耕作方式对连作高粱产量及土壤水分与有机碳含量的影响

李 光,史丽娟,崔旭东,赵雪峰,白文斌

(1.山西农业大学 高粱研究所,高粱遗传与种质创新山西省重点实验室,山西 晋中 030600; 2.晋中市榆次区农业农村局,山西 晋中 030600;3.晋中市榆次区气象局,山西 晋中 030600)

高粱是我国酿造业的主要原料。随着人们生活水平的提升,原粮需求量也逐渐增加[1-2]。原粮基地连年种植高粱以满足需求,造成了严重的连作障碍,影响了土壤质量,不利于产量的提升[3]。耕作、秸秆还田均是缓解作物连作障碍、改善土壤质量的重要措施。不同耕作方式均能提高土壤有机碳和土壤水分含量,提高资源利用率,实现作物增产提质[4-8];保护性耕作(少耕、免耕、深松)可提高表层土壤大团聚体含量,降低微团聚体含量,提高团聚体的水稳性,改善土壤结构、提高土壤有机碳含量、增加土壤的固碳能力[7-12]。秸秆还田可显著提高连作棉田土壤全氮和活性有机氮组分含量[9];玉米秸秆可有效改善花生连作土壤生物活性,缓解连作障碍,实现花生增产增收[11]。

与冬前免耕相比,绿肥压青、冬前翻耕和地膜覆盖都能够改善连作花生0～30 cm耕层土壤的理化性质,降低土壤容重,增大土壤孔隙度和土壤含水量[13];黑龙江省黑土平原区秋旋耕起垄和秋深松旋耕起垄较春整地增加了连作大豆各生育时期干质量、根瘤质量和叶面积指数,提高产量16%以上,尤其秋旋耕起垄更显著[14]。冬闲耕作(覆膜、翻耕与压青)可提高连作花生植株功能叶片光合色素含量、净光合速率、气孔导度及蒸腾速率,降低胞间CO2浓度;同时提高叶片抗氧化性,延缓叶片衰老,进而增加荚果产量[15]。可见,耕作能改善不同连作作物土壤碳、水分含量,从而影响作物产量。但是,不同时间耕作对连作高粱产量形成的影响及其土壤碳、水分变化机制尚不明确。

本研究基于山西农业大学高粱研究所东白试验基地高粱连作长期定位试验,研究耕作方式对连作高粱的土壤水分、有机碳及产量的影响,从而明确降低高粱连作障碍的适宜耕作方式和时间及其产量形成的土壤水、碳变化机制,以期为保证高粱原粮需求量和旱作农业的可持续发展提供理论基础与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2019—2020年连续2 a在山西农业大学高粱研究所东白试验基地进行。该地属于温带大陆性气候,2015—2018年连续种植高粱,5月种植,10月收获,10月中下旬至第2年4月休闲,秋季实施深耕,一年一作,无灌溉条件。于2018年10月25日测定0～20 cm土层土壤基础肥力,有机质9.23 g/kg、全氮0.81 g/kg、碱解氮37.21 mg/kg、速效磷18.12 mg/kg。2个年度的降水量如图1所示,2018—2019年休闲期降水量57.8 mm,主要集中在播前的4月份(49.6 mm),生育期降水量达264.6 mm,5月仅0.1 mm,6—10月每个月降水量约42～73 mm;2019—2020年休闲期降水量50.6 mm,每个月降水均较少(1.5～13.8 mm),生育期降水量达411.6 mm,主要集中于7,8月份,分别达80.7,232.4 mm。

图1 东白试验基地降水量Fig.1 Precipitation of sorghum research institute of Shanxi Agricultural University in Dongbai

1.2 试验材料

供试高粱品种为晋杂22号。

1.3 试验设计

试验采用单因素完全随机设计,设置传统耕作(CK)、免耕(NT)、秋旋耕(AT)、秋深松(ASS)、秋深耕+旋耕(ADT+T)、春深耕+旋耕(SDT+T)6个耕作方式,小区面积为200 m2(10 m×20 m),重复3次,各处理的具体方法如表1所示。分别于2019年5月3日、2020年5月5日播种高粱,播前施复合肥(N∶P∶K为20∶20∶5)750 kg/hm2,旋耕(深度15 cm);种植密度为12万株/hm2,行距50 cm,株距为15～17 cm(平均为16 cm);分别于2019年10月10日、2020年10月11日收获。

表1 土壤耕作方式Tab.1 Tillage method of soil

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤有机碳及其组分 于高粱播前、成熟期取0～20 cm土壤样品,阴干后过筛,分别测定有机碳、重组有机碳、轻组有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳的含量[16-20]。

1.4.2 土壤蓄水量 于高粱播前、苗期、拔节期、抽穗期和成熟期,在每个小区中取1 m(每20 cm一层)土样,采用烘干法,105 ℃烘干至恒质量,测定土壤含水量。同时在小区内挖100 cm深剖面(20 cm一层)取样,采用环刀法测定土壤容重[21]。

1.4.3 产量 于成熟期每个小区测定1 m2的高粱,脱粒,称质量,测定含水量,并按照国家粮食储存标准(含水量12.5%)换算产量。

1.5 数据统计

采用Microsoft Excel 2010软件处理数据,采用SAS 9.0软件进行统计分析,采用LSD法检验处理间的差异显著性(显著性水平设定为α=0.05)。

SWSi=Wi×Di×Hi×10/100

①

式中,SWSi表示第i层土壤蓄水量(mm);Wi表示第i层土壤含水量(%);Di表示第i层土壤容重(g/cm3);Hi表示第i层土层厚度(cm)。

ET=ΔS+P+U

②

式中,ET表示生育期土壤总耗水量(mm);ΔS表示阶段初期和阶段末期的土壤蓄水量之差(mm);P表示生育阶段降水量(mm);U表示地下水补给量(mm)。本试验地下水埋深在5 m以下,故U值可忽略不计。

WUE=Y/ET

③

式中,WUE表示水分利用效率(kg/(hm2·mm)),Y表示产量(kg/hm2)。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对连作高粱0～20 cm土壤有机质含量、有机碳及其组分含量的影响

2.1.1 对0～20 cm土壤有机质含量的影响 从表2可以看出,随生育进程的推移,连作高粱的0～20 cm土壤有机质含量逐渐增加。2019年,耕作和免耕较传统耕作(CK),均可显著增加苗期、拔节期、抽穗期和成熟期0～20 cm有机质含量。与免耕相比,休闲期耕作均可增加高粱各生育时期0～20 cm有机质含量,尤其秋深耕,且苗期、拔节期秋深耕与除秋深松外的其他处理间差异显著,抽穗期秋深耕与其他处理差异显著(P<0.05)。2020年,与传统耕作相比,耕作和免耕均可增加高粱各生育时期0～20 cm有机质含量,且初期和苗期耕作和免耕作均与传统耕作处理间差异显著,拔节期、抽穗期和成熟期除免耕、春深耕外的处理均与传统耕作处理间差异显著(P<0.05)。与免耕相比,休闲期耕作均可增加各生育时期0～20 cm有机质含量,尤其秋深耕,且与其他处理间差异显著(P<0.05)。可见,休闲期秋季采用深耕,更利于增加连作高粱土壤耕层有机质含量。

表2 耕作方式对连作高粱各生育时期0～20 cm土壤有机质含量的影响Tab.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years g/kg

2.1.2 对0～20 cm土壤有机碳及其组分含量的影响 由图2可知,与播前相比,2 a成熟期连作高粱0～20 cm土壤有机碳及其组分含量基本均增加,其中,2019年,颗粒有机碳含量达1.42～2.69 g/kg,增加115.15%～313.85%;轻组有机碳含量达0.81～1.88 g/kg,增加47.62%～118.60%(除免耕和秋旋耕外);重组有机碳含量达4.63～ 6.96 g/kg,增加0.65%～51.97%;易氧化有机碳含量达0.81～1.30 g/kg,增加10.67%～91.18%;水溶性有机碳含量达21.25～37.93 mg/kg,除秋旋耕外增加0.5%～73.43%,均以秋深耕最高,且颗粒有机碳含量与除秋深松外处理间差异均达显著水平(P<0.05),其他有机碳组分含量秋深耕与其他处理间均达显著水平(P<0.05)。2020年,颗粒有机碳含量达1.95～3.18 g/kg,增加11.19%～82.07%(除秋深松外);轻组有机碳含量达1.55～2.63 g/kg,增加23.47%～105.62%;重组有机碳含量达6.35～8.85 g/kg,增加7.07%～36.77%;易氧化有机碳含量达0.96～1.85 g/kg,增加14.29%～90.59%;水溶性有机碳含量达32.15～40.35 mg/kg,增加47.95%～84.50%,以秋深耕显著最高(P<0.05)。可见,休闲期采用秋深耕可增加连作高粱的有机碳组分含量,有利于土壤固碳。

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。图3同。Different small letters indicated significant differences at 0.05 level.The same as Fig.3.图2 耕作方式对连作高粱0～20 cm土壤有机质含量、有机碳及其组分含量的影响Fig.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years

2.2 耕作方式对连作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影响

从表3可以看出,随着生育进程的推移,连作高粱0～100 cm土壤蓄水量2019年逐渐降低,2020年先降后升,升高的主要原因可能是由于本年度生长中后期降水较多。连作高粱0～100 cm播前土壤蓄水量2019年远高于2020年,由于2019年休闲期的降水集中于播前的4月份(49.6 mm),2020年分布在每个月。休闲期耕作较免耕可增加播前0～100 cm土壤蓄水量,2019年达18.04～45.95 mm,2020年达0.72～46.52 mm,尤其秋深耕增加明显。

表3 耕作方式对连作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影响Tab.3 Effects of tillage on the soil water storage in 0—100 cm depth for continuous cropping sorghum mm

与传统耕作(CK)相比,免耕显著增加连作高粱苗期和拔节期0～100 cm土壤蓄水量(P<0.05),2019年分别增加28.19,22.94 mm,2020年分别增加38.51,16.65 mm;休闲期耕作可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔节期、抽穗期、成熟期分别增加50.83～80.62 mm,71.17～102.76 mm,0.48～13.61 mm,0.07～12.47 mm,2020年苗期、拔节期、抽穗期、成熟期分别增加51.34～85.08 mm,9.39～59.64 mm,5.58～29.56 mm,7.27～39.87 mm。

与免耕相比,休闲期耕作均可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔节期、抽穗期、成熟期分别增加22.64～52.43 mm,48.23～79.82 mm,3.92～17.05 mm,10.94～23.34 mm,2020年苗期、拔节期、抽穗期、成熟期分别增加12.83～46.57 mm,13.24～42.99 mm(除春深耕外),5.06～29.04 mm,7.48～40.08 mm,尤其秋深耕,且2019年苗期、拔节期秋深耕与除秋深松和春深耕外、抽穗期秋深耕与除秋旋耕和秋深松外、成熟期秋深耕与除秋深松外处理间差异显著(P<0.05),2020年苗期秋深耕与除秋旋耕和秋深松外、抽穗前秋深耕与除春深耕外、拔节期、成熟期处理间差异显著(P<0.05)。可见,休闲期采用秋深耕,更有利于蓄积自然降水,增加播前土壤蓄水量,且延续应用至拔节期,中后期降水多时仍有效果。

2.3 耕作方式对连作高粱产量和水分利用效率的影响

由图3可知,高粱产量表现为2019年高于2020年,这与2019年底墒较好有一定关系,虽然2020年中后期降水较多,但没有弥补底墒少带来的产量损失。与传统耕作(CK)相比,免耕和休闲期耕作均可增加2019年总耗水量10.12 ～16.63 mm、产量4.75%～18.54%,2020年总耗水量2.42～13.50 mm(除免耕外)、产量5.53%～23.67%,且产量差异显著(P<0.05)。与免耕相比,休闲期耕作均可增加2019年总耗水量1.86～7.24 mm、产量2.61%～14.47%,2020年总耗水量1.32～11.36 mm(除春深耕外)、产量4.46%～19.20%,尤其秋深耕,除2019年秋深松处理外,产量与其他处理间差异均显著(P<0.05)。生育期水分利用效率较全年水分利用效率略高,2019年达19.09 ～21.05 kg/(hm2·mm),2020年达22.17 ～29.19 kg/(hm2·mm)。生育期水分利用效率2019年以秋深耕最高,免耕最低,且秋深耕与秋旋耕处理间差异显著(P<0.05),2020年以秋深耕显著最高(P<0.05),以秋旋耕显著最低(P<0.05)。可见,休闲期采用秋深耕有利于增加耗水,提高水分利用效率,从而实现增产。

图3 耕作方式对连作高粱产量和水分利用效率的影响Fig.3 Effects of tillage on soil water consumption,yield and water use efficiency for continuous cropping sorghum

2.4 蓄水量、耗水量和有机质与连作高粱产量的相关性分析

2019年(底墒较高,生育期降水少),连作高粱产量与播前、苗期和拔节期土壤蓄水量极显著正相关(P<0.05),与成熟期蓄水量、生育期耗水量显著正相关(P<0.01);2020年(底墒较低,生育中后期降水较多)连作高粱产量与拔节期、抽穗期和成熟期土壤蓄水量呈显著或极显著正相关(P<0.05或P<0.01)。2 a连作高粱产量与播前有机质含量呈显著或极显著正相关(P<0.01或P<0.05)(表4)。可见,连作高粱产量与播前底墒、生育期土壤水分和有机质含量密切相关,底墒较好时,与前期土壤水分关系更密切;中后期降水多时,与中后期土壤水分关系更密切。

表4 各生育时期土壤蓄水量、耗水量和播前有机质含量与连作高粱产量的关系Tab.4 Relationship of soil water storage,consumption,organic matter and yield of continuous cropping sorghum

3 结论与讨论

土壤有机质是指各种形态存在于土壤中的所有含碳的有机物质,是植物营养的主要来源之一,能促进植物的生长发育,改善土壤的物理性质,促进微生物和土壤生物的活动,促进土壤中营养元素的分解,提高土壤的保肥性和缓冲性[22]。连作不利于棉田土壤有机质的保持,但短期连作对土壤有机碳的积累起正向作用,连作5 a后土壤有机碳含量逐渐降低[23];党参连作过度消耗了土壤养分,降低了土壤中有机质及速效养分的含量,打破了土壤养分间的平衡[24];土壤有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳含量整体表现为连作12,20,35 a棉田高于连作2,5 a棉田和荒草地,土壤有机碳在20 a棉田达峰值,为7.06 g/kg[25]。土壤中有机质含量越高,其中的有机胶体就会越多,使土壤的吸附作用和保持水分的能力增强。因此,土壤有机质不仅是固碳效益的关键指标,而且可用来衡量土壤水分保持及其有效性[26-27]。

有研究结果表明,与冬前免耕相比,冬前翻耕可降低连作花生0～30 cm土壤容重,增加土壤孔隙度和含水量[13];播前超常深翻(60 cm)可有效降低连作滴灌棉田耕层土壤容重,提高0～20 cm表层土壤含水率[28]。本研究结果显示,休闲期耕作可增加连作4 a高粱各生育时期0～20 cm土壤有机质含量,增加颗粒有机碳、轻组有机碳、重组有机碳、易氧化有机碳和可溶性有机碳等有机碳组分含量,尤其秋深耕耕作方式增加更明显。这与前人在其他连作作物的研究结果一致。本研究进一步发现,休闲期耕作增加了连作高粱播前0～100 cm土壤蓄水量0.72～46.52 mm,2019年底墒高于2020年,主要由于2019年休闲期降水主要集中在播前的4月份;增加了各生育时期0～100 cm土壤蓄水量,尤其秋深耕耕作方式增加更明显,2019年苗期、拔节期与除秋深松和春深耕外、抽穗期与除秋旋耕和秋深松外、成熟期与除秋深松外处理间差异显著,2020年苗期与除秋旋耕和秋深松外、抽穗前与除春深耕外、拔节期、成熟期处理间差异显著。说明,连作高粱休闲期秋深耕增加了土壤有机质含量,改善了播前底墒,且可延续应用至拔节期,中后期降水多(2020年)依然有效果。这主要是由于耕作可以改善土壤物理结构[29],增加土壤有机碳及其储量[30],提高土壤蓄水保墒能力[31]。

连作因影响作物根系土壤有机质、养分平衡等导致作物产量降低,而深耕、深松等耕作由于增加了土壤有机质、土壤水分提升了连作作物产量[32-34]。黑龙江省黑土平原区秋整地有利于增加连作大豆出苗率、干质量和产量[14];冬闲翻耕可提高连作花生植株功能叶片光合色素含量、延缓叶片衰老,进而增加荚果产量[15]。本研究结果表明,休闲期耕作较免耕均可增加生育期总耗水量,增加产量2.61%～19.20%,尤其秋深耕耕作方式增加更明显。生育期水分利用效率也均以秋深耕耕作方式最高,主要由于连作高粱在休闲期秋深耕将蓄保的水分延续应用至生育期,提高水分利用效率,从而实现增产。进一步分析还发现,连作高粱产量以2019年高于2020年,2019年产量与拔节前土壤水分、2020年产量与中后期土壤水分关系更密切,由于2019年底墒高于2020年,2020年中后期降水并没有弥补底墒少带来的产量损失,说明底墒对产量形成起决定性作用。

总之,连作高粱产量受播前底墒、生育期土壤水分、有机质含量显著影响,底墒较高时产量高,底墒较低时产量低。休闲秋季采用深耕利于增加连作高粱0～20 cm土壤有机质及有机碳组分含量,改善播前底墒,并延续应用至拔节期,中后期降水增加仍有效果,从而通过蓄水保墒固碳实现增产增效。