李 光,史麗娟,崔旭東,趙雪峰,白文斌

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高粱研究所,高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 晉中 030600; 2.晉中市榆次區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,山西 晉中 030600;3.晉中市榆次區(qū)氣象局,山西 晉中 030600)

高粱是我國(guó)釀造業(yè)的主要原料。隨著人們生活水平的提升,原糧需求量也逐漸增加[1-2]。原糧基地連年種植高粱以滿足需求,造成了嚴(yán)重的連作障礙,影響了土壤質(zhì)量,不利于產(chǎn)量的提升[3]。耕作、秸稈還田均是緩解作物連作障礙、改善土壤質(zhì)量的重要措施。不同耕作方式均能提高土壤有機(jī)碳和土壤水分含量,提高資源利用率,實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)提質(zhì)[4-8];保護(hù)性耕作(少耕、免耕、深松)可提高表層土壤大團(tuán)聚體含量,降低微團(tuán)聚體含量,提高團(tuán)聚體的水穩(wěn)性,改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤的固碳能力[7-12]。秸稈還田可顯著提高連作棉田土壤全氮和活性有機(jī)氮組分含量[9];玉米秸稈可有效改善花生連作土壤生物活性,緩解連作障礙,實(shí)現(xiàn)花生增產(chǎn)增收[11]。

與冬前免耕相比,綠肥壓青、冬前翻耕和地膜覆蓋都能夠改善連作花生0～30 cm耕層土壤的理化性質(zhì),降低土壤容重,增大土壤孔隙度和土壤含水量[13];黑龍江省黑土平原區(qū)秋旋耕起壟和秋深松旋耕起壟較春整地增加了連作大豆各生育時(shí)期干質(zhì)量、根瘤質(zhì)量和葉面積指數(shù),提高產(chǎn)量16%以上,尤其秋旋耕起壟更顯著[14]。冬閑耕作(覆膜、翻耕與壓青)可提高連作花生植株功能葉片光合色素含量、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率,降低胞間CO2濃度;同時(shí)提高葉片抗氧化性,延緩葉片衰老,進(jìn)而增加莢果產(chǎn)量[15]?？梢?jiàn),耕作能改善不同連作作物土壤碳、水分含量,從而影響作物產(chǎn)量。但是,不同時(shí)間耕作對(duì)連作高粱產(chǎn)量形成的影響及其土壤碳、水分變化機(jī)制尚不明確。

本研究基于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所東白試驗(yàn)基地高粱連作長(zhǎng)期定位試驗(yàn),研究耕作方式對(duì)連作高粱的土壤水分、有機(jī)碳及產(chǎn)量的影響,從而明確降低高粱連作障礙的適宜耕作方式和時(shí)間及其產(chǎn)量形成的土壤水、碳變化機(jī)制,以期為保證高粱原糧需求量和旱作農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2019—2020年連續(xù)2 a在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所東白試驗(yàn)基地進(jìn)行。該地屬于溫帶大陸性氣候,2015—2018年連續(xù)種植高粱,5月種植,10月收獲,10月中下旬至第2年4月休閑,秋季實(shí)施深耕,一年一作,無(wú)灌溉條件。于2018年10月25日測(cè)定0～20 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力,有機(jī)質(zhì)9.23 g/kg、全氮0.81 g/kg、堿解氮37.21 mg/kg、速效磷18.12 mg/kg。2個(gè)年度的降水量如圖1所示,2018—2019年休閑期降水量57.8 mm,主要集中在播前的4月份(49.6 mm),生育期降水量達(dá)264.6 mm,5月僅0.1 mm,6—10月每個(gè)月降水量約42～73 mm;2019—2020年休閑期降水量50.6 mm,每個(gè)月降水均較少(1.5～13.8 mm),生育期降水量達(dá)411.6 mm,主要集中于7,8月份,分別達(dá)80.7,232.4 mm。

圖1 東白試驗(yàn)基地降水量Fig.1 Precipitation of sorghum research institute of Shanxi Agricultural University in Dongbai

1.2 試驗(yàn)材料

供試高粱品種為晉雜22號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)置傳統(tǒng)耕作(CK)、免耕(NT)、秋旋耕(AT)、秋深松(ASS)、秋深耕+旋耕(ADT+T)、春深耕+旋耕(SDT+T)6個(gè)耕作方式,小區(qū)面積為200 m2(10 m×20 m),重復(fù)3次,各處理的具體方法如表1所示。分別于2019年5月3日、2020年5月5日播種高粱,播前施復(fù)合肥(N∶P∶K為20∶20∶5)750 kg/hm2,旋耕(深度15 cm);種植密度為12萬(wàn)株/hm2,行距50 cm,株距為15～17 cm(平均為16 cm);分別于2019年10月10日、2020年10月11日收獲。

表1 土壤耕作方式Tab.1 Tillage method of soil

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤有機(jī)碳及其組分 于高粱播前、成熟期取0～20 cm土壤樣品,陰干后過(guò)篩,分別測(cè)定有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳的含量[16-20]。

1.4.2 土壤蓄水量 于高粱播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期,在每個(gè)小區(qū)中取1 m(每20 cm一層)土樣,采用烘干法,105 ℃烘干至恒質(zhì)量,測(cè)定土壤含水量。同時(shí)在小區(qū)內(nèi)挖100 cm深剖面(20 cm一層)取樣,采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重[21]。

1.4.3 產(chǎn)量 于成熟期每個(gè)小區(qū)測(cè)定1 m2的高粱,脫粒,稱質(zhì)量,測(cè)定含水量,并按照國(guó)家糧食儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)(含水量12.5%)換算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù),采用SAS 9.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性(顯著性水平設(shè)定為α=0.05)。

SWSi=Wi×Di×Hi×10/100

①

式中,SWSi表示第i層土壤蓄水量(mm);Wi表示第i層土壤含水量(%);Di表示第i層土壤容重(g/cm3);Hi表示第i層土層厚度(cm)。

ET=ΔS+P+U

②

式中,ET表示生育期土壤總耗水量(mm);ΔS表示階段初期和階段末期的土壤蓄水量之差(mm);P表示生育階段降水量(mm);U表示地下水補(bǔ)給量(mm)。本試驗(yàn)地下水埋深在5 m以下,故U值可忽略不計(jì)。

WUE=Y/ET

③

式中,WUE表示水分利用效率(kg/(hm2·mm)),Y表示產(chǎn)量(kg/hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)連作高粱0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)碳及其組分含量的影響

2.1.1 對(duì)0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 從表2可以看出,隨生育進(jìn)程的推移,連作高粱的0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加。2019年,耕作和免耕較傳統(tǒng)耕作(CK),均可顯著增加苗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期0～20 cm有機(jī)質(zhì)含量。與免耕相比,休閑期耕作均可增加高粱各生育時(shí)期0～20 cm有機(jī)質(zhì)含量,尤其秋深耕,且苗期、拔節(jié)期秋深耕與除秋深松外的其他處理間差異顯著,抽穗期秋深耕與其他處理差異顯著(P<0.05)。2020年,與傳統(tǒng)耕作相比,耕作和免耕均可增加高粱各生育時(shí)期0～20 cm有機(jī)質(zhì)含量,且初期和苗期耕作和免耕作均與傳統(tǒng)耕作處理間差異顯著,拔節(jié)期、抽穗期和成熟期除免耕、春深耕外的處理均與傳統(tǒng)耕作處理間差異顯著(P<0.05)。與免耕相比,休閑期耕作均可增加各生育時(shí)期0～20 cm有機(jī)質(zhì)含量,尤其秋深耕,且與其他處理間差異顯著(P<0.05)?？梢?jiàn),休閑期秋季采用深耕,更利于增加連作高粱土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量。

表2 耕作方式對(duì)連作高粱各生育時(shí)期0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Tab.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years g/kg

2.1.2 對(duì)0～20 cm土壤有機(jī)碳及其組分含量的影響 由圖2可知,與播前相比,2 a成熟期連作高粱0～20 cm土壤有機(jī)碳及其組分含量基本均增加,其中,2019年,顆粒有機(jī)碳含量達(dá)1.42～2.69 g/kg,增加115.15%～313.85%;輕組有機(jī)碳含量達(dá)0.81～1.88 g/kg,增加47.62%～118.60%(除免耕和秋旋耕外);重組有機(jī)碳含量達(dá)4.63～ 6.96 g/kg,增加0.65%～51.97%;易氧化有機(jī)碳含量達(dá)0.81～1.30 g/kg,增加10.67%～91.18%;水溶性有機(jī)碳含量達(dá)21.25～37.93 mg/kg,除秋旋耕外增加0.5%～73.43%,均以秋深耕最高,且顆粒有機(jī)碳含量與除秋深松外處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05),其他有機(jī)碳組分含量秋深耕與其他處理間均達(dá)顯著水平(P<0.05)。2020年,顆粒有機(jī)碳含量達(dá)1.95～3.18 g/kg,增加11.19%～82.07%(除秋深松外);輕組有機(jī)碳含量達(dá)1.55～2.63 g/kg,增加23.47%～105.62%;重組有機(jī)碳含量達(dá)6.35～8.85 g/kg,增加7.07%～36.77%;易氧化有機(jī)碳含量達(dá)0.96～1.85 g/kg,增加14.29%～90.59%;水溶性有機(jī)碳含量達(dá)32.15～40.35 mg/kg,增加47.95%～84.50%,以秋深耕顯著最高(P<0.05)?？梢?jiàn),休閑期采用秋深耕可增加連作高粱的有機(jī)碳組分含量,有利于土壤固碳。

不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖3同。Different small letters indicated significant differences at 0.05 level.The same as Fig.3.圖2 耕作方式對(duì)連作高粱0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)碳及其組分含量的影響Fig.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years

2.2 耕作方式對(duì)連作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影響

從表3可以看出,隨著生育進(jìn)程的推移,連作高粱0～100 cm土壤蓄水量2019年逐漸降低,2020年先降后升,升高的主要原因可能是由于本年度生長(zhǎng)中后期降水較多。連作高粱0～100 cm播前土壤蓄水量2019年遠(yuǎn)高于2020年,由于2019年休閑期的降水集中于播前的4月份(49.6 mm),2020年分布在每個(gè)月。休閑期耕作較免耕可增加播前0～100 cm土壤蓄水量,2019年達(dá)18.04～45.95 mm,2020年達(dá)0.72～46.52 mm,尤其秋深耕增加明顯。

表3 耕作方式對(duì)連作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影響Tab.3 Effects of tillage on the soil water storage in 0—100 cm depth for continuous cropping sorghum mm

與傳統(tǒng)耕作(CK)相比,免耕顯著增加連作高粱苗期和拔節(jié)期0～100 cm土壤蓄水量(P<0.05),2019年分別增加28.19,22.94 mm,2020年分別增加38.51,16.65 mm;休閑期耕作可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加50.83～80.62 mm,71.17～102.76 mm,0.48～13.61 mm,0.07～12.47 mm,2020年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加51.34～85.08 mm,9.39～59.64 mm,5.58～29.56 mm,7.27～39.87 mm。

與免耕相比,休閑期耕作均可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加22.64～52.43 mm,48.23～79.82 mm,3.92～17.05 mm,10.94～23.34 mm,2020年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加12.83～46.57 mm,13.24～42.99 mm(除春深耕外),5.06～29.04 mm,7.48～40.08 mm,尤其秋深耕,且2019年苗期、拔節(jié)期秋深耕與除秋深松和春深耕外、抽穗期秋深耕與除秋旋耕和秋深松外、成熟期秋深耕與除秋深松外處理間差異顯著(P<0.05),2020年苗期秋深耕與除秋旋耕和秋深松外、抽穗前秋深耕與除春深耕外、拔節(jié)期、成熟期處理間差異顯著(P<0.05)。可見(jiàn),休閑期采用秋深耕,更有利于蓄積自然降水,增加播前土壤蓄水量,且延續(xù)應(yīng)用至拔節(jié)期,中后期降水多時(shí)仍有效果。

2.3 耕作方式對(duì)連作高粱產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由圖3可知,高粱產(chǎn)量表現(xiàn)為2019年高于2020年,這與2019年底墑?shì)^好有一定關(guān)系,雖然2020年中后期降水較多,但沒(méi)有彌補(bǔ)底墑少帶來(lái)的產(chǎn)量損失。與傳統(tǒng)耕作(CK)相比,免耕和休閑期耕作均可增加2019年總耗水量10.12 ～16.63 mm、產(chǎn)量4.75%～18.54%,2020年總耗水量2.42～13.50 mm(除免耕外)、產(chǎn)量5.53%～23.67%,且產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)。與免耕相比,休閑期耕作均可增加2019年總耗水量1.86～7.24 mm、產(chǎn)量2.61%～14.47%,2020年總耗水量1.32～11.36 mm(除春深耕外)、產(chǎn)量4.46%～19.20%,尤其秋深耕,除2019年秋深松處理外,產(chǎn)量與其他處理間差異均顯著(P<0.05)。生育期水分利用效率較全年水分利用效率略高,2019年達(dá)19.09 ～21.05 kg/(hm2·mm),2020年達(dá)22.17 ～29.19 kg/(hm2·mm)。生育期水分利用效率2019年以秋深耕最高,免耕最低,且秋深耕與秋旋耕處理間差異顯著(P<0.05),2020年以秋深耕顯著最高(P<0.05),以秋旋耕顯著最低(P<0.05)?？梢?jiàn),休閑期采用秋深耕有利于增加耗水,提高水分利用效率,從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

圖3 耕作方式對(duì)連作高粱產(chǎn)量和水分利用效率的影響Fig.3 Effects of tillage on soil water consumption,yield and water use efficiency for continuous cropping sorghum

2.4 蓄水量、耗水量和有機(jī)質(zhì)與連作高粱產(chǎn)量的相關(guān)性分析

2019年(底墑?shì)^高,生育期降水少),連作高粱產(chǎn)量與播前、苗期和拔節(jié)期土壤蓄水量極顯著正相關(guān)(P<0.05),與成熟期蓄水量、生育期耗水量顯著正相關(guān)(P<0.01);2020年(底墑?shì)^低,生育中后期降水較多)連作高粱產(chǎn)量與拔節(jié)期、抽穗期和成熟期土壤蓄水量呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)。2 a連作高粱產(chǎn)量與播前有機(jī)質(zhì)含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)(表4)?？梢?jiàn),連作高粱產(chǎn)量與播前底墑、生育期土壤水分和有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān),底墑?shì)^好時(shí),與前期土壤水分關(guān)系更密切;中后期降水多時(shí),與中后期土壤水分關(guān)系更密切。

表4 各生育時(shí)期土壤蓄水量、耗水量和播前有機(jī)質(zhì)含量與連作高粱產(chǎn)量的關(guān)系Tab.4 Relationship of soil water storage,consumption,organic matter and yield of continuous cropping sorghum

3 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)質(zhì)是指各種形態(tài)存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì),是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源之一,能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,改善土壤的物理性質(zhì),促進(jìn)微生物和土壤生物的活動(dòng),促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的分解,提高土壤的保肥性和緩沖性[22]。連作不利于棉田土壤有機(jī)質(zhì)的保持,但短期連作對(duì)土壤有機(jī)碳的積累起正向作用,連作5 a后土壤有機(jī)碳含量逐漸降低[23];黨參連作過(guò)度消耗了土壤養(yǎng)分,降低了土壤中有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分的含量,打破了土壤養(yǎng)分間的平衡[24];土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量整體表現(xiàn)為連作12,20,35 a棉田高于連作2,5 a棉田和荒草地,土壤有機(jī)碳在20 a棉田達(dá)峰值,為7.06 g/kg[25]。土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高,其中的有機(jī)膠體就會(huì)越多,使土壤的吸附作用和保持水分的能力增強(qiáng)。因此,土壤有機(jī)質(zhì)不僅是固碳效益的關(guān)鍵指標(biāo),而且可用來(lái)衡量土壤水分保持及其有效性[26-27]。

有研究結(jié)果表明,與冬前免耕相比,冬前翻耕可降低連作花生0～30 cm土壤容重,增加土壤孔隙度和含水量[13];播前超常深翻(60 cm)可有效降低連作滴灌棉田耕層土壤容重,提高0～20 cm表層土壤含水率[28]。本研究結(jié)果顯示,休閑期耕作可增加連作4 a高粱各生育時(shí)期0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量,增加顆粒有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳、重組有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳等有機(jī)碳組分含量,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯。這與前人在其他連作作物的研究結(jié)果一致。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),休閑期耕作增加了連作高粱播前0～100 cm土壤蓄水量0.72～46.52 mm,2019年底墑高于2020年,主要由于2019年休閑期降水主要集中在播前的4月份;增加了各生育時(shí)期0～100 cm土壤蓄水量,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯,2019年苗期、拔節(jié)期與除秋深松和春深耕外、抽穗期與除秋旋耕和秋深松外、成熟期與除秋深松外處理間差異顯著,2020年苗期與除秋旋耕和秋深松外、抽穗前與除春深耕外、拔節(jié)期、成熟期處理間差異顯著。說(shuō)明,連作高粱休閑期秋深耕增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善了播前底墑,且可延續(xù)應(yīng)用至拔節(jié)期,中后期降水多(2020年)依然有效果。這主要是由于耕作可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)[29],增加土壤有機(jī)碳及其儲(chǔ)量[30],提高土壤蓄水保墑能力[31]。

連作因影響作物根系土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分平衡等導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低,而深耕、深松等耕作由于增加了土壤有機(jī)質(zhì)、土壤水分提升了連作作物產(chǎn)量[32-34]。黑龍江省黑土平原區(qū)秋整地有利于增加連作大豆出苗率、干質(zhì)量和產(chǎn)量[14];冬閑翻耕可提高連作花生植株功能葉片光合色素含量、延緩葉片衰老,進(jìn)而增加莢果產(chǎn)量[15]。本研究結(jié)果表明,休閑期耕作較免耕均可增加生育期總耗水量,增加產(chǎn)量2.61%～19.20%,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯。生育期水分利用效率也均以秋深耕耕作方式最高,主要由于連作高粱在休閑期秋深耕將蓄保的水分延續(xù)應(yīng)用至生育期,提高水分利用效率,從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn),連作高粱產(chǎn)量以2019年高于2020年,2019年產(chǎn)量與拔節(jié)前土壤水分、2020年產(chǎn)量與中后期土壤水分關(guān)系更密切,由于2019年底墑高于2020年,2020年中后期降水并沒(méi)有彌補(bǔ)底墑少帶來(lái)的產(chǎn)量損失,說(shuō)明底墑對(duì)產(chǎn)量形成起決定性作用。

總之,連作高粱產(chǎn)量受播前底墑、生育期土壤水分、有機(jī)質(zhì)含量顯著影響,底墑?shì)^高時(shí)產(chǎn)量高,底墑?shì)^低時(shí)產(chǎn)量低。休閑秋季采用深耕利于增加連作高粱0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳組分含量,改善播前底墑,并延續(xù)應(yīng)用至拔節(jié)期,中后期降水增加仍有效果,從而通過(guò)蓄水保墑固碳實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。