前茬小麥秸稈處理方式對(duì)河西走廊地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤水熱特性的影響

殷 文，陳桂平，柴 強(qiáng)，趙 財(cái)，馮福學(xué)，于愛忠，胡發(fā)龍， 郭 瑤

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

前茬小麥秸稈處理方式對(duì)河西走廊地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤水熱特性的影響

殷 文，陳桂平，柴 強(qiáng)，趙 財(cái)，馮福學(xué)，于愛忠，胡發(fā)龍， 郭 瑤

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

【目的】農(nóng)田土壤水熱特性是決定作物生長(zhǎng)發(fā)育和資源利用效率的關(guān)鍵因素，研究前茬處理方式對(duì)后茬農(nóng)田土壤水熱特性的影響，為試區(qū)高效麥玉輪作模式耕作措施的優(yōu)化提供依據(jù)?！痉椒ā吭诟拭C河西綠洲灌區(qū)，通過(guò)田間試驗(yàn)，研究前茬小麥秸稈不同處理方式和耕作措施（25 cm高茬收割立茬免耕—NTSS，25 cm高茬等量秸稈覆蓋免耕—NTS，25 cm高茬等量秸稈翻壓—TIS和傳統(tǒng)低茬收割翻耕—CT）對(duì)后茬地膜覆蓋栽培玉米農(nóng)田土壤水熱特性的影響?！窘Y(jié)果】與CT相比，NTSS、NTS可提高后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田0—110 cm土層播種至苗期、拔節(jié)至大喇叭口期、吐絲至開花期的平均土壤含水量，分別高5.0%—7.8%、4.4%—5.4%和4.8%—7.1%，NTSS與NTS間的平均土壤含水量差異不顯著；灌漿期內(nèi)，NTS的土壤含水量比CT高4.7%，但NTSS與CT差異不顯著，NTS具有保持后茬地膜覆蓋玉米全生育期良好土壤水分含量的優(yōu)勢(shì)。NTSS、NTS減小了后茬地膜覆蓋玉米吐絲期之前的耗水量，增大了吐絲期之后的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米生育前期與后期需水矛盾，以NTS的效果更突出。NTSS、NTS可有效改善后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田表層0—25 cm土壤的熱量條件，NTS調(diào)控效應(yīng)更強(qiáng)，2010年，NTS 8∶00時(shí)的平均土壤溫度比CT高0.76℃；2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，NTS 14∶00和18∶00時(shí)的平均土壤溫度比CT分別低3.67—3.87℃和1.19—1.30℃，說(shuō)明前茬小麥秸稈免耕覆蓋在晝夜低溫期具有保溫效應(yīng)，而高溫時(shí)具有降溫作用。NTSS、NTS降低了后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤積溫，其中NTS處理玉米播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至吐絲期、吐絲至灌漿末期的土壤積溫比CT分別低67.1—76.2℃、29.3—50.5℃和46.7—75.3℃，降幅大于NTSS。從玉米不同生育時(shí)期平均大氣-土壤溫差可知，NTS在低溫季有保持土壤溫度的作用，在高溫季節(jié)有相對(duì)降溫的作用，是減少氣溫變化對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)度影響的重要機(jī)制。與CT相比，NTSS、NTS、TIS提高了后茬地膜覆蓋玉米的籽粒產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為11.3%—17.5%，其中NTS兩年籽粒產(chǎn)量最高，分別達(dá)到13 470和13 274 kg·hm-2，較TIS高5.6%—9.0%?！窘Y(jié)論】前茬小麥秸稈免耕覆蓋（NTS）是綠洲灌區(qū)地膜覆蓋玉米適宜的前茬處理措施。

玉米；秸稈還田；地膜覆蓋；土壤溫度；土壤水分

0 引言

【研究意義】作物良好的生長(zhǎng)發(fā)育需要適宜的光、溫、水、肥、土等生態(tài)條件，其產(chǎn)量及品質(zhì)在很大程度上也受自然生態(tài)條件的約束［1］。在諸多生態(tài)因子中，土壤水熱因子是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因子，土壤溫度作為土壤熱狀況的綜合表征指標(biāo)，受到大氣溫度、近地表空間熱平衡特征、土壤持水狀況及太陽(yáng)輻射等因素影響，而土壤溫度的變化與根系功能和光合作用等作物生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)有著規(guī)律性對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用［2］。土壤水分作為作物生長(zhǎng)發(fā)育的約束性條件，受到土壤耕作措施、種植方式及大氣-土壤溫度等因素的影響，而土壤水分的變化與作物干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量形成密切相關(guān)［3-4］。研究特定農(nóng)藝措施對(duì)土壤水熱特性的影響，不僅是提高自然資源利用效率的重大需求，同時(shí)可為優(yōu)化作物綜合生產(chǎn)技術(shù)體系提供重要依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】地表覆蓋、耕作措施作為調(diào)控農(nóng)田土壤水熱特性的主要措施，具有可操作性強(qiáng)、簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。其中，少耕秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作技術(shù)具有減少土壤水分蒸發(fā)、保墑蓄水、調(diào)節(jié)地溫、提高肥力、抑制雜草生長(zhǎng)等多種優(yōu)點(diǎn)［5］，但也存在降低作物生長(zhǎng)早期表層土壤溫度，延緩出苗及生長(zhǎng)發(fā)育的缺點(diǎn)［6］。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱條件，提高作物產(chǎn)量［7-8］，但在高溫季節(jié)，地膜覆蓋往往容易造成作物根區(qū)土壤的極端高溫，并可導(dǎo)致玉米根系及葉片發(fā)生早衰，從而影響產(chǎn)量［9］。西北綠洲灌區(qū)資源性缺水嚴(yán)重，春、秋熱量不足但夏季炎熱，在全面推行非膜不植的生產(chǎn)背景下，尋求弱化地膜覆蓋高溫弊端的技術(shù)亟待進(jìn)行。與地膜覆蓋面臨的問(wèn)題相伴，西北綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)存在連作病蟲害嚴(yán)重，產(chǎn)量、品質(zhì)下降等問(wèn)題［10］，而作物輪作倒茬可通過(guò)平衡土壤養(yǎng)分、減少病蟲草害，達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)［11-12］，因此，在玉米生產(chǎn)過(guò)程中充分發(fā)揮輪作倒茬的作用是當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】縱觀輪作倒茬優(yōu)勢(shì)和單一覆蓋材料的優(yōu)缺點(diǎn)，將輪作、秸稈還田和地膜覆蓋集成在同一玉米栽培模式中，有望同步優(yōu)化農(nóng)田水熱特性，提高玉米生長(zhǎng)熱量和水分需求與農(nóng)藝調(diào)控效應(yīng)間的吻合度，建立適用于綠洲灌區(qū)玉米高效生產(chǎn)的茬口管理技術(shù)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在典型干旱綠洲灌區(qū)，系統(tǒng)研究前茬小麥秸稈還田方式對(duì)輪作地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤溫度、水分的影響，闡明不同耕作措施對(duì)土壤水熱效應(yīng)作用機(jī)理，從而為試區(qū)土壤耕作技術(shù)的改進(jìn)和作物高產(chǎn)、高效栽培提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于 2009—2012年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地（37°30′ N，103°5′ E）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，干燥度5.85，土壤容重1.57 g·cm-3，0—30 cm土層全氮含量0.68 g·kg-1、全磷1.41 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)14.31 g·kg-1。土壤類型為灌漠土，土層厚約120 cm，多年平均降雨量約156 mm，且主要集中在每年的7—9月，年蒸發(fā)量約2 400 mm，灌溉水資源有限，作物種植必須采用地膜覆蓋等節(jié)水措施。該區(qū)年平均氣溫7.2℃、≥0℃和≥10℃的積溫分別為3 513.4℃和2 985.4℃，春、秋季溫度低，易對(duì)喜溫、長(zhǎng)生育期作物造成凍害。小麥、玉米是該區(qū)兩大主栽作物，播種比例大于50%，耕作以傳統(tǒng)深翻耕為主，秸稈移出農(nóng)田。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2009年布置預(yù)備試驗(yàn)，2011年在相同小區(qū)種植小麥，為次年輪作玉米建立4種茬口，即小麥秸稈25 cm高茬收割立茬免耕（no-till with 25 cm height of straw standing，NTSS）、25 cm高茬等量秸稈覆蓋免耕（no-till with 25 cm height of straw covering，NTS）、25 cm高茬等量秸稈翻壓（tillage with 25 cm height of straw incorporation，TIS）和傳統(tǒng)低茬收割翻耕（conventional tillage without straw retention，CT），次年輪作玉米，形成4個(gè)處理。各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積48 m2，完全隨機(jī)排列。2010年與2012年度測(cè)定后茬地膜覆蓋玉米的相關(guān)指標(biāo)。

玉米播種日期分別為2010年4月22日與2012 年4月20日，收獲日期分別為2010年9月28日與2012年10 月2日。播種密度為82 500株/hm2，在玉米播種前，所有處理旋耕，全膜覆蓋。

供試玉米（Zea mays L.）品種為武科2號(hào)。采用統(tǒng)一施肥水平，施純氮450 kg·hm-2，按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥=3∶6∶1分施，純 P2O5225 kg·hm-2，全作基肥。另外，采用統(tǒng)一灌水水平，冬儲(chǔ)灌1 200 m3·hm-2，玉米生育期內(nèi)的灌溉時(shí)間及灌溉制度如表1。

表1　不同年份不同生育時(shí)期的灌溉時(shí)間及制度Table 1 Irrigation amount and date for maize at different growth stages

1.3測(cè)定指標(biāo)和計(jì)算方法

大氣溫度：通過(guò)小型氣象站（SL5）自動(dòng)測(cè)定并記錄。

土壤溫度：采用曲管地溫計(jì)測(cè)定0—25 cm土壤溫度，每5 cm為一層，在作物生育期內(nèi)，每隔3 d在一天內(nèi)8：00、14：00和18：00測(cè)定。玉米某一階段平均土壤溫度和天數(shù)的乘積即為該生育階段 0—25 cm土層內(nèi)的土壤積溫。

土壤含水量：0—30 cm土層用烘干法測(cè)定，每10 cm為一層；30—110 cm用水分中子儀（美國(guó)CPN公司503 DR）測(cè)定，按30—50 cm、50—80 cm、80—110 cm分別測(cè)定。玉米播種前和收獲后各測(cè)定一次，生育期內(nèi)每15天測(cè)定一次，灌水前后分別加測(cè)一次。

作物階段耗水量： ET= P + I+SWSt2-SWSt1式中，P為t1至t2時(shí)間段的降雨量（mm），I為t1至 t2時(shí)間段的灌水量，SWSt1為 t1時(shí)期的土壤貯水量（mm），SWSt2為t2時(shí)期的土壤貯水量（mm）。由于試區(qū)地下水位極深不存在向上的水分流量，在節(jié)水灌溉條件下，水分滲漏量和徑流量可以忽略不計(jì)。

全生育期耗水量： ET = P + I + SWSo- SWSh式中，P為作物生育期內(nèi)降雨量（mm），I為生育期內(nèi)灌水量（mm），SWSo為播種期土壤貯水量（mm），SWSh為收獲期土壤貯水量（mm）。

產(chǎn)量：每小區(qū)單獨(dú)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007整理、匯總，用SPSS17.0進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1前茬小麥秸稈處理方式對(duì)輪作地膜覆蓋玉米土壤含水量時(shí)空變化的影響

2.1.1不同處理土壤含水量的時(shí)間動(dòng)態(tài) 2010與2012年，NTSS、NTS與CT處理相比，播種前至苗期 0—110 cm土層土壤含水量平均高5.0%—7.8%，TIS與CT間差異不顯著（圖1）；拔節(jié)至大喇叭口期、吐絲至開花期0—110 cm土層土壤含水量分別高4.7%—6.1%與3.5%—5.0%。灌漿期，NTS比CT 高4.7%。玉米收獲后，NTSS、NTS、TIS的土壤含水量比CT高5.0%—11.3%，NTS比NTSS、TIS高5.2%—5.9%。

前茬小麥不同秸稈還田方式對(duì)輪作地膜覆蓋玉米農(nóng)田0—30 cm與30—110 cm土層土壤含水量具有顯著影響。播前至苗期，NTSS、NTS、TIS的0—30 cm土層的土壤含水量比對(duì)照CT高4.1%—15.1%，NTS 比NTSS、TIS高4.7%—10.5%；對(duì)30—110 cm土層作用不顯著。拔節(jié)至大喇叭口期，NTSS、NTS、TIS處理 0—30 cm土壤含水量比 CT高 3.2%—7.6%，NTSS、NTS比TIS高3.9%—4.3%；30—110 cm土層間相比，NTS比CT高4.9%。吐絲至開花期，NTSS、NTS耕層0—30 cm土壤含水量比TIS、CT高2.7%—4.6%；30—110 cm土層，NTSS、NTS比TIS、CT高3.2%—5.3%。灌漿期，耕層0—30 cm NTS比NTSS、TIS、CT高6.8%—10.5%，但30—110 cm土層差異不顯著。玉米收獲后，耕層0—30 cm土壤含水量均為NTS最高，較TIS、CT高8.7%—18.0%；30—110 cm土層NTS比CT高5.2%。說(shuō)明前茬小麥秸稈免耕覆蓋（NTS）可提高后茬地膜覆蓋玉米田0—110 cm土層的土壤含水量，在玉米灌漿期，也可利用深層土壤水分滿足玉米旺盛生長(zhǎng)對(duì)水分的需求。

圖1　不同處理全生育期的土壤含水量動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamic on soil water content during the whole growth period of different treatment

2.1.2不同處理土壤含水量的垂直變化 土壤含水量的垂直變化年際間有差異（圖2），2012年降雨較多，耕層0—30 cm土壤含水量比2010年高。2年中，2種前茬小麥秸稈免耕還田處理（NTSS、NTS）耕層0—30 cm的土壤含水量比翻耕處理（TIS 和 CT）高3.9%—12.8%；30—80 cm土層，NTS較TIS和CT高2.7%—7.5%；而80—110 cm土層，NTS較TIS、CT 低2.0%—3.5%。比較0—110 cm土層全生育期平均土壤含水量，NTS較TIS、CT高4.6%—7.9%，說(shuō)明前茬小麥秸稈免耕覆蓋還田具有較好的保水效應(yīng)。

圖2　不同處理土壤含水量的垂直變化Fig.2 Changes of soil water content at different depths in each treatment

表2　不同秸稈還田方式下玉米各生育階段的耗水量差異Table 2 Evapotranspiration of maize at each of growth stage under different straw returning patterns

2.2不同小麥秸稈還田方式對(duì)地膜覆蓋玉米各生育階段耗水量的影響

2010年，NTSS、NTS的耗水量與CT差異不顯著，而2012年，NTS的耗水量較其他處理低2.1% —2.7%，耗水量的差異與播前土壤儲(chǔ)水量關(guān)系密切（表2）。

播種至玉米拔節(jié)期，耗水量較大，占總耗水量28.0%—39.3%，其中，2010年，NTSS、NTS的耗水比例明顯高于CT，因?yàn)镹TSS、NTS的播前土壤儲(chǔ)水量高于CT（表2）。隨著生育期的推進(jìn)，在拔節(jié)至吐絲期，NTS的耗水量小于CT，但在玉米吐絲至完熟期，玉米處于旺盛生長(zhǎng)期，耗水量總體增大，NTSS、NTS的耗水量及耗水比例高于TIS和CT，這是因?yàn)榍安缧←溄斩捗飧采w生育前期低溫延緩了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，后期低溫回升生長(zhǎng)加快，蒸騰耗水加大所致。總體來(lái)說(shuō)，前茬小麥秸稈覆蓋免耕減小了玉米生育前期的耗水，增大了生育后期（吐絲至成熟期）的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米前后生育時(shí)期耗水互補(bǔ)、競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

2.3不同小麥秸稈還田方式對(duì)地膜覆蓋玉米土壤熱量的影響

2.3.1不同處理土壤溫度的日變化 2010年，NTS 8：00平均土壤溫度比TIS、CT高0.53—0.76℃（圖3）；2年全生長(zhǎng)期內(nèi)，TIS、CT 14：00平均土壤溫度比NTSS、NTS高1.36—3.87℃，TIS、CT 18：00比NTSS、NTS高0.61—1.30℃，可以看出，與CT相比，NTSS、NTS的降溫效應(yīng)緩慢。對(duì)于全生育期內(nèi)0—25 cm平均土壤溫度，NTSS比TIS、CT低0.49—1.06℃，NTS 比TIS、CT低0.98—1.75℃。雖然翻耕處理的平均土壤溫度高于小麥秸稈免耕還田處理，但 NTSS、NTS 與TIS、CT處理相比，一天內(nèi)在增溫8：00—14：00階段，前者土壤溫度增幅較小，在降溫 14：00—18：00階段，前者土壤溫度降幅較小，說(shuō)明小麥秸稈免耕還田處理在晝夜低溫時(shí)具有保溫效應(yīng)，而在氣溫快速上升時(shí)增溫效應(yīng)不明顯，在降溫時(shí)具有穩(wěn)溫效應(yīng)。即前茬小麥秸稈免耕覆蓋為后茬地膜覆蓋玉米栽培創(chuàng)造了利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育的土壤熱量環(huán)境。

2.3.2不同處理土壤溫度的垂直變化 前茬小麥不同秸稈還田方式輪作地膜覆蓋玉米全生育期 0—25 cm土層平均土壤溫度隨著土層的加深影響逐漸減弱，對(duì)土壤溫度的作用區(qū)域主要在0—15 cm土層（圖4）。表層0—15 cm土層溫度均有CT＞TIS＞NTSS＞NTS，5 cm處，CT、TIS比NTSS高0.92—2.35℃，比NTS 高1.50—2.78℃，10 cm處分別高0.55—1.61℃與1.13 —2.36℃，15 cm處CT、TIS較NTS高1.13—1.73℃。

圖3　不同處理0—25 cm土層平均土壤溫度的日變化Fig. 3 Daily dynamics of average soil temperature of 0 to 25 cm soil depth in different treatments

圖4　不同處理0—25 cm土層平均土壤溫度的深度變化Fig. 4 Changes of average soil temperature at 0 to 25 cm soil depth in different treatments

2.3.3不同處理大氣與土壤溫度差 通過(guò)大氣溫度與表層土壤溫度差可判斷前茬小麥不同秸稈還田方式對(duì)輪作地膜覆蓋玉米土壤溫度穩(wěn)定性的影響（表3）。玉米生育前期，地面裸露面積大，TIS、CT的表層土壤溫度均高于大氣溫度，NTSS、NTS年際間有差異，但 NTSS、NTS的大氣-土壤溫差的絕對(duì)值均小于 TIS、CT，土壤溫度較穩(wěn)定。8月份，大氣-土壤溫差均大于0，玉米封冠后太陽(yáng)輻射無(wú)法直接到達(dá)地面，輻射面積明顯減小，土壤溫度降低，但有NTS的大氣-土壤溫差高于其他處理。9月份，大氣-土壤溫度差年際間有差異，2010年NTSS、NTS的絕對(duì)值大于TIS和CT，2012年相反，可能因?yàn)?010 年9月降雨較少，小麥秸稈免耕覆蓋穩(wěn)定土壤溫度的效應(yīng)得到體現(xiàn)，2012年9月降雨較多，弱化了免耕秸稈覆蓋穩(wěn)溫及保溫效應(yīng)。從全生育期平均大氣-土壤溫差可知，NTS溫差變異較小，具有穩(wěn)定土壤溫度的作用。總之，前茬小麥秸稈免耕覆蓋（NTS）在低溫季有保持土壤熱量的作用，在高溫季節(jié)有相對(duì)降溫的作用，是減少氣溫變化對(duì)地膜覆蓋玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)度影響的重要機(jī)制。

表3　不同處理不同生育時(shí)期大氣與0—25 cm土壤平均溫度差Table 3 The difference value between air temperature and soil temperature in 0 to 25 cm soil layers in each growth period of different treatment （℃）

表4　不同處理玉米各生育階段土壤溫度與土壤積溫差異Table 4 Soil temperature and soil accumulated temperature of each growth stage in maize of different treatments （℃）

2.3.4不同處理作物不同生育階段土壤積溫與土壤溫度的差異 就土壤溫度而言，玉米播種至拔節(jié)期，TIS與CT較NTS高1.1—1.7℃（表4）；拔節(jié)至大喇叭口期，CT比NTS高1.6—1.8℃；大喇叭口期至吐絲期與吐絲期至灌漿末期，NTS比CT分別低1.3 —2.1℃與2.0—2.5℃；灌漿末期至完熟期，2010年，TIS與CT比NTSS與NTS低0.5—0.9℃，而2012年，CT較NTS高0.9—1.5℃。雖然NTS在播種至拔節(jié)期的土壤溫度低于TIS與CT，延緩了玉米出苗，但在吐絲至灌漿期 NTS較低的土壤溫度避免了玉米根系及葉片發(fā)生早衰。

就土壤積溫而言，玉米播種至拔節(jié)期，TIS與CT 較NTS高42.2—76.2℃（表4），拔節(jié)至吐絲期，CT 比NTS高29.3—50.5℃，吐絲至灌漿末期，CT比NTS 高46.7—75.3℃。從全生育期總土壤積溫分析，NTSS、NTS比CT低145.2—267.5℃。

2.4不同小麥秸稈還田方式對(duì)地膜覆蓋玉米產(chǎn)量的影響

與傳統(tǒng)低茬收割翻耕相比，小麥秸稈還田顯著提高了輪作地膜覆蓋栽培玉米的籽粒產(chǎn)量（圖 5），2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓绕骄?4.5%—17.5%，增產(chǎn)顯著。3種秸稈還田處理中均以小麥秸稈25 cm高茬等量覆蓋免耕處理（NTS）的籽粒產(chǎn)量最高，分別達(dá)到13 470 kg·hm-2與13 247 kg·hm-2，較TIS提高5.7%—9.0%。由此說(shuō)明前茬小麥秸稈25 cm高茬等量覆蓋結(jié)合免耕有利于提高后茬地膜覆蓋玉米的籽粒產(chǎn)量。

圖5　不同處理的玉米產(chǎn)量Fig. 5 Grain yield of maize under different treatments

3 討論

3.1 地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤水分對(duì)前茬小麥秸稈還田方式的響應(yīng)

近年來(lái)，隨著水資源的日趨緊缺，地膜覆蓋作為一項(xiàng)節(jié)水生產(chǎn)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。大量研究表明，采用地膜覆蓋技術(shù)顯著提高土壤含水量、產(chǎn)量及水分利用效率［7-8］。另有研究表明，少耕秸稈覆蓋可以有效地保持土壤水分，降低無(wú)效耗水［5，13］。本研究表明，前茬小麥秸稈還田輪作地膜覆蓋玉米在不同生育時(shí)期土壤含水量均高于傳統(tǒng)耕作，而3個(gè)小麥秸稈還田處理中，免耕秸稈覆蓋土壤含水量明顯高于立茬、翻壓秸稈還田措施，而立茬、翻壓秸稈還田處理土壤含水量在不同階段差異不同。玉米生育期結(jié)束時(shí)，前茬小麥秸稈免耕覆蓋保持較高的土壤水分含量，這可能是由于免耕秸稈及地膜覆蓋膜側(cè)的土壤界面具有良好的導(dǎo)水蓄水保墑能力［14］。秸稈、地膜覆蓋具有降低耗水的效應(yīng)已被研究所證實(shí)［7，13］，本研究中，與傳統(tǒng)覆膜相比，前茬小麥秸稈免耕對(duì)后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田耗水量的影響表現(xiàn)出年際間差異，2010年，免耕秸稈地膜雙覆蓋的耗水量高于傳統(tǒng)耕作，這可能是因?yàn)?010年為缺水年份，小麥秸稈免耕覆蓋輪作地膜玉米加大了對(duì)深層土壤水分的利用，而增加了耗水量；相反，2012年降水較多，小麥秸稈免耕覆蓋的耗水量低于傳統(tǒng)耕作。特別是，前茬小麥秸稈覆蓋免耕減小了后茬地膜覆蓋玉米生育前期的耗水，增大了生育后期（吐絲至成熟期）的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米前后生育時(shí)期需水矛盾，因此，前茬小麥秸稈免耕覆蓋措施可優(yōu)化后茬地膜覆蓋農(nóng)田的耗水特性，值得進(jìn)一步關(guān)注。

3.2地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤熱量特性對(duì)前茬小麥秸稈還田方式的響應(yīng)

溫度對(duì)作物生產(chǎn)具有重要影響，而土壤溫度是改變植物所受溫度變化的基礎(chǔ)，是植物保持根系活力的重要因素，對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)力具有較大影響［15-16］。本研究表明前茬小麥秸稈免耕覆蓋可以明顯改善表層土壤熱量條件，但同一天不同測(cè)定時(shí)段，不同秸稈還田方式熱量效應(yīng)表現(xiàn)出差異，與傳統(tǒng)收割翻耕處理相比，在增溫階段，前茬小麥秸稈免耕覆蓋土壤溫度增幅較小，降溫階段降幅較小，表現(xiàn)出保溫與穩(wěn)溫效應(yīng)，由于秸稈覆蓋導(dǎo)熱性差，太陽(yáng)輻射條件下土壤溫度上升及失熱時(shí)溫度下降的速度較慢，土壤溫度的日變幅比傳統(tǒng)地膜覆蓋?。?7］。通過(guò)大氣溫度與表層土壤溫度差可知，前茬小麥秸稈免耕覆蓋在低溫季有保持土壤熱量的作用，而在高溫季節(jié)有相對(duì)降溫的作用，這是減少氣溫變化對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)度影響的重要機(jī)制。

水熱條件是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的因素，作物產(chǎn)量的形成往往是二者綜合作用的結(jié)果［18］。已有研究表明，免耕秸稈覆蓋可顯著地改善土壤水分條件，但由于地表大量秸稈覆蓋，導(dǎo)致早春地溫較低使得前期作物的生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，低溫導(dǎo)致減產(chǎn)已被證實(shí)［19］，另有研究表明，在高溫季節(jié)，單一的地膜覆蓋往往容易造成作物根區(qū)極端高的土壤溫度，導(dǎo)致作物根系及葉片發(fā)生早衰現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)量［9］。而本研究前茬小麥秸稈免耕覆蓋輪作后茬地膜覆蓋玉米，雖然生育前期土壤溫度較低，但總高于單一的免耕秸稈覆蓋［14］。而且表層土壤溫度影響玉米出苗，溫度低出苗慢，但對(duì)出苗率無(wú)明顯影響［20］；氣溫迅速升高，傳統(tǒng)覆膜 0—10 cm土層極端高溫達(dá)到45℃，明顯超過(guò)了玉米根系發(fā)育35℃的適溫閾值［21］，而前茬小麥秸稈免耕覆蓋可降低后茬地膜覆蓋玉米吐絲至灌漿期的土壤溫度，避免了玉米根系及葉片發(fā)生早衰現(xiàn)象?？傊?，前茬小麥秸稈免耕覆蓋輪作地膜覆蓋玉米不但具備了免耕覆蓋的蓄水保墑優(yōu)點(diǎn)，而且還通過(guò)后茬地膜覆蓋顯著地改善了土壤表層的熱量條件，解決了秸稈覆蓋早春低溫制約因子及地膜覆蓋盛夏極端高溫制約因子，并將前者的保水蓄水優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為最終的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，顯著提高了玉米的產(chǎn)量和水分利用效率［22］，為解決單一的免耕秸稈覆蓋低溫效應(yīng)及地膜覆蓋的高溫效應(yīng)問(wèn)題提供了科學(xué)依據(jù)和理論支持。

土壤積溫是反映作物生長(zhǎng)發(fā)育期間對(duì)土壤熱量資源獲取的綜合表征指標(biāo)［23］，地膜覆蓋能有效增加土壤積溫，尤其在積溫不足地區(qū)與春季土壤升溫緩慢的環(huán)境下，覆膜栽培具有顯著的促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育與增產(chǎn)效應(yīng)［24-25］，而秸稈覆蓋可降低土壤積溫，延緩作物生長(zhǎng)發(fā)育［14］。本研究表明，自玉米播種到灌漿期，0—25 cm土層土壤積溫表現(xiàn)為前茬小麥秸稈還田輪作后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田均低于傳統(tǒng)耕作，而3個(gè)小麥秸稈還田處理中，免耕秸稈還田土壤積溫低于翻壓秸稈還田措施，而2個(gè)免耕處理土壤積溫在不同的階段差異也不同。全生育期內(nèi)，各處理土壤積溫均大于2 850℃，滿足中晚熟品種熱量要求［26］。因此，面向熱量豐富的西北地區(qū)一熟春玉米生產(chǎn)，只有在4月下旬玉米播種到5月上旬成苗期，積溫低而不穩(wěn)定，覆膜增溫促長(zhǎng)效果顯著；玉米吐絲至灌漿期，土壤積溫較低，減緩灌漿，但不影響籽粒產(chǎn)量的形成。然而，在熱量相對(duì)有限地區(qū)，前茬小麥秸稈免耕覆蓋較之傳統(tǒng)覆蓋，該技術(shù)對(duì)晚熟品種的支撐不足，還需進(jìn)一步研發(fā)適宜高效覆蓋材料。因此，前茬小麥秸稈免耕覆蓋輪作后茬地膜覆蓋玉米作為只保水不增溫的覆蓋方式，對(duì)于西北地區(qū)非積溫限制下的春玉米高產(chǎn)栽培具有重要意義。

前茬小麥免耕秸稈覆蓋輪作地膜覆蓋玉米可優(yōu)化農(nóng)田土壤水熱特性，但地膜覆蓋增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)廢舊地膜的殘留量較高，進(jìn)一步造成環(huán)境污染，綜合考慮其經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益等因素，亟待研發(fā)低成本、低污染的玉米可持續(xù)栽培耕作措施，即一膜2年用可值得研究者關(guān)注。

4 結(jié)論

前茬小麥秸稈免耕覆蓋可提高后茬地膜覆蓋玉米全生育期內(nèi)土壤含水量，減小后茬地膜覆蓋玉米生育前期的耗水，增大生育后期的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米前后生育時(shí)期需水矛盾。前茬小麥秸稈免耕覆蓋有效地改善了后茬地膜覆蓋玉米農(nóng)田土壤表層的熱量條件，全生育期平均土壤溫度較傳統(tǒng)低茬收割翻耕處理低1.1—1.4℃、土壤積溫低202—208℃；播種至拔節(jié)期土壤溫度低1.6—1.7℃，土壤積溫低67—76℃；玉米吐絲至灌漿末期土壤溫度低 2.0—2.5℃，土壤積溫低47—75℃，避免植株早衰，有效解決了單一免耕秸稈覆蓋早春低溫制約因子及地膜覆蓋盛夏極端高溫制約因子。最重要的是，前茬小麥秸稈免耕覆蓋減弱后茬地膜覆蓋玉米大氣-土壤溫差的變異程度，在低溫季有保持土壤熱量的作用，在高溫季節(jié)有相對(duì)降溫的作用，是減少氣溫變化對(duì)地膜覆蓋玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)度影響的重要機(jī)制。因此，前茬小麥秸稈免耕覆蓋（NTS）是綠洲灌區(qū)地膜覆蓋玉米適宜的前茬處理措施。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Responses of Soil Water and Temperature to Previous Wheat Straw Treatments in Plastic Film Mulching Maize Field at Hexi Corridor

YIN Wen， CHEN Gui-ping， CHAI Qiang， ZHAO Cai， FENG Fu-xue， YU Ai-zhong， HU Fa-long， GUO Yao
（Faculty of Agronomy， Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science，Lanzhou 730070）

【Objective】 Soil water and temperature are key factors for determining crop growth and resource use efficiency，response of soil water and temperature of crops to previous straw usually plays an important role in establishing efficient cropping systems and optimizing tillage measures. 【Method】 A field experiment was carried out in typical oasis irrigation region in order tooptimize soil water and temperature of rotated maize under different previous wheat straw treatments and tillage modes， including no tillage with 25 cm height of wheat straw standing （NTSS）， no tillage with 25 cm height of wheat straw covering （NTS）， tillage with 25 cm height of wheat straw was incorporated in the soil （TIS）， and conventional tillage without straw retention （CT）. 【Result】 The results showed that NTSS， NTS significantly increased soil water content by 5.0% to 7.8% in 0 to 110 cm soil layer from sowing to seedling stage， 4.4% to 5.4% from jointing to big flare stage， 4.8% to 7.1% from silking to flowering stage， but there was no significant difference between NTSS and NTS， and NTS increased by 4.7% at filling stage， compared with CT. In particular， the treatment on NTS had advantage on maintaining high soil water content at whole growth period of maize. NTSS and NTS decreased evapotranspiration of rotated maize under plastic film mulching before silking stage， but evapotranspiration was increased after silking stages， which effectively coordinated water demand contradiction of maize growth at early and late stage， the effect of NTS was the best. NTSS and NTS optimized soil temperature of rotated maize under plastic film mulching， and the effect of NTS was obvious. NTS had higher soil temperature by 0.76℃ at eight o’clock in 0 to 25 cm soil layers in 2010， but lower by 3.67 to 3.87℃ at fourteen o’clock and 1.19 to 1.30℃ at eighteen o’clock， in 2010 and 2012， which indicate that NTS had effects on preservating soil temperature at low temperature stage at the day and night， and decreasing soil temperature at the high temperature stage. Meanwhile，NTSS and NTS reduced soil accumulated temperature in rotated maize field， and the reduction of NTS was more significant， it reduced by 67.1 to 76.2℃ from sowing to jointing stage， 29.3 to 50.5℃ from jointing to silking stage， and 46.7 to 75.3℃ from silking to late-filling stage， compared with CT. However， according to the value of difference between air and soil temperatures， NTS had the effect of maintaining soil heat in low temperature season and reducing soil temperature in high temperature season， which is an important regulation mechanism on growth and development of maize through reducing the excessive influence resulted from the temperature change. The grain yield of maize was 11.3% to 17.5% higher in the three straw returning treatments than that in CT check， NTS exhibited the most significant effect on high yield， reached 13 470 and 13 274 kg·hm-2in two study years， which were higher than TIS by 5.6% to 9.0%. 【Conclusion】 The results show that NTS treatment can be recommended as the best previous wheat straw treatment for optimizing soil moisture and temperature of rotated maize at oasis irrigation areas.

maize； straw returning； plastic film mulching； soil temperature； soil moisture

2016-01-12；接受日期：2016-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（31360323）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503125-3）、國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAD14B10）

聯(lián)系方式：殷文，E-mail：yinwentx@126.com。陳桂平，E-mail：chengp@gsau.edu.cn。殷文和陳桂平為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn