冬小麦夏玉米种植制度中节水管理的应用和氮肥用量对作物产量以及水分利用率的影响.docx
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冬小麦夏玉米种植制度中节水管理的应用和氮肥用量对作物产量以及水分利用率的影响
冬小麦夏玉米种植制度中节水管理的应用和氮肥用量对作物产量以及水分利用率的影响
摘要:
盈亏灌溉(DI)是一种灌溉用水总量低于作物全部水分需求的节水灌溉策略。
有些研究人员认为如果盈亏灌溉节水与水利或者集雨技术联合使用会更大的增加水的利用效率。
这六年田间研究的目标是比较在冬小麦夏玉米轮作中盈亏灌溉结合秸秆地膜(SM)或塑料薄膜覆垄与秸秆地膜犁沟(RF)对籽粒产量和水分利用效率的影响。
还研究了节水管理措施和氮肥水平之间的相互作用。
结果表明,在RF+DI和SM+DI处理下的是盈亏灌溉DI和常规沟灌(CFI)处理下的1.6倍。
在六年的研究中,在RF+DI处理下的玉米总的产量比在CFI处理下高5580kg/ha,比在DI处理下的产量高了6500kg/ha。
在RF+DI和SM+DI处理下的小麦产量与CFI处理下的产量相近但略高于在DI处理下的产量。
收获时,RF+DI,SM+DI,DI,CFI的不同处理下0-200cm土壤中的含水量没有明显的不同。
与未做施肥处理的相比,施用氮肥的玉米和小麦的产量得到了显著的增加;然而,当施氮量超过了120kgN/ha后则产量没有进一步的提升。
总之,这些结果表明在冬小麦夏玉米轮作中,DI与SM或RF措施相结合会增加作物产量和水分利用率。
与CFI措施相比,SM+DI和RF+DI措施在六年的时间里减少了约350mm灌溉用水。
1、引言
在过去的一个世纪里,扩大灌溉在世界粮食增产中发挥了重要作用。
目前,灌溉用水超过全球淡水消耗量的60%。
在西亚和北非等水资源缺乏的地方,灌溉用水占总用水量的75%。
农业淡水水资源配置需要减少,以确保未来的国内需求得到满足,特别是在缺水的地区。
与此同时,世界粮食需求预计在2005-2050间将翻一番。
用更少的水来增加粮食生产是很重要的。
在许多地方,盈亏灌溉是一种用以减少用水量,提高水分利用效率的优化策略。
在盈亏灌溉系统中,灌溉用水总量低于作物全部水分需求。
研究表明,盈亏灌溉可以提高小麦,玉米的水分利用效率达10-42%。
也有研究显示,如果盈亏灌溉节水与水利措施(覆盖)或者集雨技术(塑料薄膜覆垄和秸秆地膜犁沟)结合,可以将产量和水分利用效率进一步提高。
冬小麦夏玉米双轮作是一种密集和高产生产系统,占华北平原小麦总产量50%和玉米生产总量的35%。
作物的轮作需要超过800mm的降雨,但每年的降水量区域范围从500-650mm不等,这相当于年度亏缺150-300mm水。
为了弥补这个差距,小麦和玉米都需要灌溉。
畦灌或漫灌是主要使用的方式,因此水损失是一个严重的问题。
在华北平原以及全球的其他地方,大规模的开采地下水用于灌溉导致地下水水位迅速下降。
有机物(秸秆)或塑料薄膜覆盖可以广泛用于保护土壤水分和抑制杂草的生长。
覆盖也影响通风和土壤温度。
有机薄膜通常使土壤在冬天里比裸土更温暖,在夏天里比裸土更凉爽;而塑料薄膜覆盖通常会全年增加土壤的温度。
土壤温度的变化是由于覆盖显著地影响土壤生物和化学过程,如C、N矿化。
小麦和玉米的残留部分有较高的C/N。
分解的小麦秸秆或玉米秸秆覆盖可以使土壤固定N,减少N对作物的可用性。
因为覆盖物影响到许多的土壤特性和过程,。
因此,弄明白覆盖和氮肥利用率之间的互作效应是很重要的。
这六年田间研究的目标是比较在冬小麦夏玉米轮作中盈亏灌溉结合秸秆地膜(SM)或塑料薄膜覆垄与秸秆地膜犁沟(RF)对籽粒产量和水分利用效率的影响。
还研究了节水管理措施和氮肥利用率之间的相互作用。
研究结果表明在已经使用赤水灌溉的地区对于提高水分利用效率可能是有用的。
2、材料和方法
2.1地点说明
这项研究开始于2003年6月,在陕西杨凌西北农林科技大学的实验场进行的。
该地区位于中国陕西南部边缘的黄土高原。
气候条件属于温带半湿润,年平均气温为13◦C,年平均降雨量为632mm,大约60%的降水量是集中在7月和9月之间。
平均年蒸发量是990mm。
当地的钙质粘壤土被划分为湿土,相当于美国农业部系统中的湿润薄层干淋溶土。
种植前的土壤化学性质如表1所示。
表12003年种植前供试土壤化学性质
pH
Organicmatter(g/kg)
TotalN(g/kg)
NO3–N(kg/ha)
NH4–N(mg/kg)
Olsen-P(mg/kg)
NH4OAc–K(mg/kg)
8.25
15.2
0.67
30.4
1.9
17.2
169
2.2试验设计
本研究采用裂区设计,四个主处理包括
(1)传统的漫灌(CFI),
(2)盈亏灌溉,(3)秸秆地膜+盈亏灌溉,(4)垄沟+盈亏灌溉,后三个处理为节水管理措施。
副处理有三种氮肥水平分别为:
0、120和240kgN/ha。
主区大小为12m×4.5m,裂区大小为4m×4.5m。
整个六年研究的小区位置保持不变,每个处理重复四次。
CFI和DI处理为没有秸秆或地膜覆盖的苗床。
在CFI处理中,小麦在冬季获得40mm的灌溉水。
促进植物生长,在早期生长期就对玉米进行灌溉。
灌溉量年际间不同(0-60mm/年),这取决于每年的降雨量。
玉米是完全依赖于降雨满足在生殖阶段的需水量的。
在DI处理中,小麦不灌溉,玉米灌溉的量是CFI处理的一半。
SM+DI处理为覆盖4500kg/ha晒干秸秆的水平苗床。
从2003年至2007年小麦秸秆都用于小麦和玉米。
2008年初,小麦田用玉米秸秆覆盖,玉米用小麦秸秆覆盖。
在所有的处理中,护根覆盖被切成5cm长、从出苗后开始应用60天。
RF+DI处理为交替的垄(30cm宽,15cm高)和沟(宽30cm),每公顷垄沟用2250kg秸秆覆盖。
SM+DI处理的灌溉量与DI处理相同。
每个地块的灌溉都是独立的,每个处理的小区都有0.8–1.5米的边界以防止串肥。
小麦(小堰22)在十月上旬播种,次年六月上旬收获。
所有处理的播种量都是225kg/ha。
CFI、DI和SM+DI处理的行距都为20cm,每个小区有21行。
在RF+DI处理中,两行小麦播种在每个沟里,没有小麦种垄上,每个小区16行。
所有肥料均匀撒在土壤表面,在播种时渗入上层15cm的土壤里,氮肥用尿素和磷肥(每公顷80公斤P2O5)用过磷酸钙,本研究不施用钾肥。
小麦的杂草用除草剂控制。
在小麦播种前对土壤喷施农药,防治蛴螬、蝼蛄。
用三唑酮(3-甲基-2-丁烯醛)控制条锈病。
小麦收获后立即免耕种植玉米(2007前,山丹902;之后,郑单958)。
行距为60cm,种植密度为57780株/公顷。
在RF+DI处理中每个沟播种一行。
播种是不施氮肥。
在苗期的时候施用每个处理1/3的N肥,孕穗期施用剩余的2/3,用锄头把氮肥施在幼苗旁边的土壤中。
玉米是在十月上旬收获。
玉米田的杂草用手拔,不使用除草剂或杀虫剂。
2.3土壤取样和降水数据
在小麦和玉米的种植几年,用土钻取样从20cm增加到200cm的深度以减少小区干扰。
我们只收集了2004、2005和2006年玉米收获后、2005、2006和2009年小麦收获后的土样,因此,我们只能计算这些年的水分利用效率。
用质量含水量表示土壤含水量。
以1.15kg/m3的土壤容重值将每个土层的土壤重量含水量换算为土壤体积含水量。
降水量数据记录在一个离小区约400m的气象站里。
生长季6个月的累积降水量如图1所示。
图12003-2009年小麦和玉米生长季降水量
2.4计算和统计
用以下方程每种计算作物总用水量:
TWU=P+I+ΔW−R−D−CR
TWU是作物生长总用水量,毫米;P是降水量,毫米;I是灌溉水量,毫米;ΔW是播种时0到200cm土壤含水量减去收获时土壤含水量;R径流量,毫米;D是排水量,毫米;CR是根系吸收量,毫米。
由于水平坡度,土层深厚以及黄土较大的持水能力,田间没有径流。
排水量和根系吸收量一般认为是可以忽略的,在计算中没有考虑。
假设排水量是可以忽略不计的是因为实验站点的年蒸发量(990mm)比年降水量比更大(632mm)。
此外,灌水量在本研究中也较小(CFI处理中小于100mm/年)。
这样的灌水量不太可能会导致排水低于200cm。
水分利用率是产量与作物生长总用水量。
节水管理措施与氮肥施用量这两个因素一起进行分析。
采用裂区试验设计,用Windows系统的SASV8.1处理数据。
3.结果
3.1玉米产量
2003年以及从2005年到2008年间,节水管理措施对玉米产量有明显的影响,如表
(2)。
RF+DI和SM+DI处理下的玉米平均产量与DI和CFI处理下的相比有显著(P<0.05)的增加。
与其他处理相比,RF+DI处理下的玉米产量年度之间变化不大,表明RF+DI措施不仅增加了玉米产量,同时还稳定了玉米产量。
与未施氮肥处理相比氮肥的应用显著的提高玉米产量(表2)。
但是在N120和N240处理之间玉米产量没有显著(P>0.05)的差异。
节水管理措施和氮肥互作效应显著的只有在2006年,这可能与在2006年夏季玉米生长季节降雨量极低相关(图.1)
表2节水管理措施和氮肥对玉米产量的影响(kg/ha)
处理
2003
2004
2005
2006
2007
2008
平均
CV
(%)
总产量
变化百分数
节水措施(W)
CFI
5590B
8330A
4570C
2920D
3960C
6640A
5330C
36.6
32010C
–
RF + DI
6550A
9000A
5510A
4510A
5390A
6630AB
6270A
24.8
37590A
17.4
SM + DI
6110AB
8650A
5220B
3920B
4170B
6760A
5800B
30.5
34820B
8.8
DI
–
7980A
4350C
3390C
4170B
6020B
5180C
35.5
31090C
-2.9
氮肥(N)
N0
5410b
7690b
4660b
2610b
2800b
5870b
4840b
40.0
29030b
–
N120
6290a
8880a
5010a
4150a
5490a
6820a
6110a
27.1
36650a
26.2
N240
6540a
8900a
5060a
4300a
4980a
6850a
6100a
27.6
36620a
26.1
IW × N互作
NS
NS
NS
**
NS
NS
NS
–
–
–
注:
玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性(LSD)。
对于W×N互作,NS表示没有显著差异。
CFI:
常规沟灌;RF:
秸秆地膜犁沟灌溉;SM:
秸秆地膜灌溉;DI:
盈亏灌溉。
**表示差异显著性在0.05水平
3.2小麦产量
2003年至2006年节水管理措施对小麦产量没有显著的影响,但在2007年和2008年有显著的(P<0.05)差异(表3)。
具体来说,RF+DI,SM+DI,CFI处理的平均小麦产量比DI处理的要高。
与未施氮肥处理相比氮肥的应用显著的提高玉米产量(表2)。
但是在N120和N240处理之间玉米产量没有显著(P>0.05)的差异。
在2005年和2008年的试验中存在显著的节水管理措施和氮肥的互作效应。
表3节水管理措施和氮肥对小麦籽粒产量的影响(kg/ha)
处理
2004
2005
2006
2007
2008
2009
平均
CV
(%)
总产量
变化百分数
节水措施(W)
CFI
4840A
4950A
4280A
4470A
3260BC
3130AB
4160A
18.9
24940A
–
RF + DI
4780A
4730A
4030A
3970A
4510A
3320A
4220A
13.3
25330A
1.6
SM + DI
5010A
4930A
3860A
3920A
3720B
2990B
4070A
19
24410A
−2.1
DI
4320A
4890A
3910A
3720A
3110C
2880B
3810B
19.7
22840B
−8.4
氮肥(N)
N0
3400b
3260b
2480b
2400b
2060b
1270c
2480b
31.8
14860b
–
N120
5450a
5770a
4810a
4930a
4510a
3800b
4880a
14.3
29270a
97.0
N240
5370a
5590a
4770a
4730a
4380a
4170a
4830a
11.5
29010a
95.2
W × N互作
NS
NS
*
NS
NS
**
NS
–
–
–
注:
玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性(LSD)。
对于W×N互作,NS表示没有显著差异。
CFI:
常规沟灌;RF:
秸秆地膜犁沟灌溉;SM:
秸秆地膜灌溉;DI:
盈亏灌溉。
**表示差异显著性在0.05水平;*表示差异显著性在0.01水平
3.3土壤含水量
节水管理措施通常对0-200cm土壤含水量没有显著的影响(表4)。
唯一的例外是2003年的玉米收获后,DI处理下的土壤含水量显著(P<0.05)少于CFI,RM+DI,SM+DI处理下的。
在2004、2005和2006年小麦收获后,做施氮处理的土壤含水量要少于未施氮的。
氮肥的应用对2003年和2005年玉米收获后的土壤含水量没有显著影响,但在2004年却显著降低了土壤含水量。
结果可能是与2004年玉米生长季节的降水较低相关(图1)。
表4节水管理措施和N肥在0-200cm土壤层的蓄水效应(mm)
时间
氮肥
(kg/ha)
节水措施
平均
CFI
RF+DI
SM+DI
DI
2003.10.5
0
530
536
509
489
516a
120
525
534
530
483
518a
240
523
517
516
500
514a
Average
526a
529a
518a
491b
2004.6.2
0
348
345
359
357
352a
120
322
297
305
318
310b
240
327
309
305
348
322b
Average
332a
317a
323a
341a
2004.10.4
0
502
502
515
502
505a
120
481
467
485
498
483b
240
462
480
489
488
480b
Average
482a
483a
496a
496a
2005.6.2
0
387
380
369
375
378a
120
306
321
292
338
314b
240
320
311
310
304
311b
Average
338a
337a
324a
339a
2005.10.9
0
535
539
553
543
543a
120
544
559
550
538
548a
240
537
546
543
515
535a
Average
538a
548a
549a
532a
2006.6.6
0
409
479
427
399
428a
120
344
383
386
386
375b
240
365
362
368
379
368b
Average
373a
408a
394a
388a
注:
同一行或一列后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性。
CFI:
常规沟灌;RF:
秸秆地膜犁沟灌溉;SM:
秸秆地膜灌溉;DI:
盈亏灌溉。
3.4水分利用率
2004年到2006年间RF+DI和SM+DI处理下玉米的水分利用效率处理显著(P<0.05)高于DI和CFI处理下的水分利用效率(表5)。
在2009年不同的节水管理措施间的小麦水分利用效率有显著(P<0.05)差异,但在2005年和2006年却没有显著差异。
2009年,最高水平在RF+DI处理下的水分利用率最高,在CFI处理下的水分利用率最低。
氮肥的应用显著(P<0.05)的增加了小麦和玉米的水分利用效率。
N120和N240处理对水分利用率的影响随生长季节变化。
对玉米而言,2004、2005和2006年有显著(P<0.05)的互作效应表(5)。
而对小麦而言,在2005和2009年存在显著的互作效应。
从2003年到2009年的玉米小麦轮作的总水分利用效率如表6。
总水分利用率下降的顺序是RF+DI>SM+DI>DI>CFI。
氮肥的应用增加了总的水分利用效率。
而在N120和N240处理间水分利用率没有显著差别(表6)。
表5节水管理措施和氮肥在不同年份对玉米和小麦的水分利用率的影响(kg/(mmha))。
处理
玉米
小麦
2004
2005
2006
平均
2005
2006
2009
平均
节水措施(W)
CFI
31.0B
14.8B
15.6C
20.5C
13.0A
11.5A
8.9C
11.1B
RF + DI
42.2A
20.0A
25.2A
29.1A
13.8A
13.0A
11.7A
12.8A
SM + DI
41.1A
19.8A
23.0A
28.0A
13.4A
12.0A
10.3B
11.9B
DI
35.0B
14.6B
19.2B
22.9B
14.0A
12.7A
9.2C
12.0AB
氮肥(N)
N0
31.9c
14.1b
13.0c
19.7b
9.9b
8.9b
4.1c
7.6b
N120
41.3a
19.2a
23.3b
27.9a
15.6a
14.0a
12.4b
14.0a
N240
38.9b
18.6a
25.9a
27.8a
15.1a
14.1a
13.6a
14.3a
W × N互作
**
**
**
**
*
NS
**
NS
注:
玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性(LSD)。
对于W×N互作,NS表示没有显著差异。
CFI:
常规沟灌;RF:
秸秆地膜犁沟灌溉;SM:
秸秆地膜灌溉;DI:
盈亏灌溉。
**表示差异显著性在0.05水平;*表示差异显著性在0.01水平
表6节水管理措施和氮肥对玉米和小麦的超过六年的平均水分利用率的影响
处理
2003年土壤蓄水量(mm)
2003-2009年总降水量(mm)
灌溉量(mm)
2009年小麦收获后土壤蓄水量(mm)
水分消耗量(mm)
水分利用率(kg/(mm ha))
节水措施
CFI
349
3560
465
306A
4068
14.0D
RF + DI
349
3560
113
326A
3696
17.0A
SM + DI
349
3560
113
327A
3695
16.1B
DI
349
3560
113
310A
3712
14.5C
氮肥
N0
349
3560
268
353a
3824
11.5b
N120
349
3560
268
297b
3880
17.0a
N240
349
3560
268
302b
3875
17.0a
注:
在一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性(LSD)。
。
CFI:
常规沟灌;RF:
秸秆地膜犁沟灌溉;SM:
秸秆地膜灌溉;DI:
盈亏灌溉。
4、讨论
1980前在中国北方,秸秆通常用作动物饲料。
在过去的30年里,农事操作已经改变了,现在一些农民饲养奶牛或马。
秸秆的处理是一个严重的问题。
许多农民焚烧小麦和玉米秸秆,这引起了空气污染,土壤有机质含量下降。
为了提高土壤肥力和节约用水,当地政府鼓励农民将秸秆还田。
秸秆覆盖的使用就是按照了这建议。
许多研究已经证实,秸秆覆盖有利于保持土壤水分,减少杂草的生长。
然而,秸秆覆盖对作物产量的影响是不一致的。
稻壳和秸秆覆盖在半干旱地区的印度和湿润的亚热带地区的孟加拉国可以提高小麦产量。
相比之下,其他的研究报告表明秸秆覆盖会减少冬小麦产量。
我们的研究结果表明,相对于CFI处理,SM+DI处理中,小麦产量下降而玉米产量增加。
对于小麦产量这种下降的一种解释是秸秆覆盖降低了土壤温度和在早春延迟了小麦生长。
在附近的一个田块,在SM处理下,3月0–10cm土壤平均温度是8.5°C,而CFI处理是9.5°C。
在SM处理下,10-20cm土壤平均温度是7.3°C,而CFI处理是8.0°C。
相反,在SM处理下,较低的土壤温度和较大的土壤含水量可能对夏玉米生长有益。
在半湿润和副热带地区与不覆盖相比,秸秆覆盖条件下较低的土壤温度有利于增加马铃薯产量。
这些结果表明,秸秆覆盖对作物产量的影响取决于作物和气候条件。
在RF+DI中,在播种时,塑料薄膜覆垄将降雨和径流沟引入沟中。
该方法不仅收获了水,也降低了土壤水分蒸发,提高土壤温度。
以前的研究表明,RF+DI显著提高了小麦和玉米产量。
所以,RF+DI从2000年在中国西北甘肃和陕西省等已被广泛采用。
在我们的研究中,与CFI处理相比,RF+DI处理六年多使玉米总产量增加了17.4%,小麦总产量增加了1.6%与CFI处理相比(表2和表3)。
玉米产量的增幅比小麦大可能是因为小麦种植面积的减少达24%,(CFI田块21行,RF+DI田块16行),而种植玉米的面积没有变化。
王等人(2009)发现,在1:
1的RF情况下(60cm垄,60cm沟)的玉米产量和水分利用率比1:
2的RF情况下(30cm垄,60cm沟)低。
产量和水分利用率的降低可能是由于1:
1的RF减少了种植面积。
显然,RF+DI对作物产量的影响是一个特定地点的沟垄比。
在降雨量小的地区,一个相对高的沟垄为植物生长收集更多的水;降雨量大的地区,低沟垄比可以增加种植面积和产量。
因此,沟垄的最佳比例应由各个位置确定。
RF+DI处理玉米产量和水分利用率比SM+DI处理更大,这表明,塑料薄膜覆垄与秸秆地膜犁沟(RF+DI处理)结合比SM+DI处理
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