夏闲期玉米压青对旱地麦田土壤水分周年变化的影响

赵玉坤,马爱平,靖华,亢秀丽,崔欢虎,席吉龙,黄学芳

(1.山西农业大学小麦研究所,山西临汾 041000;2.山西农业大学棉花研究所,山西运城 044000;3.山西农业大学山西有机旱作农业研究院,太原 030006)

随着农业集约化快速发展,过量施用化肥导致的土壤酸化板结问题愈发严重[1-2]。绿肥压青是土壤调控改良的一种重要途径[3-5],绿肥作物通过压青还田,可有效减少化肥和农药的施用[6],提高土壤有机质含量[7],增加碳、氮等养分供应[8],改良土壤结构和微生物环境[9-10],保土蓄水[11-12],进而培肥土壤和提高耕地质量。

山西省地处黄土高原东部,受高温少雨等气候条件制约,大部分旱作麦区耕作制度均是一年一熟单作制。旱地麦田降水资源时空分布严重不均,其中夏季休闲期(6—9月)降水量占整个年度降水量的70%～80%,且较大部分地表水由于高温蒸发而耗散,不能为下茬小麦生长所用。旱地麦田夏闲期种植绿肥作物,可充分利用该阶段的光热水资源,且绿肥植株粉碎翻压还田后,直接向土壤输入外源有机质,提高土壤有机碳储量[13],促进团聚体形成[14-15],进而改善土壤微环境,培肥地力,为土质改良及下茬作物高产奠定坚实基础。

关于绿肥压青研究较多集中在豆科作物压青后土壤微生态环境改善[16-18]、微生物多样性变化[19-21]及对后茬作物产量效应等[22-24]方面,而针对非豆科高光效C4作物玉米压青及土壤周年水分动态变化特征等方面缺乏系统而深入的科学研究。因此,本研究通过在晋南旱地麦田夏闲期种植玉米压青还田试验,结合免耕模式下的土壤水分变化规律,分析夏闲期玉米压青模式下土壤周年贮水耗水动态、水分利用效率及对后茬小麦产量的影响,以期为旱作麦区压青培肥扩蓄增容技术提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年在山西农业大学小麦研究所韩村试验基地进行。试验地点位于临汾市尧都区(36°8′43″N,111°34′36″E),海拔459 m,属温带大陆性半干旱气候,年日照时数2 400 h,年降水量452 mm,平均气温13.08℃,≥0℃积温4 965.6℃。试验地土壤类型为中壤石灰性褐土,压青试验开始前耕层土壤基础肥力指标为:有机质含量16.35 g/kg,全氮1.12 g/kg,碱解氮42.80 mg/kg,有效磷6.56 mg/kg,速效钾123.90 mg/kg。

2021年度夏季休闲期(上茬小麦收获后至下茬小麦播前,6—10月)降水量为782.8 mm,10月初小麦播前有一次强降雨过程,雨量大,持续时间长,使降水量较常年(295.9 mm)多486.9 mm,小麦生长季(10月—次年6月)降水量为117.6 mm,较常年(161.6 mm)少44 mm。

1.2 试验材料与设计

试验夏闲期压青玉米品种为KWS9384(早熟品种,由新疆康地种业科技股份有限公司选育),后茬小麦品种为运旱115(山西农业大学棉花研究所选育)。

试验处理分免耕和压青两组,采用大区对比方法,每处理小区面积700 m2(宽10 m,长70 m),不设重复。夏闲期:免耕灭茬于2021年6月9日进行;压青玉米于2021年6月10日前茬小麦收获后播种,为保证玉米出苗率,播种后在试验小区铺设微喷带模拟人工降雨20 mm,待玉米出苗后将微喷带收回。玉米种植密度为75 000 株/hm2,株距22 cm,行距60 cm,于2021年8月10日机械粉碎、压青还田。小麦季:两组处理均于2021年10月21日播种小麦,每公顷施专用复合肥(N∶P∶K=25∶15∶5)600 kg,播种量225 kg/hm2,行距20 cm,小麦季不浇水和追肥,田间除草统一进行,2022年6月8日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤取样 免耕和玉米压青两组处理小区均采用“W”五点法取土样,分别在2021年6月9日(前茬小麦收获时)、7月24日(夏闲早期)、8月10日(夏闲中期,玉米压青前)、10月20日(夏闲末期、后茬小麦播前),2022年3月31日(小麦拔节期)、6月8日(小麦收获前)6个时期用土钻取0—200 cm土样(每20 cm 为一土层),采用铝盒烘干法测定每层土壤含水量。

1.3.2 土壤贮水量 土壤含水量(WC,%)和土壤贮水量(SWS,mm)计算参见以下公式:

式中:W1为铝盒与湿土质量之和(g);W2为烘干后铝盒与干土质量之和(g);W3为铝盒质量(g);Di为土壤容重(g/cm3);Hi为土层厚度(cm);Wi为土壤质量含水量(%);n为土层数量。

1.3.3 耗水量 作物耗水量(CWC,mm)采用水量平衡法计算,本试验小区地势平坦,地下水平均埋深19.9 m,可忽略径流和地下水补给,采用以下公式计算。土壤耗水量(SWC,mm)和土壤盈水量(SSW,mm)计算公式分别为:

式中:ΔW为生育期始末0—200cm 土层贮水量差值(mm);P为生育期降水量(mm);Wa为阶段初始土壤贮水量(mm);Wb为阶段终止土壤贮水量(mm)。1.3.4 生物产量与籽粒产量 夏闲中期玉米压青前(2021年8月10日),选取玉米连续2行计20株取样(包含地下部分),3次重复,每重复折合面积2.64 m2(株距22 cm,行距60 cm)测定鲜重(kg)、干重(80℃烘干至恒重,kg)。免耕小区选取有代表性的样段3 m2(长1 m×宽3 m)内所有杂草取样(包含地下部分),3次重复,测定鲜重(kg)、干重(方法同上,kg)。分别统计玉米压青和免耕处理的夏闲期生物产量。

小麦收获时取5行、长3 m 的小区(3 m2),3次重复,收获全部植株(包含地下部分),完全晒干后脱粒,收集秸秆、根部和穗颖壳,分别称重,统计籽粒产量和植株生物量,按面积折算成hm2产量。

1.3.5 水分利用效率 水分利用效率〔WUE,kg/(hm2·mm)〕、降水利用效率〔PUE,kg/(hm2·mm)〕和土壤蓄水效率(WSE,%)计算参见以下公式:

式中:Y为作物产量(kg/hm2);ΔW为生育期始末0—200 cm 土层贮水量差值(mm);P为生育期降水量(mm);Wa为阶段初始土壤贮水量(mm);Wb为阶段终止土壤贮水量(mm)。

1.4 数据分析

周年生育期按夏闲期、小麦季两个阶段分析。数据采用Excel 2013和SPSS 24.0软件进行统计分析,两组处理间各土层贮水量显著性检验采用配对双尾T 检验,其余阶段耗水量、产量、效率等指标显著性检验采用方差分析方法。

2 结果与分析

2.1 夏闲期玉米压青对旱地麦田各土层周年贮水量变化的影响

夏闲期玉米压青(MG)和免耕(NT)处理0—200 cm 土壤周年贮水量随生育期呈“M”型变化趋势(图1),在夏闲末期(小麦播前)达到峰值。与免耕处理相比,玉米压青0—200 cm 土层贮水量在夏闲早、中期均低于免耕,而在小麦季玉米压青处理贮水量又高于免耕,说明在旱地麦田降水量较平均年多(丰水年,920.40 mm,其中50%以上集中在夏闲末期阶段)的情况下,玉米压青处理虽然在夏闲期消耗较多的降水,但作为绿肥压青还田后可在小麦季为小麦生长提供更多的水分,为后期高产奠定基础。0—100 cm 土层贮水量,玉米压青和免耕处理在夏闲末期之前,与0—200 cm 土层贮水量变化趋势一致,而在小麦季两者差异较小。100—200 cm 土层贮水量,除基础水分和夏闲早期阶段外,玉米压青处理100—200 cm 土层贮水量均高于免耕处理。

图1 夏闲期玉米压青和免耕处理下麦田土壤周年贮水量Fig.1 Annual soil water storage under maize green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏闲期玉米压青和免耕处理对0—200 cm 土壤内各20 cm 土层贮水量影响不同(图2)。玉米压青和免耕处理在土壤基础贮水量上各土层变化基本一致。在夏闲早、中期,玉米压青0—80 cm 各土层贮水量均显著低于免耕处理,这与玉米生长耗水有关,而100—200 cm 较深层的贮水量变化,二者差异较小。在夏闲末期及小麦季阶段,压青和免耕处理100—200 cm 较深层的贮水量变化均要大于0—100 cm 土层,玉米压青处理100—200 cm 各层贮水量均要高于免耕处理,说明与免耕相比,压青处理对深层土壤的蓄水能力更强。

图2 夏闲期玉米压青和免耕处理下麦田各土层贮水量变化Fig.2 Each soil layer water storage change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

2.2 夏闲期玉米压青对旱地麦田周年耗水量变化的影响

夏闲期玉米压青和免耕处理对旱地麦田周年耗水量变化的影响不同(表1)。免耕处理0—200 cm,0—100 cm,100—200 cm土层周年耗水量均显著高于玉米压青处理(p＜0.05),其中两处理100—200 cm较深层水的消耗值均要高于0—100 cm浅土层。夏闲期100—200 cm和0—200 cm土层盈水量玉米压青处理要极显著高于免耕处理(p＜0.01),说明与免耕相比,压青能够提高深层土壤的蓄水能力。在小麦季,玉米压青处理0—100 cm土层耗水量显著低于免耕,而在100—200 cm 和0—200 cm土层耗水量两处理间差异较小(p＞0.05),说明与免耕相比,压青可减少0—100 cm 浅土层用于作物生长或土壤损耗的水分耗散量。

表1 夏闲期玉米压青和免耕处理下不同时期土壤耗水量变化Table 1 Different periods'soil water consumption change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏闲期玉米压青和免耕处理对0—200 cm 土壤内各20 cm土层耗水量的影响不同(图3)。在夏闲期,玉米压青处理的耗水峰值出现在20—40 cm 和120—140 cm土层(30 mm),而免耕处理的耗水峰值出现在20—40 cm和180—200 cm土层;100 cm 以下土层两处理耗水量变化基本一致,而在120—180 cm土层,压青处理耗水量显著高于免耕。在小麦季,两处理的耗水峰值均出现在0—20 cm 土层,且两处理随土层深度增大耗水量变化趋势基本一致。在周年生长阶段,两处理的耗水峰值均出现在160—180 cm 土层,且160 cm 土层以下的耗水量要显著高于其上土层。

图3 夏闲期玉米压青和免耕处理下麦田各土层耗水量变化Fig.3 Each soil layer water consumption change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏闲期玉米压青和免耕处理对耗水量及耗水比例的影响不同(表2)。在夏闲期、小麦季和周年阶段,玉米压青处理作物耗水量均低于免耕处理,且在夏闲期和周年阶段两者存在显著差异(p＜0.05)。从降水与总耗水比可以看出,周年作物耗水量占降水量的95%以上,在夏闲期降水量远大于作物耗水,说明此阶段是土壤蓄水关键时期,而小麦季作物耗水量又远大于降水量,说明此阶段小麦生长的主要水分来源为夏闲期的土壤贮水量。0—200 cm 土壤贮水变化在夏闲期为盈水(＞250 mm),在小麦季为耗水(＞280 mm),压青处理土壤盈水量夏闲期高于免耕,而小麦季又低于免耕,说明玉米压青处理蓄水能力更好。两处理土壤贮水消耗量占总耗水量的百分比小麦季均显著高于夏闲期,而周年百分比较小,说明周年作物(绿肥+小麦)生长主要水分来源为自然降水,免耕处理的耗水百分比显著高于压青处理(p＜0.05)。

表2 夏闲期玉米压青和免耕处理对耗水量及耗水比例的影响Table 2 Effects of water consumption amounts and percentage under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

2.3 夏闲期玉米压青对旱地麦田生物产量及水分利用效率的影响

夏闲期玉米压青和免耕处理对旱地小麦产量三要素及籽粒产量的影响不同(表3)。压青处理小麦穗数、穗粒数显著高于免耕,而千粒重差异较小。压青处理的小麦穗数和穗粒数分别较免耕提高了7.54%,10.59%,籽粒产量较免耕提高7.36%,说明在播前墒情较好条件下,夏闲期玉米压青还田处理较免耕处理增产。

表3 夏闲期玉米压青和免耕处理对小麦产量三要素的影响Table 3 Effects of three elements in wheat yield under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏闲期玉米压青和免耕处理对旱地麦田降水、水分利用效率的影响不同(表4)。玉米压青处理的生物及籽粒产量在夏闲期、小麦季和周年均显著高于免耕(p＜0.05)。在夏闲期土壤对降雨的蓄水效率,压青处理显著高于免耕,较免耕提高5.62%。在夏闲期玉米压青还田生物量显著高于免耕处理条件下,小麦季和周年阶段,压青处理生物产量及籽粒产量的降水、水分利用效率均显著高于免耕处理。

表4 夏闲期玉米压青和免耕处理对水分利用效率的影响Table 4 Effects of water use efficiency under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

3 讨论

3.1 夏闲期玉米压青对旱地麦田周年贮水量的影响

在晋南旱地麦区,全年70%以上降水集中在7—9月,而小麦产量形成主要依赖于生育期有效降水及播前土壤蓄水量,不同的夏闲期土壤耕作方式对土壤贮水影响较大。已有研究表明,与免耕相比,夏闲期玉米压青可提高小麦季0—200 cm土壤贮水量,且高海拔试点贮水量高于低海拔试点[25]。李婧[26]在渭北旱塬麦田的研究表明,与传统夏闲期休闲耕作方式相比,绿肥提前翻压有利于提高小麦播前土壤贮水量,增加冬小麦分蘖数和穗数,蓄水培肥,增产效果明显,这与本研究结果基本一致。在本研究中,夏闲期玉米压青0—200 cm 土层贮水量在夏闲早、中期均低于免耕,这与玉米生长耗水有关;基于夏闲末期/小麦播前(10月初)的较大降雨量,在其后的小麦季玉米压青处理0—200 cm 土层的贮水量又高于免耕,从而为冬小麦增产提供良好水分环境。小麦季0—100 cm 土层贮水量两处理结果基本一致,而100—200 cm 土层贮水量玉米压青处理要高于免耕,说明与免耕模式相比,夏闲期玉米压青还田处理对较深层土壤的蓄水能力更强。

3.2 夏闲期玉米压青对旱地麦田周年耗水量的影响

李顺[27]通过晋南旱塬麦区夏闲期绿肥作物筛选试验,认为绿肥生物量的形成与耗水量呈极显著正相关关系,且降水量越少相关性越强;与免耕模式相比,箭筈豌豆等豆科绿肥作物压青还田后耗水量略高但两模式间差异不显著,绿肥压青后茬小麦产量高于免耕模式。在渭北平原旱作麦区[28]夏闲期和小麦季,光叶苕子等豆科绿肥作物压青处理0—200 cm 土层耗水量均显著高于对照免耕处理,但差异会随着压青年限和小麦生育期推进而逐渐减小。本研究结果与此存在差异,夏闲期玉米压青处理0—200 cm 土壤周年耗水量显著低于免耕处理,小麦季压青处理0—100 cm 较浅土层耗水量显著低于免耕,而100—200 cm 较深土层耗水量两者间差异较小,说明压青处理更能抑制浅土层(0—100 cm)的水分耗散,这可能与该年度夏闲末期/小麦播前时期降水量(241.5 mm)较往年偏高有关,小麦播前良好的水分环境更能充分发挥夏闲期玉米压青处理的改土扩蓄效果,为后期小麦生长提供更好环境条件。

3.3 夏闲期玉米压青对旱地麦田生物产量及水分利用效率的影响

夏闲期绿肥压青通过影响土壤理化性质、微生物含量及水分微环境,进而对后茬作物产量产生影响。已有陕西渭北旱塬旱地麦田绿肥—冬小麦轮作的定位试验[29]研究表明,绿肥轮作可显著提高浅层土壤的水分和氮磷钾养分含量,且在轮作第一年,种植绿肥降低了小麦籽粒产量和生物量,其后年度绿肥压青处理均较免耕处理显著提高小麦产量,且呈逐年递增趋势,这与本研究玉米压青处理的研究结果不同。本研究中,夏闲期玉米压青处理第一年度,周年生物产量及小麦籽粒产量均显著高于免耕处理,这与小麦播前较大降雨量有关,且在降雨较多条件下玉米压青处理0—200 cm 土层贮水量高于免耕,从而为后茬小麦萌发和苗期生长提供了良好的水分环境。另外,在小麦拔节期至成熟期,玉米压青处理0—200 cm 土层贮水量均高于免耕处理,使得小麦产量三要素中,除千粒重外,穗数和穗粒数指标均以玉米压青处理表现更好。在周年生育期内,基于显著高于免耕处理的小麦籽粒产量和低于免耕处理的总耗水量(p＜0.05),夏闲期玉米压青处理的降水、水分利用效率指标均优于免耕。

4 结论

(1)在旱地麦田丰水年份,与免耕休闲耕作方式相比,夏闲期玉米压青处理可显著提高0—200 cm 土壤周年贮水量,且对100—200 cm 较深层土壤的蓄水能力更强;玉米压青处理0—200 cm 土壤周年耗水量及耗水百分比均显著低于免耕处理;与免耕相比,压青处理可提高夏闲期0—200 cm 土层盈水量,减少小麦季0—100 cm 浅土层的水分耗散量;压青处理小麦穗数、穗粒数显著高于免耕,而千粒重差异较小。

(2)在夏闲期玉米压青还田生物量显著高于免耕处理条件下,小麦季和周年阶段,压青处理生物产量及籽粒产量的降水、水分利用效率均显著高于免耕处理。压青处理夏闲期0—200 cm 土壤对降雨的蓄水效率显著高于免耕。

(3)与夏闲期免耕模式相比,夏闲期玉米压青处理可显著改善旱地麦田丰水年份0—200 cm 土壤水分微环境,为后茬小麦增产奠定坚实基础。