秸秆还田方式与灌溉量对土壤碳水环境和玉米产量的影响

高天平 张春 刘文涛 安振 宁堂原

摘要：通过防雨棚控水栽培池微区试验，探究不同秸秆还田方式和水分条件对土壤碳水环境及玉米产量的影響。试验设置两种秸秆还田方式：秸秆地面覆盖起微垄（沟垄高12～15 cm，垄作，R）和秸秆粉碎掺混土壤后平作（平作，F）;3种花后水分灌溉处理：田间持水量的75%～80%（水分充足，CK），65%～70%（轻度干旱，SD），55%～60%（干旱，D），探究它们对土壤有机碳和土壤含水量及玉米产量的影响及其交互作用。结果表明：在水分充足条件下平作还田方式更有利于秸秆保水作用，促进有机碳的积累和产量形成，开花期FCK分别比FSD、FD增加土壤有机碳含量19.74%、34.81%;在干旱条件下垄作较平作秸秆还田处理更有利于土壤含水量的保持，开花期、灌浆期和收获期RD土壤含水量较FD分别高10.48%、13.13%、8.21%。充足灌溉能够显著提高30 cm土层有机碳含量和土壤含水量，有利于产量的提高。可见，在干旱条件下，秸秆还田与微垄相结合有利于提高土壤碳含量，提高土壤含水量，并显著增产。

关键词：秸秆还田方式;灌溉量;土壤有机碳;土壤含水量;玉米产量

中图分类号：S513.05  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0108-05

Abstract This experiment was conducted to explore the effects of different straw returning methods and post-flowering irrigation amount on soil carbon and water environment and maize yield in rain shelter cultivation ponds. The experiment consisted of two modes of straw returning： the 12～15-cm height micro ridge with straw buried （ridge， R） and wheat straw crushed and mixed into soil （flat F）， and three soil water treatments：75%～80% of field water holding capacity（water sufficient， CK）， 65%～70% of that （mild drought， SD） and 55%～60% of that （drought， D）. The effects of the two factors and their interactions were explored on soil organic carbon and water contents and maize yield. The results showed that under the condition of sufficient water， the method of straw returning to the field is more conducive to the water retention， promoting the accumulation of organic carbon and the formation of yield. At flowering stage， the FCK treatment increased the organic carbon content of soil by 19.74% and 34.81%， respectively， compared with FSD and FD. Under drought condition， the ridge treatment was more conducive to the maintenance of soil water content. The water content of RD at the flowering， filling and harvest stages was 10.48%， 13.13% and 8.21% higher than that of FD. In addition， under the well-watered irrigation conditions， the soil water content could be increased， which was more conducive to increasing yield. It could be seen that the combination of straw returing and micro-ridge was beneficial to improve soil carbon content under drought conditions， increase soil moisture content and significantly increase yield.

Keywords Straw returning method; Amount of irrigation; Soil organic carbon; Soil water content; Maize yield

近年来，我国干旱灾害频发，水资源日益短缺，节水农业的发展成为农业领域研究热点。黄淮海种植区内水资源总量较少，仅占全国平均水资源的7.6%，加之夏季气温较高，蒸发量大，土壤极易出现水分缺失，造成玉米灌浆后期田间土壤持水量下降，最终玉米产量难以继续增长[1]。我国是作物秸秆生产大国，然而秸秆利用率却极低。据统计我国年生产秸秆量约7亿吨，其中直接被焚烧的约占30%，作为动物饲料利用的有30%，而直接还田的仅为总量的20%～30%[2-5]。大量试验和生产实践表明，采用秸秆还田会对土壤理化性状、碳水环境以及土壤养分循环产生重要影响，进而影响作物生长发育，促进作物产量提高[6-8]。但传统秸秆还田具有病虫害多发、影响土肥融合、降低出苗率等不良问题。垄沟种植模式是一种高效集雨模式，能调节自然降水分配，增加沟内土壤含水量，提高水分利用效率，实现作物增产[9-11]。

目前关于秸秆还田和垄沟种植模式的报道较多，但缺乏二者相结合的研究。本试验采用沟垄种植方式即把秸秆培垄行和种植行分开，以秸秆平作作为对照，研究不同水分条件下两种秸秆还田方式（垄作和平作）对土壤有机碳含量、土壤含水量及玉米产量的影响，为实现秸秆资源和水分的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2018年在山东农业大学水肥耦合研究试验站（36°10′N，117°09′E）控水栽培池（长×宽×深为3.0 m×3.0 m×2.4 m）进行。栽培池多年用于冬小麦-夏玉米一年两熟种植，池内土壤理化性状与各营养元素含量一致。玉米种植前，栽培池0～20 cm土层的养分含量：有机碳10.53 g·kg-1、全氮0.82 g·kg-1、速效磷211.27 mg·kg-1、速效钾88.9 mg·kg-1、土壤容重1.4 g·cm-3。以常规尿素与控释尿素按6∶ 4比例沟施基肥，纯氮225 kg·hm-2，P2O5、K2O各为150 kg·hm-2。供试玉米品种为郑单958，密度为每公顷67 500 株。6月20日播種，10月8日收获，生育期为110天。

花后控水，设3个灌溉梯度：田间持水量的75%～80%（水分充足，CK）、65%～70%（轻度干旱，SD）、55%～60%（干旱，D）。当60%处理土壤湿度降至50%进行补灌。两种秸秆还田方式：秸秆垄作（沟垄高12～15 cm，R）和秸秆平作（秸秆翻入土壤约20 cm，F），秸秆还田量6 000 kg·hm-2。共6个处理，分别为平80（FCK），垄80（RCK），平70（FSD），垄70（RSD），平60（FD），垄60（RD）。田间试验设计示意图见图1。

1.2 样品采集

玉米开花期、灌浆期、收获期进行土壤样品采集，三个重复混合，按0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm 共7个层次取样，并按不同层次混合，将采集的土样剔除掉岩屑及>2 mm的植物碎片和根系，风干后过2 mm筛。

1.3 测定项目及方法

土壤有机碳：用重铬酸钾湿氧化法[12]测定。

土壤含水量：烘干法测定土壤质量含水量。

产量及产量构成要素：每个栽培池选取10株，每个处理三次重复，进行室内考种，包括穗行数、行粒数、千粒重。

1.4 数据分析与处理

用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS 17.0软件对数据进行处理和统计分析，SigmaPlot 10.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田方式与灌溉量对土壤有机碳含量的影响

由表1可以看出，各个处理土壤有机碳含量随生育期推进不同土层的变化趋势不同。各处理在0～10 cm土层，土壤有机碳含量随着生育进程呈现降低趋势，开花期至收获期0～10 cm土壤有机碳含量的减少量表现为CK>SD>D，FCK减少量最大;而10～20 cm土层表现为先降低后升高的趋势，开花期至收获期各处理有机碳的减少量较小，RD处理土壤有机碳含量增加;20～30 cm土层土壤有机碳随着生育进程呈增加趋势，各个水分条件下土壤有机碳增加量均表现为R高于F。

在灌水梯度上，0～30 cm土层整个生育期土壤有机碳含量为CK>SD>D，开花期FCK分别比FSD、FD增加土壤有机碳含量19.74%、34.81%。在秸秆还田方式上，各个水分梯度下R与F对土壤有机碳含量的影响有差异性，CK处理在0～10 cm土层整个生育期表现为F高于R，D处理则表现为R高于F。

2.2 秸秆还田方式与灌溉量对土壤含水量的影响

2.2.1 开花期 在同一秸秆还田方式下，CK的0～100 cm土层土壤含水量显著高于D处理;CK比SD高9.7%，两者间差异不显著（图2）。不同秸秆还田方式在各个水分梯度下对土壤质量含水量的影响不同，主要体现在0～30 cm土层：在0～10 cm土层，FCK比RCK高7.67%，其他处理差异较小;在10～20 cm土层，RD较FD显著增加10.48%;在20～30 cm土层，RD较FD显著增加34.09%，而RSD比FSD高6.38%。

2.2.2 灌浆期 灌浆期同一秸秆还田方式下水分对土壤含水量的影响规律与开花期基本一致（图3）。在0～100 cm土层土壤含水量表现为CK处理和SD处理显著高于D处理;CK比SD高15.8%，两者间差异不显著。不同秸秆还田方式在各个水分梯度下对土壤含水量的影响也主要表现在0～30 cm土层。0～30 cm土层，RD较FD处理土壤含水量显著增加13.13%;FCK较RCK显著增加7.1%;SD处理不同还田方式土壤含水量差异不显著。

2.2.3 收获期 由图4可以看出，同一秸秆还田方式下，收获期不同水分利用方式在0～100 cm土层对土壤含水量的影响仍然表现为CK处理和SD处理显著高于D处理;CK比SD高9.8%，两者间差异不显著。不同秸秆还田方式对各水分梯度下土壤含水量的影响在不同土层表现存在差异。RD在0～10 cm土层较FD土壤含水量显著增加8.21%，在10～20 cm土层显著下降;RCK比FCK在30～60 cm土层土壤含水量显著增加，在0～30 cm土层差异不显著。

2.3 秸秆还田和灌溉量对产量及其构成要素的影响

从表2可以看出，不同水分灌溉梯度对产量影响表现为CK>SD>D。不同秸秆还田方式在各个水分梯度下产量表现不同，FCK较RCK产量显著增加7.71%;但FD处理显著低于RD处理，RD产量比FD高5.74%，而RSD比FSD高4.58%。这种现象可能是由于秸秆还田方式在不同水分条件下对穗粒数和千粒重影响造成的。FCK较RCK穗粒数显著提高6.38%，而RD较FD显著增加5.11%，SD处理两种秸秆还田方式下差异不显著。穗粒数的差异可能与秃尖长度有关，FD秃尖长比RD高10.59%，FCK秃尖长比RCK低7.23%。千粒重表现为CK>SD>D，CK较D显著提高15.04%。

3 讨论

秸秆还田和种植方式显著影响土壤含水量[5]。刘晶晶、贾亮等研究表明，有机物的保水作用建立在一定的土壤含水量基础上。还田的作物秸秆在土壤相对含水量较高（SWC>70%～80%）条件下往往能起到较好的保水效果，而在较低土壤含水量（SWC<60%～55%）条件下其保水能力则不明显[13，14]。这与本试验结果一致：在水分充足条件下，平作土壤含水量、有机碳含量和产量显著高于垄作;在干旱条件下，垄作土壤含水量、有机碳含量和产量优于平作。可能是由于垄作减少了行间蒸发，增加沟内水分入渗，改变了土壤水分的空间分布，缓解土壤干旱，降低减产幅度。

秸秆还田会通过提高土壤碳含量、改善土壤质量，提高土壤蓄水能力，缓解干旱对作物的不良影响[6，7]。灌溉能够显著增加作物的生物量和产量，生物量的提高会产生大量的根系和植株体还田，一定程度上起到碳归还的效果[15]。本研究结果表明，随生育进程，灌溉会逐渐降低表层土壤有机碳含量，提高20～30 cm有机碳含量，且表层土壤有机碳含量在开花期至收获期均表现为充分灌溉处理的较高。水分充足条件下，较高的有机碳归还量和较低的有机碳矿化速率可能是造成表层碳含量较高的原因。

土壤含水量也影响还田秸秆分解，从而影响土壤碳含量。吴俊松等[16]研究表明，灌溉量可以显著影响土壤含水量和土壤贮水量，随着灌溉量的增加，土壤含水量和土壤贮水量增加，蒸散量也随之增加，这与本试验结果一致。灌溉会影响土壤有机碳含量和空间分布。同一土层的土壤有机碳含量随着灌溉量的增加而增加，即CK>SD>D。这与杨振权[17]和刘振香[18]等的研究结果一致。

4 结论

在干旱条件下采用地面微起垄的秸秆还田方式有利于保持土壤持水量，可抑制田间蒸发，增加沟内水分入渗，促进垄内秸秆腐解，有利于有机碳的积累，同时缓解干旱胁迫。灌溉能增加土壤含水量。充足的水分更有利于发挥秸秆保水作用且能够促进有机物料的分解，有利于有机碳的积累和产量形成。总之，在干旱条件下，秸秆还田与微垄相结合有利于提高土壤有机碳和水含量，并显著增产。

参 考 文 献：

[1] 薛昌颖， 刘荣花， 马志红. 黄淮海地区夏玉米干旱等级划分[J]. 农业工程学报， 2014， 30（16）： 147-156.

[2] 王永鹏. 秸秆还田与地膜覆盖耦合对玉米产量及土壤有机质平衡的影响[D]. 兰州：兰州大学， 2014.

[3] 李万良， 刘武仁. 玉米秸秆还田技术研究现状及发展趋势[J]. 吉林农业科学， 2007， 32（3）： 32-34.

[4] 汪军， 王德建， 张刚， 等. 秸秆还田下氮肥用量对稻田养分淋洗的影响[J]. 中国生态农业学报， 2010， 18（2）：316-321.

[5] 孟艳， 孙晓涵， 郑宾， 等.有机物沟埋还田模式与花后灌水量对玉米光合特性和产量的影响[J]. 应用生态学报， 2018， 29（8）： 90-99.

[6] 沈小帅. 试论不同秸秆还田模式对土壤有机碳及其活性组分的影响[J]. 居舍， 2018（28）：23.

[7] 吴婕， 朱钟麟， 郑家国， 等. 秸秆覆盖还田对土壤理化性质及作物产量的影响[J]. 西南农业学报， 2006， 19（2）： 192-195.

[8] 李昊昱， 孟兆良， 陈金， 等. 周年秸秆还田对农田土壤固碳及冬小麦-夏玉米产量的影响[J]. 作物学报，2014，18（2）：316-321.

[9] 李小雁， 张瑞玲. 旱作农田沟垄微型集雨结合覆盖玉米种植试验研究[J]. 水土保持学报， 2005，19（2）：45-48， 52.

[10] 王琦， 张恩和， 李凤民. 半干旱地区膜垄和土垄的集雨效率和不同集雨时期土壤水分比较[J].生态学报， 2004，24（8）：1820-1823.

[11] 任小龙， 贾志宽， 韩清芳， 等. 半干旱区模拟降雨下沟垄集雨种植对夏玉米生产影响[J]. 农业工程学报， 2007，23（10）：45-50.

[12] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业科学技术出版社， 2000.

[13] 刘晶晶， 张阿凤， 冯浩， 等. 不同灌溉量对小麦-玉米轮作农田生态系统净碳汇的影响[J]. 应用生态学报， 2017， 28（1）：169-179.

[14] 贾亮， 翟丙年， 冯梦龙， 等. 不同水肥优化模式对冬小麥生长发育及产量的影响[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版）， 2012， 40（10）： 75-81.

[15] Lal R. Soil carbon sequestration to mitigate climate change [J]. Geoderma，2004，123（12）： 1-22.

[16] 吴俊松， 许明敏， 王小华， 等. 水稻秸秆集中沟埋还田对土壤有机质、酶活性及作物产量的影响[J]. 土壤通报， 2015， 46（1）： 203-209.

[17] 杨振权， 陈永星. 水田机械秸秆深施的养分释放及增产效果研究[J]. 浙江大学学报（农业与生命科学版），2000，26（3）：329-331.

[18] 刘振香， 刘鹏， 贾绪存， 等. 不同水肥处理对夏玉米田土壤微生物特性的影响[J]. 应用生态学报， 2015，26（1）：113-121.