耕作和施肥方式對(duì)土壤水分及飼用玉米產(chǎn)量的影響

方彥杰 張緒成 侯慧芝 于顯楓 王紅麗 馬一凡 張國(guó)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)

飼用玉米(Zea mayL.)具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛等特點(diǎn)，在西北半干旱區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位[1]。受高產(chǎn)利益的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期大量化肥的投入及大面積的連作種植，以及傳統(tǒng)的土壤耕作方式，導(dǎo)致土壤耕層變淺，蓄水保墑能力和肥料利用率降低，嚴(yán)重制約了西北半干旱區(qū)的玉米生產(chǎn)[2－4]。因此，解決傳統(tǒng)耕作和化肥大量投入造成的土壤蓄水保墑效果差、養(yǎng)分供應(yīng)失衡、有機(jī)質(zhì)含量下降以及由此造成產(chǎn)量低且不穩(wěn)等問(wèn)題[5]，對(duì)促進(jìn)半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

適宜的土壤耕作措施能夠改變土壤的物理化學(xué)性狀，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[6－7]。農(nóng)機(jī)深松耕作是改善耕地質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[8]。研究表明，在黃土高原半干旱區(qū)深松可通過(guò)改善土壤質(zhì)量和緩解土壤水分耗損，提高旱地玉米產(chǎn)量和水分利用效率，而傳統(tǒng)耕作會(huì)加速土壤水分耗竭和土壤質(zhì)量下降[9]。立式深旋耕是近年來(lái)以深松耕技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型機(jī)械化耕作技術(shù)[10－12]，在不擾亂土層的同時(shí)對(duì)土壤深松，可使耕層呈粉碎顆粒狀，疏松而不易黏結(jié)，增加了土壤的通透性和保水性[13]。已有研究表明，立式深旋耕能夠增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力，提高作物對(duì)土壤水分的吸收，有利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成，使得飼用玉米籽粒產(chǎn)量增加2.4% ～38.6%，生物量增加3.4%～16.2%[3]。合理施肥能夠顯著提高作物產(chǎn)量和生產(chǎn)效益[14－16]，但是近年來(lái)，為促增產(chǎn)，化肥投入過(guò)量，加之畜禽養(yǎng)殖廢棄物等有機(jī)肥資源利用不足，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本增加和環(huán)境污染，影響了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效益[17－19]。因此，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，實(shí)施有機(jī)肥替代化肥十分重要[17]。研究表明，有機(jī)肥(廄肥)能維持和提高土壤肥力，效果顯著優(yōu)于化肥[20]，可提高0～200 cm 土層平均貯水量和玉米水分利用效率[16]，且產(chǎn)量高于單施化肥處理[19，21]。目前，關(guān)于半干旱區(qū)不同的耕作方式、有機(jī)肥替代化肥的研究較多，并且有機(jī)肥替代部分化肥已成為化肥減施的有效措施[22－23]。而關(guān)于立式深旋耕條件下，有機(jī)肥替代對(duì)飼用玉米土壤水分、干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究針對(duì)西北半干旱區(qū)飼用玉米生產(chǎn)中傳統(tǒng)耕作方式及過(guò)量施肥造成水肥利用率不高等問(wèn)題，設(shè)置不同耕作和施肥方式組合，研究其對(duì)飼用玉米水分利用、生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以期為西北半干旱區(qū)全膜雙壟溝播飼用玉米生產(chǎn)技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

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(104°36′E，35°35′N)進(jìn)行。該區(qū)海拔1 970 m，年平均氣溫6.2℃，年輻射總量5 898 MJ·m－2，年日照時(shí)數(shù)2 500 h，≥10℃積溫2 075.1℃，無(wú)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 ―9月降水量占年降水量的68%，降水相對(duì)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21.18%，凋萎系數(shù)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，pH 值8.35。試驗(yàn)所用腐熟羊糞養(yǎng)分含量為:全氮0.63%，全磷0.4%，全鉀0.4%。圖1 為試驗(yàn)區(qū)2017—2019年飼用玉米生育期氣溫和降雨情況，3年平均氣溫分別為15.3、15.9 和15.2℃，降水量分別為352.5(屬干旱年)、441.1 和439.3 mm(屬豐水年)。

供試材料為飼用型玉米，品種為隴飼1 號(hào)，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置傳統(tǒng)旋耕(耕深15 cm，記作T)和立式深旋耕(耕深40 cm，記作VT)2 種耕作方式，組合化肥(施用量純N 189 kg·hm－2、P2O5135 kg·hm－2、K2O 120 kg·hm－2，記作C)和有機(jī)肥替代化肥(有機(jī)肥為腐熟羊糞，施肥量為30 000 kg·hm－2，記作O)2 種施肥方式，共4 個(gè)處理(VTC、VTO、TC、TO)。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。采用全膜雙壟溝播種植方法，寬窄行種植，帶寬100 cm，其中大壟寬60 cm，小壟寬40 cm，播種密度67 500 株·hm－2。試驗(yàn)小區(qū)面積5.8 m×7 m＝40.6 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，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。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生物量測(cè)定 在收獲期每小區(qū)隨機(jī)采樣3 株稱重，得生物量鮮重，然后采用烘干法測(cè)定干重，并計(jì)算鮮干比，鮮干比＝單株生物量鮮重/單株生物量干重。

1.3.2 土壤重量含水量 分別在播種期、開(kāi)花期和收獲期測(cè)定，深度為0～300 cm，每20 cm 為步長(zhǎng)取1 個(gè)土樣，取樣位置為壟溝內(nèi)兩穴間，采用烘干法測(cè)定，用θ 表示重量含水量，%。

1.3.3 土壤貯水量 根據(jù)公式計(jì)算0～300 cm 土壤貯水量(soil water storage，SWS):

式中，h 代表土壤深度，cm，a 代表土壤容重，g·cm－3。

1.3.4 階段耗水量 根據(jù)公式計(jì)算0～300 cm 土層階段耗水量(evapotranspiration，ET):

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。

1.3.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于成熟期每小區(qū)隨機(jī)取10 株進(jìn)行室內(nèi)考種，測(cè)定株高、穗長(zhǎng)、穗粗、禿頂長(zhǎng)、穗粒數(shù)、百粒重、雙穗率等。生物量:每小區(qū)取最中間2行，稱鮮重后折算公頃產(chǎn)量；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。

1.3.6 水分利用效率 根據(jù)公式計(jì)算水分利用效率(water ues efficiency，WUE):

式中，Y 為飼用玉米籽粒產(chǎn)量或者生物量，kg·hm－2；ET 為耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪制圖表，運(yùn)用SPSS 13.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan 法對(duì)不同處理進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作和施肥方式對(duì)飼用玉米生育期土壤貯水量影響

由圖2 可知，立式深旋耕較傳統(tǒng)旋耕明顯降低了土壤貯水量。2017年飼用玉米0～300 cm 土層土壤貯水量播種期各處理間無(wú)顯著性差異，傳統(tǒng)耕作處理在開(kāi)花期和成熟期均高于立式深旋耕處理，其中開(kāi)花期傳統(tǒng)旋耕化肥處理與立式深旋耕處理差異顯著，成熟期傳統(tǒng)旋耕有機(jī)肥替代處理較立式深旋耕化肥處理顯著提高54.2 mm。2018年傳統(tǒng)耕作處理0～300 cm 土層土壤貯水量在播種期、開(kāi)花期和成熟期較立式深旋耕處理顯著提高。2019年傳統(tǒng)耕作處理0～300 cm 土層土壤貯水量也高于立式深旋耕處理，在3 個(gè)生育時(shí)期均表現(xiàn)為傳統(tǒng)旋耕有機(jī)肥替代處理最高，且播種期和成熟期均與其他處理差異顯著，但開(kāi)花期僅與立式深旋耕處理差異顯著；在同一耕作方式下，3 個(gè)生育時(shí)期有機(jī)肥替代處理均高于單施化肥處理，且立式深旋耕方式下均差異顯著，而傳統(tǒng)耕作方式下僅播種期和成熟期差異顯著。

2.2 耕作和施肥方式對(duì)飼用玉米耗水特性的影響

由表1 可知，立式深旋耕較傳統(tǒng)旋耕增加了飼用玉米0～300 cm 土層土壤總耗水量，有機(jī)肥替代能夠降低立式深旋耕方式下的土壤耗水量，對(duì)飼用玉米花前和花后土壤水分的消耗有調(diào)控作用。2017年各處理0～300 cm 土層土壤耗水量表現(xiàn)為花前高于花后，立式深旋耕化肥處理的花前耗水量、花后耗水量及總耗水量均最高，且其花前耗水量與兩傳統(tǒng)旋耕處理差異顯著、花后耗水量較兩有機(jī)肥替代處理差異顯著、總耗水量較其他處理均差異顯著。2018年和2019年各處理0～300 cm 土層土壤耗水量均表現(xiàn)為花后高于花前。2018年傳統(tǒng)旋耕有機(jī)肥替代處理花前耗水量顯著低于其他處理；立式深旋耕處理總耗水量高于傳統(tǒng)耕作處理，但處理間無(wú)顯著性差異；2019年花前耗水量、花后耗水量及總耗水量均表現(xiàn)為立式深旋耕處理高于傳統(tǒng)旋耕處理，均以立式深旋耕化肥處理最高，且其花后及總耗水量與兩傳統(tǒng)旋耕處理差異顯著。

表1 飼用玉米花前和花后0～300 cm 土層土壤耗水量Table 1 Soil water consumption in 0 to 300 cm soil depth of forage maize in the pre-flowering and post-flowering periods

2.3 耕作和施肥方式對(duì)飼用玉米成熟期單株生物量及鮮干比的影響

由圖3 可知，立式深旋耕方式較傳統(tǒng)旋耕明顯增加了飼用玉米單株鮮重和干重，且結(jié)合有機(jī)肥替代能增加干旱年份(2017年)飼用玉米生物量。2017年飼用玉米成熟期單株干重、鮮重及鮮干比均以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，且鮮干比、單株干重和鮮重均與兩傳統(tǒng)旋耕處理(除傳統(tǒng)旋耕有機(jī)肥處理的鮮干比)差異顯著。2018年成熟期單株干重和鮮重均以立式深旋耕化肥處理最高，較兩傳統(tǒng)旋耕處理分別顯著增加2.6%～6.0%和2.8%～7.1%。2019年與2018年表現(xiàn)相似，成熟期立式深旋耕化肥處理單株干重、鮮重及鮮干比較其他處理分別增加1.1%～9.1%、6.0%～15.1%和4.8%～7.3%，其中單株鮮重差異均達(dá)顯著水平。

2.4 耕作和施肥方式對(duì)飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量和水分利用效率的影響

由圖4 可知，立式深旋耕對(duì)飼用玉米籽粒產(chǎn)量和生物量的增加有明顯促進(jìn)作用，其中2017―2019年立式深旋耕化肥處理籽粒產(chǎn)量較立式深旋耕有機(jī)肥替代處理分別增加2.4%、7.5%、1.8%，而較兩傳統(tǒng)旋耕處理分別顯著增加27.5%和38.6%、12.1%和8.8%、16.9%和10.8%。3年生物量均表現(xiàn)為立式深旋耕處理顯著高于傳統(tǒng)旋耕處理，其中2017年以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，2018年和2019年則以立式深旋耕化肥處理最高。2017年籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物量水分利用效率均以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，較其他處理顯著增加6.3%～34.8%和7.1%～21.5%，而2018年和2019年處理間均無(wú)顯著性差異。

2.5 耕作和施肥方式對(duì)飼用玉米農(nóng)藝及經(jīng)濟(jì)性狀的影響

由表2 可知，立式深旋耕和有機(jī)肥替代有效改善了飼用玉米農(nóng)藝及經(jīng)濟(jì)性狀，其中2017年傳統(tǒng)旋耕化肥處理株高顯著低于其他處理，2018年和2019年各處理株高無(wú)顯著差異，但均以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，較其他處理分別增加0.4%～1.1%和1.2%～6.0%。3年穗長(zhǎng)表現(xiàn)為立式深旋耕處理顯著高于傳統(tǒng)旋耕處理(除2019年傳統(tǒng)旋耕化肥處理)。3年穗粗均以立式深旋耕化肥處理最高，且與傳統(tǒng)旋耕有機(jī)肥替代處理差異顯著。2017年和2019年立式深旋耕化肥處理禿頂長(zhǎng)顯著低于與其他處理。2017 ― 2019年立式深旋耕化肥處理行粒數(shù)較傳統(tǒng)旋耕處理(除2019年傳統(tǒng)旋耕化肥處理)顯著增加。2017年和2018年百粒重均以立式深旋耕化肥處理最高，且2018年顯著高于兩傳統(tǒng)旋耕處理；2019年則以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，并顯著高于立式深旋耕化肥處理和兩傳統(tǒng)旋耕處理。2018年雙穗率以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，較其他處理增加0.8～6.9 個(gè)百分點(diǎn)；2019年則以立式深旋耕化肥處理較高，但與立式深旋耕有機(jī)肥替代處理無(wú)顯著差異，兩立式深旋耕處理均顯著高于兩傳統(tǒng)旋耕處理。飼用玉米籽粒產(chǎn)量、生物量與經(jīng)濟(jì)性狀的相關(guān)性分析表明(表3)，株高(0.99??、0.99??)、穗長(zhǎng)(0.98??、0.99??)、穗粗(－0.83??、0.95??)、禿頂長(zhǎng)(0.97??、－0.89??)、行粒數(shù)(0.99??、0.99??)、百粒重(0.83??、0.97??)、雙穗率(0.98??、0.75??)均與飼用玉米籽粒產(chǎn)量和生物量具有極顯著相關(guān)性。

表3 飼用玉米產(chǎn)量和農(nóng)藝及經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)性分析Table 3 Coefficients of pairwise correlations of yield and agronomic and economic characters of forage maize

3 討論

適宜的土壤耕作和施肥方式能夠優(yōu)化土壤物理化學(xué)特性，增加作物對(duì)土壤水分的有效消耗和吸收利用。本研究中，立式深旋耕處理較傳統(tǒng)旋耕降低了3年飼用玉米開(kāi)花期和成熟期土壤貯水量，增加了半干旱區(qū)全膜雙壟溝播飼用玉米對(duì)土壤水分的消耗，但不同年份立式深旋耕方式下有機(jī)肥替代對(duì)土壤貯水量的影響結(jié)果并不一致，增加了2017年和2019年開(kāi)花期和成熟期土壤貯水量，而2018年開(kāi)花期和成熟期土壤貯水量表現(xiàn)不同，可見(jiàn)飼用玉米生育期土壤貯水量不僅與生育期耗水量有關(guān)，還與生育期降水量及其分配有關(guān)。本研究中，3年立式深旋耕處理均較傳統(tǒng)旋耕處理增加了花前耗水量和總耗水量，且立式深旋耕條件下總耗水量化肥處理均高于有機(jī)肥替代處理，可見(jiàn)立式深旋耕主要通過(guò)增加飼用玉米花前耗水量，進(jìn)而增加生育期總耗水量，而有機(jī)肥替代能夠較單施化肥降低土壤水分的總消耗。表明半干旱區(qū)全膜雙壟溝播飼用玉米土壤耗水量不僅與飼用玉米本身對(duì)土壤水分的吸收利用有關(guān)[23]，也與不同土壤耕作和施肥措施對(duì)土壤水分的影響有關(guān)。由于立式深旋耕技術(shù)打破犁底層，增加了耕層厚度和土壤孔隙度，改善了土壤的蓄水性[10－11]，不僅促進(jìn)了飼用玉米對(duì)土壤水分的吸收利用，明顯增加了0～300 cm 土層土壤耗水量，也有利于提高降水資源利用效率和旱地蓄水保墑性能[24]；而土壤增施有機(jī)肥后能夠改善其物理性質(zhì)、增加土壤水分庫(kù)，抑制土壤水分蒸發(fā)、增加降水入滲，可提高土壤有效水含量[25]。

立式深旋耕和有機(jī)肥替代技術(shù)能夠改善作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境，有效協(xié)調(diào)作物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的關(guān)系，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[10，26－27]。研究表明，由于立式深旋耕后土壤疏松多孔，有利于提高其接納雨水的能力[11]，有機(jī)肥有助于改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，提高土壤含水量[17]，2 種方式均能夠改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，增加土壤有效水分和養(yǎng)分含量，提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[24]。西北半干旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米由于長(zhǎng)期傳統(tǒng)旋耕導(dǎo)致犁底層上移，土壤耕層物理結(jié)構(gòu)變差，通過(guò)立式深旋耕可以改善這一情況；另外，如果在立式深旋耕作的基礎(chǔ)上施用有機(jī)肥，不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，還可提高立式深旋耕作的效果[28]。前人研究得出，半干旱區(qū)全膜雙壟溝播玉米深松耕比傳統(tǒng)翻耕生物量和籽粒產(chǎn)量分別增加6.1%～5.6%、18.6%～28.8%，水分利用效率提高28.1% ～32.9%[5]；而將深松和施用有機(jī)肥組合可顯著提高玉米株高和莖粗，增加干物質(zhì)積累量和玉米籽粒產(chǎn)量，提髙水分利用效率和降雨利用效率[29]。本研究中，在豐水年立式深旋耕化肥處理成熟期單株干重、鮮重及鮮干比最高，而在干旱年則以有機(jī)肥替代處理最高，且立式深旋耕處理均較傳統(tǒng)旋耕處理明顯增加。另外，立式深旋耕處理不同程度地增加了飼用玉米籽粒株高、穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、百粒重、雙穗率，降低了禿頂長(zhǎng)等，均有利于飼用玉米產(chǎn)量和生物量的提高，進(jìn)而有助于土壤水分利用效率的提高。本研究還表明，3年籽粒產(chǎn)量均以立式深旋耕化肥處理最高，其次為立式深旋耕有機(jī)肥替代處理。在豐水年立式深旋耕化肥處理生物量最高，立式深旋耕有機(jī)肥替代處理次之，而在干旱年立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高。在干旱年籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物量水分利用效率均以立式深旋耕有機(jī)肥替代處理最高，且顯著高于兩傳統(tǒng)旋耕處理。表明立式深旋耕和有機(jī)肥替代技術(shù)組合創(chuàng)造了疏松深厚的耕作層，改善了土壤物理狀況，增強(qiáng)了土壤蓄水能力，有利于根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)了飼用玉米生長(zhǎng)發(fā)育和干物質(zhì)積累，保證了較高的玉米產(chǎn)量

和干旱年的水分利用效率。

4 結(jié)論

在西北半干旱區(qū)，較傳統(tǒng)旋耕，立式深旋耕能夠有效打破多年全膜雙壟溝播種植形成的土壤犁底層，疏松土壤，提高飼用玉米花前耗水量，增加生育期總耗水量，降低飼用玉米生育期土壤貯水量，而有機(jī)肥替代能夠增加飼用玉米生育期土壤貯水量，降低土壤水分的總消耗；立式深旋耕結(jié)合化肥處理可提高飼用玉米成熟期單株干重、鮮重，增加株高、穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、百粒重、雙穗率，降低禿頂長(zhǎng)，從而顯著增加籽粒產(chǎn)量和生物量；另外，立式深旋耕與有機(jī)肥替代結(jié)合后還可顯著提高干旱年份生物量和水分利用效率，有利于干旱年全膜雙壟溝播飼用玉米增產(chǎn)增效。