華北地區(qū)休閑期覆膜對土壤水分和春玉米苗期生長的影響

劉勝堯，范鳳翠，賈建明，賈宋楠，齊 浩，李志宏，高清海

(1.河北省農(nóng)林科學科院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟研究所，河北石家莊 050051； 2.河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司，河北石家莊 050051)

華北地區(qū)旱地農(nóng)田土壤水分特征的主要影響因子是自然降水和農(nóng)田蒸散量[1]，農(nóng)田土壤的水分時空變化可以劃為4個時期：秋季緩慢蒸騰消耗期、冬季凍結(jié)水分相對穩(wěn)定期、春季返漿蒸發(fā)水分強烈消耗期、雨季水分恢復期[2]。春季返漿蒸發(fā)水分強烈消耗期會導致農(nóng)田土壤水分不足，已成為影響玉米正常播種及苗期生長的主要限制因素，如何將夏秋季土壤蓄水和春季返漿無效蒸發(fā)水分為春季播種出苗和苗期生長利用是亟待解決的問題。

在我國半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，地膜覆蓋因為改善了土壤水分溫度而具有良好的增產(chǎn)效應[3-5]，得到了廣泛推廣。然而半干旱地區(qū)降水分布不均勻，年度間變率大[6-7]，尤其在春季降水稀少、氣候干旱、表層土壤失水快、底墑不足的情況下覆膜反而會減產(chǎn)[8-10]。秋季土壤雨水比較豐富，關(guān)于秋季土壤覆膜保水，春季高效利用的研究，西北地區(qū)和東北地區(qū)已有報道。張哲元等研究表明，秋季覆膜比對照0～10、10～20、20～30 cm深土層的土壤含水量分別高55.0%、53.8%、61.3%，這一水分條件能夠滿足玉米等大田作物種子發(fā)芽的需要，可以解決春季由于干旱而不能適時播種的難題，同時也避免了研究地區(qū)冬春季的風蝕問題和揚塵問題[11]。喬靈芝等研究認為，在西北地區(qū)秋季雨后休閑期覆蓋地膜，不同覆蓋的土壤蓄水量分別比不覆蓋處理(CK)增加18.37～21.22 mm，玉米籽粒產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率分別比對照增加13.9%～14.6%、 11.0%～11.1%[12]。

研究證明，地膜覆蓋的農(nóng)田生產(chǎn)效應存在明顯的地域性差異。關(guān)于華北地區(qū)以秋雨春用、春墑秋保為目標進行秋后覆膜的研究較少，本試驗在作物收獲后進行滅茬、薄膜覆蓋，降低冬季和春季農(nóng)田土壤水分的無效損失，探討秋后覆膜保墑措施，對翌年春播時期土壤水分及玉米苗期生長的影響，以期為華北半干旱地區(qū)旱作保墑技術(shù)的實施提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年11月至2013年6月在河北省農(nóng)林科學院鹿泉市大河綜合試驗站進行。該地區(qū)屬溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，四季分明，日平均氣溫13.6 ℃，年降水量 536 mm，降水主要分布在7、8月。日照時數(shù)2 554 h，無霜期230 d。試驗地土壤為黏壤質(zhì)洪沖積石灰性褐土，0～100 cm深土體土壤容重為1.63 g/cm3，田間持水量為21.17%，凋萎含水量為11.0%；耕層土壤養(yǎng)分含量分別為1.96%有機質(zhì)、0.10%全氮、86.10 mg/kg速效氮、32.75 mg/kg速效磷、185.40 mg/kg速效鉀，pH值為7.74。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置4種處理方式：壟作覆膜、壟作、旋耕、免耕(對照)，采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復。壟作覆膜處理在秋收滅茬后旋耕并起壟，壟底寬40 cm，壟頂寬25 cm，溝寬20 cm，壟高15 cm，用90 cm寬的地膜全部覆蓋壟溝，在壟底部打直徑為0.3 cm的小孔，便于雨水入滲，春季可壟上播種。壟作處理即秋收滅茬后旋耕起壟，壟底寬40 cm，壟頂寬25 cm，溝寬20 cm，壟高15 cm，不覆膜。旋耕即秋收滅茬后旋耕處理，不覆蓋地膜。免耕(對照)即秋收滅茬后不作處理，不覆蓋地膜。

供試玉米品種為鄭單958，種植密度為67 500株/hm2，于2013年5月10日人工點播。由于除覆膜處理外，其他處理缺苗嚴重，因此此試驗測試進行到播種后40 d。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 測定深度為0～100 cm土層，每10 cm取1個土樣，土壤冬季凍結(jié)前30 d測定1次，春季返漿后20 d測定1次，采用烘干法測定。

1.3.2 土壤儲水量計算

(1)

式中：W為土壤儲水量，mm；hi為土層深度，cm；ρi為土壤容重，g/cm3；bi為土壤水分質(zhì)量百分數(shù)；n為土層序號，n=1，2，3，…，10；i=10，20，30，40，…，100。

1.3.3 玉米生長指標和生物量的測定 測定株高、莖粗、葉面積、單株干物質(zhì)量，分別于玉米出苗后，每7 d采集各處理具有代表性的植株5株，鮮樣分器官擦洗干凈，在105 ℃殺青30 min，再在80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定生物量。

1.3.4 葉綠素含量的測定 用SPALD-502葉綠素儀測定葉片的葉綠素相對含量，從玉米出苗后開始測定，每7 d測定1次，每個處理測定5株。測定部位均為朝向一致完全展開的葉片，即從頂部數(shù)第3張葉片起，每個葉片測5次，取5次的平均值作為該葉片的葉綠素相對含量。

1.3.5 葉綠素熒光參數(shù)的測定 采用Hansatecch公司生產(chǎn)的植物效率分析儀(Pocket PEA)測定玉米的葉綠素熒光參數(shù)，測定時間及葉位與葉綠素相對含量測定時相同。葉片先暗適應15 min，再用3 500 μmol/(m2·s)飽和光誘導，測定可變熒光(Fv)、最大熒光(Fm)、PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)，重復5次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理休閑期土壤儲水變化

由圖1可知，各處理0～100 cm深土層的土壤儲水量受蒸發(fā)和降水的影響呈先增加后降低的倒“V”字形變化趨勢。由于秋冬季降水較豐富，分別達28.5、20.2 mm，在返漿期(3月8日)各處理土壤儲水量達高峰值，為278.07～285.33 mm。覆膜處理土壤儲水量最高比對照高3.22 mm，差異不明顯，這與秋冬季蒸發(fā)小，覆膜阻礙降雪入滲有關(guān)。返漿期后氣溫升高，降水少，氣候干燥，土壤蒸發(fā)量大，土壤儲水量下降，3月8日至3月28日階段耗水量為2.4 mm～12.6 mm，以壟作覆膜和旋耕耗水量最低，分別為2.4、2.5 mm，這2種處理在早春季節(jié)保水效果明顯，耗水量分別為對照的19.4%、 20.1%。3月28日至4月18日晚春季節(jié)0～100 cm土壤儲水量繼續(xù)下降，達到261.3～277.7 mm，階段耗水量為5.1～8.4 mm，與對照相比壟作覆膜和旋耕保水效果降低，這主要與進一步升溫，蒸發(fā)潛能增加，而對照處理土壤儲水量低導致土壤水勢較低降低蒸發(fā)量有關(guān)。此階段壟作覆膜和旋耕土壤儲水量分別比對照高16.42、5.93 mm，保水效果明顯。4月18日到5月8日的初夏季節(jié)，由于有 14.9 mm 的降水，各處理100 cm土層土壤儲水量小幅上升，其中以壟作覆膜和旋耕升幅最大，分別為11.28、6.25 mm，分別比對照多8.19、3.07 mm。壟作最少為0.18 mm，比對照低2.91 mm，這應與起壟后增加蒸發(fā)表面積有關(guān)。

2.2 休閑期處理對春播前土壤水分及玉米出苗的影響

由表1可知，180 d的休閑期降水總量為66.00 mm，蒸發(fā)量為61.8～34.9 mm，蒸發(fā)量小于降水量，土壤儲水量有不同程度的增加，壟作覆膜和旋耕處理的播前土壤儲水量最多，分別為289.00、273.38 mm，增加量分別為31.10、15.48 mm，蓄水效率分別為47%、23%，與對照比土壤儲水量分別提高9.3%、3.4%，蓄水率分別提高3.80、1.39倍。說明壟作覆膜和旋耕處理對旱地冬春休閑期農(nóng)田具有明顯的蓄水保墑效果，尤其是在該時期降水較少的年份對耕層土壤的保墑作用更為明顯，這為春播作物適期播種提供了水分保障。

由于春季降水少、風大、空氣干燥、蒸發(fā)量大，導致表層土壤失水快，變化幅度大。由表1可知，各處理(0,10]cm深土壤含水量為14.85～25.06 mm，相對含水量為49.66%～83.80%。壟作覆膜處理(0,10]cm深土層含水量為25.06 mm，相對含水量為83.80%，含水量可以滿足出苗的要求，而其他處理都低于田間持水量的65%，在無降雨條件下不利于出全苗、壯苗。從表1的出苗率可以看出，壟作覆膜處理的出苗率達到 87.5%，本試驗每穴播2粒種子，可以保證全苗。而其他處理出苗率不足60%，嚴重缺苗。

表1 各處理對春播前土壤水分及玉米出苗的影響

2.3 不同處理對玉米植株性狀的影響

通過分析各處理的株高和莖粗，由圖2、圖3可知，隨著春玉米的生育進程，各處理玉米株高和莖粗具有相似的變化規(guī)律，即從苗期到抽雄期有逐漸增加的趨勢，且增速呈先加快后減慢的趨勢。株高在27～34 d增高速度最快，莖粗在20～27 d增粗速度最快。整個試驗期間，壟作覆膜處理株高和莖粗均顯著高于對照，其中，株高比對照增加6.83%～31.25%，莖粗比對照增加10.09%～49.37%，均呈現(xiàn)前期增幅大后期增幅小的變化趨勢。旋耕和壟作處理在玉米幼苗期的株高和莖粗顯著高于對照，在播后20 d差異不顯著。

由圖4、圖5可知，壟作覆膜處理前期葉片生長較快，葉面積在播種13 d后比對照處理高125.0%，地上單株干物質(zhì)量比對照高215.8%，隨后增長幅度變??；播后27 d，壟作覆膜處理的葉面積比對照高78.9%，地上單株干物質(zhì)量比對照高70.6%；40 d后壟作覆膜處理的葉面積比對照高30.6%，地上單株干物質(zhì)量比對照高48.2%。

2.4 不同處理對葉綠素相對含量的影響

葉綠素是植物吸收光能進行光合作用的色素，在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量的高低直接影響植物的光合能力。由表2可知，在試驗處理前期壟作覆膜處理的葉綠素相對含量顯著高于對照，在后期兩者差異不顯著；壟作覆膜處理在播后13 d葉綠素相對含量提高14.5%，播后20 d葉綠素相對含量提高5.4%，播后27 d提高4.5%，提高葉綠素的效果隨著生育期的推進而降低，播后34 d開始與對照差異不顯著。這主要是由于前期在5月中下旬，氣溫不穩(wěn)定，常有低溫冷害，同時土壤比較干旱，壟作覆膜處理可以增溫保水，有利于春玉米生長，后期進入6月份，氣溫較高，壟作覆膜處理土壤溫度高，失水快，反而影響作物生長。其他處理只有旋耕處理在播后 27 d 可以顯著提高葉綠素的相對含量，其他時間與對照差異均不顯著。

表2 休閑期處理對葉綠素相對含量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.5 不同處理對葉綠素熒光參數(shù)的影響

Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量，其大小反映了PSⅡ反應中心原初光能的轉(zhuǎn)化效率。由表3可知，對照、旋耕處理、壟作處理在5個時間段的Fv/Fm隨著時間進程的推移而增加，但壟作覆膜處理變化范圍不大。播后13、20 d時壟作覆膜和旋耕處理顯著高于對照，13 d時分別比對照高12.5%、7.8%。說明出苗初期壟作覆膜處理和旋耕處理玉米苗受脅迫小，這與壟作覆膜和旋耕措施可以保水提溫有關(guān)。隨著生育期進程氣溫升高和降水增加，從而減弱了壟作覆膜和旋耕提溫保水的優(yōu)勢。

表3 休閑期處理對葉綠素熒光參數(shù)(Fv/Fm)的影響

3 結(jié)論與討論

華北半濕潤半干旱區(qū)季節(jié)性降水分布不均限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，春季高蒸發(fā)、少降水，大大降低了耕作層(0～20 cm)的土壤水分，耕層以下由于沒有作物消耗水分，因此受影響比較小，水分相對比較豐富。春季耕層干旱嚴重影響玉米出苗，在無降水和灌溉的條件下玉米不能按期播種。因此保持耕層水分充足是保證華北地區(qū)按期播種，出苗全和出苗壯的關(guān)鍵。嚴昌榮等認為，春播作物生長后期處于雨季，在一般情況下，降水量基本可以滿足作物對水分的需求，農(nóng)田土壤水分還能得到一定的補充，在半濕潤偏旱區(qū)，玉米和冬小麥的耗水量雖然出現(xiàn)段性的須要土壤水分補給的情況，但整個生育期自然降水量都超過耗水量[1]。因此秋季土壤有一定的水基礎(chǔ)，說明秋季有水可保。覆膜可以最大程度地保儲夏秋盈余水分和冬春降水，減少春季無效蒸發(fā)，使播期(0,10] cm深土層水分比對照提高52.0%，0～100 cm深土壤水分提高9.3%，說明覆膜可以有效保持表層土壤水分，從而有利于全苗壯苗，解決等雨播種的問題[13-16]。

研究發(fā)現(xiàn)，覆膜對旱地玉米的生育有顯著的促進作用，從玉米播種一直延續(xù)到拔節(jié)期可以顯著提高株高、莖粗、葉面積及干物質(zhì)積累量，這為玉米的高產(chǎn)創(chuàng)造了條件。同時覆膜在一定范圍內(nèi)能提高葉綠素相對含量和葉綠素熒光參數(shù)，說明覆膜可以提高光合效率。本試驗由于對照處理和其他裸地處理出苗率較低，因此只進行了苗期試驗，覆膜對玉米中后期的影響還應進一步研究。覆膜除了有保水效應外，對土壤溫度、土壤養(yǎng)分的影響還須進一步研究。