不同耕作方式對旱地全膜雙壟溝播玉米產量和水分利用的影響

張緒成,馬一凡,王紅麗,侯慧芝,于顯楓,方彥杰,湯瑛芳

1 甘肅省農業科學院旱地農業研究所, 蘭州 730070 2 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室, 蘭州 730070 3 甘肅省農業科學院農業經濟與信息研究所, 蘭州 730070

玉米是西北黃土高原半干旱區的主栽作物之一,其中位于甘肅省中東部的黃土高原區旱作玉米播種面積接近5330 km2,對區域草食畜產業發展和糧食安全起著至關重要的支撐作用[1]。該區域玉米種植基本采用全膜雙壟溝播技術,在全膜覆蓋條件下,該區域的玉米需水量接近500 mm[2- 4],而半干旱區的降水量在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,實現旱作區自然降水的高效利用,顯著提高作物產量和水分利用效率[6- 8]。但是,受自然降水分配不均以及由此引起的作物發育受阻等因素影響,季節性干旱成為制約旱作區作物產量潛力發揮的主要限制因子之一[9]。

在雨養條件下,提高土壤有效水含量和作物吸水能力是抵御季節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育,可有效促進根系吸水[9,12- 14],這對增強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],進而改善土壤養分狀況和提高有機質含量,連續7 年免耕/深松輪耕后較連續翻耕處理0—60 cm土層土壤有機質含量提高了25.3%,活化了土壤養分,作物產量增加了9.8%[11]。在西北黃土高原半干旱區,傳統旋耕仍為玉米生產中主要的耕作方式,其耕作深度小于20 cm[9]。長期的淺旋耕造成犁底層變淺,嚴重阻滯了水分養分運移和作物根系下扎,這對抵御干旱脅迫造成了不利影響,使作物產量顯著下降[9- 11]。因此,改淺耕為深耕來打破犁底層,是優化土壤結構,提高作物抗寒能力和產量的主要方向。

立式深旋耕作技術(粉壟耕作)是首先應用于山藥的一項耕作技術,其特點是利用螺旋犁頭,將土壤粉碎但不改變土壤的垂直層次結構,結合了深松、旋耕和翻耕3 種耕作方法的優點[9- 10,12- 15],耕作深度可達到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,達到抗旱增產的目的[9- 11]。目前該方法已在我國東北棕壤、華北壤質黏潮土和西南地區的玉米、小麥、山藥、花生、大豆、水稻、甘蔗等作物上應用,普遍能夠促進作物根系發育,增產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全膜雙壟溝播玉米的產量形成和水分利用的影響尚缺乏系統研究。本研究設置了立式深旋、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、干物質積累、葉面積指數(LAI)、葉片SPAD值,以及產量、水分利用效率的影響,探討不同耕作技術對半干旱區全膜雙壟溝播玉米生長發育和耗水特性的影響,為確定西北黃土高原旱作區玉米抗旱豐產的耕作技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

根據甘肅省農業科學院定西試驗站氣象資料統計,試驗區2016年屬嚴重欠水年,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-吐絲期發生季節性干旱(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,導致年際間產量差別明顯。

圖1 2016—2017年試驗區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 試驗設計

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。溝內每隔50 cm打孔使降水能夠入滲。試驗采用隨機區組設計(表1),以免耕(ZT)、傳統旋耕(TT)、深松耕(SS)和立式深旋耕作(VRT)4種耕作方式為處理,試驗小區面積7 m×15 m=105 m2,每處理3次重復。玉米種植在溝內,播種深度5—8 cm,人工穴播器點播。供試品種為‘先玉335’,播種密度60000株/hm2,穴距30 cm。化肥純N、 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,除拔草外不進行其他管理。

表1 試驗處理

1.3 測定指標與方法

1.3.1土壤水分

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

SWS(mm)=WS×γ×d/100

式中,WS為土壤質量含水量(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) 計算公式:

ETi= SWSi-SWSi+1+P

式中,SWSi為某個生育時期初始時的土壤貯水量(mm)；SWSi+1為該生育時期結束時的土壤貯水量(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)測定葉片SPAD值,選擇倒二葉為測定對象,每個葉片避開葉脈自上而下測定5次,每小區選擇10個葉片,平均值為小區SPAD值。同時用美國CID公司生產的CI- 110植物冠層數字圖像分析儀測定葉面積指數(LAI),每小區測定3個重復,計算其平均值為小區LAI。

1.3.4生物量和產量

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

1.3.5水分利用效率(WUE) 計算公式[6]:

WUE=Yd/ET

ET= SWSBF-SWSHA+P

式中,Yd為玉米單位面積籽粒產量(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 數據處理

采用DPS數據處理軟件對數據進行 ANOVA方差分析,并用LSD法進行多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

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顯著促進花前耗水,且與SS和ZT達到顯著差異,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能夠促進不同年份的花前花后耗水量,且這一促進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圖柱標記不同字母標志差異顯著,P<0.05

2.3 不同耕作方式對玉米干物質積累的影響

在干旱年,四種耕作方式在苗期和拔節期的地上干物質量無顯著差異,但VRT在吐絲期-成熟期的地上干物質量顯著高于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量、耗水量和水分利用效率的影響

3 討論

優化耕作方式可在提高土壤水肥供應能力和促進作物根系發育的基礎上,增強作物對干旱的適應能力,是西北半干旱區在地膜覆蓋條件下進一步提高作物生產力的主要方向之一[16- 18]。在黃土高原旱塬區的研究表明,免耕/深松輪耕處理可顯著提高小麥產量[19-22],在玉米上取得了相似的研究結果[23- 26]。這主要是由于優化耕作方式可顯著提高土壤貯水量,并改善土壤物理結構和提高銨態氮含量[27- 28]。立式深旋耕作利用高速旋轉的螺旋鉆頭橫向粉碎土壤,深度可達到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,而且為作物根系生長創造了良好的條件,增強作物抗旱性[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量[9- 10,12- 15]。本研究結果表明,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%,這為抵御季節性干旱,提高玉米產量和水分利用效率奠定基礎[30- 31]。

基于優化的土壤水分環境,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。我們在馬鈴薯上的研究取得了相似的結果[9]。表明VRT通過優化土壤水分環境,促進了玉米的營養生長,發達的營養體對抵御干旱有積極意義[23,30],可顯著提高作物產量和水分利用效率。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,促進光合作用有重要作用；VRT的產量在干旱年較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,促進玉米根系生長,提高玉米葉片保護酶系活性和降低膜脂過氧化,進而表現顯著的抗逆性[10]。另外,雖然VRT促進玉米耗水,并與ZT達到顯著差異水平,導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玉米耗水以增強抗旱性,而且促進降水入滲,對土壤水分無明顯的不利影響。

4 結論

VRT顯著促進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%,其增產效應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個處理間無顯著差異。因此,VRT不僅能夠顯著提高玉米產量和水分利用效率,而且對土壤水分平衡無明顯不利影響,是抗旱增產的耕作方式。