方彥杰 張緒成 于顯楓 侯慧芝 王紅麗 馬一凡 張國平 雷康寧

旱地立式深旋耕方式下有機(jī)肥替代對飼用玉米耗水特性和產(chǎn)量的影響

方彥杰 張緒成*于顯楓 侯慧芝 王紅麗 馬一凡 張國平 雷康寧

甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所 / 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅蘭州 730070

研究黃土高原半干旱區(qū)立式深旋耕方式下飼用玉米合理有效的施肥模式, 為提高產(chǎn)量和資源利用效率提供科學(xué)依據(jù)。2017—2019年在黃土高原半干旱區(qū)設(shè)單施化肥(all of fertilizer, F)、有機(jī)肥替代50%化肥(50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer, FOF)、全部有機(jī)肥(all of organic fertilizer, OF) 3種施肥模式, 研究不同施肥模式對飼用玉米耗水特性、產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 農(nóng)田0~300 cm各土層土壤貯水消耗與生育期耗水、降水量及降水分布密切相關(guān)。在干旱年份, FOF和OF較F增加了花期0~300 cm土層土壤貯水量11.9%和11.7%, 顯著消耗了花前0~60 cm土層土壤貯水量, 0~300 cm土層土壤總耗水量FOF較OF和F增加1.4%和10.3%, 花前耗水量較F降低13.0%、較OF增加0.3%, 花后耗水量分別增加20.7%和23.9%。豐水年2018年FOF和OF較F提高花前耗水量13.5%和31.6%, 降低花后耗水量21.9%和36.1%, 2019年FOF較F和OF增加花前耗水量9.7%和11.9%, 較F降低花后耗水量8.1%, 且不同施肥模式對0~300 cm土層土壤貯水量消耗均有影響。0~300 cm土層土壤耗水量在干旱年份FOF高于F, 但無顯著性差異, 在兩豐水年均低于F。FOF較F和OF增加成熟期干物質(zhì)量4.1%~10.4%、2.7%~11.5%, 增加籽粒產(chǎn)量3.8%~9.4%、10.1%~12.0%, 增加生物量5.6%~8.9%、3.1%~15.5%, 提高籽粒水分利用效率7.9%~11.1%、1.5%~14.6%?？梢? 有機(jī)肥替代50%化肥模式能夠優(yōu)化土壤的水分特性, 增加土壤耗水有效性, 提高產(chǎn)量和WUE, 是黃土高原半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)飼用玉米增產(chǎn)增效的有效肥料管理模式。

立式深旋耕; 有機(jī)肥替代; 產(chǎn)量; 水分利用效率; 飼用玉米

干旱脅迫和地力瘠薄是甘肅旱作農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的主要限制因子[1]。然而, 由于近十余年甘肅旱作區(qū)地膜覆蓋玉米()大面積的連作種植, 農(nóng)民不合理耕種與施肥導(dǎo)致土壤耕層結(jié)構(gòu)劣化, 養(yǎng)分供應(yīng)失衡等土壤肥力退化現(xiàn)象日益凸顯, 嚴(yán)重制約了玉米產(chǎn)量的提高[2]。因此, 如何優(yōu)化耕作措施, 水肥調(diào)控管理, 提高產(chǎn)量和資源利用率, 是旱作玉米的研究重點(diǎn)[3]。2017年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在《全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃》中提出, 適當(dāng)調(diào)減非優(yōu)勢區(qū)玉米面積, 將甘肅省玉米種植納入國家調(diào)控范圍, 因地制宜發(fā)展青貯玉米[4]。2018年甘肅省玉米種植面積達(dá)到101.3×104hm2, 其中飼用玉米占20×104hm2, 飼用玉米在甘肅糧食生產(chǎn)和種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中將具有越來越重要的地位[5], 因此, 對飼用玉米的相關(guān)研究意義重大。耕作和施肥方式能夠創(chuàng)造一個(gè)良好的耕層結(jié)構(gòu), 以改善耕層土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀, 既可促進(jìn)作物生長, 還能夠提高土壤水分利用[6]。已有研究表明, 土壤深松耕作可以增加耕層厚度和土壤孔隙度, 改善土壤滲透性, 進(jìn)而提高蓄水保墑性能[7-8]。有機(jī)無機(jī)肥配施不僅能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量, 穩(wěn)定增加作物產(chǎn)量, 提升肥料利用率[9-12],還能夠提高土壤水分利用率, 起到“以肥調(diào)水”的作用[13]。

立式深旋耕是近年來在深松耕技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新型耕作技術(shù)[14-17], 該技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)是不擾亂土層的同時(shí)對土壤深松, 耕層呈粉碎顆粒狀, 疏松而不易黏結(jié), 通氣性能良好, 增加了土壤的通透性和保水性[18-20]。在西北半干旱區(qū)馬鈴薯立式深旋耕技術(shù)的研究結(jié)果表明, 該技術(shù)顯著優(yōu)化了土壤的水分特性, 提高了土壤有效水含量, 促進(jìn)馬鈴薯花期耗水, 使馬鈴薯干物質(zhì)量顯著提高, 較傳統(tǒng)耕作技術(shù)增產(chǎn)24.8%~156.8%, 水分利用效率提高18.9%~92.3%[21], 化肥減量50%分期施用并增施有機(jī)肥, 能降低花前耗水, 增加花后耗水, 起到“以肥調(diào)水”的作用[22]?？梢? 在半干旱區(qū), 立式深旋耕有助于蓄水保墑, 有機(jī)肥替代化肥能夠?qū)崿F(xiàn)“以肥調(diào)水”, 兩者結(jié)合是旱地作物增產(chǎn)增效種植的關(guān)鍵技術(shù)。為此, 本研究將立式深旋耕的“蓄水保墑”效應(yīng)和施肥措施的“以肥調(diào)水”效應(yīng)相結(jié)合, 以飼用玉米為研究對象, 在立式深旋耕技術(shù)的基礎(chǔ)上, 設(shè)置單施化肥、有機(jī)肥(腐熟羊糞)替換50%化肥、有機(jī)肥(腐熟羊糞)替代全部化肥3種施肥模式, 測定土壤含水量、群體生物量、產(chǎn)量, 計(jì)算土壤剖面水分耗散量、階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水強(qiáng)度和水分利用效率等指標(biāo), 研究它對飼用玉米土壤貯水量、土壤耗水特征、單株干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響, 以明確有機(jī)肥替代對立式深旋耕飼用玉米土壤耗水特征和產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng), 為建立半干旱區(qū)立式深旋耕方式下飼用玉米增產(chǎn)增效、資源可持續(xù)發(fā)展的養(yǎng)分管理模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2019年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站(甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N)進(jìn)行。該區(qū)海拔1970 m, 年平均氣溫6.2℃, 年輻射總量5898 MJ m–2, 年日照時(shí)數(shù)2500 h, ≥10℃積溫2075.1℃, 無霜期140 d, 屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟, 為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相對變率為24%, 400 mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土, 0~30 cm土層平均容重1.25 g cm–3, 田間持水量為21.18%, 凋萎系數(shù)為7.2%。土壤含有機(jī)質(zhì)11.99 g kg–1、全氮1.16 g kg–1、全磷0.25 g kg–1、全鉀17.3 g kg–1、NH4+-N 4.8 mg kg–1、NO3-N 0.8 mg kg–1、速效磷 8.67 mg kg–1、速效鉀 121.50 mg kg–1, pH 8.35。試驗(yàn)中腐熟羊糞養(yǎng)分含量為: 全氮0.63%, 全磷0.4%, 全鉀0.4%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以飼用型玉米為供試材料, 品種為“隴飼1號”, 試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)置3種施肥模式處理, 單施化肥(all of fertilizer, F): 施用量純氮189 kg hm–2、P2O5135 kg hm–2、K2O 120 kg hm–2, 有機(jī)肥替代50%化肥(50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer, FOF): 施用量純N 94.5 kg hm–2、P2O567.5 kg hm–2、K2O 60 kg hm–2、腐熟羊糞15,000 kg hm–2; 有機(jī)肥替代全部化肥(all of organic fertilizer, OF): 腐熟羊糞30,000 kg hm–2, 其中氮肥采用普通尿素(N≥46%), 磷肥為磷酸二銨(P2O5≥46%, N≥18%), 鉀肥為氯化鉀(K2O≥60%), 所有肥料全做基肥施入。以立式深旋耕(vertically rotary sub-soiling tillage, VRT, 定西山石農(nóng)業(yè)科技有限公司和甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所共同研制的立式深旋耕機(jī)耕作, 耕深40 cm)進(jìn)行春耕處理, 采用全膜雙壟溝播種植方法, 寬窄行種植, 帶寬為100 cm, 其中大壟寬為60 cm, 小壟寬為40 cm, 播種密度67,500株 hm–2。試驗(yàn)小區(qū)面積5.8 m × 7.0 m = 40.6 m2, 每處理3次重復(fù)。玉米播種在壟溝內(nèi), 播種深度4~5 cm。用玉米點(diǎn)播器人工穴播, 每穴播種1~2粒。2017年于4月20日播種, 10月13日收獲; 2018年于4月19日播種, 10月3日收獲; 2019年于4月22日播種, 10月9日收獲。試驗(yàn)除拔草外不進(jìn)行其他管理。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生物量測定 分別在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期和收獲期每小區(qū)隨機(jī)采樣3株, 采用烘干法測定生物量干重。

1.3.2 土壤水分 分別在苗期、開花期和收獲期測定, 深度為0~300 cm, 每20 cm為步長取1個(gè)土樣, 取樣位置為壟溝內(nèi)兩穴間, 采用烘干法測定。

1.3.3 土壤貯水量 0~300 cm土壤貯水量(soil water storage, SWS)計(jì)算公式: SWS=10′, 式中,代表土壤深度(cm),代表土壤容重(g cm–3),代表體積含水量(m3m–3)。

1.3.4 土壤剖面水分耗散量 土壤剖面水分耗散量(soil profile water consumption, PWC)計(jì)算公式: PWC=PSWS?PSWS+1, 式中: PSWS為某個(gè)生育時(shí)期土壤剖面初始時(shí)的貯水量(mm); PSWS1為該生育時(shí)期結(jié)束時(shí)的土壤剖面貯水量(mm)。

1.3.5 階段耗水量 0~300 cm耗水量(evapotranspiration, ET)計(jì)算公式: ET=SWS? SWS+1+, 式中: SWS為某個(gè)生育時(shí)期初始時(shí)的土壤貯水量(mm); SWS1為該生育時(shí)期結(jié)束時(shí)的土壤貯水量(mm);為全生育期降水量(mm)。

1.3.6 耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度 耗水模系數(shù)(water consumption percentage, WCP)計(jì)算公式:

WCP=ET/ET×100%

式中, ET為某一階段的耗水量, ET為生育期總耗水量; 耗水強(qiáng)度(daily water consumption, DWC)計(jì)算公式:

DWC=ET/d

式中, d為生育階段天數(shù)(d)。

1.3.7 產(chǎn)量 生物量每小區(qū)取最中間2行, 稱鮮重后折算公頃產(chǎn)量(kg hm–2); 籽粒產(chǎn)量每小區(qū)實(shí)收脫粒, 曬干后稱重并折算公頃產(chǎn)量(kg hm–2)。

1.3.8 水分利用效率 水分利用效率(water useefficiency, WUE)計(jì)算公式: WUE=Y/ET, 式中, Y為飼用玉米籽粒產(chǎn)量(kg hm–2)或者生物量(kg hm–2), ET為飼用玉米生育期耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件作圖, DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 用LSD法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性(<0.05和<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017—2019年飼用玉米生育期降水量及平均氣溫變化

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì), 試驗(yàn)區(qū)飼用玉米生育期多年平均降雨量為380.5 mm, 多年平均氣溫為15.6℃。2017年飼用玉米生育期平均氣溫為15.3℃, 較多年同期降低1.9%, 降雨量為352.5 mm, 為同期多年平均值的92.6%, 且各生育期降雨分布不均勻, 尤其大喇叭口期至花期, 有效降雨1次, 為11 mm, 平均氣溫20.8℃, 屬干旱年。2018年飼用玉米生育期平均氣溫為15.9℃, 增加1.6%, 降雨量為441.1 mm, 為同期多年平均的115.9%, 屬豐水年。2019年飼用玉米生育期平均氣溫為15.2℃, 較多年同期降低3.0%, 降雨量為439.3 mm, 且降雨分布均勻, 為同期多年平均的115.5%, 屬豐水年(圖1)。

2.2 有機(jī)肥替代對飼用玉米生育期土壤貯水量影響

旱地飼用玉米立式深旋耕方式下, 農(nóng)田0~300 cm土層土壤貯水量變化不僅與生育期耗水有關(guān), 還與當(dāng)年降水分布及大氣平均溫度密切相關(guān)(圖2)。2017年干旱年, 播種期0~300 cm土層土壤貯水量處理間無顯著性差異, 由于受高溫干旱影響(有效降水僅11 mm), 花期土壤貯水量較播種期和成熟期低, 對玉米產(chǎn)量有嚴(yán)重影響, FOF和OF較F增加28.9 mm和28.6 mm, 提高了11.9%和11.7%, 且差異顯著(<0.05), 成熟期OF最高, 較F和FOF增加32.1 mm和31.4 mm, 提高了9.7%和9.4%, 差異顯著(<0.05)。2018和2019兩個(gè)豐水年, 在開花期0~300 cm土層土壤貯水量均較播種期和成熟期高, 為飼用玉米開花授粉提供了較優(yōu)的土壤水分條件, 有利于產(chǎn)量形成。2018年花期土壤貯水量F最高, 較FOF和OF增加了28.9 mm和50.3 mm, 提高了6.7%和12.2%, 處理間差異顯著(<0.05), 成熟期F最低, 且與FOF和OF差異顯著(<0.05)。2019年播種期土壤貯水量與2018年成熟期表現(xiàn)一致, 花期OF最高, 較F和FOF增加18.8 mm和23.2 mm, 提高了4.2%和5.3%, 成熟期OF最高, 較F和FOF增加25.8 mm和9.6 mm, 提高6.7%和2.4%, 且與差異顯著(<0.05)。

圖1 2017–2019年飼用玉米生育期降雨和氣溫變化

2.3 有機(jī)肥替代對飼用玉米耗水特性的影響

2.3.1 有機(jī)肥替代對飼用玉米0~300 cm土層土壤剖面水分耗散的影響 有機(jī)肥替代對飼用玉米農(nóng)田0~300 cm土層土壤PWC影響比較明顯(圖3), 2017年玉米花前, 0~60 cm土層PWC顯著下降, F、FOF、OF分別降低了49.3、50.7和51.7 mm, 處理間無顯著性差異; 花后受雨季降水的補(bǔ)充, 0~100 cm土層土壤貯水量增加明顯, 分別增加了70.90、68.63和85.96 mm, 且0~60 cm各土層PWC均表現(xiàn)為OF>FOF>F, 處理間差異顯著(<0.05)。2018年玉米花前, 0~60 cm土層土壤PWC處理F和FOF較OF分別多12.1 mm和12.7 mm, 差異顯著(<0.05), 80~100 cm土層土壤PWC處理 FOF較F和OF分別多6.7 mm和6.4 mm, 差異顯著(<0.05), 120~240 cm各土層土壤PWC均表現(xiàn)為F>FOF>OF, 處理間差異顯著(<0.05), 而240 cm以下各土層土壤PWC均表現(xiàn)為OF>FOF>F; 花后0~60 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為FOF>F>OF, FOF較F和OF分別多3.7 mm和10.8 mm, 80~240 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為F>FOF>OF, F較FOF和OF分別多39.4 mm和72.2 mm,差異顯著(<0.05)。2019年花前0~100 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為FOF>F>OF, FOF較F和FOF分別多13.0 mm和16.9 mm, 差異顯著(<0.05),120~300cm土層土壤PWC表現(xiàn)為F>OF>FOF, F較OF和FOF分別多2.8 mm和0.6 mm; 花后0~60 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為FOF>F>OF, FOF較F和FOF分別多6.2 mm和8.7 mm, 差異顯著(<0.05), 80~100 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為FOF>F>OF, FOF較F和OF分別多7.9 mm和5.3 mm, 差異顯著(<0.05), 120~300 cm土層土壤PWC表現(xiàn)為F>FOF>OF, F較FOF和OF分別多22.2 mm和12.0 mm。

圖2 不同生育時(shí)期0~300cm土壤貯水量

每個(gè)生育期數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05; F: 單施化肥; FOF: 50%化肥+50%有機(jī)肥; OF: 全部有機(jī)肥。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05; F: all of fertilizer; FOF: 50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer; OF: all of organic fertilizer. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

2.3.2 有機(jī)肥替代對飼用玉米花前花后耗水的影響 從有機(jī)肥替代對土壤水分的消耗狀況可知(圖4), 2017年0~300 cm土壤總耗水量顯著低于2018年和2019年(<0.05), 花前土壤耗水量差異不明顯, 而花后土壤耗水量差異顯著(<0.05)。2017年花前0~300 cm土壤耗水量F較FOF和OF分別增加23.6 mm和24.0 mm, 提高13.0%和13.3%, 差異顯著(<0.05), 花后耗水量FOF較F和OF分別增加28.2 mm和31.7 mm, 提高20.7%和23.9%, 差異顯著(<0.05); 2018年花前0~300 cm土壤耗水量OF較F和FOF分別增加50.4 mm和32.1 mm, 提高31.6%和18.1%, 處理間均差異顯著(<0.05), 花后耗水量F較FOF和OF分別增加45.4 mm和66.9 mm, 提高21.9%和36.1%, 處理間均差異顯著(<0.05);2019年花前0~300 cm土壤耗水量FOF較F和OF分別增加15.8 mm和19.1 mm, 提高9.7%和11.9%, 差異顯著(<0.05), 花后耗水量F較FOF和OF分別增加20.6 mm和6.9 mm, 提高8.1%和2.6%, F和OF差異顯著(<0.05)。

2.3.3 有機(jī)肥替代對飼用玉米花前和花后耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度的影響 通過對飼用玉米0~300 cm土壤花前和花后耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度分析可知(表1), 在2017年干旱年花前耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度高, 而在2018年和2019年豐水年花后耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度高。2017年花前及花后耗水模系數(shù)F和OF均與FOF差異顯著(<0.05), 耗水強(qiáng)度花前F與OF和FOF差異顯著(<0.05), 花后FOF與F和OF差異顯著(<0.05); 2018年花前耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度均表現(xiàn)為OF>FOF>F, 花后為F>FOF>OF, 花前及花后耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度處理間均差異顯著(<0.05); 2019年花前耗水模系數(shù)和耗水強(qiáng)度均表現(xiàn)為FOF>F>OF, 花后為F>OF>FOF, 且FOF均與F和OF差異顯著(<0.05)。飼用玉米0~300 cm土層土壤耗水量指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表2), 飼用玉米生育期總耗水量與花后耗水量(0.96**)、花前耗水模系數(shù)(-0.90**)、花后耗水模系數(shù)(0.90**)和花后耗水強(qiáng)度(0.78**)呈極顯著相關(guān)性。

圖3 花前和花后0~300 cm各土層土壤剖面耗散量

處理同圖2。每個(gè)生育期數(shù)據(jù)點(diǎn)上的的誤差線代表LSD0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05.

2.4 有機(jī)肥替代對飼用玉米干物質(zhì)積累的影響

有機(jī)肥對飼用玉米單株干物質(zhì)積累量有顯著影響(表3), 2017年從拔節(jié)期開始FOF單株干物質(zhì)量均最大, 拔節(jié)期至成熟期FOF較F和OF單株干物質(zhì)量分別增加5.6%和2.7%、13.0%和16.6%、10.1%和10.2%、12.0%和7.9%、4.1%和2.7%, 且拔節(jié)期FOF與F、大喇叭口期至乳熟期FOF與F和OF均差異顯著(<0.05); 2018年拔節(jié)期至成熟期FOF較F和OF單株干物質(zhì)量分別增加11.1%和3.2%、15.7%和11.0%、8.7%和9.9%、5.5%和7.3%、5.9%和7.4%,大喇叭口期至成熟期FOF與F和OF均差異顯著(<0.05); 2019年拔節(jié)期至成熟期FOF較F和OF單株干物質(zhì)量分別增加12.2%和5.3%、14.1%和15.6%、9.9%和7.0%、14.2%和10.4%、10.4%和11.5%, 拔節(jié)期至成熟期FOF與F和OF均差異顯著(<0.05)。

圖4 花前和花后0~300 cm土層土壤耗水量

處理同圖2。每個(gè)生育期數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表1 花前和花后的耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度

處理同圖2。WCP: 耗水模系數(shù); DWC: 耗水強(qiáng)度。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. WCP: water consumption percentage; DWC: daily water consumption. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

ET: 耗水量; Pre-ET: 花前耗水量; Post-ET: 花后耗水量; Pre-WCP: 前耗水模系數(shù); Post-WCP:花后耗水模系數(shù); Post-DWC: 花前耗水強(qiáng)度; Post-DWC: 花后耗水強(qiáng)度。*,**表示在0.05和0.01水平差異顯著。

ET: evapotranspiration; Pre-ET: pre-flowering of evapotranspiration; Post-ET: post-flowering of evapotranspiration; Pre-WCP: pre-flowering of water consumption percentage; Post-WCP: post-flowering of water consumption percentage; Pre-DWC: pre-flowering of daily water consumption; Post-DWC: post-flowering of daily water consumption.*and**represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

處理同圖2。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

2.5 有機(jī)肥替代對飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量和水分利用效率的影響

不同有機(jī)肥替代量對飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量、耗水量及水分利用效率(WUE)有顯著影響(表4), FOF顯著增加了飼用玉米籽粒產(chǎn)量, 3年FOF較F和OF分別增加9.4%和12.0%、3.8%和11.6%、8.2%和10.1%, 2017年和2019年FOF與F和OF均差異顯著(<0.05), 2018年FOF與OF差異顯著(<0.05)。群體生物量與籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)基本一致, 3年生物量分別增加8.2%和3.1%、5.6%和6.9%、8.9%和15.5%, 且在3年均與F和OF差異顯著(<0.05)。2017年0~300 cm土層土壤耗水量FOF較F和OF增加1.4%和10.3% (<0.05), 2018年降低6.6% (<0.05)和2.7%, 2019年較F降低1.1%, 而較OF增加1.3%。籽粒WUE三年均較F和OF提高, 2017年提高7.9% (<0.05)和1.5%, 2018年和2019年分別提高11.1%和14.6%、9.4%和8.8%, 且差異均顯著(<0.05)。生物量WUE 2017年FOF較F提高6.7%, 而較OF降低6.5%, 差異顯著(<0.05), 2018年和2019年分別提高13.1%和9.8%、10.1%和14.0%, 且差異均顯著(<0.05)。對以上飼用玉米指標(biāo)的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表5), 飼用玉米籽粒產(chǎn)量與生物量(0.99**)、生育期總耗水量(0.93**)、籽粒WUE (0.99**),生物量WUE (0.91**)均呈極顯著正相關(guān)。

表4 飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量、耗水量及水分利用效率

處理同圖2。WUE: 水分利用效率。每個(gè)處理數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05。同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. WUE: water use efficiency. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表5 飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量、耗水量及水分利用效率之間的相關(guān)性

縮寫同表4。*,**表示在0.05和0.01水平顯著相關(guān)。

Abbreviations are the same as those given in Table 4.*and**represent significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

3 討論

3.1 立式深旋耕作方式下有機(jī)肥替代對飼用玉米農(nóng)田土壤耗水特性的影響

合理施用有機(jī)肥有利于改善耕層土壤水分狀況,是提高旱地作物水分利用的關(guān)鍵[23]。由于長時(shí)期單施化肥使土壤容重增加, 田間持水量降低, 導(dǎo)致土壤耕層易板結(jié), 不利于透氣滲水[24], 而施用有機(jī)肥可抑制土壤水分蒸發(fā), 增加降水入滲, 提高土壤貯水量[6], 尤其在黃土高原地區(qū), 長期施用有機(jī)肥是改良地力的最有效途徑[25]。研究表明, 增施有機(jī)肥能夠提高表層0~60 cm土壤含水量, 增加深層土壤貯水消耗[11], 降低花前耗水6.3%, 增加花后耗水29.7%[26], 總耗水量提高1.5%~5.1%, 顯著調(diào)節(jié)作物耗水過程, 起到“以肥調(diào)水”的作用[22]。本試驗(yàn)結(jié)果中, 在降雨量較少的干旱年份, 有機(jī)肥替代50%化肥和有機(jī)肥替代全部化肥提高了花期0~300 cm土層土壤貯水量11.9%和11.7%, 0~60 cm各土層土壤貯水增加量均表現(xiàn)為有機(jī)肥替代全部化肥>有機(jī)肥替代50%化肥>單施化肥?？梢? 半干旱區(qū)立式深旋耕方式下, 有機(jī)肥替代化肥改善了干旱年份土壤水分環(huán)境, 提高了干旱年份飼用玉米花前根層有效貯水, 使干旱期土壤水分對飼用玉米脅迫有顯著降低作用, 這和前人研究結(jié)果一致[6,22]。

本研究中, 在干旱年, 0~300 cm土層土壤總耗水量有機(jī)肥替代50%化肥較單施化肥和有機(jī)肥替代全部化肥增加1.4%和10.3%, 較單施化肥降低了花前耗水量13.0%, 較有機(jī)肥替代全部化肥增加0.3%, 分別增加花后耗水量20.7%和23.9%, 說明有機(jī)肥替代調(diào)控了土壤水分的消耗, 并且有機(jī)肥替代50%化肥顯著調(diào)控了干旱欠水年飼用玉米花前和花后耗水, 降低花前耗水, 增加了花后耗水?？梢? 在半干旱區(qū)干旱年份, 立式深旋耕方式下施用有機(jī)肥通過降低飼用玉米生長前期土壤水分的消耗, 為飼用玉米花后生長關(guān)鍵期貯存較多的土壤水分, 為產(chǎn)量的提高提供了有利的土壤水分條件。但是在豐水年2年結(jié)果略有不同, 2018年有機(jī)肥替代50%化肥和有機(jī)肥替代全部化肥顯著增加了花前耗水量, 同時(shí)顯著降低了花后耗水量, 2019年有機(jī)肥替代50%化肥較單施化肥和有機(jī)肥替代全部化肥顯著增加花前耗水量, 而花后耗水量較單施化肥顯著降低, 與有機(jī)肥替代全部化肥無顯著性差異, 和前人在馬鈴薯上的研究結(jié)果也不一致[22], 可能與不同年份降水分配、不同的作物耗水規(guī)律、耗水量及其降水量有關(guān)。本研究結(jié)果還表明, 有機(jī)肥替代還影響了不同降水年份耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度, 提高了飼用玉米干旱年花前和豐水年花后耗水模系數(shù)及耗水強(qiáng)度, 進(jìn)一步說明了有機(jī)肥替代調(diào)節(jié)了飼用玉米農(nóng)田耗水進(jìn)程, 能夠調(diào)控水分合理分配與利用, 使其有利于飼用玉米生長和水分的高效利用。綜上可知, 有機(jī)肥替代50%化肥增加了飼用玉米對土壤深層貯水的利用, 降低了土壤水分脅迫, 調(diào)節(jié)了飼用玉米耗水過程, 起到“以肥調(diào)水”的作用。

3.2 立式深旋耕作方式下有機(jī)肥替代對飼用玉米產(chǎn)量的影響

立式深旋耕技術(shù)能夠顯著改善耕層土壤結(jié)構(gòu)性狀[14-17], 有機(jī)肥施用能夠增強(qiáng)土壤蓄水性[22-24], 兩者均有利于作物產(chǎn)量和水分利用效率提高[18-21]。前人在小麥上的研究結(jié)果表明, 有機(jī)無機(jī)肥配施產(chǎn)量和水分利用效率表現(xiàn)最為突出[27], 較相同施肥量下的單施化肥增產(chǎn)6.8%[28], 較單施無機(jī)肥產(chǎn)量提升1.2%~12.7%[29], 說明在適宜耕作方式條件下, 合理的有機(jī)肥與無機(jī)肥配施, 既能提高作物產(chǎn)量, 還能提高WUE, 是實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效和資源可持續(xù)發(fā)展的有效施肥模式。本研究結(jié)果顯示, 3年0~300 cm土層土壤總耗水量有機(jī)肥替代50%化肥在干旱年高于單施化肥(但無顯著性差異), 在兩豐水年均低于單施化肥耗水量, 且與有機(jī)肥替代全部化肥無顯著性差異。但無論何種降水年份, 較單施化肥和有機(jī)肥替代全部化肥, 有機(jī)肥替代50%化肥都增加了飼用玉米單株干物質(zhì)的量, 成熟期3年分別增加4.1%和2.7%、5.9%和7.4%、10.4%和11.5%, 充分說明在本試驗(yàn)條件下, 有機(jī)肥替代50%化肥能夠促進(jìn)飼用玉米干物質(zhì)量積累, 有利于籽粒產(chǎn)量和生物量的提高, 而籽粒和生物量的結(jié)果也表明, 有機(jī)肥替代50%化肥顯著增加了飼用玉米籽粒產(chǎn)量, 3年籽粒產(chǎn)量分別增加9.4%和12.0%、3.8%和11.6%、8.2%和10.1%, 生物量分別增加8.2%和3.1%、5.6%和6.9%、8.9%和15.5%, 籽粒水分利用效率提高7.9%和1.5%、11.1%和14.6%、9.4%和8.8%, 由于耗水量的差異, 生物量水分利用效率在干旱年份較單施化肥提高6.7%, 而較有機(jī)肥替代全部化肥降低6.5%, 豐水年提高13.1%和9.8%、10.1%和14.0%。可見, 在立式深旋耕飼用玉米生育期耗水量并未顯著增加(豐水年降低)的條件下, 50%有機(jī)肥替代化肥模式增強(qiáng)了對土壤有限水分消耗的有效性, 利用較低的土壤水分消耗, 較單施化肥和有機(jī)肥替代全部化肥增加了飼用玉米單株干物質(zhì)量積累, 進(jìn)一步提高了生物量、籽粒產(chǎn)量和土壤水分利用效率。

4 結(jié)論

在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū), 立式深旋耕方式下有機(jī)肥替代50%化肥模式優(yōu)化了土壤的水分特性, 增加了土壤有效耗水, 提高了籽粒產(chǎn)量、生物量和WUE。研究認(rèn)為該模式增產(chǎn)增效的主要原因: 一是能夠增加干旱年份花期0~300 cm土層土壤貯水量, 還能夠顯著調(diào)節(jié)作物耗水過程, 尤其對花前和花后0~60 cm土層土壤貯水量消耗影響顯著, 較單施化肥模式總耗水量差異不顯著或者降低的情況下, 在干旱年降低花前耗水, 增加花后耗水, 在豐水年增加花前耗水量, 降低花后耗水量, 起到了“以肥調(diào)水, 以水促肥”的作用; 二是無論何種降水年份, 飼用玉米拔節(jié)后干物質(zhì)積累量具有明顯優(yōu)勢, 有利于籽粒產(chǎn)量和生物量的提高, 提高了籽粒水分利用效率?？梢? 該模式在黃土高原半干旱旱作農(nóng)業(yè)區(qū)能夠使飼用玉米增產(chǎn)增效, 具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[29] 于昕陽, 翟丙年, 金忠宇, 李永剛, 王穎, 張昊青, 王朝輝. 有機(jī)無機(jī)肥配施對旱地冬小麥產(chǎn)量、水肥利用效率及土壤肥力的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29: 320–324.Yu X Y, Zhai B N, Jin Z Y, Li Y G, Wang Y, Zhang H Q, Wang Z H. Effect of combined application of organic and inorganic fertilizers on winter wheat yield, water and fertilizer use efficiency and soil fertility in dryland., 2015, 29: 320–324 (in Chinese with English abstract).

Effects of substitution of organic fertilizer on water consumption and yields under vertical rotary subsoiling on arid area in forage maize

FANG Yan-Jie, ZHANG Xu-Cheng*, YU Xian-Feng, HOU Hui-Zhi, WANG Hong-Li, MA Yi-Fan, ZHANG Guo-Ping, and LEI Kang-Ning

Institute of Dry-Land Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High-Water Utilization on Dryland of Lanzhou, Lanzhou 730070, Gansu, China

To elucidate soil water consumption characteristics and provide scientific basis for forage maize, a reasonable fertilization model under vertical rotatory subsoiling was studied on semi-arid lands of Loess Plateau. Three patterns including traditional fertilization (F), 50% replacement of chemical fertilizers using organic fertilizers (FOF), and complete organic fertilization (OF) were designed in 2017 and 2019 in order to investigate their effects on crop evapotranspiartion (ETc), grain yields, and water use efficiency (WUE). The results showed that there was a significant relationship among soil water storage (SWS), ETc, precipitation, and distribution in 0–300 cm layers. During the dry year, compared to F, FOF and OF increased SWS in 0–300 cm at anthesis stage by 11.9% and 11.7%, respectively, significantly consuming SWS in 0–60 cm layers. ETc in 0–300 cm treated with FOF was increased by 1.4% and 10.3%, compared to OF and F, whereas ETc before anthesis was decreased by 13.0% compared to F, but increased by 0.3% compared to OF, while ETc after anthesis was increased by 20.7% and 23.9%. During the wet year of 2018, compared to F, FOF and OF increased ETc before anthesis by 13.5% and 31.6%, while decreased it by 21.9% and 36.1%. During 2019, FOF increased ETc before anthesis by 9.7% and 11.9%, compared to F and OF, while it decreased ETc after anthesis by 8.1% compared to F. Furthermore, each fertilization pattern had significant effects on SWS at each layer across 0–300 soil profile. Regardless of different precipitation years, ETc from 0–300 cm layers of FOF was higher than that of F, but the difference was not significant, and was lower than that of F during the wet years of 2018 and 2019, and it had no significant differences to OF. Compared to F and OF, FOF increased dry matter weight at harvest by 4.1%–10.4% and 2.7%–11.5%, improved grain yields by 3.8%–9.4% and 10.1%–12.0%, increased population biomass yields by 5.6%–8.9% and 3.1%–15.5%, and consequently improved WUE based grain yields by 7.9%–11.1% and 1.5%–14.6%, respectively. In conclusion, 50% substitute of chemical fertilizers by organic ones could optimize soil water characteristics, increase crop effective water consumption, boosts yields and WUE, and it can be an efficient fertilizer management model for the high-yield and high-efficiency of forage maize productions in semi-arid areas of Loess Plateau.

vertically rotary sub-soiling; substitution of organic fertilizer; yield; water use efficiency; forage maize

本研究由甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(18YF1WA092), 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新專項(xiàng)計(jì)劃(2019GAAS10)和國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD22B04)資助。

This study was supported by the Key Research and Development Program of Gansu Province (18YF1WA092), the Agricultural Science and Technology Innovation Program of GAAS(2019GAAS10), and the National Science and Technology Research Projects of China(2015BAD22B04).

張緒成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

E-mail: fangyj82@126.com

2020-05-09;

2020-08-19;

2020-08-28.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200828.1334.004.html

10.3724/SP.J.1006.2020.03026