山西典型旱地玉米产量及水分利用效率对长期不同施肥模式的响应

刘志平,马晓楠,解文艳,杨振兴,周怀平,徐明岗,2

(1.山西农业大学资源环境学院,省部共建有机旱作农业国家重点实验室(筹),山西 太原 030031;2.山西农业大学生态环境产业技术研究院,山西 太原 030031)

旱区面积占我国国土面积的52%[1],水资源不足和土壤肥力低下是限制旱区农业发展的主要因素。降水是中国北方旱作农业区的主要水资源[2],但由于降水时空分布不均、降水期与作物需水期错位的季节性水分亏缺等原因[3-4],缺水严重制约着干旱和半干旱地区的农业生产。旱区农业的宗旨是最大限度储存土壤水分,减少无效蒸发,充分利用有限的降水来保障作物的生长[5-6]。山西省地处黄土高原东部,境内大部分地区被深厚的黄土覆盖,旱地面积占耕地总面积的79.4%,是中国北方典型的旱作农业区。该地区年降水总量不足且年内分布不均,年际变化大,干旱频繁发生,导致农业生产波动较大。如何有效利用深厚黄土的蓄水能力,调节水分平衡供给,同时持续利用自然降水资源,稳定提高作物产量,是山西旱作农业发展亟待解决的关键问题。

玉米是山西旱区的主要粮食作物之一,据统计,2021年全省玉米种植面积为1.8×106hm2,占粮食播种面积的56.5%;玉米总产量约8.0×109kg,占全省粮食总产量的2/3。山西省褐土农田玉米的平均产量为5 250 kg·hm-2,而高产记录达到18 000 kg·hm-2,造成产量差异如此大的主要原因便是“水”和“肥”的不同[7]。作物水分利用效率是影响玉米产量的重要因素,也是反映玉米经济产量与水分耗散之间关系的重要指标[8-9],提高水分利用效率的技术措施有集雨种植[10-11]、抑蒸减耗(地膜覆盖、秸秆覆盖、填闲作物覆盖)[12-14]、深松耕作[15]等。此外,研究表明,有机物料的投入可以改善土壤团聚体结构,抑制土壤水分的蒸发,增加土壤的持水性能[16];施用有机肥可将作物水分利用效率提高6%～30%[17],起到“以肥调水,以水促肥”的作用。可见,提升土壤有机质含量对于提高玉米产量和土壤蓄水能力意义重大。有研究发现,长期过量施用化肥会造成养分分布不均、土壤酸化板结等问题[18];而有机无机配施可以有效缓解这些现象,促进作物增产[19-20]。因此,合理施肥是培肥土壤、提高旱地作物水分利用的主要途径[21-22]。目前,旱地水分利用效率与施肥关系的研究以短期试验居多,关于长期不同有机肥和无机肥施肥模式下作物产量和水分利用效率变化的研究尚不多见。

水肥耦合的长期定位试验结果有助于更科学、准确地研究水分利用效率与施肥措施、土壤肥力之间的关系。因此,本研究基于30 a的长期定位施肥试验,观测和分析了化肥和有机肥不同配施比例对旱地春玉米产量和水分利用效率的影响,探讨水分利用效率与地力的关系,为提高旱地玉米产量和农田水分利用效率、制定合理的施肥方案提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于1992—2021年在山西省晋中市寿阳县宗艾镇国家农业环境寿阳观测试验站(113°06′38″E,37°58′23″N)进行。该区属于半湿润偏旱区,多年平均降水量518.3 mm,年蒸发量约为1 600.0 mm;土壤类型为褐土性土,系统分类为简育干润雏形土[23]。土壤质地为轻壤,总孔隙度为50%左右,以砂粒和粉粒为主,试验地土壤剖面物理性质见表1。试验开始前耕层(0～20 cm)土壤主要化学性质:土壤有机质含量23.5 g·kg-1,全氮含量1.07 g·kg-1,全磷含量0.79 g·kg-1,碱解氮含量106.4 mg·kg-1,有效磷含量4.97 mg·kg-1,速效钾含量117.2 mg·kg-1,pH 8.4。试验地土壤相关化学性质和生物性质见本团队相关论文[24-25]。

1.2 试验设计

试验采用氮、磷、有机肥三因素四水平正交试验,另设不施肥和高量单施有机肥,共18个处理,本研究选择其中9个处理进行分析,分别为:不施肥(N0P0M0),单施化肥(N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0),化肥有机肥配施(N2P1M1、N4P2M2、N3P2M3)和单施高量有机肥(N0P0M6)。供试氮肥为尿素(N 46%),磷肥为过磷酸钙(P2O516%),有机肥为堆沤腐熟牛粪(有机质90.5～127.3 g·kg-1、全氮3.93～4.97 g·kg-1、全磷1.37～1.46 g·kg-1、全钾14.1～34.3 g·kg-1),各处理具体施肥量见表2。每个处理3个重复,共27个小区,小区面积为66.7 m2。种植作物为春玉米(每年大约4月下旬播种,10月上旬收获),一年一熟。研究选取2019—2021年进行分析,3个年份生育期(5—9月)降水量分别为198.9、413.0 mm和427.5 mm,参考干燥指数法[26],结合当年年降水情况,将这3年分别划分为欠水年、平水年和丰水年。3年逐月、生育期及全年降水量见图1。

表1 试验地土壤剖面的物理性质

表2 不同施肥处理及其施肥量

1.3 测定项目和方法

1.3.1 土壤贮水量和生育期耗水量 2019—2021年,每年玉米播种前和收获后,用土钻按“S”形采集各小区样地0～200 cm土层(每20 cm为一层)土壤样品,每层取5点为一个混合土样,用烘干法测定土壤含水率,土壤贮水量和生育期耗水量计算公式如下:

SWS=Wi×Di×Hi×10/100

(1)

ET=W1-W2+P

(2)

式中,SWS为土壤贮水量(mm),Wi为土壤质量含水率(%),Di为第i层土壤容重(g·cm-3),Hi为土层深度(cm);ET为生育期耗水量(mm),W1为播前土壤贮水量(mm),W2为收获后土壤贮水量(mm),P为生育期降水量(mm)。耗水量及贮水量以2 m土体计算。

图1 2019 —2021 年降水量

1.3.2 玉米产量及产量构成因素 2019—2021年,于每年成熟期,各处理分3个裂区进行样品采集,每个裂区采集20株玉米植株,脱粒后称重,以14%的含水率折算单位面积籽粒产量,同时取样测算穗数、穗粒数和百粒重。各处理3个裂区的测定数据作为试验重复。

1.3.3 玉米水分利用效率

WUE=Y/ET

(3)

式中,WUE为水分利用效率(kg·mm-1·hm-2),Y为玉米产量(kg·hm-2),ET为玉米生育期耗水量(mm)。

1.3.4 土壤有机质 2019—2021年,用土钻法采集各小区样地0～20 cm土层土壤样品,风干后用重铬酸钾容量法[27]测定土壤有机质含量。

1.4 数据统计

使用Excel进行数据整理,采用SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米产量的影响

由图2可知,各处理3年玉米平均产量范围为5 080.7～10 223.6 kg·hm-2,施肥普遍提高了玉米产量。随着化肥施用量的增加,单施化肥的4个处理(N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0)玉米产量呈先增加后降低的趋势,3年均为N2P2M0处理最高;2020年,N2P2M0处理玉米产量显著高于其余3个处理。与单施化肥处理相比,有机无机配施(N2P1M1、N4P2M2、N3P2M3)均显著增加了玉米产量(P<0.05),各年平均增产量分别为2 104.95、2 308.59 kg·hm-2和2 915.22 kg·hm-2,平均增产率分别为38.8%、28.3%和31.0%。单施高量有机肥处理N0P0M6的玉米产量低于有机无机配施处理(2019年N0P0M6玉米产量显著低于3个有机无机配施处理;2020年和2021年N0P0M6玉米产量显著低于N4P2M2处理),但均高于单施化肥处理。与欠水年(2019年)相比,N0P0M6玉米产量在平水年(2020年)和丰水年(2021年)分别提高53.4%和77.7%。

注:柱上不同小写字母表示同一年份不同施肥处理间差异显著(P<0.05),下同。

不施肥处理(N0P0M0)玉米产量年际变化显著低于其他施肥处理(图3),但其产量最低(图2),即表现为稳产但低产。与单施化肥相比,有机无机配施处理的玉米产量变异系数降低了6.1%,其中,N2P1M1和N3P2M3两处理玉米产量的变异系数显著低于4个单施化肥处理。可见,有机无机配施不仅有利于玉米高产,也能显著提升玉米的稳产性。

2.2 不同施肥处理对玉米产量构成的影响

玉米的产量是由穗数、穗粒数和百粒重3个因素决定的,由表3可知,不同施肥处理下,玉米的穗数、穗粒数和百粒重范围分别为:42 906～55 058穗·hm-2、400～738个和25.1～41.5 g。施肥整体上增加了玉米的穗数、穗粒数及百粒重。与N0P0M0相比,单施化肥处理玉米的穗数、穗粒数和百粒重分别平均增加了10.1%、31.2%和5.5%,有机无机配施及单施高量有机肥处理的玉米穗数、穗粒数和百粒重分别平均增加了16.8%、46.2%和13.1%。与单施化肥相比,有机无机配施及单施高量有机肥处理的玉米穗数、穗粒数和百粒重分别增加了6.1%、11.5%和7.2%。

通过双因素方差分析研究了施肥处理、降水年型及而二者的交互作用对玉米穗数、穗粒数及百粒重的影响(表4),方差分析的模型检验F分别为3790.324,127.49和14.288,Sig.均为0.000,说明所用的模型有统计学意义。结果表明,施肥处理、降水年型及二者的交互作用对玉米的穗数、穗粒数及百粒重均有极显著的影响(P<0.05),三者影响程度顺序为:降水年型>施肥>交互作用。

图3 不同施肥处理玉米产量年际变异系数

2.3 不同施肥处理对玉米水分利用效率的影响

玉米水分利用效率与产量的变化趋势相似(图4),各处理3年平均水分利用效率介于14.7～32.3 kg·mm-1·hm-2,整体而言,施肥可增加玉米的水分利用效率。单施化肥的4个处理下,随着化肥施用量的增加,水分利用效率先增加后降低,N2P2M0最高;2019年和2021年,N2P2M0处理玉米水分利用效率显著高于其他3个处理。有机肥的施入整体上提高了玉米的水分利用效率,与单施化肥处理相比,有机无机配施处理水分利用效率平均增加33.0%。配施处理之间在欠水年无显著差异,平水年和丰水年则为N4P2M2表现较优。

3个年份中,平水年(2020年)各处理玉米平均水分利用效率(34.4 kg·mm-1·hm-2)显著高于欠水年(2019年,21.8 kg·mm-1·hm-2)和丰水年(2021年,21.7 kg·mm-1·hm-2)(P<0.05),说明玉米水分利用效率受降水年型的影响较大,在中等降水年型水分利用效率最高。

表3 不同施肥处理的玉米产量构成

表4 施肥和降水年型对玉米产量构成的影响

2.4 不同施肥处理对土壤有机质含量的影响

由图5可知,随着施肥年限的延长,土壤有机质含量逐年缓慢增加,从2019年到2021年,各处理平均土壤有机质含量增加1.4 g·kg-1。不施肥处理(N0P0M0)土壤有机质含量稳定在20.8 g·kg-1左右,比初始值下降2.7 g·kg-1,显著低于其他处理(P<0.05)。单施化肥处理之间土壤有机质含量在各降水年型差异均不显著。有机无机配施处理平均土壤有机质含量3年分别是单施化肥处理的1.36倍、1.38倍和1.40倍,其中N3P2M3和N4P2M2显著高于单施化肥处理;配施处理间,N3P2M3土壤有机质含量显著高于其他处理。单施高量有机肥处理N0P0M6土壤有机质含量显著高于其他施肥处理(P<0.05),较单施化肥处理3年平均增加76.1%。

图4 2019 —2021 年不同施肥处理对玉米水分利用效率的影响

图5 2019 —2021 年不同施肥处理对土壤有机质含量的影响

表5 水分利用效率与玉米产量、生育期耗水量、土壤贮水量及土壤有机质的皮尔逊相关性

2.5 水分利用效率与玉米产量、耗水量、土壤贮水量及土壤有机质的相关关系

由皮尔逊相关性分析(表5)可知,玉米水分利用效率与产量极显著正相关,与生育期耗水量极显著负相关,与土壤有机质显著正相关。说明在各处理条件下,可通过增加玉米产量和降低生育期耗水量提升作物对水分的吸收利用效率;增加土壤有机质含量也对提高玉米水分利用效率有积极影响。收获后土壤贮水量与玉米产量和生育期耗水量极显著正相关,说明旱地土壤贮水量可以很好反映作物产量产出。此外,玉米产量与土壤有机质显著正相关,说明土壤有机质含量的增加对提高产量有重要的作用。

2.6 水分利用效率的地力贡献率

土壤有机质是土壤肥力及地力的核心和综合指标,水分利用效率随土壤有机质含量的变化特征一定程度上可明确水分利用效率的地力贡献率(图6),图中斜率为有机质提升1个单位水分利用效率的增加量。由图6可知,随土壤有机质含量增加,玉米水分利用效率呈先快速增加后平稳上升的变化趋势。水分利用效率随土壤有机质含量增加可用分段式线性方程较好拟合。在土壤有机质含量小于25 g·kg-1的低肥力阶段,水分利用效率的地力贡献率为2.91 kg·mm-1·hm-2;在土壤有机质含量大于25 g·kg-1的高肥力阶段,水分利用效率的地力贡献率为0.35 kg·mm-1·hm-2。说明在高肥力阶段,玉米水分利用效率的地力贡献力降低,符合报酬递减规律。

图6 玉米水分利用效率与土壤有机质含量的关系

3 讨 论

3.1 不同施肥方式对玉米产量的影响

化肥是一种速效肥,可以为玉米生育前期的生长提供充足的养分,但产量并非随着氮磷化肥施用量的增加无限增加。林治安等[28]通过长期施肥定位试验发现,施用化肥可增加作物产量,产量达到一定水平后,增加施肥量无法继续提高玉米产量。王兴仁等[29]在石灰性潮土上的研究也表明,适量施用化肥能协调土壤对作物的养分供应,有利于作物增产,而过量施肥则会降低作物产量。本研究中,不施用有机肥时,玉米产量随氮磷化肥施用量的增加呈先升高后降低的趋势,各降水年型均为N2P2M0处理表现最好,即氮、磷施用量分别为120 kg·hm-2和75 kg·hm-2时玉米产量最高,超过这个用量,产量有所降低,玉米穗数、穗粒数及百粒重也不同程度降低,这与前人的研究结果相同;可能是因为氮磷养分的投入超过玉米正常生长需求后,会影响土壤养分的分布,破坏作物生长环境,从而影响玉米的产量[19]。另外,旱区春季较为干旱,土壤水分含量较低,施用过多肥料易出现“烧苗”现象;而玉米生育中期降雨充足,肥料过多又会使植株生长过快、易倒伏,养分无效消耗严重又造成灌浆期脱肥,从而降低玉米产量。

有研究表明,有机无机合理配施可以弥补单施化肥后期肥力不足的缺点,有效改善土壤物理性状,提升土壤贮水能力,提升土壤肥力[30-31]。樊廷录等[7]在黄土高原旱地研究表明,厩肥与化肥配施条件下玉米增产效果明显;胡庆兰等[32]在栗钙土农田上的研究发现,有机无机肥配施处理玉米产量均高于单施化肥处理。张雅蓉等[33]在黄壤农田上的长期定位施肥研究也表明有机无机肥配施有利于维持玉米高产稳产。本研究中,有机无机配施处理玉米产量及其构成因素(穗数、穗粒数及百粒重)显著高于单施化肥处理,且配施处理稳产性最佳,这与前人的研究结果一致[7]。本研究还发现,单施高量有机肥处理的玉米产量优于单施化肥处理,但不及有机无机配施处理。周宝库等[34]的试验结果也表明,有机肥对作物产量的贡献率低于化肥,单施有机肥不能使产量保持在最高水平上。究其原因,可能是有机肥为缓效肥,无法快速释放,难以满足玉米前期生长所需养分;而其在玉米发育后期持续释放,又易造成农作物贪青和晚熟,影响养分向籽粒转运,限制玉米产量的进一步提高[35]。综上可知,有机无机肥配施是玉米高产稳产最有效的施肥方式。

此外,本研究发现,玉米产量还受降水年型的影响,各处理玉米平均产量表现为丰水年>平水年>欠水年,说明充足的降水是提高玉米产量的先决条件。3种降水年型下,与单施化肥处理相比,有机无机配施处理均显著提高了玉米产量,平均增幅为32.7%,进一步说明了有机无机肥配施是旱区农业重要的施肥方式。

3.2 不同施肥方式对玉米水分利用效率的影响

本研究中,长期不同施肥处理对玉米水分利用效率的影响与其对产量的影响趋势大致相同,且产量与水分利用效率呈显著正相关,这与前人研究结果一致[36]。尽管施肥可以提高水分利用效率,但是单施过量化肥,玉米生育前期耗水增加,容易造成其生殖生长期土壤脱水、脱肥,灌浆期干物质积累量降低,影响植株对水分的吸收和利用;而有机无机配施能有效协调作物耗水量与籽粒产量的关系,稳定提高玉米的水分利用效率[37]。陈倩等[20]在黄土高原干旱半干旱区的研究表明,有机无机肥合理配施可以增加土壤有机质含量,改善土壤水分状况,从而提高玉米水分利用效率。范铭等[38]研究发现,有机无机肥配施能显著改善土壤理化性质,提高玉米产量和水分利用效率。本研究也表明,有机无机肥配施处理能提高玉米的水分利用效率,其较单施化肥处理3年平均增加了33.0%。说明在干旱半干旱地区的农业生产中,有机无机配施对于蓄水保墒和提高水分利用效率具有重要意义。

除了受施肥因素影响,作物水分利用效率还与降水年型密切相关[7, 39]。本研究中,不同降水年型之间玉米生育期耗水量和收获后2 m土体土壤贮水量均差异显著,玉米生育期耗水量表现为平水年>欠水年>丰水年,收获后2 m土体土壤贮水量表现为丰水年>平水年>欠水年。各处理玉米平均产量表现为丰水年>正常年>欠水年,而平均水分利用效率表现为平水年>欠水年>丰水年。丰水年玉米产量最高、水分利用效率最低,可能是因为尽管充足降水是保障玉米产量的先决条件,但降水过多会增加土壤入渗及水分的无效蒸发,从而导致作物水分利用效率降低;平水年玉米产量居中,但耗水量最低,因此水分利用效率最高;欠水年产量最低,耗水量也低,其水分利用效率与丰水年持平。此外,有研究表明,在底墒较好、降水充足的年份,施肥是玉米水分利用效率的重要限制因子;在底墒较好的偏旱年或底墒很差的丰水年,施肥对作物水分利用效率的增加作用不明显,有时反而会出现负效应[40]。本研究3个降水年型下,施肥对水分利用效率的影响表现出了大致相同的规律,均对增加玉米水分利用效率有积极作用。

3.3 水分利用效率的地力贡献率

土壤有机质是表征土壤肥力的重要指标,施肥可以有效提高土壤有机质的含量[41]。本研究中,不施肥及单施氮磷化肥处理土壤有机质含量较低,有机无机配施及单施高量有机肥处理有机质含量较高,有机肥的施入提高了土壤有机质的含量和玉米的水分利用效率,两者呈现显著正相关关系(R2=0.426*)。在低肥力水平下,随着土壤有机质含量的增加,玉米的水分利用效率也迅速增加;当有机质含量增加到某一拐点时,玉米水分利用效率的增加趋于缓慢。本研究首次用分段式线性方程拟合了水分利用效率对地力(用土壤有机质含量表征)的贡献率。结果表明,有机质含量的拐点为25 g·kg-1,其含量小于25 g·kg-1时,水分利用效率的地力贡献率较高;其含量大于25 g·kg-1时,水分利用效率的地力贡献率降低。这一发现为明确旱区农业生产中水分利用效率的地力贡献率提供了一定科学依据。

4 结 论

1)随着肥料投入量的增加,不同降水年型下,单施氮磷化肥处理玉米产量及其构成因素(穗数、穗粒数及百粒重)均为先增加后降低的趋势,其中,N2P2M0处理表现最优,即氮、磷施用量分别为120 kg·hm-2和75 kg·hm-2。与单施化肥相比,有机无机肥配施处理玉米平均增产32.7%,产量变异系数下降了6.1%,是玉米高产稳产的最佳施肥模式。

2)水分利用效率对施肥措施的响应与玉米产量表现出相同的趋势,与单施氮磷化肥相比,有机无机配施处理水分利用效率增加33.0%。

3)水分利用效率与玉米产量和土壤有机质含量呈显著正相关关系,与生育期耗水量呈极显著负相关关系。当土壤有机质含量大于25 g·kg-1时,水分利用效率的地力贡献力降低。