不同耕作措施对采煤沉陷区坡耕地玉米产量和水分利用效率的影响

不同耕作措施对采煤沉陷区坡耕地玉米产量和水分利用效率的
影响
马守臣;张合兵;马守田;李春喜;邵云
【摘要】针对采煤沉陷区坡耕地的水土流失问题,通过田间试验,以平作为对照(CK),研究平作+残茬覆盖(T1)、横坡垄作(T2)和横坡垄作+残茬覆盖(T3)对坡耕地夏玉米籽粒产量和水分利用效率的影响.结果表明,从苗期到拔节期,残茬覆盖明显降低了土壤水分的无效蒸发,2个残茬覆盖处理(T1和T3)0～ 100 cm土壤含水量显著高于CK(P＜0.05);到拔节期时,T1和T3处理土壤含水量分别比CK提高9.64％和
9.74％.玉米拔节后降雨增多,与CK相比,T1、T2和T3处理地表径流减少,坡耕地的保水保肥能力提高.T1、T2和T3处理还显著提高了玉米的产量、水分利用效率、降雨利用效率和氮肥偏生产力(P＜0.05),其中T3处理保水保肥和增产效果最好,其玉米的产量、水分利用效率、降雨利用效率和氮肥偏生产力分别较CK提高
16.59％、31.20％、16.55％和16.59％.通过横坡垄作并附以秸杆覆盖是适用于采煤沉陷区坡耕地的有效农耕措施.
【期刊名称】《生态与农村环境学报》
【年(卷),期】2014(030)002
【总页数】5页(P201-205)
【关键词】采煤沉陷区;坡耕地;横坡垄作;残茬覆盖;夏玉米
【作者】马守臣;张合兵;马守田;李春喜;邵云
【作者单位】河南理工大学测绘与国土信息工程学院/国土资源部野外科学观测研
究基地,河南焦作454000;河南师范大学生命科学学院,河南新乡453007;河南理工
大学测绘与国土信息工程学院/国土资源部野外科学观测研究基地,河南焦作454000;河南师范大学生命科学学院,河南新乡453007;河南师范大学生命科学学院,河南新乡453007;河南师范大学生命科学学院,河南新乡453007
【正文语种】中文
【中图分类】X45;S513
煤炭井工开采导致开采区地表发生大面积沉陷，使原地貌坡度增大，并产生大量裂缝和裂隙，极易造成水肥流失，从而影响植物生长和土地生产力［1］。

据统计，我国矿粮复合区面积占耕地总面积的40%以上［2］，采煤沉陷区面积总计可达 8 000 km2，并且其面积还在以较快的速度增加［3］。

由于沉陷区治理成本高以及缺少可用来充填的土源，很多矿区的沉陷区没有得到有效治理，形成了大量坡耕地，土壤退化严重。

近年来，我国开展了不同类型矿区的土地复垦及环境综合整治研究［4－6］，但针对矿区损毁土地的研究主要集中在工程恢复技术、开采沉陷引起
的水肥流失以及土壤理化性质等方面［7－10］。

对受损农田的作物生产以及治理后生产效果的研究很少，也未能从如何改善受损农田土壤的水肥特性等方面开展研究。

垄作栽培和秸秆覆盖是我国北方旱地农业和山地农业中常用的保护性耕作措施，研究表明秸秆覆盖玉米田可减少棵间蒸发，增强土壤保墒能力［11］，并改善玉米
的生理活性［12］。

在坡耕地上进行横坡垄作，能减少地表径流和养分损失，增
加雨水入渗［13］。

河南省降水主要集中在7—9月，这也正是夏玉米的生长季节。

以河南省焦作市采煤沉陷区坡耕地为研究对象，采用不同的横坡垄作和秸秆覆盖措
施对沉陷区坡耕地进行治理，通过对不同措施下的玉米产量、土壤水氮特征及其时空变异规律进行对比研究，探讨适合沉陷区坡耕地的科学耕作措施及针对沉陷区土地退化特征的生态恢复技术，对于提高农民种粮积极性，保障区域粮食安全具有重要意义。

1 研究区与研究方法
1. 1 自然概况
选取焦作煤业集团韩王矿采煤沉陷区的坡耕地为试验区，试验场地位于河南省焦作市马村区，地处太行山南麓，区域地貌为山前冲洪积扇平原，属温带大陆性季风气候区，年平均气温14℃，年平均降水量603～713 mm，蒸发量2 039 mm。

试
验区土壤类型为第四系砂砾石、砂、粉质黏土及粉土组成的石灰性褐土，土壤层较薄，砾石含量高，土壤pH值为7. 8，有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为12.
1、0. 77、1. 25 和12. 71 g·kg－1，速效氮、速效磷和速效钾含量分别为 45. 41、8. 23 和76. 05 mg·kg－1。

试验场地坡长15 m，坡度约为10°。

1. 2 试验点降雨特征
2011年6月6日—9月29日降雨总量389. 7 mm，降雨日30 d，最大单次降
雨量39. 0 mm，单次雨量＞10 mm的降雨14次（图1）。

可见，2011年玉米
生育期总降雨量丰富，属于较正常的气候条件。

1. 3 试验设计
玉米的种植规格和施肥情况与大田一致。

供试玉米品种为郑单958，6月7日播种，9月25日收获。

设残茬覆盖和不覆盖2种残茬处理方式，平作和横坡垄作2种耕作方式。

共有4个处理，即平作（CK）、平作＋残茬覆盖（T1）、横坡垄作（T2）和横坡垄作＋残茬覆盖（T3）。

平作处理：小麦收获后清除残茬，玉米行距60 cm，株距30 cm；横坡垄作处理：小麦收获后清除残茬，用锄头沿等高线挖垄沟15 cm，并将土覆于垄上，垄与坡长方向垂直，玉米行距60 cm，株距30 cm，
每2行玉米起1垄，垄面宽90 cm，垄高15 cm，垄沟宽30 cm（图2）。

残茬覆盖：小麦机械收割后用残茬覆盖全部地表。

各试验小区自坡顶按等高线排列，小区面积32 m2（坡长8 m，宽4 m），每处理3次重复。

苗期施用N、P2O5和K2O含量 w均为 15%的复合肥，施用量为750 kg·hm－2，大喇叭口期追施尿素450 kg·hm－2。

图1 2011年玉米生育期降雨分布Fig. 1 Distribution of rainfall during the maize growing season
图2 垄作栽培种植方式示意Fig. 2 Sketch of ridge tillage
1. 4 测定项目与方法
1. 4. 1 土壤样品测定
在降雨前和降雨后2 d，在各试验小区距坡顶1. 5 m处按等高线采集土壤样品，每小区采选3个样点，每个样点按20 cm一层取土，用碱解扩散法测定各土层碱解氮含量，用烘干法测定各土层质量含水量。

玉米全生育期耗水量（100 cm以下土壤的雨水下渗和流失忽略不计）按如下公式计算：生育期总耗水量＝播种前0～100 cm土壤贮水量＋生育期间降水量－收获后0～100 cm土壤贮水量。

土壤贮水量按如下公式计算：土壤贮水量＝其中，wi为第 i层土壤质量含水量，%；hi为第i层土壤厚度，cm；di为第i层土壤容重，g·cm－3。

1. 4. 2 水分利用效率和降雨利用效率计算
玉米成熟后，每小区采收中间4行计产。

根据玉米产量、生育期耗水量、生育期间降雨量和生育期间施氮量分别计算各处理的水分利用效率、降雨利用效率和氮肥偏生产力。

水分利用效率＝玉米经济产量／生育期总耗水量，降雨利用效率＝玉米经济产量／生育期间降雨量，氮肥偏生产力＝籽粒产量／施氮量。

1. 5 数据分析
采用Excel软件对试验数据进行分析与作图。

采用SPSS软件对试验数据进行统计分析，并对各处理数据进行差异显著性检验。

采用LSD多重比较法进行方差分析
和差异显著性检验（α＝0．05）。

2 结果与分析
2. 1 不同耕作方式对土壤水分动态的影响
由图3可知，不同耕作方式对土壤水分状况有明显影响。

播种前各处理0～100 cm土壤含水量无显著差异。

从苗期到拔节期（播种后25 d），由于该时段降雨
较少，残茬覆盖减少了土壤水分的蒸发。

因此，2个残茬覆盖处理（T1和T3）土壤含水量显著高于对照（P＜0. 05），到拔节期时，T1 和 T3处理土壤含水量分别比对照提高9. 64%和9. 74%，T2处理
与对照相比无显著差异。

在抽雄期和成熟期，T1、T2和T3处理土壤含水量均显
著高于对照（P＜0. 05）。

拔节期到抽雄期间（播种后 25～60 d）以及灌浆期到成熟期间（播种后80～105 d），降雨较丰富，但2个横坡垄作处理（T2和T3）地表径流减少，因此，T2和T3处理土壤含水量显著高于T1处理（P＜0. 05）。

在灌浆期，T1、T2 和 T3 处理间土壤含水量无显著差异，但均显著高于对照（P＜0. 05）。

2. 2 降雨后土壤含水量的垂直变化
降雨前后不同耕作处理土壤含水量的变化见图4。

降雨前，在土壤表层（0～20 cm），2个残茬覆盖处理（T1和T3）土壤含水量显著高于对照（P＜0. 05），
T2处理与对照相比没有显著差异；在＞20～40 cm土层，T1、T2和T3处理土壤含水量均显著高于对照（P＜0. 05）；在土壤深层（＞40～100 cm），各处理与对照的土壤含水量无显著差异。

在播种后27 d有一次大的降雨（降雨量38. 8 mm），在雨后第2天对各处理土壤含水量进行测定。

结果显示，在0～40 cm土层，各处理土壤含水量均显著高于对照（P＜0. 05），土壤含水量由高到低依次为
T3、T2、T1 和对照；在＞40～80 cm土层，2个横坡垄作处理（T3和T2）土壤含水量大致相当，且显著高于2个平作处理（T1 和CK）（P＜0. 05）；在＞80～100 cm 土层，各处理土壤含水量没有显著差异。

可见，降雨后T1、T2和
T3处理地表径流均较对照减少，从而增加了降雨向深层土壤的入渗。

图3 不同耕作处理0～100 cm土壤水分动态Fig. 3 Dynamics of soil water content in the 0－100 cm soil layer relative to treatment
图4 降雨前后不同耕作处理土壤含水量的垂直变化Fig. 4 Vertical variation of soil water content before and after rainfall relative to treatment
2. 3 降雨后土壤碱解氮含量的垂直变化
由图5可见，降雨前各处理间不同土层深度碱解氮含量没有显著差异。

在降雨后
第2天对各处理不同土层深度碱解氮含量进行测定。

结果表明，0～20 cm土层各处理碱解氮含量没有显著差异；在＞20～60 cm土层，各处理土壤碱解氮含量均
高于对照，2个横坡垄作处理（T3和T2）土壤碱解氮含量显著高于 2 个平作处理（T1 和 CK）（P＜0. 05）。

这说明降雨后，T1、T2和T3处理在增加降雨入渗
和降低雨水流失的同时，也减少了氮的流失量，增加了氮向深层土壤的入渗。

在＞80～100 cm土层，各处理碱解氮含量没有显著差异。

图5 降雨前后不同耕作处理土壤碱解氮含量的垂直变化Fig. 5 Vertical variation
of soil available nitrogen content before and after rainfall relative to treatment
2. 4 不同耕作处理玉米的产量、水分利用效率和降雨利用效率
由表1可知，不同耕作处理对玉米的产量、耗水量、水分利用效率和降雨利用效
率均有明显影响。

T1、T2和 T3处理玉米产量均显著高于对照（P＜0. 05），分
别比对照增加 8. 17%、 13. 53% 和16. 59%，2个横坡垄作处理（T2和 T3）玉米产量均显著高于2 个平作处理（T1 和 CK）（P＜0. 05），横坡垄作＋残茬
覆盖增产效果最好。

与对照相比，T1、T2和T3处理玉米总耗水量均显著减少（P ＜0. 05），玉米水分利用效率则显著提高（P＜0. 05），3个处理水分利用效率分别比对照提高 15. 01%、24. 11%和31. 20%。

T1、T2和T3处理还减少了坡耕地的雨水和氮肥流失，从而提高玉米的降雨利用效率和氮肥偏生产力。

2个横坡垄作处理（T2和T3）降雨利用效率和氮肥偏生产力均显著高于平作处理（T1和CK）（P＜0. 05）。

表1 不同耕作处理玉米的产量、水分利用效率和降水利用效率Table 1 Grain yield，rainfall use efficiency and water use efficiency of summer maize relative to treatmentCK为平作；T1为平作＋残茬覆盖；T2为横坡垄作；T3为横坡垄作＋残茬覆盖。

同一列英文小写字母不同表示处理间某指标差异显著（P＜0. 05）。

处理生育期降水量／mm总耗水量／mm产量／（kg·hm－2）水分利用效率／（kg·hm－2·mm－1）降雨利用效率／（kg·hm－2·mm－1）氮肥偏生产力／（kg·kg－1）CK 389. 7 350. 7a 5 980. 3c 17. 05d 15. 35c 19. 29c T1 389. 7 329. 9b 6 469. 0b 19. 61c 16. 60b 20. 87b T2 389. 7 320. 8c 6 789. 3a 21. 16b 17. 42a 21. 90a T3 389. 7 311. 7d 6 972. 3a 22. 37a 17. 89a 22. 49a
3 讨论
开采沉陷不但破坏原有地表形态，还破坏沉陷区灌溉设施。

沉陷区坡耕地已属于雨养农业，再加上开采沉陷造成表层土壤松动，极易引起水土流失，这不仅降低耕地的水肥利用率，其抗旱生产能力也大大削弱。

不同耕作措施对土壤侵蚀和营养物质流失有不同程度影响［14］。

如能采取有效的耕作措施，减少沉陷区坡耕地地表径流，增加雨水的土壤蓄积量，不但能节省灌溉投入，还能减少养分流失，提高降雨利用效率和作物产量。

实行垄作可改善根际土壤的通气性和理化特性，并有利于田间通风透光，能有效地
协调土、水、肥、气和光等因子间的关系［15］。

在我国北方旱地农业中进行垄
作栽培，还有利于汇集雨水，提高水分利用效率，并使作物增产［16］。

而在坡
耕地上进行玉米横坡垄作，在减少地表径流、最大量地就地蓄积雨水的同时，还能减少氮、磷和钾素的流失，从而提高水肥利用效率和作物产量［13］。

该研究中，将垄作技术应用于沉陷区坡耕地的玉米生产，结果表明，实行横坡垄作（T2处理）可减少地表径流，减少氮的流失量，增加氮向深层土壤的入渗，从而提高坡耕地的保水保肥能力。

因此，T2处理玉米的产量、水分利用效率、降雨利用效率和氮肥
偏生产力较T1处理和对照显著提高（P＜0. 05）。

秸秆覆盖具有保温、保墒、培肥和防蚀等生态效应，并可显著提高作物水分利用效率［17］。

在夏玉米生育前期，气温较高，田间蒸发剧烈，秸秆覆盖可减少棵间
蒸发，大幅度提高土壤蓄水保墒能力，并提高玉米产量和水分利用效率［11］。

对坡耕地的研究表明，由于秸秆覆盖增加地表糙率，可降低地表径流流速，增加雨水入渗，从而减少径流总量［13，18］。

笔者研究表明，从玉米苗期到拔节期，
秸秆覆盖可明显降低土壤水分的无效蒸发，拔节期以后由于降雨增多，残茬覆盖（T1处理）还可减少地表径流，进而减少坡耕地的水肥流失。

因此，T1处理玉米水分利用效率、降雨利用效率和氮肥偏生产力显著高于对照（P＜0. 05）。

可见，垄作及秸秆覆盖均可提高作物的水分利用效率，尤其是垄作结合秸秆覆盖的节水效果更加明显。

研究表明，垄作＋秸秆覆盖处理夏玉米水分利用效率比平作提高 24. 3%［19］，增产 14. 2% ～58. 1%［20］。

笔者针对沉陷区坡耕地水土
流失特征，在实行横坡垄作基础上进行秸秆覆盖（T3处理），不但增加了雨水入渗，有效地防止水肥流失，还减少了土壤水分的棵间无效蒸发，促进了水肥资源的高效利用。

因此，横坡垄作＋残茬覆盖处理（T3）保水保肥和增产效果最好。

但由于研究区为山前冲洪积扇平原，土壤类型为第四系砂砾石、砂、粉质黏土及粉土组成的石灰性褐土，土壤层较薄，砾石含量高，再加上采煤沉陷对耕地的破坏，
土壤保水能力较低。

因此，与已报道的黄淮海平原区农田玉米相关研究［11，19］相比，笔者研究中整个生育期玉米的耗水量、水分利用效率及产量效应均低于平原灌区农田。

4 结论
（1）在玉米生长的早期阶段（苗期到拔节期），残茬覆盖处理（T1和T3）可显
著降低土壤水分的无效蒸发，增加 0～100 cm 土壤含水量（P＜0. 05）。

在降雨较充沛的生长后期，T1、T2和T3处理均可促进雨水向深层土壤入渗，从而减少
地表径流，提高坡耕地保水能力。

（2）在降雨较充沛的玉米生长后期，T1、T2和T3处理均可促进氮向深层土壤（＞40～60 cm）入渗，减少表层土壤氮的流失，从而提高坡耕地保肥能力。

2个横坡垄作处理（T3和T2）的保水保肥效果显著高于2 个平作处理（T1 和 CK）（P＜0. 05）。

（3）与对照相比，T1、T2和T3处理玉米的籽粒产量、水分利用效率、降雨利用效率和氮肥偏生产力均显著提高（P＜0. 05）。

横坡垄作＋残茬覆盖处理（T3）
保水保肥和增产效果最好。

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