覆膜秸稈還田對旱作農田土壤水溫及春玉米產量的影響

錢 銳，劉 洋，郭 茹，楊 玲，梁 霞， 張 鵬，任小龍，賈志寬

(1.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100；2.農業部西北黃土高原作物生理生態與 耕作重點實驗室/西北農林科技大學 中國旱區節水農業研究院，陜西楊凌 712100)

寧南旱區地處黃土高原雨養農業區，光熱資源豐富，降水不足，土壤肥力屬于中低水平，以秸稈還田、地膜覆蓋等為代表的培肥保墑技術成為區域農業發展的重要措施[1-4]。連年覆膜種植造成的地力消耗與“白色污染”，不合理、不充分的秸稈還田導致作物減產等現象已經成為區域農業可持續發展亟需解決的問題[5-7]。

高艷梅等[8]研究指出，休閑期覆膜在不同降雨年情下顯著提高播前蓄水效率20%～185%，小麥增產20%以上。馬忠明等[9]通過不同覆膜種植試驗發現，不同覆膜方式下土壤溫度平均提高3.3℃。普遍認為，秸稈還田通過對土壤理化性質改變影響作物發育。馬永良等[10]研究表明，秸稈還田增強了土壤滲水能力，提高了土壤含水量。張冬梅等[11]研究表明，連續3a秸稈還田，玉米苗期日均最低溫提高1.3℃，播前土壤水分提高1.9%，經濟產量增加12.2%。但覆膜種植與秸稈還田的弊端同樣不容忽視。柴守璽等[12]研究表明，覆膜種植減少了深層土壤含水量，土層加深含水量越低，更為劇烈。長期覆膜種植還會引發作物生育后期脫水、脫肥現象[13-14]。秸稈還田對于農田的反哺需要一定溫度、水分、氮素作為前提條件[15]，單一秸稈還田會降低出苗質量與出苗率[16]，造成出苗遲，苗弱，苗黃等情況。眾多研究表明[17-18]，秸稈還田配合地膜覆蓋在發揮各自優勢的基礎上，緩解了作物生長同資源環境協同發展的矛盾，促進了農業資環的循環利用，提高了可持續農業活力，實現優勢互補。

當前，眾多學者已經圍繞單一覆膜栽培、單一秸稈還田或是覆膜栽培結合秸稈還田在不同區域進行了大量的田間試驗，關注點多圍繞單一維度下農田土壤水分、表層土壤溫度、作物產量等方面[19-23]，而針對秸稈還田配合地膜覆蓋對典型旱作農田土壤水分、溫度在時空兩個尺度下的變化，以及二者優勢耦合對春玉米產量影響的報道尚在少數。

試驗共設置傳統平作(T)、平作秸稈還田(TS)、平覆膜秸稈還田(PS)、平覆膜秸稈不還田(P)4個處理，從時間、空間兩個層面分析地膜覆蓋、秸稈還田及二者交互對土壤水熱動態變化、優化利用及春玉米產量的影響，揭示覆膜秸稈還田模式的增溫保墑及增產原理，為完善半干旱區地膜覆蓋栽培模式提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于 2018年11月-2019年10月在寧夏回族自治區彭陽縣長城村旱地農業試驗區(106°48′E，35°51′N)進行。該區海拔1 658 m，地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地。年平均降水量430 mm 左右，其中70%的降雨集中在7—9月。年平均氣溫 6.1 ℃，年平均日照時數 2 518.2 h，年蒸發量1 753.2 mm，干燥度(≥0 ℃的蒸發量)為1.21～1.99，無霜期 140～160 d。試驗田為旱平地，土壤質地為黃綿土，屬中低等肥力水平，試驗地0～60 cm土壤基礎理化性質見表1。

1.2 試驗年份玉米生育期的氣溫、降水情況

2018年10月—2019年11月總降雨量為787.1 mm，休閑期降雨量為153.3 mm，生育期降雨量為633.8 mm(圖1)，較多年平均同期增長86.9%。在玉米生長旺盛的7、8月降雨量分別為144.2和245.7 mm，較多年平均同期增加 52.2%和169.7%。生育期內日照時數為 949.1 h，日均氣溫為8.6～20.2 ℃。

表1 試驗地基礎理化性質Table 1 Key properties of soil layers

1.3 試驗設計

試驗為雙因素隨機區組設計。設置兩種栽培模式，分別為傳統平作和覆膜種植，采用秸稈還田與不還田兩種方式分別在兩種栽培模式下進行大田試驗。試驗共設置4個處理(圖2)，平作不還田(T)、平作秸稈還田(TS)、平覆膜秸稈不還田(P)、平覆膜秸稈還田(PS)，每個處理3次重復。每個重復小區面積為90 m2。

2018年10月，前茬玉米收獲后立即將秸稈粉碎成5 cm左右的小段，均勻翻埋至各還田處理0～30 cm土層，隨后對各覆膜處理覆可降解膜，于次年4月直接播種。玉米品種為‘大豐30’，播種密度為75 000株·hm-2，種植深度為5～8 cm，株距60 cm，行距23 cm，各處理施尿素150kg·hm-2和 P2O5120 kg·hm-2，磷肥全部基施，在小喇叭口期按質量比1∶1對各處理進行尿素追肥，試驗期間不進行灌水處理，僅進行人工除草和病蟲害防治。2019年4月23日播種，10月3日收獲。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤水分 測定深度為0～200 cm土層，0～20 cm每10 cm取1個土樣，20 cm以下每 20 cm取1個土樣，取樣位置為玉米株間，采用烘干法測定。

1.4.2 土壤溫度 采用智能全自動土壤溫度記錄儀(HZ-TJ1，北京合眾博普科技有限公司，中國)進行地溫讀取，不間斷測量4個處理從播種至收獲全生育期內土壤剖面0～60 cm溫度的動態變化，10 cm一個土層，觀測位置在株間，每次讀取間隔30 min。

1.4.3 土壤積溫 參考McMaster 和 Wilhem關于土壤有效積溫的計算[41]，得出相關公式如下：

AT=∑(Tm-Tb)

式中，AT為土壤有效積溫( ℃)；Tm為日均土壤溫度；Tb為玉米根系活動最低有效溫度，其值為10 ℃。當Tm

1.4.4 土壤貯水量W=∑h×ρ×b×10

式中，W為土壤貯水量(mm)；h為土層深度(cm)；ρ為土壤體積質量(g·cm-3)；b為各層土壤質量含水量(%)。

1.4.5 土壤耗水量ET=W1-W2+T+R+C-D+I

式中，ET為全生育期耗水量(mm)；W1為播前0～200 cm土層土壤貯水量(mm)；W2為收獲后0～200 cm土層土壤貯水量(mm)；T為生育期有效降水量(mm)，I為灌溉量(mm)，R為地表徑流(mm)，C為地下水流入根部水量(mm)，D為根部以外排水量(mm)。本試驗中，試驗地地表平整，地下水位在地表約80 m以下深度，試驗期間無灌水，因此，地表徑流、灌溉量、地下水流入根部水量和根部以外排水量數值為零。

1.4.6 作物水分利用效率WUE=Y/ET

式中，WUE為水分利用效率 (kg·hm-2·mm-1)，Y為作物籽粒產量 (kg·hm-2)。

1.4.7 作物產量 至玉米收獲，每個小區選取4 列有代表性的玉米行，每行連續選取10 株玉米進行玉米產量測定。收獲時4個處理的籽粒平均含水量為 25.61%，測產時籽粒產量按14%含水量折算干質量進行計算。

1.5 數據處理

利用軟件Microsoft Excel 2018和SPSS 23對試驗數據進行統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗。采用Origin 2018對數據進行處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式下0～200 cm土層土壤水分變化

2.1.1 時間變化 各處理0～200 cm土層貯水量隨生育期推進呈現“M”型變化，土壤貯水量峰值出現在播后120～150 d(圖3)。

休閑期至播前，無論是在耕層(0～60 cm)還是深層(60～200 cm)，覆膜處理貯水量均顯著高于不覆膜處理，平均高4.29%和5.46%。平覆膜秸稈還田(PS)與平覆膜秸稈不還田(P)在耕層差異明顯，PS較P高0.45%。平作秸稈還田(TS)與平作不還田(T)差異主要體現在深層，TS較T高1.01%。

播后0～30 d，0～200 cm土壤貯水量，覆膜處理均顯著高于不覆膜處理。耕層貯水量，覆膜處理較不覆膜處理平均高4.71%。深層貯水量，覆膜秸稈還田處理顯著高于其他處理，平均高 3.17%。播后30～60 d，PS的耕層和深層貯水量顯著高于其他處理，平均高3.70%和3.75%，其余各處理之間無顯著差異。播后60～90 d，受日均氣溫升高與拔節期影響，作物耗水劇增，各處理耕層、深層貯水量均為生育期內最低。各處理耕層貯水量差異顯著，PS與P較T分別高4.30%、 1.90%，TS較T低-4.50%，PS較P提高 2.35%。各覆膜處理深層貯水量均顯著高于不覆膜處理，平均高4.12%，但覆膜處理間無顯著差異，TS較T顯著提高1.64%。播后90 d～收獲，該時期降雨量為392.7 mm(較多年同期平均降雨量多227.8 mm)，各處理出現貯水量峰值，平均達611.52 mm，各處理間耕層貯水量大小順序為T>P>TS>PS，不還田處理較還田處理平均高2.29%。

2.1.2 空間變化 休閑期至播前，各處理0～200 cm土壤含水量大小順序為PS>P>TS>T(圖4-a)。無論是在耕層還是深層，覆膜處理的抑蒸保墑作用均優于不覆膜處理，在此基礎上，秸稈還田有效積蓄了深層土壤水分。但單一還田不能控制耕層水分的蒸發。

播后0～30 d，各處理0～200 cm土層土壤含水量較播前均有不同程度增加，呈現先增加后降低的變化(圖4-b)。

播后30～60 d，氣溫回升，覆膜抑蒸、秸稈腐解、作物生長同時對水分作用，以作物耗水為主， 0～80 cm土壤含水量較上一時期減少(圖4-c)。播后60～90 d，0～200 cm土層含水量先減少后趨于穩定。這一時期，水分蒸散和作物生長成為耗水主要原因，雖然降雨較多，但多為強降雨，易形成徑流，對土壤補給低于消耗(圖4-d)。播后90～120 d，各處理進入灌漿期，耗水強度均有所降低，主要以蓄水為主，0～200 cm土層含水量先呈現小幅降低，隨后增加再降低(圖4-e)。播后120 d～收獲，耗水強度進一步降低，0～200 cm土壤含水量大致呈先增加后減少的趨勢，以T水分含量最高(圖4-f)。

值得注意的是，在播后0～90 d，土壤水分的消耗主要在0～80 cm土層內。不同覆膜還田種植配合降雨將深層水份穩定在17～23%，90 d以后，不覆膜處理土壤含水量逐漸增加，甚至超過覆膜處理。

2.2 不同種植方式對0～60 cm土壤溫度的影響

2.2.1 0～20 cm土壤日(00:00～24:00)逐時溫度 玉米生長期間，覆膜種植相較不覆膜處理平均提高10 cm、20 cm土壤溫度2.81 ℃和0.87 ℃(圖5)。各處理日均溫度隨土層加深降低，降幅為0.03～2.21 ℃。分析不同處理日均土壤溫度逐時變化，10 cm處，覆膜處理6:00～15:00溫度逐漸升高，在15:00～18:00達到最高溫度，至翌日6:00溫度逐漸降低至日均最低溫，PS較P到達日均最高溫的時間向后延遲，但最高溫度無差異。不覆膜處理，6:00～16:00溫度逐漸升高，至次日6:00溫度逐漸降低，TS與T同時段到達日均最高溫，但T的溫度高于TS。20 cm處，溫度變化趨勢與10 cm相似，PS與P,T與TS溫度變化更加趨于同步。

2.2.2 0～20 cm土壤逐日晝夜溫度和晝夜溫差 不同種植方式對0～20 cm土壤晝、夜溫度影響不同(圖6)。相較平作不還田，各覆膜處理的夜間增溫效果優于白晝，平作秸稈還田表現為白晝降溫、夜間增溫。PS與P分別提高土壤晝、夜溫度1.40 ℃、1.71 ℃和3.71 ℃、3.51 ℃，TS降低和提高土壤晝、夜溫度0.46 ℃和0.50 ℃。分析晝夜溫差可看出，相較T，不同覆膜還田處理降低土壤晝夜溫差，且隨生育期推進，溫差幅度逐步縮小，生育期內平均降低0.6～1.23 ℃。播后0～15 d，PS、P、TS的晝夜溫差分別降低1.7 ℃， 1.5 ℃和0.5 ℃。播后16～100 d，PS、P、TS晝夜溫差分別降低1.5 ℃， 1.2 ℃和0.3 ℃。播后101～162 d，PS、P、TS晝夜溫度分別降低1 ℃，0.7 ℃和0.1 ℃(圖 7)。

2.2.3 0～60 cm土壤有效積溫 各處理全生育期0～60 cm有效積溫總量以PS最多，較P、TS、T分別多1%、20.95%和19.42%(圖8)。

分析各時期可看出，播后0～40 d，除PS(20 cm)外，各處理土壤有效積溫隨土層加深而減少，PS、P、TS、T的表層(0～30 cm)土壤有效積溫總量分別較深層(40～60 cm)高15%，9.7%，29%。各處理表層(0～30 cm)有效積溫差異顯著。PS和P的有效積溫總量較TS和T平均分別高 75.3%，PS較P高5.3%。深層(30～60 cm)土壤有效積溫總量，PS、P較T平均高113.75%。

播后40～80 d(圖8-b)，受氣溫回升及日照時數增加影響，各處理0～60 cm有效積溫總量達到全生育期最大值，相較0～40 d平均提高 57.33%。地膜覆蓋對土壤增溫保溫的同時避免土壤溫度隨氣溫的線性增加，在播后40～80 d，不覆膜處理土壤積溫隨日均土壤溫度的升高而增大，不覆膜處理增加幅度顯著高于覆膜處理，其中以TS增幅最大，0～60 cm有效積溫總量增加136.13%。各處理表層土壤有效積溫平均較深層多12.25%。表層土壤有效積溫，覆膜處理較不覆膜處理平均高6.50%，PS較P顯著高1.46%，TS較T顯著低0.81%。深層土壤有效積溫總量，覆膜處理較不覆膜處理平均高17.29%。

播后80～120 d(圖8-c)，各土層覆膜處理與不覆膜處理平均差值為2.12～30.62 ℃，為生育

期內最小。同一土層，PS與P，T與TS均無顯著差異。

播后120 d～收獲(圖8-d)，各處理有效積溫隨土層加深而減少，達到生育期內最低。同一土層，覆膜處理顯著高于不覆膜處理，平均高 3.53%。但PS與P,TS與T之間無顯著差異。

2.2.4 0～20 cm土壤溫度與大氣溫度的關系 分析不同種植方式下0～20 cm土壤溫度與大氣溫度的相關性發現，不同處理在不同氣溫區間表現出不同的響應特征(圖9)。在5～25 ℃氣溫區間內，P均表現最大的增溫潛勢，PS與T在 18.62 ℃出現增溫潛勢交叉，TS最弱。從增溫幅度看，在5～10 ℃氣溫區間，PS、P、TS增溫幅度分別為2.21 ℃、0.1 ℃、-2.39 ℃。在10～18 ℃氣溫區間，3個處理增溫幅度分別為2.4 ℃、 0.28 ℃、-2.34 ℃。在18～25 ℃區間，3個處理增溫幅度分別為1.79 ℃、-0.1 ℃和-2.36 ℃。

2.3 不同種植方式對玉米產量、耗水量和水分利用效率的影響

玉米收獲后，覆膜處理的經濟產量和生物產量均顯著高于不覆膜處理，平均提高70.06%和35.30%。PS較P顯著提高經濟產量和生物產量，分別為14.55%和21.93%，TS與T之間無顯著差異(表2)。

各處理耗水量差異顯著，覆膜處理的耗水量均高于不覆膜處理，平均高5.72%。且秸稈還田耗水量均顯著高于同種種植方式下的不還田處理，PS、TS耗水量分別較P、T高出14.36 mm和 15.04 mm。PS與P水分利用效率差異顯著，TS與T之間無顯著差異，平覆膜秸稈還田的水分利用效率最高，為23.56 kg·hm-2·mm-1。

進一步分析生育期內0～200 cm土壤貯水量和0～20 cm土壤溫度對玉米經濟產量、生物產量、耗水量、土壤有效積溫的影響(表3)。結果顯示，經濟產量與生物產量、貯水量和土壤有效積溫的相關性隨生育期推進逐漸降低。經濟產量與播后0～30 d的土壤貯水量呈極顯著正相關；與播后60～90 d土壤貯水量呈顯著正相關。生物產量與播后0～30 d、30～60 d貯水量呈顯著相關。除播后90～120 d，耗水量與土壤貯水量的相關性

表2 不同處理玉米的產量、耗水量及水分利用效率(2019年)Table 2 Yield, water consumption and water use efficiency of maize under different treatments(2019)

先升高后降低；與土壤溫度的相關性先升高后降低。土壤有效積溫與播后0～30 d土壤貯水量呈顯著負相關。

表3 玉米經濟產量、生物產量、耗水量有效積溫與土壤溫度和土壤貯水量相關性Table 3 Correlation of corn economic yield,biological yield,water consumption,effective accumulated temperature and soil temperature and soil water storage

3 討 論

3.1 土壤水分

研究表明覆膜種植可顯著提高土壤含水量，滿足玉米生育期內對水分的需求[24-25]。本試驗結果表明，覆膜處理有效蓄存了休閑期的自然降水，0～200 cm播前土壤貯水量均顯著高于不覆膜處理，這與李玉玲等[26]的研究結果相似。這主要是因為覆膜降低了休閑期的無效蒸發。試驗中各還田處理間有所差異，PS耕層播前土壤貯水量較P顯著高4%，深層無顯著差異，這與徐文強等[27]研究不一致。這可能是因為PS處理通過覆膜的增溫效應提高了深層水分向耕層土壤匯集的能力，并通過秸稈還田可顯著改善土壤的蓄水保墑能力。而T與TS的情況與之相反，多年秸稈還田明顯改善了土壤的理化性質，特別是降低了土壤的容質量，提高了土壤孔隙度，利于水分下滲，增加了深層(特別是60～100 cm)土壤含水量。Fan等[28]通過長期秸稈還田試驗也證明了這一觀點。各處理生育期內耗水量差異顯著，這一點可能與不同種植方式下的冠層溫度導致的熱量交換進而引起水分消耗差異有關。至收獲，受豐水年情影響(休閑期至收獲，共降雨702.6 mm)，各處理 0～200 cm土壤貯水量均較播前有不同程度的增加，大小為T>TS>P>PS,增幅在54.36～ 100.03 mm，且以深層土壤(60～200 cm)水分增加為主，這也從側面反映出，在半干旱地區，地膜覆蓋配施秸稈還田在減少無效蒸發，提高土壤貯水量的同時緩解了覆膜種植對深層水份的消耗，優勢互作明顯。

3.2 土壤溫度

土壤溫度是作物生長發育重要的物理條件。不同覆蓋方式通過改變土壤對氣溫的響應機制以及土壤-大氣熱能交換機制進而影響作物在生育期的表現[29-30]。孫魯龍等[31]證明，充足的土壤有效積溫是啟動植物呼吸作用的關鍵因子。本試驗結果表明，不同種植方式下0～20 cm土層土壤逐時溫度變化趨勢一致。地膜覆蓋延遲了土壤對氣溫的響應，延長了增溫時間，緩解了夜間降溫幅度，降低了晝夜溫差，秸稈還田進一步優化了這種效果，值得注意的是，覆膜種植并未改變玉米根系溫度的三基點，而是保證了玉米生殖生長階段對最低溫的需求，穩定在10 ℃以上，至營養生長、營養生長與生殖生長并進階段使作物較長時間處于適宜溫度區間內，特別是在夜間，溫度維持在 20～25 ℃，有利于作物發育。不同處理增溫效果隨土層加深而減弱，其中以PS處理在0～10 cm處增溫效果最為明顯，較T平均提高日均溫 3.3 ℃，這與Zhang等[32]研究結果一致。PS、P和TS在白天和夜晚平均增溫1.4 ℃、1.7 ℃、 -0.46 ℃和3.7 ℃、3.5 ℃、0.5 ℃，以上結果充分說明在地膜覆蓋配合秸稈還田的種植模式中，覆膜與秸稈共同對土壤溫度作用，但覆膜是影響土壤溫度的主要因素，這與李利利等[33]研究相似。土壤積溫能有效反映作物對土壤熱量資源的獲取能力[34]。本試驗中，0～60 cm不同處理土壤有效積溫 “先增加后減少”，特別是在播后80～120 d，覆膜處理較不覆膜處理平均高60.64 ℃，為生育期內差異最小。土壤有效積溫的變化趨勢證明玉米在早期生殖生長階段較長時間處于生物學最適溫度范圍內，既滿足作物在不同時期對溫度的需求，又避免了作物因溫度過高導致早熟早衰，延長了灌漿時間，提高產量，這與李玉玲等[26]結論一致。

3.3 作物產量

覆膜栽培的優勢，就是對土壤和大氣水熱條件的優化利用，以此實現干旱半干旱區或是干旱年份下作物的增產增收[35-36]。最直觀的評判標準就是作物產量與作物水分利用效率[37-38]。朱琳等[39-40]研究發現，在春玉米生殖生長階段，地膜覆蓋增加土壤有效積溫89.5 ℃，促進籽粒對氮素的吸收利用，積溫生產效率提高34.06%。在當季玉米種植過程中，經濟產量、生物產量與播后0～30 d土壤貯水量呈極顯著和顯著相關。相較不覆膜種植，覆膜種植經濟產量和生物產量平均提高58.08%～82.1%和18.52%～53.08%，水分利用效率平均高60.66%[41]。本試驗結果表明，覆膜處理下秸稈還田對經濟產量和生物產量影響顯著，單施秸稈與傳統種植之間無顯著差異。雖然可降解膜在作物生育中后期逐漸腐解破裂，但在生育前期的增溫保墑已經為玉米根壯、苗齊、莖粗奠定基礎。休閑期進行秸稈還田，有效蓄集了秋冬季降雨，錯開了腐解需水與作物需水競爭，使秸稈對土壤水分的反哺提前。有研究表明，充足的降雨避免了水分脅迫，彌補甚至超過普通地膜對于土壤水分的影響，另一方面，較高的土壤含水量提高了土壤熱容量[42]，也在一定程度上抵消了因地表逐漸裸露造成的熱量流失，使得玉米在生育中后期依然有良好的水熱條件作為支撐。同時，本研究較好地體現了覆蓋生物降解膜配合秸稈還田對玉米同土壤水熱條響應機制的優化，這一點在經濟產量、生物產量、土壤有效積溫和耗水量對不同生育時期土壤貯水量和土壤溫度的相關性上得到了充分的說明，在滿足玉米在關鍵生育時期的需求的同時減少了其他生育時期不必要的資源浪費，這也是平覆膜秸稈還田無論在產量、水分利用效率等方面均顯著高于其他處理的重要原因。

4 結 論

在以水分為主要生產限制因素的干旱半干旱區，覆膜種植通過提高冬春休閑期含水量，截留較多光能輻射，明顯改變播前土壤水熱條件。生育期內，覆膜處理無論是在貯水量、水分利用效率、積溫、作物產量等方面均優于不覆膜處理，其中以平覆膜秸稈還田處理效果最佳。單一秸稈還田無法解決水分限制因素，因而與傳統種植相差無幾。這也從側面反映出，在半干旱地區，覆膜依然是調節土壤水熱狀況，促進作物健康生長的重要手段，同時，秸稈還田正面效應的發揮需要其他耕作措施為其創造適宜的條件。另一方面，可降解膜的應用在避免普通地膜白色污染問題的同時一定程度上降低了作物早熟早衰的風險，有利于旱區雨養農業的可持續發展。