耕作方式与施肥对旱农区粮饲兼用玉米耗水特性和干物质积累的影响

张明君，李玲玲，谢军红，任金虎，Lamptey Shirley

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室 甘肃农业大学农学院， 甘肃 兰州 730070; 2.延安市农业科学研究所， 陕西 延安 716000)

粮饲兼用玉米是介于普通玉米与专用饲料玉米之间的一种中间型玉米，在获得高籽粒产量的同时，又可获得大量可被畜禽充分利用的玉米秸秆[1-2]，目前我国玉米70%以上都是用作饲料。粮饲兼用型玉米是当今大力发展畜牧业，在提倡秸秆畜牧业的形势下，解决我国粮食供需矛盾，实现粮饲有效性供给的良好途径。陇中黄土高原丘陵沟壑区是我国典型的旱作雨养农业区，气候干燥，蒸发强烈，降雨时空分布不均且年际间变率大，造成自然降水与农作物供需水错位[3]，粮食产量低而不稳[4]。近年来，在甘肃中东部旱作区大面积推广应用的玉米全膜双垄沟播技术[5]，采用全地面地膜覆盖沟垄种植的方式，垄面作为集水区，玉米种植在沟内，具有聚水和保墒的作用，使玉米等作物增产30%以上[6-7]。该技术的广泛应用极大地促进了旱农区玉米生产，为养殖业带来了机遇，同时，也对玉米饲用化提出了新的要求。

全膜双垄沟播技术在获得高产的同时也消耗了更多的土壤水分和养分，容易造成土壤水分干层，耗竭土壤肥力。该地区的土壤耕作方式多以传统翻耕和旋耕为主，容易造成土壤坚实，犁底层密度增大，通透性下降[8]，蓄水保墒效果变差[9]。有研究表明，深松不仅可以加深耕层，对土壤紧实具有良好的改良效应[10]，还可以改善土壤渗透性，增加深层土壤蓄水量，促进作物根系对深层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团聚体含量，进而增加表层土壤水分和养分含量[14-15]。另一方面，长期过量的施肥，会增加生产成本，并浪费资源，也会造成作物对土壤水分的耗竭，导致作物产量降低。合理施肥，能够协调土壤养分，培肥地力，有效缓解化肥的供需矛盾，促进作物增产、增收。

目前，关于全膜双垄沟播的增产基础研究及提高水分利用效率方面的报道较多[6-7,16-17]，但在全膜双垄沟播技术的基础上，配合不同的土壤耕作和施肥方式，对粮饲兼用玉米的耗水特性，地上部分的干物质积累和水分利用效率的影响鲜有报道。因此，本试验旨在通过对不同的耕作方式和施氮量下玉米的耗水特性和干物质积累比较分析，筛选出陇中旱农区与粮饲兼用玉米全膜双垄沟播技术相配套的耕作和施肥措施，为该区玉米进一步高产高效提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市安定区李家堡镇麻子川村，甘肃农业大学旱作农业综合实验站。试区属中温带半干旱区，平均海拔2 000 m，年均太阳辐射529.9 kcal·cm-2，日照时数2 476.6 h，年均气温6.4℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，无霜期140 d，年均降水390.9 mm，2015年玉米全生育期内的降雨量为269.3 mm(见图1)，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，为典型的雨养农业区。试验地土壤为黄绵土，凋萎含水率7.3%，饱和含水率28.6%，pH 8.36，土壤有机质12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1。

图1 试验区玉米生育期内月降雨量

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

1.2 试验设计

研究所依托定位试验始于2012年，田间试验于2015年4—10月进行。试验采用二因素裂区试验设计，主区设4种土壤耕作方式：传统翻耕(T1)、旋耕(T2)、深松耕(T3)、免耕(T4)；副区设2种施肥水平：N2(基施纯氮200 kg·hm-2)，N3(基施纯氮200 kg·hm-2+拔节期100 kg·hm-2)，共8个处理，3次重复，24个小区，各小区随机区组排列，小区面积44 m2(4.4 m×10 m)。供试玉米品种为“富农821”，播种期为5月上旬，播种方式为穴播(沟内)，密度 5.25 万株·hm-2，收获期为9月下旬，试验期间及时防治病虫危害，其它田间管理同大田。

1.3 土壤耕作方法

前茬收获后，土壤免耕至翌年3月中旬，待土壤解冻后，揭去残膜。传统翻耕：用铧式犁进行20 cm翻耕处理后及时耙糖；旋耕：用旋耕机进行15 cm旋耕处理；深松耕：用深松机进行35 cm深松处理；免耕：无任何耕作处理。然后人工用全膜双垄沟播起垄机起垄，用0.008 mm的白色地膜全地表覆盖，于沟内间隔50 cm留渗水孔。

1.4 土壤体积含水量的测定

用烘干称重法和德国生产的TRIME-PICO土壤水分测定仪测定。测定深度为200 cm，其中，0～10 cm土层用烘干法。10～200 cm土层体积含水量直接用TRIME-PICO测定，测定层次分别为10～30，30～50，50～80，80～110，110～140，140～170，170～200 cm，在播种前、收获后和玉米各主要生育时期内各测定一次。

1.5 土壤贮水量和贮水消耗量的计算

土壤贮水量的计算公式为：

SW=(∑Hi×Vi×10)/100

式中，SW为土壤贮水量，i为土壤层次；Hi为第i土层的厚度(mm)；Vi为第i层的土壤体积含水量。

土壤贮水消耗量的计算公式为：

△SW=SW1-SW2

式中，△SW为土壤贮水消耗量；SW1为阶段初的土壤贮水量；SW2为阶段末土壤的贮水量。

1.6 作物阶段耗水量

作物阶段耗水量(ET)=P+SWt1-SWt2

式中，P为t1至t2时间段的降雨量(mm)；SWt1为阶段初期的土壤贮水量(mm)；SWt2为阶段末期的土壤贮水量(mm)。

1.7 干物质积累量和产量的测定

于玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期取3株样，105℃烘30min杀青，然后80℃烘干至恒量，即为此生育时期的干物质积累量。收获期每小区取样30株，称鲜重即为生物产量，将30株玉米果穗脱粒后，称总的籽粒重即为籽粒产量。

1.8 水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

式中，Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)；ET为作物整个生育期内的耗水量(mm)。

1.9 数据分析

采用MicrosoftExcel2007软件处理数据和制图，SPSS19.0统计软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

由表1可知，耕作方式对灌浆期至成熟期耗水量百分比、全生育期耗水量、水分利用效率影响不显著，施氮量只对灌浆期至成熟期耗水量和播前土壤贮水量有显著影响，耕作方式和施氮量对其它指标均有显著或极显著影响。除开花期干物质积累总量和籽粒产量外，耕作方式和施氮量对玉米各生育阶段耗水量及耗水百分比、各生育时期干物质积累量、生物产量、播前和收后土壤贮水量、耗水量和水分利用效率均存在显著交互作用。

表1 耕作方式、施氮量以及二者交互作用对玉米耗水量、干物质积累、 产量以及土壤贮水量、水分利用效率的影响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：播种～拔节期耗水量；ET1/ET：播种～拔节耗水百分比；ET2：拔节～开花期耗水量；ET2/ET：拔节～开花期耗水百分比；ET3：开花期～灌浆期耗水量；ET3/ET：开花期～灌浆期耗水百分比；ET4：灌浆期～成熟期耗水量；ET4/ET：灌浆期～成熟期耗水百分比；DM1：拔节期干物质积累总量；DM2：开花期干物质积累总量；DM3：灌浆期干物质积累总量；DM4：成熟期干物质积累总量；Biomass：生物产量；Yield：籽粒产量；SW1：播前土壤贮水量；SW2：收后土壤贮水量；ET：全生育期耗水量；WUE：水分利用效率，n.s.表示没有显著性。

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 不同耕作施肥处理对玉米各生育阶段耗水量的影响

由表2可知，玉米拔节至开花期的耗水量及占全生育期总耗水量比例最大，开花期至灌浆期次之，灌浆期至成熟期最小。播种至拔节期阶段，T3和T4处理的耗水量显著低于T1和T2处理，而拔节至灌浆期与之相反。拔节至开花期阶段，T3和T4处理较T1耗水量分别增加了7.1%和9.9%，开花期至灌浆期阶段的耗水量增加了21.3%和21.6%。施氮量对耗水量的影响只在灌浆期至成熟期阶段有所体现，在N2施肥水平下，T3和T2处理较T1耗水量增加了31.2%和25.4%，而在N3施肥水平下各处理差异不显著。这说明T3和T4处理降低了玉米播种至拔节期的耗水量，增加了拔节至成熟期的水分消耗。

表2 不同耕作施肥处理对玉米各生育阶段耗水量的影响 Table 2 Effect of different tillage and nitrogen treatments to water consumption amounts in different periods of maize growth

注：不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著,下同。

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

2.2 不同耕作施肥处理对玉米各生育阶段0～200 cm土层贮水消耗量的影响

在相同的施氮水平下，玉米拔节至开花期，以及开花至灌浆期0～200 cm土层的贮水消耗量均表现为T3和T4处理高于T1处理，而播种至拔节期的变化趋势与之相反，灌浆至成熟期的贮水消耗量各处理间差异不大。不同的施氮水平，对土壤贮水消耗量影响不大。耕作方式主要影响了播种至拔节期0～30 cm土层的贮水量变化，T3和T4处理较T1处理贮水消耗量减少了35.3%和52.1%，拔节至灌浆期是玉米生长的大量需水期，30～110 cm土层的深层水分被吸收利用，拔节至开花期阶段，T3和T4处理较T1处理30～110 cm土层的贮水消耗量增加了54.2%和56.8%，开花期至灌浆期阶段分别增加了20.5%和17.9%。灌浆期至成熟期各处理间变化趋势基本一致。

2.3 不同耕作施肥处理对玉米各生育时期干物质积累的影响

由图3可看出，不同施氮水平对玉米各生育期干物质的积累没有显著影响，干物质积累量的差异主要由耕作方式引起。由图3可看出，玉米不同的器官对干物质积累的贡献都不尽相同，主要以茎、叶和玉米籽粒为主。整个生育时期内，玉米茎和叶的干物质积累量呈先增后减的趋势，灌浆期达到峰值。玉米拔节期，T3处理的茎和叶干物质积累量较T1增加了50.3%和45.5%，而灌浆期分别增加了28.1%和10.8%，籽粒积累量是干物质积累最重要的组成部分，玉米成熟期的籽粒积累量表现为T3>T4>T2>T1，T3和T4处理较T1处理显著增加了46.1%和46.0%。这说明T3处理能够显著提高玉米干物质积累量，在玉米各生育器官生物量增加同时，籽粒积累量也有所提升。

2.4 不同耕作施肥处理下玉米的产量和水分利用效率

由表3可知，不同的施氮处理对玉米的生物产量和籽粒产量影响不显著。在不同的耕作方式下，T3、T4处理和T1处理相比，生物产量增幅为15.1%和19.0%，籽粒产量增幅为18.6%和14.1%，T3和T4处理间差异显著。在N2施肥水平下，播前土壤贮水量，玉米全生育期耗水量都表现为T3处理显著高于T1和T2处理，分别增加了14.9%，9.1%和17.1%，15.1%，T1和T2处理间差异不显著。与其它处理相比，T3N2处理在获得高产量的同时，全生育期耗水量也最高(390.2 mm)，水分利用效率最低，为18.9 kg·hm-2·mm-1。而在N3施肥水平下，T3和T4处理较T1处理的收后土壤贮水量显著增加了13.2%和11.3%，T2处理的水分利用效率最高，较最低的T4处理高出16.2%，T3和T2处理间水分利用效率差异不显著。

图2 玉米不同生育阶段0～200 cm土层的贮水消耗量 Fig.2 Water reduction amounts in 0～200 cm soil layers in different periods of maize growth

图3 不同耕作施肥处理对玉米各生育时期干物质积累的影响 Fig.3 Effect of different tillage and nitrogen treatments on dry matter amounts in different periods of maize growth表3 不同耕作施肥处理下玉米的产量和水分利用效率 Table 3 Yield and water use efficiency of maize under different tillage and nitrogen treatments

3 讨 论

一般认为，免耕和深松耕有利于提高土壤的贮水量[18-19]。有研究表明，免耕比传统翻耕增加土壤蓄水量10%，减少土壤蒸发约40%，耗水量减少15%，水分利用效率提高10%[20]。 也有研究发现在全膜双垄覆盖条件下，深松耕和免耕能有效增加0～30 cm土壤贮水量，土壤含水量较翻耕增加了50.0%和43.7%[9]。本研究结果表明，深松耕和免耕处理与传统翻耕相比，减少了玉米播种至拔节期的土壤水分消耗，主要是降低了0～30 cm土层的贮水消耗量，这是因为深松耕可以有效打破犁底层，增加土壤孔隙度，提高土壤渗水速度[21]，有利于水分向深层土壤入渗，蓄集更多的水分。而免耕处理是由于减少了对耕层土壤的扰动，抑制了土壤水分的蒸发。玉米拔节期至灌浆期深松耕和免耕处理耗水量和0～200 cm土层贮水消耗量都显著高于其它处理，这是因为该阶段是玉米生长旺盛期，对水分的需求敏感，为了汲取更多的水分，30～110 cm土层的深层水被吸收利用。

也有研究认为，免耕和深松耕有利于提高籽粒产量和水分利用效率[22,12]，李友军等[23]的研究表明，豫西旱田免耕和深松处理小麦籽粒产量分别比翻耕处理高21.1%和29.4%，水分利用效率分别提高5.0%和10.9%，但也有研究认为连续多年实施少免耕，土壤压实程度严重，容重增大，影响作物根系生长发育制约产量提高[24]。本研究结果表明，深松耕与其它耕作方式相比，有利于粮饲兼用玉米的干物质积累，可饲用的茎、叶、穗等器官以及玉米籽粒干物质量都有所增加。此外，施用300 kg·hm-2或200 kg·hm-2氮肥对玉米生物产量和籽粒产量影响不显著，在本试验条件下，深松耕+施纯氮300 kg·hm-2处理获得了最高的生物产量和籽粒产量，但与在相同的耕作方式下施200 kg·hm-2氮肥处理相比差异不显著。深松耕和免耕具有蓄水保墒的作用，在本研究N2施肥水平下，增加了播前土壤贮水量，免耕处理的水分利用效率显著高于其它处理，但深松耕处理水分利用效率却最低，这是因为其全生育期的耗水量最大，但在N3施肥水平下，深松耕与水分利用效率最高的旋耕处理间差异不显著。免耕处理虽然能提高农田水分利用效率，但也会制约产量的提高。

4 结 论

在综合考虑高产以及对水分和肥料的高效利用的条件下，深松耕+施纯氮200 kg·hm-2处理降低了玉米播种至拔节期的阶段耗水量，主要是减少了0～30 cm土层的贮水消耗量，提高了拔节至灌浆期的耗水量及其占总耗水量的比例，增加了深层土壤的水分消耗。与其它处理相比，深松耕+施纯氮200 kg·hm-2处理有利于提高粮饲兼用玉米的可饲用器官的干物质积累量和水分利用效率，并获得了较高的籽粒产量。因此，在本试验条件下，基于全膜双垄沟播技术，深松耕+施纯氮200 kg·hm-2是陇中旱农区适宜的生产方式。

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