旱地玉米休闲期秸秆覆盖对农田土壤水肥的调控效应

李娜娜，梁改梅，池宝亮

（山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原 030031）

山西省属于半湿润易旱区，十年九旱。春玉米一年一熟，多实行冬季休闲，主要依赖于自然降水，但是降水年际间波动剧烈，并且季节性分布不均匀，导致了产量低而不稳，因此，有限水资源的高效利用是山西省旱地玉米生产面临的主要问题[1]。玉米冬春休闲期长达210 d 左右，占全年的57.5%，是保墒的关键期。所以，在冬春休闲期实施秸秆覆盖免耕技术，可有效地抵制土壤风蚀和水蚀、减轻焚烧秸秆对空气的污染[2-3]。尤其对于旱作农业区，能切实提高土壤蓄水率、保证粮食稳产高产[4]。

有研究表明，秸秆覆盖可以改善土壤团聚体结构[5]、调节水分状况[6-7]、增加农田土壤固碳能力[8]、增强作物光合特性[9]、提高作物产量[10]、增加经济效益[11-12]等，同时秸秆腐解后增加了土壤有机质含量[13]，并且随着秸秆覆盖年限的增加，土壤有机质呈增加趋势[14]。王慧等[15-16]研究结果表明，秸秆连续还田条件下，可显著提高土壤全氮、速效磷和速效钾含量。

近年来，山西省已开展了许多关于秸秆覆盖的研究，然而，针对旱地玉米休闲期秸秆覆盖对农田土壤水肥的调控效应，目前尚缺乏系统研究。研究山西省旱地玉米冬春休闲期秸秆覆盖模式，探索免耕秸秆覆盖措施的蓄水保墒及培肥土壤机理，为提高旱地玉米的水分生产效率和土地生产力提供了理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2015 年在山西省寿阳县景尚乡张韩村实施，试验地属于晋中盆地的黄土丘陵山地，属温带大陆性季风气候，海拔1 210 m，年平均降雨量为534.80 mm。土壤以褐土为主。2012 年收获后0～20 cm 土层的pH 值8.25，有机质12.5 g/kg，全氮0.97 g/kg，碱解氮69.88 mg/kg，速效磷7.0 mg/kg，速效钾91.0 mg/kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种为大丰30。

1.3 试验设计

2012 年10 月玉米收获后开始试验，把地里的玉米秸秆粉碎后进行覆盖，共3 a。采用随机区组设计，冬春休闲期（10 月至5 月）设免耕秸秆覆盖（秸秆粉碎覆盖不进行耕作）和传统耕作（11 月份进行翻耕）2 个处理。小区面积为150 m2，每个处理3 次重复。晨雨调控肥（N-P2O5-K2O：23-12-5）作为基肥一次性施入，用量为1 305 kg/hm2（氮肥300 kg/hm2）。种植时间为4 月26 日，密度为6 万株/hm2，3 a 试验均在同一地块进行。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤水分及水分利用效率的测定 每小区中部各埋设一根中子管，深度200 cm。在玉米休闲期及全生育期定期用CPN-503 中子仪（0～200 cm）和6050X1Trase 系统（0～20 cm）测定土壤含水量，中子仪每隔20 cm 为一层测定土壤水分。

其中，V 为土壤含水量（%），h 为土层厚度（mm）。

其中，GY 为玉米籽粒产量（kg/hm2），ET 为生育期耗水量（mm）。

1.4.2 土壤养分的测定 土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、有效钾的测定均采用常规方法。

1.4.3 产量的测定 收获时，每小区进行单打单收实际测产，计算产量。

1.5 数据分析

用SPSS 软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 休闲期秸秆覆盖对旱地玉米农田水分的影响

2.1.1 休闲期秸秆覆盖的土壤含水量变化 由表1可知，休闲期秸秆覆盖处理的平均土壤水分含量在土体上部0～60 cm 处保水较大，较处理前平均提高18.7%，而传统耕作较处理前平均下降3.5%。这说明冬春休闲期秸秆覆盖能够集蓄降水，明显地提高表层土壤含水量，使表层土壤保持湿润状态，从而提高下季玉米的播前土壤底墒，尤其在干旱年份，可有效地提高出苗率、促进幼苗生长。在60～120 cm 土层，虽然秸秆覆盖后与处理前的土壤含水量一致，传统耕作土壤含水量低于处理前的土壤含水量，这可能是由于传统耕作造成土壤的搅动失墒。在120～200 cm 土层，受降水影响变异较小，土壤含水量均以秸秆覆盖最好，这说明秸秆覆盖增温保墒促进了深层土壤的水分运动。从土壤水分垂直变化的变异系数来看：免耕秸秆覆盖模式>传统耕作模式，表明免耕秸秆覆盖后，土壤水分随垂直深度的变化波动较为剧烈，而传统耕作处理的土壤水分随土壤深度变化相对较弱。

表1 休闲期秸秆覆盖的土壤水分含量变化

2.1.2 休闲期秸秆覆盖的土壤贮水量和蒸发量变化 冬春休闲期秸秆覆盖处理有效利用了有限的降水资源，提高了0～200 cm 土壤贮水量，与传统耕作相比，3 a 平均土壤贮水量提高了29 mm（表2）。因此，冬春休闲期秸秆覆盖对土壤水分有一定的保蓄作用。休闲期的前期为雨季末期，有一定的蓄墒作用；休闲期的后期为土壤水分大量蒸发阶段，又会造成失墒。由表2 可知，休闲期内秸秆覆盖处理3 a平均2 m 土体贮水量失墒15.2 mm，而传统耕作则失墒44.2 mm。休闲期秸秆覆盖土壤总蒸发量占同期降水的比例为104.4%～135.1%，而传统耕作土壤总蒸发量占同期降水的比例为130.6%～175.4%。冬春休闲期秸秆覆盖措施可有效地抑制土壤蒸发，与传统耕作相比，3 a 平均可减少土壤蒸发33.6%。因此，休闲期秸秆覆盖具有明显的抑蒸保墒效应,促进了农田水分的良性循环。

表2 休闲期秸秆覆盖0～200 cm 土壤贮水量及蒸发量变化

2.1.3 休闲期秸秆覆盖对旱地玉米水分利用效率的影响 休闲期秸秆覆盖的水分利用效率如图1所示。

由图1 可知，不同年份间休闲期秸秆覆盖与传统耕作的玉米水分利用效率差异显著，3 a 平均休闲期秸秆覆盖的玉米WUE 显著高于传统耕作。2013 年处理间WUE 差异不显著，2014、2015 年WUE 分别较对照提高7.2%和2.8%。休闲期秸秆覆盖较传统耕作3 a 平均WUE 提高11.3%。表明冬春休闲期农田粉碎覆盖可以提高水分利用效率。

2.2 休闲期秸秆覆盖对旱地玉米农田养分的影响

由表3 可知，冬春休闲期秸秆覆盖提高了表层土壤肥力。3 a 平均的0～20 cm 土壤有机质含量较传统耕作增加2.53 g/kg，提高19.8%。与传统耕作相比，休闲期秸秆覆盖的全氮提高8.4%，碱解氮提高27.6%，有效磷和速效钾也分别提高15.7%和29.4%。

表3 休闲期秸秆覆盖后0～20 cm 土壤肥力的变化

2.3 休闲期秸秆覆盖对旱地玉米产量的影响

由图2 可知，不同年际间冬春休闲期不同处理对玉米产量影响的表现一致，均为秸秆覆盖的产量显著高于传统耕作。2013、2014、2015 年秸秆覆盖分别较传统耕作增产4.8%、4.3%和12.14%，3 a 平均增产7.0%。

3 结论与讨论

冬春休闲期秸秆粉碎覆盖措施可减少无效耗水，提高蓄水保墒效率，从而提高作物产量[17-18]。还有研究表明，免耕秸秆覆盖能够增加土壤含水量，提高作物产量，其效果优于传统耕作和少耕[19-21]。本研究与前人研究结果一致，冬春休闲期秸秆覆盖能够提高0～200 cm 土层含水量，并且发现在土体上部0～60 cm 处保水较大，土壤含水量较处理前平均提高18.7%，而传统耕作较处理前平均下降3.5%。同时，冬春休闲期秸秆覆盖与传统耕作相比，3 a 平均土壤贮水量提高29 mm，秸秆覆盖减少土壤蒸发33.6%。因此，休闲期秸秆覆盖还具有明显的抑蒸保墒效应,促进了农田水分的良性循环。

玉米秸秆的主要成分是木质素和纤维素，在土壤微生物的作用下可部分转化为土壤有机质，因此，冬春休闲期免耕秸秆覆盖可提高土壤的有机质含量。蔡太义等[13]研究表明，秸秆还田后土壤全氮含量提高11.0%，全磷含量提高10.0%，水解氮含量提高41.0%。秸秆还田还能够补充和提高土壤磷素和钾素含量[22]。本研究表明，休闲期秸秆覆盖较传统耕作0～20 cm 土壤有机质含量提高19.8%，全氮提高8.4%，碱解氮提高27.6%，有效磷和速效钾也分别提高15.7%和29.4%。

冬春休闲期玉米秸秆粉碎覆盖后，增强了土壤抑蒸保墒能力，提高了土壤肥力，进而提高了玉米产量和水分利用效率。本研究表明，休闲期秸秆覆盖较传统耕作增产7.0%，WUE 提高11.3%。

研究中发现，玉米秸秆粉碎不合要求，影响播种质量。应进一步开展农机与农艺配套研究，改进并选择粉碎率高的玉米收割粉碎机械，从而提高下季作物的播种质量。

合理的耕作管理技术可影响土壤墒情，进而影响玉米春播出苗。通过秸秆覆盖创造作物节水增产的小气候条件，从而实现有限水资源的合理利用。秸秆粉碎覆盖可有效地抑制土壤蒸发，减少无效耗水，提高上年秋雨和休闲期降水的保蓄率，可增加耕层土壤贮水量，是减缓春旱的重要措施。