秋覆膜對(duì)遼西春玉米水肥利用效率和產(chǎn)量的影響

張 哲，張 旭，馮良山，張燕卿，劉恩科，孫占祥

秋覆膜對(duì)遼西春玉米水肥利用效率和產(chǎn)量的影響

張 哲1,2，張 旭3，馮良山1,2，張燕卿4，劉恩科4，孫占祥1,2※

（1.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)水工程技術(shù)中心，沈陽(yáng) 110161； 2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，阜新，123100； 3. 阜新市氣象局，阜新 123000；4. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

為了探明旱地秋覆膜對(duì)春玉米水分和氮肥利用效率的影響，2013—2015年在國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站設(shè)置了秋覆膜（秋季收獲后開始覆膜，AM）、春覆膜（傳統(tǒng)生育期覆膜，SM）和不覆膜（NM）3個(gè)處理，利用田間觀測(cè)結(jié)合15N同位素示蹤的方法，分析秋覆膜栽培春玉米的水分與氮肥利用特征。結(jié)果表明，在連續(xù)2個(gè)較干旱的年份，AM促進(jìn)了玉米干物質(zhì)積累，2 a的玉米籽粒產(chǎn)量分別較SM提高了19%和11%，較NM提高了14%和75%，但玉米生物產(chǎn)量與SM無(wú)顯著差異（>0.05）；AM在休閑期減少了水分消耗，在播種期土體蓄水量較SM和NM平均多35 mm，并在玉米生育期耗水量較SM和NM多，主要體現(xiàn)在玉米的抽雄期和灌漿期作物耗水量的顯著增加（<0.05）；在2014年，3個(gè)處理的玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量水分利用效率無(wú)顯著差異（>0.05）；在2015年，AM與SM的玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量水分利用效率無(wú)顯著差異（>0.05），但均顯著高于NM（<0.05），較NM平均提高了60%和65%；AM減少了氮肥損失，同時(shí)也較SM減少了土壤中氮肥的殘留，顯著提高了當(dāng)季和翌年氮肥利用效率（<0.05），2 a累計(jì)氮肥利用效率達(dá)到了50.5%，高于SM和NM，但AM在當(dāng)季0～100 cm土層中殘留的肥料氮顯著高于NM（<0.05）。綜合分析認(rèn)為，在較干旱的年型下，旱地秋覆膜是遼寧西部半干旱區(qū)提高春玉米產(chǎn)量和水肥利用效率的一項(xiàng)有效技術(shù)措施，如進(jìn)行氮肥優(yōu)化施用，可進(jìn)一步提升該技術(shù)在區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的應(yīng)用價(jià)值。

水分；肥；干旱；秋覆膜；春玉米；耗水量

0 引 言

東北地區(qū)是中國(guó)最典型的春玉米一年一熟種植區(qū)，春玉米播種面積占全國(guó)玉米總播種面積30%以上，產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量29%以上[1]。遼寧省是中國(guó) 13個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，春玉米種植面積每年穩(wěn)定在2×106hm2以上，其中遼西北地區(qū)占2/3以上，產(chǎn)量占遼寧省75%以上，因此，該區(qū)域的玉米生產(chǎn)對(duì)遼寧省的糧食安全至關(guān)重要。但是，在該區(qū)域，低溫和旱災(zāi)頻繁嚴(yán)重限制了玉米的生產(chǎn)[2]，玉米平均單產(chǎn)僅為6 000 kg/hm2，遠(yuǎn)低于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家9 000 kg/hm2的平均單產(chǎn)水平[3]。

地膜覆蓋技術(shù)自1978年引入中國(guó)以來(lái)，由于其保墑增溫特性被廣泛的應(yīng)用于中國(guó)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[4]。研究顯示，在半干旱區(qū)利用地膜覆蓋栽培玉米，由于減少土壤水分蒸發(fā)損失，促進(jìn)作物蒸騰[5]，提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率[6]。同時(shí)，由于地膜覆蓋改變的水溫條件，也促進(jìn)有機(jī)氮的礦化，同時(shí)也刺激了土壤中更多的同化作用[7]，增加了氮肥利用效率和降低了系統(tǒng)氮損失的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。

而在遼西北地區(qū)傳統(tǒng)的旱地覆膜多在作物生育期，雖然覆膜在一定程度上可以減少春季因蒸發(fā)造成的土壤水分損失，但是年際間和季節(jié)內(nèi)的降水分布不均，以及每年平均約900～1 200 mm的蒸發(fā)量仍然經(jīng)常導(dǎo)致旱災(zāi)頻發(fā)[2]和覆膜無(wú)水可保的現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響了該區(qū)域玉米生產(chǎn)[10-11]。同時(shí)，在作物收獲后，由于地膜覆蓋在土壤表層聚集的過(guò)多硝態(tài)氮[12-15]，在地膜被移除后也可能具有更高揮發(fā)或淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。因此，探尋一種合理的地膜覆蓋方式，提高本區(qū)域水氮利用效率，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效措施。

旱地秋覆膜技術(shù)是北方旱作區(qū)重要的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，其核心是針對(duì)春季播種時(shí)期旱災(zāi)頻發(fā)、年際和年內(nèi)降雨量分布不均的氣候特點(diǎn)，在秋季作物收獲后進(jìn)行整地和覆膜處理，以“秋雨春用、春墑秋?！睘槟繕?biāo)，通過(guò)減少秋、冬、春3季作物休閑期農(nóng)田土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)旱作農(nóng)田水資源的跨季節(jié)調(diào)控[16]。研究顯示，旱地秋覆膜可以保墑蓄水，顯著提高播前土體蓄水量，增加葉面積指數(shù)，提高生物產(chǎn)量以及水分生產(chǎn)效率[17-21]。但是對(duì)于中國(guó)東北半干旱區(qū)旱地秋覆膜條件下水氮利用的研究并不夠深入，特別是在該區(qū)域農(nóng)民為了追求高產(chǎn)，過(guò)多的肥料應(yīng)用導(dǎo)致面源污染的背景條件下，秋覆膜栽培玉米的氮肥利用、殘留和損失狀況如何尚不明確。為此，本文通過(guò)對(duì)比分析秋覆膜、春覆膜和不覆膜，研究旱地秋覆膜土壤水分和氮肥利用狀況，以期為該區(qū)域覆蓋栽培和合理施肥提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省西北部阜新蒙古族自治縣，屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，是中國(guó)典型半干旱區(qū)。年平均溫度為7～8 ℃，10 ℃以上積溫為2 900～3 400 ℃·d，無(wú)霜期為135～165 d。該區(qū)域種植制度為一年一熟制，年降水量300～500 mm。降水變率較大，旱災(zāi)頻繁，“十年九旱”是該區(qū)域基本氣候特征[3]。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)和供試材料

試驗(yàn)地點(diǎn)在國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境阜新觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站（42°11′E，121°70′N，海拔213 m），地處阜新蒙古族自治縣阜新鎮(zhèn)。試驗(yàn)田地勢(shì)平坦，土質(zhì)均勻。土壤為石灰性褐土（60.6%砂粒、20.5%粉粒、18.9%黏粒），耕層（0～20 cm）土壤基本理化性狀為：土壤容重1.35 g/cm3，有機(jī)質(zhì)15.36 g/kg，全氮0.90 g/kg，全磷0.76 g/kg，全鉀為28.46 g/kg，速效氮101.12 mg/kg，速效磷106.13 mg/kg，速效鉀為105.47 mg/kg。本研究于2013年秋季至2015年秋季開展，利用WS-STD1自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)溫度和降水量（圖1），在2013－2014年和2014－2015年，休閑期總降水量分別為79.9和75.2 mm；2014年和2015年生育期降水量分別為310和249 mm，降水量均低于歷史平均水平。

供試玉米品種為鄭單958；供試地膜為阜新市塑料二廠生產(chǎn)的透明聚乙烯（Polyethylene）地膜，厚度0.008 mm，寬度為1 m。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間小區(qū)試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共設(shè)3個(gè)處理，分別為：Ⅰ秋覆膜（AM）；Ⅱ春覆膜（SM）；Ⅲ不覆膜（NM），每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積50 m2（5 m×10 m），小區(qū)之間設(shè)1 m寬作業(yè)道。各處理氮、磷、鉀肥施用量一致，按照氮肥240 kg/hm2（以N計(jì)）、磷肥150 kg/hm2（以P2O5計(jì)）、鉀肥75 kg/hm2（以K2O計(jì)）的標(biāo)準(zhǔn)溝施（本地區(qū)傳統(tǒng)的肥料施用量），施肥位置為預(yù)種植玉米行間，折合成肥料每小區(qū)施用過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）6.25 kg，硫酸鉀（含K2O 51%）7.35 kg，尿素（含N 46%）2.61 kg，具體操作為：2013和2014年10月1日利用小型旋耕機(jī)滅茬統(tǒng)一整地，旋耕深度20 cm。AM處理在秋季整地后，肥料一次性施入，并在噴施乙草胺后進(jìn)行覆膜；SM處理在春季播種前，肥料一次性施入，并在噴施乙草胺后進(jìn)行覆膜；NM處理在春季播種前，肥料一次性施入，不覆膜，播種后噴施乙草胺。地膜覆蓋處理每床地膜兩側(cè)有10 cm被埋入，每小區(qū)有80%地面覆蓋，采用玉米平作種植方式為“一膜雙行”，種植密度為60 000 株/hm2，膜下玉米行距0.5 m，株距0.33 m，不覆膜處理與地膜覆蓋處理距離一致。2014和2015年的播種期分別為4月26日和4月28日；收獲期分別為9月22日和9月24日。所有處理均不進(jìn)行灌溉。

圖1 2013－2015年研究區(qū)域月降雨量與月平均溫度

每個(gè)田間小區(qū)內(nèi)設(shè)置1個(gè)15N同位素微區(qū)，每個(gè)微區(qū)長(zhǎng)×寬×高為1.2 m×0.6 m×1 m的長(zhǎng)方體土柱(土柱用加厚硬塑料圍住，與周圍土壤隔離），試驗(yàn)第1年施入15N標(biāo)記尿素（15N豐度為10.24%，由上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)），第2年施入普通尿素，其他操作與田間小區(qū)一致。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 地上干物質(zhì)積累

在玉米生長(zhǎng)苗期（2014年5月29日、2015年6月18日）、拔節(jié)期（2014年6月19日、2015年6月30日）、吐絲期（2014年7月19日、2015年7月28日）、灌漿期（2014年8月15日、2015年8月20日）和成熟期（2014年9月22日、2015年9月24日），每小區(qū)選擇生長(zhǎng)發(fā)育一致、葉片無(wú)病斑和破損的植株3株，用鐮刀取地上部分，烘箱105℃殺青60 min，85℃烘至恒定質(zhì)量稱干物質(zhì)質(zhì)量。

1.4.2 生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量

玉米成熟后，每個(gè)處理隨機(jī)取3個(gè)具有代表性的10 m2樣區(qū)測(cè)產(chǎn)，用浙江托普PM-8188-A谷物水分儀（精度為標(biāo)準(zhǔn)誤差0.5%以下）測(cè)定水分，按14%含水率折合成公頃產(chǎn)量[1]。從對(duì)應(yīng)的10 m2樣區(qū)隨機(jī)取連續(xù)植株5株，稱質(zhì)量后利用烘干法計(jì)算植株含水率，然后根據(jù)鮮質(zhì)量和5株含水率，平均值折合成公頃生物產(chǎn)量。

1.4.3 耗水量與水分利用效率

在秋季整地后、玉米播種期、拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和收獲期，利用土鉆在種植玉米2行中間（膜上或與之對(duì)應(yīng)的裸地）取土（土鉆內(nèi)徑為38 mm），取樣深度為100 cm，每10 cm 1個(gè)層次，采用烘干法測(cè)定土壤量含水率，將過(guò)篩孔的新鮮土樣稱取約20 g置于鋁盒中，在105 ℃下烘至恒質(zhì)量，然后稱其干質(zhì)量。計(jì)算土壤含水率。

土體儲(chǔ)水量，即：

=10··/100（1）

式中為0～100 cm土層的土體蓄水量，mm；為土層深度，cm；為0～100 cm土層的平均土壤容重，g/cm3；為0～100 cm土層的平均土壤含水率，%。

利用在旱作農(nóng)田水分利用研究中使用的水分平衡方法[22]計(jì)算作物耗水量（或?qū)嶋H蒸散量）。試驗(yàn)過(guò)程中未對(duì)作物進(jìn)行灌溉，同時(shí)，試驗(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)。由此，計(jì)算公式為

ET=?Δ（2）

式中ET為作物耗水量或?qū)嶋H蒸散量，mm；為統(tǒng)計(jì)時(shí)期降水量，mm；Δ為統(tǒng)計(jì)時(shí)期前后0～100 cm土層土體蓄水量變化量之差，mm。

水分利用效率[22]計(jì)算式為

WUEGY=100%×GY/ETtotal×10 （3）

WUEBY=100%×BY/ETtotal×10 （4）

式中WUEGY為籽粒（經(jīng)濟(jì)）產(chǎn)量水分利用效率，kg/(hm2·m3)；WUEBY為生物產(chǎn)量水分利用效率，kg/(hm2·m3)，ETtotal為玉米生育期總的耗水量，mm。

1.4.4 氮肥去向與氮肥利用效率

氮肥吸收：玉米收獲時(shí)，微區(qū)中的4株玉米全部收獲，將莖、葉、籽粒和穗軸分開，取45 cm×35 cm×30 cm深度的土壤根系，將根系上的土洗干凈，各器官于65 ℃烘至恒定質(zhì)量，計(jì)算干物質(zhì)。利用H2SO4-H2O2消煮法測(cè)定玉米植株各器官全氮[22]。在蒸餾滴定后，利用水浴鍋進(jìn)行加熱，使其濃縮至2～3 mL，裝入離心管，用Thermo Fisher Scientific公司氣體同位素比質(zhì)譜儀（IRMS）測(cè)定玉米各器官15N豐度。

氮肥殘留：玉米收獲時(shí)，每個(gè)微區(qū)釆集3鉆，每鉆在0～100 cm土層以10 cm為間隔采集土壤剖面土樣，將3鉆分層次混勻帶回實(shí)驗(yàn)室，釆集的土樣分別測(cè)定土壤全氮、無(wú)機(jī)氮（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮）和15N豐度。

土壤全氮的測(cè)定采用高錳酸鉀-還原性鐵修正開氏法[23]。

土壤無(wú)機(jī)氮的測(cè)定，將新鮮土樣過(guò)2 mm篩，稱取2份，每份20 g裝入250 mL的三角瓶中，分別加入2 mol/LKCl溶液100 mL，用振蕩器振蕩1 h，速度為200 r/min，在過(guò)濾浸提后，選出一份利用流動(dòng)分析儀測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。另外一份移入凱氏管加入0.4 g MgO和0.4 g戴氏合金，利用凱氏定氮儀進(jìn)行蒸餾后，用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紫紅色[23]。

全氮和無(wú)機(jī)氮蒸餾滴定后的樣品用水浴鍋加熱濃縮至2～3 mL，裝入的離心管中，用氣體同位素比質(zhì)譜儀測(cè)定15N豐度。

肥料氮的比例=（測(cè)試樣品土壤中的全氮、無(wú)機(jī)氮、玉米葉莖、穗軸、籽粒和根系15N的豐度?15N的自然豐度）/標(biāo)記肥料15N的豐度

吸收或殘留的肥料氮(kg/hm2)=含氮量(kg/hm2)×肥料氮的比例

氮肥有效率(%)[24]=100%×[吸收的肥料氮(kg/hm2)+土壤殘留肥料氮(kg/hm2)]/氮肥施用量(kg·hm-2)

肥料氮的利用效率(%)=100%×玉米地上部分肥料氮的吸收量(kg/hm2)/肥料氮施用量(kg/hm2)

土壤中標(biāo)記的肥料氮轉(zhuǎn)入有機(jī)氮庫(kù)中的量(kg/hm2)=土壤中總的標(biāo)記全氮量(kg/hm2)?土壤中標(biāo)記的肥料氮以無(wú)機(jī)氮形式存在的量(kg/hm2)

2014年標(biāo)記肥料氮損失(kg/hm2)＝肥料施入量(kg/hm2)?玉米吸收量(kg/hm2)?標(biāo)記氮素以無(wú)機(jī)氮形式存在的量(kg/hm2)?標(biāo)記氮素以有機(jī)氮形式存在的量(kg/hm2)

2015年標(biāo)記肥料氮損失(kg/hm2)＝2014年土壤中標(biāo)記氮素總殘留量(kg/hm2)?2015年玉米吸收量(kg/hm2)? 2015年標(biāo)記氮素以無(wú)機(jī)氮形式存在的量(kg/hm2)?2015年標(biāo)記氮素以有機(jī)氮形式存在的量(kg/hm2)

氮肥收獲指數(shù)＝玉米籽粒標(biāo)記氮肥吸收量(kg/hm2)/地上部植株標(biāo)記氮素吸收量(kg/hm2)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析方法

用Microsoft Excel整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并作圖，利用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用Duncan’s法，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

秋覆膜對(duì)玉米地上干物質(zhì)積累影響顯著（圖2）。2個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴?，從玉米出苗開始，AM和SM的地上干物質(zhì)量在整個(gè)生育期均高于NM，并隨著生育期的延續(xù)，AM與SM要顯著高于NM；但同時(shí)，2 a的結(jié)果也顯示，玉米在抽雄期之前（2014年為7月19日，2015年為7月28日），AM和SM的干物質(zhì)積累速率和積累量是沒有明顯差異，在抽雄期之后AM的干物質(zhì)積累量逐漸高于SM，2014和2015年分別較SM平均提高了8.7%和4.5%，這說(shuō)明AM在整個(gè)玉米的生育期促進(jìn)玉米干物質(zhì)積累的能力要強(qiáng)于SM。

注：AM為秋覆膜；SM春覆膜；NM為不覆膜。下同。

2.2 不同處理對(duì)耗水量的影響

覆膜對(duì)休閑期和玉米生育期的耗水量影響顯著（<0.05）（圖3）。

注：標(biāo)以不同字母的柱值表示處理間在0.05水平上差異顯著。

在休閑期，AM 2個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴莸暮乃烤@著低于SM和NM（<0.05），平均比SM和NM減少37 mm的水分消耗；在玉米苗期，AM和SM 2a的耗水量均顯著低于NM（<0.05），分別比NM平均減少46和49 mm，AM和SM之間差異不顯著（>0.05）；在玉米拔節(jié)期，2 a數(shù)據(jù)存在一定差異，在2014年，各處理的耗水量之間差異不顯著（>0.05），而在2015年，AM和SM要顯著高于NM（<0.05），分別較NM增加21和18 mm；在玉米抽雄期，3個(gè)處理2 a的耗水量均顯示彼此間存在顯著差異（<0.05），AM分別較SM和NM平均增加12和52 mm；在玉米灌漿期，AM 2 a的耗水量均顯著高于SM和NM（<0.05），較SM和NM平均增加17 mm，SM與NM之間差異不顯著。以上說(shuō)明AM的耗水規(guī)律是在休閑期和玉米苗期少而在玉米生育后期（抽雄期-灌漿期）顯著增加。

2.3 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量與水分利用效率的影響

秋覆膜為玉米生育期提供了更多的水分，對(duì)玉米產(chǎn)量影響顯著（<0.05）（表1）。2 a的數(shù)據(jù)均顯示，在玉米播種期，AM的土體蓄水量要顯著高于SM和NM（<0.05），較SM和NM平均提高35 mm；在玉米生育期，AM 2 a的平均耗水量為330 mm，顯著的高于SM的296 mm和NM的297 mm（<0.05），這說(shuō)明AM播種期多儲(chǔ)蓄的水分在玉米生育期被利用；AM 2 a的玉米籽粒產(chǎn)量均顯著高于SM和NM（<0.05），分別較SM平均提高19%和11%，較NM平均提高14%和75%，而AM與SM 2 a的玉米生物產(chǎn)量無(wú)顯著差異（>0.05），但顯著高于NM（<0.05），分別較NM平均提升18%和76%，這說(shuō)明AM促進(jìn)了玉米籽粒產(chǎn)量的提升；AM與SM 2 a的籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物產(chǎn)量水分利用效率均顯示2個(gè)處理間無(wú)顯著差異（>0.05），同時(shí)在2014年，與NM也無(wú)顯著性差異（>0.05），但是在更為干旱的2015年，AM與SM均顯著高于NM（<0.05），較NM的籽粒產(chǎn)量水分利用效率平均提高了60%，生物產(chǎn)量水分利用效率平均提高了65%，這一方面說(shuō)明在更為干旱的年份，覆膜可以提高水分效率，而另一方面也說(shuō)明AM的玉米生育期耗水量增加的情況下，在提高玉米產(chǎn)量的同時(shí)，仍能保持較高的水分利用效率；玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物產(chǎn)量水分利用效率年際間差異顯著，也說(shuō)明AM在干旱的年份（2014－2015年）可提高水分有效性。

2.4 不同處理對(duì)氮肥去向的影響

覆膜顯著影響了標(biāo)記肥料氮的去向（<0.05）（表2）。在2014年，玉米植株吸收標(biāo)記15N的量，AM顯著高于SM和NM（<0.05），分別較SM和NM多10%和11%，而SM和NM之間差異不顯著（>0.05）；AM和SM在土壤中殘留標(biāo)記15N的總氮量顯著高于NM（<0.05），分別較NM多62%和77%，而AM與SM之間差異不顯著（>0.05）；且AM與SM殘留標(biāo)記15N的氮素形態(tài)存在一定的差異，AM殘留標(biāo)記15N有機(jī)氮的量顯著高于SM（<0.05），殘留標(biāo)記15N無(wú)機(jī)氮的量顯著低于SM（<0.05）；AM和SM損失標(biāo)記15N的量顯著低于NM（<0.05），較NM分別減少135%和158%，AM與SM之間差異不顯著（>0.05）；這說(shuō)明AM在氮肥施入的第1年，在增加植株的吸收量同時(shí)，可以減少了氮肥的損失，并增加氮肥在土壤中殘留，同時(shí)相對(duì)于SM殘留在土壤中肥料氮素多以穩(wěn)定有機(jī)氮的形式存在。在2015年，3個(gè)處理對(duì)殘留標(biāo)記15N的吸收，彼此間存在顯著差異（<0.05），AM較SM和NM分別增加了35%和270%；SM在土壤中殘留標(biāo)記15N的全氮量顯著高于AM和NM（<0.05），分別較AM和NM多24%和80%；AM損失標(biāo)記15N的量最低，較SM減少36%；這說(shuō)明AM也促進(jìn)了玉米對(duì)于翌年肥料氮的吸收，同時(shí)相對(duì)于SM減少了肥料氮在土壤中的殘留。

表1　2013－2014年和2014－2015年各處理玉米耗水量和水分利用效率

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。同列標(biāo)以不同小寫字母的值在處理間0.05水平上差異顯著。下同。

Note: Date is mean±SE. The values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at 0.05 level. Same as below.

表2 2014年和2015年玉米收獲時(shí)不同處理15N標(biāo)記的肥料去向

2.5 不同處理對(duì)玉米氮肥利用效率的影響

秋覆膜對(duì)春玉米利用15N標(biāo)記氮肥影響顯著（<0.05）（表3）。AM和SM當(dāng)季（2014年）氮肥有效率和翌年（2015年）氮肥有效率均顯著高于NM（<0.05），而AM與SM間氮肥有效率差異不顯著（>0.05），這說(shuō)明AM和SM可以有效減少氮肥的損失；AM當(dāng)季（2014年）氮肥利用效率和翌年（2015年）氮肥利用效率均顯著高于SM和NM（<0.05），2 a氮肥累計(jì)利用效率為50.5%，顯著高于SM的42.7%和NM的33.5%，并且AM還顯著增加了籽粒的氮肥吸收量，較SM和NM分別增加了23%和61%，造成了氮肥收獲指數(shù)的提高，這說(shuō)明AM在提高氮肥的利用效率的同時(shí)，也使更多的肥料氮素被玉米籽粒吸收，提高了氮肥的有效性。

表3 2014年和2015年不同處理15N標(biāo)記肥料的氮素利用效率

3 討 論

3.1 干物質(zhì)積累與產(chǎn)量

旱地秋覆膜技術(shù)的應(yīng)用是在傳統(tǒng)作物生育期覆膜（即春覆膜）的基礎(chǔ)上增加了休閑期的覆蓋時(shí)間，減少了農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)損失，以實(shí)現(xiàn)土壤水分的周年調(diào)控，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，達(dá)到作物穩(wěn)產(chǎn)或高產(chǎn)的目的[25]。Wang等[26]研究顯示，在中國(guó)西北半干旱地區(qū)，連續(xù)使用秋覆膜，比不覆膜玉米籽粒產(chǎn)量提高了30%～107%，生物產(chǎn)量增加了37%～69%。本研究得到了相似的結(jié)論，連續(xù)2 a使用秋覆膜的處理，在整個(gè)生育期玉米的干物質(zhì)積累量均快于不覆膜，到收獲時(shí)，玉米籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均顯著高于不覆膜（<0.05），特別是在更為干旱的2015年，秋覆膜處理的玉米籽粒產(chǎn)量比不覆膜提高了75%，這說(shuō)明秋覆膜在干旱年份玉米增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯；在半干旱區(qū)，春覆膜雖然可以有效減少作物苗期土壤水分蒸發(fā)，增加土壤溫度，并促進(jìn)作物苗期生長(zhǎng)，但是年際間和季節(jié)內(nèi)的降水分布不均，以及休閑期不覆蓋造成的蒸發(fā)損失可能導(dǎo)致旱災(zāi)頻發(fā)和無(wú)水可保的現(xiàn)象，進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量[27]。張雷等[17-18]的研究結(jié)果也表明，秋覆膜的玉米產(chǎn)量高于春覆膜。本研究得到相似的結(jié)論，連續(xù)2 a秋覆膜和春覆膜在生育前期均可以顯著促進(jìn)玉米的干物質(zhì)積累，但在90 d后，秋覆膜的干物質(zhì)積累量逐漸高于春覆膜，到收獲時(shí)，秋覆膜的干物質(zhì)積累量分別較SM提高了8.7%和4.5%，而且玉米籽粒產(chǎn)量分別較SM提高了19%和11%，這說(shuō)明，在遼西北地區(qū)干旱的年份，秋覆膜相較于春覆膜可以穩(wěn)定促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高春玉米籽粒產(chǎn)量。

3.2 水分利用效率

傳統(tǒng)作物生育期覆膜相對(duì)不覆膜可以提高作物水分利用效率原因是由于減少了土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，在為作物提供了良好的水分條件的同時(shí)，促進(jìn)了作物后期蒸騰[28-29]，在總的耗水量沒有顯著差異的情況下[30-31]，提高了作物產(chǎn)量，進(jìn)而提高了作物水分利用效率。而秋覆膜由于減少了休閑期農(nóng)田土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，提高了播前土壤水分含量，為作物提供了更多的可利用水，提高了作物產(chǎn)量[16]，同時(shí)相對(duì)于不覆膜和春覆膜也增加了生育期的耗水量，因此也影響了水分利用效率。本研究中，秋覆膜2 a的玉米籽粒產(chǎn)量水分利用效率和生物產(chǎn)量水分利用效率與春覆膜無(wú)顯著差異，同時(shí)在2014年，與不覆膜也無(wú)顯著性差異，但是在更為干旱的2015年，則顯著高于不覆膜NM（<0.05），較NM的籽粒產(chǎn)量水分利用效率提高了60%，生物產(chǎn)量水分利用效率提高了65%，這也說(shuō)明在更為干旱的年份，春覆膜和秋覆膜均可以提高水分效率。而本研究還顯示，秋覆膜在休閑期和苗期可以有效減少因蒸發(fā)造成的水分消耗，在玉米生育后期顯著促進(jìn)了蒸騰耗水，春季覆膜雖然在苗期同樣減少了相同的水分消耗，但在玉米生育后期蒸騰水分消耗顯著低于秋覆膜（<0.05），影響了最后的玉米產(chǎn)量，雖然秋覆膜的作物耗水量增加，但籽粒產(chǎn)量也顯著的增加（<0.05），這也說(shuō)明秋覆膜進(jìn)一步提升了水分有效性。

3.3 氮肥高效利用

在農(nóng)田系統(tǒng)中，肥料氮的去向主要包括作物的吸收、土壤中的殘留，以及不同形式的損失[32]。地膜覆蓋對(duì)土壤環(huán)境的改變，也對(duì)氮肥去向造成了影響[33]。Liu 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，半干旱區(qū)地膜覆蓋栽培玉米，明顯增加了氮肥利用效率和降低了系統(tǒng)氮損失的風(fēng)險(xiǎn)。Liu等[33]研究表明，在當(dāng)季玉米收獲后，保持在0～170 cm土層中覆膜處理比不覆膜處理肥料氮素多了25%，而翌年覆膜處理的玉米吸收的殘留肥料氮比不覆膜處理高63%。本研究利用15N同位素示蹤技術(shù)，借鑒巨曉棠氮肥有效率的概念，即氮肥被作物吸收量和在主要根區(qū)土壤中殘留量之和占施入氮肥的百分率[24]，對(duì)比2 a年的氮肥利用情況，結(jié)果與前人研究基本一致，證實(shí)秋覆膜和春覆膜均可以提高氮肥有效率，但秋覆膜顯著提高了當(dāng)季和殘留氮肥的利用效率，同時(shí)也提高了氮肥收獲指數(shù)，這主要是由于秋覆膜良好的水溫條件促進(jìn)了玉米植株對(duì)肥料氮的吸收。但同時(shí)地膜覆蓋條件下氮肥殘留的增加是不容忽視的。解文艷等[34]研究顯示，地膜覆蓋促進(jìn)了玉米對(duì)氮素的吸收，同時(shí)也影響了硝態(tài)氮在土壤中的分布；李小剛和李鳳民[35]的報(bào)道也證實(shí)，土壤中無(wú)機(jī)氮含量由于地膜覆蓋會(huì)明顯增加。本研究中，秋覆膜肥料氮?dú)埩粢陀诖焊材?，并且?biāo)記的肥料氮在第1年被同化到有機(jī)氮庫(kù)的量要明顯多于春覆膜，其原因可能是由于秋覆膜處理水溫條件的改變，引起土壤氮庫(kù)中有機(jī)氮的礦化和肥料無(wú)機(jī)氮的同化發(fā)生置換所致[35]，但從數(shù)據(jù)上看，與目前傳統(tǒng)不覆膜一致的施肥量，肥料氮的殘留量仍然較多，而且良好的水溫條件也將加速有機(jī)氮的礦化[33]，可能造成氮素淋失和污染環(huán)境。因此，建議結(jié)合土壤供氮平衡進(jìn)一步開展研究，優(yōu)化秋覆膜條件下氮肥施用方式和施入量，以減少面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本研究開展2 a試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在遼西北地區(qū)較干旱的年型下應(yīng)用秋覆膜技術(shù)，可以有效減少休閑期土壤水分損失，使播前土體蓄水量平均增加35 mm，并將這部分水應(yīng)用到生育期被玉米吸收利用，顯著促進(jìn)了玉米干物質(zhì)積累和生育后期蒸騰耗水，最終秋覆膜的玉米籽粒產(chǎn)量分別較春覆膜平均提高了19%和11%，較不覆膜平均提高了14%和75%，提高了水分有效性；同時(shí)秋覆膜還減少了肥料氮的損失，提高了當(dāng)季和翌年肥料氮的利用效率，增加了氮肥收獲指數(shù)，2 a氮肥累計(jì)利用效率達(dá)到了50.5%，而春覆膜和不覆膜為42.7%和33.5%。本研究連續(xù)2 a均為干旱年份，在豐水年份或者平水年份是否有同樣的結(jié)論則有待進(jìn)一步研究；同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，按照目前240 kg/hm2（以N計(jì)）的氮肥施用標(biāo)準(zhǔn)，秋覆膜會(huì)導(dǎo)致氮肥殘留量過(guò)多，可能會(huì)對(duì)農(nóng)田環(huán)境造成污染。因此，建議通過(guò)連續(xù)多年定位研究，在明確不同年型條件下秋覆膜種植玉米的水氮利用規(guī)律基礎(chǔ)上，優(yōu)化氮肥施用方式和施入量，促進(jìn)秋覆膜技術(shù)的合理應(yīng)用和推廣。

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Effects of autumn mulching on water and fertilizer use efficiency and yield of spring maize in Western Liaoning Province

Zhang Zhe1,2, Zhang Xu3, Feng Liangshan1,2, Zhang Yanqing4, Liu Enke4, Sun Zhanxiang1,2※

(1.,,110161,; 2.123100,; 3.123000,; 4.,100081,)

In order to examine the effects of autumn film mulching on water and nitrogen use efficiency of spring maize in semi-arid area, a field experiment was conducted in 2013-2015 for two consecutive years in National Agricultural Experimental Station for Agricultural Environment, and three mulching patterns were set up: plastic film mulching at autumn (film mulching begins after harvest in autumn, AM), plastic film mulching at spring (conventional growing season mulching, SM), and no film mulching (NM). Combined with15N isotope tracer method, the characteristics of water and nitrogen utilization of spring corn mulched in autumn were analyzed. The precipitation during the growing period of spring maize was 310 and 249 mm in 2014 and 2015, respectively, which was lower than the historical average. During the experiments, maize was not irrigated. The aboveground dry matter of maize, biomass yield, grain yield, water consumption and water use efficiency were determined. The results showed that the AM treatment promoted maize growth. After the tasseling period, the aboveground dry matter of maize in the AM treatment was 8.7% and 4.5% higher than the treatments of SM and NM, respectively. The grain yields of AM treatment in 2014 and 2015 were 19% and 11% higher than the SM treatment and 14% and 75% higher than the NM treatment (<0.05), but there was no significant difference on biomass yield between AM and SM (>0.05) in the two consecutive years of relative drought. The AM treatment reduced the water consumption in the leisure period (<0.05), the soil water storage in the sowing period increased by 35 mm on average compared with SM and NM treatments. The water consumptions of maize during tasseling and filling periods was significantly increased (＜0.05). There were no significant difference in water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize among the three treatments in 2014 (>0.05). There was no significant difference in water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize between AM and SM in 2015(>0.05), but both were significantly higher than NM(<0.05). The AM and SM treatments averagely increased the water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize by 60% and 65% compared to NM in 2015. The AM treatment reduced the nitrogen fertilizer loss, and also reduced the nitrogen fertilizer residue in the soil compared with SM treatment, which improved the use efficiency of nitrogen fertilizer significantly in the current season and the following year (<0.05). The cumulative nitrogen fertilizer use efficiency reached 50.5% in the two years, while those of SM and NM treatments were only 42.7% and 33.5% in the two years, respectively. However, the residual fertilizer nitrogen of AM treatment in the 0-100 cm soil layer was significantly higher than that of NM treatment (<0.05). Therefore, the comprehensive analysis showed that autumn film mulching was an effective technical measure for improving the water and nitrogen fertilizer use efficiency and yield of spring maize in the semi-arid west of Liaoning province under the relatively dry years. Optimizing the application of nitrogen fertilizer can further enhance the value of this technology in regional agricultural development.

moisture; fertilizers; drought; autumn film cover; spring maize; water consumption

張哲，張旭，馮良山,等. 秋覆膜對(duì)遼西春玉米水肥利用效率和產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(15)：150-158.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019 http://www.tcsae.org

Zhang Zhe, Zhang Xu, Feng Liangshan, et al. Effects of autumn mulching on water and fertilizer use efficiency and yield of spring maize in Western Liaoning Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 150-158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019 http://www.tcsae.org

2020-03-30

2020-06-10

遼寧省科學(xué)事業(yè)公益研究基金（20180044）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41807388），遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(2019DD062010)；遼寧省興遼人才計(jì)劃（XLYC1908013、XLYC1807056）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300204）；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)科研杰出人才及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)

張哲，博士，副研究員，主要從事旱作與節(jié)水農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究。Email：chick409@126.com

孫占祥，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事旱地耕作制度理論與技術(shù)研究。Email：sunzx67@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019

S318

A

1002-6819(2020)-15-0150-09