培肥和耕作措施季節(jié)性干旱下對紅壤剖面水分變化和產(chǎn)量的影響

李亞貞, 肖國濱, 肖小軍, 鐘義軍, 陳 明, 夏桂龍, 黃欠如

(1.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測實驗站江西省紅壤研究所, 江西 進(jìn)賢 331717; 2.江西省鄧家埠水稻原種場, 江西 余江 335200)

培肥和耕作措施季節(jié)性干旱下對紅壤剖面水分變化和產(chǎn)量的影響

李亞貞1, 肖國濱1, 肖小軍1, 鐘義軍1, 陳 明1, 夏桂龍2, 黃欠如1

(1.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心 農(nóng)業(yè)部江西耕地保育科學(xué)觀測實驗站江西省紅壤研究所, 江西 進(jìn)賢 331717; 2.江西省鄧家埠水稻原種場, 江西 余江 335200)

為了探討培肥和耕作措施下紅壤旱地的土壤剖面水分變化和產(chǎn)量對季節(jié)性干旱的響應(yīng)規(guī)律，本研究在大田試驗條件下系統(tǒng)分析了稻草覆蓋、有機(jī)肥和常免耕對土壤剖面含水量、表層土壤溫度及作物產(chǎn)量變化趨勢。結(jié)果表明，在豬糞施用、常耕和免耕處理的土壤含水率不存在顯著差異。而在相同耕作和豬糞條件下，稻草覆蓋與否對土壤含水量影響較大，在春玉米和秋玉米季中連續(xù)干旱條件下，稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20 cm土壤含水量均高于不覆蓋處理，稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20 cm土壤含水量均高于不覆蓋處理，春玉米季的增幅分別為27.93%，5.91%，1.41%，秋玉米季分別為15.74%，7.71%，2.59%。同時，稻草覆蓋可以顯著影響表層土壤的溫度變化，在春玉米開花期，0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了13.92%和2.26%。在秋玉米開花期0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了0.30%和2.69%。在所有處理中，春玉米和秋玉米季均表現(xiàn)出稻草覆蓋+施豬糞+常耕的秸稈和籽粒產(chǎn)量最高。

季節(jié)性干旱; 紅壤; 稻草覆蓋; 土壤剖面水分; 玉米產(chǎn)量

紅壤是我國南方地區(qū)重要的土地資料，紅壤耕地占南方總耕地面積的36%。但是，由于紅壤本身存在酸、粘、瘦、保水性差等特點，嚴(yán)重制約了該地區(qū)的糧食生產(chǎn)。尤其是近年來在全球氣候變化影響下，中國南方地區(qū)的干旱發(fā)生頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，其中以春旱和秋旱為重[1]，特別是7—8月份和11—12月份的季節(jié)性干旱已經(jīng)嚴(yán)重影響了紅壤地區(qū)的玉米、芝麻等作物的生長[2]。

土壤水分變化規(guī)律是影響作物水分利用的重要因子，大量研究表明，不同耕作措施可以改善土壤水分狀況和土壤溫度，秸稈覆蓋對土壤水分和溫度也有一定的影響[3-5]。且作物產(chǎn)量、土壤理化性狀和土壤養(yǎng)分平衡等對土壤培肥方式的響應(yīng)差異較大。王暉等[6]研究表明，秸稈覆蓋可顯著增加超高產(chǎn)夏玉米農(nóng)田的土壤水分含量，呂美蓉等[7]研究表明，免耕、深松耕、耙耕與秸稈還田的交互效應(yīng)能夠增加集雨，提高冬小麥產(chǎn)量。劉庚山等[8]研究留殘茬和覆蓋表明該方式能明顯提高夏玉米葉片水平上的水分利用效率，肖孔操等[9]表明稻草覆蓋是亞熱帶紅壤旱地季節(jié)性干旱防御的有效措施。同時，加大有機(jī)肥投入已經(jīng)被證明是提高土壤肥力的重要環(huán)節(jié)[10]。宮亮等[11]研究表明有機(jī)培肥處理的產(chǎn)量和水分利用率明顯提高。

但目前有關(guān)耕作培肥措施下土壤水分運(yùn)移規(guī)律的研究主要集中在北方干旱半干旱區(qū)和黃土丘陵區(qū)，而關(guān)于季節(jié)性干旱條件下耕作培肥措施下土壤的水分變化規(guī)律方面的研究還涉入較淺，特別是在紅壤旱地上。因此，本研究基于典型紅壤旱地深入分析耕作和培肥措施下土壤剖面含水量的變化規(guī)律，并結(jié)合表層土壤溫度和作物產(chǎn)量變化趨勢，探討土壤含水量、土壤溫度和作物產(chǎn)量的相互關(guān)系，以期為季節(jié)性干旱紅壤旱地的作物生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年3月在江西省紅壤研究所(116°20′24″E，28°15′30″N)試驗站進(jìn)行，本試驗所測結(jié)果于2013年3—11月之間取樣測定。該地氣候溫和、雨量豐富、日照充足、無霜期長，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm。干濕季節(jié)明顯，3—6月為雨季，降雨量占全年雨量61%～69%，7—9月為旱季，蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的40%～59%。年均氣溫17.7～18.5℃，最冷月氣溫(1月)為4.6℃，最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0～29.8℃。地形為典型低丘，土壤為第四紀(jì)黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤旱地，質(zhì)地較黏重，肥力中等。2011年試驗開始時耕層土壤pH5.61，有機(jī)碳12.13 g/kg，全氮1.26 g/kg，全磷0.58 g/kg，全鉀11.34 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗為三因素完全交互隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3個試驗調(diào)控因素分別為：稻草(覆蓋與否)、豬糞(施用與否)和耕作措施(常耕和免耕)。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)長6 m，寬4 m。氮肥、磷肥和鉀肥全部作基肥施用。供試品種為掖單13號，4月2日春季播種，播種覆土后全田噴施50%乙草胺乳油，防止雜草生長。7月25日收獲，秋玉米8月5日播種，11月19日收獲。秋玉米播種后灌水2次。具體的有機(jī)肥和化肥用量見表1，所有處理均施用化肥，但為了統(tǒng)一各處理的氮肥用量，所以各處理的氮磷鉀肥施用量不同。種植制度為春玉米—秋玉米—冬閑。

表1 不同處理的有機(jī)肥和化肥用量

注：稻草的氮磷鉀含量分別是N0.7%，P2O50.15%，K2O0.85%，豬糞的氮磷鉀的含量(干樣)分別是N2%，P2O51.2%，K2O1.3%，所有肥料均作基肥一次性施用。氮肥為尿素，含氮量為46.4%；磷肥為鈣鎂磷肥，含磷量12.5%；鉀肥為氯化鉀，含鉀量為60%。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤剖面含水率 在2013年春玉米和秋玉米季生長階段，于季節(jié)性干旱階段內(nèi)一次降水后開始，每隔3 d用土鉆采樣+烘干法測定0—5，5—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層含水率，連續(xù)測定5次。

1.3.2 土壤溫度測定 分別在2013年春玉米開花期(6.14)和秋玉米開花期(10.18)用TZS-IW土壤溫度水分速測儀儀器測定0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度變化，每個小區(qū)測定10個點。

1.3.3 產(chǎn)量測定 在玉米成熟期，每個小區(qū)單獨收割，曬干脫粒稱重，并換算成標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析采用Spss 13.9軟件進(jìn)行，開花期的土溫、土壤水分與產(chǎn)量的相互關(guān)系采用Spss 13.0軟件進(jìn)行分析，所用圖件采用Orgin 7.5軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性干旱大氣溫度及降雨量變化

圖1為玉米季節(jié)性干旱期間的溫度變化及降雨量，圖中季節(jié)性干旱天數(shù)為7月1日至10月28日，溫度為12～39℃，總降雨量為239.5 mm，由圖1可知，在玉米生育期間雨水分布不均，7月15日一次大的降雨外，生長后期降雨較少。

圖1 季節(jié)性干旱大氣溫度及降雨量變化

2.2培肥和耕作措施下紅壤剖面含水率對連續(xù)干旱的響應(yīng)

不同培肥和耕作措施下土壤含水量變化對連續(xù)干旱的響應(yīng)見圖2和圖3。在相同覆蓋和耕作方式條件下，施豬糞與否對0—100 cm的土壤含水量不存在顯著影響；相同豬糞和覆蓋條件下，常耕和免耕處理的土壤含水率也不存在顯著差異。而在同一耕作和豬糞條件下，稻草覆蓋與否對土壤含水量影響較大，在春玉米和秋玉米季中連續(xù)干旱條件下，稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20 cm土壤含水量均高于不覆蓋處理，春玉米季的增幅分別為27.93%，5.91%，1.41%，秋玉米季分別為15.74%，7.71%，2.59%。而40—80 cm和80—100 cm的土壤含水量不存在明顯差異。連續(xù)干旱時期對土壤含水量的影響也存在差異，圖1顯示，在7月2至7月13號13 d干旱期內(nèi)，同一耕作方式和施豬糞條件下，7月2日(降雨2 d后)時稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土壤含水量分別比不覆蓋處理提高了9.09%，3.38%，1.38%，1.16%，2.60%，2.18%，1.34%，而在連續(xù)干旱13后(7月13日)，稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土壤含水量比不覆蓋處理分別提高了29.51%，2.41%，0.05%，2.51%，1.94%，0.11%，0.25%。秋玉米季土壤含水量也表現(xiàn)同樣趨勢。這表明除0—5 cm土層外，隨干旱時間的延長，覆蓋處理與不覆蓋處理的土壤含水量差異逐漸降低。

2.3 玉米開花期表層土壤溫度對耕作培肥措施的響應(yīng)

表層土壤溫度是影響玉米開花期土壤含水率的重要指標(biāo)之一。在紅壤旱地上，玉米開花期的0—10 cm和10—20 cm土壤溫度有明顯差異，在春玉米開花期，0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了13.92%和2.26%。在秋玉米開花期0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了0.30%和2.69%(表2)。在所有處理中，稻草覆蓋可以顯著影響表層土壤的溫度變化，在春玉米開花期，稻草覆蓋處理下0—10 cm的土壤溫度比不覆蓋處理降低了，在秋玉米開花期，稻草覆蓋下0—10 cm的土壤溫度沒有顯著降低，但10—20 cm的土壤溫度比不覆蓋處理減少了2.69%。從表2同時可以看出，施豬糞與否與耕作方式在本實驗中并沒有顯著影響到土壤耕層溫度。

表2 耕作培肥措施對玉米開花期0—20cm土壤溫度的影響

注：不同的小寫字母表示同一列存在顯著差異(p<0.05)。

圖2春玉米季耕作培肥下土壤含水率對連續(xù)干旱的響應(yīng)圖3秋玉米季耕作培肥下土壤含水率對連續(xù)干旱的響應(yīng)

2.4 培肥和耕作措施對玉米產(chǎn)量的影響

培肥和耕作措施可以顯著影響紅壤旱地上的玉米產(chǎn)量變化(表3)，在所有處理中，春玉米和秋玉米季均表現(xiàn)出稻草覆蓋+施豬糞+常耕的秸稈和籽粒產(chǎn)量最高。在不同處理之間，稻草覆蓋與否可以顯著影響玉米的產(chǎn)量，而豬糞施用與否和耕作方式對產(chǎn)量的影響不顯著。在春玉米季，稻草覆蓋的秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量比不覆蓋增加了6.49%和4.72%，在秋玉米季，稻草覆蓋的秸稈和籽粒產(chǎn)量分別比不覆蓋提高21.75%和14.84%。這說明稻草覆蓋是提高紅壤旱地玉米產(chǎn)量的重要途徑。

表3 耕作培肥措施對玉米產(chǎn)量的影響

注：不同的小寫字母表示同一列存在顯著差異(p<0.05)。

3 討 論

在紅壤旱地，秸稈覆蓋是實現(xiàn)稻草循環(huán)利用的重要途徑之一，很多研究表明，秸稈覆蓋可以降低表層土壤的蒸發(fā)量、提高土壤含水量[12-14]是干旱地區(qū)保障作物需水的重要措施之一。在本研究中，在相同耕作和豬糞條件下，稻草覆蓋與否對土壤含水量影響較大，在春玉米和秋玉米季中連續(xù)干旱條件下，稻草覆蓋處理下0—20 cm土壤含水量均高于不覆蓋處理，0—5，5—10，10—20 cm土層覆蓋較不覆蓋春玉米季的增幅分別為27.93%，5.91%，1.41%，秋玉米季分別為15.74%，7.71%，2.59%。這與前人的研究結(jié)果相一致。蘇衍濤等[15]研究表明，稻草覆蓋能明顯提高0—5 cm表土層的水分保持能力，且土壤水分隨稻草覆蓋量的增加而增加，當(dāng)覆蓋量為5 000～10 000 kg/hm2時，高溫干旱期表土層的最低含水量平均可提高3.3%～3.6%；稻草覆蓋量為15 000 kg/hm2時，表土層最低含水量平均提高6.1%。李新舉和張志國等研究表明[16]，秸稈覆蓋可明顯降低土壤水分蒸發(fā)速度，從不覆蓋的0.74 mm/d降到覆蓋12 t/hm2的0.29 mm/d，相對降低了60.81%。王昕等[17]研究發(fā)現(xiàn)，不同秸稈覆蓋量對土壤含水量影響存在季節(jié)性、層次性差異；0.9 kg/hm2覆蓋量處理，在玉米大喇叭口期以前，對保持0—40 cm土層的土壤含水量有顯著效果，較對照土壤水分含量提高了14.2%；秸稈覆蓋量達(dá)到1.35萬kg/hm2時，土壤含水量不再顯著增加。0.9～1.35萬kg/hm2覆蓋量處理較對照增產(chǎn)顯著，幅度達(dá)16.9%。但是，本研究中上豬糞施用與否和免耕等對土壤剖面含水量變化影響較小，這可能與紅壤旱地本身的土壤特性有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

稻草覆蓋能顯著降低高溫時段(15：00)10 cm以內(nèi)土層的溫度，降幅可達(dá)1.6～4.1℃，且降溫效應(yīng)隨覆蓋量增加而增加[15]。馬春梅等[18]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋量越多，土壤溫度降低越多；而4 000 kg/hm2秸稈覆蓋在耕作層(15 cm以上)溫度要高于不覆蓋，對玉米種子萌發(fā)和出苗有利。在本試驗中，在春玉米開花期，0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了13.92%和2.26%。在秋玉米開花期0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了0.30%和2.69%。黃高寶等[19]研究認(rèn)為，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋可以穩(wěn)定土壤溫度，白天升溫較慢，下午至夜間降溫更慢。免耕秸稈覆蓋降低春小麥全生育期的平均溫度0.5～1.6℃，拔節(jié)至成熟期降低得更多，但對休閑期土壤溫度影響不大。

在本試驗中春玉米和秋玉米季均表現(xiàn)出稻草覆蓋+施豬糞+常耕的秸稈和籽粒產(chǎn)量最高。在春玉米，稻草覆蓋的秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量比不覆蓋增加了6.49%和4.72%，在秋玉米，稻草覆蓋的秸稈和籽粒產(chǎn)量分別比不覆蓋提高21.75%和14.84%。而豬糞施用與否和耕作方式對產(chǎn)量的影響不顯著。這說明秸稈覆蓋是提高紅壤旱地作物產(chǎn)量的重要途徑，這與很多人的研究相一致[20]，這主要是秸稈覆蓋改善了農(nóng)田的小氣候特征。

4 結(jié) 論

在紅壤旱地上，稻草覆蓋與否對土壤含水量和溫度影響較大，在春玉米和秋玉米季中連續(xù)干旱條件下，稻草覆蓋處理下0—5，5—10，10—20 cm土壤含水量均高于不覆蓋處理，春玉米的增幅分別為27.93%，5.91%，1.41%，秋玉米季分別為15.74%，7.71%，2.59%。在春玉米開花期，0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了13.92%和2.26%。在秋玉米開花期0—10 cm和10—20 cm的土壤溫度覆蓋比不覆蓋分別降低了0.30%和2.69%。在春玉米，稻草覆蓋的秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量比不覆蓋增加了6.49%和4.72%，在秋玉米，稻草覆蓋的秸稈和籽粒產(chǎn)量分別比不覆蓋提高21.75%和14.84%。

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EffectsofFertilizationandTillagePatternsontheDynamicofSoilProfileMoistureContentandCornYieldinRedSoilUnderSeasonalDroughtConditions

LI Ya-zhen1, XIAO Guo-bin1, XIAO Xiao-jun1, ZHONG Yi-jun1, CHEN Ming1, XIA Gui-long2, HUANG Qian-ru1

(1.NationalEngineeringandTechnologyResearchCenterforRedSoilImprovement,ScientificObservationalandExperimentalStationofArableLandConservationinJiangxi,MinistryofAgriculture,JiangxiInstituteofRedSoil,Jinxian,Jiangxi331717,China; 2.PlantationofDengjiaTownofJiangxiProvince,Yujiang,Jiangxi335200,China)

In order to explore effects of different fertilization and cultivation ways on soil profile moisture content and corn yield in red soil under seasonal drought conditions, the field experiment was launched in 2012 which includes treatments of straw coverage, pig manure, tillage. Soil profile moisture content, soil temperature in continuous drought and grain yield of spring and autumn corns were analyzed. The results showed that under the same cultivation and pig manure condition, soil profile moisture content was affected significantly by straw cover or no cover. Compared with no straw cover, the soil water contents in 0—5 cm, 5—10 cm, 10—20 cm of straw coverage increased by 27.93%, 5.91% and 1.41%, respectively, in the period of spring corn growth, and the increment rates were 15.74%, 7.71%, 2.59% in autumn corn. Meanwhile, the straw coverage could significantly increase surface soil temperature at corn flowering stage, the soil temperatures in 0—10 cm and 10—20 cm of straw coverage reduced by 13.92% and 2.26%, respectively, in spring corn, and they decreased by 0.30% and 2.69% respectively in autumn corn. In all treatments, the biomass and grian yield were the highest when straw coverage, pig manure and tillage were combined in spring and autumn corn.

seasonal drought, red soil, straw coverage, soil profile moisture content, corn yield

2014-04-14

：2014-05-24

“十二五”國家科技支撐”紅壤耕地次生障礙修復(fù)技術(shù)研究與集成示范”(2011BAD41B01-3)。

李亞貞(1984—),女,河南虞城人,碩士,助理研究員,研究方向:作物生理生態(tài)。E-mail:liyazhen626@163.com

黃欠如(1966—),男,江西樟樹人,博士,研究員,研究方向:主要從事資源與環(huán)境研究。E-mail：qianruhuang@163.com

S152.7；S344

：A

：1005-3409(2014)06-0078-06