不同覆蓋方式對土壤水肥熱狀況及玉米產(chǎn)量的影響

王文達(dá)，霍軼珍，韓翠蓮

(內(nèi)蒙古河套學(xué)院土木工程系，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)作為全國3個(gè)特大型灌區(qū)之一，屬于典型的鹽漬化灌區(qū)，該地區(qū)多年干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)度大，加之引黃水量日益減少，使得農(nóng)業(yè)用水日益緊張，同時(shí)隨著土壤鹽堿化的加重，嚴(yán)重制約和影響到了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的正常和可持續(xù)發(fā)展。而大量研究表明，地膜覆蓋后具有顯著的增溫、保墑和抑鹽的特性[1-4]，同時(shí)可顯著提高水分利用效率及作物產(chǎn)量[5-7]，從而在灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被大量采用。但是普通農(nóng)用地膜的成分為一種非常難以分解的聚乙烯材料，作物收獲后在農(nóng)田大量殘留，形成了白色污染，長此以往必將會影響到農(nóng)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展[8]。近些年，隨著人們的不斷嘗試和研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋同樣具有較好的土壤保溫、保墑效應(yīng)，同時(shí)增產(chǎn)效果顯著[9-12]，此外該覆蓋材料具有環(huán)保、對農(nóng)田環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，因此具有較好的應(yīng)用前景。

本研究以灌區(qū)種植面積最廣的玉米為研究對象，試驗(yàn)設(shè)置普通地膜覆蓋、秸稈覆蓋，以不覆蓋處理為對照，系統(tǒng)的研究了不同覆蓋方式對玉米土壤水、肥、熱狀況以及玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，從而揭示秸稈覆蓋對土壤水肥熱效應(yīng)影響的機(jī)理及增產(chǎn)節(jié)水效應(yīng)，以評價(jià)秸稈覆蓋在河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的適用性及應(yīng)用效果，對灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)，該地區(qū)多年平均降雨量140 mm，蒸發(fā)量2 306.5 mm，平均氣溫6.8 ℃，平均日照時(shí)數(shù)3 229.9 h，無霜期130 d左右，屬典型的中溫帶干旱大陸性氣候。試驗(yàn)區(qū)以砂質(zhì)壤土為主，0～100 cm土壤平均密度1.45 g/cm3，田間持水量20.53%，灌溉水源為黃河水，平均礦化度為0.6～0.8 g/L。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置地膜覆蓋、秸稈覆蓋和不覆蓋3個(gè)處理，其中地膜覆蓋于春播期進(jìn)行機(jī)器覆膜，采用膜寬為70 cm的聚乙烯普通農(nóng)用地膜。秸稈于秋澆前，人工鋪設(shè)于試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，并覆蓋2 cm左右虛土以防秋澆水流沖走使得覆蓋厚度不均勻，覆蓋量為10 t/hm2。試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)規(guī)格20 m×10 m；為防止小區(qū)間水分串通，影響各小區(qū)實(shí)際含水率變化，在各小區(qū)間垂向埋設(shè)1.5 m深塑料膜隔離。

按當(dāng)?shù)赜衩壮Ｒ?guī)栽培管理模式進(jìn)行種植管理，供試玉米品種為豫奧6號，播種時(shí)施足底肥450 kg/hm2(磷酸二銨、尿素)，灌第一水時(shí)施尿素450 kg/hm2，灌第二水時(shí)施尿素300 kg/hm2，玉米全生育期灌水3次。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法

每隔7 d在玉米行間進(jìn)行取土，每20 cm一層至100 m深度，采用烘干稱重法測定土壤含水率，每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)。分別于玉米播種期和收獲后取表層0～20 cm土壤測定其養(yǎng)分指標(biāo)。于處理小區(qū)內(nèi)埋設(shè)直角地溫計(jì)，埋深分別為5、10、15、20、25 cm，每個(gè)生育期連續(xù)3 d自8∶00至20∶00每隔2 h讀取一次。玉米成熟期，各處理選取具有代表性的10株測定其生產(chǎn)性狀指標(biāo)和產(chǎn)量。

1.2.3 玉米水分利用效率(WUE)計(jì)算

WUE=Ya/ETa

(1)

ET=ΔW+P+I+U-D

(2)

式中：Ya為玉米籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ETa為玉米生育期總耗水量，mm；ΔW為玉米生育期內(nèi)0～100 cm土壤貯水量變化，mm；P為玉米生育期有效降雨量，mm；I為灌溉量，mm；U為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

采用MS-Excel 2003 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪制圖表，SPSS17.0 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對土壤水分的影響

由圖1不同覆蓋方式下玉米各生育期土壤平均含水率變化可知，全生育期內(nèi)地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下各土層含水率相當(dāng)，但均顯著高于不覆膜處理(P<0.05)，且以0～60 cm差異更為顯著，這主要是由于河套灌區(qū)在作物生長季節(jié)地下水位埋深較淺，平均在1 m左右，下層80～100 cm土壤受地下水補(bǔ)給作用較強(qiáng)[13]，使得該土層含水率差異較小。玉米苗期，植株矮小、耗水強(qiáng)度低，但在土壤蒸發(fā)作用下，不覆蓋處理0～60 cm土壤平均含水率要分別較地膜覆蓋和秸稈覆蓋低7.52%和6.25%，差異性顯著(P<0.05)。玉米生育中期(拔節(jié)期至灌漿期)為關(guān)鍵生育期，此階段植株?duì)I養(yǎng)和生殖生長旺盛，而該時(shí)段內(nèi)河套灌區(qū)干旱少雨，因此良好的土壤水分條件成為了保證玉米正常生長和高產(chǎn)的決定性因素。取樣研究發(fā)現(xiàn)，該生育階段內(nèi)地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下0～100 cm土壤含水率平均相差0.06%～1.60%，差異性不顯著(P>0.05)，但均明顯高于不覆蓋處理，且0～60 cm達(dá)到了顯著性差異(P<0.05)，平均較不覆蓋處理高12.77%、13.87%、13.33%和13.94%、14.19%、16.33%，說明此階段秸稈覆蓋條件下土壤保墑效果與地膜覆蓋相當(dāng)，且顯著優(yōu)于不覆蓋處理。玉米生育末期(成熟期)，由于不灌溉，在騰發(fā)作用下各土層含水率達(dá)到了全生育期的最低值，且各處理同樣以0～60 cm土壤含水率相差更大，且此時(shí)秸稈覆蓋條件下該土層深度含水率要顯著高于地膜覆蓋和不覆蓋處理(P<0.05)，平均高8.23%和22.41%，這也說明秸稈覆蓋有利于土壤水分的貯蓄和持續(xù)利用，此結(jié)論與王敏[14]和王順霞[15]等的研究結(jié)果一致。

2.2 不同覆蓋方式對土壤養(yǎng)分的影響

玉米播種期土壤養(yǎng)分指標(biāo)一致，表1為不同覆蓋方式下玉米收獲期0～20 cm土層土壤養(yǎng)分指標(biāo)對比，由表可知，秸稈覆蓋條件下各養(yǎng)分指標(biāo)要明顯高于地膜覆蓋處理和不覆蓋處理，差異大多達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)，這也說明秸稈覆蓋可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，其主要原因是受秸稈腐爛分解，釋放出有機(jī)和無機(jī)養(yǎng)分所致，這一結(jié)論與王順霞等[15]的研究結(jié)果一致。同時(shí)與普通地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋條件下土壤速效鉀和有效磷含量較不覆蓋處理差異更為顯著，平均差異達(dá)到了15.05%和84.62%，這也說明秸稈覆蓋對土壤中速效鉀和有效磷含量的提升效果更好。而有研究發(fā)現(xiàn)，玉米生長過程中對鉀的需求較多，且在生育后期對其的吸收仍處于較高水平[16]，因此如果土壤中有充足的速效鉀供應(yīng)將有利于玉米的生長，延緩根系和植株的衰老，從而提高產(chǎn)量[17]。

圖1 不同覆蓋方式下各生育期土壤含水率變化

表1 不同覆蓋方式下土壤養(yǎng)分指標(biāo)對比

2.3 不同覆蓋方式對土壤溫度的影響

圖2為3種覆蓋方式下玉米各生育期0～25 cm土壤平均溫度變化情況，全生育期來看，地膜覆蓋處理土壤溫度始終高于不覆蓋處理。玉米生育前期(苗期、拔節(jié)期)，地膜覆蓋和秸稈覆蓋保溫效果相當(dāng)，且均顯著高于不覆蓋處理(P<0.05)，兩者平均較不覆蓋處理高3.92和3.10 ℃，這也說明秸稈覆蓋在玉米生育前期同樣達(dá)到了提高耕層土壤溫度的效果，有利于玉米的前期生長，這與陳素英等[18]的研究結(jié)果一致。玉米抽雄、吐絲和灌漿期，此階段氣溫達(dá)到了全年的最高值。有研究發(fā)現(xiàn)，過高的土壤溫度將會降低玉米根系生理活性，從而抑制其正常的代謝，使其老化進(jìn)程加快，不利于其對養(yǎng)分和水分的吸收，最終影響產(chǎn)量的形成[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，該生育階段內(nèi)秸稈覆蓋條件下土壤溫度平均較地膜覆蓋和不覆蓋處理低2.11～4.55和1.50～2.02 ℃，差異均達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)。而在玉米生育末期的成熟期，秸稈覆蓋條件下的土壤溫度均顯著高于地膜覆蓋和不覆蓋處理(P<0.05)，平均高1.92和2.91 ℃。綜合來看，地表秸稈覆蓋通過對太陽光輻射的吸收轉(zhuǎn)化及在熱傳導(dǎo)的作用下，在高溫時(shí)達(dá)到了降溫效應(yīng)，而低溫時(shí)具有明顯的增溫效應(yīng)[15]，這也為玉米的正常生長提供了良好的土壤溫度條件。

圖2 不同覆蓋方式下各生育期土壤溫度變化

2.4 不同覆蓋方式對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

由表2可知，玉米各產(chǎn)量指標(biāo)均表現(xiàn)為秸稈覆蓋>地膜覆蓋>不覆蓋處理，且地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理之間各指標(biāo)差異性不顯著(P>0.05)，但均顯著高于不覆蓋處理(P<0.05)。就經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量而言，地膜覆蓋和秸稈覆蓋分別較不覆蓋處理高23.72%和24.18%，增產(chǎn)效應(yīng)顯著，這主要是由于地表覆蓋后更好的調(diào)節(jié)了土壤的水肥熱條件，從而更有利于玉米的生長和產(chǎn)量的形成。而就兩種覆蓋條件下的產(chǎn)量來說，秸稈覆蓋條件下玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量平均較地膜覆蓋高0.37%，略優(yōu)于地膜覆蓋處理。這也說明與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋同樣具有顯著的增產(chǎn)效益。

表2 不同覆蓋方式下玉米產(chǎn)量指標(biāo)對比

在灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水日益減少的現(xiàn)狀下，要想實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)定高產(chǎn)，就必須實(shí)現(xiàn)水分的高效利用。由表3不同覆蓋方式下玉米水分利用效率對比可知，地膜和秸稈覆蓋方式下玉米水分利用效率相當(dāng)，無顯著性差異(P>0.05)，但均顯著高于不覆蓋處理(P<0.05)，分別平均提高23.77%和23.64%，這主要是由于覆蓋較大程度上抑制了土壤水分的無效耗散，從而有效提高了玉米的水分利用效率。

表3 不同灌水方式對玉米水分利用效率的影響

3 結(jié) 語

(1)玉米生育前、中期，地膜覆蓋和秸稈覆蓋條件下土壤水分狀況無顯著性差異(P>0.05)，說明秸稈覆蓋同樣具有較好的保墑效果，但兩者均明顯高于不覆蓋處理，且以0～60 cm差異性顯著(P<0.05)。玉米生育末期，秸稈覆蓋條件下0～60 cm土壤含水率顯著高于地膜覆蓋和不覆蓋處理，說明秸稈覆蓋更有利于土壤水分的貯蓄和持續(xù)利用。

(2)秸稈覆蓋可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，玉米收獲期，秸稈覆蓋條件下0～20 cm土層各土壤養(yǎng)分指標(biāo)明顯高于其他處理，且差異大多達(dá)到了顯著性水平(P<0.05)。同時(shí)與普通地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋對土壤中速效鉀和有效磷含量的提升效果更好。

(3)對于土壤溫度來說，秸稈覆蓋較地膜覆蓋在低溫時(shí)達(dá)到了增溫效果，在高溫時(shí)達(dá)到了降低土壤溫度的效應(yīng)，從而為玉米的正常生長提供了適宜的土壤溫度條件。

(4)玉米地膜覆蓋和秸稈覆蓋均較不覆蓋處理增產(chǎn)效果顯著，平均增產(chǎn)23.72%和24.18%，水分利用效率提高23.77%和23.64%，且兩種覆蓋條件下無顯著性差異，因此綜合考慮，河套灌區(qū)玉米種植較適宜采用秸稈覆蓋。

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