引用本文
王龙昌, 邹聪明, 张云兰, 张赛, 张晓雨, 周航飞, 罗海秀. 西南“旱三熟”地区不同保护性耕作措施对农田土壤生态效应及生产效益的影响. 作物学报, 2013, 39(10): 1880-1890
[WANG Long-Chang, ZOU Cong-Ming, ZHANG Yun-Lan, ZHANG Sai, ZHANG Xiao-Yu, ZHOU Hang-Fei, LUO Hai-Xiu. Influences of Conservation Tillage Practices on Farmland Soil Ecological Factors and Productive Benefits in Dryland Region with Triple Cropping System in Southwest China. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(10): 1880-1890]  
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西南“旱三熟”地区不同保护性耕作措施对农田土壤生态效应及生产效益的影响
王龙昌1,*, 邹聪明1,2, 张云兰1,3, 张赛1, 张晓雨1, 周航飞1, 罗海秀1
1西南大学农学与生物科技学院 / 三峡库区生态环境教育部重点实验室 / 南方山地农业教育部工程研究中心, 重庆 400716
2 Department of Plant & Soil Sciences, University of Kentucky, Kentucky 40503, USA
3广西财经学院经济与贸易学院, 广西南宁530003
* 通讯作者(Corresponding author): 王龙昌, E-mail:wanglc2003@163.com, Tel: 023-68250285
收稿日期:2013-06-09
基金:本研究由国家自然科学基金项目(30871474, 31271673)和重庆市科技攻关项目(CSTC, 2008AB1001)资助。
摘要

针对我国西南地区旱作农田土层浅薄、水土流失严重、季节性干旱多发等问题, 以常规平作(T)、垄作(R)、平作+秸秆覆盖(TS)、垄作+秸秆覆盖(RS)、平作+秸秆覆盖+腐熟剂(TSD)、垄作+秸秆覆盖+腐熟剂(RSD) 6种措施作为处理, 连续2年进行大田对比试验, 研究不同保护性耕作措施对西南“旱三熟”种植区农田土壤生态要素、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 保护性耕作措施可以有效地改善土壤有机质和养分状况, 且对酸性土壤有一定的改良作用, 其中有秸秆覆盖的4个处理显著增加了土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮含量; 可改善土壤水分状况, 增强作物的抗旱节水能力, 各处理0~80 cm土层2年平均贮水量排序为: RSD (258.82 mm) > TSD (252.40 mm) > RS (250.19 mm) > TS (246.66 mm) > R (239.19 mm) > T (235.87 mm); 可降低7月份表层土壤温度, 缓解夏季高温对玉米后期生长发育造成的伤害, 其中有秸秆覆盖的4个处理对5 cm和10 cm土层温度有显著降低效应; 可抑制杂草生长, 具有良好的控草效应, 其中TS、RS、TSD、RSD处理的杂草高度、密度和生物量均比T和R有极显著下降; 可促进蚯蚓的繁殖和生长, 使农田生态环境得到明显改善。总体来看, 秸秆覆盖措施可以改善土壤肥力, 并具有增加土壤贮水、调节土壤温度、控制农田杂草和促进蚯蚓生长的作用, 垄作和腐熟剂在增加土壤贮水方面有明显效果。保护性耕作模式显著提高了作物的产量和水分利用效率, 增加了经济收益。2年系统平均产量和水分利用效率排序为: RSD>RS> TSD>TS>R>T(CK), 总产值和纯收入排序为RS>RSD>TSD>R>TS>T(CK)。在各处理中以RSD、RS两种模式的综合效果最好, 在西南“旱三熟”种植区具有很好的推广前景。

关键词: 保护性耕作; 旱三熟; 土壤生态效应; 产量; 水分利用效率
Influences of Conservation Tillage Practices on Farmland Soil Ecological Factors and Productive Benefits in Dryland Region with Triple Cropping System in Southwest China
WANG Long-Chang1,*, ZOU Cong-Ming1,2, ZHANG Yun-Lan1,3, ZHANG Sai1, ZHANG Xiao-Yu1, ZHOU Hang-Fei1, LUO Hai-Xiu1
1 College of Agronomy and Biotechnology, Southwest University / Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education / Engineering Research Center of South Upland Agriculture, Ministry of Education, Chongqing 400716, China
2 Department of Plant & Soil Sciences, University of Kentucky, Kentucky 40503, USA
3 College of Economics and Commerce, Guangxi University of Finance and Econo- mics, Nanning 530003, China
Abstract
Aim

ed at the problems such as shallow soil profile, severe soil and water erosion, and frequent seasonal droughts that are faced by the dryland agriculture in southwest China, a field experiment was conducted for two years to evaluate the influence of different conservation tillage measures on the soil ecological factors, yield and water use efficiency of crops in triple cropping system in dryland. There were six treatments including traditional farming (T), ridge planting (R), straw mulching (TS), ridge planting + straw mulching (RS), straw mulching + decomposing agent (TSD) and ridge planting + straw mulching + decomposing agent (RSD). The results showed that the condition of soil organic matter and nutrients was improved effectively under the conservation tillage measures, in which the contents of soil organic matter, total N, total K and alkali-hydrolyzable N were significantly increased under four treatments with straw mulching, and the pH of acidic soil was raised to some extent. The soil moisture condition was improved, and the drought-resistant and water-saving ability of crops was strengthened under the conservation tillage measures. As for the 2-year mean water storage in 0-80 cm soil layer, the treatments could be ordered as: RSD (258.82 mm) > TSD (252.40 mm) > RS (250.19 mm) > TS (246.66 mm) > R (239.19 mm) > T (235.87 mm). The surface soil temperature in July was lowered under the conservation tillage measures, in which the temperature in 5 cm and 10 cm depth was significantly reduced under four treatments with straw mulching, thus easing the injury of high temperature on maize during late growth stage. The growth of weeds was inhibited effectively under the conservation tillage measures, and the average height, density and biomass of weeds under TS, RS, TSD, and RSD was extremely significantly lower than those under T and R. The reproduction and growth of earthworms were also accelerated under the conservation tillage measures, thus the farmland eco-environment was obviously improved. In general, straw mulching was effective in improving the soil fertility, increasing soil water storage, adjusting soil temperature, controlling weeds and stimulating earthworm growth, while ridge planting and decomposing agent were effective in increasing soil water storage. Consequently, the conservation tillage measures significantly raised the yield and water use efficiency of crops, and increased the economic benefits. From the viewpoint of 2-year mean yield and water use efficiency, the treatments were ordered as: RSD>RS>TSD>TS>R>T(CK); while from the viewpoint of output value and net income, the treatments were ordered as: RS>RSD>TSD>R>TS>T(CK). Among all the treatments, RSD and RS were the two optimal patterns with high comprehensive effects and deserved to be widely promoted in the dryland region with triple cropping in southwest China.
Keyword: Conservation tillage; Triple cropping in dryland; Soil ecological factor; Yield; Water use efficiency

随着生态环境不断恶化, 水土流失日趋加剧, 作为持续农业生产重要手段的保护性耕作(conservation tillage)越来越受到重视[1,2,3]。在我国西南地区, 旱作农田占总耕地面积的60%以上, 旱作农业在本区农业生产中占有重要地位[4]。由于旱作农田主要分布于丘陵山地, 土层浅薄、水土流失、灌溉设施不足, 加之季节性干旱的多发性, 使农业生产力低而不稳。该区季节性干旱类型主要有春旱、夏旱和伏旱等, 其中重庆和四川东部是高温伏旱的多发区和重灾区, 高温、干旱常常同步发生, 其频率达60%~ 80%, 对农作物生长发育造成严重危害[4]。

国际上对保护性耕作尚无统一的定义。美国、加拿大、澳大利亚等发达国家推行的保护性耕作主要是免耕结合秸秆覆盖[5,6], 而我国的保护性耕作涵盖内容更为广泛。国内学者将保护性耕作技术划分为3种类型[7]: 一是以改变微地形为主: 包括等高耕作、沟垄种植、垄作区田、坑田等; 二是以增加地面覆盖为主: 包括等高带状间作、等高带状间轮作、覆盖耕作等; 三是以改变土壤物理性状为主: 包括少耕、免耕等。总体来看, 国内外现有的保护性耕作研究多集中在一熟制或两熟制地区。谢德体等[8]和李向东等[9]对我国西南地区稻田保护性耕作的生态效应及其可持续性作了研究, 表明少、免耕等保护性耕作措施对于改善稻田土壤理化性状和生态环境具有显著作用。近年来, 一些学者针对西南“旱三熟”地区水土流失严重、季节性干旱频发的特点, 探讨了保护性耕作对水土流失、土壤水分和旱地作物的影响, 表明垄作、秸秆覆盖等保护性耕作措施可以有效地控制水土流失[10], 增加降水有效性[11], 提高农田水分利用效率和产量[12,13]。然而, 针对本区保护性耕作措施下农田土壤生态要素的变化规律以及与“旱三熟”种植制度相适应的高效保护性耕作模式尚缺乏相关的研究报道。

为此, 在重庆市北碚区西南大学教学试验农场连续2年开展了保护性耕作模式试验, 比较分析了以垄作、秸秆覆盖为主体的不同保护性耕作措施对“旱三熟”种植区农田土壤生态要素、作物产量和水分利用效率的影响, 以期探索出兼具良好生态效益和较高生产效益的保护性耕作模式, 为该区旱作农业的高产、高效和可持续发展提供科学指导。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

本试验于2007年11月至2009年10月在重庆市北碚区西南大学教学试验农场进行。当地多年平均降雨量1156.8 mm, 其中春、夏、秋、冬降雨量分别为全年的25.3%、46.8%、22.5%和5.4%, 年蒸发量1181.1 mm。试验地土壤为旱地紫色土, 坡度较缓, 地力相对均匀。试验前20 cm土层的土壤容重1.21 g cm-3, pH值6.47, 土壤有机质28.00 g kg-1, 全氮1.68 g kg-1, 全磷1.46 g kg-1, 全钾34.54 g kg-1, 速效磷18.13 mg kg-1, 速效钾170.13 mg kg-1, 碱解氮38.23 mg kg-1。

1.2 试验设计

2007—2008、2008—2009年度分别采用“小麦/玉米/甘薯”、“马铃薯/玉米/甘薯”旱三熟套作种植模式开展田间试验, 2个年度的试验小区、耕作处理保持一致。共设6个处理: ①平作(T/CK): 整个试验期采用传统耕作, 无秸秆覆盖、不起垄。②垄作(R): 于甘薯移栽、马铃薯播种前, 在其种植带起垄, 垄高20 cm, 采用垄上双行栽培。③平作+秸秆覆盖(TS): 于第一茬作物播种后和第三茬作物移栽后, 分别均匀覆盖玉米秸秆和小麦秸秆, 覆盖量为每小区32.25 kg (折合12 000 kg hm-2)。④垄作+秸秆覆盖(RS): 于甘薯移栽、马铃薯播种前, 在其种植带起垄, 垄高20 cm, 采用垄上双行栽培; 于第一茬作物播种后和第三茬作物移栽后, 分别均匀覆盖玉米秸秆和小麦秸秆, 覆盖量为每小区32.25 kg (折合12 000 kg hm-2)。⑤平作+秸秆覆盖+腐熟剂(TSD): 于第一茬作物播种后和第三茬作物移栽后, 分别均匀覆盖玉米秸秆和小麦秸秆, 覆盖量为每小区32.25 kg (折合12 000 kg hm-2); 覆盖前按秸秆重量的0.29%均匀拌入腐熟剂。⑥垄作+秸秆覆盖+腐熟剂(RSD): 于甘薯移栽、马铃薯播种前, 在其种植带起垄, 垄高20 cm, 采用垄上双行栽培; 于第一茬作物播种后和第三茬作物移栽后, 分别均匀覆盖玉米秸秆和小麦秸秆, 覆盖量为每小区32.25 kg (折合12 000 kg hm-2); 覆盖前按秸秆重量的0.29%均匀拌入腐熟剂。

试验采用随机区组排列, 3次重复, 小区面积为7.47 m×3.60 m = 26.89 m2。每个小区均分4厢(条带), 每个条带宽93.4 cm、长3.6 m。供试作物为小麦(糯小麦品系, 播种量90 kg hm-2)、马铃薯(中薯5号, 密度52 500株 hm-2)、玉米(西单1号, 密度47 600株 hm-2)和甘薯(徐薯88, 密度35 700株 hm-2)。小麦、马铃薯、玉米各处理均施过磷酸钙375 kg hm-2(折合P2O5 60 kg hm-2)、尿素150 kg hm-2 (折合N 69 kg hm-2), 作为基肥一次施入; 甘薯未施肥。玉米、甘薯均采用育苗移栽。秸秆腐熟剂由北京春熙生物工程有限责任公司生产。小麦播种期11月上旬, 收获期5月上旬; 玉米播种期3月上旬, 移栽期3月下旬, 收获期7月下旬; 甘薯移栽期5月下旬, 收获期10月下旬; 马铃薯播种期1月下旬, 收获期5月上旬。

1.3 测定指标与方法

土壤养分测定: 土壤样品采样深度为0~20 cm。土壤pH采用IQ150土壤原位pH计; 有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法; 全氮采用半微量凯氏法; 全磷采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法; 全钾采用

氢氧化钠碱熔-火焰光度法; 水解氮用扩散吸收法; 速效磷用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法; 速效钾用1 mo1 L-1醋酸铵提取, 火焰光度计法测定[14]。土壤养分综合评价值(Nutrient comprehensive evaluation value, NCEV)计算公式如下: ( n=1, 2, …7)

Ri= Ai/ Ai0

式中, NCEV是土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾7个指标的综合评价值; Ri是某处理第 i个指标的相对值; Ai是某处理第 i个指标的测定值; Ai0是对照处理第 i个指标的测定值。

土壤水分测定: 土壤含水量采用烘干法测定。按对角线5点取样, 分4个土层: 0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm和60~80 cm。取样期限为2007年11月至2009年10月, 取样时间在每月24日。

土温观测: 在2008年7月5日至2008年7月14日、2009年7月5日至2009年7月14日2个时间段内, 在每个处理中央设置地表温度计、曲管土壤温度计, 每天8:00、14:00、20:00观测农田5、10、15和20 cm土层温度。

蚯蚓调查: 采用样方徒手分离法。每一处理按对角线取5个样点, 每个样点取长×宽×深=50 cm×50 cm×20 cm样方放置于塑料布上, 采用手捡法捡取蚯蚓, 记录数量并用天平称其鲜重, 然后将其归还土壤中。调查时间2008年10月至2009年7月, 每月1次。

杂草调查: 每个处理选取5个100 cm×100 cm样方, 观察记载杂草的高度和密度, 然后采用烘干法测定地上部生物量。调查时间2009年1月、3月、5月, 每月1次。

产量与水分利用效率: 采用小区全收获法测产。小麦、玉米产量为籽粒风干重; 马铃薯、甘薯产量为块茎(块根)鲜重, 并按鲜重乘以1/5折算成粮食产量[15]。水分利用效率( WUE)采用如下公式计算:

式中, Y为作物产量(kg hm-2); ET为全生育期内耗水量(mm); P为全生育期内降水量(mm); W1和 W2分别为作物播种期和收获期土壤贮水量(mm)。

1.4 统计分析

所有数据采用Microsoft Excel 2003处理, 运用SPSS 16.0软件进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析
2.1 保护性耕作措施对土壤养分的影响

连续2年试验后, 不同处理0~20 cm土壤养分状况测定结果表明, 保护性耕作措施对土壤pH、有机质以及土壤养分状况都有一定的改善作用(表1)。TS、RS、TSD、RSD与对照相比增加了pH, 但未达到显著水平, 说明秸秆覆盖处理对于改良当地的酸性土壤有一定作用。R、TS、RS、TSD和RSD处理的土壤有机质含量分别较对照提高3.44%、19.16%、16.54%、21.30%和28.27%; 在土壤氮、磷、钾的各项测定指标中, 保护性耕作处理对全氮、全钾、碱解氮、有效磷、有效钾都有改善效果。其中, 有秸秆覆盖的4个处理的土壤有机质、全氮、全钾、碱解氮含量分别比对照提高16.54%~28.27%、2.07%~ 4.15%、10.86%~15.84%、2.82%~5.45%, 均达到显著水平。从不同处理的对比发现, R与T、RS与TS、RSD与TSD之间在各项指标上均无显著差异, 说明垄作措施对于土壤pH、有机质和营养元素含量无明显影响。腐熟剂虽能加快秸秆腐解速率, 但从整个试验周期来看, 对于土壤养分状况无明显效应。按照土壤养分综合评价值( NCEV), 不同处理排列次序为: RSD > TSD = RS > TS > R > T(CK)。可见, RSD对土壤养分的综合效果最佳, 其次是TSD和RS。

2.2 保护性耕作措施对土壤水分的调控

保护性耕作措施对土壤水分的影响较大, 且其影响程度与降水量变化密切相关(图1)。总体来看,随着降水量增加, 不同处理间土壤贮水量差异增大。在2007—2008年的“小麦/玉米/甘薯”试验周期, 与对照T相比, R、TS、RS、TSD、RSD各处理土壤贮水量分别增加2.29~12.34 mm、2.96~29.52 mm、2.96~53.17 mm、4.25~45.75 mm和4.25~67.28 mm; 在2008—2009年的“马铃薯/玉米/甘薯”试验周期, 与对照T相比, R、TS、RS、TSD、RSD各处理土壤贮水量分别增加1.17~12.34 mm、4.32~28.53 mm、3.91~49.22 mm、5.27~43.72 mm和4.82~62.32 mm。各处理2个试验周期的平均土壤贮水量排列次序为: RSD (258.82 mm) > TSD (252.40 mm) > RS (250.19 mm) > TS (246.66 mm) > R (239.19 mm) > T (235.87 mm)。显然, 秸秆覆盖、垄作、腐熟剂3种措施均有利于增加土壤蓄水库容, 提高降水的有效性。

值得注意的是, 4月至9月份是“旱三熟”种植系统的需水关键期, 其中4月至5月份是小麦抽穗至灌浆期和马铃薯薯块膨大期, 6月至7月份是玉米抽雄至灌浆期, 8月至9月份是甘薯薯块膨大期。同时, 这一阶段也是本地区夏旱、伏旱的多发季节。分析表明, 在2个试验周期的4月至9月份, R、TS、RS、TSD、RSD各处理0~80 cm土层的平均土壤贮水量分别为244.97、251.45、254.81、257.71和267.06 mm, 分别比对照T的240.52 mm增加4.45、10.93、14.29、17.19和26.54 mm, 增加率分别为1.85%、4.54%、5.94%、7.15%和11.03%。由此可见, 保护性耕作措施通过对土壤水分的调控, 可以在抵御夏旱、伏旱胁迫方面发挥重要作用。

表1 不同处理0~20 cm土壤养分状况(2009年10月) Table 1 Soil nutrient condition in 0-20 cm depth under different treatments (October, 2009)

图1 不同处理0~80 cm土壤贮水量动态变化(2007年11月-2009年10月)Fig. 1 Dynamics of soil water storage in 0 to 80 cm depth under different treatments (Nov., 2007 to Oct., 2009)

处理缩写同表1。Abbreviations of treatments are the same as given in Table 1.

2.3 保护性耕作措施对土壤温度的调节

针对“旱三熟”地区夏季高温对作物生产的影响, 本试验连续两年选择7月5日至14日作为土温的考察阶段, 于8:00、14:00、20:00时分别测定不同深度的土壤温度。测定结果表明(表2), 在5 cm、10 cm土层, 与对照T相比, 除R处理外, 其他处理均出现了显著的降温效果; 但在15 cm、20 cm土层, 不同处理的温度无显著性变化。从不同时间看, 在5 cm土层中, TS、RS、TSD、RSD 4个处理8:00时的降温幅度为0.40~0.70℃, 14:00时的降温幅度为1.34~2.40℃, 20:00时的降温幅度为0.25~0.52℃; 在10 cm土层中, TS、RS、TSD、RSD 4个处理8:00时的降温幅度为0.60~0.88℃, 14:00时的降温幅度为1.03~1.46℃, 20:00的温度增加0.10~0.43℃。对不同处理5 cm和10 cm平均温度对比发现, TSD降温幅度最大, 其次是RSD、RS、TS 3个处理, R降温幅度最小。统计分析表明, 秸秆覆盖措施对5 cm和10 cm土层温度有显著降低效应( P<0.05), 而垄作和腐熟剂降温效应不显著。可见, 保护性耕作处理尤其是秸秆覆盖措施, 对于“旱三熟”种植区夏季农田土壤温度有明显的调节作用, 其影响随土层深度的增加呈递减趋势。保护性耕作措施的降温效应, 可以有效地减缓夏季高温胁迫对作物生长发育的不利影响。

2.4 保护性耕作措施对蚯蚓的促进效应

2008年10月至2009年7月的田间调查结果表明(图2和图3), 农田的蚯蚓数量和生物量与温度变化密切相关, 5月、6月出现高峰值。在整个调查期内, R、TS、RS、TSD和RSD的蚯蚓密度平均值分别为6.68、11.46、14.28、10.61和11.96条 m-2, 分别比对照T (5.22条 m-2)增加27.97%、119.54%、173.56%、103.26%和129.12%; 蚯蚓生物量平均值分别为4.48、7.83、9.79、7.13和7.79 g m-2, 分别比对照T (3.55 g m-2)增加26.20%、120.56%、175.77%、100.85%和119.44%。总体来看, 保护性耕作措施对农田蚯蚓数量和生物量有明显促进作用。就不同处理而言, 有秸秆覆盖的处理RSD、TSD、RS和TS无论在蚯蚓数量还是生物量上均比无秸秆覆盖的T和R处理高; RS与TS处理的蚯蚓数量和生物量总体上高于RSD与TSD处理; R处理的蚯蚓数量和生物量比对照T有一定的增加, 但增加幅度较小。

2.5 保护性耕作措施的控草效应

杂草与农作物争夺水分、养分、光照和空间, 合理的耕作措施对农田杂草可以起到有效的控制作用。2009年1至5月对试验田的杂草调查结果表明(表3), 在6种处理中, 除了R处理的杂草高度、密度和生物量与对照T基本相同外, TS、RS、TSD和RSD处理的杂草高度分别比对照T减少了51.52%、48.48%、40.42%和36.36%, 杂草密度分别比对照T减少了72.19%、68.93%、63.22%和60.26%, 杂草生物量分别比对照T减少了69.66%、70.26%、57.29%和54.56%。统计分析表明, TS、RS、TSD、RSD 4个处理之间在杂草密度和杂草生物量上无显著差异, 但它们与R和T处理的差异均达到极显著水平( P<0.01)。可见, 秸秆覆盖措施对农田杂草具有显著的抑制作用; 腐熟剂处理使秸秆覆盖的控草效应有所降低, 但其效应未达到显著水平; 而垄作对杂草没有明显影响。

表2 2008年及2009年7月不同处理不同土层温度变化 Table 2 Variation of soil temperature in different depth under different treatments in July of 2008 and 2009 (℃)

图2 不同处理蚯蚓种群数量动态变化(2008年10月至2009年7月)Fig. 2 Dynamics of earthworm density under different treatments (October, 2008 to July, 2009)

处理缩写同表1。处理间标记不同小写字母表示差异显著( P<0.05)。

Abbreviations of treatments are the same as given in Table 1. Different small letters among treatments denote significant difference at 5% probability level.

图3 不同处理蚯蚓生物量动态变化(2008年10月-2009年7月)Fig. 3 Dynamics of earthworm biomass under different treatments (October, 2008 to July, 2009)

处理缩写同表1。处理间标记不同小写字母表示差异显著( P<0.05)。

Abbreviations of treatments are the same as given in Table 1. Different small letters among treatments denote significant difference at 5% probability level.

表3 不同处理的杂草控制效应及LSD多重比较 Table 3 Effects of weed controlling under different treatments and Duncan’s rang test
2.6 不同处理下产量和水分利用效率分析

由于保护性耕作措施改善了农田生态环境, 为农作物生长发育创造了有利条件, 因而具有明显的增产效果(表4)。从不同处理措施看, 秸秆覆盖对2个试验年度的总产量都表现出显著的增产效果; 垄作措施对于2个试验年度的甘薯、马铃薯均表现显著的增产效果, 这与垄作措施主要针对薯类作物实施有关; 秸秆腐熟剂虽然有一定的增产效果, 但在多数情况下未达到显著水平。各处理的两年系统平均产量排序为: RSD>RS>TSD>TS>R>T(CK)。R、TS、RS、TSD、RSD 5个处理分别比对照T增产649.6、980.9、1925.5、1386.6和2080.1 kg hm-2, 增产率分别为4.70%、7.10%、13.95%、10.04%和15.07%。因此, 就单项措施而言, 秸秆覆盖增产效应最大, 其次是垄作, 腐熟剂增产效应最小; 就不同措施的组合来看, 垄作+秸秆覆盖、秸秆覆盖+腐熟剂的增产效应均明显高于单项措施, 而垄作+秸秆覆盖+腐熟剂的增产效应最高。

在整个试验期内, 处理R、TS、RS、TSD和RSD的耗水量比对照T均有减少的趋势, 且水分利用效率均有显著提高, 说明秸秆覆盖、垄作措施对于保持土壤水分、防御季节性干旱和促进作物高效用水具有明显效果。各处理两年的系统平均水分利用效率排序也是: RSD>RS>TSD>TS>R>T(CK)。

因此, 从“旱三熟”系统的粮食总产量与水分 利用效率角度看, 以RSD、RS、TSD 3个处理效果最好。

2.7 不同处理下经济效益分析

经济效益分析结果表明(表5), 不同处理的总产值和纯收入排列顺序均为RS>RSD>TSD>R>TS> T(CK)。与对照T相比, R、TS、RS、TSD、RSD 5个处理的总产值分别提高了6.37%、4.41%、17.40%、9.33%和17.37%, 纯收入分别提高了6.87%、3.63%、18.14%、8.74%和17.54%。但产投比则有升有降, 其中TS、TSD、RSD较对照T有所下降, R和RS较对照T有所上升, 但不同处理的产投比差异不显著。可见, 垄作、秸秆覆盖和腐熟剂均有利于增加“旱三熟”系统的总产值和纯收入, 同时垄作措施在增加产投比方面也有一定优势。

表4 保护性耕作对“旱三熟”体系产量及水分利用率的影响 Table 4 Yield and water use efficiency of triple cropping system under conservation tillage
表5 2个试验年度不同处理经济效益分析 Table 5 Economic benefit under different treatments in 2 experiment years
3 讨论

国外以及我国北方干旱半干旱地区推行的保护性耕作, 通常把少耕、免耕、垄作、深松耕等土壤耕作措施与秸秆覆盖相结合, 这些措施对于控制水土流失、土地沙漠化以及抵御干旱灾害具有重要作用[6,7]。对我国西南丘陵山区旱作农田而言, 由于降水相对较多、土壤质地黏重, 若推行少耕、免耕易于出现土壤板结、杂草滋生等问题, 从而对“旱三熟”作物的播种、移栽及其生长发育往往会产生不利影响; 而深松耕技术又受到土层厚度、土质和坡度等因素的制约。因此, 本研究从西南“旱三熟”种植区实际出发, 以垄作、秸秆覆盖为核心技术, 结合秸秆腐熟剂的应用, 对不同保护性耕作措施的农田环境效应及其生产效益进行了初步探讨。

秸秆是重要的有机肥源, 秸秆还田能起到降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 提高土壤有机质与氮、磷、钾等含量的作用[16,17]。适宜的保护性耕作措施还可以调节农田小气候和“土壤—作物—大气”水分循环系统, 有利于提高土壤持水能力和水分利用效率[18,19]。本试验中, 保护性耕作措施增加了土壤有机质含量, 其中有秸秆覆盖的4个处理显著提高了土壤中全氮、碱解氮和全钾的含量。这是因为, 在秸秆覆盖条件下, 秸秆中的木质部及蛋白质复合体经逐渐分解而残留在土壤中, 有利于土壤有机质的积累; 同时秸秆中所含的N、P、K等营养元素随着秸秆的腐解而补充到土壤中, 有利于改善土壤养分状况。另外, 秸秆覆盖使土壤蒸发受到抑制, 减少了蒸发耗水, 具有较好的蓄水保墒作用。腐熟剂能够催化秸秆粗纤维的分解, 有效防止土壤板结, 进一步改善降水入渗能力和土壤持水能力。垄作的主要作用是改善土壤通气性, 增加土体与大气的交界面, 昼夜温差大, 有利于薯类作物的块根、块茎膨大与淀粉积累。同时, 垄作还能有效地调控土壤水分, 在干旱季节具有拦截降雨、增加土壤水库蓄水的功能, 在雨水较多的季节则具有降湿排水的功能。在整个试验阶段, TS、RS、TSD和RSD土壤贮水量均高于对照T, 说明保护性耕作措施在西南“旱三熟”种植区具有良好的保水效果。

秸秆覆盖与垄作措施对土壤温度、土壤生物以及其他农田环境因子都具有不同程度的影响[16,20]。秸秆覆盖对太阳辐射的吸收转化和土壤热量传导都有较大的影响, 因而对不同深度、不同时间的土壤温度均有明显的调节作用[21]。本试验中, 保护性耕作处理尤其是秸秆覆盖措施显著降低了7月份5 cm与10 cm土层在14:00的温度, 缓解了高温伏旱气候对玉米生长后期造成伤害。同时, 由于秸秆覆盖与垄作措施能够改善土壤理化性质, 秸秆腐化后又为蚯蚓提供丰富营养, 而蚯蚓不仅能促进作物秸秆的降解、有机物的分解和矿化, 而且能活化土壤、改良土壤团粒结构、提高土壤透气、保水和深层排水能力, 增加土壤中的钙、磷等速效养分, 还可以促进土壤硝化细菌的活动, 有“土壤生物反应器”之称, 是土壤生态系统中最重要的生物因子之一[22,23]。秸秆覆盖促进蚯蚓繁殖应当归因于其对土壤有机质、孔隙度、水分含量和温度等农田生态因子的调控, 为蚯蚓生长发育提供了更为有利的环境条件; 垄作对蚯蚓的促进作用主要是因为起垄作业使土壤孔隙度增加, 同时通过拦截降水改善了土壤水分条件; 而秸秆腐熟剂对蚯蚓的负效应, 可能是由于它加速了秸秆的分解, 使秸秆覆盖量与覆盖度降低, 进而影响了蚯蚓的生长与繁殖。此外, 秸秆覆盖在遮阴作用、养分竞争作用、生物他感作用、增加机械阻力、减少温度波动的情况下, 能够抑制与延缓杂草种子的发芽, 从而对杂草生长起到抑制作用[24,25]。

本文主要从土壤养分、水分、温度、杂草、蚯蚓5个方面对不同保护性耕作措施下的农田环境因子变化进行了研究, 对于其他环境因子诸如土壤物理性状、水土流失状况、农田生物多样性以及土壤有机碳的长期动态监测等方面, 还有待于进一步深入研究。另外, 西南“旱三熟”地区种植模式和作物类型复杂多样, 本试验只涉及了“小麦/玉米/甘薯”和“马铃薯/玉米/甘薯”两种种植模式, 今后还需要对其他不同种植模式下的保护性耕作措施进行全面系统的研究, 以期建立与不同种植制度相适应的保护性耕作技术体系。

4 结论

在“旱三熟”种植模式下, 采取保护性耕作措施, 可以有效地改善土壤有机质和养分状况, 且对酸性土壤有一定的改良作用; 可提高0~80 cm土壤贮水量, 增强作物的抗旱节水能力; 可降低7月份5 cm与10 cm土层在14:00时的温度, 缓解高温对玉米后期生长发育造成的伤害; 可降低杂草的高度、数量和生物量, 具有良好的控草效应; 可促进蚯蚓的繁殖和生长, 使农田生态环境得到明显改善。其中, 秸秆覆盖措施可以显著提高土壤中有机质、全氮、全钾和碱解氮的含量, 并在增加土壤贮水、调节土壤温度、控制农田杂草和增加蚯蚓方面有显著效应, 垄作和腐熟剂在增加土壤贮水方面有明显效果。

保护性耕作措施显著提高了作物的产量和水分利用效率, 增加了经济收益。就单项措施而言, 秸秆覆盖增产效应最大, 其次是垄作, 腐熟剂增产效应最小; 就不同措施的组合来看, 垄作+秸秆覆盖、秸秆覆盖+腐熟剂的增产效应均明显高于单项措施, 而垄作+秸秆覆盖+腐熟剂的增产效应最高。各处理两年的系统平均产量和水分利用效率排序为: RSD>RS>TSD>TS>R>T(CK); 总产值和纯收入排序为RS>RSD>TSD>R>TS>T(CK)。总体来看, 以RSD (垄作+秸秆覆盖+腐熟剂)、RS(垄作+秸秆覆盖)两种模式的综合效果最好, 在西南“旱三熟”种植区具有很好的推广前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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