秸秆还田模式对土壤质量及冬小麦-夏玉米产量的影响

摘要

本试验采用山东省推广面积较大的冬小麦主推品种济麦22和夏玉米主推品种郑单958为试验材料，于2016年10月至2018年10月在山东农业大学农学试验站连续两个小麦-玉米周年进行试验。设置小麦-玉米秸秆均不还田（NS）、小麦秸秆还田-玉米秸秆不还田（WS）、小麦秸秆不还田-玉米秸秆还田（MS）和小麦-玉米秸秆均还田（DS）四个处理。研究不同秸秆还田模式对冬小麦-夏玉米周年产量的影响，并从土壤物理、化学性状及固碳能力等方面探讨秸秆还田条件下土壤质量的变化，以期为山东省土壤生产力持续提升及小麦-玉米周年均衡增产提供科学依据。主要试验结果如下： 1、周年秸秆还田模式对土壤物理性状的影响 秸秆还田显著改善土壤结构。与双季不还田处理相比，各秸秆还田模式均有效降低了0~30cm土层土壤容重、土壤三相比偏离值，对土壤孔隙度、大团聚体质量比例和团聚体稳定性均有不同程度的提高。在两年的试验周期中，0~30cm土层土壤容重平均分别降低5.0%、3.3%、2.6%；土壤孔隙度平均分别提高6.2%、4.3%和3.9%；大团聚体质量比例平均分别提高11.9%、10.0%和13.8%；秸秆还田对土壤团聚体分布的影响主要表现为：大团聚体质量比例提高，＜0.25mm的微团聚体含量减少。三种还田模式中，DS处理最显著。在30~40cm土层中，各处理间差异不显著。 2、周年秸秆还田模式对土壤养分状况的影响 秸秆还田显著提高土壤养分含量。与不还田处理相比，三种还田模式下土壤养分均有不同程度的提高，在0~20cm土层中，土壤全氮平均提高26.7%，速效钾平均提高19.2%，有机碳平均提高16.2%。其中，DS处理提升效果最显著。但土壤速效磷含量受秸秆还田的影响较小，在两年试验中各处理间无显著性差异。 与基础地力值相比，双季秸秆不还田处理下0~20cm土壤全氮、速效钾、有机碳含量逐年降低，均低于基础地力值，两年平均减少15.1%、8.3%和2.6%。两种单季还田模式均能够有效的维持土壤养分的原有水平，并且随还田年限的延长缓慢提高，具体表现为MS处理效果优于WS处理。DS处理则最为显著提高了土壤各养分含量，两年平均提高土壤全氮29.6%，速效钾18.1%，有机碳11.2%。与2016-2017年试验相比，所有处理下20~40cm土层中土壤全氮、速效钾含量均呈降低趋势；在20~30cm土层中，DS和MS处理下土壤有机碳含量得到小幅提升；在30~40cm土层中，各处理均能维持有机碳原有水平。 相关分析表明，在0~10cm土层中，秸秆还田量与土壤全氮、速效钾和有机碳含量均呈显著正相关关系。在10~20cm土层中，秸秆还田量与土壤速效钾、有机碳含量呈显著正相关，而与土壤全氮含量无相关性。同时，土壤有机碳含量与在0~20cm土层土壤容重呈显著负相关，与土壤孔隙度和团聚体平均重量直径呈显著正相关。 3、周年秸秆还田模式对土壤碳库的影响 经过两年的秸秆投入，三种周年秸秆还田模式下土壤有机碳储量显著高于秸秆不还田处里，在10~20cm和20~30cm土层中，WS、MS和DS土壤有机碳储量分别平均提高14.8%、17.9%和24.2%。秸秆还田对活性有机碳及其组分的影响在两年的试验中表现不一，在2016-2017年试验中，秸秆还田显著提高了活性有机碳含量，主要是高活性有机碳含量的提高；在2017-2018年，活性有机碳提升幅度较第一年有所下降，但非活性有机碳含量显著提升，中、低活性组分提高不显著。碳库活度、碳库管理指数改善。三种还田模式中，以DS处理效果最为显著。 从土壤团聚体层面来分析，各秸秆还田处理对所有粒级团聚体中有机碳含量均有不同程度的提高。1~0.5mm粒级团聚体关联有机碳含量的提升是土壤碳库演变的主要原因。WS处理各粒级团聚体SOC含量平均分别提高6.1%、11.6%、8.8%、6.8%、11.2%、6.0%；MS处理分别提高9.4%、14.8%、14.6%、12.4%、18.1%、19.6%；DS处理分别提高16.7%、16.9%、20.3%、19.5%、23.9%、25.1%。 4、周年秸秆还田模式对冬小麦-夏玉米产量的影响 秸秆还田显著提高了冬小麦籽粒产量，两年试验规律表现一致，平均提升11.1%，其增产贡献主要来自有效穗数（7.2%，P＜0.05）和穗粒数（6.4%，P＜0.05）的显著提高；夏玉米产量对秸秆还田响应显著，两年平均提升7.4%，从产量构成因素来看，穗粒数（9.9%，P＜0.05）的提高是其增产的主要原因。三种还田模式中以DS处理周年产量最高。WS主要提高了夏玉米产量，MS则主要提高了冬小麦籽粒产量。 综上所述，秸秆还田能够显著优化耕层养分分布，改善土壤结构，增强土壤碳固持能力，协同提高小麦玉米产量。双季还田模式（DS）是当前黄淮海区域土质提升和作物增产的最佳措施。

目录

声明

符号说明

1 前 言

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 秸秆还田技术

1.2.2 秸秆还田对土壤物理性状的影响

1.2.3 秸秆还田对土壤养分的影响

1.2.4 秸秆还田对冬小麦、夏玉米产量的影响

2 材料与方法

2.1 试验区概况

2.2 试验设计

2.3 样品采集

2.3.1 土壤容重样品采集

2.3.2 土壤团聚体样品采集

2.3.3 土壤养分样品采集

2.4 样品分析及方法

2.4.1 土壤团聚体分析

2.4.2 土壤养分含量测定

2.4.3 产量相关性状测定

2.4.4 计算公式

2.5 统计分析

3 结果与分析

3.1 周年秸秆还田模式对土壤物理性状的影响

3.1.1 土壤容重

3.1.2 土壤孔隙度

3.1.3 土壤三相比

3.1.4 土壤大团聚体质量比例

3.1.5 土壤团聚体分布

3.1.6 土壤团聚体稳定性

3.2 周年秸秆还田对土壤养分含量的影响

3.2.1 土壤全氮含量

3.2.2 土壤速效磷含量

3.2.3 土壤速效钾含量

3.2.4 土壤有机碳含量

3.2.5 土壤养分含量变化

3.3 周年秸秆还田模式对土壤碳库的影响

3.3.1 土壤有机碳储量

3.3.2 土壤活性有机碳及各组分含量

3.3.3 土壤碳库管理指数

3.3.4 土壤各粒级团聚体有机碳含量

3.3.5 土壤固碳能力

3.4 周年秸秆还田模式对作物产量的影响

3.4.1 冬小麦、夏玉米产量及构成要素

3.4.2 周年产量变化

3.5 土壤质量指标相关性及主成分分析

3.5.1 秸秆还田量与土壤养分含量相关分析

3.5.2 有机碳含量与土壤物理性状相关分析

3.5.3 土壤质量指标主成分分析

4 讨论

4.1 周年秸秆还田模式对土壤物理性状的影响

4.2 周年秸秆还田对土壤养分含量的影响

4.3 周年秸秆还田模式对土壤碳库的影响

4.4 周年秸秆还田模式对作物产量的影响

5 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况