呂瑩瑩，馬建濤，李亞偉，黃金文，常磊，程宏波，柴守璽

（1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學與技術(shù)學院，甘肅蘭州 730070）

西北半干旱地區(qū)是我國最重要的旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)之一［1］，但該區(qū)水資源短缺，降水時空分布不均，且田間蒸發(fā)量大，使該區(qū)農(nóng)作物遭受干旱脅迫，造成作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)［2-4］。因此，采取有效的蓄水保墑措施，抑制土壤水分無效蒸發(fā)，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率是該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展必由之路［5-6］。

地表覆蓋是西北半干旱區(qū)運用最廣泛的抗旱保墑栽培技術(shù)，地膜覆蓋和秸稈覆蓋占主導(dǎo)地位。覆蓋能有效抑制土壤蒸發(fā)［7-9］，協(xié)調(diào)作物生長供水、需水矛盾，并能促進對深層水分的利用［10］，從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［11-13］。地膜覆蓋具有顯著的增溫保墑、抑制蒸發(fā)、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的作用［14］，在旱作農(nóng)區(qū)能使小麥、馬鈴薯、玉米增產(chǎn)32.9%～53.2%［15］，對我國糧食安全做出了巨大貢獻。但地膜覆蓋可導(dǎo)致夏季膜內(nèi)土壤溫度較高，使作物易遭受高溫脅迫［16-17］，造成作物減產(chǎn)現(xiàn)象；同時覆膜種植帶來的“白色污染”與當前農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展不符［18-20］。秸稈覆蓋具有綠色、環(huán)保、抑蒸保墑［21］、調(diào)節(jié)地溫的作用［22］，同時長期使用可改善耕層土壤結(jié)構(gòu)［23］，能為作物生長創(chuàng)造良好的條件，最終提高作物產(chǎn)量［11，23］，且秸稈還田實現(xiàn)了農(nóng)田廢棄物等資源的合理利用［24］。戴皖寧等［25］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋可以使春玉米生長進程加快，與不覆蓋對照相比，穗長、穗粗等產(chǎn)量構(gòu)成要素均顯著增加，最終使籽粒產(chǎn)量顯著提高9.1%；曾木祥等［26］研究表明，秸稈還田使產(chǎn)量增加12.0%～18.0%，土壤水分提高1.6%～2.9%；但也有研究認為，秸稈覆蓋雖然增加了土壤水分，但秸稈過量覆蓋或不合理的覆蓋方式會對作物的出苗或生長發(fā)育產(chǎn)生負面效應(yīng)，影響出苗和正常生長，造成減產(chǎn)。Lu等［27］研究表明，秸稈覆蓋使春玉米產(chǎn)量下降18.0%～26.0%，水分利用效率降低16.0%～21.0%；陳素英等［28］研究發(fā)現(xiàn)，覆秸稈會降低根區(qū)溫度而抑制穗分化，使冬小麥穗數(shù)降低22.1%、千粒質(zhì)量下降3.1%，進而使產(chǎn)量平均下降7.0%?？梢娊斩捀采w增產(chǎn)是有條件的，在西北半干旱地區(qū)應(yīng)根據(jù)秸稈覆蓋的適用條件謹慎選擇適宜的覆蓋栽培措施，從而充分發(fā)揮秸稈覆蓋的增產(chǎn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)作物秸稈年產(chǎn)量達8.82×107t；其中，用于還田的不到50.0%，焚燒和廢棄的秸稈占剩余量的大多數(shù)，不僅污染環(huán)境，還浪費了大量資源［29］。因此秸稈的資源利用受到越來越多的關(guān)注。為此，本研究團隊創(chuàng)建了玉米秸稈帶狀覆蓋栽培技術(shù)，該技術(shù)已在小麥［30］和馬鈴薯［31］廣泛應(yīng)用，保墑增產(chǎn)效果顯著，但在旱地玉米上應(yīng)用效果如何，有待進一步深入探討。

因此，本研究在西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)典型代表區(qū)，以春玉米GY228為研究對象，利用大田試驗，設(shè)置玉米秸稈帶狀覆蓋、白膜雙壟溝覆蓋、黑膜雙壟溝覆蓋處理和露地對照，研究不同覆蓋處理對土壤水分利用和玉米籽粒產(chǎn)量的影響，以進一步明確和完善秸稈帶狀覆蓋栽培技術(shù)增產(chǎn)機理，為玉米秸稈帶狀覆蓋高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年4月～2020年10月在甘肅省通渭縣甘肅農(nóng)業(yè)大學試驗基地（N 35°11′，E 105°19′）進行，該地區(qū)為典型的旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，平均海拔1 750 m，無霜期120～160 d，年平均溫度7.2℃，屬中溫帶半干旱氣候。多年平均降雨量為390.7 mm，土壤類型為黃綿土，0～200 cm平均土壤容重為1.25 g/cm3，0～20 cm土壤有機質(zhì)量為10.5 g/kg，速效氮量為5.5 g/kg，速效磷量為10.6 mg/kg，速效鉀量為107.6 mg/kg，土壤pH為8.5（2.5∶1）。

2020年全年降水總量為446.2 mm，其中在玉米生育期內(nèi)有效降雨（≥5 mm）為395.5 mm，占全年降水量的88.0%，試驗?zāi)甓冉邓渑?，屬于豐水年。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置白膜雙壟溝覆蓋（BM）、黑膜雙壟溝覆蓋（HM）、秸稈帶狀覆蓋（SM）和露地無覆蓋（CK）4個處理，小區(qū)種植面積均為150 m2（10 m×15 m），隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)，各處理均人工穴播，播種密度均為52 500株/hm-2。供試材料為早熟春玉米品種“GY228”，具體栽培模式如下：

秸稈帶狀覆蓋（SM）：在玉米播種前于小區(qū)內(nèi)分別設(shè)置秸稈覆蓋帶和種植帶，覆蓋帶：種植帶為50 cm∶70 cm，兩帶相間排列。在秸稈覆蓋帶上鋪入風干玉米秸稈，覆蓋量約為9 000 kg/hm2，；每種植帶在距離秸稈邊緣10 cm處按“品”字型穴播2行玉米，行距60 cm，株距30 cm。玉米收獲后，覆蓋秸稈打碎還田。

白膜雙壟溝覆蓋（BM）：采用白色聚乙烯塑料膜（幅寬1.2 m，厚度0.01 mm）進行雙壟溝覆蓋。雙壟溝大壟寬0.8 m，高0.15 m，小壟寬0.4 m，高0.1 m，在大壟中間預(yù)留0.1 m滲水帶，膜間用土壓實。在大壟兩側(cè)10 cm位置呈“品”字型穴播2行玉米，種植行距為60 cm，株距為30 cm。

黑膜雙壟溝覆蓋（HM）：采用黑色聚乙烯塑料膜（幅寬1.2 m，厚度0.01 mm）進行雙壟溝覆蓋。其余與白膜雙壟溝覆蓋相同。

露地無覆蓋（CK）：露地平作，播種時按60 cm等行距呈“品”字形種植，株距30 cm。

試驗地前茬作物為馬鈴薯，在馬鈴薯收獲后對試驗地進行深翻1次（耕深0.3 m），旋耕1次（耕深0.2 m），后進行覆膜、覆稈。各處理均施尿素（N 46.4%）261 kg/hm2、磷酸二銨（P2O546%，N 18%）326 kg/hm2，全部作為基肥在旋耕整地前一次性施入，在玉米各生育時期均不再追肥。試驗于2020年4月20日播種，10月10日收獲。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤含水量測定在玉米播種前1 d、出苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄-吐絲期、灌漿期和成

熟期，分8個土層（0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm），用直徑為5 cm的土鉆分別在種植帶中間取土壤樣品稱質(zhì)量（T1），用烘箱在（105±0.5）℃的恒溫下將土壤烘干至恒質(zhì)量（T2），并計算土壤質(zhì)量含水量。

式中：T1為濕土質(zhì)量，T2為干土質(zhì)量。

1.3.2 土壤貯水量計算

式中：W為土壤貯水量（mm），h為土層厚度（cm），ρ為土壤容重（g/cm3），ω為土壤質(zhì)量含水量（%）。

1.3.3 農(nóng)田耗水量計算

式中：ET為玉米全生育期耗水量（mm），P為生育期內(nèi)有效降雨量（mm），W1、W2分別為播種前和收獲期土壤貯水量（mm）。

1.3.4 產(chǎn)量測定待作物成熟后按小區(qū)測定各處理產(chǎn)量。各小區(qū)取樣20株風干，進行室內(nèi)考種，沿根莖結(jié)合處剪去根系后，分別測定籽粒產(chǎn)量、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量、行粒數(shù)和穗行數(shù)、株高、單株生物量等指標。

1.3.5 水分利用效率計算

式中：WUE作物水分利用效率（kg/（mm·hm2）），Y為玉米經(jīng)濟產(chǎn)量（kg/hm2），ET為玉米耗水量（mm）。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，差異顯著性采用LSD法進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 全生育期0～200 cm土壤平均含水量

比較全生育期0～200 cm土壤平均含水量，覆蓋處理具有顯著增墑效應(yīng)（P<0.05）（圖1）。地膜覆蓋的增墑效應(yīng)好于秸稈帶狀覆蓋。與CK相比，在全生育期內(nèi)，SM、HM和BM覆蓋處理的土壤平均含水量分別增加6.7%、7.9%和8.%。可見，秸稈帶狀覆蓋具有與地膜覆蓋相似的增墑效應(yīng)。

圖1 全生育期0～200 cm土壤平均含水量Figure 1 Mean soil water contentin 0～200 cm soil layer sat whole growth stages

2.2 不同生育時期0～200 cm土壤平均含水量

由圖2可見，0～200 cm土壤平均含水量表現(xiàn)出明顯階段差異性。具體來講，隨著生育時期的推進，各覆蓋處理一致表現(xiàn)出：從播種期到拔節(jié)期，0～200 cm土體含水量緩慢升高，土壤水分狀況最好的時期是拔節(jié)期，拔節(jié)期后隨著作物耗水量的加劇和氣溫的不斷升高，含水量逐漸下降，其后由于降水補充，各處理土壤含水量又緩慢上升。

圖2 玉米各生育時期0～200cm土壤平均含水量Figure 2 Mean soil water content in 0～200 cm soil layers at different growth stages

覆蓋處理在0～200 cm土壤平均含水量對各生育時期的增墑效應(yīng)明顯。各覆蓋處理中，與CK相比，SM、HM和BM在拔節(jié)期的土壤含水量提高12.1%、16.9%和14.9%；在大喇叭口期的土壤含水量提高10.9%、8.1%和11.4%；在抽雄-吐絲期的土壤含水量提高10.2%、10.9%和9.2%。覆蓋處理間，SM在拔節(jié)期增墑幅度低于BM（0.6%）和HM（1.0%）；在大喇叭口期增墑幅度高于HM（0.5%），低于BM（0.1%）、在灌漿期低于HM（0.6%）和BM（0.3%），而其他時期則相近。

比較各處理間0～200 cm土壤平均含水量在生育時期間的變異系數(shù)依次為：HM（11.3%）>BM（10.3%）>SM（10.7%）>CK（7.6%），結(jié)果表明，秸稈和地膜均加劇了土壤水分在生育時期間的波動，供水穩(wěn)定性低于CK，HM在各生育時期內(nèi)的水分波動大于BM。

2.3 全生育期各土層土壤平均含水量差異

覆蓋能顯著提高各土層土壤平均含水量，全生育期各土層平均含水量差異顯著（P<0.05）（圖3）。覆蓋各處理在0～200 cm的土壤含水量均分別比CK高6.8%～7.9%。0～200 cm土壤平均含水量隨土層加深呈先升后降趨勢，以40～60 cm土層含水量最高，180～200 cm土層含水量最低。

圖3 不同土層全生育期土壤平均含水量Figure 3 Mean soil water content of different soil layers in whole growth period

覆蓋處理對各土層的增墑效應(yīng)明顯，但土層間增墑表現(xiàn)因覆蓋材料不同存在差異。具體來講，與CK相比，SM、HM和BM在上層（0～60 cm）土體平均含水量分別增加2.4%、5.2%和3.8%；中層（60～120 cm）土壤含水量分別增加6.6%、7.8%和7.9%；下層（120～200 cm）土壤含水量分別增加9.7%、10.0%和11.4%。

比較各處理間0～200 cm土壤平均含水量在各土層變異系數(shù)依次為：CK（4.2%）>HM（3.0%）>BM（2.5%）>SM（2.4%）。表明覆蓋平抑了土壤水分在土層間的波動。

2.4 土壤水分的時空變化

比較各處理在不同生育時期、土層含水量的時空動態(tài)差異（圖4），地表覆蓋能有效改善玉米在不同時期、土層土壤剖面水分的變化。

圖4 不同生育時期土層的土壤平均含水量Figure 4 The mean soil moisture content of different growth stages and soil layer

苗期，植株幼小，葉片增長緩慢，需水少，地面裸露面積大，受春寒旱的影響，水分消耗主要以土壤無效蒸發(fā)為主，各覆蓋處理在0～200 cm土壤含水量整體較低。由于覆蓋的保墑作用，地膜覆蓋和秸稈帶狀覆蓋的多數(shù)土層含水量均好于CK；與CK相比，SM、HM和BM的土壤平均含水量分別增加1.5%、3.2%和8.4%。

拔節(jié)期，由于降雨量充足，再加之受不同覆蓋材料的影響，各覆蓋處理土層間含水率明顯高于CK，地膜覆蓋土層含水率顯著高于秸稈覆蓋及CK，其中黑膜覆蓋在0～90 cm土層含水率好于白膜覆蓋，但差異不顯著；與CK相比，SM、HM和BM的土壤平均含水量分別增加12.1%、17.4%和15.0%。

在大喇叭口期，是玉米生長及營養(yǎng)需求的關(guān)鍵時期，群體逐漸變大，植株生長需水量與蒸發(fā)量與日俱增，玉米根系對土壤對水分需求迫切，各處理淺層的土壤含水量與拔節(jié)期相比明顯降低，同時受降雨和溫度的影響，各覆蓋處理的土壤含水量略高于CK，在0～40 cm土層土壤含水量與對照（CK）差異不顯著（P>0.05）；SM、HM和BM在0～200 cm土壤含水率平均分別較CK增加10.9%、8.1%和11.4%。

在抽雄-吐絲期，葉片面積達到最大，作物對水分需求迫切，土壤水分的消耗以植物蒸騰為主。BM、HM和SM處理0～200 cm土層平均含水量分別為22.6%、22.9%和22.6%，對照為20.7%。受降雨的補給，0～60 cm土層土壤含水量與對照（CK）差異不顯著（P>0.05）；與CK相比，SM、HM和BM的土壤含水量平均分別增加10.2%、11.0%和9.2%。

灌漿期，各覆蓋處理間土壤含水量較上一個時期有所下降，BM、HM和SM處理0～200 cm土層平均含水量分別為20.1%、21.4%和20.8%，CK為19.7%；受降雨的影響，0～200 cm土層土壤含水量無顯著差異。與CK相比，SM、HM和BM的土壤含水量平均分別增加5.4%、8.5%和7.1%。

收獲期，由于受降雨的補給，各覆蓋處理的含水量較上一個時期有所提升。與CK相比，秸稈、黑膜和白膜覆蓋的含水量分別增加6.1%、6.0%和5.7%。

2.5 覆蓋對產(chǎn)量和水分利用效率的影響

覆蓋能明顯提高玉米產(chǎn)量（表1）。與CK相比，SM、HM和BM分 別 增 產(chǎn) 了10.2%、21.7%和25.4%。覆蓋顯著提高了百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量、穗行數(shù)和行粒數(shù)，與CK相比，SM、HM和BM處理百粒質(zhì)量分別增加了20.7%、20.3%和13.1%，穗粒數(shù)分別較CK提高了9.1%、2.8%、7.6%。同時，單株粒質(zhì)量變異系數(shù)最大（8.5%），百粒質(zhì)量次之（8.5%）穗粒數(shù)變異最?。?.0%）。相關(guān)分析表明，籽粒產(chǎn)量與百粒質(zhì)量（0.807??）、單株粒重（0.707?）呈顯著或極顯著正相關(guān)，與穗粒數(shù)相關(guān)不顯著（0.373）（相關(guān)表略）?？梢?，旱地玉米增產(chǎn)主要原因是提高百粒質(zhì)量。

表1 產(chǎn)量、產(chǎn)量要素及主要生長指標間差異Table 1 The difference between yield and yield components and main growth indexes

覆蓋能顯著提高玉米水分利用效率（WUE）。與CK相比，SM、HM和BM處理水分利用效率分別提高了22.9%、34.6%和39.8%，覆蓋處理間比，地膜覆蓋平均較SM顯著提高11.6%。相關(guān)分析表明（相關(guān)表略），玉米產(chǎn)量與WUE（0.958??）呈顯著或極顯著正相關(guān)，與耗水量呈（-0.634?）呈負相關(guān)。

3 討論

本試驗地區(qū)春玉米生長季與雨季重合，生育期降水對玉米生長發(fā)育至關(guān)重要。因此，圍繞如何最大限度蓄集玉米生育期有效降水，提高無效降水的有效轉(zhuǎn)化率，達到高產(chǎn)目標，是西北旱農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待研究解決的問題。

地表覆蓋可有效降低土壤水分蒸發(fā)，明顯改善土壤水分狀況［7-8，32］、增加土壤貯水量，進而提高作物水分利用效率和產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能改善玉米生育期0～200 cm土壤水分狀況，有效抑制土壤水分蒸發(fā)，不同覆蓋材料在不同時期和土層均具有增墑或降墑的雙重效應(yīng)，覆蓋材料間增墑效果相似，均能有效提高土壤的水分含量［2，33］，這與李麗［34］和宋亞麗［35］研究結(jié)果一致。

表2 不同覆蓋處理玉米耗水量和水分利用效率Table 2 Evapotranspiration and water use efficiency of maize under different mulching treatments

研究表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能有效改善土壤水分狀況，從而促進作物生長發(fā)育，顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率。Zhou等［36］研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋主要通過增加春玉米穗粒數(shù)而提高產(chǎn)量，這與本試驗研究結(jié)果不一致，在本試驗中，地膜覆蓋處理主要是通過提高玉米的百粒質(zhì)量來提高產(chǎn)量。原因可能為該年春玉米灌漿時降雨較多，水分充足，溫度降低，延長了玉米灌漿的時間。趙嘉濤等［37］研究表明，普通地膜和生物可降解地膜的產(chǎn)量分別比不覆蓋處理提高了29.7%和23.6%，水分利用效率提高43.8%和33.3%。也有研究表明，白色地膜的產(chǎn)量高于黑色地膜，但兩者之間無顯著差異。在秸稈覆蓋試驗中，眾多試驗表明，與無覆蓋露地處理相比，秸稈覆蓋處理表現(xiàn)為增產(chǎn)，劉長源［38］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能提高玉米產(chǎn)量，但是增產(chǎn)幅度不及地膜覆蓋，這與本試驗的研究結(jié)果一致，在本試驗中，地膜的增產(chǎn)幅度高于秸稈帶狀覆蓋，黑膜覆蓋處理的產(chǎn)量雖低于白膜覆蓋處理，但二者之間差異不顯著，秸稈帶狀覆蓋較CK增加了產(chǎn)量，但是提升效果并未達到地膜覆蓋處理水平，這可能是地膜覆蓋和秸稈帶狀覆蓋的增產(chǎn)機制不同，玉米作為喜溫作物，地膜覆蓋使農(nóng)田形成了相對封閉的膜內(nèi)環(huán)境，改變了土壤溫度狀況，阻礙了土壤水分直接向近面大氣接觸的通道，為作物生長創(chuàng)造了更有利的環(huán)境。秸稈帶狀覆蓋可以延緩地表熱量的散失，使最高溫度降低，最低溫度提高，對玉米的幼苗起到一定的保護作用，同時秸稈覆蓋增加了地表粗糙度，可將雨水暫時儲存在秸稈中，使其緩慢滲入土壤，再加之秸稈的腐爛還田，會改善土壤條件，有利于玉米生長發(fā)育，最終提高玉米產(chǎn)量。另外，該試驗?zāi)隇樨S水年，覆蓋在平水年、干旱年對旱地玉米籽粒產(chǎn)量、土壤水分變化和水分利用效率的影響和豐水年是否相似仍需進一步探討。

從田間生產(chǎn)綜合考慮，雖地膜覆蓋技術(shù)在增產(chǎn)幅度以及土壤水分利用效率方面優(yōu)于秸稈帶狀覆蓋，但二者蓄水保墑效應(yīng)基本一致，同時秸稈帶狀覆蓋技術(shù)具有生態(tài)環(huán)保、降溫抑蒸、培肥地力的作用，能夠有效解決秸稈資源閑置的問題，符合國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的要求。

4 結(jié)論

覆膜和秸稈帶狀覆蓋能有效改善玉米生育期土壤水分狀況，增墑效果地膜覆蓋和秸稈覆蓋相似，覆膜和秸稈帶狀覆蓋均顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率，覆蓋增產(chǎn)的主要因素是增加百粒質(zhì)量。因此，秸稈帶狀覆蓋種植模式能改善土壤墑情，顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率，可在西北旱地玉米秸稈資源富裕區(qū)推廣應(yīng)用。