覆膜秸秆还田对旱作农田土壤水温及春玉米产量的影响

钱 锐，刘 洋，郭 茹，杨 玲，梁 霞， 张 鹏，任小龙，贾志宽

(1.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100；2.农业部西北黄土高原作物生理生态与 耕作重点实验室/西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

宁南旱区地处黄土高原雨养农业区，光热资源丰富，降水不足，土壤肥力属于中低水平，以秸秆还田、地膜覆盖等为代表的培肥保墒技术成为区域农业发展的重要措施[1-4]。连年覆膜种植造成的地力消耗与“白色污染”，不合理、不充分的秸秆还田导致作物减产等现象已经成为区域农业可持续发展亟需解决的问题[5-7]。

高艳梅等[8]研究指出，休闲期覆膜在不同降雨年情下显著提高播前蓄水效率20%～185%，小麦增产20%以上。马忠明等[9]通过不同覆膜种植试验发现，不同覆膜方式下土壤温度平均提高3.3℃。普遍认为，秸秆还田通过对土壤理化性质改变影响作物发育。马永良等[10]研究表明，秸秆还田增强了土壤渗水能力，提高了土壤含水量。张冬梅等[11]研究表明，连续3a秸秆还田，玉米苗期日均最低温提高1.3℃，播前土壤水分提高1.9%，经济产量增加12.2%。但覆膜种植与秸秆还田的弊端同样不容忽视。柴守玺等[12]研究表明，覆膜种植减少了深层土壤含水量，土层加深含水量越低，更为剧烈。长期覆膜种植还会引发作物生育后期脱水、脱肥现象[13-14]。秸秆还田对于农田的反哺需要一定温度、水分、氮素作为前提条件[15]，单一秸秆还田会降低出苗质量与出苗率[16]，造成出苗迟，苗弱，苗黄等情况。众多研究表明[17-18]，秸秆还田配合地膜覆盖在发挥各自优势的基础上，缓解了作物生长同资源环境协同发展的矛盾，促进了农业资环的循环利用，提高了可持续农业活力，实现优势互补。

当前，众多学者已经围绕单一覆膜栽培、单一秸秆还田或是覆膜栽培结合秸秆还田在不同区域进行了大量的田间试验，关注点多围绕单一维度下农田土壤水分、表层土壤温度、作物产量等方面[19-23]，而针对秸秆还田配合地膜覆盖对典型旱作农田土壤水分、温度在时空两个尺度下的变化，以及二者优势耦合对春玉米产量影响的报道尚在少数。

试验共设置传统平作(T)、平作秸秆还田(TS)、平覆膜秸秆还田(PS)、平覆膜秸秆不还田(P)4个处理，从时间、空间两个层面分析地膜覆盖、秸秆还田及二者交互对土壤水热动态变化、优化利用及春玉米产量的影响，揭示覆膜秸秆还田模式的增温保墒及增产原理，为完善半干旱区地膜覆盖栽培模式提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于 2018年11月-2019年10月在宁夏回族自治区彭阳县长城村旱地农业试验区(106°48′E，35°51′N)进行。该区海拔1 658 m，地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地。年平均降水量430 mm 左右，其中70%的降雨集中在7—9月。年平均气温 6.1 ℃，年平均日照时数 2 518.2 h，年蒸发量1 753.2 mm，干燥度(≥0 ℃的蒸发量)为1.21～1.99，无霜期 140～160 d。试验田为旱平地，土壤质地为黄绵土，属中低等肥力水平，试验地0～60 cm土壤基础理化性质见表1。

1.2 试验年份玉米生育期的气温、降水情况

2018年10月—2019年11月总降雨量为787.1 mm，休闲期降雨量为153.3 mm，生育期降雨量为633.8 mm(图1)，较多年平均同期增长86.9%。在玉米生长旺盛的7、8月降雨量分别为144.2和245.7 mm，较多年平均同期增加 52.2%和169.7%。生育期内日照时数为 949.1 h，日均气温为8.6～20.2 ℃。

表1 试验地基础理化性质Table 1 Key properties of soil layers

1.3 试验设计

试验为双因素随机区组设计。设置两种栽培模式，分别为传统平作和覆膜种植，采用秸秆还田与不还田两种方式分别在两种栽培模式下进行大田试验。试验共设置4个处理(图2)，平作不还田(T)、平作秸秆还田(TS)、平覆膜秸秆不还田(P)、平覆膜秸秆还田(PS)，每个处理3次重复。每个重复小区面积为90 m2。

2018年10月，前茬玉米收获后立即将秸秆粉碎成5 cm左右的小段，均匀翻埋至各还田处理0～30 cm土层，随后对各覆膜处理覆可降解膜，于次年4月直接播种。玉米品种为‘大丰30’，播种密度为75 000株·hm-2，种植深度为5～8 cm，株距60 cm，行距23 cm，各处理施尿素150kg·hm-2和 P2O5120 kg·hm-2，磷肥全部基施，在小喇叭口期按质量比1∶1对各处理进行尿素追肥，试验期间不进行灌水处理，仅进行人工除草和病虫害防治。2019年4月23日播种，10月3日收获。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤水分 测定深度为0～200 cm土层，0～20 cm每10 cm取1个土样，20 cm以下每 20 cm取1个土样，取样位置为玉米株间，采用烘干法测定。

1.4.2 土壤温度 采用智能全自动土壤温度记录仪(HZ-TJ1，北京合众博普科技有限公司，中国)进行地温读取，不间断测量4个处理从播种至收获全生育期内土壤剖面0～60 cm温度的动态变化，10 cm一个土层，观测位置在株间，每次读取间隔30 min。

1.4.3 土壤积温 参考McMaster 和 Wilhem关于土壤有效积温的计算[41]，得出相关公式如下：

AT=∑(Tm-Tb)

式中，AT为土壤有效积温( ℃)；Tm为日均土壤温度；Tb为玉米根系活动最低有效温度，其值为10 ℃。当Tm

1.4.4 土壤贮水量W=∑h×ρ×b×10

式中，W为土壤贮水量(mm)；h为土层深度(cm)；ρ为土壤体积质量(g·cm-3)；b为各层土壤质量含水量(%)。

1.4.5 土壤耗水量ET=W1-W2+T+R+C-D+I

式中，ET为全生育期耗水量(mm)；W1为播前0～200 cm土层土壤贮水量(mm)；W2为收获后0～200 cm土层土壤贮水量(mm)；T为生育期有效降水量(mm)，I为灌溉量(mm)，R为地表径流(mm)，C为地下水流入根部水量(mm)，D为根部以外排水量(mm)。本试验中，试验地地表平整，地下水位在地表约80 m以下深度，试验期间无灌水，因此，地表径流、灌溉量、地下水流入根部水量和根部以外排水量数值为零。

1.4.6 作物水分利用效率WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率 (kg·hm-2·mm-1)，Y为作物籽粒产量 (kg·hm-2)。

1.4.7 作物产量 至玉米收获，每个小区选取4 列有代表性的玉米行，每行连续选取10 株玉米进行玉米产量测定。收获时4个处理的籽粒平均含水量为 25.61%，测产时籽粒产量按14%含水量折算干质量进行计算。

1.5 数据处理

利用软件Microsoft Excel 2018和SPSS 23对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验。采用Origin 2018对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式下0～200 cm土层土壤水分变化

2.1.1 时间变化 各处理0～200 cm土层贮水量随生育期推进呈现“M”型变化，土壤贮水量峰值出现在播后120～150 d(图3)。

休闲期至播前，无论是在耕层(0～60 cm)还是深层(60～200 cm)，覆膜处理贮水量均显著高于不覆膜处理，平均高4.29%和5.46%。平覆膜秸秆还田(PS)与平覆膜秸秆不还田(P)在耕层差异明显，PS较P高0.45%。平作秸秆还田(TS)与平作不还田(T)差异主要体现在深层，TS较T高1.01%。

播后0～30 d，0～200 cm土壤贮水量，覆膜处理均显著高于不覆膜处理。耕层贮水量，覆膜处理较不覆膜处理平均高4.71%。深层贮水量，覆膜秸秆还田处理显著高于其他处理，平均高 3.17%。播后30～60 d，PS的耕层和深层贮水量显著高于其他处理，平均高3.70%和3.75%，其余各处理之间无显著差异。播后60～90 d，受日均气温升高与拔节期影响，作物耗水剧增，各处理耕层、深层贮水量均为生育期内最低。各处理耕层贮水量差异显著，PS与P较T分别高4.30%、 1.90%，TS较T低-4.50%，PS较P提高 2.35%。各覆膜处理深层贮水量均显著高于不覆膜处理，平均高4.12%，但覆膜处理间无显著差异，TS较T显著提高1.64%。播后90 d～收获，该时期降雨量为392.7 mm(较多年同期平均降雨量多227.8 mm)，各处理出现贮水量峰值，平均达611.52 mm，各处理间耕层贮水量大小顺序为T>P>TS>PS，不还田处理较还田处理平均高2.29%。

2.1.2 空间变化 休闲期至播前，各处理0～200 cm土壤含水量大小顺序为PS>P>TS>T(图4-a)。无论是在耕层还是深层，覆膜处理的抑蒸保墒作用均优于不覆膜处理，在此基础上，秸秆还田有效积蓄了深层土壤水分。但单一还田不能控制耕层水分的蒸发。

播后0～30 d，各处理0～200 cm土层土壤含水量较播前均有不同程度增加，呈现先增加后降低的变化(图4-b)。

播后30～60 d，气温回升，覆膜抑蒸、秸秆腐解、作物生长同时对水分作用，以作物耗水为主， 0～80 cm土壤含水量较上一时期减少(图4-c)。播后60～90 d，0～200 cm土层含水量先减少后趋于稳定。这一时期，水分蒸散和作物生长成为耗水主要原因，虽然降雨较多，但多为强降雨，易形成径流，对土壤补给低于消耗(图4-d)。播后90～120 d，各处理进入灌浆期，耗水强度均有所降低，主要以蓄水为主，0～200 cm土层含水量先呈现小幅降低，随后增加再降低(图4-e)。播后120 d～收获，耗水强度进一步降低，0～200 cm土壤含水量大致呈先增加后减少的趋势，以T水分含量最高(图4-f)。

值得注意的是，在播后0～90 d，土壤水分的消耗主要在0～80 cm土层内。不同覆膜还田种植配合降雨将深层水份稳定在17～23%，90 d以后，不覆膜处理土壤含水量逐渐增加，甚至超过覆膜处理。

2.2 不同种植方式对0～60 cm土壤温度的影响

2.2.1 0～20 cm土壤日(00:00～24:00)逐时温度 玉米生长期间，覆膜种植相较不覆膜处理平均提高10 cm、20 cm土壤温度2.81 ℃和0.87 ℃(图5)。各处理日均温度随土层加深降低，降幅为0.03～2.21 ℃。分析不同处理日均土壤温度逐时变化，10 cm处，覆膜处理6:00～15:00温度逐渐升高，在15:00～18:00达到最高温度，至翌日6:00温度逐渐降低至日均最低温，PS较P到达日均最高温的时间向后延迟，但最高温度无差异。不覆膜处理，6:00～16:00温度逐渐升高，至次日6:00温度逐渐降低，TS与T同时段到达日均最高温，但T的温度高于TS。20 cm处，温度变化趋势与10 cm相似，PS与P,T与TS温度变化更加趋于同步。

2.2.2 0～20 cm土壤逐日昼夜温度和昼夜温差 不同种植方式对0～20 cm土壤昼、夜温度影响不同(图6)。相较平作不还田，各覆膜处理的夜间增温效果优于白昼，平作秸秆还田表现为白昼降温、夜间增温。PS与P分别提高土壤昼、夜温度1.40 ℃、1.71 ℃和3.71 ℃、3.51 ℃，TS降低和提高土壤昼、夜温度0.46 ℃和0.50 ℃。分析昼夜温差可看出，相较T，不同覆膜还田处理降低土壤昼夜温差，且随生育期推进，温差幅度逐步缩小，生育期内平均降低0.6～1.23 ℃。播后0～15 d，PS、P、TS的昼夜温差分别降低1.7 ℃， 1.5 ℃和0.5 ℃。播后16～100 d，PS、P、TS昼夜温差分别降低1.5 ℃， 1.2 ℃和0.3 ℃。播后101～162 d，PS、P、TS昼夜温度分别降低1 ℃，0.7 ℃和0.1 ℃(图 7)。

2.2.3 0～60 cm土壤有效积温 各处理全生育期0～60 cm有效积温总量以PS最多，较P、TS、T分别多1%、20.95%和19.42%(图8)。

分析各时期可看出，播后0～40 d，除PS(20 cm)外，各处理土壤有效积温随土层加深而减少，PS、P、TS、T的表层(0～30 cm)土壤有效积温总量分别较深层(40～60 cm)高15%，9.7%，29%。各处理表层(0～30 cm)有效积温差异显著。PS和P的有效积温总量较TS和T平均分别高 75.3%，PS较P高5.3%。深层(30～60 cm)土壤有效积温总量，PS、P较T平均高113.75%。

播后40～80 d(图8-b)，受气温回升及日照时数增加影响，各处理0～60 cm有效积温总量达到全生育期最大值，相较0～40 d平均提高 57.33%。地膜覆盖对土壤增温保温的同时避免土壤温度随气温的线性增加，在播后40～80 d，不覆膜处理土壤积温随日均土壤温度的升高而增大，不覆膜处理增加幅度显著高于覆膜处理，其中以TS增幅最大，0～60 cm有效积温总量增加136.13%。各处理表层土壤有效积温平均较深层多12.25%。表层土壤有效积温，覆膜处理较不覆膜处理平均高6.50%，PS较P显著高1.46%，TS较T显著低0.81%。深层土壤有效积温总量，覆膜处理较不覆膜处理平均高17.29%。

播后80～120 d(图8-c)，各土层覆膜处理与不覆膜处理平均差值为2.12～30.62 ℃，为生育

期内最小。同一土层，PS与P，T与TS均无显著差异。

播后120 d～收获(图8-d)，各处理有效积温随土层加深而减少，达到生育期内最低。同一土层，覆膜处理显著高于不覆膜处理，平均高 3.53%。但PS与P,TS与T之间无显著差异。

2.2.4 0～20 cm土壤温度与大气温度的关系 分析不同种植方式下0～20 cm土壤温度与大气温度的相关性发现，不同处理在不同气温区间表现出不同的响应特征(图9)。在5～25 ℃气温区间内，P均表现最大的增温潜势，PS与T在 18.62 ℃出现增温潜势交叉，TS最弱。从增温幅度看，在5～10 ℃气温区间，PS、P、TS增温幅度分别为2.21 ℃、0.1 ℃、-2.39 ℃。在10～18 ℃气温区间，3个处理增温幅度分别为2.4 ℃、 0.28 ℃、-2.34 ℃。在18～25 ℃区间，3个处理增温幅度分别为1.79 ℃、-0.1 ℃和-2.36 ℃。

2.3 不同种植方式对玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响

玉米收获后，覆膜处理的经济产量和生物产量均显著高于不覆膜处理，平均提高70.06%和35.30%。PS较P显著提高经济产量和生物产量，分别为14.55%和21.93%，TS与T之间无显著差异(表2)。

各处理耗水量差异显著，覆膜处理的耗水量均高于不覆膜处理，平均高5.72%。且秸秆还田耗水量均显著高于同种种植方式下的不还田处理，PS、TS耗水量分别较P、T高出14.36 mm和 15.04 mm。PS与P水分利用效率差异显著，TS与T之间无显著差异，平覆膜秸秆还田的水分利用效率最高，为23.56 kg·hm-2·mm-1。

进一步分析生育期内0～200 cm土壤贮水量和0～20 cm土壤温度对玉米经济产量、生物产量、耗水量、土壤有效积温的影响(表3)。结果显示，经济产量与生物产量、贮水量和土壤有效积温的相关性随生育期推进逐渐降低。经济产量与播后0～30 d的土壤贮水量呈极显著正相关；与播后60～90 d土壤贮水量呈显著正相关。生物产量与播后0～30 d、30～60 d贮水量呈显著相关。除播后90～120 d，耗水量与土壤贮水量的相关性

表2 不同处理玉米的产量、耗水量及水分利用效率(2019年)Table 2 Yield, water consumption and water use efficiency of maize under different treatments(2019)

先升高后降低；与土壤温度的相关性先升高后降低。土壤有效积温与播后0～30 d土壤贮水量呈显著负相关。

表3 玉米经济产量、生物产量、耗水量有效积温与土壤温度和土壤贮水量相关性Table 3 Correlation of corn economic yield,biological yield,water consumption,effective accumulated temperature and soil temperature and soil water storage

3 讨 论

3.1 土壤水分

研究表明覆膜种植可显著提高土壤含水量，满足玉米生育期内对水分的需求[24-25]。本试验结果表明，覆膜处理有效蓄存了休闲期的自然降水，0～200 cm播前土壤贮水量均显著高于不覆膜处理，这与李玉玲等[26]的研究结果相似。这主要是因为覆膜降低了休闲期的无效蒸发。试验中各还田处理间有所差异，PS耕层播前土壤贮水量较P显著高4%，深层无显著差异，这与徐文强等[27]研究不一致。这可能是因为PS处理通过覆膜的增温效应提高了深层水分向耕层土壤汇集的能力，并通过秸秆还田可显著改善土壤的蓄水保墒能力。而T与TS的情况与之相反，多年秸秆还田明显改善了土壤的理化性质，特别是降低了土壤的容质量，提高了土壤孔隙度，利于水分下渗，增加了深层(特别是60～100 cm)土壤含水量。Fan等[28]通过长期秸秆还田试验也证明了这一观点。各处理生育期内耗水量差异显著，这一点可能与不同种植方式下的冠层温度导致的热量交换进而引起水分消耗差异有关。至收获，受丰水年情影响(休闲期至收获，共降雨702.6 mm)，各处理 0～200 cm土壤贮水量均较播前有不同程度的增加，大小为T>TS>P>PS,增幅在54.36～ 100.03 mm，且以深层土壤(60～200 cm)水分增加为主，这也从侧面反映出，在半干旱地区，地膜覆盖配施秸秆还田在减少无效蒸发，提高土壤贮水量的同时缓解了覆膜种植对深层水份的消耗，优势互作明显。

3.2 土壤温度

土壤温度是作物生长发育重要的物理条件。不同覆盖方式通过改变土壤对气温的响应机制以及土壤-大气热能交换机制进而影响作物在生育期的表现[29-30]。孙鲁龙等[31]证明，充足的土壤有效积温是启动植物呼吸作用的关键因子。本试验结果表明，不同种植方式下0～20 cm土层土壤逐时温度变化趋势一致。地膜覆盖延迟了土壤对气温的响应，延长了增温时间，缓解了夜间降温幅度，降低了昼夜温差，秸秆还田进一步优化了这种效果，值得注意的是，覆膜种植并未改变玉米根系温度的三基点，而是保证了玉米生殖生长阶段对最低温的需求，稳定在10 ℃以上，至营养生长、营养生长与生殖生长并进阶段使作物较长时间处于适宜温度区间内，特别是在夜间，温度维持在 20～25 ℃，有利于作物发育。不同处理增温效果随土层加深而减弱，其中以PS处理在0～10 cm处增温效果最为明显，较T平均提高日均温 3.3 ℃，这与Zhang等[32]研究结果一致。PS、P和TS在白天和夜晚平均增温1.4 ℃、1.7 ℃、 -0.46 ℃和3.7 ℃、3.5 ℃、0.5 ℃，以上结果充分说明在地膜覆盖配合秸秆还田的种植模式中，覆膜与秸秆共同对土壤温度作用，但覆膜是影响土壤温度的主要因素，这与李利利等[33]研究相似。土壤积温能有效反映作物对土壤热量资源的获取能力[34]。本试验中，0～60 cm不同处理土壤有效积温 “先增加后减少”，特别是在播后80～120 d，覆膜处理较不覆膜处理平均高60.64 ℃，为生育期内差异最小。土壤有效积温的变化趋势证明玉米在早期生殖生长阶段较长时间处于生物学最适温度范围内，既满足作物在不同时期对温度的需求，又避免了作物因温度过高导致早熟早衰，延长了灌浆时间，提高产量，这与李玉玲等[26]结论一致。

3.3 作物产量

覆膜栽培的优势，就是对土壤和大气水热条件的优化利用，以此实现干旱半干旱区或是干旱年份下作物的增产增收[35-36]。最直观的评判标准就是作物产量与作物水分利用效率[37-38]。朱琳等[39-40]研究发现，在春玉米生殖生长阶段，地膜覆盖增加土壤有效积温89.5 ℃，促进籽粒对氮素的吸收利用，积温生产效率提高34.06%。在当季玉米种植过程中，经济产量、生物产量与播后0～30 d土壤贮水量呈极显著和显著相关。相较不覆膜种植，覆膜种植经济产量和生物产量平均提高58.08%～82.1%和18.52%～53.08%，水分利用效率平均高60.66%[41]。本试验结果表明，覆膜处理下秸秆还田对经济产量和生物产量影响显著，单施秸秆与传统种植之间无显著差异。虽然可降解膜在作物生育中后期逐渐腐解破裂，但在生育前期的增温保墒已经为玉米根壮、苗齐、茎粗奠定基础。休闲期进行秸秆还田，有效蓄集了秋冬季降雨，错开了腐解需水与作物需水竞争，使秸秆对土壤水分的反哺提前。有研究表明，充足的降雨避免了水分胁迫，弥补甚至超过普通地膜对于土壤水分的影响，另一方面，较高的土壤含水量提高了土壤热容量[42]，也在一定程度上抵消了因地表逐渐裸露造成的热量流失，使得玉米在生育中后期依然有良好的水热条件作为支撑。同时，本研究较好地体现了覆盖生物降解膜配合秸秆还田对玉米同土壤水热条响应机制的优化，这一点在经济产量、生物产量、土壤有效积温和耗水量对不同生育时期土壤贮水量和土壤温度的相关性上得到了充分的说明，在满足玉米在关键生育时期的需求的同时减少了其他生育时期不必要的资源浪费，这也是平覆膜秸秆还田无论在产量、水分利用效率等方面均显著高于其他处理的重要原因。

4 结 论

在以水分为主要生产限制因素的干旱半干旱区，覆膜种植通过提高冬春休闲期含水量，截留较多光能辐射，明显改变播前土壤水热条件。生育期内，覆膜处理无论是在贮水量、水分利用效率、积温、作物产量等方面均优于不覆膜处理，其中以平覆膜秸秆还田处理效果最佳。单一秸秆还田无法解决水分限制因素，因而与传统种植相差无几。这也从侧面反映出，在半干旱地区，覆膜依然是调节土壤水热状况，促进作物健康生长的重要手段，同时，秸秆还田正面效应的发挥需要其他耕作措施为其创造适宜的条件。另一方面，可降解膜的应用在避免普通地膜白色污染问题的同时一定程度上降低了作物早熟早衰的风险，有利于旱区雨养农业的可持续发展。