秸秆量对垄沟二元覆盖夏玉米农田耗水及产量的影响
2018-08-07申胜龙李援农银敏华
申胜龙,李援农,银敏华,张 敏,方 恒
(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)
中国是一个农业大国,水资源短缺一直是制约农业发展的主要瓶颈,尤其是在西北干旱半干旱地区[1]。同时,中国又是世界第一秸秆大国[2],秸秆的有效利用对保护环境,增加农民收入具有重要作用。自1936年由Hallsted[3]提出秸秆覆盖以来,大量相关研究逐渐展开。研究表明,秸秆覆盖在抑制土壤盐分表聚[4-5],减少土壤蒸发[6-7],降低土壤呼吸[8],蓄水保墒[9],平抑土温[10]等方面有重要作用。目前,国内有关秸秆覆盖的研究主要集中于冬小麦[11-12]和春玉米[13-14],而很少涉及夏玉米,且目前的研究主要针对平作条件下一元覆盖[15-16]的秸秆覆盖量,或垄沟条件下不同覆盖材料及覆盖方式的居多,而对垄沟二元覆盖条件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[17-19],这种差异的来源可能是不同地区气候条件或降雨量情况的不同导致,但通过大量调研发现,多数可能由于在进行沟中秸秆覆盖时凭借经验方法,对于该地区适宜的秸秆覆盖量无法获取理论指导所造成的。
本文基于2 a田间试验,通过分析比较垄沟二元覆盖种植模式下秸秆量对夏玉米土壤水分、生育期腾发量、作物产量及水分利用效率的影响,以期获得该地区垄沟种植模式下适宜的秸秆覆盖量,为秸秆的有效利用及夏玉米高产稳产提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2015年和2016年的6—10月在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学旱区农业工程教育部重点实验室的灌溉试验站(34°17′38″N、108°04′08″,海拔521 m)进行。试验站年均日照时数2 163.8 h、年均气温13℃,年均蒸发量1 510 mm,年均降水量632 mm,属大陆性暖温带季风气候。试验田土壤为壤土,田间持水率(质量含水率θm)为24%,土壤干容重为1.35 g·cm-3,pH值为8.14。
1.2 试验材料
试验所用地膜由山东天壮环保科技有限公司生产,膜宽100 cm,膜厚0.008 mm,秸秆为前茬小麦秸秆,粉碎为约5 cm长。供试品种为“漯单9号”,由河南金屯种业有限公司生产,属中早熟品种。试验所用钾肥为农业用硫酸钾,K2O质量分数≥51.0%;磷肥为过磷酸钙,有效P2O5质量分数≥16%;氮肥为尿素,总氮质量分数≥46.4%。
1.3 试验设计
采用垄沟种植方式,垄覆地膜、沟覆秸秆且沟内播种。共设置4个秸秆覆盖量水平:2 500(M1)、5 000(M2)、7 500(M3)、10 000(M4) kg·hm-2,以沟中不覆盖为对照(CK),共5个处理,3次重复,随机区组排列。小区面积为20 m2(4 m×5 m),所有小区均为南北种植。试验田基肥氮肥150 kg·hm-2,磷肥60 kg·hm-2,钾肥80 kg·hm-2;分别于2015年6月15日和2016年6月11日按照株距28 cm、行距60 cm进行种植。所有小区出苗后及时放苗、间苗,生育期未进行灌溉、追肥。夏玉米全生育期降水量为2015年271.0 mm,2016年321.0 mm。
1.4 测定项目及方法
土壤含水率测定:于夏玉米播种前及苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期分别测量0~200 mm土层土壤含水率,采用土钻法取土,取样间隔10 cm,用烘干法测定含水率,取土位置为小区中间同一行相邻2株玉米中间区域。
产量测定:在成熟期,于各小区中间选定12株进行室内考种,测定穂长、穂粗、穂行数、百粒重,并计算籽粒产量。
干物质量测定:在夏玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期分别在每小区采集3株玉米地上部植株,放入干燥箱在105℃下杀青30 min,再75℃干燥至恒定重量,用电子天平称量干物质量。
土壤贮水量W(mm)计算公式[20]:
W=θm×ρb×h
式中,θm为土壤含水率(g·g-1);ρb为土壤容重(g·cm-3);h为土层深度(mm);0~200 mm土层贮水量为各层土壤贮水量之和。
作物阶段耗水量ET(mm)计算公式[21]:
ET=R+ΔW
式中,R为阶段降雨量(mm);ΔW为阶段内土壤贮水量变化(mm);由于地下水位较深,故不考虑地下水补给。
作物水分利用效率WUE(kg·hm-2·mm-1)计算公式[16]:
WUE=Y/ET
式中,Y为产量(kg·hm-2)。
1.5 数据处理
采用Excel 2007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)法;采用Origin 9.0进行绘图处理。
2 结果与分析
2.1 不同秸秆覆盖量对土壤贮水量的影响
土壤贮水量是不同覆盖处理效果的直接反应。可以通过调控生育前期覆盖量差异下棵间蒸发作用及中后期长势差异下植株蒸腾作用的强弱来影响土壤水分的变化。不同秸秆覆盖量条件下,由于棵间蒸发和植株蒸腾强度存在差异,同时受2 a生育期降水量分布的影响使得各处理土壤贮水量有所不同,2015、2016年两年夏玉米生育期降水情况见图1。
图1 试验区2015-2016年夏玉米各生育期降雨量Fig.1 Precipitation of experiment sites in summer maize period
由图1分析知,2 a降雨量分布极不均匀,其中2015年夏玉米拔节期5.9 mm、灌浆期14.7 mm,2016年抽雄期57.1 mm、灌浆期51.5 mm,均小于生育期内玉米正常需水量。由统计分析知,各处理间0~200 cm土壤贮水量存在明显差异,表现为生育前期随覆盖量增加而增加,生育后期随覆盖量增加而减少,具体变化见表1。
表1 不同秸秆覆盖量对夏玉米不同生育期土壤贮水量的影响/mmTable 1 Effects of different straw mulching rates on soil water storage in various growing periods of maize
注:不同字母表示差异显著(P<0.05)。 Note: Different letters indicate significant difference (P<0.05).
由表1分析知,夏玉米播种前土壤贮水量不存在显著差异,但随着生育进程的推进,不同秸秆覆盖处理下土壤贮水量的差异逐渐显著。苗期由于植株矮小,土壤水分消耗主要以棵间蒸发为主,不同覆盖量均对土壤蒸发有抑制作用,表现为随覆盖量的增加抑制作用逐渐增强,其中M4处理效果最明显(P<0.05),M3处理次之(P<0.05),各处理2 a平均土壤贮水量分别较CK增加1.17、3.22、6.93 mm和7.81 mm。拔节期各处理土壤贮水量差异有所增大,除M1外,其余各处理与对照相比均达到显著性差异(P<0.05),分别增加8.18、12.85 mm和15.25 mm。进入抽穗期后,夏玉米处于由营养生长向生殖生长过渡阶段,叶面积指数基本达到峰值,覆盖对棵间蒸发的抑制作用减弱,且由于前期覆盖量大的处理保水效果较好,水分充足,因此植株生长旺盛,蒸腾作用较强,虽然M3和M4两年土壤贮水量仍显著高于对照(P<0.05),但较CK差值减小至4.27 mm和4.91 mm。灌浆期植株生殖生长旺盛,覆盖量与土壤贮水量呈负相关,2 a中M4较CK达到显著性差异(P<0.05),除M1土壤贮水量较CK增加0.53 mm外,其余处理分别减少2.95、4.15 mm和5.91 mm。当进入成熟期后,各覆盖处理的平均土壤贮水量均较CK减少,M3、M4与对照相比达到显著性差异(P<0.05),各处理分别较CK减少1.93、5.23、9.47 mm和11.54 mm。
2.2 不同秸秆覆盖量对农田腾发量的影响
在北方炎热的夏季,覆盖秸秆可通过隔断蒸发层与下层土壤的毛细管作用,减弱土壤空气与大气之间的对流交换,从而增大地面层显热通量,减小潜热通量及土壤热通量,其独特的平抑土温效应可减少土壤水分蒸发进而提高根系活性、延缓植株衰老。通过垄沟微集雨,沟覆秸秆的方式在夏玉米生育前期减少棵间蒸发,保蓄土壤水分从而为中后期植株蒸腾及产量形成提供适宜的土壤水分状况,使全生育期农田水分状况趋于协调,覆盖对不同生育期耗水量的影响见表2。
表2 不同秸秆覆盖量对夏玉米不同生育期耗水量的影响/mmTable 2 Effects of different straw mulching rates on water consumption in various growing periods of maize
由表2分析知,苗期农田腾发量主要以棵间蒸发为主,蒸发强度随覆盖量的增加而减弱,2 a中M2、M3和M4处理与对照相比均达到显著性差异(P<0.05),分别较CK减少5.07、7.62 mm和8.34 mm。拔节期虽仍以蒸发为主,但由于植株迅速生长导致秸秆覆盖作用减弱,M2、M3和M4处理较对照2 a均差异显著(P<0.05),分别减少4.96,5.93 mm和7.43 mm。抽穗期农田腾发量转变为以蒸腾为主,由于前期覆盖条件下水分充足,植株长势较好,因此该时期内耗水强度与覆盖量成反比,M2、M3和M4处理较对照2 a均达到显著性差异(P<0.05),差值为6.11、8.58 mm和10.34 mm。灌浆期和成熟期M3、M4处理与对照相比2 a均达到显著性差异(P<0.05),分别增加8.42、10.81 mm和5.32、5.63 mm。全生育期M3、M4处理与对照相比2 a均达到显著性差异(P<0.05),而M3和M4之间差异不显著(P<0.05),各处理2 a平均腾发量分别较对照增加0.51、3.37、8.78 mm和11.01 mm。
2.3 不同秸秆覆盖量对夏玉米地上干物质量的影响
干物质量是对秸秆覆盖保水效应的直接反应,提高夏玉米干物质量的累积有助于最终产量的形成,覆盖对夏玉米干物质量影响见表3。
由表3分析知,2015年各处理最终干物质量明显低于2016年,苗期由于秸秆覆盖抑制了地上干物质量的形成,表现为随覆盖量的增加干物质量呈下降趋势,其中M4处理(2016年)较对照差异显著(P<0.05),相比对照减少6.69%。拔节期在气温与土壤水分共同作用下秸秆覆盖对植株生长由抑制转变为促进效应,其中,M3、M4处理均显著高于对照(P<0.05),2 a平均增加14.24%、17.91%。进入抽雄期后,秸秆覆盖的促进作用进一步显现,M2、M3和M4处理较对照均达到显著性差异(P<0.05),分别增加13.23%、18.65% 和21.73%。灌浆期干物质逐步向果实部运移,M2、M3和M4处理相比对照均达到显著性差异(P<0.05),2 a平均增加14.11%、20.87%和24.32%。进入成熟期后,各处理较对照差异达到最大,分别增加4.67%、16.58%、21.99% 和23.36%,其中M2、M3、M4处理相比对照2a均差异显著(P<0.05)。
表3 不同秸秆覆盖量对夏玉米不同生育期干物质量的影响/(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 不同秸秆覆盖量对夏玉米产量及水分利用效率的影响
玉米产量是垄沟微集雨、沟覆秸秆种植模式对土壤水分等因素调控的最终体现,覆盖条件下玉米产量及构成要素见表4。由表4分析知,处理M3和M4的果穗长、果穗粗、百粒重均显著高于对照(P<0.05),而果穗行数无显著差异。2 a覆盖处理均表现为产量及水分利用效率随秸秆覆盖量的增加而增加的趋势,由于2015年玉米拔节期及灌浆期降水量过少,各处理产量及水分利用效率明显低于2016年。各处理产量较CK 2 a平均增产4.10%、9.85%、18.80%和20.89%。不同秸秆覆盖量条件下夏玉米产量和生育期耗水量均有所差异,从而导致不同的水分利用效率。2年中,各覆盖处理的平均水分利用效率分别较对照提高3.52%、9.21%、14.80%和15.09%,其中M2、M3和M4处理2 a产量及水分利用效率均显著高于对照(P<0.05),在4种不同秸秆量处理中,2015年产量及水分利用效率M3处理与M2、M4均无显著性差异(P<0.05),但M2、M4之间存在显著性差异(P<0.05),2016年M3和M4均与M2存在显著性差异,且M3和M4之间无显著性差异(P<0.05),说明当秸秆量大于7 500 kg·hm-2时增效不再明显。
表4 不同秸秆覆盖量对夏玉米产量及水分利用效率的影响Table 4 Effect of different straw mulching rates on yield of maize and water use efficiency
3 讨 论
3.1 不同秸秆覆盖量对土壤水分的影响
在干旱半干旱地区,水资源匮乏一直是制约农业生产的主要问题。垄沟种植地膜覆盖微集雨技术可以贮存更多的降水[22],通过沟中覆盖量差异导致遮盖程度的不同,从而减缓地表气体对流,使土壤表层水分蒸发损失产生差异,调控水分在夏玉米全生育期的分配情况。蔡太义等[16]研究发现,对春玉米进行休闲期覆盖可使2 m内土壤水分增加15 mm(4 500 kg·hm-2)和28 mm(9 000 kg·hm-2),同时发现玉米成熟期土壤水分随秸秆覆盖量增加而增加。由于本试验区一年两熟,休闲期时间较短(20 d左右),因此未对休闲期进行覆盖并观测土壤水分变化,使玉米播种前土壤水分状况大致相同,这有助于消除休闲期水分差异对玉米生育期耗水的影响,本试验中成熟期土壤贮水量与秸秆覆盖量呈负相关,丰富了生育期覆盖和休闲期+生育期覆盖对玉米收获时土壤水分差异的理论研究。买自珍等[23]研究得出垄沟二元覆盖条件下春玉米生育期耗水范围为390~430 mm,本研究玉米生育期耗水量为280~310 mm,可能由于生育期降水量差异,生育期和秸秆覆盖量的不同所致。于晓蕾等[24]研究发现小麦全生育期耗水量随覆盖量的增加而减少,这与本试验结果相反,可能由于小麦与玉米生育期内植株蒸腾强度不同所致,也可能是生育期土壤温度差异造成,但就生育期总耗水量而言,本研究与蔡太义[16]研究结果相似。Duley[25]研究认为,覆盖量为4 500 kg·hm-2处理的土壤贮水量较对照(不覆秸秆)增加2 倍,在本试验条件下规律不明显,可能与种植区气候条件及降水量情况的差异有关。张俊鹏等[6]得出夏玉米全生育期内,土壤蒸发强度随秸秆覆盖量增加而减小,当覆盖量达到7 500 kg·hm-2时,棵间蒸发强度降低不明显,与10 500 kg·hm-2无显著性差异,本试验后续应增加对土壤蒸发强度的连续观测,但生育前期由于蒸腾作用较弱,可通过农田蒸散量间接得出前期土壤蒸发强度与秸秆覆盖量呈较好的负相关关系,且覆盖量7 500 kg·hm-2与10 000 kg·hm-2差异不明显,这与张俊鹏部分研究结果[6]相似。员学锋等[26]在对桃树的覆盖试验中表明,0~50 cm 土层土壤贮水量与秸秆覆盖量呈很好的二次相关性,本研究通过对0~200 cm土层贮水量观测发现,垄沟种植二元覆盖条件下覆盖量与土壤水分在生育前期呈较好的正相关,生育中后期由于蒸腾作用增强,覆盖保水效应逐渐减弱,且前期土壤水分充足,甚至使收获时土壤水分随秸秆覆盖量的增加而降低。本试验对夏玉米全生育期土壤蒸发及植株蒸腾强度未进行连续观测,后续研究中将加大对水分迁移变化情况的探索。
3.2 不同秸秆覆盖量对夏玉米干物质量、产量及水分利用效率的影响
作物干物质量和产量是农业持续发展的重要指标,提高作物产量及水分利用效率是科学研究的重点及目的所在。卜玉山[27]在对春玉米进行秸秆覆盖的研究中发现,由于秸秆覆盖致使苗期出苗较对照晚1~2 d,但随着气温回升在苗期即表现为秸秆覆盖处理的干物质量大于对照;李立群[28]则发现秸秆覆盖条件下苗期干物质量小于不覆盖,中后期由于土壤水分的调控作用植株长势好于对照。本研究结果表明苗期覆盖对植株生长有一定的抑制作用,苗期过后覆盖处理明显优于对照,与李立群等研究结果一致,但与卜玉山研究存在差异,这可能由覆盖量差异和作物熟制不同导致。蔡太义[16]在平作条件下发现玉米产量随秸秆覆盖量的增加而增加,增产率分别为6.05%(4 500 kg·hm-2)、11.03%(9 000 kg·hm-2)、12.41%(13 500 kg·hm-2);逄焕成[29]和于晓蕾[24]在对冬小麦的研究及时学双[30]对青稞的研究中均发现相同规律。本试验结果趋势相同,但同等覆盖量条件下增幅略高,可能由于本试验为二元覆盖,秸秆覆盖面积小且垄沟种植也会一定程度上提高降水有效利用率,从而使增产效果更为明显。李玉鹏[14]研究发现当平作覆盖量达到9 000 kg·hm-2以上时,增产效果随覆盖量的增加不再明显;本试验发现垄沟二元覆盖条件下秸秆量达到7 500 kg·hm-2时增产效果不再具有显著差异。Cook[31]研究表明,2 000~4 000 kg·hm-2小麦秸秆覆盖可使玉米增产,但覆盖量增加至6 000~8 000 kg·hm-2,玉米大幅减产,本研究2a均未出现随秸秆覆盖量增加导致玉米减产的现象,这与国内多数研究成果一致[16]。王昕[13]研究发现平作春玉米覆盖量为4 500~9 000 kg·hm-2时水分利用效率急剧增大,覆盖量达到13 500 kg·hm-2时不再增加甚至有下降趋势;本研究结果分析表明秸秆覆盖量达到7 500 kg·hm-2时秸秆量增加对水分利用效率的提高不显著,当覆盖量增加至10 000 kg·hm-2时在2015年增加0.59%,2016年下降0.06%,这可能与种植方式及生育期内降雨量有关。蔡太义[16]研究平作春玉米覆盖量为4 500~13 500 kg·hm-2时水分利用效率较不覆盖提高5.49%~8.09%;张俊鹏[6]研究平作夏玉米覆盖量为1 500~10 500 kg·hm-2时水分利用效率提高2.09%~27.86%;而本研究发现垄沟二元覆盖夏玉米覆盖量为2 500~10 000 kg·hm-2时水分利用效率提高3.52%~15.09%,增幅略有差异,这可能受不同地区降雨量差异影响,也可能与种植方式,覆盖材料有关。银敏华[22]研究发现垄沟二元种植模式下秸秆覆盖量为6 000 kg·hm-2时产量较不覆秸秆提高8.06%,水分利用效率提高7.17%,均小于本试验同一地区不同生产年5 000 kg·hm-2时的增效作用,这与生育期内降雨量差异有关。同时有学者提出一定范围内同等处理不同生产年度水分利用效率与降水量成反比[31-33],本研究2015年产量及水分利用效率均低于2016年,这与2015年生育期降水少且分布极不均匀有关,此结果验证了玉米需水临界期的严重干旱会造成产量的大幅下降。
4 结 论
1)垄覆地膜沟覆秸秆条件下,夏玉米生育前期耗水量随秸秆覆盖量增加而减小,为中后期植株旺长提供适宜的环境从而导致中后期内覆盖量大的处理耗水强度较大,2 a中各秸秆覆盖处理全生育期平均耗水量分别较对照增加0.51、3.37、8.78 mm和11.01 mm。
2) 干物质量在苗期与覆盖量呈负相关,中后期随覆盖量的增加而增大,2a平均较CK分别增加4.67%、16.58%、21.99% 和23.36%。
3)产量及水分利用效率均与秸秆覆盖量呈正相关关系,2 a平均较CK分别增产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%,覆盖量大于7 500 kg·hm-2,夏玉米增效不明显。
4)在干旱半干旱地区降水量制约最终作物产量及水分利用效率,垄沟二元覆盖条件下,7 500 kg·hm-2(M3)为合理的秸秆覆盖量,既有利于夏玉米节水增产,又有助于秸秆的高效利用。