T3)處理,深耕+秸稈還田(T2)處理的干物質(zhì)量最低,說明秸稈直接還田在生育前期抑制了小麥的生長。至開花期,淺耕(T3)處理的干物質(zhì)量最高,淺耕加秸稈還田(T4)處理干物質(zhì)量最低;成熟期時,深耕加秸稈還田(T2)處理和淺耕(T3)處理干物質(zhì)量最高,其次是深耕(T1)處理,T4處理干物質(zhì)量最低。

圖6　不同處理下麥田植株干物質(zhì)積累變化

2.8不同耕作措施對小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表3可以看出,在4個處理中,深耕的穗數(shù)低于淺耕,秸稈還田處理的穗數(shù)低于秸稈不還田,淺耕(T3)處理的穗數(shù)最高,深耕加秸稈還田(T2)處理的穗數(shù)最低。表明秸稈還田不利于穗數(shù)的形成。深耕秸稈還田處理的千粒質(zhì)量大于秸稈不還田處理,但總體來說無顯著差異。深耕處理(T1、T2)條件下,穗粒數(shù)大于淺耕處理(T3、T4),而秸稈還田處理(T2、T4)的穗粒數(shù)大于秸稈不還田處理(T1、T3)。綜合以上試驗結(jié)果,說明深耕處理對提高作物產(chǎn)量有積極作用,較淺耕處理產(chǎn)量提高了22.1%,較深耕未還田處理增產(chǎn)6.7%;深耕處理較淺耕處理增產(chǎn)14.4%。

表3　不同處理對小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

3　結(jié)論與討論

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料來源和潛在的碳庫能源,秸稈還田能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量,增加土壤氮素含量等,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高具有積極作用[13-15]。農(nóng)業(yè)耕作對農(nóng)田土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量也具有重要影響,研究表明,深耕作為傳統(tǒng)的耕作方式,可以打破土壤犁底層,有利于增加作物產(chǎn)量。深耕也有利于土壤養(yǎng)分的提高,但不同土層增加幅度不盡一致[16-18]。本試驗結(jié)果表明,秸稈還田有助于提高土壤碳儲量,在各個生育時期,秸稈還田處理的土壤0～60 cm有機(jī)碳增量均高于秸稈不還田處理,其中淺耕處理對碳儲量的提高優(yōu)勢高于深耕處理。不同耕作方式能夠影響土壤水分變化,而水分則直接影響了小麥的生長發(fā)育及產(chǎn)量[19-20]。有研究表明,深耕能夠改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤通透性,提高土壤水分貯藏能力和利用能力,與本研究結(jié)果一致[21-22]。秸稈還田對增加土壤含水量起積極作用,本試驗中,在小麥的生育前期,0～60 cm土層的含水量均為秸稈還田大于不還田處理,說明秸稈還田處理有助于提高土壤含水量,使小麥花后期能夠有較多的水分用于灌漿。這與王燕培等[23]的研究結(jié)果一致。深耕和秸稈還田提高了作物耗水量,這與肖俊夫等[24]認(rèn)為隨耗水量增加,作物產(chǎn)量也逐漸提高的結(jié)論一致。同時深耕與秸稈還田也提高了土壤全氮含量。成熟期,深耕條件下秸稈還田處理40～100 cm全氮含量低于對照,說明秸稈還田促進(jìn)了小麥在花后對土壤深層氮素的利用;本試驗中,深耕秸稈還田處理能夠顯著提高冬小麥氮素積累量、氮素偏生產(chǎn)力。開花前，與秸稈還田有關(guān)處理的干物質(zhì)積累量均低于單純的深耕或淺耕，說明秸稈直接還田對小麥生育前期物質(zhì)積累的作用是抑制的；到了成熟期，深耕+秸稈還田的干物質(zhì)積累速度加快，其積累量和淺耕處理同處較高水平，說明秸稈還田在生育后期作用大于前期，尤其以深耕條件下秸稈還田效果較好，明顯好于單純的深耕或淺耕+秸稈還田。沈?qū)W善等[25]研究表明,秸稈還田能增加作物產(chǎn)量,本試驗結(jié)果還表明,深耕條件下秸稈還田處理有助于提高作物產(chǎn)量,但淺耕條件下,秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響不顯著?？傊?耕作方式、秸稈還田對小麥的生長、土壤養(yǎng)分及小麥產(chǎn)量均有一定影響,秸稈還田和深耕有助于提高土壤碳儲量,增加土壤含水量以及作物水分利用效率,并改善土壤氮素含量,提高冬小麥氮素利用效率,進(jìn)而提高麥田產(chǎn)量。

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Effects of Different Tillage Methods on Carbon Storage of Soil and Utilization Efficiency of Water and Nitrogen in Wheat

LI Chunxi1,CHEN Huiting1,MA Shouchen2,ZHANG Lingling1,WANG Jingruo1,SHAO Yun1

(1.College of Life Science,Henan Normal University,Xinxiang453007,China;2.School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Field Scientific Observation & Research Base,Ministry of Land and Resources,Jiaozuo454000,China)

Based on a long-term field experiment,the effects of different tillage measures on the carbon storage of soil and the utilization efficiency of water and nitrogen in wheat were studied.Four models were designed:deep tillage(T1),deep tillage plus straw returning(T2),shallow tillage(T3),and shallow tillage plus straw returning(T4).The results showed that straw returning had a certain infuenceron soil carbon accumulation.Compared with the organic carbon storage before sowing,it was higher at winter stage in 0-20 cm soil,reached to the highest at jointing stage in 20-40 cm,and also had the maximum value at jointing stage in 40-60 cm except T1 treatment.During the whole growth period,the organic carbon storage was generally higher in straw returning treatment than in no straw returning.T1 treatment increased the soil water content in early growth stage of wheat.The crop water consumption of T2 treatment was 4.2% higher than that of T4 treatment.Straw returning could increase the water use efficiency of wheat.The water use efficiency and irrigation water use efficiency of T2 were 24.9% and 27.6% higher,respectively,than that of T4.Except in flowering stage,the nitrogen content of plant was higher in deep tillage than in shallow tillage.And T2 treatment could significantly improve the nitrogen accumulation of wheat,44% higher than that of no straw returning.Deep tillage increased the nitrogen utilization efficiency by 57.2% compared with the shallow tillage straw returning treatment inhibited the growth of wheat in early growing stage,but promoted the dry matter accumulation in later growing stage.Straw returning could increase the grain number of wheat,so as to raise the grain yield.The grain yield of T2 was 22.1% higher that of T3,and 6.7% higher than that of T1,while it was 14.4% higher in T1 than in T3.The results suggested that straw returning and deep tillage could increase the carbon storage of soil,improve the use efficiency of water and nitrogen,and then increase the grain yield of wheat.

Deep tillage;Straw returning;Soil carbon storage in wheat field;Water and nitrogen use

2016-06-17

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD14B08；2013BAD07B07-2);“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300200)

李春喜(1964-),男,河南封丘人,教授,博士，主要從事小麥生理生態(tài)研究。

S152.7

A

1000-7091(2016)04-0220-07

10.7668/hbnxb.2016.04.034