不同覆蓋方式對土壤水肥熱狀況以及玉米產(chǎn)量影響

梅四衛(wèi)，朱涵珍，王 術(shù)，楊習(xí)文

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866；2.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，鄭州 451450；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，鄭州 450003）

0 引 言

【研究意義】當(dāng)前耕地水土流失、水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化已成為制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要原因。與此同時(shí)，由于自然災(zāi)害和人類的不合理耕作，對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的破壞也日益嚴(yán)重。保護(hù)性耕作是世界上應(yīng)用最廣泛、最有效的農(nóng)業(yè)技術(shù)之一，越來越受到世界各國的關(guān)注[1]。

【研究進(jìn)展】保護(hù)性耕作的目的是減少水土流失，保護(hù)土壤，包括免耕技術(shù)、秸稈覆蓋技術(shù)、覆膜技術(shù)等[2-4]。覆蓋技術(shù)不僅能提高水分利用效率，調(diào)節(jié)土壤溫度，起到保水調(diào)溫的作用；而且能夠改善土壤物理性狀、抑制雜草、減弱土壤鹽堿化程度和改善土壤微生物環(huán)境等作用，并且能夠減少水土流失為作物生長提供適宜的水、肥和熱等條件，從而提高作物產(chǎn)量。覆蓋技術(shù)作為一種強(qiáng)化土壤有機(jī)質(zhì)積累、調(diào)節(jié)土壤溫度和水分的農(nóng)藝措施已被廣泛應(yīng)用，尤其在玉米增產(chǎn)方面取得好的效果[5]。王平等[6]分析了玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應(yīng)，結(jié)果表明地膜能改善農(nóng)田的生長環(huán)境，并且在農(nóng)作物增產(chǎn)等方面已取得實(shí)效。玉米是僅次于水稻的第二大糧食作物，主要分布于東北、華北等地區(qū)，在農(nóng)作物種植、糧食加工與醫(yī)藥等領(lǐng)域均有所涉及，玉米消費(fèi)總量在全球中的比例在20%左右。玉米的產(chǎn)量在一定程度上受到農(nóng)田覆蓋的影響，農(nóng)田覆蓋受到太陽光能的影響，土壤中的水分、溫度等會間接地對土壤秸稈活性、養(yǎng)分物質(zhì)等產(chǎn)生影響。地膜覆蓋起源于20世紀(jì)80年代，其能對農(nóng)田的生長環(huán)境進(jìn)行改善，使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)得到提升，且能夠顯著提高土壤水分[7]。然而聚乙烯材料作為地膜的主要成分很難被分解，作物收獲后會大量殘留在農(nóng)田中，長時(shí)間必然會對農(nóng)業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生不利影響[8]。

【切入點(diǎn)】秸稈覆蓋能夠?qū)ν寥罍囟?、水分進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，使土壤有機(jī)質(zhì)積累得到強(qiáng)化，且有數(shù)據(jù)表明能夠增加玉米產(chǎn)量，在農(nóng)作物的種植領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[9-10]。秸稈覆蓋相較于地膜覆蓋，其突出優(yōu)勢為環(huán)保、無污染。目前關(guān)于地膜覆蓋與秸稈覆蓋對土壤水熱肥及玉米產(chǎn)量影響的對比研究還比較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文選取玉米作為研究對象，設(shè)置地膜覆蓋、玉米秸稈覆蓋與不覆蓋，以不覆蓋作為對照（CK），對各覆蓋方式下土壤含水率、養(yǎng)分、溫度狀況以及玉米產(chǎn)量進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于河南省安陽市安陽縣，東經(jīng)114°12'，北緯36°19'，年平均氣溫13.6 ℃，年降水量650 mm，無霜期200 d。全年可照時(shí)間為4 431.8～4 432.3 h，全年平均日照百分率為55%，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，0～100 cm土壤平均密度1.45 g/cm3，田間持水率20.53%，灌溉水源為黃河水，平均礦化度為0.6～0.8 g/L。試驗(yàn)基地主要以草甸土為主，土壤中的有機(jī)質(zhì)與腐殖質(zhì)層均比較充足，且其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)也較高，土壤體積質(zhì)量為1.38 g/cm3。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置

本試驗(yàn)以不覆蓋方式為對照（CK），另外設(shè)置地膜覆蓋、秸稈覆蓋 2種處理方式，春播期采用機(jī)器進(jìn)行地膜覆蓋，地膜為PE普通農(nóng)用地膜，其寬度為70 cm。在秋澆前人工將秸稈鋪設(shè)于試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，并將約為2 cm的虛土覆蓋在上面，確保覆蓋厚度的均勻，覆蓋量為10 t/hm2。試驗(yàn)各小區(qū)面積為200 m2（20 m×10 m），設(shè)置塑料薄膜覆蓋（PFM）、秸稈覆蓋（SM）、不覆膜（CK）3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列組合。將1.5 m深塑料膜隔離埋設(shè)在各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，以確保小區(qū)間水分不受側(cè)滲影響。種植管理模式為常規(guī)栽培管理模式。

按當(dāng)?shù)赜衩壮Ｒ?guī)栽培管理模式進(jìn)行種植管理，供試玉米品種為豫奧6號，采用人工穴播，行距60 cm，株距50 cm，深度6 cm，播種時(shí)施足底肥450 kg/hm2（磷酸二銨、尿素），灌第1水時(shí)為2018年6月11日，施尿素450 kg/hm2，灌第2水時(shí)為2018年7月24日，施尿素300 kg/hm2，第3次灌水為2018年9月7日，灌溉方式為滴灌，每次灌水量均為30 mm，其他田間措施與當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

每隔7 d在玉米行間進(jìn)行取土，每20 cm為0~1層至100 cm深度，采用烘干稱質(zhì)量法測定土壤含水率，每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)。分別于玉米播種期和收獲后取表層0～20 cm土壤測定其養(yǎng)分指標(biāo)，主要為有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、速效鉀、有效磷。于處理小區(qū)內(nèi)埋設(shè)直角地溫計(jì)，埋深分別為5、10、15、20、25 cm，每個(gè)生育期連續(xù)3 d自08:00至20:00每隔2 h讀取1次。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的10株測定其生產(chǎn)性狀指標(biāo)和產(chǎn)量。

1.2.3 水分利用效率計(jì)算

本試驗(yàn)地勢平坦，地下水位較低，降水入滲深度不深，地下水通過毛管作用上移補(bǔ)給作物水量、地表徑流量和補(bǔ)給地下水量可忽略不計(jì)，玉米水分利用效率（WUE）計(jì)算式[11]為：

式中：Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）；ET為玉米生育期總耗水量；I為生育期內(nèi)灌水量；ΔW為玉米生育期內(nèi)0～100 cm土壤貯水量變化；P為玉米生育期有效降雨量，生育期內(nèi)試驗(yàn)地月份降水量如表1所示。

表1 玉米生育期內(nèi)試驗(yàn)地降水量Table 1 The monthly mean rainfall during growth phase of maize in the experimental field

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對土壤水分的影響

不同覆蓋方式下土壤水分如圖1所示。

圖1 不同覆蓋方式下土壤含水率變化Fig.1 The changes of soil moisture content with different covering methods

由圖1可知，全生育期內(nèi)地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下各土層含水率相當(dāng)，均顯著高于不覆膜處理，且以0～60 cm差異更為明顯，這主要是由于雨湖區(qū)地下水埋深較淺，下層80～100 cm土壤受地下水補(bǔ)給作用較強(qiáng)，該土層含水率差異較小。玉米苗期耗水強(qiáng)度低，在土壤蒸發(fā)作用下，不覆蓋處理0～60 cm土壤平均含水率要分別較地膜覆蓋和秸稈覆蓋低7.52%和6.25%，差異顯著。玉米生育中期階段植株?duì)I養(yǎng)和生殖生長旺盛，而該時(shí)段內(nèi)灌區(qū)干旱少雨，因此良好的土壤水分條件成為保證玉米正常生長和高產(chǎn)的決定性因素。該生育階段內(nèi)地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下0～100 cm土壤含水率平均相差0.06%～1.60%，差異不顯著，但均明顯高于不覆蓋處理，且0～60 cm差異顯著，平均較不覆蓋處理高12.77%、13.87%、13.33%和 13.94%、14.19%、16.33%，說明此階段秸稈覆蓋條件下土壤保墑效果與地膜覆蓋相當(dāng)，且顯著優(yōu)于不覆蓋處理。玉米成熟期，由于不灌溉，各土層含水率達(dá)到了全生育期的最低值，且各處理同樣以0～60 cm土壤含水率相差更大。且此時(shí)秸稈覆蓋條件下該土層深度含水率要顯著高于地膜覆蓋和不覆蓋處理，平均高8.23%和22.41%，說明秸稈覆蓋有利于土壤水分的儲蓄和持續(xù)利用。

2.2 不同覆蓋方式對土壤養(yǎng)分的影響

在玉米播種期，3種覆蓋方式具有相同的土壤養(yǎng)分指標(biāo)，表2為不同覆蓋方式下玉米收獲期0～20 cm土層土壤養(yǎng)分指標(biāo)。由表2可知，秸稈覆蓋的有機(jī)質(zhì)量、水解氮、速效鉀和有效磷量最高，與不覆蓋和地膜覆蓋，差異顯著。3種覆蓋方法的全氮量差異不明顯，速效鉀與有效磷量相比不覆蓋時(shí)分別增加了15.11%、85.13%，說明秸稈覆蓋對土壤中速效鉀和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升效果更好。

表2 不同覆蓋方法下土壤養(yǎng)分指標(biāo) g/kgTable 2 Soil nutrientindexes with different covering methods

2.3 不同覆蓋方式對土壤溫度的影響

表3為玉米生長期各覆蓋方式下0～25 cm土層的土壤溫度變化。從表3可以看出，玉米的整個(gè)生長期內(nèi)，不覆蓋處理的土壤溫度始終低于地膜覆蓋處理的。在玉米的苗期與拔節(jié)期中，地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理間的土壤溫度差異不顯著，但均比不覆蓋處理高，秸稈覆蓋分別比不覆蓋處理高 4.1 ℃和2.1 ℃，這表明在玉米生長前期，秸稈覆蓋能夠有效提高土壤溫度，為玉米的前期生長創(chuàng)造了有利條件。在玉米生長期內(nèi)，秸稈覆蓋處理土壤溫度平均比地膜覆蓋的低1.2～4.5 ℃，比不覆蓋的低0.8～1.8 ℃，且秸稈覆蓋與其他 2種覆蓋方式之間具有顯著性差異。而玉米進(jìn)入成熟期后，秸稈覆蓋條件下的土壤溫度均顯著比其他2種覆蓋方式高。

表3 3種覆蓋方式下各生育期土壤溫度變化Table 3 The soil temperatures during growth of corn with three covering ways ℃

2.4 不同覆蓋方式對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

從表4可以看出，秸稈覆蓋處理的玉米產(chǎn)量最大，其次是地膜覆蓋處理，而不覆蓋處理最小。秸稈與地膜覆蓋處理間玉米產(chǎn)量差異并不明顯，但均比不覆蓋處理高，且差異顯著。地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理產(chǎn)量分別比CK高 24.11%、24.32%，具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，這是由于地表覆蓋后更好地調(diào)節(jié)了土壤的水肥熱條件，從而為玉米的生產(chǎn)與產(chǎn)量形成創(chuàng)造了有利條件。比較地膜覆蓋與秸稈覆蓋的產(chǎn)量可以發(fā)現(xiàn)，后者的玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量顯著高于前者0.41%，這說明相較于地膜覆蓋處理方法，秸稈覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)也比較顯著。

表4 不同覆蓋方法下玉米產(chǎn)量指標(biāo)Table 4 Yield index of corn with different covering methods

表5 3種覆蓋方法玉米水分利用效率Table 5 The WUE of corn with three covering ways

由表4可知，玉米各產(chǎn)量指標(biāo)均表現(xiàn)為秸稈覆蓋＞地膜覆蓋＞不覆蓋處理，且地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理之間各指標(biāo)差異不顯著（P＞0.05），但均顯著高于不覆蓋處理。地膜覆蓋和秸稈覆蓋分別較不覆蓋處理高24.02%和24.90%，增產(chǎn)效應(yīng)明顯，這主要是由于地表覆蓋后更好地調(diào)節(jié)了土壤的水肥熱條件，從而更有利于玉米的生長和產(chǎn)量的形成。秸稈覆蓋條件下玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量平均較地膜覆蓋高0.37%，略優(yōu)于地膜覆蓋處理。由表5可知，地膜和秸稈覆蓋方式下玉米水分利用效率相當(dāng)，無顯著差異，但均顯著高于不覆蓋處理，分別提高了23.25%和23.06%

3 討 論

研究得出，秸稈覆蓋和地膜覆蓋都能調(diào)節(jié)土壤溫度和水分，減少土壤養(yǎng)分流失，增加玉米產(chǎn)量，與王平[6]等研究秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量和土壤水熱肥的影響結(jié)果相似。在玉米的生長前、中期，秸稈覆蓋與地膜覆蓋處理下土壤水分狀況之間的差異并不顯著，表明秸稈與地膜覆蓋的保墑效果均比較好，均優(yōu)于不覆蓋處理，0～60 cm差異更明顯。玉米進(jìn)入成熟期后，0～60 cm土壤層含水率最大與最小的為秸稈覆蓋、不覆蓋處理，表明秸稈覆蓋為土壤水分的貯存與不斷利用創(chuàng)造了有利條件。

秸稈覆蓋能夠使土壤中的養(yǎng)分指標(biāo)得到提高，玉米進(jìn)入收獲期后，秸稈覆蓋淺層土壤養(yǎng)分顯著高于其他2種覆蓋條件，這可能是由于秸稈腐爛后分解，釋放出的有機(jī)和無機(jī)養(yǎng)分進(jìn)入土壤中。相較于不覆蓋條件，秸稈覆蓋能夠有效提高土壤中的速效鉀和有效磷量，研究表明，玉米生長過程中需要大量的鉀，尤其是生長后期的鉀需求量，因此，若土壤中有充足的速效鉀供應(yīng)將有利于玉米的生長，延緩根系和植株的衰老，從而提高產(chǎn)量。針對土壤溫度，秸稈能夠?qū)庹招纬傻墓饽苓M(jìn)行吸收，高溫時(shí)借助熱傳導(dǎo)作用能夠使溫度降低，而外界溫度較低時(shí)其又能使增溫效應(yīng)得以發(fā)揮，在此土壤溫度下，玉米能夠得到更好的生長。秸稈覆蓋的玉米產(chǎn)量高于地膜覆蓋的玉米產(chǎn)量，但差異并不顯著。在灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水日益減少的現(xiàn)狀下，要想實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)定高產(chǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)水分的高效利用[12-13]。與不覆蓋處理方法相比，地膜覆蓋和秸稈覆蓋的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率分別提高 24.02%、24.90%；23.25%、23.06%，具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)與水分利用效率，這主要是由于覆蓋較大程度上抑制了土壤水分的無效耗散，從而有效提高了玉米的水分利用效率[14-15]。

4 結(jié) 論

與不覆蓋和地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋對生長期玉米具有較好的保墑效果，成熟期秸稈覆蓋后的土壤含水率最高，有利于土壤水分的貯存和利用。秸稈覆蓋后淺層土壤層養(yǎng)分顯著高于其他2種覆蓋條件，能夠有效提高土壤中的速效鉀和有效磷量，有利于玉米的生長，延緩根系和植株的衰老，從而提高產(chǎn)量。秸稈覆蓋能夠在高溫時(shí)降低土壤溫度，低溫時(shí)增加土壤溫度，維持土壤在適宜溫度以利于玉米生長。秸稈覆蓋后的玉米產(chǎn)量相比地膜覆蓋并不顯著，但秸稈覆蓋能夠提高玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率。