不同覆蓋方式和種植模式對土壤水熱與玉米產(chǎn)量的影響

方旭飛，張鐘莉莉，王麗學，欒 策

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院,沈陽 110866；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.遼寧水利職業(yè)學院，沈陽 110122)

0 引 言

目前農(nóng)田水土流失、缺水干旱和生態(tài)環(huán)境退化已經(jīng)成為制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要原因。同時由于自然災害以及人類耕作方式的不當對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害也正日益加劇。而保護性耕作是目前世界上應用最廣、效果最好的一項農(nóng)業(yè)技術(shù),因此越來越受到世界各國的關(guān)注[1]。保護性耕作是以減輕水土流失和保護土壤為目標，包括免耕技術(shù)、秸稈覆蓋技術(shù)和地膜覆蓋技術(shù)等具體內(nèi)容[2-4]。李洪勛和吳伯志的研究表明秸稈覆蓋作為一種強化土壤有機質(zhì)積累、調(diào)節(jié)土壤溫度和水分的農(nóng)藝措施已被廣泛應用，尤其在玉米增產(chǎn)方面取得好的效果[5]。杜社妮和白崗栓分析了玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應,結(jié)果表明地膜能改善農(nóng)田的生長環(huán)境，可以使生態(tài)發(fā)生復雜的變化，并且在農(nóng)作物增產(chǎn)等方面已取得實效[6]。同時大量研究表明間作不僅可以充分利用光、溫、水等養(yǎng)分資源,還可以有效防治病蟲害,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對化肥農(nóng)藥的依賴,進而在降低生產(chǎn)成本和減輕環(huán)境污染的基礎上實現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),達到經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[7-9]。尤其是豆科作物與禾本科作物的間套作效應十分明顯，作物間可以相互促進、共生。Undie UL等人研究表明與玉米單一種植相比，玉米和大豆間套作可以提高光能的截獲，降低水分的蒸發(fā)，保持土壤含水量，同時，通過調(diào)節(jié)大豆的密度和布局，還能夠增加玉米的產(chǎn)量[10]。東北干旱雨養(yǎng)地區(qū)水資源短缺而光熱資源豐富，適于發(fā)展間作套種，但該地區(qū)以傳統(tǒng)翻耕和秸稈全部移出農(nóng)田的生產(chǎn)模式，既增大了成本又浪費了資源，因此亟待技術(shù)改進。本研究將免耕秸稈覆蓋、免耕地膜覆蓋技術(shù)集成到玉米間作大豆模式中，以期實現(xiàn)資源投入的減量化和循環(huán)利用化，并充分利用種間互作效應提高自然資源利用效率。研究結(jié)果將為建立適用于東北干旱雨養(yǎng)地區(qū)光熱資源、水資源高效利用特征的覆蓋種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院綜合試驗基地進行。該基地位于東北地區(qū)南部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季分明,冬季寒冷干燥，春季氣候多變、氣溫回升快，夏季溫熱。年均氣溫為8.1 ℃，年平均降雨量約為400～500 mm，降雨主要集中在7-9月，其降水量約占全年的69.5%，平均徑流深為403.4 mm，土壤以草甸土為主，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水源以天然降水為主。

1.2 試驗設計

本試驗玉米品種為“聯(lián)達288”、大豆品種為“開創(chuàng)14”。2015年秋季玉米收割后開始試驗，2016年5月初開始播種。整個生育期以天然降雨為主，其中降雨集中在7月中旬。該試驗處理包括覆蓋方式和種植模式兩方面，即3種覆蓋方式(無覆蓋傳統(tǒng)耕作、免耕地膜覆蓋和免耕秸稈覆蓋)和2個種植模式(玉米單作和玉米間作大豆)共6種處理，具體如表1。每個處理3個重復，共18個小區(qū),每個小區(qū)面積為3 m×6 m。其中玉米單作的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，玉米的種植密度5.67 萬株/hm2；玉米間作大豆的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，大豆種植在玉米的壟溝內(nèi)，大豆行株距為0.6 m×0.3 m，大豆的種植密度5.56 萬株/hm2，具體如圖1。

1.3 測定方法與內(nèi)容

(1)土壤含水率的測定：采用時域反射儀(TDR)進行測量，共分6個土層深度進行測量，即：10、20、30、40、50、60 cm。每7 d測定一次，每個試驗小區(qū)內(nèi)有3個重復。

(2)地溫的測定：在播種后將套裝的五支組曲管地溫計埋于各小區(qū)，深度為5、10、15、20和25 cm，每個小區(qū)內(nèi)設置有2個重復。在玉米的整個生育期每天14∶00開始讀取各組地溫計的度數(shù)，每7 d測定一次。

(3)玉米干物質(zhì)積累測定：在玉米的拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，從各小區(qū)任選4株有代表性的植株，連根挖取，沖洗干凈并用紗布吸干附著的水分。然后將植株分為根、莖、葉三部分，用感量為0.01 g的電子秤分別稱其鮮重，然后將其裝入紙袋并作好標記，放入干燥恒溫箱。先在105 ℃下殺青30 min，然后75 ℃恒溫烘干12 h后稱重。

表1 試驗處理操作方法Tab.1 Operational approach of different methods

圖1 小區(qū)試驗間作與單作設計圖(單位：cm)Fig.1The design drawing of the plot experiment

(4)玉米產(chǎn)量的測定：玉米成熟后從各小區(qū)隨機選取6穗玉米，標記并放置通風口自然風干。用感量為0.1 g的電子天平測定每穗玉米十籽粒、百籽粒和全部籽粒的重量，取單穗玉米產(chǎn)量的平均值乘以每塊小區(qū)玉米株數(shù)測定每塊小區(qū)產(chǎn)量，最后用18塊小區(qū)產(chǎn)量來計算單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

運用Excel2010對試驗數(shù)據(jù)進行整理，統(tǒng)計分析與綜合評價采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式和種植模式對土壤含水率的影響

土壤含水率在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是一個重要的參數(shù)，玉米生育期內(nèi)0～60 cm深度土壤含水率變化如圖2所示，土壤含水率受覆蓋方式的影響較為明顯，隨著土壤深度的加深，不同處理下土壤含水率波動差異性降低。在0～10 cm土層深度處，單作模式下DM和JM的平均含水率比CM分別高2.59%、1.41%，間作模式下DI和JI的平均含水率比CI分別高2.78%、1.53%；在10～20和20～30 cm土層深度處土壤含水率變化趨勢相似，單作和間作模式下平均含水率在苗期以前的大小(6月7號前)分別表現(xiàn)為DM>JM>CM，DI>JI>CI，而在苗期以后平均含水率的大小分別表現(xiàn)為JM>CM>DM，JI>CI>DI；在30～40 cm土層深度處，單作和間作模式下土壤含水率的大小分別表現(xiàn)為JM>CM>DM，JI>CI>DI。結(jié)果表明地膜覆蓋對于表層土(0～10 cm)的保水效果較好，因為地膜覆蓋相對于另外兩種覆蓋方式可以更好地減少表層土的水分蒸發(fā)，而隨著土壤深度的加深秸稈覆蓋對深層土的保水效果最好，原因在于秸稈覆蓋相對于另外兩種覆蓋方式可以更好地能減少地表徑流、提高天然降雨入滲。在40～50 cm和50～60 cm土層深度處的土壤含水率變化趨勢基本一致，各處理含水率的差異不大。對于同一種覆蓋方式來說，在不同土層深度處單作和間作對土壤含水率的影響不明顯。

圖2 玉米生育期內(nèi)0～60 cm深度土壤含水率變化曲線Fig.2 The variation curve of soil moisture content of different depths

玉米各生育期0～60 cm土層含水量如表2所示，在同一種模式下，各生育期土壤含水量值由大到小均表現(xiàn)為：秸稈覆蓋>傳統(tǒng)模式>地膜覆蓋。從整個生育期貯水量上來看，單作模式下，JM的全生育期貯水量較DM和CM分別高14.73%、11.46%，間作模式下，JI的全生育期貯水量較DI和CI分別高16.02%、10.54%，而同一覆蓋方式下單作和間作的土壤貯水量差異性不顯著，因此秸稈覆蓋在整個生育期對提高土壤貯水量最為顯著。

2.2 不同覆蓋方式和種植模式對土壤溫度的影響

土壤溫度影響著作物的生長發(fā)育，在一定范圍內(nèi)，土壤溫度越高，作物的生長發(fā)育越快。玉米全生育期內(nèi)0～25 cm深度土壤溫度變化如圖3所示，覆蓋和間作會影響土壤溫度變化，但隨著土壤深度的增加，不同處理間的差異性減弱。對于各土層深度處土壤溫度來說，單作模式下均表現(xiàn)為DM>CM>JM，間作模式下均表現(xiàn)為DI>CI>JI；相同覆蓋方式下，在5、10、15 cm土層處，單作模式下的平均土壤溫度較間作模式高0.5～1.5 ℃，在20和25 cm的土層深度處單作和間作的土壤溫度差異性不大。結(jié)果表明地膜覆蓋可以起到保溫的作用，因為太陽輻射可以穿越地膜使地溫增加，而地面長波輻射和大氣輻射卻很少能穿越薄膜從而對土壤起到了保溫的作用，而秸稈覆蓋使部分太陽輻射被反射到大氣中同時吸收一部分太陽輻射，使熱量很難向地表及下層土壤傳遞，進而降低了土壤溫度。

表2 玉米各生育階段土壤含水量(0～60 cm)Tab.2 The soil water content at different growth stages of maize(0～60 cm)

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在P=0.05概率水平下差異顯著。

圖3 玉米全生育期內(nèi)0～25 cm深度土壤溫度變化曲線Fig.3 The variation curve of ground temperature of different depths

玉米各生育期0～25 cm土層平均土壤溫度和其特征值如表3所示，對于玉米各育期0～25 cm土層平均土壤溫度來說，地膜覆蓋對提高土壤溫度的效果最為顯著，其土壤溫度隨著生育期的推進先增加后降低，對于同一種模式來說，單作模式下DM的平均土壤溫度較JM在整個生育期都有顯著性差異，而DM的平均土壤溫度較CM在灌漿期和成熟期有顯著性差異，在其他生育時期差異性不顯著；間作模式下DI的平均土壤溫度較JI在整個生育期都有顯著性差異,而DI的平均土壤溫度較CI在苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期有顯著性差異，在其他生育時期差異性不顯著；而同一覆蓋方式下間作和單作的平均土壤溫度差異性不顯著。從玉米全育期0～25 cm土層土壤溫度平均值來看，DM處理下的平均土壤溫度較JM和CM分別高11.61%、8.33%，DI處理下平均土壤溫度較JI和CI分別高13.68%、9.28%。

表3 玉米各生育期0～25 cm土層平均土壤溫度和其特征值Tab.3 The average soil temperature and eigenvalue in the soil depth of 0～25 cm at different growth stages of maize

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著。

2.3 不同覆蓋方式和種植模式對玉米干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的影響

不同處理玉米的干物質(zhì)累積和產(chǎn)量如表4所示，玉米根、莖和葉的干物質(zhì)累積規(guī)律相似，同一種植模式下，由大到小的順序都為：地膜覆蓋>秸稈覆蓋>傳統(tǒng)耕作，相同覆蓋方式下，間作相對于單作更有利于干物質(zhì)的累積。對于玉米產(chǎn)量來說，間作和覆蓋均會提高玉米產(chǎn)量。其中單作模式下DM和JM的玉米產(chǎn)量較CM分別高19.34%、11.39%，間作模式下DI的和JI玉米產(chǎn)量較CI分別高19.71%、13.74%。同一覆蓋方式下間作處理玉米的產(chǎn)量相對于單作增加顯著，秸稈覆蓋方式下JI的玉米產(chǎn)量較JM增加12.13%,地膜覆蓋方式下DI的玉米產(chǎn)量較DM增加10.15%,傳統(tǒng)耕作方式下CI的玉米產(chǎn)量較CM增加9.81%。因此可以看出地膜覆蓋和秸稈覆蓋相較于傳統(tǒng)耕作可以增加玉米產(chǎn)量，而地膜覆蓋的增產(chǎn)相較于秸稈覆蓋更加顯著，同時間作相較于單作也能增加玉米產(chǎn)量，所以地膜覆蓋配合玉米/大豆間作模式下可以獲得最優(yōu)增產(chǎn)效果。

表4 不同處理玉米的干物質(zhì)累積和產(chǎn)量Tab.4 Dry matter accumulation and yield of maizein different treatments

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著。

3 結(jié) 論

玉米間作大豆的種植模式能夠充分的利用土地、水分、陽光等資源，將其與保護性耕作相結(jié)合能達到增產(chǎn)、保溫和蓄水保墑的綜合效果。

(1)從貯水量上來看，覆蓋可以提高土壤含水量，秸稈覆蓋對提高土壤含水率的效果最為顯著，單作模式下，JM的貯水量較DM和CM分別高14.73%、11.46%；間作模式下，JI的貯水量較DI和CI分別高16.02%、10.54%。而同一覆蓋方式下間作和單處理的土壤含水率和土壤貯水量差異性不顯著。

(2)從土壤溫度上來看，覆蓋同樣可以增加土壤溫度，其中地膜覆蓋對提高土壤溫度的效果最為顯著，而同一覆蓋方式下間作和單作處理的地溫差異性不顯著。

(3)在玉米產(chǎn)量方面，地膜覆蓋處理玉米的產(chǎn)量高于傳統(tǒng)耕作和秸稈覆蓋，間作處理相對于單作有利于增加產(chǎn)量的形成。

綜上所述，秸稈覆蓋和地膜覆蓋方式具有良好蓄水保墑作用，并提供適宜水熱條件，使玉米增產(chǎn)，同時玉米間作大豆模式能充分的利用土地、光照、水分和其他資源，其中地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)是本研究條件下最適宜的覆蓋種植模式。

[1] 高煥文,李問盈.保護性耕作技術(shù)與機具[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004.

[2] 王長生,王遵義, 蘇成貴,等.保護性耕作技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2004,35(1):167-169.

[3] 吳崇友,金誠謙,魏佩敏,等.保護性耕作的本質(zhì)與發(fā)展前景[J].中國農(nóng)機化學報, 2003,17(6):8-11.

[4] 章秀福，王丹英，符冠富，等．南方稻田保護性耕作的研究進展與研究對策[J]．土壤通報，2006，37 (2):346-351.

[5] 李洪勛，吳伯志.地膜和秸稈覆蓋對夏玉米的調(diào)溫保墑效應[J].玉米科學，2006,14(3):96-98.

[6] 杜社妮,白崗栓.玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007，25(5):56-59.

[7] 張建華,馬義勇,王振南,等.間作系統(tǒng)中玉米光合作用指標改善的研究[J].玉米科學, 2006,14(4):104-106.

[8] 張桂國，楊在賓，董樹亭.苜蓿+玉米間作系統(tǒng)飼料生產(chǎn)潛力的評定[J].草業(yè)學報, 2011,20(2):117-126.

[9] Philippe Hinsinger, Elodie Betencourt, Laetitia Bernard, et al. Focus Issue on Phosphorus Plant Physiology: P for Two, Sharing a Scarce Resource: Soil Phosphorus Acquisition in the Rhizosphere of Intercropped Species[J]. Plant Physiology, 2011,156(3):1 078-1 086.

[10] Undie U1 L，Uwah D F，Attoe E E．Effect of intercropping and crop arrangement on yield and productivity of late season maize/soybean mixtures inthe humid environment of South Southern Nigeria[J]． Journal of Agricultural Science，2012，(4):37-51．