旱地立式深旋耕方式下有机肥替代对饲用玉米耗水特性和产量的影响

方彦杰 张绪成 于显枫 侯慧芝 王红丽 马一凡 张国平 雷康宁

旱地立式深旋耕方式下有机肥替代对饲用玉米耗水特性和产量的影响

方彦杰 张绪成*于显枫 侯慧芝 王红丽 马一凡 张国平 雷康宁

甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州 730070

研究黄土高原半干旱区立式深旋耕方式下饲用玉米合理有效的施肥模式, 为提高产量和资源利用效率提供科学依据。2017—2019年在黄土高原半干旱区设单施化肥(all of fertilizer, F)、有机肥替代50%化肥(50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer, FOF)、全部有机肥(all of organic fertilizer, OF) 3种施肥模式, 研究不同施肥模式对饲用玉米耗水特性、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 农田0~300 cm各土层土壤贮水消耗与生育期耗水、降水量及降水分布密切相关。在干旱年份, FOF和OF较F增加了花期0~300 cm土层土壤贮水量11.9%和11.7%, 显著消耗了花前0~60 cm土层土壤贮水量, 0~300 cm土层土壤总耗水量FOF较OF和F增加1.4%和10.3%, 花前耗水量较F降低13.0%、较OF增加0.3%, 花后耗水量分别增加20.7%和23.9%。丰水年2018年FOF和OF较F提高花前耗水量13.5%和31.6%, 降低花后耗水量21.9%和36.1%, 2019年FOF较F和OF增加花前耗水量9.7%和11.9%, 较F降低花后耗水量8.1%, 且不同施肥模式对0~300 cm土层土壤贮水量消耗均有影响。0~300 cm土层土壤耗水量在干旱年份FOF高于F, 但无显著性差异, 在两丰水年均低于F。FOF较F和OF增加成熟期干物质量4.1%~10.4%、2.7%~11.5%, 增加籽粒产量3.8%~9.4%、10.1%~12.0%, 增加生物量5.6%~8.9%、3.1%~15.5%, 提高籽粒水分利用效率7.9%~11.1%、1.5%~14.6%。可见, 有机肥替代50%化肥模式能够优化土壤的水分特性, 增加土壤耗水有效性, 提高产量和WUE, 是黄土高原半干旱农业区饲用玉米增产增效的有效肥料管理模式。

立式深旋耕; 有机肥替代; 产量; 水分利用效率; 饲用玉米

干旱胁迫和地力瘠薄是甘肃旱作农业区农作物生产的主要限制因子[1]。然而, 由于近十余年甘肃旱作区地膜覆盖玉米()大面积的连作种植, 农民不合理耕种与施肥导致土壤耕层结构劣化, 养分供应失衡等土壤肥力退化现象日益凸显, 严重制约了玉米产量的提高[2]。因此, 如何优化耕作措施, 水肥调控管理, 提高产量和资源利用率, 是旱作玉米的研究重点[3]。2017年农业农村部在《全国种植业结构调整规划》中提出, 适当调减非优势区玉米面积, 将甘肃省玉米种植纳入国家调控范围, 因地制宜发展青贮玉米[4]。2018年甘肃省玉米种植面积达到101.3×104hm2, 其中饲用玉米占20×104hm2, 饲用玉米在甘肃粮食生产和种植业结构调整中将具有越来越重要的地位[5], 因此, 对饲用玉米的相关研究意义重大。耕作和施肥方式能够创造一个良好的耕层结构, 以改善耕层土壤物理、化学和生物学性状, 既可促进作物生长, 还能够提高土壤水分利用[6]。已有研究表明, 土壤深松耕作可以增加耕层厚度和土壤孔隙度, 改善土壤渗透性, 进而提高蓄水保墒性能[7-8]。有机无机肥配施不仅能够提高土壤有机质和养分含量, 稳定增加作物产量, 提升肥料利用率[9-12],还能够提高土壤水分利用率, 起到“以肥调水”的作用[13]。

立式深旋耕是近年来在深松耕技术基础上发展起来的一项新型耕作技术[14-17], 该技术最大优点是不扰乱土层的同时对土壤深松, 耕层呈粉碎颗粒状, 疏松而不易黏结, 通气性能良好, 增加了土壤的通透性和保水性[18-20]。在西北半干旱区马铃薯立式深旋耕技术的研究结果表明, 该技术显著优化了土壤的水分特性, 提高了土壤有效水含量, 促进马铃薯花期耗水, 使马铃薯干物质量显著提高, 较传统耕作技术增产24.8%~156.8%, 水分利用效率提高18.9%~92.3%[21], 化肥减量50%分期施用并增施有机肥, 能降低花前耗水, 增加花后耗水, 起到“以肥调水”的作用[22]。可见, 在半干旱区, 立式深旋耕有助于蓄水保墒, 有机肥替代化肥能够实现“以肥调水”, 两者结合是旱地作物增产增效种植的关键技术。为此, 本研究将立式深旋耕的“蓄水保墒”效应和施肥措施的“以肥调水”效应相结合, 以饲用玉米为研究对象, 在立式深旋耕技术的基础上, 设置单施化肥、有机肥(腐熟羊粪)替换50%化肥、有机肥(腐熟羊粪)替代全部化肥3种施肥模式, 测定土壤含水量、群体生物量、产量, 计算土壤剖面水分耗散量、阶段耗水量、耗水模系数、耗水强度和水分利用效率等指标, 研究它对饲用玉米土壤贮水量、土壤耗水特征、单株干物质积累量、产量和水分利用效率的影响, 以明确有机肥替代对立式深旋耕饲用玉米土壤耗水特征和产量的调控效应, 为建立半干旱区立式深旋耕方式下饲用玉米增产增效、资源可持续发展的养分管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017—2019年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N)进行。该区海拔1970 m, 年平均气温6.2℃, 年辐射总量5898 MJ m–2, 年日照时数2500 h, ≥10℃积温2075.1℃, 无霜期140 d, 属中温带半干旱气候。作物一年一熟, 为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm, 6月至9月降水量占年降水量的68%, 降水相对变率为24%, 400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土, 0~30 cm土层平均容重1.25 g cm–3, 田间持水量为21.18%, 凋萎系数为7.2%。土壤含有机质11.99 g kg–1、全氮1.16 g kg–1、全磷0.25 g kg–1、全钾17.3 g kg–1、NH4+-N 4.8 mg kg–1、NO3-N 0.8 mg kg–1、速效磷 8.67 mg kg–1、速效钾 121.50 mg kg–1, pH 8.35。试验中腐熟羊粪养分含量为: 全氮0.63%, 全磷0.4%, 全钾0.4%。

1.2 试验设计

以饲用型玉米为供试材料, 品种为“陇饲1号”, 试验采用单因素随机设计。试验设置3种施肥模式处理, 单施化肥(all of fertilizer, F): 施用量纯氮189 kg hm–2、P2O5135 kg hm–2、K2O 120 kg hm–2, 有机肥替代50%化肥(50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer, FOF): 施用量纯N 94.5 kg hm–2、P2O567.5 kg hm–2、K2O 60 kg hm–2、腐熟羊粪15,000 kg hm–2; 有机肥替代全部化肥(all of organic fertilizer, OF): 腐熟羊粪30,000 kg hm–2, 其中氮肥采用普通尿素(N≥46%), 磷肥为磷酸二铵(P2O5≥46%, N≥18%), 钾肥为氯化钾(K2O≥60%), 所有肥料全做基肥施入。以立式深旋耕(vertically rotary sub-soiling tillage, VRT, 定西山石农业科技有限公司和甘肃省农业科学院旱地农业研究所共同研制的立式深旋耕机耕作, 耕深40 cm)进行春耕处理, 采用全膜双垄沟播种植方法, 宽窄行种植, 带宽为100 cm, 其中大垄宽为60 cm, 小垄宽为40 cm, 播种密度67,500株 hm–2。试验小区面积5.8 m × 7.0 m = 40.6 m2, 每处理3次重复。玉米播种在垄沟内, 播种深度4~5 cm。用玉米点播器人工穴播, 每穴播种1~2粒。2017年于4月20日播种, 10月13日收获; 2018年于4月19日播种, 10月3日收获; 2019年于4月22日播种, 10月9日收获。试验除拔草外不进行其他管理。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量测定 分别在苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期和收获期每小区随机采样3株, 采用烘干法测定生物量干重。

1.3.2 土壤水分 分别在苗期、开花期和收获期测定, 深度为0~300 cm, 每20 cm为步长取1个土样, 取样位置为垄沟内两穴间, 采用烘干法测定。

1.3.3 土壤贮水量 0~300 cm土壤贮水量(soil water storage, SWS)计算公式: SWS=10´, 式中,代表土壤深度(cm),代表土壤容重(g cm–3),代表体积含水量(m3m–3)。

1.3.4 土壤剖面水分耗散量 土壤剖面水分耗散量(soil profile water consumption, PWC)计算公式: PWC=PSWS−PSWS+1, 式中: PSWS为某个生育时期土壤剖面初始时的贮水量(mm); PSWS1为该生育时期结束时的土壤剖面贮水量(mm)。

1.3.5 阶段耗水量 0~300 cm耗水量(evapotranspiration, ET)计算公式: ET=SWS− SWS+1+, 式中: SWS为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm); SWS1为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm);为全生育期降水量(mm)。

1.3.6 耗水模系数和耗水强度 耗水模系数(water consumption percentage, WCP)计算公式:

WCP=ET/ET×100%

式中, ET为某一阶段的耗水量, ET为生育期总耗水量; 耗水强度(daily water consumption, DWC)计算公式:

DWC=ET/d

式中, d为生育阶段天数(d)。

1.3.7 产量 生物量每小区取最中间2行, 称鲜重后折算公顷产量(kg hm–2); 籽粒产量每小区实收脱粒, 晒干后称重并折算公顷产量(kg hm–2)。

1.3.8 水分利用效率 水分利用效率(water useefficiency, WUE)计算公式: WUE=Y/ET, 式中, Y为饲用玉米籽粒产量(kg hm–2)或者生物量(kg hm–2), ET为饲用玉米生育期耗水量(mm)。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2010软件作图, DPS数据处理软件进行统计分析, 用LSD法检验处理间的差异显著性(<0.05和<0.01)。

2 结果与分析

2.1 2017—2019年饲用玉米生育期降水量及平均气温变化

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计, 试验区饲用玉米生育期多年平均降雨量为380.5 mm, 多年平均气温为15.6℃。2017年饲用玉米生育期平均气温为15.3℃, 较多年同期降低1.9%, 降雨量为352.5 mm, 为同期多年平均值的92.6%, 且各生育期降雨分布不均匀, 尤其大喇叭口期至花期, 有效降雨1次, 为11 mm, 平均气温20.8℃, 属干旱年。2018年饲用玉米生育期平均气温为15.9℃, 增加1.6%, 降雨量为441.1 mm, 为同期多年平均的115.9%, 属丰水年。2019年饲用玉米生育期平均气温为15.2℃, 较多年同期降低3.0%, 降雨量为439.3 mm, 且降雨分布均匀, 为同期多年平均的115.5%, 属丰水年(图1)。

2.2 有机肥替代对饲用玉米生育期土壤贮水量影响

旱地饲用玉米立式深旋耕方式下, 农田0~300 cm土层土壤贮水量变化不仅与生育期耗水有关, 还与当年降水分布及大气平均温度密切相关(图2)。2017年干旱年, 播种期0~300 cm土层土壤贮水量处理间无显著性差异, 由于受高温干旱影响(有效降水仅11 mm), 花期土壤贮水量较播种期和成熟期低, 对玉米产量有严重影响, FOF和OF较F增加28.9 mm和28.6 mm, 提高了11.9%和11.7%, 且差异显著(<0.05), 成熟期OF最高, 较F和FOF增加32.1 mm和31.4 mm, 提高了9.7%和9.4%, 差异显著(<0.05)。2018和2019两个丰水年, 在开花期0~300 cm土层土壤贮水量均较播种期和成熟期高, 为饲用玉米开花授粉提供了较优的土壤水分条件, 有利于产量形成。2018年花期土壤贮水量F最高, 较FOF和OF增加了28.9 mm和50.3 mm, 提高了6.7%和12.2%, 处理间差异显著(<0.05), 成熟期F最低, 且与FOF和OF差异显著(<0.05)。2019年播种期土壤贮水量与2018年成熟期表现一致, 花期OF最高, 较F和FOF增加18.8 mm和23.2 mm, 提高了4.2%和5.3%, 成熟期OF最高, 较F和FOF增加25.8 mm和9.6 mm, 提高6.7%和2.4%, 且与差异显著(<0.05)。

图1 2017–2019年饲用玉米生育期降雨和气温变化

2.3 有机肥替代对饲用玉米耗水特性的影响

2.3.1 有机肥替代对饲用玉米0~300 cm土层土壤剖面水分耗散的影响 有机肥替代对饲用玉米农田0~300 cm土层土壤PWC影响比较明显(图3), 2017年玉米花前, 0~60 cm土层PWC显著下降, F、FOF、OF分别降低了49.3、50.7和51.7 mm, 处理间无显著性差异; 花后受雨季降水的补充, 0~100 cm土层土壤贮水量增加明显, 分别增加了70.90、68.63和85.96 mm, 且0~60 cm各土层PWC均表现为OF>FOF>F, 处理间差异显著(<0.05)。2018年玉米花前, 0~60 cm土层土壤PWC处理F和FOF较OF分别多12.1 mm和12.7 mm, 差异显著(<0.05), 80~100 cm土层土壤PWC处理 FOF较F和OF分别多6.7 mm和6.4 mm, 差异显著(<0.05), 120~240 cm各土层土壤PWC均表现为F>FOF>OF, 处理间差异显著(<0.05), 而240 cm以下各土层土壤PWC均表现为OF>FOF>F; 花后0~60 cm土层土壤PWC表现为FOF>F>OF, FOF较F和OF分别多3.7 mm和10.8 mm, 80~240 cm土层土壤PWC表现为F>FOF>OF, F较FOF和OF分别多39.4 mm和72.2 mm,差异显著(<0.05)。2019年花前0~100 cm土层土壤PWC表现为FOF>F>OF, FOF较F和FOF分别多13.0 mm和16.9 mm, 差异显著(<0.05),120~300cm土层土壤PWC表现为F>OF>FOF, F较OF和FOF分别多2.8 mm和0.6 mm; 花后0~60 cm土层土壤PWC表现为FOF>F>OF, FOF较F和FOF分别多6.2 mm和8.7 mm, 差异显著(<0.05), 80~100 cm土层土壤PWC表现为FOF>F>OF, FOF较F和OF分别多7.9 mm和5.3 mm, 差异显著(<0.05), 120~300 cm土层土壤PWC表现为F>FOF>OF, F较FOF和OF分别多22.2 mm和12.0 mm。

图2 不同生育时期0~300cm土壤贮水量

每个生育期数据上方的误差线代表LSD0.05; F: 单施化肥; FOF: 50%化肥+50%有机肥; OF: 全部有机肥。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05; F: all of fertilizer; FOF: 50% of fertilizer + 50% of organic fertilizer; OF: all of organic fertilizer. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

2.3.2 有机肥替代对饲用玉米花前花后耗水的影响 从有机肥替代对土壤水分的消耗状况可知(图4), 2017年0~300 cm土壤总耗水量显著低于2018年和2019年(<0.05), 花前土壤耗水量差异不明显, 而花后土壤耗水量差异显著(<0.05)。2017年花前0~300 cm土壤耗水量F较FOF和OF分别增加23.6 mm和24.0 mm, 提高13.0%和13.3%, 差异显著(<0.05), 花后耗水量FOF较F和OF分别增加28.2 mm和31.7 mm, 提高20.7%和23.9%, 差异显著(<0.05); 2018年花前0~300 cm土壤耗水量OF较F和FOF分别增加50.4 mm和32.1 mm, 提高31.6%和18.1%, 处理间均差异显著(<0.05), 花后耗水量F较FOF和OF分别增加45.4 mm和66.9 mm, 提高21.9%和36.1%, 处理间均差异显著(<0.05);2019年花前0~300 cm土壤耗水量FOF较F和OF分别增加15.8 mm和19.1 mm, 提高9.7%和11.9%, 差异显著(<0.05), 花后耗水量F较FOF和OF分别增加20.6 mm和6.9 mm, 提高8.1%和2.6%, F和OF差异显著(<0.05)。

2.3.3 有机肥替代对饲用玉米花前和花后耗水模系数及耗水强度的影响 通过对饲用玉米0~300 cm土壤花前和花后耗水模系数及耗水强度分析可知(表1), 在2017年干旱年花前耗水模系数及耗水强度高, 而在2018年和2019年丰水年花后耗水模系数及耗水强度高。2017年花前及花后耗水模系数F和OF均与FOF差异显著(<0.05), 耗水强度花前F与OF和FOF差异显著(<0.05), 花后FOF与F和OF差异显著(<0.05); 2018年花前耗水模系数和耗水强度均表现为OF>FOF>F, 花后为F>FOF>OF, 花前及花后耗水模系数和耗水强度处理间均差异显著(<0.05); 2019年花前耗水模系数和耗水强度均表现为FOF>F>OF, 花后为F>OF>FOF, 且FOF均与F和OF差异显著(<0.05)。饲用玉米0~300 cm土层土壤耗水量指标的相关性分析结果表明(表2), 饲用玉米生育期总耗水量与花后耗水量(0.96**)、花前耗水模系数(-0.90**)、花后耗水模系数(0.90**)和花后耗水强度(0.78**)呈极显著相关性。

图3 花前和花后0~300 cm各土层土壤剖面耗散量

处理同图2。每个生育期数据点上的的误差线代表LSD0.05。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05.

2.4 有机肥替代对饲用玉米干物质积累的影响

有机肥对饲用玉米单株干物质积累量有显著影响(表3), 2017年从拔节期开始FOF单株干物质量均最大, 拔节期至成熟期FOF较F和OF单株干物质量分别增加5.6%和2.7%、13.0%和16.6%、10.1%和10.2%、12.0%和7.9%、4.1%和2.7%, 且拔节期FOF与F、大喇叭口期至乳熟期FOF与F和OF均差异显著(<0.05); 2018年拔节期至成熟期FOF较F和OF单株干物质量分别增加11.1%和3.2%、15.7%和11.0%、8.7%和9.9%、5.5%和7.3%、5.9%和7.4%,大喇叭口期至成熟期FOF与F和OF均差异显著(<0.05); 2019年拔节期至成熟期FOF较F和OF单株干物质量分别增加12.2%和5.3%、14.1%和15.6%、9.9%和7.0%、14.2%和10.4%、10.4%和11.5%, 拔节期至成熟期FOF与F和OF均差异显著(<0.05)。

图4 花前和花后0~300 cm土层土壤耗水量

处理同图2。每个生育期数据上方的误差线代表LSD0.05。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表1 花前和花后的耗水模系数及耗水强度

处理同图2。WCP: 耗水模系数; DWC: 耗水强度。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. WCP: water consumption percentage; DWC: daily water consumption. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

ET: 耗水量; Pre-ET: 花前耗水量; Post-ET: 花后耗水量; Pre-WCP: 前耗水模系数; Post-WCP:花后耗水模系数; Post-DWC: 花前耗水强度; Post-DWC: 花后耗水强度。*,**表示在0.05和0.01水平差异显著。

ET: evapotranspiration; Pre-ET: pre-flowering of evapotranspiration; Post-ET: post-flowering of evapotranspiration; Pre-WCP: pre-flowering of water consumption percentage; Post-WCP: post-flowering of water consumption percentage; Pre-DWC: pre-flowering of daily water consumption; Post-DWC: post-flowering of daily water consumption.*and**represent significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

处理同图2。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

2.5 有机肥替代对饲用玉米籽粒产量、生物量和水分利用效率的影响

不同有机肥替代量对饲用玉米籽粒产量、生物量、耗水量及水分利用效率(WUE)有显著影响(表4), FOF显著增加了饲用玉米籽粒产量, 3年FOF较F和OF分别增加9.4%和12.0%、3.8%和11.6%、8.2%和10.1%, 2017年和2019年FOF与F和OF均差异显著(<0.05), 2018年FOF与OF差异显著(<0.05)。群体生物量与籽粒产量表现基本一致, 3年生物量分别增加8.2%和3.1%、5.6%和6.9%、8.9%和15.5%, 且在3年均与F和OF差异显著(<0.05)。2017年0~300 cm土层土壤耗水量FOF较F和OF增加1.4%和10.3% (<0.05), 2018年降低6.6% (<0.05)和2.7%, 2019年较F降低1.1%, 而较OF增加1.3%。籽粒WUE三年均较F和OF提高, 2017年提高7.9% (<0.05)和1.5%, 2018年和2019年分别提高11.1%和14.6%、9.4%和8.8%, 且差异均显著(<0.05)。生物量WUE 2017年FOF较F提高6.7%, 而较OF降低6.5%, 差异显著(<0.05), 2018年和2019年分别提高13.1%和9.8%、10.1%和14.0%, 且差异均显著(<0.05)。对以上饲用玉米指标的相关性分析结果表明(表5), 饲用玉米籽粒产量与生物量(0.99**)、生育期总耗水量(0.93**)、籽粒WUE (0.99**),生物量WUE (0.91**)均呈极显著正相关。

表4 饲用玉米籽粒产量、生物量、耗水量及水分利用效率

处理同图2。WUE: 水分利用效率。每个处理数据上方的误差线代表LSD0.05。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. WUE: water use efficiency. In each growing season, values followed by different letters within a column are significantly different among treatments at< 0.05.

表5 饲用玉米籽粒产量、生物量、耗水量及水分利用效率之间的相关性

缩写同表4。*,**表示在0.05和0.01水平显著相关。

Abbreviations are the same as those given in Table 4.*and**represent significant differences at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

3 讨论

3.1 立式深旋耕作方式下有机肥替代对饲用玉米农田土壤耗水特性的影响

合理施用有机肥有利于改善耕层土壤水分状况,是提高旱地作物水分利用的关键[23]。由于长时期单施化肥使土壤容重增加, 田间持水量降低, 导致土壤耕层易板结, 不利于透气渗水[24], 而施用有机肥可抑制土壤水分蒸发, 增加降水入渗, 提高土壤贮水量[6], 尤其在黄土高原地区, 长期施用有机肥是改良地力的最有效途径[25]。研究表明, 增施有机肥能够提高表层0~60 cm土壤含水量, 增加深层土壤贮水消耗[11], 降低花前耗水6.3%, 增加花后耗水29.7%[26], 总耗水量提高1.5%~5.1%, 显著调节作物耗水过程, 起到“以肥调水”的作用[22]。本试验结果中, 在降雨量较少的干旱年份, 有机肥替代50%化肥和有机肥替代全部化肥提高了花期0~300 cm土层土壤贮水量11.9%和11.7%, 0~60 cm各土层土壤贮水增加量均表现为有机肥替代全部化肥>有机肥替代50%化肥>单施化肥。可见, 半干旱区立式深旋耕方式下, 有机肥替代化肥改善了干旱年份土壤水分环境, 提高了干旱年份饲用玉米花前根层有效贮水, 使干旱期土壤水分对饲用玉米胁迫有显著降低作用, 这和前人研究结果一致[6,22]。

本研究中, 在干旱年, 0~300 cm土层土壤总耗水量有机肥替代50%化肥较单施化肥和有机肥替代全部化肥增加1.4%和10.3%, 较单施化肥降低了花前耗水量13.0%, 较有机肥替代全部化肥增加0.3%, 分别增加花后耗水量20.7%和23.9%, 说明有机肥替代调控了土壤水分的消耗, 并且有机肥替代50%化肥显著调控了干旱欠水年饲用玉米花前和花后耗水, 降低花前耗水, 增加了花后耗水。可见, 在半干旱区干旱年份, 立式深旋耕方式下施用有机肥通过降低饲用玉米生长前期土壤水分的消耗, 为饲用玉米花后生长关键期贮存较多的土壤水分, 为产量的提高提供了有利的土壤水分条件。但是在丰水年2年结果略有不同, 2018年有机肥替代50%化肥和有机肥替代全部化肥显著增加了花前耗水量, 同时显著降低了花后耗水量, 2019年有机肥替代50%化肥较单施化肥和有机肥替代全部化肥显著增加花前耗水量, 而花后耗水量较单施化肥显著降低, 与有机肥替代全部化肥无显著性差异, 和前人在马铃薯上的研究结果也不一致[22], 可能与不同年份降水分配、不同的作物耗水规律、耗水量及其降水量有关。本研究结果还表明, 有机肥替代还影响了不同降水年份耗水模系数及耗水强度, 提高了饲用玉米干旱年花前和丰水年花后耗水模系数及耗水强度, 进一步说明了有机肥替代调节了饲用玉米农田耗水进程, 能够调控水分合理分配与利用, 使其有利于饲用玉米生长和水分的高效利用。综上可知, 有机肥替代50%化肥增加了饲用玉米对土壤深层贮水的利用, 降低了土壤水分胁迫, 调节了饲用玉米耗水过程, 起到“以肥调水”的作用。

3.2 立式深旋耕作方式下有机肥替代对饲用玉米产量的影响

立式深旋耕技术能够显著改善耕层土壤结构性状[14-17], 有机肥施用能够增强土壤蓄水性[22-24], 两者均有利于作物产量和水分利用效率提高[18-21]。前人在小麦上的研究结果表明, 有机无机肥配施产量和水分利用效率表现最为突出[27], 较相同施肥量下的单施化肥增产6.8%[28], 较单施无机肥产量提升1.2%~12.7%[29], 说明在适宜耕作方式条件下, 合理的有机肥与无机肥配施, 既能提高作物产量, 还能提高WUE, 是实现作物高产高效和资源可持续发展的有效施肥模式。本研究结果显示, 3年0~300 cm土层土壤总耗水量有机肥替代50%化肥在干旱年高于单施化肥(但无显著性差异), 在两丰水年均低于单施化肥耗水量, 且与有机肥替代全部化肥无显著性差异。但无论何种降水年份, 较单施化肥和有机肥替代全部化肥, 有机肥替代50%化肥都增加了饲用玉米单株干物质的量, 成熟期3年分别增加4.1%和2.7%、5.9%和7.4%、10.4%和11.5%, 充分说明在本试验条件下, 有机肥替代50%化肥能够促进饲用玉米干物质量积累, 有利于籽粒产量和生物量的提高, 而籽粒和生物量的结果也表明, 有机肥替代50%化肥显著增加了饲用玉米籽粒产量, 3年籽粒产量分别增加9.4%和12.0%、3.8%和11.6%、8.2%和10.1%, 生物量分别增加8.2%和3.1%、5.6%和6.9%、8.9%和15.5%, 籽粒水分利用效率提高7.9%和1.5%、11.1%和14.6%、9.4%和8.8%, 由于耗水量的差异, 生物量水分利用效率在干旱年份较单施化肥提高6.7%, 而较有机肥替代全部化肥降低6.5%, 丰水年提高13.1%和9.8%、10.1%和14.0%。可见, 在立式深旋耕饲用玉米生育期耗水量并未显著增加(丰水年降低)的条件下, 50%有机肥替代化肥模式增强了对土壤有限水分消耗的有效性, 利用较低的土壤水分消耗, 较单施化肥和有机肥替代全部化肥增加了饲用玉米单株干物质量积累, 进一步提高了生物量、籽粒产量和土壤水分利用效率。

4 结论

在黄土高原旱作农业区, 立式深旋耕方式下有机肥替代50%化肥模式优化了土壤的水分特性, 增加了土壤有效耗水, 提高了籽粒产量、生物量和WUE。研究认为该模式增产增效的主要原因: 一是能够增加干旱年份花期0~300 cm土层土壤贮水量, 还能够显著调节作物耗水过程, 尤其对花前和花后0~60 cm土层土壤贮水量消耗影响显著, 较单施化肥模式总耗水量差异不显著或者降低的情况下, 在干旱年降低花前耗水, 增加花后耗水, 在丰水年增加花前耗水量, 降低花后耗水量, 起到了“以肥调水, 以水促肥”的作用; 二是无论何种降水年份, 饲用玉米拔节后干物质积累量具有明显优势, 有利于籽粒产量和生物量的提高, 提高了籽粒水分利用效率。可见, 该模式在黄土高原半干旱旱作农业区能够使饲用玉米增产增效, 具有推广应用价值。

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Effects of substitution of organic fertilizer on water consumption and yields under vertical rotary subsoiling on arid area in forage maize

FANG Yan-Jie, ZHANG Xu-Cheng*, YU Xian-Feng, HOU Hui-Zhi, WANG Hong-Li, MA Yi-Fan, ZHANG Guo-Ping, and LEI Kang-Ning

Institute of Dry-Land Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High-Water Utilization on Dryland of Lanzhou, Lanzhou 730070, Gansu, China

To elucidate soil water consumption characteristics and provide scientific basis for forage maize, a reasonable fertilization model under vertical rotatory subsoiling was studied on semi-arid lands of Loess Plateau. Three patterns including traditional fertilization (F), 50% replacement of chemical fertilizers using organic fertilizers (FOF), and complete organic fertilization (OF) were designed in 2017 and 2019 in order to investigate their effects on crop evapotranspiartion (ETc), grain yields, and water use efficiency (WUE). The results showed that there was a significant relationship among soil water storage (SWS), ETc, precipitation, and distribution in 0–300 cm layers. During the dry year, compared to F, FOF and OF increased SWS in 0–300 cm at anthesis stage by 11.9% and 11.7%, respectively, significantly consuming SWS in 0–60 cm layers. ETc in 0–300 cm treated with FOF was increased by 1.4% and 10.3%, compared to OF and F, whereas ETc before anthesis was decreased by 13.0% compared to F, but increased by 0.3% compared to OF, while ETc after anthesis was increased by 20.7% and 23.9%. During the wet year of 2018, compared to F, FOF and OF increased ETc before anthesis by 13.5% and 31.6%, while decreased it by 21.9% and 36.1%. During 2019, FOF increased ETc before anthesis by 9.7% and 11.9%, compared to F and OF, while it decreased ETc after anthesis by 8.1% compared to F. Furthermore, each fertilization pattern had significant effects on SWS at each layer across 0–300 soil profile. Regardless of different precipitation years, ETc from 0–300 cm layers of FOF was higher than that of F, but the difference was not significant, and was lower than that of F during the wet years of 2018 and 2019, and it had no significant differences to OF. Compared to F and OF, FOF increased dry matter weight at harvest by 4.1%–10.4% and 2.7%–11.5%, improved grain yields by 3.8%–9.4% and 10.1%–12.0%, increased population biomass yields by 5.6%–8.9% and 3.1%–15.5%, and consequently improved WUE based grain yields by 7.9%–11.1% and 1.5%–14.6%, respectively. In conclusion, 50% substitute of chemical fertilizers by organic ones could optimize soil water characteristics, increase crop effective water consumption, boosts yields and WUE, and it can be an efficient fertilizer management model for the high-yield and high-efficiency of forage maize productions in semi-arid areas of Loess Plateau.

vertically rotary sub-soiling; substitution of organic fertilizer; yield; water use efficiency; forage maize

本研究由甘肃省重点研发计划项目(18YF1WA092), 甘肃省农业科学院农业科技创新专项计划(2019GAAS10)和国家科技支撑计划项目(2015BAD22B04)资助。

This study was supported by the Key Research and Development Program of Gansu Province (18YF1WA092), the Agricultural Science and Technology Innovation Program of GAAS(2019GAAS10), and the National Science and Technology Research Projects of China(2015BAD22B04).

张绪成, E-mail: gszhangxuch@163.com, Tel: 0931-7614864

E-mail: fangyj82@126.com

2020-05-09;

2020-08-19;

2020-08-28.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200828.1334.004.html

10.3724/SP.J.1006.2020.03026