江苏省中低产田主要集中在苏北,约占全省中低产田总面积的65%,其中黄河故道地区是江苏省典型的中低产田片区,土壤母质沙性大,平整度差,有机质与全氮含量普遍较低,保水保肥能力弱。滨海县为江苏省盐城市所辖县之一,位于黄河故道入海口,土壤呈沙粒状,且较为贫瘠。
我国中低产田改造一直遵循“分类指导,连片治理”的原则,如针对丘陵地区提出了“蓄、引、提、调和节水灌溉相结合,增肥改土”的治理策略,针对低洼的圩区提出“灌排分开、高低分开、水旱分开,控制内河和地下水位”的“三分开、二控制”治理策略,针对平原地区开展了“深挖沟、形成网、分级控制”的农田沟系建设[1,2]。上述治理中低产田的原则或方法多是以治水整地为中心的工程治理,而对土壤培育、现代机械化栽培及水肥高效利用技术的开发和配套重视不足,已难以适应农村劳动力短缺和规模化生产的需求,使中低产田脆弱的生产能力无法通过生产方式转变和高技术应用获得提升,而发达国家养用结合的休闲型地力提升模式不适合我国高复种指数的国情[3,4]。
前人的研究显示,秸秆还田后在微生物作用下形成腐殖质,可促进土壤微粒的团聚作用及有机质的积累,增加土壤大团粒的形成,优化土壤结构,改善土壤的储水保墒性能[5,6],而种植饲料油菜、豆科绿肥等对改良土壤的效果也很明显,可以不同程度提升土壤养分及酶活性,改善养分结构[7,8]。有机肥也是快速改良土壤的重要措施,施入有机肥后土壤微生物量碳的周转速率显著提高,从而土壤的保肥和供肥性能提高,加速了土壤中营养元素的释放[9],有机无机肥配施处理可显著提高0~20cm土层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、硝态氮含量以及多种酶活性,在施用有机肥30t/hm2的基础上配施氮肥150kgN/hm2有利于增强黄土高原南部半湿润易旱区冬小麦土壤生态系统的可持续性[10]。Kahlon等[11]认为,浅耕、免耕只能提高表层土壤有机质含量,但对深层土壤有机质含量影响不大,而传统翻耕虽能降低土壤容重、有效去除杂草,但长期实施不利于土壤有机碳累积,需高投入（高水高肥）才能维持高产出[12]。
上述研究对改良土壤具有较好的参考价值,但缺乏与典型土壤间的关联性,及对作物周年产量的关注。本研究针对黄河故道滨海地区低产田土壤沙瘦盐并重的特点,开展秸秆还田、耕作与有机肥增施等关键技术集成研究,对不断提升中低产田基础地力水平,提高资源利用效率和机械化生产水平,实现中低产田粮食综合生产能力提升具有重要的理论与实践意义。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验于2017-2018年在江苏省滨海县界牌镇三坝村江苏省黄河湾绿色农业科技有限公司流转土地上进行,土壤基本理化指标为:pH 8.3,有机质4.9g/kg,全氮0.4g/kg,碱解氮29.8mg/kg,有效磷7.3mg/kg,速效钾77.7mg/kg。周年水稻与小麦轮作,秸秆全量切碎还田,设置3种耕作与2种施肥方式,共5个处理,分别是免耕+化肥（RW1）、旋耕+化肥（RW2）、耕翻+化肥（RW3）、耕翻+化肥+有机肥（RW4）和旋耕+化肥+有机肥（RW5）。耕翻深度为25~30cm;耕翻后进行旋耕整地,旋耕采用反旋灭茬旋耕机,旋耕深度为12~15cm;免耕为不进行任何耕作处理,直接机械播种。每个处理为1个大区,不设重复,大区面积1 200m2。
小麦试验于2017年11月17日播种,品种为连麦7号,小麦播量225kg/hm2;小麦季化学氮素用量为240kg/hm2,P2O5用量为144kg/hm2,K2O用量为144kg/hm2。有机肥3 750kg/hm2（其中N+P2O5+K2O≥5%,有机质≥45%）,有机肥全部作基肥施入,化学氮素分配比例为基肥40%、分蘖肥20%、拔节孕穗肥40%,磷、钾肥分配比例为基肥50%、促花肥50%。
水稻试验于2018年6月22日直播,品种为华粳5号,当季氮素用量270kg/hm2,P2O5为90kg/hm2,K2O为90kg/hm2。磷钾肥全部作为基肥,氮肥按基苗肥:穗粒肥=50%:50%施用。有机肥用量（其中N+P2O5+K2O≥5%,有机质≥45%）为3 750kg/hm2,全部作为基肥。
1.2 数据采集测定指标
作物成熟时,利用对角线5点法对每个处理分别采集土壤与植株样品,用100mL环刀采集0~5cm深度土壤,测定土壤容重和三相比。用土钻采集0~10和10~20cm土样,分别测定土壤主要养分指标,用1m2正方形铝合金框收割计产,每个点选取代表性植株20株考种。各项指标按5点平均值计算。
将土壤三相比数据看作空间中一点作为参照物,将实际测定的土壤三相比数据看作空间另一点,用两点之间距离的远近评价实际测定土壤的三相比优劣。根据土壤三相比数据的特点将空间两点距离公式进行修改,得到土壤三相比R值的计算公式:R2=0.4×（X-50）2+（Y-25）2+0.6×（Z-25）2。式中:R为所测定土壤样品三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值,X为所测定土壤样品固相的数值,Y为所测定土壤样品液相的数值,Z为所测定土壤样品气相的数值,0.4为土壤固相数据所占有的权重,0.6为土壤气相数据所占有的权重[13]。R值越小,土壤三相比越好。
2 结果与分析
2.1 耕作与增施有机肥对土壤质量的影响
由表1可知,稻-麦轮作条件下各处理麦季0~5cm土层容重变化不大,增施有机肥有减少土壤容重的趋势。耕层土壤有机质含量以RW3处理最低,以RW1处理最高,其中以RW3处理对土壤物理结构改良效果相对较好。对提升耕层土壤有机质和碱解氮含量而言,旋耕处理好于耕翻处理,与耕翻处理相比,土壤有机质含量提升13.0%,碱解氮含量提高3.6%。但旋耕处理降低了耕层土壤速效磷与速效钾含量,分别比耕翻处理低22.0%和18.2%。增施有机肥有利于提高土壤碱解氮和速效钾水平,分别提高了14.2%和15.7%,同时还有利于耕层土壤有机质含量提升,但不利于土壤速效磷含量的提升。
表1 稻-麦轮作不同耕作与施肥处理小麦季收获期土壤养分状况（2018年）
Table 1
| 处理 Treatment | 容重 Bulk density (g/cm3) | 土壤质量含水率 Soil moisture content (%) | 土壤空隙度 Soil porosity (%) | 土壤三相比R值 Ratio of soil solid- liquid-gaseous | 有机质含量 Organic matter content (g/kg) | 碱解氮含量Alkali nitrogen content (mg/kg) | 速效磷含量 Available phosphorus content (mg/kg) | 速效钾含量 Available potassium content (mg/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RW1 | 1.27a | 22.25b | 52.17a | 4.5ab | 6.3e | 34.1c | 11.8a | 99.2c |
| RW2 | 1.25a | 21.98b | 52.67a | 4.2a | 5.2b | 18.3b | 16.7b | 50.8a |
| RW3 | 1.29a | 18.98a | 51.40a | 3.9a | 4.6a | 16.3a | 23.0c | 73.1b |
| RW4 | 1.24a | 20.89b | 53.06a | 4.6ab | 5.4c | 20.1b | 10.6a | 73.9b |
| RW5 | 1.23a | 19.26ab | 53.56a | 5.8b | 6.1d | 19.4b | 9.5a | 69.4b |
Note: Different small letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same below
注:不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）,下同
由表2可知,稻-麦轮作条件下,稻季0~5cm土层容重以RW5处理最低,表明增施有机肥并旋耕有利于降低浅层土壤容重,而耕翻处理相反。从土壤保墒性来看,RW4与RW5处理最高,表明沙土区增施有机肥有较好的保水效果。对改善土壤物理结构而言,RW3和RW4处理都优于其他处理,说明在秸秆还田条件下耕翻处理有利于改良土壤物理结构。与耕翻处理相比,旋耕处理提高了耕层土壤有机质和速效氮含量,分别提高21.2%和26.4%。增施有机肥可以提高耕层土壤有机质和速效钾含量。增施有机肥后耕翻处理不利于土壤碱解氮和速效磷的积累,但旋耕处理有利于耕层土壤碱解氮和速效磷含量的提高。
表2 稻-麦轮作不同耕作方式下水稻季收获期土壤养分状况（2018年）
Table 2
| 处理 Treatment | 容重 Bulk density (g/cm3) | 土壤质量含水率 Soil moisture content (%) | 土壤空隙度 Soil porosity (%) | 土壤三相比R值 Ratio of soil solid- liquid-gaseous | 有机质含量 Organic matter content (g/kg) | 碱解氮含量Alkali nitrogen content (mg/kg) | 速效磷含量 Available phosphorus content (mg/kg) | 速效钾含量 Available potassium content (mg/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RW1 | - | - | - | - | - | - | - | - |
| RW2 | 1.21a | 25.12a | 54.45a | 7.2b | 6.37b | 55.0ab | 4.30a | 82.8a |
| RW3 | 1.27a | 24.78a | 52.18a | 3.6a | 4.96a | 46.9ab | 5.71c | 83.1a |
| RW4 | 1.33a | 28.51ab | 49.99a | 4.4a | 6.60b | 45.0a | 4.37a | 108.0b |
| RW5 | 1.20a | 30.77b | 54.72a | 7.1b | 7.64c | 61.2b | 5.00b | 127.3c |
由图1可知,不同耕作处理（除RW2与RW5）上层土壤（0~10cm）有机质含量明显高于下层土壤（10~20cm）,而耕翻处理（RW3与RW4）这种差别不明显,速效氮含量都表现为上层高于下层,尤以RW5处理突出。
图1
图1
耕作施肥对水稻季不同土层有机质和速效氮含量的影响
不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）
Fig.1
Effects of tillage and fertilization on organic matter and available nitrogen content in different soil layers in rice season
Different small letters indicate significant difference at 0.05 level
2.2 耕作与增施有机肥对稻-麦周年产量的影响
表3 稻-麦轮作不同耕作方式下小麦产量构成因素（2018年）
Table 3
| 处理 Treatment | 穗粒数 Grains per spike | 千粒重 1000-kernel weight (g) | 穗数 Ear number (×104/hm2) | 单产 Yield (kg/hm2) |
|---|---|---|---|---|
| RW1 | 28.9a | 39.9a | 459.0 | 5 458.5c |
| RW2 | 27.9a | 37.8b | 580.5 | 6 040.5a |
| RW3 | 28.4a | 38.1b | 547.5 | 5 694.0b |
| RW4 | 27.8a | 39.1ab | 531.0 | 5 812.5b |
| RW5 | 27.3a | 40.5a | 585.0 | 6 001.5a |
不同耕作与增施有机肥处理的水稻产量与小麦产量有所不同,以RW4处理最高,RW5处理最低,表明小麦秸秆全量还田后增施有机肥采用耕翻作业更有利于水稻单产提高,主要是单位有效穗数增加明显,比常规旋耕处理（RW2）增加有效穗16.0%,单产增加9.5%。与旋耕处理（RW2和RW3）相比,耕翻处理（RW3和RW4）的稻季单产增加13.7%（表4）。
表4 稻-麦轮作不同耕作方式下水稻产量结构（2018年）
Table 4
| 处理 Treatment | 穗长(cm) Ear length | 穗粒数 Grains per spike | 实粒数 Filled-grains per spike | 结实率(%) Filled-grain percentage | 千粒重(g) 1000-kernel weight | 穗数(×104/hm2) Ear number | 单产(kg/hm2) Yield |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| RW1 | 13.5a | 99.6a | 90.0a | 90.4b | 27.7a | 362.2b | 9 611.2ab |
| RW2 | 13.7a | 104.1a | 94.6a | 91.6ab | 27.8a | 366.7b | 9 532.6ab |
| RW3 | 13.9a | 98.0a | 90.2a | 90.2b | 27.9a | 381.7ab | 9 901.6ab |
| RW4 | 13.2a | 83.1ab | 77.2ab | 92.9ab | 28.1a | 425.3a | 10 436.3a |
| RW5 | 12.2b | 71.5b | 68.2b | 95.4a | 28.9a | 360.1b | 8 349.9b |
以获取周年产量为目标,在秸秆全量还田条件下,短期内麦季旋耕,稻季耕翻增加有机肥均没有显著增产性,在稻季增加有机肥并采用旋耕甚至有减产的趋势,而耕翻处理略有增产。
3 讨论
3.1 耕作与土壤培肥
本试验在黄河滨海沙土区开展,短期试验结果显示免耕与旋耕处理有利于土壤有机质含量的提升,0~10cm土壤的养分明显高于10~20cm,这可能与肥料表施及土壤表层根茬残留有关,致使少免耕土壤养分向上层富集[17],对土壤物理结构的改造效果则为耕翻>旋耕>免耕处理。从产量角度来看,本试验稻-麦轮作且秸秆周年全量还田条件下,小麦季以旋耕处理产量最高,水稻季以耕翻处理产量最高,可能与本地土壤结构较差、麦季少雨有关,耕翻处理将表层相对丰富的养分翻埋进入底层,表层养分与水分较匮乏,导致小麦生长量低、分蘖不足,穗数偏少,最终产量较低。稻季由于水分充足,耕翻处理不仅改善了土壤结构,而且分蘖肥在插秧后一周内施用,不影响水稻分蘖,同时下层养分又相对较多,因此能够形成较多的单位面积穗数和较高的千粒重,最终促进产量提高。
3.2 有机肥与土壤培肥
有机无机肥复配是提升土壤地力的重要措施。研究[20,21]表明,有机无机肥配施可以提高土壤有机质、有效磷、速效钾等的含量,有利于促进作物增产稳产。本研究显示,秸秆还田后增施有机肥处理土壤有机质、全氮等含量都有所提升,但旋耕处理对0~10cm耕作层培肥效果好于耕翻处理。由于旋耕处理减少土壤耕作,有利于土壤大团聚体的形成,使更多的有机质被固定在土壤中,增加了土壤微生物多样性[22]。增施有机肥短期对稻-麦产量没有显著增加作用,但增施有机肥的同时深耕翻却有助于提高水稻产量。从长期来看,有机肥与无机肥配合施用有利于增强土壤生态系统的可持续性[10]。在沙土区提倡增施有机肥还可以降低土壤容重、增加孔隙度,增强土壤保水能力。
4 结论
在黄河故道周年稻-麦轮作的中低产田地区,麦季以旋耕处理产量为高,稻季以耕翻处理产量为高,短期内对土壤物理结构改良的效果为耕翻>旋耕>免耕处理。秸秆还田后增施有机肥,实行旋耕与深翻交替,可有效提高稻-麦轮作田土壤养分、改善土壤结构,促进土壤可持续生产能力,进而提高稻-麦周年产量水平。
参考文献
Twenty two years of tillage and mulching impacts on soil physical characteristics and carbon sequestration in Central Ohio
Long-term effect of tillage,nitrogen fertilization and cover crops on soil organic carbon and total nitrogen content
Change in carbon and nitrogen stocks in soil under 13 years of conventional or zero tillage in southern Brazil
Tillage and residue management effects on temporal changes in soil organic carbon and fractions of a silty loam soil in the north china plain
Effects of organic-inorganic compound fertilizer with reduced chemical fertilizer application on crop yields,soil biological activity and bacterial community structure in a rice-wheat cropping system
Conservation agriculture a panacea to improve soil physical health
