保护性耕作措施对农田土壤健康状况的影响及作物响应研究

保护性耕作技术自20世纪60年代传入我国后,国内科研工作者开展了大量关于保护性耕作的研究工作。但现有研究、示范大多是在我国北方干旱、半干旱地区开展,其目的也多以减少风蚀、水蚀或在缺水条件下保证作物不减产为主。而在半湿润灌区,以减少农业用水量,提高作物产量为目的的保护性耕作研究较少。半湿润区保护性耕作条件下农田养分、水分时空分布及作物响应规律也较为缺乏。有鉴与此,本研究于2004年-2006年在山东农业大学农学实验站展开,试验以华北平原小麦-玉米两熟农作制下保护性耕作田为研究对象,探寻保护性耕作条件下农田土壤健康状况的变化规律及作物对保护性耕作措施的响应情况,并以试验数据为基础,借助生态经济学有关方法,对不同耕作模式下农田生态系统服务功能价值进行评判、筛选,以便于资源的合理利用,为行政决策提供科学依据。主要研究结果如下: 1麦-玉两熟农作制下,利用翻耕后效,在两年内秋季可以采用以旋、耙代耕,或采用深松措施打破犁底层,并结合玉米、小麦秸秆还田,从而促进农田土壤健康状况的改进。 试验结果表明,连续两个小麦-玉米生长季后,耙耕、常规耕作模式下土壤表层0-20cm土层容重均在1.5g/cm3以下,可以满足作物生长需要。但20-40cm底土层容重均超过1.6 g/cm3,且有继续增大的趋势。尤其免耕模式下土壤容重在10-20cm就超过1.5g/cm3,升高趋势明显,不利于作物根系生长。但深松模式下各层土壤容重均在1.55g/cm3以下,且无明显升高趋势。 在适宜耕作期限内,旋、耙、深松3种保护性土壤耕作措施配合秸秆还田具有合理的孔隙结构,较高的表层有机质、全氮、全磷累积量,微生物量碳、活跃微生物量较高。但保护性耕作模式下存在一定的田间营养成分分层现象,土壤下层养分指标低于常规耕作,虽未对作物产量造成负面影响,但对农田养分累积价值评价有显著的负效应。 秸秆还田有助于创造松紧适宜的土壤环境,减小保护性耕作模式下土壤容重增加的幅度。可以显著改善土壤水分条件,有良好的蓄水、保水能力。有效地降低了农田蒸散,提高了土壤含水率和土壤贮水量,有利于有限灌溉条件下,作物产量的提高。此外,秸秆还田对表层5cm地温有显著影响,越冬期低温条件下,秸秆还田可以显著提高表层土壤温度,小麦返青气温回升期,秸秆还田具有“降温效应”。但小麦开花后气温较高时,免耕表现出“增温效应”,这应与免耕处理群体小,太阳辐射截获率低有关。 2适宜耕作期限内,旋耕、耙耕、深松结合秸秆还田可以显著提高小麦产量,两年平均增产8.6%,10.6%,8.2%,但免耕小麦两年平均减产7.1%,产量显著低于对照。 旋耕、耙耕、深松三种耕作模式作业质量基本可以达到田间农艺出苗要求,能够形成适宜的田间群体,且穗粒数、千粒重指标优于常规耕作,产量显著高于对照。免耕处理田间出苗率仅达60.2%,田间群体过小,难以达到适宜的公顷穗数,减产严重。 旋耕、耙耕、深松3种保护性耕作模式配合秸秆还田有利于提高小麦生育期内干物质积累速率,延长小麦干物质积累活跃期,这为小麦高产奠定了物质基础。在花后保持较高的叶面积指数,叶绿素含量,从而保持较高光化学效率与光合速率,这有利于花后小麦光合产物的累积,有效地提高了籽粒灌浆速率,对小麦粒重的提高十分有效。但免耕模式由于下层容重过高,不利于小麦根系的生长,导致小麦花后养分、水分供应的不足,各项测定指标均为各处理最低值。 采用作用力分析的方法可以发现,土壤耕作措施的独立效应对试验有显著影响。耕作措施对基本苗,冬前、春季最大分蘖、公顷穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量的作用力均大于秸秆因素的独立效应;受秸秆×耕作交互效应显著影响的指标有冬前最大分蘖与穗粒数,交互作用力达到6.17%和28.87%。 3夏玉米对保护性耕作模式下土壤容重的增加无明显不良反应,免耕、旋耕、耙耕、深松四种土壤耕作模式的后效配合小麦秸秆还田覆盖可以显著提高直播玉米产量,两年平均比常规耕作增产5.3%,6.5%,6.3%,3.4%。 小麦秸秆覆盖后,其雨水浸出物中所含的化感物质对夏玉米出苗率有显著的影响,同种耕作模式下秸秆还田处理田间出苗率均低于对应无秸秆还田处理,平均降幅2005年为7.37%,2006年为6.05%。就耕作模式间分析,常规耕作出苗率最高,免耕模式出苗率最低,两种耕作模式下各处理平均出苗率两年分别相差6.2%、9.2%。因此,小麦秸秆覆盖田应适当增加播量以保证夏玉米田间群体密度。 试验结果表明,4种保护性耕作措施配合小麦秸秆覆盖可以提高夏玉米干物质积累速率,延长干物质积累时间,同时灌浆速率也有类似的提高,这为保护性耕作模式下夏玉米籽粒饱满,粒重的提高有积极的作用。 对夏玉米产量及产量构成进行作用力分析可以发现,耕作措施夏玉米产量构成的作用力大于秸秆的独立效应及耕作、秸秆交互效应。其中土壤耕作措施对夏玉米2005年产量的作用力为48.8%,达到显著水平。 4经生态系统服务功能评价,耙耕秸秆还田处理、深松秸秆还田处理服务功能价值分别高出对照7270.9元/hm2,5587.9元/hm2,是各处理中表现较优的处理,有较高的经济收益及生态效益,具有较好的推广价值。 通过对试验中10种处理所处农田生态系统服务功能价值评估可以发现,农产品生产功能价值及大气调节功能价值是各处理服务功能价值中最重要的组成部分。保护性耕作模式秋耕时减少了土壤作业工序,节约了机械动力成本,有利于保护性耕作模式下农产品生产功能价值的提高。而旋耕、耙耕、深松模式下秸秆还田处理拥有更高生物产量,对应的大气调节功能也高于对照。保护性耕作模式配合秸秆还田可以提高土壤贮水量,从而提高土壤农田土壤水分涵养价值,其中秸秆还田措施可平均增加农田涵养土壤水分价值108.6元/ hm2。免耕、旋耕、耙耕、深松分别可增加价值204.7元/hm2,169.1元/hm2,117.2元/hm2,87.2元/hm2。