秸稈覆蓋量對玉米土壤熱環(huán)境及生長的影響

武 術(shù)，白 靜，包曙明，徐海彬，曹寶海

(1.內(nèi)蒙古通遼市水利規(guī)劃設計研究院， 內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054； 3. 內(nèi)蒙古通遼市烏力吉木仁水利樞紐工程管理處， 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

東北玉米帶是世界三大“黃金玉米帶”之一，也是我國重要的糧食生產(chǎn)基地[1]，玉米產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的32%。隨著我國節(jié)水農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，膜下滴灌技術(shù)憑借其增溫保墑、節(jié)水增產(chǎn)的良好效應，在該地區(qū)得到了大面積的推廣應用。但隨之而來的是大量塑料地膜殘留所造成的“白色污染”問題愈發(fā)嚴重[2]，不僅污染了當?shù)丨h(huán)境，而且隨著殘膜量的逐年累積會對土壤物理特性產(chǎn)生不良影響[3]，最終影響玉米產(chǎn)量[4]。因此，在應用滴灌的同時找到一種替換地膜覆蓋的材料，對于該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。

而大量研究表明，秸稈覆蓋在旱地同樣具有增溫保墑、提高產(chǎn)量的顯著效果[5]。而有關(guān)秸稈覆蓋量的研究，多集中其對農(nóng)田水土環(huán)境及作物增產(chǎn)效應方面[6-8]，但對于秸稈覆蓋量在旱區(qū)滴灌玉米上應用研究還鮮有報道，西松遼平原滴灌玉米適宜的秸稈覆蓋量沒有明確。因此，本研究通過探討不同秸稈覆蓋量對滴灌玉米土壤熱環(huán)境、生長及水分利用效率的影響，旨在為秸稈覆蓋滴灌玉米技術(shù)在西松遼地區(qū)的應用提供理論依據(jù)，對我國北方地區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗于2015年4-9月在通遼市科爾沁左翼中旗寶龍山鎮(zhèn)進行，試驗區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候；多年平均氣溫5.5 ℃，全年最高氣溫40.8 ℃，最低氣溫-33.9 ℃；平均降水量342 mm，且多集中在夏季，蒸發(fā)量2 027 mm。土壤質(zhì)地為中壤土，試驗田1 m土壤平均密度為1.51 g/cm3，田間持水量為23.54%。灌溉期地下水埋深7～8 m。

1.2 試驗設計

試驗以無覆蓋為對照，設常規(guī)農(nóng)膜覆蓋處理和3個不同玉米秸稈覆蓋量處理，共設5個處理，具體見表1。每個處理3次重復，共15個小區(qū)，各小區(qū)面積為5 m×8 m。各小區(qū)間埋設1.2 m深聚氯乙烯布進行隔離。供試玉米品種為京科968，株距37 cm，行距80 cm。

4月25日播種，9月22日收獲。播種前鋪設好滴灌帶，然后按不同設計量在全小區(qū)覆蓋玉米秸稈。常規(guī)農(nóng)膜覆蓋處理采用當?shù)爻Ｒ?guī)條帶狀覆蓋，膜寬70 cm。灌溉方式采用滴灌，灌水時間由不同的上下限確定，上限為85%，在生育期前期下限為60%，后期下限為65%。

表1 試驗設計

1.3 測定指標及方法

(1)土壤溫度的測定：采用土壤溫度自動采集儀對玉米全生育期5、15 cm土壤埋深的土壤溫度進行連續(xù)監(jiān)測，每隔1 h測定一次。

(2)地上干物質(zhì)(g/株)：2015年5-9月期間對玉米的干物質(zhì)(生物量)進行動態(tài)測定，玉米出苗后每15 d測定一次葉面積和地上干物質(zhì)。在每個處理中，選取具有代表性的3株玉米帶回實驗室(重復3次)，在105 ℃的通風烘干箱中殺青30 min，然后80 ℃下烘干至恒質(zhì)量，然后測定單株的干質(zhì)量。

(3)株高、葉面積指數(shù)(LAI)：2015年5-9月期間，在玉米出苗后每15 d測定一次株高和葉面積指數(shù)LAI。在每個處理中，隨機選取具有代表性的3株玉米進行測定(重復3次)。

(4)產(chǎn)量：在玉米收獲時，在各處理非邊行隨機連續(xù)選取標準樣株10 株，單獨收獲考種測產(chǎn)。

(5)千粒重(g)：玉米收獲脫粒自然風干后，隨機取1000 粒，測定籽粒質(zhì)量，重復3次，取平均值。

1.4 計算方法

(1)收獲指數(shù)HI用下式計算：

(1)

式中：HI為收獲指數(shù)，kg/(mm·hm2)；Y為玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量，kg/hm2；Y生物為玉米生物總產(chǎn)量，kg/hm2。

(2)水分利用效率WUE用下式計算：

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(mm·hm2)；ETc為玉米生育期的騰發(fā)量，mm。

ETc=P+I+G-D-ΔW

(3)

式中：P為有效降水量，mm；I為生育期灌水量，mm；G為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔW為0～100 cm土壤儲水量的變化量，mm。

由于該地區(qū)地下水位較深，所以地下水補給量和深層滲漏量忽略不計。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel整理數(shù)據(jù)和制圖，各覆蓋處理間的差異性利用SPSS 17.0軟件的LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤溫度和出苗率的影響

玉米生育初期的土壤溫度與其生長有著密切的關(guān)系。淺層土壤為玉米種子的芽床，如果初期芽床溫度過低，易導致種子霉爛、不發(fā)芽[9]，特別是在寒旱區(qū)這種影響更為重要。如表2所示不同覆蓋處理在0～20 cm土層生育初期4-6月平均溫度變化和玉米的出苗率。可以看出，地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理的玉米出苗率較未覆蓋處理WM提高2.9%～11.7%，其中處理PM、M1.20、M0.85的出苗率均顯著(p<0.05)高于處理WM。處理M1.20、M0.85出苗率較處理PM，幾乎無差異，而處理M0.50出苗率較處理PM降低5.6%，明顯下降。

在4-6月，地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理平均地溫較未覆蓋處理WM增加1.8%～36.4%，且這種增溫效應隨著生育進程而減小。其中處理PM、M1.20、M0.85均顯著高于處理WM，說明地面覆蓋有利于淺層土壤溫度的增加，有利于播種層的熱環(huán)境，這是因為生育初期晝夜溫差大，而地面覆蓋可有效抑制夜間熱量損失。處理M1.20、M0.85的平均土壤溫度與處理PM無顯著差異，而處理M0.50平均土壤溫度較處理PM降低7.8%～11.2%，且在4月份差異達到顯著性水平(p<0.05)，說明秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85在播期可以達到與地膜覆蓋相近的播層熱環(huán)境，有利于種子的萌發(fā)，而秸稈覆蓋處理M0.50較處理PM不利于玉米出苗率的提高。

表2 不同覆蓋下玉米出苗率與土壤溫度月變化

2.2 不同覆蓋條件對玉米株高的影響

作物的株高是影響作物冠層光能傳輸?shù)闹饕蛩豙10]，對玉米的生長有著重要的影響。表3是不同覆蓋條件下玉米株高隨生育期的變化。從表3可以看出，各處理的株高在全生育期具有相似的變化規(guī)律，總體上呈現(xiàn)“S”型變化趨勢。全生育期內(nèi)，各覆蓋處理株高顯著高于無覆蓋處理WM(p<0.05)，這是因為覆蓋處理具有增溫保濕的效應。在苗期，各覆蓋處理株高與無覆蓋處理WM的差異最為顯著，分別較處理WM提高85.7%、94.3%、75.2%、20.9%，可以看出株高隨著玉米秸稈覆蓋量的增加而增加，但這種增長效應隨著覆蓋量的增大而減弱。其中秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85的株高與處理PM無顯著差異，而秸稈覆蓋處理M0.50較處理PM低34.9%，差異顯著(p<0.05)。這是因為處理PM、M1.20、M0.85較處理WM、M0.50具有較高的播層溫度，提前了出苗時間，進行了較長時間的苗期生長。拔節(jié)期到大喇叭口期，處理M0.85較處理PM低1.5%～4.5%，而進入生殖生長階段，處理M0.85實現(xiàn)了反超，較處理PM高4.5%～7.8%，秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85株高在生長后期(開花期)顯著高于處理PM(p<0.05)。這是因為適當?shù)慕斩捀采w可以有效阻隔土壤吸收太陽輻射的能量，而且秸稈覆蓋有利于降水的截留儲蓄，從而降低根系層土壤溫度，在氣溫較高的七八月可以有效減少光合午休的時間，有利于玉米的生長。

表3 不同覆蓋下玉米株高變化 mm

2.3 不同覆蓋條件對葉面積指數(shù)的影響

葉片是綠色植物進行光合作用的主要場所，特別是在籽粒形成的生殖生長階段，LAI的大小在一定程度上影響最終產(chǎn)量的高低。LAI的動態(tài)變化在某種程度上可以反映葉片光合面積及光合時間的變化規(guī)律。如表4所示是不同覆蓋條件下玉米LAI在生殖生長階段的變化，從表4可以看出，各處理的LAI具有相同的變化趨勢，總體上呈現(xiàn)先增大后減小的單峰變化，在開花期LAI達到最大值。在抽雄期至灌漿前期，處理PM、M1.20、M0.85的LAI顯著高于處理WM、M0.50，其中處理PM、M1.20、M0.85間無顯著差異。這是因為隨著玉米植株的增長，處理PM、M1.20、M0.85在該生育階段葉片遮蓋率達到最大值且較為接近，使得太陽輻射無法直接到達地面，形成無顯著差異的土壤水熱環(huán)境，從而造成處理PM、M1.20、M0.85間差異不顯著。而在灌漿中期至灌漿后期，籽粒形成的最重要時期，處理M0.85的LAI最大，且在灌漿后期LAI仍然保持較大值2.44，這是因為處理M0.85的LAI下降速率較低，為-0.132，相對于處理PM、M1.20的LAI下降速率顯著(p<0.05)減緩了23.6%、21.3%，由此可以看出，處理M0.85的LAI出現(xiàn)了一定的滯后，意味著處理M0.85冠層葉片衰退的時間晚于處理PM、M1.20。這說明處理M0.85在生育后期保持了較高的光合面積，維持了生長后期葉片的功能，延長了光合作用的時間，體現(xiàn)了一定的后效性。原因可能是處理M0.85較處理PM能有效截留降水、抑制棵間土壤蒸發(fā)且增加土壤有機質(zhì)含量，有利于生長后期玉米的生長，而處理M1.20相比處理M0.85覆蓋較厚，在玉米生理機能減弱的生長后期易造成土壤通透性差，不利于土壤呼吸的進行。

表4 不同覆蓋下玉米生殖生長階段葉面積變化

2.4 不同覆蓋條件對產(chǎn)量要素和水分利用效率的影響

作物最終產(chǎn)量的高低是衡量覆蓋栽培措施優(yōu)劣的最主要的指標，2015年各覆蓋處理下的玉米產(chǎn)量等指標見表5。由表5可知，處理PM、M1.20、M0.85、M0.50的產(chǎn)量較處理WM高14.8%～25.8%，均達到顯著性水平(p<0.05),說明采用覆蓋措施能顯著提高滴灌玉米的經(jīng)濟產(chǎn)量。處理M1.20、M0.85產(chǎn)量較處理PM提高-1.5%～0.4%，基本無差異，而處理M0.50較處理PM減產(chǎn)8.3%，差異性顯著(p<0.05)，這是因為處理M0.50單株籽粒數(shù)和水分利用效率較處理PM的顯著降低(p<0.05)。說明滴灌玉米條件下，適當?shù)慕斩捀采w量相比地膜覆蓋不會造成產(chǎn)量的顯著降低，這也說明從經(jīng)濟產(chǎn)量來看，玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2可以作為替換滴灌玉米地膜覆蓋的材料。

表5 不同覆蓋下玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素、產(chǎn)量與水分利用效率

收獲指數(shù)和水分利用效率反映了作物光合分配性能和作物生產(chǎn)與水分消耗之間的關(guān)系，是節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要指標。各覆蓋處理的WUE較處理WM提高了15.8%～30.0%，其中處理M1.20的WUE最高，但與PM、M0.85差異不顯著，而處理M0.50的WUE和HI顯著(p<0.05)低于處理M1.20、M0.85，說明較少的秸稈覆蓋量能顯著減小水分利用效率和收獲指數(shù)，不利于滴灌玉米經(jīng)濟產(chǎn)量的形成。綜合產(chǎn)量、WUE和HI來看，處理M1.20(12 000 kg/hm2)為理論最優(yōu)覆蓋方式。但由于處理M0.85的產(chǎn)量、WUE和HI與處理M1.20差異不顯著，且考慮到節(jié)省成本的因素，因此推薦處理M0.85，即玉米秸稈覆蓋量8 500 kg/hm2為適合西松遼地區(qū)滴灌玉米的秸稈覆蓋量。

3 結(jié) 語

(1)秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2在播期可以達到與地膜覆蓋相近的播層熱環(huán)境，有利于種子的萌發(fā)，而秸稈覆蓋量5 000 kg/hm2生長前期的播層土壤溫度較地膜覆蓋顯著(p<0.05)降低11.2%，不利于出苗率的提高。而梁建財?shù)萚9]研究表明地膜覆蓋較未覆蓋有增溫作用，而秸稈覆蓋由于覆蓋層阻隔了土壤對太陽福射熱量的吸收，較未覆蓋降低了土壤溫度，不利于春播作物播種和出苗。這是由于兩者研究的覆蓋時間不同所造成的差異，前者各處理均在播前進行覆蓋，各處理覆蓋前土壤溫度一致，進行秸稈覆蓋更有利于保墑增溫，而后者則是在前一年秋澆時覆蓋，翌年播時土壤溫度差異較大。

(2)滴灌玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2較地膜覆蓋不會造成經(jīng)濟產(chǎn)量的顯著降低，而較少的秸稈覆蓋量能顯著(p<0.05)減小WUE和HI，不利于滴灌玉米經(jīng)濟產(chǎn)量的形成。從產(chǎn)量、WUE和HI來看，玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2可以作為替換滴灌玉米地膜覆蓋的材料。

(3)各覆蓋處理株高全生育期內(nèi)顯著(p<0.05)高于無覆蓋處理WM。而各秸稈覆蓋處理對株高的影響在苗期差異最為顯著，表現(xiàn)為玉米苗期株高隨著玉米秸稈覆蓋量的增加而增加，但這種增長效應隨著覆蓋量的增大而減弱。這是因為較高的秸稈覆蓋量處理具有更高的播層溫度，提前了玉米出苗時間，使其進行了較長時間的苗期生長。

(4)在生殖生長階段，秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2處理的葉面積指數(shù)不會顯著低于地膜覆蓋，而且在籽粒形成的生長后期，處理M0.85的LAI仍然保持較大值2.44，LAI下降速率較處理PM、M1.20減緩了23.6%、21.3%，說明處理M0.85的冠層葉片衰退的時間滯后于處理PM、M1.20。這說明秸稈覆蓋量8 500 kg/hm2處理在生育后期保持了較高的光合面積，維持了生長后期葉片的功能，延長了光合作用的時間，具有一定的后效性。

[1] 盧憲菊.壟作集水和秸稈覆蓋對東北玉米帶黑土區(qū)玉米生長和水氮利用的影響[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學, 2014.

[2] 嚴昌榮,梅旭榮,何文清,等.農(nóng)用地膜殘留污染的現(xiàn)狀與防治[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(11):269-272.

[3] 嚴昌榮,王序儉,何文清,等.新疆石河子地區(qū)棉田土壤中地膜殘留研究[J].生態(tài)學報,2008,28(7):3 470-3 474.

[4] 畢繼業(yè),王秀芬,朱道林.地膜覆蓋對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2008 ,24(11):172-175.

[5] 蔡大義,賈志寬,黃耀武,等.不同秸稈覆蓋量對春玉米田蓄水保墑及節(jié)水效益的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(S1):238-243.

[6] 王兆偉,郝衛(wèi)平,龔道枝,等.秸稈覆蓋量對農(nóng)田土壤水分和溫度動態(tài)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2010,31(2):244-250.

[7] 方文松,朱自璽,劉榮花,等.秸稈覆蓋農(nóng)田的小氣候特征和增產(chǎn)機理研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(6):123-128.

[8] 王 昕,賈志寬,韓清芳,等.半干旱區(qū)秸稈覆蓋量對土壤水分保蓄及作物水分利用效率的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2009,27(4):196-202.

[9] 梁建財.地面覆蓋對鹽漬土壤水熱鹽運移及作物生長調(diào)控機制研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 2015.

[10] 王自奎.小麥/玉米間作復合群體光能和水分傳輸利用試驗與模擬研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學,2015.