白 偉，安景文※，張立禎，逄煥成，孫占祥，牛世偉，蔡 倩

秸稈還田配施氮肥改善土壤理化性狀提高春玉米產(chǎn)量

白 偉1，安景文1※，張立禎2，逄煥成3，孫占祥1，牛世偉1，蔡 倩1

（1. 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，沈陽(yáng) 110161；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

為了探明秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量及土壤物理性狀的影響，2014－2015年在遼寧鐵嶺設(shè)置了秸稈0 kg/hm2+純N 0 kg/hm2（S0F0），秸稈9 000 kg/hm2+純N 0 kg/hm2（SN0），秸稈9 000 kg/hm2+純N 112.5 kg/hm2（SN1），秸稈0 kg/hm2+純N 225 kg/hm2（S0N2）（當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植方式，CK），秸稈9 000 kg/hm2+純N 225 kg/hm2（SN2），秸稈9 000 kg/hm2+純N 337.5 kg/hm2（SN3）6個(gè)處理開展了研究。結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量、土壤物理性狀、根系形態(tài)等指標(biāo)影響顯著（P＜0.05）。全量還田9 000 kg/hm2和配施純氮225 kg/hm2產(chǎn)量最高，比秸稈不還田2 a增產(chǎn)1.10%～11.56%，但產(chǎn)量并未隨著施氮量的增加而持續(xù)增加；群體生物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，收獲指數(shù)在0.46～0.59之間。秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造可顯著提高土壤含水量，降低土壤容重，調(diào)節(jié)土壤三相比；秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造春玉米根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積、根干質(zhì)量等根系形態(tài)指標(biāo)均優(yōu)于秸稈不還田，且隨著氮肥施入量的增加，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)越好。因此，綜合分析認(rèn)為，秸稈還田量9 000 kg/hm2和配施氮肥225 kg/hm2是遼北棕壤區(qū)比較理想的耕層構(gòu)造模式和秸稈還田技術(shù)，在該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

秸稈；肥料；土壤；施氮量；耕層構(gòu)造；土壤物理性狀；春玉米；根系形態(tài)

白 偉，安景文，張立禎，逄煥成，孫占祥，牛世偉，蔡 倩. 秸稈還田配施氮肥改善土壤理化性狀提高春玉米產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：168－176. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.022 http://www.tcsae.org

Bai Wei, An Jingwen, Zhang Lizhen, Pang Huancheng, Sun Zhanxiang, Niu Shiwei, Cai Qian. Improving of soil physical and chemical properties and increasing spring maize yield by straw turnover plus nitrogen fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 168－176. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.022 http://www.tcsae.org

0 引 言

玉米是世界第一作物，東北地區(qū)地處世界玉米生產(chǎn)黃金帶，是中國(guó)重要的玉米主產(chǎn)區(qū)[1]。遼寧省是中國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，玉米種植面積穩(wěn)定在200×104hm2以上，遼西北地區(qū)占2/3以上，對(duì)保障區(qū)域糧食安全具有重要意義[2]。中國(guó)每年生產(chǎn)各類作物秸稈約7億t，其中玉米秸稈占50%以上[3]，東北地區(qū)玉米秸稈產(chǎn)量最大，約12 253 kg/hm2，居全國(guó)之首，玉米秸稈利用中秸稈還田占21.7%、飼料占29.5%、燃料占35.5%、焚燒占10.0%、工業(yè)原料占0.1%、其他占3.2%[4]。中國(guó)自家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制以來，深翻、深松等大型農(nóng)機(jī)作業(yè)面積越來越少，多為小型農(nóng)機(jī)具作業(yè)，直接造成了耕層的“淺”、“實(shí)”、“少”問題，導(dǎo)致土壤理化性狀日益惡化，根系生長(zhǎng)受阻，玉米生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響[5]。耕層構(gòu)造是解決東北旱作農(nóng)田耕層障礙問題的有效途徑之一[6-8]，秸稈還田作為耕層構(gòu)造的重要內(nèi)容之一，已經(jīng)得到越來越多學(xué)者的認(rèn)同，也逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[9-12]。秸稈還田能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加干物質(zhì)積累，提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)[13-15]；能夠改善土壤物理性狀，增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤團(tuán)聚體，提高土壤擴(kuò)蓄增容能力，降低土壤容重，減少水分蒸發(fā)，提高水分利用效率[14,16-18]；能夠調(diào)節(jié)碳氮平衡，減少氮素流失，固定外源鉀，調(diào)節(jié)碳氮平衡[19-20]。但也有研究結(jié)果表明，秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量等有負(fù)面影響[21]。

目前制約遼西北地區(qū)玉米產(chǎn)量提高主要有2個(gè)限制因子，一是耕層結(jié)構(gòu)不合理，土壤理化性狀惡化；二是有機(jī)質(zhì)下降，地力持續(xù)衰退。因此，如何利用秸稈還田和土壤耕法改善耕層土壤理化性狀，充分發(fā)揮土壤生產(chǎn)力，提高春玉米產(chǎn)量對(duì)于區(qū)域玉米生產(chǎn)具有重要意義。由于不同生態(tài)環(huán)境條件下的秸稈還田方式、周期、還田量、氮肥配施量不同，加上秸稈還田效應(yīng)周期長(zhǎng)，全量還田影響出苗率等因素的限制，關(guān)于遼西北地區(qū)秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量、土壤物理性狀和根系形態(tài)的研究還較少。因此，本研究在確定深翻還田是區(qū)域最佳還田方式的基礎(chǔ)上，設(shè)置了秸稈還田和不同施氮數(shù)量2個(gè)因素，探討秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量和土壤物理性狀的影響，為遼西北地區(qū)確定適宜的耕層構(gòu)造方式和秸稈還田技術(shù)，提高土壤持續(xù)生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

鐵嶺市位于遼寧省西北部，地處東經(jīng)123°27′～125°06′，北緯41°59′～43°29′之間，屬于松遼平原中段，中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候，日照充足，四季分明，雨熱同季。全年日照為2 700 h，年平均降雨量為500～700 mm，降雨量年際變化較大，年內(nèi)分配不均，大部分集中在6－9月份，而春秋兩季降水偏少。年蒸發(fā)量為1 600 mm，年平均氣溫6.3 ℃，最低氣溫?31℃，最高氣溫34.4 ℃，無霜期150 d。當(dāng)?shù)馗髦贫戎饕砸患敬河衩诪橹鲗?shí)行連年淺旋耕，秸稈主要以燃料和焚燒為主，還田量低。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2014年4－10月和2015年4－10月在遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣蔡牛鎮(zhèn)張莊（遼北典型棕壤類型區(qū)）進(jìn)行，2014年生育期內(nèi)降雨量為498.40 mm，平均溫度為19.13 ℃；2015年生育期內(nèi)降雨量為583.50 mm，平均溫度為19.27 ℃，逐日降雨量、平均溫度如圖1所示。試驗(yàn)土壤為棕壤，耕層土壤含有機(jī)質(zhì)14.91 g/kg、全氮1.32 g/kg、全磷0.61 g/kg、全鉀12.4 g/kg、堿解氮85.0 mg/kg、有效磷27.4 mg/kg、速效鉀113.2 mg/kg、pH值為6.3，試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，無灌溉條件。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)作物生育期內(nèi)逐日降雨量、平均溫度Fig.1 Daily rainfall and mean temperature duration in crop growth period of experiment station

1.3 供試品種

選用鄭單958，是由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所利用鄭58/昌7-2（選）雜交選育的一代雜交種。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)6個(gè)處理，分別為S0F0、SN0、SN1、S0N2、SN2和SN3，具體秸稈施入量和肥料用量見表1。其中氮使用肥料為尿素（含氮46.3%），磷使用肥料為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀使用肥料為硫酸鉀（含K2O50%）。每個(gè)處理3次重復(fù)，18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)10 m，寬6 m（10壟，壟距0.6 m），小區(qū)面積60 m2，試驗(yàn)區(qū)面積1 080 m2。試驗(yàn)于2014年4月28日播種、9月25日收獲，2015年4月29日播種、9月30號(hào)收獲；種植密度為60 000株/hm2，種植行距60 cm，株距27 cm。秸稈還田方式為秋季玉米收割機(jī)收獲，同時(shí)將秸稈粉碎均勻鋪于地表，用翻轉(zhuǎn)犁深翻（深度為25～30 cm）還田，肥料均在播種時(shí)一次性施入，其他管理正常。

表1 不同處理詳細(xì)說明Table1 Detailed description of different treatments

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

2014年播種前按常規(guī)方法測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)[22]。

1.5.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

玉米收獲后，每個(gè)處理隨機(jī)取3個(gè)具有代表性的10 m2樣區(qū)測(cè)產(chǎn)，用水分儀測(cè)定水分，按14%含水量折合成公頃產(chǎn)量。每個(gè)樣區(qū)取15株，按常規(guī)方法測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.5.3 群體生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)

產(chǎn)量收獲后，取對(duì)應(yīng)的10 m2樣區(qū)的生物產(chǎn)量稱質(zhì)量，隨機(jī)連續(xù)植株5株，稱質(zhì)量后在烘箱105 ℃殺青60 min，85 ℃烘至恒質(zhì)量稱干質(zhì)量，計(jì)算植株含水率，然后根據(jù)鮮質(zhì)量和5株含水率的平均值折合成公頃生物產(chǎn)量。

收獲指數(shù)：HI=GY/BY。

式中HI為作物收獲指數(shù)；GY為作物籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；BY為作物生物產(chǎn)量，kg/hm2。

1.5.4 土壤容重

分別于玉米播種期（2014年4月28日，2015年4月29日）和收獲期（2014年9月25日和2015年9月30日）采用環(huán)刀法測(cè)定不同土層（5～10、＞10～15、＞15～20 cm）的土壤容重。每個(gè)小區(qū)測(cè)3次重復(fù)，每個(gè)處理共9次重復(fù)。

1.5.5 土壤含水量

采用土鉆取樣烘干法，在苗期（2014年5月25日、2015年5月30日）、拔節(jié)期（2014年6月26日、2015年6月28日）、吐絲期（2014年7月30日、2015年7月29日）、灌漿期（2014年9月2日、2015年9月1日）和收獲期（2014年9月25日、2015年9月30日）測(cè)定0～100 cm土壤含水率，每10 cm一個(gè)層次，3次重復(fù)。

1.5.6 土壤三相比

土壤三相比=（土壤固體容積：土壤液體容積：土壤氣體容積）=（100%?土壤總孔隙度）：（土壤質(zhì)量含水量×容重）：｛土壤總孔隙度?（土壤質(zhì)量含水量×容重）｝，土壤總孔隙度=（1?容重/比重）×100，其中土壤比重取值為2.65[22]。

1.5.7 春玉米根系

每個(gè)小區(qū)選取有代表性玉米植株3株，每個(gè)處理共9株，在拔節(jié)期、灌漿期、成熟期采用剖面挖掘法測(cè)定其根數(shù)（地下節(jié)根和氣生根）、根長(zhǎng)和根體積，測(cè)定每條節(jié)根的長(zhǎng)度，相加為總根長(zhǎng)。采用WinRHIZO Program（Canada）植物根系分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后將每一樣品裝入紙袋風(fēng)干，測(cè)定根干質(zhì)量（精確到0.001 g）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Excel進(jìn)行整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，土壤含水量空間分布圖用Surfer繪制，用SPSS17.0軟件作相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法多重比較，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

產(chǎn)量方差分析表明（表2），秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造明顯影響春玉米產(chǎn)量，2014年S0F0、SN0與S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN0＞S0F0，SN2比S0F0增加74.58%；2015年表現(xiàn)略有不同，S0F0、SN0與SN1、S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN2＞S0N2＞SN3＞SN1＞ SN0＞S0F0，SN2比S0F0增加35.29%。說明秸稈全量還田條件下，隨著施氮量的增加春玉米產(chǎn)量也在增加，但增加到一定程度后，產(chǎn)量不再增加；相同施氮條件下，秸稈還田能夠增加一定的作物產(chǎn)量，增加的幅度為1.10%～11.56%。

在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面，2014年穗行數(shù)差異不顯著（P＞0.05），S0F0、SN0與SN1、S0N2、SN2、SN3的行粒數(shù)差異顯著（P＜0.05），S0F0、SN0與S0N2、SN2、SN3的禿尖長(zhǎng)差異顯著（P＜0.05），SN2、SN3與S0F0、SN0、SN1的百粒重差異顯著（P＜0.05）；2015年表現(xiàn)略有不同，SN0與S0N2的穗行數(shù)差異顯著（P＜0.05），SN2與的S0F0、SN0的行粒數(shù)差異顯著（P＜0.05），禿尖長(zhǎng)和百粒重差異不顯著（P＞0.05）。通過相關(guān)分析表明，產(chǎn)量與行粒數(shù)和百粒重呈極顯著正相關(guān)（r=0.874**、0.767**），與穗行數(shù)無顯著相關(guān)性（r=0.540），與禿尖長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=?0.783**）。由此表明，秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米在產(chǎn)量構(gòu)成方面增產(chǎn)的主要原因是百粒質(zhì)量和行粒數(shù)的顯著提高和禿尖的顯著降低。

表2 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of different treatment on maize yield and yield components

2.2 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米群體生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

春玉米生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)的方差分析表明（圖2），秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造明顯影響春玉米群體生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)，2014年群體生物產(chǎn)量S0F0、SN0與SN1、S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞SN0＞S0F0，SN3比SN0和S0F0分別增加26.51%、28.22%；2015年S0F0、SN0、SN1與S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），SN3比SN0和S0F0分別增加44.62%、44.75%，2a之間差異不顯著（P＞0.05），說明隨著施氮量的增加春玉米群體生物產(chǎn)量也隨著增加，相同施氮條件下，秸稈還田比秸稈不還田增加3.08%～3.56%。所有處理的收獲指數(shù)在0.46～0.59之間，2014年S0F0與SN1、S0N2差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN1＞S0N2＞S0F0，SN1比S0F0增加25.75%，2015年SN1與S0F0、SN0、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN1＞SN0＞S0F0＞SN3，SN1比SN3增加29.33%，2a之間差異不顯著（P＞0.05），說明秸稈還田條件下，收獲指數(shù)并未隨著施氮量的增加而持續(xù)增加；相同施氮條件下，秸稈還田比秸稈不還田降低2.43%～3.12%。

圖2 不同處理對(duì)玉米生物產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響Fig.2 Effect of different treatments on maize biomass and harvest index

2.3 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)土壤容重的影響

土壤容重是反映土壤緊實(shí)程度的重要指標(biāo)之一，秸稈還田配施氮肥對(duì)春玉米收獲期土壤容重有顯著影響（P＜0.05）。

圖3 不同處理對(duì)土壤容重的影響Fig.3 Effect of different treatment on soil bulk density

從圖3中可以看出，2014年播種前各層次的土壤容重差異不顯著（P＞0.05），主要是由于各處理均采用了深翻整地方式；收獲后，各層的土壤容重均有不同程度的增加，5～10 cm土壤容重S0F0與各處理差異顯著（P＜0.05），S0F0比SN0、SN1、S0N2、SN2、SN3高3.2%、5.74%、0.78%、2.38%、0.78%；＞10～15 cm土壤容重S0F0與各處理差異顯著（P＜0.05），S0F0比SN0、SN1、S0N2、SN2、SN3高12.59%、9.52%、8.05%、11.04%、8.78%；＞15～20 cm土壤容重S0F0與各處理差異顯著（P＜0.05），S0F0比SN0、SN1、S0N2、SN2、SN3f分別高4.49%、5.16%、5.16%、19.85%、5.84%；相同施氮條件下，5～10、＞10～15、＞15～20 cm土壤容重秸稈還田比秸稈不還田分別降低1.61%、2.65%和12.43%。2015年與2014年表現(xiàn)基本一致。由于采用了深翻的秸稈還田方式（深度為25～30 cm），有效打破了犁底層，加上秸稈還田對(duì)土壤的擴(kuò)蓄增容作用，使耕層的土壤容重較低，特別是＞15～20 cm處的土壤容重。因此，秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造方式可以有效降低土壤容重。

2.4 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)土壤含水量的影響

2014－2015年春玉米全生育期土壤含水量動(dòng)態(tài)變化結(jié)果表明（圖4），秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)土壤含水量影響明顯。2014年S0F0、SN0、SN1、S0N2、SN2、SN3平均土壤含水量變化范圍分別為15.44%～17.68%、15.94%～18.54%、16.59%～18.93%、15.59%～19.49%、16.64%～18.19%、15.29%～19.08%。2015年S0F0、SN0、SN1、S0N2、SN2、SN3平均土壤含水量變化范圍分別為平均土壤含水量變化范圍11.91%～22.95%、15.58%～25.83%、11.96%～30.95%、12.35%～25.44%、10.82%～24.69%、12.64%～28.81%，2015年平均土壤含水量大于2014年，主要是由于2015年降雨量較大所致。2 a整體趨勢(shì)變現(xiàn)一致，相同施氮條件下，秸稈還田土壤含水量高于秸稈不還田。由此表明，秸稈還田疏松了表層土壤，增加了雨水入滲能力，可顯著提高土壤含水量，但并未隨著施氮量的增加而增加，可能與秸稈腐爛需要消耗水分有關(guān)。

2.5 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比的影響

土壤三相是評(píng)價(jià)耕層結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)之一，秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造播種和收獲期5～10 cm和15～20 cm的土壤三相比分析表明（圖5），2014年苗期5～10 cm土壤液相9.06%～13.37%，氣相55.09%～59.62%，固相27.79%～32.34%；＞15～20 cm土壤液相14.25%～20.28%、氣相41.17%～50.57%、固相31.04%～35.94%；收獲期5～10 cm土壤液相13.43%～18.21%，氣相51.23%～53.78%，固相30.21%～34.30%；＞15～20 cm土壤液相19.21%～26.29%、氣相38.59%～48.63%、固相31.78%～35.06%。2015與2014年表現(xiàn)基本一致。由此表明，從播種期到收獲期氣相逐漸減少，液相和固相逐漸增大，耕層結(jié)構(gòu)變得緊實(shí)。各處理間，以SN2處理三相結(jié)構(gòu)最合理，趨向于作物生長(zhǎng)的最優(yōu)三相結(jié)構(gòu)（液相、氣相、固相分別為25%、25%、50%）。

2.6 秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根系形態(tài)的影響

根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積、根干質(zhì)量是直接反映根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分吸收能力的表征參數(shù)[23]，2015年拔節(jié)期、灌漿期和成熟期根系形態(tài)分析表明（表3），秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造對(duì)春玉米根系生長(zhǎng)影響顯著（P＜0.05）。拔節(jié)期，根數(shù)S0F0與SN1、S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞S0F0；根長(zhǎng)S0F0與各處理差異均顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞SN0＞S0F0；根體積表現(xiàn)與根數(shù)一致；根干質(zhì)量表現(xiàn)與根長(zhǎng)一致。相同施氮條件下，秸稈還田的根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積和根干質(zhì)量比秸稈不還田分別增加14.39%、16.94%、3.87%和14.45%。灌漿期，根數(shù)與根長(zhǎng)表現(xiàn)一致，S0F0、SN0與SN1、S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞SN0＞S0F0；根體積S0F0、SN0與SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞SN0＞S0F0；根干質(zhì)量S0F0、SN0與其他處理差異均顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞SN0＞S0F0。相同施氮條件下，秸稈還田的根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積和根干質(zhì)量比秸稈不還田分別增加4.89%、4.19%、3.62%和2.31%。成熟期，根數(shù)與根長(zhǎng)表現(xiàn)一致，S0F0與S0N2、SN2、SN3差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞S0F0；根體積與根干質(zhì)量表現(xiàn)一致，S0F0與各處理差異均顯著（P＜0.05），表現(xiàn)為SN3＞SN2＞S0N2＞SN1＞SN0＞S0F0。相同施氮條件下，秸稈還田的根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積和根干質(zhì)量比秸稈不還田分別增加1.90%、10.27%、1.25%和2.77%。由此說明，深翻秸稈還田能夠打破犁底層，減少根系在土壤中的穿透阻力，使春玉米形成深而發(fā)達(dá)的根系，而且隨著氮肥施入量的增加，根系各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)越好。

圖4 不同處理0～100 cm土壤含水率的動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of soil moisture content in 0-100 cm soil layer of different treatments

圖5 不同處理對(duì)土壤三相比的影響Fig.5 Effect of different treatment on soil three phase ratio

表3 不同處理對(duì)春玉米根系的影響（2015）Table 3 Effect of different treatment on maize root

3 討 論

3.1 作物產(chǎn)量與根系

多數(shù)研究認(rèn)為秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造能夠增加作物產(chǎn)量和促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)[14,24-25]，但不同生態(tài)類型區(qū)秸稈還田配施氮肥增產(chǎn)幅度存在著差異。解文艷等[26]基于中國(guó)北方干旱地區(qū)18年的長(zhǎng)期秸稈還田定位試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田秋施肥具有顯著增產(chǎn)效果，18 a累計(jì)增加玉米籽粒產(chǎn)量9.71～15.58 t/hm2，增產(chǎn)率為8.33%～16.19%；戰(zhàn)秀梅等[24]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈連年還田比秸稈不還田春玉米產(chǎn)量提高幅度為5.19%～5.89%。但也有研究結(jié)果表明，全量秸稈還田并不能增加作物產(chǎn)量，主要是由于在較瘠薄的土壤上施肥量不足造成的[21]。慕平等[27]研究結(jié)果表明，全量秸稈還田玉米根重密度、總根長(zhǎng)及根系活力水平等指標(biāo)均表現(xiàn)為隨著還田年限增加而增加的趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造能夠增加春玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度在1.10%～11.56%，隨著施氮量的增加產(chǎn)量也在增加，但增加到一定程度后，產(chǎn)量不再增加，增產(chǎn)的主要原因是百粒重和行粒數(shù)的顯著提高和禿尖的顯著降低，群體生物產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，收獲指數(shù)并未隨著施氮量的增加而增加。秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造的根數(shù)、根長(zhǎng)、根體積、根干質(zhì)量等根系指標(biāo)均優(yōu)于秸稈未還田處理，且隨著氮肥施入量的增加，根系各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)越好，與前人研究結(jié)果一致。

3.2 土壤物理性狀

秸稈還田配施氮肥耕層構(gòu)造能夠改善土壤物理性狀[25,28-29]，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[30-31]。趙亞麗等[29]研究結(jié)果表明，秸稈還田可以顯著降土壤容重，秸稈還田20～40 cm土層的土壤容重比秸稈不還田降低2.0%，水分利用效率提高15.1%。趙亞麗等[32]研究結(jié)果表明，秸稈還田提高了土壤有機(jī)碳含量，增加了土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性，分別比秸稈不還田提高12.4%、33.9%和25.2%。Roig等[33]研究結(jié)果表明，秸稈還田能夠優(yōu)化土壤三相比，為作物根系提供協(xié)調(diào)的土壤環(huán)境。本研究結(jié)果表明，由于深翻秸稈還田方式可以有效打破了犁底層，加上秸稈還田對(duì)土壤的擴(kuò)蓄增容作用，可以顯著降低土壤容重；秸稈還田疏松了表層土壤，增加了雨水入滲能力，可顯著提高土壤含水量，但未隨著施氮量的增加而增加，可能與秸稈腐爛需要消耗水分有關(guān)。秸稈9 000 kg/hm2+純N 225 kg/hm2三相結(jié)構(gòu)最合理，趨向于作物生長(zhǎng)的最優(yōu)三相結(jié)構(gòu)，與前人研究結(jié)果一致。

3.3 耕層構(gòu)造方式

隨著東北地區(qū)耕層“淺”、“實(shí)”、“少”問題的日益突出[34]，耕層構(gòu)造相關(guān)研究受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。遲仁立首次提出了虛實(shí)并存（間隔）耕層構(gòu)造的概念，并在土壤物理、土壤微生物等方面初步闡明了增產(chǎn)機(jī)理[35]。王立春等[6]從土壤耕作角度對(duì)合理耕層構(gòu)建方法及基本特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了苗帶緊行間松、松緊兼?zhèn)涞暮侠砀麑訕?gòu)造技術(shù)。韓曉增等[9]提出了肥沃耕層構(gòu)造技術(shù)，并利用深松、秸稈還田、有機(jī)肥等技術(shù)措施對(duì)肥沃耕層基本特征進(jìn)行了研究。Bai等[36]提出了高產(chǎn)耕層構(gòu)建技術(shù)，并明確了土壤耕作和秸稈還田是構(gòu)建高產(chǎn)耕層的核心。由于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的不同，秸稈還田方式、還田量、還田周期、氮肥配施數(shù)量研究不同學(xué)者有著不同的研究結(jié)論[37]。本研究結(jié)果表明，遼西北棕壤區(qū)最佳的還田方式為深翻還田，還田量為9 000 kg/hm2，配施氮肥數(shù)量為225 kg/hm2，與前人研究結(jié)果略有不同，主要由于降雨量、土壤條件等因素的不同所致。

4 結(jié) 論

耕層構(gòu)造能夠協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱等土壤環(huán)境要素，提高作物產(chǎn)量，在遼西北地區(qū)玉米生產(chǎn)中具有重要的作用。筆者綜合分析認(rèn)為在深翻秸稈還田的基礎(chǔ)上，還田量為9 000 kg/hm2和配施氮肥225 kg/hm2是遼北棕壤區(qū)比較理想的耕層構(gòu)造模式和秸稈還田技術(shù)。但秸稈還田配施氮肥的其他效應(yīng)，如作物響應(yīng)機(jī)制、土壤微生物變化規(guī)律、水肥利用效率等科學(xué)問題仍需要進(jìn)一步深入探討，后續(xù)將作跟蹤報(bào)道。

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Improving of soil physical and chemical properties and increasing spring maize yield by straw turnover plus nitrogen fertilizer

Bai Wei1, An Jingwen1※, Zhang Lizhen2, Pang Huancheng3, Sun Zhanxiang1, Niu Shiwei1, Cai Qian1
(1. Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161, China; 2. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Improving plough layer is necessary for solving the problems of shallow and compacted plough layer and plough layer lack, which are caused by a long-term unreasonable tillage. In order to examine the effects of straw turnover and different nitrogen (N) additions to plough layer on the yield, soil physical properties, root morphology of spring maize in dry land, 6 treatments were conducted in Tieling of Liaoning Province from 2014 to 2015. The 6 treatments included straw turnover of 0 kg/hm2and adding pure N of 0 kg/hm2(S0F0), straw turnover of 9 000 kg/hm2and adding pure N of 0 kg/hm2(SN0), straw turnover of 9 000 kg/hm2and adding pure N of 112.5 kg/hm2(SN1), straw turnover of 0 kg/hm2and adding pure N of 225 kg/hm2(S0N2) (local traditional cropping pattern, CK), straw turnover of 9000 kg/hm2and adding pure N of 225 kg/hm2(SN2), straw turnover of 9 000 kg/hm2and adding pure N of 337.5 kg/hm2(SN3). The result showed that treatments of straw turnover and different N additions significantly influenced spring maize yields, soil physical properties and root morphology. The treatment of straw turnover of 9 000 kg/hm2and N addition of 225 kg/hm2had the highest yield, increasing by 1.10%-11.56% compared with none straw turnover. This increase in yield of spring maize was mainly contributed by the augmented 100-grain weight and grain number, as well as the decreased bald tip. The N addition did not promote the yield while improved the biomass of whole crop. On the same level of N addition, the spring maize yield of straw turnover treatment was 3.08%-3.56% higher than that of none straw turnover treatment, whereas the harvest index of straw turnover treatment was 2.43%-3.12% lower than that of none straw turnover treatment. Plough layer construction of straw turnover and N addition could significantly lower soil bulk density, especially in soil depth of 15-20 cm. Treatment of straw turnover plus N fertilizer to plough layer construction could also loosen top soil, and further enhance rainwater infiltration and soil water content, whereas the similar trend did not be observed for the treatment of N addition. The soil three-phase structure derived from SN2 treatment was the optimum, with 25% liquid phase, 25% gas phase and 50% solid phase, respectively. The root indices, including amount, length, volume and dry weight of root of spring maize, were better than the indices of none straw turnover treatment. On the same level of N addition, the amount, length, volume and dry weight of root of spring maize were 1.90%, 10.27%, 1.25% and 2.77% higher than the corresponding index of treatment of none straw turnover, respectively. Consequently, we suggest that the treatment of straw turnover of 9 000 kg/hm2and N addition of 225 kg/hm2is the optimum approach of plough layer construction and technology of straw turnover in the brown soil area of northern Liaoning Province, which is recommended to be applied in agricultural production.

straw; fertilizers; soils; nitrogen addition; plough layer construction; soil physical properties; spring maize; root morphology

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.022

S158

A

1002-6819(2017)-15-0168-09

2017-02-03

2017-05-12

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目（201303130）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300204）；遼寧省“百千萬人才工程”資助項(xiàng)目

白 偉，副研究員，博士，主要從事旱地耕作制度理論與技術(shù)研究。沈陽(yáng) 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，110161。

Email：libai200008@126.com

※通信作者：安景文，研究員，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與耕作制度研究。沈陽(yáng) 遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，110161。Email：jingwenan@126.com