旋耕深度对西北黄土高原旱作区土壤水分特性和马铃薯产量的影响

张绪成 马一凡 于显枫 侯慧芝 王红丽 方彦杰 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

西北黄土高原降水少、蒸发强, 但深厚的土层是有效的“土壤水库”[1], 在缓解干旱胁迫中发挥了至关重要的作用。机械化旋耕技术的应用大幅度提高了耕作效率, 但长期旋耕形成了相对坚硬的犁底层, 耕层呈逐年变浅的态势, 使得土壤物理性状恶化, 并由此导致耕地质量和生产力下降[2-5]。谢军红等[6]报道, 旋耕0～30 cm 土层的土壤容重随土层深度增加呈增大趋势, 形成了较为坚硬的犁底层, 使作物产量下降[7]; 石磊等[8]在陕北黄土高原调查结果显示, 土壤犁底层变浅、容重和紧实度增加, 影响作物根系下扎和水分养分运移, 是长期旋耕造成土壤障碍的主要因素, 导致生产力明显下降。针对这一问题, 农业农村部出台了《全国农机深松整地作业实施规划(2016—2020 年)》, 以通过深松打破犁底层,优化土壤水肥环境和提高作物资源利用效率[9-12]。

马铃薯是西北黄土高原半干旱区主栽作物之一,该区也是我国马铃薯优势产区和主产区[13]。以甘肃省为例, 2017 年全省马铃薯播种面积超过66.7 万公顷, 总产量达到1200 万吨[14], 虽然在全膜覆盖条件下显著提高了降水利用率, 但单产低于全国平均水平[15], 这主要是季节性干旱胁迫、耕地质量较差等因素共同作用的结果。因此, 通过优化耕作措施来增强土壤的水肥供应能力[16-17], 将是进一步提高旱作马铃薯产量的主要方向之一。立式深旋耕作(粉垄技术、深旋松技术)是首先应用于山药的一项耕作技术, 其特点是利用螺旋犁头, 将土壤粉碎但不改变土壤的垂直层次结构, 结合了深松和旋耕的优点,旋耕深度可达到60 cm 以上[18-20]。Zhai 等[21]在黄淮海玉米上的研究表明, 深旋松(立式深旋耕作)能够显著降低土壤容重, 提高土壤通透性, 提高土壤蓄水能力, 促进玉米根系发育, 使产量和水分利用效率显著增加; 在东北棕壤上也取得了相似的研究结果。目前, 该项技术在玉米、小麦、山药、花生、大豆、水稻、甘蔗、马铃薯等作物上取得了显著增产效果[18-23]。我们在半干旱区马铃薯上的研究也证明, 立式深旋技术能够显著降低黄绵土的土壤容重,提高土壤孔隙度, 改善土壤水分特性, 实现马铃薯的抗旱增产[23-24]。

旋耕深度是影响土壤特性尤其是水分性状的一个关键因素, 增加耕作深度能够改善土壤水分状况和促进作物生长发育, 这已在松辽平原玉米[25]、黄淮海平原冬小麦[26]、胶东平原[27]和黄土高原半干旱区马铃薯[24]上得到证明, 认为增加耕作深度提高了土壤贮水量和作物地上、下部生长发育。然而, 耕作深度对作物生长发育的影响因作物而异, 当旋耕深度增加到40 cm 时, 产量反而下降[26]。但对于块茎类作物如马铃薯, 增加旋耕深度一方面能够优化土壤的水分特性, 提高土壤水肥供应能力而增强抗旱性; 另外, 疏松的土壤有利于块茎生长, 这同样是提高产量的一个积极因素。进一步加深旋耕深度将会促进水肥在土壤中的运移, 是否具有进一步提升产量和作物抗旱性的作用, 并通过影响作物的耗水进程以缓解季节性干旱对作物生产的胁迫强度？目前对此尚无探讨。将立式深旋耕作的旋耕深度增加至60 cm, 研究不同旋耕深度对土壤水分性状和马铃薯生长发育的影响, 将为建立马铃薯水分高效、产量提升的耕作制度提供依据。鉴于此, 本研究设置了15、40 和60 cm 3 种旋耕深度, 研究其对马铃薯阶段耗水、干物质积累、叶面积指数、叶片SPAD 值, 以及产量、水分利用效率的影响, 以期为确定西北黄土高原旱作区马铃薯抗旱增产的耕作技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2017 年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村,104°36′E, 35°35′N)进行。该区属于典型的半干旱雨养农业区, 也是我国优质马铃薯主产区之一。区域多年平均降水为 415 mm, 年平均蒸发量高达1500 mm, 春季低温少雨, 降水主要集中在秋季, 7月至9 月份降水平均占全年总量的65%。试区属中温带半干旱气候, 海拔高度为1970 m, 作物一年一熟; 多年平均气温6.2℃, ≥10℃积温2075.1℃, 无霜期140 d, 为典型的寒旱农业区; 光照充足, 多年平均日照时数为2500 h, 年总辐射量达5898 MJ m-2。试验区土壤属于黄绵土, 土层厚度达50 m 以上。土质相对疏松, 0～30 cm 土层平均容重1.25 g cm-3, 田间持水量和凋萎系数分别为21.18%和7.2%, 土壤质量较差, 有机质含量在10 g kg-1左右。

2016 年马铃薯生育期内降水量为179.3 mm, 全年降水量为289.3 mm, 分别占多年平均的68.7%和55.2%, 属严重干旱年份; 2016 年平均气温为7.5℃,较多年平均增加了1.3℃, 因此, 该年为干旱和高温年份, 对马铃薯生产有不利影响。2017 年马铃薯生育期内降水量为353.5 mm, 全年降水量为430.3 mm,属于平水年, 但2 年均在马铃薯盛花期发生持续干旱, 季节分配不均(图1); 2017 年气温与多年平均温度基本持平。2 年的降水和气温有明显不同, 对马铃薯的生长造成了较明显的影响。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计, 设置3 个旋耕深度,即传统旋耕15 cm (traditional rotary tillage, TT)、立式深旋松耕40 cm (vertically rotary sub-soiling tillage,VRT)和立式深旋松耕60 cm (VRT6) 3 个处理, 均在2016 和2017 年的3 月中旬机械耕作。耕作后即施肥、起垄和覆盖地膜。每处理3 次重复, 小区面积6 m ×10 m = 60 m2。采用全膜覆盖垄上微沟种植方法(图2),大垄宽为60 cm, 大沟宽为40 cm, 在大垄上开微沟,微沟宽度为20 cm, 微沟内每50 cm 打孔以确保降水入渗。马铃薯在垄顶部按“品”字形种植, 种植密度60,000 穴 hm-2, 每穴种植1 株。2016 年和2017 年均在4 月20 日播种, 2016 年9 月上旬收获, 2017 年10 月上旬收获。土壤水分均在微沟内取样。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤物理性状 参照土壤理化分析的方法[25]测定马铃薯播前0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层的土壤容重、田间持水量、饱和含水量、毛管含水量。采用环刀法(环刀容积为100 cm3)测定土壤容重。利用测定容重的环刀浸入水中24 h, 称重至恒质量, 按公式(1)计算田间持水量,公式(2)计算饱和含水量; 将饱和后的环刀样置于铝盒上, 中间用滤纸隔开, 放置12 h烘干至恒质量, 并称重, 按照公式(3)计算土壤毛管含水量。

饱和含水量(%) = (浸泡后土质量–烘干土质量)/烘干土质量×100% (1)

土壤毛管含水量(%) = (放置后的土质量–烘干的土质量) /烘干的土质量×100% (2)

田间持水量(%) = (浸泡后土质量–烘干土质量)/100 (3)1.3.2 土壤贮水量 于马铃薯播前、现蕾期、盛花期和收获期用烘干法测定0～200 cm土层土壤含水量, 每20 cm为1个层次, 每小区在垄上微沟内的马铃薯株间测定1个位点。按照公式(4)计算土壤贮水量。

SWS (mm)= SWC × γ × d /100 (4)

式中, SWC 为土壤重量含水量(g kg-1); γ 为土壤容重(g cm-3); d 为土壤深度(cm)。

1.3.3 SPAD和LAI 于马铃薯现蕾期、盛花期和块茎膨大期, 在晴天10:00用SPAD-502 PLUS (柯尼卡美能达, 日本)测定叶片SPAD值, 选择倒二枝的顶叶为测定对象, 每个叶片避开叶脉自上而下测定3次,每小区选择10个叶片。同时用美国CID公司生产的CI-110植物冠层数字图像分析仪测定叶面积指数(LAI), 每小区测定3次, 计算其平均数为小区LAI。

1.3.4 水分利用效率的计算 测定马铃薯播前和收获后0～200 cm土层的土壤含水量, 按照公式(5)计算马铃薯水分利用效率。

式中, 块茎产量由小区实际测定产量换算得出, ET为蒸散量, 按照公式(6)计算。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003和DPS v3.01专业版统计分析软件处理数据, Tukey法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同旋耕深度对土壤容重的影响

立式深旋耕作能显著降低土壤容重(图3)。与TT 相比, VRT 在0～10、10～20 和20～40 cm 土层的土壤容重在2016 年分别降低了11.8%、12.1%和20.2%,2017 年分别降低了13.3%、13.8%和25.3%, 均达到显著差异水平, 在40～100 cm 土层无显著差异。VRT6 在0～10、10～20、20～40 和40～60 cm 土层的土壤容重2016 年分别降低了13.2%、13.7%、25.7%和10.5%, 2017 年相应地降低了12.1%、10.1%、32.9%、23.8%, 但在60～100 cm 土层二者无显著差异。与VRT 相比, VRT6 在40～60 cm 土层的土壤容重分别在2016 年和2017 年下降20.0%和18.1%, 达到显著差异, 在其余土层二者无显著差异。

2.2 不同旋耕深度对土壤水分特性的影响

与TT 相比, VRT 在0～10、10～20、20～40 cm 土层的饱和含水量在2016 年增加了27.0%、34.1%和53.4%, 2017 年则相应地提高了 27.3%、35.1%和48.0%, 达到显著差异水平, 其余土层差异不显著;VRT6 在0～10、10～20、20～40 和40～60 cm 土层的土壤饱和含水量在 2016 年分别增加了 30.8%、34.8%、43.7%和25.5%, 2017 年这一数值为30.7%、33.6%、53.9%和31.3% (图4-a, d), 均达到显著差异,在60～100 cm 土层无显著差异; VRT6 在40～60 cm 的饱和含水量较VRT 在2016 和2017 年分别显著提高了24.8%和30.4%, 但在其余土层无显著差异。与饱和含水量结果相似, VRT6 在0～60 cm 土层、VRT 在0～40 cm 土层, 均较TT 显著提高了土壤毛管含水量,VRT6 的增加幅度在2016 年和2017 年的分别为30.5%～57.2% 和 32.6%～57.4%, VRT 则 分 别 为27.0%～53.4%和32.8%～57.9% (图4-b, e)。与TT 相比, VRT6 显著提高了0～60 cm 土层田间持水量,2016 年和2017 分别增加了7.8%～24.1%和8.8%～29.8%, VRT 在0～40 cm 土层的田间持水量则分别提高了9.3%～22.3%和9.4%～24.7% (图4-c, f)。VRT6和VRT 的土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量在20～40 cm 土层的增加幅度最大, 表明多年浅旋耕在这一层次形成了较为坚硬的犁底层。

2.3 不同旋耕深度对土壤贮水量的影响

2016 年播前, VRT6 在0～60 cm、VRT 在0～40 cm土层的土壤贮水量较TT 分别增加了12.0 mm 和12.7 mm, VRT6 在40～60 cm 土层的土壤贮水量较VRT 增加了2.8 mm, 均达到显著差异(图5-a), 现蕾期VRT6 和VRT 的土壤贮水量在0～20 cm 土层无显著差异, 但显著高于TT, 且VRT6 在160～200 cm 土层显著低于 VRT 和 TT (图 5-b); 在盛花期的20～100 cm 土层, VRT6 较VRT 下降了18.2 mm; 在20～140 cm 土层, VRT6 和VRT 较TT 分别下降了61.0 mm 和39.7 mm, 均达到显著差异(图5-c)。在收获期的80～200 cm 土层, VRT6 的土壤贮水量较VRT和 TT 分别降低了 47.0 mm 和 98.3 mm; 在100～200 cm 土层, VRT 较TT 下降了51.7 mm, 均达到显著差异(图5-d)。2017 年播前, VRT6 在0～100 cm土层土壤贮水量较VRT 和TT 分别下降了59.6 mm和34.7 mm, 而VRT 较TT 在40～120 cm 土层增加了39.2 mm, 但TT 在160～200 cm 土层较VRT6 和VRT分别增加了20.0 mm 和12.3 mm (图5-e), 均达到显著差异。在现蕾期, VRT6 在0～120 cm 土层的土壤贮水量较TT 下降了66.1 mm, 并在各层次达到显著差异; 在0～100 cm 土层较VRT 下降了55.3 mm, 各层次差异显著; 在0～140 cm 土层, 3 个处理无显著差异(图5-f); 在盛花期, VRT6 分别在0～60 cm 较VRT、0～80 cm 土层较TT 下降了43.9 mm 和65.3 mm, 各层次均达到显著差异水平; 但在120～200 cm 土层,VRT6 较VRT 显著增加了24.5 mm, 较TT 增加了15.6 mm, 且在140～160、180～200 cm 土层达到显著差异(图5-g)。在收获期, VRT6 在0～120 cm 较VRT 和TT 分别显著下降了103.4 mm 和115.6 mm,在各土层均达到显著差异, 但VRT 和TT 之间无差异; 在140～180 cm 土层, VRT6 显著高于VRT, 但和TT 之间差异不明显; 其他层次3 个处理无显著差异(图5-h)。

2.4 不同旋耕深度对马铃薯阶段耗水量的影响

VRT6 在播种到现蕾期的耗水量在 2016 年和2017 年分别较VRT 增加了41.9%、40.7%, 较TT 增加了88.5%、56.9%; VRT 较TT 在2016 年增加了32.8%, 差异显著(图6)。在现蕾到盛花期, 2016 年VRT6 较VRT 和TT 分别增加了81.1%和144.2%,VRT 较TT 增加了34.8%; 2017 年VRT6 的耗水量最低, 分别较VRT 和TT 下降了53.5%、26.6%, TT 较VRT 下降了57.8%。在盛花期至收获期, 2016 年3个处理耗水量之间无显著差异, 但2017 年VRT6 较VRT 和TT 显著增加了42.2%、38.3%, VRT 和TT之间无显著差异。

2.5 不同旋耕深度对马铃薯SPAD 值和叶面积指数的影响

3 种旋耕深度的马铃薯叶片SPAD 值在苗期和现蕾期无显著差异(图 7)。在盛花期, 2016 年VRT6 较TT 显著增加了32.7%; 2017 年3 个处理间差异不显著。在块茎膨大期, VRT6 的SPAD 值在2016 和2017 年较TT 分别增加了41.3%、27.8%,并在2017 年与VRT 差异显著; VRT 的马铃薯叶片SPAD 值在2016 年和2017 年较TT 分别增加了25.2%、21.8%, 均达到显著差异。VRT6 的叶面积指数(LAI)在2 年的不同生育时期均高于VRT 和TT, 并在全生育期与TT 达到显著差异, 2016 年和2017 年分别增加了29.9%～64.3%、34.1%～114.8%;在现蕾期至块茎膨大期与VRT 达到显著差异, 分别增加了17.0%～38.4%、17.1%～56.6%。在现蕾期至块茎膨大期, VRT 的LAI 显著高于TT, 2016 年和 2017 年分别增加了 16.7%～27.0%、14.5%～37.1%。

2.6 不同旋耕深度对马铃薯产量、耗水量和水分利用效率的影响

VRT6 和VRT 的块茎产量在2016 年较TT 分别增加了 49.9%、47.8%, 2017 年增加 19.3%、41.0%, 均达显著差异; 但在2017 年, VRT6 的产量较VRT 显著下降了15.4%, 并呈显著差异水平(表1)。VRT6 的耗水量在2 年均显著高于VRT和TT, 2016 年和2017 年分别增加了24.7%、54.7%和19.2%、32.7%; 而且VRT 耗水量在2016 年和2017 年较TT 增加了24.0%、11.3%。VRT6 的水分利用效率(WUE)显著低于VRT 和TT, 2016 年和2017 年分别下降了67.5%、61.2%和53.5%、41.0%;VRT 较 TT 在 2016 年和 2017 年分别增加了19.5%、26.7%。

表1 不同旋耕深度对马铃薯产量、耗水量和水分利用效率的影响Table 1 Effects of different tillage depths on tuber yield, evapotranspiration, and water use efficiency of potato

3 讨论

立式深旋耕作能够显著降低土壤容重[20-21,23-24]。本试验中, VRT6 在40～60 cm 土层的土壤容重在2016 年和2017 年分别较VRT 显著下降了20.0%和18.1%; 而与TT 相比, VRT6 在0～60 cm 土层的土壤容重显著下降, VRT 在0～40 cm 土层显著下降。土壤容重下降将导致土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量发生变化[11-12], 影响土壤水分运移和供应能力。本试验中, VRT6 在0～10、10～20、20～40 和40～60 cm 土层的土壤饱和含水量在2016 年和2017年分别较TT 增加了30.8%、34.8%、43.7%、25.5%和30.7%、33.6%、53.9%、31.3%; VRT 则在0～10、10～20、20～40 cm 土层的饱和含水量在2016 年和2017 年分别增加了27.0%、34.1%、53.4%和27.3%、35.1%、48.0%; VRT6 较VRT 仅在40～60 cm 土层显著增加。毛管含水量和田间持水量呈相似的变化趋势。由于土壤水分性状发生明显变化, 使2016 年播前VRT6 在0～60 cm、VRT 在0～40 cm 土层的土壤贮水量分别较TT 增加了12.0 mm 和12.7 mm, 而VRT6 在40～60 cm 土层的土壤贮水量较VRT 增加了2.8 mm。虽然2017 年处理间土壤水分性状的变化与2016 年相似, 但土壤贮水量受马铃薯耗水的显著影响, 与2016 年呈现不同的变化。因此, 增加旋耕深度能够显著改变土壤水分性状, 进而影响土壤贮水量和作物耗水。

调节作物耗水进程是提高旱地作物水分利用效率和抵御季节性干旱的主要途径之一, 花前水分的过度消耗会加重季节性干旱胁迫程度[28], 促进马铃薯花后耗水能够显著提高产量[13]。本试验结果表明, 在西北黄土高原半干旱旱作区这一降水匮乏地区, VRT6 的耗水量在播种至现蕾期较VRT 和TT 显著增加, 但干旱年现蕾期0～160 cm 土层土壤贮水量在处理间差异不明显, 这主要是土壤的基础贮水量较高; 由于2016 年水分的大量消耗, 所以2017 年VRT6 的土壤贮水量在现蕾期显著低于VRT 和TT。现蕾期至盛花期是块茎形成的关键时期, 促进该时期的耗水量对提高马铃薯块茎数量有积极作用[13]。与TT 相比, VRT 在干旱年和平水年均能著提高现蕾期至盛花期的耗水量, 但VRT6 仅在干旱年提高此期耗水, 而在2017 显著低于TT。这主要是2017 年VRT6 在现蕾期0～100 cm 土层的土壤贮水量仅有165.8 mm, 而在2016 年则为233.6 mm, 而且此期降雨量2016 年为34.8 mm, 2017 年为18.7 mm。2017年VRT6 的土壤贮水量较低, 加之自然降水较少, 导致耗水明显下降, 对块茎形成产生了不利影响, 并导致花期土壤贮水显著低于VRT 和TT。2016 年花后耗水量在 3 个处理间无显著差异, 但 2017 年VRT6 显著高于VRT 和TT, 这主要依赖于此期降水量高达233.5 mm。

VRT6 在苗期较高的耗水促进了地上部发育,LAI 在全生育期显著高于TT, 在现蕾期至收获期显著高于VRT, 尤其是在2017 年块茎膨大期的叶片SPAD 值显著高于VRT 和TT, 这表明VRT6 促进了马铃薯在花后的地上部旺长, 这可能导致地上地下的同化物竞争, 不利于地上同化物向地下运转, 造成产量明显下降[29]。另外, 2016 年在花后的降水量仅为45.8 mm, 而2017 年则高达233.5 mm, 更加剧了这一不利作用。就全生育期耗水量来看, VRT6 在2 年均显著高于VRT 和TT; 虽然产量高于TT, 但在2017 年较VRT 显著下降, 而且水分利用效率显著低于VRT 和TT, 分别下降了53.5%和41.0%。因此, 在西北黄土高原半干旱雨养区, 增加旋耕深度虽然能够优化土壤的水分特性, 但显著促进了花前的耗水,这加剧了季节性干旱胁迫对旱作马铃薯产量形成的不利影响, 导致水分利用效率的显著下降, 而旋耕深度为40 cm 条件下, 能够在改善土壤水分状况,优化马铃薯花前花后耗水, 显著提高马铃薯产量和WUE。然而, 增加旋耕深度能促进马铃薯地上部分的生长发育, 在水分充足的条件下可能对提高产量有积极意义, 这需要进一步的研究证实。

4 结论

在西北黄土高原半干旱雨养区, 旋耕深度增加至60 cm 时, 显著降低耕作层的土壤容重、提高耕作层的土壤饱和含水量、毛管含水量和田间持水量,并提高2016 年马铃薯播前土壤贮水量; 但促进马铃薯花前耗水, 降低现蕾期和花期的土壤贮水量, 这将加剧季节性干旱的胁迫强度, 对马铃薯块茎形成不利, 导致产量和水分利用效率较VRT 下降。因此,在半干旱旱作区, 马铃薯种植的立式深旋旋耕深度以40 cm 为佳, 可优化土壤水分环境和耗水过程,显著提高产量和水分利用效率。