沟灌种植下秸秆覆盖对夏玉米耗水特性及产量的影响

汪顺生，王康三

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

沟灌种植下秸秆覆盖对夏玉米耗水特性及产量的影响

汪顺生，王康三

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

为了揭示不同水分处理及覆盖处理对夏玉米耗水及产量的影响机制，通过田间试验，研究了宽垄种植下3种水分处理[土壤水分控制下限为田间持水量的60%(L-60)、70%(L-70)、80%(L-80)]和4种覆盖处理[覆盖率分别为50%(F1)、100%(F2)、150%(F3)以及不覆盖处理(F0)]对夏玉米阶段耗水规律及产量的影响。结果表明：同一水分处理下，秸秆覆盖增加了夏玉米的产量，其中F2处理增产效果最显著，增产率可达2.68%～4.58%；出苗—拔节期覆盖处理表现出明显的保墒能力，较F0处理最高可节水8.32～9.81 mm，拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期降雨较多，适量秸秆覆盖能增强降雨的入渗，且蓄纳较多的雨水，而覆盖过厚则阻碍降雨的入渗，使降水止于覆盖层，最终导致大量的无效水蒸发，F2覆盖处理最适宜；结合水分处理和覆盖处理，L-70水分处理和F2覆盖处理效果最优，产量高达7 815.42 kg/hm2，耗水仅为366.09 mm，水分利用效率为2.13 kg/m3，降水利用效率为5.73 kg/m3，符合节水高产的宗旨。

夏玉米； 秸秆覆盖； 产量； 耗水量； 水分利用效率； 降水利用效率

秸秆覆盖是指通过人工方法在土壤表面设置一个物理隔层，阻碍土壤与大气之间的能量交换，可以有效地防止土壤中水分和热量的散失[1]，是当前大面积推广的一种耕作技术。大量研究及生产实践结果表明，秸秆覆盖不仅能防止土壤水分加速蒸发，减少径流损失，还可以增温保湿、保护土壤表层、改善土壤物理性状、降低土壤容重、增加孔隙度、提高水分利用率[2-3]。脱云飞等[4]进行了秸秆覆盖对土壤水分和热量影响的模拟研究，结果表明，土壤含水率在0～40 cm土层逐渐减少，在40～100 cm土层逐渐增大，土壤温度在0～20 cm土层逐渐降低，秸秆覆盖具有明显的节水和控温效果。卜玉山等[5]利用盆栽和大田试验对比分析了地膜和秸秆覆盖的土壤肥力效应，结果表明，秸秆覆盖不同程度地增加了土壤有机质和速效氮、磷、钾等养分含量，而地膜覆盖无此作用，甚至降低了表层土壤有机质含量，秸秆覆盖具有增加土壤养分和生物活性的作用。张俊鹏等[6-7]研究了夏玉米在不同水分和覆盖处理下的生长特性及耗水规律，发现覆盖可以改善作物根区土壤水热状况，抑制棵间土壤水分蒸发，减小低温日变幅，促进夏玉米生长发育，提高夏玉米产量和水分利用效率。秸秆覆盖技术在我国己有较深入的研究，但还存在许多问题需进一步研究，如覆盖研究多集中于不同覆盖方式及材料之间的分析比较，以及覆盖结合不同水分处理的研究[8-11]，但覆盖结合不同种植方式的研究不多，覆盖试验的种植方式一般为常规的畦灌。目前，汪顺生等[12-13]和高传昌等[14]研究了不同沟灌方式下的灌水质量、不同灌溉方式下冬小麦的耗水规律及产量，以及小麦宽垄垄作的产量及水分利用效率，结果表明，宽垄垄作沟灌的灌水效率高于常规沟灌，与传统平作相比，宽垄垄作沟灌降水利用率提高11.8%～13.9%，宽垄垄作种植节水40%，增产效果最显著，水分生产效率提高0.17～0.40 kg/m3。而宽垄麦秸覆盖对夏玉米产量及水分生产效率的影响研究尚少，鉴于此，采用田间试验，通过设置3种水分处理和4种麦秸覆盖处理进行交叉对比试验，探究宽垄种植下不同水分处理及秸秆覆盖处理对玉米产量、产量构成因子、耗水规律及水分利用效率的影响，旨在为秸秆覆盖技术的田间应用提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验于2013年6—10月在华北水利水电大学河南省节水农业重点实验室农水试验场进行。地理位置为34°47′N、113°46′E，试验田块长度为20 m，土壤为粉砂壤土，土壤容重1.35 g/cm3，田间持水率为24%。试验场内设有自动气象站，自动监测和记录相关气象数据。供试夏玉米品种为郑单985。

1.2 试验设计

试验设计3种水分处理和4个覆盖处理，共设12个处理组合。其中，水分处理设置：土壤水分控制下限分别为田间持水量的60%、70%、80%(简记为L-60、L-70、L-80)，以各生育时期计划湿润层土壤水分为标准，当其下降到水分控制下限时沿着垄沟进行灌水，灌水定额为30 mm；覆盖处理设置：覆盖率分别为50%、100%、150%(占每个小区前茬麦秸总量的百分比)和不覆盖处理(简记为F1、F2、F3、F0)，夏玉米出苗后均匀覆盖于玉米行间。

宽垄上种植2行玉米，2013年6月2日播种，2013年9月18日收获，其中沟断面采用梯形形式(图1)，小区面积为1.1 m×20 m，小区间设置1.1 m的保护行(垄)，避免区间水分相互渗漏对试验造成干扰。试验采用随机区组排列，重复3次。试验过程中无遮雨措施，夏玉米整个生育期间降雨量为136.3 mm(表1)，主要集中在7、8月。

图1 夏玉米种植示意图

表1 生育期间的降雨量 mm

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤水分 播前、全生育期和收获后均进行测定。全生育期内，测定周期为5 d；每垄选2个观测点取平均值；采用土钻取样并用烘箱烘干测定土壤含水率，测定深度为1 m，分5层(每层20 cm)，降雨和灌水前后加测1次。

1.3.2 产量及产量构成因素 各处理单独收获、测产，取样进行室内考种。

1.3.3 作物耗水量、土壤贮水量和模比系数 利用水量平衡方程计算各处理作物阶段耗水量及模比系数。

作物阶段耗水量公式为：ET1-2=10∑ni=1γHi(θi2-θi1)+M+P+K。式中:ET1-2为阶段耗水量(mm)；i为土层编号；n为土壤分层总数；γ为1m内土层平均干容重(g/cm3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)；θi1、θi2分别为第i层土壤时段初、末的含水率(%)；M为时段内灌溉水量(mm)；P为时段内有效降雨量(mm)；K为地下水补给量(mm)，由于试验场内地下水埋深在5m以下，且通过雨后测墒发现单次降雨量均未造成计划湿润层深层渗漏，故地下水补给量可视为0。

模比系数=某阶段耗水量/全生育期耗水量×100%。

土壤贮水量计算公式为：w=0.1×γ×θ×h。式中：w为土壤贮水量(mm)；0.1为换算系数；h为土层深度；γ、θ同上。

1.3.4 水分利用效率(WUE)及降水利用效率(PUE) WUE为夏玉米产量与耗水量的比值；PUE为夏玉米产量与降水量的比值。

2 结果与分析

2.1 不同处理夏玉米的产量及其构成因子

由表2可以看出，同一水分处理，随着覆盖量的增加，穗长、穗粒数、百粒质量及产量都呈先增加后降低的变化规律，而穗行数变化不明显，且F3处理的穗粒数与F0处理相差不明显；覆盖处理产量均较F0处理有所提升，F2处理最为突出，增产率可达2.68%～4.58%，其次为F1处理，增产率可达1.03%～3.89%，F3处理增产率为0.31%～2.17%，这可能是因为秸秆覆盖量过大，根部通气受阻，影响了根系对土壤中水肥的吸收，玉米植株由于生长发育不佳最终导致产量降低。说明在一定覆盖量内，秸秆覆盖有助于产量构成因素水平的提高，但是覆盖量过大则不利于夏玉米对水分的吸收和利用，反而起不到明显的增产增收效果。

不同的水分处理对夏玉米的穗长、穗粒数、百粒质量及产量的影响也有明显差异。L-70和L-80处理的穗长、穗粒数、百粒质量、产量均高于L-60处理；不同水分处理比较，L-60处理中覆盖率相同的秸秆覆盖处理增产效果更为明显，最高达4.58%，L-70、L-80则分别为3.19%和2.68%。此外，与L-60处理相比，L-70处理的增产率达10.50%，明显高于L-80的增产率(7.91%)，其主要是因为L-60处理水分亏缺最严重，抑制了夏玉米的正常发育，导致产量较低；L-80由于水分过高使得玉米植株发育过盛，削弱了穗部干物质的积累，对增产没有起到绝对作用，在一定程度上反而浪费水资源。从产量构成看，覆盖率和土壤水分控制下限的增大均提高了夏玉米的穗长、穗粒数、百粒质量及产量，其中以F2处理和L-70处理的增产效果最佳。

表2 各处理夏玉米产量及其构成

2.2 不同处理夏玉米的耗水特性变化

将夏玉米的生育期划分为5个阶段：播种—出苗、出苗—拔节、拔节—抽雄、抽雄—灌浆、灌浆—成熟。由表3可知，各生育阶段的耗水量变化较大，但表现出相同的规律：夏玉米耗水量随着生育进程的推进表现为播种—抽雄期升高，抽雄—灌浆期降低，灌浆—成熟期再升高，且灌浆—成熟期耗水量最大。播种—出苗期由于未进行覆盖，同一水分处理下耗水量无明显差异；出苗—拔节期覆盖处理表现出明显的保墒能力，与F0处理相比最高可节水8.32～9.81 mm，但F3与F2处理保墒效果相差不大，原因是夏玉米出苗—拔节期的植株蒸腾量很小，水分消耗主要为棵间蒸发[15]，秸秆覆盖切断了蒸发表面与下层土壤的毛管联系，减弱土壤空气与大气之间的乱流交换强度，有效地抑制了土壤水分蒸发[2]；处在集中降雨期的拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期，同一水分处理下，各覆盖处理耗水呈现相同规律：F3>F0>F1>F2，F1与F2处理具有明显的节水效应，而F3处理相比F0处理耗水不减反增，原因是适量的秸秆覆盖能增强降雨的入渗，蓄纳较多的雨水，而覆盖过厚阻碍了降雨的入渗，降雨大多集聚在覆盖层而未渗入土层，加上夏季高温，夏玉米的蒸腾较大，导致大量无效水蒸发；灌浆—成熟期耗水最多，这是因为该阶段需要大量的水来延长绿叶功能以促进光合作用进行物质积累，而且夏玉米籽粒形成需要大量的水以保证光合产物和养分向穗部进行输送，之后叶片开始发黄，植株蒸腾速率逐渐下降，棵间蒸发较之前期有所增强，各覆盖处理蓄水保墒效果与出苗—拔节期相似。从全生育期耗水量可知，同一水分处理下，随着覆盖率的增大，耗水量表现为先减少后增加的趋势，且F2处理耗水最少；同一覆盖处理，土壤水分控制下限越高，夏玉米耗水量越大。

表3 各处理夏玉米不同生育阶段耗水量 mm

由图2可知，各处理夏玉米阶段耗水量模比系数随生育进程的推进均表现为先上升后下降再上升的变化规律。同一水分处理条件下，播种—出苗期各覆盖处理阶段耗水量模比系数相差不大，其中F2处理的模比系数最大，较F0处理高出0.46～0.79个百分点；出苗—拔节期F3处理模比系数最小，F0处理最大，两者相差1.56～2.13个百分点；拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期F3处理的模比系数明显高出其他覆盖处理；灌浆—成熟期各覆盖处理的模比系数最大相差0.96～1.57个百分点。相同覆盖处理，拔节—抽雄期不同水分处理夏玉米阶段耗水量模比系数表现为L-60>L-70>L-80，且差异明显，即随着土壤水分控制下限的增大，模比系数减小，L-60处理较L-80处理高出2.56个百分点。由于模比系数的大小由阶段耗水量与总耗水量共同决定，故变化规律与上述耗水规律有所不同。从整个生育期来看，3种覆盖处理都具有蓄水保墒效果，在同一水分处理下与F0处理相比，F2处理节水最显著，可节水26.76～31.28 mm，其次为F1处理，F3处理蓄水保墒能力最弱。

图2 各处理夏玉米的生育阶段耗水量模比系数

2.3 不同处理对夏玉米水分利用效率及降水利用效率的影响

衡量种植方式及灌水标准的可行性，主要体现在产量与耗水量之间的合理性上。由表4可知，同一水分处理下，F0处理土壤贮水量变化数量最多，占耗水总量的比例最大，土壤贮水量变化较F2处理多26.76～31.28 mm，变化比例较F2处理增加5.24～5.37个百分点；除土壤贮水量变化比例外，不同覆盖处理灌水量、降雨量占耗水总量的比例均高于F0处理，且以F2处理最高，由于未进行覆盖对土壤的保墒能力较弱，对土壤水分摄取量较多。同一覆盖处理下，随着水分控制下限升高，灌水量所占比例增大，而降雨量及土壤贮水量变化量所占比例逐渐减小，这是由于水分控制下限越高，土壤贮水量变化幅度越小，夏玉米生长发育过程中长势越好且总耗水量越多，再者各处理降雨量相同，总耗水量增加，故相应比例减小。

各水分处理下，覆盖处理的水分利用效率(WUE)及降水利用效率(PUE)均高于对应的不覆盖处理(F0)，且以F2处理最高，L-60、L-70、L-80水分条件下F2处理的WUE分别为2.17、2.13、1.96 kg/m3，PUE分别为5.18、5.73、5.58 kg/m3，F1处理次之，F3处理最低。3种水分处理中，L-70处理的PUE最高，较其他水分处理表现出较强的降水生产潜力，L-80处理同样有较高的PUE，但是较L-70处理增加了60 mm的灌溉量；秸秆覆盖对低水分处理的WUE促进作用更加明显，在相同覆盖处理下，不同水分处理夏玉米的WUE整体表现为L-60>L-70>L-80，其平均WUE分别为2.03、2.01、1.86 kg/m3；虽然L-60处理的整体WUE较高，但较L-70处理减产了635.10～819.71 kg/hm2，并没有发挥出夏玉米潜在的产量；L-80处理不仅产量低于L-70处理，且其耗水量过大，平均WUE比L-70处理低0.15 kg/m3，在缺水地区不宜推广。

表4 不同处理夏玉米的水分利用效率及降水利用效率

综合分析夏玉米的耗水量和产量以及二者的关系可知，F2处理条件下，WUE和PUE均最高，说明适宜的秸秆覆盖不仅减小了夏玉米的耗水量，提高了产量和WUE，而且单位玉米产量的耗水系数最小，提升了经济效益。结合水分处理和覆盖处理进行综合评价，L-70水分处理和F2覆盖处理优于其他处理。

3 结论与讨论

本试验结果表明，同一水分处理下，穗长、穗粒数、百粒质量及产量随覆盖率的增加均呈先增加后降低的变化规律，F2处理的增产效果最显著，增产率可达2.68%～4.58%，F3处理效果不明显，增产率仅为0.31%～2.17%，覆盖率过大不利于玉米对水分的吸收和利用，增产增收效果不明显,这与张向前等[8]秸秆覆盖量过高不利于增产的结论相吻合。同一覆盖处理下，低水分处理(L-60)秸秆覆盖的增产效果更为明显，最高达4.58%，但从整体来看，L-70、L-80处理平均产量分别较L-60处理增产10.50%、7.91%。故从产量及产量构成看，以F2处理和L-70处理的增产效果最佳。

夏玉米拔节期之前，秸秆覆盖切断蒸发表面与下层土壤的毛管联系，减弱土壤空气与大气之间的乱流交换强度，有效抑制了土壤水分蒸发[2]；适量的秸秆覆盖能增强降雨的入渗，蓄纳较多的雨水，而覆盖过厚则阻碍了降雨的入渗，使降雨大多集聚在覆盖层而未渗入土层，加上夏季高温，蒸发耗水增强，导致大量无效水蒸发，各覆盖处理中F1与F2处理具有明显的节水效应，但是F3处理较之F0处理耗水反而增加。

各水分处理下覆盖处理的WUE均大于不覆盖处理，且F2处理的WUE和PUE均最高，L-60、L-70、L-80水分条件下F2处理的WUE分别为2.17、2.13、1.96 kg/m3，PUE分别为5.18、5.73、5.58 kg/m3。L-60处理虽然水分生产效率较高，但PUE较低且较L-70处理减产635.10～819.71 kg/hm2，而L-80处理不仅产量低于L-70处理，而且其耗水量过大，平均WUE比L-70处理低0.15 kg/m3。综合评价，L-70水分处理和F2覆盖处理节水增产效果最佳。

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Effect of Straw Mulching on Water Consumption Characteristics and Yield of Summer Maize under Furrow Irrigation Planting

WANG Shunsheng,WANG Kangsan

(North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou 450045,China)

In order to reveal the influence mechanism of different water treatments and mulching treatments on water consumption and yield of summer maize,the effects of three water treatments[60% of field capacity(L-60),70% of field capacity(L-70)and 80% of field capacity(L-80)]and four kinds of mulching treatments[50% coverage rates(F1),100% coverage rates (F2),150% coverage rates(F3)and no coverage(F0)]on the water consumption regularity and yield of summer maize were studied under wide ridge planting in field.The results showed that the straw mulching increased the yield of summer maize under the same water treatment,the yield increase of F2 treatment was the most significant,which increased by 2.68%—4.58%.The coverage treatment showed obvious water retention capacity during the seedling to jointing stage,saving up to 8.32—9.81 mm compared with F0.There was more rainfall during the jointing to heading stage and heading to filling stage,and the appropriate amount of straw mulch could increase rainfall infiltration and accept more rainwater storage.If the cover was too thick to prevent rainfall infiltration,the rainfall ended in the cover,resulting in a large number of ineffective water evaporation.F2 treatment was the most appropriate treatment. Combined water treatment with mulching treatment,the water treatment of L-70 and coverage treatment of F2 had the best effect,its yield was up to 7 815.42 kg/ha,water consumption was only 366.09 mm,water use efficiency was 2.13 kg/m3,rainfall use efficiency was 5.73 kg/m3,in line with the purpose of water saving and high yield.

summer maize; straw mulching; yield; water consumption; water use efficiency; rainfall use efficiency

2015-11-17

国家自然科学基金项目(51279157)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(12A210018)

汪顺生(1978-)，男，安徽安庆人，副教授，博士，主要从事农业水土与环境研究工作。 E-mail：wangshunsheng609@163.com

S513；S275.3

A

1004-3268(2016)07-0018-06