方旭飛， 王麗學(xué)， 張鐘莉莉， 趙朔毅

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，遼寧沈陽 110866； 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097)

目前農(nóng)田水土流失、缺水干旱和生態(tài)環(huán)境退化已經(jīng)成為制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要原因，同時(shí)由于自然災(zāi)害以及人類耕作方式的不當(dāng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害也正日益加劇。保護(hù)性耕作已成為目前世界上應(yīng)用最廣、效果最好的一項(xiàng)旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)，因此越來越受到世界各國(guó)的關(guān)注[1]。保護(hù)性耕作是以減輕水土流失和保護(hù)土壤與環(huán)境為主要目標(biāo)，采用保護(hù)性種植制度和配套栽培技術(shù)形成的一套完整的農(nóng)田保護(hù)性耕作技術(shù)體系，包括免耕技術(shù)、秸稈覆蓋技術(shù)和地膜覆蓋技術(shù)等具體內(nèi)容[2-4]。李洪勛等研究表明，秸稈覆蓋作為一種強(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)方面取得較好效果。適宜的秸稈覆蓋還田不僅能夠改善土壤的肥力狀況，提高作物根系活力，而且能為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供有利條件，從而實(shí)現(xiàn)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[5]。杜社妮等分析了玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應(yīng)，結(jié)果表明地膜覆蓋能夠改善農(nóng)田的生長(zhǎng)環(huán)境，可以使生態(tài)發(fā)生復(fù)雜的變化，在作物的反季節(jié)同樣能夠種植。地膜覆蓋還能夠起到節(jié)水、調(diào)控土壤溫度、改善土壤性狀及改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等作用，并且在農(nóng)作物增產(chǎn)等方面已取得實(shí)效[6]。同時(shí)大量研究表明，合理間作不僅可以充分利用光、溫、水等養(yǎng)分資源，還可以有效防治病蟲害，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)化肥農(nóng)藥的依賴，進(jìn)而在降低生產(chǎn)成本和減輕環(huán)境污染的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。間作中由于2種作物所占據(jù)的地上部和地下部生態(tài)位發(fā)生了分離，在時(shí)間生態(tài)位和空間生態(tài)位上互補(bǔ)擴(kuò)大，從而使地上部的光、熱和地下部的營(yíng)養(yǎng)資源在時(shí)間上前后分離、在空間上互補(bǔ)擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)資源最大限度的利用。玉米和豆科作物間作是我國(guó)北方普遍實(shí)施的一種重要種植方式，與單作相比，玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)都會(huì)有較大改善[7]。間作對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響主要源于作物系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境和土壤環(huán)境的改變[8-13]。本研究通過間作條件下不同覆蓋方式對(duì)玉米的品質(zhì)影響以及最優(yōu)種植效益模式的適用性評(píng)價(jià)，以期為東北旱地玉米覆蓋技術(shù)和種植模式的完善與改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

本試驗(yàn)于2016年5—10月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地位于東北地區(qū)南部，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。年均氣溫為8.0 ℃，年平均降水量為749.3 mm，年蒸發(fā)量為1 282.3 mm，6—9月為降水集中期，其降水量約占全年的59.5%，平均徑流深為 403.4 mm，土壤以草甸土為主，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水源以天然降水為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)玉米品種為聯(lián)達(dá)288，大豆品種為開創(chuàng)14。2015年秋季玉米收割后開始試驗(yàn)，2016年5月初開始播種。整個(gè)生育期以天然降水為主，其中降水集中在7月中旬。該試驗(yàn)包括傳統(tǒng)耕作玉米(CM)、傳統(tǒng)耕作玉米/大豆(CI)、秸稈覆蓋耕作玉米(JM)、秸稈覆蓋耕作玉米/大豆(JI)、地膜覆蓋耕作玉米(DM)、地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)6種處理，具體處理見表1。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為3 m×6 m。其中玉米單作的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，玉米的種植密度5.67萬/hm2；玉米間作大豆的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，大豆種植在玉米的壟溝內(nèi)，大豆行株距為0.6 m×0.3 m，大豆的種植密度5.56萬/hm2。

1.3 測(cè)定方法與內(nèi)容

粗灰分含量采用灰化法測(cè)定；粗蛋白含量采用凱氏定氮法的消化方式測(cè)定；粗淀粉含量采用旋光法測(cè)定；含水量采用玉米水分測(cè)定儀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計(jì)分析與綜合評(píng)價(jià)采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件。

表1 試驗(yàn)處理操作方法

2 結(jié)果與分析

2.1 間作條件下不同覆蓋方式對(duì)玉米品質(zhì)的影響

由圖1可以看出，間作處理下玉米的粗蛋白和粗淀粉的含量較單作增加，而玉米粗灰分含量和含水量較單作減少。玉米粗蛋白和粗淀粉含量的大小順序均為DI>DM>JI>JM>CI>CM， 玉米粗灰分含量的大小順序?yàn)镃M>CI>JM>JI>DM>DI，玉米含水量的大小順序?yàn)镃M>CI>DM>JM>JI>DI。其中同一覆蓋方式下，JI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較JM分別增加12.54%、3.47%，JI的玉米粗灰分含量和含水量較JM分別減少5.19%、10.95%；DI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較DM分別增加10.11%、2.64%，DI的玉米粗灰分含量和含水量較DM分別減少7.20%、13.33%；CI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較CM分別增加16.89%、2.85%，CI的玉米粗灰分含量和含水量較CM分別減少4.90%、6.88%。表明覆蓋和間作能使玉米的粗蛋白和粗淀粉含量增加，使含水量和粗灰分含量降低，從而達(dá)到能提高玉米品質(zhì)的作用。

2.2 綜合效益評(píng)價(jià)

應(yīng)用綜合統(tǒng)計(jì)分析，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的各個(gè)方面選取7個(gè)有代表性的指標(biāo)進(jìn)行因子分析，然后轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾€(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，再根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出不同處理的綜合適用性指數(shù)(CAI)，最后通過對(duì)不同處理的效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出玉米最優(yōu)種植效益模式。具體步驟如下。

2.2.1 因子的選取 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，土壤的含水量和溫度、植株的株高、葉片水分利用率、玉米粗蛋白含量、玉米的產(chǎn)量和純經(jīng)濟(jì)效益存在著一定的差異，因此選取這7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行綜合適用性指數(shù)評(píng)價(jià)。

土壤含水量(%)：玉米整個(gè)生育期各處理在0～60 cm處土壤含水量的平均值；土壤溫度(℃)：玉米全生育期各處理在0～25 cm處土壤溫度的平均值；葉片水分利用率(μmol/mmol)：各處理灌漿期葉片水分利用率的平均值；株高(cm)：玉米的株高、莖粗、葉面積在一定程度上呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，因此可以選取玉米全生育期的株高平均值作為代表；玉米粗蛋白含量(%)；產(chǎn)量(kg/hm2)；純效益(元/hm2)。

根據(jù)試驗(yàn)地實(shí)際情況，對(duì)各處理的成本和純效益進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算中，各項(xiàng)費(fèi)用都以hm2為單位，其中成本費(fèi)用分為兩大部分(材料費(fèi)和人工費(fèi))，具體如種子、農(nóng)藥、肥料等農(nóng)化原料費(fèi)，試驗(yàn)期間的電費(fèi)以及整地、播種、除草、施肥、打農(nóng)藥、管理、收獲等人工費(fèi)。其中，秸稈覆蓋所使用的玉米秸稈由于可以使用上一年的秸稈，故不計(jì)算為材料成本，而地膜覆蓋所使用的地膜應(yīng)包含在材料費(fèi)用之中。土地的管理和整理及農(nóng)藥的使用等應(yīng)包含在人工費(fèi)中，其中在人工費(fèi)用方面間作費(fèi)用要高于單作，而農(nóng)業(yè)純效益為農(nóng)業(yè)毛效益與總支出之差。具體細(xì)節(jié)如表2所示。

綜上所述，各因子初始值見表3。

表2 各處理的成本和純經(jīng)濟(jì)效益

注：玉米、大豆單價(jià)分別為1.01、2.46元/kg。

表3 各處理的各個(gè)因子的初始值

2.2.2 因子分析結(jié)果 對(duì)表3中各因子的初始值進(jìn)行因子分析，其中在提取2個(gè)公因子后，公因子的累積貢獻(xiàn)率可以達(dá)到90.966%，即2個(gè)公共因子可以解釋約91%的總方差，故滿足要求。由計(jì)算結(jié)果可知，這7個(gè)變量的共性方差(KMO值)全大于0.5，而且都在0.7以上，有的甚至接近于1，說明因子分析的效果很好。巴特利特球度檢驗(yàn)值P=0.012<0.05，故拒絕原假設(shè)相關(guān)系數(shù)矩陣為單位矩陣，說明變量間存在線性相關(guān)，即適合作因子分析。由相關(guān)系數(shù)矩陣、反映像相關(guān)矩陣、巴特利特球度檢驗(yàn)、KMO檢驗(yàn)的分析結(jié)果可知，大部分因子的相關(guān)系數(shù)都很高，線性關(guān)系較強(qiáng)，則說明適合因子分析，可以提取公因子。故表示提取的2個(gè)公因子能夠很好地反映原始變量的主要信息，可以將公共因子方差折算為權(quán)重系數(shù)。因子分析應(yīng)用在評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定中，通過主成分分析法得到的各指標(biāo)的公因子方差，其值大小表示該項(xiàng)指標(biāo)對(duì)總體變異的貢獻(xiàn)，權(quán)重系數(shù)等于各個(gè)公共因子方差占其總和的百分?jǐn)?shù)。公共因子方差及權(quán)重系數(shù)見表4。

表4 各處理的各個(gè)因子的公共因子方差和權(quán)重系數(shù)

2.2.3 各處理的綜合適用性指數(shù) 首先通過相關(guān)系數(shù)法將各因子量綱歸一化，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

式中：X*表示各影響因子指標(biāo)的隸屬度值；Xi表示各影響因子指標(biāo)的原始值；(Xi)max和(Xi)min分別表示第i項(xiàng)影響因子指標(biāo)中的最大值和最小值。根據(jù)該函數(shù)和表4計(jì)算各影響因子指標(biāo)的隸屬度值見表5。

表5 各處理的各個(gè)因子的隸屬度值

然后根據(jù)因子分析中各影響因子指標(biāo)的公因子方差值確定其權(quán)重系數(shù)，最后根據(jù)下面公式計(jì)算不同農(nóng)藝措施的綜合適用性指數(shù)(CAI)：

式中：Ki為各影響因子的權(quán)重系數(shù)；X*為各因子指標(biāo)的隸屬度。根據(jù)該公式計(jì)算出各處理的綜合適用性指數(shù)為表中最后一列，計(jì)算結(jié)果見表6。

由表6計(jì)算結(jié)果可知，CM、CI、JM、JI、DM、DI各處理的綜合適用性指數(shù)由小到大依次為0.141、0.275、0.393、0.610、0.648、0.825，表明覆蓋和間作都能使其綜合適用性指數(shù)提高，而地膜覆蓋條件下玉米間作大豆(DI)的值最大，即為最優(yōu)種植效益模式。

表6 各處理的各個(gè)因子的綜合適用性指數(shù)

注：綜合適用性指數(shù)的權(quán)重系數(shù)為1.000。

3 結(jié)論

本研究表明覆蓋和間作能使玉米的粗蛋白和粗淀粉含量增加，使含水量和粗灰分含量降低，從而達(dá)到能提高玉米品質(zhì)的作用。覆蓋和間作都能使其綜合適用性指數(shù)提高，而地膜覆蓋條件下玉米間作大豆(DI)的值最大。綜上所述，秸稈覆蓋和地膜覆蓋方式具有良好蓄水保墑作用，并提供適宜水熱條件，同時(shí)玉米間作大豆模式能充分地利用土地、光照、水分和其他資源，因此地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)是本研究條件下最適宜的覆蓋種植模式。

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