新復(fù)墾區(qū)春玉米生產(chǎn)適宜耕作方式試驗研究

王 娟， 仲昭易， 張 瑜， 馮紹元

(揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 研究背景

土地資源是人類社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)。我國人多地少，目前正處于快速工業(yè)化和城鎮(zhèn)化階段，隨著社會經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，用于基礎(chǔ)建設(shè)的土地面積激增，而可用來補(bǔ)充耕地的后備土地資源日漸減少。在提高耕地單位面積生產(chǎn)力的同時如何高效地開發(fā)利用潛在土地資源，成為目前農(nóng)業(yè)發(fā)展中緩解我國人地矛盾、保障我國糧食安全和生態(tài)安全急需解決的問題[1]。新復(fù)墾土地作為被重新利用的土地資源，原有的耕種條件較差，很難快速達(dá)到較高生產(chǎn)能力，同時存在著生態(tài)環(huán)境脆弱、潛在退化威脅大等問題。因此，提高并保證新復(fù)墾土地生產(chǎn)力對于土地資源的高效利用具有重要意義。

大量的研究表明，相對于傳統(tǒng)耕作，地膜覆蓋能蓄水保墑，調(diào)節(jié)土壤溫度，抑制地表蒸發(fā)，為作物生長發(fā)育提供良好的農(nóng)田環(huán)境，從而提高作物產(chǎn)量[2-3]。秸稈深埋作為秸稈還田方式的一種，可以改善土壤結(jié)構(gòu)，增加降雨攔蓄入滲，且通過秸稈自身腐解為土壤肥力的提升具有重要意義[4-5]。已有研究多以地表覆蓋或秸稈深埋單一措施為主，而在農(nóng)田中將兩種措施相結(jié)合能獲得更好的潛在效果[6-7]。然而，秸稈深埋及地膜覆蓋在新復(fù)墾區(qū)土壤環(huán)境改良效果及農(nóng)作物產(chǎn)量的影響方面的研究尚且較少。

本研究基于傳統(tǒng)耕作(CK)、秸稈深埋(BS)、地膜覆蓋(FM)、地膜覆蓋+秸稈深埋(FM+BS)4種耕作方式在新復(fù)墾區(qū)農(nóng)田開展試驗，對0～100 cm土層春玉米土壤水分、養(yǎng)分及作物產(chǎn)量進(jìn)行了測定和分析，探明不同耕作方式對土壤環(huán)境及春玉米生長和產(chǎn)量的影響效應(yīng)，以期優(yōu)選除最佳方式，為新復(fù)墾區(qū)土地資源的合理開發(fā)和高效利用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2017年4-10月在揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)水與水文水生態(tài)試驗場(32°20′N，119°23′E)進(jìn)行。該試驗場地屬北亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和，常年平均氣溫14.8℃，其中冬季1月溫度最低，月平均氣溫約3.9℃，夏季7月溫度最高，月平均氣溫26.9℃。全年無霜期共223 d，全年日平均氣溫≥10℃以上占233 d。常年光照充足，年日照時數(shù)約2 000 h，年平均總輻射量4.84×106kJ/m2。雨量充沛，年平均降水量1 063.2 mm，雨日110 d。降雨季節(jié)分布不均，夏季雨量約40.1%，冬季13.0%，全年70%左右的降雨量集中在4-9月，降雨強(qiáng)度以中小雨為主。

試驗場于2016年建成，屬于典型的新復(fù)墾土地。復(fù)墾前為荒地，且由于周邊新建建筑物，田間有少量建筑垃圾，在建成試驗場前做了清理，且對田面進(jìn)行了整平等處理。經(jīng)測定，試驗區(qū)土壤主要為砂質(zhì)壤土，表層土壤容重為1.37 g/cm3，飽和含水率38.05%，飽和導(dǎo)水率8.07×10-4cm/s，土壤顆粒級配及養(yǎng)分本底值如表1所示。

2.2 試驗設(shè)計

當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式為地表均勻施底肥并用旋耕機(jī)進(jìn)行5 cm表層淺翻耕，不做地膜或秸稈等其他任何處理。本試驗以傳統(tǒng)耕作(CK)為對照，設(shè)置秸稈深埋(BS)、地膜覆蓋(FM)及秸稈深埋與地膜覆蓋組合(FM+BS)共3個試驗處理，每個處理3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計排列，每個小區(qū)面積10 m2(5 m×2 m)，小區(qū)的東-西兩側(cè)人工開矩形排水溝，寬約50 cm，深約30 cm。耕作方式試驗設(shè)計處理如表2所示。

秸稈深埋采用往季水稻秸稈，機(jī)械打碎至3～6 cm，用量約18 000 kg/hm2，地表土壤按0～20 cm和20～35 cm層依次取出，隨后將之前挖出的土按原層回填并壓實。地膜覆蓋采用全地表覆蓋方式，薄膜相接處用土壓實，且在膜上每隔100 cm壓一條土帶，以保證覆膜穩(wěn)定。春玉米種植株行距為40×50 cm。在播種前施底肥(N-P2O5-K2O質(zhì)量百分比含量為15-15-15，總養(yǎng)分≥45%)，全施肥量均657 kg/hm2。除耕作方式不同外，其他田間管理措施如灌溉、施肥等均相同。供試春玉米品種為鄭單11號，于2017年4月15日播種，7月26日收獲，全生育期共101 d。

表1 土壤理化性質(zhì)

表2 耕作方式試驗設(shè)計與處理

2.3 測定項目與方法

試驗期間，分別于玉米播種期(4月15日)、苗期(4月27日)、拔節(jié)期(5月25日)、抽雄期(6月3日)、大喇叭口期(6月15 日)、灌漿期(6月27日)、收獲期(7月26日)在各小區(qū)隨機(jī)位置處通過土鉆法采集土壤樣品，取土深度均為100 cm共7層(0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm)。土鉆取至目標(biāo)深度處，混合該土層土壤，取適量裝入自封袋并及時放入野外冷藏箱。將新鮮土壤樣品帶回實驗室后，部分進(jìn)行土壤含水量及硝態(tài)氮測定，其余風(fēng)干、研磨、過篩以備后續(xù)指標(biāo)測定。采用烘干法測定土壤含水量，重鉻酸鉀容量法測定有機(jī)質(zhì)，堿解擴(kuò)散法測定堿解氮。從玉米播種后25 d開始，每個小區(qū)選取有代表性的玉米植株3株，每10 d用鋼卷尺測定株高、葉片的長度和寬度，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定莖粗，葉面積指數(shù)通過估算法計算得出。在玉米收獲期，每個小區(qū)隨機(jī)選取9個穗測定其穗長、穗粗、百粒重、穗行數(shù)及行粒數(shù)；同時選取10株玉米穗進(jìn)行脫粒，曬干后稱取重量，作為產(chǎn)量；從已測產(chǎn)的玉米粒中每處理隨機(jī)取100粒進(jìn)行稱重，重復(fù)6次，取3個重復(fù)小區(qū)的平均數(shù)作為各處理百粒重。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行表格統(tǒng)計，Origin 8.0進(jìn)行圖形繪制，DPS V7.05進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，LSD法顯著性檢驗(p<0.05)。

2.5 灰色多維綜合隸屬度評價方法

灰色多維綜合隸屬度評價能同時兼顧多個目標(biāo)性狀，科學(xué)、合理地對作物品種及方案方法進(jìn)行評估，得到眾多學(xué)者的共識[8-9]?；疑嗑S綜合隸屬度評價步驟包括：(1)確定灰色系統(tǒng)中的參考數(shù)列和灰元，即設(shè)立評估對象，設(shè)定評語等級類別的界限值和評語集合；(2)假設(shè)任一方案的任一觀測值為x，對其隸屬度函數(shù)值的判斷方法為，若x≤L，則f=x/L;若L3L，f=(4L-x)/L，L為該觀測指標(biāo)即評價性狀對應(yīng)每個等級評語的界限值，以此確定各評價等級的隸屬度函數(shù)子矩陣；(3)確定各觀測指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；(4)求出模糊關(guān)系矩陣，進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，從而得出模糊綜合評估矩陣；(5)依據(jù)最大隸屬度原則得出各評估對象的模糊綜合評價結(jié)果[10]。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同耕作方式處理對土壤水分的影響

3.1.1 玉米根系層(0～60 cm)土壤水分變化及差異 作物吸水過程與根系密切相關(guān)，根系生物量決定著作物產(chǎn)量高低[11]，而根系層土壤水分狀況影響著作物根系發(fā)育。由于春玉米生長初期常遇到干旱威脅，優(yōu)化田間土壤水分狀況對春玉米的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成至關(guān)重要。圖1為春玉米全生育期主要根系層0～60 cm土層土壤平均含水量動態(tài)變化。

圖1 春玉米全生育期0～60 cm土壤水分動態(tài)變化

由圖1可知，各處理土壤水分變化趨勢大致相同，隨著地表蒸發(fā)及春玉米生長耗水，土壤水分持續(xù)下降，直至灌水后出現(xiàn)回升，隨后繼續(xù)降低。FM處理0～60 cm土層土壤水分播種后下降幅度較緩，而在灌水前出現(xiàn)谷值(0.126)，低于其他處理。這是因為土壤水分主要受降雨入滲、地表蒸發(fā)及作物自身耗水的影響，地膜覆蓋阻隔了大氣與地表的水分交換，有效抑制了地表土壤蒸發(fā)，將水分最大程度的貯存在作物根系層，達(dá)到持續(xù)保墑的效果[7, 12-13]。然而，灌水前土壤水分的輸入以降雨為主，F(xiàn)M全地表地膜在阻斷土表蒸發(fā)的同時妨礙了降雨入滲，從而在試驗小區(qū)局部發(fā)生膜上徑流流失。FM+BS處理土壤水分均高于其他處理，這是除地表覆膜降低了蒸發(fā)之外，深層的秸稈層阻斷了土壤毛管的輸水作用，從而將土壤水分封存在深層土壤，提高了土壤保水能力。尤其在春玉米生長前期，降雨較少，玉米根系主要分布于表土0～20 cm處，無隔層處理深層土壤水分通過強(qiáng)烈的毛管力上移，補(bǔ)充春玉米生長的水分需求。

眾多的研究結(jié)果表明，秸稈深埋提高了土壤孔隙度，改善了土壤結(jié)構(gòu)，能提高土壤對雨水的攔蓄能力[14-16]，然而本研究中，BS與CK處理土壤含水量差異不大，且變化趨勢基本一致，這可能是因為本試驗中秸稈埋設(shè)深度較深，對表面土壤的入滲及水分狀況影響不大。在后續(xù)研究應(yīng)注重秸稈埋設(shè)深度對土壤水分的影響。張瑜等[5]的研究對60～100 cm的深層水分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明拔節(jié)期～灌漿期CK、BS、FM、FM+BS處理深層土壤的平均含水率分別較苗期～拔節(jié)期增加3.68%，2.64%，6.56%和6.43%，其原因在于春玉米生長中后期，充足的降雨量對土壤水庫進(jìn)行了補(bǔ)充。

3.1.2 春玉米生長水分敏感期土壤剖面水分狀況 眾多研究表明，玉米拔節(jié)期土壤水分的不足會影響花后光合同化產(chǎn)物的積累和花前貯藏物質(zhì)的再轉(zhuǎn)運(yùn)，從而抑制果穗發(fā)育，并最終影響籽粒灌漿導(dǎo)致減產(chǎn)[17-18]。玉米品種耐旱試驗結(jié)果表明，玉米抽雄期、大喇叭口期水分脅迫使春玉米減產(chǎn)最重，苗期和拔節(jié)期復(fù)水后，玉米植株可快速彌補(bǔ)部分或全部因前期干旱而減少的生長量[19]?；谇叭搜芯拷Y(jié)果，本文對比分析了春玉米拔節(jié)期和大喇叭口期各處理土壤剖面含水量分布情況，如圖2所示。

圖2 春玉米拔節(jié)期及大喇叭口期土壤剖面含水量分布

由圖2可知，BS處理表層(0～20 cm)土壤含水量均低于其他處理，但拔節(jié)期20～40 cm深度處土壤水分相比FM+BS、FM和CK處理分別高8.8%、11.1%、10.3%。這可能是因為秸稈深埋改善了土壤孔隙狀況，從而加速了土表水分蒸發(fā)[15]，但由于秸稈隔層阻斷了土壤毛管的向上輸水作用，導(dǎo)致秸稈埋設(shè)層土壤水分高于其他處理[16]。拔節(jié)期60～100 cm土層，F(xiàn)M處理土壤含水量分別較CK、BS、FM+BS高9.7%、5.7%、5.6%，體現(xiàn)了地膜覆蓋較好的蓄水保墑能力，為后期玉米的生長提供水分保障[2]。大喇叭口期土壤含水量在降雨后測定，由于降雨補(bǔ)充了土壤水庫，各處理淺層土壤水分差異不大。大喇叭口期，玉米生長耗水量增加，土壤水勢梯度加大，底層土壤水在毛管力作用下迅速上移，CK處理40～60 cm處土壤水分均高于其他處理，地膜覆蓋處理含水量最低(0.153)，這可能是因為地膜覆蓋降低了土壤垂向蒸發(fā)，深層土壤對該層土壤的補(bǔ)給較少[7]。

3.2 不同處理下土壤養(yǎng)分動態(tài)

地表覆膜改變了土壤水熱狀況，從而對土壤酶活性及微生物活動產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分狀況改變。同時，秸稈作為介質(zhì)加入土壤，也會引起土壤肥力改變[4]。表3和表4分別統(tǒng)計了春玉米全生育期不同土層深度處有機(jī)質(zhì)(SOM)和堿解氮(AN)的均值，用以反映不同處理下土壤養(yǎng)分的整體狀況。

由表3可知，在土壤表層0～10 cm處和20～30 cm深度處，BS處理全生育期有機(jī)質(zhì)均值顯著高于對照處理(P<0.05)，這主要是因為深埋的秸稈層為土壤中微生物提供了充足的能量和基礎(chǔ)源物質(zhì)，且提高了微生物和土壤酶活性，為土壤生化反應(yīng)的進(jìn)行提供了有利條件[20]。在30～40 cm處，F(xiàn)M+BS處理SOM均值較CK、BS、FM處理下分別高出17.55%、3.13%和4.34%。這是由于地表覆膜的作用，改善了土壤水熱狀況，加速了秸稈層的腐解，從而釋放更多的有機(jī)態(tài)養(yǎng)分，提高土壤肥力[21-22]。王勝楠等[23]重點研究了秸稈深還田對土壤有機(jī)碳及其組分的影響，研究結(jié)果顯示秸稈層土壤有機(jī)碳含量顯著升高。值得一提的是在春玉米生育期內(nèi)FM處理下SOM均值在10～20 cm土層顯著低于其他處理，而在40～60 cm土層則顯著高于其他處理(P<0.05)，眾多學(xué)者在關(guān)于地膜覆蓋的研究中也指出，地膜覆蓋導(dǎo)致土壤溫度升高，從而加劇了有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分釋放，加速了土壤碳的礦化過程，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量較低[24-25]，尤其在春玉米生育后期，耕層有機(jī)碳含量顯著低于對照[6]。

各處理AN均值僅在0～20cm土層表現(xiàn)出顯著差異，堿解氮運(yùn)移與土壤水分密切相關(guān)，全生育期AN均值消減了其在各生育期的差異。由表4可知，0～10 cm土層，F(xiàn)M+BS與BS處理AN均值顯著高于FM處理(P<0.05)，且BS處理10～20 cm土層AN含量顯著高于FM和CK(P<0.05)，且進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，收獲期土壤AN含量表現(xiàn)為BS>FM+BS>CK>FM，說明深埋的秸稈層在土壤中腐爛分解后可將其在生長期間留存在植株體內(nèi)的養(yǎng)分回歸到土壤中，繼續(xù)可以發(fā)揮其供氮能力，表現(xiàn)為土壤氮素的累積和供氮能力的提高，這與前人的研究結(jié)果是一致的。

3.3 春玉米生長狀況及產(chǎn)量

對收獲期春玉米株高、莖粗、葉面積指數(shù)和春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的統(tǒng)計分析結(jié)果表明(表5)，F(xiàn)M+BS處理收獲期株高顯著高于其他處理(P<0.05)，但各處理春玉米莖粗與葉面積指數(shù)均無顯著差異。

春玉米產(chǎn)量與生長狀況表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，F(xiàn)M+BS處理春玉米穗長、百粒重和產(chǎn)量均顯著高于其他處理(P<0.05)，這與前人在其他類型土壤中的研究結(jié)果一致[2,26-27]。這主要是因為FM+BS有利的水熱和土壤養(yǎng)分條件下為春玉米生長發(fā)育提供了良好的基礎(chǔ)[21-22,28]。

表3 春玉米全生育期不同土層土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)均值 g/kg

注：表中小寫字母標(biāo)記5%顯著水平，字母相同表示數(shù)據(jù)差異不顯著，字母不同則表示差異顯著，下同。

3.4 對不同耕作方式的評價

基于上述不同耕作方式下土壤水分、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量的分析，以及春玉米株高、葉面積指數(shù)和產(chǎn)量的統(tǒng)計，采用多維綜合隸屬度評價法對各不同耕作措施進(jìn)行綜合評價，從而合理客觀地優(yōu)選新復(fù)墾土地適宜的改良措施。

3.4.1 選取評價指標(biāo) 依據(jù)灰色多維綜合隸屬度評價指標(biāo)選取原則，表6中列出了選取的6類觀測指標(biāo)，用來代表待評價方案處理在不同評價指標(biāo)方面的優(yōu)劣性。

3.4.2 確定各觀測指標(biāo)等級界限值 采用灰色多維綜合隸屬度評價中較常見的4等級評語(優(yōu)良，較好，一般，較差)對各處理方案進(jìn)行評價。各項觀測值的最大值和最小值即為該指標(biāo)“優(yōu)良”和“較差”等級的界限值，“較好”和“一般”的界限值則介于二者中間。依照此方法劃分各觀測指標(biāo)界定結(jié)果如表6所示。

3.4.3 構(gòu)建各評語等級隸屬度函數(shù)子矩陣 假設(shè)4個待評價方案組成評價對象集合M=(m1，m2，m3，m4)，所要評價的6類觀測指標(biāo)組成評價性狀集合N=(n1，n2，n3，n4，n5，n6)，評語集E=(優(yōu)良，較好，一般，較差)，M方案第N個觀測值的4個等級隸屬度函數(shù)值為F(f優(yōu)良，f較好，f一般，f較差)。得到4個待評價方案6項觀測指標(biāo)的等級f值所構(gòu)成的隸屬度函數(shù)矩陣，如下：

3.4.4 確定觀測指標(biāo)權(quán)重 所選的6類觀測指標(biāo)在方案評估中所占的比重不同，需根據(jù)其重要程度來確定權(quán)重系數(shù)。對于多指標(biāo)綜合評價方法權(quán)重系數(shù)的選擇，目前常用的主要有專家咨詢權(quán)數(shù)法、因子分析權(quán)數(shù)法、信息量權(quán)書法、獨立性權(quán)數(shù)法、主成分分析法、層次分析法、優(yōu)序圖法、熵權(quán)法等[29-30]。在本文中選用專家咨詢權(quán)數(shù)法確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，得到土壤含水量，堿解氮含量，有機(jī)質(zhì)含量，春玉米株高，葉面積指數(shù)，產(chǎn)量的權(quán)重向量W=[0.18,0.16,0.16,0.15,0.15,0.22]T。

3.4.5 綜合隸屬度計算 通過模糊運(yùn)算R=W·∑f計算各評價方案的綜合隸屬度矩陣如下所示：

(1)

式中：R為綜合隸屬度值。

上述矩陣R的行即表示各待評價方案，縱列則分別對應(yīng)該方案在“優(yōu)良”，“較好”，“一般”，“較差”級別的隸屬度值。依據(jù)灰色多維綜合隸屬度評價原則，某方案M的評價結(jié)果為矩陣R中該行最大數(shù)值所對應(yīng)的等級。對于等級相同的處理，則比較對應(yīng)等級隸屬度數(shù)值的大小，數(shù)值較大的為較優(yōu)處理?；诖?，得出本試驗中CK、BS、FM及FM+BS處理的優(yōu)劣等級分別為較差、一般、較好、優(yōu)良，說明秸稈深埋結(jié)合地表覆膜處理為適宜該新復(fù)墾區(qū)春玉米生產(chǎn)較為適宜的耕作措施。

4 結(jié) 論

(1)春玉米生育期內(nèi)，F(xiàn)M+BS處理提高了0～60 cm土層土壤含水量，且優(yōu)化了春玉米需水關(guān)鍵期土壤剖面水分分布，滿足作物對水分的需求，體現(xiàn)了明顯的蓄水保墑效果。

(2)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量表現(xiàn)為BS>FM+BS>FM>CK和BS>FM+BS>CK>FM的趨勢。BS顯著提高了土壤表層0～30 cm有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05)，有效改善了土壤養(yǎng)分水平和供給能力，而FM在提高土壤養(yǎng)分方面優(yōu)勢并不明顯。

(3)FM+BS處理顯著提高了收獲期春玉米株高、穗長、百粒重和產(chǎn)量。

(4)采用多維綜合隸屬度綜合評價法對各耕作方式進(jìn)行評價，結(jié)果可為適宜新復(fù)墾區(qū)春玉米生長的耕作措施的探索研究提供依據(jù)。本文重點討論了秸稈埋設(shè)深度為35 cm時土壤的水分養(yǎng)分狀況，對于秸稈層適宜的埋設(shè)深度還需要進(jìn)一步研究探討。