于慶峰, 苗慶豐, 史海濱, 胡 敏

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭014109; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 呼和浩特010018)

我國北方大部分地區(qū)春季寒冷干旱且夏季高溫少雨，這一特殊的氣候條件嚴(yán)重影響了作物的正常生長，從而在一定程度上制約著農(nóng)業(yè)的發(fā)展。有研究表明，地膜覆蓋后，有效改善了作物根系區(qū)土壤水熱條件，促進(jìn)了作物前期的生長發(fā)育，同時(shí)使得作物產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[1-6]。但是普通農(nóng)用地膜的主要成分為一種分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定的聚乙烯材料，因其在自然條件下難以分解，殘膜在農(nóng)田內(nèi)大量積累，形成了白色污染，嚴(yán)重影響了農(nóng)田環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[7]。同時(shí)有研究表明，近些年出現(xiàn)的新型覆蓋材料—生物地膜可自行降解，對環(huán)境污染小且在土壤的保溫、保墑和作物增產(chǎn)和水分利用效率的提高等方面有較好的應(yīng)用效果，因此被廣大研究者所青睞[8-9]。然而生物地膜造價(jià)較高，機(jī)械強(qiáng)度和受拉伸的能力較弱，在北方春季多風(fēng)季節(jié)容易被扯壞，從而影響其保溫、保墑效果，因此其推廣應(yīng)用受到一定的限制[10]。秸稈覆蓋作為傳統(tǒng)的作物栽培技術(shù)，同樣具有較好的保墑、增溫效果，且可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[11-13]，另外秸稈覆蓋具有易腐爛、對農(nóng)田污染小的優(yōu)勢，因此具有廉價(jià)、環(huán)保特征的秸稈覆蓋具有較好的應(yīng)用前景。但是其在不同地區(qū)、不同生育季的效應(yīng)不同，在應(yīng)用中應(yīng)該進(jìn)行微調(diào)節(jié)。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)屬于典型的干旱半干旱氣候區(qū)，春玉米是該地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物，以往露地種植模式往往使得作物受干旱和春季低溫的危害，產(chǎn)值較低，同時(shí)地膜覆蓋帶來的白色污染問題以及生物地膜投入過高等客觀問題的存在一定程度上限制了灌區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而已有研究表明，秸稈覆蓋同樣能夠較好的調(diào)節(jié)土壤水熱狀況且可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，但該地區(qū)對于秸稈覆蓋的應(yīng)用情況還鮮有報(bào)道。因此本研究擬在該地區(qū)春玉米種植中引入秸稈覆蓋的栽培模式，以不覆蓋為對照，試驗(yàn)設(shè)置不同秸稈覆蓋量，研究其對土壤溫度、玉米耗水規(guī)律及產(chǎn)量和水分利用效率的影響，旨在揭示秸稈覆蓋對土壤水熱的影響機(jī)理及實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和水分高效利用的原理，進(jìn)而評價(jià)秸稈覆蓋在內(nèi)蒙古地區(qū)春玉米種植過程中的適用性，同時(shí)篩選出最適宜該地區(qū)玉米種植的秸稈覆蓋量，對該地區(qū)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)磴口縣境內(nèi)進(jìn)行，該地區(qū)多年平均降雨量139.8 mm，蒸發(fā)量2 374.6 mm；多年平均氣溫為7.6℃，平均日照時(shí)數(shù)3 183 h，平均無霜期130 d左右。試驗(yàn)區(qū)0—20 cm為粉砂壤土，20—100 cm為粉砂質(zhì)黏壤土，土壤平均容重為1.47 g/cm3；耕作層凋萎系數(shù)9.3%，田間持水量21.2%，該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水源為黃河水，水質(zhì)平均礦化度為0.32 g/L，平均pH值為8.1。

1.2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置不覆蓋、秸稈覆蓋量為5 t/hm2(JF1)，7.5 t/hm2(JF2)，10 t/hm2(JF3)和12.5 t/hm2(JF4)共5個(gè)處理。前茬玉米收獲后，進(jìn)行翻地整平，秋澆前將玉米秸稈人工鋪撒于試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，秸稈長度3～5 cm，鋪撒均勻后覆蓋3 cm左右虛土防止水流沖散，2016年10月29日進(jìn)行秋澆。試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，各處理重復(fù)3次，試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格為50 m×10 m。春玉米播種期為2016年4月23日，收獲期為9月14日。

玉米種植按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植管理模式進(jìn)行，玉米選用品種為豫奧6號，播種時(shí)施足底肥，其中尿素(46%N)為300 kg/hm2，磷酸二銨(16%P2O5)為150 kg/hm2。在靠近毛渠渠口側(cè)打起35 cm的田埂，對各小區(qū)進(jìn)行分流灌溉，同時(shí)為確保入畦流量的穩(wěn)定性，在入水口處筑一儲(chǔ)水槽，采用梯形量水堰測量控制灌溉水量。玉米全生育期共灌3次水，其中灌第一水時(shí)灌水975 m3/hm2，施尿素(46%N)450 kg/hm2；灌第二水時(shí)灌水975 m3/hm2，施尿素(46%N)300 kg/hm2；灌第三水時(shí)灌水900 m3/hm2，不施肥。

1.3　測定內(nèi)容及方法

降雨量采用田間微氣象站觀測采集。自玉米播種開始每隔7 d在玉米行間取土，灌水前后加測，取樣深度100 cm，每20 cm為一層，采用烘干稱重法測定土壤含水率，各處理取3次重復(fù)。土壤棵間蒸發(fā)量采用自制微型蒸滲儀測定，每天上午8：00測定一次，采用精度為0.01 g的電子天平稱重。各處理埋設(shè)直角地溫計(jì)，埋設(shè)深度為5，10，15，20，25 cm，各生育期連續(xù)3 d自8：00至20：00每隔2 h讀取一次。分別于各處理玉米行間垂向80 cm和120 cm處埋設(shè)兩根負(fù)壓計(jì)，選定距地表為100 cm處為作物根系層下邊界，測定土壤負(fù)壓值。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的15株測定其生產(chǎn)性狀指標(biāo)和產(chǎn)量。采用水量平衡法計(jì)算作物階段耗水量。

作物階段耗水量公式為：

ET=ΔW+P+I+G-D

(1)

式中：ET為春玉米各生育階段耗水量(mm)；ΔW為春玉米各生育期內(nèi)0—100 cm土壤貯水量變化(mm)；P為春玉米各生育期有效降雨量(mm)；I為灌溉量(mm)；G為地下水補(bǔ)給量(mm)；D為深層滲漏量(mm)。其中G，D根據(jù)負(fù)壓值和作物根系層水力學(xué)參數(shù)，采用達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用MS-Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析;如果差異顯著,則采用鄧肯式新復(fù)極差檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)不同處理間的差異顯著性。

圖1春玉米全生育期降雨量

2　結(jié)果與分析

2.1　不同秸稈覆蓋量對玉米耗水量及棵間蒸發(fā)量的影響

由表1可知，玉米各生育階段蒸騰量整體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，且在玉米拔節(jié)—抽雄吐絲期達(dá)到了全生育期的峰值，而后玉米逐漸由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長，隨玉米的逐漸成熟，葉片逐漸衰老凋亡，耗水量逐漸降低。對比各處理棵間土壤蒸發(fā)量可知，在玉米苗期至拔節(jié)期的生育前期，由于此階段植株相對矮小，地面裸露程度較大，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，此階段棵間蒸發(fā)量差異不顯著(p>0.05)，平均占作物階段耗水量的比例為40.22%～46.23%。玉米拔節(jié)期以后，在適宜的土壤和環(huán)境條件下，玉米進(jìn)入生長旺季，此時(shí)耗水以作物蒸騰耗水為主，而棵間蒸發(fā)量所占比例逐漸減弱。至玉米抽雄—吐絲期期達(dá)到全生育期的最低值，占比0.80%～12.28%，部分達(dá)到顯著性差異(p<0.05)。玉米進(jìn)入灌漿—成熟期以后，由于玉米葉片逐漸枯萎衰亡，植株蒸騰能力下降，加之部分秸稈腐爛，保墑效應(yīng)減弱，此階段土壤棵間蒸發(fā)量占比又呈增加趨勢，平均占比13.59%～27.74%，部分達(dá)到顯著性差異(p<0.05)。整個(gè)生育期來看，隨秸稈覆蓋量的增加，棵間土壤蒸發(fā)量呈現(xiàn)減小趨勢，這主要是由于覆蓋量越多，抑制土壤水分的無效消耗作用更強(qiáng)；同時(shí)高覆蓋量條件更好地調(diào)節(jié)了土壤的水熱條件，使得玉米生長更為旺盛，枝葉覆蓋度顯著高于低覆蓋量和對照處理，很大程度上抑制了土壤水分的無效蒸發(fā)。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時(shí)，對棵間土壤水分蒸發(fā)的抑制作用開始呈現(xiàn)減弱趨勢，與JF4處理間無顯著性差異(p>0.05)。

2.2　不同秸稈覆蓋量對土壤溫度的影響

圖2為不同秸稈覆蓋量條件下玉米各生育期5—25 cm土壤平均溫度變化情況，玉米苗期至拔節(jié)期，不同秸稈覆蓋量處理?xiàng)l件下土壤溫度均顯著高于不覆蓋處理(p<0.05)，且覆蓋量越大，增溫效果越顯著，處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較不覆蓋處理高2.14℃，4.23℃，5.53℃和6.56℃，但處理JF3和JF4間差異性不顯著(p>0.05)。玉米是典型的喜溫性作物，秸稈覆蓋在玉米生育前期起到了良好的增溫保溫效果，有利于玉米的前期生長，這與陳素英等[14]的研究結(jié)果相同。玉米抽雄吐絲至灌漿期，氣溫達(dá)到了全年的峰值。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤溫度過高會(huì)降低玉米根系的生理活性，抑制根系的正常代謝過程，加速根系老化，不利于對養(yǎng)分和水分的吸收利用，并將使作物減產(chǎn)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，該生育階段內(nèi)秸稈覆蓋條件下土壤溫度顯著低于對照處理，處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較不覆蓋處理低0.89℃，1.70℃，2.70℃和3.06℃，秸稈覆蓋起到了很好的降溫效果，避免了玉米遭受高溫的危害。玉米成熟期，隨著枝葉的枯萎，此階段各覆蓋條件下土壤平均溫度均顯著對照處理(p<0.05)，平均高0.75℃，2.67℃，3.40℃和3.66℃，但處理JF3和JF4間差異性不顯著(p>0.05)。綜合來看，秸稈覆蓋在高溫時(shí)起到了降溫效應(yīng)，而低溫時(shí)具有明顯的增溫效應(yīng)[16]，為玉米的正常生長提供了良好的土壤溫度條件。

表2為玉米各生育期內(nèi)不同秸稈覆蓋量條件下各土層土壤溫度平均日變幅的變化情況，由表可知，隨秸稈覆蓋量的增加，土壤溫度平均日變幅呈現(xiàn)減小趨勢，這主要是由于秸稈覆蓋對光能輻射和熱傳導(dǎo)影響的結(jié)果。當(dāng)外界氣溫較高時(shí)，秸稈吸收了光能的短波輻射，降低了熱量的交換速率，同時(shí)將一部分熱量儲(chǔ)藏在秸稈內(nèi)，從而起到了一定的降溫效應(yīng)，而當(dāng)外界氣溫較低時(shí)，秸稈可釋放長波輻射，從而起到增溫保溫效果，秸稈這樣的特性也一定程度上抑制了土壤溫度的劇烈變化，這一研究結(jié)果與張俊鵬等[17]的研究結(jié)論一致。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，隨土層深度的增加，土壤溫度變幅逐漸減弱，這主要是由于深層土壤受外界環(huán)境影響較弱所致。對比可知，當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時(shí)，各土層土壤溫度的變幅與處理JF4間平均相差0.10～0.17℃，差異性不顯著(p>0.05)。

表1　不同秸稈覆蓋量條件下玉米各生育階段耗水量及棵間蒸發(fā)量對比

圖2　玉米各生育期5-25 cm土壤平均溫度

2.3　不同秸稈覆蓋量對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表3可知，不同秸稈覆蓋量條件下玉米各產(chǎn)量指標(biāo)均顯著高于對照處理，玉米穗長和百粒重均以處理JF4最高，且與處理JF3間無顯著性差異，但均顯著高于其他處理。而玉米穗粗和穗粒數(shù)以處理JF3最高，與處理JF4間無顯著性差異，但顯著高于其他處理。就玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量而言，處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較CK高13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，差異性顯著(p<0.05)，不同秸稈覆蓋處理增產(chǎn)效應(yīng)顯著，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。但處理JF3和JF4間相差0.36%，差異性不顯著(p>0.05)，說明當(dāng)秸稈覆蓋達(dá)到一定量后，增產(chǎn)增收效應(yīng)減弱。

表2　不同秸稈覆蓋量對土壤溫度平均日變幅的影響　℃

在干旱半干旱地區(qū)，水資源日益短缺是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性因素，因此實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用是保證農(nóng)業(yè)正常有序發(fā)展的前提。由表3可知，各處理作物綜合水分利用效率均顯著高于對照處理(p<0.05)，處理JF1，JF2，JF3和JF4分別較CK高19.94%，27.44%，39.42%和41.88%，說明秸稈覆蓋顯著抑制了土壤水分的無效蒸發(fā)，促進(jìn)了玉米的吸收利用，從而有效提高了玉米的綜合水分利用效率，但對比處理JF3和JF4間差異性不顯著(p>0.05)，平均相差1.73%。

表3　不同秸稈覆蓋量下玉米產(chǎn)量及水分利用效率對比

3　討 論

作物的耗水強(qiáng)度表征作物的生長狀況，同時(shí)耗水強(qiáng)度在一定程度上也影響著作物對水分的利用率。有研究表明，秸稈覆蓋后，改善了田間小氣候，從而促進(jìn)了作物的生長發(fā)育并不同程度上影響了作物的耗水特性[18]。研究發(fā)現(xiàn)，玉米全生育期內(nèi)作物蒸騰量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在拔節(jié)—抽雄吐絲期達(dá)到全生育期的峰值，且玉米進(jìn)入拔節(jié)期以后，同時(shí)期秸稈覆蓋條件明顯高于對照處理，且部分差異達(dá)到了顯著性水平(p<0.05)，這主要是因?yàn)榻斩捀采w條件下玉米生長更為旺盛，耗水強(qiáng)度較大。

土壤地表覆蓋后，不同程度上切斷了土壤水分的蒸發(fā)路徑，從而有效減少了土壤水分的無效蒸發(fā)，保蓄了土壤水分[19-20]。而作物棵間蒸發(fā)是無效水分蒸發(fā)的重要組成部分，本研究發(fā)現(xiàn)棵間土壤蒸發(fā)量自苗期開始呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且在玉米抽雄—吐絲期達(dá)到全生育期的最低值。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，春玉米全生育期內(nèi)隨秸稈覆蓋量的增加，棵間土壤蒸發(fā)量呈現(xiàn)減小趨勢，但當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時(shí)，對棵間土壤水分蒸發(fā)的抑制作用開始呈現(xiàn)減弱趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)秸稈覆蓋達(dá)到一定厚度后，會(huì)在一定程度上阻礙部分降雨及灌溉水分的下滲，從而造成水分損失，這一研究結(jié)論與郭彥芬等[13]的研究結(jié)果相同。

北方地區(qū)春季寒冷干旱，夏季高溫少雨，而玉米是典型的喜溫性作物，春季低溫冷害會(huì)對玉米的出苗和苗期生長產(chǎn)生脅迫，因此，此時(shí)適宜的土壤溫度是保證玉米種子萌發(fā)和前期生長的必要條件[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋顯著提高了作物生育前期耕層土壤溫度，且覆蓋量越大，增溫效果越顯著，玉米苗期至拔節(jié)期處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較對照處理高2.14℃，4.23℃，5.53℃和6.56℃。夏季高溫季節(jié)，過高的土壤溫度將會(huì)對玉米的正常生長產(chǎn)生危害，本研究發(fā)現(xiàn)，玉米抽雄吐絲至灌漿期的高溫季節(jié)，秸稈覆蓋起到了一定的降溫效應(yīng)，避免玉米遭受高溫的危害，該生育階段處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較對照處理低0.89℃，1.70℃，2.70℃和3.06℃。綜合來看，秸稈覆蓋在高溫時(shí)起到了降溫效應(yīng)，而低溫時(shí)具有明顯的增溫效應(yīng)，為玉米的正常生長提供了良好的土壤溫度條件，這一研究結(jié)論與王順霞等[16]的研究成果相同。通過對不同秸稈覆蓋量條件下各土層土壤溫度平均日變幅的變化情況研究發(fā)現(xiàn)，隨秸稈覆蓋量的增加，土壤溫度平均日變幅呈現(xiàn)減小趨勢，這一研究結(jié)果與張俊鵬等[17]的研究結(jié)論一致，且當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2后，土壤溫度變化趨于穩(wěn)定。

秸稈覆蓋顯著提高了作物產(chǎn)量和水分利用效率，研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較處理CK增產(chǎn)13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，水分利用效率高19.94%，27.44%，39.42%和41.88%，這一研究結(jié)論與魯向暉[11]和郭彥芬[13]等的研究結(jié)果相同。綜合分析，秸稈覆蓋量為10 t/hm2時(shí)較適宜在灌區(qū)推廣應(yīng)用。

4　結(jié) 論

(1) 玉米全生育期內(nèi)，階段耗水量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，棵間土壤蒸發(fā)量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢，且兩者分別在玉米抽雄—吐絲期達(dá)到全生育期的峰值和最低值。全生育期內(nèi)，隨秸稈覆蓋量的增加，棵間土壤蒸發(fā)量呈現(xiàn)減小趨勢，且當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時(shí)，對棵間土壤水分蒸發(fā)的抑制作用開始呈現(xiàn)減弱趨勢。

(2) 秸稈覆蓋在高溫時(shí)具有降溫作用，低溫時(shí)具有顯著的增溫效應(yīng)，從而為玉米的正常生長提供了良好的土壤溫度條件。秸稈覆蓋量影響著土壤溫度平均日變幅的變化，隨秸稈覆蓋量的增加，土壤溫度平均日變幅呈現(xiàn)減小趨勢，且當(dāng)秸稈覆蓋量達(dá)到10 t/hm2時(shí)其變幅趨于穩(wěn)定。

(3) 秸稈覆蓋顯著提高了玉米的產(chǎn)量指標(biāo)及水分利用效率，處理JF1，JF2，JF3和JF4平均較處理CK增產(chǎn)13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，水分利用效率提高了19.94%，27.44%，39.42%和41.88%。

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