不同覆蓋對免耕玉米生長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.南水北調東線江蘇水源有限責任公司徐州分公司，江蘇徐州 221000； 2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州 225009； 3.遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽 110003)

風沙土是遼寧西北部與內蒙古科爾沁沙地接壤地區普遍存在的土壤資源，土壤以粉細沙為主，有機質含量少、固結能力差、蓄水能力低、保水保肥性差。長期以來，該地區土地利用以玉米種植為主，農民因土壤漏水、漏肥嚴重而不愿意對合理灌溉施肥增加投入，主要依靠降水補充灌溉，土地生產效率低，且部分地區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，如何在農業生產的同時，實現風沙土土地資源的可持續利用，一直是該地區亟須要解決的問題。

免耕技術是近年來被廣泛推廣應用的保護性耕作技術之一[1]，它具有減少土壤擾動，保護土壤團粒結構，增加土壤有機質含量等優點[2]。長時間免耕可以增加土壤大粒徑團粒含量和大孔隙數量，改善農田土壤結構，提高土壤的入滲性能和蓄水能力，從而達到涵養水源、增強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廣泛推廣應用的農業生產技術。通過覆蓋可以改變土壤環境因子，為作物的生長發育創造小氣候，從而使作物生長發育的環境更加適宜。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前期利用深層儲水來提高土壤表墑，同時在玉米生長期內提高積溫57.9 ℃[9]。由此可見，將免耕技術和覆蓋技術相結合應用在風沙土地區，一方面可減少對風沙土的擾動，另一方面可擴大土壤水庫容量，有利于土壤質量的維持和提高。

本研究以遼西北地區風沙土土壤為研究對象，以傳統雨養無灌溉為對照(CK)，通過在滴灌條件下設置免耕無覆蓋(MG)、免耕秸稈覆蓋(MJ)、免耕地膜覆蓋(MM)等3個處理，研究不同覆蓋措施對免耕種植玉米生長和水分利用效率(water use efficiency，簡稱WUE)的影響，探究風沙土土壤適宜的利用方式，以期為風沙土土地資源的可持續利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗在遼寧省水利水電科學研究院阿爾鄉沙漠生態園內進行，試驗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氣候區，其主要特征是干燥、風沙大。多年平均降水量為 412 mm，降水量年內分布不均，夏季降水量占全年降水量的60%～70%；多年平均蒸發量為1 781 mm；年平均氣溫為 6.1 ℃，平均風速為3.7～4.2 m/s，最大瞬時風速達 24.0 m/s，沙塵暴天氣可持續10～15 d；植物生長期為145～150 d，無霜期為154 d。試驗區土壤主要為流動風沙土，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%。土壤機械組成以細沙為主，占總量的70.0%，物理性黏粒和粗沙很少；有機質含量為0.66 g/kg。

1.2 試試材料與試驗設計

試驗于2015年5—9月進行，設免耕無覆蓋(MG)、免耕秸稈覆蓋(MJ)和免耕地膜覆蓋(MM)3個免耕滴灌處理，同時以當地傳統種植方式，即雨養無灌溉為對照(CK)，每個處理重復3次，共12個小區，采用隨機分布方式。小區南北朝向，長為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。采用機械完成耕種作業，農機為可拆卸大壟雙行玉米膜下滴灌一體機，可同時完成施底肥、注藥、播種、鋪滴灌帶、覆膜等作業，MG處理和MJ處理在機械行走時不放置地膜，MG處理每1～2 m在滴灌帶上覆土，防止滴灌帶的吹動移位；MJ處理在滴灌帶鋪設完畢后在壟上均勻鋪放玉米秸稈，秸稈長度為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

播種前對種子進行晾曬處理，底肥施225 kg/hm2磷酸二銨，225 kg/hm2復合肥。5～6葉期定苗，拔節期中耕除草，噴施農藥甲胺磷1次，防治蟲害。結合氣象條件補充灌溉，玉米生育期內共灌溉4次，單次灌水定額為20.0 mm。

1.4 測定指標

降水和蒸發利用試驗站內的小型氣象站測定，每天 08：00 測量并記錄1次。灌溉水量通過水表控制。土壤含水量用管式時域反射計(time domain reflectometry，簡稱TDR)測量，TDR測管埋在小區中部同一行相鄰2株玉米中間位置，埋深為1 m，每7 d測1次，測深為1 m，每0.2 m為1個測定深度。玉米株高、莖粗和單株全部展開葉的葉面積等每2周測1次；按長×寬×系數法調查葉面積，葉面積指數(leaf area index，簡稱LAI)通過葉面積與單位土地面積折算求得；收獲時在各小區隨機取10株，收獲后室內考種，各小區單獨收獲考種、脫粒、曬干并計產，每個處理的玉米產量為處理各小區的實際產量；生育期耗水量采用土壤水量平衡法進行計算，水分利用效率為玉米產量與耗水量的比值。

常規數據整理由Excel 2010完成，單因素方差分析由SPSS 20.0完成。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋對免耕種植玉米生長的影響

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行而增加，抽穗期后，株高基本穩定。不同處理之間，滴灌處理植株株高整體高于雨養種植處理，苗期滴灌灌溉處理的株高比CK處理高50%，在苗期和拔節期各滴灌灌溉處理與CK處理均達到顯著差異水平；拔節期后，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。在苗期至拔節期，覆蓋方式對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的主要因素，拔節期后覆蓋對株高生長有明顯的促進作用，不同覆蓋方式對玉米株高影響較小。

2.1.2 莖粗 由圖2可知，玉米莖粗隨著生育期的進行先增大后趨于穩定，苗期至拔節期玉米莖粗增長幅度較大，各處理增幅均在50%及以上；拔節期后莖粗穩定在1.9～2.7 cm；成熟期MG處理和MJ處理玉米莖粗有減小趨勢。在不同處理之間，滴灌處理的莖粗大于CK處理，尤其在生長前期，達到顯著差異水平，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，隨著生育期的進行，覆蓋對莖粗的促進作用越來越明顯，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%。結果表明，苗期補充灌溉是影響植株莖粗生長的關鍵因素，盡管雨養條件下玉米莖粗在拔節后隨著雨季雨水的補給有一定的補償效應，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于秸稈覆蓋。

2.1.3 葉面積指數 由圖3可知，隨著生育期的進行，各處理玉米葉面積指數先增大后減小；苗期至抽穗期玉米LAI增長最為迅速，LAI增加12.0～15.1倍，抽穗期達到最大，LAI在2.7～3.8之間，進入成熟期后，各處理玉米葉面積指數均減小，減幅為3.8%～11.2%。不同處理之間，CK處理玉米葉面積指數始終小于灌溉處理，并均與灌溉處理達到顯著差異，其中在拔節期差異最為明顯。在不同滴灌處理之間，覆蓋處理玉米LAI高于無覆蓋處理，且拔節期后，MJ處理玉米LAI最高，在抽穗期達到 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。說明灌溉是導致玉米LAI差異的主要因素， 雨養不利于獲取較高的LAI；覆蓋有利于LAI的提高，但與滴灌灌溉對LAI的促進作用相比，覆蓋對LAI的提高作用并不明顯。

2.2 不同覆蓋對玉米產量構成和水分利用效率的影響

2.2.1 產量構成 由表1可知，CK處理除玉米禿尖長外，其他考種指標，如玉米穗質量、穗長、穗粗、穗行數、穗行粒數、穗粒質量、百粒質量等均顯著低于滴灌灌溉處理，其中，穗質量和穗行粒數較灌溉處理低40.0%～50.0%，CK處理玉米禿尖長較其他處理長11.5%～123.1%，且和MG處理、MM處理之間的差異達到顯著水平。不同滴灌處理之間，除百粒質量外覆蓋處理各項考種指標均大于無覆蓋處理，其中穗質量、穗長、穗粗高出 5.0%～12.4%，穗行粒數和穗粒質量提高3.6%～9.6%；滴灌各處理百粒質量為40.2～42.5 g，差異較小；覆蓋同時增加了玉米禿尖長度，MJ處理和MM處理禿尖分別較MG處理長 1.3、0.4 cm；方差分析結果表明，無覆蓋處理除玉米穗粗和穗行數顯著低于覆蓋處理外，其他考種指標與覆蓋處理均未達到顯著差異水平。與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋玉米禿尖長長 0.9 cm，穗粗和穗行數分別低1.9%、4.4%，其他考種指標提高1.5%～7.0%；2個處理的各指標差異均未達到顯著水平。說明滴灌灌溉有利于產量形成；滴灌條件下，秸稈覆蓋整體優于地膜覆蓋，地膜覆蓋整體優于無覆蓋。

表1 不同覆蓋對玉米產量構成的影響

注：同列數據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 不同覆蓋對玉米產量和WUE的影響

2.2.2 產量與水分利用效率 由表2可知，各處理玉米產量由大到小依次為MJ處理>MM處理>MG處理>CK處理。MJ處理、MM處理和MG處理玉米產量分別較CK處理增產3.0、2.8、2.5 t/hm2，增幅分別為55.6%、51.9%、46.3%，均與對照達到顯著差異水平，但滴灌處理之間差異不顯著，即滴灌灌溉能顯著增產，覆蓋有利于提高產量，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個處理間差異不顯著。這說明覆蓋對提高水分利用效率有一定的作用，秸稈覆蓋效果優于地膜覆蓋；但在灌溉條件下，隨著耗水量的增加，WUE反低于雨養種植，這是由于雨養條件下無灌溉，土壤水分僅依靠降水補充，以犧牲產量來獲得較高的WUE。

3 討論與結論

遼西北地區是春旱頻發區，春季多風，而風沙土保水保肥性差，因此土壤失墑快。盡管當地雨養種植在多年生產實踐中形成了一些實用有效的經驗，但在雨水年內分配不均的年份仍會遭到不同程度的減產損失，嚴重年份甚至絕收。結果表明，灌溉是風沙土農業生產的基礎，拔節期前由于少雨多風，雨養種植缺少水分補充，玉米生長受到抑制，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，但補償作用有限，玉米生長性狀始終低于灌溉處理，并在生長后期進一步影響到產量構成，造成低產。

免耕覆蓋組合條件下，覆蓋能有效地抑制土壤蒸發，提高灌溉水的有效性[10]，從而為玉米生長創造良好的水分條件，在玉米苗期至拔節期，植株較小，需水量少，水分差異引起的生長性狀差異并不明顯，隨著生長期的進行，拔節期后水分條件差異導致植株性狀產生明顯差異，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，最終產量構成和水分利用效率等也整體低于覆蓋處理。

有研究表明，雖然在一些區域免耕秸稈覆蓋能夠改善土壤的水分條件，增加土壤碳儲量，但同時也會導致土壤表層溫度降低[11]，特別當春季氣溫回升時，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量的增加[12]。而地膜透光性強，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]。這可能是在生長前期膜下滴灌作物長勢好于秸稈覆蓋的原因。抽穗期后，隨著進入夏季氣溫升高和地膜的碎化，低溫不再是影響植株生長的制約因素，秸稈覆蓋對調控土壤溫度和集蓄雨水、抑制蒸發的效果明顯，但此時植株已從營養生長進入生殖生長，因此，植株長勢基本穩定，LAI、產量及其構成、WUE基本高于地膜覆蓋處理。

在本試驗中，雨養種植因無灌溉水量，WUE高于灌溉處理。在生產實踐中， 一方面雨養的產量取決于生育期內的氣象條件，具有隨機性；另一方面，隨著生產資料和用工投入的增加，雨養種植經濟性差，因此綜合試驗結果，在風沙土地區免耕秸稈覆蓋滴灌是較為適宜的種植方式。