陳桂平，鄭德陽，郭 瑤，范 虹，殷 文

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業(yè)大學農學院,甘肅 蘭州 730070)

覆蓋作為人工調控土壤水分環(huán)境和作物水分利用的措施，是降低農田水分無效蒸發(fā)而增強水分利用的有效措施[1-2]。地膜與秸稈覆蓋作為輕簡易化的農業(yè)節(jié)水及水分高效利用技術，被認為是干旱與半干旱地區(qū)至關重要的作物生產技術[2-3]。近年來，無色聚乙烯塑料薄膜因蓄水保墑、增溫及高產、水分高效利用而被大量應用，已有研究得出，半干旱雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)地膜覆蓋玉米增產、提高水分利用效率均達到15%以上[4]，干旱內陸灌區(qū)全膜覆蓋較不覆膜處理增產近30%[5]。秸稈覆蓋具有抑制土壤蒸發(fā)、保墑蓄水、調節(jié)地溫、提高肥力等優(yōu)勢，廣泛應用于干旱與半干旱地區(qū)作物生產[6-7]。然而，單一的地膜或秸稈覆蓋近年來均呈現(xiàn)出一定弊端，諸如單一地膜覆蓋在高溫季節(jié)，往往容易造成作物根區(qū)土壤的極端高溫，導致玉米根系及葉片發(fā)生早衰，從而影響產量及水分利用[8]，同時造成“白色污染”，農田生態(tài)環(huán)境惡化[9]；單一秸稈覆蓋也存在降低作物生長早期表層土壤溫度，延緩出苗及生長發(fā)育的缺點，甚至呈現(xiàn)減產及降低水分利用的效應[10]。玉米是干旱半干旱區(qū)的主栽作物，目前普遍采用地膜覆蓋栽培措施[11]，其高產及水分高效利用主要歸因于土壤水熱特性的改善，資源利用隨生長發(fā)育動態(tài)的優(yōu)化與調控[6,12]。西北干旱內陸灌區(qū)資源性缺水嚴重，春、秋熱量不足，但夏季炎熱，在全面推行非膜不植的生產背景下，尋求弱化地膜覆蓋高溫弊端而提高水分利用的技術亟待進行，因而，地膜減量化生產技術備受關注?？v觀西北干旱內陸灌區(qū)氣候特征和單一覆蓋材料的優(yōu)缺點，能否采用地膜與秸稈交替覆蓋，或者免耕地膜兩年覆蓋利用與秸稈覆蓋替代全膜覆蓋，即將秸稈與地膜覆蓋及免耕技術集成在同一玉米栽培模式中，有望通過實現(xiàn)周年覆蓋，蓄納休閑期水分，優(yōu)化農田土壤水分環(huán)境，增強作物需水與農藝調控措施間的吻合度，研發(fā)適宜于干旱內陸灌區(qū)玉米水分高效利用的農藝管理技術。因此，本研究在典型干旱綠洲灌區(qū)，系統(tǒng)分析地膜秸稈交替覆蓋措施下玉米的產量特性及水分利用特征，以期為區(qū)域內地膜減投玉米高產高效技術的適應性評價提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年在典型的干旱內陸綠洲灌區(qū)武威市黃羊鎮(zhèn)農業(yè)工程研究院甘肅農業(yè)大學綠洲農業(yè)科研教學基地進行。該基地位于甘肅省武威市涼州區(qū)，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫約7.2℃，≥10℃的平均積溫為2 985℃；日照時數(shù)2 945 h，多年平均降水量低于200 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，是典型的灌溉農業(yè)區(qū)。該區(qū)是玉米的主要生產區(qū)域，播種面積占糧食作物總面積的30%以上。該區(qū)域普遍采用深耕翻埋的傳統(tǒng)耕作方式；地膜使用量大，但回收率低，造成了嚴重的土壤污染；作物秸稈還田技術尚未成熟，沒有得到大面積推廣，嚴重浪費，亟需研發(fā)有效的秸稈還田技術。

1.2 試驗設計

2014年度開展預備試驗，用于形成2015年度的免耕處理。試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為耕作方式，設免耕(NT)和傳統(tǒng)耕作(CT，耕作深度25～30 cm，每年覆蓋新地膜)兩種耕作措施。副區(qū)為覆蓋方式，設5種模式：全膜覆蓋(P)，覆蓋寬度140 cm的地膜，每幅膜種3行，行距50 cm；70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋(P7S3)，覆蓋寬度90 cm的地膜，每幅膜種2行，行距50 cm；70%地膜覆蓋/30%不覆蓋(P7S0)，覆蓋寬度90 cm的地膜，每幅膜種2行，行距50 cm；50%地膜覆蓋/50%捆狀玉米秸稈覆蓋(P5S5)，覆蓋寬度70 cm的地膜，每幅膜種2行，行距40 cm；50%地膜覆蓋/50%不覆蓋(P5S0)，覆蓋寬度70 cm的地膜，每幅膜種2行，行距40 cm。共組成10個處理，每處理設3次重復，主區(qū)內覆蓋方式隨機排列，不同地膜與秸稈覆蓋方式如圖1。P7S3與P5S5模式玉米秸稈覆蓋量為45 000 kg·hm-2與75 000 kg·hm-2，捆狀厚度均為25 cm。各處理播種密度均為82 500株·hm-2，由行距與株距協(xié)同調控。

注：(a)全膜覆蓋; (b)70%地膜覆蓋+30%不覆蓋; (c)50%地膜覆蓋+50%捆狀玉米秸稈覆蓋。Note: (a) whole plastic mulching; (b) 70% plastic mulching and 30% straw mulching; (c) 50% plastic mulching and 50% straw mulching.圖1 3種地膜與秸稈覆蓋方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of three plastic and straw mulching patterns

供試玉米(ZeamaysL.)品種為先玉335。玉米生育期總施純N 450 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施，純P2O5225 kg·hm-2，全作基肥。灌溉制度為冬儲灌120 mm，在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、開花期、灌漿期分別灌水90、75、90、75、75 mm。灌水采用膜下滴灌方式，僅在地膜覆蓋區(qū)域進行灌溉。

1.3 測定指標和計算方法

1.3.1 土壤含水量 采用烘干法測定玉米播種前與收獲后土壤含水量，耕層0～30 cm土層每10 cm為一層，30～120 cm土層每30 cm為一層。各小區(qū)在地膜覆蓋帶、秸稈覆蓋帶分帶測定，兩個帶內測定值的平均值即是該小區(qū)的土壤含水量，并通過土壤含水量計算土壤貯水量。

1.3.2 土壤貯水量 (SWS) 用0～120 cm土層土壤含水量計算土壤貯水量，SWS為6個不同土壤層次貯水量的總和，計算公式：

式中，SWS為土壤貯水量(mm)，h為土層厚度(cm)，a為土壤容重(g·cm-3)，θ為土壤質量含水量，10為單位換算系數(shù)。

1.3.3 耗水量 階段耗水量：

ET=P+I+SWSt2-SWSt1

式中，P為t1至t2時期的降雨量(mm)，I為t1至t2時期的灌溉量(mm)，SWSt1為t1時期的土壤貯水量(mm)，SWSt2為t2時期的土壤貯水量(mm)。

生育期耗水量：

ET=P+I+SWSo-SWSh

式中，P為生育期內降雨量(mm)，I為生育期內灌溉量(mm)，SWSo為播前土壤貯水量(mm)，SWSh為收獲后土壤貯水量(mm)。

1.3.4 棵間蒸發(fā)量 采用PVC管自制微型蒸滲儀(內徑為10 cm、高度為15 cm)測定。地膜秸稈交替覆蓋分別在地膜帶與秸稈帶各安裝一套。為保持測定精度，使蒸散儀內部土壤水分與周圍土壤一致，于同一位置每15 d取周圍原狀土以更換內部土體。降雨或灌水后，微型蒸散儀內易產生積水，需立即更換土體。兩次測定時間內蒸滲儀重量的差值即為棵間蒸發(fā)量，土樣每減少1 g等于蒸發(fā)水分 0.1052 mm。不同覆蓋帶內測定值的平均值即是該小區(qū)的棵間蒸發(fā)量；同一處理3次重復的平均值作為該處理的棵間蒸發(fā)量測定值。

1.3.5 耗水結構(E/ET) 棵間蒸發(fā)量與耗水量的比值。

1.3.6 產量及產量構成要素 玉米達到生理成熟時，按小區(qū)測定有效穗數(shù)并收獲，通過谷物水分測定儀(PM-8188)測定，以13%的谷物含水量為基準進行計產，同時測定穗粒數(shù)、千粒重。

1.3.7 水分利用效率

式中，Y為作物產量，ET為玉米全生育期內耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理、匯總、圖表制作，使用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件及Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同耕作措施與覆蓋方式下玉米農田耗水特性差異

2.1.1 棵間蒸發(fā)量 耕作措施對玉米全生育期土壤蒸發(fā)量無顯著影響，覆蓋方式對玉米全生育期棵間蒸發(fā)量的效應達極顯著，耕作措施與覆蓋方式的互作效應不顯著。地膜秸稈交替覆蓋較全膜覆蓋及半膜無秸稈覆蓋處理顯著降低了棵間蒸發(fā)量(表1)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5較NTP分別降低19.8%與18.3%，較NTP7S0分別降低35.6%與34.3%，較NTP5S0分別降低34.9%與33.6%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5較CTP分別降低21.1%與20.2%，較CTP7S0分別降低38.6%與37.8%，較CTP5S0處理分別降低39.5%與38.7%(P<0.05)。與傳統(tǒng)對照CTP相比，NTP7S3與NTP5S5降低棵間蒸發(fā)量分別達到20.7%與19.1%。無論免耕與傳統(tǒng)耕作，地膜秸稈交替覆蓋與全膜覆蓋和半膜無秸稈覆蓋相比，均能夠有效降低玉米全生育期總棵間蒸發(fā)量，因此，地膜秸稈交替覆蓋是降低玉米農田水分無效損耗的有效措施。

表1 不同耕作與覆蓋方式下玉米階段棵間蒸發(fā)量/mm

比較不同處理地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)，免耕措施下地膜覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量較傳統(tǒng)耕作措施降低7.8%(圖2)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量較NTP7S0、NTP5S0高11.7%～12.2%(P<0.05)，其中NTP5S5處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量最高。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP5S0處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量最高，較CTP7S3、CTP5S5、CTP7S0分別高7.0%、4.2%、10.6%(P<0.05)。

比較不同處理秸稈覆蓋帶與不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)，耕作措施對秸稈覆蓋及不覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量的影響沒有達到顯著水平(圖2)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5秸稈覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較NTP7S0、NTP5S0不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量降低59.0%～60.8%(P<0.05)，其中NTP7S3處理秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量最低。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5處理秸稈覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較CTP7S0、CTP5S0不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量降低59.9%～62.2%(P<0.05)，其中CTP5S5處理秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量最低。

圖2 不同耕作與覆蓋方式下玉米全生育期棵間蒸發(fā)量Fig.2 Soil evaporation in maize field during the whole growth period under different tillage and mulching measures

比較同一處理地膜覆蓋帶與秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶高29.9%～32.3%(P<0.05)，NTP7S0、NTP5S0地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶降低48.6%～50.8%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶高29.8%～35.4%(P<0.05)，CTP7S0、CTP5S0地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶降低36.3%～45.4%(P<0.05)。由此表明，地膜秸稈交替覆蓋較其他處理降低棵間蒸發(fā)量主要源于秸稈覆蓋帶所產生的抑制土壤水分蒸發(fā)的結果。

2.1.2 耗水量(ET)和耗水結構(E/ET) 耕作措施對玉米全生育期總耗水量和耗水結構沒有造成顯著影響，但覆蓋方式對其影響顯著，耕作措施與覆蓋方式二者交互效應對總耗水量影響不顯著，但對耗水結構影響顯著(表2)。免耕與傳統(tǒng)耕作措施下，地膜秸稈交替覆蓋較傳統(tǒng)全膜覆蓋具有降低總耗水量(ET)與耗水結構(E/ET)的效應，NTP5S5較NTP降低ET與E/ET分別為9.7%與9.5%；CTP7S3與CTP5S5較CTP分別降低5.9%與5.2%(P<0.05)。結合耕作措施與覆蓋方式，與傳統(tǒng)對照CTP相比，NTP7S3與NTP5S5處理ET分別降低3.6%與11.6%，E/ET分別降低16.0%與15.6%(P<0.05)，說明免耕地膜秸稈交替覆蓋具有降低玉米農田總耗水量的作用及增強水分高效利用的潛勢。

玉米播種至拔節(jié)期，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農田ET提高8.3%，但E/ET降低3.9%(P<0.05)。免耕措施下，NTP5S5處理ET較NTP高39.7%，但NTP7S3、NTP5S5較NTP降低E/ET分別達到23.3%與42.8%(表2)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3耗水量較CTP高54.9% (P<0.05)，但CTP7S3、CTP5S5較CTP降低E/ET分別達到38.7%與54.3%。

表2 不同耕作與覆蓋方式下玉米階段耗水量(ET)和耗水結構(E/ET)

拔節(jié)期至大喇叭口期，各處理ET較前一生育階段均呈增加趨勢，但E/ET呈降低趨勢，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農田ET降低5.3%(表2)；免耕措施下，地膜秸稈交替覆蓋顯著降低了ET與E/ET，ETNTP7S3、NTP5S5較NTP降低16.2%與40.1%，E/ET降低20.4%與10.5%(表3)；傳統(tǒng)耕作措施下，E/ETCTP7S3較CTP 與CTP5S5降低32.0%與32.8%，E/ET降低11.0%與12.9%(P<0.05)；集成耕作措施與覆蓋方式，以NTP5S5處理ET與E/ET較低，較CTP降低40.1%與12.0%。

表3 不同耕作與覆蓋方式下玉米籽粒產量及產量構成因素

大喇叭口期至開花期，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農田耗水量降低7.5%(P<0.05)；免耕措施下，NTP5S5處理ET與E/ET最低，ET較NTP、NTP7S3、NTP7S0、NTP5S0降低44.3%、45.6%、39.5%、45.2%(P<0.05)，E/ET較NTP、NTP7S0、NTP5S0降低22.3%、32.1%、33.1% (表2)；傳統(tǒng)耕作措施下，ETCTP7S3、CTP5S5較CTP降低50.7%與49.9%，E/ET降低17.3%與15.1%，ETCTP7S0、CTP5S0較CTP處理降低38.0%與12.6%，但E/ET分別增加28.5%與28.1%(P<0.05)；綜合耕作措施與覆蓋方式，以免耕地膜秸稈交替覆蓋NTP5S5處理ET與E/ET最低，較CTP分別降低60.2%與19.5%(P<0.05)。

開花期至灌漿中期，耕作措施對玉米農田ET與E/ET未產生顯著影響(表2)。但是免耕措施下，地膜秸稈交替覆蓋較全膜覆蓋ET增加，但E/ET降低，ETNTP7S3與NTP5S5較NTP處理增加21.7%與32.4%，E/ET分別降低18.3%與19.2%(表4)，ETNTP7S0與NTP5S0較NTP處理增加25.7%與26.1%，E/ET增加31.1%與29.3%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，ETCTP7S3與CTP7S0較CTP處理降低14.4%與9.9%(P<0.05)，CTP5S5、CTP5S0與CTP耗水量差異不顯著，E/ETCTP7S3與CTP5S5 較CTP處理降低21.6%與22.2%，E/ETCTP7S0與CTP5S0較CTP處理增加30.0%與34.2%；耕作措施與覆蓋方式綜合效應，ETNTP5S5較對照CTP增加5.6%，但E/ET降低20.4%。

灌漿中期至成熟期，耕作措施對玉米農田ET未產生顯著影響，但對E/ET影響顯著(表2)。免耕措施下，NTP7S0耗水量最高，較NTP高18.5%，其他處理與NTP差異不顯著，但E/ETNTP7S3與NTP5S5較NTP降低15.3%與16.3%，E/ETNTP7S0與NTP5S0較NTP處理增加20.0%與17.6%；傳統(tǒng)耕作措施下，半膜覆蓋較全膜覆蓋顯著增加了ET，CTP7S3、CTP7S0、CTP5S5、CTP5S0較CTP分別高78.4%、80.4%、46.8%、24.7%(P<0.05)，E/ETCTP7S3、CTP5S5較CTP處理降低27.8%與26.5%，但E/ETCTP7S0、CTP5S0較CTP處理增加20.2%與37.2%。耕作措施與覆蓋方式綜合效應，地膜秸稈交替覆蓋與半膜覆蓋較對照(CTP)均增加了ET，提高24.7%～80.4%，但E/ETNTP7S3與NTP5S5較CTP降低17.9%與18.9%。

綜上所述，免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營養(yǎng)生長期(拔節(jié)～開花期)的耗水量，增大了生育后期(開花～完熟期)的耗水量，有效協(xié)調玉米前后生育時期耗水互補、競爭關系。另外，免耕地膜秸稈交替覆蓋措施降低玉米農田E/ET主要發(fā)生在拔節(jié)期之前與生殖生長期，即增強了玉米旺盛生殖生長期的水分有效利用，以NTP7S3調控土壤水分利用效應較好。

2.2 不同耕作措施與覆蓋方式下玉米產量及產量構成因素的表現(xiàn)

2.2.1 玉米籽粒產量 耕作措施與覆蓋方式對玉米籽粒產量的影響達到極顯著水平，但二者交互作用不顯著(表3)。免耕較傳統(tǒng)耕作玉米平均籽粒產量降低6.6%。免耕措施下，地膜秸稈帶狀覆蓋(NTP7S3、NTP5S5)玉米產量分別達到13 472 kg·hm-2和12 984 kg·hm-2，較70%地膜覆蓋/30%不覆蓋(NTP7S0)分別增產15.1%與10.9%，較50%地膜覆蓋/50%不覆蓋(NTP5S0)分別增產21.4%與17.0%，NTP7S3較全膜覆蓋(NTP)增產6.2%，差異達到顯著水平。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5處理玉米產量分別達到14 441 kg·hm-2和14 189 kg·hm-2，較CTP分別增產12.0%和10.0%，較CTP7S0分別增產10.5%和8.6%，較CTP5S0分別增產23.2%和21.1%，增產效應均達到顯著水平。綜合耕作措施與覆蓋方式，免耕措施下NTP7S3與傳統(tǒng)耕作措施下CTP7S3玉米籽粒產量最高，且二者無顯著差異，其中NTP7S3較對照CTP增產4.6%，說明70%地膜覆蓋結合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋可實現(xiàn)免耕地膜循環(huán)利用，在減少地膜投入的基礎之上獲得高產。

2.2.2 玉米產量構成因素 耕作措施對玉米穗數(shù)無顯著影響，但覆蓋方式對玉米穗數(shù)影響顯著，二者互作效應不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯增加了玉米的穗數(shù)，以70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋玉米穗數(shù)最多。免耕措施下，NTP7S3較NTP5S5、NTP、NTP7S0、NTP5S0處理玉米穗數(shù)分別增加8.7%，19.0%，10.3%，14.3%，且差異顯著；傳統(tǒng)耕作措施下，僅有CTP7S3較CTP處理高10.3%。綜合兩因素，以NTP7S3玉米穗數(shù)最多，較傳統(tǒng)對照CTP增加20.0%。

耕作措施對玉米穗粒數(shù)無顯著影響，但覆蓋方式對玉米穗數(shù)影響顯著，二者互作效應不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯增加了玉米的穗粒數(shù)，以70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋玉米穗粒數(shù)最多。免耕措施下，NTP7S3較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理玉米穗粒數(shù)分別增加10.3%、5.0%、8.6% (P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，僅有CTP7S3較CTP 、CTP7S0、CTP5S0處理分別高6.7%、4.4%、5.9%(P<0.05)。綜合兩因素，以NTP7S3處理玉米穗粒數(shù)最多，較傳統(tǒng)對照CTP增加9.0%。

與穗數(shù)及穗粒數(shù)相似，耕作措施對玉米千粒重無顯著影響，但覆蓋方式對玉米千粒重影響顯著，二者互作效應不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯提高了玉米的千粒重，免耕措施下，以NTP5S5處理千粒重最高，較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理分別高8.2%、14.8%、12.3%；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3千粒重最高，較CTP5S5、CTP、CTP7S0、CTP5S0處理分別高6.9%、8.5%、13.7%、11.9%。綜合耕作措施與覆蓋方式，NTP7S3、NTP5S5較傳統(tǒng)對照CTP增加5.0%與9.1%(P<0.05)。

綜上所述，70%地膜覆蓋結合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋實現(xiàn)高產的原因為穗數(shù)、穗粒數(shù)及粒重的協(xié)同提高。

2.3 不同耕作措施與覆蓋方式對玉米農田水分利用效率的影響

耕作措施與覆蓋方式對玉米農田水分利用效率的影響達到極顯著水平，耕作措施與覆蓋方式的互作效應達極顯著水平。免耕措施下各處理平均水分利用效率較傳統(tǒng)耕作措施降低4.9%(圖3)。免耕措施下，NTP5S5處理水分利用效率最高，達到24.1 kg·hm-2·mm-1，較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理分別提高12.2%、20.3%、26.8%(P<0.05)，但與NTP7S3處理差異不顯著；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3處理水分利用效率最高，達到25.2 kg·hm-2·mm-1，較CTP、CTP7S0、CTP5S0處理分別高17.4%、14.4%、27.7%(P<0.05)，但與CTP5S5處理差異不顯著。綜合耕作措施與覆蓋方式，NTP7S3、NTP5S5、CTP7S3、CTP5S5處理間玉米水分利用效率差異不顯著，說明在減少地膜投入的前提下通過集成免耕與玉米秸稈捆狀覆蓋措施仍可保持較高的水分利用效率，是綠洲灌區(qū)通過地膜減量化免耕覆蓋與秸稈捆狀覆蓋而實現(xiàn)玉米可持續(xù)生產的有效措施。

圖3 不同耕作與覆蓋方式對玉米水分利用效率的影響Fig.3 Effect of different mulching and tillage measureson water use efficiency of maize

3 討 論

3.1 玉米產量形成對耕作及覆蓋方式的響應

大量研究表明覆蓋具有不同程度的增產效應，而在干旱與半干旱地區(qū)，地膜覆蓋玉米增產效應大于秸稈覆蓋，源于地膜覆蓋的增溫、保水、促進生長發(fā)育作用[2,6]。但是，近10年來，甘肅河西綠洲灌區(qū)玉米成熟期從10月中旬提前至9月上旬甚至8月下旬，呈現(xiàn)減產的趨勢，其實這屬于早衰并不是早熟。其主要原因：第一，高溫與低溫的極端變化；第二，農戶傳統(tǒng)生產模式每年覆蓋地膜，在玉米旺盛生長期(開花灌漿期)的土壤溫度達到45 ℃以上[6]，明顯高于玉米根系正常生長發(fā)育35℃的適溫閾值[13]，玉米根區(qū)極端高的土壤溫度導致其生長發(fā)育受阻；第三，大量投入地膜對農田土壤水分與養(yǎng)分的過度消耗并造成土壤微環(huán)境惡化[14]；第四，農戶傳統(tǒng)生產模式每年覆蓋地膜，提高土壤溫度，導致玉米生育前期生長快，對養(yǎng)分與水分的消耗多，造成玉米生育后期出現(xiàn)缺水缺肥現(xiàn)象[15]。因此，亟待研發(fā)減緩以上傳統(tǒng)農戶生產模式弊端的農藝管理措施。然而，西北綠洲灌區(qū)資源性缺水嚴重，春、秋熱量不足，但夏季炎熱，在玉米生產中存在“非膜不植”的生產背景，亟待研發(fā)弱化傳統(tǒng)每年覆蓋地膜的高溫弊端技術。因此，本研究將免耕、地膜與秸稈覆蓋同步集成于玉米生產模式，耕作措施與覆蓋方式對玉米籽粒產量的影響達到極顯著水平，綜合耕作措施與覆蓋方式，免耕與傳統(tǒng)耕作措施下均以70%地膜覆蓋與30%秸稈覆蓋玉米籽粒產量最高，但二者無顯著差異，說明70%地膜覆蓋結合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋可實現(xiàn)免耕地膜循環(huán)利用，在減少地膜投入的基礎上獲得高產。從增產機制上分析可知，免耕70%地膜覆蓋結合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋較傳統(tǒng)全膜覆蓋玉米增產的主要原因是穗數(shù)、穗粒數(shù)及粒重的協(xié)同提高，特別是穗數(shù)的提高幅度較大，源于雙穗率的增多。另一個增產的原因是：免耕地膜秸稈交替覆蓋顯著降低了玉米全生育期0～25 cm土層土壤溫度，延緩了玉米生長前期的生長發(fā)育，玉米生育前期水分養(yǎng)分消耗少，剩余水分養(yǎng)分通過“錯期分配”滿足玉米生育后期旺盛生長的水分養(yǎng)分需求，促進其生殖生長期的生長發(fā)育，特別是在玉米灌漿后期還維持較大的綠色葉面積，利于籽粒灌漿而促進增產[16]，說明免耕地膜秸稈交替覆蓋方式下玉米增產主要發(fā)生在生育后期。相反，傳統(tǒng)耕作每年全膜覆蓋處理在玉米開花灌漿期造成玉米根區(qū)極端高的土壤溫度[6, 8]，以及生育前期較高的土壤溫度加快玉米生長，造成水分養(yǎng)分過度消耗，后期水分養(yǎng)分供應不足，導致后期單一地膜覆蓋玉米根系及葉片發(fā)生早衰，降低光合作用而減小地上部光合同化物的累積與分配[15,17]。因此，在玉米生產田間管理中，可通過優(yōu)化栽培措施，調控作物生長發(fā)育動態(tài)，通過實現(xiàn)作物對資源的錯期利用維持并增強玉米生育后期的旺盛生長，延緩衰老而實現(xiàn)高產。

3.2 地膜秸稈交替覆蓋對玉米農田土壤水分利用特征的影響

近年來，隨著資源型缺水日趨緊迫，干旱氣候條件下，農業(yè)生產必須以水分高效利用為重心，而控制土壤蒸發(fā)是提高作物水分利用效率的重要途徑之一[3, 18]。采用地膜與秸稈覆蓋技術可以有效抑制土壤蒸發(fā)、降低無效耗水，增強水分利用的有效性[6]。本研究表明，耕作措施對玉米生育期內土壤蒸發(fā)量無顯著影響，覆蓋方式對玉米生育期內棵間蒸發(fā)量的效應達極顯著;無論免耕與傳統(tǒng)耕作，地膜秸稈交替覆蓋與全膜覆蓋和半膜無秸稈覆蓋相比，均能夠有效降低玉米農田棵間蒸發(fā)量。免耕舊膜覆蓋地膜完整度高于70%，再加上舊膜上覆蓋一薄層土壤抑制土壤蒸發(fā)的效應與傳統(tǒng)耕作相當。地膜秸稈交替覆蓋較半膜無秸稈覆蓋降低玉米農田棵間蒸發(fā)量，主要原因：第一，地表覆蓋增加了土壤與大氣間水熱交換的物理阻隔層，阻礙土壤與大氣層間的水分和能量交換，顯著降低土壤蒸發(fā)[19]；第二，玉米秸稈捆狀覆蓋減少生育前期的土壤水分散失，降低土壤溫度[16]，玉米生育前期生長緩慢，消耗水分與養(yǎng)分較少，隨著氣溫回升，生育前期剩余的土壤水分與養(yǎng)分促使玉米生長發(fā)育旺盛，在灌漿期保持較大的冠層，遮陰面積大，抑制土壤蒸發(fā)效果相對較好。與全膜覆蓋相比，地膜秸稈交替帶狀覆蓋仍然具有降低棵間蒸發(fā)量的優(yōu)勢，這是因為：第一，雖然全膜覆蓋，但機械覆膜導致地膜之間存在20～25 cm的無覆蓋間距，造成較大的水分蒸發(fā)，而地膜秸稈交替覆蓋措施地膜覆蓋帶與玉米秸稈覆蓋帶之間無縫隙，抑制土壤蒸發(fā)效應較好；第二，玉米秸稈捆狀覆蓋厚度約25 cm，而地膜覆蓋隨著時間的推移，地表覆蓋完整度逐漸降低，因而玉米秸稈捆狀覆蓋帶抑制土壤蒸發(fā)的效應強于地膜覆蓋帶。說明在河西綠洲灌區(qū)玉米“非膜不植”的生產背景下，可通過免耕地膜秸稈交替覆蓋實現(xiàn)土壤蒸發(fā)的有效抑制，是試區(qū)減少地膜投入而提高水分利用的可行措施。

地膜、秸稈覆蓋具有降低耗水的效應已被研究證實[3, 6]。本研究中，將耕作措施、地膜與秸稈覆蓋同步集成于玉米生產模式，研究表明，耕作措施對玉米全生育期總耗水量沒有造成顯著影響，但覆蓋方式對全生育期總耗水量影響顯著。地膜秸稈帶狀覆蓋較傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋降低了玉米全生育期總耗水量，這是因為：第一，與傳統(tǒng)全膜覆蓋相比，免耕地膜秸稈帶狀覆蓋模式中，秸稈覆蓋還田也可通過提高土壤水分入滲率及貯水量[20]，有效地抑制土壤蒸發(fā)；第二，免耕地膜秸稈交替覆蓋通過優(yōu)化土壤水熱特性，調控玉米生長發(fā)育動態(tài)而對水資源錯期利用，增強玉米需水與土壤供水的吻合度，有效降低玉米生育前期無效蒸發(fā)水分，增加玉米生育后期的有效蒸騰，使無效耗水轉化為有效耗水，為玉米籽粒灌漿提供充足的水分條件，增強籽粒灌漿，提高籽粒產量，進而提高水分利用效率[16]。進一步證實本研究得出的基本觀點，免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營養(yǎng)生長期(拔節(jié)～開花期)的耗水，增大了生育后期(開花～完熟期)的耗水量，有效協(xié)調玉米前后生育時期耗水互補、競爭關系，以免耕70%地膜/30%捆狀玉米秸稈覆蓋處理調控水分利用的效應較好。因此，在水資源嚴重短缺的干旱內陸河西綠洲灌區(qū)，在玉米生產中集成免耕地膜秸稈帶狀覆蓋技術有望緩解玉米需水與供水矛盾，為試區(qū)玉米高效生產提供理論與實踐依據(jù)。

4 結 論

西北綠洲灌區(qū)地膜秸稈帶狀覆蓋集成免耕措施具有顯著的增產效應，以免耕70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋(NTP7S3)增產效應較好，比地方習慣生產模式傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋(CTP)增產4.6%。相對于傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋，地膜秸稈交替覆蓋降低了玉米農田棵間蒸發(fā)量，以NTP7S3處理抑制土壤蒸發(fā)效果較好，且降低棵間蒸發(fā)量主要源于秸稈覆蓋對土壤水分蒸發(fā)起到較好的抑制作用。免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營養(yǎng)生長期(拔節(jié)～開花期)的耗水量，增大了生育后期(開花～完熟期)的耗水量，有效協(xié)調玉米前后生育時期耗水互補、競爭關系，以NTP7S3處理調控水分利用的效應較好，與對照(CTP)相比，降低了全生育期總耗水量與棵間蒸發(fā)量占總耗水量之比(E/ET)，提高水分利用效率。免耕地膜秸稈帶狀覆蓋替代地方習慣傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋種植能夠實現(xiàn)玉米產量和水分利用效率提高，為水資源短缺、地膜投入量較高的西北綠洲灌區(qū)玉米生產過程中實現(xiàn)地膜減投增產增效提供理論與實踐依據(jù)。