玉米是西北黄土高原半干旱区的主栽作物之一, 其中位于甘肃省中东部的黄土高原区旱作玉米播种面积接近5330 km², 对区域草食畜产业发展和粮食安全起着至关重要的支撑作用^[1]。该区域玉米种植基本采用全膜双垄沟播技术, 在全膜覆盖条件下, 该区域的玉米需水量接近500 mm^[2-4], 而半干旱区的降水量在400—550 mm, 一般全膜覆盖的降水入渗率在75%左右^[5], 即有300—410 mm的自然降水入渗至土壤被作物利用, 但这不能满足玉米生长需要。因此, 黄土高原旱作全膜双垄沟播玉米处于水分总量不足的境地。虽然地膜覆盖垄沟种植能够有效地聚集降水和抑制土面蒸发, 实现旱作区自然降水的高效利用, 显著提高作物产量和水分利用效率^[6-8]。但是, 受自然降水分配不均以及由此引起的作物发育受阻等因素影响, 季节性干旱成为制约旱作区作物产量潜力发挥的主要限制因子之一^[9]。

在雨养条件下, 提高土壤有效水含量和作物吸水能力是抵御季节性干旱胁迫的有效途径^[9]。耕作措施改变土壤的物理性状如孔隙度、紧实度、容重、田间持水量等^[10-11]；另外, 疏松的土壤有利于作物根系发育, 可有效促进根系吸水^{[9, 12-14]}, 这对增强作物抗旱性有积极作用。如深松耕可有效打破犁底层和降低土壤容重, 提高土壤孔隙度和持水量^[11], 进而改善土壤养分状况和提高有机质含量, 连续7年免耕/深松轮耕后较连续翻耕处理0—60 cm土层土壤有机质含量提高了25.3%, 活化了土壤养分, 作物产量增加了9.8%^[11]。在西北黄土高原半干旱区, 传统旋耕仍为玉米生产中主要的耕作方式, 其耕作深度小于20 cm^[9]。长期的浅旋耕造成犁底层变浅, 严重阻滞了水分养分运移和作物根系下扎, 这对抵御干旱胁迫造成了不利影响, 使作物产量显著下降^[9-11]。因此, 改浅耕为深耕来打破犁底层, 是优化土壤结构, 提高作物抗寒能力和产量的主要方向。

立式深旋耕作技术(粉垄耕作)是首先应用于山药的一项耕作技术, 其特点是利用螺旋犁头, 将土壤粉碎但不改变土壤的垂直层次结构, 结合了深松、旋耕和翻耕3种耕作方法的优点^{[9-10, 12-15]}, 耕作深度可达到40 cm以上, 能够显著降低土壤容重和提高孔隙度, 改善土壤通透性, 提高土壤蓄水能力, 达到抗旱增产的目的^[9-11]。目前该方法已在我国东北棕壤、华北壤质黏潮土和西南地区的玉米、小麦、山药、花生、大豆、水稻、甘蔗等作物上应用, 普遍能够促进作物根系发育, 增产10%—30%^{[9-10, 12-15]}。但目前就立式深旋耕作对西北黄土高原半干旱区全膜双垄沟播玉米的产量形成和水分利用的影响尚缺乏系统研究。本研究设置了立式深旋、深松、旋耕和免耕4种耕作处理, 比较不同耕作方式对玉米阶段耗水、干物质积累、叶面积指数(LAI)、叶片SPAD值, 以及产量、水分利用效率的影响, 探讨不同耕作技术对半干旱区全膜双垄沟播玉米生长发育和耗水特性的影响, 为确定西北黄土高原旱作区玉米抗旱丰产的耕作技术提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点概况

试验于2016—2017年在甘肃省农业科学院定西试验站(地处西北黄土高原丘陵沟壑区, 35°35′N, 104°36′E)进行。该区域海拔高度为1970 m, 平均大气温度为6.2 ℃, 年平均太阳辐射总量为5898 MJ/m², ≥10 ℃的平均有效积温为2075.1 ℃, 无霜期天数为140 d, 属典型的中温带半干旱旱作雨养农业区, 农作物一年一熟。年均降水量为415 mm, 雨季多在6—9月, 占全年降水的68%。土壤属黄绵土, 0—30 cm土层的平均土壤容重为1.25 g/cm³, 田间持水量和凋萎系数为21.2%和7.2%, 土壤有机质、全N、全P、全K、NH₄⁺-N、NO₃-N、速效P和速效K含量分别为11.99 g/kg、1.16 g/kg、0.25 g/kg、17.3 g/kg、4.8 mg/kg、0.8 mg/kg、8.67 mg/kg和121.50 mg/kg, 土壤pH值为8.35, 偏碱性。

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计, 试验区2016年属严重欠水年, 全年降水量289.3 mm, 玉米生育期降水量为238.3 mm；2017年为平水年, 全年降水量为420.1 mm, 玉米生育期降水量为365.1 mm。但两年均在玉米喇叭口期-吐丝期发生季节性干旱(图 1)。2016年温度偏高, 2017年则与多年平均温度基本持平。降水分布不均和气温变异对玉米生长造成一定影响, 导致年际间产量差别明显。

1.2 试验设计

采用全膜双垄沟播种植, 带宽110 cm, 其中宽行70 cm, 窄行40 cm, 两膜接缝留在大垄顶端。沟内每隔50 cm打孔使降水能够入渗。试验采用随机区组设计(表 1), 以免耕(ZT)、传统旋耕(TT)、深松耕(SS)和立式深旋耕作(VRT)4种耕作方式为处理, 试验小区面积7 m×15 m=105 m², 每处理3次重复。玉米种植在沟内, 播种深度5—8 cm, 人工穴播器点播。供试品种为‘先玉335’, 播种密度60000株/hm², 穴距30 cm。化肥纯N、P₂O₅和K₂O施用量分别为150、120、45 kg/hm², 全部作为基肥在耕作前均匀撒施于垄底后耕作；免耕处理用穴播器将肥料施入两株玉米之间。2016年玉米于4月21日播种, 10月10日收获；2017年于4月20日播种, 10月15日收获。全生育期不灌溉, 除拔草外不进行其他管理。

1.3 测定指标与方法 1.3.1 土壤水分

玉米播期、苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期、灌浆中期和收获期在玉米种植沟内取0—300 cm土层土样, 每20 cm为一个层次, 用烘干法测定土壤含水量, 每处理3次重复。土壤贮水量计算公式:

式中, WS为土壤质量含水量(g/kg)；γ为土壤容重(g/cm³)；d为土壤深度(cm)。

1.3.2 阶段耗水量(ET_i) 计算公式:

式中, SWS_i为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm)；SWS_i+1为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm)；P为生育期降水量(mm).

1.3.3 SPAD和LAI

在玉米苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期、灌浆中期, 在晴天9:30用SPAD-502 PLUS(日本, 柯尼卡美能达)测定叶片SPAD值, 选择倒二叶为测定对象, 每个叶片避开叶脉自上而下测定5次, 每小区选择10个叶片, 平均值为小区SPAD值。同时用美国CID公司生产的CI-110植物冠层数字图像分析仪测定叶面积指数(LAI), 每小区测定3个重复, 计算其平均值为小区LAI。

1.3.4 生物量和产量

在玉米苗期、拔节期、抽雄期、吐丝期、灌浆中期和收获期, 每小区选取长势均匀的10株, 用烘干法测定地上生物量。在成熟期每小区选择10行(5 m×5.5 m, 105穴)未经采样干扰的玉米植株收获, 测定籽粒产量。

1.3.5 水分利用效率(WUE) 计算公式^[6]:

式中, Y_d为玉米单位面积籽粒产量(kg/hm²)；SWS_BF为播种前土壤贮水量(mm)；SWS_HA为收获后土壤贮水量(mm)；P为玉米全生育期降水量(mm)。

1.4 数据处理

采用DPS数据处理软件对数据进行ANOVA方差分析, 并用LSD法进行多重比较(α=0.05)。

2 结果与分析 2.1 不同耕作方式对土壤剖面贮水量的影响

立式深旋耕作(VRT)显著提高了2017年玉米播前0—40 cm土层的土壤贮水量, 分别较SS、TT、ZT增加了7.7、8.6、6.6 mm, 0—100 cm土层增加了18.2、22.8、20.2 mm, 均达到显著差异(图 2), 表明VRT能提高土壤蓄存水分的能力。2016年收获期,

VRT、SS、TT、ZT在0—300 cm土层的土壤贮水量无显著差异, 但较播前分别降低了186.5、169.1、172.7 mm和161.0 mm；2017年收获后较2016年播前分别下降了194.6、148.9、147.9 mm和121.8 mm, 较2017年播前下降了101.1、66.8、69.2 mm和48.8 mm, VRT收获后在0—300 cm土层的土壤贮水量较SS、TT、ZT显著下降了45.6、46.6 mm和72.8 mm。主要耗散了0—80 cm和140—240 cm土层的贮水, 而且干旱年(2016)对土壤水的耗散量明显高于平水年(2017)；平水年VRT的耗散量显著高于SS、TT、ZT, 且SS和TT显著高于ZT。

2.2 不同耕作方式对玉米花前花后耗水量的影响

干旱年(2016)VRT显著促进花前耗水, 且与SS和ZT达到显著差异, 分别增加了22.3%和34.0%, 而花后耗水量在4种耕作方式之间无显著差异(图 3)。平水年(2017)VRT花前耗水量与ZT之间差异显著, 但与SS和TT之间差异不显著；VRT花后耗水量显著高于其他3种耕作方式, 增加了7.8%—14.6%, 但SS、TT和ZT之间无显著差异。表明VRT能够促进不同年份的花前花后耗水量, 且这一促进作用因降水年型而异。

2.3 不同耕作方式对玉米干物质积累的影响

在干旱年, 四种耕作方式在苗期和拔节期的地上干物质量无显著差异, 但VRT在吐丝期-成熟期的地上干物质量显著高于SS、TT和ZT, 分别增加了14.7%—18.3%、12.7%—18.8%和22.8%—29.1%(图 4)。其中, 吐丝期和灌浆期SS和TT显著高于ZT, 但成熟期三者无显著差异。在平水年, 拔节期-成熟期VRT的地上生物量显著高于ZT, 但和SS、TT之间差异不显著, 而且SS、TT和ZT之间同样无显著差异。以上结果表明, VRT在干旱年份能更显著地增加玉米地上生物量。

2.4 不同耕作方式对玉米叶面积指数和SPAD值的影响

VRT的LAI显著高于ZT, 干旱年份增加了15.1%—34.4%, 平水年增加了16.7%—26.6%(图 5)；SS、TT和ZT之间的LAI在干旱年的抽雄期和成熟期无显著差异, 但在平水年, SS和TT的LAI在抽雄期和吐丝期显著高于ZT, 且在灌浆期TT较ZT增加了13.5%, 达到显著差异。玉米叶片SPAD在干旱年的苗期-抽雄期无显著差异, 但在吐丝期和灌浆期, VRT和ZT显著高于SS和TT；而在平水年, 吐丝期前四个处理的叶片SPAD无显著差异, 但在灌浆期VRT显著高于ZT, 增加了8.5%；ZT显著高于SS和TT, 分别增加了9.4%和12.1%。

2.5 不同耕作方式对玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响

不同处理、年份及二者的交互作用对产量有显著影响, 但耗水量仅在处理间呈显著差异, 处理和年份对水分利用效率有显著影响(表 2)。干旱年VRT的玉米籽粒产量显著高于SS、TT和ZT, 分别增加了13.0%、33.6%和47.4%, 且SS、TT和ZT之间差异显著；平水年则增加了12.0%、13.7%和24.0%, 且SS和TT之间差异不显著, 但显著高于ZT。表明VRT在干旱年份具有更为明显的增产效果。两年VRT、SS和TT之间的耗水量差异不显著, 但VRT显著高于ZT, 2016和2017年分别增加了10.8%和13.1%。VRT的水分利用效率(WUE) 在干旱年与SS无显著差异, 但显著高于TT和ZT；VRT的WUE在平水年和SS、TT之间无显著差异, 但较ZT显著提高了9.7%。

3 讨论

优化耕作方式可在提高土壤水肥供应能力和促进作物根系发育的基础上, 增强作物对干旱的适应能力, 是西北半干旱区在地膜覆盖条件下进一步提高作物生产力的主要方向之一^[16-18]。在黄土高原旱塬区的研究表明, 免耕/深松轮耕处理可显著提高小麦产量^[19-22], 在玉米上取得了相似的研究结果^[23-26]。这主要是由于优化耕作方式可显著提高土壤贮水量, 并改善土壤物理结构和提高铵态氮含量^[27-28]。立式深旋耕作利用高速旋转的螺旋钻头横向粉碎土壤, 深度可达到40 cm以上, 显著降低土壤容重和提高孔隙度, 使得田间持水量显著增加^[9-10]。疏松的土壤不仅有利于水肥供应, 而且为作物根系生长创造了良好的条件, 增强作物抗旱性^[28-30], 可显著提高玉米、小麦、山药、花生、大豆、水稻、甘蔗和马铃薯等作物产量^{[9-10, 12-15]}。本研究结果表明, VRT播期在0—40 cm土层的土壤贮水量分比较SS、TT、ZT增加了7.7、8.6、6.6 mm, 在0—100 cm土层增加了18.2、22.8、20.2 mm, 这对克服西北黄土高原半干旱区春季干旱胁迫意义重大, 其主要原因是VRT打破犁底层、降低了土壤容重, 能够较SS、TT等更有效地接纳自然降水, 提高土壤贮水量；并促进平水年份的玉米花前花后耗水, 较SS、TT、ZT增加了增加了7.8%—14.6%, 这为抵御季节性干旱, 提高玉米产量和水分利用效率奠定基础^[30-31]。

基于优化的土壤水分环境, VRT可显著提高玉米地上生物量, 在吐丝期-成熟期, VRT的地上干物质量分别较SS、TT和ZT增加了14.7%—18.3%、12.7%—18.8%和22.8%—29.1%, 且在干旱年份具有更加显著的效果, 这与VRT促进了玉米在干旱年份的花前耗水量、而在平水年显著提高了花后耗水量有关。我们在马铃薯上的研究取得了相似的结果^[9]。表明VRT通过优化土壤水分环境, 促进了玉米的营养生长, 发达的营养体对抵御干旱有积极意义^{[23, 30]}, 可显著提高作物产量和水分利用效率。另外, 与ZT相比, VRT不仅显著提高了玉米LAI, 而且叶片SPAD明显增加, 这对截获光能, 促进光合作用有重要作用；VRT的产量在干旱年较SS、TT和ZT分别增加了13.0%、33.6%和47.4%, 平水年则增加了12.0%、13.7%和24.0%, 这主要是VRT降低了土壤容重并提高土壤贮水量, 促进玉米根系生长, 提高玉米叶片保护酶系活性和降低膜脂过氧化, 进而表现显著的抗逆性^[10]。另外, 虽然VRT促进玉米耗水, 并与ZT达到显著差异水平, 导致收获后土壤贮水量低于其他三种耕作方式, 但由于提高了降水入渗效率, 使2017年播前土壤贮水量在4种耕作方式间无显著差异。表明立式深旋耕作不仅能促进玉米耗水以增强抗旱性, 而且促进降水入渗, 对土壤水分无明显的不利影响。

4 结论

VRT显著促进干旱年的玉米花前耗水和平水年的花后耗水, 提高地上生物量、LAI和SPAD, 使得籽粒产量在干旱年份较SS、TT和ZT分别增加了13.0%、33.6%和47.4%, 平水年则增加了12.0%、13.7%和24.0%, 其增产效应在干旱年份更为显著；水分利用效率在干旱年显著高于TT和ZT, 分别增加了2.2、2.4 kg hm^-2 mm^-1, 在平水年显著高于ZT, 增加了1.7 kg hm^-2 mm^-1。尽管VRT提高了玉米耗水量, 但更能接纳自然降水, 2017年播前0—300 cm土层的土壤贮水量在4个处理间无显著差异。因此, VRT不仅能够显著提高玉米产量和水分利用效率, 而且对土壤水分平衡无明显不利影响, 是抗旱增产的耕作方式。