秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)半干旱區(qū)春玉米的影響*

張 哲，孫占祥，張燕卿，鄭家明，郝衛(wèi)平，馮 晨，司鵬飛,3

（1.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/遼寧省旱作節(jié)水工程中心，沈陽 110161；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866）

秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)半干旱區(qū)春玉米的影響*

張 哲1,2,3，孫占祥2,3**，張燕卿1,3，鄭家明2，郝衛(wèi)平1，馮 晨2，司鵬飛2,3

（1.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/遼寧省旱作節(jié)水工程中心，沈陽 110161；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽 110866）

2013-2015年在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，設(shè)置秸稈還田(S)和秸稈還田結(jié)合秋覆膜（AM+S）兩個(gè)春玉米種植處理，其中秸稈還田僅在2013年秋季進(jìn)行，以裸地種植春玉米為對(duì)照(CK)。采用EcH2O土壤水溫?cái)?shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)觀測不同處理的土壤水分和溫度動(dòng)態(tài)，結(jié)合玉米生長特性，研究秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)春玉米生長和水分利用效率的影響。結(jié)果表明，AM+S處理極顯著增加了0-50cm土層的地積溫和土壤體積含水量，增加了春玉米的耗水量，2014年和2015年春玉米播前1m土層分別較CK多貯水83.92mm和92.68mm。但2014年各處理籽粒產(chǎn)量差異不顯著，AM+S處理春玉米水分利用效率顯著低于CK和S處理；而在2015年，AM+S處理顯著促進(jìn)了玉米干物質(zhì)積累，增加春玉米產(chǎn)量，春玉米產(chǎn)量和降水利用效率分別達(dá)到13560kg·hm-2、58.52kg·hm-2·mm-1，較CK和S處理分別同時(shí)提高97.96%和62.83%，籽粒產(chǎn)量水分利用效率(WUE)達(dá)到47.09kg·hm-2·mm-1，較CK和S處理處理分別提高90.34%和65.58%。本研究表明，在雨養(yǎng)農(nóng)田較干旱的年份，采用秸稈一次性還田結(jié)合秋季覆膜技術(shù)，是解決半干旱區(qū)秸稈過剩，提高半干旱地區(qū)春玉米翌年產(chǎn)量和農(nóng)田水分利用效率的較優(yōu)方案。

秸稈還田；秋季覆膜；水分利用效率；產(chǎn)量；生物量

近年來，隨著秸稈產(chǎn)量增加、農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)改善和各類替代原料的應(yīng)用，加上秸稈分布零散、體積大、收集運(yùn)輸成本高，以及綜合利用經(jīng)濟(jì)性差、產(chǎn)業(yè)化程度低等原因，出現(xiàn)了地區(qū)性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性秸稈過剩[1]，秸稈的出路問題已成為亟待解決的一大難題。秸稈還田技術(shù)能增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤質(zhì)量，提高土壤肥力，可一定程度上解決秸稈的利用問題，是保護(hù)性農(nóng)業(yè)的核心措施之一[2]，也是促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要措施。該技術(shù)可為土壤補(bǔ)充養(yǎng)分和能源物質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量及非侵蝕性團(tuán)粒，減緩?fù)寥鲤B(yǎng)分的降低[3-6]；也可以增加土壤微生物量，提高微生物和多種酶活性，為其提供充足的能源和碳源，進(jìn)而促進(jìn)土壤保氮，提高磷素、鉀素和腐殖質(zhì)的有效性[7-12]；秸稈還田還可提高土壤的保蓄能力和水肥利用效率，增加作物生育后期干物質(zhì)積累；適量的秸稈還田可解決春旱播種出苗難的“瓶頸”問題[13]，連續(xù)秸稈還田可減少NO3-淋洗[14]；秸稈還田也對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)和有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用[15]，近年來，作物秸稈漸漸取代傳統(tǒng)有機(jī)肥而成為重要的肥源[16]。因此，提高秸稈還田率，不僅可以解決秸稈過量和環(huán)境污染問題，還可提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但是，如果秸稈不能充分腐解，則會(huì)影響播種質(zhì)量、出苗及作物生長[17]，所以，秸稈還田技術(shù)要向省工、省時(shí)、增效和降低作業(yè)成本的方向發(fā)展[18]。而這一技術(shù)重點(diǎn)在于如何加快秸稈腐解的速率，相關(guān)研究認(rèn)為，秸稈腐解速率與土壤溫度呈顯著正相關(guān)[19]，土壤水分條件也是秸稈在土壤中腐解轉(zhuǎn)化的決定性因子之一[20]。

遼寧西部旱作農(nóng)業(yè)區(qū)多年平均降水量僅 350～500mm，且年內(nèi)分配不均，年際間變差大，該地區(qū)春季低溫干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源嚴(yán)重不足。因此，水分和溫度是制約該區(qū)開展秸稈還田技術(shù)的主要因素。鄒洪濤等[21]通過秋后即覆膜來減少冬春季農(nóng)田土壤水分的無效損失，保墑、增溫效果可以一直影響至翌年玉米的生長后期。王勇等[22]研究表明，旱地秋覆膜能顯著提高播前1m土層土壤貯水量，實(shí)現(xiàn)了旱區(qū)降水資源的時(shí)空調(diào)節(jié)。目前，已有相關(guān)研究顯示，在中國甘肅，秋覆膜全膜雙壟溝播秸稈還田處理秸稈腐爛效果好，顯著改善了土壤養(yǎng)分，增加了0-60cm土體含水量，促進(jìn)了玉米生長，提高了產(chǎn)量[23-24]。但目前北方旱作農(nóng)田秸稈還田多為連年秸稈還田，而考慮北方旱作區(qū)區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)，秸稈腐解過程可能會(huì)受到一定影響，針對(duì)秸稈還田年限結(jié)合秋覆膜技術(shù)提升作物產(chǎn)量和水分利用效率的研究尚未見相關(guān)報(bào)道。因此，本文試圖通過田間定位試驗(yàn)，探索將玉米秸稈還田與秋覆膜技術(shù)相結(jié)合的方法，利用秋季地膜覆蓋的增溫保墑作用加速秸稈的分解，以明確該技術(shù)對(duì)春玉米生長及水分利用效率的影響，以期為北方旱作農(nóng)田秸稈還田與秋覆膜技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼寧西部地區(qū)屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，全區(qū)土地面積約3×104km2，耕地面積約6.9×105hm2，年平均氣溫7～8℃，5-9月日照時(shí)數(shù)1200～1300h，10℃以上積溫2900～3400℃·d，無霜期135～165d，年降水量300～500mm。

降水量資料來源于農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站。2014年和2015年試驗(yàn)區(qū)作物生育期（4-9月）內(nèi)降水量如圖1所示。由圖可見，2014年生育期總降水量為300.6mm，2015年為231.7mm。

圖1 2014年和2015年試驗(yàn)站點(diǎn)春玉米生育期（4-9月）降水量Fig.1 Monthly precipitation in growth period（Apr.to Sep.）of spring maize in 2014 and 2015 at the experiment station

1.2 試驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)

2013年秋季在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站開始定位試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)屬遼西半干旱典型類型區(qū)，前茬種植玉米。對(duì) 2014和 2015年地積溫、土體含水率以及玉米生物量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)土壤為褐土，播前耕作層含有機(jī)質(zhì)11.61g·kg-1，全氮 0.64g·kg-1，全磷 0.66g·kg-1，全鉀2.46g·kg-1， 速 效 氮 72.58mg·kg-1， 速 效 磷136.13mg·kg-1，速效鉀62.19mg·kg-1，地勢平坦，無灌溉條件。

1.3 供試材料

供試品種為鄭單958，選用遼寧省阜新市產(chǎn)農(nóng)用超微地膜，厚度 0.008mm，寬度 120cm，供試秸稈為當(dāng)?shù)厍锛臼斋@后的玉米秸稈。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2013年秋季，共設(shè)3個(gè)處理（表1），每個(gè)處理 3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為 50m2（5m×10m），完全隨機(jī)排列。春玉米于2014年4月26日、2015年5月19日播種，種植密度為60000株·hm-2，種植方式為平作穴播，行距 50cm，株距33.33cm。2014年9月22日、2015年9月24日收獲。秸稈還田方式：2013年玉米收獲后，于11月2日將玉米秸稈切碎成3～5cm小段，采用人工還田方式，還田深度為30cm，還田量接近當(dāng)?shù)赜衩捉斩拞挝幻娣e生產(chǎn)量，為9000kg·hm-2。秋季覆膜：采用全覆膜、平作方式。施肥：采用人工散施方式，各處理肥料用量一致，分別為N 240kg·hm-2、P2O5150kg·hm-2、K2O190kg·hm-2。秸稈還田、覆膜、施肥在當(dāng)季玉米收獲整地后統(tǒng)一進(jìn)行，操作時(shí)間分別為 2013年 11月2日和2014年11月8日。

表1 試驗(yàn)處理方案Table 1 Experimental treatment scheme

1.5 測定指標(biāo)及方法

1.5.1 土壤理化性質(zhì)[25]

2013年試驗(yàn)處理前，取 0-30cm土層土壤，用重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)；凱氏定氮法測定全氮；堿解擴(kuò)散法測定速效氮；H2SO4·HClO4消煮鉬銻抗比色法測定全磷；NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定速效磷；NaOH熔融，火焰光度計(jì)法測定全鉀；NHOAC浸提，火焰光度計(jì)法測定速效鉀。

1.5.2 植株性狀

分別在玉米拔節(jié)期（2014年6月19日，2015年6月30日）、抽雄期（2014年7月19日，2015年7月27日）、灌漿期（2014年8月15日，2015年8月20日）選取10 株代表性植株掛牌標(biāo)記，用米尺測定株高，游標(biāo)卡尺測定莖粗，測定部位為莖部第2節(jié)間(基部扁面)。

1.5.3 籽粒產(chǎn)量和群體生物產(chǎn)量

于玉米收獲期（2014年9月22，2015年9月24日），每個(gè)處理隨機(jī)選取 10m2樣區(qū)利用精度為0.01g的臺(tái)式稱測定籽粒產(chǎn)量，用水分儀測定水分，按14%含水率折合成公頃產(chǎn)量，重復(fù)3次；每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選取連續(xù)10株，按常規(guī)方法測定產(chǎn)量構(gòu)成因素；每個(gè)處理另隨機(jī)選取10m2樣區(qū)地上部稱鮮重，并隨機(jī)選取其中5株，稱重后置于烘箱中105℃殺青60min，85℃烘至恒重，稱其干物質(zhì)重，計(jì)算植株含水率，然后根據(jù)鮮重和植株含水率折合成公頃生物產(chǎn)量。計(jì)算收獲指數(shù)HI，即

式中，HI為收獲指數(shù)，用來表示作物群體光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的能力，是評(píng)價(jià)作物品種產(chǎn)量水平和栽培成效的重要指標(biāo)；GY為每公頃籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）；BY為每公頃生物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.5.4 土壤溫度、容積含水率

土壤水分、溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測：采用EcH2O土壤水溫?cái)?shù)據(jù)采集器定點(diǎn)測定0-50cm土壤體積含水率和溫度，每10cm為一個(gè)層次，每小時(shí)記錄一次數(shù)據(jù)，并計(jì)算每日土壤溫度和體積含水率的平均值，以及玉米全生育期內(nèi)各土層地積溫總量。

土壤質(zhì)量含水率測定：采用土鉆取樣烘干法。于2014年播種前（4月26日）和收獲期（9月22日），2015年播種前（5月19日）和收獲期（9月24日）對(duì)0-100cm土層每10cm作為一個(gè)層次進(jìn)行測定，3次重復(fù)。并計(jì)算土層蓄水量，即

式中，W為土壤蓄水量（mm）；h為土層深度（cm）；a為土壤容重（g·cm-3）；b為土壤質(zhì)量含水率（%）。

1.5.5 降水利用效率

生育期降水利用效率的計(jì)算式為[26]

式中，PUE為作物生育期降水利用效率（kg·hm-2·mm-1）；GY為作物籽粒（經(jīng)濟(jì)）產(chǎn)量（kg·hm-2）；R為作物生育期降水量（mm）。

1.5.6 水分利用效率

作物耗水量的計(jì)算式為[27]

式中，ET為作物耗水量；R為作物生育期降水量；U為地下水補(bǔ)給量；R'為徑流量；F為土壤水分滲漏量；ΔW為收獲后和播種前土壤根層儲(chǔ)水量的變化，單位均為mm，其中土壤儲(chǔ)水量以1m土層含水率計(jì)算。因?yàn)樵囼?yàn)小區(qū)土地平坦，降水量較小，故地表徑流和土壤水分滲漏量可以忽略不計(jì)；地下水埋深較大，地下水的補(bǔ)充也可忽略不計(jì)。據(jù)此，式（4）可簡化為

水分利用效率的計(jì)算式為[28]

式中，WUEgy為籽粒（經(jīng)濟(jì)）產(chǎn)量水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；WUEby為生物產(chǎn)量水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel2003進(jìn)行整理分析并作圖，用DPS9.5軟件統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)春玉米田土壤溫度的影響

根據(jù)兩年春玉米全生育期逐時(shí)分層土壤溫度觀測結(jié)果，計(jì)算相應(yīng)土層全生育期不同溫度的積溫值，結(jié)果見圖2。由圖可見，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴莞魈幚砭憩F(xiàn)為0-10cm土層積溫值最高，10cm以下土層積溫呈逐漸降低的態(tài)勢。在同一土層內(nèi)，各處理間進(jìn)行比較可見，各土層均表現(xiàn)為 AM+S處理（秸稈還田+秋覆膜）的地積溫最高，極顯著高于其它兩個(gè)處理（P＜0.01），且積溫在0-10cm土層的差異最大，達(dá)207.8℃·d；而S處理（秸稈還田）與CK處理間（自然條件）的差異不顯著。說明單獨(dú)秸稈還田處理不能有效提高土壤溫度，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可以顯著提高春玉米田各層尤其0-10cm土層溫度。

圖2 不同處理2014年和2015年玉米全生育期0-50cm土層地積溫總量的比較Fig.2 Comparison of the accumulated soil temperature in 0-50cm depth during whole growing stage of spring maize among different treatments in 2014(a) and 2015(b)

2.2 秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)春玉米田土壤水分的影響

2.2.1 土壤體積含水率

根據(jù)兩年春玉米全生育期逐時(shí)分層土壤體積含水率觀測結(jié)果，計(jì)算相應(yīng)層全生育期不同土層的日平均體積含水率，結(jié)果見圖 3。由圖可見，在 2014年各處理總體上均表現(xiàn)為AM+S處理0-50cm土層的日平均體積含水率高于其它兩個(gè)處理，偶有S處理和CK高于AM+S處理是受當(dāng)日降雨的影響，可見，秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理土壤體積含水率增加明顯；在2015年各處理均表現(xiàn)為AM+S處理的 0-50cm土層的日平均體積含水率顯著高于其它兩個(gè)處理。而S處理在2014年各土層的日平均體積含水率在春玉米生長初期高于CK，后期差異不明顯，至2015年，由于表層土壤干燥的原因，0-10cm土層日平均體積含水率S處理與CK差異不大，10cm以下的土層日平均體積含水率在春玉米生長初期顯著高于CK，后期深層土壤保水能力逐漸減小。說明單獨(dú)秸稈還田處理有一定保水特性，但隨著玉米的生長，保水能力逐漸減弱，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可以顯著提高春玉米田各層含水率。

圖3 2014年（a）和2015年（b）不同處理0-50cm各土層土壤體積含水率的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil volumetric moisture content in 0-50cm soil layer among treatments in 2014(a) and 2015(b)

圖4 2014年和2015年各處理0-100cm土層的土體蓄水量的比較Fig.4 Comparison of the water storage in 0-100cm depth among treatments in 2014 and 2015

2.2.2 土壤蓄水量

2.3 秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)春玉米生長性狀的影響

2.3.1 植株性狀

對(duì)兩年各處理春玉米 3個(gè)關(guān)鍵生育期的株高進(jìn)行測定，結(jié)果見圖5a1和圖5b1。由圖可見，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴莸陌喂?jié)期，AM＋S處理的株高均極顯著高于S處理和 CK（P＜0.01），分別平均達(dá)到 117.16cm和109.33cm，而S處理與CK差異不顯著，這是由于在玉米生長初期，覆膜處理具有保墑增溫作用，玉米提前進(jìn)入拔節(jié)期。在抽雄期，AM＋S處理的平均株高雖然高于其它兩個(gè)處理，但與 S處理并無顯著差異，且僅在2014年顯著高于CK（P＜0.05），這是由于隨著外界溫度的不斷升高，覆膜對(duì)株高的影響不斷減小，但是秸稈還田在這個(gè)時(shí)期對(duì)玉米的株高仍然有一定的促進(jìn)作用。在灌漿期，兩個(gè)年份的株高均表現(xiàn)為AM＋S處理與CK差異不顯著，且在2014年還極顯著低于S處理（P＜0.01），這是由于覆膜導(dǎo)致溫度過高，對(duì)玉米的株高有一定的抑制作用，而秸稈還田對(duì)玉米株高仍然有一定促進(jìn)作用，但在2015年AM＋S處理和CK極顯著高于S處理（P＜0.01），這可能是由于當(dāng)年伏旱嚴(yán)重，單獨(dú)秸稈還田處理會(huì)引起秸稈與作物競爭水分，進(jìn)而影響玉米的株高。

對(duì)兩年各處理春玉米3個(gè)關(guān)鍵生育期的莖粗進(jìn)行測定，結(jié)果見圖5a2和圖5b2。由圖可見，兩年3個(gè)生育期均以 AM＋S處理的莖粗最大，極顯著高于其它兩個(gè)處理（P＜0.01），而S處理與CK在拔節(jié)期差異不顯著，至抽雄期和灌漿期，則表現(xiàn)為 S處理極顯著高于CK（P＜0.01）。說明單獨(dú)秸稈還田處理在玉米生長初期，對(duì)春玉米莖粗無顯著影響，隨著玉米不斷生長可在一定程度上促進(jìn)莖粗生長，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可顯著促進(jìn)春玉米莖粗生長。

2.3.2 產(chǎn)量

對(duì)兩年春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)行測定比較，結(jié)果見表 2。由表可見，2014年各個(gè)處理產(chǎn)量無顯著差異，但CK處理最大，分別較S處理和AM+S處理高566kg·hm-2和484kg·hm-2，且產(chǎn)量構(gòu)成因素中僅AM＋S處理的粒數(shù)極顯著低于其它兩個(gè)處理（P＜0.01）；在2015年，AM＋S處理的產(chǎn)量顯著高于其它兩個(gè)處理，分別平均較S處理和CK高62.83%和97.96%，在產(chǎn)量構(gòu)成上穗長、穗粗、粒數(shù)、百粒重均極顯著高于其它兩個(gè)處理（P＜0.01），S處理與CK之間穗長、粒數(shù)和百粒重差異不顯著，穗粗和產(chǎn)量則表現(xiàn)為S處理極顯著高于CK（P＜0.01）。說明單獨(dú)秸稈還田處理第一年對(duì)玉米增產(chǎn)作用并不明顯，而第二年則可顯著提高春玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量的提高源自穗粗的增加，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理雖然在第一年無明顯增產(chǎn)優(yōu)勢，但在第二年能顯著提高春玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量構(gòu)成上穗長、穗粗、粒數(shù)、百粒重均對(duì)增產(chǎn)起了積極作用。

圖5 2014年（a）和2015年（b）不同處理玉米關(guān)鍵生育期株高（1）、莖粗（2）的比較Fig.5 Comparison of the plant height(1) and stem diameter(2) in the key growth period among different treatments in 2014(a) and 2015(b)

表2 不同處理玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素比較Table 2 Comparison of the maize yield and yield components among different treatments

2.3.3 群體生物量和收獲指數(shù)

千里之行，始于足下；不積跬步，無以至千里。作為新時(shí)代的少年，我們有目標(biāo)嗎？我們的目標(biāo)是什么？我想，是時(shí)候認(rèn)真思考這些問題了……

對(duì)兩個(gè)年份春玉米生物產(chǎn)量進(jìn)行測定，并計(jì)算各處理的收獲指數(shù)，結(jié)果見圖6。由圖可見，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴菥訟M＋S處理的生物產(chǎn)量最高，分別達(dá)到33160kg·hm-2和28725kg·hm-2，其中，2014年AM＋S處理極顯著高于其它兩個(gè)處理（P＜0.05），S處理和CK之間差異不顯著，而2015年3個(gè)處理之間均存在極顯著差異（P＜0.01），說明在秸稈還田后第一年，單獨(dú)秸稈還田對(duì)玉米生物產(chǎn)量影響不大，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜可在一定程度上提高春玉米生物產(chǎn)量，至秸稈還田后第二年，單獨(dú)秸稈還田會(huì)提高春玉米生物產(chǎn)量，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)提高春玉米生物產(chǎn)量的優(yōu)勢更為顯著。

在收獲指數(shù)方面，2014年 CK的收獲指數(shù)最高，而2015年則為AM＋S處理的收獲指數(shù)最高，說明秸稈還田第一年降低了收獲指數(shù)，即使結(jié)合秋覆膜處理也未提高春玉米收獲指數(shù)，而2015年秸稈還田結(jié)合秋覆膜能提高春玉米的收獲指數(shù)，但是單獨(dú)秸稈還田處理在2015年也降低了春玉米的收獲指數(shù)，這也說明在較為干旱的年份，單獨(dú)秸稈還田會(huì)影響春玉米的光合同化物轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品的能力。

圖6 2014年和2015年不同處理玉米生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)的比較Fig.6 Comparison of the maize biomass and harvest index among different treatments in 2014 and 2015

2.4 秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)春玉米水分利用效率的影響

2.4.1 降水利用效率

對(duì)兩個(gè)年份春玉米生育期降水利用效率進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果見圖7。由圖可見，2014年各處理間降水利用效率差異不顯著，而2015年則表現(xiàn)為差異極顯著，其中AM＋S處理最高，平均達(dá)58.824kg·hm-2·mm-1，其次為S處理，為35.941kg·hm-2·mm-1，CK最低。說明單獨(dú)秸稈還田和秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理，在秸稈還田后的第一年并不會(huì)顯著提高春玉米的降水利用效率，至第二年，二者均能顯著提高春玉米的降水利用效率，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理優(yōu)勢更為明顯。

圖7 2014年和2015年不同處理生育期內(nèi)降水利用效率的比較Fig.7 Comparison of the rainfall use efficiency in whole growth period among different treatments in 2014 and 2015

2.4.2 作物水分利用效率

對(duì)兩個(gè)年份各處理春玉米的耗水量和水分利用效率進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果見表3。由表可見，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)昃鶎佥^干旱年份，AM＋S處理的作物耗水量均高于其它兩個(gè)處理，特別是在2014年差異達(dá)極顯著水平（P<0.01），S處理與CK之間則差異則較小，這是由于秋季覆膜有效降低了土壤水分蒸發(fā)，較其它兩個(gè)處理貯存了更多的可利用水分供玉米生長消耗。而在水分利用效率方面（包括籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物產(chǎn)量水分利用效率），兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴荽嬖谝欢ǖ牟町悾?014年AM＋S處理極顯著低于其它兩個(gè)處理（P<0.01），而S處理與CK差異不顯著，2015年則表現(xiàn)為 AM＋S處理極顯著高于其它兩個(gè)處理（P<0.01），而S處理也顯著高于CK（P<0.05）。說明秸稈還田后的第一年，單獨(dú)秸稈還田不會(huì)提高春玉米的水分利用效率，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜會(huì)消耗更多的可利用水，降低了玉米的水分利用效率；至秸稈還田后的第二年，即使在更為干旱的年份，單獨(dú)秸稈還田處理也會(huì)顯著提高玉米的水分利用效率，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理的優(yōu)勢更為明顯。

表3 不同處理玉米耗水量和水分利用效率的比較Table 3 Comparison of the water consumption and water use efficiency(WUE) among different treatments during whole spring maize growth stage

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

2014和 2015年連續(xù)兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)陮?duì)各處理0-50cm土層地溫的監(jiān)測表明，單獨(dú)秸稈還田處理不能有效提高土壤溫度，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可顯著增加0-50cm的地積溫，特別是表層0-10cm的地溫，這與吳榮美等[29]的研究結(jié)果相似，增加的地積溫可加快秸稈分解，并促進(jìn)春玉米生長。本研究顯示，秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理顯著增加了拔節(jié)期前春玉米的株高和莖粗，但至灌漿期，與對(duì)照差異不顯著，這是由于覆膜導(dǎo)致地溫過高，會(huì)對(duì)玉米的株高有一定的抑制作用，而秸稈還田又由于分解和作物生長水分的競爭會(huì)影響玉米的生長[24]，進(jìn)而在更為干旱的2015年，單獨(dú)秸稈還田處理的株高要顯著低于裸地對(duì)照處理。另外，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)陜?nèi)，秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理的莖粗在整個(gè)生育期均顯著高于其它兩個(gè)處理，單獨(dú)秸稈還田也優(yōu)于裸地種植，尤其是在2015年，這可能是由于秸稈還田后更好地活化土壤養(yǎng)分，增加養(yǎng)分儲(chǔ)備，促進(jìn)了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了作物生長[6]。

產(chǎn)量和總生物量的增加是檢驗(yàn)農(nóng)業(yè)措施好壞的重要指標(biāo)，不同秸稈還田年限玉米籽粒產(chǎn)量差異顯著，反映出秸稈還田措施能夠促進(jìn)玉米籽粒產(chǎn)量的提高，且與還田年限呈正相關(guān)[30]。本研究中，通過一次性秸稈還田，連續(xù)兩年測定各處理的產(chǎn)量和總生物量，結(jié)果顯示，秸稈還田后第一年（2014年），由于秸稈還田初期腐爛過程需消耗較多水分，并且秸稈也未完全腐爛，對(duì)當(dāng)季玉米產(chǎn)量和生物量影響不大[31]；到了秸稈還田的第二年(2015年)，秸稈基本完全分解，秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理與秸稈還田處理的產(chǎn)量和生物量均顯著高于裸地處理，這也說明秸稈還田技術(shù)在本區(qū)域提高春玉米產(chǎn)量需要一個(gè)相對(duì)較長的過程，并且2015年秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理的穗長、穗粗、粒數(shù)、百粒重也均顯著高于其它兩個(gè)處理，這與牛芬菊等[23]的研究結(jié)果相似，說明秋覆膜提高地溫，加快了秸稈分解的同時(shí)，提高了玉米產(chǎn)量[29]。本研究中，兩年的收獲指數(shù)表明秸稈還田后的第一年（2014年），秸稈還田與作物生長水分的競爭影響了收獲指數(shù)，至秸稈還田后的第二年（2015年），單獨(dú)秸稈還田仍然降低了玉米的收獲指數(shù)，但結(jié)合秋覆膜處理可增加春玉米的收獲指數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了即使在干旱的年份下，秸稈還田結(jié)合秋覆膜可提高翌年春玉米的收獲指數(shù)。

秋覆膜可以顯著提高土體蓄水量[21]，本研究中，兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)陜?nèi)均顯示秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理顯著提高了0-50cm的日平均體積含水率，而單獨(dú)秸稈還田在春播前可提高0-50cm的體積含水率，但隨著玉米的生長，其優(yōu)勢逐漸減弱。通過對(duì)各處理生育期內(nèi)的耗水量進(jìn)行計(jì)算，證實(shí)秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可為秸稈分解提供更多的水分，促進(jìn)秸稈分解，增加了春玉米耗水量的同時(shí)，也減少了玉米生長與秸稈腐解水分之間的競爭[29]，因此，在秸稈還田后的第一年，結(jié)合秋覆膜處理，由于耗水量的增加，玉米的生物產(chǎn)量水分利用效率和籽粒產(chǎn)量水分利用效率顯著低于其它兩個(gè)處理，而秸稈還田后的第二年，秸稈基本腐爛，單獨(dú)秸稈還田與秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可為春玉米生長提供更多的可利用水，顯著提高了生物產(chǎn)量水分利用效率和籽粒產(chǎn)量水分利用效率。

3.2 結(jié)論

單獨(dú)秸稈還田處理不能有效提高土壤溫度，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可顯著增加 0-50cm地積溫，尤其是表層0-10cm的地溫，可為玉米苗期生長提供優(yōu)異的生長環(huán)境，促進(jìn)了玉米生長，增加春玉米株高和莖粗。秸稈還田后的第一年，各處理生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量差異不顯著，并且秸稈還田處理和秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理降低了春玉米的收獲指數(shù)，至第二年，單獨(dú)秸稈還田處理的產(chǎn)量和生物量顯著高于CK，而秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理的產(chǎn)量優(yōu)勢更為明顯，說明考慮秸稈還田的時(shí)效性，秸稈還田結(jié)合秋覆膜技術(shù)，應(yīng)該考慮還田年限。

秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理顯著提高了 0-50cm的日平均體積含水率，提高了土體蓄水量的同時(shí)，也為玉米提供了更多可消耗的水分，增加了春玉米的耗水量，在秸稈還田后的第一年（2014年），影響了春玉米的水分利用效率，至第二年，秸稈還田結(jié)合秋覆膜，可以明顯提高玉米的降水利用效率和水分利用效率。因此，在半干旱地區(qū)雨養(yǎng)農(nóng)田，采用秸稈一次性還田結(jié)合秋季覆膜技術(shù)，是解決半干旱區(qū)秸稈過剩，提高半干旱地區(qū)春玉米翌年產(chǎn)量和農(nóng)田水分利用效率的較優(yōu)方案。

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Effects of Straw-incorporation Combined with Plastic Mulching in Autumn on Spring Maize in Semi-arid Areas

ZHANG Zhe1,2,3，SUN Zhan-xiang2,3，ZHANG Yan-qing1,3，ZHENG Jia-ming2，HAO Wei-ping1，F(xiàn)ENG Chen2，SI Peng-fei2,3
(1.Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;2.Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences/Engineering Research Centre for Dryland and Water-Efficient Farming of Liaoning Province, Shenyang 110161;3.College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866)

To evaluate the influence of straw-incorporation combined with plastic mulching in Autumn on spring maize growth and water use efficiency (WUE), field experiments were conducted in the Fuxin agricultural environment and the farmland conservation scientific observation station in the period of 2013-2015.Three treatments were followed as: (1) straw-incorporation (S), (2) straw-incorporation combined with plastic mulching in Autumn (AM+S)， in which the straw returned only in the fall of 2013, (3) nudation(CK).The real-time dynamics of soil moisture and temperature were measured by soil water-temperature data collector (EcH2O), and the growth differences of maize were analyzed among the treatments.The results showed that the accumulated soil temperature and volumetric moisture content within 0-50cm soil layer were significantly increased in AM+S treatment, the waterconsumption of spring maize increased, and water storage within 1 m soil layer before spring sowing in 2014 and 2015 year were increased 83.92mm and 92.68mm, respectively, compared with that in CK.In 2014, the WUE in AM+S treatment was significantly lower compared with that in CK and S treatment, the grain yield was no different among treatments.In 2015, AM+S treatment improved significantly the accumulation of dry matter and the yield of spring maize, in which the yield of spring maize, rainfall use efficiency and WUE of grain were 13560kg·ha-1, 58.52kg·ha-1·mm-1, and 47.09kg·ha-1·mm-1, and increased by 97.96 % and 62.83 %, 97.96 % and 62.83 %, 90.34 % and 65.58 %, respectively, compared with those in CK and S treatment.This study suggests that one-off straw-incorporation combined with plastic mulching in Autumn improved the following year yield of spring maize and WUE under drought condition of rainfed farmland, resolved the surplus phenomenon of the agricultural straw in semi-arid region.

Straw-incorporation; Plastic mulching in Autumn; Water use efficiency; Yield; Biomass

2016-04-23**

農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（HZJSNY201503）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目（201303125-01；201503105；201503119）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD09B02）；遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目（2014213004）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015020789）；國家特支計(jì)劃項(xiàng)目

張哲（1984-），滿族，博士生，助理研究員，主要從事旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)研究。E-mail：chick409@126.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.06.005

張哲,孫占祥,張燕卿,等.秸稈還田結(jié)合秋覆膜對(duì)半干旱區(qū)春玉米的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(6):654-665