耕作和施肥方式对土壤水分及饲用玉米产量的影响

方彦杰 张绪成 侯慧芝 于显枫 王红丽 马一凡 张国平 雷康宁

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所/甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070)

饲用玉米(Zea mayL.)具有产量高、适应性强、用途广泛等特点，在西北半干旱区农牧业发展中占据重要地位[1]。受高产利益的驱动，当前农业生产中长期大量化肥的投入及大面积的连作种植，以及传统的土壤耕作方式，导致土壤耕层变浅，蓄水保墒能力和肥料利用率降低，严重制约了西北半干旱区的玉米生产[2－4]。因此，解决传统耕作和化肥大量投入造成的土壤蓄水保墒效果差、养分供应失衡、有机质含量下降以及由此造成产量低且不稳等问题[5]，对促进半干旱区农业的可持续发展具有重要意义。

适宜的土壤耕作措施能够改变土壤的物理化学性状，提高作物产量和水分利用效率[6－7]。农机深松耕作是改善耕地质量，提高农业综合生产能力，促进农业可持续发展的重要举措[8]。研究表明，在黄土高原半干旱区深松可通过改善土壤质量和缓解土壤水分耗损，提高旱地玉米产量和水分利用效率，而传统耕作会加速土壤水分耗竭和土壤质量下降[9]。立式深旋耕是近年来以深松耕技术为基础发展起来的一项新型机械化耕作技术[10－12]，在不扰乱土层的同时对土壤深松，可使耕层呈粉碎颗粒状，疏松而不易黏结，增加了土壤的通透性和保水性[13]。已有研究表明，立式深旋耕能够增强土壤蓄水保墒能力，提高作物对土壤水分的吸收，有利于作物的生长发育和产量形成，使得饲用玉米籽粒产量增加2.4% ～38.6%，生物量增加3.4%～16.2%[3]。合理施肥能够显著提高作物产量和生产效益[14－16]，但是近年来，为促增产，化肥投入过量，加之畜禽养殖废弃物等有机肥资源利用不足，造成农业生产成本增加和环境污染，影响了农产品的品质和生产效益[17－19]。因此，加快推进农业绿色发展，实施有机肥替代化肥十分重要[17]。研究表明，有机肥(厩肥)能维持和提高土壤肥力，效果显著优于化肥[20]，可提高0～200 cm 土层平均贮水量和玉米水分利用效率[16]，且产量高于单施化肥处理[19，21]。目前，关于半干旱区不同的耕作方式、有机肥替代化肥的研究较多，并且有机肥替代部分化肥已成为化肥减施的有效措施[22－23]。而关于立式深旋耕条件下，有机肥替代对饲用玉米土壤水分、干物质积累和产量的研究鲜有报道。因此，本研究针对西北半干旱区饲用玉米生产中传统耕作方式及过量施肥造成水肥利用率不高等问题，设置不同耕作和施肥方式组合，研究其对饲用玉米水分利用、生长和产量的影响，以期为西北半干旱区全膜双垄沟播饲用玉米生产技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2017—2019年在甘肃省农业科学院定西试验站(104°36′E，35°35′N)进行。该区海拔1 970 m，年平均气温6.2℃，年辐射总量5 898 MJ·m－2，年日照时数2 500 h，≥10℃积温2 075.1℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm，6 ―9月降水量占年降水量的68%，降水相对变率为24%，400 mm 降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm 土层平均容重1.25 g·cm－3，田间持水量21.18%，凋萎系数7.2%。土壤含有机质11.99 g·kg－1、 全氮1.16 g·kg－1、 全磷0.25 g·kg－1、全钾17.3 g·kg－1，pH 值8.35。试验所用腐熟羊粪养分含量为:全氮0.63%，全磷0.4%，全钾0.4%。图1 为试验区2017—2019年饲用玉米生育期气温和降雨情况，3年平均气温分别为15.3、15.9 和15.2℃，降水量分别为352.5(属干旱年)、441.1 和439.3 mm(属丰水年)。

供试材料为饲用型玉米，品种为陇饲1 号，由甘肃省农业科学院作物研究所提供。

1.2 试验设计

试验设置传统旋耕(耕深15 cm，记作T)和立式深旋耕(耕深40 cm，记作VT)2 种耕作方式，组合化肥(施用量纯N 189 kg·hm－2、P2O5135 kg·hm－2、K2O 120 kg·hm－2，记作C)和有机肥替代化肥(有机肥为腐熟羊粪，施肥量为30 000 kg·hm－2，记作O)2 种施肥方式，共4 个处理(VTC、VTO、TC、TO)。其中氮肥采用普通尿素(N≥46%)，磷肥为磷酸二铵(P2O5≥46%，N≥18%)，钾肥为氯化钾(K2O≥60%)，所有肥料全做基肥施入。采用全膜双垄沟播种植方法，宽窄行种植，带宽100 cm，其中大垄宽60 cm，小垄宽40 cm，播种密度67 500 株·hm－2。试验小区面积5.8 m×7 m＝40.6 m2，随机区组排列，每处理3 次重复。玉米播种在垄沟内，播种深度4～5 cm。用玉米点播器人工穴播，每穴播种1～2 粒。2017年于4月20日播种、10月13日收获，2018年于4月19日播种、10月3日收获，2019年于4月22日播种、10月9日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生物量测定 在收获期每小区随机采样3 株称重，得生物量鲜重，然后采用烘干法测定干重，并计算鲜干比，鲜干比＝单株生物量鲜重/单株生物量干重。

1.3.2 土壤重量含水量 分别在播种期、开花期和收获期测定，深度为0～300 cm，每20 cm 为步长取1 个土样，取样位置为垄沟内两穴间，采用烘干法测定，用θ 表示重量含水量，%。

1.3.3 土壤贮水量 根据公式计算0～300 cm 土壤贮水量(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 阶段耗水量 根据公式计算0～300 cm 土层阶段耗水量(evapotranspiration，ET):

式中，SWSi为某个生育时期初始时的土壤贮水量，mm；SWSi＋1为该生育时期结束时的土壤贮水量，mm；P 为生育期降水量，mm。

1.3.5 产量及其构成因素 于成熟期每小区随机取10 株进行室内考种，测定株高、穗长、穗粗、秃顶长、穗粒数、百粒重、双穗率等。生物量:每小区取最中间2行，称鲜重后折算公顷产量；籽粒产量:每小区实收脱粒，晒干后称重并折算公顷产量。

1.3.6 水分利用效率 根据公式计算水分利用效率(water ues efficiency，WUE):

式中，Y 为饲用玉米籽粒产量或者生物量，kg·hm－2；ET 为耗水量，mm。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件对试验数据进行统计和绘制图表，运用SPSS 13.0 进行统计分析，采用Duncan 法对不同处理进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 耕作和施肥方式对饲用玉米生育期土壤贮水量影响

由图2 可知，立式深旋耕较传统旋耕明显降低了土壤贮水量。2017年饲用玉米0～300 cm 土层土壤贮水量播种期各处理间无显著性差异，传统耕作处理在开花期和成熟期均高于立式深旋耕处理，其中开花期传统旋耕化肥处理与立式深旋耕处理差异显著，成熟期传统旋耕有机肥替代处理较立式深旋耕化肥处理显著提高54.2 mm。2018年传统耕作处理0～300 cm 土层土壤贮水量在播种期、开花期和成熟期较立式深旋耕处理显著提高。2019年传统耕作处理0～300 cm 土层土壤贮水量也高于立式深旋耕处理，在3 个生育时期均表现为传统旋耕有机肥替代处理最高，且播种期和成熟期均与其他处理差异显著，但开花期仅与立式深旋耕处理差异显著；在同一耕作方式下，3 个生育时期有机肥替代处理均高于单施化肥处理，且立式深旋耕方式下均差异显著，而传统耕作方式下仅播种期和成熟期差异显著。

2.2 耕作和施肥方式对饲用玉米耗水特性的影响

由表1 可知，立式深旋耕较传统旋耕增加了饲用玉米0～300 cm 土层土壤总耗水量，有机肥替代能够降低立式深旋耕方式下的土壤耗水量，对饲用玉米花前和花后土壤水分的消耗有调控作用。2017年各处理0～300 cm 土层土壤耗水量表现为花前高于花后，立式深旋耕化肥处理的花前耗水量、花后耗水量及总耗水量均最高，且其花前耗水量与两传统旋耕处理差异显著、花后耗水量较两有机肥替代处理差异显著、总耗水量较其他处理均差异显著。2018年和2019年各处理0～300 cm 土层土壤耗水量均表现为花后高于花前。2018年传统旋耕有机肥替代处理花前耗水量显著低于其他处理；立式深旋耕处理总耗水量高于传统耕作处理，但处理间无显著性差异；2019年花前耗水量、花后耗水量及总耗水量均表现为立式深旋耕处理高于传统旋耕处理，均以立式深旋耕化肥处理最高，且其花后及总耗水量与两传统旋耕处理差异显著。

表1 饲用玉米花前和花后0～300 cm 土层土壤耗水量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 耕作和施肥方式对饲用玉米成熟期单株生物量及鲜干比的影响

由图3 可知，立式深旋耕方式较传统旋耕明显增加了饲用玉米单株鲜重和干重，且结合有机肥替代能增加干旱年份(2017年)饲用玉米生物量。2017年饲用玉米成熟期单株干重、鲜重及鲜干比均以立式深旋耕有机肥替代处理最高，且鲜干比、单株干重和鲜重均与两传统旋耕处理(除传统旋耕有机肥处理的鲜干比)差异显著。2018年成熟期单株干重和鲜重均以立式深旋耕化肥处理最高，较两传统旋耕处理分别显著增加2.6%～6.0%和2.8%～7.1%。2019年与2018年表现相似，成熟期立式深旋耕化肥处理单株干重、鲜重及鲜干比较其他处理分别增加1.1%～9.1%、6.0%～15.1%和4.8%～7.3%，其中单株鲜重差异均达显著水平。

2.4 耕作和施肥方式对饲用玉米籽粒产量、生物量和水分利用效率的影响

由图4 可知，立式深旋耕对饲用玉米籽粒产量和生物量的增加有明显促进作用，其中2017―2019年立式深旋耕化肥处理籽粒产量较立式深旋耕有机肥替代处理分别增加2.4%、7.5%、1.8%，而较两传统旋耕处理分别显著增加27.5%和38.6%、12.1%和8.8%、16.9%和10.8%。3年生物量均表现为立式深旋耕处理显著高于传统旋耕处理，其中2017年以立式深旋耕有机肥替代处理最高，2018年和2019年则以立式深旋耕化肥处理最高。2017年籽粒产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机肥替代处理最高，较其他处理显著增加6.3%～34.8%和7.1%～21.5%，而2018年和2019年处理间均无显著性差异。

2.5 耕作和施肥方式对饲用玉米农艺及经济性状的影响

由表2 可知，立式深旋耕和有机肥替代有效改善了饲用玉米农艺及经济性状，其中2017年传统旋耕化肥处理株高显著低于其他处理，2018年和2019年各处理株高无显著差异，但均以立式深旋耕有机肥替代处理最高，较其他处理分别增加0.4%～1.1%和1.2%～6.0%。3年穗长表现为立式深旋耕处理显著高于传统旋耕处理(除2019年传统旋耕化肥处理)。3年穗粗均以立式深旋耕化肥处理最高，且与传统旋耕有机肥替代处理差异显著。2017年和2019年立式深旋耕化肥处理秃顶长显著低于与其他处理。2017 ― 2019年立式深旋耕化肥处理行粒数较传统旋耕处理(除2019年传统旋耕化肥处理)显著增加。2017年和2018年百粒重均以立式深旋耕化肥处理最高，且2018年显著高于两传统旋耕处理；2019年则以立式深旋耕有机肥替代处理最高，并显著高于立式深旋耕化肥处理和两传统旋耕处理。2018年双穗率以立式深旋耕有机肥替代处理最高，较其他处理增加0.8～6.9 个百分点；2019年则以立式深旋耕化肥处理较高，但与立式深旋耕有机肥替代处理无显著差异，两立式深旋耕处理均显著高于两传统旋耕处理。饲用玉米籽粒产量、生物量与经济性状的相关性分析表明(表3)，株高(0.99∗∗、0.99∗∗)、穗长(0.98∗∗、0.99∗∗)、穗粗(－0.83∗∗、0.95∗∗)、秃顶长(0.97∗∗、－0.89∗∗)、行粒数(0.99∗∗、0.99∗∗)、百粒重(0.83∗∗、0.97∗∗)、双穗率(0.98∗∗、0.75∗∗)均与饲用玉米籽粒产量和生物量具有极显著相关性。

表3 饲用玉米产量和农艺及经济性状相关性分析Table 3 Coefficients of pairwise correlations of yield and agronomic and economic characters of forage maize

3 讨论

适宜的土壤耕作和施肥方式能够优化土壤物理化学特性，增加作物对土壤水分的有效消耗和吸收利用。本研究中，立式深旋耕处理较传统旋耕降低了3年饲用玉米开花期和成熟期土壤贮水量，增加了半干旱区全膜双垄沟播饲用玉米对土壤水分的消耗，但不同年份立式深旋耕方式下有机肥替代对土壤贮水量的影响结果并不一致，增加了2017年和2019年开花期和成熟期土壤贮水量，而2018年开花期和成熟期土壤贮水量表现不同，可见饲用玉米生育期土壤贮水量不仅与生育期耗水量有关，还与生育期降水量及其分配有关。本研究中，3年立式深旋耕处理均较传统旋耕处理增加了花前耗水量和总耗水量，且立式深旋耕条件下总耗水量化肥处理均高于有机肥替代处理，可见立式深旋耕主要通过增加饲用玉米花前耗水量，进而增加生育期总耗水量，而有机肥替代能够较单施化肥降低土壤水分的总消耗。表明半干旱区全膜双垄沟播饲用玉米土壤耗水量不仅与饲用玉米本身对土壤水分的吸收利用有关[23]，也与不同土壤耕作和施肥措施对土壤水分的影响有关。由于立式深旋耕技术打破犁底层，增加了耕层厚度和土壤孔隙度，改善了土壤的蓄水性[10－11]，不仅促进了饲用玉米对土壤水分的吸收利用，明显增加了0～300 cm 土层土壤耗水量，也有利于提高降水资源利用效率和旱地蓄水保墒性能[24]；而土壤增施有机肥后能够改善其物理性质、增加土壤水分库，抑制土壤水分蒸发、增加降水入渗，可提高土壤有效水含量[25]。

立式深旋耕和有机肥替代技术能够改善作物生长的土壤环境，有效协调作物营养生长和生殖生长的关系，进而提高作物产量和水分利用效率[10，26－27]。研究表明，由于立式深旋耕后土壤疏松多孔，有利于提高其接纳雨水的能力[11]，有机肥有助于改善土壤的物理结构，提高土壤含水量[17]，2 种方式均能够改善作物生长环境，增加土壤有效水分和养分含量，提高玉米产量和水分利用效率[24]。西北半干旱区全膜双垄沟播玉米由于长期传统旋耕导致犁底层上移，土壤耕层物理结构变差，通过立式深旋耕可以改善这一情况；另外，如果在立式深旋耕作的基础上施用有机肥，不仅能增加土壤有机质含量，还可提高立式深旋耕作的效果[28]。前人研究得出，半干旱区全膜双垄沟播玉米深松耕比传统翻耕生物量和籽粒产量分别增加6.1%～5.6%、18.6%～28.8%，水分利用效率提高28.1% ～32.9%[5]；而将深松和施用有机肥组合可显著提高玉米株高和茎粗，增加干物质积累量和玉米籽粒产量，提髙水分利用效率和降雨利用效率[29]。本研究中，在丰水年立式深旋耕化肥处理成熟期单株干重、鲜重及鲜干比最高，而在干旱年则以有机肥替代处理最高，且立式深旋耕处理均较传统旋耕处理明显增加。另外，立式深旋耕处理不同程度地增加了饲用玉米籽粒株高、穗长、穗粗、行粒数、百粒重、双穗率，降低了秃顶长等，均有利于饲用玉米产量和生物量的提高，进而有助于土壤水分利用效率的提高。本研究还表明，3年籽粒产量均以立式深旋耕化肥处理最高，其次为立式深旋耕有机肥替代处理。在丰水年立式深旋耕化肥处理生物量最高，立式深旋耕有机肥替代处理次之，而在干旱年立式深旋耕有机肥替代处理最高。在干旱年籽粒产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机肥替代处理最高，且显著高于两传统旋耕处理。表明立式深旋耕和有机肥替代技术组合创造了疏松深厚的耕作层，改善了土壤物理状况，增强了土壤蓄水能力，有利于根系对土壤水分和养分的吸收，促进了饲用玉米生长发育和干物质积累，保证了较高的玉米产量

和干旱年的水分利用效率。

4 结论

在西北半干旱区，较传统旋耕，立式深旋耕能够有效打破多年全膜双垄沟播种植形成的土壤犁底层，疏松土壤，提高饲用玉米花前耗水量，增加生育期总耗水量，降低饲用玉米生育期土壤贮水量，而有机肥替代能够增加饲用玉米生育期土壤贮水量，降低土壤水分的总消耗；立式深旋耕结合化肥处理可提高饲用玉米成熟期单株干重、鲜重，增加株高、穗长、穗粗、行粒数、百粒重、双穗率，降低秃顶长，从而显著增加籽粒产量和生物量；另外，立式深旋耕与有机肥替代结合后还可显著提高干旱年份生物量和水分利用效率，有利于干旱年全膜双垄沟播饲用玉米增产增效。