夏閑期玉米壓青對旱地麥田土壤水分周年變化的影響

趙玉坤,馬愛平,靖華,亢秀麗,崔歡虎,席吉龍,黃學芳

(1.山西農業大學小麥研究所,山西臨汾 041000;2.山西農業大學棉花研究所,山西運城 044000;3.山西農業大學山西有機旱作農業研究院,太原 030006)

隨著農業集約化快速發展,過量施用化肥導致的土壤酸化板結問題愈發嚴重[1-2]。綠肥壓青是土壤調控改良的一種重要途徑[3-5],綠肥作物通過壓青還田,可有效減少化肥和農藥的施用[6],提高土壤有機質含量[7],增加碳、氮等養分供應[8],改良土壤結構和微生物環境[9-10],保土蓄水[11-12],進而培肥土壤和提高耕地質量。

山西省地處黃土高原東部,受高溫少雨等氣候條件制約,大部分旱作麥區耕作制度均是一年一熟單作制。旱地麥田降水資源時空分布嚴重不均,其中夏季休閑期(6—9月)降水量占整個年度降水量的70%～80%,且較大部分地表水由于高溫蒸發而耗散,不能為下茬小麥生長所用。旱地麥田夏閑期種植綠肥作物,可充分利用該階段的光熱水資源,且綠肥植株粉碎翻壓還田后,直接向土壤輸入外源有機質,提高土壤有機碳儲量[13],促進團聚體形成[14-15],進而改善土壤微環境,培肥地力,為土質改良及下茬作物高產奠定堅實基礎。

關于綠肥壓青研究較多集中在豆科作物壓青后土壤微生態環境改善[16-18]、微生物多樣性變化[19-21]及對后茬作物產量效應等[22-24]方面,而針對非豆科高光效C4作物玉米壓青及土壤周年水分動態變化特征等方面缺乏系統而深入的科學研究。因此,本研究通過在晉南旱地麥田夏閑期種植玉米壓青還田試驗,結合免耕模式下的土壤水分變化規律,分析夏閑期玉米壓青模式下土壤周年貯水耗水動態、水分利用效率及對后茬小麥產量的影響,以期為旱作麥區壓青培肥擴蓄增容技術提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021—2022年在山西農業大學小麥研究所韓村試驗基地進行。試驗地點位于臨汾市堯都區(36°8′43″N,111°34′36″E),海拔459 m,屬溫帶大陸性半干旱氣候,年日照時數2 400 h,年降水量452 mm,平均氣溫13.08℃,≥0℃積溫4 965.6℃。試驗地土壤類型為中壤石灰性褐土,壓青試驗開始前耕層土壤基礎肥力指標為:有機質含量16.35 g/kg,全氮1.12 g/kg,堿解氮42.80 mg/kg,有效磷6.56 mg/kg,速效鉀123.90 mg/kg。

2021年度夏季休閑期(上茬小麥收獲后至下茬小麥播前,6—10月)降水量為782.8 mm,10月初小麥播前有一次強降雨過程,雨量大,持續時間長,使降水量較常年(295.9 mm)多486.9 mm,小麥生長季(10月—次年6月)降水量為117.6 mm,較常年(161.6 mm)少44 mm。

1.2 試驗材料與設計

試驗夏閑期壓青玉米品種為KWS9384(早熟品種,由新疆康地種業科技股份有限公司選育),后茬小麥品種為運旱115(山西農業大學棉花研究所選育)。

試驗處理分免耕和壓青兩組,采用大區對比方法,每處理小區面積700 m2(寬10 m,長70 m),不設重復。夏閑期:免耕滅茬于2021年6月9日進行;壓青玉米于2021年6月10日前茬小麥收獲后播種,為保證玉米出苗率,播種后在試驗小區鋪設微噴帶模擬人工降雨20 mm,待玉米出苗后將微噴帶收回。玉米種植密度為75 000 株/hm2,株距22 cm,行距60 cm,于2021年8月10日機械粉碎、壓青還田。小麥季:兩組處理均于2021年10月21日播種小麥,每公頃施專用復合肥(N∶P∶K=25∶15∶5)600 kg,播種量225 kg/hm2,行距20 cm,小麥季不澆水和追肥,田間除草統一進行,2022年6月8日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤取樣 免耕和玉米壓青兩組處理小區均采用“W”五點法取土樣,分別在2021年6月9日(前茬小麥收獲時)、7月24日(夏閑早期)、8月10日(夏閑中期,玉米壓青前)、10月20日(夏閑末期、后茬小麥播前),2022年3月31日(小麥拔節期)、6月8日(小麥收獲前)6個時期用土鉆取0—200 cm土樣(每20 cm 為一土層),采用鋁盒烘干法測定每層土壤含水量。

1.3.2 土壤貯水量 土壤含水量(WC,%)和土壤貯水量(SWS,mm)計算參見以下公式:

式中:W1為鋁盒與濕土質量之和(g);W2為烘干后鋁盒與干土質量之和(g);W3為鋁盒質量(g);Di為土壤容重(g/cm3);Hi為土層厚度(cm);Wi為土壤質量含水量(%);n為土層數量。

1.3.3 耗水量 作物耗水量(CWC,mm)采用水量平衡法計算,本試驗小區地勢平坦,地下水平均埋深19.9 m,可忽略徑流和地下水補給,采用以下公式計算。土壤耗水量(SWC,mm)和土壤盈水量(SSW,mm)計算公式分別為:

式中:ΔW為生育期始末0—200cm 土層貯水量差值(mm);P為生育期降水量(mm);Wa為階段初始土壤貯水量(mm);Wb為階段終止土壤貯水量(mm)。1.3.4 生物產量與籽粒產量 夏閑中期玉米壓青前(2021年8月10日),選取玉米連續2行計20株取樣(包含地下部分),3次重復,每重復折合面積2.64 m2(株距22 cm,行距60 cm)測定鮮重(kg)、干重(80℃烘干至恒重,kg)。免耕小區選取有代表性的樣段3 m2(長1 m×寬3 m)內所有雜草取樣(包含地下部分),3次重復,測定鮮重(kg)、干重(方法同上,kg)。分別統計玉米壓青和免耕處理的夏閑期生物產量。

小麥收獲時取5行、長3 m 的小區(3 m2),3次重復,收獲全部植株(包含地下部分),完全曬干后脫粒,收集秸稈、根部和穗穎殼,分別稱重,統計籽粒產量和植株生物量,按面積折算成hm2產量。

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,%)計算參見以下公式:

式中:Y為作物產量(kg/hm2);ΔW為生育期始末0—200 cm 土層貯水量差值(mm);P為生育期降水量(mm);Wa為階段初始土壤貯水量(mm);Wb為階段終止土壤貯水量(mm)。

1.4 數據分析

周年生育期按夏閑期、小麥季兩個階段分析。數據采用Excel 2013和SPSS 24.0軟件進行統計分析,兩組處理間各土層貯水量顯著性檢驗采用配對雙尾T 檢驗,其余階段耗水量、產量、效率等指標顯著性檢驗采用方差分析方法。

2 結果與分析

2.1 夏閑期玉米壓青對旱地麥田各土層周年貯水量變化的影響

夏閑期玉米壓青(MG)和免耕(NT)處理0—200 cm 土壤周年貯水量隨生育期呈“M”型變化趨勢(圖1),在夏閑末期(小麥播前)達到峰值。與免耕處理相比,玉米壓青0—200 cm 土層貯水量在夏閑早、中期均低于免耕,而在小麥季玉米壓青處理貯水量又高于免耕,說明在旱地麥田降水量較平均年多(豐水年,920.40 mm,其中50%以上集中在夏閑末期階段)的情況下,玉米壓青處理雖然在夏閑期消耗較多的降水,但作為綠肥壓青還田后可在小麥季為小麥生長提供更多的水分,為后期高產奠定基礎。0—100 cm 土層貯水量,玉米壓青和免耕處理在夏閑末期之前,與0—200 cm 土層貯水量變化趨勢一致,而在小麥季兩者差異較小。100—200 cm 土層貯水量,除基礎水分和夏閑早期階段外,玉米壓青處理100—200 cm 土層貯水量均高于免耕處理。

圖1 夏閑期玉米壓青和免耕處理下麥田土壤周年貯水量Fig.1 Annual soil water storage under maize green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏閑期玉米壓青和免耕處理對0—200 cm 土壤內各20 cm 土層貯水量影響不同(圖2)。玉米壓青和免耕處理在土壤基礎貯水量上各土層變化基本一致。在夏閑早、中期,玉米壓青0—80 cm 各土層貯水量均顯著低于免耕處理,這與玉米生長耗水有關,而100—200 cm 較深層的貯水量變化,二者差異較小。在夏閑末期及小麥季階段,壓青和免耕處理100—200 cm 較深層的貯水量變化均要大于0—100 cm 土層,玉米壓青處理100—200 cm 各層貯水量均要高于免耕處理,說明與免耕相比,壓青處理對深層土壤的蓄水能力更強。

圖2 夏閑期玉米壓青和免耕處理下麥田各土層貯水量變化Fig.2 Each soil layer water storage change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

2.2 夏閑期玉米壓青對旱地麥田周年耗水量變化的影響

夏閑期玉米壓青和免耕處理對旱地麥田周年耗水量變化的影響不同(表1)。免耕處理0—200 cm,0—100 cm,100—200 cm土層周年耗水量均顯著高于玉米壓青處理(p＜0.05),其中兩處理100—200 cm較深層水的消耗值均要高于0—100 cm淺土層。夏閑期100—200 cm和0—200 cm土層盈水量玉米壓青處理要極顯著高于免耕處理(p＜0.01),說明與免耕相比,壓青能夠提高深層土壤的蓄水能力。在小麥季,玉米壓青處理0—100 cm土層耗水量顯著低于免耕,而在100—200 cm 和0—200 cm土層耗水量兩處理間差異較小(p＞0.05),說明與免耕相比,壓青可減少0—100 cm 淺土層用于作物生長或土壤損耗的水分耗散量。

表1 夏閑期玉米壓青和免耕處理下不同時期土壤耗水量變化Table 1 Different periods'soil water consumption change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏閑期玉米壓青和免耕處理對0—200 cm 土壤內各20 cm土層耗水量的影響不同(圖3)。在夏閑期,玉米壓青處理的耗水峰值出現在20—40 cm 和120—140 cm土層(30 mm),而免耕處理的耗水峰值出現在20—40 cm和180—200 cm土層;100 cm 以下土層兩處理耗水量變化基本一致,而在120—180 cm土層,壓青處理耗水量顯著高于免耕。在小麥季,兩處理的耗水峰值均出現在0—20 cm 土層,且兩處理隨土層深度增大耗水量變化趨勢基本一致。在周年生長階段,兩處理的耗水峰值均出現在160—180 cm 土層,且160 cm 土層以下的耗水量要顯著高于其上土層。

圖3 夏閑期玉米壓青和免耕處理下麥田各土層耗水量變化Fig.3 Each soil layer water consumption change trends under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏閑期玉米壓青和免耕處理對耗水量及耗水比例的影響不同(表2)。在夏閑期、小麥季和周年階段,玉米壓青處理作物耗水量均低于免耕處理,且在夏閑期和周年階段兩者存在顯著差異(p＜0.05)。從降水與總耗水比可以看出,周年作物耗水量占降水量的95%以上,在夏閑期降水量遠大于作物耗水,說明此階段是土壤蓄水關鍵時期,而小麥季作物耗水量又遠大于降水量,說明此階段小麥生長的主要水分來源為夏閑期的土壤貯水量。0—200 cm 土壤貯水變化在夏閑期為盈水(＞250 mm),在小麥季為耗水(＞280 mm),壓青處理土壤盈水量夏閑期高于免耕,而小麥季又低于免耕,說明玉米壓青處理蓄水能力更好。兩處理土壤貯水消耗量占總耗水量的百分比小麥季均顯著高于夏閑期,而周年百分比較小,說明周年作物(綠肥+小麥)生長主要水分來源為自然降水,免耕處理的耗水百分比顯著高于壓青處理(p＜0.05)。

表2 夏閑期玉米壓青和免耕處理對耗水量及耗水比例的影響Table 2 Effects of water consumption amounts and percentage under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

2.3 夏閑期玉米壓青對旱地麥田生物產量及水分利用效率的影響

夏閑期玉米壓青和免耕處理對旱地小麥產量三要素及籽粒產量的影響不同(表3)。壓青處理小麥穗數、穗粒數顯著高于免耕,而千粒重差異較小。壓青處理的小麥穗數和穗粒數分別較免耕提高了7.54%,10.59%,籽粒產量較免耕提高7.36%,說明在播前墑情較好條件下,夏閑期玉米壓青還田處理較免耕處理增產。

表3 夏閑期玉米壓青和免耕處理對小麥產量三要素的影響Table 3 Effects of three elements in wheat yield under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

夏閑期玉米壓青和免耕處理對旱地麥田降水、水分利用效率的影響不同(表4)。玉米壓青處理的生物及籽粒產量在夏閑期、小麥季和周年均顯著高于免耕(p＜0.05)。在夏閑期土壤對降雨的蓄水效率,壓青處理顯著高于免耕,較免耕提高5.62%。在夏閑期玉米壓青還田生物量顯著高于免耕處理條件下,小麥季和周年階段,壓青處理生物產量及籽粒產量的降水、水分利用效率均顯著高于免耕處理。

表4 夏閑期玉米壓青和免耕處理對水分利用效率的影響Table 4 Effects of water use efficiency under green manure returning and no-tillage treatments during summer fallow period

3 討論

3.1 夏閑期玉米壓青對旱地麥田周年貯水量的影響

在晉南旱地麥區,全年70%以上降水集中在7—9月,而小麥產量形成主要依賴于生育期有效降水及播前土壤蓄水量,不同的夏閑期土壤耕作方式對土壤貯水影響較大。已有研究表明,與免耕相比,夏閑期玉米壓青可提高小麥季0—200 cm土壤貯水量,且高海拔試點貯水量高于低海拔試點[25]。李婧[26]在渭北旱塬麥田的研究表明,與傳統夏閑期休閑耕作方式相比,綠肥提前翻壓有利于提高小麥播前土壤貯水量,增加冬小麥分蘗數和穗數,蓄水培肥,增產效果明顯,這與本研究結果基本一致。在本研究中,夏閑期玉米壓青0—200 cm 土層貯水量在夏閑早、中期均低于免耕,這與玉米生長耗水有關;基于夏閑末期/小麥播前(10月初)的較大降雨量,在其后的小麥季玉米壓青處理0—200 cm 土層的貯水量又高于免耕,從而為冬小麥增產提供良好水分環境。小麥季0—100 cm 土層貯水量兩處理結果基本一致,而100—200 cm 土層貯水量玉米壓青處理要高于免耕,說明與免耕模式相比,夏閑期玉米壓青還田處理對較深層土壤的蓄水能力更強。

3.2 夏閑期玉米壓青對旱地麥田周年耗水量的影響

李順[27]通過晉南旱塬麥區夏閑期綠肥作物篩選試驗,認為綠肥生物量的形成與耗水量呈極顯著正相關關系,且降水量越少相關性越強;與免耕模式相比,箭筈豌豆等豆科綠肥作物壓青還田后耗水量略高但兩模式間差異不顯著,綠肥壓青后茬小麥產量高于免耕模式。在渭北平原旱作麥區[28]夏閑期和小麥季,光葉苕子等豆科綠肥作物壓青處理0—200 cm 土層耗水量均顯著高于對照免耕處理,但差異會隨著壓青年限和小麥生育期推進而逐漸減小。本研究結果與此存在差異,夏閑期玉米壓青處理0—200 cm 土壤周年耗水量顯著低于免耕處理,小麥季壓青處理0—100 cm 較淺土層耗水量顯著低于免耕,而100—200 cm 較深土層耗水量兩者間差異較小,說明壓青處理更能抑制淺土層(0—100 cm)的水分耗散,這可能與該年度夏閑末期/小麥播前時期降水量(241.5 mm)較往年偏高有關,小麥播前良好的水分環境更能充分發揮夏閑期玉米壓青處理的改土擴蓄效果,為后期小麥生長提供更好環境條件。

3.3 夏閑期玉米壓青對旱地麥田生物產量及水分利用效率的影響

夏閑期綠肥壓青通過影響土壤理化性質、微生物含量及水分微環境,進而對后茬作物產量產生影響。已有陜西渭北旱塬旱地麥田綠肥—冬小麥輪作的定位試驗[29]研究表明,綠肥輪作可顯著提高淺層土壤的水分和氮磷鉀養分含量,且在輪作第一年,種植綠肥降低了小麥籽粒產量和生物量,其后年度綠肥壓青處理均較免耕處理顯著提高小麥產量,且呈逐年遞增趨勢,這與本研究玉米壓青處理的研究結果不同。本研究中,夏閑期玉米壓青處理第一年度,周年生物產量及小麥籽粒產量均顯著高于免耕處理,這與小麥播前較大降雨量有關,且在降雨較多條件下玉米壓青處理0—200 cm 土層貯水量高于免耕,從而為后茬小麥萌發和苗期生長提供了良好的水分環境。另外,在小麥拔節期至成熟期,玉米壓青處理0—200 cm 土層貯水量均高于免耕處理,使得小麥產量三要素中,除千粒重外,穗數和穗粒數指標均以玉米壓青處理表現更好。在周年生育期內,基于顯著高于免耕處理的小麥籽粒產量和低于免耕處理的總耗水量(p＜0.05),夏閑期玉米壓青處理的降水、水分利用效率指標均優于免耕。

4 結論

(1)在旱地麥田豐水年份,與免耕休閑耕作方式相比,夏閑期玉米壓青處理可顯著提高0—200 cm 土壤周年貯水量,且對100—200 cm 較深層土壤的蓄水能力更強;玉米壓青處理0—200 cm 土壤周年耗水量及耗水百分比均顯著低于免耕處理;與免耕相比,壓青處理可提高夏閑期0—200 cm 土層盈水量,減少小麥季0—100 cm 淺土層的水分耗散量;壓青處理小麥穗數、穗粒數顯著高于免耕,而千粒重差異較小。

(2)在夏閑期玉米壓青還田生物量顯著高于免耕處理條件下,小麥季和周年階段,壓青處理生物產量及籽粒產量的降水、水分利用效率均顯著高于免耕處理。壓青處理夏閑期0—200 cm 土壤對降雨的蓄水效率顯著高于免耕。

(3)與夏閑期免耕模式相比,夏閑期玉米壓青處理可顯著改善旱地麥田豐水年份0—200 cm 土壤水分微環境,為后茬小麥增產奠定堅實基礎。