施用粉煤灰和有機肥對土壤溫度和玉米生長發育及水分利用效率的影響

龐 喆， 張衛華， 孫增慧， 馬增輝

(陜西省土地工程建設集團有限責任公司/陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司/國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室/陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西西安 710075)

在我國快速工業化和城鎮化的背景下，山地丘陵區農村空心化問題日益突出，嚴重阻礙了該區的農村發展和人居環境改善。農村空心化是城鄉發展轉型進程中鄉村人地關系地域系統演化的一種不良現象[1]，深入開展山地丘陵空心村綜合土地整治，是實現統籌城鄉發展、新農村建設的重要基礎[2]。研究表明，我國空心村整治潛力巨大，通過構建完善的農村人口轉移機制、宅基地退出與盤活機制，全國空心村綜合整治潛力可提高到758萬hm2[3]。開展山地丘陵空心村土地綜合整治，不僅能夠增加可用耕地的面積，更能夠改善農業生產條件，促進農業規模經營，促進鄉村區域經濟社會的協調發展。山地丘陵區空心村的分布較為分散、水利設施不便利，在山地丘陵空心村土地整治過程中，水資源是制約山地丘陵區農業發展的主要因素，因此研究不同還田材料對土壤溫度、作物生長和水分利用效率的影響，選擇經濟、便利、效果顯著的還田材料，對于實現山地丘陵地區空心村的綜合整治具有重要的意義。

通過對各類還田材料的分布、數量、理化性質、見效周期、病蟲害、污染風險、價格成本、推廣難度等多方面綜合評價，發現粉煤灰的農業利用具有投資少、容量大、見效快等特點，其養分含量與黃褐土的化學成分及營養成分基本相同，僅氮含量偏低[4]，同時，粉煤灰中的硅酸鹽礦物質和炭粒具有多孔結構，有利于降低土壤容重，提高孔隙度，提高地溫[5]，縮小土壤膨脹率[6]，有利于植物根部加速對營養物質的吸收和分泌物的排出，促進植物生長；在粉煤灰的使用過程中，粉煤灰中的金屬離子對土壤環境的二次污染不容忽視，國外研究證明，施用量≤土壤質量的10%時，不會造成作物的毒害[7-8]。國內的相關試驗結果也表明[5]，根據土壤質地施加粉煤灰的量在60～600 t/hm2時，土壤及糧食作物中有害元素未達到污染程度。有機肥在提高土壤養分的同時還能改善土壤理化性質，平衡養分，培肥土壤[8]，且分布廣泛、易于制取，使用成本低。本試驗選取這2種還田材料進行深入研究。

在研究不同還田材料對土壤水分利用效率、產量影響過程中發現，土壤水分含量、土壤溫度的剖面分布特征對根系水分吸收具有重要的影響，在一定溫度范圍(不高于30 ℃)內，土壤溫度的提升可使根系吸水增加30%左右，而且短時間內的升溫對根系吸水能力的提升效果尤為明顯[9-10]。所以，土壤溫度所引起的根系吸水差異對水分利用效率的影響不容忽視。本研究在對土壤水分、溫度監測的基礎上，觀察各種還田材料施配作用下的作物株高、產量等因素，分析探討不同還田材料對土壤溫度、作物生長及水分利用效率的影響，以期預選出空心村土地整治過程中合適的還田材料。

1 材料與方法

1.1 培肥材料與土壤

試驗小區設置以空心村土地整治工程為背景，模擬黃土丘陵地區空心村廢棄宅基地整治還田狀況，選擇粉煤灰、有機肥作為培肥材料。土壤剖面中30 cm以下部分為原狀土，0～30 cm為回填土且培肥材料主要施用和混合于本層，土壤基本理化性質見表1。

1.2 處理方法

試驗小區設在國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室富平試驗基地，試驗于2015年6月初開始。首先將表層30 cm土層剝離，小區周圍砌墻，高度為40 cm，其中 10 cm 露出地表。其次將生土回填，回填之前將地面刮毛，回填厚度為30 cm，容重控制在1.5～1.6 g/cm3。最后將培肥材料均勻施用在地表，人工混合均勻。

表1 土壤基本理化性質

試驗設計考慮有機肥、粉煤灰以及二者混合施用3種培肥處理，另設計無培肥對照處理，分別設置2個重復，共8個小區，小區面積4.48 m2，試驗設計見表2。供試玉米品種為先玉335，播種量為60 000株/hm2，穴播，所有處理在播種前均配施復合肥2 250 kg/hm2。第1季夏玉米于2015年6月15日播種，2015年10月5日收獲；第2季夏玉米于2016年6月5日播種，2016年10月6日收獲。試驗期間記錄作物的生長發育情況，主要包括株高、作物產量等；記錄氣象數據，主要包括降雨量和蒸發量等；記錄田間管理情況，包括灌溉(灌溉時間和灌溉量)、追肥(施肥時間和施肥量)等。

表2 試驗設計

1.3 測定項目

土壤：主要測定土壤水分和土壤溫度；作物：主要測定作物株高和產量。

土壤含水量測定：測定0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90、90～105 cm 土層的土壤體積含水量，每2周取土樣測定1次。試驗小區于2015年8月28日安裝時域反射儀(TDR)，對各個層次的土壤含水量進行連續測定，每 10 min 測量1次，記錄數據的頻率為1次/h。

玉米產量計算：為防止邊際效應的影響，在每個小區內(除邊緣0.5 m)取2行，脫粒，風干，稱質量，計算換算成標準含水量(14%)下作物產量。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰和有機肥施用對土壤溫度的影響

對試驗小區不同處理下的土層溫度進行實時監測和記錄，分析不同處理下的土壤溫度差異。從圖1、圖2可以看出，添加了粉煤灰的TC、TFC處理均提高了土壤表層7.5 cm處溫度，其中TC處理較T0處理平均提高了0.6 ℃，TFC處理提高了0.8 ℃，而沒有添加粉煤灰的TF處理提高了0.3 ℃。這可能是由于粉煤灰的顏色較深，增強了土壤對太陽輻射的吸收能力。另外，在玉米的主要生長周期(6—10月)內，土壤表層日均溫度分布大多在30 ℃以下，在此溫度范圍內，土壤溫度的提升對根系吸水效率有顯著的提升作用。

2.2 粉煤灰和有機肥施用對株高的影響

使用不同的還田材料，是為了提升土壤肥力，增加作物產量，在2季作物的生長過程中，不同材料對作物的株高影響見圖3。在土壤整治還田過程中，有機肥和粉煤灰的使用能夠提高玉米的株高，其中粉煤灰和有機肥配合處理對玉米生長的促進作用最好。

2.3 粉煤灰和有機肥施用對產量的影響

TC處理與T0處理相比未能明顯提高作物的產量，而TF、TFC相對于T0明顯提高了作物的產量。有機肥和粉煤灰的配合使用在所有處理中的產量達到最高。2015年TFC相對于T0處理提高了52%；2016年TFC處理相對于T0處理僅提高了23%(圖4)。說明對于空心村廢棄宅基地土地整治而言，單一措施不能夠滿足土壤改良的需要，只有多種改良措施的相互配合才能夠快速地提高土壤的肥力，并取得良好的產量。

2.4 粉煤灰和有機肥施用對土壤水分利用效率的影響

在開展空心村新增耕地肥力提升技術研究的過程中，由于山地丘陵區空心村的分布較為分散、水利設施不便利，研究不同還田材料對土壤水分利用效率的影響至關重要。不同的培肥措施對土壤含水量變化產生了明顯的影響，且土壤貯水量是土壤含水量的主要表征(圖5、圖6)。黃土高原地下水位較深，因此作物根系層的土壤水分狀況受地下水的影響可以忽略。土壤水分狀況主要受到自然降水、灌溉和作物蒸散的影響。本研究主要用于評估不同還田材料對作物生長的影響，采用傳統種植方式進行常規灌溉，不同處理間的土壤貯水量變化規律趨于一致。

依據作物生長周期的含水量變化計算土壤的貯水量，根據土壤貯水量、灌溉、降雨情況，計算作物生長周期中的耗水量，每日貯水量之差所計算的蒸發量再加上灌溉量和降雨量來計算每種處理下的耗水量。結合不同處理間的作物產量，計算出不同處理間的水分利用效率(表3)。

結果表明，不同處理間的水分利用效率差異較大。耗水量差異是由于不同處理的末端土壤含水量變化所致，不同的耗水量和產量最終導致各處理土壤水分利用效率。2015年對照處理的水分利用效率和只添加粉煤灰的TC處理差異不明顯，且利用效率較低，添加有機肥的水分利用效率明顯高于對照處理，為17.41 kg/(hm2·mm)；2016年，TC和TF處理均明顯高于對照處理，但水分利用率不高，為15.49、13.99 kg/(hm2·mm)；而添加了粉煤灰和有機肥的TFC處理的水分利用效率均最大，2015年為23.52 kg/(hm2·mm)，2016年為18.27 kg/(hm2·mm)，顯著高于其他3種處理。

表3 不同年份玉米的耗水量及水分利用效率

3 討論與結論

3.1 粉煤灰和有機肥施用對土壤溫度的影響

土壤溫度在作物生長發育、土壤中水鹽運移、土壤碳平衡等方面有很重要的意義。在本試驗中添加了粉煤灰的TC、TFC處理均提高了土壤表層7.5 cm處的溫度，粉煤灰和有機肥混合施用的TFC處理表層溫度提升最高，平均提升 0.8 ℃。在玉米的主要生長周期(6—10月)內，土壤剖面溫度分布大多低于30 ℃，在此溫度范圍內，土壤溫度的提升對根系吸水效率有顯著的提升。在春寒季節，地溫升高，在導熱性能差的黏質土上施用適量的粉煤灰對春播作物爭取早出苗、早育苗奪高產具有一定的現實意義[11-12]。

粉煤灰和有機質的混合施用提升了地溫，一方面是由于粉煤灰大多數為灰黑色，吸收太陽輻熱，增強土壤吸熱能力，從而提高地溫；另一方面粉煤灰能夠改變土壤的氧化還原狀態。其中，最活躍的鐵礦在逐漸水解氧化成赤鐵礦時釋放出169.35 J/mol的熱量，進一步轉變為纖鐵礦，又釋放出 44.75 J/mol 的熱量[11]。礦物的加速水解，釋放出大量的能量，加快了有機質礦化和其氧化過程的進行，粉煤灰中磁性礦物的氧化水解和有機質的氧化分解的加速，都有強烈的能量釋放，進一步提升了地溫。

地溫提高又促進了有機肥的分解和微生物的繁衍，促進了農作物的呼吸、代謝過程，使土壤中氮、鉀和磷等養分的有效性增加，形成良性的水熱循環環境。

3.2 粉煤灰和有機肥施用對作物產量的影響

粉煤灰對作物品質和產量有一定的促進作用；混合施用粉煤灰和有機肥，可使過氧化物酶、多酚氧化酶活性降低，抑制作物光呼吸作用，促進作物新陳代謝，有利于物質的積累，從而增加作物的產量，也能使作物的硝酸還原酶活性提高，使有機質氮的礦化、硝化作用增大，促進蛋白質合成，提高作物品質[13]。另外，土壤中施加土壤質量為2%的粉煤灰，能顯著提高土壤呼吸作用，促進轉化酶活性，增強微生物活性，有利于土壤中各種生化反應的進行，促進養分的釋放，加速土壤熟化[7]，加速土壤熟化正是空心村整治過程中土壤肥力提升的關鍵所在，進而提升作物產量。

在粉煤灰與有機肥混合施用下，粉煤灰改善了土壤結構的同時，土壤中的碳氮含量減少，而有機肥的施用，正好彌補了這點。粉煤灰中磁性礦物的水解，釋放出大量的能量，加快了有機質的礦化及其氧化過程，促進了農作物的呼吸過程、代謝過程，增加了土壤中氮、鉀和磷等養分的有效性。同時，加快了有機肥在土壤中的腐殖化過程，使得肥效更加顯著，以提升作物產量。

3.3 粉煤灰和有機肥施用對土壤水分利用效率的影響

粉煤灰作為一種高度分散的微細顆粒集合體，是優良的土壤改良劑，可以使土壤容重降低、持水能力增強，飽和導水率降低，并有效降低土壤薄膜水斷裂的可能性[14-15]。粉煤灰與有機肥混合施用，改善了土壤結構特性，使土壤凈光合速率升高的同時蒸騰速率同步降低，從而降低水分消耗，保持植物體內水分含量促進植物生長[16]。土壤溫度提升對根系吸水效率有顯著的提升。在一定程度上增加了土壤水分利用效率，在水利設施不便利的環境中，提升土壤儲水性能，也進一步增加了作物的產量。

在山地丘陵區空心村整治的過程中，還田材料的選擇是關鍵，通過試驗對比，粉煤灰和有機肥混合施用表層溫度提升最高，平均提升0.8 ℃；2015年，玉米產量與對照處理提高52%，2016年提高23%；2015年TFC處理水分利用效率達23.52 kg/(hm2·mm)，2016年達18.27 kg/(hm2·mm)，顯著高于其他處理。從地溫提升、產量提高、土壤水分利用效率的提高等方面綜合考慮，粉煤灰和有機肥的混合施用效果最佳。