玉米免免耕灌溉农田土壤耕作效果研究

玉米免免耕灌溉农田土壤耕作效果研究

0对农业的影响及对耕作技术的需求硝氮的渗透是氮素损失的重要通道。硝基氮的使用和硝基氮的渗透引起的地下水污染非常重视。目前中国地下水硝酸盐污染非常严重,而农田土壤硝酸盐的淋失被认为是造成地下水硝酸盐污染的主要原因。随着氮肥用量的不断增加和农田灌溉条件的改善,淋溶问题越来越突出。硝态氮的淋溶受多种因素影响,土壤耕作也是其中影响因素之一。华北地区是中国重要的粮食生产基地,冬小麦夏玉米一年两熟是本地区主要的种植方式。以铧式犁翻耕是其传统的土壤耕作方式,在当今水资源短缺及农业生产成本越来越高的情况下,这种传统的耕作制度暴露出明显的弊病,因此,具有保水、保土、保护环境的少免耕耕作技术受到人们的关注。以前的研究多集中于旱区,故研究适合该区自然条件及发展要求的耕作体系已成为迫切的要求。为了探索少免耕耕作体系在北方一年两熟灌溉地区的适应性,开展了本项试验研究,主要探讨少免耕耕作体系对作物产量、作物水分利用效率、土壤储水量和土壤硝态氮含量的影响。1材料和方法1.1光照、光照指标试验地点设在山东龙口市中村镇中村村,属温带季风气候区。试验区年降水量600mm左右,主要集中在6～9月,占全年降水总量的70%左右;春季占全年降水总量的11.9%,夏季占59.9%,秋季占21.1%,冬季占3.3%。年平均气温12.2℃,全年日照总时数2794.2h,无霜期190d,太阳总辐射量127.8kJ·cm-2,≥0℃年活动积温4444.7℃,≥10℃年积温3951.3℃,≥0℃生理辐射54.6kJ·cm-2,年最高气温37℃,年最低气温-16℃。光照充足,温度适宜,雨热同季。1.2小麦生育期7月7日试验地供试土壤为棕壤,种植制度为冬小麦/夏玉米,小麦品种为烟农15,基本苗密度181.27万株·hm-2,10月7日播种;玉米品种为郑单958,密度6.14万株·hm-2,麦收前15天(6月3日)套播。试验地基础土壤肥力如下:本试验设置5种耕作措施:1)常规耕作无秸秆还田(简称“常无”),作业程序为:施底肥→缺口圆盘耙灭茬→铧式犁翻耕(耕深25cm)→旋耕机旋耕→筑埂打畦→机播下种。2)常规耕作秸秆还田(简称“常还”),作业程序为:秸秆粉碎→施底肥→缺口圆盘耙灭茬→铧式犁翻耕(耕深25cm)→旋耕机旋耕→筑埂打畦→机播下种。3)旋耕秸秆还田(简称“旋还”),作业程序为:秸秆粉碎→施底肥→旋耕机旋耕(耕深14cm)→筑埂打畦→机播下种。4)耙耕秸秆还田(简称“耙还”),作业程序为:秸秆粉碎→施底肥→缺口圆盘耙耙地(耙深10cm)→筑埂打畦→机播下种。5)免耕秸秆覆盖(简称“免覆”),作业程序为:秸秆粉碎→秸秆收拢→施底肥→机播下种→秸秆覆盖。以上处理小麦生育期间用氮肥为尿素,折纯氮用量为240kg/hm2,磷肥为过磷酸钙,折合P2O5为105kg/hm2,钾肥为氯化钾,折合K2O为135kg/hm2,磷、钾肥全部作为底肥一次性施入,氮肥分底施(1/2用量)和拔节期追施(1/2用量)两次施用;底肥在土壤耕作时施用,并在播种后立即灌溉;拔节肥结合拔节水施用。玉米生育期间用肥为氮磷钾三元复合肥(氮磷钾含量各为15%、10%、20%),用量750kg/hm2,套播时施用。试验小区面积4.5×30m2,3次重复,设有保护区,南北向种植。农田灌溉采用低压管道输水畦灌的方法,在小麦生育期间,于播种后(10月7日)、越冬期(12月15日)、拔节期(4月20日)分别灌溉,同时为保证夏玉米套播时的墒情,在小麦灌浆末期即玉米套播后(6月3日)立即灌溉,灌水量为每次每处理75mm。在玉米生长发育时期主要利用自然降水,不进行灌溉。1.3土壤硝态氮含量的测定土壤水分含量测定采用土钻取土烘干法,采样深度为1m,分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm5个层次;土壤硝态氮含量的测定采用流动分析仪测定;容重用环刀法测定;冬小麦与夏玉米分别于收获时进行田间测产,重复3次。1.4作物耗水量计算根据澳大利亚学者PhilipJR提出的SPAC理论,作物耗水量用农田水分平衡法计算。一般情况下,农田水分平衡方程式可写为:式中ΔW——作物生育期间土壤储水变化量,即土壤贮水消耗量;P——该时段降水量,mm;U——地下水通过毛管作用上移补给作物水量,mm;R——地表径流量,mm;F——补给地下水量,mm;ETα——作物生育期耗水量,mm,包括植株蒸腾量与植株间地表蒸发量;I——灌溉用水量,mm。根据试验地自然条件,地势平坦,可视地表径流为零;地下水埋深4m以下,可视为地下水补给量为零;降水入渗深度不超过2m,可视深层渗漏为零,R、U、F可忽略不计。所以,(1)式可改写为:根据(2)式计算作物耗水量,符号意义及单位同(1)式。作物水分利用率指作物单位耗水量产出的籽粒产量,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——作物的籽粒产量,kg·hm-2;ETα——作物生育期耗水量,mm。1.5土壤水分贮水量为研究土壤耕作土壤水分利用情况,以百分含量表示土壤湿度,仅是一个相对值,不能反映土壤水分的有效值;而以mm表示的土壤贮水量,则客观地反映了土壤水分的真实值,可以系统地研究不同时段各试验处理的土壤水分利用情况。为此,应用土壤湿度和土壤容重,根据土壤水分贮量公式,可以计算出各时段不同深度的土壤贮水量(表2)。W=0.1×r×v×h式中W——不同深度土壤贮水量,mm;r——土壤相对湿度,%;v——土壤平均容重,g·cm-3;h——土层深度,cm;0.1为换算系数。计算结果见表2。2结果与分析2.1不同处理的土壤表层硝态氮含量土壤耕作因影响土壤矿化和水分运动而影响硝态氮的淋失,通过影响土壤的理化性质和生物环境进而影响硝酸盐在土体表层的积累。耕作增加硝态氮淋失,翻耕土壤硝态氮淋失显著高于免耕。由于不同耕作措施动土程度以及对土壤粉碎程度的不同,所以造成土壤不同层次硝态氮含量的差异。由表2可以看出,在小麦越冬期,0～40cm土层内,由于缺口圆盘耙耕作的土壤地表较其它耕作方式粗糙,所以肥料的混匀程度不及常规耕作处理和旋还处理,耙还处理表层硝态氮含量最高,免覆处理由于不进行土壤耕作,所以在冬前土壤表层硝态氮含量也较高。小麦绝大部分根系集中在0～40cm土层内,在小麦开花期,旋还处理在0～20cm的硝态氮含量仅次于常无处理,20～60cm层次内的硝态氮含量为各个处理的最高值,说明旋还处理有利于表层硝态氮的积累,供应小麦植株较其它处理更多的氮素。在60～100cm层次中,少耕处理硝态氮含量明显低于常规耕作的两种处理,说明少耕处理有利于减少氮肥的淋溶损失。免覆处理各个层次的硝态氮含量一直为各个处理最低值,由于不进行土壤耕作,虽然施肥后立即浇水加之秸秆覆盖,但氮肥的氨挥发损失也不可忽视,这也是本试验免耕覆盖处理土壤硝态氮含量较低的一个原因。在玉米收获期,0～40cm土壤层次内硝态氮含量仍为耙还和旋还两种少耕处理最高,在40～100cm层次内,常还处理硝态氮含量最高,少耕处理的硝态氮含量次之,而常无处理的硝态氮含量较低。进一步说明了少耕处理有利于浅层土壤硝态氮的积累,减少氮肥的淋溶损失,供作物利用。2.2持到冬小麦的土壤利用价值由表3可以看出,在冬小麦开花期少免耕处理的土壤贮水量显著高于常规耕作处理,说明少免耕可抑制冬小麦开花前土壤无效蒸发,把土壤水分保持到冬小麦水分消耗量最多灌浆期利用,有利于小麦籽粒灌浆,提高粒重。在玉米季少免耕耕作方式仍然表现相同的作用,在玉米开花期土壤贮水量高于常规耕作处理,有利于增强植株光合强度,促进养分向果穗中的运输,增加产量。从全年的作物生长季节来看,少免耕耕作方式玉米收获期的土壤贮水量高于小麦播前的土壤贮水量,而常规耕作处理则相反,进一步说明少免耕耕作处理对土壤的蓄水保墒作用,其中以旋耕还田方式最佳。2.3旋耕还田和未来耕作还田方式产量表现在麦季,旋耕还田和耙耕还田两种少耕方式的小麦产量与常规耕作方式无显著差异,免耕覆盖处理产量显著低于其它各种处理,这与免耕覆盖导致春季地温低,回升慢,至使小麦返青拔节推迟,导致后期灌浆期缩短及土壤硝态氮含量低有关。在玉米季,各耕作处理的产量,少免耕处理尤其是旋耕还田处理极显著高于常规耕作处理,旋耕还田和耙耕还田方式要比常规耕作无秸秆还田方式分别增产9.29%和5.27%,免耕处理产量则优于常规耕作处理。全年作物产量,旋还>常还>耙还>常无>免覆,旋耕还田处理产量极显著高于其它各处理,耙耕还田处理产量与常规秸秆还田处理无显著差异,旋耕还田和耙耕还田方式要比常规耕作无秸秆还田方式每公顷分别增产4.59%、820.88kg和1.86%、332.38kg,免耕则减产,故少耕特别是旋耕还田方式在该地区要优于常规耕作和免耕覆盖方式。纵观全年产量,可以看出少耕方式全年作物增产效果主要体现在玉米季上,这一方面与少耕方式能在作物开花后提供较常规耕作方式更多的土壤水分,促进籽粒灌浆,提高粒重,同时提高0～60cm作物根系集中层次的硝态氮含量,保证作物生长对氮素的需求有关;另一方面,也与少免耕可以提高耕作土层有机质和养分含量,改变土壤的物理化学和生物学效应,土壤水肥气热诸因素在一定条件下达到较佳状态有关,所以夏玉米生长发育良好,增产效果明显。2.4农业免耕与耕作方式对作物产量和水分利用效率的影响表5结果表明,在有人工灌溉的条件下,麦季少耕方式作物耗水量略低于常规耕作方式,从水分利用效率来看,旋耕还田和耙耕还田两种耕作方式与常规耕作方式相比差异不显著,免耕则体现不出在旱地农作中的节水效果,其产量和水分利用效率要低于常规耕作方式。在无人工灌溉的玉米季中,少免耕耕作方式能极显著提高作物的水分利用率,旋耕还田方式、耙耕还田方式和免耕覆盖方式与常规耕作无秸秆还田方式相比,水分利用效率分别提高15.68%、10.53%和19.52%。综合小麦玉米两个生长季节看,旋耕还田和耙耕还田两种少耕方式能显著提高作物水分利用效率,以旋耕还田最好,提高幅度达8.56%。3减少耕作方式对作物水分利用效率的影响1)土壤NO-3-N的淋失与土壤水分含量有关,耕作增加硝态氮淋失。在本试验中,同一施肥量和灌溉量的情况下,少耕特别是旋耕还田处理对土壤有较强的蓄水保墒能力,利于土壤0～60cm硝态氮的积累,减少60～100cm土壤的硝态氮含量,有利于作物的吸收利用,减少氮肥对地下环境的污染。2)旋耕还田方式和耙耕还田方式能抑制小麦和玉米开花前土壤水分的无效蒸发,提高土壤在作物生育后期的供水能力。综合全年作物生长季节,少免耕作特别是旋耕还田方式对土壤的蓄水保墒能力最强。在水分利用效率方面,少免耕作方式能显著提高玉米季作物水分利用效率;从全年作物水分利用效率来看,以旋耕还田方式最优。3)旋耕还田和耙耕还田两种少耕处理麦季产量与常规耕作方式无显著差异,但玉米季产量少免耕处理尤其是旋耕还田处理极显著高于常规耕作处理。全年产量旋耕还田和耙耕还田处理高于常无和免覆处理,旋耕还田高于耙耕还田处理。这与在本试验条件下,少耕处理对土壤有较强的蓄水保墒能力,有利于积累作物根系集中层土壤硝态氮含量,为籽粒灌浆提供更多的土壤