海河平原秸稈覆蓋和春季灌水對小麥玉米產量和水分利用的影響

鄭媛媛，王貴彥，張建恒

(河北農業大學農學院， 河北 保定 07100)

冬小麥-夏玉米是海河平原主要種植制度，近年來，小麥、玉米總產量達3.2×107t·a-1[1]，是華北平原主要糧食生產區域之一。然而水資源短缺是限制該區域糧食生產，特別是小麥生產的主要因素[2]。根據多年歷史氣象資料，該區域多年平均降水量538 mm，且降水的80%集中在7—9月份，在小麥生長的10月到第二年6月初期間，降水較少，因此小麥主要依靠地下水灌溉才能獲得較高的產量。根據小麥-玉米一年兩熟實際平均蒸散量和降水量的差值，每年平均需抽取300 mm地下水進行灌溉，常年抽取地下水導致該區域地下水位以1 m·a-1的速度下降，而在作物耗水構成中，土壤棵間蒸發占農田耗水的20%～30%[3-4]，屬無效耗水。

截止目前，針對小麥、玉米農藝節水已進行了大量研究[5-7]，如耕作保墑技術[8]、水肥耦合技術[9]、調整耗水作物布局[10]、秸稈和地膜覆蓋[11]等方面都起到了節水和提高水分利用效率的作用。其中地膜覆蓋主要用于西北等干旱地區，其保墑和穩增等效果顯著，是保證干旱區域農業生產的重要措施之一。試驗證明，通過地膜覆蓋，玉米農田的水分利用效率比不覆蓋提高10.6%，冬小麥的水分利用效率提高了25%[12-13]。海河平原小麥地膜覆蓋試驗結果表明，通過地膜覆蓋，小麥生長季可節水116.4～157.1 mm，水分利用效率提高28.1%～40.9%[14]；對于玉米生長季的模擬研究結果表明，地膜50%覆蓋和100%覆蓋，正常灌溉情景下，可分別減少蒸發24%和49%，耗水量分別降低9.41%和15.33%，水分利用效率則分別提高3.96%和6.46%；而在小麥-玉米生長季無灌溉情況下，節水效果更明顯，可分別減少蒸發28%和61.5%[15]。

秸稈覆蓋是海河平原小麥、玉米生產中重要節水措施之一。秸稈覆蓋阻礙土壤與大氣間的水分與能量交換，調節土壤供水狀況，促使農田水分對于作物生長需求趨于協調，從而提高水分利用效率，調節土壤溫度，抑制農田棵間蒸發[16-21]。左余寶等[22]研究發現，秸稈覆蓋的小麥-玉米周年水分利用效率比常規耕作高19.5%。解文艷等[23]研究表明，在玉米生育期內秸稈覆蓋比不覆蓋種植水分利用效率提高0.224～0.550 kg·m-3。陳素英等的研究結果[24-25]顯示，在太行山前平原，玉米秸稈覆蓋冬小麥，覆蓋量為3 000 kg·hm-2時冬季0～10 mm年平均地溫提高0.3 ℃·d-1，春季降低0.42 ℃·d-1，并有增產的作用，較不覆蓋處理增產2.7%。

目前，大多數研究對地膜或秸稈覆蓋結合春季灌溉對小麥生長和節水效應進行了大量分析，而這些措施對于夏玉米的后效作用研究較少。海河平原降水時空分布特點和小麥-玉米種植制度需水特性要求以小麥-玉米一年兩熟為研究對象，系統考慮和分析全年土壤水分變化動態，從而采取相應措施提高周年土壤水分利用效率，是本區域實現節水的重要途徑。本研究通過小麥生長季秸稈覆蓋和不同水分處理相結合的田間試驗，分析秸稈覆蓋和灌水對小麥和玉米不同生育時期葉面積、地上部生物量、耗水特性及土壤水分周年變化等田間應用效果，為海河平原秸稈覆蓋提高小麥-玉米周年水分利用效率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于2013—2015年在河北農業大學辛集實驗站進行。辛集實驗站位于河北省山前平原和黑龍港平原的過渡地帶(N37°47′58.30″、E115°17′53.23″，海拔32 m)，土壤為砂質潮土，屬北溫帶季風半濕潤氣候，年降水量500～600 mm，主要分布在6—9月，小麥生長季(10月—次年5月)多年平均降水量65～100 mm[1]，年平均氣溫12.7℃，地下水埋深10 m以下。試驗地田間持水量23.9%～39.8%，土壤容重為1.14～1.52 g·cm-3。土壤基礎地力：有機質8.5 g·kg-1、速效磷11.2 mg·kg-1、速效鉀97 mg·kg-1。

試驗期間小麥、玉米不同生育階段的降水量如表1所示。

表1 小麥、玉米不同生育階段的降水量和積溫

1.2 試驗設計

2013—2015年小麥季試驗共設4個處理，(1) 春季0水，即小麥越冬期后不灌溉(CK)；(2) 春季0水覆蓋，即越冬期于行間進行玉米秸稈覆蓋，越冬期后不灌溉；(3) 春季1水，即拔節期進行灌溉，灌水量70 mm；(4) 春季1水覆蓋，即在秸稈覆蓋基礎上，拔節期進行灌溉，灌水量70 mm。為保證小麥正常出苗和冬季需水，所有處理播前進行了灌溉，灌水量70 mm。2013—2014年生長季小麥于10月8日播種，2014年6月20日收獲；玉米于2014年6月20日播種，10月7日收獲。2014—2015年生長季小麥10月7日播種，2015年6月12日收獲；玉米于2015年6月12日播種，9月29日收獲。小麥供試品種為冀麥585，播種量180 kg·hm-2，用粉碎后的全株玉米秸稈進行地表覆蓋，覆蓋量為5 200 kg·hm-2。全生育期施肥量為N 240 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2，磷、鉀肥全部底施，氮肥30%底施，70%在拔節期隨灌水追施，其他田間管理同高產農田；玉米供試品種為鄭單958，小麥收獲后免耕播種，密度67 500 株·hm-2，全生育期施N 240 kg·hm-2，其他田間管理同高產農田。生長期間根據降水情況進行補充灌溉，2014和2015年生長期間于播種、大喇叭口期和抽雄期進行灌溉，總灌水量180 mm。各處理3次重復，小區面積50 m2，不同處理間設2米隔離區。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 土壤溫度測定 使用MicroLite(型號LITE5032P)的優盤溫度計，分別置于土層下5 cm處，設置每天間隔兩個小時進行自動記錄，自越冬期到拔節期進行土壤溫度測定。根據氣象學標準計算每日平均溫度。

1.3.2 土壤含水量測定和田間耗水量計算 在小麥、玉米生長期每20 cm為一層次用土鉆取土，采用烘干法測定0～200 cm各層次土壤含水量。計算公式如下[26]：

土壤含水量(體積%)=土壤重量含水量(%)×土壤容重

水層厚度(mm)=土層厚度(mm)×土壤含水量(體積%)

土壤水消耗量(mm)=本生育階段初水層厚度-本生育階段末水層厚度

田間耗水量(mm)=土壤水消耗量+降水量+灌溉量+地下水補給量-徑流量-滲漏量

因本研究區域地勢平坦，試驗地點的地下水埋深10 m以下，灌溉時利用水表控制灌溉量。因此，計算公式中的地下水補給量、滲漏量、徑流量均忽略不計。

1.3.3 作物產量測定 小麥成熟后，每小區根據定點的一米雙行，計測穗數，將麥穗收獲后風干，從中隨機取50穗，測定穗粒數，脫粒后隨機取3份樣品，每份樣品1 000粒，烘干后稱重，計算千粒重。同時在小麥成熟時每小區選取2 m×2 m的樣點，收獲脫粒后計算實測產量(含水量13%)。玉米成熟后在各小區選取8 m四行，計測穗密度，收獲脫粒后實測產量(含水量14%)、穗粒數和百粒重。

1.3.4 葉面積指數(LAI)和干物質測定 在小麥、玉米各個生育時期(小麥：越冬期、返青期、拔節期、開花期、孕穗期，花后10天、20天及成熟期;玉米：苗期、拔節、大喇叭口、開花、灌漿、成熟期)測定其葉面積(小麥葉面積=葉長×葉寬×0.83；玉米葉面積=葉長×葉寬×葉面積系數，玉米展開葉的葉面積系數為0.75，未展開葉的系數為0.5)和地上部分器官生物量(每個處理取5～10株有代表性的植株作為樣株，各器官分開，105℃殺青30分鐘，80℃烘干至衡重，然后稱重。)

1.3.5 水分利用效率的計算

水分利用效率[27](kg·mm-1·hm-2)=籽粒產量/田間耗水量

1.4 統計分析

用Microsoft Excel 2003整理數據和繪圖，用SPSS version.16.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋與不覆蓋對土壤溫度的影響

秸稈覆蓋與不覆蓋相比(圖1)，土壤5 cm地溫顯示，冬小麥越冬期到返青期日均土壤溫度差值為0.18℃，日均氣溫為2.08℃；返青期到拔節期日均土壤溫度差值為-0.28℃，日均溫度為2.78℃。由此可以看出，秸稈覆蓋后，土壤溫度變化較緩和，且升溫效應隨著空氣溫度的升高而減小。

圖1秸稈覆蓋與不覆蓋冬小麥拔節期前土壤5 cm溫度(2014—2015季)

Fig.1 Soil temperature of 5 cm depth under straw mulching and without before jointing stage of wheat (2014—2015)

2.2 不同處理對小麥、玉米葉面積指數的影響

兩年的試驗結果(圖2)表明，拔節前，各處理水分條件一致，而且由于冬季及早春溫度較低，秸稈覆蓋對小麥葉面積指數沒有明顯影響，各處理間無顯著差異；拔節期，相對不灌溉處理，灌溉明顯促進了小麥生長發育，而且開花期春季1水覆蓋處理葉面積指數比春季1水不覆蓋2013—2014生長季高10.82%，2014—2015生長季高10.74%，說明在灌水條件下秸稈覆蓋對這個階段小麥生長發育也起到了促進作用。開花期～成熟期，隨著氣溫的不斷升高，由于秸稈覆蓋的土壤溫度回升較緩慢，在一定程度上限制了小麥植株生長，開花期后出現明顯差異，花后10天春季1水覆蓋處理的葉面積指數比春季1水不覆蓋處理低12.24%(2013—2014)和9.22%(2014—2015)，且差異顯著；花后20天分別降低9.12%(2013—2014)和11.48%(2014—2015)，差異明顯增大且顯著。

玉米生長期間由于降水和灌溉較充足，兩年的試驗結果都表明，玉米葉面積指數各處理間沒有顯著差異。

2.3 不同處理對小麥、玉米群體地上部生物量的影響

圖3為2013—2015年各處理地上部生物量。由圖中可以看出，小麥拔節前，2013—2014年小麥地上部生物量積累春季1水覆蓋>春季1水>春季0水>春季0水覆蓋，但差異不顯著(P>0.05)；拔節期后，春季1水處理生物量明顯高于春季0水處理，差異顯著(P<0.05)，春季1水覆蓋處理的生物量最大，為17.19 t·hm-2，生物量最小的為春季0水，為16.28 t·hm-2。由此可知，在限水供應和空氣溫度較低條件下，秸稈覆蓋起到了保溫和保墑作用，與對葉面積指數的影響一致。

2014—2015年拔節前生物量春季1水>春季1水覆蓋>春季0水>春季0水覆蓋，處理間差異不顯著(P>0.05)；拔節期后，灌溉處理仍高于不灌溉處理，差異顯著(P<0.05)。不論秸稈覆蓋與否，兩年的結果都表明拔節期灌溉1水后，土壤中的水分含量有所提升，較充足的水分促進了小麥生長發育，小麥生長旺盛；而春季不灌溉的處理，土壤水分含量較低，影響了小麥生長發育，致使生物量下降。

2014和2015年玉米生長期間由于進行了灌溉，因此地上部生物量各處理間沒有顯著差異(P>0.05)，降水和灌溉后，充足的土壤水分保證了玉米的正常生長發育，沒有受到上茬小麥水分和秸稈覆蓋處理的影響。

圖2 2013—2015年小麥、玉米葉面積指數

圖3 2013—2015小麥、玉米地上部分生物量

Fig.3 The biomass of wheat and maize from 2013 to 2015

2.4 不同處理土壤水分動態變化

圖4、圖5為不同處理小麥播前、拔節、收獲及玉米收獲后土壤0～200 cm體積含水量。兩年的結果表明，小麥收獲后，春季0水、0水覆蓋、春季1水和1水覆蓋處理0～120 cm各土層含水量相對播前含水量下降明顯，說明主要消耗了0～120 cm的土壤水分，而120～200 cm土層含水量變化較小。由此可見，0～120 cm土層為土壤主要供水層。

從圖4可以看出，2013—2014年小麥拔節期，各土層土壤體積含水量秸稈覆蓋的處理都高于不覆蓋處理，春季1水覆蓋比春季1水不覆蓋0～120 cm土壤貯水量高15 mm，春季0水覆蓋比不覆蓋高11 mm，而且從返青到拔節期間的降水量僅為0.1 mm，沒有有效降水，說明覆蓋后在一定程度上抑制了表層土壤水分的蒸發，起到了一定的保墑作用。小麥收獲后，春季0水覆蓋比不覆蓋0～120 cm土壤貯水量仍然高15 mm，而拔節期灌溉1水后，土壤貯水明顯提高，但覆蓋比不覆蓋的貯水量高14 mm。玉米播種時及關鍵生長期進行了灌溉，但由于生長期間降水量為157.3 mm，較常年偏少47%，因此玉米收獲后土壤貯水量依然偏低。但春季0水和0水覆蓋比1水和1水覆蓋處理0～120 cm含水量高40～60 mm，0水處理使得土壤在夏季降水較多的季節儲存了較多的水分。

2014—2015年小麥生長期間，從返青到拔節期的降水量為25.60 mm，拔節期春季0水覆蓋比不覆蓋處理0～120 cm貯水量高38 mm，且主要為0～60 cm土層含水量高于不覆蓋處理；春季1水覆蓋比不覆蓋土壤貯水量高23 mm，同樣也說明了覆蓋后對土壤水分的保墑效果。小麥收獲后，覆蓋后的土壤貯水仍高于不覆蓋處理。玉米收獲后，0～120 cm貯水量為334～352 mm，為小麥冬季生長提供了有效水分。但0水灌溉處理比1水處理含水量高30 mm，在雨季儲存了較多的降水，提高了對降水資源的有效利用。

2015年玉米生長期間的降水量為220.7 mm，比常年仍偏低26%，但在此基礎上進行了灌溉，保證了玉米正常生長發育和較高的產量。

圖4 2013—2014年小麥、玉米不同層次土壤體積含水量

圖5 2014—2015年小麥、玉米不同層次土壤體積含水量

Fig.5 Water content of wheat and maize a of different soil layers from 2014 to 2015

2.5 不同處理對小麥、玉米產量及水分利用效率的影響

表2為不同處理和不同年份小麥、玉米產量及產量構成要素。2013—2014年，秸稈覆蓋后小麥產量低于不覆蓋產量，但沒有顯著差異。和不覆蓋相比，春季0水覆蓋產量降低了1.46%，春季1水處理覆蓋后降低了2.76%；2015年春季0水覆蓋降低了2.78%，春季1水覆蓋降低了1.11%。根據產量構成因素，秸稈覆蓋后有效穗數降低，使得同一水分處理覆蓋后比不覆蓋產量有所降低。在不同水分條件下，春季灌溉1水后，對小麥產量形成起到了關鍵作用，2014年產量差異顯著，2015年差異不顯著(表2)。

2013—2015年都屬于少雨年份，為保證玉米正常生長發育，在玉米生育期間進行了灌溉。從玉米產量和產量構成因素分析，兩年中各處理間沒有顯著差異，小麥生長期間的水分和覆蓋處理對下茬玉米生長發育和產量沒有顯著影響。

水分利用效率是衡量水分高效利用的標準，從作物所消耗的降水量、灌溉量和土壤水分析，小麥生長季所有處理中無覆蓋處理消耗的土壤水最多(表3)。隨著灌溉水量的增加，土壤耗水量減少，兩年中小麥生長季土壤耗水量都表現為春季0水大于春季1水，且差異顯著；相同水分條件下不覆蓋大于覆蓋處理，但差異不顯著。這種差異也對玉米生長期間土壤耗水量產生了一定的影響，2014和2015年夏玉米春季0水處理的不覆蓋比覆蓋分別多耗水3.4 mm和5.2 mm，春季1水處理多耗水9.0 mm和10.7 mm。因此，由于小麥收獲后土壤水分含量的差異及玉米生長期間的降水量不同，共同影響了玉米生長期間土壤耗水量的差異。從水分利用效率看，小麥、玉米和周年土壤水分利用效率各處理間和年份間都沒有顯著差異。但灌溉1水后，水分利用效率都有所降低，2015年尤其明顯。

3 討 論

海河平原糧食生產水資源在嚴重短缺情形下，減少土壤無效蒸發對本區域農田節水具有重要意義。本研究結果表明，在保證底墑前提下，小麥生長期間不灌溉時仍可獲得最低7 359.5 kg·hm-2的產量，但秸稈覆蓋后產量低于不覆蓋處理，與已有的在旱地條件下秸稈覆蓋比不覆蓋提高作物產量10%～15%[28-29]，干旱年份可增產50%[30-31]的研究結果不同，但與在華北平原玉米秸稈覆蓋冬小麥后，小麥產量有所減產[20,32-36]的結論一致。減產的原因與秸稈覆蓋后，土壤溫度的日較差較小[37-39]，根區溫度白天低，晚上高，在一定程度上影響了根系吸收水分和養分，以及晚上加大了呼吸消化[40-43]，對植物吸收水分和養分具有明顯的影響作用[44]，所以秸稈覆蓋后小麥根區溫度變化可能是造成小麥減產的主要因素[21]，表現在生長發育上推遲了小麥春季返青、拔節、灌漿的時間，使得灌漿的時間變短，導致向籽粒分配的光合產物減少，造成產量降低[45]。因此，今后應加強秸稈覆蓋后小麥根區溫度和吸收水分、養分及代謝等生理生態過程的機理機制研究，降低秸稈覆蓋對產量形成的負面效應[21]，為提高產量和水分利用效率提供更科學的決策依據。

表2 不同處理作物產量及產量構成因素

注：在同一試驗中，每一列數據后不同字母表示處理間在0.05水平上顯著差異。下同。

Note: In each experiment,values followed by different letter within a column are significantly atP<0.05. The same as below.

表3 不同水處理的秸稈覆蓋與不覆蓋的耗水量與水分利用效率

秸稈覆蓋后對土壤水分的效應為減少土壤水分蒸發，提高水分利用效率[46]，華北平原玉米生產中采用小麥秸稈覆蓋后可減少生育期耗水40 mm，水分利用效率和產量增加7%～10%[4,47-48]，但玉米秸稈覆蓋冬小麥后，雖然在一定程度上抑制了土壤水分蒸發，但水分利用效率并沒有增加[20,32-36]。本研究結果表明，秸稈覆蓋有效地減少了冬小麥整個生育期間的土壤耗水量，2014年0～120 cm土壤中，小麥收獲時的土壤貯水量春季0水處理，覆蓋比不覆蓋土壤貯水量增加15 mm，春季1水處理覆蓋比不覆蓋增加14 mm，2015年也具有相同的趨勢。

玉米生長期兩年間都進行了正常補灌，但由于小麥不同處理收獲時土壤水分的差異，導致了玉米生長期間土壤水分的差異。2014年玉米收獲時，小麥春季0水和0水覆蓋處理0～120 cm土層含水量比小麥春季1水和1水覆蓋處理高40～60 mm；2015年高30 mm；但水分處理相同條件下，覆蓋與不覆蓋間沒有明顯差異，這也為秸稈覆蓋和水分管理相結合條件下如何提高周年土壤水分利用效率提供了科學依據。

根據研究區域小麥、玉米生育期間多年平均降水量，小麥生長期間平均228.1 mm，玉米生長期間平均297.6 mm(根據當地50年降水資料計算)，試驗期間的降水偏少(表1)，并且2014年小麥拔節至開花灌漿期間，遭遇了低溫寡照，再加上合適的降水分布，千粒重較常年偏高，因此產量較高，而2015年基本接近于常年水平。2014年不同水分處理間小麥產量差異顯著，而2015年差異不顯著，可能與拔節期以后，小麥生育期間的降水增多，出現了超補償效應[49-50]，使本來處在缺水狀態的0水處理有效的利用了土壤儲存的降水，提高了降水的有效利用。因此，由于不同降水和溫度年型，秸稈覆蓋小麥后表現出了不同的產量效應和土壤水分含量的差異。

另外，本研究是針對海河平原小麥-玉米生產系統進行的研究，在以后的研究中還應加強秸稈覆蓋小麥后不同降水和溫度年型條件下影響產量和水分利用效率的相關機理和機制研究，以及秸稈覆蓋玉米的田間效應，為本區域實現小麥-玉米種植制度秸稈覆蓋節水增產提供科學技術依據。

4 結 論

研究結果表明，秸稈覆蓋導致拔節期后土壤溫度回升緩慢，小麥地上部植株生長相對減緩，葉面積指數和地上部生物量積累減少。覆蓋后有效穗數減少，兩年間覆蓋產量都低于不覆蓋處理，但差異不顯著；2014年春季灌溉與不灌溉處理間產量差異顯著，而2015年差異不顯著。春季無論灌溉與否，秸稈覆蓋在一定程度上降低了表層土壤水分蒸發，有一定的保墑效果。在水分有限條件下，小麥于需水敏感期進行灌溉可顯著提高產量，而結合秸稈覆蓋后，產量降低不顯著，但耗水量減少。因此，春季灌溉1水結合秸稈覆蓋是本區域降低小麥耗水量、保證產量的有效措施。

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