麥秸-塑膜復(fù)合覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量及土壤物理參數(shù)的影響研究

丁 林，王福霞，王文娟，王以兵

(1.甘肅省水利科學(xué)研究院，蘭州 730000；2.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，蘭州 730000)

“旱、寒、薄”是農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要制約因素，推廣地膜秸稈二元覆蓋技術(shù)是解決“旱、寒、薄”3大問(wèn)題的重要技術(shù)之一，因?yàn)樗扔械啬じ采w增溫保墑作用，又有秸稈覆蓋蓄水保墑、肥田改土作用[1]。有研究結(jié)果表明，在河西綠洲灌區(qū)實(shí)行秸稈帶膜還田前景廣闊，秸稈粉碎后腐解效果優(yōu)于整株[2]；壟覆膜和旱作溝覆秸稈可改進(jìn)土壤水分和溫度條件，增加玉米產(chǎn)量和凈收入[3]；秸稈與地膜二元覆蓋麥田土壤變溫幅度小、水分散失少、養(yǎng)分積累增加、有效分蘗多、后期葉面積大、干物質(zhì)積累增加[4]；麥草與地膜二元覆蓋可降低作物冠層溫度1～2 ℃，顯著減少玉米田間土壤水分蒸發(fā)，對(duì)土壤具有一定的保溫作用[5,6]，并能明顯提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[7-10]。本文將秸稈覆蓋與地膜覆蓋2種技術(shù)結(jié)合在一起，屬于二元覆蓋的范疇。該技術(shù)在作物種植前先覆秸稈再覆膜，形成雙層覆蓋，取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰。并針對(duì)秸稈覆蓋導(dǎo)致產(chǎn)量低等特點(diǎn)，研究麥秸-塑膜復(fù)合覆蓋條件下玉米產(chǎn)量、耗水規(guī)律、棵間蒸發(fā)規(guī)律及土壤物理參數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)田間水分的高效利用、提高中低產(chǎn)田的產(chǎn)量、提高土地生產(chǎn)力和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力都具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4-9月在甘肅省水利科學(xué)研究院民勤灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，地理坐標(biāo)東經(jīng)130°05′，北緯38°37′，屬典型的大陸性荒漠氣候，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙多，自然災(zāi)害頻繁。多年平均氣溫7.8 ℃，極端最高氣溫39.5 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃，平均濕度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸發(fā)量2 644 mm，全年平均揚(yáng)沙59 d，全年沙塵暴日數(shù)37 d。光熱資源豐富，年日照時(shí)數(shù)3 028 h，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無(wú)霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變?yōu)樯橙劳粒寥榔骄芏葹?.54 g/cm。試驗(yàn)田有機(jī)質(zhì)0.527%、全氮0.045%、全磷0.115%、全鉀1.667%、pH值7.96、全鹽1.872 g/kg，灌溉水礦化度0.91 g/L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇覆蓋方式、秸稈用量2個(gè)控制因素，采用多因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。覆蓋方式設(shè)有4個(gè)水平：秸稈覆蓋S，地膜覆蓋F，麥秸-塑膜覆蓋SF，無(wú)覆蓋N；灌水定額均為900 m3/(hm2·次-1)，灌水次數(shù)6次，灌水時(shí)間一致；秸稈用量設(shè)有4 000和6 000 kg/hm22個(gè)水平。共形成6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。試驗(yàn)玉米品種為“先玉335”，試驗(yàn)于4月15日播種，10月6日收獲測(cè)產(chǎn)，玉米按行距45 cm、株距25 cm，每穴1～2株播種。試驗(yàn)地休閑期深耕冬灌，播種前耙耱、平整，播后按試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌水。試驗(yàn)地播前施底肥磷酸二銨225 kg/hm2、尿素300 kg/hm2、鉀肥150 kg/hm2，生育期隨水追肥2次，每次225 kg/hm2尿素。灌溉水源為井水，用水表嚴(yán)格控制灌水量。各處理隨機(jī)布置3個(gè)測(cè)定土壤含水量的TDR測(cè)管和3個(gè)測(cè)定土面蒸發(fā)的微型蒸滲儀，該蒸滲儀采用內(nèi)外桶結(jié)構(gòu)，用0.75 mm厚的鍍鋅鐵皮卷制而成，內(nèi)桶直徑20 cm，桶高30 cm，底部封閉，外桶直徑22 cm，高度與內(nèi)筒一致，底部封閉。試驗(yàn)小區(qū)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)土壤含水率。采用TDR土壤水分速測(cè)儀結(jié)合烘干法(土鉆取土)測(cè)定并計(jì)算含水率。深度為0～100 cm土層中每20 cm為一層測(cè)定，整個(gè)生育期每隔10 d測(cè)定一次，降水及灌水前后進(jìn)行加測(cè)。

(2)籽粒產(chǎn)量及生物產(chǎn)量。收獲期在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取2點(diǎn)，每點(diǎn)取樣10株，將2個(gè)點(diǎn)的樣品合成一個(gè)樣，進(jìn)行考種，按各小區(qū)單收，計(jì)算各小區(qū)籽粒產(chǎn)量，每個(gè)小區(qū)收割后，按小區(qū)稱(chēng)重測(cè)定生物產(chǎn)量。

(3)灌水量。采用管道輸水灌溉，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)均有單獨(dú)水表控制，灌水量由水表量測(cè)。

(4)耗水量。耗水量ET按與式計(jì)算：

(1)

式中，ET1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層次號(hào)數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；γi為第i層土壤干密度，g/cm-3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時(shí)段始的含水量(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時(shí)段末的含水率(干土重的百分率)；M為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P0為時(shí)段內(nèi)的有效降水量，mm；K為100 cm以下土體與100 cm以上土體的水分交換量，mm，負(fù)值為滲漏，正值為補(bǔ)給，mm；C為試驗(yàn)小區(qū)與外部土體的地面徑流交換量，mm，正值為向外徑流，負(fù)值為向內(nèi)徑流。

(5)增產(chǎn)率。在節(jié)水灌溉技術(shù)條件下，以使用節(jié)水灌溉技術(shù)后作物產(chǎn)量和常規(guī)灌溉條件下的作物產(chǎn)量差除以常規(guī)灌溉條件下的作物產(chǎn)量。

(6)氣象資料。通過(guò)TRM-ZS3全自動(dòng)氣象站觀(guān)測(cè)記載溫度、降水、蒸發(fā)、風(fēng)速等氣象因素。

(7)土壤化學(xué)性質(zhì)。主要有pH值、土壤養(yǎng)分等。分別在播種前、收獲后測(cè)定，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次，取0～10、10～20、20～30 cm土樣，上述樣品均送到甘肅省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)測(cè)試中心測(cè)定。

(8)棵間蒸發(fā)。取原狀土裝到桶內(nèi)，地膜覆蓋、秸稈覆蓋及復(fù)合覆蓋條件下，換土后的微型蒸滲儀表層覆蓋與試驗(yàn)設(shè)計(jì)一致，埋設(shè)時(shí)桶內(nèi)土層與原地塊土層水平一致。每天下午19∶00稱(chēng)重，根據(jù)2次差值計(jì)算土壤蒸發(fā)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，用DPS(v6.05)統(tǒng)計(jì)軟件做相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育進(jìn)程及土壤溫度變化分析

覆膜及復(fù)合覆蓋處理播種后土壤水熱狀況較好，作物出苗時(shí)間較短，而麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理由于地溫較低，出苗時(shí)間較覆膜處理推遲3 d左右。如表2所示，從整個(gè)生育期來(lái)看，覆膜或復(fù)合覆蓋處理成熟期較麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理提早10 d，主要是麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理苗期-拔節(jié)期延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致后續(xù)生育階段比覆膜處理推遲10 d左右，到生育后期麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理灌漿延續(xù)時(shí)間較覆膜及復(fù)合覆蓋處理縮短。而開(kāi)花期、灌漿期延長(zhǎng)，有利于提高授粉率、增加飽粒數(shù)、灌漿充足，有利于形成大粒和增加千粒重，相反灌漿時(shí)間縮短，不利于產(chǎn)量形成，易造成秕粒。以苗期(4月25日)0～25 cm土壤溫度日變化分析各處理土壤溫度變化情況。各處理0～25 cm地溫呈現(xiàn)出隨深度增加而逐漸滯后的趨勢(shì)，0～10 cm的土壤從8∶00 開(kāi)始逐漸升溫14∶00-16∶00 達(dá)到峰值后，逐漸再回落；15～25 cm的變化趨勢(shì)與0～10 cm基本一致，但其峰值的出現(xiàn)時(shí)間有明顯的滯后現(xiàn)象。無(wú)論哪種覆蓋方式，峰值均出現(xiàn)在地表處：其中14∶00 時(shí)地膜覆蓋的峰值高達(dá)48.82 ℃，比無(wú)覆蓋處理的高 2 ℃；無(wú)覆蓋處理出現(xiàn)在15∶00，為46.82 ℃；復(fù)合覆蓋和秸稈覆蓋的峰值出現(xiàn)在16∶00時(shí)，分別為 43.82和36.82 ℃。這說(shuō)明地膜覆蓋有增溫作用，使得其峰值出現(xiàn)的時(shí)間較無(wú)覆蓋處理提前1 h，而復(fù)合覆蓋和秸稈覆蓋中的秸稈具有降溫作用，導(dǎo)致其峰值滯后1 h 出現(xiàn)。而復(fù)合覆蓋SF中的地膜又具有增溫效應(yīng)，使其峰值比秸稈覆蓋的高出7 ℃。 在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件選擇既能提高作物出苗率，又能調(diào)控作物生育進(jìn)程的覆蓋措施，配合適當(dāng)?shù)墓喔戎贫燃疤镩g管理可起到水熱高效利用，提高作物產(chǎn)量及水分利用效率的作用。

表2 不同處理玉米生育進(jìn)程

2.2 玉米耗水及棵間蒸發(fā)規(guī)律

通過(guò)田間土壤含水量的測(cè)定利用水量平衡方程計(jì)算各個(gè)階段和全生育期玉米的耗水量及棵間蒸發(fā)量，結(jié)果如表3所示。各處理在全生育期以無(wú)覆蓋處理NH耗水量最大，為730.42 mm，耗水量最小的是SFH6，其耗水量為670.85 mm?？梢钥闯觯瑹o(wú)覆蓋與麥秸覆蓋處理耗水量較大，這與作物生長(zhǎng)狀況不好，地面蒸發(fā)量大有關(guān)；而覆膜或復(fù)合覆蓋處理耗水量相對(duì)較小，具有節(jié)水、減少無(wú)效蒸發(fā)的作用，與無(wú)覆蓋處理相比，覆膜處理耗水量減少38.6 mm，復(fù)合覆蓋處理耗水量減少44.0～59.6 mm。各處理棵間蒸發(fā)均呈現(xiàn)生育前期高、生育旺盛期低、收獲期高的變化趨勢(shì)，苗期由于作物生長(zhǎng)緩慢，地面覆蓋度較低導(dǎo)致棵間蒸發(fā)比例較大，隨著作物生長(zhǎng)，葉面積增加，棵間蒸發(fā)逐漸減小，到生育后期隨玉米的成熟，葉片開(kāi)始衰老、變黃，植株蒸騰能力減弱，棵間蒸發(fā)占階段耗水量的比例又有所上升。各處理棵間蒸發(fā)表現(xiàn)為無(wú)覆蓋>秸稈覆蓋>地膜覆蓋>復(fù)合覆蓋，秸稈覆蓋量越多棵間蒸發(fā)越小。地膜覆蓋處理棵間蒸發(fā)占總耗水量的22.66%，復(fù)合覆蓋為21.21%和20.91%，麥秸覆蓋為27.86%和27.21%，無(wú)覆蓋為30.21%。與無(wú)覆蓋、麥秸覆蓋與地膜覆蓋相比，復(fù)合覆蓋棵間蒸發(fā)平均減少35.23%、14.34%和8.86%。

表3 不同覆蓋處理玉米耗水及棵間蒸發(fā)規(guī)律

2.3 玉米產(chǎn)量效應(yīng)

玉米各處理產(chǎn)量效應(yīng)如表4所示。研究結(jié)果表明，在籽粒產(chǎn)量方面，覆膜處理產(chǎn)量較高，復(fù)合覆蓋次之，無(wú)覆蓋處理最低，最高與最低產(chǎn)量相差4 537.5 kg/hm2；在復(fù)合覆蓋處理中SFH4產(chǎn)量相對(duì)較高，比NH處理高3 073.5 kg/hm2。麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理耗水量大于覆膜及復(fù)合覆蓋處理，主要是由于麥秸覆蓋和無(wú)覆蓋處理棵間蒸發(fā)較大，且生育期推遲，后期需水量較大，收獲后土壤水分含量較低，較多利用了土壤水分。不同處理經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與生物產(chǎn)量之間的比例關(guān)系，反映出光合有機(jī)物質(zhì)的分配效率，在所有處理中以FH最大為56.82%，其次為SFH4> SFH6> SH6>SH4> NH，最大收獲指數(shù)和最小收獲指數(shù)相差12.18。腹膜及復(fù)合覆蓋處理的收獲指數(shù)均較大，其產(chǎn)量和生物量也較高的，主要是由于玉米在苗期生長(zhǎng)旺盛，光合產(chǎn)物較多，在增加產(chǎn)量的同時(shí)，其光合副產(chǎn)品也大幅度增加。因地制宜選擇適當(dāng)覆蓋方式(復(fù)合覆蓋，覆草量4 000～4 500 kg/hm2)，不但可以保持其較高的產(chǎn)量，還可以起到節(jié)約用水的作用。

2.4 復(fù)合覆蓋對(duì)土壤物理參數(shù)的影響

表5為各處理播種前、收獲后0～30 cm土層土壤參數(shù)變化情況。由表5可知，覆膜及無(wú)覆蓋處理收獲后有機(jī)質(zhì)含量均小于播種前，主要是由于土壤中原有的部分有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被作物吸收利用；有秸稈覆蓋的處理收獲后土壤有機(jī)質(zhì)含量均大于播種前，平均增加量為0.95 g/kg；在復(fù)合覆蓋處理中，秸稈量越大，收獲后有機(jī)質(zhì)含量增加量越大，其中SFH6較 SFH4增加0.73 g/kg；同樣麥秸覆蓋量情況下，覆膜處理比無(wú)膜處理有機(jī)質(zhì)增加量要高。由上說(shuō)明，復(fù)合覆蓋對(duì)提高麥草利用有利，土壤有機(jī)質(zhì)含量較播種前可提高8.62%～14.94%。各處理收獲后pH均大于播種前，麥秸覆蓋量多的處理前后pH差值較覆蓋量少的處理大，如SFH4 和SFH6相差0.32，SH4 和SH6相差0.10，而無(wú)覆蓋處理和地膜覆蓋處理差值相對(duì)較小。造成上述結(jié)論的原因主要是灌水將大量鹽分留在土壤中，導(dǎo)致pH值升高。

表4 不同覆蓋條件下玉米產(chǎn)量效益

表5 不同覆蓋條件下土壤參數(shù)變化情況

2.5 麥秸-塑膜復(fù)合覆蓋玉米種植模式

在技術(shù)調(diào)研、試驗(yàn)研究、已有畦灌技術(shù)成果及模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有工程、農(nóng)藝、管理節(jié)水成果，集成提出了麥秸-塑膜復(fù)合覆蓋種植技術(shù)模式。

(1)模式內(nèi)容。冬灌+播前深翻+平整覆草覆膜+膜上灌溉。

(2)技術(shù)要求。前茬作物收割后，秋耕、平整，冬灌。次年播種前深翻、耙磨、平整、覆草+覆膜，畦田寬度3～4.5 m，田面坡度1/500～1/1 000，單寬流量為2.5～3 L/s；畦田長(zhǎng)度60 m左右。定期監(jiān)測(cè)土壤水分，適時(shí)進(jìn)行第1次灌水，精確控制灌水量。

(3)技術(shù)指標(biāo)。麥草用量4 000～4 500 kg/hm2，人工均勻的鋪在地面上，覆草后機(jī)械鋪膜。播種后灌第1次水，灌水定額900 m3/(hm2·次)，生育期灌水6次。人力機(jī)械播種，播種時(shí)1膜3行，膜寬145 cm，按行距45 cm，株距25 cm，每穴1～2株播種。

(4)灌水。灌水時(shí)采用管道輸水小畦灌溉，全育期灌水6次(不包括冬季儲(chǔ)水灌)，每次灌水量900 m3/(hm2·次)，精確控制單寬流量，灌溉定額5 400 m3/hm2。

(5)追肥。分別在大喇叭期、灌漿期分2次結(jié)合灌水追施尿素225 kg/(hm2·次)，另外根據(jù)土壤肥料含量適當(dāng)增施磷肥和鉀肥，用量在75 kg/hm2左右。

3 結(jié)論與討論

本研究緊密結(jié)合保護(hù)性耕作技術(shù)的需求，重點(diǎn)針對(duì)玉米開(kāi)展了復(fù)合覆蓋生長(zhǎng)、產(chǎn)量及土壤環(huán)境等研究，在此基礎(chǔ)上，集成提出了復(fù)合覆蓋技術(shù)參數(shù)與種植技術(shù)模式。在作物生長(zhǎng)方面研究得出：覆膜或麥秸塑膜復(fù)合覆蓋生育期較麥秸覆蓋處理提早10 d左右，無(wú)覆蓋和麥秸覆蓋處理由于播種后地溫較低，保水性能較差，作物前期生長(zhǎng)發(fā)育較慢，生育期明顯推后。在產(chǎn)量效應(yīng)方面得出：無(wú)覆蓋與麥秸覆蓋處理耗水量較大，而覆膜或復(fù)合覆蓋處理耗水量相對(duì)較小，具有節(jié)水、減少無(wú)效蒸發(fā)的作用，與無(wú)覆蓋處理相比，覆膜處理耗水量減少38.6 mm，復(fù)合覆蓋處理耗水量減少44.0～59.6 mm。覆膜處 理水分利用效率提高41.0%，復(fù)合覆蓋處理水分利用效率提高20.8%～30.1%。與無(wú)覆蓋、麥秸覆蓋、地膜覆蓋相比，復(fù)合覆蓋棵間蒸發(fā)平均減少35.23%、14.34%和8.86%。在土壤物理參數(shù)方面得出：有麥秸覆蓋處理增加了鹽分在土壤中的保有量，復(fù)合覆蓋使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高8.62%～14.94%，對(duì)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高麥草利用有積極作用。在復(fù)合覆蓋量方面得出：復(fù)合覆蓋適宜覆草量為4000～4500kg/hm2，適宜覆蓋方式為覆膜或麥秸-塑膜復(fù)合覆蓋。

本研究結(jié)論是在大田試驗(yàn)條件下完成的，不可避免受到試驗(yàn)期間降雨水平等氣象因子的影響，所以試驗(yàn)得出的結(jié)論有一定的局限性，復(fù)合覆蓋對(duì)土壤物理參數(shù)的影響還需進(jìn)一步研究。受氣候條件、土壤質(zhì)地和作物品種等因素影響，應(yīng)該開(kāi)展不同地區(qū)各種作物的大田試驗(yàn)研究，為制定不同地區(qū)的復(fù)合覆蓋技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)。

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