李玉鵬,賈志寬,韓清芳,王成社,謝彥周,魏紅升
(1.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100;2.南陽市農(nóng)業(yè)科學院, 河南 南陽 473000; 3.西北農(nóng)林科技大學南陽小麥試驗示范站, 河南 南陽 473000;4.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院, 陜西 楊凌 712100)
秸稈覆蓋量對旱作小麥耗水特性及土壤性質(zhì)的影響
李玉鵬1,2,3,賈志寬1,4,韓清芳1,4,王成社3,4,謝彥周3,4,魏紅升3,4
(1.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100;2.南陽市農(nóng)業(yè)科學院, 河南 南陽 473000; 3.西北農(nóng)林科技大學南陽小麥試驗示范站, 河南 南陽 473000;4.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院, 陜西 楊凌 712100)
為了解秸稈覆蓋量對旱作小麥耗水特性和土壤性質(zhì)的調(diào)控作用,在寧夏南部半干旱區(qū)連續(xù)兩年進行了0(CK),3 000,6 000,9 000 kg·hm-2四種不同秸稈覆蓋量處理的栽培試驗。結果表明:隨著覆蓋量的增加,小麥在各個生育階段的耗水量逐漸減少,3 000,6 000 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2覆蓋量處理的小麥全生育期的平均耗水量較CK分別減少了12.7%,21.6%和27.5%,秸稈覆蓋量與耗水量呈顯著負相關(P<0.01);進行秸稈覆蓋以后,土壤的蓄水保墑能力得到明顯提升,3 000,6 000 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2覆蓋量處理的小麥收獲后土壤平均含水量較CK分別增加了13.1%,19.8%和26.1%;小麥的水分利用效率以覆蓋量為9 000 kg·hm-2的處理最大,水分利用效率較CK增加了42.4%(P<0.01);不同覆蓋量處理的小麥平均產(chǎn)量較CK增加了2.9%~16.7%,僅覆蓋量為3 000 kg·hm-2的處理較CK差異達到顯著水平(P<0.01);秸稈覆蓋對表層土壤(0~10 cm)的溫度變化有明顯的調(diào)節(jié)作用,能夠降低地溫的日振幅,避免了地溫的劇烈變化,能有效緩解地溫的激變對作物根部產(chǎn)生的傷害。秸稈覆蓋能夠改善土壤肥力,提高土壤中堿解氮、速效鉀和有機質(zhì)的含量,而且有利于作物對土壤磷素的吸收。
秸稈覆蓋量;旱作小麥;耗水特性;土壤性質(zhì)
農(nóng)業(yè)水資源緊缺已經(jīng)成為制約中國特別是西北干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一個重要限制因素[1-4]。寧南半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要依賴天然降水,該區(qū)年降水量僅350~450 mm,且時空分布不均,無效、微效降水次數(shù)多,氣候干燥,蒸發(fā)強烈,因此,干旱被認為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素[5-6]。農(nóng)作物秸稈富含多種營養(yǎng)元素,是一種寶貴的生物資源。秸稈覆蓋耕作法是針對干旱地區(qū)土壤蒸發(fā)量大、地力貧瘠、耕作粗放等問題而采用的一項旱作農(nóng)業(yè)技術。秸稈覆蓋保墑是用人工的方法,用秸稈在土壤表面設置一道物理隔離層,阻隔土壤與大氣層間的水分和能量交換,有效減少作物棵間的無效蒸發(fā),改變棵間蒸發(fā)耗水與葉面蒸騰耗水的比例關系,增加作物的葉面蒸騰量,變無效耗水為有效耗水,從而達到增產(chǎn)的目的。大量研究表明,秸稈覆蓋是一種重要的保墑技術,不僅可以改善土壤結構,增強土壤的蓄水能力,還能使土壤表層疏松,增加雨水入滲,提高土壤含水量[7-8]。亢青選等[9-11]認為隨著秸稈的逐漸分解,淋溶于土壤,土壤中的有機質(zhì)和速效養(yǎng)分會明顯提高。土壤溫度是作物生長的重要生態(tài)因子,與土壤生物、化學特性及作物的生長發(fā)育密切相關[12-13],研究秸稈覆蓋條件下土壤的溫度變化,是合理促進作物生長發(fā)育,制定適宜保護性栽培措施的重要前提。鞏杰等[14]認為秸稈覆蓋以后可以改變大氣與土壤熱交換的界面狀況,在低溫時期有增溫效應,在高溫時期有降溫效應。對于常規(guī)秸稈覆蓋對水分利用和產(chǎn)量、溫度等影響的研究國內(nèi)外都做了很多工作[15-19],而對不同覆蓋量條件下小麥耗水特性和土壤環(huán)境變化的研究還不多見。因此,研究半干旱地區(qū)不同覆蓋量條件下小麥的耗水特性和溫度、養(yǎng)分變化,對于節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重要的意義。本文對寧南半干旱區(qū)不同秸稈覆蓋量條件下小麥的耗水特性、水分利用效率、土壤溫度、養(yǎng)分等狀況進行了分析,旨在探討半干旱地區(qū)不同秸稈覆蓋量條件下的節(jié)水、增產(chǎn)、培肥效果,為完善秸稈覆蓋模式及應用提供理論依據(jù)。
1.1 試驗地概況
試驗于2007年9月至2009年6月在寧夏回族自治區(qū)彭陽縣旱作農(nóng)業(yè)試驗區(qū)進行。該試驗區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)南部邊緣、六盤山東麓,介于E106°32′~106°58′、N35°41′~36°17′之間,海拔1 800 m,屬溫帶半干旱氣候,年平均氣溫6℃~8.5℃,日照時數(shù)2 518 h,無霜期147~168 d,年降雨量350~450 mm。
全年56%降水集中分布在7—9月,無效、微效降水次數(shù)多,氣候干燥,蒸發(fā)強烈,土壤蓄墑率不足30%。
試驗過程中降雨量偏少,兩年冬小麥生育期降水分別為157.4、146.9 mm。兩年生育期內(nèi)≤5 mm無效降水次數(shù)分別為8、11次。
試驗田為旱平地,土壤質(zhì)地為黃綿土,前茬作物為玉米,肥力較低。0~200 cm土層土壤平均容重1.27 g·cm-3,土壤飽和含水量為29.81%,田間持水量為24.26%,pH值為8.47。
1.2 試驗設計
連續(xù)兩年在同一地塊上進行小麥栽培試驗,采用單因素試驗設計,設4種覆蓋量處理,即0 kg·hm-2(CK)、3 000 kg·hm-2(S1)、6 000 kg·hm-2(S2)、9 000 kg·hm-2(S3)。試驗采用隨機區(qū)組排列,3次重復,小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m),小麥供試品種為西峰26,播種量150 kg·hm-2,播種前各處理均基施純氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2,人工播種出苗后覆草。2007年冬小麥于9月16日播種,翌年6月23日收獲,2008年冬小麥于9月16日播種,翌年6月22日收獲,其田間管理與當?shù)卮筇锼揭恢隆?/p>
1.3 測定項目與方法
記錄各生育期降雨量,土壤水分測定采用烘干稱重法,在小麥主要生育時期對不同處理0~200 cm土層進行土壤水分動態(tài)監(jiān)測,以20 cm為一個土層單位進行采樣測定。每小區(qū)取中間10 m2測定產(chǎn)量,折算大田實際產(chǎn)量,土壤水分及產(chǎn)量測定均為3次重復。
分別于兩年的灌漿期將5、10、15、20、25 cm地溫計布置在各個處理的小區(qū)對地溫日變化進行觀測,于8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00各觀測一次,定時記錄,觀測為兩次重復。
在小麥播種前和每年收獲后對不同處理的土壤養(yǎng)分進行測定,利用UV2550紫外可見分光光度計測定速效鉀、速效磷的含量;利用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)含量;利用堿解擴散法測定堿解氮含量。土樣采集采用多點采集的方法,分別在每個小區(qū)采集5個樣品,取樣深度為0~20 cm,然后通過充分混合、陰干、研磨、過篩、浸提、消解等步驟后測定。
土壤貯水量計算公式:
式中,W為土壤貯水量(mm);Vi為土壤體積含水量;Hi為土層厚度(mm)。
農(nóng)田蒸散量計算公式:
ET=I+P-R-D-SW
式中,ET為農(nóng)田蒸散量;I為灌溉量;P為降雨量;R為徑流;D為深層滲漏量;SW為土壤剖面的水量變化。本試驗中R和D可以忽略不計,I=0,農(nóng)田蒸散量可簡化為:
ET=P-SW
農(nóng)田水分利用效率用下列公式計算:
WUE=Y/ET
式中:WUE為水分利用效率;Y為籽粒產(chǎn)量;ET為農(nóng)田蒸散量。
1.4 統(tǒng)計分析
數(shù)據(jù)分析采用spss12.0版本分析,多重比較采用LSD法。
2.1 不同秸稈覆蓋量條件下小麥的耗水量
兩年小麥不同生長階段的耗水量見表1,各個生長時期隨著覆蓋量的增加,小麥的耗水量逐漸減少。2007年冬小麥從CK到S3,耗水量由337.05 mm減少到247.35 mm,三種處理S1、S2、S3的耗水量較CK分別減少了12.0%、20.7%、26.6%(P<0.01),2008年冬小麥從CK到S3,耗水量由324.35 mm減少到232.01 mm,三種處理S1、S2、S3的耗水量較CK分別減少了13.4%、22.5%、28.5%(P<0.01)。兩年平均,秸稈覆蓋量與耗水量呈顯著的直線相關(圖1):
y=-0.0101x+324.95,R2=0.9732
圖1 秸稈覆蓋量與耗水量的相關性
Fig.1 Correlation between stalk returning rate and water consumption
以上結果表明,進行覆蓋以后,會減少棵間無效蒸發(fā),使土壤墑情明顯好轉(zhuǎn)。生育前期小麥葉面積較小,裸露地表面積較大,棵間蒸發(fā)為主要的土壤水分消耗形式,覆蓋處理能夠起到較好的保水作用,減少作物生長過程的前期耗水,為作物的旺盛生長階段提供充足的水分,且隨著覆蓋量的增加保墑效果更加明顯。
2.2 不同秸稈覆蓋量條件下小麥的產(chǎn)量和水分利用效率
由表2可以看出,隨著覆蓋量的增加,0~200 cm土層土壤貯水利用量逐漸減少,2007年冬小麥從CK到S3,貯水利用量由179.65 mm逐漸減少到89.98 mm,2008年冬小麥從CK到S3,貯水利用量由177.45 mm逐漸減少到85.11 mm。兩年平均貯水利用量由178.55 mm逐漸減少到87.53 mm。收獲后對各個處理0~200 cm土層土壤貯水量進行測定,兩年的結果表現(xiàn)出一致的規(guī)律,0~200 cm土層貯水量S3>S2>S1>CK。2008年收獲后處理S1、S2、S3土壤貯水量比CK分別增加13.8%、23.8%、29.2%,2009年收獲后比CK分別增加12.3%、15.6%、23.0%。兩年平均收獲后的貯水量處理S1、S2、S3比CK分別增加13.1%、19.8%、26.1%。2007年冬小麥產(chǎn)量S1>S2>S3>CK,僅處理S1較CK達到極顯著差異水平(P<0.01),增產(chǎn)達到12.9%;2008年冬小麥產(chǎn)量S1>S2>S3>CK,三個處理較CK均達到極顯著差異水平(P<0.01),S1、S2、S3較CK分別增產(chǎn)20.5%、11.2%、4.8%。兩年平均各處理的小麥產(chǎn)量順序為S1>S2>S3>CK,僅處理S1較CK達到極顯著差異水平(P<0.01),增產(chǎn)達到16.7%。隨著覆蓋量的增加,小麥的水分利用效率也逐漸提高,2007年從CK到S3水分利用效率由8.51 kg·hm-2·mm-1增加到11.71 kg·hm-2·mm-1,2008年從CK到S3水分利用效率由8.76 kg·hm-2·mm-1增加到12.89 kg·hm-2·mm-1。相對于CK,處理S3的水分利用效率提高幅度最大,兩年分別達到了37.6 %和47.1%。兩年平均各處理的水分利用效率大小為S3>S2>S1>CK,處理S1、S2、S3的水分利用效率較CK分別增加33.8%、36.8%、42.4%。
表1 不同秸稈覆蓋量處理下小麥不同生育階段耗水量/mm
注:同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母者表示不同處理間差異極顯著(P<0.01),下表同。
Note: different lowercase letters within the same column mean significant difference among different treatments atP<0.01 level, the same as in Table 2.
表2 不同秸稈覆蓋量處理下小麥產(chǎn)量和水分利用效率
2.3 不同秸稈覆蓋量條件下的土壤溫度
土壤溫度是植物生長發(fā)育的重要生態(tài)因子,對植物根系吸收水分和礦質(zhì)元素有重要的影響,也可以通過對植物的光合作用、植物激素等的作用而間接影響植物生長[20-23]。這里以2008年冬小麥灌漿期從8∶00至20∶00每隔兩小時的溫度日變化為例,分析不同秸稈覆蓋量條件下溫度的日變化情況。由圖2可以看出,各個處理下5、10、15 cm土層日變化均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,其中5 cm土層日變化最為明顯,且隨著土層的加深影響效應逐漸減弱,20 cm和25 cm土層日變化呈緩慢上升趨勢。由上至下不同土層增溫峰值依次后移,5 cm土層處最高溫出現(xiàn)在14∶00,隨著土層深度的增加,最高溫出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。
進行秸稈覆蓋以后,相當于人工在地表設置了一道物理隔離層,對太陽輻射起到有效的攔截和吸收作用,阻礙了土壤與大氣之間的水熱交換,所以進行覆蓋處理的小區(qū)升溫和降溫的速度均比較緩慢,且隨著覆蓋量的增加,升溫和降溫的幅度逐漸變小。各處理5 cm土層處溫度在8∶00至14∶00處于升溫階段,CK在5 cm土層處溫度日最高振幅為18.6℃,處理S1、S2、S3在5 cm土層處溫度日最高振幅為14.4℃、12.6℃、10.6℃,較CK分別降低了4.2℃、6℃、8℃;各處理10 cm土層處溫度在8∶00至16∶00處于升溫階段,CK在10 cm土層處溫度日最高振幅為14.3℃,處理S1、S2、S3在10 cm土層處溫度日最高振幅為12.8℃、11.9℃、11.3℃,較CK分別降低了1.5℃、2.4℃、3℃;各處理15 cm土層處溫度在8∶00至18∶00處于升溫階段,CK在15 cm土層處溫度日最高振幅為11.5℃,處理S1、S2、S3在15 cm土層處溫度日最高振幅為9.7℃、8.7℃、8.4℃,較CK分別降低了1.8℃、2.8℃、3.1℃;各處理20 cm土層處溫度日變化呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢,CK在20 cm土層處溫度日最高振幅為8.4℃,處理S1、S2、S3在20 cm土層處溫度日最高振幅為7.7℃、7.4℃、6.8℃,較CK分別降低了0.7℃、1℃、1.6℃;各處理25 cm土層處溫度日變化也表現(xiàn)出緩慢上升趨勢,CK在25 cm土層處溫度日最高振幅為4.7℃,處理S1、S2、S3在20 cm土層處溫度日最高振幅為4.3℃、4℃、3.6℃,較CK分別降低了0.3℃、0.7℃、1.1℃。由此可見,進行覆蓋以后具有緩解地溫劇烈變化的作用,這與逢煥成[24]的研究結果基本一致。
圖2 不同秸稈覆蓋量處理下不同土層的溫度日變化
Fig.2 Daily soil temperatures variations of different soil layers for the corn stalk mulching treatments
2.4 不同秸稈覆蓋量條件下的土壤肥力
從表3可以看出,覆蓋處理對土壤養(yǎng)分中的堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)的含量影響比較大。經(jīng)過兩年的覆蓋以后,處理S1、S2、S3的堿解氮含量較2007年播種前分別增加了11.8%、13.7%、15.7%,速效鉀含量較2007年播種前分別增加了6.4%、10.9%、11.8%,可見覆蓋量越大,對堿解氮、速效鉀含量的提高幅度越大。覆蓋處理后速效磷的含量降低了1~2 mg·kg-1,這主要是因為進行秸稈覆蓋處理以后,增加了土壤表層中磷素的有效性,使磷素更容易被植物吸收,隨著植物移走[25~28]。土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分,是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生態(tài)因子,其含量顯著影響著農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的核心,也是土壤肥力的重要物質(zhì)基礎,隨著小麥的生長,秸稈逐漸腐爛、分解產(chǎn)生了大量的腐殖質(zhì),提高了有機質(zhì)的含量。進行兩年的秸稈覆蓋以后,三種覆蓋量處理的土壤有機質(zhì)含量較2007年播種前都增加了1~2 g·kg-1,各個處理之間的提高幅度差異不大。
表3 不同秸稈覆蓋量處理下的土壤肥力
注:表中N、P、K分別表示堿解氮、速效磷、速效鉀,其單位為mg·kg-1;O表示有機質(zhì),其單位為g·kg-1。
Note: N, P, K mean available N, available P, available K, respectively (mg·kg-1). O means organic matter (g·kg-1).
試驗結果表明,在小麥各個生育期覆蓋秸稈均能夠取得較好的保水效果,階段耗水量較對照明顯減少,且覆蓋量越大,各個生育期的耗水量越少。原因在于秸稈覆蓋后,相當于在地表形成了一層保護層,不僅能增強土壤的蓄水保墑能力,增加土壤對水分的吸持;而且能改善土壤結構,使土壤表層疏松,減少土壤毛細管的作用,相應也減少了土壤水分進入大氣的機會;同時,當水蒸氣遇到秸稈時冷凝成液態(tài)水又返回到土壤中,相應減少了土壤水分的損失量,使有效水維持時間延長[8,29]。在兩年的試驗中,三種處理S1、S2、S3的耗水量較CK平均減少了12.7%、21.6%、27.6%。覆蓋后,可使作物根部的土壤水分保持相對穩(wěn)定,兩年冬小麥收獲后S1、S2、S3的土壤貯水量平均比CK增加13.1%、19.7%、26.1%,明顯高于CK,為下一季作物的生長提供了良好的水分條件。隨著覆蓋量的增加,不僅抑制了棵間土壤水分的無效蒸發(fā),而且改善了農(nóng)田小氣候,空氣溫度降低,相對濕度增加,還有調(diào)節(jié)小麥葉面蒸騰強度的作用,使土壤水分得到更充分的利用,從而提高了小麥水分利用效率,兩年冬小麥處理S1、S2、S3的水分利用效率較CK平均增加33.8%、36.8%、42.4%,均達到極顯著水平(P<0.01)。
覆蓋量過大雖然能夠大量減少水分的無效消耗,但并不完全有利于小麥的生長。覆蓋量過大,會造成有害氣體增加,小麥根部呼吸減弱,不利于小麥的正常生長[30],所以在試驗當中,覆蓋量最大的處理S3沒有取得最高的產(chǎn)量。劉婷等[31]在陜西省合陽縣連續(xù)兩年進行了不同秸稈覆蓋量的冬小麥栽培試驗,結果表明,在生育期覆蓋秸稈可以明顯提高冬小麥的產(chǎn)量,并且以3 000 kg·hm-2覆蓋量的處理較對照增產(chǎn)幅度最大。上述研究結果與本研究結論基本一致。在本研究的兩年試驗中,小麥產(chǎn)量均表現(xiàn)為S1>S2>S3>CK的規(guī)律,處理S1、S2、S3較CK平均提高16.7%、7.2%、2.9%,S1較CK連續(xù)兩年均達到極顯著差異水平(P<0.01)。
秸稈覆蓋下的土壤溫度變化明顯變緩,且覆蓋量越大,土壤升溫越緩慢[32]。所以在炎熱的夏季,覆蓋秸稈可以有效降低土壤溫度,為小麥根部創(chuàng)造良好的生長環(huán)境,相對較低的溫度也為保墑起到了積極作用。覆蓋處理后也會明顯提高土壤中堿解氮、速效鉀、有機質(zhì)的含量,覆蓋量越大,提高的幅度越大,而且會更有利于作物對土壤中磷素的吸收利用[33]。綜合考慮以上耗水特性、溫度、肥力等的狀況,生產(chǎn)中進行覆蓋秸稈時,建議采用適當?shù)母采w量,應以3 000 kg·hm-2為宜。
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Effects of mulching straw at different rates on water use pattern and soil properties of dry-land wheat
LI Yu-peng1,2,3, JIA Zhi-kuan1,4, HAN Qing-fang1,4, WANG Cheng-she3,4, XIE Yan-zhou3,4, WEI Hong-sheng3,4
(1.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.NanyangAcademyofAgriculturalScience,Nanyang,Henan473000,China; 3.NanyangExperimentandDemonstrationStationofWheat,NorthwestA&FUniversity,Nanyang,Henan473000,China; 4.CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
To yield a penetrating insight into the effects of straw mulching on water use pattern and soil properties of dry-land wheat, we conducted field experiments with four treatments of corn stalk mulching rates, 0 (control rate), 3 000, 6 000, 9 000 kg·hm-2in semiarid areas of southern Ningxia for two consecutive years. The result indicated that the water consumption of wheat at different growth stages gradually decreased with the increase of straw mulch. For the straw mulching quantity of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, the average water consumption during the whole growth period of wheat was decreased by 12.7%, 21.6% and 27.5%, respectively compared with the control, and the amount of straw showed a significantly negative correlation with that of water consumption(P<0.01). The effect of straw mulching on soil moisture conservation was significant. For the straw mulching quantity of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, soil moisture content increased by 13.1%, 19.8% and 26.1% after harvest. After straw mulching, the water use efficiency was the largest in the amount of 9 000 kg·hm-2, being increased by 42.4%(P<0.01)compared with the control. With the straw mulching amount of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, the wheat yield in different mulching modes was increased by 2.9%~16.7%, but only the difference between 3 000 kg·hm-2mulching mode and the control reached the significant level(P<0.01). Straw mulching could apparently adjust soil temperature at the upper layer(0~10 cm)that can not vary dramatically between extremes. All these effect is useful for the wheat growing. Straw mulching could increase available N, available K and organic matters, which much more helped crops taking up P from soil.
stalk rate; dry-land wheat; water consumption characteristic; soil properties
1000-7601(2017)04-0217-06
10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.33
2016-05-20
“十一五”國家科技支撐課題“農(nóng)田集雨保水關鍵技術研究”(2006BAD29B03);節(jié)水共性技術研究(2007BAD88B10)
李玉鵬(1984—),男,河南南陽人,碩士,助理研究員,主要從事旱地農(nóng)業(yè)和小麥遺傳育種研究。 E-mail:lypeng2000@163.com。
賈志寬(1962—),男,山西朔州人,教授,博士生導師,主要從事旱地農(nóng)業(yè)研究。 E-mail :zhikuan@tom.com。
S512.1
A