張緒成,馬一凡,王紅麗,侯慧芝,于顯楓,方彥杰,湯瑛芳

1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所, 蘭州 730070 2 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070 3 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所, 蘭州 730070

玉米是西北黃土高原半干旱區(qū)的主栽作物之一,其中位于甘肅省中東部的黃土高原區(qū)旱作玉米播種面積接近5330 km2,對區(qū)域草食畜產(chǎn)業(yè)發(fā)展和糧食安全起著至關(guān)重要的支撐作用[1]。該區(qū)域玉米種植基本采用全膜雙壟溝播技術(shù),在全膜覆蓋條件下,該區(qū)域的玉米需水量接近500 mm[2- 4],而半干旱區(qū)的降水量在400—550 mm,一般全膜覆蓋的降水入滲率在75%左右[5],即有300—410 mm的自然降水入滲至土壤被作物利用,但這不能滿足玉米生長需要。因此,黃土高原旱作全膜雙壟溝播玉米處于水分總量不足的境地。雖然地膜覆蓋壟溝種植能夠有效地聚集降水和抑制土面蒸發(fā),實(shí)現(xiàn)旱作區(qū)自然降水的高效利用,顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[6- 8]。但是,受自然降水分配不均以及由此引起的作物發(fā)育受阻等因素影響,季節(jié)性干旱成為制約旱作區(qū)作物產(chǎn)量潛力發(fā)揮的主要限制因子之一[9]。

在雨養(yǎng)條件下,提高土壤有效水含量和作物吸水能力是抵御季節(jié)性干旱脅迫的有效途徑[9]。耕作措施改變土壤的物理性狀如孔隙度、緊實(shí)度、容重、田間持水量等[10- 11]；另外,疏松的土壤有利于作物根系發(fā)育,可有效促進(jìn)根系吸水[9,12- 14],這對增強(qiáng)作物抗旱性有積極作用。如深松耕可有效打破犁底層和降低土壤容重,提高土壤孔隙度和持水量[11],進(jìn)而改善土壤養(yǎng)分狀況和提高有機(jī)質(zhì)含量,連續(xù)7 年免耕/深松輪耕后較連續(xù)翻耕處理0—60 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了25.3%,活化了土壤養(yǎng)分,作物產(chǎn)量增加了9.8%[11]。在西北黃土高原半干旱區(qū),傳統(tǒng)旋耕仍為玉米生產(chǎn)中主要的耕作方式,其耕作深度小于20 cm[9]。長期的淺旋耕造成犁底層變淺,嚴(yán)重阻滯了水分養(yǎng)分運(yùn)移和作物根系下扎,這對抵御干旱脅迫造成了不利影響,使作物產(chǎn)量顯著下降[9- 11]。因此,改淺耕為深耕來打破犁底層,是優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu),提高作物抗寒能力和產(chǎn)量的主要方向。

立式深旋耕作技術(shù)(粉壟耕作)是首先應(yīng)用于山藥的一項(xiàng)耕作技術(shù),其特點(diǎn)是利用螺旋犁頭,將土壤粉碎但不改變土壤的垂直層次結(jié)構(gòu),結(jié)合了深松、旋耕和翻耕3 種耕作方法的優(yōu)點(diǎn)[9- 10,12- 15],耕作深度可達(dá)到40 cm以上,能夠顯著降低土壤容重和提高孔隙度,改善土壤通透性,提高土壤蓄水能力,達(dá)到抗旱增產(chǎn)的目的[9- 11]。目前該方法已在我國東北棕壤、華北壤質(zhì)黏潮土和西南地區(qū)的玉米、小麥、山藥、花生、大豆、水稻、甘蔗等作物上應(yīng)用,普遍能夠促進(jìn)作物根系發(fā)育,增產(chǎn)10%—30%[9- 10,12- 15]。但目前就立式深旋耕作對西北黃土高原半干旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米的產(chǎn)量形成和水分利用的影響尚缺乏系統(tǒng)研究。本研究設(shè)置了立式深旋、深松、旋耕和免耕4 種耕作處理,比較不同耕作方式對玉米階段耗水、干物質(zhì)積累、葉面積指數(shù)(LAI)、葉片SPAD值,以及產(chǎn)量、水分利用效率的影響,探討不同耕作技術(shù)對半干旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米生長發(fā)育和耗水特性的影響,為確定西北黃土高原旱作區(qū)玉米抗旱豐產(chǎn)的耕作技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

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)2016年屬嚴(yán)重欠水年,全年降水量289.3 mm,玉米生育期降水量為238.3 mm；2017年為平水年,全年降水量為420.1 mm,玉米生育期降水量為365.1 mm。但兩年均在玉米喇叭口期-吐絲期發(fā)生季節(jié)性干旱(圖1)。2016年溫度偏高,2017年則與多年平均溫度基本持平。降水分布不均和氣溫變異對玉米生長造成一定影響,導(dǎo)致年際間產(chǎn)量差別明顯。

圖1 2016—2017年試驗(yàn)區(qū)降水和平均氣溫變化Fig.1 Changes of precipitation and average air temperature in experimental area from 2016 to 2017

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用全膜雙壟溝播種植,帶寬110 cm,其中寬行70 cm,窄行40 cm,兩膜接縫留在大壟頂端。溝內(nèi)每隔50 cm打孔使降水能夠入滲。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(表1),以免耕(ZT)、傳統(tǒng)旋耕(TT)、深松耕(SS)和立式深旋耕作(VRT)4種耕作方式為處理,試驗(yàn)小區(qū)面積7 m×15 m=105 m2,每處理3次重復(fù)。玉米種植在溝內(nèi),播種深度5—8 cm,人工穴播器點(diǎn)播。供試品種為‘先玉335’,播種密度60000株/hm2,穴距30 cm?；始僋、 P2O5和 K2O 施用量分別為150、120、45 kg/hm2,全部作為基肥在耕作前均勻撒施于壟底后耕作；免耕處理用穴播器將肥料施入兩株玉米之間。2016年玉米于4月21日播種,10月10日收獲；2017年于4月20日播種,10月15日收獲。全生育期不灌溉,除拔草外不進(jìn)行其他管理。

表1 試驗(yàn)處理

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1土壤水分

玉米播期、苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期、灌漿中期和收獲期在玉米種植溝內(nèi)取0—300 cm土層土樣,每20 cm為一個(gè)層次,用烘干法測定土壤含水量,每處理3次重復(fù)。土壤貯水量計(jì)算公式:

SWS(mm)=WS×γ×d/100

式中,WS為土壤質(zhì)量含水量(g/kg)；γ為土壤容重(g/cm3)；d為土壤深度(cm)。

1.3.2階段耗水量(ETi) 計(jì)算公式:

ETi= SWSi-SWSi+1+P

式中,SWSi為某個(gè)生育時(shí)期初始時(shí)的土壤貯水量(mm)；SWSi+1為該生育時(shí)期結(jié)束時(shí)的土壤貯水量(mm)；P為生育期降水量(mm).

1.3.3SPAD和LAI

在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期、灌漿中期,在晴天9:30用SPAD- 502 PLUS(日本,柯尼卡美能達(dá))測定葉片SPAD值,選擇倒二葉為測定對象,每個(gè)葉片避開葉脈自上而下測定5次,每小區(qū)選擇10個(gè)葉片,平均值為小區(qū)SPAD值。同時(shí)用美國CID公司生產(chǎn)的CI- 110植物冠層數(shù)字圖像分析儀測定葉面積指數(shù)(LAI),每小區(qū)測定3個(gè)重復(fù),計(jì)算其平均值為小區(qū)LAI。

1.3.4生物量和產(chǎn)量

在玉米苗期、拔節(jié)期、抽雄期、吐絲期、灌漿中期和收獲期,每小區(qū)選取長勢均勻的10株,用烘干法測定地上生物量。在成熟期每小區(qū)選擇10行(5 m×5.5 m, 105穴)未經(jīng)采樣干擾的玉米植株收獲,測定籽粒產(chǎn)量。

1.3.5水分利用效率(WUE) 計(jì)算公式[6]:

WUE=Yd/ET

ET= SWSBF-SWSHA+P

式中,Yd為玉米單位面積籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；SWSBF為播種前土壤貯水量(mm)；SWSHA為收獲后土壤貯水量(mm)；P為玉米全生育期降水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行 ANOVA方差分析,并用LSD法進(jìn)行多重比較(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤剖面貯水量的影響

立式深旋耕作(VRT)顯著提高了2017年玉米播前0—40 cm土層的土壤貯水量,分別較SS、TT、ZT增加了7.7、8.6、6.6 mm,0—100 cm土層增加了18.2、22.8、20.2 mm,均達(dá)到顯著差異(圖2),表明VRT能提高土壤蓄存水分的能力。2016年收獲期,VRT、SS、TT、ZT在0—300 cm土層的土壤貯水量無顯著差異,但較播前分別降低了186.5、169.1、172.7 mm和161.0 mm；2017年收獲后較2016年播前分別下降了194.6、148.9、147.9 mm和121.8 mm,較2017年播前下降了101.1、66.8、69.2 mm和48.8 mm,VRT收獲后在0—300 cm土層的土壤貯水量較SS、TT、ZT顯著下降了45.6、46.6 mm和72.8 mm。主要耗散了0—80 cm和140—240 cm土層的貯水,而且干旱年(2016)對土壤水的耗散量明顯高于平水年(2017)；平水年VRT的耗散量顯著高于SS、TT、ZT,且SS和TT顯著高于ZT。

圖2 不同耕作方式0—300 cm土層剖面貯水量Fig.2 The soil water storage in different soil profile in 0—300 depths of different tillage methodsVRT:立式深旋耕作Vertically rotary sub-soiling;SS:深松耕作Sub-soiling;TT:傳統(tǒng)旋耕Traditional rotary tillage;ZT:免耕Zero tillage;BF- 2016:2016年播前Before sowing stage in 2016;HA:收獲期Harvesting stage；BF:播前Before sowing stage

2.2 不同耕作方式對玉米花前花后耗水量的影響

干旱年(2016)VRT顯著促進(jìn)花前耗水,且與SS和ZT達(dá)到顯著差異,分別增加了22.3%和34.0%,而花后耗水量在4種耕作方式之間無顯著差異(圖3)。平水年(2017)VRT花前耗水量與ZT之間差異顯著,但與SS和TT之間差異不顯著；VRT花后耗水量顯著高于其他3種耕作方式,增加了7.8%—14.6%,但SS、TT和ZT之間無顯著差異。表明VRT能夠促進(jìn)不同年份的花前花后耗水量,且這一促進(jìn)作用因降水年型而異。

圖3 不同耕作方式對玉米花前花后耗水量的影響 Fig.3 Effects of different tillage methods on evapotranspiration in pre- and post-flowering period of maize圖柱標(biāo)記不同字母標(biāo)志差異顯著,P<0.05

2.3 不同耕作方式對玉米干物質(zhì)積累的影響

在干旱年,四種耕作方式在苗期和拔節(jié)期的地上干物質(zhì)量無顯著差異,但VRT在吐絲期-成熟期的地上干物質(zhì)量顯著高于SS、TT和ZT,分別增加了14.7%—18.3%、12.7%—18.8%和22.8%—29.1%(圖4)。其中,吐絲期和灌漿期SS和TT顯著高于ZT,但成熟期三者無顯著差異。在平水年,拔節(jié)期-成熟期VRT的地上生物量顯著高于ZT,但和SS、TT之間差異不顯著,而且SS、TT和ZT之間同樣無顯著差異。以上結(jié)果表明,VRT在干旱年份能更顯著地增加玉米地上生物量。

圖4 不同耕作方式對玉米地上生物量的影響Fig.4 Effects of different tillage methods on above-ground biomass of maize

2.4 不同耕作方式對玉米葉面積指數(shù)和SPAD值的影響

VRT的LAI顯著高于ZT,干旱年份增加了15.1%—34.4%,平水年增加了16.7%—26.6%(圖5)；SS、TT和ZT之間的LAI在干旱年的抽雄期和成熟期無顯著差異,但在平水年,SS和TT的LAI在抽雄期和吐絲期顯著高于ZT,且在灌漿期TT較ZT增加了13.5%,達(dá)到顯著差異。玉米葉片SPAD在干旱年的苗期-抽雄期無顯著差異,但在吐絲期和灌漿期,VRT和ZT顯著高于SS和TT；而在平水年,吐絲期前四個(gè)處理的葉片SPAD無顯著差異,但在灌漿期VRT顯著高于ZT,增加了8.5%；ZT顯著高于SS和TT,分別增加了9.4%和12.1%。

圖5 不同耕作方式對玉米地上LAI和葉片SPAD值的影響Fig.5 Effects of different tillage methods on leaf area index and SPAD value of maize

2.5 不同耕作方式對玉米產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響

不同處理、年份及二者的交互作用對產(chǎn)量有顯著影響,但耗水量僅在處理間呈顯著差異,處理和年份對水分利用效率有顯著影響(表2)。干旱年VRT的玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于SS、TT和ZT,分別增加了13.0%、33.6%和47.4%,且SS、TT和ZT之間差異顯著；平水年則增加了12.0%、13.7%和24.0%,且SS和TT之間差異不顯著,但顯著高于ZT。表明VRT在干旱年份具有更為明顯的增產(chǎn)效果。兩年VRT、SS和TT之間的耗水量差異不顯著,但VRT顯著高于ZT,2016和2017年分別增加了10.8%和13.1%。VRT的水分利用效率(WUE) 在干旱年與SS無顯著差異,但顯著高于TT和ZT；VRT的WUE在平水年和SS、TT之間無顯著差異,但較ZT顯著提高了9.7%。

表2 不同耕作處理對玉米籽粒產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響

3 討論

優(yōu)化耕作方式可在提高土壤水肥供應(yīng)能力和促進(jìn)作物根系發(fā)育的基礎(chǔ)上,增強(qiáng)作物對干旱的適應(yīng)能力,是西北半干旱區(qū)在地膜覆蓋條件下進(jìn)一步提高作物生產(chǎn)力的主要方向之一[16- 18]。在黃土高原旱塬區(qū)的研究表明,免耕/深松輪耕處理可顯著提高小麥產(chǎn)量[19-22],在玉米上取得了相似的研究結(jié)果[23- 26]。這主要是由于優(yōu)化耕作方式可顯著提高土壤貯水量,并改善土壤物理結(jié)構(gòu)和提高銨態(tài)氮含量[27- 28]。立式深旋耕作利用高速旋轉(zhuǎn)的螺旋鉆頭橫向粉碎土壤,深度可達(dá)到40 cm以上,顯著降低土壤容重和提高孔隙度,使得田間持水量顯著增加[9- 10]。疏松的土壤不僅有利于水肥供應(yīng),而且為作物根系生長創(chuàng)造了良好的條件,增強(qiáng)作物抗旱性[28- 30],可顯著提高玉米、小麥、山藥、花生、大豆、水稻、甘蔗和馬鈴薯等作物產(chǎn)量[9- 10,12- 15]。本研究結(jié)果表明,VRT播期在 0—40 cm土層的土壤貯水量分比較SS、TT、ZT增加了7.7、8.6、6.6 mm,在0—100 cm土層增加了18.2、22.8、20.2 mm,這對克服西北黃土高原半干旱區(qū)春季干旱脅迫意義重大,其主要原因是VRT打破犁底層、降低了土壤容重,能夠較SS、TT等更有效地接納自然降水,提高土壤貯水量；并促進(jìn)平水年份的玉米花前花后耗水,較SS、TT、ZT增加了增加了7.8%—14.6%,這為抵御季節(jié)性干旱,提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率奠定基礎(chǔ)[30- 31]。

基于優(yōu)化的土壤水分環(huán)境,VRT可顯著提高玉米地上生物量,在吐絲期-成熟期,VRT的地上干物質(zhì)量分別較SS、TT和ZT增加了14.7%—18.3%、12.7%—18.8%和22.8%—29.1%,且在干旱年份具有更加顯著的效果,這與VRT促進(jìn)了玉米在干旱年份的花前耗水量、而在平水年顯著提高了花后耗水量有關(guān)。我們在馬鈴薯上的研究取得了相似的結(jié)果[9]。表明VRT通過優(yōu)化土壤水分環(huán)境,促進(jìn)了玉米的營養(yǎng)生長,發(fā)達(dá)的營養(yǎng)體對抵御干旱有積極意義[23,30],可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。另外,與ZT相比,VRT不僅顯著提高了玉米LAI,而且葉片SPAD明顯增加,這對截獲光能,促進(jìn)光合作用有重要作用；VRT的產(chǎn)量在干旱年較SS、TT和ZT分別增加了13.0%、33.6%和47.4%,平水年則增加了12.0%、13.7%和24.0%,這主要是VRT降低了土壤容重并提高土壤貯水量,促進(jìn)玉米根系生長,提高玉米葉片保護(hù)酶系活性和降低膜脂過氧化,進(jìn)而表現(xiàn)顯著的抗逆性[10]。另外,雖然VRT促進(jìn)玉米耗水,并與ZT達(dá)到顯著差異水平,導(dǎo)致收獲后土壤貯水量低于其他三種耕作方式,但由于提高了降水入滲效率,使2017年播前土壤貯水量在4種耕作方式間無顯著差異。表明立式深旋耕作不僅能促進(jìn)玉米耗水以增強(qiáng)抗旱性,而且促進(jìn)降水入滲,對土壤水分無明顯的不利影響。

4 結(jié)論

VRT顯著促進(jìn)干旱年的玉米花前耗水和平水年的花后耗水,提高地上生物量、LAI和SPAD,使得籽粒產(chǎn)量在干旱年份較SS、TT和ZT分別增加了13.0%、33.6%和47.4%,平水年則增加了12.0%、13.7%和24.0%,其增產(chǎn)效應(yīng)在干旱年份更為顯著；水分利用效率在干旱年顯著高于TT和ZT,分別增加了2.2、2.4 kg hm-2mm-1,在平水年顯著高于ZT,增加了1.7 kg hm-2mm-1。盡管VRT提高了玉米耗水量,但更能接納自然降水,2017年播前0—300 cm土層的土壤貯水量在4個(gè)處理間無顯著差異。因此,VRT不僅能夠顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率,而且對土壤水分平衡無明顯不利影響,是抗旱增產(chǎn)的耕作方式。