耕作方式與施肥對旱農區糧飼兼用玉米耗水特性和干物質積累的影響

張明君，李玲玲，謝軍紅，任金虎，Lamptey Shirley

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 甘肅農業大學農學院， 甘肅 蘭州 730070; 2.延安市農業科學研究所， 陜西 延安 716000)

糧飼兼用玉米是介于普通玉米與專用飼料玉米之間的一種中間型玉米，在獲得高籽粒產量的同時，又可獲得大量可被畜禽充分利用的玉米秸稈[1-2]，目前我國玉米70%以上都是用作飼料。糧飼兼用型玉米是當今大力發展畜牧業，在提倡秸稈畜牧業的形勢下，解決我國糧食供需矛盾，實現糧飼有效性供給的良好途徑。隴中黃土高原丘陵溝壑區是我國典型的旱作雨養農業區，氣候干燥，蒸發強烈，降雨時空分布不均且年際間變率大，造成自然降水與農作物供需水錯位[3]，糧食產量低而不穩[4]。近年來，在甘肅中東部旱作區大面積推廣應用的玉米全膜雙壟溝播技術[5]，采用全地面地膜覆蓋溝壟種植的方式，壟面作為集水區，玉米種植在溝內，具有聚水和保墑的作用，使玉米等作物增產30%以上[6-7]。該技術的廣泛應用極大地促進了旱農區玉米生產，為養殖業帶來了機遇，同時，也對玉米飼用化提出了新的要求。

全膜雙壟溝播技術在獲得高產的同時也消耗了更多的土壤水分和養分，容易造成土壤水分干層，耗竭土壤肥力。該地區的土壤耕作方式多以傳統翻耕和旋耕為主，容易造成土壤堅實，犁底層密度增大，通透性下降[8]，蓄水保墑效果變差[9]。有研究表明，深松不僅可以加深耕層，對土壤緊實具有良好的改良效應[10]，還可以改善土壤滲透性，增加深層土壤蓄水量，促進作物根系對深層土壤水分的吸收利用，提高水分利用效率[11-13]，免耕有利于增加土壤團聚體含量，進而增加表層土壤水分和養分含量[14-15]。另一方面，長期過量的施肥，會增加生產成本，并浪費資源，也會造成作物對土壤水分的耗竭，導致作物產量降低。合理施肥，能夠協調土壤養分，培肥地力，有效緩解化肥的供需矛盾，促進作物增產、增收。

目前，關于全膜雙壟溝播的增產基礎研究及提高水分利用效率方面的報道較多[6-7,16-17]，但在全膜雙壟溝播技術的基礎上，配合不同的土壤耕作和施肥方式，對糧飼兼用玉米的耗水特性，地上部分的干物質積累和水分利用效率的影響鮮有報道。因此，本試驗旨在通過對不同的耕作方式和施氮量下玉米的耗水特性和干物質積累比較分析，篩選出隴中旱農區與糧飼兼用玉米全膜雙壟溝播技術相配套的耕作和施肥措施，為該區玉米進一步高產高效提供科學依據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設在黃土高原半干旱丘陵溝壑區的定西市安定區李家堡鎮麻子川村，甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站。試區屬中溫帶半干旱區，平均海拔2 000 m，年均太陽輻射529.9 kcal·cm-2，日照時數2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，無霜期140 d，年均降水390.9 mm，2015年玉米全生育期內的降雨量為269.3 mm(見圖1)，年蒸發量1 531 mm，干燥度2.53，為典型的雨養農業區。試驗地土壤為黃綿土，凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH 8.36，土壤有機質12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。

圖1 試驗區玉米生育期內月降雨量

Fig.1 Monthly rainfall during maize growth period in the experimental area

1.2 試驗設計

研究所依托定位試驗始于2012年，田間試驗于2015年4—10月進行。試驗采用二因素裂區試驗設計，主區設4種土壤耕作方式：傳統翻耕(T1)、旋耕(T2)、深松耕(T3)、免耕(T4)；副區設2種施肥水平：N2(基施純氮200 kg·hm-2)，N3(基施純氮200 kg·hm-2+拔節期100 kg·hm-2)，共8個處理，3次重復，24個小區，各小區隨機區組排列，小區面積44 m2(4.4 m×10 m)。供試玉米品種為“富農821”，播種期為5月上旬，播種方式為穴播(溝內)，密度 5.25 萬株·hm-2，收獲期為9月下旬，試驗期間及時防治病蟲危害，其它田間管理同大田。

1.3 土壤耕作方法

前茬收獲后，土壤免耕至翌年3月中旬，待土壤解凍后，揭去殘膜。傳統翻耕：用鏵式犁進行20 cm翻耕處理后及時耙糖；旋耕：用旋耕機進行15 cm旋耕處理；深松耕：用深松機進行35 cm深松處理；免耕：無任何耕作處理。然后人工用全膜雙壟溝播起壟機起壟，用0.008 mm的白色地膜全地表覆蓋，于溝內間隔50 cm留滲水孔。

1.4 土壤體積含水量的測定

用烘干稱重法和德國生產的TRIME-PICO土壤水分測定儀測定。測定深度為200 cm，其中，0～10 cm土層用烘干法。10～200 cm土層體積含水量直接用TRIME-PICO測定，測定層次分別為10～30，30～50，50～80，80～110，110～140，140～170，170～200 cm，在播種前、收獲后和玉米各主要生育時期內各測定一次。

1.5 土壤貯水量和貯水消耗量的計算

土壤貯水量的計算公式為：

SW=(∑Hi×Vi×10)/100

式中，SW為土壤貯水量，i為土壤層次；Hi為第i土層的厚度(mm)；Vi為第i層的土壤體積含水量。

土壤貯水消耗量的計算公式為：

△SW=SW1-SW2

式中，△SW為土壤貯水消耗量；SW1為階段初的土壤貯水量；SW2為階段末土壤的貯水量。

1.6 作物階段耗水量

作物階段耗水量(ET)=P+SWt1-SWt2

式中，P為t1至t2時間段的降雨量(mm)；SWt1為階段初期的土壤貯水量(mm)；SWt2為階段末期的土壤貯水量(mm)。

1.7 干物質積累量和產量的測定

于玉米拔節期、開花期、灌漿期和成熟期取3株樣，105℃烘30min殺青，然后80℃烘干至恒量，即為此生育時期的干物質積累量。收獲期每小區取樣30株，稱鮮重即為生物產量，將30株玉米果穗脫粒后，稱總的籽粒重即為籽粒產量。

1.8 水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

式中，Y為作物籽粒產量(kg·hm-2)；ET為作物整個生育期內的耗水量(mm)。

1.9 數據分析

采用MicrosoftExcel2007軟件處理數據和制圖，SPSS19.0統計軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

由表1可知，耕作方式對灌漿期至成熟期耗水量百分比、全生育期耗水量、水分利用效率影響不顯著，施氮量只對灌漿期至成熟期耗水量和播前土壤貯水量有顯著影響，耕作方式和施氮量對其它指標均有顯著或極顯著影響。除開花期干物質積累總量和籽粒產量外，耕作方式和施氮量對玉米各生育階段耗水量及耗水百分比、各生育時期干物質積累量、生物產量、播前和收后土壤貯水量、耗水量和水分利用效率均存在顯著交互作用。

表1 耕作方式、施氮量以及二者交互作用對玉米耗水量、干物質積累、 產量以及土壤貯水量、水分利用效率的影響Table 1 Effect of tillage, nitrogen and their interaction in the global analyses of variance of water consumption amounts, dry matter accumulation amounts, yield, soil water storage and water use efficiency

注：ET1：播種～拔節期耗水量；ET1/ET：播種～拔節耗水百分比；ET2：拔節～開花期耗水量；ET2/ET：拔節～開花期耗水百分比；ET3：開花期～灌漿期耗水量；ET3/ET：開花期～灌漿期耗水百分比；ET4：灌漿期～成熟期耗水量；ET4/ET：灌漿期～成熟期耗水百分比；DM1：拔節期干物質積累總量；DM2：開花期干物質積累總量；DM3：灌漿期干物質積累總量；DM4：成熟期干物質積累總量；Biomass：生物產量；Yield：籽粒產量；SW1：播前土壤貯水量；SW2：收后土壤貯水量；ET：全生育期耗水量；WUE：水分利用效率，n.s.表示沒有顯著性。

Note:ET1: sowing～jointing water consumption amounts；ET1/ET: sowing～jointing water consumption percentage；ET2: jointing～flowering water consumption amounts；ET2/ET： jointing～flowering water consumption percentage；ET3： flowering～grain filling water consumption amounts；ET3/ET: flowering～grain filling water consumption percentage；ET4: grain filling～maturity water consumption amounts；ET4/ET: grain filling～maturity water consumption percentage；DM1: jointing dry matter amounts；DM2: flowering dry matter amounts；DM3: grain filling dry matter amounts；DM4: maturity dry matter amounts；SW1: soil water storage before sowing；SW2: soil water storage after harvesting；ET: water consumption in the whole stages；WUE: water use efficiency； n.s，no significance.

2.1 不同耕作施肥處理對玉米各生育階段耗水量的影響

由表2可知，玉米拔節至開花期的耗水量及占全生育期總耗水量比例最大，開花期至灌漿期次之，灌漿期至成熟期最小。播種至拔節期階段，T3和T4處理的耗水量顯著低于T1和T2處理，而拔節至灌漿期與之相反。拔節至開花期階段，T3和T4處理較T1耗水量分別增加了7.1%和9.9%，開花期至灌漿期階段的耗水量增加了21.3%和21.6%。施氮量對耗水量的影響只在灌漿期至成熟期階段有所體現，在N2施肥水平下，T3和T2處理較T1耗水量增加了31.2%和25.4%，而在N3施肥水平下各處理差異不顯著。這說明T3和T4處理降低了玉米播種至拔節期的耗水量，增加了拔節至成熟期的水分消耗。

表2 不同耕作施肥處理對玉米各生育階段耗水量的影響 Table 2 Effect of different tillage and nitrogen treatments to water consumption amounts in different periods of maize growth

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著,下同。

Note: different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level, the same below.

2.2 不同耕作施肥處理對玉米各生育階段0～200 cm土層貯水消耗量的影響

在相同的施氮水平下，玉米拔節至開花期，以及開花至灌漿期0～200 cm土層的貯水消耗量均表現為T3和T4處理高于T1處理，而播種至拔節期的變化趨勢與之相反，灌漿至成熟期的貯水消耗量各處理間差異不大。不同的施氮水平，對土壤貯水消耗量影響不大。耕作方式主要影響了播種至拔節期0～30 cm土層的貯水量變化，T3和T4處理較T1處理貯水消耗量減少了35.3%和52.1%，拔節至灌漿期是玉米生長的大量需水期，30～110 cm土層的深層水分被吸收利用，拔節至開花期階段，T3和T4處理較T1處理30～110 cm土層的貯水消耗量增加了54.2%和56.8%，開花期至灌漿期階段分別增加了20.5%和17.9%。灌漿期至成熟期各處理間變化趨勢基本一致。

2.3 不同耕作施肥處理對玉米各生育時期干物質積累的影響

由圖3可看出，不同施氮水平對玉米各生育期干物質的積累沒有顯著影響，干物質積累量的差異主要由耕作方式引起。由圖3可看出，玉米不同的器官對干物質積累的貢獻都不盡相同，主要以莖、葉和玉米籽粒為主。整個生育時期內，玉米莖和葉的干物質積累量呈先增后減的趨勢，灌漿期達到峰值。玉米拔節期，T3處理的莖和葉干物質積累量較T1增加了50.3%和45.5%，而灌漿期分別增加了28.1%和10.8%，籽粒積累量是干物質積累最重要的組成部分，玉米成熟期的籽粒積累量表現為T3>T4>T2>T1，T3和T4處理較T1處理顯著增加了46.1%和46.0%。這說明T3處理能夠顯著提高玉米干物質積累量，在玉米各生育器官生物量增加同時，籽粒積累量也有所提升。

2.4 不同耕作施肥處理下玉米的產量和水分利用效率

由表3可知，不同的施氮處理對玉米的生物產量和籽粒產量影響不顯著。在不同的耕作方式下，T3、T4處理和T1處理相比，生物產量增幅為15.1%和19.0%，籽粒產量增幅為18.6%和14.1%，T3和T4處理間差異顯著。在N2施肥水平下，播前土壤貯水量，玉米全生育期耗水量都表現為T3處理顯著高于T1和T2處理，分別增加了14.9%，9.1%和17.1%，15.1%，T1和T2處理間差異不顯著。與其它處理相比，T3N2處理在獲得高產量的同時，全生育期耗水量也最高(390.2 mm)，水分利用效率最低，為18.9 kg·hm-2·mm-1。而在N3施肥水平下，T3和T4處理較T1處理的收后土壤貯水量顯著增加了13.2%和11.3%，T2處理的水分利用效率最高，較最低的T4處理高出16.2%，T3和T2處理間水分利用效率差異不顯著。

圖2 玉米不同生育階段0～200 cm土層的貯水消耗量 Fig.2 Water reduction amounts in 0～200 cm soil layers in different periods of maize growth

圖3 不同耕作施肥處理對玉米各生育時期干物質積累的影響 Fig.3 Effect of different tillage and nitrogen treatments on dry matter amounts in different periods of maize growth表3 不同耕作施肥處理下玉米的產量和水分利用效率 Table 3 Yield and water use efficiency of maize under different tillage and nitrogen treatments

3 討 論

一般認為，免耕和深松耕有利于提高土壤的貯水量[18-19]。有研究表明，免耕比傳統翻耕增加土壤蓄水量10%，減少土壤蒸發約40%，耗水量減少15%，水分利用效率提高10%[20]。 也有研究發現在全膜雙壟覆蓋條件下，深松耕和免耕能有效增加0～30 cm土壤貯水量，土壤含水量較翻耕增加了50.0%和43.7%[9]。本研究結果表明，深松耕和免耕處理與傳統翻耕相比，減少了玉米播種至拔節期的土壤水分消耗，主要是降低了0～30 cm土層的貯水消耗量，這是因為深松耕可以有效打破犁底層，增加土壤孔隙度，提高土壤滲水速度[21]，有利于水分向深層土壤入滲，蓄集更多的水分。而免耕處理是由于減少了對耕層土壤的擾動，抑制了土壤水分的蒸發。玉米拔節期至灌漿期深松耕和免耕處理耗水量和0～200 cm土層貯水消耗量都顯著高于其它處理，這是因為該階段是玉米生長旺盛期，對水分的需求敏感，為了汲取更多的水分，30～110 cm土層的深層水被吸收利用。

也有研究認為，免耕和深松耕有利于提高籽粒產量和水分利用效率[22,12]，李友軍等[23]的研究表明，豫西旱田免耕和深松處理小麥籽粒產量分別比翻耕處理高21.1%和29.4%，水分利用效率分別提高5.0%和10.9%，但也有研究認為連續多年實施少免耕，土壤壓實程度嚴重，容重增大，影響作物根系生長發育制約產量提高[24]。本研究結果表明，深松耕與其它耕作方式相比，有利于糧飼兼用玉米的干物質積累，可飼用的莖、葉、穗等器官以及玉米籽粒干物質量都有所增加。此外，施用300 kg·hm-2或200 kg·hm-2氮肥對玉米生物產量和籽粒產量影響不顯著，在本試驗條件下，深松耕+施純氮300 kg·hm-2處理獲得了最高的生物產量和籽粒產量，但與在相同的耕作方式下施200 kg·hm-2氮肥處理相比差異不顯著。深松耕和免耕具有蓄水保墑的作用，在本研究N2施肥水平下，增加了播前土壤貯水量，免耕處理的水分利用效率顯著高于其它處理，但深松耕處理水分利用效率卻最低，這是因為其全生育期的耗水量最大，但在N3施肥水平下，深松耕與水分利用效率最高的旋耕處理間差異不顯著。免耕處理雖然能提高農田水分利用效率，但也會制約產量的提高。

4 結 論

在綜合考慮高產以及對水分和肥料的高效利用的條件下，深松耕+施純氮200 kg·hm-2處理降低了玉米播種至拔節期的階段耗水量，主要是減少了0～30 cm土層的貯水消耗量，提高了拔節至灌漿期的耗水量及其占總耗水量的比例，增加了深層土壤的水分消耗。與其它處理相比，深松耕+施純氮200 kg·hm-2處理有利于提高糧飼兼用玉米的可飼用器官的干物質積累量和水分利用效率，并獲得了較高的籽粒產量。因此，在本試驗條件下，基于全膜雙壟溝播技術，深松耕+施純氮200 kg·hm-2是隴中旱農區適宜的生產方式。

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