不同覆蓋對(duì)免耕玉米生長(zhǎng)和水分利用效率的影響

于賢磊， 竇超銀， 孟維忠， 陳 偉， 延瑋辰

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司徐州分公司，江蘇徐州 221000； 2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009； 3.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110003)

風(fēng)沙土是遼寧西北部與內(nèi)蒙古科爾沁沙地接壤地區(qū)普遍存在的土壤資源，土壤以粉細(xì)沙為主，有機(jī)質(zhì)含量少、固結(jié)能力差、蓄水能力低、保水保肥性差。長(zhǎng)期以來，該地區(qū)土地利用以玉米種植為主，農(nóng)民因土壤漏水、漏肥嚴(yán)重而不愿意對(duì)合理灌溉施肥增加投入，主要依靠降水補(bǔ)充灌溉，土地生產(chǎn)效率低，且部分地區(qū)由于肥力投入低甚至無投入的耕種加速了植被的逆行演替，因此，如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)沙土土地資源的可持續(xù)利用，一直是該地區(qū)亟須要解決的問題。

免耕技術(shù)是近年來被廣泛推廣應(yīng)用的保護(hù)性耕作技術(shù)之一[1]，它具有減少土壤擾動(dòng)，保護(hù)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量等優(yōu)點(diǎn)[2]。長(zhǎng)時(shí)間免耕可以增加土壤大粒徑團(tuán)粒含量和大孔隙數(shù)量，改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的入滲性能和蓄水能力，從而達(dá)到涵養(yǎng)水源、增強(qiáng)土壤抗蝕能力的效果[3]。有研究表明，免耕3年后，土壤水分利用率提高13.3%[4]；0～20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量、全氮含量分別增加25.8%、13.2%[5]；免耕留高茬覆蓋土壤微生物量碳、氮含量分別平均提高69.0%、43.0%[6]，而覆蓋是干旱半干旱地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。通過覆蓋可以改變土壤環(huán)境因子，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造小氣候，從而使作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境更加適宜。如馬鈴薯高壟膜覆蓋溝覆草能有效增加馬鈴薯生育前期地溫，苗期日均地溫較傳統(tǒng)平播增加0.50～2.23 ℃，0～100 cm土壤貯水量提高52.8 mm[7]；春小麥覆膜全生育期平均地溫較露地高0.8 ℃[8]；采用秸稈地膜雙覆蓋可以在降水較少的玉米生長(zhǎng)前期利用深層儲(chǔ)水來提高土壤表墑，同時(shí)在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)提高積溫57.9 ℃[9]。由此可見，將免耕技術(shù)和覆蓋技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用在風(fēng)沙土地區(qū)，一方面可減少對(duì)風(fēng)沙土的擾動(dòng)，另一方面可擴(kuò)大土壤水庫容量，有利于土壤質(zhì)量的維持和提高。

本研究以遼西北地區(qū)風(fēng)沙土土壤為研究對(duì)象，以傳統(tǒng)雨養(yǎng)無灌溉為對(duì)照(CK)，通過在滴灌條件下設(shè)置免耕無覆蓋(MG)、免耕秸稈覆蓋(MJ)、免耕地膜覆蓋(MM)等3個(gè)處理，研究不同覆蓋措施對(duì)免耕種植玉米生長(zhǎng)和水分利用效率(water use efficiency，簡(jiǎn)稱WUE)的影響，探究風(fēng)沙土土壤適宜的利用方式，以期為風(fēng)沙土土地資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在遼寧省水利水電科學(xué)研究院阿爾鄉(xiāng)沙漠生態(tài)園內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)園位于遼寧省彰武縣北甸子村(地理位置為 122°23′E，42°50′N)，地處科爾沁沙地南緣，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，其主要特征是干燥、風(fēng)沙大。多年平均降水量為 412 mm，降水量年內(nèi)分布不均，夏季降水量占全年降水量的60%～70%；多年平均蒸發(fā)量為1 781 mm；年平均氣溫為 6.1 ℃，平均風(fēng)速為3.7～4.2 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá) 24.0 m/s，沙塵暴天氣可持續(xù)10～15 d；植物生長(zhǎng)期為145～150 d，無霜期為154 d。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為流動(dòng)風(fēng)沙土，土壤容重為1.7 g/cm3，田間持水量為6.3%，凋萎含水量為 1.7%。土壤機(jī)械組成以細(xì)沙為主，占總量的70.0%，物理性黏粒和粗沙很少；有機(jī)質(zhì)含量為0.66 g/kg。

1.2 試試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年5—9月進(jìn)行，設(shè)免耕無覆蓋(MG)、免耕秸稈覆蓋(MJ)和免耕地膜覆蓋(MM)3個(gè)免耕滴灌處理，同時(shí)以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植方式，即雨養(yǎng)無灌溉為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)分布方式。小區(qū)南北朝向，長(zhǎng)為40 m；東西方向以林帶為隔斷，寬為8.4 m，面積為336 m2。玉米品種選用鄭單958，滴灌處理均采用寬窄行種植，玉米寬行行距為0.8 m，窄行行距為0.4 m，株距為0.3 m，滴灌帶位于窄行中央，單條滴灌帶灌溉2行玉米，滴頭間距為0.3 m，滴灌帶滴頭流量為1.38 L/h。采用機(jī)械完成耕種作業(yè)，農(nóng)機(jī)為可拆卸大壟雙行玉米膜下滴灌一體機(jī)，可同時(shí)完成施底肥、注藥、播種、鋪滴灌帶、覆膜等作業(yè)，MG處理和MJ處理在機(jī)械行走時(shí)不放置地膜，MG處理每1～2 m在滴灌帶上覆土，防止滴灌帶的吹動(dòng)移位；MJ處理在滴灌帶鋪設(shè)完畢后在壟上均勻鋪放玉米秸稈，秸稈長(zhǎng)度為60 cm，垂直滴灌帶放置。CK處理的玉米等寬種植，行距為0.6 m，株距為0.3 m。

1.3 田間管理

播種前對(duì)種子進(jìn)行晾曬處理，底肥施225 kg/hm2磷酸二銨，225 kg/hm2復(fù)合肥。5～6葉期定苗，拔節(jié)期中耕除草，噴施農(nóng)藥甲胺磷1次，防治蟲害。結(jié)合氣象條件補(bǔ)充灌溉，玉米生育期內(nèi)共灌溉4次，單次灌水定額為20.0 mm。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

降水和蒸發(fā)利用試驗(yàn)站內(nèi)的小型氣象站測(cè)定，每天 08：00 測(cè)量并記錄1次。灌溉水量通過水表控制。土壤含水量用管式時(shí)域反射計(jì)(time domain reflectometry，簡(jiǎn)稱TDR)測(cè)量，TDR測(cè)管埋在小區(qū)中部同一行相鄰2株玉米中間位置，埋深為1 m，每7 d測(cè)1次，測(cè)深為1 m，每0.2 m為1個(gè)測(cè)定深度。玉米株高、莖粗和單株全部展開葉的葉面積等每2周測(cè)1次；按長(zhǎng)×寬×系數(shù)法調(diào)查葉面積，葉面積指數(shù)(leaf area index，簡(jiǎn)稱LAI)通過葉面積與單位土地面積折算求得；收獲時(shí)在各小區(qū)隨機(jī)取10株，收獲后室內(nèi)考種，各小區(qū)單獨(dú)收獲考種、脫粒、曬干并計(jì)產(chǎn)，每個(gè)處理的玉米產(chǎn)量為處理各小區(qū)的實(shí)際產(chǎn)量；生育期耗水量采用土壤水量平衡法進(jìn)行計(jì)算，水分利用效率為玉米產(chǎn)量與耗水量的比值。

常規(guī)數(shù)據(jù)整理由Excel 2010完成，單因素方差分析由SPSS 20.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋對(duì)免耕種植玉米生長(zhǎng)的影響

2.1.1 株高 由圖1可知，各處理玉米株高從苗期到抽穗期均隨著生育期的進(jìn)行而增加，抽穗期后，株高基本穩(wěn)定。不同處理之間，滴灌處理植株株高整體高于雨養(yǎng)種植處理，苗期滴灌灌溉處理的株高比CK處理高50%，在苗期和拔節(jié)期各滴灌灌溉處理與CK處理均達(dá)到顯著差異水平；拔節(jié)期后，MG處理與CK處理差異不顯著，MJ處理、MM處理仍顯著高于CK處理。在苗期至拔節(jié)期，覆蓋方式對(duì)滴灌條件下玉米株高影響較小，MG處理、MJ處理、MM處理之間差異不顯著；抽穗期至成熟期，MJ處理、MM處理玉米株高比MG處理約高50 cm，達(dá)到顯著差異水平，MJ處理和MM處理之間株高差異約為20 cm，差異不顯著。說明灌溉是影響玉米株高生長(zhǎng)的主要因素，拔節(jié)期后覆蓋對(duì)株高生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，不同覆蓋方式對(duì)玉米株高影響較小。

2.1.2 莖粗 由圖2可知，玉米莖粗隨著生育期的進(jìn)行先增大后趨于穩(wěn)定，苗期至拔節(jié)期玉米莖粗增長(zhǎng)幅度較大，各處理增幅均在50%及以上；拔節(jié)期后莖粗穩(wěn)定在1.9～2.7 cm；成熟期MG處理和MJ處理玉米莖粗有減小趨勢(shì)。在不同處理之間，滴灌處理的莖粗大于CK處理，尤其在生長(zhǎng)前期，達(dá)到顯著差異水平，成熟期MG處理與CK處理差異不顯著，但MJ處理和MM處理的玉米莖粗均顯著大于CK處理。滴灌處理中，覆蓋處理玉米莖粗整體大于無覆蓋處理，在苗期至抽穗期差異并不顯著，隨著生育期的進(jìn)行，覆蓋對(duì)莖粗的促進(jìn)作用越來越明顯，在成熟期MJ和MM處理玉米莖粗均顯著大于MG處理，其中，MM處理莖粗最大，比MJ處理大12.5%。結(jié)果表明，苗期補(bǔ)充灌溉是影響植株莖粗生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，盡管雨養(yǎng)條件下玉米莖粗在拔節(jié)后隨著雨季雨水的補(bǔ)給有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，但始終小于灌溉處理；覆蓋有利于獲得粗壯株型，且地膜覆蓋作用效果整體優(yōu)于秸稈覆蓋。

2.1.3 葉面積指數(shù) 由圖3可知，隨著生育期的進(jìn)行，各處理玉米葉面積指數(shù)先增大后減小；苗期至抽穗期玉米LAI增長(zhǎng)最為迅速，LAI增加12.0～15.1倍，抽穗期達(dá)到最大，LAI在2.7～3.8之間，進(jìn)入成熟期后，各處理玉米葉面積指數(shù)均減小，減幅為3.8%～11.2%。不同處理之間，CK處理玉米葉面積指數(shù)始終小于灌溉處理，并均與灌溉處理達(dá)到顯著差異，其中在拔節(jié)期差異最為明顯。在不同滴灌處理之間，覆蓋處理玉米LAI高于無覆蓋處理，且拔節(jié)期后，MJ處理玉米LAI最高，在抽穗期達(dá)到 3.8，分別比MG處理和MM處理高12.0%、7.6%，在成熟期分別高出11.4%、5.6%；方差分析結(jié)果表明，滴灌條件下不同覆蓋處理玉米LAI差異均不顯著。說明灌溉是導(dǎo)致玉米LAI差異的主要因素， 雨養(yǎng)不利于獲取較高的LAI；覆蓋有利于LAI的提高，但與滴灌灌溉對(duì)LAI的促進(jìn)作用相比，覆蓋對(duì)LAI的提高作用并不明顯。

2.2 不同覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率的影響

2.2.1 產(chǎn)量構(gòu)成 由表1可知，CK處理除玉米禿尖長(zhǎng)外，其他考種指標(biāo)，如玉米穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、穗粗、穗行數(shù)、穗行粒數(shù)、穗粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量等均顯著低于滴灌灌溉處理，其中，穗質(zhì)量和穗行粒數(shù)較灌溉處理低40.0%～50.0%，CK處理玉米禿尖長(zhǎng)較其他處理長(zhǎng)11.5%～123.1%，且和MG處理、MM處理之間的差異達(dá)到顯著水平。不同滴灌處理之間，除百粒質(zhì)量外覆蓋處理各項(xiàng)考種指標(biāo)均大于無覆蓋處理，其中穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、穗粗高出 5.0%～12.4%，穗行粒數(shù)和穗粒質(zhì)量提高3.6%～9.6%；滴灌各處理百粒質(zhì)量為40.2～42.5 g，差異較小；覆蓋同時(shí)增加了玉米禿尖長(zhǎng)度，MJ處理和MM處理禿尖分別較MG處理長(zhǎng) 1.3、0.4 cm；方差分析結(jié)果表明，無覆蓋處理除玉米穗粗和穗行數(shù)顯著低于覆蓋處理外，其他考種指標(biāo)與覆蓋處理均未達(dá)到顯著差異水平。與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋玉米禿尖長(zhǎng)長(zhǎng) 0.9 cm，穗粗和穗行數(shù)分別低1.9%、4.4%，其他考種指標(biāo)提高1.5%～7.0%；2個(gè)處理的各指標(biāo)差異均未達(dá)到顯著水平。說明滴灌灌溉有利于產(chǎn)量形成；滴灌條件下，秸稈覆蓋整體優(yōu)于地膜覆蓋，地膜覆蓋整體優(yōu)于無覆蓋。

表1 不同覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。下表同。

表2 不同覆蓋對(duì)玉米產(chǎn)量和WUE的影響

2.2.2 產(chǎn)量與水分利用效率 由表2可知，各處理玉米產(chǎn)量由大到小依次為MJ處理>MM處理>MG處理>CK處理。MJ處理、MM處理和MG處理玉米產(chǎn)量分別較CK處理增產(chǎn)3.0、2.8、2.5 t/hm2，增幅分別為55.6%、51.9%、46.3%，均與對(duì)照達(dá)到顯著差異水平，但滴灌處理之間差異不顯著，即滴灌灌溉能顯著增產(chǎn)，覆蓋有利于提高產(chǎn)量，其中秸稈覆蓋效果較為明顯。各處理的水分利用效率由大到小依次為CK處理>MJ處理>MM處理>MG處理。CK處理水分利用效率最高，分別比MJ、MM和MG處理高34.2%、36.0%和41.7%，且各滴灌處理與CK處理均達(dá)到顯著差異水平；在滴灌處理中，MJ處理和MM處理的WUE分別為1.52、1.50 kg/m3，分別比MG處理高5.6%、4.2%，但3個(gè)處理間差異不顯著。這說明覆蓋對(duì)提高水分利用效率有一定的作用，秸稈覆蓋效果優(yōu)于地膜覆蓋；但在灌溉條件下，隨著耗水量的增加，WUE反低于雨養(yǎng)種植，這是由于雨養(yǎng)條件下無灌溉，土壤水分僅依靠降水補(bǔ)充，以犧牲產(chǎn)量來獲得較高的WUE。

3 討論與結(jié)論

遼西北地區(qū)是春旱頻發(fā)區(qū)，春季多風(fēng)，而風(fēng)沙土保水保肥性差，因此土壤失墑快。盡管當(dāng)?shù)赜牮B(yǎng)種植在多年生產(chǎn)實(shí)踐中形成了一些實(shí)用有效的經(jīng)驗(yàn)，但在雨水年內(nèi)分配不均的年份仍會(huì)遭到不同程度的減產(chǎn)損失，嚴(yán)重年份甚至絕收。結(jié)果表明，灌溉是風(fēng)沙土農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，拔節(jié)期前由于少雨多風(fēng)，雨養(yǎng)種植缺少水分補(bǔ)充，玉米生長(zhǎng)受到抑制，植株株高和莖粗均不如灌溉處理；雖然這一不利影響在雨季后得到緩解，但補(bǔ)償作用有限，玉米生長(zhǎng)性狀始終低于灌溉處理，并在生長(zhǎng)后期進(jìn)一步影響到產(chǎn)量構(gòu)成，造成低產(chǎn)。

免耕覆蓋組合條件下，覆蓋能有效地抑制土壤蒸發(fā)，提高灌溉水的有效性[10]，從而為玉米生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的水分條件，在玉米苗期至拔節(jié)期，植株較小，需水量少，水分差異引起的生長(zhǎng)性狀差異并不明顯，隨著生長(zhǎng)期的進(jìn)行，拔節(jié)期后水分條件差異導(dǎo)致植株性狀產(chǎn)生明顯差異，這是免耕無覆蓋植株株高、莖粗和LAI低于覆蓋處理的根本原因，最終產(chǎn)量構(gòu)成和水分利用效率等也整體低于覆蓋處理。

有研究表明，雖然在一些區(qū)域免耕秸稈覆蓋能夠改善土壤的水分條件，增加土壤碳儲(chǔ)量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致土壤表層溫度降低[11]，特別當(dāng)春季氣溫回升時(shí)，免耕秸稈覆蓋措施下土壤溫度回升緩慢，不利于玉米出苗及產(chǎn)量的增加[12]。而地膜透光性強(qiáng)，隔絕了土壤與外界的水分交換，消除了潛熱交換，削弱了顯熱交換，使增溫作用明顯[13]。這可能是在生長(zhǎng)前期膜下滴灌作物長(zhǎng)勢(shì)好于秸稈覆蓋的原因。抽穗期后，隨著進(jìn)入夏季氣溫升高和地膜的碎化，低溫不再是影響植株生長(zhǎng)的制約因素，秸稈覆蓋對(duì)調(diào)控土壤溫度和集蓄雨水、抑制蒸發(fā)的效果明顯，但此時(shí)植株已從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，因此，植株長(zhǎng)勢(shì)基本穩(wěn)定，LAI、產(chǎn)量及其構(gòu)成、WUE基本高于地膜覆蓋處理。

在本試驗(yàn)中，雨養(yǎng)種植因無灌溉水量，WUE高于灌溉處理。在生產(chǎn)實(shí)踐中， 一方面雨養(yǎng)的產(chǎn)量取決于生育期內(nèi)的氣象條件，具有隨機(jī)性；另一方面，隨著生產(chǎn)資料和用工投入的增加，雨養(yǎng)種植經(jīng)濟(jì)性差，因此綜合試驗(yàn)結(jié)果，在風(fēng)沙土地區(qū)免耕秸稈覆蓋滴灌是較為適宜的種植方式。