不同保墑與土壤結構改良措施對土壤結構及小麥、玉米水分利用的影響

楊永輝, 武繼承, 趙世偉, 潘曉瑩,張潔梅, 高翠民, 王 越, 何 方

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所, 鄭州 450002; 2.農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站,河南 原陽 453514; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

隨著全球氣候變暖，干旱程度進一步加劇，農業生產受水分條件的限制逐步加重。而施用有機肥可增加土壤有機質，改善土壤結構，促進土壤蓄水保墑等功能，且有利于作物產量和水分利用率的提高[1-2]。同時，農用保水劑也具有改善土壤結構與孔隙狀況[3]，減少土壤無效蒸發，改善作物生理特征，提高作物抗旱能力等作用[4-5]。

作物棵間蒸發是作物生長過程中水分無效損耗的重要途徑[6]，而采用地面覆蓋能有效減少作物棵間蒸發量，提高水分的有效利用，因為地表覆蓋改變了表層土壤的理化性質，改善了土壤孔隙狀況，促進了水分入滲，提高了土壤儲水量，且能夠抑制土壤蒸發，減少土壤無效水分損耗[7]，從而間接影響土壤水分的再分布過程[8]。相關研究表明[9-11]，覆蓋玉米秸稈較傳統耕作更利于水分利用效率的提高，而免耕覆蓋玉米的蒸騰量與蒸發量比值遠大于常規耕作[12]，從而促進了水分的有效利用。麥田秸稈覆蓋后，能促進降雨的入滲，抑制土壤水分蒸發，提高深層土壤的水分蓄存，有利于植物根系下扎和利用深層土壤水分[13]。而地膜覆蓋后切斷了土壤水分與大氣之間的交換，且地膜覆蓋有利于田間微集雨，促進水分匯集到作物根部，同時地膜的反射作用減少了地表對太陽輻射的吸收，使土壤水分和溫度相對穩定，有利于作物生長。相關研究[14-16]表明，旱作小麥、玉米農田使用地膜覆蓋有較好的保墑增產效果。但在降雨較為充足的地區，在小麥、玉米輪作過程中地膜覆蓋的作用效果如何，及秸稈覆蓋、有機肥、保水劑對小麥的生長過程、光合生理特征及對玉米的后效作用如何，對小麥、玉米周年水分利用特征以及對土壤團粒結構、土壤有機碳的影響和其相互關系如何，卻鮮見報道，需要深入研究。

因此，對地膜覆蓋、秸稈覆蓋、保水劑和有機肥條件下的小麥—玉米周年水分利用進行比較研究，旨在探明不同措施條件下小麥與玉米增產及水分利用的機理，為同類型區小麥玉米輪作過程中，節水增效的措施應用提供依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

本研究在通許現代農業開發基地進行，東經114.450°，北緯34.429°，海拔62 m。研究區多年年均降雨量為657.9 mm，降雨量主要分布在6—9月份，地表徑流年份間差異較大，且旱澇并發，而旱災多于澇災。該地區土壤為壤質潮土，地勢平坦且肥力均勻。耕層土壤有機質含量為11.4 g/kg，全氮含量為0.81 g/kg，堿解氮含量為74.31 mg/kg，速效磷含量為19.8 mg/kg，速效鉀含量為90.3 mg/kg。

1.2　試驗設計

本研究共設置5個處理，包括：普通耕作(耕作深度為15 cm)、秸稈覆蓋(玉米秸稈粉碎為1 cm，用量為4 500 kg/hm2)、保水劑(45 kg/hm2)、有機肥(干雞糞，750 kg/hm2)、地膜覆蓋(小麥和玉米出苗后進行地膜鋪設)。每個處理設置3個重復，隨機區組排列。根據當年降雨和土壤水分狀況，分別在小麥拔節期和玉米播種前灌水各1次，每次45 mm，小麥、玉米周年共灌水90 mm。小麥氮肥用量180 kg/hm2，玉米氮肥用量270 kg/hm2。磷肥為135 kg/hm2，鉀肥為150 kg/hm2。小麥施肥方式均為播種前進行撒施翻耕后播種，保水劑也為撒施后翻耕播種耕作方式同對照。待小麥出苗后進行地膜覆蓋。小麥收獲后，在原有小麥小區中進行玉米免耕播種，玉米出苗后覆膜處理重新進行地膜鋪設，田間統一管理。玉米播種時，種肥同播。除地膜處理外，其他處理均為小麥播種時實施。小麥品種為矮抗58，玉米品種為鄭單958。本試驗開始于2012年10月22日，為長期定位試驗。本研究時間為2014年10月—2015年10月。

1.3　測定項目與方法

1.3.1光合參數測定 采用Li-6400 RT型光合儀進行光合測定。分別在小麥拔節期(2015年3月15日)、抽穗期(2015年4月24日)、灌漿期(2015年5月15日)和玉米小喇叭口期(2015年7月19日)、大喇叭口期(2015年8月7日)、灌漿期(2015年8月28)，在晴朗且無風時(9：30—11：00)進行的測定。

在小麥拔節期時測定小麥的最新全展葉，在小麥抽穗期和灌漿期測定小麥的旗葉。在玉米小喇叭口與大喇叭期測定玉米的最新全展葉，到灌漿期測定玉米的穗位葉。

主要測定的光合參數包括：凈光合速率Pn[μmol/(m2·s)]、蒸騰速率Tr[mmol/(m2·s)]。葉片的水分利用效率WUE(μmol/mmol)采用計算公式[17-18]：

WUE=Pn/Tr

(1)

1.3.2土壤水分的測定在小麥和玉米不同生育期采用土鉆取土烘干法測定0—100 cm土層土壤平均含水率。

1.3.3株高、葉面積及生物量測定在小麥、玉米不同生育期進行株高、葉面積及生物量的測定。其中株高采用精確度為1 mm的卷尺在相應小區隨機采樣5株進行測定，葉面積采用手持式葉面積儀進行測定，生物量為量得株高和葉面積后的樣品進行殺青(105℃)、烘干(80℃)至恒重時進行稱量。

1.3.4小麥、玉米產量測定于小麥收獲時，在每小區收割4 m2的小麥產量進行記產。玉米采用每小區收取3行進行記產。

1.3.5小麥、玉米水分生產效率計算

作物水分生產效率[kg/(mm·hm2)]=作物籽粒產量(kg/hm2)/作物生育期耗水量(mm)

(2)

作物生育期耗水量(mm)=作物播種前0—100 cm土層的土壤儲水量(mm)+作物生育期內的降雨量(mm)+作物生育期內的灌水量(mm)-作物收獲時0—100 cm土層土壤的儲水量(mm)

(3)

1.3.6團聚體分級及土壤有機碳測定水穩性團聚體采用維諾夫法[19](濕篩法)分級測定，土壤有機碳采用改進的外加熱重鉻酸鉀氧化法[20]。

1.4　數據處理

光合數據為9次重復的算術平均值，其他數據結果為3次重復的算術平均值，所得數據應用SPSS軟件進行處理與分析。

2　結果與分析

2.1　小麥、玉米生長期內降雨量分布特征

小麥、玉米不同生育期內的降雨量見圖1。可以看出，在小麥分蘗到越冬期間無有效降雨，越冬期后降雨逐漸增多，且到孕穗期時降雨量明顯增多，之后又逐漸減小，到小麥收獲玉米播種時降雨最少，玉米播種后降雨量明顯增多，且玉米生育期內降雨量均較高。小麥生育期內總降雨量為264.5 mm，玉米生育期內降雨量為439.5 mm，小麥玉米生育期內總降雨量為704.0 mm，較往年降雨量增加了40多mm，主要集中在玉米生育中后期。

2.2　對小麥的影響

2.2.1不同措施對土壤水分的影響小麥不同生育階段的土壤水分見表1。在小麥生長過程中，地膜覆蓋處理和秸稈覆蓋處理的土壤含水量均高于其他處理，其次為有機肥處理和保水劑處理，普通耕作處理全生育期的土壤含水量均較低。在小麥收獲時，土壤含水率以地膜覆蓋處理最高，其次為秸稈覆蓋處理，有機肥處理及保水劑處理，普通耕作處理最低。

圖1小麥玉米生育期內降雨分布特征

表1　不同措施小麥不同生育階段土壤含水量 %

注：同列中不同字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)，下表同。

2.2.2不同措施下小麥光合生理特征分析由圖2可知，不同生育期的光合速率表現為抽穗期>灌漿期>拔節期。不同措施的小麥光合速率明顯高于普通耕作。在拔節期，以秸稈覆蓋處理的光合速率最高；在抽穗期，以地膜覆蓋處理的光合速率較高，其次為秸稈覆蓋處理，其他處理居中；到灌漿期，仍以秸稈覆蓋處理的光合速率最高，保水劑處理次之，有機肥處理與地膜覆蓋處理居中。而對蒸騰速率而言，在小麥拔節期，各處理的蒸騰速率差異較小。在抽穗期，以有機肥處理和地膜覆蓋處理的蒸騰速率較低，而以普通耕作處理明顯高于其他處理。而到灌漿期，仍以普通耕作處理的蒸騰速率較高，以保水劑處理最低。

由圖3可知，在小麥拔節期，秸稈覆蓋處理的葉片水分利用效率明顯高于其他處理；在抽穗期，有機肥處理較其他處理高，地膜覆蓋處理次之。到灌漿期，保水劑處理>秸稈覆蓋處理>有機肥處理>地膜覆蓋處理>普通耕作處理。說明，在小麥生育后期，保水劑處理更利于降低葉片蒸騰，提高葉片的水分利用效率。

2.2.3不同措施對小麥不同生育期株高和葉面積的影響由表2可知，隨小麥生育期的推進，小麥的株高逐漸增大，而葉面積表現為先增加后減小，抽穗期各處理葉面積最高。在拔節期以地膜覆蓋處理株高最高，其次為有機肥處理，而葉面積仍以地膜覆蓋最大，其次為有機肥處理。在抽穗期，以有機肥處理的株高最高，其次為地膜覆蓋和保水劑處理。而葉面積以地膜覆蓋最高。到灌漿期，各處理中以地膜覆蓋處理和秸稈覆蓋處理的株高明顯高于其他處理。而葉面積則表現為以保水劑、秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理明顯高于其他處理，普通耕作處理最低。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖2不同措施下小麥光合速率和蒸騰速率分析

圖3　不同措施下小麥葉片水分利用效率分析

2.2.4不同措施對小麥不同生育期生物量的影響由表3可知，與普通耕作相比，不同措施均提高了小麥不同生育期生物量，且抽穗期和灌漿期的莖、葉、穗等生物量均較高。分蘗期和返青期均以有機肥和地膜覆蓋處理小麥生物量較其他處理高。越冬期以后均以地膜覆蓋處理生物量最高。且在抽穗期和灌漿期均以地膜覆蓋處理的莖、葉和穗的生物量最高，其次為有機肥處理。

表2　不同措施下小麥不同生育期株高、葉面積分析

表3　不同措施下小麥不同生育期生物量分析

2.2.5不同措施對小麥成產要素及產量的影響由表4可知，不同措施提高了小麥的株高、穗長、小穗數、穗粒數和千粒重，減少了小麥的不孕穗。地膜覆蓋較其他措施更利于小麥產量的提高，其較普通耕作增產14.7%。而水分生產效率以秸稈覆蓋處理最高，地膜覆蓋等處理次之，普通耕作處理仍最低。

表4　不同措施下小麥成產要素及產量分析

2.3　對玉米的影響

2.3.1對玉米光合生理特征的影響從圖4中可知，在小喇叭口期，秸稈覆蓋處理的光合速率最高，有機肥處理次之，再者為保水劑處理，而普通耕作處理大于地膜覆蓋處理。在大喇叭口期，保水劑處理>秸稈覆蓋處理>地膜覆蓋處理>有機肥處理>普通耕作處理。到灌漿期，地膜覆蓋處理>秸稈覆蓋處理>保水劑處理>有機肥處理>普通耕作處理。對蒸騰速率而言，在小喇叭口期，除了秸稈覆蓋處理的蒸騰速率最高外，其他處理均低于普通耕作處理。在大喇叭口期，以地膜覆蓋處理最高，保水劑處理、普通耕作處理和有機肥處理次之，秸稈覆蓋處理最低。而到灌漿期，保水劑處理>地膜覆蓋處理>有機肥處理>秸稈覆蓋處理>普通耕作處理。

圖4　不同措施下玉米光合速率和玉米蒸騰速率分析

從圖5中可知，隨玉米生育期的推進，其葉片水分利用效率基本呈下降趨勢。在小喇叭口期，保水劑處理>地膜覆蓋處理>有機肥處理>普通耕作處理>秸稈覆蓋處理較低。在大喇叭口期，以秸稈覆蓋處理最高，而地膜覆蓋處理最低。而到灌漿期，仍以秸稈覆蓋處理的水分利用效率最高，其次為普通耕作處理、有機肥處理及地膜覆蓋處理，保水劑處理最低。

2.3.2對玉米不同生育期株高、莖粗及葉面積的影響從表5中可知，不同措施提高了玉米不同生育期的株高、莖粗及葉面積。地膜覆蓋對于玉米中后期的葉片數的提高有顯著作用。各處理中，在玉米大喇叭口期以后，秸稈覆蓋處理更利于提高玉米莖粗和葉面積，其次為地膜覆蓋處理。

圖5　不同措施下玉米葉片水分利用效率分析

處理小喇叭口期株高/cm葉片數/片莖粗/cm大喇叭口期株高/cm葉片數/片莖粗/cm葉面積/cm2灌漿期株高/cm葉片數/片莖粗/cm葉面積/cm2普通耕作85．0d8b2．0a211．013d2．8b530．6d220．0b14c3．5b552．9e秸稈覆蓋98．3b9a2．4a217．514c3．4a669．1a228．8a14c4．4a680．4a保水劑101．3a8b2．1a210．015b2．9b629．6b218．4b15b3．5b630．6d有機肥93．0c9a2．1a215．013d2．7b583．2c219．5b13d3．3b644．8c地膜覆蓋99．0b9a2．0a222．516a2．9b634．0b228．7a16a3．6b675．8b

2.3.3對玉米成產要素及產量的影響從表6中可知，不同措施提高了玉米的株高、穗位、行數、行粒數、穗粗、有效穗長及產量。各處理中，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理增產效果較其他處理更顯著，其次為有機肥和保水劑處理，分別較普通耕作增產10.4%，10.3%，5.7%，2.4%。而對于玉米水分生產效率而言，地膜覆蓋處理明顯高于其他處理，有機肥處理次之，再者為保水劑處理與秸稈覆蓋處理，分別較普通耕作處理提高43.9%，37.1%，33.7%，14.8%。

2.3.4小麥—玉米復合效應對小麥—玉米周年效應而言(表7)，地膜覆蓋的總產量最高，其次為秸稈覆蓋處理、有機肥處理和保水劑處理，分別較普通耕作增產12.5%，11.7%，5.4%和4.2%。總耗水量以普通耕作處理最高，其次為秸稈覆蓋處理、地膜覆蓋處理、有機肥處理和保水劑處理。而小麥—玉米總水分生產效率表現為：地膜覆蓋處理>秸稈覆蓋處理>保水劑處理>有機肥處理>普通耕作，分別較普通耕作處理提高了17.0%，14.4%，13.9%，12.4%。

表6　不同措施下玉米成產要素及產量分析

表7　不同措施下小麥-玉米周年產量及水分利用分析

2.3.5不同措施對土壤結構和有機碳含量的影響從圖6中可知，隨粒級的減小，土壤團聚體含量表現為先降低再增加的趨勢。保水劑更利于>2 mm粒級團聚體含量的提高，其次為秸稈覆蓋處理；而在2～1 mm粒級，秸稈覆蓋處理最高；在1～0.5 mm和0.5～0.25 mm粒級，秸稈覆蓋和地膜覆蓋處理的團聚體含量明顯高于其他處理；>0.25 mm水穩性團聚體含量表征了土壤結構穩定性大小，各處理中以秸稈覆蓋處理的>0.25 mm水穩性團聚體含量較高，其次為地膜覆蓋處理，這可能與秸稈和地膜很好地防止了雨滴的打擊而使團粒結構不易分散所致。其次為保水劑和有機肥處理，普通耕作處理最低。

土壤結構的改善與其有機碳含量有關。各處理中，以地膜覆蓋處理的有機碳含量最高，其次為秸稈覆蓋、保水劑和有機肥處理，普通耕作處理最低。說明，進行表土覆蓋、施用農用保水劑與增施有機肥均有利于土壤有機碳含量的提高，促進大團粒(>0.25 mm)結構的形成，提高土壤結構的穩定性。

2.3.6小麥玉米周年產量、水分生產效率與小麥、玉米不同生育期生理、形態指標、土壤團粒結構及有機碳的相關性通過對小麥、玉米周年產量及周年水分生產效率與小麥、玉米不同生育階段的各指標及土壤物理性質等進行相關分析，與總產量和總水分生產效率的相關性均不顯著的指標未在表8中列出。

圖6　不同措施對土壤結構和土壤有機碳的影響

可以看出，小麥、玉米總產量與小麥灌漿期株高、返青期、拔節期和收獲期土壤水分、收獲時株高、小麥單產、玉米小喇叭口葉片數、大喇叭口(灌漿期)株高、大喇叭口(灌漿期)葉面積、玉米單產、0.5～0.25 mm及>0.25 mm水穩性團聚體含量、土壤有機碳呈顯著或極顯著正相關，而與<0.25 mm水穩性團聚體呈極顯著負相關。

小麥、玉米總水分生產效率與小麥灌漿期株高、葉面積、抽穗期光合速率、返青期水分、關鍵期水分、收獲期水分、小麥收獲期穗長、小穗數、產量、玉米小喇叭口期株高、大喇叭口期葉面積、灌漿期期葉面積、玉米行粒數、水分生產效率、灌漿期期光合速率、有機碳含量等呈顯著或極顯著正相關。

表8　小麥玉米總產量與總水分生產效率與小麥、玉米不同生育期生理及形態指標、土壤團粒結構及有機碳的相關性分析

注：*代表p<0.05，**代表p<0.01。

3　討 論

地膜覆蓋、秸稈覆蓋是旱地蓄水保墑，提高作物產量的有效措施[21-23]。地面覆蓋可有效降低土體的無效蒸發[24]，秸稈覆蓋能夠增加對降雨的攔蓄，促進水分就地入滲[25]，地膜覆蓋能夠促進下層水分向上移動，提高土壤水分的利用率。秸稈覆蓋可穩定土壤溫度，使土壤微生物數量及活性提高，從而提高養分的有效性，并能有效改善土壤理化性狀，促進作物對水分養分的吸收與利用[26-27]。有機肥和保水劑均具有改善土壤結構，減少土壤無效蒸發，蓄水保墑等作用[2-3]。本研究發現，在降雨較為充沛的豫東地區，采用地膜覆蓋、秸稈覆蓋、保水劑及有機肥等措施均改善了土壤團粒結構，提高了土壤的有機碳含量，有利于蓄水保墑，而地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理效果更為顯著。

土壤含水率與葉片的凈光合速率呈顯著正相關[28-29]，而合理的技術措施能夠緩解作物的受旱程度，促進作物光合能力的提高[30]，減少水分的無效損失，促進作物的水分利用。本研究發現，不同保墑與土壤結構改良措施均提高了小麥生長過程的土壤含水率，且地膜覆蓋和秸稈覆蓋處理效果更佳。不同措施的小麥和玉米的光合速率和葉片水分利用效率也均明顯高于普通耕作。隨小麥生育期的推進，其葉片水分利用效率表現為先增加再降低的趨勢，而玉米的葉片水分利用效率隨其生育期的推進，表現為逐漸減低的趨勢。這可能與小麥、玉米的不同生育期生理特點及土壤含水率之間的相互關系有關，有待進一步研究。

長期連續覆蓋或在作物生長過程均進行覆膜會導致作物水分利用率降低，甚至減產[31]。而增施有機肥可促進作物根系活力增強，延緩根系衰老[32]，且地膜覆蓋結合有機肥能減緩或緩解作物早衰[33]。本研究發現，不同保墑與土壤結構改良措施改善了小麥、玉米不同生育期的形態指標，且以地膜覆蓋處理效果較佳，而秸稈覆蓋處理在小麥抽穗期后效果較為顯著。與其他處理相比，地膜覆蓋更利于小麥產量的提高。這是因為雖然地膜覆蓋會導致小麥生長過旺而消耗水分過快，但其具有較強的減少地面無效蒸發的作用，加之小麥生育中后期降水較多，不會因后期降雨不足而導致嚴重缺水，因此增產效果顯著。這與陳玉華等[33]研究結果一致。而玉米的增產效果以秸稈覆蓋處理和地膜覆蓋處理為佳，且水分生產效率仍以地膜覆蓋處理最高，可能是因為地膜覆蓋減少了水分無效蒸發，而促進了植株蒸騰，使有效耗水比率提高[10]。

不同保墑與土壤結構改良措施通過改善土壤水分環境與生理特性，從而促進小麥、玉米周年產量及水分利用能力的提高。本研究發現，不同處理中，地膜覆蓋處理更利于小麥、玉米周年總產量和總水分生產效率的提高。說明，在降雨量較為豐富的豫東地區，地膜覆蓋的增產和節水效果仍十分顯著。這與張保軍[34]和王有寧[35]等研究結果一致，而與薛少平[31]和張冬梅[36]等研究結果相反，這可能與土壤類型或降雨量有關，有待進一步深入研究。

4　結 論

不同耕作與土壤結構改良措施提高了小麥不同生育期的土壤含水率。在小麥不同生育時期，地膜覆蓋和秸稈覆蓋均更利于提高土壤的含水率。同時，不同措施改善了作物不同生育時期的生理特征。在小麥拔節期和灌漿期，秸稈覆蓋更利于小麥光合速率的提高，而在抽穗期，地膜覆蓋處理明顯高于其他處理。對小麥的葉片水分利用效率而言，在拔節期，以秸稈覆蓋處理最高；在抽穗期，有機肥和地膜覆蓋處理較其他處理高。但到灌漿期，以保水劑處理最高，其次為秸稈覆蓋、有機肥和地膜覆蓋處理，普通耕作最低。對后茬玉米而言，在小喇叭口期、大喇叭口期和灌漿期，分別以秸稈覆蓋處理、保水劑處理和地膜覆蓋處理在相應生育期的光合速率較其他處理高。對玉米葉片水分利用效率而言，在小喇叭口期，以保水劑處理的最高，說明保水劑在玉米生長前期的后效作用較為顯著，其次為地膜覆蓋和有機肥處理。在大喇叭口期和灌漿期，均以秸稈覆蓋處理葉片水分利用效率最高。

此外，地膜覆蓋處理更利于增加玉米中后期的葉片數，這有助于作物對光能的利用而合成更多的有機物質。在玉米大喇叭口期以后，秸稈覆蓋處理更利于提高玉米莖粗和葉面積，其次為地膜覆蓋處理。最終，地膜覆蓋更利于提高小麥的產量，較普通耕作增產14.7%。而玉米的增產和水分生產效率均以地膜覆蓋處理為佳，其水分生產效率較普通耕作處理提高了43.9%，對于小麥、玉米周年效應而言，地膜覆蓋處理的周年總產量和總水分生產效率明顯高于其他處理，分別較普通耕作提高了12.5%和17.1%。

相關分析表明，小麥不同生育期的土壤水分、灌漿期葉面積、小麥單產、玉米大喇叭口期的葉面積以及土壤有機碳含量均對小麥、玉米周年總產量和總水分生產效率的提高具有積極作用。而地膜覆蓋和秸稈覆蓋對于以上相關指標的改善優于其他措施，因此利于了小麥、玉米周年增產和增效。但地膜覆蓋或秸稈覆蓋與有機肥或保水劑相結合的效果如何，有待下一步研究。

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