不同覆盖对免耕玉米生长和水分利用效率的影响

于贤磊， 窦超银， 孟维忠， 陈 伟， 延玮辰

(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司徐州分公司，江苏徐州 221000； 2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009； 3.辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003)

风沙土是辽宁西北部与内蒙古科尔沁沙地接壤地区普遍存在的土壤资源，土壤以粉细沙为主，有机质含量少、固结能力差、蓄水能力低、保水保肥性差。长期以来，该地区土地利用以玉米种植为主，农民因土壤漏水、漏肥严重而不愿意对合理灌溉施肥增加投入，主要依靠降水补充灌溉，土地生产效率低，且部分地区由于肥力投入低甚至无投入的耕种加速了植被的逆行演替，因此，如何在农业生产的同时，实现风沙土土地资源的可持续利用，一直是该地区亟须要解决的问题。

免耕技术是近年来被广泛推广应用的保护性耕作技术之一[1]，它具有减少土壤扰动，保护土壤团粒结构，增加土壤有机质含量等优点[2]。长时间免耕可以增加土壤大粒径团粒含量和大孔隙数量，改善农田土壤结构，提高土壤的入渗性能和蓄水能力，从而达到涵养水源、增强土壤抗蚀能力的效果[3]。有研究表明，免耕3年后，土壤水分利用率提高13.3%[4]；0～20 cm 土层土壤有机碳含量、全氮含量分别增加25.8%、13.2%[5]；免耕留高茬覆盖土壤微生物量碳、氮含量分别平均提高69.0%、43.0%[6]，而覆盖是干旱半干旱地区广泛推广应用的农业生产技术。通过覆盖可以改变土壤环境因子，为作物的生长发育创造小气候，从而使作物生长发育的环境更加适宜。如马铃薯高垄膜覆盖沟覆草能有效增加马铃薯生育前期地温，苗期日均地温较传统平播增加0.50～2.23 ℃，0～100 cm土壤贮水量提高52.8 mm[7]；春小麦覆膜全生育期平均地温较露地高0.8 ℃[8]；采用秸秆地膜双覆盖可以在降水较少的玉米生长前期利用深层储水来提高土壤表墒，同时在玉米生长期内提高积温57.9 ℃[9]。由此可见，将免耕技术和覆盖技术相结合应用在风沙土地区，一方面可减少对风沙土的扰动，另一方面可扩大土壤水库容量，有利于土壤质量的维持和提高。

本研究以辽西北地区风沙土土壤为研究对象，以传统雨养无灌溉为对照(CK)，通过在滴灌条件下设置免耕无覆盖(MG)、免耕秸秆覆盖(MJ)、免耕地膜覆盖(MM)等3个处理，研究不同覆盖措施对免耕种植玉米生长和水分利用效率(water use efficiency，简称WUE)的影响，探究风沙土土壤适宜的利用方式，以期为风沙土土地资源的可持续利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在辽宁省水利水电科学研究院阿尔乡沙漠生态园内进行，试验园位于辽宁省彰武县北甸子村(地理位置为 122°23′E，42°50′N)，地处科尔沁沙地南缘，属于温带半干旱季风气候区，其主要特征是干燥、风沙大。多年平均降水量为 412 mm，降水量年内分布不均，夏季降水量占全年降水量的60%～70%；多年平均蒸发量为1 781 mm；年平均气温为 6.1 ℃，平均风速为3.7～4.2 m/s，最大瞬时风速达 24.0 m/s，沙尘暴天气可持续10～15 d；植物生长期为145～150 d，无霜期为154 d。试验区土壤主要为流动风沙土，土壤容重为1.7 g/cm3，田间持水量为6.3%，凋萎含水量为 1.7%。土壤机械组成以细沙为主，占总量的70.0%，物理性黏粒和粗沙很少；有机质含量为0.66 g/kg。

1.2 试试材料与试验设计

试验于2015年5—9月进行，设免耕无覆盖(MG)、免耕秸秆覆盖(MJ)和免耕地膜覆盖(MM)3个免耕滴灌处理，同时以当地传统种植方式，即雨养无灌溉为对照(CK)，每个处理重复3次，共12个小区，采用随机分布方式。小区南北朝向，长为40 m；东西方向以林带为隔断，宽为8.4 m，面积为336 m2。玉米品种选用郑单958，滴灌处理均采用宽窄行种植，玉米宽行行距为0.8 m，窄行行距为0.4 m，株距为0.3 m，滴灌带位于窄行中央，单条滴灌带灌溉2行玉米，滴头间距为0.3 m，滴灌带滴头流量为1.38 L/h。采用机械完成耕种作业，农机为可拆卸大垄双行玉米膜下滴灌一体机，可同时完成施底肥、注药、播种、铺滴灌带、覆膜等作业，MG处理和MJ处理在机械行走时不放置地膜，MG处理每1～2 m在滴灌带上覆土，防止滴灌带的吹动移位；MJ处理在滴灌带铺设完毕后在垄上均匀铺放玉米秸秆，秸秆长度为60 cm，垂直滴灌带放置。CK处理的玉米等宽种植，行距为0.6 m，株距为0.3 m。

1.3 田间管理

播种前对种子进行晾晒处理，底肥施225 kg/hm2磷酸二铵，225 kg/hm2复合肥。5～6叶期定苗，拔节期中耕除草，喷施农药甲胺磷1次，防治虫害。结合气象条件补充灌溉，玉米生育期内共灌溉4次，单次灌水定额为20.0 mm。

1.4 测定指标

降水和蒸发利用试验站内的小型气象站测定，每天 08：00 测量并记录1次。灌溉水量通过水表控制。土壤含水量用管式时域反射计(time domain reflectometry，简称TDR)测量，TDR测管埋在小区中部同一行相邻2株玉米中间位置，埋深为1 m，每7 d测1次，测深为1 m，每0.2 m为1个测定深度。玉米株高、茎粗和单株全部展开叶的叶面积等每2周测1次；按长×宽×系数法调查叶面积，叶面积指数(leaf area index，简称LAI)通过叶面积与单位土地面积折算求得；收获时在各小区随机取10株，收获后室内考种，各小区单独收获考种、脱粒、晒干并计产，每个处理的玉米产量为处理各小区的实际产量；生育期耗水量采用土壤水量平衡法进行计算，水分利用效率为玉米产量与耗水量的比值。

常规数据整理由Excel 2010完成，单因素方差分析由SPSS 20.0完成。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖对免耕种植玉米生长的影响

2.1.1 株高 由图1可知，各处理玉米株高从苗期到抽穗期均随着生育期的进行而增加，抽穗期后，株高基本稳定。不同处理之间，滴灌处理植株株高整体高于雨养种植处理，苗期滴灌灌溉处理的株高比CK处理高50%，在苗期和拔节期各滴灌灌溉处理与CK处理均达到显著差异水平；拔节期后，MG处理与CK处理差异不显著，MJ处理、MM处理仍显著高于CK处理。在苗期至拔节期，覆盖方式对滴灌条件下玉米株高影响较小，MG处理、MJ处理、MM处理之间差异不显著；抽穗期至成熟期，MJ处理、MM处理玉米株高比MG处理约高50 cm，达到显著差异水平，MJ处理和MM处理之间株高差异约为20 cm，差异不显著。说明灌溉是影响玉米株高生长的主要因素，拔节期后覆盖对株高生长有明显的促进作用，不同覆盖方式对玉米株高影响较小。

2.1.2 茎粗 由图2可知，玉米茎粗随着生育期的进行先增大后趋于稳定，苗期至拔节期玉米茎粗增长幅度较大，各处理增幅均在50%及以上；拔节期后茎粗稳定在1.9～2.7 cm；成熟期MG处理和MJ处理玉米茎粗有减小趋势。在不同处理之间，滴灌处理的茎粗大于CK处理，尤其在生长前期，达到显著差异水平，成熟期MG处理与CK处理差异不显著，但MJ处理和MM处理的玉米茎粗均显著大于CK处理。滴灌处理中，覆盖处理玉米茎粗整体大于无覆盖处理，在苗期至抽穗期差异并不显著，随着生育期的进行，覆盖对茎粗的促进作用越来越明显，在成熟期MJ和MM处理玉米茎粗均显著大于MG处理，其中，MM处理茎粗最大，比MJ处理大12.5%。结果表明，苗期补充灌溉是影响植株茎粗生长的关键因素，尽管雨养条件下玉米茎粗在拔节后随着雨季雨水的补给有一定的补偿效应，但始终小于灌溉处理；覆盖有利于获得粗壮株型，且地膜覆盖作用效果整体优于秸秆覆盖。

2.1.3 叶面积指数 由图3可知，随着生育期的进行，各处理玉米叶面积指数先增大后减小；苗期至抽穗期玉米LAI增长最为迅速，LAI增加12.0～15.1倍，抽穗期达到最大，LAI在2.7～3.8之间，进入成熟期后，各处理玉米叶面积指数均减小，减幅为3.8%～11.2%。不同处理之间，CK处理玉米叶面积指数始终小于灌溉处理，并均与灌溉处理达到显著差异，其中在拔节期差异最为明显。在不同滴灌处理之间，覆盖处理玉米LAI高于无覆盖处理，且拔节期后，MJ处理玉米LAI最高，在抽穗期达到 3.8，分别比MG处理和MM处理高12.0%、7.6%，在成熟期分别高出11.4%、5.6%；方差分析结果表明，滴灌条件下不同覆盖处理玉米LAI差异均不显著。说明灌溉是导致玉米LAI差异的主要因素， 雨养不利于获取较高的LAI；覆盖有利于LAI的提高，但与滴灌灌溉对LAI的促进作用相比，覆盖对LAI的提高作用并不明显。

2.2 不同覆盖对玉米产量构成和水分利用效率的影响

2.2.1 产量构成 由表1可知，CK处理除玉米秃尖长外，其他考种指标，如玉米穗质量、穗长、穗粗、穗行数、穗行粒数、穗粒质量、百粒质量等均显著低于滴灌灌溉处理，其中，穗质量和穗行粒数较灌溉处理低40.0%～50.0%，CK处理玉米秃尖长较其他处理长11.5%～123.1%，且和MG处理、MM处理之间的差异达到显著水平。不同滴灌处理之间，除百粒质量外覆盖处理各项考种指标均大于无覆盖处理，其中穗质量、穗长、穗粗高出 5.0%～12.4%，穗行粒数和穗粒质量提高3.6%～9.6%；滴灌各处理百粒质量为40.2～42.5 g，差异较小；覆盖同时增加了玉米秃尖长度，MJ处理和MM处理秃尖分别较MG处理长 1.3、0.4 cm；方差分析结果表明，无覆盖处理除玉米穗粗和穗行数显著低于覆盖处理外，其他考种指标与覆盖处理均未达到显著差异水平。与地膜覆盖相比，秸秆覆盖玉米秃尖长长 0.9 cm，穗粗和穗行数分别低1.9%、4.4%，其他考种指标提高1.5%～7.0%；2个处理的各指标差异均未达到显著水平。说明滴灌灌溉有利于产量形成；滴灌条件下，秸秆覆盖整体优于地膜覆盖，地膜覆盖整体优于无覆盖。

表1 不同覆盖对玉米产量构成的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。下表同。

表2 不同覆盖对玉米产量和WUE的影响

2.2.2 产量与水分利用效率 由表2可知，各处理玉米产量由大到小依次为MJ处理>MM处理>MG处理>CK处理。MJ处理、MM处理和MG处理玉米产量分别较CK处理增产3.0、2.8、2.5 t/hm2，增幅分别为55.6%、51.9%、46.3%，均与对照达到显著差异水平，但滴灌处理之间差异不显著，即滴灌灌溉能显著增产，覆盖有利于提高产量，其中秸秆覆盖效果较为明显。各处理的水分利用效率由大到小依次为CK处理>MJ处理>MM处理>MG处理。CK处理水分利用效率最高，分别比MJ、MM和MG处理高34.2%、36.0%和41.7%，且各滴灌处理与CK处理均达到显著差异水平；在滴灌处理中，MJ处理和MM处理的WUE分别为1.52、1.50 kg/m3，分别比MG处理高5.6%、4.2%，但3个处理间差异不显著。这说明覆盖对提高水分利用效率有一定的作用，秸秆覆盖效果优于地膜覆盖；但在灌溉条件下，随着耗水量的增加，WUE反低于雨养种植，这是由于雨养条件下无灌溉，土壤水分仅依靠降水补充，以牺牲产量来获得较高的WUE。

3 讨论与结论

辽西北地区是春旱频发区，春季多风，而风沙土保水保肥性差，因此土壤失墒快。尽管当地雨养种植在多年生产实践中形成了一些实用有效的经验，但在雨水年内分配不均的年份仍会遭到不同程度的减产损失，严重年份甚至绝收。结果表明，灌溉是风沙土农业生产的基础，拔节期前由于少雨多风，雨养种植缺少水分补充，玉米生长受到抑制，植株株高和茎粗均不如灌溉处理；虽然这一不利影响在雨季后得到缓解，但补偿作用有限，玉米生长性状始终低于灌溉处理，并在生长后期进一步影响到产量构成，造成低产。

免耕覆盖组合条件下，覆盖能有效地抑制土壤蒸发，提高灌溉水的有效性[10]，从而为玉米生长创造良好的水分条件，在玉米苗期至拔节期，植株较小，需水量少，水分差异引起的生长性状差异并不明显，随着生长期的进行，拔节期后水分条件差异导致植株性状产生明显差异，这是免耕无覆盖植株株高、茎粗和LAI低于覆盖处理的根本原因，最终产量构成和水分利用效率等也整体低于覆盖处理。

有研究表明，虽然在一些区域免耕秸秆覆盖能够改善土壤的水分条件，增加土壤碳储量，但同时也会导致土壤表层温度降低[11]，特别当春季气温回升时，免耕秸秆覆盖措施下土壤温度回升缓慢，不利于玉米出苗及产量的增加[12]。而地膜透光性强，隔绝了土壤与外界的水分交换，消除了潜热交换，削弱了显热交换，使增温作用明显[13]。这可能是在生长前期膜下滴灌作物长势好于秸秆覆盖的原因。抽穗期后，随着进入夏季气温升高和地膜的碎化，低温不再是影响植株生长的制约因素，秸秆覆盖对调控土壤温度和集蓄雨水、抑制蒸发的效果明显，但此时植株已从营养生长进入生殖生长，因此，植株长势基本稳定，LAI、产量及其构成、WUE基本高于地膜覆盖处理。

在本试验中，雨养种植因无灌溉水量，WUE高于灌溉处理。在生产实践中， 一方面雨养的产量取决于生育期内的气象条件，具有随机性；另一方面，随着生产资料和用工投入的增加，雨养种植经济性差，因此综合试验结果，在风沙土地区免耕秸秆覆盖滴灌是较为适宜的种植方式。