齊智娟 宋 芳 張忠學(xué) 劉 明 尹致皓 李 驁

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

玉米是我國(guó)第一大作物，是確保國(guó)家糧食安全的重要支撐[1]。東北地區(qū)是我國(guó)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(fēng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫變化幅度大的氣候特點(diǎn)，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(zhǎng)的良好水熱環(huán)境，確保糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)是一項(xiàng)重要的研究課題。隨著黑土地保護(hù)的重要性日益凸顯，保護(hù)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(hù)性耕作對(duì)土壤水熱效應(yīng)及玉米產(chǎn)量的影響，對(duì)于科學(xué)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(hù)性耕作計(jì)劃(2020—2025)”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮重要技術(shù)支撐作用。

耕作方式主要通過(guò)對(duì)土壤不同形式和程度的擾動(dòng)改變其內(nèi)部通透性、土壤水分以及土壤溫度等因素進(jìn)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(jī)作業(yè)次數(shù)，同時(shí)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(jī)質(zhì)，又能改善土壤結(jié)構(gòu)和通氣性、有益于土壤微生物和動(dòng)物活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)黑土地保護(hù)與利用的重要技術(shù)手段[4-5]。東北黑土區(qū)屬于高緯度寒區(qū)，春季播種時(shí)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(zhì)能夠維持土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使土壤水氣協(xié)調(diào)，進(jìn)而改善土壤水熱條件，降低土壤水分的無(wú)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(jī)質(zhì)的分解[14]。長(zhǎng)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(wú)秸稈還田處理，可以有效提高玉米各個(gè)時(shí)期的干物質(zhì)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(zhì)積累11.3%，并且能夠提高11.2%干物質(zhì)積累速率[18]。由此可見(jiàn)，目前關(guān)于黑土區(qū)保護(hù)性耕作的研究，多集中在不同秸稈還田方式對(duì)土壤理化性質(zhì)及氮素吸收利用的影響上，關(guān)于不同耕作措施和秸稈還田方式對(duì)黑土玉米田土壤水熱狀況的影響鮮有報(bào)道。

本文結(jié)合東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)耕作措施發(fā)展特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置不同保護(hù)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(duì)土壤水熱變化的影響，明確不同保護(hù)性耕作措施的水熱效應(yīng)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(zhǎng)提供技術(shù)方法和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2021年4—10月在黑龍江省水利科技試驗(yàn)研究中心(45°43″N，126°36″E)進(jìn)行，平均海拔為137 m。該試驗(yàn)地屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降水量集中，易發(fā)生春旱。試驗(yàn)站多年平均氣溫-4～5℃，無(wú)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(yàn)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(yàn)區(qū)0～40 cm 土層土壤基礎(chǔ)肥力如表1所示，試驗(yàn)區(qū)初始土壤溫度及含水率如表2所示。0～100 cm土層內(nèi)平均田間持水率(占干土質(zhì)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(yàn)區(qū)0～40 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力Tab.1 Basic fertility of 0～40 cm soil of experimental area

表2 試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)基于玉米秸稈全量還田和免耕播種為核心的黑土地保護(hù)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(duì)照，試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)播種帶的玉米秸稈進(jìn)行整理歸行，實(shí)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(shí)，將秸稈粉碎覆蓋于地表，通過(guò)旋耕作業(yè)將粉碎后的玉米秸稈旋入表層土壤。

圖1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematics of experimental treatment design

各處理參考文獻(xiàn)[20-22]設(shè)定，結(jié)合當(dāng)?shù)赜衩追N植經(jīng)驗(yàn)，施用氮肥250 kg/hm2(尿素，含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46%)，按照基肥40%，拔節(jié)期30%，灌漿期30%進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)方法，共計(jì)4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)排列，每個(gè)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(yàn)區(qū)無(wú)灌溉，玉米生育期內(nèi)日氣溫與降雨量變化如圖2所示。

圖2 玉米生育期內(nèi)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(cè)定指標(biāo)與方法

含水率和溫度測(cè)定：埋設(shè)ET100型土壤水熱自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間土壤體積含水率和溫度變化。監(jiān)測(cè)時(shí)期從播種前開始到收獲后結(jié)束，每1 h測(cè)定1次，數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)記錄。測(cè)定深度為0～100 cm土層，每10 cm一組數(shù)據(jù)。

產(chǎn)量及其構(gòu)成測(cè)定：收獲期取各小區(qū)中間2行進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，記錄穗數(shù)，并隨機(jī)選擇20個(gè)果穗記錄每穗行數(shù)和每行粒數(shù)，風(fēng)干玉米穗部至質(zhì)量恒定，進(jìn)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(jì)算：試驗(yàn)采用水量平衡法對(duì)玉米生育期耗水量(ET)進(jìn)行計(jì)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(chǔ)水量差值，mm

P——玉米生育期內(nèi)有效降雨量，mm

I——生育期灌水量，mm

G——地下水補(bǔ)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(dāng)降雨量大于當(dāng)日參考蒸發(fā)蒸騰量的0.2倍時(shí)[23]，即為有效降水。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深較大，超過(guò)5 m，因此地下水補(bǔ)給量忽略不計(jì)[24]，且試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，無(wú)地表徑流產(chǎn)生。根據(jù)FAO56分冊(cè)[23]，可假定降雨或灌溉先補(bǔ)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(jì)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(jì)算：測(cè)定地上部干物質(zhì)量和植株氮含量，成熟期則分營(yíng)養(yǎng)器官和籽粒兩部分測(cè)定氮含量。相關(guān)參數(shù)計(jì)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(xué)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；圖表中不同指標(biāo)間差異采用單因素方差分析，運(yùn)用最小顯著差異法(Least significant difference, LSD)進(jìn)行多重比較(α=0.05)；產(chǎn)量構(gòu)成要素之間的關(guān)系采用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 保護(hù)性耕作對(duì)土壤含水率的影響

不同保護(hù)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(jìn)，土壤體積含水率有下降的趨勢(shì)，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L(zhǎng)M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(hù)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(yīng)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(hù)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(hù)性耕作對(duì)土壤溫度的影響

不同保護(hù)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(gè)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(shì)。在玉米抽雄期和灌漿期(抽灌期)氣溫達(dá)到了整個(gè)生育期的峰值，此時(shí)10 cm土層LN處理土壤溫度最高，較保護(hù)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(yīng)降低，0～60 cm土層平均土壤溫度由大到小依次為L(zhǎng)M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(hù)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(gè)土層土壤溫度均隨土層深度的增加而降低。

表4 不同保護(hù)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(hù)性耕作對(duì)耕層土壤水熱動(dòng)態(tài)變化的影響

如圖3所示，保護(hù)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(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)發(fā)生降雨時(shí)，土壤含水率達(dá)到該段時(shí)期內(nèi)的峰值。各處理耕層的土壤溫度呈先增后減的變化趨勢(shì)，7月中下旬達(dá)到峰值，此時(shí)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(nèi)，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(shí)間的變化規(guī)律與含水率的變化趨勢(shì)相反，當(dāng)土壤含水率升高時(shí)，土壤溫度有所降低。

圖3 玉米生育期內(nèi)降雨量及不同保護(hù)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(hù)性耕作對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

不同保護(hù)性耕作方式下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成如表5所示。不同保護(hù)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L(zhǎng)M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(dá)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(zhì)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(zhì)量由大到小依次為L(zhǎng)M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(duì)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(zhì)量、干物質(zhì)量和產(chǎn)量均最高。不同保護(hù)性耕作方式下玉米產(chǎn)量的變異系數(shù)由小到大依次為L(zhǎng)M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(guò)Pearson相關(guān)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(guān)，百粒質(zhì)量與干物質(zhì)量在0.05水平上顯著正相關(guān)，穗行數(shù)與百粒質(zhì)量、干物質(zhì)量，以及產(chǎn)量與百粒質(zhì)量Pearson相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.1～0.3的范圍內(nèi)，為弱相關(guān)關(guān)系，穗粒數(shù)與百粒質(zhì)量、干物質(zhì)量，產(chǎn)量與果穗行粒數(shù)、干物質(zhì)量Pearson相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值在0.3～0.5的范圍內(nèi)，為中度相關(guān)關(guān)系。

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

2.5 保護(hù)性耕作對(duì)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(hù)性耕作處理較LN處理生育期內(nèi)耗水量顯著減少27～42 mm，WUE顯著提高7.26%～12.90%。3種保護(hù)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(guān)指標(biāo)氮肥農(nóng)學(xué)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(biāo)[25]，保護(hù)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(xiàng)指標(biāo)分別高9.25%、3.15%、25.00%、7.69%、54.39%。

表6 不同保護(hù)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(hù)性耕作技術(shù)是黑土地保護(hù)利用的一種重要技術(shù)措施，該項(xiàng)技術(shù)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(zhǎng)的重要因素[27]，因此探明保護(hù)性耕作對(duì)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(nèi)，保護(hù)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(yáng)對(duì)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(guò)程中會(huì)吸收并保持水分，同時(shí)，秸稈還田能夠降低玉米棵間蒸發(fā)量[29]。保護(hù)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L(zhǎng)M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(shí)壟溝可以蓄積雨水，壟溝間易于形成土壤水勢(shì)差，有利于調(diào)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?yàn)長(zhǎng)M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?yàn)檫M(jìn)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(shí)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(wú)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(cái)?shù)萚31]在探究秸稈覆蓋還田及腐解率對(duì)土壤溫濕度與玉米產(chǎn)量的影響試驗(yàn)中得到了相同的結(jié)論。此外，保護(hù)性耕作處理全生育期內(nèi)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?yàn)镕M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(yán)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(hù)性耕作措施對(duì)0～30 cm土壤含水率的影響最為顯著，這與本研究結(jié)果一致。陳昊等[34]在分析不同秸稈還田方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響時(shí)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(yàn)中FM處理得到的結(jié)果不同，這可能是因?yàn)镕M處理上層水分蒸發(fā)消耗較多，導(dǎo)致土壤下層水分不斷向上層補(bǔ)給以供作物吸收利用[35]，導(dǎo)致該處理深層土壤的含水率較低。綜上，保護(hù)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(yáng)輻射、生物熱量和地球內(nèi)熱的影響，與太陽(yáng)輻射相比生物熱量和地球內(nèi)熱對(duì)土壤溫度的影響較小[33]，因此本試驗(yàn)土壤溫度主要考慮源自太陽(yáng)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(yáng)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(jìn)，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(hù)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(yáng)輻射、大氣溫度與土壤熱學(xué)性質(zhì)相互作用的結(jié)果，抽灌期玉米已封冠太陽(yáng)輻射無(wú)法直達(dá)地面，因此由太陽(yáng)輻射引起的土壤溫度變化各處理幾乎相同，但是該時(shí)期降雨較多，受秸稈的影響抽灌期保護(hù)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(qiáng)度增大等因素導(dǎo)致土壤熱學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而引起保護(hù)性耕作處理的土壤溫度降低[37]。本研究中，當(dāng)氣溫升高時(shí)保護(hù)性耕作處理土壤溫度較LN處理顯著降低，當(dāng)成熟期氣溫降低時(shí)，保護(hù)性耕作處理土壤溫度有了明顯的升高，王順霞等[38]在針對(duì)不同覆蓋處理對(duì)旱地玉米田土壤環(huán)境、玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素影響的分析中也發(fā)現(xiàn)了相同現(xiàn)象，這表明當(dāng)氣溫上升至極點(diǎn)時(shí)保護(hù)性耕作可以起到降溫的作用，而氣溫下降時(shí)，保護(hù)性耕作對(duì)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(yáng)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(guò)程中溫度遞減，進(jìn)入抽灌期氣溫上升到極點(diǎn)以后開始下降，LX處理和LN處理地表無(wú)覆蓋層，土壤表層向空氣中散失的熱量遠(yuǎn)大于來(lái)自太陽(yáng)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(dāng)土壤溫度過(guò)高時(shí)將會(huì)降低玉米根系的活性，影響玉米植株正常的生理活動(dòng)以及對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收代謝，從而影響產(chǎn)量[39]，因此采用適宜的保護(hù)性耕作方式，改善作物生育期內(nèi)土壤水熱環(huán)境對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，保護(hù)性耕作能夠提高玉米產(chǎn)量[40-41]，并以變異系數(shù)來(lái)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(hù)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(guān)性分析中產(chǎn)量與干物質(zhì)量相關(guān)系數(shù)為0.452，為中度相關(guān)關(guān)系，保護(hù)性耕作處理較LN處理增加了9.31%～21.85%干物質(zhì)量。這是因?yàn)榻斩掃€田改善了土壤的水熱狀況，有利于玉米的生長(zhǎng)，秸稈后期的增溫效應(yīng)有效延緩了植株根系衰老，延長(zhǎng)了玉米植株對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)了干物質(zhì)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(dòng)，這可能是因?yàn)長(zhǎng)X處理土壤里的秸稈增大了玉米出苗時(shí)的阻力，使產(chǎn)量變化較大，進(jìn)而增大了變異系數(shù)[44]。綜上，保護(hù)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(jìn)玉米干物質(zhì)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?yàn)槲锤獾臍堄嘟斩捘軌蛭胀寥乐卸嘤嗟乃?，增加了土壤的貯水量[45]，關(guān)小康等[46]指出，提高作物水分利用效率的關(guān)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(hù)性耕作處理WUE均高于LN處理，這是因?yàn)榻斩掃€田可以有效保持土壤水分，降低無(wú)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(hù)性耕作處理下氮肥農(nóng)學(xué)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(xiàng)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(xiàng)指標(biāo)均高于LX處理。這表明保護(hù)性耕作能夠有效促進(jìn)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(duì)氮素的吸收利用，該結(jié)果與已有研究結(jié)果一致[49]。綜上，保護(hù)性耕作能夠提高水分利用效率，并促進(jìn)植株、籽粒對(duì)氮素的吸收利用，以秸稈覆蓋還田效果最佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于大田試驗(yàn)，以常規(guī)耕作秸稈離田作為對(duì)照，探究了FM處理、LM處理、LX處理3種保護(hù)性耕作方式對(duì)東北寒地黑土區(qū)土壤水熱狀況和玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：保護(hù)性耕作方式可以顯著改善玉米生育期內(nèi)土壤水熱狀況，優(yōu)化玉米生長(zhǎng)過(guò)程中土壤水熱環(huán)境，具有良好的蓄水保墑、調(diào)節(jié)土壤溫度的作用。保護(hù)性耕作方式增加了玉米生育期內(nèi)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(shí)也顯著提高了玉米水分利用效率與植株對(duì)氮的吸收利用。保護(hù)性耕作方式的保溫效應(yīng)促進(jìn)了玉米干物質(zhì)與產(chǎn)量的積累。3種保護(hù)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(guān)鍵期土壤水熱環(huán)境、促進(jìn)玉米生殖生長(zhǎng)和提高玉米產(chǎn)量方面效果最為顯著，本試驗(yàn)可為東北寒地黑土區(qū)玉米種植過(guò)程中保護(hù)性耕作方式的選取提供參考。