耕作与施肥对旱地玉米田土壤耗水量和水分利用效率的影响*

王 浩,王淑兰,徐宗贵,李 军**

(1.西北农林科技大学农学院 杨凌 712100;2.西北农林科技大学林学院 杨凌 712100)

耕作与施肥对旱地玉米田土壤耗水量和水分利用效率的影响*

王 浩1,王淑兰1,徐宗贵2,李 军1**

(1.西北农林科技大学农学院 杨凌 712100;2.西北农林科技大学林学院 杨凌 712100)

为探究保护性耕作与施肥对渭北旱地春玉米田土壤耗水量和水分利用效率的影响,达到高效生产的目的。于2013—2015年在渭北旱塬实施了春玉米耕作与施肥田间试验,共设置6种耕作与施肥处理:翻耕+低肥(A1)、免耕+高肥(A2)、深松+平衡施肥(A3)、翻耕+无肥(B1)、免耕+无肥(B2)和深松+无肥(B3),测定了春玉米休闲期与生育时期0～200 cm土层土壤蓄水量和收获时籽粒产量。结果表明:1)保护性耕作能显著提高旱地玉米田土壤蓄水保墒能力。与传统翻耕处理B1相比,休闲期,B2和B3播前土壤蓄水量分别提高23.39 mm和27.73 mm(P<0.05);耕作处理区,B2和B3全生育期土壤蓄水量平均提高13.41 mm和15.70 mm;耕作施肥处理区,A2、A3土壤蓄水量较A1分别提高13.15 mm、19.54 mm。2)平衡施肥能有效提高玉米全生育期平均土壤蓄水量,与不施肥处理相比,全生育期土壤蓄水量平均提高6.79 mm(P<0.05)。3)保护性耕作与施肥能提高玉米籽粒产量与水分利用效率。耕作无肥处理区,与B1比较,B3处理产量提高212～576 kg×hm-2,水分利用效率提高0.83～2.21 kg×hm-2×mm-1;耕作施肥处理区,A3产量与水分利用效率提高最为显著,产量较A1提高659～1 495 kg×hm-2,水分利用效率提高0.65～3.82 kg×hm-2×mm-1(P<0.05)。3种施肥方式下以氮、磷、钾平衡施肥产量与水分利用效率提高幅度最大。4)对耗水量与产量进行相关性分析发现,抽雄—灌浆生育阶段土壤耗水量与产量呈显著正相关,保护性耕作提高玉米生长初期土壤蓄水保墒能力,提高春玉米抽雄—灌浆期土壤水分,增加作物生长关键时期对水分的利用效率,利于玉米籽粒产量的提高。因此在渭北旱地春玉米田,深松与平衡施肥组合能提高春玉米产量与水分利用效率,是该地区玉米高效生产较为适宜的种植模式。

春玉米;保护性耕作;土壤耗水量;水分利用效率;产量

养分和水分是影响旱作农业生态系统生产力的主要因素,对作物生长具有协同效应[1-3]。许多研究表明,随着肥料投入量的增加,农田生产力提高;但是随着养分的高水平投入,农田生态系统生产力的限制因子由肥力限制转变为水分限制[4-6]。土壤水分状况是影响作物生长的关键因素,对作物生长发育状况和产量水平具有决定性影响[7-8],因此培肥地力、蓄雨纳墒、减少土壤水分无效蒸发,提高土壤蓄水、保水和供水能力,从而提高作物水分利用效率和产量,成为旱作农业研究的重要任务。国内外研究表明,秸秆覆盖还田和免耕等保护性耕作措施能改善土壤结构,减少水土流失,提高土壤水分利用效率,增加土壤入渗,影响土壤水分时空分布,从而一定程度上缓解农田干旱危害[9-12]。

陕西渭北旱塬区降水时空分布不均且变率较大,田间蒸散量大,土壤水分不足。相关研究表明,渭北旱塬保护性耕作比传统翻耕可提高播前土壤蓄水量20～40 mm,水分利用效率提高 2%～9%,增产10%～40%[13-18]。化肥施用要配比合理,施量过少,达不到应有的增产效果,施肥过量,不仅浪费肥料,还污染土壤[19-20];尤其在旱作农田,施肥量过高也会导致土壤水分的过度消耗[21-22]。适宜保护性耕作有助于蓄水保墒,而合理施肥能够实现以肥调水和促长增产,是促进玉米(Zea mays)增产增效的两大重要技术措施。已有的相关研究多以耕作或施肥单项措施效应为主,缺乏耕作与施肥组合模式的试验研究。同时已有研究主要分析了春玉米产量和关键生育时期土壤蓄水量,缺乏对各个生育阶段土壤耗水量的分析,对春玉米不同生育时期土壤耗水量与产量关系的研究仍然缺乏。本研究从渭北旱塬春玉米各生育时期土壤耗水量与产量关系出发,分析不同耕作施肥组合下春玉米不同生育阶段土壤耗水量和水分利用效率的差异,以期探索渭北旱塬春玉米不同生育时期土壤水分消耗规律,筛选出提高水分利用效率和产量的耕作与施肥组合模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2015年在陕西渭北旱塬东部合阳县甘井镇(35°19¢54.45″N,110°05¢58.35″E)进行,试验区属典型的半湿润易旱区,年平均降水量536.6 mm,年平均气温9～10℃,平均蒸发量1 832.8 mm,≥10℃积温2 800～4 000℃×d,全年无霜期160～200 d。试验地地势平坦,土壤为黑垆土,土壤容重平均为1.33 g×cm-3,蓄水保肥能力强。试验地基础养分见表1,试验期间春玉米生长季降雨量见图1。

表1 试验地0～60 cm土层土壤主要养分指标Table 1 Soil nutrient properties in 0-60 cm layer at the experiment field

1.2 试验处理

试验分别在3块农田设置耕作与施肥6个对比试验(表2),采用二因素裂区设计,耕作为主处理(设置翻耕、免耕和深松3个处理),施肥为副处理(设置施肥和无肥2个处理),共组合为3个耕作施肥区和3个耕作无肥区(表2)。耕作与施肥(A1、A2、A3)处理区,小区面积25 m×8 m,耕作无肥(B1、B2、B3)处理区面积25 m×4 m,4次重复。氮磷钾肥料选用尿素、磷酸二铵和氯化钾,一次性撒施,然后进行旋耕,将肥料充分混合于0～10 cm土层土壤中。使用玉米播种机进行播种,株距30 cm、行距60 cm,密度55 500株∙hm-2,品种选用‘郑单958’,种植制度为一年1季。播种时间为4月下旬,9月中旬收获。

图1 试验期间(2013年1月至2015年12月)逐月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation at the experimental site from 2013 to 2015

表2 土壤耕作与施肥处理概况Table 2 Soil tillage and fertilization practices of different treatments

1.3 测定项目及方法

1.3.1 测定方法

1)水分测定:于每年3—11月每月20日左右采用土钻法测定0～200 cm土层土壤水分,每20 cm土层取样,先称湿土重,在105℃恒温下烘干8 h后称干土重。对各处理进行4次平行测定,取平均值,计算土壤水分含量。

2)产量测定:玉米收获时测产,多点取样法于每个小区采集玉米样品20株,分为籽实和秸秆(除籽实外所有地上收获部分)测定籽粒产量和生物产量。

1.3.2 计算公式

式中:ρ为该土层的土壤容重(g×cm-3),h为土层厚度(cm),ω为土壤重量含水量(g×g-1)。

式中:P为降水量(mm),R为径流量(mm),U为地下水补给量(mm),F为深层渗漏量(mm),ΔW为生育时期末土壤贮水量与生育时期初土壤贮水量之差(mm)。试验地区为黑垆土,疏松多孔,再加上试验地平整,地表径流小;地下水埋深在40 m以下,不易上移补给;在有作物生长的农田,多雨年份降水入渗深度不超过2 m,所以F、U、R可忽略不计。因此该公式可化简为:

式中:Y为作物收获时籽粒产量。

1.4 数据处理与分析

数据输入和处理计算采用 Microsoft Excel 2013、Origin作图,数据统计分析使用SPASS 19软件,进行方差分析(ANOVA)和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 春玉米不同生育时期0～200 cm土层土壤蓄水量

不同生育时期春玉米田0～200 cm土层土壤蓄水量比较分析如图2所示。播种期土壤蓄水量反映了休闲期保护性耕作的蓄水保墒效果,秸秆覆盖免耕与秸秆覆盖深松处理较翻耕处理均能显著提高春玉米播种期土壤蓄水量,3年平均B2、B3较B1土壤蓄水量分别提高23.39 mm、27.73 mm,保护性耕作提高春玉米田休闲期土壤蓄水保墒能力,提升播前底墒。结合土壤蓄水量与产量相关性关系(表3)对玉米生育期土壤水分进行分析,全生育期A2、A3土壤蓄水量较A1分别提高13.15 mm、19.54 mm,其中拔节期土壤蓄水量均为A1处理最低,A2和A3处理土壤蓄水量无显著性差异,A3处理较A1处理土壤蓄水量3年分别提高31.85 mm、9.38 mm和47.37 mm。抽雄期土壤蓄水量A3>A2>A1,A3处理土壤蓄水量显著高于A2和A1处理,A3处理3年土壤蓄水量分别较A1处理提高59.51 mm、9.04 mm和55.28 mm,分别较A2处理提高25.26 mm、9.01 mm和27.39 mm。可见A3处理有利于提高春玉米拔节期和抽雄期土壤蓄水量,对春玉米增产具有一定作用。

在耕作处理区,拔节期和抽雄期土壤蓄水量B2、B3无显著性差异,3年土壤蓄水量均显著高于B1,全生育期土壤蓄水量较B1平均提高13.41 mm、15.7 mm,说明保护性耕作能有效提高拔节和抽雄时期土壤蓄水量。耕作施肥处理区与无肥处理区土壤蓄水量差异反映了施肥措施的水分效应,相同耕作处理下,耕作施肥处理区与无肥处理区相比,在春玉米生长前期,耕作施肥处理区土壤蓄水量总体上高于耕作无肥处理区,这与肥料的促长,减少玉米棵间蒸发有关。但玉米灌浆期(2014年和2015)与成熟期(2013年、2014年和2015年)施肥区土壤蓄水量低于无肥处理区,施肥增强了春玉米关键生育时期对土壤水分的利用,促进作物籽粒建成。

2.2 春玉米各生育阶段土壤耗水量

土壤耗水量采用该生育阶段初期与末期土壤蓄水变化量,根据水分观测间隔天数计算日平均耗水量(图3),研究不同处理在春玉米不同生育阶段对土壤水分的利用状况。可以看出在春玉米播种—出苗, 2013年与2014年土壤水分消耗较少,2015年不同处理差异较大,其中A1、A2、B1、B2土壤水分有所消耗,A3与B3表现为土壤水分的补充,这主要与年份间降雨差异有关(图1),也说明秸秆覆盖深松提高春玉米生长初期土壤蓄水保墒能力。拔节—灌浆期为土壤水分主要消耗时期,无肥处理区土壤水分消耗的差异,反映了不同耕作方式下的耗水效应,在拔节—抽雄期与抽雄—灌浆期,3种耕作方式下土壤蓄水量2013年无明显差异,2014年与2015年B1耗水量最低,B2、B3无明显差异,说明秸秆覆盖保护性耕作会增加该生育阶段的土壤水分消耗,相关性分析也表明(表4),此时段土壤耗水量与产量呈正相关关系,因此B2和B3增加了春玉米关键生育时期土壤水分消耗,对提高作物产量具有一定促进作用。耕作施肥处理区土壤水分的消耗状况反映了不同模式的水分消耗特性,可以看出在拔节—灌浆期不同模式对土壤水分消耗影响较大,其中在拔节—抽雄期A2水分消耗量显著增加,抽雄—灌浆期A3水分消耗量增加明显,结合各阶段耗水量与产量相关性关系,可以发现A3模式耗水规律更有利于春玉米籽粒产量的提高。耕作施肥处理区与耕作处理区的差异反映了不同处理下施肥对土壤耗水量的影响,可以看出在春玉米生长主要耗水期(拔节—灌浆期)施肥均显著增加了对土壤水分的消耗,3年平均A1、A2、A3较B1、B2、B3全生育期日耗水量分别增加0.11 mm、0.14 mm和0.25 mm,以A3施肥增加土壤耗水最为明显,可加强春玉米关键时期作物对水分的利用。

图2 不同处理下春玉米不同生育时期0～200 cm土层土壤蓄水量Fig.2 Soil water storage in 0-200 cm layers of spring maize field at different growth stages under different treatments

表3 不同生育时期土壤蓄水量与春玉米籽粒产量的相关性Table 3 Correlation between soil water storage capacity at different growth stages and yield of maize

2.3 不同耕作与施肥下玉米产量与水分利用效率

不同耕作施肥组合下玉米产量和水分利用效率见表5。耕作处理区,秸秆覆盖免耕与秸秆覆盖深松显著提高了春玉米籽粒产量,3年平均B2、B3较B1籽粒产量分别提高3.09%和4.14%,水分利用效率分别提高3.6%和8.2%,在旱地玉米田采用保护性耕作有利于产量提高和水分的高效利用。耕作施肥处理区水分利用效率与产量的差异反映了耕作施肥组合模式的水分与产量效应,可以看出A2与A3模式产量与水分利用效率均有提高,其中产量提高559～1 326 kg×hm-2、659～1 495 kg×hm-2,水分利用效率提高0.99～3.37 kg×hm-2×mm-1、0.65～3.82 kg×hm-2×mm-1,较A1均表现为水分的高效生产。耕作施肥处理区与无肥处理区产量与水分利用效率的差值反映了不同耕作下的施肥效应,施肥能明显提高春玉米产量与水分利用效率,3年平均A1、A2、A3产量分别提高1 065 kg×hm-2、1 790 kg×hm-2和1 909 kg×hm-2,水分利用效率分别提高2.0 kg×hm-2×mm-1、3.45 kg×hm-2×mm-1和3.33 kg×hm-2×mm-1,3种施肥方式下以氮磷钾平衡施肥产量与水分利用效率提高最大,因此深松与平衡施肥组合能较大幅度地提高春玉米产量与水分利用效率,达到旱地玉米水分高效生产的目的。

图3 春玉米不同生育阶段不同处理的日土壤耗水量Fig.3 Daily soil water consumption at different growth stages of spring maize under different treatments

表4 春玉米不同生育阶段土壤日耗水量与产量相关性Table 4 Correlation between daily soil water consumption at different growth stages and yield of maize

表5 不同处理下春玉米产量与水分利用效率(WUE)Table 5 Yield and water use efficiency(WUE)of maize under different treatments

3 讨论与结论

通过相关性分析可知,拔节期土壤蓄水量对春玉米产量影响最大,其次为抽雄期,这与人们传统的认识有所不同[23-25],可能是因为该地区降雨不足,土壤贮水补充后期作物生长发育所消耗的大部分水分,因此在春玉米关键生育时期到来之前应保证充足的土壤水分。秦红灵等[26]也指出无论是何种耕作方式,除生育期降雨外,底墒是土壤供水的重要组成部分,旱地玉米田提高拔节与抽雄期土壤蓄水能有效提高春玉米籽粒产量。

保护性耕作较传统耕作能更好地蓄水保墒、提高水分利用效率和产量这是众多学者认同的,也是经过实践检验的[27-29]。本试验结果表明,秸秆覆盖免耕(B2)和秸秆覆盖深松(B3)较翻耕(B1)均能显著提高春玉米播前土壤蓄水量,土壤蓄水保墒能力显著增强,同时能有效抑制春玉米生长前期地表裸露造成的无效蒸发,提高春玉米关键生育时期土壤蓄水量,将有限的土壤水尽可能地用于生产玉米籽粒。进一步对耗水量与产量进行相关性分析发现,抽雄—灌浆生育阶段土壤耗水量与产量呈显著正相关,提高春玉米抽雄—灌浆期土壤水分,增加作物关键生育时期的土壤水分利用,有利于籽粒产量的提高。这应该与作物生长前期地表裸露,保护性耕作较传统耕作可以更好地减少地表蒸散有关[30-32],提高作物生长关键生育时期的土壤蓄水量,增加作物可利用的土壤水分。这恰好遵循了春玉米生长耗水规律,前期保墒,后期供作物生长所需要的土壤水分。可见保护性耕作技术调控作物生长期间水分的消耗,使之满足玉米水分消耗规律,这也是玉米籽粒产量提高的主要原因之一。

提高施肥量可以显著提高玉米水分利用效率和产量[33-34]。本研究也发现施肥能有效增加作物生长前期土壤蓄水量,并显著提高水分利用效率和玉米籽粒产量。氮、磷、钾平衡施肥对水分利用效率与产量提高最为明显。因此保护性耕作模式下玉米产量与水分利用效率的提高,一方面是由于保护性耕作的蓄水保墒效应,提高了春玉米关键生育时期土壤水分含量,另一方面施肥量的增加提高单位水资源生产的籽粒产量,同时深松与平衡施肥组合栽培模式是该地区玉米高效生产较为适合的种植模式,在旱地玉米田推行保护性耕作模式能充分利用旱区有限的水资源,对旱区玉米高效生产具有重要意义。

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Effect of tillage and fertilization on water use efficiency of maize in dryland conditions*

WANG Hao1,WANG Shulan1,XU Zonggui2,LI Jun1**
(1.College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.College of Forestry,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

As crop production in rain-fed systems is highly dependent on natural rainfall,making full use of rainfall andincreasing water use efficiency are the main modes of dryland farming.Spring maize is one of the main grain crops in Weibei drylands where the plowing induces greater soil water evaporation.Conventional tillage is conducive for high water use efficiency in dryland farming.A study on fertilization and tillage in a field experiment was conducted in Weibei highlands in 2013–2015 to determine the effects of tillage and fertilization on soil water consumption and water use efficiency of spring maize in Weibei drylands.A total of six treatments were processed in the experiment— conventional tillage with low fertilization(A1),no-tillage with high fertilization(A2),subsoiling with balanced fertilization(A3),conventional tillage without fertilization(B1),no-tillage without fertilization(B2)and subsoiling without fertilization(B3).Soil water moisture in the 0-200 cm layer during fallow period and maize growth stages was measured and also grain yield under different treatments measured.The results showed that:1)conservation tillage significantly improved soil water storage during fallow period.Compared with B1,B2 and B3 treatments increased oil water storage by 23.39 mm and 27.73 mm,respectively.2).Conservation tillage increased soil water storage during the growth stage.Compared with B1,B2 and B3 enhanced water storage in the 0-200 cm by 13.41 mm and 15.70 mm,respectively.Compared with A1,A2 andA3 improved soil water storage by 13.15 mm and 19.54 mm,respectively.During the experiment,balanced fertilization effectively improved average soil water storage for the whole growth period by 6.79 mm.3) Conservation tillage combination with fertilization increased grain yield and water use efficiency.Compared with B1 treatment,B3 improved grain yield by 212-576 kg×hm-2and increased water use efficiency(WUE)by 0.83-2.21 kg×hm-2×mm-1(P<0.05).Also compared with A1,A3 treatment increased grain yield by 659-1 495 kg×hm-2and WUE by 0.65-3.82 kg×hm-2×mm-1(P<0.05). Balanced fertilization had the highest grain yield and WUE.Compared with low and high fertilization,balanced fertilization increased grain yield by 1 268-2 682 kg×hm-2,and improved WUE by 0.08-4.45 kg×hm-2×mm-1(P<0.05).Correlation analysis showed a significant positive correlation between grain yield and soil water consumption during grain-filling stage.It was also noted that conservation tillage improved soil water storage in the early growth,increased soil water storage during tasseling-grain filling stage and promoted WUE at critical periods to increase grain yield.Thus,the combination of subsoiling with balanced fertilization was a suitable tillage system for enhancing grain yield and WUE in Weibei drylands.

Spring maize;Conservation tillage;Soil water consumption;Water use efficiency;Yield

Nov.5,2016;accepted Mar.1,2017

S513

A

1671-3990(2017)06-0856-09

10.13930/j.cnki.cjea.160990

王浩,王淑兰,徐宗贵,李军.耕作与施肥对旱地玉米田土壤耗水量和水分利用效率的影响[J].中国生态农业学报, 2017,25(6):856-864

Wang H,Wang S L,Xu Z G,Li J.Effect of tillage and fertilization on water use efficiency of maize in dryland conditions[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(6):856-864

* 国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02)、公益性行业(农业)科研专项(201303104,201503116)和国家自然科学基金项目(31571620)资助

**通讯作者:李军,主要从事旱作农业生态、高效农作制度和数字农作技术等方面的研究。E-mail:junli@nwsuaf.edu.cn

王浩,主要从事旱区水分高效利用技术研究。E-mail:nxywanghao@163.com

2016-11-05 接受日期:2017-03-01

* This study was supported by the National Key Technologies R&D Program of China(2015BAD22B02),the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China(201303104,201503116)and the National Natural Science Foundation of China(31571620).

**Corresponding author,E-mail:junli@nwsuaf.edu.cn