秸稈覆蓋量對玉米土壤熱環境及生長的影響

武 術，白 靜，包曙明，徐海彬，曹寶海

(1.內蒙古通遼市水利規劃設計研究院， 內蒙古 通遼 028000；2.中國灌溉排水發展中心，北京 100054； 3. 內蒙古通遼市烏力吉木仁水利樞紐工程管理處， 內蒙古 通遼 028000)

東北玉米帶是世界三大“黃金玉米帶”之一，也是我國重要的糧食生產基地[1]，玉米產量占全國總產量的32%。隨著我國節水農業的不斷發展，膜下滴灌技術憑借其增溫保墑、節水增產的良好效應，在該地區得到了大面積的推廣應用。但隨之而來的是大量塑料地膜殘留所造成的“白色污染”問題愈發嚴重[2]，不僅污染了當地環境，而且隨著殘膜量的逐年累積會對土壤物理特性產生不良影響[3]，最終影響玉米產量[4]。因此，在應用滴灌的同時找到一種替換地膜覆蓋的材料，對于該地區農業可持續發展顯得尤為重要。

而大量研究表明，秸稈覆蓋在旱地同樣具有增溫保墑、提高產量的顯著效果[5]。而有關秸稈覆蓋量的研究，多集中其對農田水土環境及作物增產效應方面[6-8]，但對于秸稈覆蓋量在旱區滴灌玉米上應用研究還鮮有報道，西松遼平原滴灌玉米適宜的秸稈覆蓋量沒有明確。因此，本研究通過探討不同秸稈覆蓋量對滴灌玉米土壤熱環境、生長及水分利用效率的影響，旨在為秸稈覆蓋滴灌玉米技術在西松遼地區的應用提供理論依據，對我國北方地區節水農業的發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗于2015年4-9月在通遼市科爾沁左翼中旗寶龍山鎮進行，試驗區屬于溫帶大陸性季風氣候；多年平均氣溫5.5 ℃，全年最高氣溫40.8 ℃，最低氣溫-33.9 ℃；平均降水量342 mm，且多集中在夏季，蒸發量2 027 mm。土壤質地為中壤土，試驗田1 m土壤平均密度為1.51 g/cm3，田間持水量為23.54%。灌溉期地下水埋深7～8 m。

1.2 試驗設計

試驗以無覆蓋為對照，設常規農膜覆蓋處理和3個不同玉米秸稈覆蓋量處理，共設5個處理，具體見表1。每個處理3次重復，共15個小區，各小區面積為5 m×8 m。各小區間埋設1.2 m深聚氯乙烯布進行隔離。供試玉米品種為京科968，株距37 cm，行距80 cm。

4月25日播種，9月22日收獲。播種前鋪設好滴灌帶，然后按不同設計量在全小區覆蓋玉米秸稈。常規農膜覆蓋處理采用當地常規條帶狀覆蓋，膜寬70 cm。灌溉方式采用滴灌，灌水時間由不同的上下限確定，上限為85%，在生育期前期下限為60%，后期下限為65%。

表1 試驗設計

1.3 測定指標及方法

(1)土壤溫度的測定：采用土壤溫度自動采集儀對玉米全生育期5、15 cm土壤埋深的土壤溫度進行連續監測，每隔1 h測定一次。

(2)地上干物質(g/株)：2015年5-9月期間對玉米的干物質(生物量)進行動態測定，玉米出苗后每15 d測定一次葉面積和地上干物質。在每個處理中，選取具有代表性的3株玉米帶回實驗室(重復3次)，在105 ℃的通風烘干箱中殺青30 min，然后80 ℃下烘干至恒質量，然后測定單株的干質量。

(3)株高、葉面積指數(LAI)：2015年5-9月期間，在玉米出苗后每15 d測定一次株高和葉面積指數LAI。在每個處理中，隨機選取具有代表性的3株玉米進行測定(重復3次)。

(4)產量：在玉米收獲時，在各處理非邊行隨機連續選取標準樣株10 株，單獨收獲考種測產。

(5)千粒重(g)：玉米收獲脫粒自然風干后，隨機取1000 粒，測定籽粒質量，重復3次，取平均值。

1.4 計算方法

(1)收獲指數HI用下式計算：

(1)

式中：HI為收獲指數，kg/(mm·hm2)；Y為玉米的經濟產量，kg/hm2；Y生物為玉米生物總產量，kg/hm2。

(2)水分利用效率WUE用下式計算：

(2)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(mm·hm2)；ETc為玉米生育期的騰發量，mm。

ETc=P+I+G-D-ΔW

(3)

式中：P為有效降水量，mm；I為生育期灌水量，mm；G為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm；ΔW為0～100 cm土壤儲水量的變化量，mm。

由于該地區地下水位較深，所以地下水補給量和深層滲漏量忽略不計。

1.5 數據處理

采用Excel整理數據和制圖，各覆蓋處理間的差異性利用SPSS 17.0軟件的LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋處理對土壤溫度和出苗率的影響

玉米生育初期的土壤溫度與其生長有著密切的關系。淺層土壤為玉米種子的芽床，如果初期芽床溫度過低，易導致種子霉爛、不發芽[9]，特別是在寒旱區這種影響更為重要。如表2所示不同覆蓋處理在0～20 cm土層生育初期4-6月平均溫度變化和玉米的出苗率。可以看出，地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理的玉米出苗率較未覆蓋處理WM提高2.9%～11.7%，其中處理PM、M1.20、M0.85的出苗率均顯著(p<0.05)高于處理WM。處理M1.20、M0.85出苗率較處理PM，幾乎無差異，而處理M0.50出苗率較處理PM降低5.6%，明顯下降。

在4-6月，地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理平均地溫較未覆蓋處理WM增加1.8%～36.4%，且這種增溫效應隨著生育進程而減小。其中處理PM、M1.20、M0.85均顯著高于處理WM，說明地面覆蓋有利于淺層土壤溫度的增加，有利于播種層的熱環境，這是因為生育初期晝夜溫差大，而地面覆蓋可有效抑制夜間熱量損失。處理M1.20、M0.85的平均土壤溫度與處理PM無顯著差異，而處理M0.50平均土壤溫度較處理PM降低7.8%～11.2%，且在4月份差異達到顯著性水平(p<0.05)，說明秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85在播期可以達到與地膜覆蓋相近的播層熱環境，有利于種子的萌發，而秸稈覆蓋處理M0.50較處理PM不利于玉米出苗率的提高。

表2 不同覆蓋下玉米出苗率與土壤溫度月變化

2.2 不同覆蓋條件對玉米株高的影響

作物的株高是影響作物冠層光能傳輸的主要因素[10]，對玉米的生長有著重要的影響。表3是不同覆蓋條件下玉米株高隨生育期的變化。從表3可以看出，各處理的株高在全生育期具有相似的變化規律，總體上呈現“S”型變化趨勢。全生育期內，各覆蓋處理株高顯著高于無覆蓋處理WM(p<0.05)，這是因為覆蓋處理具有增溫保濕的效應。在苗期，各覆蓋處理株高與無覆蓋處理WM的差異最為顯著，分別較處理WM提高85.7%、94.3%、75.2%、20.9%，可以看出株高隨著玉米秸稈覆蓋量的增加而增加，但這種增長效應隨著覆蓋量的增大而減弱。其中秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85的株高與處理PM無顯著差異，而秸稈覆蓋處理M0.50較處理PM低34.9%，差異顯著(p<0.05)。這是因為處理PM、M1.20、M0.85較處理WM、M0.50具有較高的播層溫度，提前了出苗時間，進行了較長時間的苗期生長。拔節期到大喇叭口期，處理M0.85較處理PM低1.5%～4.5%，而進入生殖生長階段，處理M0.85實現了反超，較處理PM高4.5%～7.8%，秸稈覆蓋處理M1.20、M0.85株高在生長后期(開花期)顯著高于處理PM(p<0.05)。這是因為適當的秸稈覆蓋可以有效阻隔土壤吸收太陽輻射的能量，而且秸稈覆蓋有利于降水的截留儲蓄，從而降低根系層土壤溫度，在氣溫較高的七八月可以有效減少光合午休的時間，有利于玉米的生長。

表3 不同覆蓋下玉米株高變化 mm

2.3 不同覆蓋條件對葉面積指數的影響

葉片是綠色植物進行光合作用的主要場所，特別是在籽粒形成的生殖生長階段，LAI的大小在一定程度上影響最終產量的高低。LAI的動態變化在某種程度上可以反映葉片光合面積及光合時間的變化規律。如表4所示是不同覆蓋條件下玉米LAI在生殖生長階段的變化，從表4可以看出，各處理的LAI具有相同的變化趨勢，總體上呈現先增大后減小的單峰變化，在開花期LAI達到最大值。在抽雄期至灌漿前期，處理PM、M1.20、M0.85的LAI顯著高于處理WM、M0.50，其中處理PM、M1.20、M0.85間無顯著差異。這是因為隨著玉米植株的增長，處理PM、M1.20、M0.85在該生育階段葉片遮蓋率達到最大值且較為接近，使得太陽輻射無法直接到達地面，形成無顯著差異的土壤水熱環境，從而造成處理PM、M1.20、M0.85間差異不顯著。而在灌漿中期至灌漿后期，籽粒形成的最重要時期，處理M0.85的LAI最大，且在灌漿后期LAI仍然保持較大值2.44，這是因為處理M0.85的LAI下降速率較低，為-0.132，相對于處理PM、M1.20的LAI下降速率顯著(p<0.05)減緩了23.6%、21.3%，由此可以看出，處理M0.85的LAI出現了一定的滯后，意味著處理M0.85冠層葉片衰退的時間晚于處理PM、M1.20。這說明處理M0.85在生育后期保持了較高的光合面積，維持了生長后期葉片的功能，延長了光合作用的時間，體現了一定的后效性。原因可能是處理M0.85較處理PM能有效截留降水、抑制棵間土壤蒸發且增加土壤有機質含量，有利于生長后期玉米的生長，而處理M1.20相比處理M0.85覆蓋較厚，在玉米生理機能減弱的生長后期易造成土壤通透性差，不利于土壤呼吸的進行。

表4 不同覆蓋下玉米生殖生長階段葉面積變化

2.4 不同覆蓋條件對產量要素和水分利用效率的影響

作物最終產量的高低是衡量覆蓋栽培措施優劣的最主要的指標，2015年各覆蓋處理下的玉米產量等指標見表5。由表5可知，處理PM、M1.20、M0.85、M0.50的產量較處理WM高14.8%～25.8%，均達到顯著性水平(p<0.05),說明采用覆蓋措施能顯著提高滴灌玉米的經濟產量。處理M1.20、M0.85產量較處理PM提高-1.5%～0.4%，基本無差異，而處理M0.50較處理PM減產8.3%，差異性顯著(p<0.05)，這是因為處理M0.50單株籽粒數和水分利用效率較處理PM的顯著降低(p<0.05)。說明滴灌玉米條件下，適當的秸稈覆蓋量相比地膜覆蓋不會造成產量的顯著降低，這也說明從經濟產量來看，玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2可以作為替換滴灌玉米地膜覆蓋的材料。

表5 不同覆蓋下玉米產量構成要素、產量與水分利用效率

收獲指數和水分利用效率反映了作物光合分配性能和作物生產與水分消耗之間的關系，是節水農業的重要指標。各覆蓋處理的WUE較處理WM提高了15.8%～30.0%，其中處理M1.20的WUE最高，但與PM、M0.85差異不顯著，而處理M0.50的WUE和HI顯著(p<0.05)低于處理M1.20、M0.85，說明較少的秸稈覆蓋量能顯著減小水分利用效率和收獲指數，不利于滴灌玉米經濟產量的形成。綜合產量、WUE和HI來看，處理M1.20(12 000 kg/hm2)為理論最優覆蓋方式。但由于處理M0.85的產量、WUE和HI與處理M1.20差異不顯著，且考慮到節省成本的因素，因此推薦處理M0.85，即玉米秸稈覆蓋量8 500 kg/hm2為適合西松遼地區滴灌玉米的秸稈覆蓋量。

3 結 語

(1)秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2在播期可以達到與地膜覆蓋相近的播層熱環境，有利于種子的萌發，而秸稈覆蓋量5 000 kg/hm2生長前期的播層土壤溫度較地膜覆蓋顯著(p<0.05)降低11.2%，不利于出苗率的提高。而梁建財等[9]研究表明地膜覆蓋較未覆蓋有增溫作用，而秸稈覆蓋由于覆蓋層阻隔了土壤對太陽福射熱量的吸收，較未覆蓋降低了土壤溫度，不利于春播作物播種和出苗。這是由于兩者研究的覆蓋時間不同所造成的差異，前者各處理均在播前進行覆蓋，各處理覆蓋前土壤溫度一致，進行秸稈覆蓋更有利于保墑增溫，而后者則是在前一年秋澆時覆蓋，翌年播時土壤溫度差異較大。

(2)滴灌玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2較地膜覆蓋不會造成經濟產量的顯著降低，而較少的秸稈覆蓋量能顯著(p<0.05)減小WUE和HI，不利于滴灌玉米經濟產量的形成。從產量、WUE和HI來看，玉米秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2可以作為替換滴灌玉米地膜覆蓋的材料。

(3)各覆蓋處理株高全生育期內顯著(p<0.05)高于無覆蓋處理WM。而各秸稈覆蓋處理對株高的影響在苗期差異最為顯著，表現為玉米苗期株高隨著玉米秸稈覆蓋量的增加而增加，但這種增長效應隨著覆蓋量的增大而減弱。這是因為較高的秸稈覆蓋量處理具有更高的播層溫度，提前了玉米出苗時間，使其進行了較長時間的苗期生長。

(4)在生殖生長階段，秸稈覆蓋量達到8 500 kg/hm2處理的葉面積指數不會顯著低于地膜覆蓋，而且在籽粒形成的生長后期，處理M0.85的LAI仍然保持較大值2.44，LAI下降速率較處理PM、M1.20減緩了23.6%、21.3%，說明處理M0.85的冠層葉片衰退的時間滯后于處理PM、M1.20。這說明秸稈覆蓋量8 500 kg/hm2處理在生育后期保持了較高的光合面積，維持了生長后期葉片的功能，延長了光合作用的時間，具有一定的后效性。

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