秸秆覆盖对夏玉米土壤温度和硝态氮的影响

申胜龙，李援农，银敏华，张 敏，赵 祥

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

中国是世界第一秸秆大国[1]，秸秆的有效利用对改善耕作层土壤结构、提高土壤中有机质含量和保护环境、增加农民收入具有重要作用。自1936年开展试验研究并推广应用[2]以来，秸秆覆盖技术以其调节土壤水分状况[3]，平抑土壤温度[4]，改善土壤团聚结构[5]，为作物提供良好生长环境[3-6]的优点在西北干旱半干旱地区得到广泛采用。

然而，目前对秸秆覆盖的定量研究尚存在一定争议，主要表现在作物生育期土壤温度动态变化对水分保蓄的影响[7,8]，覆盖前期“低温效应”对作物生长发育的影响[9]以及覆盖对最终产量的贡献率大小[10,11]，但在作物生长必需的水、肥、气、热及微生物活动因素中，热能及养分鲜有报道，且当下的定量研究主要针对平作条件下一元覆盖，而对垄沟二元覆盖下秸秆覆盖量的研究相对较少。不同学者将垄沟二元覆盖条件下作物产量，土壤水分等与其他种植方式对比得出的结论存在较大差异[12-15]，这种差异的来源可能是由于不同地区气候条件、覆盖时期或降雨量的差异导致，但通过大量调查研究发现，差异的来源还与在进行二元覆盖时确定的秸秆覆盖量不同有关。因此，对二元覆盖下不同秸秆量导致的温度变化及养分积累的差异进行研究具有重要意义。

本文通过田间试验，以平作不覆盖为对照，设置垄沟二元覆盖下4种秸秆量差异来探求该种植模式下秸秆量对夏玉米土壤温度动态变化，土壤硝态氮分布的影响，以期为垄沟种植模式下秸秆和养分的有效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在陕西省杨凌区西北农林科技大学北校区旱区农业水土工程教育部重点实验室灌溉试验站进行，试验站地处北纬34°17′38″，东经108°04′08″，海拔521 m，地势平坦开阔，光热资源充足，年日照时数2527.1 h，年平均气温13 ℃，多年平均蒸发量1 500 mm，年平均降水量632 mm，主要集中于7-9月，且降水年内季节分配不均，7-9月降水占全年降水量的70%左右，地下水埋深80 m，属于半湿润易旱地区，试验土壤质地为壤土。试验站内设有县级自动气象站。土壤基本理化性质：容重1.45 g/cm3，有机质16.02 g/kg，速效磷13.67 mg/kg，速效钾182.30 mg/kg，全氮0.88 g/kg，碱解氮52.2 mg/kg，pH值8.22。

1.2 试验布置与设计

试验玉米品种为漯单9号，生物质膜为宽100 cm，厚0.008 mm，秸秆为前茬小麦秸秆，平均长度10 cm，供试肥料为尿素(总氮含量46%)、氧化钾(K2O质量分数50.0%)、过磷酸钙(有效P2O5含量≥16.0%)

本试验于2016年6-10月在西北农林科技大学北校区旱区农业水土工程教育部重点实验室灌溉试验站进行。试验在垄覆薄膜，沟覆秸秆条件下，按秸秆覆盖量设置4个处理，即2 500(MG1)、5 000(MG2)、7 500(MG3)和10 000(MG4) kg/hm2，以平地无覆盖为对照(CK)。小区宽3.5 m、长4 m，所有小区随机分布，每个小区两边设有保护行。所有小区垄宽60 cm、垄高25 cm、沟宽60 cm。于2016年6月11日播种，2016年9月27日收获，株距28 cm，行距60 cm，采用人工穴播，每穴2颗。播前2天施肥翻耕，施肥量为氮肥120 kg/hm2，磷肥120 kg/hm2，钾肥60 kg/hm2。除草、杀虫等均按一般大田管理措施完成。

1.3 测定项目与方法

地温测定：采用德图 Testo 105(-50 ℃～+275 ℃)手握式温度计，按照前、中、后3个阶段在夏玉米苗期(播种后18～20 d)，大喇叭口期(播种后48～50 d)，成熟期(播种后93～95 d)测定玉米根部温度，测量时间为8∶00-18∶00，每隔2 h测定一次，测量深度为0、5、10、15、20 cm，以连续3 d平均值为该点温度，日平均气温取0～20 cm平均温度[16]。

土壤硝态氮测定：夏玉米成熟期(收获)测量0～200 cm土层土壤硝态氮含量，取土方式采用土钻法取土，以10 cm为一层，取土位置为小区内部相邻两株玉米中间区域。待自然风干后过2 mm筛网，并称取5 g土样，用50 mL的氯化钾溶液(2 mol/L)浸提震荡0.5 h后过滤，用紫外分光光度计测定土样硝态氮含量，其计算公式[17]为：

Cs=cVD/m

(1)

式中：Cs为土壤硝态氮含量，mg/kg；c为溶液中硝态氮浓度，mg/L；V为浸提液体积，mL；D为稀释倍数，不稀释为1；m为烘干土样重，g。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel2007进行数据整理；SPSS 21.0进行数据统计分析，方差分析使用最小显著差异(LSD)进行；Origin9.0进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤温度空间变化的影响

夏玉米前期由于植株矮小，棵间蒸发作用较强，秸秆覆盖表现出明显“低温效应”，土壤温度表现为各处理间浅层温度差异大于深层,如图1(a)所示。中期植株进入旺盛生长阶段，遮阴面积增加，此阶段土壤温度差异的决定因素由覆盖量转变为植株长势，但由于覆盖处理前期的保水作用从而为中期植株生长提供良好的水分条件，因而表现为同一土层内温度随秸秆覆盖量增加而降低的趋势，各处理间温度差异逐渐缩小，如图1(b)所示。进入生育后期，气温较前期、中期逐渐下降，覆盖处理各层平均温度均低于前期、中期，同时麦秸腐化随生育过程的推进而加剧，不同处理间温度差异较中期进一步减小，如图1(c)所示。

图1 不同处理对土壤温度空间变化的影响Fig.1 Effects of different treatments on spatial variation of soil temperature

由图1分析知，根区土壤温度变化随秸秆覆盖量增加和土层深度的加深而降低，前期各处理间温度差异随土层深度加深而减小。0 cm处土壤温度差异最大，MG1、MG2、MG3和MG4较CK分别降低1.59、3.64、4.95和5.18 ℃，其中MG2、MG3和MG4较CK差异显著(P<0.05)，MG3和MG4较其余3个处理均显著(P<0.05)，5 cm处变化趋势同0 cm处。当土层深度大于10 cm时，土壤温度随土层深度的加深变化不再明显，但不同覆盖量之间仍存在显著差异。10～20 cm区域内MG1、MG2、MG3和MG4平均温度较CK分别降低1.42、1.65、2.66和2.93 ℃，MG3和MG4较CK差异显著(P<0.05)。

中期及后期不同覆盖量下根区土壤温度差异减小，且温差最大区域较前期明显下移，表现为5 cm处各处理间温度差异最大。MG1、MG2、MG3和MG4在5 cm处土壤温度中期较CK分别降低0.70、2.66、2.95和3.86 ℃，末期较CK分别降低0.60、2.67、2.90和3.51 ℃，且MG2、MG3和MG4较CK均达到显著差异(P<0.05)。0 cm处与10 cm处温差变化接近，中期为0.55～2.79和0.27～2.14 ℃，末期为0.11～2.35和0.20～2.33 ℃。

2.2 不同处理对土壤温度时间变化的影响

前期由于地表裸露较大，土壤温度随时间变化差异明显，且各处理间差异显著，如图2(a)所示，随植株生长，中期温度差异逐渐减小，但温度峰值后移，且峰值附近温度变化剧烈程度小于覆盖前期，如图2(b)所示，后期由于气温降低，各时间点温度均低于前期、中期，土壤温度随时间变化趋势同覆盖中期，如图2(c)所示。

图2 不同处理对土壤温度时间变化的影响Fig.2 Effects of different treatments on time variation of soil temperature

由图2(a)分析知，秸秆覆盖“稳温效应”随覆盖量增加而增强，土壤温度峰值为14∶00处。测量时段内温度差异CK最大，为16.9 ℃，MG1、MG2、MG3和MG4温差逐渐减小，为14.1、9.2、8.1和7.3 ℃，其中MG2、MG3和MG4较CK差异显著(P<0.05)。MG2、MG3和MG4处理日平均土壤温度较CK同样差异显著(P<0.05)，分别降低3.2、4.6和4.8 ℃。图2(b)表明，中期由于夏玉米生长旺盛，遮阴效果较强，各处理峰值温度均低于前期，且由于该时期田间郁闭，空气流动性差及秸秆覆盖的滞后作用，土壤温度峰值较前期推迟，MG3和MG4均在16∶00处达到最大。MG3和MG4处理日平均气温较CK差异显著(P<0.05)，分别低1.6和2.1 ℃。图2(c)表明，后期植株逐渐衰老，加之气温逐渐下降，各处理日平均土壤温度达到最低，分别为24.2、23.9、23.78、22.8和22.1 ℃，其中MG3、MG4处理较对照差异显著(P<0.05)。

2.3 不同处理对土壤硝态氮分布的影响

氮素是作物生长需求量最多，对产量形成贡献最大的营养元素，硝态氮作为能直接被作物吸收的矿质态氮，其在土壤中的分布对植株生长具有重大意义。收获期0～200 cm土层土壤硝态氮分布如图3所示。

图3 不同处理对土壤硝态氮分布的影响Fig.3 Effects of different treatments on distribution of nitrate nitrogen

由图3分析知，夏玉米生育末期土壤硝态氮质量含量随土层深度呈“>”型变化，各处理0～40 cm变化较为平缓(14.78～20.12 mg/kg)，40～140 cm变化幅度较大(15.37～32.92 mg/kg)，140～200 cm变化幅度介于前两层之间(9.73～18.76 mg/kg)。同时，由于覆盖量的差异致使在淋洗作用下硝态氮含量的峰值有所不同，MG1、MG2、MG3和MG4较CK分别低20、30、40和40 cm。

为进一步探索覆盖量作用下硝态氮分布，将0～200 cm土层以40 cm为间隔，研究该层内硝态氮含量占土壤硝态氮总量的比例，如表1所示。

表1 各层土壤硝态氮占0～200 cm总硝态氮的比例 %

由表1分析知，0～80 cm土层内土壤硝态氮所占比例随覆盖量的增加而减小，MG1、MG2、MG3和MG4较CK平均降低5.55 %、12.18 %、18.71 %和19.89 % 。80～200 cm土层内土壤硝态氮所占比例随覆盖量的增加而增加，各处理较CK平均增加4.81 %、9.58 %、13.22 %和13.80 % ，其中MG2、MG3和MG4在0～80和80～200 cm较CK均差异显著(P<0.05)。

3 讨 论

(1)秸秆覆盖对土壤温度的影响。秸秆覆盖通过减少太阳的直接辐射，增强光波反射，同时降低土壤热量向大气散发，从而抑制极端温度，使土壤温度趋于缓和，为作物根系提供良好的生长环境，同时又促进微生物活动，防止土壤板结，提高肥效。大量研究表明，秸秆覆盖能够平抑土壤温度，降低对作物的伤害作用，且平抑作用随覆盖量的增加而增强，本研究结果表明，前期MG1、MG2、MG3和MG4在8∶00-18∶00温度差较CK分别降低2.8、7.7、8.8和9.6 ℃，这与前人研究结论基本一致[18]。朱自玺等[19]研究发现4 500 kg/hm2的麦秸覆盖下土壤温度较对照降低2.3 ℃，而本研究设置的5 000 kg/hm2处理平均土壤温度降低1.6 ℃，降温幅度略低，这可能与观测时间及气候条件差异有关。于晓蕾等[20]对小麦的覆盖研究发现，覆盖秸秆既能抑制地温过快上升或迅速下降，土壤温度变化速率随覆盖量的增加而降低，这与本研究前期试验结果相似，但中后期尤其是午后时段各覆盖处理温度变化速率差异不显著，这可能由于中后期植株旺长，遮阴面积较大对热量传导产生抑制作用有关。张俊鹏[4]研究发现秸秆覆盖处理温度峰值出现时间晚于不覆盖，本研究中后期部分处理也出现类似现象，即温度峰值的滞后性，这是由于秸秆覆盖提供相对封闭的环境，在大气温度降低时继续累积导致，同时该研究认为，当秸秆覆盖量增加至7 500 kg/hm2时，地温趋于稳定[18]，刘超等[21]研究发现覆盖量介于6 000～9 000 kg/hm2时覆盖效果最明显，本文通过比较MG2(5 000 kg/hm2)、MG3(7 500 kg/hm2)和MG4(10 000 kg/hm2)处理发现，MG2和MG3土壤温度日变化差异显著，而MG3和MG4差异不显著，与前人研究结论一致。蔡太义等[18]研究发现秸秆覆盖的低温效应随玉米生育期进程的推进而减弱，且0～15 cm处差异最大，本研究通过对不同时期0～20 cm土壤温度研究发现，前期0 cm处温度差异最大(与朱自玺研究结果一致)，中后期5 cm处差异最为明显(与蔡太义研究结果一致)，即覆盖量对温度的调控主要在5 cm处，但整体表现为温度随土层深度增加差异逐渐减小的趋势。也有学者研究发现生育后期秸秆覆盖会产生微弱的“增温效应”，而本研究未出现该现象，这可能与地区气温差异有关。

(2)秸秆覆盖对土壤硝态氮含量的影响。土壤养分对玉米生育进程的推进至关重要，并且决定着作物产量的高低，高亚军[22]研究认为，垄沟覆盖种植与常规覆盖相比，能显著提高作物对氮素的吸收利用，但同时增加土壤硝态氮残留，本研究收获期0～200 cm土壤硝态氮含量较对照分别高7.80%、9.23%、15.03%和14.90%，且表现为随着覆盖量增加，硝态氮残留量呈逐渐增加的趋势。本研究通过对收获期硝态氮随土层深度变化的研究发现，不同覆盖下硝态氮含量有所差异，有研究指出[23,24]，覆盖下土壤浅层硝态氮含量小于不覆盖，而深层大于不覆盖，本研究通过比较得出，硝态氮含量0～80 cm较对照低5.55%～19.89%，80～200 cm较对照高4.81%～13.80%，主要由于覆盖促进作物生长及对浅层养分吸收利用，而深层硝态氮含量高于不覆盖是淋洗作用所致。周昌明等[25]发现垄沟半覆盖下硝态氮峰值位于120～140 cm，但银敏华[17]研究指出垄沟半覆盖下硝态氮峰值在70～80 cm处，而垄覆薄膜沟覆秸秆(4 500 kg/hm2)种植条件下硝态氮含量明显下移至140～160 cm处，本研究发现秸秆覆盖下硝态氮峰值在80～100 cm处，研究结果各有差异，这不仅与作物生育期内降水量有关，还可能与某次降雨强度及作物种类有关，因此水分对硝态氮的淋洗作用还需进一步研究。

4 结 语

(1)秸秆覆盖能显著降低生育期内平均土壤温度及变化速率，与对照相比，MG1、MG2、MG3和MG4全生育期8∶00-18∶00平均土壤温度降低0.5、1.6、2.5和3.0 ℃，夏玉米生育前期平抑地温作用大于后期，且覆盖量越大，平抑地温效果越明显。

(2)覆盖作用对土壤温度的影响主要表现在0～10 cm处，其中5 cm处温差最大，该处与对照相比，MG1、MG2、MG3和MG4生育期内平均土壤温度降低0.54、2.08、3.04和3.51 ℃，从而有效抑制夏玉米生育期高温作用的影响，为作物提供适宜的生长环境。

(3)作物吸收利用及水分淋洗共同作用下，土壤硝态氮含量浅层较对照分别降低5.55%、12.18%、18.71%和19.89% ，深层较对照分别增加4.81%、9.58%、13.22%和13.80% ，且土壤剖面中硝态氮含量峰值较对照下移20、30、40和40 cm。

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