秸稈堆腐還田對風(fēng)沙土土壤性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的影響

劉慧嶼何志剛董 環(huán)王秀娟韓英祚趙 穎

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)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(nóng)牧交錯(cuò)帶中,是我國半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型代表區(qū)域,土壤非常貧瘠,需要進(jìn)行有機(jī)質(zhì)提升種養(yǎng)結(jié)合的種植栽培模式。玉米秸稈含有豐富的有機(jī)碳和大量的氮、磷、鉀、硅等礦質(zhì)營養(yǎng)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(jī)資源,也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最經(jīng)濟(jì)有效的有機(jī)養(yǎng)分資源,對保持和提高土壤肥力以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均有重要作用[2～3]。秸稈還田可顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)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(qiáng)土壤的蓄墑保肥能力[7],保障玉米豐產(chǎn)高產(chǎn)的可持續(xù)性,但是不同生態(tài)環(huán)境適宜不同還田方式,增產(chǎn)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(jī)質(zhì)改良土壤。秸稈進(jìn)入土壤中,纖維素、木質(zhì)素和半纖維素、蛋白質(zhì)等組成物質(zhì)在土壤中腐解和發(fā)酵后轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)質(zhì)[8],當(dāng)面臨低溫,干旱環(huán)境,秸稈腐解會面臨土壤穩(wěn)定性差、玉米定殖效率低以及與土著微生物競爭生態(tài)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(zhì)素等物質(zhì)的還田狀態(tài),加速田間秸稈降解和養(yǎng)分釋放[10],以達(dá)到種養(yǎng)結(jié)合的目的。

因此,本研究針對北方寒涼缺水風(fēng)沙土地區(qū)玉米秸稈還田關(guān)鍵瓶頸問題,采用自選菌種對冷涼區(qū)秸稈進(jìn)行低溫秸稈腐熟后,通過大田定位試驗(yàn)比較秸稈堆腐還田、秸稈粉碎還田和有機(jī)糞肥還田對玉米產(chǎn)量及土壤特性的影響,為促進(jìn)玉米生產(chǎn)、合理利用資源和保護(hù)環(huán)境提供應(yīng)用理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與研究方法

1.1 自然概況

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)于2019 年4 月開始,目前連續(xù)進(jìn)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(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所土壤研究室提供。

試驗(yàn)設(shè)置5 個(gè)處理:(1)不施肥(CK);(2)常規(guī)施肥(CF);(3)有機(jī)糞肥(MF);(4)秸稈粉碎還田(SF);(5)秸稈堆腐還田(DSF)。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù),小區(qū)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(jī)物質(zhì)分別替代30%化學(xué)N 素肥料。將有機(jī)肥料和20%化學(xué)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(jié)期、灌漿期、乳熟期3 次滴灌追入田中,其他田間管理按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì) (0～20 cm)

1.3 樣品采集與測定

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件并使用Duncan 檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆腐秸稈對玉米產(chǎn)量特征的影響

秸稈堆腐還田對風(fēng)沙土玉米產(chǎn)量要素的影響見圖1。CK、CF、MF、SF和DSF處理玉米籽粒產(chǎn)量分別為2342kg/hm2、8752kg/hm2、9656kg/hm2、8986kg/hm2和11627kg/hm2;秸稈產(chǎn)量分別為5246kg/hm2、9404kg/hm2、10814kg/hm2、10577kg/hm2和11463kg/hm2。與常規(guī)施肥相比,有機(jī)添加MF、SF和DSF處理玉米籽粒產(chǎn)量分別增加了10.33%、2.68%和32.85%,其中SF處理產(chǎn)量增加不穩(wěn)定,其余處理產(chǎn)量顯著增加;玉米秸稈產(chǎn)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(jī)替代處理,MF和DSF 增產(chǎn)效果比較穩(wěn)定,與MF 相比,DSF 處理籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)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(chǎn)量

2.2 堆腐秸稈對土壤速效養(yǎng)分的影響

秸稈堆腐還田對風(fēng)沙土速效養(yǎng)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(guī)施肥相比,有機(jī)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(guī)施肥相比,有機(jī)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(guī)施肥相比,有機(jī)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(yǎng)分

2.3 堆腐秸稈對土壤水分的影響

秸稈堆腐還田對風(fēng)沙土動(dòng)態(tài)水分變化情況見圖2。有機(jī)替代的添加可以顯著增加風(fēng)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(guī)施肥相比,土壤含水量有機(jī)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(guī)施肥相比,有機(jī)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(dòng)態(tài)變化

2.4 堆腐秸稈對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

秸稈堆腐還田對風(fēng)沙土有機(jī)質(zhì)的影響見圖3。經(jīng)過兩年的定位實(shí)驗(yàn)不同處理間土壤有機(jī)碳有了一定的改變,分布在5.97～8.17 g/kg,有機(jī)替代的添加可以穩(wěn)定并緩慢增加風(fēng)沙土土壤有機(jī)碳含量。與常規(guī)施肥相比,MF、SF 和DSF 處理土壤有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)增加最多,但兩處理統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異不顯著。

圖3 秸稈堆腐還田土壤有機(jī)碳含量

3 結(jié)論與討論

研究表明,在風(fēng)沙土環(huán)境下,綜合比較玉米產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)等指標(biāo),秸稈堆腐還田有機(jī)替代N 素30%模式優(yōu)于傳統(tǒng)糞肥有機(jī)替代,亦優(yōu)于秸稈粉碎直接還田。初步達(dá)到用養(yǎng)結(jié)合,豐產(chǎn)、增效以及保育土壤的多重目標(biāo),可以在風(fēng)沙土半干旱區(qū)繼續(xù)深入試驗(yàn)研究,為風(fēng)沙土用養(yǎng)結(jié)合提供理論依據(jù)。

傳統(tǒng)糞肥有機(jī)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(chǎn)增效作用,但適用土壤環(huán)境不同[11～14]。作物秸稈直接粉碎還田有利于土壤腐殖質(zhì)組成的更新和物理性狀的改善,促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)[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(xiàn)前期“黃弱苗”等現(xiàn)象[16～17]。當(dāng)土溫過低,田間持水量少于20%時(shí)玉米秸稈腐解幾乎停止[18],而遼西風(fēng)沙土區(qū)滿足這個(gè)要求的時(shí)間段很短,從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出,秸稈粉碎直接還田對玉米增產(chǎn)作用不穩(wěn)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(jī)碳含量明顯上升,這也是秸稈堆腐還田優(yōu)于傳統(tǒng)糞肥有機(jī)替代的原因,秸稈中的鉀素釋放比肥料鉀慢,在風(fēng)沙土中供給效果優(yōu)于肥料鉀,充足的鉀素供應(yīng)可保證玉米生長代謝的正常進(jìn)行和健壯生長,是增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

綜上,本研究結(jié)果證實(shí)在遼西風(fēng)沙土區(qū),秸稈堆腐還田可以顯著提高土壤生育期內(nèi)土壤水分含量和鉀含量供給能力,穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)含量,并提高玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性。