为探讨黄淮海地区一年两熟制下土壤耕作方式与秸秆还田相结合的适宜模式, 2010—2012年进行了两年度的田间试验, 研究不同处理对冬小麦-夏玉米轮作系统干物质生产和水分利用效率的影响。通过比较常规耕作+秸秆还田、常规耕作+无秸秆还田、深耕+秸秆还田、深耕+无秸秆还田、深松+秸秆还田、深松+无秸秆还田6个处理, 发现深松(耕)与秸秆还田可以增加冬小麦和夏玉米的农田耗水量, 降低休闲期农田耗水量, 提高作物叶片相对含水量、净光合速率、蒸腾速率和茎秆伤流量, 促进植株干物质积累, 进而提高作物籽粒产量和水分利用效率。耕作方式与秸秆还田对冬小麦和夏玉米的干物质生产和水分利用效率存在显著交互作用。与常规耕作+无秸秆还田相比, 深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田处理的作物干物质积累量分别提高19.3%和22.9%, 周年作物产量分别提高18.0%和19.3%, 水分利用效率分别提高15.9%和15.1%, 且两处理无显著差异。因此认为, 与本试验相似环境条件下, 宜在秸秆还田的基础上配合深松或深耕。
Straw returning to the field has been carried out in the Huang-Huai-Hai River Plain for ten years. In a consecutive two-year field experiment from 2010 to 2012, the effects of conventional tillage (CT), deep tillage (DT) and subsoiling (SS) on dry matter accumulation and water use efficiency were tested in a winter wheat-summer maize rotation system for setting up a tillage practice suitable for straw returning. The results were obtained from the comparison among six treatments, including CT+AS (all straw returning), CT+NS (no straw returning), DT+AS, DT+NS, SS+AS, and SS+NS. Under straw returning condition, either DT or SS practice increased water consumption amount during winter wheat or summer maize growth period but decreased it during fallow period. In addition, relative water content, net photosynthetic rate (
黄淮海平原的粮食产量占中国粮食总产量的三分之一, 对保障国家粮食安全举足轻重[ 1]。黄淮海地区属于大陆性季风气候, 年均降水量为500~700 mm, 其中60%~70%集中在6月至8月, 降水分布不均导致夏玉米易涝、冬小麦易旱[ 2, 3]。该区长期进行土壤浅耕和焚烧作物秸秆, 不仅污染环境, 还造成土壤紧实、耕层变浅、地表裸露, 土壤蓄水保墒能力降低, 严重影响粮食稳产和高产[ 4, 5, 6]。在夏玉米收获后、冬小麦整地播种前有半个月左右的休闲期, 其间土壤水分散失严重, 直接影响冬小麦播种时的墒情。因此, 通过农事操作提高土壤蓄水能力和水分利用效率, 对黄淮海地区粮食生产具有重要意义。研究表明, 深耕和深松均能降低土壤紧容重, 疏松土壤[ 7, 8], 改善土壤的渗透性能, 提高雨水资源利用率[ 9, 10, 11]; 提高小麦旗叶光合速率, 延缓叶片衰老, 增加光合产物的积累, 进而有利于产量的增加[ 12, 13, 14]。此外, 秸秆还田可以提高土壤水分含量, 减少地表径流和棵间蒸发[ 15, 16], 提高水分利用效率, 增加作物干物质积累和籽粒产量[ 17, 18]。深松+秸秆覆盖可有效延缓植株衰老, 增加光合面积, 提高叶片光合速率[ 19], 增加光合产物的积累及向籽粒的分配, 显著提高作物的产量[ 20, 21], 使深松和秸秆覆盖的优势得到最充分的发挥[ 22]。不同耕作模式下, 作物耗水特性、生长发育以及产量的变化和比较已有很多报道, 但主
要在单一耕作方式或单一秸秆处理方式下对单季作物开展试验, 很少涉及秸秆还田基础上耕作方式对作物干物质生产和水分利用效率的影响, 以及对复种条件下周年作物生产的影响。本试验采用土壤耕作方式与秸秆还田相结合的模式, 研究冬小麦-夏玉米一年两熟农田的周年耗水量、叶片耗水特性、干物质积累和产量形成, 分析不同耕作方式和秸秆还田对冬小麦-夏玉米干物质生产和水分利用效率的影响, 为优化黄淮海地区的耕作方式提供理论依据。
试验在河南省温县赵堡试验站(34°57′N, 113°09′E)进行, 该区地处豫北平原西部, 属暖温带大陆性季风气候, 无霜期210 d, 近10年平均气温14.3℃, 日照时数2300 h, 降水量552.4 mm。试验期间的月平均气温和降水量见图1。试验地土壤为粉质黏壤土(沙粒∶粉粒∶黏粒= 17∶64∶19), 0~20 cm土层, 土壤容重为1.31 g cm-3, 含有机质9.17 g kg-1、全氮1.042 g kg-1、速效氮86.50 mg kg-1、速效磷27.59 mg kg-1、速效钾115.24 mg kg-1。试验前该地块已连续多年种植冬小麦和夏玉米, 并长期进行土壤常规浅耕; 作物收获后, 秸秆焚烧或移除试验地, 未实施秸秆还田。
采用裂区设计, 主因素为耕作方式, 设常规耕作(CT)、深耕(DT)和深松(SS) 3个水平; 副因素为秸秆处理方式, 设秸秆全量还田(AS)和秸秆不还田(NS)2个水平。共设6个处理, 分别是常规耕作+秸秆还田(CT+AS)、常规耕作+无秸秆还田(CT+NS)、 深耕+秸秆还田(DT+AS)、深耕+无秸秆还田(DT+NS)、深松+秸秆还田(SS+AS)、深松+无秸秆还田(SS+NS)。小区位置和面积固定, 3次重复, 共18个小区。小区面积为4.8 m × 10.0 m, 四周用土工膜隔开, 土工膜埋深3 m。
休闲期结束后(冬小麦播种前)进行土壤耕作, CT和DT均采用铧式犁(东方红1LF-435翻转犁, 中国一拖集团有限公司, 河南洛阳)翻耕1遍, 作业深度为分别为15 cm和30 cm; SS处理采用振动式深松机(ISZ-460型振动深松施肥机, 中国农业大学与河北固安京泉联合研制, 河北固安)深松1遍, 作业深度为30 cm; 之后, 3种耕作方式均耙地2遍, 无其他整地作业。AS处理为两季作物秸秆全量还田, 夏玉米成熟后, 机械化收获的同时将秸秆粉碎至5 cm左右还田, 然后按照当地惯例实行休闲, 冬小麦播种前结合土壤耕作将秸秆混入土壤; 冬小麦成熟后, 机械化收获的同时将冬小麦秸秆粉碎并覆盖地表, 贴茬播种夏玉米。各小区的秸秆还田量相同, 分别为小麦秸秆6800 kg hm-2, 玉米秸秆9300 kg hm-2。NS处理为作物成熟收获后, 将秸秆全部移出田外。
玉米品种为郑单958, 种植密度67 500 株 hm-2, 行距60 cm; 小麦品种为花培6号, 基本苗225×104株 hm-2。2010—2011年度, 冬小麦2010年10月16日播种, 2011年6月10日收获; 夏玉米6月12日播种, 10月1日收获; 10月2日至16日休闲15 d。2011—2012年度, 冬小麦2011年10月18日播种, 2012年6月12日收获; 夏玉米6月14日播种, 10月2日收获; 10月3日至17日休闲15 d。
夏玉米生长季施纯氮 270 kg hm-2、P2O5 135 kg hm-2、K2O 135 kg hm-2, 冬小麦生长季施纯氮 240 kg hm-2、P2O5 150 kg hm-2、K2O 120 kg hm-2, 其中, 磷肥和钾肥在两季作物播前作基肥一次性施入, 氮肥在玉米季则按4︰6分别在拔节期和大喇叭口期施入, 在小麦季一半作基肥, 另一半在拔节期追施。
试验期内用水表记录灌水量。2010—2011年度共灌溉3次, 其中小麦季2次(2010年10月21日和2011年4月20日), 灌水量分别为83.66 mm和85.10 mm, 玉米季1次(2011年7月23日), 灌水量为68.90 mm。2011—2012年度自然降水偏少, 共灌溉4次, 其中小麦季2次(2012年2月11日和5月2日), 灌水量为66.85 mm和88.82 mm, 玉米季2次(2012年6月20日和8月1日), 灌水量为61.29 mm和66.24 mm。其他田间管理同大田生产规范。
1.3.1 土壤容重 小麦成熟期, 选取每个小区3点, 采用环刀法测定0~10、10~20、20~30和30~40 cm土层的土壤容重。
1.3.2 植株干物质重 冬小麦拔节、开花和成熟期, 每小区选取长势均匀一致的20 cm×50 cm面积内的植株样品; 夏玉米拔节、开花和成熟期, 从每小区选取长势均匀一致的3个植株样品。105℃杀青30 min后, 80℃烘至恒重, 测定植株干物质重。
1.3.3 叶片水分饱和亏 冬小麦拔节、开花和成熟期、夏玉米拔节、开花和成熟期, 选每小区生长均匀一致的5片叶, 从叶基部剪下, 称量初始鲜重, 之后迅速将剪口处插入清水中浸泡5 h, 擦拭掉叶片表面多余水分后称取饱和鲜重。于105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 称干重。水分饱和亏(%)=1-叶片相对含水量[ 23]; 叶片相对含水量(%) = (初始鲜重-干重) / (饱和鲜重-干重) × 100。
1.3.4 叶片净光合速率( Pn)和蒸腾速率( Tr) 于冬小麦开花期和夏玉米开花期, 选择晴天的9:00至11:30时段, 采用CIRAS-1型便携式光合测定系统(英国, PP Systems, 英国)分别测定净光合速率( Pn)和蒸腾速率( Tr)。冬小麦测定部位为生长一致且受光方向相同的旗叶, 夏玉米测定部位为穗位叶。每小区测定5片叶。
1.3.5 茎秆伤流量 分别于冬小麦和夏玉米的拔节、开花和成熟期, 在距离地面10 cm处剪去植株地上部, 采用脱脂棉法测定茎秆伤流量。伤流收集时间为当日20:00至次日8:00, 以脱脂棉袋重差值作为伤流量。每小区测3次, 取平均值。
1.3.6 产量 成熟后, 每小区冬小麦收获1 m2, 脱粒, 风干, 称重, 3次重复; 每小区夏玉米收获2 m双行, 果穗脱粒, 风干, 称重, 3次重复。
采用水分平衡法计算农田耗水量, 本试验地势平坦, 地下水埋深4 m以下, 降水入渗深度不超过2 m, 因此, 可视为无地表径流、渗漏和地下水补给, 则通用公式 ETα = I + P+ U + R + F ± Δ W[ 24]中 R(地表径流量)、 U (地下水通过毛细管作用上移补给作物水量)、 F (补给地下水量)值忽略不计, 公式简化为 ETα = I + P ± Δ W[ 25], 而WUE = GY / ETα[ 26]。式中, ETα为农田耗水量(mm), I为时段内灌水量(mm), P为时段内有效降水量(mm), Δ W为时段内土壤贮水消耗量(mm):
Δ W=10
式中, i为土层编号, n为总土层数, γi为第 i层土壤干容重(g cm-3), Hi为第 i层土壤厚度(cm), θi1和 θi2分别为第 i层土壤时段初和时段末的含水量, 以占干土重的百分数表示, 本试验中测定深度是100 cm; WUE为籽粒产量水分利用效率(kg hm-2 mm-1), GY为籽粒产量(kg hm-2)。
用Microsoft Excel 2003整理数据, 用SPSS 16.0软件进行方差分析(ANOVA)和处理间显著性检验(Duncan’s); 用SigmaPlot 12.5软件绘制图表。
由于本研究涉及2个周年的4个作物生长季, 故将年份作为一个区组进行联合方差分析。方差分析结果显示, 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量、叶片耗水特性、茎秆伤流、籽粒产量和水分利用效率均存在显著影响, 但秸秆还田对两季作物的农田总耗水量影响不显著; 耕作方式与秸秆还田对多数测定指标存在显著互作效应(表1)。因而, 选择适当的种植模式可以达到调控作物产量和全年产出, 以及提高水分利用效率的目的。
深松(耕)、秸秆还田以及二者互作均可以显著降低20~40 cm土层的土壤容重(表2)。深耕和深松20~ 40 cm土层的土壤容重分别比常规耕作降低6.8%和5.2%, 秸秆还田的土壤容重比秸秆不还田降低2.0%, 深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田的土壤容重分别比常规耕作+无秸秆还田降低8.9%和6.9%。
2.3.1 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量的影响
深耕和深松增加了作物生长季和周年总农田耗水量, 却降低了休闲期农田耗水量(图2)。深松(耕)处理作物生长季的农田耗水量比常规耕作提高4.0%, 休闲期农田耗水量降低2.3%。冬小麦季实施秸秆粉碎还田, 农田耗水量增加1.6%; 夏玉米季实施秸秆覆盖还田, 农田耗水量降低1.9%。几种耕作模式中, 深耕+秸秆还田农田耗水量的增幅最大。与常规耕作+无秸秆还田处理相比, 深耕+秸秆还田的周年、作物生长季、冬小麦和夏玉米农田耗水量分别提高3.3%、4.2%、4.4%和4.1%, 休闲期农田耗水量降低7.0%。表明土壤耕作与秸秆还田可以降低休闲期无效的农田耗水量。
2.3.2 耕作方式与秸秆还田对叶片水分饱和亏的影响 深松(耕)和秸秆还田均显著降低了植株叶片水分饱和亏, 且二者对夏玉米叶片水分饱和亏的影响大于冬小麦(图 3)。夏玉米开花期, 深松(耕)的叶片水分饱和亏比常规耕作降低20.0%, 秸秆还田比秸秆不还田降低17.0%。深松(耕)与秸秆还田互作显著降低了两种作物的叶片水分饱和亏。深松+秸秆还田冬小麦开花期和夏玉米开花期的叶片水分饱和亏分别比常规耕作+无秸秆还田降低19.2%和32.8%。
2.3.3 耕作方式与秸秆还田对叶片 Pn的影响
深松(耕)和秸秆还田均显著增加叶片 Pn, 且对夏玉米的影响大于对冬小麦(图4)。深松(耕)处理夏玉米开花期叶片 Pn比常规耕作提高24.0%, 秸秆还田处理比秸秆不还田处理提高20.2%。深松(耕)与秸秆还田互作显著增加两种作物的 Pn。与常规耕作+无秸秆还田相比, 深松+秸秆还田开花期叶片 Pn升高 33.3% (冬小麦)和46.1% (夏玉米)。
2.3.4 耕作方式与秸秆还田对冬小麦-夏玉米叶片蒸腾速率的影响 耕作方式与秸秆还田对作物叶片 Tr的影响与 Pn相似(图4)。深松(耕)处理夏玉米开花期叶片 Tr比常规耕作提高17.3%, 秸秆还田比秸秆不还田提高13.3%, 深松+秸秆还田比常规耕作+无秸秆还田提高22.6% (冬小麦)和31.3% (夏玉米)。
深松(耕)和秸秆还田均显著增加植株茎秆伤流量, 尤其是夏玉米(图5)。深松(耕)使冬小麦和夏玉米开花期的茎秆伤流量分别超过常规耕作13.0%和18.5%, 秸秆还田使两种作物茎秆伤流量分别超过秸秆不还田7.2%和11.9%。深松(耕)与秸秆还田互作显著增加植株的茎秆伤流量, 且以深松+秸秆还田处理的增幅最大, 其冬小麦和夏玉米开花期的茎秆伤流量分别超过常规耕作+无秸秆还田23.2%和35.7%。
深松(耕)、秸秆还田以及二者交互显著提高作物干物质积累量(表3)。深耕和深松可使冬小麦开花期干物质积累量分别比常规耕作提高18.7%和19.9%, 使夏玉米开花期干物质积累量分别提高19.6%和20.2%。秸秆还田可使作物干物质积累量提高12.3%。与常规耕作秸秆不还田相比, 深耕+秸秆还田使冬小麦和夏玉米成熟期的干物质积累量分别提高20.7%和17.8%, 深松+秸秆还田分别提高25.6%和20.2%。
深耕和深松的作物产量、水分利用效率均显著高于常规耕作, 秸秆还田的作物产量和水分利用效率也显著高于秸秆不还田(表4)。深松(耕)的周年产量和周年水分利用效率分别比常规耕作提高10.3%和7.5%, 其中, 冬小麦产量和水分利用效率分别提高9.8%和6.5%, 夏玉米分别提高11.1%和6.5%。秸秆还田的周年产量、冬小麦和夏玉米产量分别比秸秆不还田提高8.3%、9.7%和6.3%, 水分利用效率分别提高7.6%、7.9%和6.0%。耕作方式与秸秆还田互作显著增加作物产量和水分利用效率。与常规耕作+无秸秆还田相比, 秸秆还田后深耕或深松均可提高
周年产量(18.0%和19.3%)及水分利用效率(15.9%和15.1%), 且二者效果相似。
本研究结果表明, 深耕和深松可以有效降低土壤容重, 提高冬小麦季和夏玉米季的农田耗水量, 降低休闲期的农田耗水量, 且二者对农田耗水量的影响存在差异。由于深耕采用的是铧式犁翻耕, 直接将土壤翻转, 可以有效打破犁底层, 降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 提高土壤渗水速度[ 10]; 同时, 由于翻转土壤与外界的接触面积较大, 有利于最大限度地接纳雨水, 进而增加土壤蓄水容量[ 7]。而深松采用的是振动型深松, 利用深松铲在土壤中划出条带性的深松沟, 并不扰乱土层, 加深耕层, 疏松土壤, 可以改善土壤的渗透性, 增加深层土壤蓄水量, 提高旱地蓄水保墒性能, 进而提高作物产量和水分利用效率[ 27, 28]。此外, 由于黄淮海地区多年的种植习惯, 夏玉米收获后至冬小麦整地播种之前有半个月左右的休闲期, 如果采用传统的常规耕作措施会使土壤水分蒸发加剧, 影响冬小麦播种时的土壤墒情[ 29]。而深耕和深松降低了休闲期的农田耗水量,对冬小麦的增产具有一定的作用。本研究结果还表明, 秸秆还田虽增加了冬小麦的农田耗水量, 却降低了休闲期、夏玉米和周年总农田耗水量。由于深耕、深松和常规耕作3种耕作方式在冬小麦播前实施, 夏玉米秸秆采取粉碎翻埋还田, 秸秆还田增加了冬小麦季土壤表层水分的蒸发和农田耗水量; 而冬小麦秸秆采取覆盖还田, 夏玉米灭茬免耕播种, 秸秆覆盖有效阻隔了地表水分向大气散失, 进而降低了夏玉米季农田耗水量[ 30]。
在冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制度中, 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量有显著的交互作用。冬小麦季, 秸秆粉碎还田增加了农田耗水量, 深耕和深松也增加了农田耗水量, 耕作方式与秸秆还田交互显著增加了农田耗水量。夏玉米季, 深耕和深松虽增加了农田耗水量, 但秸秆覆盖还田显著降低了农田耗水量, 且秸秆还田对农田耗水量的影响大于深耕或深松的影响。休闲期, 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量的交互作用更为显著, 二者结合显著降低了该期的农田耗水量。由于农田耗水量受降水量的影响, 在降水量较大的年份和作物生长季, 深耕+秸秆还田处理的农田耗水量高于其他处理; 而在降水量较小的年份和作物生长季, 深耕+秸秆还田、深松+秸秆还田处理的农田耗水量的差异不显著。
耕作方式和秸秆还田通过改善耕层土壤水分条件, 提高了作物干物质积累能力。本研究结果表明, 深松(耕)和秸秆还田均可以降低作物叶片水分饱和亏, 增加植株叶片光合速率和蒸腾速率, 提高植株茎秆伤流量, 促进植株干物质积累, 进而提高冬小麦和夏玉米的籽粒产量和水分利用效率。这与前人研究结果一致, 深松(耕)和秸秆还田可疏松土壤, 改善渗透性, 不仅可以增加夏玉米光合作用面积[ 31], 还可以促进冬小麦和夏玉米的干物质积累[ 32, 33], 进而显著提高作物的籽粒产量和水分利用效率[ 34, 35, 36]。此外, 耕作方式与秸秆还田互作也显著增加了植株干物质积累量、籽粒产量和水分利用效率。吕美蓉等[ 37]研究也认为, 免耕、深松与秸秆还田的交互作用能够提高冬小麦产量。
在本研究中, 深耕+秸秆还田、深松+秸秆还田不仅提高了农田耗水量, 还增加了植株叶片光合速率和蒸腾速率, 提高了植株茎秆伤流量, 促进了植株干物质积累, 进而有利于作物产量和水分利用效率的提高。在几种耕作模式中, 深耕+秸秆还田、深松+秸秆还田的周年作物产量和水分利用效率最高, 且二者无显著性差异。因此, 本试验条件下, 在秸秆还田的基础上深松或深耕是黄淮海地区适宜的耕作方式。
深耕和深松增加了作物生长季的农田耗水量, 冬小麦季实施秸秆粉碎还田, 农田耗水量增加; 夏玉米季实施秸秆覆盖还田, 农田耗水量降低。在秸秆还田基础上, 秋季深耕或深松提高了冬小麦、夏玉米生长季的农田耗水量, 但降低了休闲期农田耗水量, 反而增加了植株叶片含水量, 提高了叶片光合速率和蒸腾速率, 有利于植株干物质积累, 为提高作物产量和水分利用效率奠定了基础, 且在本试验条件下, 深松或深耕无显著差异。因此, 与本试验相似环境条件下, 宜在秸秆还田的基础上配合深松或深耕。
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