汪順生，王康三

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

溝灌種植下秸稈覆蓋對夏玉米耗水特性及產(chǎn)量的影響

汪順生，王康三

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

為了揭示不同水分處理及覆蓋處理對夏玉米耗水及產(chǎn)量的影響機制，通過田間試驗，研究了寬壟種植下3種水分處理[土壤水分控制下限為田間持水量的60%(L-60)、70%(L-70)、80%(L-80)]和4種覆蓋處理[覆蓋率分別為50%(F1)、100%(F2)、150%(F3)以及不覆蓋處理(F0)]對夏玉米階段耗水規(guī)律及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：同一水分處理下，秸稈覆蓋增加了夏玉米的產(chǎn)量，其中F2處理增產(chǎn)效果最顯著，增產(chǎn)率可達2.68%～4.58%；出苗—拔節(jié)期覆蓋處理表現(xiàn)出明顯的保墑能力，較F0處理最高可節(jié)水8.32～9.81 mm，拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期降雨較多，適量秸稈覆蓋能增強降雨的入滲，且蓄納較多的雨水，而覆蓋過厚則阻礙降雨的入滲，使降水止于覆蓋層，最終導致大量的無效水蒸發(fā)，F(xiàn)2覆蓋處理最適宜；結(jié)合水分處理和覆蓋處理，L-70水分處理和F2覆蓋處理效果最優(yōu)，產(chǎn)量高達7 815.42 kg/hm2，耗水僅為366.09 mm，水分利用效率為2.13 kg/m3，降水利用效率為5.73 kg/m3，符合節(jié)水高產(chǎn)的宗旨。

夏玉米； 秸稈覆蓋； 產(chǎn)量； 耗水量； 水分利用效率； 降水利用效率

秸稈覆蓋是指通過人工方法在土壤表面設(shè)置一個物理隔層，阻礙土壤與大氣之間的能量交換，可以有效地防止土壤中水分和熱量的散失[1]，是當前大面積推廣的一種耕作技術(shù)。大量研究及生產(chǎn)實踐結(jié)果表明，秸稈覆蓋不僅能防止土壤水分加速蒸發(fā)，減少徑流損失，還可以增溫保濕、保護土壤表層、改善土壤物理性狀、降低土壤容重、增加孔隙度、提高水分利用率[2-3]。脫云飛等[4]進行了秸稈覆蓋對土壤水分和熱量影響的模擬研究，結(jié)果表明，土壤含水率在0～40 cm土層逐漸減少，在40～100 cm土層逐漸增大，土壤溫度在0～20 cm土層逐漸降低，秸稈覆蓋具有明顯的節(jié)水和控溫效果。卜玉山等[5]利用盆栽和大田試驗對比分析了地膜和秸稈覆蓋的土壤肥力效應(yīng)，結(jié)果表明，秸稈覆蓋不同程度地增加了土壤有機質(zhì)和速效氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，而地膜覆蓋無此作用，甚至降低了表層土壤有機質(zhì)含量，秸稈覆蓋具有增加土壤養(yǎng)分和生物活性的作用。張俊鵬等[6-7]研究了夏玉米在不同水分和覆蓋處理下的生長特性及耗水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)覆蓋可以改善作物根區(qū)土壤水熱狀況，抑制棵間土壤水分蒸發(fā)，減小低溫日變幅，促進夏玉米生長發(fā)育，提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率。秸稈覆蓋技術(shù)在我國己有較深入的研究，但還存在許多問題需進一步研究，如覆蓋研究多集中于不同覆蓋方式及材料之間的分析比較，以及覆蓋結(jié)合不同水分處理的研究[8-11]，但覆蓋結(jié)合不同種植方式的研究不多，覆蓋試驗的種植方式一般為常規(guī)的畦灌。目前，汪順生等[12-13]和高傳昌等[14]研究了不同溝灌方式下的灌水質(zhì)量、不同灌溉方式下冬小麥的耗水規(guī)律及產(chǎn)量，以及小麥寬壟壟作的產(chǎn)量及水分利用效率，結(jié)果表明，寬壟壟作溝灌的灌水效率高于常規(guī)溝灌，與傳統(tǒng)平作相比，寬壟壟作溝灌降水利用率提高11.8%～13.9%，寬壟壟作種植節(jié)水40%，增產(chǎn)效果最顯著，水分生產(chǎn)效率提高0.17～0.40 kg/m3。而寬壟麥秸覆蓋對夏玉米產(chǎn)量及水分生產(chǎn)效率的影響研究尚少，鑒于此，采用田間試驗，通過設(shè)置3種水分處理和4種麥秸覆蓋處理進行交叉對比試驗，探究寬壟種植下不同水分處理及秸稈覆蓋處理對玉米產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子、耗水規(guī)律及水分利用效率的影響，旨在為秸稈覆蓋技術(shù)的田間應(yīng)用提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況與供試材料

試驗于2013年6—10月在華北水利水電大學河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室農(nóng)水試驗場進行。地理位置為34°47′N、113°46′E，試驗田塊長度為20 m，土壤為粉砂壤土，土壤容重1.35 g/cm3，田間持水率為24%。試驗場內(nèi)設(shè)有自動氣象站，自動監(jiān)測和記錄相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。供試夏玉米品種為鄭單985。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計3種水分處理和4個覆蓋處理，共設(shè)12個處理組合。其中，水分處理設(shè)置：土壤水分控制下限分別為田間持水量的60%、70%、80%(簡記為L-60、L-70、L-80)，以各生育時期計劃濕潤層土壤水分為標準，當其下降到水分控制下限時沿著壟溝進行灌水，灌水定額為30 mm；覆蓋處理設(shè)置：覆蓋率分別為50%、100%、150%(占每個小區(qū)前茬麥秸總量的百分比)和不覆蓋處理(簡記為F1、F2、F3、F0)，夏玉米出苗后均勻覆蓋于玉米行間。

寬壟上種植2行玉米，2013年6月2日播種，2013年9月18日收獲，其中溝斷面采用梯形形式(圖1)，小區(qū)面積為1.1 m×20 m，小區(qū)間設(shè)置1.1 m的保護行(壟)，避免區(qū)間水分相互滲漏對試驗造成干擾。試驗采用隨機區(qū)組排列，重復3次。試驗過程中無遮雨措施，夏玉米整個生育期間降雨量為136.3 mm(表1)，主要集中在7、8月。

圖1 夏玉米種植示意圖

表1 生育期間的降雨量 mm

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水分 播前、全生育期和收獲后均進行測定。全生育期內(nèi)，測定周期為5 d；每壟選2個觀測點取平均值；采用土鉆取樣并用烘箱烘干測定土壤含水率，測定深度為1 m，分5層(每層20 cm)，降雨和灌水前后加測1次。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 各處理單獨收獲、測產(chǎn)，取樣進行室內(nèi)考種。

1.3.3 作物耗水量、土壤貯水量和模比系數(shù) 利用水量平衡方程計算各處理作物階段耗水量及模比系數(shù)。

作物階段耗水量公式為：ET1-2=10∑ni=1γHi(θi2-θi1)+M+P+K。式中:ET1-2為階段耗水量(mm)；i為土層編號；n為土壤分層總數(shù)；γ為1m內(nèi)土層平均干容重(g/cm3)；Hi為第i層土壤厚度(cm)；θi1、θi2分別為第i層土壤時段初、末的含水率(%)；M為時段內(nèi)灌溉水量(mm)；P為時段內(nèi)有效降雨量(mm)；K為地下水補給量(mm)，由于試驗場內(nèi)地下水埋深在5m以下，且通過雨后測墑發(fā)現(xiàn)單次降雨量均未造成計劃濕潤層深層滲漏，故地下水補給量可視為0。

模比系數(shù)=某階段耗水量/全生育期耗水量×100%。

土壤貯水量計算公式為：w=0.1×γ×θ×h。式中：w為土壤貯水量(mm)；0.1為換算系數(shù)；h為土層深度；γ、θ同上。

1.3.4 水分利用效率(WUE)及降水利用效率(PUE) WUE為夏玉米產(chǎn)量與耗水量的比值；PUE為夏玉米產(chǎn)量與降水量的比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理夏玉米的產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

由表2可以看出，同一水分處理，隨著覆蓋量的增加，穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量都呈先增加后降低的變化規(guī)律，而穗行數(shù)變化不明顯，且F3處理的穗粒數(shù)與F0處理相差不明顯；覆蓋處理產(chǎn)量均較F0處理有所提升，F(xiàn)2處理最為突出，增產(chǎn)率可達2.68%～4.58%，其次為F1處理，增產(chǎn)率可達1.03%～3.89%，F(xiàn)3處理增產(chǎn)率為0.31%～2.17%，這可能是因為秸稈覆蓋量過大，根部通氣受阻，影響了根系對土壤中水肥的吸收，玉米植株由于生長發(fā)育不佳最終導致產(chǎn)量降低。說明在一定覆蓋量內(nèi)，秸稈覆蓋有助于產(chǎn)量構(gòu)成因素水平的提高，但是覆蓋量過大則不利于夏玉米對水分的吸收和利用，反而起不到明顯的增產(chǎn)增收效果。

不同的水分處理對夏玉米的穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量的影響也有明顯差異。L-70和L-80處理的穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量均高于L-60處理；不同水分處理比較，L-60處理中覆蓋率相同的秸稈覆蓋處理增產(chǎn)效果更為明顯，最高達4.58%，L-70、L-80則分別為3.19%和2.68%。此外，與L-60處理相比，L-70處理的增產(chǎn)率達10.50%，明顯高于L-80的增產(chǎn)率(7.91%)，其主要是因為L-60處理水分虧缺最嚴重，抑制了夏玉米的正常發(fā)育，導致產(chǎn)量較低；L-80由于水分過高使得玉米植株發(fā)育過盛，削弱了穗部干物質(zhì)的積累，對增產(chǎn)沒有起到絕對作用，在一定程度上反而浪費水資源。從產(chǎn)量構(gòu)成看，覆蓋率和土壤水分控制下限的增大均提高了夏玉米的穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量，其中以F2處理和L-70處理的增產(chǎn)效果最佳。

表2 各處理夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成

2.2 不同處理夏玉米的耗水特性變化

將夏玉米的生育期劃分為5個階段：播種—出苗、出苗—拔節(jié)、拔節(jié)—抽雄、抽雄—灌漿、灌漿—成熟。由表3可知，各生育階段的耗水量變化較大，但表現(xiàn)出相同的規(guī)律：夏玉米耗水量隨著生育進程的推進表現(xiàn)為播種—抽雄期升高，抽雄—灌漿期降低，灌漿—成熟期再升高，且灌漿—成熟期耗水量最大。播種—出苗期由于未進行覆蓋，同一水分處理下耗水量無明顯差異；出苗—拔節(jié)期覆蓋處理表現(xiàn)出明顯的保墑能力，與F0處理相比最高可節(jié)水8.32～9.81 mm，但F3與F2處理保墑效果相差不大，原因是夏玉米出苗—拔節(jié)期的植株蒸騰量很小，水分消耗主要為棵間蒸發(fā)[15]，秸稈覆蓋切斷了蒸發(fā)表面與下層土壤的毛管聯(lián)系，減弱土壤空氣與大氣之間的亂流交換強度，有效地抑制了土壤水分蒸發(fā)[2]；處在集中降雨期的拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期，同一水分處理下，各覆蓋處理耗水呈現(xiàn)相同規(guī)律：F3>F0>F1>F2，F(xiàn)1與F2處理具有明顯的節(jié)水效應(yīng)，而F3處理相比F0處理耗水不減反增，原因是適量的秸稈覆蓋能增強降雨的入滲，蓄納較多的雨水，而覆蓋過厚阻礙了降雨的入滲，降雨大多集聚在覆蓋層而未滲入土層，加上夏季高溫，夏玉米的蒸騰較大，導致大量無效水蒸發(fā)；灌漿—成熟期耗水最多，這是因為該階段需要大量的水來延長綠葉功能以促進光合作用進行物質(zhì)積累，而且夏玉米籽粒形成需要大量的水以保證光合產(chǎn)物和養(yǎng)分向穗部進行輸送，之后葉片開始發(fā)黃，植株蒸騰速率逐漸下降，棵間蒸發(fā)較之前期有所增強，各覆蓋處理蓄水保墑效果與出苗—拔節(jié)期相似。從全生育期耗水量可知，同一水分處理下，隨著覆蓋率的增大，耗水量表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，且F2處理耗水最少；同一覆蓋處理，土壤水分控制下限越高，夏玉米耗水量越大。

表3 各處理夏玉米不同生育階段耗水量 mm

由圖2可知，各處理夏玉米階段耗水量模比系數(shù)隨生育進程的推進均表現(xiàn)為先上升后下降再上升的變化規(guī)律。同一水分處理條件下，播種—出苗期各覆蓋處理階段耗水量模比系數(shù)相差不大，其中F2處理的模比系數(shù)最大，較F0處理高出0.46～0.79個百分點；出苗—拔節(jié)期F3處理模比系數(shù)最小，F(xiàn)0處理最大，兩者相差1.56～2.13個百分點；拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期F3處理的模比系數(shù)明顯高出其他覆蓋處理；灌漿—成熟期各覆蓋處理的模比系數(shù)最大相差0.96～1.57個百分點。相同覆蓋處理，拔節(jié)—抽雄期不同水分處理夏玉米階段耗水量模比系數(shù)表現(xiàn)為L-60>L-70>L-80，且差異明顯，即隨著土壤水分控制下限的增大，模比系數(shù)減小，L-60處理較L-80處理高出2.56個百分點。由于模比系數(shù)的大小由階段耗水量與總耗水量共同決定，故變化規(guī)律與上述耗水規(guī)律有所不同。從整個生育期來看，3種覆蓋處理都具有蓄水保墑效果，在同一水分處理下與F0處理相比，F(xiàn)2處理節(jié)水最顯著，可節(jié)水26.76～31.28 mm，其次為F1處理，F(xiàn)3處理蓄水保墑能力最弱。

圖2 各處理夏玉米的生育階段耗水量模比系數(shù)

2.3 不同處理對夏玉米水分利用效率及降水利用效率的影響

衡量種植方式及灌水標準的可行性，主要體現(xiàn)在產(chǎn)量與耗水量之間的合理性上。由表4可知，同一水分處理下，F(xiàn)0處理土壤貯水量變化數(shù)量最多，占耗水總量的比例最大，土壤貯水量變化較F2處理多26.76～31.28 mm，變化比例較F2處理增加5.24～5.37個百分點；除土壤貯水量變化比例外，不同覆蓋處理灌水量、降雨量占耗水總量的比例均高于F0處理，且以F2處理最高，由于未進行覆蓋對土壤的保墑能力較弱，對土壤水分攝取量較多。同一覆蓋處理下，隨著水分控制下限升高，灌水量所占比例增大，而降雨量及土壤貯水量變化量所占比例逐漸減小，這是由于水分控制下限越高，土壤貯水量變化幅度越小，夏玉米生長發(fā)育過程中長勢越好且總耗水量越多，再者各處理降雨量相同，總耗水量增加，故相應(yīng)比例減小。

各水分處理下，覆蓋處理的水分利用效率(WUE)及降水利用效率(PUE)均高于對應(yīng)的不覆蓋處理(F0)，且以F2處理最高，L-60、L-70、L-80水分條件下F2處理的WUE分別為2.17、2.13、1.96 kg/m3，PUE分別為5.18、5.73、5.58 kg/m3，F(xiàn)1處理次之，F(xiàn)3處理最低。3種水分處理中，L-70處理的PUE最高，較其他水分處理表現(xiàn)出較強的降水生產(chǎn)潛力，L-80處理同樣有較高的PUE，但是較L-70處理增加了60 mm的灌溉量；秸稈覆蓋對低水分處理的WUE促進作用更加明顯，在相同覆蓋處理下，不同水分處理夏玉米的WUE整體表現(xiàn)為L-60>L-70>L-80，其平均WUE分別為2.03、2.01、1.86 kg/m3；雖然L-60處理的整體WUE較高，但較L-70處理減產(chǎn)了635.10～819.71 kg/hm2，并沒有發(fā)揮出夏玉米潛在的產(chǎn)量；L-80處理不僅產(chǎn)量低于L-70處理，且其耗水量過大，平均WUE比L-70處理低0.15 kg/m3，在缺水地區(qū)不宜推廣。

表4 不同處理夏玉米的水分利用效率及降水利用效率

綜合分析夏玉米的耗水量和產(chǎn)量以及二者的關(guān)系可知，F(xiàn)2處理條件下，WUE和PUE均最高，說明適宜的秸稈覆蓋不僅減小了夏玉米的耗水量，提高了產(chǎn)量和WUE，而且單位玉米產(chǎn)量的耗水系數(shù)最小，提升了經(jīng)濟效益。結(jié)合水分處理和覆蓋處理進行綜合評價，L-70水分處理和F2覆蓋處理優(yōu)于其他處理。

3 結(jié)論與討論

本試驗結(jié)果表明，同一水分處理下，穗長、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量隨覆蓋率的增加均呈先增加后降低的變化規(guī)律，F(xiàn)2處理的增產(chǎn)效果最顯著，增產(chǎn)率可達2.68%～4.58%，F(xiàn)3處理效果不明顯，增產(chǎn)率僅為0.31%～2.17%，覆蓋率過大不利于玉米對水分的吸收和利用，增產(chǎn)增收效果不明顯,這與張向前等[8]秸稈覆蓋量過高不利于增產(chǎn)的結(jié)論相吻合。同一覆蓋處理下，低水分處理(L-60)秸稈覆蓋的增產(chǎn)效果更為明顯，最高達4.58%，但從整體來看，L-70、L-80處理平均產(chǎn)量分別較L-60處理增產(chǎn)10.50%、7.91%。故從產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成看，以F2處理和L-70處理的增產(chǎn)效果最佳。

夏玉米拔節(jié)期之前，秸稈覆蓋切斷蒸發(fā)表面與下層土壤的毛管聯(lián)系，減弱土壤空氣與大氣之間的亂流交換強度，有效抑制了土壤水分蒸發(fā)[2]；適量的秸稈覆蓋能增強降雨的入滲，蓄納較多的雨水，而覆蓋過厚則阻礙了降雨的入滲，使降雨大多集聚在覆蓋層而未滲入土層，加上夏季高溫，蒸發(fā)耗水增強，導致大量無效水蒸發(fā)，各覆蓋處理中F1與F2處理具有明顯的節(jié)水效應(yīng)，但是F3處理較之F0處理耗水反而增加。

各水分處理下覆蓋處理的WUE均大于不覆蓋處理，且F2處理的WUE和PUE均最高，L-60、L-70、L-80水分條件下F2處理的WUE分別為2.17、2.13、1.96 kg/m3，PUE分別為5.18、5.73、5.58 kg/m3。L-60處理雖然水分生產(chǎn)效率較高，但PUE較低且較L-70處理減產(chǎn)635.10～819.71 kg/hm2，而L-80處理不僅產(chǎn)量低于L-70處理，而且其耗水量過大，平均WUE比L-70處理低0.15 kg/m3。綜合評價，L-70水分處理和F2覆蓋處理節(jié)水增產(chǎn)效果最佳。

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Effect of Straw Mulching on Water Consumption Characteristics and Yield of Summer Maize under Furrow Irrigation Planting

WANG Shunsheng,WANG Kangsan

(North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou 450045,China)

In order to reveal the influence mechanism of different water treatments and mulching treatments on water consumption and yield of summer maize,the effects of three water treatments[60% of field capacity(L-60),70% of field capacity(L-70)and 80% of field capacity(L-80)]and four kinds of mulching treatments[50% coverage rates(F1),100% coverage rates (F2),150% coverage rates(F3)and no coverage(F0)]on the water consumption regularity and yield of summer maize were studied under wide ridge planting in field.The results showed that the straw mulching increased the yield of summer maize under the same water treatment,the yield increase of F2 treatment was the most significant,which increased by 2.68%—4.58%.The coverage treatment showed obvious water retention capacity during the seedling to jointing stage,saving up to 8.32—9.81 mm compared with F0.There was more rainfall during the jointing to heading stage and heading to filling stage,and the appropriate amount of straw mulch could increase rainfall infiltration and accept more rainwater storage.If the cover was too thick to prevent rainfall infiltration,the rainfall ended in the cover,resulting in a large number of ineffective water evaporation.F2 treatment was the most appropriate treatment. Combined water treatment with mulching treatment,the water treatment of L-70 and coverage treatment of F2 had the best effect,its yield was up to 7 815.42 kg/ha,water consumption was only 366.09 mm,water use efficiency was 2.13 kg/m3,rainfall use efficiency was 5.73 kg/m3,in line with the purpose of water saving and high yield.

summer maize; straw mulching; yield; water consumption; water use efficiency; rainfall use efficiency

2015-11-17

國家自然科學基金項目(51279157)；河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(12A210018)

汪順生(1978-)，男，安徽安慶人，副教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土與環(huán)境研究工作。 E-mail：wangshunsheng609@163.com

S513；S275.3

A

1004-3268(2016)07-0018-06