麥秸-塑膜復合覆蓋對玉米產量及土壤物理參數的影響研究

丁 林，王福霞，王文娟，王以兵

(1.甘肅省水利科學研究院，蘭州 730000；2.甘肅省水利水電勘測設計研究院，蘭州 730000)

“旱、寒、薄”是農業發展的主要制約因素，推廣地膜秸稈二元覆蓋技術是解決“旱、寒、薄”3大問題的重要技術之一，因為它既有地膜覆蓋增溫保墑作用，又有秸稈覆蓋蓄水保墑、肥田改土作用[1]。有研究結果表明，在河西綠洲灌區實行秸稈帶膜還田前景廣闊，秸稈粉碎后腐解效果優于整株[2]；壟覆膜和旱作溝覆秸稈可改進土壤水分和溫度條件，增加玉米產量和凈收入[3]；秸稈與地膜二元覆蓋麥田土壤變溫幅度小、水分散失少、養分積累增加、有效分蘗多、后期葉面積大、干物質積累增加[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，對土壤具有一定的保溫作用[5,6]，并能明顯提高玉米產量和水分利用效率[7-10]。本文將秸稈覆蓋與地膜覆蓋2種技術結合在一起，屬于二元覆蓋的范疇。該技術在作物種植前先覆秸稈再覆膜，形成雙層覆蓋，取長補短，相得益彰。并針對秸稈覆蓋導致產量低等特點，研究麥秸-塑膜復合覆蓋條件下玉米產量、耗水規律、棵間蒸發規律及土壤物理參數，對實現田間水分的高效利用、提高中低產田的產量、提高土地生產力和農業綜合生產能力都具有十分重要的意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年4-9月在甘肅省水利科學研究院民勤灌溉試驗站進行。試驗區地處民勤綠洲和騰格里沙漠交界地帶，地理坐標東經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，蒸發量大，風沙多，自然災害頻繁。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，多年平均蒸發量2 644 mm，全年平均揚沙59 d，全年沙塵暴日數37 d。光熱資源豐富，年日照時數3 028 h，≥0 ℃積溫3 550 ℃，≥10 ℃積溫3 145 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm。試驗區土質0～60 cm為黏壤土，60 cm以下逐漸由黏壤土變為沙壤土，土壤平均密度為1.54 g/cm。試驗田有機質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 試驗設計

試驗選擇覆蓋方式、秸稈用量2個控制因素，采用多因素完全隨機試驗設計。覆蓋方式設有4個水平：秸稈覆蓋S，地膜覆蓋F，麥秸-塑膜覆蓋SF，無覆蓋N；灌水定額均為900 m3/(hm2·次-1)，灌水次數6次，灌水時間一致；秸稈用量設有4 000和6 000 kg/hm22個水平。共形成6個處理，每個處理重復3次。試驗玉米品種為“先玉335”，試驗于4月15日播種，10月6日收獲測產，玉米按行距45 cm、株距25 cm，每穴1～2株播種。試驗地休閑期深耕冬灌，播種前耙耱、平整，播后按試驗設計灌水。試驗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，用水表嚴格控制灌水量。各處理隨機布置3個測定土壤含水量的TDR測管和3個測定土面蒸發的微型蒸滲儀，該蒸滲儀采用內外桶結構，用0.75 mm厚的鍍鋅鐵皮卷制而成，內桶直徑20 cm，桶高30 cm，底部封閉，外桶直徑22 cm，高度與內筒一致，底部封閉。試驗小區主要技術參數設計見表1。

表1 試驗處理設計

1.3 測定指標與方法

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

(2)籽粒產量及生物產量。收獲期在每個小區中隨機選取2點，每點取樣10株，將2個點的樣品合成一個樣，進行考種，按各小區單收，計算各小區籽粒產量，每個小區收割后，按小區稱重測定生物產量。

(3)灌水量。采用管道輸水灌溉，每個試驗小區均有單獨水表控制，灌水量由水表量測。

(4)耗水量。耗水量ET按與式計算：

(1)

式中，ET1-2為階段耗水量，mm；i為土壤層次號數；n為土壤層次總數目；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層土壤在時段始的含水量(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時段末的含水率(干土重的百分率)；M為時段內的灌水量，mm；P0為時段內的有效降水量，mm；K為100 cm以下土體與100 cm以上土體的水分交換量，mm，負值為滲漏，正值為補給，mm；C為試驗小區與外部土體的地面徑流交換量，mm，正值為向外徑流，負值為向內徑流。

(5)增產率。在節水灌溉技術條件下，以使用節水灌溉技術后作物產量和常規灌溉條件下的作物產量差除以常規灌溉條件下的作物產量。

(6)氣象資料。通過TRM-ZS3全自動氣象站觀測記載溫度、降水、蒸發、風速等氣象因素。

(7)土壤化學性質。主要有pH值、土壤養分等。分別在播種前、收獲后測定，每個小區重復3次，取0～10、10～20、20～30 cm土樣，上述樣品均送到甘肅省農科院農業測試中心測定。

(8)棵間蒸發。取原狀土裝到桶內，地膜覆蓋、秸稈覆蓋及復合覆蓋條件下，換土后的微型蒸滲儀表層覆蓋與試驗設計一致，埋設時桶內土層與原地塊土層水平一致。每天下午19∶00稱重，根據2次差值計算土壤蒸發量。

1.4 數據分析及處理方法

用Excel2007進行數據處理和制圖，用DPS(v6.05)統計軟件做相關分析。

2 結果與分析

2.1 玉米生育進程及土壤溫度變化分析

覆膜及復合覆蓋處理播種后土壤水熱狀況較好，作物出苗時間較短，而麥秸覆蓋和無覆蓋處理由于地溫較低，出苗時間較覆膜處理推遲3 d左右。如表2所示，從整個生育期來看，覆膜或復合覆蓋處理成熟期較麥秸覆蓋和無覆蓋處理提早10 d，主要是麥秸覆蓋和無覆蓋處理苗期-拔節期延續時間較長，導致后續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覆蓋處理灌漿延續時間較覆膜及復合覆蓋處理縮短。而開花期、灌漿期延長，有利于提高授粉率、增加飽粒數、灌漿充足，有利于形成大粒和增加千粒重，相反灌漿時間縮短，不利于產量形成，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地溫呈現出隨深度增加而逐漸滯后的趨勢，0～10 cm的土壤從8∶00 開始逐漸升溫14∶00-16∶00 達到峰值后，逐漸再回落；15～25 cm的變化趨勢與0～10 cm基本一致，但其峰值的出現時間有明顯的滯后現象。無論哪種覆蓋方式，峰值均出現在地表處：其中14∶00 時地膜覆蓋的峰值高達48.82 ℃，比無覆蓋處理的高 2 ℃；無覆蓋處理出現在15∶00，為46.82 ℃；復合覆蓋和秸稈覆蓋的峰值出現在16∶00時，分別為 43.82和36.82 ℃。這說明地膜覆蓋有增溫作用，使得其峰值出現的時間較無覆蓋處理提前1 h，而復合覆蓋和秸稈覆蓋中的秸稈具有降溫作用，導致其峰值滯后1 h 出現。而復合覆蓋SF中的地膜又具有增溫效應，使其峰值比秸稈覆蓋的高出7 ℃。 在實際生產中應根據當地氣候條件選擇既能提高作物出苗率，又能調控作物生育進程的覆蓋措施，配合適當的灌溉制度及田間管理可起到水熱高效利用，提高作物產量及水分利用效率的作用。

表2 不同處理玉米生育進程

2.2 玉米耗水及棵間蒸發規律

通過田間土壤含水量的測定利用水量平衡方程計算各個階段和全生育期玉米的耗水量及棵間蒸發量，結果如表3所示。各處理在全生育期以無覆蓋處理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。可以看出，無覆蓋與麥秸覆蓋處理耗水量較大，這與作物生長狀況不好，地面蒸發量大有關；而覆膜或復合覆蓋處理耗水量相對較小，具有節水、減少無效蒸發的作用，與無覆蓋處理相比，覆膜處理耗水量減少38.6 mm，復合覆蓋處理耗水量減少44.0～59.6 mm。各處理棵間蒸發均呈現生育前期高、生育旺盛期低、收獲期高的變化趨勢，苗期由于作物生長緩慢，地面覆蓋度較低導致棵間蒸發比例較大，隨著作物生長，葉面積增加，棵間蒸發逐漸減小，到生育后期隨玉米的成熟，葉片開始衰老、變黃，植株蒸騰能力減弱，棵間蒸發占階段耗水量的比例又有所上升。各處理棵間蒸發表現為無覆蓋>秸稈覆蓋>地膜覆蓋>復合覆蓋，秸稈覆蓋量越多棵間蒸發越小。地膜覆蓋處理棵間蒸發占總耗水量的22.66%，復合覆蓋為21.21%和20.91%，麥秸覆蓋為27.86%和27.21%，無覆蓋為30.21%。與無覆蓋、麥秸覆蓋與地膜覆蓋相比，復合覆蓋棵間蒸發平均減少35.23%、14.34%和8.86%。

表3 不同覆蓋處理玉米耗水及棵間蒸發規律

2.3 玉米產量效應

玉米各處理產量效應如表4所示。研究結果表明，在籽粒產量方面，覆膜處理產量較高，復合覆蓋次之，無覆蓋處理最低，最高與最低產量相差4 537.5 kg/hm2；在復合覆蓋處理中SFH4產量相對較高，比NH處理高3 073.5 kg/hm2。麥秸覆蓋和無覆蓋處理耗水量大于覆膜及復合覆蓋處理，主要是由于麥秸覆蓋和無覆蓋處理棵間蒸發較大，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。不同處理經濟產量與生物產量之間的比例關系，反映出光合有機物質的分配效率，在所有處理中以FH最大為56.82%，其次為SFH4> SFH6> SH6>SH4> NH，最大收獲指數和最小收獲指數相差12.18。腹膜及復合覆蓋處理的收獲指數均較大，其產量和生物量也較高的，主要是由于玉米在苗期生長旺盛，光合產物較多，在增加產量的同時，其光合副產品也大幅度增加。因地制宜選擇適當覆蓋方式(復合覆蓋，覆草量4 000～4 500 kg/hm2)，不但可以保持其較高的產量，還可以起到節約用水的作用。

2.4 復合覆蓋對土壤物理參數的影響

表5為各處理播種前、收獲后0～30 cm土層土壤參數變化情況。由表5可知，覆膜及無覆蓋處理收獲后有機質含量均小于播種前，主要是由于土壤中原有的部分有機質轉化為營養物質被作物吸收利用；有秸稈覆蓋的處理收獲后土壤有機質含量均大于播種前，平均增加量為0.95 g/kg；在復合覆蓋處理中，秸稈量越大，收獲后有機質含量增加量越大，其中SFH6較 SFH4增加0.73 g/kg；同樣麥秸覆蓋量情況下，覆膜處理比無膜處理有機質增加量要高。由上說明，復合覆蓋對提高麥草利用有利，土壤有機質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，而無覆蓋處理和地膜覆蓋處理差值相對較小。造成上述結論的原因主要是灌水將大量鹽分留在土壤中，導致pH值升高。

表4 不同覆蓋條件下玉米產量效益

表5 不同覆蓋條件下土壤參數變化情況

2.5 麥秸-塑膜復合覆蓋玉米種植模式

在技術調研、試驗研究、已有畦灌技術成果及模式的基礎上，結合現有工程、農藝、管理節水成果，集成提出了麥秸-塑膜復合覆蓋種植技術模式。

(1)模式內容。冬灌+播前深翻+平整覆草覆膜+膜上灌溉。

(2)技術要求。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；畦田長度60 m左右。定期監測土壤水分，適時進行第1次灌水，精確控制灌水量。

(3)技術指標。麥草用量4 000～4 500 kg/hm2，人工均勻的鋪在地面上，覆草后機械鋪膜。播種后灌第1次水，灌水定額900 m3/(hm2·次)，生育期灌水6次。人力機械播種，播種時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。灌水時采用管道輸水小畦灌溉，全育期灌水6次(不包括冬季儲水灌)，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次結合灌水追施尿素225 kg/(hm2·次)，另外根據土壤肥料含量適當增施磷肥和鉀肥，用量在75 kg/hm2左右。

3 結論與討論

本研究緊密結合保護性耕作技術的需求，重點針對玉米開展了復合覆蓋生長、產量及土壤環境等研究，在此基礎上，集成提出了復合覆蓋技術參數與種植技術模式。在作物生長方面研究得出：覆膜或麥秸塑膜復合覆蓋生育期較麥秸覆蓋處理提早10 d左右，無覆蓋和麥秸覆蓋處理由于播種后地溫較低，保水性能較差，作物前期生長發育較慢，生育期明顯推后。在產量效應方面得出：無覆蓋與麥秸覆蓋處理耗水量較大，而覆膜或復合覆蓋處理耗水量相對較小，具有節水、減少無效蒸發的作用，與無覆蓋處理相比，覆膜處理耗水量減少38.6 mm，復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%，復合覆蓋處理水分利用效率提高20.8%～30.1%。與無覆蓋、麥秸覆蓋、地膜覆蓋相比，復合覆蓋棵間蒸發平均減少35.23%、14.34%和8.86%。在土壤物理參數方面得出：有麥秸覆蓋處理增加了鹽分在土壤中的保有量，復合覆蓋使土壤有機質含量提高8.62%～14.94%，對增加土壤有機質含量，提高麥草利用有積極作用。在復合覆蓋量方面得出：復合覆蓋適宜覆草量為4000～4500kg/hm2，適宜覆蓋方式為覆膜或麥秸-塑膜復合覆蓋。

本研究結論是在大田試驗條件下完成的，不可避免受到試驗期間降雨水平等氣象因子的影響，所以試驗得出的結論有一定的局限性，復合覆蓋對土壤物理參數的影響還需進一步研究。受氣候條件、土壤質地和作物品種等因素影響，應該開展不同地區各種作物的大田試驗研究，為制定不同地區的復合覆蓋技術方案提供科學依據。

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