保護性耕作對寒地黑土土壤水熱效應與玉米產(chǎn)量的影響

齊智娟 宋 芳 張忠學 劉 明 尹致皓 李 驁

(1.東北農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

玉米是我國第一大作物，是確保國家糧食安全的重要支撐[1]。東北地區(qū)是我國玉米主產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)具有降水量集中，春季干旱多風，蒸發(fā)強烈，氣溫變化幅度大的氣候特點，極易造成作物減產(chǎn)[2]。因此探索適宜寒地黑土區(qū)玉米生長的良好水熱環(huán)境，確保糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)是一項重要的研究課題。隨著黑土地保護的重要性日益凸顯，保護性耕作成為一種主要的耕作方式。研究東北寒地黑土區(qū)保護性耕作對土壤水熱效應及玉米產(chǎn)量的影響，對于科學制定寒地黑土區(qū)玉米田穩(wěn)產(chǎn)、增效的資源管理策略具有重要意義，也可為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的“東北黑土地保護性耕作計劃(2020—2025)”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)發(fā)揮重要技術支撐作用。

耕作方式主要通過對土壤不同形式和程度的擾動改變其內部通透性、土壤水分以及土壤溫度等因素進而影響作物生產(chǎn)及產(chǎn)量[3]。有研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕減少了農(nóng)機作業(yè)次數(shù)，同時將作物殘茬留在土壤表面讓其自然分解，既能減少土壤侵蝕、提高土壤保水貯水能力、增加土壤有機質，又能改善土壤結構和通氣性、有益于土壤微生物和動物活動，是實現(xiàn)黑土地保護與利用的重要技術手段[4-5]。東北黑土區(qū)屬于高緯度寒區(qū)，春季播種時地溫低，易產(chǎn)生低溫冷害[6-8]。作物的秸稈和根在土中腐爛分解后，不但能形成礦化養(yǎng)分供給作物吸收利用，而且形成的腐殖質能夠維持土壤的團粒結構，使土壤水氣協(xié)調，進而改善土壤水熱條件，降低土壤水分的無效蒸發(fā)和熱量散失，利于作物根區(qū)形成良好的水熱環(huán)境，提高光合產(chǎn)物積累[9]，有研究表明，秸稈覆蓋可以增加耕層土壤含水率9.56%～11.73%，全生育期平均降低土壤溫度1.75℃[10]。免耕秸稈還田作為秸稈資源化利用最為有效的方法，是土壤培肥地力的主要途徑[11-13]。已有的研究表明，地表覆蓋的秸稈分解速率低于翻入土壤中的秸稈，秸稈旋耕入土壤中可增大與土壤中微生物的接觸，利于加速有機質的分解[14]。長期秸稈還田可以增加土壤碳含量，減少肥料氮的投入[15]。相同水肥條件下，秸稈還田處理的水肥利用率顯著高于無秸稈還田處理，可以有效提高玉米各個時期的干物質積累量[16]，已有研究表明秸稈還田能夠增加玉米產(chǎn)量1%～8%，提高水分利用效率(WUE)8%～11%[17]，增加干物質積累11.3%，并且能夠提高11.2%干物質積累速率[18]。由此可見，目前關于黑土區(qū)保護性耕作的研究，多集中在不同秸稈還田方式對土壤理化性質及氮素吸收利用的影響上，關于不同耕作措施和秸稈還田方式對黑土玉米田土壤水熱狀況的影響鮮有報道。

本文結合東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)耕作措施發(fā)展特點，通過設置不同保護性耕作模式研究玉米不同生育期不同深度土層土壤水熱變化情況，分析秸稈還田方式對土壤水熱變化的影響，明確不同保護性耕作措施的水熱效應和玉米產(chǎn)量性狀差異，為改善寒地黑土農(nóng)田土壤水熱條件、提高作物產(chǎn)量、保障作物健康生長提供技術方法和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年4—10月在黑龍江省水利科技試驗研究中心(45°43″N，126°36″E)進行，平均海拔為137 m。該試驗地屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，降水量集中，易發(fā)生春旱。試驗站多年平均氣溫-4～5℃，無霜期130～140 d，年均降水量400～650 mm，7—9月降雨量占年降水量的70%，多年平均蒸發(fā)量796 mm。試驗區(qū)位于東北典型黑土帶，0～80 cm土層土壤均為粉壤土。試驗區(qū)0～40 cm 土層土壤基礎肥力如表1所示，試驗區(qū)初始土壤溫度及含水率如表2所示。0～100 cm土層內平均田間持水率(占干土質量)為28.57%[19]，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層土壤容重分別為1.20、1.25、1.25、1.32、1.28、1.27 g/cm3。

表1 試驗區(qū)0～40 cm土層土壤基礎肥力Tab.1 Basic fertility of 0～40 cm soil of experimental area

表2 試驗區(qū)初始土壤溫度及體積含水率Tab.2 Initial soil temperature and volumetric moisture content in experimental area

1.2 試驗設計

試驗基于玉米秸稈全量還田和免耕播種為核心的黑土地保護性耕作方式，選擇寬窄行秸稈全覆蓋還田(FM)、均勻行秸稈全覆蓋還田(LM)和秸稈旋耕全量還田(LX)3種模式，常規(guī)壟作秸稈離田(LN)為對照，試驗處理設計示意圖如圖1(圖中單位為cm)所示。寬窄行秸稈全覆蓋還田模式采取寬行、窄行隔年交替種植，玉米秸稈直接覆蓋還田，利用秸稈歸行機對播種帶的玉米秸稈進行整理歸行，實現(xiàn)“邊際休耕”。均勻行秸稈全覆蓋還田模式為原壟壟作種植，秸稈直接集中覆蓋壟溝的方式。秸稈旋耕全量還田模式在玉米收獲時，將秸稈粉碎覆蓋于地表，通過旋耕作業(yè)將粉碎后的玉米秸稈旋入表層土壤。

圖1 試驗處理設計示意圖Fig.1 Schematics of experimental treatment design

各處理參考文獻[20-22]設定，結合當?shù)赜衩追N植經(jīng)驗，施用氮肥250 kg/hm2(尿素，含N質量分數(shù)46%)，按照基肥40%，拔節(jié)期30%，灌漿期30%進行施用，P2O5和K2O作為基肥施入，施用量均為90 kg/hm2。采用全面試驗設計方法，共計4個處理，每個處理3次重復，共計12個試驗小區(qū)，隨機排列，每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)。供試玉米品種為“大龍568”，種植密度為67 500株/hm2，株距23 cm。試驗區(qū)無灌溉，玉米生育期內日氣溫與降雨量變化如圖2所示。

圖2 玉米生育期內氣溫和降雨量的日變化Fig.2 Changes of daily air temperature and rainfall during maize growth period

1.3 測定指標與方法

含水率和溫度測定：埋設ET100型土壤水熱自動監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測田間土壤體積含水率和溫度變化。監(jiān)測時期從播種前開始到收獲后結束，每1 h測定1次，數(shù)據(jù)采集儀自動記錄。測定深度為0～100 cm土層，每10 cm一組數(shù)據(jù)。

產(chǎn)量及其構成測定：收獲期取各小區(qū)中間2行進行測產(chǎn)，記錄穗數(shù)，并隨機選擇20個果穗記錄每穗行數(shù)和每行粒數(shù)，風干玉米穗部至質量恒定，進行脫粒、稱量，并折算成籽粒含水率為14%的玉米籽粒產(chǎn)量。

耗水量計算：試驗采用水量平衡法對玉米生育期耗水量(ET)進行計算，公式為

ET=ΔW+P+I+G+R+F

(1)

式中 ΔW——播種和成熟期間土壤儲水量差值，mm

P——玉米生育期內有效降雨量，mm

I——生育期灌水量，mm

G——地下水補給量，mm

R——生育期地表徑流量，mm

F——生育期根區(qū)深層滲漏量，mm

其中當降雨量大于當日參考蒸發(fā)蒸騰量的0.2倍時[23]，即為有效降水。試驗區(qū)地下水埋深較大，超過5 m，因此地下水補給量忽略不計[24]，且試驗區(qū)地勢平坦，無地表徑流產(chǎn)生。根據(jù)FAO56分冊[23]，可假定降雨或灌溉先補給根系層土壤水分至田間持水率，多余的水分即為深層滲漏損失量。

玉米水分利用效率(WUE)計算公式為

(2)

式中Y——單位面積玉米產(chǎn)量，kg/hm2

玉米氮素利用效率計算：測定地上部干物質量和植株氮含量，成熟期則分營養(yǎng)器官和籽粒兩部分測定氮含量。相關參數(shù)計算公式分別為

(3)

式中NPE——氮肥生產(chǎn)效率，kg/kg

N——施氮量，kg/hm2

(4)

式中NUE——氮素吸收效率，kg/kg

NP——植株氮素積累量，kg/hm2

(5)

式中NHI——氮素收獲指數(shù)，kg/kg

Ng——籽粒氮素積累量，kg/hm2

(6)

式中NAE——氮肥農(nóng)學利用率，kg/kg

YN——施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

Y0——不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

(7)

式中NAR——氮素表觀回收率，%

NPN——施氮區(qū)植株氮素積累量，kg/hm2

NP0——不施氮區(qū)植株氮素積累量，kg/hm2

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用OriginPro 2019繪制圖形；使用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析；圖表中不同指標間差異采用單因素方差分析，運用最小顯著差異法(Least significant difference, LSD)進行多重比較(α=0.05)；產(chǎn)量構成要素之間的關系采用Pearson相關分析法進行分析。

2 結果與分析

2.1 保護性耕作對土壤含水率的影響

不同保護性耕作方式下不同生育期土壤體積含水率變化如表3所示。隨著玉米生育期的推進，土壤體積含水率有下降的趨勢，F(xiàn)M處理、LM處理、LX處理、LN處理成熟期平均土壤體積含水率較苗期分別降低12.19%、5.10%、10.32%、14.63%，全生育期0～60 cm土層土壤平均體積含水率由大到小依次為LM處理、LX處理、FM處理、LN處理。LM處理、LX處理、FM處理分別比LN處理高63.86%、59.39%、27.28%，3種保護性耕作處理中LM處理比LX處理、FM處理高2.80%、28.74%，LX處理較FM處理高25.23%。LM處理、LX處理以及LN處理各生育期不同土層土壤體積含水率均隨土層的加深逐漸增加，LM處理、LX處理30 cm土層較10 cm土層土壤體積含水率增加23.69%～116.79%、60 cm土層較30 cm土層增加0.46%～8.88%；相應土層LN處理增加2.23%～35.99%和9.35%～32.7%。FM處理各生育期下30 cm土層土壤體積含水率最高，較10、60 cm土層高20.00%～40.74%。

表3 不同保護性耕作方式下不同生育期土壤體積含水率Tab.3 Soil water content of different growing stages in different treatments %

2.2 保護性耕作對土壤溫度的影響

不同保護性耕作方式下不同生育期土壤溫度變化如表4所示。玉米苗期較其他生育期各個土層的溫度偏低，苗期LX處理和LN處理下的平均土壤溫度比FM處理、LM處理高3.40%～10.53%。在玉米拔節(jié)期，隨氣溫的上升，土壤溫度呈上升趨勢。在玉米抽雄期和灌漿期(抽灌期)氣溫達到了整個生育期的峰值，此時10 cm土層LN處理土壤溫度最高，較保護性耕作高3.01%～7.05%，0～60 cm土層平均土壤溫度LN處理較FM處理、LM處理、LX處理分別高6.88%、7.63%、3.20%。LM處理比LX處理降低4.31%，F(xiàn)M處理比LX處理降低3.59%，F(xiàn)M處理與LM處理溫度相差較小。玉米成熟期氣溫下降，土壤溫度也相應降低，0～60 cm土層平均土壤溫度由大到小依次為LM處理、FM處理、LX處理、LN處理，F(xiàn)M處理、LM處理、LX處理較LN處理土壤溫度分別高3.18%、5.37%、2.32%，保護性耕作處理中LM處理較FM處理、LX處理溫度增加了2.12%、2.96%，而FM處理與LX處理溫度相差較小。成熟期同一處理不同深度土層的土壤溫度差在0.22%～3.91%之間，變化較小。除抽灌期LX處理60 cm土層、成熟期LX處理和LN處理30 cm土層，其余處理各個土層土壤溫度均隨土層深度的增加而降低。

表4 不同保護性耕作方式下不同生育期土壤溫度Tab.4 Soil temperature of different growing stages in different treatments ℃

2.3 保護性耕作對耕層土壤水熱動態(tài)變化的影響

如圖3所示，保護性耕作處理耕層土壤體積含水率均高于LN處理，LM處理耕層土壤體積含水率始終最高，各處理水熱動態(tài)變化趨勢基本相同。當發(fā)生降雨時，土壤含水率達到該段時期內的峰值。各處理耕層的土壤溫度呈先增后減的變化趨勢，7月中下旬達到峰值，此時LX與LN處理溫度高于FM處理和LM處理，各處理間耕層土壤溫度變化相差較小。玉米全生育期內，玉米苗期、拔節(jié)期前期和成熟期LM處理和FM處理溫度較高，拔節(jié)期后期和抽灌期LX處理與LN處理溫度較高。圖3中耕層土壤溫度隨時間的變化規(guī)律與含水率的變化趨勢相反，當土壤含水率升高時，土壤溫度有所降低。

圖3 玉米生育期內降雨量及不同保護性耕作方式下 耕層土壤含水率與溫度Fig.3 Rainfall during maize growing period and changes of soil moisture content and ground temperature in topsoil under different conservation tillage methods

2.4 保護性耕作對玉米產(chǎn)量及其構成的影響

不同保護性耕作方式下玉米產(chǎn)量及其構成如表5所示。不同保護性耕作處理的穗行數(shù)、穗粒數(shù)均大于LN處理，分別較LN處理高7.53%、3.74%～9.35%。穗粒數(shù)由大到小依次為LM處理、LX處理、FM處理，LM處理較LX處理、FM處理增加穗粒數(shù)3.95%、5.41%，LX處理比FM處理增加穗粒數(shù)1.40%，不同處理間的穗行數(shù)、穗粒數(shù)未達到顯著水平(P>0.05)。與LN處理相比，F(xiàn)M處理、LM處理、LX處理百粒質量分別增加4.09%、11.32%、4.40%，LM處理較LX處理、FM處理增加6.63%、6.95%。不同處理玉米干物質量由大到小依次為LM處理、FM處理、LX處理、LN處理，LM處理、FM處理、LX處理較LN處理分別增加5 451.7、4 151.0、2 322.3 kg/hm2，其中LM處理較FM處理、LX處理分別增加1 300.7、3 129.4 kg/hm2，F(xiàn)M處理較LX處理增加1 828.7 kg/hm2。對比不同處理的玉米產(chǎn)量，F(xiàn)M處理、LM處理、LX處理較LN處理分別增加166.3、431.0、37.7 kg/hm2，其中LM處理較FM處理、LX處理產(chǎn)量增加264.7、393.3 kg/hm2，F(xiàn)M處理較LX處理增加128.6 kg/hm2。LM處理的百粒質量、干物質量和產(chǎn)量均最高。不同保護性耕作方式下玉米產(chǎn)量的變異系數(shù)由小到大依次為LM處理、FM處理、LN處理、LX處理，LM處理變異系數(shù)最小，較FM處理、LN處理、LX處理降低3.79%、15.91%、23.48%，F(xiàn)M處理較LX處理顯著降低18.98%。通過Pearson相關性分析可以發(fā)現(xiàn)，果穗的行數(shù)與粒數(shù)在0.01水平上顯著正相關，百粒質量與干物質量在0.05水平上顯著正相關，穗行數(shù)與百粒質量、干物質量，以及產(chǎn)量與百粒質量Pearson相關系數(shù)絕對值在0.1～0.3的范圍內，為弱相關關系，穗粒數(shù)與百粒質量、干物質量，產(chǎn)量與果穗行粒數(shù)、干物質量Pearson相關系數(shù)絕對值在0.3～0.5的范圍內，為中度相關關系。

表5 不同保護性耕作方式下玉米產(chǎn)量及其構成Tab.5 Maize yield and its composition factors in different treatments

2.5 保護性耕作對水、氮利用率的影響

如表6所示，LN處理生育期耗水最多，WUE最低，保護性耕作處理較LN處理生育期內耗水量顯著減少27～42 mm，WUE顯著提高7.26%～12.90%。3種保護性耕作處理中，F(xiàn)M處理耗水量最多，WUE最低，LM處理耗水量最少，WUE最高。FM處理較LM處理耗水量增多15 mm，WUE降低5.26%，LX處理比LM處理耗水量增多8 mm，WUE降低4.87%。氮素相關指標氮肥農(nóng)學利用率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)、氮素表觀回收率均是反映氮素利用效率的重要指標[25]，保護性耕作處理較LN處理分別提高1.17%～10.53%、0.40%～3.56%、14.29%～42.86%、4.00%～12.00%、24.73%～92.58%。其中LM處理較LX處理各項指標分別高9.25%、3.15%、25.00%、7.69%、54.39%。

表6 不同保護性耕作方式下玉米水分利用效率、氮素利用率Tab.6 Water use efficiency and nitrogen use efficiency of maize in different treatments

3 討論

保護性耕作技術是黑土地保護利用的一種重要技術措施，該項技術措施能夠有效提高土壤蓄水抗旱保墑能力，從多角度出發(fā)改善農(nóng)田土壤環(huán)境[26]，而土壤水熱狀況又是影響作物生長的重要因素[27]，因此探明保護性耕作對東北寒地黑土區(qū)土壤水熱狀況和玉米產(chǎn)量的影響尤為重要。

在本研究中，玉米全生育期內，保護性耕作處理0～60 cm土層平均土壤體積含水率較LN處理增加27.28%～63.86%，與LN處理相比，F(xiàn)M處理和LM處理表層覆蓋的秸稈減少了太陽對地面的直接輻射，有效地阻擋了土壤水分蒸發(fā)[28]；LX處理旋耕在土壤中的秸稈在腐解的過程中會吸收并保持水分，同時，秸稈還田能夠降低玉米棵間蒸發(fā)量[29]。保護性耕作處理0～60 cm土層平均土壤體積含水率由大到小依次為LM處理、LX處理、FM處理。與FM處理相比較，LM處理、LX處理起壟種植，降水較多時壟溝可以蓄積雨水，壟溝間易于形成土壤水勢差，有利于調控土壤水分互滲、保蓄土壤水分。LM處理含水率較LX處理高，原因為LM處理表層覆蓋的秸稈阻礙了土壤與大氣之間的水熱交換，減少了土壤水分流失，而LX處理表層覆蓋物較少，抑制土壤水分蒸發(fā)的效果不如LM處理好[30]。成熟期FM處理、LM處理10 cm土層土壤體積含水率較LX處理、LN處理高26.73%～45.22%，這是因為進入成熟期后氣溫下降，降水較多，有秸稈覆蓋的處理在植株耗水量幾乎不發(fā)生變化的同時地表殘余的秸稈降低了地表蒸發(fā)量，因此土壤含水率較高，LX處理與LN處理地表裸露無遮擋物，阻擋地表蒸發(fā)的效果不如秸稈覆蓋的效果好，因此含水率偏低，馬永財?shù)萚31]在探究秸稈覆蓋還田及腐解率對土壤溫濕度與玉米產(chǎn)量的影響試驗中得到了相同的結論。此外，保護性耕作處理全生育期內10、30 cm土層土壤體積含水率均顯著高于LN處理，0～30 cm平均體積含水率比LN處理高45.05%～62.78%，這是因為FM處理、LM處理、LX處理受到了秸稈的影響，秸稈削弱了土壤與大氣之間的水熱交換作用，減少了水分蒸發(fā)，而LN處理水分流失嚴重致使土壤含水率較低[32]。王鈞等[33]在研究中發(fā)現(xiàn)保護性耕作措施對0～30 cm土壤含水率的影響最為顯著，這與本研究結果一致。陳昊等[34]在分析不同秸稈還田方式對土壤理化性質的影響時發(fā)現(xiàn)，在相同的處理下土壤含水率隨著土層深度的增加而增加，這與本試驗中FM處理得到的結果不同，這可能是因為FM處理上層水分蒸發(fā)消耗較多，導致土壤下層水分不斷向上層補給以供作物吸收利用[35]，導致該處理深層土壤的含水率較低。綜上，保護性耕作方式尤其以均勻行秸稈全覆蓋還田能夠更好地保持土壤水分，尤其是能夠顯著增加0～30 cm土層土壤水分含量。

土壤溫度主要受太陽輻射、生物熱量和地球內熱的影響，與太陽輻射相比生物熱量和地球內熱對土壤溫度的影響較小[33]，因此本試驗土壤溫度主要考慮源自太陽輻射的影響。苗期FM處理和LM處理0～60 cm土層平均土壤溫度低于LX處理和LN處理3.29%～10.53%，這是由于苗期氣溫低，F(xiàn)M處理與LM處理地表覆蓋的秸稈阻擋了太陽輻射，使得土壤與大氣之間的熱量傳遞受到阻礙，而LN處理地表裸露，LX處理表層覆蓋物較少，熱量傳遞受到的阻礙較小，土壤升溫較快[36]。隨生育期的推進，氣溫升高，土壤溫度也有所提升，到抽灌期，0～60 cm土層平均土壤溫度LN處理較保護性耕作高3.20%～7.63%，直到成熟期LN處理土壤溫度逐漸降低，這可能是土壤溫度是太陽輻射、大氣溫度與土壤熱學性質相互作用的結果，抽灌期玉米已封冠太陽輻射無法直達地面，因此由太陽輻射引起的土壤溫度變化各處理幾乎相同，但是該時期降雨較多，受秸稈的影響抽灌期保護性耕作處理0～60 cm土層土壤平均體積含水率較LN處理高24.98%～61.41%，含水率升高、氣溫升高、棵間蒸發(fā)強度增大等因素導致土壤熱學性質發(fā)生變化，從而引起保護性耕作處理的土壤溫度降低[37]。本研究中，當氣溫升高時保護性耕作處理土壤溫度較LN處理顯著降低，當成熟期氣溫降低時，保護性耕作處理土壤溫度有了明顯的升高，王順霞等[38]在針對不同覆蓋處理對旱地玉米田土壤環(huán)境、玉米產(chǎn)量構成因素影響的分析中也發(fā)現(xiàn)了相同現(xiàn)象，這表明當氣溫上升至極點時保護性耕作可以起到降溫的作用，而氣溫下降時，保護性耕作對于保持土壤溫度能夠起到一定的作用。在本研究中以LM處理的增降溫效果最佳。土壤溫度受太陽輻射的影響表層溫度最高，熱量由表層土壤向深層土壤傳遞，傳遞的過程中溫度遞減，進入抽灌期氣溫上升到極點以后開始下降，LX處理和LN處理地表無覆蓋層，土壤表層向空氣中散失的熱量遠大于來自太陽輻射吸收的熱量，因此LX處理與LN處理在抽灌期開始出現(xiàn)為表層土壤溫度低于深層土壤溫度[37]，而FM處理、LM處理表層的秸稈覆蓋層阻擋了熱量的散失。有研究發(fā)現(xiàn)，當土壤溫度過高時將會降低玉米根系的活性，影響玉米植株正常的生理活動以及對營養(yǎng)物質的吸收代謝，從而影響產(chǎn)量[39]，因此采用適宜的保護性耕作方式，改善作物生育期內土壤水熱環(huán)境對促進作物生長具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，保護性耕作能夠提高玉米產(chǎn)量[40-41]，并以變異系數(shù)來反映玉米產(chǎn)量的年際穩(wěn)定性，即變異系數(shù)越小產(chǎn)量年際變化越平穩(wěn)[42]。在本研究中，保護性耕作處理較LN處理每公頃增加產(chǎn)量0.30%～3.40%，其中LM處理產(chǎn)量最高，LX處理產(chǎn)量最低，Pearson相關性分析中產(chǎn)量與干物質量相關系數(shù)為0.452，為中度相關關系，保護性耕作處理較LN處理增加了9.31%～21.85%干物質量。這是因為秸稈還田改善了土壤的水熱狀況，有利于玉米的生長，秸稈后期的增溫效應有效延緩了植株根系衰老，延長了玉米植株對水分、養(yǎng)分的吸收利用，促進了干物質積累和產(chǎn)量的形成[43]。LM處理變異系數(shù)最小，產(chǎn)量年際變化最為平穩(wěn)，LX處理變異系數(shù)最大，產(chǎn)量年際變化最為波動，這可能是因為LX處理土壤里的秸稈增大了玉米出苗時的阻力，使產(chǎn)量變化較大，進而增大了變異系數(shù)[44]。綜上，保護性耕作能夠增加玉米產(chǎn)量，維持玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定性，促進玉米干物質的積累，本研究中以均勻行秸稈全覆蓋還田增量最多。

另有研究指出，秸稈還田能夠提高水分利用效率，這是因為未腐解的殘余秸稈能夠吸收土壤中多余的水分，增加了土壤的貯水量[45]，關小康等[46]指出，提高作物水分利用效率的關鍵在于采取合適的措施增加產(chǎn)量，降低耗水量。在本研究中，保護性耕作處理WUE均高于LN處理，這是因為秸稈還田可以有效保持土壤水分，降低無效耗水，從而提高WUE[47]。提高氮肥的利用率能夠有效減少氮肥的損失、提高產(chǎn)量并且減輕環(huán)境污染[48]，本研究中，保護性耕作處理下氮肥農(nóng)學利用率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)、氮素表觀回收率均高于LN處理，其中LM處理各項氮素利用率均最高，除氮素收獲指數(shù)外，F(xiàn)M處理其余各項指標均高于LX處理。這表明保護性耕作能夠有效促進植株氮素與籽粒氮素積累，秸稈覆蓋還田較旋耕還田更能提高植株對氮素的吸收利用，該結果與已有研究結果一致[49]。綜上，保護性耕作能夠提高水分利用效率，并促進植株、籽粒對氮素的吸收利用，以秸稈覆蓋還田效果最佳。

4 結束語

基于大田試驗，以常規(guī)耕作秸稈離田作為對照，探究了FM處理、LM處理、LX處理3種保護性耕作方式對東北寒地黑土區(qū)土壤水熱狀況和玉米產(chǎn)量的影響。結果表明：保護性耕作方式可以顯著改善玉米生育期內土壤水熱狀況，優(yōu)化玉米生長過程中土壤水熱環(huán)境，具有良好的蓄水保墑、調節(jié)土壤溫度的作用。保護性耕作方式增加了玉米生育期內0～60 cm土層的土壤水分，其中0～30 cm土層土壤水分增加效果最為明顯，同時也顯著提高了玉米水分利用效率與植株對氮的吸收利用。保護性耕作方式的保溫效應促進了玉米干物質與產(chǎn)量的積累。3種保護性耕作方式中以均勻行秸稈全覆蓋還田方式在改善玉米關鍵期土壤水熱環(huán)境、促進玉米生殖生長和提高玉米產(chǎn)量方面效果最為顯著，本試驗可為東北寒地黑土區(qū)玉米種植過程中保護性耕作方式的選取提供參考。