秸秆覆盖量对红壤旱地棉花生长及土壤温度的影响

崔爱花,杜传莉,黄国勤,*,王淑彬,赵其国

1 江西农业大学生态科学研究中心, 南昌 330045 2 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008

棉花(GossypiumhirsutumL.)是我国最主要的经济作物之一,在国民经济中占据重要地位[1- 2],红壤是我国南方(特别是江西)的重要土壤类型。我国的稻米(Oryzasativalinanaeus)、棉花、茶叶(Camelliasinensis(L.)O.Kuntze)、桑叶(MorusalbaL)、甘蔗(SaccharumofficenarumL.)等产区均在红壤上获得长足的发展。红壤旱地是红壤的典型代表,占据较大的比例,但由于多种主要生产限制因子的存在,如酸、瘦、板、黏、旱等,使得红壤的生产潜力未得到发挥和挖掘[3- 4],因此,要提高红壤旱地棉田的生产力,就必须研究红壤旱地产量提升的限制因子,提出解决的途径与方法。

我国平均每年生产的稻草量约有2亿t,近年来,农作物秸秆、残留物等资源浪费问题日趋严重,秸秆利用的现代技术手段滞后,造成在部分地区大量的农作物秸秆被焚烧,致使土壤肥力逐年降低,农田生态平衡被打破,严重危害农业生态环境[5- 6]。聂安全等[7]研究表明,水热资源利用的同步协调性可提高水资源的利用率,使土壤环境改善、生产能力得以提高,是旱地农业增产的关键技术。利用秸秆覆盖技术不仅可以提高土壤肥力,而且可以抑制土壤水分蒸发,改善土壤供水状况,提高水分利用效率,最终提高作物产量[8],因而在当前乃至今后的农业生产上,秸秆覆盖是秸秆资源有效利用的方式之一,可有效地促进农业的可持续发展[9- 12]。

近年来,有关学者就棉田秸秆覆盖在不同生态区域进行了研究,大多数研究表明秸秆覆盖可促进微生物活动而提高土壤养分含量,抑制土壤蒸发而提高水分利用率,稳定土壤温度和降低盐碱危害,提高棉花产量[13- 19]。张金珠等[13]认为采用秸秆覆盖可调控0—30 cm深度土壤水分和盐分的变化,抑制土壤盐分上移。刘冬青等[14- 15]认为秸秆覆盖不仅可以提高土壤肥力,而且提高了棉花生长中后期的叶面积指数,使得叶片功能期延长,光合效率提高,棉花早衰速度减缓和铃重增加,因而提高了棉花产量。黄国勤等[16]认为秸秆覆盖可使土壤温度日较差降低,土壤养分含量提高,在棉花叶绿素含量、株高以及生育进程等方面占据优势,是红壤旱地值得推广的种植模式。贺欢等[17]研究认为秸秆覆盖可降低土壤温度、温度最大日变幅与深度具有很好的相关性,但对主茎高度的影响不明显。冯国艺等[18]认为免耕条件下地膜与秸秆复合覆盖方式显著影响滨海盐碱地0—40 cm土层土壤水分和盐分的运移,从而提高棉花的光合特性和生长发育。董志勇等[19]认为秸秆覆盖可增加棉花苗期和蕾期的土壤含水量,具有白天降温、夜间保温的作用,而促进棉花果枝层数、单铃重和籽棉产量的增加。这些前人研究只是其在特定区域条件下的研究结果,且对秸秆合理覆盖量或覆盖厚度的界定研究较少,因此,作者于2008—2010年在具有典型南方红壤特点的昌北地区设置棉田秸秆覆盖定位试验,通过田间定位试验,主要探讨秸秆覆盖量对红壤旱地棉花生长及土壤温度的影响,旨在促进红壤旱地农田生态系统生产力和综合效益的大幅提高。

1 试验地概况

试验在具有典型南方红壤特点的江西农业大学科技园(115°55′ 02.040″ E,28°46′04.476 ″N原农学院试验站)进行。土壤为红壤性土亚类,年平均日照时数为1559.9 h,年平均日照总辐射102.55 kJ/cm2,无霜期大约269 d,年均降雨量1658.9 mm,年均温度16.5 ℃,≥10 ℃活动积温为5521 ℃。试验地为低岗地,无灌溉条件。试验实施前进行翻耕平整,并取样测定土壤肥力和理化性状。试验初始土壤性状是：土壤容重为1.304 g/cm3,总孔隙度为52.98%,毛管孔隙度为41.55%,有机质为29.78 g/kg,全氮为1.34 g/kg,碱解氮为90.00 mg/kg,全磷为1.18 g/kg,有效磷为76.35 mg/kg,全钾为55.38 g/kg,速效钾为107.5 mg/kg,pH值为4.75。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验设秸秆覆盖量4个水平：水平1(S1)为不覆盖(CK),水平2(S2)为覆盖粉碎稻草4 375 kg/hm2,水平3(S3)为覆盖粉碎稻草8 750 kg/hm2,水平4(S4)为覆盖粉碎稻草13 125 kg/hm2。将水稻秸秆自然风干后,用秸秆还田粉碎机粉碎,粉碎长度约200 mm。每处理重复4次,共16个小区,随机区组排列,小区长4 m,宽3 m,面积为12 m2。覆盖分两次进行：第一次在棉花播种后覆盖,用40%的量覆盖在畦面,第二次在棉花起垄后,用60%的量再覆盖在上面。

供试品种为国审鄂棉20,于4月25日开沟穴播,每穴播3—4粒,行距和株距分别为100 cm和40 cm。试验施钙镁磷肥375 kg/hm2、氯化钾225 kg/hm2、尿素450 kg/hm2,钙镁磷肥全作基肥,氯化钾和尿素按基肥、苗肥和花铃肥各占30%、30%和40%施用。其他管理措施同当地大田管理。

2.2 测定项目及方法

每小区定点10株,分别于6月15日、6月26日、7月8日、7月18日、7月28日、8月16日和9月15日共7次测定棉花株高；于9月15日调查棉花的单株成铃,取平均值。

每小区随机选5株棉花,每株取倒4叶,分别于棉花苗期、蕾期、花铃期和吐絮期,用SPAD502仪测定相对叶绿素含量,取平均值。

按每小区实际收获的棉花量来计产；于棉花吐絮期,每小区选取棉株中部30铃,进行室内考种,测定单铃重和衣分。

在棉花进入苗期、蕾期、花铃期和吐絮期的第2—4 d分不同时间点测定不同土层的土壤温度,于测定日的8:00、14:00和20:00测定0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm土层温度,最终数据取3 d平均值。在开始测定前1天埋下土壤地温计,使其适应土壤温度。

2.3 统计方法

连续3年试验测定数据趋势一致,本文以2010年测定数据为例。采用Microsoft Excel 2007 进行原始数据整理,利用SPSS 17.0统计软件进行方差分析和差异显著性比较。

3 结果与分析

3.1 不同秸秆覆盖量对棉花产量及产量构成的影响

将2009年、2010年和2011年各试验处理的产量和产量构成数据列于表1,由表1可知,稻草覆盖处理可增加棉花产量,2009年S2、S3和S4的籽棉产量分别比S1高13.0%、47.1%和49.8%,2010年S2、S3和S4分别比S1高11.4%、35.9%和37.7%,2011年S2、S3和S4分别比S1高18.6%、37.6%和43.0%,覆盖处理极显著高于不覆盖处理(P<0.01),且在本试验的用量范围内随着覆盖量的增加,增产幅度提高,S3和S4之间差异不显著,但它们均极显著高于S2(P<0.01)；铃数与籽棉产量的趋势一致,2009年不同覆盖处理S2、S3和S4铃数分别较S1增加11.5%、60.4%和66.1%,2010年S2、S3和S4较S1增加32.8%、79.3%和84.0%,2011年,S2、S3和S4分别较S1增加21.8%、69.4%和73.4%,均极显著高于S1(P<0.01)；年际间各处理产量之间差异不明显,保持较好的稳定性；秸秆覆盖量对铃重和衣分两个主要产量性状的作用不明显,各处理之间差异均未达到显著水平。

表1 不同秸秆覆盖量对棉花产量及其构成因素的影响

同列数据后大写字母表示1%的显著水平,小写字母表示5%的显著水平

3.2 不同秸秆覆盖量对棉花出苗率和株高的影响

将各处理调查的出苗率和株高平均值列于表2,经方差分析结果表明,秸秆覆盖的S2、S3和S4处理的出苗率分别较S1高21.5%,28.1%和24.1%,S2、S3和S4与S1之间存在极显著差异(P<0.01)；而S2、S3和S4之间差异不显著。由于覆盖改变了土壤性状(如板结),影响了来年的棉花出苗,因而覆盖较不覆盖可明显提高棉花出苗率,但不表现出随着覆盖量增加出苗率更好,本试验以S3较好,对覆盖量多的S4处理出苗率反而低于S3的原因有待于进一步研究。

从表2可以看出,随着调查时间的延后或生育进程的推进,各处理株高呈不断增加的趋势,在9月15日达到最高值。6月15日稻草覆盖S4处理的株高极显著(P<0.01)高于不覆盖S1处理,高25.7%,虽然S2、S3处理的株高也高于S1,但差异不显著。时至6月26日和7月8日,高覆盖量的S4处理也极显著(P<0.01)高于S2和S3处理,分别42.4%和44.7%,45.4%和42.4%,但S1处理的株高增长很快,反而高于S2和S3处理,且S4与S1之间差异不显著；7月18日各处理之间株高的差异均不明显；7月28日,S4的株高极显著(P<0.01)高于S1和S2,但其与S3之间差异不显著；8月16日和9月15日,S4的株高显著(P<0.05)高于S1和S2,还是与S3之间差异不显著。这说明秸秆覆盖具有调节土壤温度的作用,使棉株生长受温度的抑制作用小,而株高生长较快,且以覆盖量多的处理对促进主茎生长具有较明显的优势。

3.3 不同秸秆覆盖量对棉花叶绿素含量(SPAD)的影响

对各处理棉花不同生育时期的主茎倒四叶的叶绿素含量测定结果列于表3,从中可以看出,不同生育期之间,各处理均是随着生育时期的推进呈逐渐上升趋势,在花铃期达到峰值,吐絮期叶片逐渐衰老,叶绿素含量也所下降,但S4处理一直没有下降；不同覆盖量之间,4个生育时期均是随着稻草秸秆覆盖量的增多而增加,且在花铃期覆盖处理与不覆盖处理间存在极显著差异(P<0.01),吐絮期覆盖处理与不覆盖处理间存在显著差异(P<0.05)。通过以上分析得出：稻草覆盖量在13 125 kg/hm2可明显促进苗期、花铃期和吐絮期棉花叶绿素含量的增加；覆盖量在8 750和13 125 kg/hm2时对花铃期棉花叶绿素含量有较大提升,有利于棉株光合效率的提升和棉花产量的增加。

表2 不同秸秆覆盖量对棉花出苗率和株高的影响

表3 不同秸秆覆盖量对棉花叶绿素含量(SPAD)的影响

3.4 不同秸秆覆盖量对土壤温度的影响

由表4可知,苗期0—5 cm土层,8:00除S4与对照(S1)相当外,S2和S3地温较S1均提高0.5 ℃,而14:00 S2、S3和S4较S1地温降低了2.8 ℃、3.5 ℃和6.5 ℃,在20:00,S2、S3和S4的降温幅度在1.4—4.2 ℃,较S1低2.5 ℃—5.3 ℃。花铃期0—5 cm土层, S2、S3和S4在8：00地温均高于S1,分别比S1高0.9 ℃、1.0 ℃和1.1 ℃,而14:00,除S2高于S1 0.3 ℃外,S3和S4分别比S1低2.2 ℃和3.3 ℃,20:00,除S2外,S3和S4降温幅度较S1低1.6 ℃和2.5 ℃。吐絮期,0—5 cm土层,8:00秸秆覆盖处理较S1提高0.9—1.5 ℃,14:00除S2高于S1 1 ℃,S3和S4分别较S1低0.9 ℃和1.1 ℃,而20:00 除S2外,S3和S4降温幅度较S1降低1.7—2.1 ℃。此外,秸秆覆盖各处理的地温日较差与覆盖量成反比,苗期0—5 cm,变化幅度为4.5—7.7 ℃,较S1低3.3—6.5 ℃,降低幅度为30.0%—59.1%,差异极显著(P<0.01)；花铃期0—5 cm 的日地温变化幅度为5.0—8.6 ℃,较S1低0.7—4.3 ℃,降低幅度为7.5%—46.2%,差异显著(P<0.05)；吐絮期0—5 cm 的日地温变化幅度为3.6—6.0 ℃,较S1低0.1—2.5 ℃,降低幅度为1.6%—41.0%,差异显著(P<0.05)。

随着土层深度的增加,秸秆覆盖处理的调温作用有逐渐减弱的趋势。苗期5—10 cm土层,秸秆覆盖处理的地温日较差较S1低2.4—5.4 ℃,降低幅度为29.3%—65.9%；而在10—15 cm土层覆盖较S1低2.1—3.5 ℃,降低幅度为36.2%—60.3%；在15—20 cm土层日较差较S1低1.7—2.4 ℃,降低幅度为38.6%—54.5%。花铃期,5—10 cm土层,秸秆覆盖处理的地温日较差较S1低2.2—4.2 ℃,降低幅度为27.2%—51.9%；而在10—15 cm土层覆盖较S1低1.2—2.1 ℃,降低幅度为25.0%—43.8%；在15—20cm土层日较差较S1低仅0.8—1.6 ℃,降低幅度为21.6%—43.2%。吐絮期5—10 cm土层,秸秆覆盖处理的地温日较差较S1低1.2—2.4 ℃,降低幅度为24.5%—44.9%；而在10—15 cm土层覆盖较S1低0.7—1.0 ℃,降低幅度为24.1%—34.5%；在15—20cm土层日较差较S1低仅0.3—0.6 ℃,降低幅度为14.3%—28.6%。将3个生育时期土壤温度日较差的平均值与土壤深度拟合为二次多项式形式(表5),相关系数均达到0.9828以上。

表4 不同秸秆覆盖量对不同时间不同土层深度地温的影响/℃

表5 不同深度土层土壤温度变化特征

4 讨论

郑曙峰等[20]研究认为,秸秆覆盖的降温作用,可减少高温胁迫对棉花生长的抑制作用,长势优于对照；马宗斌等[21]研究认为,秸秆覆盖可促进夏棉主茎的生长,有利于夏棉在较短的时期内搭起丰产的架子；贺欢等[17]认为秸秆覆盖在棉花生长发育过程中并不能有效促进棉花主茎的生长,前期尤为明显,故秸秆覆盖不宜在棉花生长前期进行。本研究也有类似的结论,7月18日之前,除6月15日外,秸秆覆盖各处理的株高较对照差异不显著,但7月28日之后,株高增长较快,且覆盖量多的处理对促进主茎生长具有较明显的优势。

郑曙峰等[22]、王翠玉等[23]研究认为棉田秸秆覆盖可以促进棉苗早发,提高出苗率,增加单株成铃,最终使棉花增产。张向前等[24]在玉米田秸秆覆盖研究认为,秸秆覆盖虽可增加玉米的产量,但覆盖量不宜过多,否则增产效益不大。本研究发现,秸秆覆盖各处理的出苗率均高于对照,平均较对照高24.6%,但覆盖量的多少对出苗率影响没有明显的趋势；随着稻草覆盖量的增加棉花铃数也随之增加,从而提高棉花产量,但覆盖量高到8750 kg/hm2以后,增产幅度不会再增加,秸秆量为8750—13125 kg/hm2的增产效果最为显著,且连续3年的数据表明,稻草覆盖各处理年际间产量差异不显著,表明了秸秆覆盖的稳产优势。

秦鸿德等[25]和李银平等[26]指出,叶绿素是叶片光合作用的主要物质基础,也是叶片功能持续期长短的重要标志。叶绿素含量高在一定程度上能使叶片光合速率得到改善,继而使作物产量进一步提高[16,27]。黄国勤等[14]研究指出,红壤旱地棉田秸秆覆盖与不覆盖处理的叶绿素含量均呈先上升后下降的趋势；张向前等[28]认为,适宜的秸秆覆盖量可显著增加玉米叶绿素含量,但当秸秆覆盖水平增加到一定程度,不同秸秆覆盖量之间差异不再明显。本研究结论与前人观点相似：各处理棉花主茎倒四叶片叶绿素含量在苗期—花铃期呈上升的趋势,而在花铃期—吐絮期逐渐下降；各生育时期的叶绿素含量随着稻草秸秆覆盖量的增多而增加,覆盖量在8 750和13125 kg/hm2效果较好。

地表是大气与土壤热量交换的界面,地表温度的高低直接受气温变化的影响[29]。土壤是根系的重要生长环境,土壤温度影响着根系对水分、空气、矿物质等元素的吸收,是植物生长发育过程中不可缺少的重要生态因子之一[30],土壤空气和土壤水分也与土壤温度有密切相关。黄国勤等[16]认为棉田使用秸秆覆盖可有效降低日极端高温,且降低幅度随外界温度降低有所减缓,起到增温保墒、抵御夏季高温胁迫作用。苏伟等[31]和杨滨娟等[32]研究表明,秸秆覆盖可有效调节地温,且调温作用随着土层深度的增加呈现逐渐减弱的趋势。梁欢等[17]研究得出土壤深度与不同层次土壤温度的最大变幅呈对数函数形式,且具有较高的相关性。本试验结果与以上结论基本一致,8:00外界气温较低,秸秆覆盖后较对照地温有所提升,14:00,秸秆覆盖处理地温较对照有所降低,20:00外界气温逐渐降低,秸秆覆盖处理较对照降低幅度有所减缓,且S3和S4处理表现较好；从地温日较差分析可以看出,秸秆覆盖处理的日地温变换幅度均低于对照处理,差异显著；地温日较差随覆盖量的增加而降低；随着土层深度的增加,秸秆覆盖地温日较差与对照差距逐渐减少,调温作用逐渐减弱；将苗蕾期、花铃期和吐絮期土壤温度日较差的平均值与土壤深度拟合为二次多项式函数形式,相关系数达到0.98以上,这对预测耕作层不同土层温度日变幅很有帮助。

5 结论

本研究认为,秸秆覆盖与不覆盖相比,对于提高棉花出苗率、提高主茎生长速度、叶绿素含量及合理调节土壤温度方面有较好的促进作用。一是秸秆覆盖各处理的出苗率均极显著(P<0.01)高于对照；二是秸秆覆盖处理在覆盖期内具有调节地温作用,在8:00和20:00提高土壤表面温度,在14:00降低土壤表面温度,使棉株生长受高温或低温胁迫小,从而增加株高优势明显,但随着土层深度的增加,秸秆覆盖处理的调温作用逐渐减弱；三是生育时期稻草覆盖处理的叶绿素含量较对照均有所增加,且与覆盖量的多少成正比,但蕾期不明显；四是秸秆覆盖处理可显著增加棉花产量,且增产幅度随覆盖量的增加而提高。综合来看,将水稻收获后的秸秆,粉碎成约200 mm长的秸段分两次均匀覆盖在红壤旱地棉花地块,秸秆覆盖量在8 750—13 125 kg/hm2既有利于棉花生产,又能减少秸秆焚烧带来的环境污染、提高资源利用率,是红壤旱地棉田值得推广的栽培措施,但此研究时间较短,应加强在红壤旱地的长期定位试验研究,尤其是覆盖种植对棉花生长动态的影响机制方面进行全面、深入研究。

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