蘇向向,于愛忠,呂漢強,王玉瓏,王鵬飛,柴 健

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室,甘肅農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,蘭州 730070)

玉米(Zeamays)作為世界上主要的糧經(jīng)飼兼用作物,提高玉米產(chǎn)量是玉米生產(chǎn)的永恒目標[1],而挖掘玉米產(chǎn)量潛力提高的栽培技術對于進一步提高玉米單產(chǎn)水平具有重要理論價值[2]。研究證實,玉米產(chǎn)量高低受灌溉制度[3]、施肥制度[4]、耕作方式[5]、覆蓋措施[6]、種植密度[7]等諸多農(nóng)藝措施的影響;其中,耕作措施與秸稈還田方式通過改變土壤理化性質(zhì),調(diào)節(jié)耕層土壤水、肥、氣、熱等生態(tài)因子進而影響作物產(chǎn)量[8-10]。因此,通過優(yōu)化耕作措施與秸稈還田方式調(diào)控農(nóng)田土壤水熱特性,是實現(xiàn)玉米高產(chǎn)及農(nóng)田水熱資源高效利用的重要途徑。研究表明,長期傳統(tǒng)耕作導致休閑期土壤水分蒸發(fā)損失嚴重、耕層變淺、犁底層變硬、土壤保墑蓄水能力降低,從而限制了作物增產(chǎn)和水分利用效率的提高[11-12]。以免耕和秸稈還田為代表的保護性耕作技術較傳統(tǒng)耕作的作物產(chǎn)量增加了12.51%[13]。其增產(chǎn)主要機制是通過減少耕作次數(shù)、地表覆蓋秸稈或殘茬、改良耕層土壤結(jié)構,有效抑制土壤水分蒸發(fā),增強土壤滲水保水能力進而提高了作物籽粒產(chǎn)量與水分利用效率[10,14]。另外,保護性耕作增產(chǎn)還可歸因于調(diào)節(jié)土壤溫度,改善土壤微生態(tài)環(huán)境,提高土壤肥力等方面[15-17]。但也存在長期免耕導致土壤緊實,抑制作物根系下伸吸收利用養(yǎng)分而導致作物產(chǎn)量降低[18],秸稈還田影響作物出苗質(zhì)量[19-20]等缺點。梳理相關研究結(jié)果不難發(fā)現(xiàn),耕作措施與秸稈還田對玉米生育期農(nóng)田土壤水熱變化特征的影響及其互作效應探討不足,在一定程度上限制了通過優(yōu)化耕作措施及秸稈還田方式對玉米增產(chǎn)潛力的進一步挖掘。甘肅河西綠洲灌區(qū)資源性缺水問題嚴重,春秋季熱量有限,小麥玉米輪作是該地區(qū)典型的種植模式,長期推行的傳統(tǒng)翻耕地膜覆蓋導致土壤健康狀況受損、產(chǎn)量停滯不前等問題。為此,本研究基于區(qū)域田間定位試驗,研究了不同耕作措施與小麥秸稈還田方式對玉米農(nóng)田土壤水、熱動態(tài)變化特征及其利用效率的影響,以期為河西綠洲灌區(qū)玉米高產(chǎn)種植技術優(yōu)化提供理論 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站(37°30′N,103°5′E)進行。該站位于河西走廊東端,屬溫帶干旱區(qū)大陸性氣候,海拔1 776 m,多年平均太陽輻射5.67 kJ ·m-2,全年無霜期約155 d,日照時數(shù) 2 945 h,年平均氣溫7.2 ℃,≥ 0 ℃和≥ 10 ℃ 的積溫分別3 513.4 ℃和2 985.4 ℃;多年平均降水量156 mm,且降雨主要集中于7-9月,年蒸發(fā)量超過2 400 mm,是典型兩季不足,一季有余的內(nèi)陸干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗地質(zhì)地為砂壤土,類型為厚層灌漠土,土壤體積質(zhì)量為1.34 g·cm-3,0～30 cm土層全氮0.7 g·kg-1、速效磷1.4 g·kg-1、有機碳14.3 g·kg-1。2016年玉米全生育期內(nèi)降水140.9 mm,主要集中在5、6、7、8月份。2018年玉米全生育期降水236.7 mm,主要集中在4、7、8、9月份,玉米生育期內(nèi)降水分布及氣溫狀況見圖1。

圖1 2016年與2018年玉米生長期內(nèi)試驗區(qū)日平均氣溫及日降雨量Fig.1 Mean daily temperature and precipitation at experiment station during maize growth in 2016 and 2018

1.2 試驗設計

田間試驗始于2013年,試驗設耕作方式與秸稈還田2個因素,采取2因素完全隨機區(qū)組設計。其中耕作方式設免耕和傳統(tǒng)翻耕2種方式,秸稈還田設秸稈還田和秸稈不還田2種方式,共4個處理(表1),各處理3次重復,總計12個小區(qū),小區(qū)面積48 m2(6 m×8 m)。2015、2017年種植春小麥,春小麥收獲后,為次年輪作玉米進行耕作和秸稈還田處理。2016年與2018年度進行后茬玉米相關指標的測定。玉米品種為‘先玉335’。玉米播種密度為82 500株/hm2。2016年4月25日播種,9月28日收獲;2018年4月25日播種,9月23日收獲。所有處理采用統(tǒng)一施肥灌溉制度。施肥制度即施純N 360 kg·hm-2,按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施,施純P2O5180kg·hm-2,全作基肥,氮肥為尿素,磷肥為磷酸二銨。灌溉制度即玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿初期和灌漿中期分別補灌90、75、90、75和75 mm。

表1 試驗設計Table 1 Experimental design

1.3 測定指標和方法

1.3.1 產(chǎn)量 玉米收獲時以小區(qū)為單位,單獨收獲計產(chǎn),并隨機取樣20株進行考種。

1.3.2 土壤水分 0～30 cm土層采用烘干法測定,每10 cm為一層;30～120 cm土層采用水分中子儀(NMM503DR,CA,USA)測定,按30 cm為一層,測定土壤含水量(%)。玉米播種前和收獲后各測定一次,生育期內(nèi)每15 d測定1次,灌水前后分別加測1次。

(1)

階段耗水量:ETi=P+I+SWSt2-SWSt1

(2)

全生育期耗水量:ET=P+I+SWS0-SWSh

(3)

水分利用效率:WEU=Y/ET

(4)

式(1)中,SWS為土壤貯水量(mm),h為土層厚度(cm),a為土壤體積質(zhì)量(g·cm-3),θ為土壤質(zhì)量含水量(%),i為土壤層次,10為單位換算系數(shù)。式(2)中,ETi為作物階段耗水量(mm),P為t1至t2時間段降雨量(mm),I為t1至t2時間段灌水量(mm),SWSt1為t1時期土壤貯水量(mm),SWSt2為t2時期土壤貯水量(mm)。式(3)中,ET為作物全生育期耗水量(mm),P為作物生育期內(nèi)降雨量(mm),I為生育期內(nèi)灌水量(mm),SWSo為播種期土壤貯水量(mm),SWSh為收獲期土壤貯水量(mm)。由于本試驗區(qū)地下水位極深不存在向上的水分流量,在節(jié)水灌溉和小區(qū)防側(cè)滲控制條件下,水分滲漏量和徑流量可以忽略不計。式(4)中,WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1),Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2),ET為玉米全生育期耗水量(mm)。

1.3.3 土壤溫度 采用曲管地溫計測定0～25 cm土壤溫度,每5 cm為一層,根據(jù)玉米生育時期,每隔15 d連續(xù)測3 d土壤溫度,測定1 d內(nèi) 8:00、14:00和18:00,連續(xù)測3 d。

土壤有效積溫:AT=∑(Tmean-Tbase)

(5)

土壤積溫生產(chǎn)效率:TUE=Y/AT

(6)

式(5)中,AT為土壤有效積溫(℃),Tmean為日平均土壤溫度,Tbase為玉米基礎有效溫度,其值為10 ℃。當Tmean

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0 進行顯著性、雙因素方差分析,檢驗耕作方式、秸稈還田效應及兩者的互作效應。本研究不將年度作為因素考慮,通過雙因素分析得到免耕(NT和 NTS)和耕作(TP和TSP)處理去除了秸稈利用方式對耕作方式的影響;秸稈還田(TSP和NTS)和秸稈不還田 (TP和NT)去除了耕作方式對秸稈利用方式的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 不同耕作方式與秸稈還田下土壤水分效應

2.1.1 玉米不同生育階段土壤貯水量的動態(tài) 秸稈還田方式對玉米不同生育階段土壤貯水量影響顯著,耕作方式對玉米生長前期(播種至拔節(jié)期)土壤貯水量影響顯著,對玉米生長中后期(大喇叭口之至成熟期)土壤貯水量無顯著影響,但二者對玉米生育前期(播種至大喇叭口期)土壤貯水量互作效應顯著(表2)。從不同秸稈還田方式看,秸稈還田處理下玉米不同生育階段貯水量較秸稈不還田高5.0%～9.8%(P<0.05)。從不同耕作方式看,免耕玉米生長前期(播種至拔節(jié)期)土壤貯水量比傳統(tǒng)翻耕高3.8%～4.2% (P<0.05)。從耕作方式與秸稈還田組合來看,免耕秸稈還田播種期土壤貯水量高于其他處理 (P<0.05)。拔節(jié)與大喇叭口期時,免耕秸稈還田與傳統(tǒng)翻耕秸稈還田差異不顯著。說明前茬小麥秸稈還田有利于后茬玉米不同生育階段土壤水分貯存,免耕有利于玉米播種至拔節(jié)期土壤貯水量增加,同時不同耕作方式結(jié)合秸稈還田有助于增強玉米拔節(jié)至大喇叭口期農(nóng)田土壤貯水效果。

表2 不同耕作方式與秸稈還田下玉米各生育階段農(nóng)田0～120 cm土層平均土壤貯水量動態(tài)Table 2 Dynamics of average soil water storage capacity in 0-120 cm soil layer of maize field at each growth stage under different tillage methods and straw returning to field mm

2.1.2 玉米不同生育階段耗水量變化 耕作方式對玉米播種至吐絲期耗水量影響顯著,秸稈還田及二者互作效應對玉米各生育階段耗水量影響顯著(表3)。免耕處理玉米播種至拔節(jié)期耗水量比傳統(tǒng)翻耕提高29.4 mm(P<0.05),在玉米拔節(jié)至吐絲期,免耕的耗水量較傳統(tǒng)翻耕降低 8.0～10.3 mm(P<0.05);秸稈還田處理下,玉米播種至拔節(jié)期耗水量較秸稈不還田增加18.4 mm(P<0.05),在玉米拔節(jié)至成熟期,秸稈還田較秸稈不還田顯著降低耗水量10.4～14.4 mm (P<0.05);這說明,耕作方式與秸稈還田對玉米不同生育階段的耗水量影響顯著,但不同生育階段表現(xiàn)并不一致。傳統(tǒng)翻耕秸稈還田處理較免耕秸稈還田降低播種至拔節(jié)期耗水量37.7 mm (P<0.05),在玉米需水量較大的拔節(jié)至吐絲期,秸稈還田條件下傳統(tǒng)翻耕耗水量比免耕高 14.5～16.0 mm(P<0.05),而傳統(tǒng)翻耕或免耕結(jié)合秸稈還田均有利于降低玉米吐絲至成熟期耗水量。說明傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田能有效協(xié)調(diào)玉米前后生育時期的耗水關系,提高玉米水分利用的有效性。

表3 不同耕作方式與秸稈還田下玉米各生育階段耗水量Table 3 Water consumption amount at each growth stage of maize under different tillage methods and straw returning to field mm

2.2 不同耕作方式與秸稈還田下土壤熱效應

2.2.1 玉米不同生育期溫度動態(tài)變化的規(guī)律 耕作方式對玉米不同生育期農(nóng)田土壤溫度影響顯著,秸稈還田方式對玉米播種至拔節(jié)期及抽雄吐絲期存在顯著影響,且二者互作效應對玉米灌漿期前土壤溫度影響顯著(表4)。從不同耕作方式看,傳統(tǒng)翻耕下玉米各生育期土壤溫度較免耕提高0.6～2.6 ℃(P<0.05)。從不同秸稈還田方式看,播種至拔節(jié)期及抽雄吐絲期,秸稈還田土壤溫度較秸稈不還田降低0.6～0.8 ℃(P<0.05)。從耕作方式與秸稈還田組合來看,傳統(tǒng)翻耕條件下秸稈還田方式對玉米灌漿期前0～25 cm土層平均溫度影響不顯著,而免耕秸稈還田下玉米播種至灌漿期土壤溫度低于其他處理1.6～3.8 ℃(P<0.05)。以上結(jié)果說明,相比免耕,傳統(tǒng)翻耕增加了玉米不同生育階段農(nóng)田土壤溫度,而秸稈還田方式結(jié)合免耕不利于土壤溫度升高。

表4 不同耕作方式與秸稈還田下玉米各生育期農(nóng)田0～25 cm土層平均土壤溫度動態(tài)Table 4 Dynamics of average soil temperature in the 0-25 cm soil layer of maize filed at different growth periods under different tillage methods and straw returning to field ℃

2.2.2 玉米不同生育階段的土壤有效積溫變化 耕作方式與秸稈還田對玉米不同生育階段土壤有效積溫(AT)存在顯著影響,且二者互作效應顯著(表5)。從不同耕作方式來看,傳統(tǒng)翻耕條件下玉米不同生長階段AT較免耕高36.2～67.4 ℃(P<0.05),較免耕全生育期總AT高 9.7%(P<0.05)。從不同秸稈還田方式來看,相比秸稈不還田處理,秸稈還田降低了玉米不同生長階段AT 3.6～8.0 ℃(P<0.05),降低全生育期總AT 1.3%(P<0.05)。從耕作方式與秸稈還田兩者組合看,傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田在玉米播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至大喇叭口期、大喇叭口期至吐絲期、吐絲至成熟期、全生育期的AT較其他處理分別增加19.6～93.0 ℃、21.2～61.3 ℃、 17.4～59.5 ℃、14.1～58.4 ℃、72.4～272.3 ℃(P< 0.05),傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田增溫效應最顯著,其次為傳統(tǒng)翻耕秸稈不還田和免耕秸稈不還田,免耕秸稈還田增溫幅度最小。以上結(jié)果說明免耕及免耕結(jié)合秸稈還田有降低土壤有效積溫的作用,而傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田有助于提高玉米生長階段土壤有效積溫。

2.3 玉米籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和積溫生產(chǎn)效率對耕作方式及秸稈還田的響應

耕作方式及秸稈還田方式對籽粒產(chǎn)量、水分利用效率(WUE)及積溫生產(chǎn)效率(TUE)影響顯著,且二者互作效應顯著(表6)。從不同耕作方式看,傳統(tǒng)翻耕條件下籽粒產(chǎn)量達到11 842.1 kg·hm-2,較免耕提高20.8%(P<0.05),對應WUE和TUE分別提高22.6%和12.3%(P<0.05)。從不同秸稈還田方式來看,秸稈還田條件下籽粒產(chǎn)量達11 807.8 kg·hm-2,較秸稈不還田高20.3%(P<0.05),對應WUE和TUE分別提高23.6%和23.2%(P<0.05)。從耕作方式與秸稈還田組合來看,傳統(tǒng)翻耕秸稈還田條件下籽粒產(chǎn)量、WUE和TUE分別達13 193.2 kg·hm-2、20.0 kg·hm-2·mm-1和7.1 kg·hm-2·℃-1,較其他處理籽粒產(chǎn)量、WUE和TUE分別提高20.3%～37.9%、22.0%～ 40.5%、7.0%～32.4%(P<0.05)。傳統(tǒng)翻耕秸稈不還田與免耕秸稈還田處理籽粒產(chǎn)量和WUE差異不顯著。綜合上述結(jié)果,傳統(tǒng)翻耕有利于提高玉米籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和積溫生產(chǎn)效率,且試區(qū)無論傳統(tǒng)耕作或免耕,結(jié)合小麥秸稈還田均有利于提高玉米的籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和積溫生產(chǎn)效率。

表6 不同耕作方式及秸稈還田下玉米籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和積溫生產(chǎn)效率Table 6 Grain yield,water use efficiency and accumulated temperature production efficiency of maize under different tillage methods and straw returning to field

3 討 論

3.1 農(nóng)田土壤水分狀況對耕作方式與秸稈還田方式的響應

本研究發(fā)現(xiàn),干旱綠洲灌區(qū)小麥秸稈還田較秸稈不還田增加了后茬玉米各生育階段土壤貯水量,降低了玉米拔節(jié)后耗水量,從而提高了后茬玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。有研究認為,秸稈還田一方面通過改善土壤理化性質(zhì),提高土壤蓄水保墑能力,另一方面通過減少農(nóng)田耗水,改善耗水模式進而提高作物產(chǎn)量及水分利用效率[21-22]。有研究指出傳統(tǒng)翻耕因犁鏵長期對耕層土壤打擊擠壓導致土壤儲水能力下降、抑制根系生長及下伸吸收利用水分,造成作物減產(chǎn)及水分利用效率下降[23-24]。本研究中,傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田顯著提高了玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率,可能是由于傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田條件下耕層土壤與秸稈接觸充分,提高了作物出苗率與出苗整齊度[19]。同時,傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田降低了玉米拔節(jié)前期無效耗水而利于土壤水分蓄存,彌補單一傳統(tǒng)翻耕蓄水不足及干濕不均的弊端,促使秸稈還田將保水優(yōu)勢轉(zhuǎn)為作物增產(chǎn)優(yōu)勢進而提高了水分利用效率[14,25]。也有研究證實,傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田通過改善耕層土壤結(jié)構,促進作物根系發(fā)育及耕層的空間分布,優(yōu)化干物質(zhì)積累分配從而達到作物增產(chǎn)和水分利用效率提高的目的[26-28]。本研究中免耕雖較傳統(tǒng)翻耕提高了玉米拔節(jié)前土壤貯水,降低了拔節(jié)至吐絲期耗水量,但免耕結(jié)合秸稈還田并未明顯增產(chǎn)及提高水分利用效率,其原因可能是免耕因未攪動土壤,導致土壤容重增大、土壤板結(jié),秸稈分布不均及覆蓋阻礙影響作物出苗、幼苗生長等,造成作物水分利用效率降低[20,29]。但也有研究指出,免耕結(jié)合秸稈還田具有增產(chǎn)效應,主要是因為一方面免耕秸稈還田土壤保水保墑效應顯著,并通過改善耕層土壤結(jié)構及有機質(zhì)庫存,優(yōu)化土壤理化性能[20,30];另一方面,免耕秸稈還田能有效提高作物干物質(zhì)生長速率,協(xié)調(diào)干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成特征[31]。有關秸稈還田量、均勻度的差異及其與耕作方式結(jié)合對土壤水分特征的影響則需要進一步深入研究。

3.2 農(nóng)田土壤熱量變化對耕作方式與秸稈還田方式的響應

本研究結(jié)果表明,傳統(tǒng)翻耕處理較免耕增加了玉米各生育階段土壤溫度與有效積溫,提高了積溫生產(chǎn)效率。有研究認為,傳統(tǒng)翻耕因生育前期溫度高,作物生長快且養(yǎng)分消耗多,導致后期養(yǎng)分不足,影響作物產(chǎn)量構成而造成減產(chǎn)[5]。傳統(tǒng)翻耕結(jié)合地膜覆蓋會造成作物生殖生長期耕層極端高溫而制約作物增產(chǎn)[30]。本試驗區(qū)因主栽作物玉米“非膜不植”,傳統(tǒng)翻耕處理后茬玉米季覆蓋了地膜,但并未表現(xiàn)出耕層高溫導致的籽粒產(chǎn)量降低的情況,這可能與試驗區(qū)氣候特征有關。本研究中傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈翻壓還田也顯著提高了積溫生產(chǎn)效率,可能是由于傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田打破了犁底層,土壤通氣性與導熱性增強,利于作物根系生長發(fā)育、水肥吸收及延緩根系衰老[25,32],同時傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田條件下適宜的土壤熱量環(huán)境促進了秸稈的腐解,加速養(yǎng)分釋放,進一步滿足作物養(yǎng)分需求,實現(xiàn)作物增產(chǎn)進而提高了積溫生產(chǎn)效率[33]。另有研究表明,傳統(tǒng)耕作措施下地膜覆蓋與秸稈還田有效協(xié)調(diào)改善土壤熱量狀況進而提高了作物產(chǎn)量[34],這與本研究結(jié)果一致。本研究中,免耕結(jié)合秸稈覆蓋還田因降低土壤溫度與有效積溫,導致減產(chǎn)進而降低積溫生產(chǎn)效率。主要原因可能是土壤溫度與土壤含水量存在顯著負相關關系,免耕耕層土壤水分含量高、熱容量變大而不利于土壤熱量積累[34-35];另一方面,秸稈覆蓋地表,阻擋太陽有效輻射及土壤大氣間水熱交換,降低了土壤有效積溫進而導致作物減產(chǎn)、積溫生產(chǎn)效率不高[6]。但也有研究表明,免耕結(jié)合秸稈覆蓋還田因低溫效應抑制作物前期生長發(fā)育,減少了耕層養(yǎng)分消耗,有效協(xié)調(diào)養(yǎng)分錯期分配,從而滿足了作物生長后期養(yǎng)分需求,延長了作物光合作用時間并優(yōu)化了作物產(chǎn)量性能指標,最終實現(xiàn)作物增產(chǎn)[36-38]。因此,明確免耕秸稈還田下土壤熱量變化特征及其與產(chǎn)量的關聯(lián)機制是今后需要關注的重點。

4 結(jié) 論

綠洲灌區(qū)秸稈還田條件下玉米籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及積溫生產(chǎn)效率高于秸稈不還田;傳統(tǒng)翻耕較免耕能獲得較高籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及積溫生產(chǎn)效率。其原因在于秸稈還田提高了玉米各生育期土壤貯水量,降低了拔節(jié)至成熟期耗水量、玉米播種至拔節(jié)期及吐絲期土壤溫度及各生育期土壤有效積溫;傳統(tǒng)翻耕較免耕提高了玉米各生育期土壤溫度及有效積溫。傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田條件下玉米籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及積溫生產(chǎn)效率最高。在水資源緊缺、春秋季熱量有限的干旱綠洲灌區(qū),傳統(tǒng)翻耕結(jié)合秸稈還田可作為玉米高產(chǎn)和水熱資源高效利用的有效技術措施。