低山丘陵坡耕地秸秆覆盖轮耕对土壤水热及碳氮库的影响.pdf
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1、第 60 卷 第 4 期 土 壤 学 报 Vol.60,No.4 2023 年 7 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA Jul.,2023 *国家重点研发计划项目(2022YFD1500704)、国家大豆产业技术体系(CARS-04-01A)和黑龙江省产业协同技术体系课题(20190506)共同资助 Supported by the National Key R&D Program of China(No.2022YFD1500704),the National Soybean Industry Technology System of China(No.CARS-04-01A)
2、and the Industrial Cooperative Technology System Project of Heilongjiang Province,China(No.20190506)通讯作者 Corresponding author,E-mail:L 作者简介:王根林(1971),男,河北迁安人,研究员,主要从事土壤研究。E-mail: 收稿日期:20211217;收到修改稿日期:20220314;网络首发日期():20220527 http:/ DOI:10.11766/trxb202112170583 王根林,段衍,刘峥宇,王楠楠,高阳,李玉梅,王伟,蔡姗姗,孙磊.低山丘
3、陵坡耕地秸秆覆盖轮耕对土壤水热及碳氮库的影响J.土壤学报,2023,60(4):10581066.WANG Genlin,DUAN Yan,LIU Zhengyu,WANG Nannan,GAO Yang,LI Yumei,WANG Wei,CAI Shanshan,SUN Lei.Effects of Soil Hydrothermal Response and Pools of Carbon and Nitrogen Under Straw Cover Rotation on Slope Farmland of Low Mountains and Hills J.Acta Pedologi
4、ca Sinica,2023,60(4):10581066.低山丘陵坡耕地秸秆覆盖轮耕对土壤水热及碳氮库的影响*王根林1,段 衍2,刘峥宇3,王楠楠1,4,高 阳5,李玉梅1,王 伟1,蔡姗姗1,孙 磊1(1.黑龙江省黑土保护利用研究院,哈尔滨 150086;2.中国科学院合肥物质科学研究院,合肥 230031;3.黑龙江省绥滨农场,黑龙江绥滨 154213;4.黑龙江八一农垦大学农学院,黑龙江大庆 163000;5.农业农村部耕地质量监测保护中心,北京 100015)摘 要:为了提高坡耕地的秸秆还田效率,探索一种适于坡耕地的基于种植和养地基础上的耕作方式。利用田间小区试验,研究了秸秆覆盖轮耕
5、技术(包括当季秸秆覆盖+休闲、上季秸秆覆盖+旋耕)与常规耕作(秸秆移除后旋耕)对土壤水热变化及碳、氮积累的影响。结果表明:秸秆覆盖可显著提高播种前期 2040 cm 土壤含水量,覆盖休闲与覆盖旋耕处理较常规耕作分别提高 26.02%和 37.49%,同时覆盖旋耕处理降低了 2040 cm 土壤容重,较常规耕作和覆盖休闲分别降低 6.52%和13.04%;与覆盖旋耕相比,覆盖休闲可降低作物生育前期 020 cm 和 2040 cm 土层温度 1.571.63,而土壤含水量提高 15.25%24.41%,为覆盖旋耕区作物出苗和前期生长提供了水分条件;通过秸秆覆盖休闲与覆盖旋耕组合的轮耕技术可提高
6、020 cm 土层碳氮含量,有机碳和全氮储量较常规耕作平均提高 11.36%和 20.51%,为今后低山丘陵区坡耕地实施保护性耕作提供了科学依据。关键词:坡耕地;秸秆覆盖;轮耕;土壤水热;碳氮库容 中图分类号:S157.4 文献标志码:A Effects of Soil Hydrothermal Response and Pools of Carbon and Nitrogen Under Straw Cover Rotation on Slope Farmland of Low Mountains and Hills WANG Genlin1,DUAN Yan2,LIU Zhengyu3,W
7、ANG Nannan1,4,GAO Yang5,LI Yumei1,WANG Wei1,CAI Shanshan1,SUN Lei1 4 期 王根林等:低山丘陵坡耕地秸秆覆盖轮耕对土壤水热及碳氮库的影响 1059 http:/(1.,Heilongjiang Black Soil Conservation and Otilization Research Insitute,Harbin 150086,China;2.Hefei Institute of Material Science of Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;3.He
8、ilongjiang Suibin Farm,Suibin,Heilongjiang 154213,China;4.College of Agriculture,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing,Heilongjiang 163000,China;5.Farmland Quality Monitoring and Protection Center of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Beijing 100015,China)Abstract:【Objective】Th
9、e main forms of soil erosion are water,wind and freeze-thaw erosion in the black soil area of Northeast China,and slope farmland is the main source of soil erosion.Human factors such as long-term plowing and straw burning or leaving the field untended and heavy use of light farming or other factors
10、have led to the loss of surface soil,shallow cultivated layer,soil infiltration and erosion resistance of sloping farmland.This would aggravate surface runoff and soil water erosion in summer during severe rainfall.To improve the straw return rate in sloping farmland,a suitable farming method based
11、on planting and cultivating land was proposed.【Method】Field experiments were used to study the effects of straw mulching and rotation tillage technology(including this season straw mulching and fallow,last season straw mulching and rotary tillage)and conventional farming(straw removal and rotary til
12、lage)on soil water and heat changes and carbon and nitrogen accumulation.【Result】The results showed that:water content in the 2040 cm soil layer in the early stage of planting could significantly be increased with straw mulching,and the mulching fallow and mulching rotary tillage treatments increase
13、d by 26.02%and 37.49%,respectively,compared with conventional tillage.At the same time,the 2040 cm soil bulk density in mulching rotary tillage treatment was higher than that of conventional tillage and mulching fallow,which were reduced by 6.52%and 13.04%,respectively.Compared with mulching and rot
14、ary tillage,mulching and fallow could reduce the soil temperature of 020 cm and 2040 cm in the early stage of crop growth by 1.571.63,while the soil moisture content increased by 15.25%24.41%,which provided conditions for crop emergence and early growth.Combining straw mulching fallow tillage and mu
15、lching rotary tillage technologies increased the carbon and nitrogen content of 020 cm soil layer,and the organic carbon and total nitrogen reserves were increased by 11.36%and 20.51%compared with conventional tillage.【Conclusion】All of this provide a scientific basis for the implementation of prote
16、ctive farming techniques on slope farmland in the low mountain and hilly areas.In the future,the optimized combination of crop varieties and dwarfing and maturity promotion would promote the increase of productivity in slope farmland when implementing conservation tillage technology.Key words:Slopin
17、g farmland;Straw mulch;Rotatin tillage;Soil water and heat;Carbon and nitrogen storage 水蚀、风蚀和冻融侵蚀是东北黑土区水土流失的主要形式,其中水蚀面积最大为 18 万 km2,占总侵蚀面积的 65.2%1。坡耕地是产生水土流失的主要策源地,东北黑土区坡耕地面积 1 280 万 hm2,占耕地总面积的 60%,且多分布在 315坡面上2。坡耕地水土流失发生的自然因素包括漫川漫岗波状起伏地形、坡缓、坡长(5002 000 m),导致坡耕地集雨面积大、径流集中、冲刷力增强3。而长期翻耕、秸秆焚烧或离田、重用轻养等
18、人为因素导致表土流失、耕层浅薄、土壤渗透和抗蚀能力削弱,在降雨集中的夏季,加剧了地表径流和土壤水蚀现象的发生4。因此,针对坡耕地的水土流失问题,因地制宜开展地力提升与水土流失阻控与防控技术,对于推动坡耕地的持续利用具有重要意义。保护性耕作是将最小的土壤扰动(免耕、少耕)、土壤覆盖与轮耕相结合的耕作系统。通过轮耕能改善土壤结构,丰富土壤毛管体系,提高土壤蓄水量5-6,促进作物的出苗与生长。在作物生长旺盛时期,地下水通过毛管上升水的输送,满足作物产量需求7。秸秆覆盖还田是秸秆有效利用的重要途径之一。秸秆覆盖可减少地表蒸发,减缓地表结皮,增加土壤孔隙度和入渗能力8。通过秸秆覆盖还可避免雨滴直接击打地
19、面,延长产流时间,对雨水具有拦截和蓄存作用3。本文通过在低山丘陵坡耕地上开展秸秆覆盖轮耕技术研究,分析秸秆覆盖还田休闲与耕作对土壤结构、水热变化及养分的影响,探索坡耕地适宜的耕作技术,为今后黑土区坡耕地因地制宜开展恢复和提升耕地质量的保护性耕作技术提供科学依据。1060 土 壤 学 报 60 卷 http:/ 1 材料与方法 1.1 试验区概况 试验区位于黑龙江省牡丹江市海林镇卜家村(4460N,12958E),半湿润中温带大陆性季风气候,年平均气温 5.7,年平均降水量 550 mm,平均活动积温 2 4002 600。土壤类型为砂土质暗棕壤,地形坡度 515,试验地坡度为 8。试验区 19
20、812010 年 30 年间平均降水量为530.5 mm,降雨集中分布在 78 月,占全年降水量的 46.2%,冬季和春季平均降水量和总降水量均较低。2020 年全年降水量为 650.4 mm,高于历年平均水平,但降雨分配不均现象明显。最高降雨时段出现在 8月和 9月,降水量分别达到 180 mm和 142.3 mm,占全年降水量的 49.6%。14 月和 1112 月降水量仅为 42.5 mm、30.5 mm,冬季少雪、春季干旱是当地显著的气候特征。1.2 试验设计 田间试验以 6 行为 1 个试验小区,小区面积 6行0.60 m200 m,设 5 次重复。试验小区内分为玉米种植区(4 行,
21、当季移除秸秆并旋耕)和秸秆覆盖区(2 行,覆盖且当季休闲)。其中,秸秆覆盖还田于每年春季进行,将秸秆用集行机(9GHJ-H(4),长春)归行后直接覆盖地表;玉米种植区采用常规的根茬耙茬旋耕方式。试验于 2019 年 3 月2021 年 3 月进行。2019年将 4 行种植区秸秆全部集行至 2 行秸秆覆盖区,该覆盖区当季为休耕模式,下一年度种植玉米。4行种植区 2019 年种植玉米,2020 年将 4 行区中的 2行与上一年度的 2 行秸秆覆盖区组合成新的种植区,而另外 2 行作为新的秸秆覆盖休闲区。至 2021年 4 月取样期,试验小区由 3 个部分组成(每部分2 行):(1)覆盖休闲处理(S
22、FT):上年种植玉米、本年秸秆覆盖;(2)覆盖旋耕处理(SRT):上年秸秆覆盖、本年种植玉米;(3)常规旋耕处理(CRT):连续 2 年种植玉米、且无秸秆覆盖(表 1)。选择早熟、较耐密植的玉米品种,生育期 120130 d,种植密度为每公顷5 000株。施肥总量N-P2O5-K2O为150-100-50 kghm2,其中追施氮肥量为纯 N 100 kghm2,田间管理措施保持一致。表 1 试验处理 Table 1 Treatments in the experiment 处理 Treatment 秸秆还田方式 Straw returning method 秸秆还田时间 Straw retur
23、n time 耕作方式 Tillage method SRT 覆盖 Cover 上季还田 Return last season 旋耕 Rotary tillage SFT 覆盖 Cover 本季还田 Return this season 休耕 Fallow CRT 无覆盖 No cover 无 No 旋耕 Rotary tillage 注:SRT,覆盖旋耕;SFT,覆盖休闲;CRT,常规旋耕。下同。Note:SRT,Straw covered and rotary tillage;SFT,Straw covered and fallow;CRT,Conventional rotary till
24、age.The same below.1.3 测定项目与方法 1.3.1 调查方法 2020 年在玉米播种后第 15、30、35、45、60、70、75 天用手持式土壤水分、温度测定仪(LTS,杭州绿博仪器有限公司),测定 020 cm、2040 cm 土壤温度和含水量(%),并记录当日大气最高、最低温度及降雨量(mm),降雨量采用气象站(TRM-ZS2 型,辽宁锦州)现场自动记录。1.3.2 样品采集与测定 2020 年秋季玉米成熟期每小区选取代表性 3 点,每点 5 m2取样测产。采用高效玉米测产机(DSTDB,铁岭旭日农业技术开 发有限公司)和金农星谷物小区测产系统(DSCA-1,铁岭东
25、升京研高科)测产。按照(收获籽粒重收获样点实际面积)1籽粒含水率(%)(114%)10 000(kghm2)计算产量。2021 年春季用环刀、土钻采集 010 cm、1020 cm 和 2040 cm 土样,每小区采集 5 点均匀混合为 1 个样品,3 次重复。土壤含水量、土壤容重采用环刀法测定;采集 020 cm 土层土壤样品,自然风干后,测定土壤全量氮、磷、钾、有机碳等指标,参照常规方法9。4 期 王根林等:低山丘陵坡耕地秸秆覆盖轮耕对土壤水热及碳氮库的影响 1061 http:/ 1.4 数据处理 有机碳储量(SOCs)=CPT0.1(1)全氮储量(TNs)=TNPT (2)式中,SOC
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