秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响_董勤各

第 11 期 董勤各 等: 秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响

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plowed into the soil ( A0L1) by 10. 7% in 2014 and 6. 4% in 2015 during the summer maize growing season，respectively． Meanwhile，the treatment of ammoniated short wheat straw ( wheat straw was crushed into straw debris) plowed into the soil ( A1L0) could significantly increase average green canopy ( CC) than other treatments by 3. 7% ～ 10. 7% during the filling stage in two years，consecutively． Compared with other treatments，the treatment of A1L0 could significantly enhance average biomass， average corn yield and water use efficiency ( WUE) by 2. 1% ～ 9. 5% ，2. 8% ～ 9. 1% and 1. 7% ～

7. 4% during the maturity stage in two years，respectively． The treatment of A1L0 could significantly increase the average corn yield and water use efficiency of summer maize． The average volumetric moisture content at 0 ～ 160 cm soil layers of ammoniated treatments were significantly higher than that of A0L0 and A0L1 treatments，and the ammoniated treatments ( A1L0 and A1L1) significantly increased the crop water use efficiency in different growth periods． While the tendency between different treatments of water consumption was not significant，therefore，the treatment of ammoniated short wheat straw plowed into the soil ( A1L0) can effectively promote the growth and yield of summer maize，which was a better measure for keeping soil water，promoting corn yields and enhancing water use efficiency ( WUE) ． Key words: summer maize; straw incorporation; green canopy cover; yield; water use efficiency

0 引言

水资源短缺严重威胁干旱半干旱地区作物生长［1 － 2］，制约着我国易旱地区农业可持续发展［3］。我国西北地区属于干旱半干旱区，生态环境较为脆弱［4］，粮食产量易受干旱缺水、降雨年际分布不均影响。因此，如何提高自然降水利用效率，降低土壤 水无效蒸发对该地区农业的可持续发展具有重要意 义［5］。

国内外多采用覆盖措施( 秸秆覆盖、砂石覆盖、地膜覆盖等) 节水保墒，提高作物产量。HUANG 等［6］研究表明，秸秆覆盖物既能减少蒸散和土壤水分的消耗，又能提高水分利用效率。刘世平等［7］发现秸秆直接还田能有效改良土壤，增加土壤有机质 和速效养分的含量，改善土壤的透气性，增加水稻 产量，并能合理利用秸秆资源。赵亚丽等［8］提出秸秆覆盖还田降低了夏玉米和休闲期农田耗水量。秸

秆还田也是提高土壤肥力和作物生产潜力的重要农艺措施之一［9 － 11］。还有研究表明秸秆还田均能显著改善土壤水热状况、提高作物产量和水分利用效率［12 － 13］。由于多年的耕作和种植习惯，秸秆覆盖存在着诸多问题，如农田作物秸秆直接丢弃或焚烧造成资源浪费及加剧环境污染，还造成土壤紧实、耕层变浅、地表裸露、土壤蓄水保墒能力降低，严重影响了该区粮食的稳产和高产［14］、秸秆分解较缓慢且分 解过程中与作物争氮、秸秆营养不能快速为作物所用［15 － 17］。目前，国内外已有不少关于秸秆还田措施［18 － 19］的研究，但相关研究的焦点多集中于秸秆直接覆盖还田对于作物的生长和产量的影响，并未深入考虑改变秸秆长度与自身碳氮比如何影响夏玉米各生育期生长与产量的问题。

本文基于 2 年田间试验，分析秸秆长度与氨化

对夏玉米关键生育期土壤体积含水率、叶面积指数、冠层覆盖度、产量和水分利用效率的影响，以期确定 科学合理的秸秆还田方式，为优化干旱半干旱地区 的夏玉米高产稳产及秸秆资源的合理利用提供理论 依据与技术支撑。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验于 2014 年和 2015 年 6—10 月在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站( 34°20' N、108°24' E，海拔 521 m) 开展。该区平均无霜期为 221 d，年平均气温为 12. 9℃ ，平均光日照时间为 2 196 h，属于暖温带季风半湿润气候区。降雨量年际变化较大且年内分布不均，降水多 集中在 7—10 月，易形成季节性干旱。供试土壤为中壤土( 砂粒、粉粒和粘粒质量分数分别为 8% 、73% 和 19% ) ，0 ～ 100 cm 土层的平均田间持水率为

24% ，凋萎含水率为 8. 5% ( 均为质量含水率) ，pH值为 8. 4。播前测定耕层土壤( 0 ～ 20 cm) 养分含量为: 有机碳质量比、全氮质量比、全磷质量比、全钾质量比、速效磷质量比和速效钾质量比分别为 8. 14 g / kg、0. 95 g / kg、0. 83 g / kg、20. 42 g / kg、20. 91 mg / kg 和287 mg / kg，地下水埋深较深，其向上补给量可忽略不计。气象资料由灌溉试验站提供，2 年夏玉米生育期内当地气温与降雨动态变化见图 1。

1. 2 试验设计和田间管理

试验采用随机区组排列布置，设置秸秆长度与 氨化 2 个因素，每个因素 2 个水平，具体见表 1。每个处理重复3 次，小区面积为20 m2 ( 5 m × 4 m) 。种植作物为夏玉米( 品种“秦龙 11”) ，采用人工穴播，株行距 30 cm × 60 cm。各处理施肥水平相同，且所有肥料均作为基肥在播种时施入，基肥施用量为: N

222 农 业 机 械 学 报 2 0 1 8 年

图1 2014 年和2015 年夏玉米生育期内降雨量和气温分布

Fig． 1 Distribution of precipitation and temperature during

土壤贮水量的计算公式为

n

H = ∑ 10hi θi ( 1)

i = 1

式中 θi ———第 i 层土壤体积含水率，%

H———土壤贮水量，mm hi ———第 i 层土壤厚度，cm

n———所测土壤体积含水率时的层数，取 13

1. 4. 2 株高、叶面积及冠层覆盖度

夏玉米生育期可划分为苗期( ES ) 、拔节期

( JS) 、抽雄期( HS) 、灌浆期( FS) 和成熟期( MS) ［21］。待夏玉米长出 3 片真叶后定苗，每个小区随机选取5 株具有代表性植株并挂牌定株，于关键生育期准确观测并记录株高和植株所有绿叶的叶片长度和宽度。

单株叶面积计算公式为［22 － 23］

m

growth seasons of summer maize in 2014 and 2015

表 1 夏玉米田间试验处理

LA =

∑

k = 1

aLk Wk

( 2)

Tab． 1 Experimental treatments for summer maize

处理 秸秆还田方式

A0L0 未氨化短秸秆翻压还田

A0L1 未氨化长秸秆翻压还田

A1L0 氨化短秸秆翻压还田

A1L1 氨化长秸秆翻压还田

注: A0: 未氨化秸秆; A1: 已氨化秸秆; L0: 短秸秆; L1: 长秸秆( 大于 50 mm) 。

120 kg / hm2 ( 尿素) ，P 54 kg / hm2 ( 磷酸二铵) 。秸秆还田量均为 4 000 kg / hm2 。2014 年 6 月 20 日、2015 年 6 月 15 日播种，2014 年 10 月 12 日、2015 年 10月 7 日收获。基肥与还田秸秆在播种前通过旋耕机一次性翻入耕层土壤内，其他管理措施同当地种植习惯保持一致。

1. 3 氨化秸秆处理措施

试验用秸秆为上季冬小麦秸秆。试验前将冬小麦秸秆处理为长秸秆( 大于 50 mm) 与短秸秆( 粉碎为短秸秆) 2 个水平。将氢氧化钙( 4% ) 和氮素( 1. 3% 秸秆干质量) 溶于水中( 溶液总质量为 0. 3 乘以秸秆干质量) ，然后将水溶液均匀喷洒在秸秆上并混合，在常温下( 25℃ ) 用塑料袋密封培养 6 ～ 7 d 备用［20］。

1. 4 观测项目和方法

1. 4. 1 土壤含水率

使用时域反射仪 Trim-TDＲ 测定土壤体积含水率，在各小区中心部位安装 TDＲ 管，测定土层深度为 0 ～ 160 cm，其中 0 ～ 100 cm 土层每 10 cm 为一个测量深度间隔，100 ～ 160 cm 土层每 20 cm 为一个测量深度间隔。所有小区每 7 d 测定一次土壤体积含水率，且每次降水前后加测 1 次。

式中 L ———单株叶面积，m2

Lk ———第 k 片叶片叶领到叶尖的长度，m

Wk ———第 k 片叶片最宽处的宽度，m

a———与叶片形状有关的叶面积回归系数，取

0. 75

叶面积指数计算公式为

LAI = 0. 000 1ρLA ( 3)

式中 LAI———叶面积指数，m2 / m2

ρ———种植密度，株/ hm2

冠层覆盖度计算公式为［24］

C = 1. 005( 1 － exp( － 0. 6LAI) ) 1. 2 ( 4)

式中 CC ———冠层覆盖度

1. 4. 3 考种测产及地上部干物质量

夏玉米成熟后，每个小区选取中间两行植株并考种，风干后手动脱粒，测定百粒质量和果穗长等产量性状。

夏玉米关键生育期，每个小区分别选取 5 株生长状况良好、代表平均长势的植株，齐地切断得完整植株，将 植株茎、叶 等器官分开，干 燥法杀青( 105℃ ) 30 min，然后干燥( 70℃ ) 至恒定质量并称量，记录其地上部干物质量为各部分之和。

1. 4. 4 蒸散量和水分利用效率

夏玉米耗水量( ET) 采用农田水量平衡公式计算。作物实际蒸散发量( ETc ) 依据参考作物蒸发蒸腾量( ET ) 和作物系数( K ) 而定［25 － 27］。

本文将降水量与作物蒸腾量之差称为土壤水分平衡量，其计算公式为

B = P － ETc ( 5)

式中 B———土壤水分平衡量，mm P———降雨量，mm

第 11 期 董勤各 等: 秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响

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夏玉米水分利用效率( Water use efficiency， WUE) 计算公式为

WUE = Y / ETc ( 6)

式中 WUE———水分利用效率，kg / ( hm2·mm)

Y———产量，kg / hm2

1. 5 统计分析方法

试验数据采用 Excel 2016 进行数据整理和处理，所有数据均为各重复测定的平均值，SigmaPlot

12. 5 软件作图，运用 SPSS 20. 0 统计分析软件对数据进行单因素方差分析，采用 LSD 法检验差异显著性( P ＜ 0. 05) 。

2 试验结果

2. 1 土壤水分动态变化

2. 1. 1 土壤水分平衡

夏玉米生育期内( 2014 年和 2015 年) ，土壤水分整体不足( 图 2) 。2014 年夏玉米实际蒸散发量在 6—8 月 3 个月高于降雨量，土壤水分平衡量呈现不足，至夏玉米生育后期( 9 月) 降雨量高于实际蒸散发量; 相比于 2015 年夏玉米整个生育期间，仅 7 月和 8 月土壤水分平衡量呈现不足，而 6、9、10 月降雨量较实际蒸散发量相差不大，土壤水分平衡量充足。

图 2 2014 年和 2015 年夏玉米生长季作物实际蒸散发量与降雨量的变化

Fig． 2 Changes of crop evapotranspiration and precipitation in summer maize growing periods during 2014 and 2015

2. 1. 2 各处理对土壤体积含水率的影响

图 3 为不同生育期土壤体积含水率的分布特征。2014 年和 2015 年夏玉米生育期降雨量分别为

379. 5 mm 和277. 5 mm ( 图1) 。2014 年夏玉米拔节期 A1L0 处理 0 ～ 40 cm 土层的土壤体积含水率比A0L0、A0L1 和 A1L1 分别高 5. 30% 、4. 54% 和

2. 06% ，40 ～ 160 cm 土层土壤体积含水率比 A0L0、 A0L1 分别高 6. 62% 、7. 07% ，但比 A1L1 低 2. 73% 。2015 年夏玉米生育期降水量较均匀，各处理 0 ～ 160 cm 土壤贮水量变化趋势与 2014 年基本趋势相似。拔节期各处理 0 ～ 40 cm 土层平均土壤体积含水率均有相同变化趋势，A1L0 处理 0 ～ 40 cm 土层土壤体积含水率比 A0L0、A0L1 和 A1L1 分别高6. 01% 、10. 39% 和 4. 59% ; 40 ～ 160 cm 土层平均土壤体积含水率比 A0L0、A0L1 和 A1L1 分别高2. 87% 、6. 46% 和 1. 20% 。成熟期，不同处理 0 ～ 160 cm 土层土壤贮水量由大到小依次为 A1L0、A1L1、A0L0、A0L1。2 年夏玉米 A1L0 平均土壤体积含水率较 A0L1 分别提高了 10. 7% 和 6. 4% 。

2. 2 夏玉米生长发育动态变化

2. 2. 1 夏玉米株高和叶面积指数动态特征

2014 年和 2015 年夏玉米株高和叶面积指数动态变化见图 4。株高和叶面积指数动态变化趋势总体先迅速增大然后呈平缓的趋势，且叶面积指数变化趋势大致呈倒“L”型，均为拔节期至抽雄期迅速

增长，抽雄期至成熟期变化平缓且有下降。2014 年各处理株高迅速生长发生在拔节期至抽雄期之间， 且所有处理中 A1L0 株高均最高，整个生育期间A0L0、A0L1、A1L0 和 A1L1 各处理株高平均增高速率为 14. 78、16. 0、16. 08、16. 01 mm / d; 相比于 2015 年夏玉米整个生育期间 A0L0、A0L1、A1L0 和 A1L1 各处理株高平均增高速率为 20. 99、20. 55、21. 11、

21. 01 mm / d。

2014 年和 2015 年 2 年试验中，前期的 LAI 从苗期到抽雄期各处理 A0L0、A0L1、A1L0、A1L1 增长速率约为 0. 039、0. 042、0. 041、0. 034 d － 1 和 0. 011、

0. 012、0. 015、0. 011 d － 1 。而后期的 LAI 从抽雄期到成熟期的各处理 A0L0、A0L1、A1L0、A1L1 衰减速率分别为 0. 030、0. 027、0. 032、0. 029 d － 1 和 0. 008、0. 014、0. 015、0. 014 d － 1 。2 年的夏玉米灌浆期平均叶面积指数 A1L0 较 A0L1 和 A0L0 增加 13. 3% 、8. 0% 。

2. 2. 2 夏玉米冠层覆盖度

2014 年和 2015 年夏玉米各处理生育期冠层覆盖度动态变化呈先增高后略有下降的趋势( 图 5) 。各处理冠层覆盖度差异显著，其中 A1L0 冠层覆盖度较 A1L1、A0L0、A0L1 大，2014 年夏玉米成熟期冠层覆盖度由小到大依次为 A0L0、A0L1、A1L1、A1L0; 相比于 2015 年夏玉米各处理冠层覆盖度动态变化趋势也是呈先增加后减少的“厂”型，至成熟

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图 3 2014 年和 2015 年不同处理夏玉米不同生育期 0 ～ 160 cm 土壤体积含水率动态变化Fig． 3 Dynamics of soil water content of 0 ～ 160 cm soil layers at different growth stages of summer maize under different treatments in 2014 and 2015

期有所下降; 2 年平均冠层覆盖度 A1L0 较 A0L0、A0L1、A1L1 分别增加 6. 2% 、4. 8% 、4. 4% ，A1L0 和

A1L1 之间无显著差异。夏玉米灌浆期氨化短秸秆翻压还田处理( A1L0) 的平均冠层覆盖度( CC) 比其他处理高 3. 7% ～ 10. 7% 。

2. 3 不同处理夏玉米产量与水分利用效率

2. 3. 1 不同处理夏玉米产量构成

各处理对 2 年的夏玉米果穗长、果穗粗和百粒质量有显著影响( 图 6 ) 。在相同的秸秆长度水平下，A1 处理夏玉米的果穗长、果穗粗和百粒质量均大于 A0 处理。在短秸秆( L0) 水平下，A1 处理夏玉米的产量构成显著大于 A0 处理，且夏玉米 A1 处理的果穗长、果穗粗和百粒质量较 A0 增加 4. 6% 、9. 9% 、1. 1% 和 2. 2% 、4. 5% 、5. 1% 。氨化水平( A1) 下 L0 处理夏玉米产量构成均大于 L1，2014 年夏玉米 L0 处理果穗粗、果穗长和百粒质量较 L1 增

加 1. 2% 、1. 1% 和 2. 6% ; 2015 年夏玉米 L0 处理果穗粗、果穗长和百粒质量较 L1 增加 2. 9% 、1. 4% 和2. 8% 。

2. 3. 2 不同处理夏玉米产量、生物量和水分利用效率不同处理夏玉米的产量、生物量和水分利用效

率如表 2 所示。A0L1 处理的夏玉米产量、生物量和水分利用效率均低于 A1L0 处理和 A1L1 处理， A1L0 处理产量较高，A0L0 处理耗水量较高，A1L1处理水分利用效率较高。

在相同氨化水平下，2014 年和 2015 年各处理夏玉米成熟期的地上部干物质积累量随秸秆长度的增加而减少( 表 2) 。A1 条件下具体表现为: L0 处理夏玉米成熟期均显著大于 L1 处理，L0 处理夏玉米的地上部干物质量与 L1 相比，成熟期增加 1. 2% 和 3. 0% ; 在相同的秸秆长度水平下，A1 处理夏玉米成熟期的地上部干物质量明显大于 A0 处理，L0

第 11 期 董勤各 等: 秸秆氨化还田对农田水分与夏玉米产量的影响

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图 4 不同处理夏玉米株高和叶面积指数随生育期的动态变化

Fig． 4 Dynamics of summer maize plant height and leaf area index ( LAI) under different treatments at different growth stages

条件下 A1 处理夏玉米地上部干物质量与 A0 处理相比，成熟期分别增加了 7. 7% 和 11. 3% 。由表 2 分析可知，氨化秸秆处理夏玉米能有效增加地上部

干物质积累，各处理存在显著差异。

2014 年和 2015 年夏玉米 A1L0 处理产量较A0L0 处理、A1L0 处理及 A1L1 处理分别增加 6. 2% 和 9. 4% ，8. 1% 和 10. 0% ，1. 7% 和 3. 9% ; 2 年的夏

玉米平均水分利用效率( WUE) A1L0 处理较 A0L0 处理、A1L0 处理及 A1L1 处理分别增加 7. 4% 和6. 6% ，4. 6% 和 7. 3% ，2. 0% 和 1. 4% 。夏玉米成熟期氨化短秸秆翻压还田处理( A1L0) 的平均地上部干物质量比其他处理高 2. 1% ～ 9. 5% ，平均产量比其他处理增加 2. 8% ～ 9. 1% ，平均水分利用效率比其他处理增加 1. 7% ～ 7. 4% 。

3 讨论

3. 1 不同处理条件下土壤体积含水率动态变化

农田水分是决定夏玉米产量和品质的关键因素 之一［28 － 29］。本研究 2 年夏玉米对不同处理条件下农田水分动态变化表现出一定的阶段性和层次性， 秸秆翻压还田下( A0 和 A1) ，L0 较 L1 土壤体积含水率大，特别是在夏玉米生育后期。这说明粉碎秸 秆施入土壤后增大了土壤与秸秆的接触面积，土壤 团聚体内部孔隙得到了改善，使土壤持水能力显著 提高。粉碎秸秆施入土壤降低了土壤容重，改善了 土壤的含水率，与孙荣国等［30］和卢金伟等［31］的研究结果一致。王珍等［32］认为秸秆粉碎后还田较秸秆直接还田具有更好的节水效果。本研究 2 年夏玉米秸秆氨化处理还田 0 ～ 160 cm 土壤体积含水率在

图 5 2014 年和 2015 年夏玉米生育期内不同处理冠层覆盖度的动态变化

Fig． 5 Dynamics of canopy cover ( CC) under different treatments during growing seasons in 2014 and 2015

图 6 2014 年和 2015 年不同处理下夏玉米产量构成

Fig． 6 Yield composition of summer maize under different treatments in 2014 and 2015

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表 2 不同处理对夏玉米产量、生物量和水分利用效率的影响

Tab． 2 Effects of different treatments on corn yield，biomass and WUE of summer maize

2014 年 2015 年

处理

ET / mm

生物量/

产量/

WUE /

ET / mm

生物量/

产量/

WUE /

注: 同一年度中，每列不同小写字母表示处理间差异显著( P ＜ 0. 05) 。

夏玉米苗期较低，而在灌浆期之后较高，说明氨化秸秆还田后分解速率较快，秸秆分解过程中消耗水分较多，灌浆期自然降雨较多，氨化秸秆施入土壤能有效改善土壤结构，提高土壤持水能力，综合表现为土壤蓄水量有所增加。秸秆氨化可促使秸秆角质层外层的酯类化合物分解，增加粗蛋白含量，作物秸秆的碳氮比随之降低［20，33］。YU 等［34］认为，在秸秆还田后氨化措施能降低土壤的蒸发强度，有效促进秸秆的分解，结合粉碎措施后效果更加显著。有研究表明，秸秆还田可以明显调节土壤水分，且随土壤深度的增加调节作用有所减弱［35］。周新国等［36］和李荣等［37］认为土壤水分是影响作物生长发育以及提高作物产量和水分利用效率的重要因素，不同的处理可不同程度地改变土壤水分状况从而影响作物的生长。

3. 2 不同处理条件下夏玉米生长动态和产量

叶片是夏玉米进行光合作用的主要器官，而叶面积指数是影响光合速率的重要因子之一，其大小直接决定了产量［38］。为调节土壤碳氮比，促进秸秆 较快分解，本研究对秸秆进行氨化处理，发现各生育期夏玉米株高、叶面积指数和冠层覆盖度变化趋势相似，即先增大后平缓或稍有降低的趋势。由此可见，氨化秸秆还田施入土壤中对于微生物的活性和生长繁殖起到了促进作用，降低了土壤碳氮比，缓解了作物与微生物之间争夺氮素; 同时氨化秸秆还田后能够分解释放一定量的营养元素，从而促进夏玉米生长［39 － 40］。本研究发现，氨化秸秆翻压还田较未氨化秸秆翻压还田增加了夏玉米株高、叶面积指数和冠层覆盖度，并促进地上部干物质积累，说明氨化秸秆还田措施提高土壤贮水量的效果主要体现在作物生长后期，可保证作物生长后期干物质的积累及转化，进而为提高作物产量及水分利用效率奠定基

础。有研究表明秸秆还田能改善作物生长环境［41］、 提高作物水分利用效率和产量［42 － 44］。高茂盛等［45］ 和赵四申等［46］研究发现，秸秆还田能够促进作物后 期的光合作用并降低作物叶绿素的降解，从而提高 了作物后期的叶面积指数。王兆伟 等［47］、CAI 等［48］和白伟等［49］ 认为秸秆还田导致土壤温度降低、作物物候期推迟并影响作物产量。本研究表明， 氨化短秸秆翻压还田较未氨化秸秆翻压还田分别增 产 8. 7% ～ 10. 1% 。氨化秸秆还田较传统秸秆还田方式能有效促进夏玉米生长，能较快地改善土壤结 构，提高土壤持水能力，粉碎后还田效果更好，与余 坤等［50］和王增丽等［51］研究结果一致。说明在夏玉 米生育后期秸秆氨化和秸秆粉碎结合( A1L0) 还田措施使得土壤有较高的水分，有利于植物生长，从而 提高籽粒质量。

4 结论

( 1) 氨化秸秆翻压还田处理具有良好的蓄水保墒能力，能显著增加 0 ～ 160 cm 土层的土壤体积含水率。氨化短秸秆处理 2 年夏玉米生长季平均土壤体积含水率较未氨化长秸秆处理分别提高了

10. 7% 和 6. 4% ，但氨化长短秸秆之间差异不显著。

( 2) 增产的主要途径是增加夏玉米叶面积指数和提高地上部干物质量。氨化短秸秆翻压还田处理能有效提高夏玉米叶面积指数，2 年的夏玉米灌浆期平均叶面积指数 A1L0 处理较 A0L1 处理增加

13. 3% ，较 A0L0 处理增加 8. 0% 。

( 3) 氨化短秸秆翻压还田能够提高土壤贮水量，促进夏玉米生长，提高了水分利用效率和产量， 为夏玉米的生长提供了较好的条件，氨化短秸秆处 理为本研究条件下较优的夏玉米秸秆还田措施。

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