不同覆盖方式对旱地玉米农田水分和产量的影响

2023-01-08吕莹莹马建涛李亚伟黄金文常磊程宏波柴守玺

甘肃农业大学学报 2022年5期

吕莹莹，马建涛，李亚伟，黄金文，常磊，程宏波，柴守玺

（1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学与技术学院，甘肃兰州 730070）

西北半干旱地区是我国最重要的旱作农业产区之一［1］，但该区水资源短缺，降水时空分布不均，且田间蒸发量大，使该区农作物遭受干旱胁迫，造成作物产量低而不稳［2-4］。因此，采取有效的蓄水保墒措施，抑制土壤水分无效蒸发，提高作物产量和水分利用效率是该区农业可持续发展必由之路［5-6］。

地表覆盖是西北半干旱区运用最广泛的抗旱保墒栽培技术，地膜覆盖和秸秆覆盖占主导地位。覆盖能有效抑制土壤蒸发［7-9］，协调作物生长供水、需水矛盾，并能促进对深层水分的利用［10］，从而提高作物产量和水分利用效率［11-13］。地膜覆盖具有显著的增温保墒、抑制蒸发、提高作物产量和水分利用效率的作用［14］，在旱作农区能使小麦、马铃薯、玉米增产32.9%～53.2%［15］，对我国粮食安全做出了巨大贡献。但地膜覆盖可导致夏季膜内土壤温度较高，使作物易遭受高温胁迫［16-17］，造成作物减产现象；同时覆膜种植带来的“白色污染”与当前农业绿色可持续发展不符［18-20］。秸秆覆盖具有绿色、环保、抑蒸保墒［21］、调节地温的作用［22］，同时长期使用可改善耕层土壤结构［23］，能为作物生长创造良好的条件，最终提高作物产量［11，23］，且秸秆还田实现了农田废弃物等资源的合理利用［24］。戴皖宁等［25］研究发现，秸秆覆盖可以使春玉米生长进程加快，与不覆盖对照相比，穗长、穗粗等产量构成要素均显著增加，最终使籽粒产量显著提高9.1%；曾木祥等［26］研究表明，秸秆还田使产量增加12.0%～18.0%，土壤水分提高1.6%～2.9%；但也有研究认为，秸秆覆盖虽然增加了土壤水分，但秸秆过量覆盖或不合理的覆盖方式会对作物的出苗或生长发育产生负面效应，影响出苗和正常生长，造成减产。Lu等［27］研究表明，秸秆覆盖使春玉米产量下降18.0%～26.0%，水分利用效率降低16.0%～21.0%；陈素英等［28］研究发现，覆秸秆会降低根区温度而抑制穗分化，使冬小麦穗数降低22.1%、千粒质量下降3.1%，进而使产量平均下降7.0%。可见秸秆覆盖增产是有条件的，在西北半干旱地区应根据秸秆覆盖的适用条件谨慎选择适宜的覆盖栽培措施，从而充分发挥秸秆覆盖的增产作用。研究发现，西北地区作物秸秆年产量达8.82×107t；其中，用于还田的不到50.0%，焚烧和废弃的秸秆占剩余量的大多数，不仅污染环境，还浪费了大量资源［29］。因此秸秆的资源利用受到越来越多的关注。为此，本研究团队创建了玉米秸秆带状覆盖栽培技术，该技术已在小麦［30］和马铃薯［31］广泛应用，保墒增产效果显著，但在旱地玉米上应用效果如何，有待进一步深入探讨。

因此，本研究在西北雨养农业典型代表区，以春玉米GY228为研究对象，利用大田试验，设置玉米秸秆带状覆盖、白膜双垄沟覆盖、黑膜双垄沟覆盖处理和露地对照，研究不同覆盖处理对土壤水分利用和玉米籽粒产量的影响，以进一步明确和完善秸秆带状覆盖栽培技术增产机理，为玉米秸秆带状覆盖高产栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4月～2020年10月在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地（N 35°11′，E 105°19′）进行，该地区为典型的旱地雨养农业区，平均海拔1 750 m，无霜期120～160 d，年平均温度7.2℃，属中温带半干旱气候。多年平均降雨量为390.7 mm，土壤类型为黄绵土，0～200 cm平均土壤容重为1.25 g/cm3，0～20 cm土壤有机质量为10.5 g/kg，速效氮量为5.5 g/kg，速效磷量为10.6 mg/kg，速效钾量为107.6 mg/kg，土壤pH为8.5（2.5∶1）。

2020年全年降水总量为446.2 mm，其中在玉米生育期内有效降雨（≥5 mm）为395.5 mm，占全年降水量的88.0%，试验年度降水充沛，属于丰水年。

1.2 试验设计

设置白膜双垄沟覆盖（BM）、黑膜双垄沟覆盖（HM）、秸秆带状覆盖（SM）和露地无覆盖（CK）4个处理，小区种植面积均为150 m2（10 m×15 m），随机区组排列，3次重复，各处理均人工穴播，播种密度均为52 500株/hm-2。供试材料为早熟春玉米品种“GY228”，具体栽培模式如下：

秸秆带状覆盖（SM）：在玉米播种前于小区内分别设置秸秆覆盖带和种植带，覆盖带：种植带为50 cm∶70 cm，两带相间排列。在秸秆覆盖带上铺入风干玉米秸秆，覆盖量约为9 000 kg/hm2，；每种植带在距离秸秆边缘10 cm处按“品”字型穴播2行玉米，行距60 cm，株距30 cm。玉米收获后，覆盖秸秆打碎还田。

白膜双垄沟覆盖（BM）：采用白色聚乙烯塑料膜（幅宽1.2 m，厚度0.01 mm）进行双垄沟覆盖。双垄沟大垄宽0.8 m，高0.15 m，小垄宽0.4 m，高0.1 m，在大垄中间预留0.1 m渗水带，膜间用土压实。在大垄两侧10 cm位置呈“品”字型穴播2行玉米，种植行距为60 cm，株距为30 cm。

黑膜双垄沟覆盖（HM）：采用黑色聚乙烯塑料膜（幅宽1.2 m，厚度0.01 mm）进行双垄沟覆盖。其余与白膜双垄沟覆盖相同。

露地无覆盖（CK）：露地平作，播种时按60 cm等行距呈“品”字形种植，株距30 cm。

试验地前茬作物为马铃薯，在马铃薯收获后对试验地进行深翻1次（耕深0.3 m），旋耕1次（耕深0.2 m），后进行覆膜、覆秆。各处理均施尿素（N 46.4%）261 kg/hm2、磷酸二铵（P2O546%，N 18%）326 kg/hm2，全部作为基肥在旋耕整地前一次性施入，在玉米各生育时期均不再追肥。试验于2020年4月20日播种，10月10日收获。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水量测定在玉米播种前1 d、出苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄-吐丝期、灌浆期和成

熟期，分8个土层（0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm），用直径为5 cm的土钻分别在种植带中间取土壤样品称质量（T1），用烘箱在（105±0.5）℃的恒温下将土壤烘干至恒质量（T2），并计算土壤质量含水量。

式中：T1为湿土质量，T2为干土质量。

1.3.2 土壤贮水量计算

式中：W为土壤贮水量（mm），h为土层厚度（cm），ρ为土壤容重（g/cm3），ω为土壤质量含水量（%）。

1.3.3 农田耗水量计算

式中：ET为玉米全生育期耗水量（mm），P为生育期内有效降雨量（mm），W1、W2分别为播种前和收获期土壤贮水量（mm）。

1.3.4 产量测定待作物成熟后按小区测定各处理产量。各小区取样20株风干，进行室内考种，沿根茎结合处剪去根系后，分别测定籽粒产量、穗粒数、百粒质量、单株粒质量、行粒数和穗行数、株高、单株生物量等指标。

1.3.5 水分利用效率计算

式中：WUE作物水分利用效率（kg/（mm·hm2）），Y为玉米经济产量（kg/hm2），ET为玉米耗水量（mm）。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据处理和分析，差异显著性采用LSD法进行比较。

2 结果与分析

2.1 全生育期0～200 cm土壤平均含水量

比较全生育期0～200 cm土壤平均含水量，覆盖处理具有显著增墒效应（P<0.05）（图1）。地膜覆盖的增墒效应好于秸秆带状覆盖。与CK相比，在全生育期内，SM、HM和BM覆盖处理的土壤平均含水量分别增加6.7%、7.9%和8.%。可见，秸秆带状覆盖具有与地膜覆盖相似的增墒效应。

图1 全生育期0～200 cm土壤平均含水量Figure 1 Mean soil water contentin 0～200 cm soil layer sat whole growth stages

2.2 不同生育时期0～200 cm土壤平均含水量

由图2可见，0～200 cm土壤平均含水量表现出明显阶段差异性。具体来讲，随着生育时期的推进，各覆盖处理一致表现出：从播种期到拔节期，0～200 cm土体含水量缓慢升高，土壤水分状况最好的时期是拔节期，拔节期后随着作物耗水量的加剧和气温的不断升高，含水量逐渐下降，其后由于降水补充，各处理土壤含水量又缓慢上升。

图2 玉米各生育时期0～200cm土壤平均含水量Figure 2 Mean soil water content in 0～200 cm soil layers at different growth stages

覆盖处理在0～200 cm土壤平均含水量对各生育时期的增墒效应明显。各覆盖处理中，与CK相比，SM、HM和BM在拔节期的土壤含水量提高12.1%、16.9%和14.9%；在大喇叭口期的土壤含水量提高10.9%、8.1%和11.4%；在抽雄-吐丝期的土壤含水量提高10.2%、10.9%和9.2%。覆盖处理间，SM在拔节期增墒幅度低于BM（0.6%）和HM（1.0%）；在大喇叭口期增墒幅度高于HM（0.5%），低于BM（0.1%）、在灌浆期低于HM（0.6%）和BM（0.3%），而其他时期则相近。

比较各处理间0～200 cm土壤平均含水量在生育时期间的变异系数依次为：HM（11.3%）>BM（10.3%）>SM（10.7%）>CK（7.6%），结果表明，秸秆和地膜均加剧了土壤水分在生育时期间的波动，供水稳定性低于CK，HM在各生育时期内的水分波动大于BM。

2.3 全生育期各土层土壤平均含水量差异

覆盖能显著提高各土层土壤平均含水量，全生育期各土层平均含水量差异显著（P<0.05）（图3）。覆盖各处理在0～200 cm的土壤含水量均分别比CK高6.8%～7.9%。0～200 cm土壤平均含水量随土层加深呈先升后降趋势，以40～60 cm土层含水量最高，180～200 cm土层含水量最低。

图3 不同土层全生育期土壤平均含水量Figure 3 Mean soil water content of different soil layers in whole growth period

覆盖处理对各土层的增墒效应明显，但土层间增墒表现因覆盖材料不同存在差异。具体来讲，与CK相比，SM、HM和BM在上层（0～60 cm）土体平均含水量分别增加2.4%、5.2%和3.8%；中层（60～120 cm）土壤含水量分别增加6.6%、7.8%和7.9%；下层（120～200 cm）土壤含水量分别增加9.7%、10.0%和11.4%。

比较各处理间0～200 cm土壤平均含水量在各土层变异系数依次为：CK（4.2%）>HM（3.0%）>BM（2.5%）>SM（2.4%）。表明覆盖平抑了土壤水分在土层间的波动。

2.4 土壤水分的时空变化

比较各处理在不同生育时期、土层含水量的时空动态差异（图4），地表覆盖能有效改善玉米在不同时期、土层土壤剖面水分的变化。

图4 不同生育时期土层的土壤平均含水量Figure 4 The mean soil moisture content of different growth stages and soil layer

苗期，植株幼小，叶片增长缓慢，需水少，地面裸露面积大，受春寒旱的影响，水分消耗主要以土壤无效蒸发为主，各覆盖处理在0～200 cm土壤含水量整体较低。由于覆盖的保墒作用，地膜覆盖和秸秆带状覆盖的多数土层含水量均好于CK；与CK相比，SM、HM和BM的土壤平均含水量分别增加1.5%、3.2%和8.4%。

拔节期，由于降雨量充足，再加之受不同覆盖材料的影响，各覆盖处理土层间含水率明显高于CK，地膜覆盖土层含水率显著高于秸秆覆盖及CK，其中黑膜覆盖在0～90 cm土层含水率好于白膜覆盖，但差异不显著；与CK相比，SM、HM和BM的土壤平均含水量分别增加12.1%、17.4%和15.0%。

在大喇叭口期，是玉米生长及营养需求的关键时期，群体逐渐变大，植株生长需水量与蒸发量与日俱增，玉米根系对土壤对水分需求迫切，各处理浅层的土壤含水量与拔节期相比明显降低，同时受降雨和温度的影响，各覆盖处理的土壤含水量略高于CK，在0～40 cm土层土壤含水量与对照（CK）差异不显著（P>0.05）；SM、HM和BM在0～200 cm土壤含水率平均分别较CK增加10.9%、8.1%和11.4%。

在抽雄-吐丝期，叶片面积达到最大，作物对水分需求迫切，土壤水分的消耗以植物蒸腾为主。BM、HM和SM处理0～200 cm土层平均含水量分别为22.6%、22.9%和22.6%，对照为20.7%。受降雨的补给，0～60 cm土层土壤含水量与对照（CK）差异不显著（P>0.05）；与CK相比，SM、HM和BM的土壤含水量平均分别增加10.2%、11.0%和9.2%。

灌浆期，各覆盖处理间土壤含水量较上一个时期有所下降，BM、HM和SM处理0～200 cm土层平均含水量分别为20.1%、21.4%和20.8%，CK为19.7%；受降雨的影响，0～200 cm土层土壤含水量无显著差异。与CK相比，SM、HM和BM的土壤含水量平均分别增加5.4%、8.5%和7.1%。

收获期，由于受降雨的补给，各覆盖处理的含水量较上一个时期有所提升。与CK相比，秸秆、黑膜和白膜覆盖的含水量分别增加6.1%、6.0%和5.7%。

2.5 覆盖对产量和水分利用效率的影响

覆盖能明显提高玉米产量（表1）。与CK相比，SM、HM和BM分别增产了10.2%、21.7%和25.4%。覆盖显著提高了百粒质量、单株粒质量、穗行数和行粒数，与CK相比，SM、HM和BM处理百粒质量分别增加了20.7%、20.3%和13.1%，穗粒数分别较CK提高了9.1%、2.8%、7.6%。同时，单株粒质量变异系数最大（8.5%），百粒质量次之（8.5%）穗粒数变异最小（4.0%）。相关分析表明，籽粒产量与百粒质量（0.807∗∗）、单株粒重（0.707∗）呈显著或极显著正相关，与穗粒数相关不显著（0.373）（相关表略）。可见，旱地玉米增产主要原因是提高百粒质量。

表1 产量、产量要素及主要生长指标间差异Table 1 The difference between yield and yield components and main growth indexes

覆盖能显著提高玉米水分利用效率（WUE）。与CK相比，SM、HM和BM处理水分利用效率分别提高了22.9%、34.6%和39.8%，覆盖处理间比，地膜覆盖平均较SM显著提高11.6%。相关分析表明（相关表略），玉米产量与WUE（0.958∗∗）呈显著或极显著正相关，与耗水量呈（-0.634∗）呈负相关。

3 讨论

本试验地区春玉米生长季与雨季重合，生育期降水对玉米生长发育至关重要。因此，围绕如何最大限度蓄集玉米生育期有效降水，提高无效降水的有效转化率，达到高产目标，是西北旱农区农业生产中亟待研究解决的问题。

地表覆盖可有效降低土壤水分蒸发，明显改善土壤水分状况［7-8，32］、增加土壤贮水量，进而提高作物水分利用效率和产量。本研究结果表明，秸秆覆盖和地膜覆盖均能改善玉米生育期0～200 cm土壤水分状况，有效抑制土壤水分蒸发，不同覆盖材料在不同时期和土层均具有增墒或降墒的双重效应，覆盖材料间增墒效果相似，均能有效提高土壤的水分含量［2，33］，这与李丽［34］和宋亚丽［35］研究结果一致。

表2 不同覆盖处理玉米耗水量和水分利用效率Table 2 Evapotranspiration and water use efficiency of maize under different mulching treatments

研究表明，秸秆覆盖和地膜覆盖均能有效改善土壤水分状况，从而促进作物生长发育，显著提高产量和水分利用效率。Zhou等［36］研究发现，地膜覆盖主要通过增加春玉米穗粒数而提高产量，这与本试验研究结果不一致，在本试验中，地膜覆盖处理主要是通过提高玉米的百粒质量来提高产量。原因可能为该年春玉米灌浆时降雨较多，水分充足，温度降低，延长了玉米灌浆的时间。赵嘉涛等［37］研究表明，普通地膜和生物可降解地膜的产量分别比不覆盖处理提高了29.7%和23.6%，水分利用效率提高43.8%和33.3%。也有研究表明，白色地膜的产量高于黑色地膜，但两者之间无显著差异。在秸秆覆盖试验中，众多试验表明，与无覆盖露地处理相比，秸秆覆盖处理表现为增产，刘长源［38］研究发现，秸秆覆盖能提高玉米产量，但是增产幅度不及地膜覆盖，这与本试验的研究结果一致，在本试验中，地膜的增产幅度高于秸秆带状覆盖，黑膜覆盖处理的产量虽低于白膜覆盖处理，但二者之间差异不显著，秸秆带状覆盖较CK增加了产量，但是提升效果并未达到地膜覆盖处理水平，这可能是地膜覆盖和秸秆带状覆盖的增产机制不同，玉米作为喜温作物，地膜覆盖使农田形成了相对封闭的膜内环境，改变了土壤温度状况，阻碍了土壤水分直接向近面大气接触的通道，为作物生长创造了更有利的环境。秸秆带状覆盖可以延缓地表热量的散失，使最高温度降低，最低温度提高，对玉米的幼苗起到一定的保护作用，同时秸秆覆盖增加了地表粗糙度，可将雨水暂时储存在秸秆中，使其缓慢渗入土壤，再加之秸秆的腐烂还田，会改善土壤条件，有利于玉米生长发育，最终提高玉米产量。另外，该试验年为丰水年，覆盖在平水年、干旱年对旱地玉米籽粒产量、土壤水分变化和水分利用效率的影响和丰水年是否相似仍需进一步探讨。

从田间生产综合考虑，虽地膜覆盖技术在增产幅度以及土壤水分利用效率方面优于秸秆带状覆盖，但二者蓄水保墒效应基本一致，同时秸秆带状覆盖技术具有生态环保、降温抑蒸、培肥地力的作用，能够有效解决秸秆资源闲置的问题，符合国家农业绿色发展的要求。