绿洲灌区麦后复种绿肥并还田对翌年玉米根系性状及水分利用效率的影响

王玉珑 于爱忠 吕汉强 吕奕彤 苏向向 王鹏飞 柴 健

绿洲灌区麦后复种绿肥并还田对翌年玉米根系性状及水分利用效率的影响

王玉珑 于爱忠*吕汉强 吕奕彤 苏向向 王鹏飞 柴 健

甘肃农业大学农学院 / 省部共建干旱生境作物学国家重点实验室, 甘肃兰州 730070

针对西北干旱绿洲灌区麦后休闲期长, 水分蒸发量大、水资源利用率不高等问题, 研究了绿肥不同还田方式对玉米根系性状和水分利用效率的影响及其相互关系, 以期为构建区域水资源高效利用种植模式提供理论依据和技术支撑。2020至2021年基于田间定位试验, 研究了绿肥全量翻压(tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil, TG), 绿肥地表覆盖免耕(no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface, NTG), 绿肥地上部移除根茬翻压(tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed, T), 绿肥地上部移除免耕(no-tillage with above ground manure removed, NT)和传统翻耕、休闲(conventional tillage and leisure, CT) 5个处理对轮作玉米土壤贮水量、玉米根系性状和水分利用效率的影响。结果表明, 绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理显著提高了0～110 cm土层土壤贮水量; 与CT相比, NTG和TG的全生育期平均土壤贮水量分别提高14.0%～15.0%和8.8%～12.0%。绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理显著提高了玉米根长、根表面积、根体积和根干重; 与CT相比, NTG和TG的根长分别提高20.7%～26.0%和19.9%～28.5%; 根表面积分别提高43.0%～52.9%和41.3%～58.7%; 根体积分别提高45.7%～46.7%和40.6%～46.7%; 根干重分别提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%。绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理显著提高了玉米籽粒产量和水分利用效率; 与CT相比, NTG和TG的籽粒产量分别提高15.4%～34.3%和19.1%～32.0%, NTG和TG的水分利用效率分别提高19.5%～39.2%和20.5%～34.8%。玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期的根长、根表面积与土壤贮水量均呈显著正相关, 根长、根表面积、根体积、根干重与水分利用效率均呈显著正相关。因此, 在干旱绿洲灌区绿肥地表覆盖免耕和绿肥全量翻压处理有利于改善土壤水分条件, 优化玉米根系生长, 从而提高产量和水分利用效率; 其中, 绿肥地表覆盖免耕处理效果突出, 可作为该区适宜的绿肥还田方式。

轮作; 绿肥; 玉米; 根系; 水分利用效率

北方干旱、半干旱区作为我国重要的粮食生产区, 具有光热资源丰富的特点, 但也存在土壤贫瘠、降水量少、蒸发量大、资源利用率不高等问题[1-2]。有研究者认为, 有效解决我国粮食安全问题不能只注重作物高产的研究, 必须同时考虑耕地土壤退化、资源的高效利用以及农业的可持续发展[3-4]。绿肥作为一种生育期较短的填闲作物, 一方面可以培肥土壤、改善土壤结构、促进作物养分供给[5-7]。另一方面, 能有效提高资源利用效率, 是实现农业高产、高效绿色可持续发展的有机肥源[8-9]。在当前水资源严重紧缺的形势下, 仅以土壤培肥为主要目的传统绿肥种植技术已不能满足当前作物生产的需求。将绿肥合理引入主栽作物种植模式, 并采用科学的绿肥还田利用方式, 在培肥土壤的同时, 提高水资源利用效率, 对干旱区构建节水型种植模式具有重要的理论和技术意义。绿肥还田对作物水分利用效率的影响因区域环境不同而存在差异。一些研究表明, 绿肥还田在提高主栽作物水分利用效率的同时, 还可有效降低土壤容重[10]、增加土壤大团聚体含量[11], 为作物生长创造良好的水分环境, 从而增加作物产量[12-13]。在半干旱和干旱地区降雨充足的年份, 种植豆科绿肥所消耗的土壤水分能够得到及时补充, 豆科绿肥有利于提高作物产量和水分利用效率; 但降雨不足的年份, 绿肥对土壤水分的消耗则会导致后茬作物产量下降, 水分利用效率降低[14]。

耕作是改善土壤结构的重要措施[15], 适当的耕作可增加土壤含水量, 促进作物根系生长, 进而提高水分利用效率[16-17]。当年降雨量低于500 mm时, 免耕可有效提高作物水分利用效率[18]。Kan等[19]在华北平原连续10年的试验结果表明, 免耕处理的水分利用效率显著高于旋耕和传统耕作。耕作结合覆盖措施可改善耕层土壤团粒结构, 增强休闲期和生育期土壤蓄水保墒能力, 从而提高作物产量和水分利用效率[20]。

根系是吸收和运输水分的关键器官, 是作物形态特征中调控水分利用效率不容忽视的内在因素[21],通过合理的栽培措施改善作物根系生长环境, 调节作物根系性状, 对提高作物水分利用效率具有重要意义[22-23]。前人研究大多仅关注了绿肥还田或耕作措施等单一因素对作物根系性状和水分利用效率的影响, 对二者综合效应的探讨相对较少。本研究针对西北干旱绿洲灌区麦后休闲期长、田间蒸发量大、水资源利用率不高等问题, 分析了绿肥不同还田方式对玉米农田土壤贮水量、根系性状和水分利用效率的影响, 明确了绿肥不同还田方式下根系性状与土壤贮水量以及水分利用效率之间的相互关系, 以期为区域构建水分高效利用种植模式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2020—2021年, 在甘肃农业大学武威绿洲农业综合试验站进行。试验站位于37°30′N、103°5′E, 海拔1506 m, 年均降雨量不足160 mm, 年蒸发量大于2000 mm, 属寒温带干旱气候, 灌溉水资源紧缺, 光热资源充足。2020年和2021年玉米生育期内总降雨量分别为133 mm和153.6 mm, 降雨量和温度日变化如图1所示。

1.2 试验设计

设置春小麦-绿肥-春玉米轮作, 重复1轮。春小麦-绿肥-春玉米轮作为2019年3月份种植春小麦, 7月份春小麦收获后翻耕复种箭筈豌豆, 10月份在箭筈豌豆盛花期设置4种还田方式, 2020年4月21日覆膜平作玉米, 9月25日收获。重复一轮设置为, 2020年3月份种植春小麦, 7月份春小麦收获后翻耕复种箭筈豌豆, 10月份在箭筈豌豆盛花期设置4种还田方式, 2021年4月21日覆膜平作玉米, 9月27日收获。试验共设5个处理, 每个处理3次重复, 采用完全随机区组排列, 小区面积54 m2(6 m× 9 m), 具体试验处理及代码如表1。

图1 2020–2021年试验区日降雨量和日均温变化

表1 试验处理及代码

选取2020年至2021年轮作中玉米田进行数据采集。小麦(L.)品种为“永良4号”, 播种密度为675万粒hm–2, 箭筈豌豆(L.)品种为“兰箭2号”, 播量为75 kg hm–2; 玉米(L.)供试品种为“先玉335”, 播种密度为8.25万株hm–2。玉米总施氮量为360 kg N hm–2, 基肥、大喇叭口期追肥和灌浆期追肥分别为108 kg N hm–2、180 kg N hm–2和72 kg N hm–2; 施磷肥180 kg P2O5hm–2, 全做基肥。小麦施氮肥180 kg N hm–2, 施磷肥180 kg P2O5hm–2, 全作基肥。绿肥生长期不施肥。灌溉方式为滴灌, 灌水总量4050 m3hm–2, 按拔节期∶大喇叭口期∶抽雄吐丝期∶灌浆初期∶灌浆中期=6∶5∶6∶5∶5进行灌溉。

1.3 测定指标和计算方法

土壤质量含水量: 采用烘干法测定。于玉米播种前(2020年4月20日、2021年4月20日)、收获后(2020年9月26日、2021年9月28日)以及播种后20、40、60、80、100、120和140 d分别测定0～110 cm土层土壤质量含水量, 土壤0～30 cm土层每10 cm为一层, 30～110 cm土层每20 cm为一层。

土壤贮水量(soil water storage, SWS):

式中, SWS为土壤贮水量(mm),为土层厚度(cm),为土壤容重(g cm–3),为土壤质量含水量, 10为单位换算系数,为土壤层次。

根系取样及样品测定: 分别在玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期采用土壤剖面法[24], 以1/2株距为宽, 1/2行距为长, 将0～60 cm土体全部取出, 整体装入0.45 mm网袋, 用自来水冲洗干净, 带回实验室用根系扫描仪和配套分析软件进行根系性状的测定, 最后放入80℃烘箱内烘干至恒重, 称取干重。

作物耗水量(evaporation, ET): 采用农田水分平衡法计算[25]。由于试区自然水资源紧缺, 灌溉量有限, 地下水较深, 因此不考虑水分渗漏和地下水上升的影响。

ETΔ

式中,为玉米全生育期降雨量(mm),为玉米全生育期灌水总量(mm), Δ为玉米播种期和收获期土壤贮水量之差(mm)。

籽粒产量: 玉米成熟后按小区单独收获、风干后脱粒测产。

水分利用效率(water use efficiency, WUE):

WUE=/ET

式中,为玉米籽粒产量(kg hm–2), ET为玉米全生育期耗水量(mm)。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2016进行数据汇总, SigmaPlot 14.0制图, SPSS 19.0进行显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期内土壤贮水量变化

与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)提高了0～110 cm土层土壤贮水量(图2)。从玉米不同生育时期来看, 2020年与2021年播种期, 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT处理分别显著(<0.05)提高4.9%～17.2%和8.0%～9.3%, 绿肥根茬还田处理(NT、T)较CT处理分别显著(<0.05)提高5.7%～9.5%和6.9%～7.7%; 苗期(播种后40 d), 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT处理分别显著(<0.05)提高11.0%～14.8%和7.2%～10.0%; 拔节期(播种后60 d), 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT分别显著(<0.05)提高5.2%～12.0%和2.4%～9.2%, 绿肥根茬还田处理(NT、T)与CT处理差异不显著; 抽雄吐丝期(播种后80 d)绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT处理分别显著(<0.05)提高16.9%～23.5%和11.0%～17.8%, T处理较CT处理提高0.2%～11.3%, NT处理与CT处理差异不显著; 开花期(播种后100 d), 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT分别显著(<0.05)提高10.6%～ 17.8%和6.1%～16.2%; 灌浆期(播种后120 d), 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较NT处理分别提高9.3%～14.1%和7.2%～12.8%, 较T处理分别提高6.9%～11.1%和5.5%～9.1%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高9.7%～20.8%和7.7%～19.6%; 乳熟期(播种后140 d), 绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较NT处理分别提高8.5%～17.2%和4.3%～12.0%, 较T处理分别提高11.8%～12.8%和7.3%～7.8%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高13.8%～27.5%和9.9%～22.9%。从玉米各生育期平均来看, 2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的土壤贮水量较CT处理分别显著(<0.05)提高14.5%～14.9%和8.9%～12.4%, 绿肥根茬还田处理(NT、T)较CT处理分别显著(<0.05)提高5.0%～5.5%和2.0%～9.1%。

2.2 绿肥不同还田方式对玉米根系性状的影响

2.2.1 绿肥不同还田方式对玉米根长的影响 与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)增加了玉米根长(表2)。从玉米不同生育时期来看, 2020年与2021年, 拔节期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根长较NT处理分别提高46.4%～52.0%和42.5%～48.7%, 较T处理分别提高42.3%～52.1%和42.6%～44.7%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%, NT、T和CT差异不显著。大喇叭口期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根长较CT处理分别显著(<0.05)提高20.7%～26.0%与19.9%～28.5%, 绿肥根茬还田处理(NT、T)较CT处理分别显著(<0.05)提高0.8%～9.3%与1.0%～11.1%。吐丝期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根长较NT处理分别提高34.2%～37.6%和29.7%～30.6%, 较T处理分别提高35.0%～38.0%和27.6%～33.9%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高42.8%～46.0%与36.3%～42.3%。从各生育期平均来看, 2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根长较CT处理分别显著(<0.05)提高36.1%～40.7%和32.5%～37.6%, T处理较CT处理提高7.6%～11.0%, NT处理与CT处理差异不显著。

图2 不同处理0～110 cm土层土壤贮水量变化

TG: 绿肥全量翻压; T: 绿肥地上部移除根茬翻压; NTG: 绿肥地表覆盖免耕; NT: 绿肥地上部移除免耕; CT: 传统翻耕、休闲。图中不同小写字母表示同一生育时期各处理间在0.05概率水平差异显著。误差线表示标准差(= 3)。

TG: tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil; T: tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed; NTG: no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface; NT: no-tillage with above ground manure removed; CT: conventional tillage and leisure. Different lowercase letters indicate significant difference within the same stage among the treatments at the 0.05 probability level. Error bars indicate standard errors (= 3) in the figure.

表2 不同处理下的玉米根长

TG: 绿肥全量翻压; T: 绿肥地上部移除根茬翻压; NTG: 绿肥地表覆盖免耕; NT: 绿肥地上部移除免耕; CT: 传统翻耕、休闲。同列数字后不同小写字母表示同一年份各处理间在0.05概率水平差异显著。

TG: tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil; T: tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed; NTG: no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface; NT: no-tillage with above ground manure removed; CT: conventional tillage and leisure. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

2.2.2 绿肥不同还田方式对玉米根表面积的影响

与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)增加了玉米根表面积(表3)。从玉米不同生育时期来看, 2020与2021年, 拔节期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根表面积较NT处理分别提高35.6%～40.9%和33.7%～48.1%, 较T处理分别提高32.7%～44.6%和30.7%～51.3%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高43.0%～52.9%与41.3%～58.7%。大喇叭口期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根表面积较NT处理分别提高24.7%～30.4%和27.4%～50.9%, 较T处理分别提高20.1%～30.7%和15.3%～27.7%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高32.7%～39.9%与29.8%～36.3%。吐丝期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根表面积较NT处理分别提高36.0%～40.6%和28.0%～30.5%, 较T处理分别提高39.8%～43.6%和26.9%～38.8%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高41.4%～52.5%与36.4%～42.4%。从玉米各生育期平均来看, 2020与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根表面积较CT处理分别显著(<0.05)提高39.0%～48.9%和35.8%～43.3%, 绿肥根茬还田处理(NT、T)的根表面积较CT处理分别显著(<0.05)提高7.2%～20.1%和7.4%～21.8%。

表3 不同处理下的玉米根表面积

处理同表2。同列数字后不同小写字母表示同一年份各处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant at the 0.05 probability level, respectively.

2.2.3 绿肥不同还田方式对玉米根体积的影响

与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)增加了玉米根体积(表4)。从玉米不同生育时期来看, 2020年与2021年, 拔节期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根体积较NT处理分别提高36.7%～37.1%和31.3%～36.7%, 较T处理分别提高37.1%～46.7%和31.3%～46.7%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高45.7%～46.7%与40.6%～46.7%。大喇叭口期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根体积较NT处理分别提高16.3%～30.2%和18.5%～24.1%, 较T处理分别提高14.3%～31.7%和20.4%～22.2%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高22.4%～33.3%与22.2%～29.6%。吐丝期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根体积较NT处理分别提高50.9%～51.1%和32.4%～48.5%, 较T处理分别提高48.9%～56.6%和29.4%～54.5%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高51.9%～58.5%与42.6%～49.5%。从玉米各生育期平均来看, 2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根体积显著(<0.05)高于绿肥根茬还田处理(NT、T)和CT处理。绿肥全量还田处理(NTG、TG)较NT处理分别提高38.8%～42.0%和30.3%～37.6%, 较T处理分别提高41.6%～45.7%和30.4%～38.9%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高40.7%～44.9%和39.6%～46.9%。

2.2.4 绿肥不同还田方式对玉米根干重的影响

与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)提高了玉米根干重(表5)。从玉米不同生育时期来看, 2020年与2021年, 拔节期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根干重较NT处理分别提高33.3%～57.1%和20.0%～57.1%, 较T处理分别提高42.9%～50.0%和42.9%～42.9%, 较CT分别显著(<0.05)提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%, NTG 和TG无显著差异。大喇叭口期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根干重较NT处理分别提高26.3%～ 35.7%和22.2%～25.0%, 较T处理分别提高21.1%～ 23.5%和16.7%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高26.0%与22.2%～25.0%。吐丝期绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根干重较NT处理分别提高34.6%～ 46.4%和26.1%～48.3%, 较T处理分别提高31.1%～ 34.6%和26.1%～34.5%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高50.0%～53.8%和47.8%～51.7%。从玉米各生育期平均来看, 2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的根干重显著(<0.05)高于绿肥根茬还田处理(NT、T)和CT处理, 绿肥全量还田处理(NTG、TG)较NT处理分别提高34.5%～39.7%和23.9%～ 40.5%, 较T处理分别提高30.8%～31.7%和25.5%～ 35.9%, 较CT处理分别显著(<0.05)提高42.8%～ 43.5%和39.9%～48.3%, T处理较CT处理提高17.3%～19.4%, NT处理与CT处理差异不显著。

表4 不同处理下的玉米根体积

处理同表2。同列数字后不同小写字母表示同一年份各处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

表5 不同处理下的玉米根干重

处理同表2。同列数字后不同小写字母表示同一年份各处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

2.3 玉米根系性状对土壤贮水量变化的响应

土壤贮水量与玉米根系性状的关系在不同时期表现出相同的结果(图3)。在玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期土壤贮水量与玉米根长、根表面积均呈极显著(<0.01)线性正相关关系, 且随生育进程的推进相关系数由小变大, 至吐丝期土壤贮水量与根长、根表面积的相关系数分别为0.9253和0.9488。说明绿肥还田处理可通过提高土壤贮水量, 进而促进玉米根长、根表面积的增加, 且在玉米吐丝期效果突出。

图3 土壤贮水量与玉米根系性状的关系

**表示在0.01概率水平相关显著。**means thatthecorrelation is significant difference at the 0.01 probability level.

2.4 绿肥不同还田方式对玉米产量及水分利用效率的影响

与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)提高了玉米籽粒产量(图4)。2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的籽粒产量分别较CT显著(<0.05)提高15.4%～34.3%与19.1%～32.0%; 绿肥根茬还田处理(NT、T)的籽粒产量分别较CT显著(<0.05)提高0.4%～19.5%与9.2%～21.9%。绿肥全量还田处理(NTG、TG)的籽粒产量显著高于绿肥根茬还田处理(NT、T)。与对照相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著(<0.05)提高了玉米水分利用效率(图4)。2020年与2021年绿肥全量还田处理(NTG、TG)的水分利用效率分别较CT显著(<0.05)提高19.5%～39.2%与20.5%～34.8%; 绿肥根茬还田处理(NT、T)的水分利用效率分别较CT显著(<0.05)提高2.9%～18.1%与10.0%～22.3%。绿肥全量还田处理(NTG、TG)的水分利用效率显著高于绿肥根茬还田处理(NT、T)。

2.5 玉米根系性状与水分利用效率的相关分析

绿肥不同还田方式下玉米根系性状与水分利用效率的相关分析如表6所示, 在玉米拔节期、大喇叭口期和吐丝期水分利用效率与根长、根表面积、根体积、根干重均呈极显著正相关(<0.01)。拔节期和大喇叭口期水分利用效率与根长的相关系数最大,吐丝期水分利用效率与根表面积的相关系数最大。说明绿肥还田方式可促进玉米根系生长发育, 进而提高水分利用效率。

图4 不同处理下玉米产量和水分利用效率

处理同表2。不同小写字母表示同一年份各处理间在0.05概率水平差异显著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters indicate significant difference within the same year among the treatments at the 0.05 probability level.

表6 玉米根系性状与水分利用效率的相关性

**表示在0.01概率水平相关显著。**means that the correlation is significant at the 0.01 probability level.

3 讨论

3.1 土壤贮水量对绿肥不同还田方式的响应

土壤水分是保障作物正常生长发育的重要因素,通过合理的农艺措施改善农田土壤水分状况对农业可持续生产具有重要意义[16-17]。本研究结果表明, 绿肥全量还田处理可为后茬玉米生长发育提供良好的水分条件, 其中绿肥地表覆盖免耕处理效果尤为突出, 较传统翻耕、休闲处理0～110 cm土层全生育期平均土壤贮水量提高14.5%。相关研究认为, 绿肥还田可以有效增加土壤孔隙度和大团聚体含量[11,26], 提升了土壤对养分和水分的储存能力[27]; 绿肥还田有效阻隔了土壤与大气层间的水分和能量交换, 从而降低了土壤水分蒸发[28]。另有研究表明, 免耕和深松均能有效提高土壤贮水量, 从而提高作物产量和水分利用效率[29]。种植绿肥能增加地表覆盖度, 改善土壤水分环境, 为主栽作物提供良好的水分条件[9]。本研究绿肥改善土壤水分条件的效果与秸秆覆盖还田类似[30-31], 如余海英等[32]研究表明, 免耕秸秆覆盖可通过降低土壤容重、促进土壤团聚体的形成等作用提高土壤的蓄水保墒能力。说明通过合理的耕作方式实现绿肥还田是改善土壤水分环境的有效方式。也有研究认为, 休闲期种植并翻压豆科绿肥可有效提高下茬作物播前土壤贮水量, 但因降雨年型的不同, 对后茬作物产量的影响存在差异[33]。在半干旱和干旱地区降雨充足的年份, 种植豆科绿肥所消耗的土壤水分能够得到及时补充, 而降雨不足的年份, 绿肥对土壤水分的消耗则会导致后茬作物产量下降, 水分利用效率降低[34]。本研究中2年的生育期降雨量均低于该区长期平均降雨量, 但绿肥全量还田处理仍有利于土壤贮水量的提高, 说明该区适宜种植绿肥的年降雨量下限低于长期平均降雨量, 而对年降雨量安全阈值的确定仍需进一步研究。

3.2 玉米根系性状对绿肥不同还田方式的响应

植物根系有固定植株、吸收营养物质、输导物质交换等诸多作用, 充分认识农艺措施对作物根系特征的影响, 是作物生产中不容忽视的重要环节[21,35]。本研究表明, 绿肥还田方式对玉米根系性状影响显著, 与传统翻耕、休闲处理相比, 绿肥全量还田处理有利于玉米根长、根表面积、根体积和根干重的增加, 且增大幅度在拔节期、大喇叭口期和吐丝期表现出先减小后增大的趋势, 这与前人研究结果一致[22,36]。其主要原因在于: (1) 绿肥还田有利于土壤水稳性团聚体的形成, 同时可有效改善土壤孔隙度等诸多物理性质[11,27-28], 为作物根系生长创造有利条件; (2) 豆科绿肥还田可有效提高土壤有机质含量和活性有机质含量[37], 为作物根系生长提供了良好的养分条件; (3) 绿肥还田不仅可以维持作物生育前期的土壤温度, 同时能减少地表水分蒸发, 增加水分入渗, 促进了土壤水分的重新分配[12,29]。Myint等[38]研究认为, 不同覆盖处理对玉米根系生长的促进作用主要集中在0～30 cm土层。姜英等[36]研究表明, 秸秆还田可有效促进根系生长发育, 但对不同土层根系的影响存在差异。说明绿肥不同还田方式可有效改善作物根系生长发育, 为作物对土壤养分和水分的吸收利用创造有利条件。但不同栽培措施对不同土层根系分布的影响存在差异, 未来对绿肥还田方式下不同土层的根系特征仍需进一步研究。

3.3 玉米产量和水分利用效率对绿肥不同还田方式的响应

在供水量一定的情况下, 提高作物产量是提高作物水分利用效率的重要途径。优化栽培管理措施不仅可增加土壤蓄水保墒能力[27,29], 同时能改善作物根系形态特征[17,36], 为作物高产高效生产奠定基础。本研究结果表明, 与传统翻耕休闲处理相比, 绿肥全量翻压、绿肥地表覆盖免耕处理显著提高了玉米籽粒产量和水分利用效率。有研究认为, 在干旱半干旱区绿肥还田是提高作物产量和水分利用效率的有效途径[12,39-40], 这与本研究结果一致。主要是因为绿肥全量还田处理改善了土壤水分环境, 促进了玉米根系的生长发育, 为玉米对土壤养分和水分的吸收利用提供了有利条件, 从而促进了籽粒产量的提高, 最终提高水分利用效率。此外, 也有研究认为在降雨充足的年份, 种植豆科绿肥所消耗的土壤水分能够得到及时补充, 豆科绿肥有利于提高作物产量, 增加水分利用效率; 在降雨不足的年份, 绿肥对土壤水分的消耗则会导致后茬作物产量下降, 水分利用效率降低[34]。这与本研究结果存在差异, 可能是降雨年型不同造成的, 未来应进一步研究不同降雨年型下绿肥还田方式对水分利用效率的影响, 为绿肥的合理应用提供理论依据。

4 结论

干旱绿洲灌区绿肥全量翻压和绿肥地表覆盖免耕处理均可有效提高后茬玉米农田0～110 cm土层土壤贮水量, 促进玉米根长、根表面积、根体积和根干重的增加, 提高玉米水分利用效率, 其中绿肥地表覆盖免耕处理的效果更为突出。绿肥还田利用条件下, 土壤贮水量的增加可有效促进玉米根长、根表面积的增加, 进而促进玉米水分利用效率的提高。在干旱绿洲灌区绿肥地表覆盖免耕处理有利于改善土壤水分条件, 优化玉米根系生长, 从而提高玉米水分利用效率。

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Effects of green manure replanting and returning after wheat on following year’s maize root traits and water use efficiency in oasis irrigation area

WANG Yu-Long, YU Ai-Zhong*, LYU Han-Qiang, LYU Yi-Tong, SU Xiang-Xiang, WANG Peng-Fei, and CHAI Jian

College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, Gansu, China

Long leisure time, high evaporation, and low water use efficiency in fallow period are the most prominent constraints for crop production in the northwest arid oasis irrigated agricultural region. In this study, the relationship between maize root traits and its water utilization under different green manure returning methods were investigated in this area. To determine the effects of different returning methods of green manure on soil water storage, root traits and water use efficiency of maize, a field experiment was carried out in a typical oasis irrigation region from 2020 to 2021. The treatments included tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil (TG), no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface (NTG), harvesting and removing above ground green manure and tillage with root incorporated in the soil (T), no-tillage with above ground green manure harvested and removed (NT), and conventional tillage and fallow without green manure after spring wheat harvest (CT). The results indicated NTG and TG significantly increased soil water storage in 0–110 cm soil layer. Compared with CT, the average water storage of NTG and TG during the whole growth period increased by 14.0%–15.0% and 8.8%–12.0%, respectively. Compared with CT, the NTG and TG treatments increased root length (20.7%–26.0% and 19.9%–28.5%), root surface area (43.0%–52.9% and 41.3%–58.7%), root volume (45.7%–46.7% and 40.6%–46.7%), and root dry weight (48.0%–51.5% and 41.9%–50.2%), respectively. The NTG and TG significantly increased maize grain yield and its water use efficiency. Compared with CT, maize grain yield of NTG and TG increased 15.4%–34.3% and 19.1%–32.0%, the WUE of NTG and TG increased 19.5%–39.2% and 20.5%–34.8%, respectively. The root length and root surface area were positively related to soil water storage at maize jointing, tasseling, and silking stages. The root length, root surface area, root volume, and root dry weight were positively related with WUE at jointing, big trumpet, and silking stages. In conclusion, this study suggested the full quantity of green manure returned in the field was beneficial to increase soil water storage, optimize root traits, and thus improving the yield and water use efficiency in maize. Among them, no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface was recommend as a feasible green manure returning method in the oasis irrigation area.

rotation; green manure; maize; root; water use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.23036

本研究由甘肃省教育厅产业支撑项目(2021CYZC-54), 甘肃省基础研究创新群体项目(20JR5RA037)和甘肃农业大学伏羲杰出人才培育计划项目(Gaufx-04J01)资助。

This study was supported by the Industrial Support Project of Gansu Provincial Department of Education (2021CYZC-54), the Innovation Group of Basic Research in Gansu Province (20JR5RA037), and the Fuxi Outstanding Talent Cultivation Program of Gansu Agricultural University (Gaufx-04J01).

于爱忠, E-mail: yuaizh@gsau.edu.cn

E-mail: wyl1489270573@163.com

2022-04-21;

2022-09-05;

2022-09-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220919.1513.004.html

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