王 真,孙 军,杜娅丹,孙 丹,甘海成,牛文全

(1.西北农林科技大学水土保持研究所 杨凌 712100;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100;3.中国科学院水利部水土保持研究所 杨凌 712100)

黄土高原是重要的玉米()生产区,2016年玉米产量为6.11×10t,约占中国谷物总产量的10%。然而,由于地下水较深且资源稀少,大部分农田只能依赖雨水。许多地区年降水量仅200～400 mm,且60%以上的降水集中于6-9月。水资源有限、年际降雨极度不均,以及黄土高原地区严重的土壤蒸发损失限制了农业的发展。据报道,作物需水量与供水量之间严重不平衡,导致玉米和小麦()两种主要谷物的产量很低(分别为2500～3500 kg·hm和1500～3000 kg·hm)。因此,黄土高原急需抑制土壤水分蒸发、增加雨水利用率、提高作物产量的农业措施。

薄膜覆盖能够减少土壤水分蒸发,提高土壤含水率、土壤温度以及作物产量与水分利效率。因此,过去几十年,薄膜覆盖在黄土高原地区得到广泛应用。垄作覆膜即起垄与薄膜覆盖结合的种植方法,不仅可减少土壤水分蒸发,且能有效收集和利用雨水,近些年得到了越来越广泛的应用。Fang 等在黄土高原3年栽培研究中发现,与传统不覆盖相比,垄作覆膜的夏玉米产量在湿润年明显增加13.0%～32.9%,在正常降雨年增加15.5%～35.2%,在干旱年增加27.2%～58.9%。但是,土壤表层较高的水分及温度为微生物提供了适宜的土壤微环境,会导致土壤养分的快速分解和转化。有研究表明,垄作覆膜会加速土壤有机质的分解,导致养分贫瘠。因此,长期来看,对垄作覆膜是否有利于保持土壤可持续的问题应予以更多关注。

近几年,在机械化驱使及秸秆禁烧政策下,秸秆覆盖在夏玉米-冬小麦轮作系统得到广泛应用。例如,秸秆覆盖机可实现秸秆解捆、行间覆盖与薄土盖压一体化作业。秸秆覆盖还田技术操作简单,大大降低了机械和燃料投入,节约劳动力,降低种植成本,降低生产过程中的温室气体排放,能够协同提高经济和环境效益。秸秆覆盖可以减少土壤水分蒸发,保持冬季土壤温度高于传统不覆盖处理,而夏季低于不覆盖处理,更有利于作物生长。秸秆覆盖还田后,能有效防止土壤侵蚀和沙化,尤其在水土流失严重的黄土高原地区。然而,秸秆覆盖在不同地区研究结果不一,并不总是会提高作物产量;但另一方面,秸秆覆盖会提供有机质,提高土壤有机碳含量,因此,秸秆覆盖措施需要进一步研究。

陆地生态系统中,土壤有机碳和土壤氮在碳、氮循环中起着重要作用。随着气候、环境的快速变化,人们对土壤碳、氮库的研究愈加广泛和深入。全球1 m 土层土壤中有机碳含量约为1.505×10kg,占全球陆地碳库的2/3～3/4,甚至超过全球大气层和陆地植被的总碳含量,区域范围内土壤有机碳的微小变化便会导致全球范围的气候变化。另外,土壤氮和有机碳存在耦合关系,氮影响土壤碳固存,土壤有机碳影响氮的矿化、固定和反硝化过程。因此,研究农业措施对土壤碳、氮的影响对提高农业应对气候变化潜力尤为重要。

基于此,本研究以黄土高原夏玉米为研究对象,设置不同覆盖措施,旨在: 1) 研究秸秆覆盖和垄作覆膜对土壤水热状况、土壤有机碳及硝态氮含量、土壤呼吸以及对夏玉米的氮素吸收、地上部干物质积累、作物水分消耗、产量及水分利用效率的影响;2) 揭示黄土高原雨养农业增产节水、减少碳排放的效应机理,最终提出适合半干旱黄土高原雨养农业的覆盖方法。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

图1 2019年和2020年夏玉米生长季日气象数据Fig.1 Daily meteorological data during summer maize growing seasons in 2019 and 2020

1.2 试验设计

试验供试夏玉米品种为‘郑单958’,冬小麦-夏玉米轮作。设置3 种处理: 1)垄作覆膜(RFM): 起垄种植,垄上覆塑料薄膜,垄沟种植玉米,薄膜宽60 cm,厚0.008 mm,垄宽和行距为50 cm;2)传统平作不覆盖(NM): 不起垄,不覆盖薄膜和秸秆,作为对照;3)秸秆覆盖(SM): 平作的基础上,前茬冬小麦留茬20～30 cm,茎秆机械切碎至3～5 cm,在夏玉米播种后进行表面覆盖,覆盖量为4 t·hm。3 种处理均在播种前旋耕,深度为20 cm。

大田试验采取随机区组试验设计,3 种处理各设置3 次重复,共9 个小区,小区面积为5 m×4 m,各小区间隔1.5 m,并用高10 cm 的土埂围起,防止径流,四周设置2 m 保护行。南北走向,完全随机排列。分别于2019年6月12日、2020年6月19日播种,按株距30 cm,行距50 cm 穴播,每穴3 粒种子。播种后撒施磷肥90 kg·hm(过磷酸钙,16% PO),钾肥75 kg·hm(硫酸钾,51% KO)及氮肥170 kg·hm(尿素,含N 46%),磷肥和钾肥一次性施入,氮肥总量的1/3 作为基肥,之后分别于2019年7月15日和2020年7月22日撒施氮肥总量的2/3 追肥。待玉米长出3 片真叶后,按密度75 000 株·hm进行间苗、定苗(各小区每行随机选择两穴为2 株,其余单穴单株)。人工拔除杂草,其他田间管理措施与当地一致,分别于2019年9月30日和2020年10月7日收获。

1.3 测定项目及方法

采用烘干法测定土壤含水率。各小区(RFM于垄沟)使用土钻(直径4.5 cm),于播种期、收获期0～200 cm 土层取样,拔节期和灌浆期0～100 cm 土层取样,间隔10～20 cm,105 ℃ 至烘干。

采用水量平衡原理,ET 计算公式为:

式中: ET 为作物耗水量,mm;为玉米生长季降雨量,mm;为灌溉水量,mm (本研究没有灌溉);为2 m土层以下的深层渗漏量,mm (没有大雨或灌溉,假定其可以忽略不计);为地表径流,mm (每个地块都被田埂包围以防止径流,忽略不计);Δ为播种到收获的土壤水消耗量,mm。

播种后,将曲管地温计(河北省武强红星仪表厂)插入各小区地下5 cm、10 cm,用于及时读取并记录测定土壤呼吸时的土壤温度,各小区分别设置一个测点。各小区将一个内径为10 cm、高8 cm 的PVC 管插入地下5 cm。拔节期开始,每隔10～14 d 于上午9:00-11:00,用土壤呼吸测定仪LI-6400 XT (土壤CO通量系统,CFX-2,PP 系统Hitchin,英国)与呼吸室连接,测定土壤CO排放通量。测量前12 h,清除PVC 管内土壤表面作物残留物。随机选择位置(RFM 为垄沟),自动记录180 s 内呼吸值,设置3 次重复;同时记录地温计读数。

收获后,各处理随机设置3 个取样点(RFM 为垄沟),于0～200 cm 土层取样,间隔10～20 cm。采用重铬酸钾外加热法测定0～20 cm 土壤有机质含量(g·kg),使用连续流动分析仪(Auto Analyzer-Ⅲ)测定土壤硝态氮含量(g·kg)。

在关键生育期各小区随机选取3 株有代表性的植株,按器官分类装入档案袋,105 ℃杀青30 min,后75 ℃至烘干,称干重。收获期植物样磨碎,使用凯氏定氮仪(FOSS 2300 型)测定各器官全氮含量。

植株氮素吸收(PNU,kg·hm)计算如下:

氮素收获指数:

式中:N为植株各器官氮素吸收,g·kg;和分别为籽粒吸收量和总氮素吸收量,g·kg;DW为各器官干重,kg·hm;1000 为转换系数。

收获前各小区划定面积2 m×4 m,成熟后,随机选取15 株玉米,脱粒并风干至含水量的14%,测定百粒重和籽粒总重,根据种植密度、穗粒数计算产量。水分利用效率计算如下:

式中: WUE 为水分利用效率,kg·hm·mm;为 产量,kg·hm。

1.4 数据处理

使用 Excel 2010 软件处理试验数据;采用Origin 2021 作图;用SPSS 22.0 数据处理软件对试验数据进行显著性和相关性分析,ANOVA (F-value)方法进行年际叠加效应分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤含水率(SWC)的影响

覆盖方式显著影响土壤含水率(图2)。2019年播种期,0～20 cm 土 层RFM 处理土壤含水率最高,SM 处理于40～140 cm 土层土壤含水率最高。灌浆期和成熟期,较NM,RFM 提高了表层0～10 cm 土壤含水率;灌浆期RFM 较NM 减少了10～20 cm 土层土壤含水率;SM 比NM 明显提高了拔节期、灌浆期(土 层40～60 cm 除外)和成熟期(10～20 cm 和60～80 cm 除外) 0～80 cm 土层土壤含水率(＜0.05)。2020年,播种期至成熟期,NM 处理土壤水分含量均较低,与NM 相比,SM 和RFM 于拔节期、灌浆期和成熟期0～100 cm 土层土壤含水率分别提高23.8%和15.2%、12.4%和9.8%、10.0%和4.0% (＜0.05)。2020年成熟期SM 于0～80 cm 土层水分含量为15.8%,100～200 cm 土层为15.5%;2019年0～80 cm 土层水分含量为18.2%,100～200 cm 土层为18.9%。与SM相比,2020年整个生长季NM 的0～80 cm 土层(成熟期10～20 cm 和60～80 cm 除外)土壤含水率一直较低。

图2 2019年和2020年不同处理夏玉米不同生育期土壤含水率变化Fig.2 Soil moisture contents at different growth stages of summer maize under different treatments in 2019 and 2020

2.2 不同处理对土壤温度与土壤呼吸速率的影响

与NM 相比,RFM 提高了0～10 cm 土壤温度,而SM 降低了0～10 cm 土壤温度(图3)。2020年,5 cm土壤温度变化受大气温度影响较大,整体变化趋势与最高气温相似;与NM 相比,RFM 显著提高0.5～1.0 ℃,SM 显著降低0.3～0.7 ℃。土壤深度10 cm 温度变化幅度较小,变化趋势与平均气温变化趋势相似,RFM 比NM 显著提高0.2～0.7 ℃ (＜0.05),而SM显著降低0.5～1.0 ℃ (＜0.05)。

图3 2020年夏玉米生长季当地相同日期日气温的变化和不同处理地温及土壤呼吸速率Fig.3 Local daily air temperature for the same date and soil temperature and respiration rate under different treatments during summer maize growing season in 2020

覆盖方式显著影响土壤呼吸速率(图3)。土壤呼吸速率在拔节后期(7月27日)和灌浆后期(9月18日)达到两次峰值。与NM 相比,RFM 显著提高了夏玉米关键生育阶段土壤呼吸速率(＜0.05),拔节前期(7月13日)提高33.7%,拔节后期提高33.0%,开花期(8月9日)提高9.5%,抽丝期(花后14 d,8月22日)提高54.6%,灌浆期(9月7日、9月18日)平均提高57.3%,成熟期(9月30日)提高20.9%;SM 显著降低了夏玉米拔节期、开花期、抽丝期、灌浆期、pth成熟期土壤CO排放速率(＜0.05),与NM 相比,拔节前期降低37.0%,拔节后期降低34.5%,开花期降低43.3%,抽丝期降低39.4%,灌浆期降低36.7%,成熟期降低44.0%。RFM 同步提高土壤温度和土壤呼吸速率,SM 同步降低土壤温度和土壤呼吸速率。

2.3 不同处理对土壤有机碳(SOC)与土壤剖面硝态氮分布的影响

覆盖方式显著影响土壤有机碳含量(图4)。从两年收获期看,2019年,与NM 相比,SM 显著提高0～20 cm 土层SOC 10.0% (＜0.05);RFM 显著降低SOC 4.2% (＜0.05);2020年,SM 较NM 显著提高21.3%(＜0.05);RFM 与NM 差异不显著。从2019年 到2020年总体趋势看,NM对SOC 的影响不显著,RFM降低了土壤0～20 cm 土层SOC;而SM 提高了SOC,年变化速率0.49 g·kg·a。

图4 2019年和2020年不同处理土壤有机碳及硝态氮含量变化Fig.4 Soil organic carbon and soil nitrate nitrogen contents under different mulching treatments in 2019 and 2020

由图4可以看出,与NM 相比,RFM 显著减少土壤剖面硝态氮含量(＜0.05);SM 显著增加浅层0～80 cm 土壤硝态氮含量(＜0.05),而深层土壤硝态氮含量降低。SM 于2019年播种和收获期,土层10～30 cm (54.0 mg·kg和51.2 mg·kg)均出现峰值。两年数据相比,2020年比2019年SM 土壤硝态氮含量显著增加(＜0.05) (除播种期0～20 cm 土层外),NM变化不显著,而RFM 显著减少垄沟土壤硝态氮含量。

2.4 不同处理对植株氮素吸收、地上部干物质积累、作物耗水量、产量及水分利用效率的影响

RFM 和SM 显著提高植物全氮含量,提高了植株氮素吸收量(表1),分别比NM 提高植株氮素吸收量11.3%和37.6% (＜0.05);并将更多的氮素分配给籽粒,使籽粒氮素吸收分别提高13.8%和45.1% (＜0.05),从而提高了植株氮素收获指数。表明作物氮素主要用于籽粒生产,覆盖可以提高籽粒生产力。

RFM 和SM 平均比NM 显著增加地上部干物质积累4.2%和25.4% (＜0.05) (图5),表明植株氮素吸收率的提高显著增加了地上部干物质积累。覆盖对作物水分消耗影响显著(表1),与NM 相比,SM 两年均显著提高了作物耗水量,而RFM 于2019年提高较为显著。RFM 和SM 均提高了作物水分利用效率,平均比NM 提高9.1%和13.0% (＜0.05)。RFM 和SM 提高夏玉米水分利用率和氮素吸收率的同时,提高了籽粒重,最终提高产量,2020年尤为显著,分别比NM 提高9.2%和16.8% (＜0.05)。

表1 2019年和2020年不同处理夏玉米百粒重、产量、吸氮量、氮素收获指数、耗水量及水分利用效率Table 1 100-grain weight,grain yield,nitrogen uptake,nitrogen harvest index,evapotranspiration and water use efficiency of summer maize under different treatments in 2019 and 2020

图5 2019年和2020年不同生育期不同处理夏玉米地上部干物质积累量Fig.5 Dry matter accumulation aboveground of summer maize under different treatments at the jointing stage (S1),tasseling stage(S2),silking stage (S3),grain filling stage (S4) and maturity (S5) in 2019 and 2020

3 讨论

水资源短缺是限制黄土高原地区农业可持续发展的重要因素。据报道,由于土壤水蒸发与径流,造成降水量的70%损失,仅25%～30%可被作物吸收利用。覆盖可以通过抑制土壤水蒸发保护土壤水分,进而提高土壤含水率,被视为有效的农业措施。本研究2年试验发现,起垄覆盖薄膜(RFM)增加了土壤表层(0～10 cm)土壤含水量。可能是因为垄脊覆盖薄膜使得雨水顺势流入垄沟,有效收集了浅层雨水,在一定时间内RFM 的表层土壤含水量高于NM (平作无覆盖);而对于平作覆盖秸秆(SM),耕作降低了土壤容重,提高了土壤孔隙度,进而增加了水分入渗,而SM 又抑制了土壤水分蒸发,使得土壤含水量高于NM。2019年灌浆期RFM 较NM 减少了10～20 cm 土层土壤含水量,可能是在降雨不足、土壤水分相差不大时,RFM 增加了作物耗水量(表1),更多的土壤水分被作物吸收利用。玉米生长季5-6月试验地降雨量较少(图1),植株生长消耗了大量土壤水分,导致土壤水分损失;NM 地表没有覆盖,暴露在阳光下,蒸发损失严重,而SM 大大减少了土壤水分蒸发,增加了早期水分渗入土壤;7-8月,降雨增加(图1),但是植株叶面积增加,阻拦大量降雨进入土壤。因此,与SM 相比,整个生长季NM 的SWC 一直较低。

覆盖措施显著影响土壤表层0～10 cm 温度。RFM可增加土壤温度(图3),研究结果与先前研究一致。可能是因为薄膜覆盖的区域及周围较不覆膜的NM处理接收了更多太阳能,使得表层土壤温度高于NM。Kar 等研究得出秸秆覆盖会在冬季增加土壤温度,在夏季降低土壤温度。本研究SM 较NM 降低表层土壤温度,可能是由于土壤表面覆盖秸秆形成了物理屏障,可以阻挡太阳辐射和土壤与大气之间的交换,使得在空气温度较高时降低土壤温度,在空气温度较低时提高土壤温度。

土壤有机碳含量(SOC)对土壤肥力、碳固存以及应对气候变化至关重要,覆膜可增加表层0～10 cm温度(图3),增强养分有效性和水分利用效率,影响土壤养分循环,为微生物提供良好的水、肥、热状况,进而增强土壤微生物活性,促进SOC 分解。因此,本试验RFM 处理的SOC 含量下降。因为秸秆和作物残留进入土壤被微生物分解,从而增加了有机质的输入,秸秆覆盖也可以改善土壤理化性质(抑制表层土壤温度随空气温度剧烈变化,改善土壤团聚体结构),使得SOC 分解受到抑制,因此,本试验的SM 提高了SOC 含量,减弱了土壤呼吸。这与Fan 等和Hu 等的研究结果类似。

土壤硝态氮是旱地作物氮吸收的主要形式,但很容易流失。不同覆盖方式对土壤硝态氮含量影响不同。本研究得出RFM 较NM 显著减少土壤剖面硝态氮含量,而SM 显著增加浅层土壤硝态氮含量,降低了深层土壤硝态氮含量,结果与Hu 等和Dong 等研究结果一致。RFM 显著减少土壤硝态氮含量是因为RFM 垄脊覆膜,阻止了降雨从土壤表面直接垂直渗入,而大部分水只能渗入垄沟,加强了水的横向运动,进而增强水在塑料薄膜脊上的向上运动,使得土壤硝态氮集中于表层土壤,而产量和植株氮素吸收量的增加(表1)增加了作物对土壤硝态氮的消耗;另外,土壤表层较高的土壤温度和水分加快了土壤硝态氮的转化。SM 显著增加浅层土壤硝态氮含量的主要原因是SM 秸秆自身作为碳源输入,提高了土壤C/N,大大增加了土壤中碳的生物有效性,为土壤异养微生物提供了充足能量,增强了土壤氮的矿化作用,增加了浅层土壤硝态氮含量,这与Fang 等和Hu 等研究结果一致。而深层土壤硝态氮含量,比如100～200 cm 土层,主要来自于上层硝态氮的淋溶运移,本研究中,2020年SM处理下0～80 cm 土层水分含量为79.3%,100～200 cm土层为77.7%,2019年SM 处理下0～80 cm 土层水分含量为91.1%,100～200 cm 土层为95.0%,可见SM 不同土层间水分梯度较小,加之SM 减少了土壤蒸发损失,减少了不同土层间水分交换,降低了硝态氮向深层土壤的迁移,所以100～200 cm 土层硝态氮含量减少。本研究发现2019年SM 土壤硝态氮含量在10～30 cm 出现峰值,主要原因是2019年在播种和收获前后降雨较多,使土壤表层0～10 cm 的无机氮向下入渗,10～30 cm 土层无机氮含量有所增加。RFM 覆膜位置不同,可能对土壤不同深度硝态氮含量的影响不同,如Hu 等采用不同的覆盖范围,发现覆膜提高了0～80 cm 土壤硝态氮含量,这与本试验结果有一定差异。

土壤氮是玉米的主要氮素来源。本研究中RFM 和SM 土壤水分和作物耗水量增加的同时也显著提高了玉米的氮素吸收,并将更多的氮转移分配至籽粒,从而提高了氮素收获指数(表1)。水分和氮素吸收量的增加为作物生长提供了充足的水分和养分,进而积累了更多的干物质,为夏玉米灌浆提供了充足的同化物,更有利于籽粒增重,使得RFM 和SM在提高水氮利用效率的同时也提高了籽粒重。此外,有研究表明秸秆覆盖的低温效应会导致早春玉米的产量下降;但也有研究发现秸秆覆盖比不覆盖产量增加46%,较薄膜覆盖增加47%。本试验发现2 种覆盖方式(RFM 和SM)均提高了夏玉米产量,尤其在2020年,分别比NM 产量提高9.2%和16.8%。

4 结论

夏玉米生长季覆盖措施提高了土壤含水率,秸秆覆盖效果优于垄作覆膜;与平作不覆盖相比,垄作覆膜可提高5 cm、10 cm 表层土壤温度,加速有机碳分解,增强土壤呼吸速率。而秸秆覆盖可降低表层土壤温度,增加土壤有机碳含量,降低土壤呼吸速率;垄作覆膜显著减少垄沟土壤硝态氮含量;秸秆覆盖可增加0～80 cm 土层土壤硝态氮含量,而减少深层硝态氮淋溶。覆盖措施提高了植株氮素吸收并更多地转移至籽粒,从而提高了氮素收获指数和籽粒重,最终提高产量。考虑到显著的保水增产减排效果,秸秆覆盖是适合半干旱黄土高原雨养农业的有效措施。