庞党伟 陈 金 唐玉海 尹燕枰 杨东清 崔正勇 郑孟静 李 勇王振林

山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018

玉米秸秆还田方式和氮肥处理对土壤理化性质及冬小麦产量的影响

庞党伟 陈 金 唐玉海 尹燕枰 杨东清 崔正勇 郑孟静 李 勇王振林*

山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018

为了探讨玉米秸秆还田条件下不同耕作方式及施氮量对土壤耕性及冬小麦产量的影响, 于 2012年10月至2015年6月连续3个小麦生长季进行了田间定位试验。设3种耕作方式, 分别为连续3年旋耕秸秆不还田、连续3年旋耕秸秆还田和前2年旋耕秸秆还田第3年深耕秸秆还田, 每种耕作方式下均设4个施氮水平, 施氮量依次为165、225、300和360 kg hm-2。与旋耕相比, 深耕促进还田玉米秸秆的腐解, 且增施氮肥能提高秸秆腐解速度, 从而提高耕层土壤的有机质含量。秸秆不还田条件下, 连续旋耕降低了0~30 cm土层的有机质含量, 结果土壤容重增大, 孔隙度降低, 且增施氮肥不利于土壤物理性状的改善; 秸秆还田条件下, 连续旋耕提高了0~10 cm土层有机质含量, 土壤容重随之减小, 孔隙度增加; 秸秆还田条件下, 连续2年旋耕1年深耕比连续旋耕增加了10~30 cm土层有机质含量,显著降低了0~20 cm土层容重, 增加了0~20 cm土层的总孔隙度和10~30 cm土层的毛管孔隙度。连续3年旋耕造成冬小麦减产, 尤其是秸秆不还田处理, 第 3年产量较第 1年下降 5.0%~8.7%; 旋耕秸秆还田较旋耕不还田平均增产7.3%~8.9%, 但在第 3年产量下滑; 而旋耕还田后适时深耕还田比连续旋耕还田平均增加有效穗数 14.5%, 增加穗粒数5.7%, 产量平均提高7.6%。在玉米秸秆还田条件下, 增施氮肥有助于改善土壤理化性质, 但225、300和360 kg hm-2氮肥水平的产量无显著差异。本研究结果表明, 山东省小麦高产高效栽培技术宜采取秸秆还田、2年旋耕1年深耕、配施纯氮225 kg hm-2的种植模式。

耕作模式; 秸秆还田; 氮肥; 产量

土壤是农田生态系统的自然支撑和生物屏障, 培肥土壤, 稳定土体结构, 提高土壤地力和土壤质量,对保障粮食生产、维护粮食安全有重要意义[1-2]。黄淮平原是中国主要粮食生产区[3-4], 该区域小麦播种前土壤耕作以翻耕秸秆不还田、翻耕秸秆还田和旋耕秸秆还田为主。麦田旋耕有效地改善了传统犁铧式耕翻工序复杂、耗费能源较多等缺点, 省工省时, 经济方便。但长期单一的耕作方式不利于形成良好的土壤耕性[5-6],连续旋耕导致土壤耕层变浅, 犁底层上移[7], 土壤蓄水保墒能力降低[8], 严重影响粮食稳产和高产[9]。

近年来, 作物秸秆作为重要的天然有机肥料越来越受到重视[10-11]。研究表明, 秸秆还田能增加土壤有机质含量, 提高土壤肥力[12-13], 维持土壤结构的稳定性[14-15], 并且有机质含量与土壤结构稳定性有显著相关性[16-17]; 同时秸秆还田还能提高作物干物质积累量, 增加产量[18-20]。然而, 秸秆还田技术的应用也对作物生产模式提出新的挑战。如在旋耕条件下实施秸秆还田, 由于秸秆的物理阻碍、播种过浅等原因易造成冬小麦出苗率低[21], 而秸秆腐解缓慢, 严重影响下茬作物的生长[22]; 另外, 随着秸秆还田规模的增大, 农田氮素的合理利用问题亦日趋突出[23]。

旋耕配合秸秆还田是山东省冬小麦生产普遍采用的耕作模式。为改善该省冬小麦产区生产技术,合理使用氮肥, 本研究基于长期定位试验田, 比较了4个施氮水平和3种耕作模式对农田土壤理化性质和小麦产量的影响。结果表明, 秸秆还田条件下, 旋耕2年后进行一次深耕, 同时适量施用氮肥, 不仅能够提高小麦季产量, 而且改善了土壤理化特性, 提高了耕层基础肥力, 为下茬作物高产奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2012年10月至2015年6月连续3个小麦生长季在山东农业大学实验站(山东泰安)采用冬小麦–夏玉米一年两熟种植模式, 其中, 冬小麦收获后秸秆全部移除, 夏玉米种植以及管理同当地大田生产,不做特殊处理。试验开始时耕层土壤含有机质14.76 g kg–1、全氮1.24 g kg–1、速效磷9.6 mg kg–1、速效钾85.30 mg kg–1、硝态氮12.79 mg kg–1、铵态氮6.06 mg kg–1, pH 8.06。0~10、10~20和20~30 cm容重分别为1.40、1.47和1.55 g cm–3。

采用裂区设计, 3次重复, 主区为耕作模式, 设3年旋耕秸秆不还田(RT)、3年旋耕秸秆还田(RTS) 和2年旋耕秸秆还田1年深耕秸秆还田(RTS-DTS) 3个处理; 副区为氮肥水平, 设165、225、300和360 kg hm-24个水平。50%氮肥(尿素)以及105 kg hm-2P2O5(过磷酸钙)和75 kg hm-2K2O (氯化钾)底施, 拔节期追施另外 50%氮肥。其中 RT处理为玉米秸秆清理出农田, 撒施化肥后旋耕2遍, 旋耕深度10 cm,旋平后播种; RTS处理为玉米秸秆粉碎还田后, 撒施化肥旋耕2遍, 旋耕深度10 cm, 旋平后播种; 深耕处理为玉米秸秆粉碎还田后, 铧式犁翻耕 1遍, 耕深20 cm, 旋平后播种。玉米秸秆还田量为7500 kg hm-2, 其中N、P2O5、K2O含量分别为0.65%、0.30% 和0.50%。小区面积为9 m2, 试验品种为济麦22, 种植密度为2.25×106hm-2。本试验以3年为周期, 旨在探讨连续耕作以及耕作方式转换下土壤理化性质对耕作的响应, 因此土壤理化性质分析以第 3年土壤为主。

1.2 秸秆腐解测定方法

采用尼龙网袋法测定秸秆腐解。网袋规格为15 cm ×20 cm, 100目。采集秸秆样本, 烘干, 剪成寸段,称取 20 g。为模拟田间实际情景, 每个尼龙袋中混入土壤量200 g, 土壤分别取自相应裂区, 按4个施氮水平计算每个网袋所用氮肥量, 分别为 0.495、0.675、0.900和1.080 g。依照耕地的实际深度将各处理秸秆埋入各裂区小麦行间, 旋耕埋入深度为 10 cm, 深耕20 cm。分别于埋入后30 d (11月20日)、越冬期(12月5日)、返青期(3月9日)、拔节期(3月27日)、开花期(5月5日)和成熟期(6月12日)取样,将样品洗净后 80℃烘干, 计算秸秆腐解量和腐解速率(kg d–1hm-2)。腐解速率=2次取样秸秆质量之差/取样间隔的天数。

1.3 容重、孔隙度以及有机质含量测定方法

于2014—2015年度小麦生长季成熟期取样, 从每个小区选取3点, 采用环刀法每10 cm一层, 测定0~30 cm土层的容重和孔隙度[24]。采用重铬酸钾氧化法测定有机质含量[25]。

1.4 小麦产量相关性状测定

成熟期每小区收获1 m2, 测定有效穗数和产量。同时, 随机选取代表性植株15株于室内考种, 考察穗粒数和千粒重。

1.5 统计分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05进行统计分析, LSD方法进行多重比较, SigmaPlot 10.0 和Microsoft Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式和施氮量对秸秆腐解及有机质的影响

2.1.1 对秸秆腐解速率的影响 玉米秸秆腐解速率呈现“快–慢–快”的趋势, 以越冬期前的腐解速率最快, RTS与 RTS-DTS的平均腐解速率分别达到49.70 kg d–1hm-2和48.75 kg d–1hm-2, 二者没有显著差异; 越冬期至返青期秸秆腐解最慢, 不足 4 kg d–1hm-2; 返青期以后进入第2次快速腐解阶段, 且RTS-DTS的秸秆腐解速率显著高于RTS, 因而冬小麦整个生育期平均秸秆腐解速率表现为RTS-DTS显著高于RTS (表1), 说明RTS-DTS促进了冬小麦生育后期夏玉米秸秆的腐解。

氮肥施用量显著影响秸秆的平均腐解速率, 并且增加施氮量能提高秸秆的平均腐解速率。在RTS-DTS模式下, 4个施氮水平N165、N225、N300、N360的平均腐解速率分别为 16.21、16.97、17.39 和17.72 kg d–1hm-2(表1), 与当地推荐施氮量(225 kg hm-2, N225)相比较, N300、N360的平均腐解速率分别提高2.5%、4.4%, 而N165处理降低4.5%。

表1 耕作模式和施氮量对玉米秸秆腐解速率的影响Table1 Effect of tillage pattern and N application rate on maize straw decomposition speed (kg d–1hm-2)

2.1.2 对秸秆腐解进程的影响 图1表明, 还田玉米秸秆残余量随生育进程而逐渐减少。耕作模式和氮肥处理共同影响秸秆腐解, 表现为深耕以及增施氮肥(N300、N360)均能促进秸秆的腐解。小麦成熟期深耕各施氮量的腐解量分别为3808、3987、4085和 4165 kg hm-2, 较旋耕相应施氮量下的腐解量分别提高 13.1%、10.9%、13.1%和 14.0%, 平均提高12.8%, 差异达到极显著水平。在旋耕条件下, N165、N225、N300和N360四个氮肥水平下成熟期的秸秆腐解量分别为3370、3596、3610和3658 kg hm-2。与当地推荐施氮量N225相比, N300、N360处理的腐解量分别提高 0.4%和 1.7%, 而 N165处理降低6.3%。这说明秸秆腐解不但受耕作方式和氮肥施用量共同影响, 并且耕作方式对秸秆腐解的影响大于氮肥的施用。

2.1.3 对有机质的影响 试验处理 3年后成熟期土壤耕层有机质含量如表2所示。不同耕作措施对耕层土壤有机质的分布及影响不同。RT及RTS处理的有机质主要富集在0~20 cm, 并且0~10 cm的有机质含量高于10~20 cm, 而RTS-DTS处理的有机质富集于0~30 cm, 以10~20 cm有机质含量最高。与RT相比, RTS显著增加了0~20 cm土壤的有机质含量, 这是因为旋耕条件下秸秆的腐解产物主要聚集在 0~10 cm以及腐解物的向下迁移所致。RTS-DTS较RTS提高了10~30 cm土壤的有机质含量, 这是因为深耕较旋耕更易促进秸秆腐解(图1), 转化较多的有机质。秸秆还田条件下, 有机质含量随氮肥施用量增加而增加(表2), 与增施氮肥能促进秸秆的腐解(图1)相符。

图1 耕作模式和施氮量对玉米秸秆腐解的影响Fig.1 Effects of different tillage patterns and N treatments on maize straw decomposition

表2 耕作模式和施氮量对不同土层土壤有机质的影响Table2 Effects of tillage patterns and nitrogen application amount on organic matter in different soil layers (g kg-1)

2.2 不同耕作模式和施氮量对土壤物理性质的影响

2.2.1 对土壤容重的影响 经连续 3年试验, 小麦成熟期表层土壤容重随土壤深度增加而增加(图2)。0~10、10~20和 20~30 cm 的土壤容重均为RT>RTS>RTS-DTS, 其中, RTS较 RT显著降低了0~10 cm土层的容重, 而较 RTS-DTS显著提高了10~20 cm的容重。

耕作处理前试验地块土壤0~10、10~20和20~30 cm容重分别为1.40、1.47和1.55 g cm-3。试验处理3年后, 土壤表层容重发生了显著变化。秸秆不还田条件下, 在N165、N225、N300和N360施氮水平, 连续3年旋耕导致0~10 cm土壤容重分别增加4.0%、1.9%、2.8%和 3.7%, 10~20 cm土壤容重分别增加3.5%、0.5%、1.1%和3.3%; 秸秆还田条件下, 连续3年旋耕降低了 0~10 cm土壤容重, 4个氮肥水平N165、N225、N300、N360分别降低0.3%、0.8%、1.8%、2.1%, 而10~20 cm的容重除N360处理降低0.18%外, 其余均有微弱增加。RTS-DTS降低了0~10 cm和10~20 cm土层的容重, 0~10 cm土层的降低幅度分别为2.6%、3.4%、3.8%和4.7%, 10~20 cm土层的降低幅度分别为2.2%、2.6%、3.0%和3.1%。3种耕作模式对20~30 cm土层容重影响不明显, RT、RTS各处理的增加幅度分别为0.6%~1.5%、-0.6%~0.7%, 而RTS-DTS的降低幅度为0.03%~0.90%。

连续 3年的定位试验表明, 旋耕主要影响 0~10 cm土壤容重, 连续旋耕后实施深耕能影响 0~20 cm土壤的容重, 说明连续旋耕可导致耕层变浅, 而深耕可以打破连续旋耕形成的较浅耕层。相同耕作模式下,氮肥施用量对容重的影响不显著, 秸秆还田条件下随着施氮量的增加, 容重有降低的趋势, 而旋耕不还田增施氮肥(N300、N360)较N225提高了土壤容重。

图2 耕作模式和施氮量对土壤容重的影响(2014–2015)Fig.2 Effects of different tillage patterns and N treatments on the soil bulk density (2014–2015)

2.2.2 对土壤孔隙度的影响 各处理小麦成熟期的土壤总孔隙度和毛管孔隙度随土层加深而降低,且受耕作模式和氮肥处理二因素共同影响(表3)。在0~10、10~20和 20~30 cm 土层土壤总孔隙度为RTS-DTS>RTS>RT。秸秆还田能显著增加土壤的孔隙度, 与RT相比, RTS显著提高了0~10 cm土层的总孔隙度、毛管孔隙度以及0~20 cm土层的非毛管孔隙度。与RTS相比, RTS-DTS显著增加了0~20 cm土层的总孔隙度、0~10 cm的非毛管孔隙度以及10~30 cm的毛管孔隙度。这说明不同耕作处理对土壤的作业深度不同, 进而对土壤孔隙度的影响产生差异。

秸秆不还田条件下, 各土层孔隙度总体上以N225最大, 在 N225的基础上增加施氮量反而降低耕层土壤孔隙度, 这与N300和N360处理导致土壤容重增加的结果(图2)相符。秸秆还田增施氮肥能提高总孔隙度和毛管孔隙度, 但同一耕作模式下各氮肥处理间差异不明显。

2.3 不同耕作模式和施氮量对冬小麦产量的影响

总体来看, 连续 3年旋耕条件下, 秸秆还田处理的冬小麦籽粒产量高于秸秆不还田处理。与秸秆不还田相比, 秸秆还田增产的主要贡献来自千粒重的明显增加和穗粒数的提高, 二者在 3年间分别平均提高 6.2%~7.3%以及 3.8%~4.9%, 弥补了穗数下降的影响。无论是否秸秆还田, 3年内连续旋耕, 特别是实施到第3年, 冬小麦穗数下降趋势很明显(旋耕还田N360处理除外); 连续旋耕至第2年, 穗粒数和千粒重增长明显, 较第1年分别提高3.8%和2.5%,并且旋耕还田的提高幅度(4.9%和 3.6%)显著高于旋耕不还田(2.7%和1.4%), 但到第3年穗粒数和千粒重不能协同提高; 最终导致秸秆不还田条件下, 3年的产量持续下降, 而秸秆还田条件下, 第2年的产量最高, 第3年呈下降趋势。秸秆还田条件下, 施氮量超过225 kg hm-2时对减产趋势起到一定缓解作用(图3)。

表3 耕作模式和施氮量对土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度的影响Table3 Effects of different tillage patterns and N treatments on capillary porosity, non-capillary porosity, and total porosity

将第 3年的旋耕秸秆还田改为深耕秸秆还田,冬小麦千粒重表现为下降, 较前者降低 1.4%~2.5%,并且在225 kg hm-2的基础上提高施氮量, 下降越明显; 穗粒数则略高于前者在第 2年的高值状态。变化最明显的是, 第 3年深耕秸秆还田的单位面积穗数较连续 3年旋耕秸秆还田大幅度提高(12.3%~ 17.1%), 达到最高水平, 但N225、N300和N360处理之间差异很小。因此, 冬小麦籽粒产量以 2年旋耕秸秆还田+1年深耕秸秆还田模式最高, 比连续 3年旋耕秸秆还田模式高5.1%~10.0% (图3)。

3 讨论

3.1 不同耕作模式和施氮量对玉米秸秆腐解的影响

本试验中夏玉米秸秆经历了2个快速腐解期,分别为秸秆埋入到越冬期以及返青期到成熟期。腐解前期, 旋耕的腐解速率高于深耕; 随着糖、淀粉、蛋白质、半纤维素等易分解物质逐渐被微生物分解,腐解速率逐渐降低; 返青期以后腐解速率上升, 深耕的腐解速率显著高于旋耕。秸秆腐解是一个复杂的生物过程, 除受自身碳氮比影响外, 水分、温度以及农田管理措施等同样影响此过程[26-30]。播种后浇蒙头水时, 由于深耕可以有效增加土壤通透性[31],土壤蓄水能力强于旋耕, 但土壤含水量过高易降低土壤温度, 影响微生物活性, 不利于秸秆腐解[30],导致深耕条件下前期的秸秆腐解速率低于旋耕。返青期后, 深耕的秸秆腐解速率显著高于旋耕, 这是因为深耕疏松了土壤, 改善了通气性, 增加了好气微生物的活性[32]。作物秸秆分解时适宜的C/N比为25, 而玉米秸秆本身 C/N比高, 还田后微生物与作物竞争吸收土壤中固有的无机氮, 所以秸秆还田时需配合施加一定量氮肥来调节土壤微生物碳氮比[33]。本研究中增施氮肥(N300、N360)能促进玉米秸秆的腐解, 但与 N225无显著性差异, 即每公顷配施225 kg氮能满足秸秆的有效腐解。秸秆的腐解最终表现为土壤有机质的增加。秸秆还田条件下, 旋耕主要增加了0~10 cm土层的有机质含量, 而深耕主要增加了10~30 cm土层的有机质, 这是因为深耕作业导致秸秆富集于10~20 cm土层, 同时也与深耕作业将表层有机质机械翻转到深层有关[34]。整体来看, 连续2年旋耕1年深耕并配施225 kg hm-2氮便能有效促进还田玉米秸秆的腐解, 显著增加耕层10~30 cm土壤的有机质含量。

图3 耕作模式和施氮量对冬小麦产量及产量构成因素的影响Fig.3 Effects of different tillage patterns and N treatments on yield and yield components of winter wheat

3.2 不同耕作模式和施氮量对土壤理化性质的影响

土壤容重是土壤重要的物理性质之一, 它直接影响土壤孔隙度与孔隙大小的分配、土壤水肥气热变化[35], 而土壤中大小孔隙度的分配及其连续性和稳定性则是直接影响作物根系生长和养分运输的主要因素[36]。国内外学者就玉米秸秆还田对土壤理化性质的影响做了较多的研究, 多数表明秸秆还田对降低土壤容重、增加孔隙度有积极作用[37-39], 能使土壤的通气状况显著改善[40], 而且土壤容重随着秸秆还田年限的增加而逐渐降低[41]。连续3年试验处理后, RTS较RT显著降低了0~10 cm土层的容重,并显著提高了0~10 cm土层的总孔隙度、毛管孔隙度以及0~20 cm土层的非毛管孔隙度。长期单一的耕作方式不利于形成良好的土壤耕性[5-6]。本试验中RT导致0~10 cm、10~20 cm土层的容重较处理前平均增加3.1%、2.1%, RTS虽能降低0~10 cm土层容重, 但其有增加10~20 cm土层容重的趋势。周虎等[7]研究证明翻耕处理的耕层(0~20 cm)均低于旋耕处理下相同层次的土壤容重, 本试验中RTS-DTS不仅能较 RTS显著降低 10~20 cm土层容重, 而且对20~30 cm土层的容重有一定的降低效应。秸秆还田条件下, 氮肥通过影响秸秆腐解对土壤物理性质产生影响, 总体上表现为增施氮肥有降低容重、增加孔隙度的趋势; 秸秆不还田条件下, 在N225的基础上增加施氮量不利于土壤物理性质的改善, 这是因为高化肥投入导致耕地土壤有机质出现严重的退化[42-43], 结果容重增加, 孔隙度降低。总之, 连续2年旋耕还田后进行深耕还田增加了耕层有机质, 改善了耕层土壤结构, 为作物创造了良好的生长条件。

3.3 不同耕作模式和施氮量对冬小麦产量的影响

土壤理化性质的改变最终影响冬小麦的生长发育。无论秸秆还田与否, 连续3年旋耕均出现冬小麦成穗数降低的现象, 播种过浅或者秸秆的物理阻碍等造成还田地块冬小麦出苗率低[21]是其原因之一,而连续旋耕造成的耕性下降, 引起单株成穗率低也是主要限制因子。连续旋耕条件下, 秸秆不还田处理的冬小麦产量逐年下降, 而秸秆还田处理的产量在第3年出现了下滑, 这与旋耕造成的土壤紧实、耕层变浅、土壤蓄水保墒能力降低有关, 进而影响粮食稳产和高产[7-9]。郑成岩等[44]对比了旋耕秸秆还田和深耕秸秆还田处理下冬小麦产量水平, 结果二者在试验处理的第1年无显著差异, 而孔凡磊等[18]在吴桥试验站发现上述2种耕作措施连续2个小麦生长季对产量无明显影响。同时, 本试验的结果证实在连续2个冬小麦生长季内, 旋耕秸秆还田具有增产效应。第3年耕作措施由旋耕还田转换为深耕还田后, 最终产量较旋耕还田增加5.1%~10.0%, 这是因为第3年深耕还田均衡了耕层的有机质分布, 降低土壤容重, 疏松土壤, 改善土壤的渗透性能, 提高雨水资源利用率[19,45], 促进根系的下扎[34], 有利于冬小麦生长发育, 同时提高小麦旗叶光合速率,延缓叶片衰老, 增加光合产物的积累, 有利于产量的增加[46-47]。

氮素是作物生长所需大量营养元素之一, 在保障中国粮食安全方面具有不可代替的作用[48]。土壤中氮素的丰缺及供给直接影响农作物的生长和产量[49]。3种耕作措施下, N225、N300和N360处理的产量均显著高于 N165水平, 秸秆还田条件下增施氮肥(N300和N360)虽然能改善耕层土壤的理化性质, 进而增加单位面积穗数和穗粒数, 但不利于产量的进一步提升。所以, 每公顷配施225 kg的施氮量即能满足冬小麦的生长发育, 并能获得较高的籽粒产量。

4 结论

无论秸秆还田与否, 连续 3年旋耕均造成有机质富集于表层, 下层土壤容重增加、孔隙度降低。连续 2年旋耕还田后进行深耕还田均衡耕层的有机质分布, 降低容重、改善孔隙度空间分布, 有利于创造适于作物生长发育的耕层结构, 从而实现冬小麦年度间稳产增产。在配施纯氮225 kg hm-2的基础上增加施氮量并不能显著提高产量, 因此, 连续 2年旋耕还田1年深耕还田并配施225 kg hm-2纯氮可以作为实现山东省冬小麦稳产增产的有效途径。

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Effect of Returning Methods of Maize Straw and Nitrogen Treatments on Soil Physicochemical Property and Yield of Winter Wheat

PANG Dang-Wei, CHEN Jin, TANG Yu-Hai, YIN Yan-Ping, YANG Dong-Qing, CUI Zheng-Yong, ZHENG Meng-Jing, LI Yong, and WANG Zhen-Lin*
1Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China

The objective of this study was to understand the effect of continuous rotary tillage on soil tilth and wheat yield under straw-return and non-straw return conditions.A three-year field experiment from October 2012 to June 2015 was conducted with three tillage patterns (three-year rotary tillage without maize straw return, RT; three-year rotary tillage with maize straw return, RTS; and two-year rotary tillage plus one-year deep tillage with maize straw returning, RTS-DTS) and four nitrogen application levels (165 kg ha–1, N165; 225 kg ha–1, N225; 300 kg ha–1, N300; 360 kg ha–1, N360).Compared with rotary tillage, deep tillage facilitated decomposition of the maize straw and high N level accelerated the decomposition speed.Under non-straw-return condition, continuous rotary tillage reduced the organic matter content in 0–30 cm soil layer, leading to increased bulk density anddecreased soil porosity.Under straw-return condition, continuous rotary tillage increased the organic matter content in 0–10 cm soil layer and soil porosity and decreased bulk density.Moreover, RTS-DTS showed positive effects on tilth soil structure.For example, compared with RTS, RTS-DTS had the effect on increasing organic matter content in 10–30 cm soil layer, decreasing bulk density in 0–20 cm soil layer, and increasing the total porosity in 0–20 cm soil layer and capillary porosity in 10–30 cm soil layer.Three-year rotary tillage resulted in yield decline of wheat, particularly under non-straw return condition.Grain yield of RT in the third year was 5.0%–8.7% more than that in the first year.Although the yield of RTS was 7.3%–8.9% higher than that of RT, it also showed obvious decline in the third year.Compared with RTS, RTS-DTS showed great improvement in yield and yield components, with the increase of 14.5% in spike number, 5.7% in grain number per spike, and 7.6% in final yield.Under maize straw return condition, soil physical property was improved with the increase of N level.However, the final yield in treatments of N225, N300, and N360 was not significantly different.Our results suggest that RTS-DTS plus maize straw return with N application rate of 225 kg ha-1is a high-yield and high-efficient cultivation pattern in Shandong province.

Tillage practices; Straw returning; Nitrogen fertilizer; Yield

10.3724/SP.J.1006.2016.01689

本研究由国家自然科学基金项目(31271661, 31271667, 30871477), 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB150404), 国家粮食丰产科技工程项目(2012BAD04B05), 国家公益性行业(农业)科研专项(201203100, 201203029)和山东省高等学校科技计划项目(J14LF12)资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271661, 31271667, 30871477), the National Basic Research Program of China (2015CB150404), the National Technology Engineering Program for Food Crops Production (2012BAD04B05), the Special Fund for Agro-Scientific Research in the Public Interest (201203100, 201203029), and the Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province (J14LF12).

*通讯作者(Corresponding author): 王振林, E-mail: zlwang@sdau.edu.cn

稿日期): 2015-11-23; Accepted(接受日期): 2016-07-11; Published online(

日期): 2016-08-11.

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160811.1623.014.html