CN110024581B - 一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法 - Google Patents

一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种确定西南丘陵旱地冬小麦‑夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，明确最佳玉米秸秆还田时期；步骤二，确定最优的耕作技术；步骤三，明确最优氮素管理方案；步骤四，将最佳玉米秸秆还田时期、最优的耕作技术和最优氮素管理方案进行组合在不同生态点进行示范推广即为最优蓄水保墒小麦水肥高效利用方法。所述的栽培管理技术是经过计算田间蒸散量，土壤碳氮比，根系结构和小麦产量性状得到的一种确定西南丘陵旱地冬小麦‑夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用技术方法。经过该方案得出的最优技术模式经过4年的试验证明：该技术可以使土壤绝对水分含量提高10个百分点，小麦产量增加61.4％，水分利用效率提高86.9％，氮吸收利用效率提高45.9％。

Description

一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水 肥高效利用的方法
技术领域
本发明涉及一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法，特别涉及西南麦区小麦高产优质绿色安全生产技术方案制定。
背景技术
西南麦区是我国第三大麦区，该区小麦主要分布在丘陵旱地，小麦生长季降雨仅仅只有 130到200mm左右，由于种粮大户兴起，冬小麦-夏玉米种植模式由于便于机械化近年来发展迅速。该模式下夏玉米收获距冬小麦播种尚有近2个月的秋闲，秋闲季导致过量的土壤蒸腾外加该区域冬季缺乏有效降水导致土壤干旱是小麦分蘖差和产量较低的关键因子。其次，该区域土壤贫瘠有机质缺乏严重限制了小麦和玉米周年高产高效。因此，蓄水保墒，以水调肥，提升地力是西南地区麦玉种植模式周年高产高效的关键技术途径。
作物秸秆管理、耕作措施和施氮量是影响土壤水热状态和作物产量的关键栽培管理技术，该技术在蓄水保墒，提高田间持水力，提高土壤微生物活力，减少土壤侵蚀上发挥着关键的作用。然而，通过荟萃分析表明：秸秆覆盖与耕作措施在不同生态点对作物产量的影响差异较大，甚至部分地区采用免耕和秸秆覆盖技术会导致产量显著降低。长期定位试验研究表明：秸秆覆盖还田的蓄水保墒效应有气候特殊性和地域特殊性。秸秆覆盖还田后蓄水保墒增产效应取决于作物生育期内累积降雨量的变化。长期施用化肥导致土壤生产力下降，免耕技术并不是适用于所有农田生态系统的可持续播前耕作模式。因此，有必要针对西南麦区独特的气候资源和关键的产量限制因子进行耕作方式，秸秆处理方式和养分管理技术的优化以提高小麦的产量与水肥利用效率实现水肥高效绿色生产。
发明内容
传统的农民习惯栽培管理方案的限制因素：(1)秸秆采取焚烧的方式导致空气污染严重土壤养分逐年降低。(2)长期施用化肥并采用旋耕技术导致地力下降限制了麦玉种植模式周年高产高效。(3)夏玉米收获后到冬小麦播种前有近2个月的秋闲季导致土壤蒸发严重，土壤干旱限制小麦苗期生长，分蘖力下降，产量徘徊在200kg/亩左右。
本发明的目的在于针对背景技术提出的技术问题，提供一种确定西南丘陵旱地冬小麦- 夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法。本发明技术方案是根据长期定位试验针对西南麦区气候特点与产量限制因子制定的一种高产优质绿色高效寻优方案。本研究通过计算田间蒸散量，结合土壤水分含量的时空变化明确最优玉米秸秆覆盖还田时期，及其蓄水保墒效应。在最优覆盖还田时期下通过设定不同耕作方式，结合土壤养分、根系构型和小麦产量性状找出最优的耕作技术。在最优覆盖还田时期下通过设定不同氮管理方案，结合土壤碳氮明确最优的氮素管理方案。最后通过该技术的方案应用进行技术集成与示范并提供一种最优蓄水保墒水肥高效利用绿色生产技术，该技术为西南麦区增产增收可持续发展提供技术支持。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，通过计算田间蒸散量明确冬小麦-夏玉米种植模式下玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田和小麦播种后玉米秸秆粉碎覆盖还田的蓄水保墒效果差异，明确最佳玉米秸秆还田时期；
步骤二，在最优玉米秸秆覆盖还田处理下通过比较不同耕作方式下的土壤养分，根系结构，小麦产量以确定最优的耕作技术；
步骤三，在最优玉米秸秆覆盖还田处理下通过设定不同施氮量确定土壤碳氮比明确最优氮素管理方案；
步骤四，将最佳玉米秸秆还田时期、最优的耕作技术和最优氮素管理方案进行组合在不同生态点进行示范推广即为最优蓄水保墒小麦水肥高效利用方法。
步骤一中所述计算田间蒸散量的过程为：首先通过气象站自动记录小麦生育时期内每天的降雨量，同时测定小麦播前，收获后和不同生育时期的土壤绝对含水量，根据公式(1) 计算出不同生育时期ΔSWS的变化量；
Figure BDA0002056169410000021
其中ΔSWS表示小麦生育期内土壤水分变化，即从小麦播种t1到收获t2，从土层0cm到土层Sd厘米土壤水分变化的积分函数；
在计算获得ΔSWS后通过水分收支平衡原理，即公式(2)计算出田间蒸散量
ET＝P+I–R–D±ΔSWS (2)
其中ET表示田间蒸散量，P表示降雨，I表示灌溉量，R表示地表径流，D表示根际水分向下渗透。
步骤一中所述的最佳玉米秸秆还田时期为玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田。冬小麦- 夏玉米种植模式有两个月休闲季，通过计算土壤蒸腾量得到最优的蓄水保墒方法，最优蓄水保墒方法是将原有的焚烧秸秆方式改为玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田，其有益效果是蓄水保墒促进小麦分蘖实现水分高效利用。
步骤二中所述的不同耕作方式为免耕、旋耕、翻耕或常规耕作，所述的最优的耕作技术为免耕带旋一体化播种技术。经过比较根系结构，小麦产量等参数得到最优的耕作技术，最优的耕作技术将原有的旋耕技术修改为玉米秸秆覆盖配合免耕带旋一体化播种技术，其有益效果是提高产量维持土壤生产力。
步骤三中所述的最优氮管理方案是将180kg/hm2施氮量减少到120～150kg/hm2以调节土壤碳氮平衡实现高产和氮高效。在最优蓄水保墒技术下设定不同氮管理方案，通过比较碳氮比，小麦产量和氮素利用明确最优氮管理方案，最优的氮管理方案是将180kg/hm2施氮量减少到120kg/hm2以调节土壤碳氮平衡实现高产和氮高效。
本发明的确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用技术方法为针对于西南麦区冬干春旱问题所采用的寻优方案组合。
步骤一的关键在于农田土壤水分收支平衡，通过明确玉米秸秆粉碎后直接覆盖还田和小麦播种后玉米覆盖还田田间蒸散量的差异，以确定最优的秸秆覆盖蓄水保墒技术。
步骤三的关键在于土壤碳氮比，在最优秸秆覆盖蓄水保墒技术下通过氮管理调控土壤碳氮比缓解土壤微生物与植物根系吸收养分的竞争关系提高氮素吸收效率。
步骤四的关键在于不同最优栽培管理技术之间系统优势互补达到作物的高产优质高效，同时通过不同生态点的验证明确其技术适用范围。
通过上述寻优方案的应用，本试验在西南地区进行了4年的寻优试验得出一种优选的西南丘陵旱地小麦水肥高效利用的方法，其技术要点如下：在冬小麦-夏玉米种植模式中，玉米8月下旬采用机收，玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田，还田后小麦于10月底播种，采用免耕带旋播种机播种，每亩施纯氮8～10kg，五氧化二磷8kg，氧化钾5kg，氮肥施用比例为6:4(基肥：拔节肥)，磷肥和钾肥全部基施。
技术要点为：夏玉米收获后秸秆粉碎覆盖；小麦采用免耕带旋播种；
具体内容：在冬小麦-夏玉米种植模式中，玉米8月下旬采用机收，玉米秸秆粉碎直接覆盖还田，还田量为6000kg.hm-2。还田后小麦于10月底播种，采用2BFMDC-8型”免耕带旋播种机播种。播种量为每亩12kg，行距为20cm。每亩施纯氮8～10kg，五氧化二磷8 kg，氧化钾5kg，氮肥施用比例为6:4(基肥：拔节肥)，磷肥和钾肥全部基施。苗期与拔节期防虫害1次，防蚜虫1次，开花期防止条锈病，白粉病，赤霉病一喷多防2次。
本发明分析方法原理如下：土壤水分收支平衡是影响土壤含水量和作物生长发育的关键因素。本发明通过计算麦玉种植体统中土壤水分收支平衡，通过比较玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖和小麦播种后玉米秸秆粉碎覆盖的差异最大化的减少蒸腾达到蓄水保墒促进分蘖和小麦产量的效果。秸秆覆盖还田后腐解过程中土壤碳氮比高，微生物与作物根系竞争矛盾突出限制了根系氮吸收，因而需要优化氮管理技术调节土壤碳氮比减少根系与微生物的竞争提高氮吸收和氮利用效率。此外，西南地区普遍采用的旋耕和无机化肥导致土壤耕层浅薄和土壤板结，在最优蓄水保墒覆盖模式下设计不同的耕作模式的定位试验有利于维持土壤地力和小麦产量。综合上述方法原理形成一套蓄水保墒水氮高效的栽培管理技术将有利于西南麦区麦玉周年高产高效。
相对于西南麦区现有的栽培管理技术本发明的有益效果如下：
(1)相对于现有的农民习惯栽培管理方案本发明可以使0-20cm土壤绝对含水量提高 10％，产量提高61.4％，且气候干旱的年份避免产量损失的效果最佳。
(2)相对于现有的农民习惯栽培管理，本方案在提高作物产量的同时每公顷可以节约氮肥60kg，节约磷肥60kg。
(3)相对于现有的农民习惯栽培管理方案本方案可以提高水分利用效率86.9％，土壤氮残留和氮损失可以降低48.8％和8.9％。
附图说明
图1为玉米秸秆覆盖对0-20cm土层土壤水分含量和根系形态的影响。
图2为秋闲期秸秆覆盖小麦根系形态的影响。
具体实施方式
为了使本发明的目的技术方案及优点更加的清楚明白，以下结合实施例，对本发明方案做进一步详细描述。
下面结合表格与图片对本发明的原理做详细的描述。一种蓄水保墒水肥高效利用绿色生产技术包括以下步骤：
步骤一：试验于2015-2017年在四川省仁寿县试验基地进行不同秸秆覆盖和不同耕作方式试验，试验首先通过气象站自动记录小麦生育时期内每天的降雨量，同时测定小麦播前，收获后和不同生育时期的土壤绝对含水量，根据方程1计算出不同生育时期ΔSWS的变化量。
Figure BDA0002056169410000051
其中ΔSWS表示小麦生育期内土壤水分变化，即从小麦播种t1到收获t2，从土层0cm 到土层Sd厘米土壤水分变化的积分函数。
在计算获得ΔSWS后通过水分收支平衡原理，即方程2计算出田间蒸散量
(2)ET＝P+I–R–D±ΔSWS
其中ET表示田间蒸散量，P表示降雨，I表示灌溉量，R表示地表径流，D表示根际水分向下渗透。
通过分析不同秸秆管理和耕作方式下田间蒸散量可以明确：在麦玉种植系统中通过采用玉米收获后粉碎覆盖的方式，覆盖还田量为6000kg.hm-2可以有效减少田间蒸散量以蓄积两个月休闲季内的土壤水分。同时秸秆覆盖还田蓄水保墒效应可以持续到开花前，土壤绝对含水量可以提高10个百分点(如图1)。因此，步骤一采用该技术寻优方案确定了在麦玉种植系统中采用玉米收获后秸秆直接粉碎覆盖还田的方式直接还田以蓄水保墒提高水分利用效率 (见表1)。
表1不同耕作方式和不同秸秆管理方式下农艺操作与田间蒸散量
Figure BDA0002056169410000052
步骤二：试验于2015-2017年在四川省仁寿县试验基地进行不同秸秆覆盖和耕作方式的试验：试验比较了不同耕作方式和不同秸秆覆盖管理下产量与产量构成的影响，结果表明：水分的提高导致小麦最大分蘖数提高了51.3％，有效穗数提高了72.3％。秸秆覆盖和免耕下水热状态的改良提高了土壤脲酶和酸性磷酸酶活力激活了土壤氨态氮和速效磷的释放，氨态氮和速效磷提高了61.4％和43.2％。此外，秸秆覆盖和免耕也提高了根系活力和根系表面积，因此，最大叶面积和干物质累积速率显著提高。籽粒产量和水分利用效率分别提高了 61.4％和86.9％，并且秸秆覆盖在干旱年的蓄水保墒效应和增产效应更为显著。基于此可以明确在玉米秸秆粉碎后直接覆盖下采用免耕的方式其产量最优。通过该技术寻优方案，步骤二确定了玉米秸秆覆盖配合免耕带旋一体化播种机技术为最优的方案。
表2秸秆覆盖和耕作方式对蒸腾量，水分利用效率和肥料偏生产力的影响
Figure BDA0002056169410000061
注:不同字母表示在5％概率下的差异，差异比较采用DUNCAN测验。**表示在P＜0.01下显著，*表示在P＜0.05下显著，NS表示差异不显著。
表3耕作措施和秸秆覆盖在湿润年和干旱年对小麦籽粒产量和产量构成的影响
Figure BDA0002056169410000062
Figure BDA0002056169410000071
注:不同字母表示在5％概率下的差异，差异比较采用DUNCAN测验。**表示在P＜0.01下显著，*表示在P＜0.05下显著，NS表示差异不显著。
步骤三：试验于2015-2017年在四川省仁寿县试验基地进行不同秸秆覆盖和施氮量的试验，研究表明：秸秆覆盖提高了全生育期0-20cm土层土壤含水量，且干旱年秸秆覆盖的蓄水保墒效应尤为显著。苗期小麦生长相对生长率显著降低而拔节期后根长、根表面积，根体积和0-20cm土层根系比例显著提高促进了土壤N和P的吸收并有效的降低了土壤中肥料氮残留(如图2所示)。秸秆覆盖下小麦对肥料氮的积累量和吸收利用率分别较不覆盖下提高 63.0％和45.9％，肥料氮残留和氮损失降低了48.8％和8.9％，产量提高约66.6％，水分和氮肥表观利用效率分别提高56.2％和201.6％。以上研究证明：丘陵旱地秸秆覆盖配合120kg/hm2施氮量可获得最佳产量和水氮利用率，作物氮吸收的提高和土壤氮残留降低是水氮利用率提高的关键。通过步骤三的技术寻优方案可以明确玉米秸秆粉碎后覆盖配合120kg/hm2施氮量和免耕带旋一体化技术最优，可以最大化的提高氮素吸收效率和小麦产量。
表4秸秆覆盖和施氮量对产量与产量构成的影响
Figure BDA0002056169410000072
Figure BDA0002056169410000081
注:不同字母表示在5％概率下的差异，差异比较采用DUNCAN测验。**表示在P＜0.01下显著，*表示在P＜0.05下显著，NS表示差异不显著。
表5秸秆覆盖与氮素管理对肥料氮素吸收利用效率的影响
Figure BDA0002056169410000082
步骤四：将上述最优的栽培管理技术进行集成应用示范推广该方案得到的一种蓄水保墒水氮高效利用绿色生产技术，其技术要点如下：
技术要点为：夏玉米收获后秸秆粉碎覆盖；小麦采用免耕带旋播种；
具体内容：在冬小麦-夏玉米种植模式中，玉米8月5日采用机收，玉米秸秆粉碎直接覆盖还田。还田后小麦于10月底播种，采用2BFMDC-8型”免耕带旋播种机播种。播种量为每亩12kg，行距为20cm。每亩施纯氮8～10kg，五氧化二磷8kg，氧化钾5kg，氮肥施用比例为6:4(基肥：拔节肥)，磷肥和钾肥全部基施。苗期与拔节期防虫害1次，防蚜虫1 次，开花期防止条锈病，白粉病，赤霉病一喷多防2次。
相对于西南麦区现有的栽培管理技术本发明的有益效果如下：
(1)相对于现有的农民习惯栽培管理方案本发明可以使0-20cm土壤绝对含水量提高 10％，产量提高61.4％，且气候干旱的年份避免产量损失的效果最佳。
(2)相对于现有的农民习惯栽培管理，本方案在提高作物产量的同时每公顷可以节约氮肥60kg，节约磷肥60kg。
(3)相对于现有的农民习惯栽培管理方案本方案可以提高水分利用效率86.9％，土壤氮残留和氮损失可以降低48.8％和8.9％。

Claims (3)

1.一种确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，通过计算田间蒸散量明确冬小麦-夏玉米种植模式下玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田和小麦播种后玉米秸秆粉碎覆盖还田的蓄水保墒效果差异，明确最佳玉米秸秆还田时期；
步骤二，在最优玉米秸秆覆盖还田处理下通过比较不同耕作方式下的土壤养分，根系结构，小麦产量以确定最优的耕作技术；
步骤三，在最优玉米秸秆覆盖还田处理下通过设定不同施氮量确定土壤碳氮比明确最优氮素管理方案；
步骤四，将最佳玉米秸秆还田时期、最优的耕作技术和最优氮素管理方案进行组合在不同生态点进行示范推广即为最优蓄水保墒小麦水肥高效利用方法；
步骤一中所述计算田间蒸散量的过程为：首先通过气象站自动记录小麦生育时期内每天的降雨量，同时测定小麦播前，收获后和不同生育时期的土壤绝对含水量，根据公式（1）计算出不同生育时期
Figure DEST_PATH_IMAGE001
SWS的变化量；
Figure 841528DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中
Figure 702036DEST_PATH_IMAGE001
SWS表示小麦生育期内土壤水分变化，即从小麦播种t1到收获t2，从土层0cm到土层Sd厘米土壤水分变化的积分函数；
在计算获得
Figure 104199DEST_PATH_IMAGE001
SWS后通过水分收支平衡原理，即公式（2）计算出田间蒸散量
ET=P+ I–R–D±
Figure 117285DEST_PATH_IMAGE001
SWS （2）
其中ET表示田间蒸散量，P表示降雨，I表示灌溉量，R表示地表径流，D表示根际水分向下渗透；
步骤一中所述的最佳玉米秸秆还田时期为玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田；
步骤二中所述的最优的耕作技术为免耕带旋一体化播种技术；
步骤三中所述的最优氮管理方案是将180kg/hm2 施氮量减少到120kg/hm2以调节土壤碳氮平衡实现高产和氮高效，氮肥施用比例为基肥：拔节肥=6:4。
2.基于权利要求1所述的确定西南丘陵旱地冬小麦-夏玉米最优蓄水保墒小麦水肥高效利用的方法获得的西南丘陵旱地小麦水肥高效利用方法，其特征在于，在冬小麦-夏玉米种植模式中，玉米8月下旬采用机收，玉米秸秆收获后直接粉碎覆盖还田，还田后小麦于10月底播种，采用免耕带旋播种机播种，每亩施纯氮8~10 kg，五氧化二磷8 kg，氧化钾5 kg，氮肥施用比例为基肥：拔节肥=6:4，磷肥和钾肥全部基施。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法详细为：在冬小麦-夏玉米种植模式中，玉米8月下旬采用机收，玉米秸秆粉碎直接覆盖还田，还田量为6000kg.hm-2，还田后小麦于10月底播种，采用2BFMDC-8型免耕带旋播种机播种，播种量为每亩12 kg，行距为20 cm，每亩施纯氮8~10 kg，五氧化二磷8 kg，氧化钾5 kg，氮肥施用比例为基肥：拔节肥=6:4，磷肥和钾肥全部基施。
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