绿洲灌区耕作方式与秸秆还田对玉米田水热特征的调控效应

苏向向,于爱忠,吕汉强,王玉珑,王鹏飞,柴 健

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃农业大学 农学院,兰州 730070)

玉米(Zeamays)作为世界上主要的粮经饲兼用作物,提高玉米产量是玉米生产的永恒目标[1],而挖掘玉米产量潜力提高的栽培技术对于进一步提高玉米单产水平具有重要理论价值[2]。研究证实,玉米产量高低受灌溉制度[3]、施肥制度[4]、耕作方式[5]、覆盖措施[6]、种植密度[7]等诸多农艺措施的影响;其中,耕作措施与秸秆还田方式通过改变土壤理化性质,调节耕层土壤水、肥、气、热等生态因子进而影响作物产量[8-10]。因此,通过优化耕作措施与秸秆还田方式调控农田土壤水热特性,是实现玉米高产及农田水热资源高效利用的重要途径。研究表明,长期传统耕作导致休闲期土壤水分蒸发损失严重、耕层变浅、犁底层变硬、土壤保墒蓄水能力降低,从而限制了作物增产和水分利用效率的提高[11-12]。以免耕和秸秆还田为代表的保护性耕作技术较传统耕作的作物产量增加了12.51%[13]。其增产主要机制是通过减少耕作次数、地表覆盖秸秆或残茬、改良耕层土壤结构,有效抑制土壤水分蒸发,增强土壤渗水保水能力进而提高了作物籽粒产量与水分利用效率[10,14]。另外,保护性耕作增产还可归因于调节土壤温度,改善土壤微生态环境,提高土壤肥力等方面[15-17]。但也存在长期免耕导致土壤紧实,抑制作物根系下伸吸收利用养分而导致作物产量降低[18],秸秆还田影响作物出苗质量[19-20]等缺点。梳理相关研究结果不难发现,耕作措施与秸秆还田对玉米生育期农田土壤水热变化特征的影响及其互作效应探讨不足,在一定程度上限制了通过优化耕作措施及秸秆还田方式对玉米增产潜力的进一步挖掘。甘肃河西绿洲灌区资源性缺水问题严重,春秋季热量有限,小麦玉米轮作是该地区典型的种植模式,长期推行的传统翻耕地膜覆盖导致土壤健康状况受损、产量停滞不前等问题。为此,本研究基于区域田间定位试验,研究了不同耕作措施与小麦秸秆还田方式对玉米农田土壤水、热动态变化特征及其利用效率的影响,以期为河西绿洲灌区玉米高产种植技术优化提供理论 依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学绿洲农业综合试验站(37°30′N,103°5′E)进行。该站位于河西走廊东端,属温带干旱区大陆性气候,海拔1 776 m,多年平均太阳辐射5.67 kJ ·m-2,全年无霜期约155 d,日照时数 2 945 h,年平均气温7.2 ℃,≥ 0 ℃和≥ 10 ℃ 的积温分别3 513.4 ℃和2 985.4 ℃;多年平均降水量156 mm,且降雨主要集中于7-9月,年蒸发量超过2 400 mm,是典型两季不足,一季有余的内陆干旱绿洲灌溉农业区。试验地质地为砂壤土,类型为厚层灌漠土,土壤体积质量为1.34 g·cm-3,0～30 cm土层全氮0.7 g·kg-1、速效磷1.4 g·kg-1、有机碳14.3 g·kg-1。2016年玉米全生育期内降水140.9 mm,主要集中在5、6、7、8月份。2018年玉米全生育期降水236.7 mm,主要集中在4、7、8、9月份,玉米生育期内降水分布及气温状况见图1。

图1 2016年与2018年玉米生长期内试验区日平均气温及日降雨量Fig.1 Mean daily temperature and precipitation at experiment station during maize growth in 2016 and 2018

1.2 试验设计

田间试验始于2013年,试验设耕作方式与秸秆还田2个因素,采取2因素完全随机区组设计。其中耕作方式设免耕和传统翻耕2种方式,秸秆还田设秸秆还田和秸秆不还田2种方式,共4个处理(表1),各处理3次重复,总计12个小区,小区面积48 m2(6 m×8 m)。2015、2017年种植春小麦,春小麦收获后,为次年轮作玉米进行耕作和秸秆还田处理。2016年与2018年度进行后茬玉米相关指标的测定。玉米品种为‘先玉335’。玉米播种密度为82 500株/hm2。2016年4月25日播种,9月28日收获;2018年4月25日播种,9月23日收获。所有处理采用统一施肥灌溉制度。施肥制度即施纯N 360 kg·hm-2,按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌浆期追肥=3∶6∶1分施,施纯P2O5180kg·hm-2,全作基肥,氮肥为尿素,磷肥为磷酸二铵。灌溉制度即玉米拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆初期和灌浆中期分别补灌90、75、90、75和75 mm。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

1.3 测定指标和方法

1.3.1 产量 玉米收获时以小区为单位,单独收获计产,并随机取样20株进行考种。

1.3.2 土壤水分 0～30 cm土层采用烘干法测定,每10 cm为一层;30～120 cm土层采用水分中子仪(NMM503DR,CA,USA)测定,按30 cm为一层,测定土壤含水量(%)。玉米播种前和收获后各测定一次,生育期内每15 d测定1次,灌水前后分别加测1次。

(1)

阶段耗水量:ETi=P+I+SWSt2-SWSt1

(2)

全生育期耗水量:ET=P+I+SWS0-SWSh

(3)

水分利用效率:WEU=Y/ET

(4)

式(1)中,SWS为土壤贮水量(mm),h为土层厚度(cm),a为土壤体积质量(g·cm-3),θ为土壤质量含水量(%),i为土壤层次,10为单位换算系数。式(2)中,ETi为作物阶段耗水量(mm),P为t1至t2时间段降雨量(mm),I为t1至t2时间段灌水量(mm),SWSt1为t1时期土壤贮水量(mm),SWSt2为t2时期土壤贮水量(mm)。式(3)中,ET为作物全生育期耗水量(mm),P为作物生育期内降雨量(mm),I为生育期内灌水量(mm),SWSo为播种期土壤贮水量(mm),SWSh为收获期土壤贮水量(mm)。由于本试验区地下水位极深不存在向上的水分流量,在节水灌溉和小区防侧渗控制条件下,水分渗漏量和径流量可以忽略不计。式(4)中,WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1),Y为玉米籽粒产量(kg·hm-2),ET为玉米全生育期耗水量(mm)。

1.3.3 土壤温度 采用曲管地温计测定0～25 cm土壤温度,每5 cm为一层,根据玉米生育时期,每隔15 d连续测3 d土壤温度,测定1 d内 8:00、14:00和18:00,连续测3 d。

土壤有效积温:AT=∑(Tmean-Tbase)

(5)

土壤积温生产效率:TUE=Y/AT

(6)

式(5)中,AT为土壤有效积温(℃),Tmean为日平均土壤温度,Tbase为玉米基础有效温度,其值为10 ℃。当Tmean

1.4 统计分析

数据采用SPSS 19.0 进行显著性、双因素方差分析,检验耕作方式、秸秆还田效应及两者的互作效应。本研究不将年度作为因素考虑,通过双因素分析得到免耕(NT和 NTS)和耕作(TP和TSP)处理去除了秸秆利用方式对耕作方式的影响;秸秆还田(TSP和NTS)和秸秆不还田 (TP和NT)去除了耕作方式对秸秆利用方式的影响。

2 结果分析

2.1 不同耕作方式与秸秆还田下土壤水分效应

2.1.1 玉米不同生育阶段土壤贮水量的动态 秸秆还田方式对玉米不同生育阶段土壤贮水量影响显著,耕作方式对玉米生长前期(播种至拔节期)土壤贮水量影响显著,对玉米生长中后期(大喇叭口之至成熟期)土壤贮水量无显著影响,但二者对玉米生育前期(播种至大喇叭口期)土壤贮水量互作效应显著(表2)。从不同秸秆还田方式看,秸秆还田处理下玉米不同生育阶段贮水量较秸秆不还田高5.0%～9.8%(P<0.05)。从不同耕作方式看,免耕玉米生长前期(播种至拔节期)土壤贮水量比传统翻耕高3.8%～4.2% (P<0.05)。从耕作方式与秸秆还田组合来看,免耕秸秆还田播种期土壤贮水量高于其他处理 (P<0.05)。拔节与大喇叭口期时,免耕秸秆还田与传统翻耕秸秆还田差异不显著。说明前茬小麦秸秆还田有利于后茬玉米不同生育阶段土壤水分贮存,免耕有利于玉米播种至拔节期土壤贮水量增加,同时不同耕作方式结合秸秆还田有助于增强玉米拔节至大喇叭口期农田土壤贮水效果。

表2 不同耕作方式与秸秆还田下玉米各生育阶段农田0～120 cm土层平均土壤贮水量动态Table 2 Dynamics of average soil water storage capacity in 0-120 cm soil layer of maize field at each growth stage under different tillage methods and straw returning to field mm

2.1.2 玉米不同生育阶段耗水量变化 耕作方式对玉米播种至吐丝期耗水量影响显著,秸秆还田及二者互作效应对玉米各生育阶段耗水量影响显著(表3)。免耕处理玉米播种至拔节期耗水量比传统翻耕提高29.4 mm(P<0.05),在玉米拔节至吐丝期,免耕的耗水量较传统翻耕降低 8.0～10.3 mm(P<0.05);秸秆还田处理下,玉米播种至拔节期耗水量较秸秆不还田增加18.4 mm(P<0.05),在玉米拔节至成熟期,秸秆还田较秸秆不还田显著降低耗水量10.4～14.4 mm (P<0.05);这说明,耕作方式与秸秆还田对玉米不同生育阶段的耗水量影响显著,但不同生育阶段表现并不一致。传统翻耕秸秆还田处理较免耕秸秆还田降低播种至拔节期耗水量37.7 mm (P<0.05),在玉米需水量较大的拔节至吐丝期,秸秆还田条件下传统翻耕耗水量比免耕高 14.5～16.0 mm(P<0.05),而传统翻耕或免耕结合秸秆还田均有利于降低玉米吐丝至成熟期耗水量。说明传统翻耕结合秸秆还田能有效协调玉米前后生育时期的耗水关系,提高玉米水分利用的有效性。

表3 不同耕作方式与秸秆还田下玉米各生育阶段耗水量Table 3 Water consumption amount at each growth stage of maize under different tillage methods and straw returning to field mm

2.2 不同耕作方式与秸秆还田下土壤热效应

2.2.1 玉米不同生育期温度动态变化的规律 耕作方式对玉米不同生育期农田土壤温度影响显著,秸秆还田方式对玉米播种至拔节期及抽雄吐丝期存在显著影响,且二者互作效应对玉米灌浆期前土壤温度影响显著(表4)。从不同耕作方式看,传统翻耕下玉米各生育期土壤温度较免耕提高0.6～2.6 ℃(P<0.05)。从不同秸秆还田方式看,播种至拔节期及抽雄吐丝期,秸秆还田土壤温度较秸秆不还田降低0.6～0.8 ℃(P<0.05)。从耕作方式与秸秆还田组合来看,传统翻耕条件下秸秆还田方式对玉米灌浆期前0～25 cm土层平均温度影响不显著,而免耕秸秆还田下玉米播种至灌浆期土壤温度低于其他处理1.6～3.8 ℃(P<0.05)。以上结果说明,相比免耕,传统翻耕增加了玉米不同生育阶段农田土壤温度,而秸秆还田方式结合免耕不利于土壤温度升高。

表4 不同耕作方式与秸秆还田下玉米各生育期农田0～25 cm土层平均土壤温度动态Table 4 Dynamics of average soil temperature in the 0-25 cm soil layer of maize filed at different growth periods under different tillage methods and straw returning to field ℃

2.2.2 玉米不同生育阶段的土壤有效积温变化 耕作方式与秸秆还田对玉米不同生育阶段土壤有效积温(AT)存在显著影响,且二者互作效应显著(表5)。从不同耕作方式来看,传统翻耕条件下玉米不同生长阶段AT较免耕高36.2～67.4 ℃(P<0.05),较免耕全生育期总AT高 9.7%(P<0.05)。从不同秸秆还田方式来看,相比秸秆不还田处理,秸秆还田降低了玉米不同生长阶段AT 3.6～8.0 ℃(P<0.05),降低全生育期总AT 1.3%(P<0.05)。从耕作方式与秸秆还田两者组合看,传统翻耕结合秸秆还田在玉米播种至拔节期、拔节至大喇叭口期、大喇叭口期至吐丝期、吐丝至成熟期、全生育期的AT较其他处理分别增加19.6～93.0 ℃、21.2～61.3 ℃、 17.4～59.5 ℃、14.1～58.4 ℃、72.4～272.3 ℃(P< 0.05),传统翻耕结合秸秆还田增温效应最显著,其次为传统翻耕秸秆不还田和免耕秸秆不还田,免耕秸秆还田增温幅度最小。以上结果说明免耕及免耕结合秸秆还田有降低土壤有效积温的作用,而传统翻耕结合秸秆还田有助于提高玉米生长阶段土壤有效积温。

2.3 玉米籽粒产量、水分利用效率和积温生产效率对耕作方式及秸秆还田的响应

耕作方式及秸秆还田方式对籽粒产量、水分利用效率(WUE)及积温生产效率(TUE)影响显著,且二者互作效应显著(表6)。从不同耕作方式看,传统翻耕条件下籽粒产量达到11 842.1 kg·hm-2,较免耕提高20.8%(P<0.05),对应WUE和TUE分别提高22.6%和12.3%(P<0.05)。从不同秸秆还田方式来看,秸秆还田条件下籽粒产量达11 807.8 kg·hm-2,较秸秆不还田高20.3%(P<0.05),对应WUE和TUE分别提高23.6%和23.2%(P<0.05)。从耕作方式与秸秆还田组合来看,传统翻耕秸秆还田条件下籽粒产量、WUE和TUE分别达13 193.2 kg·hm-2、20.0 kg·hm-2·mm-1和7.1 kg·hm-2·℃-1,较其他处理籽粒产量、WUE和TUE分别提高20.3%～37.9%、22.0%～ 40.5%、7.0%～32.4%(P<0.05)。传统翻耕秸秆不还田与免耕秸秆还田处理籽粒产量和WUE差异不显著。综合上述结果,传统翻耕有利于提高玉米籽粒产量、水分利用效率和积温生产效率,且试区无论传统耕作或免耕,结合小麦秸秆还田均有利于提高玉米的籽粒产量、水分利用效率和积温生产效率。

表6 不同耕作方式及秸秆还田下玉米籽粒产量、水分利用效率和积温生产效率Table 6 Grain yield,water use efficiency and accumulated temperature production efficiency of maize under different tillage methods and straw returning to field

3 讨 论

3.1 农田土壤水分状况对耕作方式与秸秆还田方式的响应

本研究发现,干旱绿洲灌区小麦秸秆还田较秸秆不还田增加了后茬玉米各生育阶段土壤贮水量,降低了玉米拔节后耗水量,从而提高了后茬玉米籽粒产量和水分利用效率。有研究认为,秸秆还田一方面通过改善土壤理化性质,提高土壤蓄水保墒能力,另一方面通过减少农田耗水,改善耗水模式进而提高作物产量及水分利用效率[21-22]。有研究指出传统翻耕因犁铧长期对耕层土壤打击挤压导致土壤储水能力下降、抑制根系生长及下伸吸收利用水分,造成作物减产及水分利用效率下降[23-24]。本研究中,传统翻耕结合秸秆还田显著提高了玉米籽粒产量和水分利用效率,可能是由于传统翻耕结合秸秆还田条件下耕层土壤与秸秆接触充分,提高了作物出苗率与出苗整齐度[19]。同时,传统翻耕结合秸秆还田降低了玉米拔节前期无效耗水而利于土壤水分蓄存,弥补单一传统翻耕蓄水不足及干湿不均的弊端,促使秸秆还田将保水优势转为作物增产优势进而提高了水分利用效率[14,25]。也有研究证实,传统翻耕结合秸秆还田通过改善耕层土壤结构,促进作物根系发育及耕层的空间分布,优化干物质积累分配从而达到作物增产和水分利用效率提高的目的[26-28]。本研究中免耕虽较传统翻耕提高了玉米拔节前土壤贮水,降低了拔节至吐丝期耗水量,但免耕结合秸秆还田并未明显增产及提高水分利用效率,其原因可能是免耕因未搅动土壤,导致土壤容重增大、土壤板结,秸秆分布不均及覆盖阻碍影响作物出苗、幼苗生长等,造成作物水分利用效率降低[20,29]。但也有研究指出,免耕结合秸秆还田具有增产效应,主要是因为一方面免耕秸秆还田土壤保水保墒效应显著,并通过改善耕层土壤结构及有机质库存,优化土壤理化性能[20,30];另一方面,免耕秸秆还田能有效提高作物干物质生长速率,协调干物质积累及产量形成特征[31]。有关秸秆还田量、均匀度的差异及其与耕作方式结合对土壤水分特征的影响则需要进一步深入研究。

3.2 农田土壤热量变化对耕作方式与秸秆还田方式的响应

本研究结果表明,传统翻耕处理较免耕增加了玉米各生育阶段土壤温度与有效积温,提高了积温生产效率。有研究认为,传统翻耕因生育前期温度高,作物生长快且养分消耗多,导致后期养分不足,影响作物产量构成而造成减产[5]。传统翻耕结合地膜覆盖会造成作物生殖生长期耕层极端高温而制约作物增产[30]。本试验区因主栽作物玉米“非膜不植”,传统翻耕处理后茬玉米季覆盖了地膜,但并未表现出耕层高温导致的籽粒产量降低的情况,这可能与试验区气候特征有关。本研究中传统翻耕结合秸秆翻压还田也显著提高了积温生产效率,可能是由于传统翻耕结合秸秆还田打破了犁底层,土壤通气性与导热性增强,利于作物根系生长发育、水肥吸收及延缓根系衰老[25,32],同时传统翻耕结合秸秆还田条件下适宜的土壤热量环境促进了秸秆的腐解,加速养分释放,进一步满足作物养分需求,实现作物增产进而提高了积温生产效率[33]。另有研究表明,传统耕作措施下地膜覆盖与秸秆还田有效协调改善土壤热量状况进而提高了作物产量[34],这与本研究结果一致。本研究中,免耕结合秸秆覆盖还田因降低土壤温度与有效积温,导致减产进而降低积温生产效率。主要原因可能是土壤温度与土壤含水量存在显著负相关关系,免耕耕层土壤水分含量高、热容量变大而不利于土壤热量积累[34-35];另一方面,秸秆覆盖地表,阻挡太阳有效辐射及土壤大气间水热交换,降低了土壤有效积温进而导致作物减产、积温生产效率不高[6]。但也有研究表明,免耕结合秸秆覆盖还田因低温效应抑制作物前期生长发育,减少了耕层养分消耗,有效协调养分错期分配,从而满足了作物生长后期养分需求,延长了作物光合作用时间并优化了作物产量性能指标,最终实现作物增产[36-38]。因此,明确免耕秸秆还田下土壤热量变化特征及其与产量的关联机制是今后需要关注的重点。

4 结 论

绿洲灌区秸秆还田条件下玉米籽粒产量、水分利用效率及积温生产效率高于秸秆不还田;传统翻耕较免耕能获得较高籽粒产量、水分利用效率及积温生产效率。其原因在于秸秆还田提高了玉米各生育期土壤贮水量,降低了拔节至成熟期耗水量、玉米播种至拔节期及吐丝期土壤温度及各生育期土壤有效积温;传统翻耕较免耕提高了玉米各生育期土壤温度及有效积温。传统翻耕结合秸秆还田条件下玉米籽粒产量、水分利用效率及积温生产效率最高。在水资源紧缺、春秋季热量有限的干旱绿洲灌区,传统翻耕结合秸秆还田可作为玉米高产和水热资源高效利用的有效技术措施。