玉米免免耕灌溉農(nóng)田土壤耕作效果研究

玉米免免耕灌溉農(nóng)田土壤耕作效果研究

0對農(nóng)業(yè)的影響及對耕作技術(shù)的需求硝氮的滲透是氮素損失的重要通道。硝基氮的使用和硝基氮的滲透引起的地下水污染非常重視。目前中國地下水硝酸鹽污染非常嚴重,而農(nóng)田土壤硝酸鹽的淋失被認為是造成地下水硝酸鹽污染的主要原因。隨著氮肥用量的不斷增加和農(nóng)田灌溉條件的改善,淋溶問題越來越突出。硝態(tài)氮的淋溶受多種因素影響,土壤耕作也是其中影響因素之一。華北地區(qū)是中國重要的糧食生產(chǎn)基地,冬小麥夏玉米一年兩熟是本地區(qū)主要的種植方式。以鏵式犁翻耕是其傳統(tǒng)的土壤耕作方式,在當今水資源短缺及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本越來越高的情況下,這種傳統(tǒng)的耕作制度暴露出明顯的弊病,因此,具有保水、保土、保護環(huán)境的少免耕耕作技術(shù)受到人們的關(guān)注。以前的研究多集中于旱區(qū),故研究適合該區(qū)自然條件及發(fā)展要求的耕作體系已成為迫切的要求。為了探索少免耕耕作體系在北方一年兩熟灌溉地區(qū)的適應(yīng)性,開展了本項試驗研究,主要探討少免耕耕作體系對作物產(chǎn)量、作物水分利用效率、土壤儲水量和土壤硝態(tài)氮含量的影響。1材料和方法1.1光照、光照指標試驗地點設(shè)在山東龍口市中村鎮(zhèn)中村村,屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。試驗區(qū)年降水量600mm左右,主要集中在6～9月,占全年降水總量的70%左右;春季占全年降水總量的11.9%,夏季占59.9%,秋季占21.1%,冬季占3.3%。年平均氣溫12.2℃,全年日照總時數(shù)2794.2h,無霜期190d,太陽總輻射量127.8kJ·cm-2,≥0℃年活動積溫4444.7℃,≥10℃年積溫3951.3℃,≥0℃生理輻射54.6kJ·cm-2,年最高氣溫37℃,年最低氣溫-16℃。光照充足,溫度適宜,雨熱同季。1.2小麥生育期7月7日試驗地供試土壤為棕壤,種植制度為冬小麥/夏玉米,小麥品種為煙農(nóng)15,基本苗密度181.27萬株·hm-2,10月7日播種;玉米品種為鄭單958,密度6.14萬株·hm-2,麥收前15天(6月3日)套播。試驗地基礎(chǔ)土壤肥力如下:本試驗設(shè)置5種耕作措施:1)常規(guī)耕作無秸稈還田(簡稱“常無”),作業(yè)程序為:施底肥→缺口圓盤耙滅茬→鏵式犁翻耕(耕深25cm)→旋耕機旋耕→筑埂打畦→機播下種。2)常規(guī)耕作秸稈還田(簡稱“常還”),作業(yè)程序為:秸稈粉碎→施底肥→缺口圓盤耙滅茬→鏵式犁翻耕(耕深25cm)→旋耕機旋耕→筑埂打畦→機播下種。3)旋耕秸稈還田(簡稱“旋還”),作業(yè)程序為:秸稈粉碎→施底肥→旋耕機旋耕(耕深14cm)→筑埂打畦→機播下種。4)耙耕秸稈還田(簡稱“耙還”),作業(yè)程序為:秸稈粉碎→施底肥→缺口圓盤耙耙地(耙深10cm)→筑埂打畦→機播下種。5)免耕秸稈覆蓋(簡稱“免覆”),作業(yè)程序為:秸稈粉碎→秸稈收攏→施底肥→機播下種→秸稈覆蓋。以上處理小麥生育期間用氮肥為尿素,折純氮用量為240kg/hm2,磷肥為過磷酸鈣,折合P2O5為105kg/hm2,鉀肥為氯化鉀,折合K2O為135kg/hm2,磷、鉀肥全部作為底肥一次性施入,氮肥分底施(1/2用量)和拔節(jié)期追施(1/2用量)兩次施用;底肥在土壤耕作時施用,并在播種后立即灌溉;拔節(jié)肥結(jié)合拔節(jié)水施用。玉米生育期間用肥為氮磷鉀三元復(fù)合肥(氮磷鉀含量各為15%、10%、20%),用量750kg/hm2,套播時施用。試驗小區(qū)面積4.5×30m2,3次重復(fù),設(shè)有保護區(qū),南北向種植。農(nóng)田灌溉采用低壓管道輸水畦灌的方法,在小麥生育期間,于播種后(10月7日)、越冬期(12月15日)、拔節(jié)期(4月20日)分別灌溉,同時為保證夏玉米套播時的墑情,在小麥灌漿末期即玉米套播后(6月3日)立即灌溉,灌水量為每次每處理75mm。在玉米生長發(fā)育時期主要利用自然降水,不進行灌溉。1.3土壤硝態(tài)氮含量的測定土壤水分含量測定采用土鉆取土烘干法,采樣深度為1m,分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm5個層次;土壤硝態(tài)氮含量的測定采用流動分析儀測定;容重用環(huán)刀法測定;冬小麥與夏玉米分別于收獲時進行田間測產(chǎn),重復(fù)3次。1.4作物耗水量計算根據(jù)澳大利亞學(xué)者PhilipJR提出的SPAC理論,作物耗水量用農(nóng)田水分平衡法計算。一般情況下,農(nóng)田水分平衡方程式可寫為:式中ΔW——作物生育期間土壤儲水變化量,即土壤貯水消耗量;P——該時段降水量,mm;U——地下水通過毛管作用上移補給作物水量,mm;R——地表徑流量,mm;F——補給地下水量,mm;ETα——作物生育期耗水量,mm,包括植株蒸騰量與植株間地表蒸發(fā)量;I——灌溉用水量,mm。根據(jù)試驗地自然條件,地勢平坦,可視地表徑流為零;地下水埋深4m以下,可視為地下水補給量為零;降水入滲深度不超過2m,可視深層滲漏為零,R、U、F可忽略不計。所以,(1)式可改寫為:根據(jù)(2)式計算作物耗水量,符號意義及單位同(1)式。作物水分利用率指作物單位耗水量產(chǎn)出的籽粒產(chǎn)量,可用下式表示:WUE=Y/ETα式中WUE——作物水分利用率,kg·hm-2·mm-1;Y——作物的籽粒產(chǎn)量,kg·hm-2;ETα——作物生育期耗水量,mm。1.5土壤水分貯水量為研究土壤耕作土壤水分利用情況,以百分含量表示土壤濕度,僅是一個相對值,不能反映土壤水分的有效值;而以mm表示的土壤貯水量,則客觀地反映了土壤水分的真實值,可以系統(tǒng)地研究不同時段各試驗處理的土壤水分利用情況。為此,應(yīng)用土壤濕度和土壤容重,根據(jù)土壤水分貯量公式,可以計算出各時段不同深度的土壤貯水量(表2)。W=0.1×r×v×h式中W——不同深度土壤貯水量,mm;r——土壤相對濕度,%;v——土壤平均容重,g·cm-3;h——土層深度,cm;0.1為換算系數(shù)。計算結(jié)果見表2。2結(jié)果與分析2.1不同處理的土壤表層硝態(tài)氮含量土壤耕作因影響土壤礦化和水分運動而影響硝態(tài)氮的淋失,通過影響土壤的理化性質(zhì)和生物環(huán)境進而影響硝酸鹽在土體表層的積累。耕作增加硝態(tài)氮淋失,翻耕土壤硝態(tài)氮淋失顯著高于免耕。由于不同耕作措施動土程度以及對土壤粉碎程度的不同,所以造成土壤不同層次硝態(tài)氮含量的差異。由表2可以看出,在小麥越冬期,0～40cm土層內(nèi),由于缺口圓盤耙耕作的土壤地表較其它耕作方式粗糙,所以肥料的混勻程度不及常規(guī)耕作處理和旋還處理,耙還處理表層硝態(tài)氮含量最高,免覆處理由于不進行土壤耕作,所以在冬前土壤表層硝態(tài)氮含量也較高。小麥絕大部分根系集中在0～40cm土層內(nèi),在小麥開花期,旋還處理在0～20cm的硝態(tài)氮含量僅次于常無處理,20～60cm層次內(nèi)的硝態(tài)氮含量為各個處理的最高值,說明旋還處理有利于表層硝態(tài)氮的積累,供應(yīng)小麥植株較其它處理更多的氮素。在60～100cm層次中,少耕處理硝態(tài)氮含量明顯低于常規(guī)耕作的兩種處理,說明少耕處理有利于減少氮肥的淋溶損失。免覆處理各個層次的硝態(tài)氮含量一直為各個處理最低值,由于不進行土壤耕作,雖然施肥后立即澆水加之秸稈覆蓋,但氮肥的氨揮發(fā)損失也不可忽視,這也是本試驗免耕覆蓋處理土壤硝態(tài)氮含量較低的一個原因。在玉米收獲期,0～40cm土壤層次內(nèi)硝態(tài)氮含量仍為耙還和旋還兩種少耕處理最高,在40～100cm層次內(nèi),常還處理硝態(tài)氮含量最高,少耕處理的硝態(tài)氮含量次之,而常無處理的硝態(tài)氮含量較低。進一步說明了少耕處理有利于淺層土壤硝態(tài)氮的積累,減少氮肥的淋溶損失,供作物利用。2.2持到冬小麥的土壤利用價值由表3可以看出,在冬小麥開花期少免耕處理的土壤貯水量顯著高于常規(guī)耕作處理,說明少免耕可抑制冬小麥開花前土壤無效蒸發(fā),把土壤水分保持到冬小麥水分消耗量最多灌漿期利用,有利于小麥籽粒灌漿,提高粒重。在玉米季少免耕耕作方式仍然表現(xiàn)相同的作用,在玉米開花期土壤貯水量高于常規(guī)耕作處理,有利于增強植株光合強度,促進養(yǎng)分向果穗中的運輸,增加產(chǎn)量。從全年的作物生長季節(jié)來看,少免耕耕作方式玉米收獲期的土壤貯水量高于小麥播前的土壤貯水量,而常規(guī)耕作處理則相反,進一步說明少免耕耕作處理對土壤的蓄水保墑作用,其中以旋耕還田方式最佳。2.3旋耕還田和未來耕作還田方式產(chǎn)量表現(xiàn)在麥季,旋耕還田和耙耕還田兩種少耕方式的小麥產(chǎn)量與常規(guī)耕作方式無顯著差異,免耕覆蓋處理產(chǎn)量顯著低于其它各種處理,這與免耕覆蓋導(dǎo)致春季地溫低,回升慢,至使小麥返青拔節(jié)推遲,導(dǎo)致后期灌漿期縮短及土壤硝態(tài)氮含量低有關(guān)。在玉米季,各耕作處理的產(chǎn)量,少免耕處理尤其是旋耕還田處理極顯著高于常規(guī)耕作處理,旋耕還田和耙耕還田方式要比常規(guī)耕作無秸稈還田方式分別增產(chǎn)9.29%和5.27%,免耕處理產(chǎn)量則優(yōu)于常規(guī)耕作處理。全年作物產(chǎn)量,旋還>常還>耙還>常無>免覆,旋耕還田處理產(chǎn)量極顯著高于其它各處理,耙耕還田處理產(chǎn)量與常規(guī)秸稈還田處理無顯著差異,旋耕還田和耙耕還田方式要比常規(guī)耕作無秸稈還田方式每公頃分別增產(chǎn)4.59%、820.88kg和1.86%、332.38kg,免耕則減產(chǎn),故少耕特別是旋耕還田方式在該地區(qū)要優(yōu)于常規(guī)耕作和免耕覆蓋方式?？v觀全年產(chǎn)量,可以看出少耕方式全年作物增產(chǎn)效果主要體現(xiàn)在玉米季上,這一方面與少耕方式能在作物開花后提供較常規(guī)耕作方式更多的土壤水分,促進籽粒灌漿,提高粒重,同時提高0～60cm作物根系集中層次的硝態(tài)氮含量,保證作物生長對氮素的需求有關(guān);另一方面,也與少免耕可以提高耕作土層有機質(zhì)和養(yǎng)分含量,改變土壤的物理化學(xué)和生物學(xué)效應(yīng),土壤水肥氣熱諸因素在一定條件下達到較佳狀態(tài)有關(guān),所以夏玉米生長發(fā)育良好,增產(chǎn)效果明顯。2.4農(nóng)業(yè)免耕與耕作方式對作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響表5結(jié)果表明,在有人工灌溉的條件下,麥季少耕方式作物耗水量略低于常規(guī)耕作方式,從水分利用效率來看,旋耕還田和耙耕還田兩種耕作方式與常規(guī)耕作方式相比差異不顯著,免耕則體現(xiàn)不出在旱地農(nóng)作中的節(jié)水效果,其產(chǎn)量和水分利用效率要低于常規(guī)耕作方式。在無人工灌溉的玉米季中,少免耕耕作方式能極顯著提高作物的水分利用率,旋耕還田方式、耙耕還田方式和免耕覆蓋方式與常規(guī)耕作無秸稈還田方式相比,水分利用效率分別提高15.68%、10.53%和19.52%。綜合小麥玉米兩個生長季節(jié)看,旋耕還田和耙耕還田兩種少耕方式能顯著提高作物水分利用效率,以旋耕還田最好,提高幅度達8.56%。3減少耕作方式對作物水分利用效率的影響1)土壤NO-3-N的淋失與土壤水分含量有關(guān),耕作增加硝態(tài)氮淋失。在本試驗中,同一施肥量和灌溉量的情況下,少耕特別是旋耕還田處理對土壤有較強的蓄水保墑能力,利于土壤0～60cm硝態(tài)氮的積累,減少60～100cm土壤的硝態(tài)氮含量,有利于作物的吸收利用,減少氮肥對地下環(huán)境的污染。2)旋耕還田方式和耙耕還田方式能抑制小麥和玉米開花前土壤水分的無效蒸發(fā),提高土壤在作物生育后期的供水能力。綜合全年作物生長季節(jié),少免耕作特別是旋耕還田方式對土壤的蓄水保墑能力最強。在水分利用效率方面,少免耕作方式能顯著提高玉米季作物水分利用效率;從全年作物水分利用效率來看,以旋耕還田方式最優(yōu)。3)旋耕還田和耙耕還田兩種少耕處理麥季產(chǎn)量與常規(guī)耕作方式無顯著差異,但玉米季產(chǎn)量少免耕處理尤其是旋耕還田處理極顯著高于常規(guī)耕作處理。全年產(chǎn)量旋耕還田和耙耕還田處理高于常無和免覆處理,旋耕還田高于耙耕還田處理。這與在本試驗條件下,少耕處理對土壤有較強的蓄水保墑能力,有利于積累作物根系集中層土壤硝態(tài)氮含量,為籽粒灌漿提供更多的土壤