秸秆覆盖量对玉米土壤热环境及生长的影响

武 术，白 静，包曙明，徐海彬，曹宝海

(1.内蒙古通辽市水利规划设计研究院， 内蒙古 通辽 028000；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054； 3. 内蒙古通辽市乌力吉木仁水利枢纽工程管理处， 内蒙古 通辽 028000)

东北玉米带是世界三大“黄金玉米带”之一，也是我国重要的粮食生产基地[1]，玉米产量占全国总产量的32%。随着我国节水农业的不断发展，膜下滴灌技术凭借其增温保墒、节水增产的良好效应，在该地区得到了大面积的推广应用。但随之而来的是大量塑料地膜残留所造成的“白色污染”问题愈发严重[2]，不仅污染了当地环境，而且随着残膜量的逐年累积会对土壤物理特性产生不良影响[3]，最终影响玉米产量[4]。因此，在应用滴灌的同时找到一种替换地膜覆盖的材料，对于该地区农业可持续发展显得尤为重要。

而大量研究表明，秸秆覆盖在旱地同样具有增温保墒、提高产量的显著效果[5]。而有关秸秆覆盖量的研究，多集中其对农田水土环境及作物增产效应方面[6-8]，但对于秸秆覆盖量在旱区滴灌玉米上应用研究还鲜有报道，西松辽平原滴灌玉米适宜的秸秆覆盖量没有明确。因此，本研究通过探讨不同秸秆覆盖量对滴灌玉米土壤热环境、生长及水分利用效率的影响，旨在为秸秆覆盖滴灌玉米技术在西松辽地区的应用提供理论依据，对我国北方地区节水农业的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2015年4-9月在通辽市科尔沁左翼中旗宝龙山镇进行，试验区属于温带大陆性季风气候；多年平均气温5.5 ℃，全年最高气温40.8 ℃，最低气温-33.9 ℃；平均降水量342 mm，且多集中在夏季，蒸发量2 027 mm。土壤质地为中壤土，试验田1 m土壤平均密度为1.51 g/cm3，田间持水量为23.54%。灌溉期地下水埋深7～8 m。

1.2 试验设计

试验以无覆盖为对照，设常规农膜覆盖处理和3个不同玉米秸秆覆盖量处理，共设5个处理，具体见表1。每个处理3次重复，共15个小区，各小区面积为5 m×8 m。各小区间埋设1.2 m深聚氯乙烯布进行隔离。供试玉米品种为京科968，株距37 cm，行距80 cm。

4月25日播种，9月22日收获。播种前铺设好滴灌带，然后按不同设计量在全小区覆盖玉米秸秆。常规农膜覆盖处理采用当地常规条带状覆盖，膜宽70 cm。灌溉方式采用滴灌，灌水时间由不同的上下限确定，上限为85%，在生育期前期下限为60%，后期下限为65%。

表1 试验设计

1.3 测定指标及方法

(1)土壤温度的测定：采用土壤温度自动采集仪对玉米全生育期5、15 cm土壤埋深的土壤温度进行连续监测，每隔1 h测定一次。

(2)地上干物质(g/株)：2015年5-9月期间对玉米的干物质(生物量)进行动态测定，玉米出苗后每15 d测定一次叶面积和地上干物质。在每个处理中，选取具有代表性的3株玉米带回实验室(重复3次)，在105 ℃的通风烘干箱中杀青30 min，然后80 ℃下烘干至恒质量，然后测定单株的干质量。

(3)株高、叶面积指数(LAI)：2015年5-9月期间，在玉米出苗后每15 d测定一次株高和叶面积指数LAI。在每个处理中，随机选取具有代表性的3株玉米进行测定(重复3次)。

(4)产量：在玉米收获时，在各处理非边行随机连续选取标准样株10 株，单独收获考种测产。

(5)千粒重(g)：玉米收获脱粒自然风干后，随机取1000 粒，测定籽粒质量，重复3次，取平均值。

1.4 计算方法

(1)收获指数HI用下式计算：

(1)

式中：HI为收获指数，kg/(mm·hm2)；Y为玉米的经济产量，kg/hm2；Y生物为玉米生物总产量，kg/hm2。

(2)水分利用效率WUE用下式计算：

(2)

式中：WUE为水分利用效率，kg/(mm·hm2)；ETc为玉米生育期的腾发量，mm。

ETc=P+I+G-D-ΔW

(3)

式中：P为有效降水量，mm；I为生育期灌水量，mm；G为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；ΔW为0～100 cm土壤储水量的变化量，mm。

由于该地区地下水位较深，所以地下水补给量和深层渗漏量忽略不计。

1.5 数据处理

采用Excel整理数据和制图，各覆盖处理间的差异性利用SPSS 17.0软件的LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖处理对土壤温度和出苗率的影响

玉米生育初期的土壤温度与其生长有着密切的关系。浅层土壤为玉米种子的芽床，如果初期芽床温度过低，易导致种子霉烂、不发芽[9]，特别是在寒旱区这种影响更为重要。如表2所示不同覆盖处理在0～20 cm土层生育初期4-6月平均温度变化和玉米的出苗率。可以看出，地膜覆盖、秸秆覆盖处理的玉米出苗率较未覆盖处理WM提高2.9%～11.7%，其中处理PM、M1.20、M0.85的出苗率均显著(p<0.05)高于处理WM。处理M1.20、M0.85出苗率较处理PM，几乎无差异，而处理M0.50出苗率较处理PM降低5.6%，明显下降。

在4-6月，地膜覆盖、秸秆覆盖处理平均地温较未覆盖处理WM增加1.8%～36.4%，且这种增温效应随着生育进程而减小。其中处理PM、M1.20、M0.85均显著高于处理WM，说明地面覆盖有利于浅层土壤温度的增加，有利于播种层的热环境，这是因为生育初期昼夜温差大，而地面覆盖可有效抑制夜间热量损失。处理M1.20、M0.85的平均土壤温度与处理PM无显著差异，而处理M0.50平均土壤温度较处理PM降低7.8%～11.2%，且在4月份差异达到显著性水平(p<0.05)，说明秸秆覆盖处理M1.20、M0.85在播期可以达到与地膜覆盖相近的播层热环境，有利于种子的萌发，而秸秆覆盖处理M0.50较处理PM不利于玉米出苗率的提高。

表2 不同覆盖下玉米出苗率与土壤温度月变化

2.2 不同覆盖条件对玉米株高的影响

作物的株高是影响作物冠层光能传输的主要因素[10]，对玉米的生长有着重要的影响。表3是不同覆盖条件下玉米株高随生育期的变化。从表3可以看出，各处理的株高在全生育期具有相似的变化规律，总体上呈现“S”型变化趋势。全生育期内，各覆盖处理株高显著高于无覆盖处理WM(p<0.05)，这是因为覆盖处理具有增温保湿的效应。在苗期，各覆盖处理株高与无覆盖处理WM的差异最为显著，分别较处理WM提高85.7%、94.3%、75.2%、20.9%，可以看出株高随着玉米秸秆覆盖量的增加而增加，但这种增长效应随着覆盖量的增大而减弱。其中秸秆覆盖处理M1.20、M0.85的株高与处理PM无显著差异，而秸秆覆盖处理M0.50较处理PM低34.9%，差异显著(p<0.05)。这是因为处理PM、M1.20、M0.85较处理WM、M0.50具有较高的播层温度，提前了出苗时间，进行了较长时间的苗期生长。拔节期到大喇叭口期，处理M0.85较处理PM低1.5%～4.5%，而进入生殖生长阶段，处理M0.85实现了反超，较处理PM高4.5%～7.8%，秸秆覆盖处理M1.20、M0.85株高在生长后期(开花期)显著高于处理PM(p<0.05)。这是因为适当的秸秆覆盖可以有效阻隔土壤吸收太阳辐射的能量，而且秸秆覆盖有利于降水的截留储蓄，从而降低根系层土壤温度，在气温较高的七八月可以有效减少光合午休的时间，有利于玉米的生长。

表3 不同覆盖下玉米株高变化 mm

2.3 不同覆盖条件对叶面积指数的影响

叶片是绿色植物进行光合作用的主要场所，特别是在籽粒形成的生殖生长阶段，LAI的大小在一定程度上影响最终产量的高低。LAI的动态变化在某种程度上可以反映叶片光合面积及光合时间的变化规律。如表4所示是不同覆盖条件下玉米LAI在生殖生长阶段的变化，从表4可以看出，各处理的LAI具有相同的变化趋势，总体上呈现先增大后减小的单峰变化，在开花期LAI达到最大值。在抽雄期至灌浆前期，处理PM、M1.20、M0.85的LAI显著高于处理WM、M0.50，其中处理PM、M1.20、M0.85间无显著差异。这是因为随着玉米植株的增长，处理PM、M1.20、M0.85在该生育阶段叶片遮盖率达到最大值且较为接近，使得太阳辐射无法直接到达地面，形成无显著差异的土壤水热环境，从而造成处理PM、M1.20、M0.85间差异不显著。而在灌浆中期至灌浆后期，籽粒形成的最重要时期，处理M0.85的LAI最大，且在灌浆后期LAI仍然保持较大值2.44，这是因为处理M0.85的LAI下降速率较低，为-0.132，相对于处理PM、M1.20的LAI下降速率显著(p<0.05)减缓了23.6%、21.3%，由此可以看出，处理M0.85的LAI出现了一定的滞后，意味着处理M0.85冠层叶片衰退的时间晚于处理PM、M1.20。这说明处理M0.85在生育后期保持了较高的光合面积，维持了生长后期叶片的功能，延长了光合作用的时间，体现了一定的后效性。原因可能是处理M0.85较处理PM能有效截留降水、抑制棵间土壤蒸发且增加土壤有机质含量，有利于生长后期玉米的生长，而处理M1.20相比处理M0.85覆盖较厚，在玉米生理机能减弱的生长后期易造成土壤通透性差，不利于土壤呼吸的进行。

表4 不同覆盖下玉米生殖生长阶段叶面积变化

2.4 不同覆盖条件对产量要素和水分利用效率的影响

作物最终产量的高低是衡量覆盖栽培措施优劣的最主要的指标，2015年各覆盖处理下的玉米产量等指标见表5。由表5可知，处理PM、M1.20、M0.85、M0.50的产量较处理WM高14.8%～25.8%，均达到显著性水平(p<0.05),说明采用覆盖措施能显著提高滴灌玉米的经济产量。处理M1.20、M0.85产量较处理PM提高-1.5%～0.4%，基本无差异，而处理M0.50较处理PM减产8.3%，差异性显著(p<0.05)，这是因为处理M0.50单株籽粒数和水分利用效率较处理PM的显著降低(p<0.05)。说明滴灌玉米条件下，适当的秸秆覆盖量相比地膜覆盖不会造成产量的显著降低，这也说明从经济产量来看，玉米秸秆覆盖量达到8 500 kg/hm2可以作为替换滴灌玉米地膜覆盖的材料。

表5 不同覆盖下玉米产量构成要素、产量与水分利用效率

收获指数和水分利用效率反映了作物光合分配性能和作物生产与水分消耗之间的关系，是节水农业的重要指标。各覆盖处理的WUE较处理WM提高了15.8%～30.0%，其中处理M1.20的WUE最高，但与PM、M0.85差异不显著，而处理M0.50的WUE和HI显著(p<0.05)低于处理M1.20、M0.85，说明较少的秸秆覆盖量能显著减小水分利用效率和收获指数，不利于滴灌玉米经济产量的形成。综合产量、WUE和HI来看，处理M1.20(12 000 kg/hm2)为理论最优覆盖方式。但由于处理M0.85的产量、WUE和HI与处理M1.20差异不显著，且考虑到节省成本的因素，因此推荐处理M0.85，即玉米秸秆覆盖量8 500 kg/hm2为适合西松辽地区滴灌玉米的秸秆覆盖量。

3 结 语

(1)秸秆覆盖量达到8 500 kg/hm2在播期可以达到与地膜覆盖相近的播层热环境，有利于种子的萌发，而秸秆覆盖量5 000 kg/hm2生长前期的播层土壤温度较地膜覆盖显著(p<0.05)降低11.2%，不利于出苗率的提高。而梁建财等[9]研究表明地膜覆盖较未覆盖有增温作用，而秸秆覆盖由于覆盖层阻隔了土壤对太阳福射热量的吸收，较未覆盖降低了土壤温度，不利于春播作物播种和出苗。这是由于两者研究的覆盖时间不同所造成的差异，前者各处理均在播前进行覆盖，各处理覆盖前土壤温度一致，进行秸秆覆盖更有利于保墒增温，而后者则是在前一年秋浇时覆盖，翌年播时土壤温度差异较大。

(2)滴灌玉米秸秆覆盖量达到8 500 kg/hm2较地膜覆盖不会造成经济产量的显著降低，而较少的秸秆覆盖量能显著(p<0.05)减小WUE和HI，不利于滴灌玉米经济产量的形成。从产量、WUE和HI来看，玉米秸秆覆盖量达到8 500 kg/hm2可以作为替换滴灌玉米地膜覆盖的材料。

(3)各覆盖处理株高全生育期内显著(p<0.05)高于无覆盖处理WM。而各秸秆覆盖处理对株高的影响在苗期差异最为显著，表现为玉米苗期株高随着玉米秸秆覆盖量的增加而增加，但这种增长效应随着覆盖量的增大而减弱。这是因为较高的秸秆覆盖量处理具有更高的播层温度，提前了玉米出苗时间，使其进行了较长时间的苗期生长。

(4)在生殖生长阶段，秸秆覆盖量达到8 500 kg/hm2处理的叶面积指数不会显著低于地膜覆盖，而且在籽粒形成的生长后期，处理M0.85的LAI仍然保持较大值2.44，LAI下降速率较处理PM、M1.20减缓了23.6%、21.3%，说明处理M0.85的冠层叶片衰退的时间滞后于处理PM、M1.20。这说明秸秆覆盖量8 500 kg/hm2处理在生育后期保持了较高的光合面积，维持了生长后期叶片的功能，延长了光合作用的时间，具有一定的后效性。

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