不同耕作和施肥方式对新修梯田土壤水分、质量和作物产量的影响

摘要

黄土高原半干旱地区特殊的自然地理环境和人类活动导致该地区生态环境脆弱、水土流失严重、农业生产落后。修建水平梯田是该地区减少水土流失的重要措施。然而，新修梯田土壤肥力很低，作物产量难以提高。本研究以新修梯田为对象，采取三种耕作措施：平作不覆膜（Flat）、双垄沟不覆膜（No-mulching）和双垄沟覆膜（Mulching），和四种施肥措施：单施氮磷肥（NP）、氮磷肥加羊粪（NPM）、氮磷肥加玉米秸秆（NPS）和 2 倍（氮磷肥加玉米秸秆）（2NPS），其中，NP、NPM、NPS三个处理投入的氮磷总量相同，NPM和NPS中碳投入总量相同，2NPS处理中碳、氮、磷的投入均是NPS的2倍。共12个处理，分别为：（1）F-NP：平作不覆膜+氮磷肥；（2）F-NPM：平作不覆膜+氮磷肥和羊粪；（3）F-NPS：平作不覆膜+氮磷肥和玉米秸秆；（4）F-2NPS：平作不覆膜+2倍（氮磷肥和玉米秸秆）；（5）N-NP：双垄沟不覆膜+氮磷肥；（6）N-NPM：双垄沟不覆膜+氮磷肥和羊粪；（7）N-NPS：双垄沟不覆膜+氮磷肥和玉米秸秆；（8） N-2NPS：双垄沟不覆膜+2 倍（氮磷肥和玉米秸秆）；（9）M-NP：双垄沟覆膜+氮磷肥；（10）M-NPM：双垄沟覆膜+氮磷肥和羊粪；（11）M-NPS：双垄沟覆膜+氮磷肥和玉米秸秆；（12）M-2NPS：双垄沟覆膜+2 倍（氮磷肥和玉米秸秆）。持续观测各处理0-200 cm土壤水分、0-30 cm土壤碳氮磷和pH的动态变化及差异以及各处理对作物产量的影响。 本试验开始于2013年4月，2013-2016年间主要得到如下试验结果： （1）土壤水分 相比于试验刚开始（2013年4月），2013年9月和2014年9月0-200 cm土壤剖面含水量在所有处理中均有所增加。其中，平作不覆膜处理0-200 cm土壤剖面含水量2013年9月和2014年9月平均增加28.9%和56.3%，双垄沟不覆膜平均增加20.7%和46.6%，双垄沟覆膜平均增加48.1%和68.9%，双垄沟覆膜处理下0-200 cm土壤剖面含水量最高，而双垄沟不覆膜处理比平作不覆膜更难保持水分，土壤含水量最低。而2015年和2016年降水较少，种植作物之后，虽然2015年9月与2016年9月0-60 cm土壤剖面含水量双垄沟覆膜高于其他两种耕作方式，但0-200 cm土壤剖面含水量在三种耕作方式间差异不显著。 2013年4月，0-60 cm土壤蓄水量为84.3mm，2013年9月-2014年9月显著增加，2015年4月-2016年9月下降，与年降水量变化趋势一致。2013 年 9月-2016年9月，0-60 cm土壤蓄水量双垄沟覆膜处理下均显著高于其他两种方式，高出10%-38%。另外，在2015年9月-2016年4月不种作物的休闲月份期间，平作不覆膜、双垄沟不覆膜、双垄沟覆膜的0-60 cm土壤蓄水量分别增加了6.7、7.8、22.2 mm，双垄沟覆膜增加幅度显著高于其他两种耕作方式，双垄沟覆膜在休闲月份能够有效收集雨水，减少蒸发，增加土壤0-60 cm蓄水量，有利于来年播种需要。 2013年4月60-200 cm土壤蓄水量为176.9 mm。2013年9月-2014年9月以及2015年4月和2016年4月，双垄沟覆膜处理显著高于其他两种耕作方式，高出6.7%-23.5%，而2015年9月和2016年9月三种耕作方式间差异不显著。 （2）土壤有机碳和pH 试验结果表明，0-30 cm土壤有机碳含量和土壤pH受施肥影响较大，而耕作方式之间差异不显著。 试验布置4年后，NP土壤有机碳含量为3.42 g/kg，NPM、NPS、2NPS土壤有机碳含量比NP分别高出20%、79%、52%，相比于单施氮磷肥，配施有机肥对土壤有机碳增加作用明显，而配施相同碳投入的玉米秸秆（NPS）土壤0-30 cm 有机碳含量显著高于配施羊粪（NPM），而双倍玉米秸秆（2NPS）并没有成倍增加土壤有机碳含量。将0-30 cm土壤有机碳含量与试验时间进行线性拟合发现，试验布置4年以来，四种施肥处理下0-30 cm土壤有机碳含量逐渐上升。上升速度从大到小依次是 NPS （k=0.72096，R2=0.78555*）> 2NPS （k=0.59029，R2=0.87423*） >NPM（k=0.37521，R2=0.48906）>NP（k=0.17361，R2=0.1123）。 2013年4月土壤pH平均为8.67，试验布置4年后，各施肥处理均降低了土壤pH，NP土壤pH为8.55，NPM、NPS、2NPS分别为8.58、8.44、8.35。相比单施氮磷肥和配施羊粪，配施玉米秸秆土壤pH降低。 （3）土壤养分 试验结果表明，0-30 cm土壤全氮，全磷以及速效磷含量受施肥影响较大，而耕作方式之间差异不显著。 试验布置4年以来，所有处理0-30 cm土壤全氮，全磷以及速效磷含量都呈上升趋势。2013年4月0-30 cm土壤全氮含量平均为0.35 g/kg。试验布置4年后，NP土壤全氮含量为0.45 g/kg，NPM、NPS、2NPS分别是NP的1.2、1.6、1.5倍。结果说明，相比于单施氮磷肥，配施有机肥对土壤全氮增加作用明显，而配施相同氮投入的玉米秸秆（NPS）提高土壤全氮作用优于羊粪（NPM），而双倍玉米秸秆（2NPS）并没有成倍增加土壤全氮含量。0-30 cm土壤全氮含量逐年上升，上升速度从大到小依次是 NPS （k=0.09392，R2=0.97883**）>2NPS （k=0.08043,R2=0.82788*）>NPM（k=0.05451，R2=0.76838*）>NP（k=0.02722，R2=0.50218）。 2013年4月0-30 cm土壤全磷和速效磷含量平均为0.60 g/kg和1.48 mg/kg，试验布置4年后，2NPS土壤全磷含量分别为0.83 g/kg，速效磷含量为21.24 mg/kg，土壤全磷含量比NP、NPM、NPS分别高出0.12、0.12、0.08 g/kg，土壤速效磷含量分别高出10.09、6.38、7.95 mg/kg，土壤全磷和速效磷含量随施加磷肥量而增加。0-30 cm 土壤全磷含量随试验时间逐渐上升，上升速度从大到小依次是2NPS（k=0.06288，R2=0.9164*）>NPS（k=0.03935，R2=0.24814）>NP（k=0.03235，R2=81748*）>NPM（k=0.03008，R2=0.41267）。 本试验布置4年以来，0-30 cm土壤有机碳，全氮，全磷含量逐渐接近甚至超过当地老农田土壤各参数水平。截至2016年9月，NP处理下，0-30 cm土壤有机碳含量达到了当地老农田的46.9%，土壤全氮含量达到了60.6%。NPM处理下，0-30 cm土壤有机碳含量达到了当地老农田的59.1%，土壤全氮达到了72.9%。NPS处理下，0-30 cm土壤有机碳含量已经达到了当地老农田的81.1%，土壤全氮含量达到了99.1%。2NPS处理下，0-30 cm土壤有机碳含量已经达到了当地老农田的71.5%，土壤全氮含量达到了90.7%。而土壤全磷含量受施加磷肥量的影响较大，2NPS处理下达到了109.4%，即目前已经超过了当地老农田水平，NP、NPM、NPS均达到了90%以上。 （4）作物产量与构成 不同耕作和施肥对蚕豆产量有显著的影响，并且两者有交互作用。三种耕作方式下蚕豆产量为双垄沟覆膜（3114 kg/ha）>平作不覆膜（2411 kg/ha）>双垄沟不覆膜（2204 kg/ha）。四种施肥处理下，蚕豆产量为NPS（2806 kg/ha）>2NPS （2740 kg/ha）>NPM（2474 kg/ha）>NP（2285 kg/ha），其中，MNPS处理下蚕豆产量最高，FNP 最低，产量提高 88%。而不同耕作和施肥对蚕豆水分利用效率没有显著影响，也没有交互作用。 不同耕作方式对于马铃薯产量和水分利用效率有显著影响，而施肥处理间差异不显著。双垄沟覆膜下马铃薯产量和水分利用效率显著高于平作不覆膜和双垄沟不覆膜，产量分别提高66%和79%，水分利用效率提高65%和47%。 通径分析结果表明，蚕豆和马铃薯的产量都与土壤养分和水分显著相关。蚕豆产量主要受0-30 cm土壤矿化氮含量和0-200 cm蓄水量影响，决定系数66%。马铃薯产量主要受0-30 cm土壤全氮和矿化氮以及速效磷含量和0-60 cm土壤蓄水量影响，决定系数75%。因此，通过结合覆膜和施肥，改善土壤水分和养分状况是提高新修梯田农作物产量的有效途径。 综上，双垄沟覆膜显著提高0-200 cm土壤水分，而氮磷肥配施有机肥，尤其是玉米秸秆能显著改善土壤质量，并显著提高作物产量。

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