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干旱是造成农业损失最严重的自然灾害之一,即使在湿润多雨的亚热带红壤区也频发季节性干旱。人们对季节性干旱的发生机制及其调控进行了深入研究和实践,然而,多是单一研究土壤或作物对季节性干旱响应,缺乏对土壤-作物系统对季节性干旱响应及缓解季节性干旱对策的系统探讨。本研究在充分认识亚热带红壤区季节性干旱时空特征的基础上,通过设置不同的作物种植时期、耕作措施,探索从时间和空间上减缓季节性干旱的途径。通过设置不同的施肥措施和秸秆覆盖等水保措施,分析土壤水分、作物生长及根系分布、土壤结构变化与季节性干旱的关系;从土壤、作物、施肥、田间管理多方面探讨对土壤-作物系统对季节性干旱的响应及季节性干旱的发生机制,得到如下主要结论:1.亚热带红壤区季节性干旱具有鲜明的时空特征。该区每年7~10月蒸发量大于降雨量,7~8月份蒸发量是降雨量的2.1倍,两者相差达265.8 mm,此时段最易发生干旱。林地、草地、裸地和农田四种土地利用方式中,农田7~8月份处于作物需水旺盛期,且根系多分布在0-30 cm土层。因此,每年7~8月农田0-30 cm土层易发生季节性干旱,且连续干旱超过12天不利于玉米生长,玉米生长前期遇旱减产风险大于后期遇旱。调整播期或促进根系下扎可能会减少季节性干旱危害。2.错开作物需水旺盛期或关键期与季节性干旱易发时段将有利于避旱。连续两年从5月中旬开始每15天播种一期玉米,每年播种五期。以正常播期6月中旬为参照,播期前移,玉米产量无显著变化;播期后移,玉米籽粒产量显著下降,减产达23.3%-52.6%;不同播期间茎叶干重差异不显著。不同播期玉米成熟期的根系90%以上均分布在0-30 cm土层,且无明显分层,根质量密度也无显著差异。播期前移可能会避开作物后期遇旱,但是改变播期并没有改善根系分布,也没有明显的避旱效果,播期后移作物反而减产。通过调整播期来减缓季节性干旱的效果不佳。3.相对于常规耕作,短期的深耕、免耕和压实均改善0-40 cm土层水分状况,提高田间持水量3%-5%和有效水含量22%-50%,且主要影响0-20 cm土层。与常规耕作相比,短期的深耕提高玉米籽粒产量25.8%,15 cm×40 cm土体玉米总根质量密度21%;短期的免耕和压实则分别减产16.7%和21.6%,分别降低玉米总根质量密度21%和50.5%;短期的深耕降低了0-10 cm表层玉米根系比例约10%,提高30-40 cm深度根系比例43%;短期的免耕和压实分别提高10.5%和6.2%,降低30-40 cm深度根系比例10.5%和54.5%。该区季节性干旱多发于0-30 cm土层,下层土壤含水量充足,仅提高表层土壤有效水对缓解季节性干旱作用有限;而短期的深耕促进根系下扎,吸收深层水分。针对时空特征鲜明的亚热带红壤季节性干旱,短期深耕缓解红壤干旱效果优于其它耕作措施。4.与长期免耕不施肥相比(CK),长期免耕施用化肥(NPK)、有机肥(鸡粪,OM)和化肥配合秸秆覆盖还田(NPK+S)显著提高土壤有机质含量和土壤氮磷钾含量;轻微提高(小于7%)0-40 cm土层田间持水量、有效含水量和吸水速率,且主要影响0-20 cm土层;NPK和OM分别降低地表非饱和导水率50.7%和67.7%,NPK+S则提高128.0%;NPK、OM和NPK+S分别降低表层土壤第一阶段蒸发失水速率23.7%、36.8%和50.0%,分别提高夏玉米叶面积37.6%、45.1%和46.9%和根质量密度47.7%、133.0%和103.4%。玉米各生育期根干重、根深度、深层根系分布比例从高到低依次是NPK+S>OM>NPK>CK,且根系90%均分布在20 cm以上土层。与CK相比,三种施肥均提高玉米产量和水分利用率3-4倍,但是在发生持续干旱时,均增大玉米CWSI1.1-5.2倍。长期免耕施肥虽然促进了根系生长,但是大量根系分布在20 cm表层土壤,加之施肥显著增大叶面积,导致在发生持续干旱时,表层土壤失水快,作物CWSI高,加剧表层土壤干旱和作物水分胁迫。5.亚热带红壤区前期水蚀后期干旱。本研究通过在作物间设置无水保措施的作物对照(CK)和百喜草带(B)、秸秆覆盖(SM)、聚丙烯酰胺表施(PAM)、稻草覆盖+PAM(SPAM)、百喜草带+PAM(BPAM)5种水保措施,研究雨蚀地表结构变化对旱季性干旱的响应,结果表明,夏玉米生育期0-30 cm土壤储水量CK与B、PAM和BPAM措施差异在5%以内,与SM和SPAM措施差异为7.4%和8.2%。与5种水保措施不同,降雨后作物对照(CK)显著(p<0.05)降低0-20 cm土壤的WSA0.25和0-30 mm土层孔隙率及平均孔径,显著(p<0.01)增加结皮覆盖率。CK措施下土壤的WSA0.25是5种水保措施土壤WSA0.25含量的63%-88%,土壤孔隙率是5种水保措施的79%-97%。我们用干旱强度I和干旱程度D量化土壤失水速率和土壤干旱状况。相关分析表明,干旱强度I与结皮大小、结皮覆盖率显著正相关,与WSA0.25显著负相关。干旱程度D与结皮覆盖率显著正相关,与WSA0.25和0-15 mm孔隙率显著负相关,且土壤0-15 mm孔隙率对I和D的影响最大。CK措施连续干旱20天的平均I值和最后D值分别是5种水保措施1.2-2.5倍和1.1-1.4倍。水蚀改变地表结构,虽然对土壤储水量影响很小,但是显著提高了表层土壤失水速率和干旱程度。雨蚀改变地表结构提高地表失水速率是季节性干旱形成的原因之一。6.秸秆覆盖作为一种水保措施被广泛运用。本试验通过设置三个秸秆覆盖和施氮水平研究土壤-作物系统对土壤水热状况的响应,结果表明,秸秆覆盖轻微提高0-30 cm土壤含水量(小于5%),对土壤0-5 cm土层最大降温3.3℃-6℃,最大增温0.7℃-2.5℃,其降温效果大于增温效果。施氮提高玉米产量,施氮加覆盖增产更多。不施氮时高覆盖量玉米籽粒产量显著降低,不施氮时覆盖10000 kg/hm2玉米籽粒减产达21%。覆盖总体降低土壤NO3--N含量,提高NH4+-N含量;施氮总体提高土壤NO3--N含量,降低NH4+-N含量。覆盖和施氮总体分别提高玉米吸氮量超过16.9%和23.6%。覆盖时增施氮肥,氮素生产率提高。低氮水平下覆盖降低氮素生产率,高氮水平下覆盖提高氮素生产率。秸秆覆盖的作用受氮水平限制,覆盖和施氮相互弥补,既有利于改善田间水热状况,又有利于提高作物产量和水分利用率。7.在阐明亚热带红壤区季节性干旱时空特征的基础上,通过不同播期、耕作、施肥和水保措施,对季节性干旱发生的原因及对策进行了探讨,结果表明:亚热带红壤农田根系分布和地表失水是该区季节性干旱发生的两个原因。为促进根系下扎和减少地表失水,我们建议每年夏季作物尽量深松耕、早播种、早施肥,耕作深度最好超过30 cm,避免6月中旬以后播种,同时有机肥配合化肥作为基肥深施土壤;尽量保持全年秸秆覆盖。