秸稈量對壟溝二元覆蓋夏玉米農田耗水及產量的影響

申勝龍，李援農，銀敏華，張 敏，方 恒

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

中國是一個農業大國，水資源短缺一直是制約農業發展的主要瓶頸，尤其是在西北干旱半干旱地區[1]。同時，中國又是世界第一秸稈大國[2]，秸稈的有效利用對保護環境，增加農民收入具有重要作用。自1936年由Hallsted[3]提出秸稈覆蓋以來，大量相關研究逐漸展開。研究表明，秸稈覆蓋在抑制土壤鹽分表聚[4-5]，減少土壤蒸發[6-7]，降低土壤呼吸[8]，蓄水保墑[9]，平抑土溫[10]等方面有重要作用。目前，國內有關秸稈覆蓋的研究主要集中于冬小麥[11-12]和春玉米[13-14]，而很少涉及夏玉米，且目前的研究主要針對平作條件下一元覆蓋[15-16]的秸稈覆蓋量，或壟溝條件下不同覆蓋材料及覆蓋方式的居多，而對壟溝二元覆蓋條件下秸稈覆蓋量的研究相對較少。不同學者將壟溝二元覆蓋條件下作物產量、土壤水分等與其他種植方式對比得出的結論存在較大差異[17-19]，這種差異的來源可能是不同地區氣候條件或降雨量情況的不同導致，但通過大量調研發現，多數可能由于在進行溝中秸稈覆蓋時憑借經驗方法，對于該地區適宜的秸稈覆蓋量無法獲取理論指導所造成的。

本文基于2 a田間試驗，通過分析比較壟溝二元覆蓋種植模式下秸稈量對夏玉米土壤水分、生育期騰發量、作物產量及水分利用效率的影響，以期獲得該地區壟溝種植模式下適宜的秸稈覆蓋量，為秸稈的有效利用及夏玉米高產穩產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年和2016年的6—10月在陜西省楊凌示范區西北農林科技大學旱區農業工程教育部重點實驗室的灌溉試驗站(34°17′38″N、108°04′08″，海拔521 m)進行。試驗站年均日照時數2 163.8 h、年均氣溫13℃，年均蒸發量1 510 mm，年均降水量632 mm，屬大陸性暖溫帶季風氣候。試驗田土壤為壤土，田間持水率(質量含水率θm)為24%，土壤干容重為1.35 g·cm-3，pH值為8.14。

1.2 試驗材料

試驗所用地膜由山東天壯環?？萍加邢薰旧a，膜寬100 cm，膜厚0.008 mm，秸稈為前茬小麥秸稈，粉碎為約5 cm長。供試品種為“漯單9號”，由河南金屯種業有限公司生產，屬中早熟品種。試驗所用鉀肥為農業用硫酸鉀，K2O質量分數≥51.0%；磷肥為過磷酸鈣，有效P2O5質量分數≥16%；氮肥為尿素，總氮質量分數≥46.4%。

1.3 試驗設計

采用壟溝種植方式，壟覆地膜、溝覆秸稈且溝內播種。共設置4個秸稈覆蓋量水平：2 500(M1)、5 000(M2)、7 500(M3)、10 000(M4) kg·hm-2，以溝中不覆蓋為對照(CK)，共5個處理，3次重復，隨機區組排列。小區面積為20 m2(4 m×5 m)，所有小區均為南北種植。試驗田基肥氮肥150 kg·hm-2，磷肥60 kg·hm-2，鉀肥80 kg·hm-2；分別于2015年6月15日和2016年6月11日按照株距28 cm、行距60 cm進行種植。所有小區出苗后及時放苗、間苗，生育期未進行灌溉、追肥。夏玉米全生育期降水量為2015年271.0 mm，2016年321.0 mm。

1.4 測定項目及方法

土壤含水率測定：于夏玉米播種前及苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期分別測量0～200 mm土層土壤含水率，采用土鉆法取土，取樣間隔10 cm，用烘干法測定含水率，取土位置為小區中間同一行相鄰2株玉米中間區域。

產量測定：在成熟期，于各小區中間選定12株進行室內考種，測定穂長、穂粗、穂行數、百粒重，并計算籽粒產量。

干物質量測定：在夏玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期分別在每小區采集3株玉米地上部植株，放入干燥箱在105℃下殺青30 min，再75℃干燥至恒定重量，用電子天平稱量干物質量。

土壤貯水量W(mm)計算公式[20]：

W=θm×ρb×h

式中,θm為土壤含水率(g·g-1)；ρb為土壤容重(g·cm-3)；h為土層深度(mm)；0～200 mm土層貯水量為各層土壤貯水量之和。

作物階段耗水量ET(mm)計算公式[21]：

ET=R+ΔW

式中,R為階段降雨量(mm)；ΔW為階段內土壤貯水量變化(mm)；由于地下水位較深，故不考慮地下水補給。

作物水分利用效率WUE(kg·hm-2·mm-1)計算公式[16]：

WUE=Y/ET

式中，Y為產量(kg·hm-2)。

1.5 數據處理

采用Excel 2007進行數據整理，SPSS 21.0進行數據統計分析，方差分析使用最小顯著差異(LSD)法；采用Origin 9.0進行繪圖處理。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈覆蓋量對土壤貯水量的影響

土壤貯水量是不同覆蓋處理效果的直接反應?？梢酝ㄟ^調控生育前期覆蓋量差異下棵間蒸發作用及中后期長勢差異下植株蒸騰作用的強弱來影響土壤水分的變化。不同秸稈覆蓋量條件下，由于棵間蒸發和植株蒸騰強度存在差異，同時受2 a生育期降水量分布的影響使得各處理土壤貯水量有所不同，2015、2016年兩年夏玉米生育期降水情況見圖1。

圖1 試驗區2015-2016年夏玉米各生育期降雨量Fig.1 Precipitation of experiment sites in summer maize period

由圖1分析知，2 a降雨量分布極不均勻，其中2015年夏玉米拔節期5.9 mm、灌漿期14.7 mm，2016年抽雄期57.1 mm、灌漿期51.5 mm，均小于生育期內玉米正常需水量。由統計分析知，各處理間0～200 cm土壤貯水量存在明顯差異，表現為生育前期隨覆蓋量增加而增加，生育后期隨覆蓋量增加而減少，具體變化見表1。

表1 不同秸稈覆蓋量對夏玉米不同生育期土壤貯水量的影響/mmTable 1 Effects of different straw mulching rates on soil water storage in various growing periods of maize

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。 Note: Different letters indicate significant difference (P<0.05).

由表1分析知，夏玉米播種前土壤貯水量不存在顯著差異，但隨著生育進程的推進，不同秸稈覆蓋處理下土壤貯水量的差異逐漸顯著。苗期由于植株矮小，土壤水分消耗主要以棵間蒸發為主，不同覆蓋量均對土壤蒸發有抑制作用，表現為隨覆蓋量的增加抑制作用逐漸增強，其中M4處理效果最明顯(P<0.05)，M3處理次之(P<0.05)，各處理2 a平均土壤貯水量分別較CK增加1.17、3.22、6.93 mm和7.81 mm。拔節期各處理土壤貯水量差異有所增大，除M1外，其余各處理與對照相比均達到顯著性差異(P<0.05)，分別增加8.18、12.85 mm和15.25 mm。進入抽穗期后，夏玉米處于由營養生長向生殖生長過渡階段，葉面積指數基本達到峰值，覆蓋對棵間蒸發的抑制作用減弱，且由于前期覆蓋量大的處理保水效果較好，水分充足，因此植株生長旺盛，蒸騰作用較強，雖然M3和M4兩年土壤貯水量仍顯著高于對照(P<0.05)，但較CK差值減小至4.27 mm和4.91 mm。灌漿期植株生殖生長旺盛，覆蓋量與土壤貯水量呈負相關，2 a中M4較CK達到顯著性差異(P<0.05)，除M1土壤貯水量較CK增加0.53 mm外，其余處理分別減少2.95、4.15 mm和5.91 mm。當進入成熟期后，各覆蓋處理的平均土壤貯水量均較CK減少，M3、M4與對照相比達到顯著性差異(P<0.05)，各處理分別較CK減少1.93、5.23、9.47 mm和11.54 mm。

2.2 不同秸稈覆蓋量對農田騰發量的影響

在北方炎熱的夏季，覆蓋秸稈可通過隔斷蒸發層與下層土壤的毛細管作用，減弱土壤空氣與大氣之間的對流交換，從而增大地面層顯熱通量，減小潛熱通量及土壤熱通量，其獨特的平抑土溫效應可減少土壤水分蒸發進而提高根系活性、延緩植株衰老。通過壟溝微集雨，溝覆秸稈的方式在夏玉米生育前期減少棵間蒸發，保蓄土壤水分從而為中后期植株蒸騰及產量形成提供適宜的土壤水分狀況，使全生育期農田水分狀況趨于協調，覆蓋對不同生育期耗水量的影響見表2。

表2 不同秸稈覆蓋量對夏玉米不同生育期耗水量的影響/mmTable 2 Effects of different straw mulching rates on water consumption in various growing periods of maize

由表2分析知，苗期農田騰發量主要以棵間蒸發為主，蒸發強度隨覆蓋量的增加而減弱，2 a中M2、M3和M4處理與對照相比均達到顯著性差異(P<0.05)，分別較CK減少5.07、7.62 mm和8.34 mm。拔節期雖仍以蒸發為主，但由于植株迅速生長導致秸稈覆蓋作用減弱，M2、M3和M4處理較對照2 a均差異顯著(P<0.05)，分別減少4.96，5.93 mm和7.43 mm。抽穗期農田騰發量轉變為以蒸騰為主，由于前期覆蓋條件下水分充足，植株長勢較好，因此該時期內耗水強度與覆蓋量成反比，M2、M3和M4處理較對照2 a均達到顯著性差異(P<0.05)，差值為6.11、8.58 mm和10.34 mm。灌漿期和成熟期M3、M4處理與對照相比2 a均達到顯著性差異(P<0.05)，分別增加8.42、10.81 mm和5.32、5.63 mm。全生育期M3、M4處理與對照相比2 a均達到顯著性差異(P<0.05)，而M3和M4之間差異不顯著(P<0.05)，各處理2 a平均騰發量分別較對照增加0.51、3.37、8.78 mm和11.01 mm。

2.3 不同秸稈覆蓋量對夏玉米地上干物質量的影響

干物質量是對秸稈覆蓋保水效應的直接反應，提高夏玉米干物質量的累積有助于最終產量的形成，覆蓋對夏玉米干物質量影響見表3。

由表3分析知，2015年各處理最終干物質量明顯低于2016年，苗期由于秸稈覆蓋抑制了地上干物質量的形成，表現為隨覆蓋量的增加干物質量呈下降趨勢，其中M4處理(2016年)較對照差異顯著(P<0.05)，相比對照減少6.69%。拔節期在氣溫與土壤水分共同作用下秸稈覆蓋對植株生長由抑制轉變為促進效應，其中，M3、M4處理均顯著高于對照(P<0.05)，2 a平均增加14.24%、17.91%。進入抽雄期后，秸稈覆蓋的促進作用進一步顯現，M2、M3和M4處理較對照均達到顯著性差異(P<0.05)，分別增加13.23%、18.65% 和21.73%。灌漿期干物質逐步向果實部運移，M2、M3和M4處理相比對照均達到顯著性差異(P<0.05)，2 a平均增加14.11%、20.87%和24.32%。進入成熟期后，各處理較對照差異達到最大，分別增加4.67%、16.58%、21.99% 和23.36%，其中M2、M3、M4處理相比對照2a均差異顯著(P<0.05)。

表3 不同秸稈覆蓋量對夏玉米不同生育期干物質量的影響/(g·株-1)Table 3 Effects of different straw mulching rates on upper dry matter in various growing periods of maize/(g·plant-1)

2.4 不同秸稈覆蓋量對夏玉米產量及水分利用效率的影響

玉米產量是壟溝微集雨、溝覆秸稈種植模式對土壤水分等因素調控的最終體現，覆蓋條件下玉米產量及構成要素見表4。由表4分析知，處理M3和M4的果穗長、果穗粗、百粒重均顯著高于對照(P<0.05)，而果穗行數無顯著差異。2 a覆蓋處理均表現為產量及水分利用效率隨秸稈覆蓋量的增加而增加的趨勢，由于2015年玉米拔節期及灌漿期降水量過少，各處理產量及水分利用效率明顯低于2016年。各處理產量較CK 2 a平均增產4.10%、9.85%、18.80%和20.89%。不同秸稈覆蓋量條件下夏玉米產量和生育期耗水量均有所差異，從而導致不同的水分利用效率。2年中，各覆蓋處理的平均水分利用效率分別較對照提高3.52%、9.21%、14.80%和15.09%，其中M2、M3和M4處理2 a產量及水分利用效率均顯著高于對照(P<0.05)，在4種不同秸稈量處理中，2015年產量及水分利用效率M3處理與M2、M4均無顯著性差異(P<0.05)，但M2、M4之間存在顯著性差異(P<0.05)，2016年M3和M4均與M2存在顯著性差異，且M3和M4之間無顯著性差異(P<0.05)，說明當秸稈量大于7 500 kg·hm-2時增效不再明顯。

表4 不同秸稈覆蓋量對夏玉米產量及水分利用效率的影響Table 4 Effect of different straw mulching rates on yield of maize and water use efficiency

3 討 論

3.1 不同秸稈覆蓋量對土壤水分的影響

在干旱半干旱地區，水資源匱乏一直是制約農業生產的主要問題。壟溝種植地膜覆蓋微集雨技術可以貯存更多的降水[22]，通過溝中覆蓋量差異導致遮蓋程度的不同，從而減緩地表氣體對流，使土壤表層水分蒸發損失產生差異，調控水分在夏玉米全生育期的分配情況。蔡太義等[16]研究發現，對春玉米進行休閑期覆蓋可使2 m內土壤水分增加15 mm(4 500 kg·hm-2)和28 mm(9 000 kg·hm-2)，同時發現玉米成熟期土壤水分隨秸稈覆蓋量增加而增加。由于本試驗區一年兩熟，休閑期時間較短(20 d左右)，因此未對休閑期進行覆蓋并觀測土壤水分變化，使玉米播種前土壤水分狀況大致相同，這有助于消除休閑期水分差異對玉米生育期耗水的影響，本試驗中成熟期土壤貯水量與秸稈覆蓋量呈負相關，豐富了生育期覆蓋和休閑期+生育期覆蓋對玉米收獲時土壤水分差異的理論研究。買自珍等[23]研究得出壟溝二元覆蓋條件下春玉米生育期耗水范圍為390～430 mm，本研究玉米生育期耗水量為280～310 mm，可能由于生育期降水量差異，生育期和秸稈覆蓋量的不同所致。于曉蕾等[24]研究發現小麥全生育期耗水量隨覆蓋量的增加而減少，這與本試驗結果相反，可能由于小麥與玉米生育期內植株蒸騰強度不同所致，也可能是生育期土壤溫度差異造成，但就生育期總耗水量而言，本研究與蔡太義[16]研究結果相似。Duley[25]研究認為，覆蓋量為4 500 kg·hm-2處理的土壤貯水量較對照(不覆秸稈)增加2 倍，在本試驗條件下規律不明顯，可能與種植區氣候條件及降水量情況的差異有關。張俊鵬等[6]得出夏玉米全生育期內，土壤蒸發強度隨秸稈覆蓋量增加而減小，當覆蓋量達到7 500 kg·hm-2時，棵間蒸發強度降低不明顯，與10 500 kg·hm-2無顯著性差異，本試驗后續應增加對土壤蒸發強度的連續觀測，但生育前期由于蒸騰作用較弱，可通過農田蒸散量間接得出前期土壤蒸發強度與秸稈覆蓋量呈較好的負相關關系，且覆蓋量7 500 kg·hm-2與10 000 kg·hm-2差異不明顯，這與張俊鵬部分研究結果[6]相似。員學鋒等[26]在對桃樹的覆蓋試驗中表明，0～50 cm 土層土壤貯水量與秸稈覆蓋量呈很好的二次相關性，本研究通過對0～200 cm土層貯水量觀測發現，壟溝種植二元覆蓋條件下覆蓋量與土壤水分在生育前期呈較好的正相關，生育中后期由于蒸騰作用增強，覆蓋保水效應逐漸減弱，且前期土壤水分充足，甚至使收獲時土壤水分隨秸稈覆蓋量的增加而降低。本試驗對夏玉米全生育期土壤蒸發及植株蒸騰強度未進行連續觀測，后續研究中將加大對水分遷移變化情況的探索。

3.2 不同秸稈覆蓋量對夏玉米干物質量、產量及水分利用效率的影響

作物干物質量和產量是農業持續發展的重要指標，提高作物產量及水分利用效率是科學研究的重點及目的所在。卜玉山[27]在對春玉米進行秸稈覆蓋的研究中發現，由于秸稈覆蓋致使苗期出苗較對照晚1～2 d，但隨著氣溫回升在苗期即表現為秸稈覆蓋處理的干物質量大于對照；李立群[28]則發現秸稈覆蓋條件下苗期干物質量小于不覆蓋，中后期由于土壤水分的調控作用植株長勢好于對照。本研究結果表明苗期覆蓋對植株生長有一定的抑制作用，苗期過后覆蓋處理明顯優于對照，與李立群等研究結果一致，但與卜玉山研究存在差異，這可能由覆蓋量差異和作物熟制不同導致。蔡太義[16]在平作條件下發現玉米產量隨秸稈覆蓋量的增加而增加，增產率分別為6.05%(4 500 kg·hm-2)、11.03%(9 000 kg·hm-2)、12.41%(13 500 kg·hm-2)；逄煥成[29]和于曉蕾[24]在對冬小麥的研究及時學雙[30]對青稞的研究中均發現相同規律。本試驗結果趨勢相同，但同等覆蓋量條件下增幅略高，可能由于本試驗為二元覆蓋，秸稈覆蓋面積小且壟溝種植也會一定程度上提高降水有效利用率，從而使增產效果更為明顯。李玉鵬[14]研究發現當平作覆蓋量達到9 000 kg·hm-2以上時，增產效果隨覆蓋量的增加不再明顯；本試驗發現壟溝二元覆蓋條件下秸稈量達到7 500 kg·hm-2時增產效果不再具有顯著差異。Cook[31]研究表明，2 000～4 000 kg·hm-2小麥秸稈覆蓋可使玉米增產，但覆蓋量增加至6 000～8 000 kg·hm-2，玉米大幅減產，本研究2a均未出現隨秸稈覆蓋量增加導致玉米減產的現象，這與國內多數研究成果一致[16]。王昕[13]研究發現平作春玉米覆蓋量為4 500～9 000 kg·hm-2時水分利用效率急劇增大，覆蓋量達到13 500 kg·hm-2時不再增加甚至有下降趨勢；本研究結果分析表明秸稈覆蓋量達到7 500 kg·hm-2時秸稈量增加對水分利用效率的提高不顯著，當覆蓋量增加至10 000 kg·hm-2時在2015年增加0.59%，2016年下降0.06%，這可能與種植方式及生育期內降雨量有關。蔡太義[16]研究平作春玉米覆蓋量為4 500～13 500 kg·hm-2時水分利用效率較不覆蓋提高5.49%～8.09%；張俊鵬[6]研究平作夏玉米覆蓋量為1 500～10 500 kg·hm-2時水分利用效率提高2.09%～27.86%；而本研究發現壟溝二元覆蓋夏玉米覆蓋量為2 500～10 000 kg·hm-2時水分利用效率提高3.52%～15.09%，增幅略有差異，這可能受不同地區降雨量差異影響，也可能與種植方式，覆蓋材料有關。銀敏華[22]研究發現壟溝二元種植模式下秸稈覆蓋量為6 000 kg·hm-2時產量較不覆秸稈提高8.06%，水分利用效率提高7.17%，均小于本試驗同一地區不同生產年5 000 kg·hm-2時的增效作用，這與生育期內降雨量差異有關。同時有學者提出一定范圍內同等處理不同生產年度水分利用效率與降水量成反比[31-33]，本研究2015年產量及水分利用效率均低于2016年，這與2015年生育期降水少且分布極不均勻有關，此結果驗證了玉米需水臨界期的嚴重干旱會造成產量的大幅下降。

4 結 論

1)壟覆地膜溝覆秸稈條件下，夏玉米生育前期耗水量隨秸稈覆蓋量增加而減小，為中后期植株旺長提供適宜的環境從而導致中后期內覆蓋量大的處理耗水強度較大，2 a中各秸稈覆蓋處理全生育期平均耗水量分別較對照增加0.51、3.37、8.78 mm和11.01 mm。

2) 干物質量在苗期與覆蓋量呈負相關，中后期隨覆蓋量的增加而增大，2a平均較CK分別增加4.67%、16.58%、21.99% 和23.36%。

3)產量及水分利用效率均與秸稈覆蓋量呈正相關關系，2 a平均較CK分別增產4.10%、9.85%，18.80%和20.89%，水分利用效率提高3.52%、9.21%、14.80%和15.09%，覆蓋量大于7 500 kg·hm-2，夏玉米增效不明顯。

4)在干旱半干旱地區降水量制約最終作物產量及水分利用效率，壟溝二元覆蓋條件下，7 500 kg·hm-2(M3)為合理的秸稈覆蓋量，既有利于夏玉米節水增產，又有助于秸稈的高效利用。