深耕与秸秆还田的土壤改良效果及其作物增产效应研究

摘要

2008年国家现代玉米产业技术体系的调查发现，农田土壤紧实已经成为限制农作物产量提高的主要因素之一。从前人的研究看出，改进耕作方式是缓解农田土壤紧实、提高粮食单产的一条重要途径。本文研究分析了2010-2011年深耕与秸秆还田对漯河粘土和鹤壁壤土土壤理化和生物性状的调控效应，以期为缓解土壤紧实问题，提高农田土壤质量提供理论依据和技术支撑。通过研究获得以下结果:
　　1、深耕与秸秆还田均能够改善土壤物理性状。土层深度、耕作方式和土壤质地对土壤容重、孔隙度、水分含量和土壤三相比的R值均有显著影响。土壤容重和土壤三相比的R值均随土层深度的增加而增大，土壤水分含量和土壤孔隙度均随土层深度的增加而降低。深耕后，土壤容重和土壤三相比的R值平均分别下降了0.7％和19.0％，土壤孔隙度、水分含量和耕层深度平均分别增加了1.3％、3.8％和71.4％。秸秆还田后，土壤三相比的R值平均下降了9.3％，土壤水分含量平均增加了3.2％。粘土和壤土的土壤物理性状差异显著，粘土的土壤容重、水分含量和土壤三相比的R值分别比壤土高0.7％、1.3％和16.1％，而土壤孔隙度比壤土低1.2％。土壤三相比的R值能够较好地反映处理间土壤三相比的变化。
　　2、深耕与秸秆还田对不同土层土壤团聚体均有显著影响。深耕后壤土和粘土20-30 cm土层水稳定性土壤团聚体的平均重量直径(MWD)平均分别增加了42.4％和52.3％，秸秆还田后同比平均分别增加了51.6％和52.4％。土壤团聚体的MWD随土层深度的增加而增加，0-10 cm土层机械稳定性土壤团聚体的MWD平均分别比10-20 cm和20-30 cm土层低4.8％和10.8％，同样0-10 cm土层水稳定性土壤团聚体的MWD平均分别比10-20 cm和20-30 cm土层低24.1％和29.6％。土壤中以粒径大于10 mm的机械稳定性土壤团聚体和粒径小于0.25mm的水稳定性土壤团聚体为主，前者在壤土和粘土中的含量范围分别在34.3-71.5％和58.6-77.1％，后者在壤土和粘土中的含量范围分别在37.9-65.7％和22.0-37.9％。深耕与秸秆还田对壤土和粘土中土壤团聚体的影响不同，可能是因为在这两种土壤中团聚体形成时的主要胶结物质不同。只有当土壤团聚体形成时的主要胶结物质为有机质时，粒径大于0.25 mm土壤团聚体的含量高低才能成为判断土壤质量的指标。
　　3、深耕与秸秆还田均能增加土壤养分含量，降低土壤碳氮比。深耕后，壤土土壤全氮、有效磷和速效钾的含量平均分别增加了3.4％、14.2％、4.7％，土壤碳氮比平均下降了5.2％;粘土土壤全氮、有效磷和速效钾的含量平均分别增加了8.6％、7.6％、3.9％，土壤碳氮比平均下降了7.0％。秸秆还田后，壤土土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量平均分别增加了3.0％、13.8％、11.0％和11.8％，土壤碳氮比平均下降了10.0％;粘土有机质、全氮、有效磷和速效钾含量平均分别增加了1.6％、20.2％、10.8％和6.0％，土壤碳氮比平均下降了15.8％。
　　4、深耕与秸秆还田对土壤微生物类群均有显著影响。深耕后，壤土土壤细菌、真菌和放线菌的数量平均分别增加了16.4％、14.6％和52.3％，粘土平均分别增加了14.5％、31.3％和24.3％。秸秆还田后，壤土土壤细菌、真菌和放线菌的数量平均分别增加了50.0％、158.2％和77.0％，粘土平均分别增加了62.7％、54.0％和177.5％。深耕与秸秆还田均能促进夏玉米田土壤呼吸，在夏玉米不同生育时期土壤呼吸速率的大小顺序为:拔节期＞吐丝期＞成熟期。深耕改善了土壤的物理环境，秸秆还田提供了更多的碳源，共同提高了土壤微生物的数量和土壤呼吸速率。
　　5、深耕与秸秆还田均显著增加了土壤酶活性。深耕后，壤土过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性平均分别增加了19.6％、9.0％、5.5％和2.5％，粘土平均分别增加了10.3％、25.6％、1.5％和7.2％。秸秆还田后，壤土土壤过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性平均分别增加了15.8％、51.3％、15.1％和20.4％，粘土平均分别增加了7.8％、30.5％、11.5％和14.4％。与壤土相比粘土还原酶活性较高，水解酶活性较低，有利于还田秸秆转化为土壤有机质。
　　6、深耕与秸秆还田提高了作物产量。深耕后夏玉米和冬小麦产量平均分别增加了6.0％和3.5％，秸秆还田后夏玉米和冬小麦产量平均分别增加了5.0％和9.7％。深耕与秸秆还田对冬小麦的增产效果优于夏玉米，该效应随处理年份的增加趋于稳定。不同作物秸秆还田后的增产效应不同，其中夏玉米秸秆还田的增产效应优于冬小麦秸秆还田。为提高深耕和秸秆还田措施增产效应的稳定性，应将被还田的秸秆尽量切碎，适当增加耙磨次数和深度，提高种床土壤质量。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 深耕对土壤改良和作物生长发育的影响

1．1．1 深耕对土壤物理性状的影响

1．1．2 深耕对土壤养分的影响

1．1．3 深耕对土壤呼吸的影响

1．1．4 深耕对土壤微生物和酶活性的影响

1．1．5 深耕对作物生长发育和产量的影响

1．2 秸秆还田对土壤改良和作物生长发育的影响

1．2．1 秸秆还田对土壤物理性状的影响

1．2．2 秸秆还田对土壤肥力的影响

1．2．3 秸秆还田对土壤生物性状的影响

1．2．4 秸秆还田对作物生长发育和产量的影响

1．3 深耕和秸秆还田的交互效应

1．4 研究目的与意义

1．5 研究内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

第二章 深耕与秸秆还田对不同质地土壤物理性状的影响

2．1 材料与方法

2．1．1 试验地概况

2．1．2 试验设计

2．1．3 土壤样品的采集与测定

2．1．4 土壤三相比数据的计算和处理

2．1．5 试验数据处理

2．2 结果与分析

2．2．1 深耕与秸秆还田对土壤容重的影响

2．2．2 深耕与秸秆还田对土壤孔隙度的影响

2．2．3 深耕与秸秆还田对土壤水分含量的影响

2．2．4 深耕与秸秆还田对土壤三相比的影响

2．2．5 深耕对耕层土壤深度的影响

2．3 讨论

2．4 小结

第三章 深耕与秸秆还田对不同质地土壤团聚体的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验地概况

3．1．2 试验设计

3．1．3 土壤样品的采集

3．1．4 土壤团聚体数量的测定和计算

3．1．5 数据处理

3．2 结果与分析

3．2．1 深耕与秆还田对土壤团聚体平均重量直径(MWD)的影响

3．2．2 深耕与秸秆还田对不同土层土壤团聚体稳定性的影响

3．2．3 深耕与秸秆还田对机械稳定性土壤团聚体粒径分布的影响

3．2．4 深耕与秸秆还田对水稳定性土壤团聚体粒径分布的影响

3．3 讨论

3．4 小结

第四章 深耕与秸秆还田对不同质地土壤肥力的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 试验地概况

4．1．2 试验设计

4．1．3 土壤样品的采集与测定

4．1．4 试验数据处理

4．2 结果与分析

4．2．1 深耕与秸秆还田对土壤有机质含量的影响

4．2．2 深耕与秸秆还田对土壤全氦含量的影响

4．2．3 深耕与秸秆还田对土壤有效磷含量的影响

4．2．4 深耕与秸秆还田对土壤速效钾含量的影响

4．2．5 深耕与秸秆还田对土壤碳氮比的影响

4．3 讨论

4．4 小结

第五章 深耕与秸秆还田对不同质地土壤微生物数量和土壤呼吸的影响

5．1 材料与方法

5．1．1 试验地概况

5．1．2 试验设计

5．1．3 土壤样品的采集

5．1．4 土壤微生物数量的测定

5．1．5 土壤呼吸的测定

5．1．6 试验数据的处理

5．2 结果与分析

5．2．1 深耕与秸秆还田对土壤呼吸的影响

5．2．2 深耕与秸秆还田对土壤细菌数量的影响

5．2．3 深耕与秸秆还田对土壤真菌数量的影响

5．2．4 深耕与秸秆还田对土壤放线菌数量的影响

5．3 讨论

5．4 小结

第六章 深耕与秸秆还田对不同质地土壤酶活性的影响

6．1 材料与方法

6．1．1 试验地概况

6．1．2 试验设计

6．1．3 土壤样品的采集

6．1．4 土壤酶活性的测定

6．1．5 试验数据的处理

6．2 结果与分析

6．2．1 深耕与秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响

6．2．2 深耕与秸秆还田对土壤磷酸酶活性的影响

6．2．3 深耕与秸秆还田对土壤脲脾活性的影响

6．2．4 深耕与秸秆还田对土壤蔗糖酶活性的影响

6．3 讨论

6．4 小结

第七章 深耕与秸秆还田对不同生态区作物产量的影响

7．1 材料与方法

7．1．1 试验地概况

7．1．2 试验设计

7．1．3 作物计产

7．1．4 试验数据处理

7．2 结果与分析

7．2．1 深耕与秸秆还田对夏玉米产量的影响

7．2．2 深耕与秸秆还田对冬小麦产量的影响

7．2．3 深耕与秸秆还田对周年作物产量的影响

7．3 讨论

7．4 小结

第八章 主要结果及研究创新点

8．1 主要结果

8．1．1 深耕的土壤改良效果及其对作物增产效应研究

8．1．2 秸秆还田的土壤改良效果及其对作物增产效应研究

8．1．3 土壤质地对有机质转化过程的影响

8．1．4 胶结物质对土壤团聚体评价方法的影响

8．1．5 土壤三相比数据处理方法研究

8．2 主要创新点

8．2．1 提出的新方法解决了土壤三相比数据不能用于统计分析的问题

8．2．2 明确了深耕与秸秆还田相结合改良土壤增加作物产量的机制

8．2．3 深耕与秸秆还田对不同质地土壤的改良效果不同

8．3 进一步研究方向

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果