耕作方式對連作高粱產量及土壤水分與有機碳含量的影響

李 光,史麗娟,崔旭東,趙雪峰,白文斌

(1.山西農業(yè)大學 高粱研究所,高粱遺傳與種質創(chuàng)新山西省重點實驗室,山西 晉中 030600; 2.晉中市榆次區(qū)農業(yè)農村局,山西 晉中 030600;3.晉中市榆次區(qū)氣象局,山西 晉中 030600)

高粱是我國釀造業(yè)的主要原料。隨著人們生活水平的提升,原糧需求量也逐漸增加[1-2]。原糧基地連年種植高粱以滿足需求,造成了嚴重的連作障礙,影響了土壤質量,不利于產量的提升[3]。耕作、秸稈還田均是緩解作物連作障礙、改善土壤質量的重要措施。不同耕作方式均能提高土壤有機碳和土壤水分含量,提高資源利用率,實現作物增產提質[4-8];保護性耕作(少耕、免耕、深松)可提高表層土壤大團聚體含量,降低微團聚體含量,提高團聚體的水穩(wěn)性,改善土壤結構、提高土壤有機碳含量、增加土壤的固碳能力[7-12]。秸稈還田可顯著提高連作棉田土壤全氮和活性有機氮組分含量[9];玉米秸稈可有效改善花生連作土壤生物活性,緩解連作障礙,實現花生增產增收[11]。

與冬前免耕相比,綠肥壓青、冬前翻耕和地膜覆蓋都能夠改善連作花生0～30 cm耕層土壤的理化性質,降低土壤容重,增大土壤孔隙度和土壤含水量[13];黑龍江省黑土平原區(qū)秋旋耕起壟和秋深松旋耕起壟較春整地增加了連作大豆各生育時期干質量、根瘤質量和葉面積指數,提高產量16%以上,尤其秋旋耕起壟更顯著[14]。冬閑耕作(覆膜、翻耕與壓青)可提高連作花生植株功能葉片光合色素含量、凈光合速率、氣孔導度及蒸騰速率,降低胞間CO2濃度;同時提高葉片抗氧化性,延緩葉片衰老,進而增加莢果產量[15]。可見,耕作能改善不同連作作物土壤碳、水分含量,從而影響作物產量。但是,不同時間耕作對連作高粱產量形成的影響及其土壤碳、水分變化機制尚不明確。

本研究基于山西農業(yè)大學高粱研究所東白試驗基地高粱連作長期定位試驗,研究耕作方式對連作高粱的土壤水分、有機碳及產量的影響,從而明確降低高粱連作障礙的適宜耕作方式和時間及其產量形成的土壤水、碳變化機制,以期為保證高粱原糧需求量和旱作農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎與技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019—2020年連續(xù)2 a在山西農業(yè)大學高粱研究所東白試驗基地進行。該地屬于溫帶大陸性氣候,2015—2018年連續(xù)種植高粱,5月種植,10月收獲,10月中下旬至第2年4月休閑,秋季實施深耕,一年一作,無灌溉條件。于2018年10月25日測定0～20 cm土層土壤基礎肥力,有機質9.23 g/kg、全氮0.81 g/kg、堿解氮37.21 mg/kg、速效磷18.12 mg/kg。2個年度的降水量如圖1所示,2018—2019年休閑期降水量57.8 mm,主要集中在播前的4月份(49.6 mm),生育期降水量達264.6 mm,5月僅0.1 mm,6—10月每個月降水量約42～73 mm;2019—2020年休閑期降水量50.6 mm,每個月降水均較少(1.5～13.8 mm),生育期降水量達411.6 mm,主要集中于7,8月份,分別達80.7,232.4 mm。

圖1 東白試驗基地降水量Fig.1 Precipitation of sorghum research institute of Shanxi Agricultural University in Dongbai

1.2 試驗材料

供試高粱品種為晉雜22號。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機設計,設置傳統(tǒng)耕作(CK)、免耕(NT)、秋旋耕(AT)、秋深松(ASS)、秋深耕+旋耕(ADT+T)、春深耕+旋耕(SDT+T)6個耕作方式,小區(qū)面積為200 m2(10 m×20 m),重復3次,各處理的具體方法如表1所示。分別于2019年5月3日、2020年5月5日播種高粱,播前施復合肥(N∶P∶K為20∶20∶5)750 kg/hm2,旋耕(深度15 cm);種植密度為12萬株/hm2,行距50 cm,株距為15～17 cm(平均為16 cm);分別于2019年10月10日、2020年10月11日收獲。

表1 土壤耕作方式Tab.1 Tillage method of soil

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤有機碳及其組分 于高粱播前、成熟期取0～20 cm土壤樣品,陰干后過篩,分別測定有機碳、重組有機碳、輕組有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳、水溶性有機碳的含量[16-20]。

1.4.2 土壤蓄水量 于高粱播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期,在每個小區(qū)中取1 m(每20 cm一層)土樣,采用烘干法,105 ℃烘干至恒質量,測定土壤含水量。同時在小區(qū)內挖100 cm深剖面(20 cm一層)取樣,采用環(huán)刀法測定土壤容重[21]。

1.4.3 產量 于成熟期每個小區(qū)測定1 m2的高粱,脫粒,稱質量,測定含水量,并按照國家糧食儲存標準(含水量12.5%)換算產量。

1.5 數據統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據,采用SAS 9.0軟件進行統(tǒng)計分析,采用LSD法檢驗處理間的差異顯著性(顯著性水平設定為α=0.05)。

SWSi=Wi×Di×Hi×10/100

①

式中,SWSi表示第i層土壤蓄水量(mm);Wi表示第i層土壤含水量(%);Di表示第i層土壤容重(g/cm3);Hi表示第i層土層厚度(cm)。

ET=ΔS+P+U

②

式中,ET表示生育期土壤總耗水量(mm);ΔS表示階段初期和階段末期的土壤蓄水量之差(mm);P表示生育階段降水量(mm);U表示地下水補給量(mm)。本試驗地下水埋深在5 m以下,故U值可忽略不計。

WUE=Y/ET

③

式中,WUE表示水分利用效率(kg/(hm2·mm)),Y表示產量(kg/hm2)。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對連作高粱0～20 cm土壤有機質含量、有機碳及其組分含量的影響

2.1.1 對0～20 cm土壤有機質含量的影響 從表2可以看出,隨生育進程的推移,連作高粱的0～20 cm土壤有機質含量逐漸增加。2019年,耕作和免耕較傳統(tǒng)耕作(CK),均可顯著增加苗期、拔節(jié)期、抽穗期和成熟期0～20 cm有機質含量。與免耕相比,休閑期耕作均可增加高粱各生育時期0～20 cm有機質含量,尤其秋深耕,且苗期、拔節(jié)期秋深耕與除秋深松外的其他處理間差異顯著,抽穗期秋深耕與其他處理差異顯著(P<0.05)。2020年,與傳統(tǒng)耕作相比,耕作和免耕均可增加高粱各生育時期0～20 cm有機質含量,且初期和苗期耕作和免耕作均與傳統(tǒng)耕作處理間差異顯著,拔節(jié)期、抽穗期和成熟期除免耕、春深耕外的處理均與傳統(tǒng)耕作處理間差異顯著(P<0.05)。與免耕相比,休閑期耕作均可增加各生育時期0～20 cm有機質含量,尤其秋深耕,且與其他處理間差異顯著(P<0.05)?？梢?休閑期秋季采用深耕,更利于增加連作高粱土壤耕層有機質含量。

表2 耕作方式對連作高粱各生育時期0～20 cm土壤有機質含量的影響Tab.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years g/kg

2.1.2 對0～20 cm土壤有機碳及其組分含量的影響 由圖2可知,與播前相比,2 a成熟期連作高粱0～20 cm土壤有機碳及其組分含量基本均增加,其中,2019年,顆粒有機碳含量達1.42～2.69 g/kg,增加115.15%～313.85%;輕組有機碳含量達0.81～1.88 g/kg,增加47.62%～118.60%(除免耕和秋旋耕外);重組有機碳含量達4.63～ 6.96 g/kg,增加0.65%～51.97%;易氧化有機碳含量達0.81～1.30 g/kg,增加10.67%～91.18%;水溶性有機碳含量達21.25～37.93 mg/kg,除秋旋耕外增加0.5%～73.43%,均以秋深耕最高,且顆粒有機碳含量與除秋深松外處理間差異均達顯著水平(P<0.05),其他有機碳組分含量秋深耕與其他處理間均達顯著水平(P<0.05)。2020年,顆粒有機碳含量達1.95～3.18 g/kg,增加11.19%～82.07%(除秋深松外);輕組有機碳含量達1.55～2.63 g/kg,增加23.47%～105.62%;重組有機碳含量達6.35～8.85 g/kg,增加7.07%～36.77%;易氧化有機碳含量達0.96～1.85 g/kg,增加14.29%～90.59%;水溶性有機碳含量達32.15～40.35 mg/kg,增加47.95%～84.50%,以秋深耕顯著最高(P<0.05)。可見,休閑期采用秋深耕可增加連作高粱的有機碳組分含量,有利于土壤固碳。

不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。圖3同。Different small letters indicated significant differences at 0.05 level.The same as Fig.3.圖2 耕作方式對連作高粱0～20 cm土壤有機質含量、有機碳及其組分含量的影響Fig.2 Effects of tillage method on the soil organic matter in 0—20 cm depth at different growth stage for continuous cropping sorghum of four years

2.2 耕作方式對連作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影響

從表3可以看出,隨著生育進程的推移,連作高粱0～100 cm土壤蓄水量2019年逐漸降低,2020年先降后升,升高的主要原因可能是由于本年度生長中后期降水較多。連作高粱0～100 cm播前土壤蓄水量2019年遠高于2020年,由于2019年休閑期的降水集中于播前的4月份(49.6 mm),2020年分布在每個月。休閑期耕作較免耕可增加播前0～100 cm土壤蓄水量,2019年達18.04～45.95 mm,2020年達0.72～46.52 mm,尤其秋深耕增加明顯。

表3 耕作方式對連作高粱0～100 cm土壤蓄水量的影響Tab.3 Effects of tillage on the soil water storage in 0—100 cm depth for continuous cropping sorghum mm

與傳統(tǒng)耕作(CK)相比,免耕顯著增加連作高粱苗期和拔節(jié)期0～100 cm土壤蓄水量(P<0.05),2019年分別增加28.19,22.94 mm,2020年分別增加38.51,16.65 mm;休閑期耕作可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加50.83～80.62 mm,71.17～102.76 mm,0.48～13.61 mm,0.07～12.47 mm,2020年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加51.34～85.08 mm,9.39～59.64 mm,5.58～29.56 mm,7.27～39.87 mm。

與免耕相比,休閑期耕作均可增加苗期—成熟期0～100 cm土壤蓄水量,2019年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加22.64～52.43 mm,48.23～79.82 mm,3.92～17.05 mm,10.94～23.34 mm,2020年苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期分別增加12.83～46.57 mm,13.24～42.99 mm(除春深耕外),5.06～29.04 mm,7.48～40.08 mm,尤其秋深耕,且2019年苗期、拔節(jié)期秋深耕與除秋深松和春深耕外、抽穗期秋深耕與除秋旋耕和秋深松外、成熟期秋深耕與除秋深松外處理間差異顯著(P<0.05),2020年苗期秋深耕與除秋旋耕和秋深松外、抽穗前秋深耕與除春深耕外、拔節(jié)期、成熟期處理間差異顯著(P<0.05)?？梢?休閑期采用秋深耕,更有利于蓄積自然降水,增加播前土壤蓄水量,且延續(xù)應用至拔節(jié)期,中后期降水多時仍有效果。

2.3 耕作方式對連作高粱產量和水分利用效率的影響

由圖3可知,高粱產量表現為2019年高于2020年,這與2019年底墑較好有一定關系,雖然2020年中后期降水較多,但沒有彌補底墑少帶來的產量損失。與傳統(tǒng)耕作(CK)相比,免耕和休閑期耕作均可增加2019年總耗水量10.12 ～16.63 mm、產量4.75%～18.54%,2020年總耗水量2.42～13.50 mm(除免耕外)、產量5.53%～23.67%,且產量差異顯著(P<0.05)。與免耕相比,休閑期耕作均可增加2019年總耗水量1.86～7.24 mm、產量2.61%～14.47%,2020年總耗水量1.32～11.36 mm(除春深耕外)、產量4.46%～19.20%,尤其秋深耕,除2019年秋深松處理外,產量與其他處理間差異均顯著(P<0.05)。生育期水分利用效率較全年水分利用效率略高,2019年達19.09 ～21.05 kg/(hm2·mm),2020年達22.17 ～29.19 kg/(hm2·mm)。生育期水分利用效率2019年以秋深耕最高,免耕最低,且秋深耕與秋旋耕處理間差異顯著(P<0.05),2020年以秋深耕顯著最高(P<0.05),以秋旋耕顯著最低(P<0.05)?？梢?休閑期采用秋深耕有利于增加耗水,提高水分利用效率,從而實現增產。

圖3 耕作方式對連作高粱產量和水分利用效率的影響Fig.3 Effects of tillage on soil water consumption,yield and water use efficiency for continuous cropping sorghum

2.4 蓄水量、耗水量和有機質與連作高粱產量的相關性分析

2019年(底墑較高,生育期降水少),連作高粱產量與播前、苗期和拔節(jié)期土壤蓄水量極顯著正相關(P<0.05),與成熟期蓄水量、生育期耗水量顯著正相關(P<0.01);2020年(底墑較低,生育中后期降水較多)連作高粱產量與拔節(jié)期、抽穗期和成熟期土壤蓄水量呈顯著或極顯著正相關(P<0.05或P<0.01)。2 a連作高粱產量與播前有機質含量呈顯著或極顯著正相關(P<0.01或P<0.05)(表4)?？梢?連作高粱產量與播前底墑、生育期土壤水分和有機質含量密切相關,底墑較好時,與前期土壤水分關系更密切;中后期降水多時,與中后期土壤水分關系更密切。

表4 各生育時期土壤蓄水量、耗水量和播前有機質含量與連作高粱產量的關系Tab.4 Relationship of soil water storage,consumption,organic matter and yield of continuous cropping sorghum

3 結論與討論

土壤有機質是指各種形態(tài)存在于土壤中的所有含碳的有機物質,是植物營養(yǎng)的主要來源之一,能促進植物的生長發(fā)育,改善土壤的物理性質,促進微生物和土壤生物的活動,促進土壤中營養(yǎng)元素的分解,提高土壤的保肥性和緩沖性[22]。連作不利于棉田土壤有機質的保持,但短期連作對土壤有機碳的積累起正向作用,連作5 a后土壤有機碳含量逐漸降低[23];黨參連作過度消耗了土壤養(yǎng)分,降低了土壤中有機質及速效養(yǎng)分的含量,打破了土壤養(yǎng)分間的平衡[24];土壤有機碳、易氧化有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳含量整體表現為連作12,20,35 a棉田高于連作2,5 a棉田和荒草地,土壤有機碳在20 a棉田達峰值,為7.06 g/kg[25]。土壤中有機質含量越高,其中的有機膠體就會越多,使土壤的吸附作用和保持水分的能力增強。因此,土壤有機質不僅是固碳效益的關鍵指標,而且可用來衡量土壤水分保持及其有效性[26-27]。

有研究結果表明,與冬前免耕相比,冬前翻耕可降低連作花生0～30 cm土壤容重,增加土壤孔隙度和含水量[13];播前超常深翻(60 cm)可有效降低連作滴灌棉田耕層土壤容重,提高0～20 cm表層土壤含水率[28]。本研究結果顯示,休閑期耕作可增加連作4 a高粱各生育時期0～20 cm土壤有機質含量,增加顆粒有機碳、輕組有機碳、重組有機碳、易氧化有機碳和可溶性有機碳等有機碳組分含量,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯。這與前人在其他連作作物的研究結果一致。本研究進一步發(fā)現,休閑期耕作增加了連作高粱播前0～100 cm土壤蓄水量0.72～46.52 mm,2019年底墑高于2020年,主要由于2019年休閑期降水主要集中在播前的4月份;增加了各生育時期0～100 cm土壤蓄水量,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯,2019年苗期、拔節(jié)期與除秋深松和春深耕外、抽穗期與除秋旋耕和秋深松外、成熟期與除秋深松外處理間差異顯著,2020年苗期與除秋旋耕和秋深松外、抽穗前與除春深耕外、拔節(jié)期、成熟期處理間差異顯著。說明,連作高粱休閑期秋深耕增加了土壤有機質含量,改善了播前底墑,且可延續(xù)應用至拔節(jié)期,中后期降水多(2020年)依然有效果。這主要是由于耕作可以改善土壤物理結構[29],增加土壤有機碳及其儲量[30],提高土壤蓄水保墑能力[31]。

連作因影響作物根系土壤有機質、養(yǎng)分平衡等導致作物產量降低,而深耕、深松等耕作由于增加了土壤有機質、土壤水分提升了連作作物產量[32-34]。黑龍江省黑土平原區(qū)秋整地有利于增加連作大豆出苗率、干質量和產量[14];冬閑翻耕可提高連作花生植株功能葉片光合色素含量、延緩葉片衰老,進而增加莢果產量[15]。本研究結果表明,休閑期耕作較免耕均可增加生育期總耗水量,增加產量2.61%～19.20%,尤其秋深耕耕作方式增加更明顯。生育期水分利用效率也均以秋深耕耕作方式最高,主要由于連作高粱在休閑期秋深耕將蓄保的水分延續(xù)應用至生育期,提高水分利用效率,從而實現增產。進一步分析還發(fā)現,連作高粱產量以2019年高于2020年,2019年產量與拔節(jié)前土壤水分、2020年產量與中后期土壤水分關系更密切,由于2019年底墑高于2020年,2020年中后期降水并沒有彌補底墑少帶來的產量損失,說明底墑對產量形成起決定性作用。

總之,連作高粱產量受播前底墑、生育期土壤水分、有機質含量顯著影響,底墑較高時產量高,底墑較低時產量低。休閑秋季采用深耕利于增加連作高粱0～20 cm土壤有機質及有機碳組分含量,改善播前底墑,并延續(xù)應用至拔節(jié)期,中后期降水增加仍有效果,從而通過蓄水保墑固碳實現增產增效。