玉米淺埋滴灌條件下秸稈還田年限對耕層土壤物理特性的影響

楊學振，葛選良，劉 晶，范秀艷，鄭 威，張瑞富

（1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028043；2.通遼市農牧科學研究所，內蒙古 通遼 028000）

西遼河平原地處世界玉米生產的黃金帶，是內蒙古自治區重要的糧食生產基地，玉米穩產高產對內蒙古自治區經濟發展具有舉足輕重的影響［1］。由于長期的小農機整地和重用輕養的耕作習慣，耕層土壤 “淺、實、少” 的問題日益突出［2］。作為保護性耕作的核心措施，玉米秸稈還田面積在西遼河平原逐年增大［3-4］。前人研究表明，秸稈還田可以改善土壤物理性狀［5］，降低土壤容重，減少土壤水分蒸發［6］，有效提高土壤有機碳含量［7］，為作物生長提供大量營養物質，增加干物質積累和轉運效率，進而提高作物產量［8-9］。徐燕等［10］通過長達6 a連續玉米秸稈還田與間隔玉米秸稈還田對比試驗發現，連續秸稈還田較間隔秸稈還田對土壤容重與孔隙度的影響更為顯著。張聰等［11］通過15 a長期定位試驗發現，秸稈還田可有效降低土壤容重、提高土壤孔隙度，隨著秸稈還田年限的增加，土壤容重與孔隙度最終趨于某一平衡點。前人研究表明，秸稈連年還田對不同作物耕層土壤物理性狀的影響顯著且具有明顯的正效應［12］。本研究基于淺埋滴灌水肥一體化技術模式，以玉米不同秸稈還田年限地塊為研究對象，研究玉米秸稈不同還田年限土壤容重、孔隙度、含水量和緊實度的變化規律及其與產量的相關性，旨在為西遼河平原耕地地力提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1．1 試驗區概況

試驗地位于內蒙古自治區通遼市開魯縣開魯鎮（43°60′N，121°32′E），氣候類型屬溫帶大陸季風氣候，年均氣溫6.8 ℃，平均無霜凍期為150 d，≥10 ℃活動積溫3 200 ℃·d，年均降水量399 mm，生長季內（5—9月份）降水量約為340 mm，供試土壤為灰色草甸土。播前試驗地耕層（0～20 cm）土壤養分狀況如下：土壤有機質17.06 g·kg-1，土壤堿解氮49.44 mg·kg-1，土壤速效磷10.54 mg·kg-1，土壤速效鉀105.94 mg·kg-1。

1．2 試驗設計

采用大區對比試驗設計，以相鄰秸稈不還田玉米地塊（0a）為對照，選取西遼河平原灌區玉米秸稈全量還田3年（3a）、5年（5a）和7年（7a）的玉米地塊，秋季收獲后秸稈二次粉碎全量深翻還田，每個處理面積3 024 m2（25.2 m×120 m）以上。種植密度7.5 萬株·hm-2，灌溉方式采用淺埋滴灌。各處理施肥水平一致，結合播種底施磷酸二銨（N∶P∶K=18∶46∶0）195 kg·hm-2、硫酸鉀（N∶P∶K=0∶0∶50）90 kg·hm-2，追施尿素（N≥46%）525 kg·hm-2，分別在拔節期、大喇叭口期、吐絲期按3∶6∶1比例結合灌溉進行。

1．3 測定項目與方法

產量：成熟期收獲測產，各處理測產小區面積24 m2，調查總株數、空稈數，實收測定產量，3次重復；之后隨機取30個果穗，脫粒測定含水量，并折算成標準含水量（14%）的產量。

土壤物理性狀測定：于玉米苗期、吐絲期和完熟期，各處理對角線法取5 點，采用環刀法分別測量0～10、10～20和20～30 cm土壤容重，取其均值，并計算土壤孔隙度和含水量。具體公式如下：

土壤容重=土樣干重/土樣體積；

土壤孔隙度=（1-容重/比重）×100%，比重為2.65；

土壤含水量=（土壤濕重-土壤干重）/土壤干重×100%。

同時采用6210型指針式土壤緊實度儀測量7.6、15.2、22.8、30.4、38.0和45.6 cm處土壤緊實度。

1．4 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2019 軟件處理數據，采用DPS 軟件進行不同處理間差異顯著性分析（P<0.05），采用SPSS 26.0軟件進行相關性分析，Origin 2022作圖。

2 結果與分析

2．1 淺埋滴灌下秸稈不同還田年限對玉米耕層土壤容重的影響

同一土層，隨著秸稈還田年限的增加，土壤容重呈下降趨勢；同一還田年限，隨著耕層深度的增加，土壤容重呈增加趨勢。苗期秸稈還田5a和7a處理在各土層的差異均不顯著，且二者均顯著低于秸稈還田0a處理，秸稈還田3a、5a和7a 處理0～30 cm各土層土壤容重較秸稈還田0a處理分別降低了1.18%、2.38%和3.33%；吐絲期秸稈還田7a處理與秸稈還田0a和3a處理在0～30 cm各土層的差異均達到顯著水平，且秸稈還田5a處理亦顯著低于秸稈還田0a處理，秸稈還田3a、5a和7a處理0～30 cm土層土壤容重較秸稈還田0a處理分別降低了2.02%、2.69%和4.72%；完熟期秸稈不同還田年限不同土層土壤容重的差異性變化與吐絲期相近，秸稈還田3a、5a和7a 處理0～30 cm土層土壤容重較秸稈還田0a處理分別降低了1.54%、2.63%和4.16%。見表1。

表1 秸稈不同還田年限對耕層土壤容重的影響Tab.1 Effects of different straw returning years on soil bulk density in topsoil

2．2 淺埋滴灌下秸稈不同還田年限對玉米耕層土壤孔隙度的影響

同一土層，隨著秸稈還田年限的增加，土壤孔隙度呈增加趨勢；同一還田年限，隨著耕層深度的增加，土壤孔隙度呈減小趨勢。苗期秸稈還田5a和7a處理在各土層的差異均不顯著，且二者均顯著高于秸稈還田0a處理，秸稈還田3a、5a和7a處理0～30 cm土層土壤孔隙度較秸稈還田0a處理分別增加了1.44%、2.85%和3.87%；吐絲期秸稈還田7a處理與秸稈還田0a和3a處理在各土層的差異均達到顯著水平，且秸稈還田5a處理亦顯著高于秸稈還田0a處理，秸稈還田3a、5a和7a處理0～30 cm土層土壤孔隙度較秸稈還田0a處理分別增加了2.48%、3.47%和6.12%；完熟期秸稈不同還田年限不同土層土壤孔隙度的差異性變化與吐絲期相近，秸稈還田3a、5a 和7a 處理0～30 cm 土層土壤孔隙度較秸稈還田0a 處理分別提高了1.92%、3.35%和5.49%。見表2。

表2 秸稈不同還田年限對耕層土壤孔隙度的影響Tab.2 Effects of different straw returning years on soil porosity in topsoil

2．3 淺埋滴灌下秸稈不同還田年限對玉米耕層土壤含水量的影響

同一土層，隨著秸稈還田年限的增加，土壤含水量呈增加趨勢；同一還田年限，隨著耕層深度的增加，除吐絲期3a和5a處理土壤含水量呈增加趨勢外，其他處理土壤含水量呈先增加后減少趨勢。苗期秸稈還田5a和7a處理在20～30 cm土層差異顯著，且二者各土層均顯著高于秸稈還田0a處理，秸稈還田3a、5a和7a 處理0～30 cm 土層土壤含水量較秸稈還田0a 處理分別增加了3.60%、7.67%和11.16%；吐絲期秸稈還田7a處理與秸稈還田0a和3a處理在各土層的差異均達到顯著水平，且秸稈還田5a處理亦顯著高于秸稈還田0a 處理，秸稈還田3a、5a 和7a 處理0～30 cm 土層土壤含水量較秸稈還田0a 處理分別增加了3.12%、4.78%和7.92%；完熟期秸稈不同還田年限不同土層土壤含水量的差異性變化與吐絲期相近，秸稈還田3a、5a和7a處理各土層土壤含水量較秸稈還田0a處理分別增加了3.20%、6.59%和9.94%。見表3。

表3 秸稈不同還田年限對耕層土壤含水量的影響Tab.3 Effects of different straw returning years on soil moisture content in topsoil

2．4 淺埋滴灌下秸稈不同還田年限對玉米耕層土壤緊實度的影響

35 cm 以上各深度測量點（7.6、15.2、22.8、30.4 cm）土壤緊實度隨著秸稈還田年限的增加呈減小趨勢；同一還田年限土壤緊實度隨著土層深度的增加呈增大趨勢，38.0 cm和45.6 cm深度測量點無明顯變化規律。苗期，秸稈還田3a、5a、7a處理較秸稈還田0a處理分別降低了8.11%、9.19%、12.31%；吐絲期，秸稈還田3a、5a、7a處理較秸稈還田0a處理分別降低了9.77%、11.43%、11.95%；完熟期，秸稈還田3a、5a、7a處理較秸稈還田0a處理分別降低了10.86%、13.36%、21.50%。見圖1。

圖1 秸稈不同還田年限對耕層土壤緊實度的影響Fig.1 Effects of different straw returning years on soil compaction in topsoil

2．5 淺埋滴灌下秸稈不同還田年限耕層土壤物理性狀與產量的相關性分析

基于Pearson相關性分析，分析了玉米不同時期，不同土層的土壤容重、孔隙度、含水量和緊實度與產量的相關性（表4）。0～10 cm土層，除苗期含水量和吐絲期緊實度與產量呈顯著相關外，其他指標均與產量呈極顯著相關；10～20 cm土層，除吐絲期和完熟期緊實度與產量無相關關系外，其他指標均與產量呈極顯著相關；20～30 cm土層，苗期含水量和產量呈極顯著相關，吐絲期容重、孔隙度、含水量和緊實度與產量呈極顯著相關，完熟期容重、孔隙度和緊實度與產量呈極顯著相關，含水量與產量呈顯著相關。

表4 秸稈不同還田年限耕層土壤物理指標和產量的相關性分析Tab.4 Correlation analysis of soil physical indicator and yield in topsoil with different straw returning years

3 討論

土壤物理性狀是評判土壤質量和土壤結構的重要依據之一。前人研究表明，秸稈還田對土壤物理性狀影響較為顯著［13-15］。本研究結果表明，不同秸稈還田年限均顯著降低土壤容重，且秸稈還田年限越長土壤容重越低，這與慕平等［16］研究結果一致。有研究表明，秸稈直接還田處理的土壤總孔隙度顯著高于無秸稈處理和常規栽培方式，其中，秸稈深翻還田處理較無秸稈深翻處理0～30 cm土層土壤孔隙度提高了0.64%～1.43%［17-18］。本研究發現，與秸稈還田0a處理相比，其他不同秸稈還田年限處理玉米各生育時期0～30 cm土層土壤孔隙度均有不同程度的增加，且土壤孔隙度隨著秸稈還田年限的增加而增大。這可能是由于秸稈還田使秸稈與耕層土壤混合，為微生物活動提供必要的養分，同時微生物也隨秸稈還田量的增加而變得越來越活躍，進而提高土壤孔隙度［19］；另一方面，微生物分泌物和細小秸稈粘連包裹更多土壤顆粒，這也使得土壤孔隙度進一步增大［20］。秸稈分解提供足夠的養分，可促進作物根系的生長發育［21］，根系相互穿插和根系數量以及根系分泌物也增加土壤孔隙度［22］。土壤含水量不僅決定了土壤的宜耕性，同時與作物的正常生長發育密不可分。與秸稈離田相比，秸稈還田處理可顯著增加0～60 cm土層土壤含水量［23］。本研究發現，不同秸稈還田年限玉米各生育時期土壤含水量均顯著提高，且土壤含水量隨秸稈還田年限的增加而增大。前人研究表明，一方面，秸稈還田后土壤秸稈殘體本身具有吸收土壤多余水分的能力；另一方面，秸稈還田可打破堅硬的土壤犁底層，疏松0～30 cm土壤，提高土壤的入滲性能和接納雨水的能力［24-25］，同時，秸稈的存在可阻擋地表水分向大氣擴散，有效減少耕層土壤水分徑流量，從而降低水分損失［26］。本研究還發現，土壤緊實度隨還田年限的增加呈減小趨勢。耕層土壤緊實度的改善除與秸稈還田密不可分外，還與耕作方式有關，間隔深松和翻耕均顯著降低耕層土壤緊實度和硬度，提高土壤宜耕性［27-28］。

4 結論

本研究結果表明，秸稈還田可顯著降低0～30 cm土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤含水量，降低土壤緊實度，進而改善土壤結構，增加玉米產量。耕層土壤容重和緊實度隨秸稈還田年限的增加而減小，土壤孔隙度和土壤含水量隨秸稈還田年限的增加而增大?？梢?，淺埋滴灌條件下秸稈連年還田可有效改善耕層土壤物理性狀，研究結果可為西遼河平原耕地地力提升提供一定的理論支撐。