綠洲灌區(qū)地膜秸稈交替覆蓋玉米農(nóng)田土壤水分利用特征

陳桂平，鄭德陽(yáng)，郭 瑤，范 虹，殷 文

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

覆蓋作為人工調(diào)控土壤水分環(huán)境和作物水分利用的措施，是降低農(nóng)田水分無(wú)效蒸發(fā)而增強(qiáng)水分利用的有效措施[1-2]。地膜與秸稈覆蓋作為輕簡(jiǎn)易化的農(nóng)業(yè)節(jié)水及水分高效利用技術(shù)，被認(rèn)為是干旱與半干旱地區(qū)至關(guān)重要的作物生產(chǎn)技術(shù)[2-3]。近年來(lái)，無(wú)色聚乙烯塑料薄膜因蓄水保墑、增溫及高產(chǎn)、水分高效利用而被大量應(yīng)用，已有研究得出，半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)地膜覆蓋玉米增產(chǎn)、提高水分利用效率均達(dá)到15%以上[4]，干旱內(nèi)陸灌區(qū)全膜覆蓋較不覆膜處理增產(chǎn)近30%[5]。秸稈覆蓋具有抑制土壤蒸發(fā)、保墑蓄水、調(diào)節(jié)地溫、提高肥力等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于干旱與半干旱地區(qū)作物生產(chǎn)[6-7]。然而，單一的地膜或秸稈覆蓋近年來(lái)均呈現(xiàn)出一定弊端，諸如單一地膜覆蓋在高溫季節(jié)，往往容易造成作物根區(qū)土壤的極端高溫，導(dǎo)致玉米根系及葉片發(fā)生早衰，從而影響產(chǎn)量及水分利用[8]，同時(shí)造成“白色污染”，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境惡化[9]；單一秸稈覆蓋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)，甚至呈現(xiàn)減產(chǎn)及降低水分利用的效應(yīng)[10]。玉米是干旱半干旱區(qū)的主栽作物，目前普遍采用地膜覆蓋栽培措施[11]，其高產(chǎn)及水分高效利用主要?dú)w因于土壤水熱特性的改善，資源利用隨生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)的優(yōu)化與調(diào)控[6,12]。西北干旱內(nèi)陸灌區(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而提高水分利用的技術(shù)亟待進(jìn)行，因而，地膜減量化生產(chǎn)技術(shù)備受關(guān)注?？v觀西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)氣候特征和單一覆蓋材料的優(yōu)缺點(diǎn)，能否采用地膜與秸稈交替覆蓋，或者免耕地膜兩年覆蓋利用與秸稈覆蓋替代全膜覆蓋，即將秸稈與地膜覆蓋及免耕技術(shù)集成在同一玉米栽培模式中，有望通過(guò)實(shí)現(xiàn)周年覆蓋，蓄納休閑期水分，優(yōu)化農(nóng)田土壤水分環(huán)境，增強(qiáng)作物需水與農(nóng)藝調(diào)控措施間的吻合度，研發(fā)適宜于干旱內(nèi)陸灌區(qū)玉米水分高效利用的農(nóng)藝管理技術(shù)。因此，本研究在典型干旱綠洲灌區(qū)，系統(tǒng)分析地膜秸稈交替覆蓋措施下玉米的產(chǎn)量特性及水分利用特征，以期為區(qū)域內(nèi)地膜減投玉米高產(chǎn)高效技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年在典型的干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)武威市黃羊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)工程研究院甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地進(jìn)行。該基地位于甘肅省武威市涼州區(qū)，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，多年平均氣溫約7.2℃，≥10℃的平均積溫為2 985℃；日照時(shí)數(shù)2 945 h，多年平均降水量低于200 mm，年蒸發(fā)量2 400 mm，是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)是玉米的主要生產(chǎn)區(qū)域，播種面積占糧食作物總面積的30%以上。該區(qū)域普遍采用深耕翻埋的傳統(tǒng)耕作方式；地膜使用量大，但回收率低，造成了嚴(yán)重的土壤污染；作物秸稈還田技術(shù)尚未成熟，沒(méi)有得到大面積推廣，嚴(yán)重浪費(fèi)，亟需研發(fā)有效的秸稈還田技術(shù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2014年度開(kāi)展預(yù)備試驗(yàn)，用于形成2015年度的免耕處理。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為耕作方式，設(shè)免耕(NT)和傳統(tǒng)耕作(CT，耕作深度25～30 cm，每年覆蓋新地膜)兩種耕作措施。副區(qū)為覆蓋方式，設(shè)5種模式：全膜覆蓋(P)，覆蓋寬度140 cm的地膜，每幅膜種3行，行距50 cm；70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋(P7S3)，覆蓋寬度90 cm的地膜，每幅膜種2行，行距50 cm；70%地膜覆蓋/30%不覆蓋(P7S0)，覆蓋寬度90 cm的地膜，每幅膜種2行，行距50 cm；50%地膜覆蓋/50%捆狀玉米秸稈覆蓋(P5S5)，覆蓋寬度70 cm的地膜，每幅膜種2行，行距40 cm；50%地膜覆蓋/50%不覆蓋(P5S0)，覆蓋寬度70 cm的地膜，每幅膜種2行，行距40 cm。共組成10個(gè)處理，每處理設(shè)3次重復(fù)，主區(qū)內(nèi)覆蓋方式隨機(jī)排列，不同地膜與秸稈覆蓋方式如圖1。P7S3與P5S5模式玉米秸稈覆蓋量為45 000 kg·hm-2與75 000 kg·hm-2，捆狀厚度均為25 cm。各處理播種密度均為82 500株·hm-2，由行距與株距協(xié)同調(diào)控。

注：(a)全膜覆蓋; (b)70%地膜覆蓋+30%不覆蓋; (c)50%地膜覆蓋+50%捆狀玉米秸稈覆蓋。Note: (a) whole plastic mulching; (b) 70% plastic mulching and 30% straw mulching; (c) 50% plastic mulching and 50% straw mulching.圖1 3種地膜與秸稈覆蓋方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of three plastic and straw mulching patterns

供試玉米(ZeamaysL.)品種為先玉335。玉米生育期總施純N 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。灌溉制度為冬儲(chǔ)灌120 mm，在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、開(kāi)花期、灌漿期分別灌水90、75、90、75、75 mm。灌水采用膜下滴灌方式，僅在地膜覆蓋區(qū)域進(jìn)行灌溉。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和計(jì)算方法

1.3.1 土壤含水量 采用烘干法測(cè)定玉米播種前與收獲后土壤含水量，耕層0～30 cm土層每10 cm為一層，30～120 cm土層每30 cm為一層。各小區(qū)在地膜覆蓋帶、秸稈覆蓋帶分帶測(cè)定，兩個(gè)帶內(nèi)測(cè)定值的平均值即是該小區(qū)的土壤含水量，并通過(guò)土壤含水量計(jì)算土壤貯水量。

1.3.2 土壤貯水量 (SWS) 用0～120 cm土層土壤含水量計(jì)算土壤貯水量，SWS為6個(gè)不同土壤層次貯水量的總和，計(jì)算公式：

式中，SWS為土壤貯水量(mm)，h為土層厚度(cm)，a為土壤容重(g·cm-3)，θ為土壤質(zhì)量含水量，10為單位換算系數(shù)。

1.3.3 耗水量 階段耗水量：

ET=P+I+SWSt2-SWSt1

式中，P為t1至t2時(shí)期的降雨量(mm)，I為t1至t2時(shí)期的灌溉量(mm)，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)。

生育期耗水量：

ET=P+I+SWSo-SWSh

式中，P為生育期內(nèi)降雨量(mm)，I為生育期內(nèi)灌溉量(mm)，SWSo為播前土壤貯水量(mm)，SWSh為收獲后土壤貯水量(mm)。

1.3.4 棵間蒸發(fā)量 采用PVC管自制微型蒸滲儀(內(nèi)徑為10 cm、高度為15 cm)測(cè)定。地膜秸稈交替覆蓋分別在地膜帶與秸稈帶各安裝一套。為保持測(cè)定精度，使蒸散儀內(nèi)部土壤水分與周?chē)寥酪恢?，于同一位置?5 d取周?chē)瓲钔烈愿鼡Q內(nèi)部土體。降雨或灌水后，微型蒸散儀內(nèi)易產(chǎn)生積水，需立即更換土體。兩次測(cè)定時(shí)間內(nèi)蒸滲儀重量的差值即為棵間蒸發(fā)量，土樣每減少1 g等于蒸發(fā)水分 0.1052 mm。不同覆蓋帶內(nèi)測(cè)定值的平均值即是該小區(qū)的棵間蒸發(fā)量；同一處理3次重復(fù)的平均值作為該處理的棵間蒸發(fā)量測(cè)定值。

1.3.5 耗水結(jié)構(gòu)(E/ET) 棵間蒸發(fā)量與耗水量的比值。

1.3.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素 玉米達(dá)到生理成熟時(shí)，按小區(qū)測(cè)定有效穗數(shù)并收獲，通過(guò)谷物水分測(cè)定儀(PM-8188)測(cè)定，以13%的谷物含水量為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)產(chǎn)，同時(shí)測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重。

1.3.7 水分利用效率

式中，Y為作物產(chǎn)量，ET為玉米全生育期內(nèi)耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理、匯總、圖表制作，使用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件及Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作措施與覆蓋方式下玉米農(nóng)田耗水特性差異

2.1.1 棵間蒸發(fā)量 耕作措施對(duì)玉米全生育期土壤蒸發(fā)量無(wú)顯著影響，覆蓋方式對(duì)玉米全生育期棵間蒸發(fā)量的效應(yīng)達(dá)極顯著，耕作措施與覆蓋方式的互作效應(yīng)不顯著。地膜秸稈交替覆蓋較全膜覆蓋及半膜無(wú)秸稈覆蓋處理顯著降低了棵間蒸發(fā)量(表1)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5較NTP分別降低19.8%與18.3%，較NTP7S0分別降低35.6%與34.3%，較NTP5S0分別降低34.9%與33.6%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5較CTP分別降低21.1%與20.2%，較CTP7S0分別降低38.6%與37.8%，較CTP5S0處理分別降低39.5%與38.7%(P<0.05)。與傳統(tǒng)對(duì)照CTP相比，NTP7S3與NTP5S5降低棵間蒸發(fā)量分別達(dá)到20.7%與19.1%。無(wú)論免耕與傳統(tǒng)耕作，地膜秸稈交替覆蓋與全膜覆蓋和半膜無(wú)秸稈覆蓋相比，均能夠有效降低玉米全生育期總棵間蒸發(fā)量，因此，地膜秸稈交替覆蓋是降低玉米農(nóng)田水分無(wú)效損耗的有效措施。

表1 不同耕作與覆蓋方式下玉米階段棵間蒸發(fā)量/mm

比較不同處理地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)，免耕措施下地膜覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量較傳統(tǒng)耕作措施降低7.8%(圖2)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量較NTP7S0、NTP5S0高11.7%～12.2%(P<0.05)，其中NTP5S5處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量最高。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP5S0處理地膜帶間棵間蒸發(fā)量最高，較CTP7S3、CTP5S5、CTP7S0分別高7.0%、4.2%、10.6%(P<0.05)。

比較不同處理秸稈覆蓋帶與不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)，耕作措施對(duì)秸稈覆蓋及不覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量的影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平(圖2)。免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5秸稈覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較NTP7S0、NTP5S0不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量降低59.0%～60.8%(P<0.05)，其中NTP7S3處理秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量最低。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5處理秸稈覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較CTP7S0、CTP5S0不覆蓋帶棵間蒸發(fā)量降低59.9%～62.2%(P<0.05)，其中CTP5S5處理秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量最低。

圖2 不同耕作與覆蓋方式下玉米全生育期棵間蒸發(fā)量Fig.2 Soil evaporation in maize field during the whole growth period under different tillage and mulching measures

比較同一處理地膜覆蓋帶與秸稈覆蓋帶間棵間蒸發(fā)量可以發(fā)現(xiàn)(圖2)，免耕措施下，NTP7S3、NTP5S5地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶高29.9%～32.3%(P<0.05)，NTP7S0、NTP5S0地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶降低48.6%～50.8%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶高29.8%～35.4%(P<0.05)，CTP7S0、CTP5S0地膜覆蓋帶棵間蒸發(fā)量較秸稈覆蓋帶降低36.3%～45.4%(P<0.05)。由此表明，地膜秸稈交替覆蓋較其他處理降低棵間蒸發(fā)量主要源于秸稈覆蓋帶所產(chǎn)生的抑制土壤水分蒸發(fā)的結(jié)果。

2.1.2 耗水量(ET)和耗水結(jié)構(gòu)(E/ET) 耕作措施對(duì)玉米全生育期總耗水量和耗水結(jié)構(gòu)沒(méi)有造成顯著影響，但覆蓋方式對(duì)其影響顯著，耕作措施與覆蓋方式二者交互效應(yīng)對(duì)總耗水量影響不顯著，但對(duì)耗水結(jié)構(gòu)影響顯著(表2)。免耕與傳統(tǒng)耕作措施下，地膜秸稈交替覆蓋較傳統(tǒng)全膜覆蓋具有降低總耗水量(ET)與耗水結(jié)構(gòu)(E/ET)的效應(yīng)，NTP5S5較NTP降低ET與E/ET分別為9.7%與9.5%；CTP7S3與CTP5S5較CTP分別降低5.9%與5.2%(P<0.05)。結(jié)合耕作措施與覆蓋方式，與傳統(tǒng)對(duì)照CTP相比，NTP7S3與NTP5S5處理ET分別降低3.6%與11.6%，E/ET分別降低16.0%與15.6%(P<0.05)，說(shuō)明免耕地膜秸稈交替覆蓋具有降低玉米農(nóng)田總耗水量的作用及增強(qiáng)水分高效利用的潛勢(shì)。

玉米播種至拔節(jié)期，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農(nóng)田ET提高8.3%，但E/ET降低3.9%(P<0.05)。免耕措施下，NTP5S5處理ET較NTP高39.7%，但NTP7S3、NTP5S5較NTP降低E/ET分別達(dá)到23.3%與42.8%(表2)；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3耗水量較CTP高54.9% (P<0.05)，但CTP7S3、CTP5S5較CTP降低E/ET分別達(dá)到38.7%與54.3%。

表2 不同耕作與覆蓋方式下玉米階段耗水量(ET)和耗水結(jié)構(gòu)(E/ET)

拔節(jié)期至大喇叭口期，各處理ET較前一生育階段均呈增加趨勢(shì)，但E/ET呈降低趨勢(shì)，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農(nóng)田ET降低5.3%(表2)；免耕措施下，地膜秸稈交替覆蓋顯著降低了ET與E/ET，ETNTP7S3、NTP5S5較NTP降低16.2%與40.1%，E/ET降低20.4%與10.5%(表3)；傳統(tǒng)耕作措施下，E/ETCTP7S3較CTP 與CTP5S5降低32.0%與32.8%，E/ET降低11.0%與12.9%(P<0.05)；集成耕作措施與覆蓋方式，以NTP5S5處理ET與E/ET較低，較CTP降低40.1%與12.0%。

表3 不同耕作與覆蓋方式下玉米籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

大喇叭口期至開(kāi)花期，免耕較傳統(tǒng)耕作玉米農(nóng)田耗水量降低7.5%(P<0.05)；免耕措施下，NTP5S5處理ET與E/ET最低，ET較NTP、NTP7S3、NTP7S0、NTP5S0降低44.3%、45.6%、39.5%、45.2%(P<0.05)，E/ET較NTP、NTP7S0、NTP5S0降低22.3%、32.1%、33.1% (表2)；傳統(tǒng)耕作措施下，ETCTP7S3、CTP5S5較CTP降低50.7%與49.9%，E/ET降低17.3%與15.1%，ETCTP7S0、CTP5S0較CTP處理降低38.0%與12.6%，但E/ET分別增加28.5%與28.1%(P<0.05)；綜合耕作措施與覆蓋方式，以免耕地膜秸稈交替覆蓋NTP5S5處理ET與E/ET最低，較CTP分別降低60.2%與19.5%(P<0.05)。

開(kāi)花期至灌漿中期，耕作措施對(duì)玉米農(nóng)田ET與E/ET未產(chǎn)生顯著影響(表2)。但是免耕措施下，地膜秸稈交替覆蓋較全膜覆蓋ET增加，但E/ET降低，ETNTP7S3與NTP5S5較NTP處理增加21.7%與32.4%，E/ET分別降低18.3%與19.2%(表4)，ETNTP7S0與NTP5S0較NTP處理增加25.7%與26.1%，E/ET增加31.1%與29.3%(P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，ETCTP7S3與CTP7S0較CTP處理降低14.4%與9.9%(P<0.05)，CTP5S5、CTP5S0與CTP耗水量差異不顯著，E/ETCTP7S3與CTP5S5 較CTP處理降低21.6%與22.2%，E/ETCTP7S0與CTP5S0較CTP處理增加30.0%與34.2%；耕作措施與覆蓋方式綜合效應(yīng)，ETNTP5S5較對(duì)照CTP增加5.6%，但E/ET降低20.4%。

灌漿中期至成熟期，耕作措施對(duì)玉米農(nóng)田ET未產(chǎn)生顯著影響，但對(duì)E/ET影響顯著(表2)。免耕措施下，NTP7S0耗水量最高，較NTP高18.5%，其他處理與NTP差異不顯著，但E/ETNTP7S3與NTP5S5較NTP降低15.3%與16.3%，E/ETNTP7S0與NTP5S0較NTP處理增加20.0%與17.6%；傳統(tǒng)耕作措施下，半膜覆蓋較全膜覆蓋顯著增加了ET，CTP7S3、CTP7S0、CTP5S5、CTP5S0較CTP分別高78.4%、80.4%、46.8%、24.7%(P<0.05)，E/ETCTP7S3、CTP5S5較CTP處理降低27.8%與26.5%，但E/ETCTP7S0、CTP5S0較CTP處理增加20.2%與37.2%。耕作措施與覆蓋方式綜合效應(yīng)，地膜秸稈交替覆蓋與半膜覆蓋較對(duì)照(CTP)均增加了ET，提高24.7%～80.4%，但E/ETNTP7S3與NTP5S5較CTP降低17.9%與18.9%。

綜上所述，免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(拔節(jié)～開(kāi)花期)的耗水量，增大了生育后期(開(kāi)花～完熟期)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。另外，免耕地膜秸稈交替覆蓋措施降低玉米農(nóng)田E/ET主要發(fā)生在拔節(jié)期之前與生殖生長(zhǎng)期，即增強(qiáng)了玉米旺盛生殖生長(zhǎng)期的水分有效利用，以NTP7S3調(diào)控土壤水分利用效應(yīng)較好。

2.2 不同耕作措施與覆蓋方式下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的表現(xiàn)

2.2.1 玉米籽粒產(chǎn)量 耕作措施與覆蓋方式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平，但二者交互作用不顯著(表3)。免耕較傳統(tǒng)耕作玉米平均籽粒產(chǎn)量降低6.6%。免耕措施下，地膜秸稈帶狀覆蓋(NTP7S3、NTP5S5)玉米產(chǎn)量分別達(dá)到13 472 kg·hm-2和12 984 kg·hm-2，較70%地膜覆蓋/30%不覆蓋(NTP7S0)分別增產(chǎn)15.1%與10.9%，較50%地膜覆蓋/50%不覆蓋(NTP5S0)分別增產(chǎn)21.4%與17.0%，NTP7S3較全膜覆蓋(NTP)增產(chǎn)6.2%，差異達(dá)到顯著水平。傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3、CTP5S5處理玉米產(chǎn)量分別達(dá)到14 441 kg·hm-2和14 189 kg·hm-2，較CTP分別增產(chǎn)12.0%和10.0%，較CTP7S0分別增產(chǎn)10.5%和8.6%，較CTP5S0分別增產(chǎn)23.2%和21.1%，增產(chǎn)效應(yīng)均達(dá)到顯著水平。綜合耕作措施與覆蓋方式，免耕措施下NTP7S3與傳統(tǒng)耕作措施下CTP7S3玉米籽粒產(chǎn)量最高，且二者無(wú)顯著差異，其中NTP7S3較對(duì)照CTP增產(chǎn)4.6%，說(shuō)明70%地膜覆蓋結(jié)合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋可實(shí)現(xiàn)免耕地膜循環(huán)利用，在減少地膜投入的基礎(chǔ)之上獲得高產(chǎn)。

2.2.2 玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素 耕作措施對(duì)玉米穗數(shù)無(wú)顯著影響，但覆蓋方式對(duì)玉米穗數(shù)影響顯著，二者互作效應(yīng)不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯增加了玉米的穗數(shù)，以70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋玉米穗數(shù)最多。免耕措施下，NTP7S3較NTP5S5、NTP、NTP7S0、NTP5S0處理玉米穗數(shù)分別增加8.7%，19.0%，10.3%，14.3%，且差異顯著；傳統(tǒng)耕作措施下，僅有CTP7S3較CTP處理高10.3%。綜合兩因素，以NTP7S3玉米穗數(shù)最多，較傳統(tǒng)對(duì)照CTP增加20.0%。

耕作措施對(duì)玉米穗粒數(shù)無(wú)顯著影響，但覆蓋方式對(duì)玉米穗數(shù)影響顯著，二者互作效應(yīng)不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯增加了玉米的穗粒數(shù)，以70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋玉米穗粒數(shù)最多。免耕措施下，NTP7S3較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理玉米穗粒數(shù)分別增加10.3%、5.0%、8.6% (P<0.05)；傳統(tǒng)耕作措施下，僅有CTP7S3較CTP 、CTP7S0、CTP5S0處理分別高6.7%、4.4%、5.9%(P<0.05)。綜合兩因素，以NTP7S3處理玉米穗粒數(shù)最多，較傳統(tǒng)對(duì)照CTP增加9.0%。

與穗數(shù)及穗粒數(shù)相似，耕作措施對(duì)玉米千粒重?zé)o顯著影響，但覆蓋方式對(duì)玉米千粒重影響顯著，二者互作效應(yīng)不顯著(表3)。地膜秸稈帶狀覆蓋明顯提高了玉米的千粒重，免耕措施下，以NTP5S5處理千粒重最高，較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理分別高8.2%、14.8%、12.3%；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3千粒重最高，較CTP5S5、CTP、CTP7S0、CTP5S0處理分別高6.9%、8.5%、13.7%、11.9%。綜合耕作措施與覆蓋方式，NTP7S3、NTP5S5較傳統(tǒng)對(duì)照CTP增加5.0%與9.1%(P<0.05)。

綜上所述，70%地膜覆蓋結(jié)合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的原因?yàn)樗霐?shù)、穗粒數(shù)及粒重的協(xié)同提高。

2.3 不同耕作措施與覆蓋方式對(duì)玉米農(nóng)田水分利用效率的影響

耕作措施與覆蓋方式對(duì)玉米農(nóng)田水分利用效率的影響達(dá)到極顯著水平，耕作措施與覆蓋方式的互作效應(yīng)達(dá)極顯著水平。免耕措施下各處理平均水分利用效率較傳統(tǒng)耕作措施降低4.9%(圖3)。免耕措施下，NTP5S5處理水分利用效率最高，達(dá)到24.1 kg·hm-2·mm-1，較NTP、NTP7S0、NTP5S0處理分別提高12.2%、20.3%、26.8%(P<0.05)，但與NTP7S3處理差異不顯著；傳統(tǒng)耕作措施下，CTP7S3處理水分利用效率最高，達(dá)到25.2 kg·hm-2·mm-1，較CTP、CTP7S0、CTP5S0處理分別高17.4%、14.4%、27.7%(P<0.05)，但與CTP5S5處理差異不顯著。綜合耕作措施與覆蓋方式，NTP7S3、NTP5S5、CTP7S3、CTP5S5處理間玉米水分利用效率差異不顯著，說(shuō)明在減少地膜投入的前提下通過(guò)集成免耕與玉米秸稈捆狀覆蓋措施仍可保持較高的水分利用效率，是綠洲灌區(qū)通過(guò)地膜減量化免耕覆蓋與秸稈捆狀覆蓋而實(shí)現(xiàn)玉米可持續(xù)生產(chǎn)的有效措施。

圖3 不同耕作與覆蓋方式對(duì)玉米水分利用效率的影響Fig.3 Effect of different mulching and tillage measureson water use efficiency of maize

3 討 論

3.1 玉米產(chǎn)量形成對(duì)耕作及覆蓋方式的響應(yīng)

大量研究表明覆蓋具有不同程度的增產(chǎn)效應(yīng)，而在干旱與半干旱地區(qū)，地膜覆蓋玉米增產(chǎn)效應(yīng)大于秸稈覆蓋，源于地膜覆蓋的增溫、保水、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育作用[2,6]。但是，近10年來(lái)，甘肅河西綠洲灌區(qū)玉米成熟期從10月中旬提前至9月上旬甚至8月下旬，呈現(xiàn)減產(chǎn)的趨勢(shì)，其實(shí)這屬于早衰并不是早熟。其主要原因：第一，高溫與低溫的極端變化；第二，農(nóng)戶(hù)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每年覆蓋地膜，在玉米旺盛生長(zhǎng)期(開(kāi)花灌漿期)的土壤溫度達(dá)到45 ℃以上[6]，明顯高于玉米根系正常生長(zhǎng)發(fā)育35℃的適溫閾值[13]，玉米根區(qū)極端高的土壤溫度導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育受阻；第三，大量投入地膜對(duì)農(nóng)田土壤水分與養(yǎng)分的過(guò)度消耗并造成土壤微環(huán)境惡化[14]；第四，農(nóng)戶(hù)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每年覆蓋地膜，提高土壤溫度，導(dǎo)致玉米生育前期生長(zhǎng)快，對(duì)養(yǎng)分與水分的消耗多，造成玉米生育后期出現(xiàn)缺水缺肥現(xiàn)象[15]。因此，亟待研發(fā)減緩以上傳統(tǒng)農(nóng)戶(hù)生產(chǎn)模式弊端的農(nóng)藝管理措施。然而，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，在玉米生產(chǎn)中存在“非膜不植”的生產(chǎn)背景，亟待研發(fā)弱化傳統(tǒng)每年覆蓋地膜的高溫弊端技術(shù)。因此，本研究將免耕、地膜與秸稈覆蓋同步集成于玉米生產(chǎn)模式，耕作措施與覆蓋方式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平，綜合耕作措施與覆蓋方式，免耕與傳統(tǒng)耕作措施下均以70%地膜覆蓋與30%秸稈覆蓋玉米籽粒產(chǎn)量最高，但二者無(wú)顯著差異，說(shuō)明70%地膜覆蓋結(jié)合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋可實(shí)現(xiàn)免耕地膜循環(huán)利用，在減少地膜投入的基礎(chǔ)上獲得高產(chǎn)。從增產(chǎn)機(jī)制上分析可知，免耕70%地膜覆蓋結(jié)合30%的捆狀玉米秸稈覆蓋較傳統(tǒng)全膜覆蓋玉米增產(chǎn)的主要原因是穗數(shù)、穗粒數(shù)及粒重的協(xié)同提高，特別是穗數(shù)的提高幅度較大，源于雙穗率的增多。另一個(gè)增產(chǎn)的原因是：免耕地膜秸稈交替覆蓋顯著降低了玉米全生育期0～25 cm土層土壤溫度，延緩了玉米生長(zhǎng)前期的生長(zhǎng)發(fā)育，玉米生育前期水分養(yǎng)分消耗少，剩余水分養(yǎng)分通過(guò)“錯(cuò)期分配”滿(mǎn)足玉米生育后期旺盛生長(zhǎng)的水分養(yǎng)分需求，促進(jìn)其生殖生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)發(fā)育，特別是在玉米灌漿后期還維持較大的綠色葉面積，利于籽粒灌漿而促進(jìn)增產(chǎn)[16]，說(shuō)明免耕地膜秸稈交替覆蓋方式下玉米增產(chǎn)主要發(fā)生在生育后期。相反，傳統(tǒng)耕作每年全膜覆蓋處理在玉米開(kāi)花灌漿期造成玉米根區(qū)極端高的土壤溫度[6, 8]，以及生育前期較高的土壤溫度加快玉米生長(zhǎng)，造成水分養(yǎng)分過(guò)度消耗，后期水分養(yǎng)分供應(yīng)不足，導(dǎo)致后期單一地膜覆蓋玉米根系及葉片發(fā)生早衰，降低光合作用而減小地上部光合同化物的累積與分配[15,17]。因此，在玉米生產(chǎn)田間管理中，可通過(guò)優(yōu)化栽培措施，調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)作物對(duì)資源的錯(cuò)期利用維持并增強(qiáng)玉米生育后期的旺盛生長(zhǎng)，延緩衰老而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。

3.2 地膜秸稈交替覆蓋對(duì)玉米農(nóng)田土壤水分利用特征的影響

近年來(lái)，隨著資源型缺水日趨緊迫，干旱氣候條件下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須以水分高效利用為重心，而控制土壤蒸發(fā)是提高作物水分利用效率的重要途徑之一[3, 18]。采用地膜與秸稈覆蓋技術(shù)可以有效抑制土壤蒸發(fā)、降低無(wú)效耗水，增強(qiáng)水分利用的有效性[6]。本研究表明，耕作措施對(duì)玉米生育期內(nèi)土壤蒸發(fā)量無(wú)顯著影響，覆蓋方式對(duì)玉米生育期內(nèi)棵間蒸發(fā)量的效應(yīng)達(dá)極顯著;無(wú)論免耕與傳統(tǒng)耕作，地膜秸稈交替覆蓋與全膜覆蓋和半膜無(wú)秸稈覆蓋相比，均能夠有效降低玉米農(nóng)田棵間蒸發(fā)量。免耕舊膜覆蓋地膜完整度高于70%，再加上舊膜上覆蓋一薄層土壤抑制土壤蒸發(fā)的效應(yīng)與傳統(tǒng)耕作相當(dāng)。地膜秸稈交替覆蓋較半膜無(wú)秸稈覆蓋降低玉米農(nóng)田棵間蒸發(fā)量，主要原因：第一，地表覆蓋增加了土壤與大氣間水熱交換的物理阻隔層，阻礙土壤與大氣層間的水分和能量交換，顯著降低土壤蒸發(fā)[19]；第二，玉米秸稈捆狀覆蓋減少生育前期的土壤水分散失，降低土壤溫度[16]，玉米生育前期生長(zhǎng)緩慢，消耗水分與養(yǎng)分較少，隨著氣溫回升，生育前期剩余的土壤水分與養(yǎng)分促使玉米生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，在灌漿期保持較大的冠層，遮陰面積大，抑制土壤蒸發(fā)效果相對(duì)較好。與全膜覆蓋相比，地膜秸稈交替帶狀覆蓋仍然具有降低棵間蒸發(fā)量的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)椋旱谝唬m然全膜覆蓋，但機(jī)械覆膜導(dǎo)致地膜之間存在20～25 cm的無(wú)覆蓋間距，造成較大的水分蒸發(fā)，而地膜秸稈交替覆蓋措施地膜覆蓋帶與玉米秸稈覆蓋帶之間無(wú)縫隙，抑制土壤蒸發(fā)效應(yīng)較好；第二，玉米秸稈捆狀覆蓋厚度約25 cm，而地膜覆蓋隨著時(shí)間的推移，地表覆蓋完整度逐漸降低，因而玉米秸稈捆狀覆蓋帶抑制土壤蒸發(fā)的效應(yīng)強(qiáng)于地膜覆蓋帶。說(shuō)明在河西綠洲灌區(qū)玉米“非膜不植”的生產(chǎn)背景下，可通過(guò)免耕地膜秸稈交替覆蓋實(shí)現(xiàn)土壤蒸發(fā)的有效抑制，是試區(qū)減少地膜投入而提高水分利用的可行措施。

地膜、秸稈覆蓋具有降低耗水的效應(yīng)已被研究證實(shí)[3, 6]。本研究中，將耕作措施、地膜與秸稈覆蓋同步集成于玉米生產(chǎn)模式，研究表明，耕作措施對(duì)玉米全生育期總耗水量沒(méi)有造成顯著影響，但覆蓋方式對(duì)全生育期總耗水量影響顯著。地膜秸稈帶狀覆蓋較傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋降低了玉米全生育期總耗水量，這是因?yàn)椋旱谝?，與傳統(tǒng)全膜覆蓋相比，免耕地膜秸稈帶狀覆蓋模式中，秸稈覆蓋還田也可通過(guò)提高土壤水分入滲率及貯水量[20]，有效地抑制土壤蒸發(fā)；第二，免耕地膜秸稈交替覆蓋通過(guò)優(yōu)化土壤水熱特性，調(diào)控玉米生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)而對(duì)水資源錯(cuò)期利用，增強(qiáng)玉米需水與土壤供水的吻合度，有效降低玉米生育前期無(wú)效蒸發(fā)水分，增加玉米生育后期的有效蒸騰，使無(wú)效耗水轉(zhuǎn)化為有效耗水，為玉米籽粒灌漿提供充足的水分條件，增強(qiáng)籽粒灌漿，提高籽粒產(chǎn)量，進(jìn)而提高水分利用效率[16]。進(jìn)一步證實(shí)本研究得出的基本觀點(diǎn)，免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(拔節(jié)～開(kāi)花期)的耗水，增大了生育后期(開(kāi)花～完熟期)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，以免耕70%地膜/30%捆狀玉米秸稈覆蓋處理調(diào)控水分利用的效應(yīng)較好。因此，在水資源嚴(yán)重短缺的干旱內(nèi)陸河西綠洲灌區(qū)，在玉米生產(chǎn)中集成免耕地膜秸稈帶狀覆蓋技術(shù)有望緩解玉米需水與供水矛盾，為試區(qū)玉米高效生產(chǎn)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

4 結(jié) 論

西北綠洲灌區(qū)地膜秸稈帶狀覆蓋集成免耕措施具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，以免耕70%地膜覆蓋/30%捆狀玉米秸稈覆蓋(NTP7S3)增產(chǎn)效應(yīng)較好，比地方習(xí)慣生產(chǎn)模式傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋(CTP)增產(chǎn)4.6%。相對(duì)于傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋，地膜秸稈交替覆蓋降低了玉米農(nóng)田棵間蒸發(fā)量，以NTP7S3處理抑制土壤蒸發(fā)效果較好，且降低棵間蒸發(fā)量主要源于秸稈覆蓋對(duì)土壤水分蒸發(fā)起到較好的抑制作用。免耕地膜秸稈交替覆蓋減小了玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(拔節(jié)～開(kāi)花期)的耗水量，增大了生育后期(開(kāi)花～完熟期)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，以NTP7S3處理調(diào)控水分利用的效應(yīng)較好，與對(duì)照(CTP)相比，降低了全生育期總耗水量與棵間蒸發(fā)量占總耗水量之比(E/ET)，提高水分利用效率。免耕地膜秸稈帶狀覆蓋替代地方習(xí)慣傳統(tǒng)耕作全膜覆蓋種植能夠?qū)崿F(xiàn)玉米產(chǎn)量和水分利用效率提高，為水資源短缺、地膜投入量較高的西北綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)地膜減投增產(chǎn)增效提供理論與實(shí)踐依據(jù)。