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.pdf

第 卷第 期 年 月干 旱 地 区 农 业 研 究 .文章编号:():./.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(.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.山西农业大学生态环境产业技术研究院山西 太原)摘 要:为明确旱地玉米产量和水分利用效率对长期不同施肥措施的响应有效指导旱地合理施肥在山西寿阳半湿润偏旱区开展 长期定位施肥试验设 个单施氮磷化肥处理()、个氮磷化肥和有机肥配施处理()、个单施有机肥处理()以不施肥()为对照分析了近 年(年)玉米产量及其构成、玉米水分利用效率及其地力贡献率的变化特征 结果表明: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处理表现最优即氮、磷施用量分别为 和 与单施化肥相比有机无机肥配施处理玉米平均增产.产量变异系数下降了.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化肥相比有机无机肥配施处理水分利用效率增加.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 时水分利用效率的地力贡献力降低 综上可知有机无机肥配施可以提高水分利用效率保障玉米高产稳产是山西旱地玉米最佳施肥模式关键词:有机肥氮磷化肥玉米产量水分利用效率地力贡献率中图分类号:.文献标志码:(.().):().()()()().().:()收稿日期:修回日期:基金项目:国家科技基础资源调查专项课题()山西农业大学学术恢复专项()国家重点研发计划子课题()山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目()山西省农业科学院博士研究基金()山西省基础研究计划面上项目()作者简介:刘志平()女山西繁峙人博士副研究员主要从事土壤微生物生态学研究:.通信作者:周怀平()男山西昔阳人研究员主要从事耕地质量保育研究:.徐明岗()男陕西杨凌人研究员主要从事土壤肥力与农业可持续发展研究:.:旱区面积占我国国土面积的 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 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.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 年全省玉米种植面积为.占粮食播种面积的.玉米总产量约.占全省粮食总产量的/山西省褐土农田玉米的平均产量为 而高产记录达到 造成产量差异如此大的主要原因便是“水”和“肥”的不同 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提高水分利用效率的技术措施有集雨种植、抑蒸减耗(地膜覆盖、秸秆覆盖、填闲作物覆盖)、深松耕作等 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施用有机肥可将作物水分利用效率提高 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而有机无机配施可以有效缓解这些现象促进作物增产 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 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 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 材料与方法.研究区概况试验于 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()进行 该区属于半湿润偏旱区多年平均降水量.年蒸发量约为 .土壤类型为褐土性土系统分类为简育干润雏形土 土壤质地为轻壤总孔隙度为 左右以砂粒和粉粒为主试验地土壤剖面物理性质见表 试验开始前耕层()土壤主要化学性质:土壤有机质含量.全氮含量.干旱地区农业研究 第 卷全磷含量.碱解氮含量.有效磷含量.速效钾含量.试验地土壤相关化学性质和生物性质见本团队相关论文.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 个处理本研究选择其中 个处理进行分析分别为:不施肥()单施化肥(、)化肥有机肥配施(、)和单施高量有机肥()供试氮肥为尿素()磷肥为过磷酸钙()有机肥为堆沤腐熟牛粪(有机质.、全氮.、全磷.、全钾.)各处理具体施肥量见表 每个处理 个重复共 个小区小区面积为.种植作物为春玉米(每年大约 月下旬播种 月上旬收获)一年一熟 研究选取 年进行分析 个年份生育期(月)降水量分别为.、.和.参考干燥指数法结合当年年降水情况将这 年分别划分为欠水年、平水年和丰水年 年逐月、生育期及全年降水量见图 表 试验地土壤剖面的物理性质 土层深度/容重/()孔隙度/粒径分布 /.凋萎湿度/田间持水量/.表 不同施肥处理及其施肥量 处理氮肥/()磷肥/()有机肥/().测定项目和方法.土壤贮水量和生育期耗水量年每年玉米播种前和收获后用土钻按“”形采集各小区样地 土层(每 为一层)土壤样品每层取 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:/()()式中 为土壤贮水量()为土壤质量含水率()为第 层土壤容重()为土层图 年降水量.第 期 刘志平等: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深度()为生育期耗水量()为播前土壤贮水量()为收获后土壤贮水量()为生育期降水量()耗水量及贮水量以 土体计算.玉米产量及产量构成因素 年于每年成熟期各处理分 个裂区进行样品采集每个裂区采集 株玉米植株脱粒后称重以 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 个裂区的测定数据作为试验重复.玉米水分利用效率/()式中 为水分利用效率()为玉米产量()为玉米生育期耗水量().土壤有机质 年用土钻法采集各小区样地 土层土壤样品风干后用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量.数据统计使用 进行数据整理采用 软件进行统计分析 结果与分析.不同施肥处理对玉米产量的影响由图 可知各处理 年玉米平均产量范围为.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 个处理(、)玉米产量呈先增加后降低的趋势 年均为 处理最高 年处理玉米产量显著高于其余 个处理 与单施化肥处理相比有机无机配施(、)均显著增加了玉米产量(.)各年平均增产量分别为 .、.和 .平均增产率分别为.、.和.单施高量有机肥处理的玉米产量低于有机无机配施处理(年 玉米产量显著低于 个有机无机配施处理 年和 年 玉米产量显著低于处理)但均高于单施化肥处理 与欠水年(年)相比玉米产量在平水年(年)和丰水年(年)分别提高.和.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(.)下同:(.).图 年不同施肥处理对玉米产量的影响.不施肥处理()玉米产量年际变化显著低于其他施肥处理(图)但其产量最低(图)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.其中和 两处理玉米产量的变异系数显著低于 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.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 个因素决定的由表 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:穗、个和.施肥整体上增加了玉米的穗数、穗粒数及百粒重 与 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.、.和.有机无机配施 干旱地区农业研究 第 卷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.、.和.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.、.和.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)方差分析的模型检验 分别为.和.均为.说明所图 不同施肥处理玉米产量年际变异系数.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(施肥交互作用.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)各处理 年平均水分利用效率介于.整体而言施肥可增加玉米的水分利用效率 单施化肥的 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最高 年和 年处理玉米水分利用效率显著高于其他 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.配施处理之间在欠水年无显著差异平水年和丰水年则为 表现较优 个年份中平水年(年)各处理玉米平均水分利用效率(.)显著高于欠水年(年.)和丰水年(年.)(.)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 不同施肥处理的玉米产量构成 处理穗数 穗粒数 百粒重/穗数 穗粒数 百粒重/穗数 穗粒数 百粒重/.注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(.):(.).表 施肥和降水年型对玉米产量构成的影响 项目穗数 值 值 穗粒数 值 值 百粒重 值 值 施肥.降水年型.施肥降水年型.第 期 刘志平等: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.不同施肥处理对土壤有机质含量的影响由图 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 年到 年各处理平均土壤有机质含量增加.不施肥处理()土壤有机质含量稳定在.左右比初始值下降.显著低于其他处理(.)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 年分别是单施化肥处理的.倍、.倍和.倍其中 和 显著高于单施化肥处理配施处理间土壤有机质含量显著高于其他处理 单施高量有机肥处理土壤有机质含量显著高于其他施肥处理(.)较单施化肥处理 年平均增加.图 年不同施肥处理对玉米水分利用效率的影响.图 年不同施肥处理对土壤有机质含量的影响.表 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 指标水分利用效率产量生育期耗水量 收获后土壤贮水量 土壤有机质 水分利用效率.产量.生育期耗水量 .收获后土壤贮水量 .土壤有机质 .注:表示显著相关(.)表示极显著相关(.):(.)(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 种降水年型下与单施化肥处理相比有机无第 期 刘志平等: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机配施处理均显著提高了玉米产量平均增幅为.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.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 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 陈倩等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 年平均增加了.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 本研究中不同降水年型之间玉米生育期耗水量和收获后 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 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本研究 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.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 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(.)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 其含量小于 时水分利用效率的地力贡献率较高其含量大于 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 结 论)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处理表现最优即氮、磷施用量分别为 和 与单施化肥相比有机无机肥配施处理玉米平均增产.产量变异系数下降了.是玉米高产稳产的最佳施肥模式)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.)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 时水分利用效率的地力贡献力降低参 考 文 献:沈煜清.我国干、湿过渡地带的农业发展问题.干旱地区农业研究():.():.山仑 陈国良.黄土高原旱地农业的理论与实践.北京:科学出版社.:.():.干旱地区农业研究 第 卷 .():.肖继兵 杨久廷 辛宗绪 等.风沙半干旱区旱地玉米提高降水生产效率的栽培技术研究.玉米科学 ():.():.:.樊廷录 周广业 王勇 等.甘肃省黄土高原旱地冬小麦玉米轮作制长期定位施肥的增产效果.植物营养与肥料学报():.():.():.():.任小龙 贾志宽 陈小莉.不同模拟雨量下微集水种植对农田水肥利用效率的影响.农业工程学报 ():.():.白秀梅 卫正新 郭汉清 等.旱地起垄覆膜微集水种植技术的生态效应研究.耕作与栽培 ():.():.高艳梅 孙敏 高志强 等.不同降水年型旱地小麦覆盖对产量及水分利用效率的影响.中国农业科学 ():.():.周昌明 李援农 银敏华 等.连垄全覆盖降解膜集雨种植促进玉米根系生长提高产量.农业工程学报 ():.():.张祺 王俊.填闲种植和施氮量对旱作冬小麦农田土壤水分及作物产量的影响.干旱地区农业研究 ():.():.于琦 李军 周栋 等.不同降水年型黄土旱塬冬小麦免耕与深松轮耕蓄墒增收效应.中国农业科学 ():./.():.姜灿烂 何园球 刘晓利 等.长期施用有机肥对旱地红壤团聚体结构与稳定性的影响.土壤学报 ():.():.苏秦 贾志宽 韩清芳 等.宁南旱区有机培肥对土壤水分和作物生产力影响的研究.植物营养与肥料学报 ():.():.():.武晓森 周晓琳 曹凤明 等.不同施肥处理对玉米产量及土壤酶活性的影响.中国土壤与肥料():.():.陈倩 谢军红 李玲玲 等.不同比例有机肥替代化肥对玉米生长及水分利用效率的影响.干旱地区农业研究 ():.():.李生秀.中国旱地农业.北京:中国农业出版社.:.周怀平 杨治平 李红梅 等.施肥和降水年型对旱地玉米产量及水分利用的影响.干旱地区农业研究 ():.():.陈志诚 龚子同 张甘霖 等.不同尺度的中国土壤系统分类参比.土壤 ():.():.周怀平 解文艳 关春林 等.长期秸秆还田对旱地玉米产量、效益及水分利用的影响.植物营养与肥料学报 ():.第 期 刘志平等: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 周怀平 解文艳 等.长期氮磷配施对褐土细菌多样性及土壤酶活性的影响.干旱地区农业研究 ():.():./:.鲍士旦.土壤农化分析.版.北京:中国农业出版社.:.林治安 赵秉强 袁亮 等.长期定位施肥对土壤养分与作物产量的影响.中国农业科学 ():.():.王兴仁 张福锁 .石灰性潮土对氮肥连续施用的环境承受力.北京农业大学学报():.():.李燕青 温延臣 林治安 等.不同有机肥与化肥配施对氮素利用率和土壤肥力的影响.植物营养与肥料学报 ():.():.温延臣 李燕青 袁亮 等.长期不同施肥制度土壤肥力特征综合评价方法.农业工程学报 ():.():.胡庆兰 杨凯 王金贵 等.地膜覆盖及不同施肥处理对玉米产量和根际土壤酶活性的影响.江苏农业科学 ():.():.张雅蓉 李渝 刘彦伶 等.长期施肥对黄壤有机碳平衡及玉米产量的影响.土壤学报 ():.():.周宝库 张喜林.黑土长期施肥对农作物产量的影响.农业系统科学与综合研究 ():.():.司海丽 纪立东 刘菊莲 等.有机肥施用量对玉米产量、土壤养分及生物活性的影响.西南农业学报 ():.():.杨玥.旱地保护性耕作对土壤水肥特征与作物产量的影响.杨凌:西北农林科技大学.:.刘占军 谢佳贵 张宽 等.不同氮肥管理对吉林春玉米生长发育和养分吸收的影响.植物营养与肥料学报 ():.():.范铭 李强 张丹 等.堆肥替代化肥对玉米产量和水分利用效率的影响.干旱地区农业研究 ():.():.张元红 王瑞 徐宗贵 等.不同降水年型下旱地玉米产量性状对种植密度和品种的响应.农业工程学报 ():.():.张冬梅 池宝亮 张伟 等.不同降水年型施肥量对旱地玉米生长及水分利用效率的影响.西北农业学报 ():.():.刘哲 张扬 雷娜 等.优化施肥方式对黄土高原新增耕地土壤有机质含量和团聚体特性的影响.水土保持通报 ():.():.干旱地区农业研究 第 卷