耕作措施與秸稈因素對小麥、玉米產(chǎn)量的效應(yīng)研究

耕作措施與秸稈因素對小麥、玉米產(chǎn)量的效應(yīng)研究

0保水作用的保護性耕作中國北方平原的農(nóng)業(yè)體系主要由冬季小麥和夏季玉米組成。從年濕度來看，7月至9月的降水集中在東部和秋季，冬季和春天很少下雨，小麥生長期干旱頻繁，水資源不足，不適應(yīng)生態(tài)效益已成為中國北方農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素之一。因此，通過一些技術(shù)措施，有效利用天然降雨是解決農(nóng)業(yè)水資源瓶頸的途徑之一。具有保水作用的保護性耕作作為實現(xiàn)上述目標(biāo)的一種手段而越來越受到人們的關(guān)注。目前,對保護性耕作土壤水分的研究已有很多,他們將耕作因素與秸稈因素作為一個整體來研究,而少免耕與秸稈還田對極端土壤水分及冬小麥產(chǎn)量的單獨效應(yīng)﹑主效應(yīng)及交互效應(yīng)的研究尚未見報道,本試驗在半濕潤地區(qū),研究了少免耕與秸稈還田對極端土壤水分及冬小麥產(chǎn)量的單獨效應(yīng)﹑主效應(yīng)及交互效應(yīng),為當(dāng)?shù)乇Ｗo性耕作技術(shù)的推廣提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1材料和方法1.1試驗設(shè)備及程序試驗于2006年10月-2007年6月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗站進行,供試地自2004年起實行保護性耕作長期定位研究,供試土壤為褐壤土,土壤表層0~20cm有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.61g/kg,全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.38g/kg,速效氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91.57mg/kg,全磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.52g/kg,速效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.13mg/kg。試驗地基施純氮160kg/hm2,P2O5150kg/hm2,K2O105kg/hm2,各處理統(tǒng)一澆拔節(jié)水80mm,畦灌,灌水量用水表控制。配合澆水追施純氮80kg/hm2,麥季降雨總量為165.2mm。供試小麥品種為濟麥20,行距20cm,播量90kg/hm2。試驗采用兩因素隨機區(qū)組設(shè)計,10個處理見表1,即無秸稈還田常規(guī)耕作(AC),無秸稈還田深松耕(AS),無秸稈還田耙耕(AH),無秸稈還田旋耕(AR),無秸稈還田免耕(AZ),全量秸稈還田常規(guī)耕作(PC),全量秸稈還田深松(PS),全量秸稈還田耙耕(PH),全量秸稈還田旋耕(PR),全量秸稈還田免耕(PZ)。3次重復(fù),共30個小區(qū),小區(qū)面積為15m×8m,無隔離帶,取樣位于小區(qū)中部。土壤耕作作業(yè)程序如下:常規(guī)耕作(C):玉米收獲→秸稈人工移除或粉碎還田→施底肥→鏵式犁耕翻(作業(yè)深度25cm)→旋耕機旋耕→播種小麥。深松(S):玉米收獲→秸稈人工移除或粉碎還田→施底肥→深松鏟松地(作業(yè)深度40~50cm)→播種小麥。耙耕(H):玉米收獲→秸稈人工移除或粉碎還田→施底肥→缺口耙耙地(作業(yè)深度15cm)→播種小麥。旋耕(R):玉米收獲→秸稈人工移除或粉碎還田→施底肥→旋耕機旋耕(作業(yè)深度12cm)→播種小麥。免耕(Z):玉米收獲→秸稈人工移除或粉碎覆蓋→施底肥→播種小麥。1.2質(zhì)量含水率測定土壤水分采用土鉆法取樣,于2007年5月18日(土壤水分充足期,即土壤相對濕度不低于80%)和26日(土壤水分虧缺期,即土壤相對濕度不高于60%)分別測定質(zhì)量含水率,測定深度為0~200cm,每10cm為一個層次。2007年6月收獲,測產(chǎn)并室內(nèi)考種。1.3a、b、b的主效應(yīng)及平均差異單獨效應(yīng):某因素同一水平下另一因素兩水平結(jié)果之差。如:A1水平下B的單獨效應(yīng)=A1B2-A1B1主效應(yīng):因素各單獨效應(yīng)的平均值。如:B的主效應(yīng)=(A1B2-A1B1+A2B2-A2B1+A3B2-A3B1+…AnB2-AnB1)/n,n為A因素樣本容量交互效應(yīng):因素內(nèi)單獨效應(yīng)的平均差異。如:A和B的交互效應(yīng)=(A2B2-A1B2-A2B1+A1B1)/22結(jié)果與分析2.1不同處理的土壤含水率土壤水分充足指土壤相對濕度不低于80%。從圖1可以看出,在全量秸稈還田條件下(圖1a),在0~50cm土層中,深松耕與耙耕的土壤含水率高于常規(guī)耕作,尤其是于10cm土壤表層中,分別比常規(guī)耕作高20.90%和12.99%。旋耕低于常規(guī)耕作,表明深松耕與耙耕的表層集雨效果好,而旋耕較差。在>50~100cm土層中,除旋耕與耙耕的土壤含水率持續(xù)下降外,各處理土壤含水率均呈先升高后下降的趨勢,深松耕與免耕的土壤含水率顯著高于常規(guī)耕作,其均值分別比常規(guī)耕作高22.75%和15.10%,且土壤含水率于>70~80cm土層中達到最大值,比常規(guī)耕作達到土壤含水率最大值的深度深10cm,表明深松耕與免耕的土壤孔隙連續(xù)性好,導(dǎo)水性能好。旋耕的>50~100cm土層含水率低于常規(guī)耕作,可能是旋耕形成了旋底層,導(dǎo)水性能差。在>100~150cm土層中,隨著土層深度的增加,各處理間的差異逐漸減小。其中,深松、免耕、耙耕均高于常規(guī)耕作。在>150~200cm土層中,土壤含水率逐漸減少,各處理之間的差異小且無規(guī)律,其微小差異可能是由于土質(zhì)的差異所造成的。在無秸稈還田條件下(圖1b),在0~50cm土層中,深松耕與耙耕的土壤含水率高于常規(guī)耕作,旋耕低于常規(guī)耕作。在>50~100cm土層中,除免耕與旋耕的土壤含水率持續(xù)下降外,其余各處理均呈先升高后降低的趨勢。深松耕與耙耕高于常規(guī)耕作,旋耕與免耕低于常規(guī)耕作。在>100~150cm土層中,各處理含水率為深松耕>耙耕>常規(guī)耕作>旋耕>免耕。在150~200cm土層中,各處理間差異不顯著。在相同耕作措施下對秸稈因素進行分析表明秸稈因素也影響著土壤含水率。在0~50cm土層中,在相同耕作條件下,秸稈還田土壤含水率均值均高于無秸稈還田1.48%~7.38%,表明秸稈還田有利于增強土壤表層集雨效果。在>50~100cm土層中,秸稈還田土壤含水率均值同樣均高于無秸稈還田,其中,深松耕與免耕的秸稈還田土壤含水率分別比其無秸稈還田高16.07%和40.42%,且最大值出現(xiàn)的土層比其無秸稈還田最大值出現(xiàn)的土層深20cm,表明秸稈還田顯著加強了深松耕與免耕的集雨效果。在>100~200cm土層中,相同耕作下,秸稈還田與無秸稈還田之間差異不顯著。2.2不同耕作措施對土壤含水率的影響土壤水分虧缺指土壤相對濕度不高于60%。從圖2可以看出,在秸稈還田條件下(圖2a),在0~50cm土層中,旋耕﹑耙耕和免耕的土壤含水率均值比常規(guī)耕作高22.27%﹑12.38%和4.32%,深松耕的土壤含水率均值比常規(guī)耕作低8.19%。在>50~100cm土層中,少免耕處理土壤含水率均高于常規(guī)耕作。在>100~150cm土層中,各處理土壤含水率為耙耕>旋耕>免耕>常規(guī)耕作>深松耕。在無秸稈還田條件下(圖2b),在>0~50cm土層中,旋耕、耙耕和免耕的土壤含水率均值比常規(guī)耕作高17.98%﹑21.62%和5.26%。在50~100cm土層中,少免耕措施下的土壤含水率均高于常規(guī)耕作。在相同耕作措施下對秸稈因素進行分析表明秸稈因素也影響著土壤含水率。在0~50cm土層中,相同耕作措施下,秸稈還田土壤含水率均值均低于無秸稈還田,其中秸稈還田對耙耕的影響最大,在耙耕條件下,秸稈還田比無秸稈還田低14.97%。在>50~100cm土層中,相同耕作措施下,秸稈還田土壤含水率均值均高于無秸稈還田。2.3不同耕作措施對深松/短溝直綠麥產(chǎn)量的影響試驗結(jié)果表明(表2),在秸稈還田條件下,常規(guī)耕作的穗數(shù)最高,免耕﹑旋耕極顯著低于常規(guī)耕作。深松耕和耙耕的穗粒數(shù)高于常規(guī)耕作,免耕和旋耕則極顯著低于常規(guī)耕作。深松耕的千粒質(zhì)量顯著高于常規(guī)耕作,免耕顯著低于常規(guī)耕作,其余各處理差異不顯著。籽粒產(chǎn)量是深松比常規(guī)耕作高638.50kg/hm2,免耕和旋耕比常規(guī)耕作低991.47kg/hm2和1143.20kg/hm2。在無秸稈還田條件下,深松耕的穗數(shù)顯著低于常規(guī)耕作,免耕和旋耕極顯著低于常規(guī)耕作,耙耕與常規(guī)耕作差異不顯著。深松耕和耙耕的穗粒數(shù)略高于常規(guī)耕作,免耕和旋耕的穗粒數(shù)極顯著低于常規(guī)耕作。深松耕的千粒質(zhì)量極顯著高于常規(guī)耕作,其各處理與常規(guī)耕作差異不顯著。深松耕的籽粒產(chǎn)量極顯著高于常規(guī)耕作,比常規(guī)耕作高490.20kg/hm2,耙耕顯著低于常規(guī)耕作,免耕和旋耕極顯著低于常規(guī)耕作,分別比常規(guī)耕作低353.30、2164.67、1444.30kg/m2。除在耙耕條件下,秸稈還田的千粒質(zhì)量略低于無秸稈還田外,在相同耕作措施下,秸稈還田的籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均高于無秸稈還田。在免耕條件下,秸稈還田的籽粒產(chǎn)量比無秸稈還田升高的幅度最大,為1328.57kg/hm2。冬小麥生育后期水分對冬小麥產(chǎn)量具有重要的影響,通過對極端土壤含水率與冬小麥產(chǎn)量進行回歸分析發(fā)現(xiàn)土壤水分充足時土壤含水率與冬小麥產(chǎn)量成顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.7260),而土壤水分虧缺時土壤含水率與冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系不顯著水平(r=0.1422)。其回歸分析方程為:Y=-1717.763+437.337X1(式中:Y——冬小麥產(chǎn)量,kg/hm2;X1——水分充足時土壤含水率,%)。2.5不同處理下耕作因素與秸稈因素的交互效應(yīng)分析從主效應(yīng)上看(表3),在水分充足時土壤含水率方面,秸稈因素主效應(yīng)為耕作因素主效應(yīng)的3倍,表明秸稈因素在水分充足時土壤含水率中占主導(dǎo)地位。在水分虧缺時土壤含水率方面,耕作因素的主效應(yīng)等于秸稈因素,在冬小麥籽粒產(chǎn)量方面,秸稈因素主效應(yīng)為正效應(yīng),耕作因素主效應(yīng)為負效應(yīng),耕作因素主效應(yīng)的絕對值大于秸稈因素,但僅比秸稈因素主效應(yīng)高1.01%,表明在水分虧缺時土壤水分含量和籽粒產(chǎn)量中,耕作因素與秸稈因素均起著重要的作用。耕作因素主效應(yīng)在極端土壤水分方面為正效應(yīng),而在冬小麥產(chǎn)量方面為負效應(yīng),可能是由于冬小麥產(chǎn)量不僅受土壤水分的影響,還受其他因素的影響。從交互效應(yīng)上看(表3),在水分充足時土壤含水率方面,免耕、深松耕、耙耕與秸稈因素的交互效應(yīng)為正效應(yīng),且免耕與秸稈因素的交互效應(yīng)最高,而旋耕與秸稈因素的交互效應(yīng)為負效應(yīng),表明免耕、深松耕、耙耕與秸稈還田的交互效應(yīng)能夠增加集雨效果,而旋耕與秸稈因素的交互效應(yīng)則減弱了集雨效果。在水分虧缺時土壤含水率方面,少免耕與秸稈因素的交互效應(yīng)均為負值,表明少免耕與秸稈的交互效應(yīng)弱化了干旱時期的保水效果。在冬小麥籽粒產(chǎn)量方面,少免耕與秸稈因素的交互效應(yīng)為Z×P>H×P>R×P>S×P,表明少免耕與秸稈還田的交互效應(yīng)能進一步提高冬小麥產(chǎn)量。3耕作秸稈還田對土壤水分的影響不同耕作方式對作物生長和環(huán)境的影響具有累積效應(yīng),同一耕作方式經(jīng)過多年保持后更能反映耕作的實際效果。本文報道的數(shù)據(jù)是課題組保護性耕作定位試驗第3年的數(shù)據(jù)。從產(chǎn)量上看,在3a周期內(nèi),深松耕均可提高冬小麥產(chǎn)量,故深松耕模式可以在本地區(qū)推廣應(yīng)用,尤其是秸稈還田深松處理,但其長期效應(yīng)有待于進一步研究。2004-2006年,耙耕無秸稈還田和耙耕秸稈還田的冬小麥產(chǎn)量分別比常規(guī)耕作無秸稈還田平均增產(chǎn)5.7%、10.6%,而2006-2007年耙耕無秸稈還田低于常規(guī)耕作無秸稈還田,耙耕秸稈還田僅增產(chǎn)2.80%。故從3a的產(chǎn)量而言,以耙代耕的適宜年限為3a,但長期效應(yīng)有待于進一步研究。閆海麗等研究表明不同的保護性耕作措施均可提高玉米期土壤水分含量,其中留茬旋耕處理的土壤貯水量最高,達(4.542±0.894)×105L/hm2;黃高寶等研究表明保護性耕作能夠顯著改善旱地農(nóng)田春小麥豌豆雙序列輪作土壤0~200cm土層貯水量及含水率,隨著降水量的增多土壤對降水的保蓄能力增強;Josa和Hereter研究表明在保護性耕作中,免耕秸稈覆蓋處理下,土壤表層含水率高,但有效水少,不利于增產(chǎn)。JinK等表明深松秸稈覆蓋有利于集雨和提高水分利用效率,但少耕無秸稈覆蓋的效果最差。他們都是將耕作因素與秸稈因素作為一個整體來研究,而其整體效應(yīng)為耕作因素單獨效應(yīng)與秸稈因素單獨效應(yīng)的簡單相加,忽視了耕作因素與秸稈因素的的交互效應(yīng),本試驗表明,免耕、深松耕、耙耕與秸稈還田的交互效應(yīng)能夠增加集雨效果,而旋耕與秸稈因素的交互效應(yīng)則減弱了集雨效果。此外,少免耕與秸稈的交互效應(yīng)弱化了干旱時期的保水效果,提高了冬小麥產(chǎn)量。前人研究表明不同耕作方式影響土壤水分的變化,土壤含水率的高低直接影響著作物產(chǎn)量,而本試驗表明,產(chǎn)量與干旱時期土壤含水率關(guān)系不顯著,與水分充足期土壤含水率關(guān)系達顯著水平表明在