耕作措施与秸秆因素对小麦、玉米产量的效应研究

耕作措施与秸秆因素对小麦、玉米产量的效应研究

0保水作用的保护性耕作中国北方平原的农业体系主要由冬季小麦和夏季玉米组成。从年湿度来看，7月至9月的降水集中在东部和秋季，冬季和春天很少下雨，小麦生长期干旱频繁，水资源不足，不适应生态效益已成为中国北方农业可持续发展的重要限制因素之一。因此，通过一些技术措施，有效利用天然降雨是解决农业水资源瓶颈的途径之一。具有保水作用的保护性耕作作为实现上述目标的一种手段而越来越受到人们的关注。目前,对保护性耕作土壤水分的研究已有很多,他们将耕作因素与秸秆因素作为一个整体来研究,而少免耕与秸秆还田对极端土壤水分及冬小麦产量的单独效应﹑主效应及交互效应的研究尚未见报道,本试验在半湿润地区,研究了少免耕与秸秆还田对极端土壤水分及冬小麦产量的单独效应﹑主效应及交互效应,为当地保护性耕作技术的推广提供一定的理论依据和技术支持。1材料和方法1.1试验设备及程序试验于2006年10月-2007年6月在山东农业大学农学试验站进行,供试地自2004年起实行保护性耕作长期定位研究,供试土壤为褐壤土,土壤表层0~20cm有机质的质量分数为13.61g/kg,全氮的质量分数为1.38g/kg,速效氮的质量分数为91.57mg/kg,全磷的质量分数为1.52g/kg,速效磷的质量分数为15.13mg/kg。试验地基施纯氮160kg/hm2,P2O5150kg/hm2,K2O105kg/hm2,各处理统一浇拔节水80mm,畦灌,灌水量用水表控制。配合浇水追施纯氮80kg/hm2,麦季降雨总量为165.2mm。供试小麦品种为济麦20,行距20cm,播量90kg/hm2。试验采用两因素随机区组设计,10个处理见表1,即无秸秆还田常规耕作(AC),无秸秆还田深松耕(AS),无秸秆还田耙耕(AH),无秸秆还田旋耕(AR),无秸秆还田免耕(AZ),全量秸秆还田常规耕作(PC),全量秸秆还田深松(PS),全量秸秆还田耙耕(PH),全量秸秆还田旋耕(PR),全量秸秆还田免耕(PZ)。3次重复,共30个小区,小区面积为15m×8m,无隔离带,取样位于小区中部。土壤耕作作业程序如下:常规耕作(C):玉米收获→秸秆人工移除或粉碎还田→施底肥→铧式犁耕翻(作业深度25cm)→旋耕机旋耕→播种小麦。深松(S):玉米收获→秸秆人工移除或粉碎还田→施底肥→深松铲松地(作业深度40~50cm)→播种小麦。耙耕(H):玉米收获→秸秆人工移除或粉碎还田→施底肥→缺口耙耙地(作业深度15cm)→播种小麦。旋耕(R):玉米收获→秸秆人工移除或粉碎还田→施底肥→旋耕机旋耕(作业深度12cm)→播种小麦。免耕(Z):玉米收获→秸秆人工移除或粉碎覆盖→施底肥→播种小麦。1.2质量含水率测定土壤水分采用土钻法取样,于2007年5月18日(土壤水分充足期,即土壤相对湿度不低于80%)和26日(土壤水分亏缺期,即土壤相对湿度不高于60%)分别测定质量含水率,测定深度为0~200cm,每10cm为一个层次。2007年6月收获,测产并室内考种。1.3a、b、b的主效应及平均差异单独效应:某因素同一水平下另一因素两水平结果之差。如:A1水平下B的单独效应=A1B2-A1B1主效应:因素各单独效应的平均值。如:B的主效应=(A1B2-A1B1+A2B2-A2B1+A3B2-A3B1+…AnB2-AnB1)/n,n为A因素样本容量交互效应:因素内单独效应的平均差异。如:A和B的交互效应=(A2B2-A1B2-A2B1+A1B1)/22结果与分析2.1不同处理的土壤含水率土壤水分充足指土壤相对湿度不低于80%。从图1可以看出,在全量秸秆还田条件下(图1a),在0~50cm土层中,深松耕与耙耕的土壤含水率高于常规耕作,尤其是于10cm土壤表层中,分别比常规耕作高20.90%和12.99%。旋耕低于常规耕作,表明深松耕与耙耕的表层集雨效果好,而旋耕较差。在>50~100cm土层中,除旋耕与耙耕的土壤含水率持续下降外,各处理土壤含水率均呈先升高后下降的趋势,深松耕与免耕的土壤含水率显著高于常规耕作,其均值分别比常规耕作高22.75%和15.10%,且土壤含水率于>70~80cm土层中达到最大值,比常规耕作达到土壤含水率最大值的深度深10cm,表明深松耕与免耕的土壤孔隙连续性好,导水性能好。旋耕的>50~100cm土层含水率低于常规耕作,可能是旋耕形成了旋底层,导水性能差。在>100~150cm土层中,随着土层深度的增加,各处理间的差异逐渐减小。其中,深松、免耕、耙耕均高于常规耕作。在>150~200cm土层中,土壤含水率逐渐减少,各处理之间的差异小且无规律,其微小差异可能是由于土质的差异所造成的。在无秸秆还田条件下(图1b),在0~50cm土层中,深松耕与耙耕的土壤含水率高于常规耕作,旋耕低于常规耕作。在>50~100cm土层中,除免耕与旋耕的土壤含水率持续下降外,其余各处理均呈先升高后降低的趋势。深松耕与耙耕高于常规耕作,旋耕与免耕低于常规耕作。在>100~150cm土层中,各处理含水率为深松耕>耙耕>常规耕作>旋耕>免耕。在150~200cm土层中,各处理间差异不显著。在相同耕作措施下对秸秆因素进行分析表明秸秆因素也影响着土壤含水率。在0~50cm土层中,在相同耕作条件下,秸秆还田土壤含水率均值均高于无秸秆还田1.48%~7.38%,表明秸秆还田有利于增强土壤表层集雨效果。在>50~100cm土层中,秸秆还田土壤含水率均值同样均高于无秸秆还田,其中,深松耕与免耕的秸秆还田土壤含水率分别比其无秸秆还田高16.07%和40.42%,且最大值出现的土层比其无秸秆还田最大值出现的土层深20cm,表明秸秆还田显著加强了深松耕与免耕的集雨效果。在>100~200cm土层中,相同耕作下,秸秆还田与无秸秆还田之间差异不显著。2.2不同耕作措施对土壤含水率的影响土壤水分亏缺指土壤相对湿度不高于60%。从图2可以看出,在秸秆还田条件下(图2a),在0~50cm土层中,旋耕﹑耙耕和免耕的土壤含水率均值比常规耕作高22.27%﹑12.38%和4.32%,深松耕的土壤含水率均值比常规耕作低8.19%。在>50~100cm土层中,少免耕处理土壤含水率均高于常规耕作。在>100~150cm土层中,各处理土壤含水率为耙耕>旋耕>免耕>常规耕作>深松耕。在无秸秆还田条件下(图2b),在>0~50cm土层中,旋耕、耙耕和免耕的土壤含水率均值比常规耕作高17.98%﹑21.62%和5.26%。在50~100cm土层中,少免耕措施下的土壤含水率均高于常规耕作。在相同耕作措施下对秸秆因素进行分析表明秸秆因素也影响着土壤含水率。在0~50cm土层中,相同耕作措施下,秸秆还田土壤含水率均值均低于无秸秆还田,其中秸秆还田对耙耕的影响最大,在耙耕条件下,秸秆还田比无秸秆还田低14.97%。在>50~100cm土层中,相同耕作措施下,秸秆还田土壤含水率均值均高于无秸秆还田。2.3不同耕作措施对深松/短沟直绿麦产量的影响试验结果表明(表2),在秸秆还田条件下,常规耕作的穗数最高,免耕﹑旋耕极显著低于常规耕作。深松耕和耙耕的穗粒数高于常规耕作,免耕和旋耕则极显著低于常规耕作。深松耕的千粒质量显著高于常规耕作,免耕显著低于常规耕作,其余各处理差异不显著。籽粒产量是深松比常规耕作高638.50kg/hm2,免耕和旋耕比常规耕作低991.47kg/hm2和1143.20kg/hm2。在无秸秆还田条件下,深松耕的穗数显著低于常规耕作,免耕和旋耕极显著低于常规耕作,耙耕与常规耕作差异不显著。深松耕和耙耕的穗粒数略高于常规耕作,免耕和旋耕的穗粒数极显著低于常规耕作。深松耕的千粒质量极显著高于常规耕作,其各处理与常规耕作差异不显著。深松耕的籽粒产量极显著高于常规耕作,比常规耕作高490.20kg/hm2,耙耕显著低于常规耕作,免耕和旋耕极显著低于常规耕作,分别比常规耕作低353.30、2164.67、1444.30kg/m2。除在耙耕条件下,秸秆还田的千粒质量略低于无秸秆还田外,在相同耕作措施下,秸秆还田的籽粒产量及其构成因素均高于无秸秆还田。在免耕条件下,秸秆还田的籽粒产量比无秸秆还田升高的幅度最大,为1328.57kg/hm2。冬小麦生育后期水分对冬小麦产量具有重要的影响,通过对极端土壤含水率与冬小麦产量进行回归分析发现土壤水分充足时土壤含水率与冬小麦产量成显著正相关关系(r=0.7260),而土壤水分亏缺时土壤含水率与冬小麦产量的关系不显著水平(r=0.1422)。其回归分析方程为:Y=-1717.763+437.337X1(式中:Y——冬小麦产量,kg/hm2;X1——水分充足时土壤含水率,%)。2.5不同处理下耕作因素与秸秆因素的交互效应分析从主效应上看(表3),在水分充足时土壤含水率方面,秸秆因素主效应为耕作因素主效应的3倍,表明秸秆因素在水分充足时土壤含水率中占主导地位。在水分亏缺时土壤含水率方面,耕作因素的主效应等于秸秆因素,在冬小麦籽粒产量方面,秸秆因素主效应为正效应,耕作因素主效应为负效应,耕作因素主效应的绝对值大于秸秆因素,但仅比秸秆因素主效应高1.01%,表明在水分亏缺时土壤水分含量和籽粒产量中,耕作因素与秸秆因素均起着重要的作用。耕作因素主效应在极端土壤水分方面为正效应,而在冬小麦产量方面为负效应,可能是由于冬小麦产量不仅受土壤水分的影响,还受其他因素的影响。从交互效应上看(表3),在水分充足时土壤含水率方面,免耕、深松耕、耙耕与秸秆因素的交互效应为正效应,且免耕与秸秆因素的交互效应最高,而旋耕与秸秆因素的交互效应为负效应,表明免耕、深松耕、耙耕与秸秆还田的交互效应能够增加集雨效果,而旋耕与秸秆因素的交互效应则减弱了集雨效果。在水分亏缺时土壤含水率方面,少免耕与秸秆因素的交互效应均为负值,表明少免耕与秸秆的交互效应弱化了干旱时期的保水效果。在冬小麦籽粒产量方面,少免耕与秸秆因素的交互效应为Z×P>H×P>R×P>S×P,表明少免耕与秸秆还田的交互效应能进一步提高冬小麦产量。3耕作秸秆还田对土壤水分的影响不同耕作方式对作物生长和环境的影响具有累积效应,同一耕作方式经过多年保持后更能反映耕作的实际效果。本文报道的数据是课题组保护性耕作定位试验第3年的数据。从产量上看,在3a周期内,深松耕均可提高冬小麦产量,故深松耕模式可以在本地区推广应用,尤其是秸秆还田深松处理,但其长期效应有待于进一步研究。2004-2006年,耙耕无秸秆还田和耙耕秸秆还田的冬小麦产量分别比常规耕作无秸秆还田平均增产5.7%、10.6%,而2006-2007年耙耕无秸秆还田低于常规耕作无秸秆还田,耙耕秸秆还田仅增产2.80%。故从3a的产量而言,以耙代耕的适宜年限为3a,但长期效应有待于进一步研究。闫海丽等研究表明不同的保护性耕作措施均可提高玉米期土壤水分含量,其中留茬旋耕处理的土壤贮水量最高,达(4.542±0.894)×105L/hm2;黄高宝等研究表明保护性耕作能够显著改善旱地农田春小麦豌豆双序列轮作土壤0~200cm土层贮水量及含水率,随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强;Josa和Hereter研究表明在保护性耕作中,免耕秸秆覆盖处理下,土壤表层含水率高,但有效水少,不利于增产。JinK等表明深松秸秆覆盖有利于集雨和提高水分利用效率,但少耕无秸秆覆盖的效果最差。他们都是将耕作因素与秸秆因素作为一个整体来研究,而其整体效应为耕作因素单独效应与秸秆因素单独效应的简单相加,忽视了耕作因素与秸秆因素的的交互效应,本试验表明,免耕、深松耕、耙耕与秸秆还田的交互效应能够增加集雨效果,而旋耕与秸秆因素的交互效应则减弱了集雨效果。此外,少免耕与秸秆的交互效应弱化了干旱时期的保水效果,提高了冬小麦产量。前人研究表明不同耕作方式影响土壤水分的变化,土壤含水率的高低直接影响着作物产量,而本试验表明,产量与干旱时期土壤含水率关系不显著,与水分充足期土壤含水率关系达显著水平表明在