黃尚書,何紹浪,王斌強,王馨悅,周琦娜,鐘義軍
(1.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717; 2.江西農(nóng)業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院,江西 南昌 330045)
耕地是糧食生產(chǎn)的根本和載體。近年來,在我國糧食連年豐產(chǎn)的同時,耕地資源環(huán)境面臨著多重挑戰(zhàn),耕地質(zhì)量退化嚴重,嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展??茖W推進耕地輪作休耕制度,提升耕地綜合生產(chǎn)能力,是探索藏糧于地、藏糧于技的具體實現(xiàn)途徑,對推動我國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和保障國家糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義[1-2]。冬耕指在冬季翻松土地的活動,有關(guān)學者對水稻土的研究表明,冬耕翻耕可改善稻田土壤理化性質(zhì),促進水稻植株對土壤鉀素的吸收,并提高水稻產(chǎn)量[3-5];石愷等[6]對西南紫色土的研究發(fā)現(xiàn),冬耕處理提高了玉米水分利用效率和出苗率,利于植株生長,實現(xiàn)增產(chǎn)增效;孟凡武等[7]在山東淋溶褐土的研究表明,冬耕能夠達到集蓄冬季雨雪、緩解春季干旱、提高煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果及傳統(tǒng)種植經(jīng)驗,相關(guān)學者在山東省、江蘇省等提出了以冬耕技術(shù)為核心的作物(花生、玉米、棉花等)種植術(shù)規(guī)程[8-10],為指導(dǎo)區(qū)域?qū)嵤┒按龠M作物增產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。然而,冬耕對紅壤坡耕地土壤質(zhì)量、作物生長及產(chǎn)量的影響研究相對匱乏;同時,由于紅壤坡耕地經(jīng)濟收益低,農(nóng)民利用紅壤坡耕地種植作物的積極性不高,連年冬耕的制度也面臨巨大挑戰(zhàn)。顯然,新形勢下研究紅壤坡耕地不同冬耕模式對土壤理化性質(zhì)及花生產(chǎn)量的影響,對于正確認識紅壤坡耕地冬耕的重要性,制定區(qū)域合理的冬耕制度并進行推廣等方面具有重要的理論和實踐意義。
試驗地位于江西省紅壤研究所內(nèi)(28°15′30″N,116°20′24″E),氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長,屬中亞熱帶季風氣候,年均降雨量1 537 mm,年蒸發(fā)量1 100~1 200 mm;區(qū)域有明顯雨旱兩季,3~6月為雨季,降雨量占全年雨量61%~69%;7~9月為旱季,蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的40%~59%;年均氣溫17.7 ℃~18.5 ℃,最冷月(1月)平均氣溫為4.6 ℃;最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0 ℃~29.8 ℃。地形為典型低丘,坡度為4°,土壤為第四紀黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤,試驗前基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)見表1。
表1 試驗前基礎(chǔ)土壤理化性質(zhì)
試驗始于2017年冬季,選擇基礎(chǔ)肥力、地形條件一致的紅壤坡耕地作為試驗地,采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)置連年冬耕(CK)、隔年冬耕(T1)和不冬耕(T2)3個冬耕模式,各冬耕模式周年冬耕次序如下:
CK:冬耕(2017年)→冬耕(2018年)→冬耕(2019年);
T1:冬耕(2017年)→不冬耕(2018年)→冬耕(2019年);
T2:不冬耕(2017年)→不冬耕(2018年)→不冬耕(2019年)。
冬耕采用東方紅LX754拖拉機配套鏵式犁,翻耕深度為20 cm左右,為方便播種前土壤容重和水分含量的調(diào)查,在冬耕后旋耕2次,旋耕深度為15 cm左右,冬耕時間為每年12月下旬冬至前。每個處理重復(fù)3次,共9個試驗小區(qū),小區(qū)面積為100 m2(5 m×20 m),在試驗地周圍設(shè)置1.5 m寬的保護行。供試作物為進賢當?shù)匦×;ㄉ?,播種時間為4月上旬,播種前15天左右試驗小區(qū)旋耕2次,旋耕深度為15 cm,開溝播種,行株距為33 cm×15 cm。各處理化肥施用量均為當?shù)爻R?guī)施肥水平(N 118.3 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 180 kg·hm-2),打藥、除草等按當?shù)爻R?guī)管理方式進行并保證各試驗小區(qū)基本一致,每年8月上旬花生成熟后統(tǒng)一收獲。
花生播種旋耕前土壤容重和體積含水量:于2018年和2019年花生播種旋耕前采用環(huán)刀法測定0~10 cm和10~20 cm土壤容重,采用托普TZS土壤墑情速測儀測定0~10 cm和10~20 cm土壤體積含水量。花生收獲期土壤養(yǎng)分含量:于花生收獲前(2020年8月10日)各試驗小區(qū)采集0~10 cm和10~20 cm土層混合土樣,用5點取樣法采集混合土樣。土樣在室內(nèi)自然風干,除去植物根系、雜物等,研磨過2 mm、0.25 mm篩,裝瓶用于土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷及速效鉀含量的測定,具體測定方法見參考文獻[11]。花生出苗率及產(chǎn)量:花生播種15天后,統(tǒng)計各試驗小區(qū)的出苗率;花生收獲期收獲各試驗小區(qū)花生莢果,曬干、稱重,統(tǒng)計產(chǎn)量。
利用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計分析,作圖由Origin 8.1軟件完成,利用SPSS 18.0軟件對土壤理化性質(zhì)、花生產(chǎn)量及出苗率進行Pearson方差分析和指標間相關(guān)性分析。
由表2可知,不同處理對花生播種前0~10 cm和10~20 cm土層土壤容重均有顯著影響(P<0.05)。其中:2018年,與CK處理相比,T2處理顯著增加了0~10 cm和10~20 cm土層土壤容重(P<0.05),增幅分別為7.29%和13.4%;2019年,與CK相比,T1和T2處理顯著增加了0~10 cm和10~20 cm土層土壤容重,增幅為4.06%~16.7%。從土壤體積含水量來看,不同處理對花生播種前0~10 cm和10~20 cm土層土壤體積含水量存在顯著影響(P<0.05)。其中:2018年,與CK處理相比,T2處理顯著降低了0~10 cm和10~20 cm土層土壤體積含量(P<0.05),降幅平均為21.5%;2019年,與CK相比,T1和T2處理顯著降低了0~10 cm和10~20 cm土層土壤體積含水量,降幅平均為20.7%。由此可見,紅壤坡耕地不冬耕可使來年作物播種前耕層土壤容重增加、土壤含水量降低。
表2 不同處理下花生播種旋耕前土壤容重和體積含水量
如圖1所示,不同處理對0~10 cm土層土壤養(yǎng)分含量無顯著影響,而對10~20 cm土層土壤養(yǎng)分含量存在顯著影響(P<0.05)。與CK相比,T1處理顯著降低了10~20 cm土層土壤速效鉀含量(P<0.05),降低8.48%;T2處理顯著降低了10~20 cm土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量,降幅分別為15.5%、18.8%和8.48%(P<0.05)。
注:CK代表冬耕,T1代表隔年冬耕,T2代表不冬耕。不同小寫字母表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。
不同處理對各年度花生出苗率均有顯著影響(P<0.05)。與CK相比,T2處理顯著降低了各年度花生出苗率(P<0.05),降幅為6.44%~9.46%,而T1處理顯著降低了休耕年(2019年)花生出苗率(P<0.05),降幅為6.16%。
分析各處理對花生產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn)(圖3),不同處理對各年度花生產(chǎn)量均有顯著影響(P<0.05)。與CK相比,T1處理使2019年花生產(chǎn)量顯著降低了16.5%(P<0.05),T2處理顯著降低了2019和2020年花生產(chǎn)量(P<0.05,降幅平均為19.7%)。3年(2018~2020年)花生平均產(chǎn)量以CK最高(為2 974 kg·hm-2),T1處理略有下降(2.90%),T3處理降幅較大,為24.5%。
圖3 不同處理下花生產(chǎn)量
表3是花生出苗率及產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析。其中:土壤容重和土壤體積含水量與花生出苗率及產(chǎn)量的相關(guān)性采用2018和2019年平均值進行分析,花生收獲期土壤養(yǎng)分含量與3年(2018~2020年)花生平均出苗率及產(chǎn)量進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明,花生出苗率和產(chǎn)量與播種旋耕前0~20 cm土層土壤容重和體積含水量分別呈極顯著負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系(P<0.01);此外,花生產(chǎn)量還與土壤速效鉀含量(試驗結(jié)束時)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。
表3 花生產(chǎn)量與0~20 cm土層土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性
分析不同處理多年經(jīng)濟效益發(fā)現(xiàn),不同處理3年經(jīng)濟效益以CK處理最好(表4),純收益為26 655元·hm-2;T1處理次之,純收益為24 810元·hm-2,較CK降低6.90%;T2處理最差,純收益為15 075元·hm-2,較CK減少43.5%。
表4 不同處理下經(jīng)濟效益(2018~2020年)
本研究對2018和2019年花生播種前土壤容重和體積含水量的研究發(fā)現(xiàn),冬耕可顯著降低土壤容重和提高土壤體積含水量,與相關(guān)研究[4,12]得出的旱地冬耕有利于保持土壤疏松并提高土壤保墑效果的結(jié)論基本一致。冬耕降低土壤容重的作用毋庸置疑,而其提高土壤持水性能的主要原因是:一是冬耕后有利于接蓄雨水,減少雨水地表徑流損失;二是冬耕可以切斷毛管孔隙并減少水分蒸發(fā)[13]。本研究還發(fā)現(xiàn),花生收獲期(2020年)不同處理0~10 cm土層土壤養(yǎng)分含量差異不顯著,但10~20 cm土層土壤養(yǎng)分含量差異顯著,且均表現(xiàn)為連年冬耕和隔年冬耕處理顯著高于不冬耕處理,說明在紅壤坡耕地連年冬耕有利于耕層尤其是耕層中下層土壤養(yǎng)分的提高。這與冬耕為翻耕作業(yè)方式,有利于耕層上下層換位[14],使土壤養(yǎng)分在耕層分布更為均勻有關(guān)。此外,冬耕有利于有機物料等混入土壤[15-16],因而使0~10 cm土層土壤養(yǎng)分含量不會因為翻耕的均勻化作用而降低(甚至較不冬耕處理略有增加)。
各年度不同處理下花生出苗率均表現(xiàn)為冬耕處理(包括隔年冬耕處理中實施冬耕的年份)顯著高于不冬耕處理,原因在于冬耕后土壤疏松且水分含量較高,種子易與濕土接觸并被包圍,從而有利于花生種子萌發(fā)[6]。保證出苗率是提高花生產(chǎn)量的基礎(chǔ),本研究中冬耕處理顯著提高了花生出苗率,這是冬耕處理可顯著提高花生產(chǎn)量的重要原因。相關(guān)性分析表明,花生出苗率及產(chǎn)量與播種旋耕前土壤容重和體積含量呈極顯著相關(guān)性,這說明土壤容重和水分含量首先影響花生出苗率,直接提高或降低花生產(chǎn)量;其次土壤理化性質(zhì)還通過影響花生生長發(fā)育而影響產(chǎn)量的形成,體現(xiàn)了土壤容重及體積含水量等土壤理化性對花生出苗率及產(chǎn)量形成的重要影響。土壤養(yǎng)分含量也是花生產(chǎn)量形成的重要因素,本研究中花生產(chǎn)量僅與土壤速效鉀含量呈極顯著相關(guān)性,可能是因為土壤速效鉀較其它養(yǎng)分更易受到冬耕等外在因素的影響而發(fā)生遷移[17],造成冬耕對10~20 cm土壤速效鉀含量的影響最大。因而,本研究中僅體現(xiàn)了土壤速效鉀含量對花生產(chǎn)量形成的重要作用。
分析不同冬耕模式的經(jīng)濟效益發(fā)現(xiàn),不同處理3年(2018~2020年)經(jīng)濟效益以連年冬耕處理較高,說明連年冬耕是紅壤坡耕地優(yōu)良的冬耕模式。此外,隔年冬耕處理3年經(jīng)濟效益比連年冬耕處理降低6.90%,經(jīng)濟效益降低幅度較小。因此本研究認為對條件較差區(qū)域(機具通過性差、勞動力不足等)的紅壤坡耕地可適當進行冬季休耕。
(1)與連年冬耕模式相比,冬季不進行耕翻顯著增加了花生播種前0~20 cm土層土壤容重(P<0.05),并顯著降低了0~20 cm土層土壤水分含量(P<0.05)。不同冬耕模式通過影響花生播種旋耕前0~20 cm土壤容重和水分含量可影響花生出苗率和產(chǎn)量的形成。
(2)與連年冬耕模式相比,隔年冬耕對0~20 cm土層土壤養(yǎng)分的影響較小,僅降低了10~20 cm土層土壤速效鉀含量,而不冬耕模式顯著降低了10~20 cm土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量;不同冬耕模式主要改變了10~20 cm土層速效鉀含量進而影響了花生產(chǎn)量。
(3)從經(jīng)濟效益角度考慮,連年冬耕是紅壤坡耕地優(yōu)良的冬耕模式,隔年冬耕模式3年經(jīng)濟效益較連年冬耕略有降低(下降6.90%);結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,部分紅壤坡耕地可適當進行冬季休耕。