壟溝種植對旱地玉-麥輪作體系生產(chǎn)力和土壤硝態(tài)氮累積量的影響

吳金芝，黃修利，侯園泉，田文仲，李俊紅，張潔，李芳，呂軍杰，姚宇卿，付國占，黃明，李友軍

壟溝種植對旱地玉-麥輪作體系生產(chǎn)力和土壤硝態(tài)氮累積量的影響

吳金芝1，黃修利1，侯園泉1，田文仲2,3，李俊紅2,3，張潔2,3，李芳2,3，呂軍杰2,3，姚宇卿2,3，付國占1，黃明，李友軍

1河南科技大學農(nóng)學院，河南洛陽 471023；2洛陽農(nóng)林科學院，河南洛陽 471023；3中國農(nóng)業(yè)科學院洛陽旱農(nóng)試驗基地，河南洛陽 471023

【目的】探究不同壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物生產(chǎn)力、土壤性狀及土壤硝態(tài)氮累積量的影響，為改善旱地土壤肥力，提高作物產(chǎn)量和效率，降低環(huán)境風險提供科學依據(jù)。【方法】基于中國農(nóng)業(yè)科學院洛陽旱農(nóng)試驗基地始于2004年的長期定位試驗，設(shè)置6行固定道壟溝種植（6RPRF）、6行每年起壟壟溝種植（6REYRF）、4行固定道壟溝種植（4RPRF）、4行每年起壟壟溝種植（4REYRF）和傳統(tǒng)平作（CF）5個處理，分析了2015—2021年度玉米、小麥及其周年的產(chǎn)量、水分利用效率，2020年玉米收獲期0—40 cm不同土層的容重、養(yǎng)分含量和酶活性，以及2019—2020年度小麥收獲期0—380 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量。【結(jié)果】與CF相比，4種壟溝種植下玉米、小麥、周年的6年平均產(chǎn)量分別顯著提高8.6%—32.1%、12.5%—25.6%、11.3%—29.6%，水分利用效率分別顯著提高8.6%—31.4%、12.5%—31.1%、12.8%—30.3%；0—5 cm和20—40 cm土層的容重分別顯著降低7.3%—11.3%和4.9%—11.5%；0—40 cm土層平均有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量及脲酶活性分別提高6.0%—19.8%、80.8%—100.0%、28.5%—80.9%、58.5%—141.2%和24.0%—46.9%，0—100 cm土層的硝態(tài)氮累積量顯著提高38.8%—116.0%，其中，總體以4RPRF處理效果最優(yōu)，其還可以在硝態(tài)氮累積量總量維持在CF水平的同時使0—100 cm土層顯著提高38.8%、200—380 cm土層顯著降低15.0%，具有提高根層、降低深層土壤硝態(tài)氮累積量的作用。固定道壟作模式（PRF）與每年起壟模式（EYRF）相比，玉米和周年的6年平均產(chǎn)量分別顯著提高10.6%和9.1%，壟面種植6行模式（6R）下玉米、壟面種植4行模式（4R）下小麥和周年的6年平均水分利用效率分別顯著提高21.1%、15.2%和8.2%，土壤養(yǎng)分含量表層提高、下層降低，0—380 cm土層的硝態(tài)氮累積量顯著降低4.9%—30.2%。4行模式較6行模式，玉米和周年的6年平均產(chǎn)量分別顯著提高9.9%和6.8%，EYRF下玉米、PRE下小麥和周年的6年平均水分利用效率分別顯著提高7.4%、16.5%和6.7%，土壤特性有改善趨勢，但其效應(yīng)因指標而異，且在不同起壟模式和不同土層表現(xiàn)不同?！窘Y(jié)論】4行固定道壟溝種植（4RPRF）既可降低土壤容重，提高土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀含量，又可使玉米、小麥、周年的產(chǎn)量和水分利用效率在多數(shù)條件下表現(xiàn)最優(yōu)，還可以有效降低200—380 cm土層的硝態(tài)氮累積量，是協(xié)同實現(xiàn)旱地雨養(yǎng)玉-麥輪作區(qū)作物高產(chǎn)高效和環(huán)境友好生產(chǎn)的種植模式。

壟溝種植；旱地；玉-麥輪作；土壤性狀；產(chǎn)量；水分利用效率；硝態(tài)氮

0 引言

【研究意義】旱地占我國耕地總面積的54.4%，是我國玉米和小麥的主要生產(chǎn)陣地[1]。然而，廣大旱地普遍存在干旱和土壤貧瘠的問題，加上作物栽培管理相對粗放，不僅致使產(chǎn)量效率低下，而且易造成土壤硝態(tài)氮高量累積，污染環(huán)境甚至威脅飲用水安全[2-3]，特別是在對水肥要求較單作高的夏玉米-冬小麥（簡稱玉-麥）輪作體系更為突出[4]。因此，探尋科學的栽培技術(shù)以提高旱地土壤肥力、作物產(chǎn)量效率并降低土壤硝態(tài)氮殘留已成為當前亟待解決的問題?！厩叭搜芯窟M展】壟溝種植是在田間修筑壟溝的基礎(chǔ)上將作物種植在壟上或溝中，形成集壟面產(chǎn)流+溝內(nèi)集雨+地面覆蓋為一體的抗旱栽培技術(shù)。眾多研究和生產(chǎn)實踐表明，該技術(shù)既能降水高效收集、抑蒸保墑、緩解徑流，改善土壤水熱特性[5]，降低土壤容重[6]，促進土壤微生物活動和養(yǎng)分礦化[7]，提高土壤肥力和土壤酶活性[8]，又可發(fā)揮邊行優(yōu)勢、優(yōu)化葉片空間分布[9]，增大作物受光面積、降低冠層溫度[9-10]，改善作物生理特性[11]和光合熒光特性[12]，促進作物干物質(zhì)積累[13]和養(yǎng)分吸收利用[14]，最終顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率[15]，減緩硝態(tài)氮向下層土壤淋失[8, 16]，在玉米、小麥等作物生產(chǎn)中都有大面積應(yīng)用。張建軍等[17]研究表明，壟溝種植技術(shù)效應(yīng)與起壟模式有關(guān)，減少起壟次數(shù)的留膜留茬留壟免耕較每年起壟覆膜有利于土壤有機質(zhì)及磷鉀養(yǎng)分含量、酶活性及微生物數(shù)量的提高。也有研究表明，固定道壟作可更好地維持土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的通透性和土壤微生物的多樣性[18]，改善小麥冠層結(jié)構(gòu)特性[19]。壟溝種植的技術(shù)效應(yīng)還與壟溝寬度、種植行數(shù)關(guān)系密切。在甘肅東部，不同壟溝寬度顯著影響玉米產(chǎn)量和水分利用效率，最適合的壟溝比例為1﹕1[20]。在陜西楊凌，隨著壟寬的增加，土壤蓄水量和壟上溫度提高，耗水量也增加，壟溝60 cm﹕60 cm的配置利于小麥干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量和水分利用效率[21]；在壟寬均為40 cm的條件下，溝內(nèi)種植3行和種植5行較種植4行可使小麥產(chǎn)量分別顯著提高13.9%和17.2%[22]。在陜西關(guān)中玉-麥輪作區(qū)，增加種植溝寬度，玉米產(chǎn)量先增加后降低，小麥產(chǎn)量增加但水分利用效率降低[23]。在河北玉-麥輪作區(qū)，60 cm﹕60 cm溝壟較60 cm﹕50 cm的溝壟可顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[24]?！颈狙芯壳腥朦c】玉-麥輪作是黃淮海地區(qū)主要的種植制度，也是半濕潤偏旱地區(qū)的重要種植制度。然而，前人有關(guān)壟溝種植技術(shù)的研究主要圍繞雨養(yǎng)旱區(qū)一年一熟覆膜溝播體系和灌區(qū)壟面種植體系進行，關(guān)于雨養(yǎng)條件下壟溝種植影響旱地玉-麥輪作兩熟體系生產(chǎn)力和土壤硝態(tài)氮殘留量的研究尚鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究提出將玉米種植在溝中、小麥種植在壟面并配合周年秸稈覆蓋的壟溝種植模式，綜合考慮起壟模式、壟面種植行數(shù)等因素，分析壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤特性、作物產(chǎn)量及水分利用效率和土壤硝態(tài)氮累積量的影響，為實現(xiàn)旱地玉-麥輪作區(qū)作物高產(chǎn)高效和環(huán)境友好栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黃土高原東南緣的河南省洛陽市農(nóng)林科學院（34°37′12″N，112°27′36″E），海拔130 m。試驗地屬典型的溫帶半濕潤偏旱季風氣候，年平均氣溫14.6 ℃，平均干旱頻率＞40%，干燥度＞1.3，無霜期200—219 d。年平均降水量為549 mm，年平均蒸發(fā)量1 870 mm。夏玉米-冬小麥一年兩熟輪作為當?shù)刂饕姆N植制度。供試土壤為黃棕色褐土，耕層土壤的容重、田間持水量、飽和水含量和pH分別為1.53 g·cm-3、27%、33%和7.30。2004年10月試驗開始前，0—20 cm土層土壤含有機質(zhì)15.6 g·kg-1、全氮0.9 g·kg-1、堿解氮62.5 mg·kg-1、有效磷10.4 mg·kg-1、速效鉀166.0 mg·kg-1。試驗期間的降雨量如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)6行固定道壟溝種植（6RPRF）、6行每年起壟壟溝種植（6REYRF）、4行固定道壟溝種植（4RPRF）、4行每年起壟壟溝種植（4REYRF）和傳統(tǒng)平作（CF）5個處理（表1、圖2）。小區(qū)面積16 m2（4 m×4 m），3次重復。所用肥料為尿素（含N 46%）、復合肥（N﹕P2O5﹕K2O= 15﹕15﹕15）。玉米季拔節(jié)期前后遇降雨追施純氮138 kg·hm-2。小麥季肥料為復合肥，全部基施，氮磷鉀肥用量分別為112.5 kg N·hm-2、112.5 kg P2O5·hm-2和112.5 kg K2O·hm-2，有翻耕的處理翻耕前均勻撒施，無翻耕的處理人工模仿免耕施肥播種機開溝條施于兩行種子間，深度15—20 cm。本研究始于2015年6月，期間，玉米品種為洛玉114，每年6月上旬播種，9月下旬收獲，種植密度45 000株/hm2，6行模式行距133 cm，4行模式行距100 cm，平作行距80 cm；小麥品種為洛旱7號（2015—2020年）和洛旱22（2020—2021年），每年10月上、中旬播種，次年5月下旬或6月初收獲，播量為135 kg·hm-2。試驗期間未進行任何灌溉，其他管理同當?shù)刎S產(chǎn)田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 分別在每季作物播種前和收獲后，從每個小區(qū)采集0—200 cm土層土樣，每20 cm為一土層，留取30—40 g土壤樣品置于鋁盒中，于105 ℃烘至恒重并稱量，計算含水量。按照Wu等[15]描述的方法計算0—200 cm土層土壤貯水量和作物生育期耗水量。

SWS＝W×D×H×10/100

折線為2001—2021年連續(xù)20年降水量的平均值 The broken line shows the average precipitation of 20 years from 2001 to 2021

表1 試驗處理描述

6RPRF：6行固定道壟溝種植；6REYRF：6行每年起壟種植；4RPRF：4行固定道壟溝種植；4REYRF：4行每年起壟種植；CF：傳統(tǒng)平作。下同

6RPRF: permanent ridge and furrow and 6 row wheat planted in ridge; 6REYRF: ridge and furrow in each year and other managements kept with 6RPRE; 4RPRF: permanent ridge and furrow and 4 row wheat planted in ridge; 4REYRF: ridge and furrow in each year and other managements kept with 4RPRF (4REYRF); CF: conventional flat planting pattern according to the local farmer. The same as below

圖2 不同種植模式示意圖

式中，SWS為土壤貯水量（soil water storage，mm）；W為某土層土壤含水量（%）；D為該土層土壤容重（g·cm-3）；H為該土層厚度（cm）；10和100為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

ET＝P+I+GR+ΔSWS-R-D

式中，ET為作物生育期耗水量（evapotranspiration，mm）；P為作物生育期總降雨量（precipitation，mm）；I為灌溉量（irrigation，mm）；R為徑流量（run-off，mm）；GR為地下水補給量（groundwater recharge，mm）；D為深層滲漏量（deep percolation，mm）；ΔSWS為作物播種與收獲時0—200 cm土層土壤貯水量之差（mm）。當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，GR值可以忽略不計，本試驗地地下水埋深超過3.5 m，作物生育期內(nèi)無灌水、池栽，故I、GR、R和D值均為0。

1.3.2 作物產(chǎn)量和水分利用效率 在每季作物的成熟期，人工全區(qū)收獲、脫粒、風干后測定風干重，然后取部分籽粒測定含水量，最后以13%的含水量折算產(chǎn)量（kg·hm-2）。

水分利用效率的計算參照Wu等[15]描述的方法進行。

WUE＝Y(jié)/ET

式中，WUE為水分利用效率（water use efficiency，kg·hm-2·mm-1）；Y為籽粒產(chǎn)量（grain yield，kg·hm-2）；ET為作物生育期耗水量（mm）。

1.3.3 土壤容重 在2020年夏玉米收獲后，在壟中央用環(huán)刀采集0—5、5—10、10—20、20—40 cm土層的土壤，測定土壤容重，每個樣點采集4個重復，其平均值為測定值。

1.3.4 土壤養(yǎng)分和土壤酶活性 在2020年夏玉米收獲后，在測定土壤容重的同時，每個小區(qū)采集0—5、5—10、10—20和20—40 cm土層土壤，每個小區(qū)采集3個樣點，同層混合均勻后留取300 g左右，迅速裝入預(yù)先標記好的塑料袋并系緊袋口，帶回實驗室自然風干，并分別研磨，過1 mm、0.15 mm土篩，保存待測。土壤養(yǎng)分含量參照鮑士旦[25]的方法測定：土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤全氮含量采用凱氏定氮法，土壤有效磷含量采用鉬銻抗比色法，土壤速效鉀含量采用火焰光度計法。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[26]，土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[27]。

1.3.5 土壤硝態(tài)氮 于2019—2020年度小麥收獲期，在每個小區(qū)采取0—380 cm的土壤，0—200 cm每20 cm為一層，200—380 cm土層每30 cm為一層，每層土壤混合均勻后留取300 g左右，迅速裝入預(yù)先標記好的塑料袋并系緊袋口，帶回實驗室稱取5.00 g鮮土，用50 mL 1 mol·L-1KCl溶液振蕩浸提1 h，用AA3連續(xù)流動分析儀（SEAL公司，德國）測定土壤硝態(tài)氮含量（以干重計）。土壤硝態(tài)氮累積量用Dai等[2]描述的方法計算。NA＝C×D×H×0.1，式中，NA為硝態(tài)氮累積量（nitrate-N accumulation，kg·hm-2），D為該土層的土壤容重（g·cm-3）；C是對應(yīng)的土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg-1）；H為土層深度（cm）；0.1為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019、Origin 2022和DPS7.05軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果

2.1 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物產(chǎn)量的影響

由表2可知，壟溝種植有利于提高旱地玉-麥輪作體系的作物產(chǎn)量。就玉米而言，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均產(chǎn)量較CF分別顯著提高23.4%、8.6%、32.1%和22.5%，其中6RPRF有6年，4RPRF和4REYRF有5年，6REYRF有2年表現(xiàn)為顯著提高。不同起壟模式間比較，固定道壟溝模式（以下簡稱PRF）總體上優(yōu)于每年起壟模式（以下簡稱EYRF），其中，壟面種植6行模式（以下簡稱6R）和壟面種植4行模式（以下簡稱4R）下6年平均產(chǎn)量分別顯著提高13.6%和7.8%。不同壟面種植行數(shù)之間比較，4R總體上優(yōu)于6R，其中，RPR和EYRF下6年平均產(chǎn)量分別顯著提高7.0%和12.8%，分別有3年和4年表現(xiàn)為顯著提高。

表2 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物產(chǎn)量的影響

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一作物下處理間差異達到0.05水平。下同

Different lowercase letters after the data in a column within the same crop indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level. The same as below

就小麥而言，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均產(chǎn)量較CF分別顯著提高17.9%、15.8%、25.6%和12.5%，其中，4RPRF有4個年度，6REYRF和4REYRF有3個年度，6RPRF有2個年度表現(xiàn)為顯著提高。除EYRF下6R較4R在2017—2018年度顯著增產(chǎn)27.1%，4R下PRF較EYRF在2018—2019年度顯著增產(chǎn)36.1%外，起壟模式和壟面種植行數(shù)對小麥產(chǎn)量無顯著影響。

不同處理對周年產(chǎn)量的影響規(guī)律與玉米相似。6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均產(chǎn)量較CF分別顯著提高21.3%、11.3%、29.6%和18.7%，其中，6RPRF連續(xù)6年，6REYRF有4個年度表現(xiàn)為顯著提高。不同起壟模式間比較，PRF總體上優(yōu)于EYRF，6R和4R下6年平均分別顯著提高9.0%和9.2%，且均有2個年度表現(xiàn)為顯著提高。不同壟面種植行數(shù)間比較，4R總體上優(yōu)于6R，PRF和EYRF下6年平均分別提高6.9%和6.7%，且均有3個年度表現(xiàn)為顯著提高，但EYRF下在2017—2018年度顯著降低17.4%?？梢?，壟溝種植對玉米的增產(chǎn)作用大于小麥，且以4行固定道壟溝種植的增產(chǎn)效果最好。

2.2 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物水分利用效率的影響

不同種植模式對玉米、小麥及周年的水分利用效率均具有顯著調(diào)節(jié)作用（表3）。對玉米水分利用效率而言，與CF相比，6RPRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分別顯著提高31.4%、22.4%和22.4%，其中，6RPRF有5年，4RPRF和4REYRF有4年表現(xiàn)為顯著提高；6REYRF下6年平均顯著提高8.6%，表現(xiàn)為2年顯著提高、2年顯著降低。PRF與EYRF相比，6R下6年平均顯著提高21.1%，且有5年顯著提高；4R下6年均值無顯著差異，表現(xiàn)為1年顯著提高、1年顯著降低。4R與6R相比，PRF下6年均值顯著降低7.4%，其中2年顯著提高、2年顯著降低；EYRF下6年平均顯著提高12.7%，除2020年外均提高或顯著提高。

分析小麥水分利用效率可知，與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分別顯著提高12.5%、19.3%、31.1%和13.8%。其中，4RPRF、6REYRF、4REYRF下有4個年度顯著提高，而6RPRF下有3個年度顯著提高、1個年度顯著降低。PRF與EYRF相比，6R下6年平均值無顯著差異，但4R下顯著提高15.2%。4R與6R相比，PRE下6年平均顯著提高16.5%，且有2個年度顯著提高；EYRF下6年平均值無顯著差異，但有1個年度顯著提高、2個年度顯著降低。

表3 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物水分利用效率的影響

從周年水分利用效率來看，與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分別顯著提高23.3%、12.8%、30.3%和21.5%。其中，6RPRF和6REYRF下有4個年度，4RPRF和4REYRF下有5個年度顯著提高。PRF較EYRF，6R和4R下6年平均分別顯著提高9.3%和7.2%，分別有4個年度和2個年度顯著提高。4R與6R相比，PRE和EYRF下6年平均分別顯著提高5.7%和7.8%，分別有4個和3個年度顯著提高。綜上，壟溝種植有利于提高旱地玉-麥輪作體系作物水分利用效率，且PRF優(yōu)于EYRF，4R優(yōu)于6R，但調(diào)節(jié)效應(yīng)因作物和年份而異。

2.3 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤容重的影響

由圖3可知，壟溝種植可降低0—5、5—10和20—40 cm土層的容重。與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF在0—5 cm土層分別顯著降低7.3%、11.3%、7.7%和11.1%，在20—40 cm土層分別降低8.3%、11.5%、11.0%和4.9%，6REYRF和4REYRF在5—10 cm土層也分別降低5.2%和3.9%。與EYRF相比，PRF有提高0—10 cm土層容重的趨勢，且6R下增幅顯著，但在20—40 cm土層的作用因壟面種植行數(shù)而異，6R下顯著提高5.3%，4R下顯著降低11.1%。說明壟溝種植有利于降低旱地玉-麥輪作體系土壤容重，但降低幅度因土層、起壟模式和壟面種植行數(shù)而異。

柱上方不同字母表示同一土層處理間的差異達到0.05顯著水平。下同

2.4 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤養(yǎng)分含量的影響

2.4.1 土壤有機質(zhì)和全氮含量 從表4可以看出，與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土層的平均有機質(zhì)含量分別提高6.0%、7.5%、19.8%和17.9%（全部按照除以CF平均18.71），土壤全氮含量分別提高82.6%、80.8%、100.0%和87.9%，但影響效應(yīng)在不同土層存在差異。就土壤有機質(zhì)含量而言，與CF相比，6RPRF和6REYRF僅在0—5 cm土層分別顯著提高27.3%和11.9%，而4RPRF和4REYRF不僅在0—5 cm土層分別顯著提高47.1%和18.6%，在20—40 cm土層也分別顯著提高11.1%和15.0%，且4REYRF在5—10 cm和10—20 cm土層還分別顯著提高19.7%和 17.6%。從土壤全氮含量來看，與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF在0—40 cm各土層均表現(xiàn)為顯著提高，增幅分別為51.9%—139.1%、70.4%—90.3%、75.9%—140.6%和81.3%—103.7%。PRF較EYRF，土壤有機質(zhì)和全氮含量在0—5 cm土層表現(xiàn)為顯著提高，在5—20 cm土層多表現(xiàn)為顯著降低，在20—40 cm土層無顯著差異。壟面種植行數(shù)對土壤有機質(zhì)和全氮含量的影響因起壟方式而異，4R與6R相比，PRF下有機質(zhì)含量除5—10 cm土層外均顯著提高，全氮含量在5—10 cm、10—20 cm土層也顯著提高，EYRF下10—20 cm土層的有機質(zhì)和全氮含量及20—40 cm土層的有機質(zhì)含量分別顯著提高12.1%、19.6%和14.6%。綜上，壟溝種植有利于提高土壤有機質(zhì)和全氮含量，且對全氮含量的影響效應(yīng)大于有機質(zhì)含量，4R的效果多優(yōu)于6R，PRF較EYRF會使有機質(zhì)和全氮向表層土壤富集。

2.4.2 土壤有效磷和速效鉀含量 由表5可知，與CF相比，4種壟溝種植模式均可顯著提高0—20 cm各土層的有效磷和速效鉀含量，還可顯著提高20—40 cm土層的速效鉀含量，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土層平均有效磷含量分別顯著提高80.9%、28.5%、63.1%和35.1%，速效鉀含量分別顯著提高100.1%、58.4%、141.2%和80.1%。PRF較EYRF，0—5 cm和5—10 cm土層的有效磷和速效鉀含量均顯著提高，且6R下10—20 cm土層的有效磷含量也顯著提高64.9%，但10—40 cm各土層的速效鉀含量均顯著降低。4R與6R相比，PRF下5—10 cm和10—20 cm土層的有效磷含量顯著降低，0—20 cm各土層的速效鉀含量顯著提高；而EYRF下僅10—20 cm土層的有效磷含量、5—20 cm土層的速效鉀含量顯著提高?？梢?，壟溝種植有利于提高土壤有效磷含量和速效鉀含量，PRF較EYRF提高了各土層的有效磷含量和0—10 cm土層的速效鉀含量，降低了深層土壤速效鉀含量；4R與6R相比在PRE下降低了5—20 cm土層有效磷含量，但會增加0—20 cm各土層的速效鉀含量。

表4 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤有機質(zhì)和全氮含量的影響

表5 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤有效磷和速效鉀含量的影響

2.5 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤酶活性的影響

種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤脲酶和蔗糖酶活性有顯著的調(diào)控作用（圖4）。與CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土層平均脲酶活性分別提高24.0%、24.1%、46.9%和40.3%，6REYRF和4REYRF下蔗糖酶活性也分別提高9.2%和5.4%，其影響效應(yīng)與起壟模式和壟面種植行數(shù)有關(guān)。PRF較EYRF，土壤脲酶活性無顯著差異，土壤蔗糖酶活性除4R下在0—5 cm土層和6R下在10—20 cm土層外均表現(xiàn)為顯著降低。4R與6R相比，土壤脲酶活性增加且在10—40 cm土層表現(xiàn)為顯著增加；土壤蔗糖酶活性PRF下在0—5 cm土層顯著提高、在5—40 cm土層則降低，EYRF下在0—5 cm和20—40 cm土層顯著降低、在10—20 cm土層顯著提高?？梢姡瑝艤戏N植對土壤脲酶活性的影響大于蔗糖酶，壟面種植行數(shù)的調(diào)節(jié)效應(yīng)大于起壟模式。

2.6 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤硝態(tài)氮累積量的影響

從圖5可以看出，連續(xù)定位試驗16年后，各處理土壤硝態(tài)氮累積量隨著土層的加深均呈降-增-降的趨勢，且累積峰均出現(xiàn)在160—200 cm土層，但不同處理在不同土層的表現(xiàn)不同。在0—100 cm土層，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF的硝態(tài)氮累積量較CF分別顯著提高62.1%、97.7%、38.8%和116.0%。在100—200 cm土層，土壤硝態(tài)氮累積量表現(xiàn)為以4REYRF最高，高達647.3 kg·hm-2，較其他處理顯著提高86.2%—110.3%。在200—380 cm土層，4REYRF的土壤硝態(tài)氮累積量最低，較其他處理顯著降低36.8%—46.8%；4RPRF其次，較6RPRF、6REYRF和CF分別降低17.2%、8.6%和15.0%。在0—380 cm土層，6RPRE和4RPRE的土壤硝態(tài)氮累積量較CF均無顯著變化，但6REYRF和4REYRF分別顯著提高11.3%和42.5%；PRF較EYRF，在6R和4R下分別降低4.9%和30.2%；4R較6R，在EYRF下顯著提高28.2%。說明壟溝種植有利于提高0—100 cm土層的硝態(tài)氮累積量，固定道起壟、壟面種植4行模式可降低土壤硝態(tài)氮累積量，特別是在200 cm以下土層表現(xiàn)突出。

圖4 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤脲酶（A）和蔗糖酶（B）活性的影響

圖5 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系0—380 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量的影響

3 討論

3.1 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

眾多研究和生產(chǎn)實踐表明，將玉米種植在溝中的壟溝覆蓋集水種植方式，具有顯著的保墑增溫效應(yīng)，促進了根系發(fā)育和對養(yǎng)分的吸收，改善了地上部植株生長發(fā)育特性，提高了葉片葉綠素含量和光合能力，促進干物質(zhì)積累，進而顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[5-8]。壟作栽培可改善小麥地上部植株形態(tài)，優(yōu)化葉片硝酸還原酶活性和游離氨基酸含量，改善植株光合熒光特性，從而顯著提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率[9-11, 28]。此外，GHOLAMHOSEINI等[29]表明，夏季在壟上覆蓋秸稈，可增加土壤蓄水，降低土壤溫度，具有提高土壤有機碳和微生物碳的優(yōu)勢，從而提高作物產(chǎn)量。Fang等[13]研究表明，周年在溝中覆蓋秸稈與平作相比，可增加每季小麥、玉米生育期間的土壤蓄水量和地上部干物質(zhì)積累量，從而顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米種植在溝中、小麥種植在壟上并配合周年秸稈覆蓋的壟溝種植模式，顯著提高了旱地玉-麥輪作體系玉米、小麥、周年的產(chǎn)量和水分利用效率。其原因是這種模式不僅綜合了玉米溝播、小麥壟作的農(nóng)藝作用，協(xié)調(diào)了土壤水肥氣熱效應(yīng)，促進地上部生長發(fā)育并改善生理功能，增強光合生產(chǎn)和物質(zhì)形成能力，而且利用了壟溝種植和秸稈覆蓋配合提高作物生產(chǎn)力的優(yōu)勢?？傮w來看，壟溝種植對玉米產(chǎn)量的影響效應(yīng)大于小麥，表現(xiàn)為6年平均增產(chǎn)幅度高、顯著增產(chǎn)的年數(shù)多，說明通過壟溝種植提高玉米產(chǎn)量較提高小麥產(chǎn)量更具優(yōu)勢。這可能因為玉米種植在溝中，壟溝地形促進了雨水朝玉米根區(qū)匯集，使無效和微效降水得到有效利用，從而保證玉米生長發(fā)育中有較好的水分供應(yīng)，進而獲得較高的水分增益[5]；也與小麥秸稈覆蓋可使土壤溫度降低，緩解了高溫對玉米生產(chǎn)的不利影響有關(guān)[29]。

固定道壟作栽培具有改善作物生長區(qū)土壤理化特性[8]，緩和土壤溫度變化，增加上層土壤含水量[30]，構(gòu)建的“松塔型”結(jié)構(gòu)有利于光能有效利用，促進干物質(zhì)積累[19]，進而提高產(chǎn)量和水分利用效率。本研究還發(fā)現(xiàn)，固定道壟溝種植較每年起壟有提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的作用，玉米和周年6年平均產(chǎn)量增幅分別為7.8%—13.7%和6.7%—6.9%，但對水分利用效率的增幅因作物和種植行數(shù)而異，6年平均周年水分利用效率增加7.2%—9.3%。適宜的壟溝比例和種植行數(shù)有利于改善土壤水熱特性，優(yōu)化作物群體結(jié)構(gòu)，提高葉面積指數(shù)和促進干物質(zhì)積累，最終實現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[21-22]。本研究表明，適當縮小壟面種植行數(shù)，有利于提高旱地玉-麥輪作體系的產(chǎn)量和水分利用效率，與6行模式相比，4行模式的產(chǎn)量和周年水分利用效率顯著提高，固定道模式下玉米水分利用效率和每年起壟模式下小麥水分利用效率也顯著提高。

3.2 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤特性的影響

土壤特性決定著耕地質(zhì)量，能否改善土壤特性是評價栽培技術(shù)適宜與否的重要指標[31]。前人研究普遍表明，壟溝種植會降低耕層土壤容重[8]，提高土壤酶活性[7]以及土壤有機質(zhì)、全氮含量[8, 32]。本研究發(fā)現(xiàn)，壟溝種植較傳統(tǒng)平作有利于降低旱地玉-麥輪作體系的土壤容重，且在表層（0—5 cm）和深層（20—40 cm）土壤顯著降低，也利于提高土壤有機質(zhì)、全氮含量和土壤酶活性，這與前人的研究結(jié)果基本一致。其原因與壟溝種植模式具有較優(yōu)土壤環(huán)境調(diào)節(jié)能力有關(guān)，還與4種壟溝種植模式均有秸稈覆蓋而傳統(tǒng)平作無秸稈覆蓋有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈覆蓋還田的條件下，壟溝種植可顯著提高0—20 cm各測定土層有效磷含量和0—40 cm各測定土層速效鉀含量，這與雷金銀等[32]發(fā)現(xiàn)壟溝種植+秸稈覆蓋會降低土壤有效磷和土壤速效鉀含量的研究結(jié)果不一致，主要是因為磷鉀肥用量不同所致，本研究小麥季氮磷鉀肥用量均為112.5 kg·hm-2，而雷金銀的研究中施磷量較低且未施鉀肥。本研究還發(fā)現(xiàn)，壟溝種植模式對土壤特性的影響與起壟模式和壟面種植行數(shù)有關(guān)，總體表現(xiàn)為固定道壟作有利于降低表層土壤容重，提高表層土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量，但由于固定道壟溝種植一直處于免耕環(huán)境，土壤養(yǎng)分向表層富集，對深層土壤特性的改善作用降低甚至會呈現(xiàn)出負效應(yīng)[33]。壟面種植4行模式較6行模式可提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性，說明壟溝種植下適當縮小壟面種植行數(shù)利于改善土壤特性，其原因可能是本研究中秸稈覆蓋還田于原小區(qū)，4行模式下產(chǎn)量高、生物量大，用于還田的秸稈量也就大，不僅改善水熱特性的效果好，而且通過秸稈還田引入的養(yǎng)分量多，從而提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性。

3.3 壟溝種植模式對旱地玉-麥輪作體系土壤硝態(tài)氮累積的影響

土壤硝態(tài)氮是作物攝入氮素的主要形式，其在土壤中累積量的高低代表著土壤氮素供應(yīng)能力的強弱，但農(nóng)田土壤中硝態(tài)氮過高，不僅會增加氨揮發(fā)、氮氧化物等溫室氣體排放，而且會導致地表水體富營養(yǎng)化或地下水體硝酸鹽超標，引發(fā)嚴重的環(huán)境問題甚至威脅人體健康，因而如何將土壤硝態(tài)氮累積量控制在一個合理的范圍備受人們關(guān)注[34-35]。本研究發(fā)現(xiàn)，壟溝種植模式均可顯著提高0—100 cm土層的土壤硝態(tài)氮累積量，這意味著壟溝種植可以改善作物根層氮素供應(yīng)能力，其主要原因是壟可將肥料與向下水流隔離，從而減少氮素向深層淋失[16]，也與壟溝種植采用了條施肥并在施肥帶局部壓實的方式，有利于減少氮素的揮發(fā)損失有關(guān)[36]，還可能是壟溝種植下土壤有機質(zhì)含量提高，增加了氮固持量[37]。然而，從0—380 cm土層總量來看，不同處理的土壤硝態(tài)氮累積量均超過640 kg·hm-2，且在160—200 cm土層均出現(xiàn)了累積峰（累積量均超過250 kg·hm-2），遠遠超過玉-麥輪作體系收獲期允許的硝態(tài)氮殘留量100 kg·hm-2 [35]。說明旱地玉-麥輪作體系中土壤硝態(tài)氮高量累積的問題已不容忽視。本研究中，與傳統(tǒng)平作相比，4種壟溝種植模式的硝態(tài)氮殘留量并未顯著降低，且EYRF下表現(xiàn)為顯著提高，這不僅與本研究中壟溝種植處理均有秸稈覆蓋，秸稈中的氮素被還田，增加了硝態(tài)氮的來源有關(guān)[37]，還與每年起壟模式下頻繁耕作促進了土壤氮礦化有關(guān)。固定道壟作較每年起壟有降低土壤硝態(tài)氮累積量的作用，其中，4RPRF在0—380 cm和100— 200 cm土層較4REYRF分別顯著降低30.2%和48.7%，在200—380 cm土層較6RPRF、6REYRF和CF均顯著降低，說明4種壟溝種植模式中，4RPRF能有效降低土壤硝態(tài)氮殘留并阻控其向深層土壤淋溶。

3.4 研究的局限性及進一步研究的關(guān)注點

壟溝種植有利于改善旱地玉-麥輪作體系土壤性狀，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，且總體上以4行固定道壟溝種植（4RPRF）效果最優(yōu)。但是，本研究僅在黃土高原南部圍繞2種起壟模式和2種壟面種植行數(shù)展開，且研究內(nèi)容并未涉及產(chǎn)量形成機理，還需進一步研究壟溝種植增產(chǎn)機制，以及拓展性研究以明確不同生態(tài)、土壤、降雨水平下的技術(shù)效應(yīng)，固定壟年限和壟溝比例的最優(yōu)模式，與壟溝種植配套的施肥技術(shù)等，以進一步完善旱地玉-麥輪作體系的壟溝種植理論和技術(shù)。

4 結(jié)論

與常規(guī)平作相比，玉米種植在溝內(nèi)、小麥種植在壟上并配合秸稈覆蓋的壟溝種植有利于改善土壤特性，提高夏玉米、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，但卻增加深層土壤硝態(tài)氮累積量，加大淋失風險。固定道壟溝模式與每年起壟模式相比，有利于提高表層土壤養(yǎng)分含量，顯著提高周年作物產(chǎn)量和水分利用效率，以及玉米產(chǎn)量、6行模式下玉米和4行模式下小麥的水分利用效率。4行模式較6行模式，有改善土壤特性趨勢，顯著提高周年產(chǎn)量和水分利用效率，以及玉米產(chǎn)量、固定道壟溝模式下玉米和每年起壟模式下小麥的水分利用效率。從綜合效應(yīng)看，4行固定道壟溝種植改善土壤性狀和提高作物生產(chǎn)力的效果最優(yōu)，且較其他壟溝種植模式還可有效降低土壤硝態(tài)氮累積量，是適于旱地玉-麥輪作區(qū)的種植模式。

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Effects of Ridge and Furrow Planting Patterns on Crop Productivity and Soil Nitrate-N Accumulation in Dryland Summer maize and winter wheat Rotation System

WU JinZhi1, HUANG XiuLi1, HOU YuanQuan1, TIAN WenZhong2, 3, LI JunHong2, 3, ZHANG Jie2, 3, LI Fang2, 3, Lü JunJie2, 3, YAO YuQing2, 3, FU GuoZhan1, HUANG Ming, LI YouJun

1College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan;2Luoyang Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Luoyang 471023, Henan;3Luoyang Dryland Agriculture Test Site, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The aim of the present study was to discuss the effects of different ridge and furrow planting patterns on crop productivity, soil properties and soil nitrate-N accumulation, and thus provided a scientific basis for improving soil fertility, increasing crop yield and water use efficiency, and alleviating environmental risks in summer maize-winter wheat rotation system (namely maize-wheat) in dryland.【Method】A study was carried out at the Luoyang Dry Farming Experimental of the Chinese Academy of Agricultural Sciences based on the long-term field experiment initiated in 2004. The experiment included five treatments: permanent ridge and furrow and 6 row wheat planted in ridge (6RPRF), ridge and furrow in each year andother managements kept with 6RPRE (6REYRF), permanent ridge and furrow and 4 row wheat planted in ridge (4RPRF), ridge and furrow in each year and other managements kept with 4RPRF (4REYRF), and conventional flat planting pattern according to the local farmer (CF). The effects of different treatments on the grain yield, water use efficiency of summer maize, winter wheat and the annual in 2015-2021, and the bulk density, nutrient content and enzyme activity in the 0-40 cm soil layer at harvest of summer maize in 2020, and the nitrate-N accumulation in the 0-380 cm soil profile at harvest of winter wheat in 2019-2020 was investigated. 【Result】Compared with CF, the four ridge and furrow planting patterns improved grain yield in summer maize, winter wheat, and all year by 8.6%-32.1%, 12.5%-25.6%, and 11.3%-29.6%, respectively, and water use efficiency by 8.6%-31.4%, 12.5%-31.1% and 12.8%-30.3%, respectively, averaged across the 6 experimental years from 2015 to 2021. They also significantly decreased the soil bulk density by 7.3%-11.3% in 0-5 cm soil layer and by 4.9%-11.5% in 20-40 cm soil layer, respectively, increased the average content of organic matter by 6.0%-19.8%, total nitrogen by 80.8%-100.0%, available phosphors by 28.5%-80.9%, available potassium by 58.5%-141.2%, urease activity by 24.0%-46.9% in 0-40 cm soil layer, as well as increasing the nitrate-N accumulation by 38.8%-116.0% in 0-100 cm soil layer. Among the four ridge and furrow treatments, 4RPRF had the best productivity andthe function of improving root layer but decreasing the sub-layer nitrate-N accumulation, in which the nitrate-N accumulation was significantly increased by 38.7% in the 0-100 cm soil layer but significantly decreased by 15.0% in 200-380 cm soil layer with the total amount in 0-380 cm soil layer maintaining at CF level. Compared with ridge and furrow in each year (EYRF), the 6 year average grain yield in summer maize and all year in permanent ridge and furrow (PRF) treatments were increased by 10.55% and 9.10%, respectively, as well as the WUE in summer maize under 6 rows wheat planted in ridge (6R) pattern, in winter wheat under 4 rows wheat planted in ridge (4R) pattern and in all year were increased by 21.08%, 15.06% and 8.23%, respectively. The soil nutrient content under PRF increased in surface layer but decreased in subsoil layer, and the nitrate nitrate-N accumulation decreased by 4.9%-30.2%, compared with EYRF. Compared with 6R pattern, 4R pattern increased the grain yield in summer maize and in all year by 9.9% and 6.8%, as well as the WUE by 7.4%, 16.5% and 6.7%, respectively, in summer maize under EYRF, in winter wheat under PRF and in all year, averaged across the 6 experimental years. Compared with 6R pattern, 4R pattern had a tendency to improve soil properties, but the effect varied with different indexes, ridge raising patterns and soil layer.【Conclusion】4RPRF could not only reduce soil bulk density and increase soil organic matter, total nitrogen and available potassium contents, but also increase the grain yield and water use efficiency in summer maize, winter wheat and all year under most conditions, and also effectively reduce the nitrate-N accumulation in 200-380 cm soil layer. Therefore, 4RPRF was an alternative planting pattern to achieve high yield, high efficiency and environmentally friendly in dryland summer maize-winter wheat rotation system.

ridge and furrow planting patterns; dryland; maize-wheat rotation; soil properties; grain yield; water use efficiency; nitrate-N

2022-08-25；

2022-12-05

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0300400，2018YFD0300700）、河南省旱地綠色智慧農(nóng)業(yè)特色骨干學科群建設(shè)項目（17100001）

吳金芝，E-mail：yywujz@126.com。通信作者黃明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者李友軍，E-mail：lyj@haust.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.004

（責任編輯 楊鑫浩，李莉）