張 洋,王鴻斌
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),吉林長春130118)
土壤是作物生長的基礎(chǔ),對土壤進(jìn)行耕作可改善耕層土壤結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)土壤中的固體、液體、氣體的3相比例,協(xié)調(diào)好土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)系,為作物生長發(fā)育創(chuàng)造良好的環(huán)境和條件[1]。吉林省被稱為“黑土地之鄉(xiāng)”,標(biāo)準(zhǔn)的寒地旱作農(nóng)業(yè)大省,人均耕地更是高出全國平均2.18倍。經(jīng)過300多年的開墾,尤其是建國初期大規(guī)模的開發(fā),吉林省黑土地的理化性質(zhì)發(fā)生了很大變化,絕大多數(shù)的土地退化,引發(fā)了嚴(yán)重的水土流失,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)被破壞,營養(yǎng)物質(zhì)流失,造成土壤理化性質(zhì)惡化,不再適合作物的生長發(fā)育,形成惡性循環(huán),嚴(yán)重地制約了吉林省農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前關(guān)于耕作模式的研究主要是單一的耕作方式對土壤和植物生長的影響,針對黑土區(qū)的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)探索不同耕作方式對玉米生長發(fā)育及土壤肥力的影響,旨在設(shè)計(jì)一種有利于提高黑土區(qū)玉米可持續(xù)的耕作模式,提高土壤質(zhì)量,增強(qiáng)其蓄水、保墑能力和水肥氣熱協(xié)調(diào)能力,以得到年際間產(chǎn)量穩(wěn)定、較高且能夠滿足種養(yǎng)結(jié)合,有利于可持續(xù)發(fā)展,可以大面推廣應(yīng)用的新型配套耕作技術(shù)。為不同環(huán)境耕作模式的下一步研究提供參考,為實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及保障國家糧食安全提供理論與技術(shù)支撐。
試驗(yàn)作物為玉米品種雄玉581,并采用復(fù)合種衣劑拌種(艾克頓);試驗(yàn)示范面積5 hm2,于玉米全生育期采樣;試驗(yàn)地點(diǎn)為吉林省梨樹縣梨樹鎮(zhèn)八里廟村。
試驗(yàn)設(shè)均勻壟、大壟雙行、新型CK、新型種植技術(shù)4種處理(表1)。每年5月初播種,2015、2016年連續(xù)處理2年。
選完整的植株,采用土鉆法挖掘根系樣本,以植株為中心向下打鉆,取樣,記為樣點(diǎn)A,然后以A為圓心,40 cm長度為半徑,與壟向垂直兩側(cè)記為樣點(diǎn)B、C。用土鉆垂直向下鉆50 cm,每10 cm取1個樣品,每個樣品用沖根器沖洗干凈。
分別于2015、2016年的6月16日(苗期)、7月23日(拔節(jié)期)、8月24日(抽穗期)、10月12日(成熟期)采樣,進(jìn)行數(shù)據(jù)測定。
1.4.1 土壤含水量 用土鉆取土,采用烘干法測定樣品含水量[2]。
1.4.2 土壤容重 采用環(huán)刀法測定測定土壤容重[3-4]。
1.4.3 土壤養(yǎng)分含量 土壤全氮量、速效磷含量、有機(jī)質(zhì)含量、硬度分別采用硫酸重鉻酸鉀消煮-半微量定氮法、鋁銻抗比色法、重鉻酸鉀容量法、日本山中式硬度計(jì)測定[2]。
1.4.4 玉米株高莖粗和光合速率的測定[5]每小區(qū)在玉米不同生育時(shí)期隨機(jī)取5株進(jìn)行測定,取其平均值。光合速率利用Li6400光合作用儀測定。
1.4.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS8.01軟件進(jìn)行方差分析,WPS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。
2.1.1 不同耕作模式對黑土區(qū)土壤含水量的影響 從圖1可以看出,在玉米苗期4個處理的土壤含水量沒有明顯的變異規(guī)律;但在0~20 cm土層中,新型種植處理的土壤含水量平均值較其他處理略高,這可能與其他3個處理地表裸露有關(guān)。在玉米拔節(jié)期,土壤含水量相較苗期整體下降,這與玉米生長耗水量加大有關(guān);但是新型種植和新型CK處理的土壤含水量明顯高于其他處理,這可能是由于根茬增強(qiáng)了土壤的保水能力。在玉米抽穗期,土壤含水量相較拔節(jié)期整體上升,這可能與大氣降水有關(guān);在0~20 cm土層內(nèi)土壤含水量由大到小順序?yàn)樾滦头N植>新型CK>均勻壟>大壟雙行,這可能是因?yàn)樾滦头N植處理中秸稈和根茬增強(qiáng)了土壤的蓄水能力,而由于新型CK處理沒有表面秸稈覆蓋,使得其土壤含水量低于新型種植處理。在玉米成熟期,在0~50 cm土層內(nèi),4個處理土壤含水量沒有較明顯的變化規(guī)律,但在0~20 cm土層內(nèi)新型種植處理的土壤含水量略高于其他處理。
由圖2可以看出,4種耕作模式連續(xù)處理2年,在表土層(0~10 cm)中,均勻壟、大壟雙行、新型CK處理的土壤含水量2016年都比2015年低,而新型種植處理2016年比2015年高;在穩(wěn)定層(10~20 cm)和犁底層(20~30 cm)土層中,均勻壟、大壟雙行處理的土壤含水量都是2016年比2015年低,而新型CK、新型種植處理都是2016年比2015年高;在心土層(30~40 cm)土層中,均勻壟、大壟雙行處理的土壤含水量都是2016年比2015年高,而新型CK和新型種植處理沒有明顯差異;在母質(zhì)層(40~50 cm)的土層中,4種耕作處理2016年和2015年的土壤含水都沒有明顯變化。
2.1.2 不同耕作方式對土壤容重的影響 從表2可以看出,0~50 cm土體中土壤容重平均值沒有顯著差異,大壟雙行和均勻壟處理下土壤容重變異程度較小,標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.06~0.10之間,而新型CK和新型種植處理土壤容重變異程度較低,標(biāo)準(zhǔn)差為0.17~0.29,可見種植方式的改變對土壤容重的影響較大。
4種耕作模式連續(xù)處理2年,2016年與2015年相比,在表土層中,均勻壟、大壟雙行處理的土壤容重都有上升,新型CK和新型種植處理的土壤容重有所下降,但都不顯著;在穩(wěn)定層/犁底層中,均勻壟和大壟雙行處理的土壤容重也有所上升,而新型CK和新型種植處理有所降低,但都不顯著;在心土層和母質(zhì)層中,4種耕作模式的土壤容重差異不顯著。總體來看,2016年與2015年相比,均勻壟和大壟雙行處理的土壤容重沒有顯著變化,新型CK和新型種植模式處理的土壤容重有所降低,但差異不顯著。
2.1.3 不同耕作方式對土壤三相的影響 根據(jù)表3可以看出,新型CK和新型種植處理表土層和穩(wěn)定層固、液、氣三相比接近2∶1∶1,說明固體顆粒大小一致、水分均勻、透氣性較好,土壤整體保墑保水性能好,利于作物生長;大壟雙行處理表土層三相比為1∶1∶1,穩(wěn)定層接近2∶1∶1,說明表層固態(tài)較少,易倒伏;均勻壟處理表土層三相比為1∶0.5∶1,含水量少,穩(wěn)定層三相比為1∶1∶1,可見其表土層的土壤結(jié)構(gòu)處于十分不合理的狀況。經(jīng)過連續(xù)2年的處理,筆者發(fā)現(xiàn),新型CK和新型種植這2種處理的三相比更合理。
表2 不同耕作方式下土壤容重的變化
表3 不同耕作方式下土壤的三相(固、液、氣)比
2.2.1 不同耕作方式對土壤堿解氮含量的影響 土壤堿解氮別稱土壤有效性氮,是土壤中所有可被植物利用吸收的氮,包括所有的無機(jī)氮和部分可分解的有機(jī)氮,而土壤中堿解氮含量受到土壤有機(jī)質(zhì)含量、植被狀況、氣候、土壤質(zhì)地、地形地貌、海拔、耕作方式等多因素的影響。土壤堿解氮含量可以作為不同耕作方式對土壤供氮能力產(chǎn)生影響的指標(biāo)。由圖3可知,不同耕作模式處理間,玉米成熟期土壤堿解氮含量較苗期均有所提高,從低到高依次為均勻壟、大壟雙行、新型CK、新型種植;這可能是由于隨著玉米的生長,覆蓋的秸稈和留田的根茬經(jīng)過腐解作用后,一些氮素被釋放,使得土壤堿解氮含量增加。綜上所述,耕作方式能夠影響土壤堿解氮的含量。4種耕作模式連續(xù)處理2年,2016年與2015年相比,均勻壟、大壟雙行處理的土壤堿解氮含量有所下降,新型CK、新型種植處理的土壤堿解氮含量呈上升趨勢。
2.2.2 不同耕作方式對土壤速效磷含量的影響 磷是細(xì)胞膜的組成成分,不僅能促進(jìn)植物根系的生長發(fā)育,還可以提高植物抗性,在植物的生命活動中具有無可替代的作用。土壤中磷的含量是土壤肥力的決定因素之一,其中速效磷是土壤中可被植物吸收的磷元素,因此一般將土壤速效磷的含量作為土壤磷素養(yǎng)分供應(yīng)能力的指標(biāo)。目前,關(guān)于可持續(xù)耕作模式措施對土壤速效磷含量的影響還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。本試驗(yàn)中不同耕作模式下耕層土壤速效磷含量的變化情況基本一致(圖4),隨著玉米的生長發(fā)育,土壤速效磷含量先緩慢增加后緩慢降低。在玉米拔節(jié)期土壤速效磷含量達(dá)到最大,這可能是因?yàn)殡S著氣溫的上升速效磷的來源增多,之后,隨著玉米對磷需求量的加大,土壤中速效磷含量緩慢下降。
4種耕作模式連續(xù)處理2年,2016年與2015年相比,均勻壟、大壟雙行處理的土壤速效磷含量有所下降,新型CK、新型種植處理的土壤速效磷含量有所上升??梢姡滦头N植模式能夠有效增加土壤速效磷含量。
2.2.3 不同耕作方式對土壤速效鉀含量的影響 鉀被譽(yù)為植物生長發(fā)育三要素之一,是植物生長發(fā)育必不可少的物質(zhì),也是植物體內(nèi)和外界代謝必不可少的物質(zhì)。因此,土壤速效鉀的含量是評價(jià)土壤肥力的一個重要指標(biāo)。由圖5可知,在不同處理不同生育時(shí)期內(nèi),土壤速效鉀含量無明顯變化。但總體呈現(xiàn)表現(xiàn)為新型種植>新型CK>大壟雙行>均勻壟,拔節(jié)期>抽穗期>成熟期>苗期。以上結(jié)果表明,不同耕作方式對土壤速效鉀含量具有一定的影響,但具體影響的效果有待進(jìn)一步研究。2016年與2015年相比,均勻壟和大壟雙行的土壤速效鉀含量有所下降,新型CK和新型種植處理的土壤速效鉀含量有所上升。
2.2.4 不同耕作方式對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 有機(jī)質(zhì)作是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。由表4可知,在表土層和穩(wěn)定層中均表現(xiàn)為新型種植>新型CK>大壟雙行>均勻壟;均勻壟、大壟雙行處理的有機(jī)質(zhì)含量均小于20 g/kg,新型種植、新型CK處理土壤的有機(jī)質(zhì)含量高于均勻壟和大壟雙行處理。隨著土層的加深,有機(jī)質(zhì)含量均在減少,但新型種植技術(shù)中,犁底層以下層次的有機(jī)質(zhì)含量變異規(guī)律不明顯。
2016年與2015年相比,在表土層中,均勻壟、大壟雙行、新型CK處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量都有所下降,而新型種植處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量有所上升,但差異不顯著;在穩(wěn)定層中,均勻壟、大壟雙行處理的土壤含有機(jī)質(zhì)量均下降,而新型CK、新型種植處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著上升;在心土層、母質(zhì)層中,4種耕作模式的土壤有機(jī)質(zhì)含量都沒有明顯變化。而犁底層中,除均勻壟外,其他3個處理均差異顯著。
表4 不同耕作方式下土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化
2.3.1 不同耕作模式對玉米株高、莖粗的影響 土壤環(huán)境的變化,對玉米植株生長也會造成一定的影響。由圖6可知,苗期玉米莖粗沒有明顯變化;拔節(jié)期新型種植處理表現(xiàn)最好,均勻壟處理最差;抽穗期和成熟期新型種植、新型CK處理表現(xiàn)較好,均勻壟處理最差。由圖7可知,玉米生育期內(nèi)4種處理的株高沒有明顯變化。2016年和2015年相比,玉米株高和莖粗在苗期沒有明顯變化,但是從拔節(jié)期到成熟期,均勻壟、大壟雙行處理的玉米株高和莖粗均有所下降,新型CK、新型種植處理的玉米株高和莖粗有所上升。
2.3.2 不同種植方式對玉米生育期凈光合速率(Pn)的影響通過對玉米不同生育期凈光合速率(Pn)的采集,獲取不同處理下玉米各生長階段凈光合速率的變化情況(圖8)。新型種植、新型CK處理的凈光合速率在不同生長階段均高于其他2種處理。這可能是由于在新型種植模式、新型CK模式下,土壤保水能力的增強(qiáng)以及莖粗、株高的明顯增加使光合能力增強(qiáng)所致。與2015年相比,2016年均勻壟、大壟雙行處理的玉米光合速率有所下降,新型CK、新型種植處理的玉米光合速率有所上升。
2.3.3 不同耕作模式對玉米產(chǎn)量的影響 由表5可知,2015年,新型種植、新型CK與大壟雙行間產(chǎn)量差異不顯著,大壟雙行與均勻壟間產(chǎn)量也無顯著差異,但新型種植、新型CK與均勻壟處理的產(chǎn)量差異顯著。2016年,新型種植與其他處理產(chǎn)量差異顯著,而新型CK和均勻壟均與大壟雙行差異不顯著。不同耕作方式下玉米產(chǎn)量由高到低的順序?yàn)樾滦头N植>新型CK>大壟雙行>均勻壟。與2015年相比,2016年均勻壟、大壟雙行處理的玉米產(chǎn)量有所下降,新型CK、新型種植處理的玉米產(chǎn)量有所上升,增幅分別為1.76%、3.81%。
表5 不同耕作方式對玉米產(chǎn)量的影響
土壤含水量是影響作物生長發(fā)育的重要因素之一,而旱地土壤主要是靠自然降水來補(bǔ)充水分,水分除植物的有效利用外,主要通過表層蒸發(fā)、徑流損失、向下滲漏等方式流失。因此,如何提高旱地土壤保水蓄水能力視農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。廖允成等研究表明,深松和殘茬能夠減少水分滲漏損失,提高土壤的蓄水能力[6]。朱文珊等研究發(fā)現(xiàn),免耕和秸稈覆蓋還田可以有效減少地表蒸發(fā)和水分徑流的損失,進(jìn)而提高土壤水分的利用率[7]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,不同耕作模式對土壤含水量的影響存在明顯差異,尤其是在0~20 cm的耕層土層中,土壤含水量表現(xiàn)為新型種植>新型CK>均勻壟>大壟雙行。在玉米不同的生育期內(nèi),各處理的土壤含水量都呈現(xiàn)“升高—降低—升高”的變化趨勢,而在各個生育期中新型種植處理的土壤含水量均明顯大于其他處理。不同耕作方式間含水量的差異主要原因可能是深松能夠加強(qiáng)土壤的蓄水能力,根茬還田減少了水分滲漏,免耕和秸稈覆蓋還能夠減少地表蒸發(fā)和地表徑流帶來的水分損失,保證耕層土壤含水量,為玉米生長發(fā)育提供了充足的水分。隨著玉米的生長發(fā)育,土壤含水量整體下降,尤其在拔節(jié)期,蒸騰耗水在土壤含水量動態(tài)變化中起主導(dǎo)作用,使耕作模式的調(diào)節(jié)作用被削弱,但與其他處理相比,新型CK、新型種植處理的土壤保水能力仍具有很大優(yōu)勢。
土壤容重是衡量土壤是否適宜種植作物的一個重要指標(biāo)。有研究證明,土壤容重與植物水分吸收、氮磷鉀含量積累負(fù)相關(guān),土壤容重的變化還會影響植物干物質(zhì)的積累,土壤種植理想的三相比為2∶1∶1,根茬和秸稈還田能夠有效降低土壤容重,調(diào)節(jié)土壤三相比[8-10]。雖然目前關(guān)于不同耕作方式對于土壤容重的影響還存在分歧,但是深松已被證實(shí)可以降低土壤容重[3]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在耕層土壤的表土層和穩(wěn)定層中,土壤容重從小到大依次為新型種植<新型CK<大壟雙行<均勻壟的規(guī)律,而且新型種植、新型CK處理的土壤容重顯著小于其他2種處理,新型種植處理表土層土壤容重小于新型CK處理;新型CK和新型種植處理表土層和穩(wěn)定層土壤固、液、氣三相比接近2∶1∶1,其他處理土壤三相比均不理想。綜上所述,深松可以降低耕層土壤容重,這與前人的研究結(jié)果[11]一致;根茬還田主要可以降低穩(wěn)定層土壤容重,而秸稈覆蓋還田則主要作用于表土層;根茬還田結(jié)合秸稈覆蓋可以調(diào)節(jié)土壤三相比,使其接近理想狀態(tài)(2∶1∶1)。
土壤氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥沃程度的重要指標(biāo),也是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。大量研究證明,根茬和秸稈還田能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,深松能間接提高有機(jī)質(zhì)含量,而有機(jī)質(zhì)不僅對氮磷鉀有吸附作用,被微生物分解后還會產(chǎn)生無機(jī)元素,因此有機(jī)質(zhì)含量與氮磷鉀含量有一定的正相關(guān)關(guān)系[12-15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量在表土層和穩(wěn)定層土壤中均表現(xiàn)為新型種植>新型CK>大壟雙行>均勻壟;隨著剖面加深,有機(jī)質(zhì)含量均逐漸減少,但新型種植技術(shù)中,犁底層以下土層有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他處理;新型種植和新型CK處理的堿解氮、速效鉀含量均高于其他處理。說明根茬還田和秸稈覆蓋能有效增加土壤氮磷鉀和有機(jī)質(zhì)含量,而且對耕層以下土壤也有明顯的效果,這不僅能滿足當(dāng)季作物生長發(fā)育所需,還能起到改善貧瘠土壤的效果;深松再加上根茬還田和秸稈覆蓋還能調(diào)節(jié)pH值,改良土壤。
耕作模式一般是通過改變土壤物理、化學(xué)性質(zhì)來影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量[16-17]。從玉米生育期看,在拔節(jié)期之后,株高和莖粗開始有所差異,新型種植、新型CK和大壟雙行優(yōu)于均勻壟種植處理;通過對玉米不同生育期凈光合速率的比較可知,新型種植模式具有一定優(yōu)勢;不同耕作模式之間產(chǎn)量存在明顯差異,不同耕作方式下玉米產(chǎn)量由高到低的順序?yàn)樾滦头N植>新型CK>大壟雙行>均勻壟。不同處理下玉米莖粗、光合速率、產(chǎn)量的差異是多種原因造成的:首先,新型種植處理不僅增加了土壤含水量,還通過深松,降低了水分轉(zhuǎn)運(yùn)阻礙,有利于玉米的水分吸收;其次,新型種植處理改變了土壤容重和土壤三相比,增加土壤孔隙度,在滿足水分吸收的情況下還能促進(jìn)根系發(fā)育,加強(qiáng)玉米對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力;最后,新型種植模式能有效提升土壤肥力,不僅保證了玉米生長發(fā)育的營養(yǎng)需求,還提供了更加利于玉米吸收養(yǎng)分的環(huán)境。不僅提升玉米光合速率,還在產(chǎn)量上表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢,其中新型CK主要是通過根茬還田,改變穩(wěn)定層土壤性狀,而新型種植模式為根茬還田加秸稈覆蓋,在整個耕作層都有改變,使得新型種植模式在土壤肥力上優(yōu)于新型CK,進(jìn)而影響到玉米的整體發(fā)育和產(chǎn)量。
不同的耕作模式對土壤的影響也不同,不合理的耕作模式可以使土壤理化性質(zhì)惡化,不適宜作物的生長發(fā)育,而持續(xù)采用不合理耕作模式進(jìn)行種植會加劇土壤肥力衰退,造成惡性循環(huán)??沙掷m(xù)的耕作模式不僅能夠保護(hù)土壤理化性能,還可以改善被破壞的土壤性狀。在本試驗(yàn)中,2016年與2015年相比,4種處理模式在心土層和母質(zhì)層中含水量無明顯變化規(guī)律;均勻壟和大壟雙行處理使得耕層土壤含水量有所下降,新型CK和新型種植處理使得耕層土壤含水量有所上升,但新型CK處理中表層土壤含水量也有下降趨勢,穩(wěn)定層含水量增加,而新型種植處理下,表層土壤的含水量也有所增加;均勻壟和大壟雙行處理使得耕層土壤容重有所上升,新型CK和新型種植處理使得耕層土壤容重有所下降;均勻壟和大壟雙行耕層土壤的速效磷、速效鉀和堿解氮含量有所下降,新型CK和新型種植模式處理有所上升。均勻壟和大壟雙行耕作模式使玉米的光合速率有所下降,新型CK和新型種植模式處理使玉米株高和莖粗有所上升,但苗期除外。玉米均勻壟和大壟雙行耕作模式使玉米產(chǎn)量有所下降,新型CK和新型種植模式處理使玉米產(chǎn)量有所上升,增幅分別為1.76%和3.81%。4種處理的差異可能是因?yàn)榫鶆驂?、大壟雙行這2種傳統(tǒng)耕作模式對土壤結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,使土壤團(tuán)聚體減少,保水能力下降,有機(jī)質(zhì)消耗速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其補(bǔ)充速度,造成土壤養(yǎng)分嚴(yán)重流失,進(jìn)而影響作物的生長發(fā)育,造成減產(chǎn);而新型CK種植模式雖然減輕了對土壤造成的破壞,但是僅通過根茬還田,表層土壤的含水量依舊下降,僅能維持土壤不被破壞,并不能改良已被破壞的土壤性質(zhì)。而新型種植模式處理下,不僅保持土壤結(jié)構(gòu),減少土壤水分的散失,增加土壤保水能力,為種子的萌發(fā)創(chuàng)造最有力的條件,而且通過秸稈覆蓋土壤,在土壤表面形成1個厚厚的保護(hù)層,能夠減少土壤水分流失,增加土壤的保水能力,改善土壤結(jié)構(gòu),不僅起到增加作物產(chǎn)量的作用,對土壤的改良也有很大的功效。
綜上所述,本試驗(yàn)認(rèn)為新型種植模式(均勻壟、免耕、深松、根茬還田、秸稈全部還田)是符合梨樹縣黑土區(qū)土壤情況的一種可持續(xù)的耕作模式。