王玉瓏 于愛忠 呂漢強 呂奕彤 蘇向向 王鵬飛 柴 健

綠洲灌區(qū)麥后復(fù)種綠肥并還田對翌年玉米根系性狀及水分利用效率的影響

王玉瓏 于愛忠*呂漢強 呂奕彤 蘇向向 王鵬飛 柴 健

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室, 甘肅蘭州 730070

針對西北干旱綠洲灌區(qū)麥后休閑期長, 水分蒸發(fā)量大、水資源利用率不高等問題, 研究了綠肥不同還田方式對玉米根系性狀和水分利用效率的影響及其相互關(guān)系, 以期為構(gòu)建區(qū)域水資源高效利用種植模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。2020至2021年基于田間定位試驗, 研究了綠肥全量翻壓(tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil, TG), 綠肥地表覆蓋免耕(no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface, NTG), 綠肥地上部移除根茬翻壓(tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed, T), 綠肥地上部移除免耕(no-tillage with above ground manure removed, NT)和傳統(tǒng)翻耕、休閑(conventional tillage and leisure, CT) 5個處理對輪作玉米土壤貯水量、玉米根系性狀和水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理顯著提高了0～110 cm土層土壤貯水量; 與CT相比, NTG和TG的全生育期平均土壤貯水量分別提高14.0%～15.0%和8.8%～12.0%。綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理顯著提高了玉米根長、根表面積、根體積和根干重; 與CT相比, NTG和TG的根長分別提高20.7%～26.0%和19.9%～28.5%; 根表面積分別提高43.0%～52.9%和41.3%～58.7%; 根體積分別提高45.7%～46.7%和40.6%～46.7%; 根干重分別提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%。綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理顯著提高了玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率; 與CT相比, NTG和TG的籽粒產(chǎn)量分別提高15.4%～34.3%和19.1%～32.0%, NTG和TG的水分利用效率分別提高19.5%～39.2%和20.5%～34.8%。玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期的根長、根表面積與土壤貯水量均呈顯著正相關(guān), 根長、根表面積、根體積、根干重與水分利用效率均呈顯著正相關(guān)。因此, 在干旱綠洲灌區(qū)綠肥地表覆蓋免耕和綠肥全量翻壓處理有利于改善土壤水分條件, 優(yōu)化玉米根系生長, 從而提高產(chǎn)量和水分利用效率; 其中, 綠肥地表覆蓋免耕處理效果突出, 可作為該區(qū)適宜的綠肥還田方式。

輪作; 綠肥; 玉米; 根系; 水分利用效率

北方干旱、半干旱區(qū)作為我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū), 具有光熱資源豐富的特點, 但也存在土壤貧瘠、降水量少、蒸發(fā)量大、資源利用率不高等問題[1-2]。有研究者認為, 有效解決我國糧食安全問題不能只注重作物高產(chǎn)的研究, 必須同時考慮耕地土壤退化、資源的高效利用以及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。綠肥作為一種生育期較短的填閑作物, 一方面可以培肥土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進作物養(yǎng)分供給[5-7]。另一方面, 能有效提高資源利用效率, 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效綠色可持續(xù)發(fā)展的有機肥源[8-9]。在當(dāng)前水資源嚴重緊缺的形勢下, 僅以土壤培肥為主要目的傳統(tǒng)綠肥種植技術(shù)已不能滿足當(dāng)前作物生產(chǎn)的需求。將綠肥合理引入主栽作物種植模式, 并采用科學(xué)的綠肥還田利用方式, 在培肥土壤的同時, 提高水資源利用效率, 對干旱區(qū)構(gòu)建節(jié)水型種植模式具有重要的理論和技術(shù)意義。綠肥還田對作物水分利用效率的影響因區(qū)域環(huán)境不同而存在差異。一些研究表明, 綠肥還田在提高主栽作物水分利用效率的同時, 還可有效降低土壤容重[10]、增加土壤大團聚體含量[11], 為作物生長創(chuàng)造良好的水分環(huán)境, 從而增加作物產(chǎn)量[12-13]。在半干旱和干旱地區(qū)降雨充足的年份, 種植豆科綠肥所消耗的土壤水分能夠得到及時補充, 豆科綠肥有利于提高作物產(chǎn)量和水分利用效率; 但降雨不足的年份, 綠肥對土壤水分的消耗則會導(dǎo)致后茬作物產(chǎn)量下降, 水分利用效率降低[14]。

耕作是改善土壤結(jié)構(gòu)的重要措施[15], 適當(dāng)?shù)母骺稍黾油寥篮? 促進作物根系生長, 進而提高水分利用效率[16-17]。當(dāng)年降雨量低于500 mm時, 免耕可有效提高作物水分利用效率[18]。Kan等[19]在華北平原連續(xù)10年的試驗結(jié)果表明, 免耕處理的水分利用效率顯著高于旋耕和傳統(tǒng)耕作。耕作結(jié)合覆蓋措施可改善耕層土壤團粒結(jié)構(gòu), 增強休閑期和生育期土壤蓄水保墑能力, 從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[20]。

根系是吸收和運輸水分的關(guān)鍵器官, 是作物形態(tài)特征中調(diào)控水分利用效率不容忽視的內(nèi)在因素[21],通過合理的栽培措施改善作物根系生長環(huán)境, 調(diào)節(jié)作物根系性狀, 對提高作物水分利用效率具有重要意義[22-23]。前人研究大多僅關(guān)注了綠肥還田或耕作措施等單一因素對作物根系性狀和水分利用效率的影響, 對二者綜合效應(yīng)的探討相對較少。本研究針對西北干旱綠洲灌區(qū)麥后休閑期長、田間蒸發(fā)量大、水資源利用率不高等問題, 分析了綠肥不同還田方式對玉米農(nóng)田土壤貯水量、根系性狀和水分利用效率的影響, 明確了綠肥不同還田方式下根系性狀與土壤貯水量以及水分利用效率之間的相互關(guān)系, 以期為區(qū)域構(gòu)建水分高效利用種植模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2020—2021年, 在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站進行。試驗站位于37°30′N、103°5′E, 海拔1506 m, 年均降雨量不足160 mm, 年蒸發(fā)量大于2000 mm, 屬寒溫帶干旱氣候, 灌溉水資源緊缺, 光熱資源充足。2020年和2021年玉米生育期內(nèi)總降雨量分別為133 mm和153.6 mm, 降雨量和溫度日變化如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置春小麥-綠肥-春玉米輪作, 重復(fù)1輪。春小麥-綠肥-春玉米輪作為2019年3月份種植春小麥, 7月份春小麥?zhǔn)斋@后翻耕復(fù)種箭筈豌豆, 10月份在箭筈豌豆盛花期設(shè)置4種還田方式, 2020年4月21日覆膜平作玉米, 9月25日收獲。重復(fù)一輪設(shè)置為, 2020年3月份種植春小麥, 7月份春小麥?zhǔn)斋@后翻耕復(fù)種箭筈豌豆, 10月份在箭筈豌豆盛花期設(shè)置4種還田方式, 2021年4月21日覆膜平作玉米, 9月27日收獲。試驗共設(shè)5個處理, 每個處理3次重復(fù), 采用完全隨機區(qū)組排列, 小區(qū)面積54 m2(6 m× 9 m), 具體試驗處理及代碼如表1。

圖1 2020–2021年試驗區(qū)日降雨量和日均溫變化

表1 試驗處理及代碼

選取2020年至2021年輪作中玉米田進行數(shù)據(jù)采集。小麥(L.)品種為“永良4號”, 播種密度為675萬粒hm–2, 箭筈豌豆(L.)品種為“蘭箭2號”, 播量為75 kg hm–2; 玉米(L.)供試品種為“先玉335”, 播種密度為8.25萬株hm–2。玉米總施氮量為360 kg N hm–2, 基肥、大喇叭口期追肥和灌漿期追肥分別為108 kg N hm–2、180 kg N hm–2和72 kg N hm–2; 施磷肥180 kg P2O5hm–2, 全做基肥。小麥?zhǔn)┑?80 kg N hm–2, 施磷肥180 kg P2O5hm–2, 全作基肥。綠肥生長期不施肥。灌溉方式為滴灌, 灌水總量4050 m3hm–2, 按拔節(jié)期∶大喇叭口期∶抽雄吐絲期∶灌漿初期∶灌漿中期=6∶5∶6∶5∶5進行灌溉。

1.3 測定指標(biāo)和計算方法

土壤質(zhì)量含水量: 采用烘干法測定。于玉米播種前(2020年4月20日、2021年4月20日)、收獲后(2020年9月26日、2021年9月28日)以及播種后20、40、60、80、100、120和140 d分別測定0～110 cm土層土壤質(zhì)量含水量, 土壤0～30 cm土層每10 cm為一層, 30～110 cm土層每20 cm為一層。

土壤貯水量(soil water storage, SWS):

式中, SWS為土壤貯水量(mm),為土層厚度(cm),為土壤容重(g cm–3),為土壤質(zhì)量含水量, 10為單位換算系數(shù),為土壤層次。

根系取樣及樣品測定: 分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期采用土壤剖面法[24], 以1/2株距為寬, 1/2行距為長, 將0～60 cm土體全部取出, 整體裝入0.45 mm網(wǎng)袋, 用自來水沖洗干凈, 帶回實驗室用根系掃描儀和配套分析軟件進行根系性狀的測定, 最后放入80℃烘箱內(nèi)烘干至恒重, 稱取干重。

作物耗水量(evaporation, ET): 采用農(nóng)田水分平衡法計算[25]。由于試區(qū)自然水資源緊缺, 灌溉量有限, 地下水較深, 因此不考慮水分滲漏和地下水上升的影響。

ETΔ

式中,為玉米全生育期降雨量(mm),為玉米全生育期灌水總量(mm), Δ為玉米播種期和收獲期土壤貯水量之差(mm)。

籽粒產(chǎn)量: 玉米成熟后按小區(qū)單獨收獲、風(fēng)干后脫粒測產(chǎn)。

水分利用效率(water use efficiency, WUE):

WUE=/ET

式中,為玉米籽粒產(chǎn)量(kg hm–2), ET為玉米全生育期耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)匯總, SigmaPlot 14.0制圖, SPSS 19.0進行顯著性檢驗和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期內(nèi)土壤貯水量變化

與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)提高了0～110 cm土層土壤貯水量(圖2)。從玉米不同生育時期來看, 2020年與2021年播種期, 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT處理分別顯著(<0.05)提高4.9%～17.2%和8.0%～9.3%, 綠肥根茬還田處理(NT、T)較CT處理分別顯著(<0.05)提高5.7%～9.5%和6.9%～7.7%; 苗期(播種后40 d), 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT處理分別顯著(<0.05)提高11.0%～14.8%和7.2%～10.0%; 拔節(jié)期(播種后60 d), 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT分別顯著(<0.05)提高5.2%～12.0%和2.4%～9.2%, 綠肥根茬還田處理(NT、T)與CT處理差異不顯著; 抽雄吐絲期(播種后80 d)綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT處理分別顯著(<0.05)提高16.9%～23.5%和11.0%～17.8%, T處理較CT處理提高0.2%～11.3%, NT處理與CT處理差異不顯著; 開花期(播種后100 d), 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT分別顯著(<0.05)提高10.6%～ 17.8%和6.1%～16.2%; 灌漿期(播種后120 d), 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較NT處理分別提高9.3%～14.1%和7.2%～12.8%, 較T處理分別提高6.9%～11.1%和5.5%～9.1%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高9.7%～20.8%和7.7%～19.6%; 乳熟期(播種后140 d), 綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較NT處理分別提高8.5%～17.2%和4.3%～12.0%, 較T處理分別提高11.8%～12.8%和7.3%～7.8%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高13.8%～27.5%和9.9%～22.9%。從玉米各生育期平均來看, 2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的土壤貯水量較CT處理分別顯著(<0.05)提高14.5%～14.9%和8.9%～12.4%, 綠肥根茬還田處理(NT、T)較CT處理分別顯著(<0.05)提高5.0%～5.5%和2.0%～9.1%。

2.2 綠肥不同還田方式對玉米根系性狀的影響

2.2.1 綠肥不同還田方式對玉米根長的影響 與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)增加了玉米根長(表2)。從玉米不同生育時期來看, 2020年與2021年, 拔節(jié)期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根長較NT處理分別提高46.4%～52.0%和42.5%～48.7%, 較T處理分別提高42.3%～52.1%和42.6%～44.7%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%, NT、T和CT差異不顯著。大喇叭口期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根長較CT處理分別顯著(<0.05)提高20.7%～26.0%與19.9%～28.5%, 綠肥根茬還田處理(NT、T)較CT處理分別顯著(<0.05)提高0.8%～9.3%與1.0%～11.1%。吐絲期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根長較NT處理分別提高34.2%～37.6%和29.7%～30.6%, 較T處理分別提高35.0%～38.0%和27.6%～33.9%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高42.8%～46.0%與36.3%～42.3%。從各生育期平均來看, 2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根長較CT處理分別顯著(<0.05)提高36.1%～40.7%和32.5%～37.6%, T處理較CT處理提高7.6%～11.0%, NT處理與CT處理差異不顯著。

圖2 不同處理0～110 cm土層土壤貯水量變化

TG: 綠肥全量翻壓; T: 綠肥地上部移除根茬翻壓; NTG: 綠肥地表覆蓋免耕; NT: 綠肥地上部移除免耕; CT: 傳統(tǒng)翻耕、休閑。圖中不同小寫字母表示同一生育時期各處理間在0.05概率水平差異顯著。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差(= 3)。

TG: tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil; T: tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed; NTG: no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface; NT: no-tillage with above ground manure removed; CT: conventional tillage and leisure. Different lowercase letters indicate significant difference within the same stage among the treatments at the 0.05 probability level. Error bars indicate standard errors (= 3) in the figure.

表2 不同處理下的玉米根長

TG: 綠肥全量翻壓; T: 綠肥地上部移除根茬翻壓; NTG: 綠肥地表覆蓋免耕; NT: 綠肥地上部移除免耕; CT: 傳統(tǒng)翻耕、休閑。同列數(shù)字后不同小寫字母表示同一年份各處理間在0.05概率水平差異顯著。

TG: tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil; T: tillage with root incorporated in the soil and above ground green manure removed; NTG: no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface; NT: no-tillage with above ground manure removed; CT: conventional tillage and leisure. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

2.2.2 綠肥不同還田方式對玉米根表面積的影響

與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)增加了玉米根表面積(表3)。從玉米不同生育時期來看, 2020與2021年, 拔節(jié)期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根表面積較NT處理分別提高35.6%～40.9%和33.7%～48.1%, 較T處理分別提高32.7%～44.6%和30.7%～51.3%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高43.0%～52.9%與41.3%～58.7%。大喇叭口期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根表面積較NT處理分別提高24.7%～30.4%和27.4%～50.9%, 較T處理分別提高20.1%～30.7%和15.3%～27.7%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高32.7%～39.9%與29.8%～36.3%。吐絲期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根表面積較NT處理分別提高36.0%～40.6%和28.0%～30.5%, 較T處理分別提高39.8%～43.6%和26.9%～38.8%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高41.4%～52.5%與36.4%～42.4%。從玉米各生育期平均來看, 2020與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根表面積較CT處理分別顯著(<0.05)提高39.0%～48.9%和35.8%～43.3%, 綠肥根茬還田處理(NT、T)的根表面積較CT處理分別顯著(<0.05)提高7.2%～20.1%和7.4%～21.8%。

表3 不同處理下的玉米根表面積

處理同表2。同列數(shù)字后不同小寫字母表示同一年份各處理間在0.05概率水平差異顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant at the 0.05 probability level, respectively.

2.2.3 綠肥不同還田方式對玉米根體積的影響

與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)增加了玉米根體積(表4)。從玉米不同生育時期來看, 2020年與2021年, 拔節(jié)期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根體積較NT處理分別提高36.7%～37.1%和31.3%～36.7%, 較T處理分別提高37.1%～46.7%和31.3%～46.7%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高45.7%～46.7%與40.6%～46.7%。大喇叭口期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根體積較NT處理分別提高16.3%～30.2%和18.5%～24.1%, 較T處理分別提高14.3%～31.7%和20.4%～22.2%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高22.4%～33.3%與22.2%～29.6%。吐絲期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根體積較NT處理分別提高50.9%～51.1%和32.4%～48.5%, 較T處理分別提高48.9%～56.6%和29.4%～54.5%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高51.9%～58.5%與42.6%～49.5%。從玉米各生育期平均來看, 2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根體積顯著(<0.05)高于綠肥根茬還田處理(NT、T)和CT處理。綠肥全量還田處理(NTG、TG)較NT處理分別提高38.8%～42.0%和30.3%～37.6%, 較T處理分別提高41.6%～45.7%和30.4%～38.9%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高40.7%～44.9%和39.6%～46.9%。

2.2.4 綠肥不同還田方式對玉米根干重的影響

與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)提高了玉米根干重(表5)。從玉米不同生育時期來看, 2020年與2021年, 拔節(jié)期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根干重較NT處理分別提高33.3%～57.1%和20.0%～57.1%, 較T處理分別提高42.9%～50.0%和42.9%～42.9%, 較CT分別顯著(<0.05)提高48.0%～51.5%和41.9%～50.2%, NTG 和TG無顯著差異。大喇叭口期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根干重較NT處理分別提高26.3%～ 35.7%和22.2%～25.0%, 較T處理分別提高21.1%～ 23.5%和16.7%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高26.0%與22.2%～25.0%。吐絲期綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根干重較NT處理分別提高34.6%～ 46.4%和26.1%～48.3%, 較T處理分別提高31.1%～ 34.6%和26.1%～34.5%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高50.0%～53.8%和47.8%～51.7%。從玉米各生育期平均來看, 2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的根干重顯著(<0.05)高于綠肥根茬還田處理(NT、T)和CT處理, 綠肥全量還田處理(NTG、TG)較NT處理分別提高34.5%～39.7%和23.9%～ 40.5%, 較T處理分別提高30.8%～31.7%和25.5%～ 35.9%, 較CT處理分別顯著(<0.05)提高42.8%～ 43.5%和39.9%～48.3%, T處理較CT處理提高17.3%～19.4%, NT處理與CT處理差異不顯著。

表4 不同處理下的玉米根體積

處理同表2。同列數(shù)字后不同小寫字母表示同一年份各處理間在0.05概率水平差異顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

表5 不同處理下的玉米根干重

處理同表2。同列數(shù)字后不同小寫字母表示同一年份各處理間在0.05概率水平差異顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters in the same year indicate significant difference at the 0.05 probability level.

2.3 玉米根系性狀對土壤貯水量變化的響應(yīng)

土壤貯水量與玉米根系性狀的關(guān)系在不同時期表現(xiàn)出相同的結(jié)果(圖3)。在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期土壤貯水量與玉米根長、根表面積均呈極顯著(<0.01)線性正相關(guān)關(guān)系, 且隨生育進程的推進相關(guān)系數(shù)由小變大, 至吐絲期土壤貯水量與根長、根表面積的相關(guān)系數(shù)分別為0.9253和0.9488。說明綠肥還田處理可通過提高土壤貯水量, 進而促進玉米根長、根表面積的增加, 且在玉米吐絲期效果突出。

圖3 土壤貯水量與玉米根系性狀的關(guān)系

**表示在0.01概率水平相關(guān)顯著。**means thatthecorrelation is significant difference at the 0.01 probability level.

2.4 綠肥不同還田方式對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)提高了玉米籽粒產(chǎn)量(圖4)。2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的籽粒產(chǎn)量分別較CT顯著(<0.05)提高15.4%～34.3%與19.1%～32.0%; 綠肥根茬還田處理(NT、T)的籽粒產(chǎn)量分別較CT顯著(<0.05)提高0.4%～19.5%與9.2%～21.9%。綠肥全量還田處理(NTG、TG)的籽粒產(chǎn)量顯著高于綠肥根茬還田處理(NT、T)。與對照相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著(<0.05)提高了玉米水分利用效率(圖4)。2020年與2021年綠肥全量還田處理(NTG、TG)的水分利用效率分別較CT顯著(<0.05)提高19.5%～39.2%與20.5%～34.8%; 綠肥根茬還田處理(NT、T)的水分利用效率分別較CT顯著(<0.05)提高2.9%～18.1%與10.0%～22.3%。綠肥全量還田處理(NTG、TG)的水分利用效率顯著高于綠肥根茬還田處理(NT、T)。

2.5 玉米根系性狀與水分利用效率的相關(guān)分析

綠肥不同還田方式下玉米根系性狀與水分利用效率的相關(guān)分析如表6所示, 在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期水分利用效率與根長、根表面積、根體積、根干重均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)。拔節(jié)期和大喇叭口期水分利用效率與根長的相關(guān)系數(shù)最大,吐絲期水分利用效率與根表面積的相關(guān)系數(shù)最大。說明綠肥還田方式可促進玉米根系生長發(fā)育, 進而提高水分利用效率。

圖4 不同處理下玉米產(chǎn)量和水分利用效率

處理同表2。不同小寫字母表示同一年份各處理間在0.05概率水平差異顯著。

Treatments and abbreviations are the same as those given in Table 2. Different lowercase letters indicate significant difference within the same year among the treatments at the 0.05 probability level.

表6 玉米根系性狀與水分利用效率的相關(guān)性

**表示在0.01概率水平相關(guān)顯著。**means that the correlation is significant at the 0.01 probability level.

3 討論

3.1 土壤貯水量對綠肥不同還田方式的響應(yīng)

土壤水分是保障作物正常生長發(fā)育的重要因素,通過合理的農(nóng)藝措施改善農(nóng)田土壤水分狀況對農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義[16-17]。本研究結(jié)果表明, 綠肥全量還田處理可為后茬玉米生長發(fā)育提供良好的水分條件, 其中綠肥地表覆蓋免耕處理效果尤為突出, 較傳統(tǒng)翻耕、休閑處理0～110 cm土層全生育期平均土壤貯水量提高14.5%。相關(guān)研究認為, 綠肥還田可以有效增加土壤孔隙度和大團聚體含量[11,26], 提升了土壤對養(yǎng)分和水分的儲存能力[27]; 綠肥還田有效阻隔了土壤與大氣層間的水分和能量交換, 從而降低了土壤水分蒸發(fā)[28]。另有研究表明, 免耕和深松均能有效提高土壤貯水量, 從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[29]。種植綠肥能增加地表覆蓋度, 改善土壤水分環(huán)境, 為主栽作物提供良好的水分條件[9]。本研究綠肥改善土壤水分條件的效果與秸稈覆蓋還田類似[30-31], 如余海英等[32]研究表明, 免耕秸稈覆蓋可通過降低土壤容重、促進土壤團聚體的形成等作用提高土壤的蓄水保墑能力。說明通過合理的耕作方式實現(xiàn)綠肥還田是改善土壤水分環(huán)境的有效方式。也有研究認為, 休閑期種植并翻壓豆科綠肥可有效提高下茬作物播前土壤貯水量, 但因降雨年型的不同, 對后茬作物產(chǎn)量的影響存在差異[33]。在半干旱和干旱地區(qū)降雨充足的年份, 種植豆科綠肥所消耗的土壤水分能夠得到及時補充, 而降雨不足的年份, 綠肥對土壤水分的消耗則會導(dǎo)致后茬作物產(chǎn)量下降, 水分利用效率降低[34]。本研究中2年的生育期降雨量均低于該區(qū)長期平均降雨量, 但綠肥全量還田處理仍有利于土壤貯水量的提高, 說明該區(qū)適宜種植綠肥的年降雨量下限低于長期平均降雨量, 而對年降雨量安全閾值的確定仍需進一步研究。

3.2 玉米根系性狀對綠肥不同還田方式的響應(yīng)

植物根系有固定植株、吸收營養(yǎng)物質(zhì)、輸導(dǎo)物質(zhì)交換等諸多作用, 充分認識農(nóng)藝措施對作物根系特征的影響, 是作物生產(chǎn)中不容忽視的重要環(huán)節(jié)[21,35]。本研究表明, 綠肥還田方式對玉米根系性狀影響顯著, 與傳統(tǒng)翻耕、休閑處理相比, 綠肥全量還田處理有利于玉米根長、根表面積、根體積和根干重的增加, 且增大幅度在拔節(jié)期、大喇叭口期和吐絲期表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢, 這與前人研究結(jié)果一致[22,36]。其主要原因在于: (1) 綠肥還田有利于土壤水穩(wěn)性團聚體的形成, 同時可有效改善土壤孔隙度等諸多物理性質(zhì)[11,27-28], 為作物根系生長創(chuàng)造有利條件; (2) 豆科綠肥還田可有效提高土壤有機質(zhì)含量和活性有機質(zhì)含量[37], 為作物根系生長提供了良好的養(yǎng)分條件; (3) 綠肥還田不僅可以維持作物生育前期的土壤溫度, 同時能減少地表水分蒸發(fā), 增加水分入滲, 促進了土壤水分的重新分配[12,29]。Myint等[38]研究認為, 不同覆蓋處理對玉米根系生長的促進作用主要集中在0～30 cm土層。姜英等[36]研究表明, 秸稈還田可有效促進根系生長發(fā)育, 但對不同土層根系的影響存在差異。說明綠肥不同還田方式可有效改善作物根系生長發(fā)育, 為作物對土壤養(yǎng)分和水分的吸收利用創(chuàng)造有利條件。但不同栽培措施對不同土層根系分布的影響存在差異, 未來對綠肥還田方式下不同土層的根系特征仍需進一步研究。

3.3 玉米產(chǎn)量和水分利用效率對綠肥不同還田方式的響應(yīng)

在供水量一定的情況下, 提高作物產(chǎn)量是提高作物水分利用效率的重要途徑。優(yōu)化栽培管理措施不僅可增加土壤蓄水保墑能力[27,29], 同時能改善作物根系形態(tài)特征[17,36], 為作物高產(chǎn)高效生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。本研究結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)翻耕休閑處理相比, 綠肥全量翻壓、綠肥地表覆蓋免耕處理顯著提高了玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。有研究認為, 在干旱半干旱區(qū)綠肥還田是提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的有效途徑[12,39-40], 這與本研究結(jié)果一致。主要是因為綠肥全量還田處理改善了土壤水分環(huán)境, 促進了玉米根系的生長發(fā)育, 為玉米對土壤養(yǎng)分和水分的吸收利用提供了有利條件, 從而促進了籽粒產(chǎn)量的提高, 最終提高水分利用效率。此外, 也有研究認為在降雨充足的年份, 種植豆科綠肥所消耗的土壤水分能夠得到及時補充, 豆科綠肥有利于提高作物產(chǎn)量, 增加水分利用效率; 在降雨不足的年份, 綠肥對土壤水分的消耗則會導(dǎo)致后茬作物產(chǎn)量下降, 水分利用效率降低[34]。這與本研究結(jié)果存在差異, 可能是降雨年型不同造成的, 未來應(yīng)進一步研究不同降雨年型下綠肥還田方式對水分利用效率的影響, 為綠肥的合理應(yīng)用提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

干旱綠洲灌區(qū)綠肥全量翻壓和綠肥地表覆蓋免耕處理均可有效提高后茬玉米農(nóng)田0～110 cm土層土壤貯水量, 促進玉米根長、根表面積、根體積和根干重的增加, 提高玉米水分利用效率, 其中綠肥地表覆蓋免耕處理的效果更為突出。綠肥還田利用條件下, 土壤貯水量的增加可有效促進玉米根長、根表面積的增加, 進而促進玉米水分利用效率的提高。在干旱綠洲灌區(qū)綠肥地表覆蓋免耕處理有利于改善土壤水分條件, 優(yōu)化玉米根系生長, 從而提高玉米水分利用效率。

[1] Guo Q, Huang G M, Guo Y L, Zhang M C, Zhou Y Y, Duan L S. Optimizing irrigation and planting density of spring maize under mulch drip irrigation system in the arid region of Northwest China., 2021, 266: 108141.

[2] 趙西寧, 吳普特, 馮浩, 汪有科. 黃土高原半干旱區(qū)集雨補灌生態(tài)農(nóng)業(yè)研究進展. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42: 3187–3194.

Zhao X N, Wu P T, Feng H, Wang Y K. Advance in research of supplemental irrigation of collected rain water for eco-agriculture in Semi-Arid Loess Plateau of China., 2009, 42: 3187–3194 (in Chinese with English abstract).

[3] Ti J S, Yang Y H, Pu L L, Wen X Y, Yin X G, Chen F. Ecological compensation for winter wheat fallow and impact assessment of winter fallow on water sustainability and food security on the North China Plain., 2021, 328: 129431.

[4] Ju X T, Gu B J, Wu Y Y, Galloway J N. Reducing China’s fertilizer use by increasing farm size., 2016, 41: 26–32.

[5] 劉立生, 徐明崗, 張璐, 文石林, 高菊生, 董春華. 長期種植綠肥稻田土壤顆粒有機碳演變特征. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2015, 21: 1439–1446.

Liu L S, Xu M G, Zhang L, Wen S L, Gao J S, Dong C H. Evolution characteristics of soil particulate organic carbon in the paddy field with long-term planting green manure., 2015, 21: 1439–1446 (in Chinese with English abstract).

[6] 佀國涵, 趙書軍, 王瑞, 徐大兵, 秦興成, 譚軍, 向必坤, 袁家富. 連年翻壓綠肥對植煙土壤物理及生物性狀的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2014, 20: 905–912.

Si G H, Zhao S J, Wang R, Xu D B, Qin X C, Tan J, Xiang B K, Yuan J F. Effects of consecutive overturning of green manure on soil physical and biological characteristics in tobacco-planting fields., 2014, 20: 905–912 (in Chinese with English abstract).

[7] 杜青峰, 王黨軍, 于翔宇, 姚露花, 和玉吉, 王瑞, 馬生蘭, 郭彥軍. 玉米間作夏季綠肥對當(dāng)季植物養(yǎng)分吸收和土壤養(yǎng)分有效性的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(3): 225–233.

Du Q F, Wang D J, Yu X Y, Yao L H, He Y J, Wang R, Ma S L, Guo Y J. The effects of corn and green manure intercropping on soil nutrient availability and plant nutrient uptake., 2016, 25(3): 225–233 (in Chinese with English abstract).

[8] 曹衛(wèi)東, 包興國, 徐昌旭, 聶軍, 高亞軍, 耿明建. 中國綠肥科研60年回顧與未來展望. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2017, 23: 1450–1461.

Cao W D, Bao X G, Xu C X, Nie J, Gao Y J, Geng M J. Reviews and prospects on science and technology of green manure in China., 2017, 23: 1450–1461 (in Chinese with English abstract).

[9] 樊志龍, 柴強, 曹衛(wèi)東, 于愛忠, 趙財, 謝軍紅, 殷文, 胡發(fā)龍.綠肥在我國旱地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的服務(wù)功能及其應(yīng)用. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報. 2020, 31: 1389–1402.

Fan Z L, Chai Q, Cao W D, Yu A Z, Zhao C, Xie J H, Yin W, Hu F L. Ecosystem service function of green manure and its application in dryland agriculture of China., 2020, 31: 1389–1402 (in Chinese with English abstract).

[10] 劉建香, 郭樹芳, 雷寶坤, 郭云周. 綠肥生產(chǎn)利用方式對云南高原紅壤理化性狀及玉米產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2022, 28: 237–246.

Liu J X, Guo S F, Lei B K, Guo Y Z. Effects of green manure production and utilization on the physiochemical properties of red soil and maize yield in Yunnan Plateau., 2022, 28: 237–246 (in Chinese with English abstract).

[11] 呂奕彤, 于愛忠, 呂漢強, 王玉瓏, 蘇向向, 柴強. 綠洲灌區(qū)玉米農(nóng)田土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性對綠肥還田方式的響應(yīng). 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2021, 29: 1194–1204.

Lyu Y T, Yu A Z, Lyu H Q, Wang Y L, Su X X, Chai Q. Composition and stability of soil aggregates in maize farmlands under different green manure utilization patterns in an oasis irrigation area., 2021, 29: 1194–1204 (in Chinese with English abstract).

[12] 呂漢強, 于愛忠, 柴強. 綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量及水分利用對綠肥還田方式的響應(yīng). 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2020, 28: 671–679.

Lyu H Q, Yu A Z, Chai Q. Response of maize yield and water use to different green manure utilization patterns in arid oasis irrigation area., 2020, 28: 671–679 (in Chinese with English abstract).

[13] 李含婷, 柴強, 王琦明, 胡發(fā)龍, 于愛忠, 趙財, 殷文, 樊志龍,范虹. 綠洲灌區(qū)不同施氮水平下玉米綠肥間作模式的水分利用特征. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 54: 2608–2618.

Li H T, Chai Q, Wang Q M, Hu F L, Yu A Z, Zhao C, Yin W, Fan Z L, Fan H. Water use characteristics of maize-green manure intercropping under different nitrogen application levels in the oasis irrigation area., 2021, 54: 2608–2618 (in Chinese with English abstract).

[14] 陳姣, 張池, 陳玉佩, Rana Ammar, 曹衛(wèi)東, 高亞軍, 王朝輝, 黃冬琳, 張達斌. 不同綠肥和覆膜措施對渭北旱塬冬小麥產(chǎn)量和土壤水分動態(tài)的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2021, 27: 2136–2148.

Chen J, Zhang C, Chen Y P, Ammar R, Cao W D, Gao Y J, Wang Z H, Huang D L, Zhang D B. Effects of different green manure crops and mulching approaches on wheat yield and soil moisture dynamics in the dryland region., 2021, 27: 2136–2148 (in Chinese with English abstract).

[15] 沈曉琳, 王麗麗, 趙建寧, 李剛, 修偉明, 楊其琛, 張貴龍. 耕作方式對潮土土壤團聚體微生物群落結(jié)構(gòu)的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2021, 32: 2713–2721.

Shen X L, Wang L L, Zhao J N, Li G, Xiu W M, Yang Q C, Zhang G L. Effects of tillage managements on soil microbial community structure in soil aggregates of fluvo-aquic soil., 2021, 32: 2713–2721 (in Chinese with English abstract).

[16] 趙亞麗, 薛志偉, 郭海斌, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對冬小麥-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47: 3359–3371.

Zhao Y L, Xue Z W, Guo H B, Mu X Y, Li C H. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the winter wheat and summer maize rotation system., 2014, 47: 3359–3371 (in Chinese with English abstract).

[17] 張素瑜, 王和洲, 楊明達, 王靜麗, 賀德先. 水分與玉米秸稈還田對小麥根系生長和水分利用效率的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49: 2484–2496.

Zhang S Y, Wang H Z, Yang M D, Wang J L, He D X. Influence of returning corn stalks to field under different soil moisture contents on root growth and water use efficiency of wheat (L.)., 2016, 49: 2484–2496 (in Chinese with English abstract).

[18] 魏歡歡, 王仕穩(wěn), 楊文稼, 孫海妮, 殷俐娜, 鄧西平. 免耕及深松耕對黃土高原地區(qū)春玉米和冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的整合分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 461–477.

Wei H H, Wang S Y, Yang W J, Sun H N, Yin L N, Deng X P. Meta analysis on impact of no-tillage and subsoiling tillage on spring maize and winter wheat yield and water use efficiency on the Loess Plateau., 2017, 50: 461–477 (in Chinese with English abstract).

[19] Kan Z R, Liu Q Y, He C, Jing Z H, Virk A L, Qi J Y, Zhao X, Zhang H L. Responses of grain yield and water use efficiency of winter wheat to tillage in the North China Plain., 2020, 249: 107760.

[20] 苗芳芳, 勉有明, 普雪可, 吳春花, 周永瑾, 侯賢清. 耕作覆蓋對寧南旱區(qū)土壤團粒結(jié)構(gòu)及馬鈴薯水分利用效率的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 54: 2366–2376.

Miao F F, Mian Y M, Pu X K, Wu C H, Zhou Y J, Hou X Q. Effects of tillage with mulching on soil aggregate structure and water use efficiency of potato in dry-farming area of southern Ningxia., 2021, 54: 2366–2376 (in Chinese with English abstract).

[21] 段海霞, 羅崇亮, Naseer M H, 熊友才. 優(yōu)化作物根系構(gòu)型, 發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè): 2017年作物根系與根際互作國際研討會綜述. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2019, 37(2): 1–9.

Duan H X, Luo C L, Naseer M H, Xiong Y C. Optimization of crop roots architecture and eco-agriculture development: a review on the international symposium on crop roots and rhizosphere interactions., 2019, 37(2): 1–9 (in Chinese with English abstract).

[22] 夏梓泰, 程偉威, 趙吉霞, 李永梅, 范茂攀. 不同種植模式對玉米根系及土壤團聚體穩(wěn)定性的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2021, 30: 2331–2338.

Xia Z T, Cheng W W, Zhao J X, Li Y M, Fan M P. Effects of different planting patterns on maize root system and soil aggregate stability., 2021, 30: 2331–2338 (in Chinese with English abstract).

[23] 馮福學(xué), 黃高寶, 柴強, 于愛忠, 喬海軍, 黃濤. 不同耕作措施對冬小麥根系時空分布和產(chǎn)量的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29: 2499–2506.

Feng F X, Huang G B, Chai Q, Yu A Z, Qiao H J, Huang T. Effects of different tillage on spatiotemporal distribution of winter wheat root and yield., 2009, 29: 2499–2506 (in Chinese with English abstract).

[24] 高飛, 李霞, 任佰朝, 董樹亭, 劉鵬, 趙斌, 張吉旺. 小麥玉米周年生產(chǎn)中耕作方式對夏玉米根系特性和產(chǎn)量的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50: 2141–2149.

Gao F, Li X, Ren B C, Dong S T, Liu P, Zhao B, Zhang J W. Root characteristics and grain yield of summer maize under different winter wheat-summer maize tillage systems., 2017, 50: 2141–2149 (in Chinese with English abstract).

[25] Chai Q, Gan Y T, Turner N C, Zhang R Z, Yang C, Niu Y I, Soddique K H M. Water-saving innovations in Chinese agriculture., 2014, 126: 149–201.

[26] 呂漢強, 胡發(fā)龍, 于愛忠, 蘇向向, 王玉瓏, 殷文, 柴強. 荒漠綠洲區(qū)不同綠肥還田方式下玉米農(nóng)田土壤團聚體微結(jié)構(gòu)特征. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2022, 30: 952–964.

Lyu H Q, Hu F L, Yu A Z, Su X X, Wang Y L, Yin W, Chai Q. Soil aggregates microstructure characteristics of maize farmland under the utilization patterns of green manure in desert oasis area., 2022, 30: 952–964 (in Chinese with English abstract).

[27] Gan Y T, Mooleki S P, Lemke R L, Zentner R P, Ruan Y F. Durum wheat productivity in response to soil water and soil residual nitrogen associated with previous crop management., 2016, 108: 1468–1478.

[28] 員學(xué)鋒, 吳普特, 汪有科, 徐福利. 免耕條件下秸稈覆蓋保墑灌溉的土壤水、熱及作物效應(yīng)研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006, 22(7): 22–26.

Yuan X F, Wu P T, Wang Y K, Xu F L. Effects of straw mulching on soil moisture, heat and crops under no-tillage irrigation., 2006, 22(7): 22–26 (in Chinese with English abstract).

[29] Wang S L, Wang H, Hafeez M B, Zhang Q, Yu Q, Wang R, Wang X L, Li J. No-tillage and subsoiling increased maize yields and soil water storage under varied rainfall distribution: A 9-year site-specific study in a semi-arid environment., 2020, 255: 107867.

[30] 殷文, 柴強, 胡發(fā)龍, 樊志龍, 范虹, 于愛忠, 趙財. 干旱內(nèi)陸灌區(qū)不同秸稈還田方式下春小麥田土壤水分利用特征. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52: 1247–1259.

Yin W, Chai Q, Hu F L, Fan Z L, Fan H, Yu A Z, Zhao C. Characteristics of soil water utilization in spring wheat field with different straw retention approaches in dry inland irrigation areas., 2019, 52: 1247–1259 (in Chinese with English abstract).

[31] 周懷平, 解文艷, 關(guān)春林, 楊振興, 李紅梅. 長期秸稈還田對旱地玉米產(chǎn)量、效益及水分利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2013, 19: 321–330.

Zhou H P, Xie W Y, Guan C L, Yang Z X, Li H M. Effects of long-term straw-returning on corn yield, economic benefit and water use in arid farming areas., 2013, 19: 321–330 (in Chinese with English abstract).

[32] 余海英, 彭文英, 馬秀, 張科利. 免耕對北方旱作玉米土壤水分及物理性質(zhì)的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22: 99–104.

Yu H Y, Peng W Y, Ma X, Zhang K L. Effects of no-tillage on soil moisture and physical properties of dry maize in northern China., 2011, 22: 99–104 (in Chinese with English abstract).

[33] 趙娜, 趙護兵, 曹群虎, 魚昌為, 孫蔚, 李敏, 曹衛(wèi)東, 高亞軍.渭北旱區(qū)夏閑期豆科綠肥對土壤肥力性狀的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2011, 29(2): 124–128, 146.

Zhao N, Zhao H B, Cao Q H, Yu C W, Sun W, Li M, Cao W D, Gao Y J. Effects of legume green fertilizer on soil fertility during summer fallow period in Weibei arid region., 2011, 29(2): 124–128, 146 (in Chinese with English abstract).

[34] Zhang D B, Zhang C, Ren H L, Xu Q, Yao Z Y, Yuan Y Q, Yao P W, Zhao N, Li Y Y, Zhang S Q, Zhai B N, Wang Z H, Huang D L, Cao W D, Gao Y J. Trade-offs between winter wheat production and soil water consumption via leguminous green manures in the Loess Plateau of China., 2021, 272: 108278.

[35] 孫思敏, 韓貝, 陳林, 孫偉男, 張獻龍, 楊細燕. 棉花苗期根系分型及根系性狀的關(guān)聯(lián)分析. 作物學(xué)報, 2022, 48: 1081–1090.

Sun S M, Han B, Chen L, Sun W N, Zhang X L, Yang X Y. Root system architecture analysis and genome-wide association study of root system architecture related traits in cotton., 2022, 48: 1081–1090 (in Chinese with English abstract).

[36] 姜英, 王崢宇, 廉宏利, 王美佳, 蘇業(yè)涵, 田平, 隋鵬祥, 馬梓淇, 王英儼, 孟廣鑫, 孫悅, 李從鋒, 齊華. 耕作和秸稈還田方式對東北春玉米吐絲期根系特征及產(chǎn)量的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53: 3071–3082.

Jiang Y, Wang Z Y, Lian H L, Wang M J, Su Y H, Tian P, Sui P X, Ma Z Q, Wang Y Y, Meng G X, Sun Y, Li C F, Qi H. Effects of tillage and straw incorporation method on root trait at silking stage and grain yield of spring maize in northeast China., 2020, 53: 3071–3082 (in Chinese with English abstract).

[37] 張達斌, 李婧, 姚鵬偉, 王崢, 趙娜, 魚昌為, 曹群虎, 曹衛(wèi)東,高亞軍. 夏閑期連續(xù)兩年種植并翻壓豆科綠肥對旱地冬小麥生長和養(yǎng)分吸收的影響. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2012, 21: 59–65.

Zhang D B, Li J, Yao P W, Wang Z, Zhao N, Yu C W, Cao Q H, Cao W D, Gao Y J. Effects of two years incorporation of leguminous green manure during summer fallow period on winter wheat growth and nutrients uptake in dryland., 2012, 21: 59–65 (in Chinese with English abstract).

[38] Myint T, Gong D Z, Meu X R, Gao L L, Li H R, Hao W P, Gu F X. Mulching improved soil water, root distribution and yield of maize in the Loess Plateau of northwest China., 2020, 241: 106340.

[39] 呂漢強, 于愛忠, 王玉瓏, 蘇向向, 呂奕彤, 柴強. 干旱綠洲灌區(qū)玉米氮素吸收利用對綠肥還田利用方式的響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報, 2020, 29(8): 93–103.

Lyu H Q, Yu A Z, Wang Y L, Su X X, Lyu Y T, Chai Q. Effect of green manure retention practices on nitrogen absorption and utilization by maize crops in the arid oasis irrigation area., 2020, 29(8): 93–103 (in Chinese with English abstract).

[40] 王呂, 崔月貞, 吳玉紅, 郝興順, 張春輝, 王俊義, 劉怡欣, 李小剛, 秦宇航. 綠肥稻稈協(xié)同還田下氮肥減量的增產(chǎn)和培肥短期效應(yīng). 作物學(xué)報, 2022, 48: 952–961.

Wang L, Cui Y Z, Wu Y H, Hao X S, Zhang C H, Wang J Y, Liu Y X, Li X G, Qin Y H. Effects of rice stalks mulching combined with green manure (L.) incorporated into soil and reducing nitrogen fertilizer rate on rice yield and soil fertility., 2022, 48: 952–961 (in Chinese with English abstract).

Effects of green manure replanting and returning after wheat on following year’s maize root traits and water use efficiency in oasis irrigation area

WANG Yu-Long, YU Ai-Zhong*, LYU Han-Qiang, LYU Yi-Tong, SU Xiang-Xiang, WANG Peng-Fei, and CHAI Jian

College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070, Gansu, China

Long leisure time, high evaporation, and low water use efficiency in fallow period are the most prominent constraints for crop production in the northwest arid oasis irrigated agricultural region. In this study, the relationship between maize root traits and its water utilization under different green manure returning methods were investigated in this area. To determine the effects of different returning methods of green manure on soil water storage, root traits and water use efficiency of maize, a field experiment was carried out in a typical oasis irrigation region from 2020 to 2021. The treatments included tillage with full quantity of green manure incorporated in the soil (TG), no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface (NTG), harvesting and removing above ground green manure and tillage with root incorporated in the soil (T), no-tillage with above ground green manure harvested and removed (NT), and conventional tillage and fallow without green manure after spring wheat harvest (CT). The results indicated NTG and TG significantly increased soil water storage in 0–110 cm soil layer. Compared with CT, the average water storage of NTG and TG during the whole growth period increased by 14.0%–15.0% and 8.8%–12.0%, respectively. Compared with CT, the NTG and TG treatments increased root length (20.7%–26.0% and 19.9%–28.5%), root surface area (43.0%–52.9% and 41.3%–58.7%), root volume (45.7%–46.7% and 40.6%–46.7%), and root dry weight (48.0%–51.5% and 41.9%–50.2%), respectively. The NTG and TG significantly increased maize grain yield and its water use efficiency. Compared with CT, maize grain yield of NTG and TG increased 15.4%–34.3% and 19.1%–32.0%, the WUE of NTG and TG increased 19.5%–39.2% and 20.5%–34.8%, respectively. The root length and root surface area were positively related to soil water storage at maize jointing, tasseling, and silking stages. The root length, root surface area, root volume, and root dry weight were positively related with WUE at jointing, big trumpet, and silking stages. In conclusion, this study suggested the full quantity of green manure returned in the field was beneficial to increase soil water storage, optimize root traits, and thus improving the yield and water use efficiency in maize. Among them, no-tillage with full quantity of green manure mulched on soil surface was recommend as a feasible green manure returning method in the oasis irrigation area.

rotation; green manure; maize; root; water use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.23036

本研究由甘肅省教育廳產(chǎn)業(yè)支撐項目(2021CYZC-54), 甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體項目(20JR5RA037)和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲杰出人才培育計劃項目(Gaufx-04J01)資助。

This study was supported by the Industrial Support Project of Gansu Provincial Department of Education (2021CYZC-54), the Innovation Group of Basic Research in Gansu Province (20JR5RA037), and the Fuxi Outstanding Talent Cultivation Program of Gansu Agricultural University (Gaufx-04J01).

于愛忠, E-mail: yuaizh@gsau.edu.cn

E-mail: wyl1489270573@163.com

2022-04-21;

2022-09-05;

2022-09-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220919.1513.004.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).