間作小麥秸稈還田對地膜覆蓋玉米灌漿期冠層溫度及光合生理特性的影響

殷文，柴強，于愛忠，趙財，樊志龍，胡發(fā)龍，范虹，郭瑤

間作小麥秸稈還田對地膜覆蓋玉米灌漿期冠層溫度及光合生理特性的影響

殷文，柴強，于愛忠，趙財，樊志龍，胡發(fā)龍，范虹，郭瑤

（甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，蘭州 730070）

【】作物的光合生理特性是影響產(chǎn)量的重要因素，冠層溫度反映作物冠層的能量平衡狀況，與作物光合生理特性及產(chǎn)量形成密切相關。研究不同覆蓋方式下作物冠層溫度與光合生理特性及產(chǎn)量形成，旨在優(yōu)化耕作制度，提高干旱內(nèi)陸灌區(qū)作物生產(chǎn)潛力。2014—2016年，在西北干旱灌區(qū)，通過田間試驗，研究不同小麥秸稈還田及地膜覆蓋利用方式下，小麥間作玉米模式中玉米灌漿期的冠層溫度及光合生理特性。間作較單作可降低玉米灌漿期的冠層溫度，以免耕小麥帶25—30 cm高茬收割覆蓋還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSI2），免耕小麥帶25—30 cm高茬收割立茬還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSSI2）處理降低效果更為顯著，較傳統(tǒng)耕作每年覆新膜單作（CTM）處理分別降低10.3%與7.5%，比傳統(tǒng)翻耕小麥帶無秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTI）處理分別降低7.6%與4.7%。從冠氣溫差可知，NTSI2處理隨氣溫變化玉米灌漿期冠層溫度變化較小，可減小氣溫變化對玉米生長發(fā)育造成的不利影響。間作較單作可增大玉米灌漿期的光合速率（n）、蒸騰速率（r）及葉片水分利用效率（WUEL），以NTSI2、NTSSI2處理提高幅度較大，較CTM處理玉米n提高比例分別為23.0%與18.1%，較CTI處理提高比例分別為13.4%與8.9%；同理，與CTM處理相比，r分別提高7.9%與5.8%，與CTI處理相比，r分別提高6.1%與4.1%；NTSI2、NTSSI2處理WUEL較CTM處理提高14.4%與12.0%，較CTI提高7.2%與4.9%，呈現(xiàn)水分高效利用的潛勢。相同的凈占地面積下，間作較單作玉米具有增產(chǎn)效應，增產(chǎn)幅度達到52.2%，其中NTSI2、NTSSI2處理較CTM處理分別增產(chǎn)57.2%與53.4%，較CTI處理分別增產(chǎn)17.6%與14.7%，說明免耕地膜2年覆蓋與秸稈還田同步應用于間作模式可進一步加強玉米增產(chǎn)效應。在河西綠洲灌區(qū)，集成應用免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋技術(shù)是實現(xiàn)高產(chǎn)高效間作模式的理想耕作措施。

小麥間作玉米；秸稈還田；地膜覆蓋；冠層溫度；光合生理；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】冠層溫度反映作物冠層的能量平衡狀況及作物和大氣之間的能量交換，與其能量的吸收和釋放息息相關[1]。作物冠層溫度是作物本身的遺傳特性和外界環(huán)境條件共同作用的結(jié)果，不僅影響作物的光合生理特性及葉片功能期，也對作物籽粒蛋白質(zhì)和淀粉合成產(chǎn)生影響[2]。因此，冠層溫度與作物生長生育的關系值得進一步關注。【前人研究進展】冠層組織是作物群體光合作用的主要作用器官，也是作物生長發(fā)育最為活躍的部位，顯著影響作物灌漿及籽粒形成，而作物灌漿期的冠層溫度對其產(chǎn)量形成影響較大，原因在于冠層溫度影響作物灌漿的生理生化過程[2-3]。若作物灌漿期間冠層溫度較低，則葉片葉綠素含量高、光合能力強、蒸騰旺盛，從而延長葉片功能期并延緩衰老，有利于協(xié)調(diào)植株體內(nèi)碳氮代謝、促進籽粒灌漿而提高產(chǎn)量[4-5]。因此，研究冠層溫度對作物灌漿結(jié)實狀況的影響具有重要意義。前人已對作物冠層溫度與光合生理指標及產(chǎn)量形成的關系做了大量研究，并且證實作物籽粒灌漿期的冠層溫度與其光合速率及產(chǎn)量呈顯著負相關，且相關性隨著灌漿的逐步推移而增大[6-7]。也有研究表明，合理的灌溉與施肥制度[8-9]、適宜的種植密度[10]、優(yōu)化的耕作與覆蓋[11]等農(nóng)藝措施有利于建立作物理想的群體結(jié)構(gòu)，促進通風透光，有效地增大作物蒸騰量，有助于作物群體熱量的散失，從而降低冠層溫度，延緩衰老促進灌漿結(jié)實，提高產(chǎn)量。【本研究切入點】縱觀冠層溫度與作物光合生理指標及產(chǎn)量間的關系，前人主要集中于不同基因型作物品種及單一農(nóng)藝措施間的研究，而有關耕作、覆蓋方式及種植模式集成于一體的栽培措施對作物冠層溫度的調(diào)控，從而對光合生理及產(chǎn)量的影響研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究在干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)，探討間作小麥（L.）秸稈還田對配對地膜覆蓋玉米（L.）灌漿期冠層溫度及光合生理特性的影響，解析不同秸稈還田及地膜覆蓋利用方式下間作及單作玉米不同灌漿階段冠層溫度與光合生理、產(chǎn)量的關系，從而為研究區(qū)域土壤耕作技術(shù)的改進和作物高產(chǎn)、高效栽培模式的構(gòu)建提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

田間試驗于2014—2016年度在甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站進行。試驗區(qū)位于河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)。土壤類型為灌漠土，土層厚約100 cm。多年平均氣溫約7.3℃，降雨量低于200 mm，年蒸發(fā)量高于2 000 mm，灌溉水資源有限，作物生產(chǎn)必須采用秸稈還田與地膜覆蓋等節(jié)水措施，特別是喜溫作物玉米存在“非膜不植”的生產(chǎn)現(xiàn)狀。小麥、玉米是該區(qū)主栽作物，播種比例占可耕地的一半以上，且大多以傳統(tǒng)深翻耕為主。

1.2 試驗設計

2013年布置預備試驗，在小麥收獲后形成4種不同秸稈還田方式（25—30 cm高茬收割立茬免耕、25—30 cm 高茬收割秸稈覆蓋免耕、25—30 cm 高茬收割秸稈翻耕、傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田），其余秸稈均移除農(nóng)田；玉米收獲后形成2種地膜覆蓋利用措施（免耕地膜2年覆蓋利用，即玉米收獲后免耕留膜，地膜的完整度保持在70%以上；傳統(tǒng)翻耕每年覆新膜，則為玉米收獲后進行舊膜回收再深翻耕），布置9個小區(qū)的地膜覆蓋單作玉米，其中3個小區(qū)一直為傳統(tǒng)翻耕每年覆新膜，另外6個小區(qū)用于地膜2年利用處理年際間的交替輪換，間作與單作玉米地膜覆蓋利用方式相似。試驗采用隨機區(qū)組設計，包括3種種植模式、4種小麥秸稈處理方式及2種地膜覆蓋利用方式（厚度0.008 mm的普通無色農(nóng)用地膜）。4種小麥秸稈處理方式形成4個單作小麥處理，2種地膜覆蓋利用方式形成2個單作玉米處理，為了便于田間機械化操作，將耕作方式相同的秸稈還田與地膜覆蓋集成于小麥間作玉米模式，形成4個小麥間作玉米處理。即本研究共設10個處理（表1），3次重復，因間作與單作玉米地膜覆蓋利用方式的交替設計，共組成39個小區(qū)。

表1 試驗設計及處理代碼

供試小麥為寧春2號，玉米為先玉335。2014— 2016年，小麥播種日期分別為3月21日、29日及30日，收獲日期分別為7月24日、28日、21日。玉米播種日期分別為4月25日、24日、20日，收獲日期分別為9月30日、28日、20日。

本文只涉及到間作與單作玉米的相關指標，因此播種密度、灌溉與施肥制度只描述小麥間作玉米與單作玉米2種模式。各小區(qū)面積均為48 m2（10 m×4.8 m)。間作模式中，小麥玉米各3帶，帶寬均為0.8 m，小麥帶種6行，行距12 cm，玉米帶種2行，行距40 cm，株距24 cm，小麥玉米間距為30 cm。已有研究證實，間作較單作可增強玉米的耐密性[12]，因此，本研究中間作玉米的種植密度高于單作，間作與單作玉米播種密度分別為52 500株/hm2與82 500株/hm2。本試驗僅施用氮肥與磷肥，所用肥料為尿素與磷酸二銨。小麥間作玉米下，小麥帶施N 225 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，全作基肥；玉米帶施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，P2O5225 kg·hm-2，全作基肥。在相同的占地面積下，單作與間作玉米的施肥制度一致。傳統(tǒng)耕作基肥在播種前均勻施于地面，用旋耕機旋入15 cm深的耕作層，而免耕地膜2年覆蓋玉米基肥用穴播槍施入。追肥時，用穴播槍在距離玉米莖稈10 cm處打孔，將肥料施入10 cm深的孔中，然后埋土。

單作玉米與小麥間作玉米均采用小區(qū)漫灌，其灌溉制度如表2。

表2 不同種植模式的灌溉時期和灌溉量

1.3 測定與計算指標及方法

1.3.1 大氣溫度 借助試驗站小型氣象測定儀（SL5）自動測定并記錄大氣溫度（AT）。

1.3.2 冠層溫度 選擇晴朗天氣，于玉米灌漿前、中和后期，采用手持紅外測定儀（FLUKE-59Mini IR THERMOMETER）測定高于玉米冠層約15 cm，且與冠層呈30°夾角長勢均勻部位的冠層溫度（CT）。測量時間為8：00—18：00，每隔2 h測定一次。每小區(qū)測4次，取其平均值作為該次測定的冠層溫度值，并計算冠氣溫差（CATD），CATD = CT-AT。

1.3.3 光合及蒸騰速率 選擇晴朗天氣，在9：00—11：00，使用LI-6400 XT 型光合測定儀，測定玉米灌漿前、中和后期穗位葉中部的光合速率（n，μmol CO2·m-2·s-1）、蒸騰速率（r，mmol·m-2·s-1），并計算葉片水分利用效率（WUEleaf=n/r，μmol·mmol-1)。每小區(qū)測3株，取其平均值作為該小區(qū)的光合生理測定值。

1.3.4 產(chǎn)量 每小區(qū)單獨收獲測產(chǎn)，測產(chǎn)面積5 m2，用 PM-8188 型谷物水分測定儀測定籽粒含水率，重復 5 次，取其平均值，在籽粒含水量在13%及相同的凈占地面積下，計算間作與單作玉米的籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Microsoft Excel 2013整理、分析數(shù)據(jù)并繪制圖表，利用SPSS 20.0軟件進行顯著性檢驗（Duncan’s）及相關分析。本研究屬于田間定位試驗，年份（時間）會對試驗結(jié)果產(chǎn)生重大影響，即不同秸稈還田方式與年份之間會有交互效應，因此，本研究以年份（時間）作為一個因子，把文中測定數(shù)據(jù)進行重復測量方差分析，即采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重復測量方差分析）進行顯著性檢驗（＜0.05）。

2 結(jié)果

2.1 間作小麥秸稈還田對地膜覆蓋玉米灌漿期冠層溫度的影響

間作較單作降低了玉米灌漿期的冠層溫度，小麥帶免耕秸稈還田顯著降低了配對玉米灌漿期的冠層溫度，且年份及年份與處理間的交互作用對其影響不顯著（表3）。玉米灌漿前期，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSI2、NTSSI2）較傳統(tǒng)每年覆新膜（CTM）玉米冠層溫度分別降低9.8%、7.0%，NTSI2處理較免耕地膜2年覆蓋（NTM2）降低7.6%；間作模式中，僅有NTSI2處理較小麥帶傳統(tǒng)翻耕無秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTI）降低7.4%。玉米灌漿中期，NTSI2、NTSSI2、小麥帶翻耕秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTSI）較CTM處理玉米冠層溫度分別降低9.9%、7.2%、5.6%，NTSI2處理較NTM2處理降低6.2%；間作模式中，僅有NTSI2處理較CTI處理降低6.9%。玉米灌漿后期，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理較CTM處理玉米冠層溫度分別降低8.7%、11.5%、6.1%，NTSI2處理較NTM2處理降低6.5%；間作模式中，NTSI2與NTSSI2處理較CTI處理分別降低5.6%、8.5%。玉米灌漿后期，地膜2年覆蓋利用較傳統(tǒng)每年覆新膜降低了單作玉米的冠層溫度，NTM2處理較CTM處理降低比例為5.4%。

2.2 秸稈還田及地膜覆蓋方式下玉米灌漿期的冠氣溫差

通過冠層溫度與大氣溫度差可判斷覆蓋、耕作及種植模式對玉米冠層溫度穩(wěn)定性的影響。間作較單作可降低玉米灌漿期的冠氣溫差，地膜2年覆蓋利用較傳統(tǒng)每年覆新膜可降低單作玉米冠氣溫差，秸稈還田可降低配對地膜覆蓋玉米灌漿期的冠氣溫差，試驗年份及年份與處理間的交互作用不顯著（表4）。從玉米灌漿期冠氣溫差平均值分析可知，間作較單作降低玉米灌漿期冠氣溫差33.4%，NTSI2、NTSSI2、CTSI、CTI處理較CTM處理分別降低64.8%、47.3%、33.9%、18.6%，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理較NTM2處理分別降低31.2%、54.0%、13.7%。地膜2年覆蓋利用較傳統(tǒng)每年覆新膜降低單作玉米灌漿期冠氣溫差23.4%。間作模式中，與CTI處理相比，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理降低玉米灌漿期冠氣溫差，分別為56.8%、35.3%、18.8%，以NTSI2、NTSSI2處理降低幅度較大，比CTSI處理分別降低46.7%、20.3%，其中NTSI2處理比NTSSI2處理降低20.3%。綜上，小麥帶免耕秸稈覆蓋還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSI2）隨氣溫變化其冠層溫度變化較小，可減小氣溫變化對玉米生長發(fā)育的不利影響。

表3 不同種植模式不同處理玉米灌漿期的冠層溫度

數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一年度中所有處理在0.05水平下統(tǒng)計分析差異顯著；NS表示各因素在0.05水平上差異不顯著。下同

Different lowercase letters represent significant differences in statistical analysis of all treatments in the same year at 0.05 probability level; NS indicates that there is no significant difference in each factor at 0.05 level. The same as below

2.3 玉米灌漿期光合生理特征對秸稈還田及地膜覆蓋方式的響應

2.3.1 光合速率 玉米灌漿期，間作玉米的光合速率均高于單作（表5）。灌漿前期，與傳統(tǒng)每年覆新膜單作玉米（CTM）相比，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSI2、NTSSI2）玉米光合速率分別提高12.2%、7.5%，小麥帶翻耕秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTSI）玉米光合速率提高8.9%，小麥帶翻耕無秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTI）提高玉米光合速率5.6%；與免耕地膜2年覆蓋單作玉米（NTM2）相比，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理提高玉米光合速率分別為6.2%—10.9%，以NTSI2處理提高幅度較大。隨著生育期的推進，間作提高了玉米的光合速率，至灌漿中期，與CTM處理相比，間作玉米光合速率提高10.9%—26.7%；與NTM2處理相比，NTSI2、NTSSI2處理提高玉米光合速率，分別為16.6%、12.9%，以NTSI2處理提高幅度較大。灌漿后期，間作玉米光合速率均顯著高于CTM處理，提高比例達到9.7%—35.1%；與NTM2處理相比，僅有NTSI2、NTSSI2處理提高玉米光合速率，依次為18.4%、12.9%，以NTSI2處理提高幅度較大。間作玉米灌漿期較高的光合速率對高產(chǎn)起到重要作用，特別是小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋間作玉米保持較高的光合速率，是玉米獲得高產(chǎn)的光合生理基礎。

免耕地膜2年覆蓋對單作玉米灌漿前期的光合速率影響不顯著，但增加了灌漿中后期的光合速率（表5）。玉米灌漿中、后期，NTM2處理較CTM處理玉米光合速率分別增大8.7%、14.1%。說明免耕地膜2年覆蓋可通過優(yōu)化玉米生長發(fā)育動態(tài)，維持玉米灌漿中后期較高的光合速率，為其獲得高產(chǎn)創(chuàng)造良好的光合生理基礎。

表4 不同種植模式不同處理玉米灌漿期冠氣溫差

與CTI處理相比，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋間作玉米灌漿期保持較高的光合速率（表5）。灌漿前期，只有NTSI2處理玉米光合速率比CTI處理高6.2%。灌漿中期，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理較CTI處理玉米光合速率提高5.1%—14.2%，其中NTSI2、NTSSI2處理較CTSI分別提高8.7%、5.3%。灌漿后期，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理較CTI處理提高5.7%—23.2%，其中NTSI2、NTSSI2處理較CTSI處理分別高16.6%、11.2%。免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋間作玉米灌漿期保持較高的光合速率，對間作玉米高產(chǎn)起到補償作用。

2.3.2 蒸騰速率 玉米灌漿前期，間作與單作玉米蒸騰速率差異不顯著，但隨著生育期的推進，至灌漿中后期，間作玉米蒸騰速率高于單作（表5）。2014與2015年，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理玉米灌漿中期的蒸騰速率較CTM處理分別增大14.7%、12.5%、10.4%，NTSI2處理比NTM2處理提高9.4%；相似地，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理玉米灌漿后期的蒸騰速率較CTM處理分別增大18.3%、15.4%、9.6%，與NTM2處理相比，僅有2014年度NTSI2、NTSSI2處理玉米蒸騰速率分別提高18.6%、16.1%。小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋間作玉米在灌漿中后期保持較高的蒸騰速率而提高水分利用的有效性。

表5 不同種植模式不同處理玉米灌漿期的光合特性差異

地膜覆蓋方式對單作玉米灌漿前、中期蒸騰速率無顯著性影響，而NTM2處理較CTM處理玉米灌漿后期蒸騰速率提高6.1%（表5）。秸稈還田與地膜覆蓋方式對間作玉米灌漿前期蒸騰速率影響不顯著，但隨著生育期的推進，NTSI2、NTSSI2處理較CTI處理玉米灌漿中期蒸騰速率分別提高5.8%、4.8%，灌漿后期分別提高11.7%、9.5%，達到顯著性水平。說明免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋維持間作玉米較高的蒸騰速率主要體現(xiàn)在灌漿中后期，加強蒸騰作用而提高水分有效利用。

2.3.3 葉片水分利用效率 玉米灌漿期，間作玉米葉片水分利用效率均顯著高于單作玉米（表5）。灌漿前期，與CTM與NTM2處理相比，間作玉米葉片水分利用效率分別提高6.2%—10.3%與4.8%—8.9%。灌漿中期，間作較CTM處理提高玉米葉片水分利用效率6.9%—15.4%，與NTM2處理相比，NTSI2、NTSSI2處理提高比例分別為10.4%、7.9%。相似地，灌漿后期，間作較CTM處理玉米葉片水分利用效率提高7.1%—18.0%，與NTM2處理相比，NTSI2、NTSSI2處理提高比例分別為10.0%、7.0%。3個灌漿階段，均以NTSI2處理玉米保持較高的葉片水分利用效率，為間作農(nóng)田水分高效利用奠定基礎。

地膜覆蓋利用方式對單作玉米灌漿前期葉片水分利用效率無顯著影響，但灌漿中期與后期，NTM2處理較CTM處理玉米葉片水分利用效率分別增大4.5%、7.4%。小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋措施顯著提高了間作玉米灌漿期的葉片水分利用效率（表5）。灌漿前期，僅NTSI2處理玉米葉片水分利用效率較CTI處理高4.0%。灌漿中期，NTSI2、NTSSI2處理較CTI處理玉米葉片水分利用效率分別提高8.0%、5.5%，NTSI2處理較CTSI處理提高6.2%。灌漿后期，NTSI2處理較CTI與CTSI處理玉米葉片水分利用效率分別提高10.2%、9.7%。免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋間作玉米灌漿期保持較高的葉片水分利用效率，呈現(xiàn)高效利用水分的潛勢。

2.4 秸稈還田與地膜覆蓋方式對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

在相同的占地面積下，間作較單作玉米具有增產(chǎn)效應，3個試驗年度增產(chǎn)52.2%（圖1）。與傳統(tǒng)每年覆新膜單作玉米（CTM）相比，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋（NTSI2、NTSSI2）玉米分別增產(chǎn)57.2%、53.4%，小麥帶翻耕秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTSI）玉米增產(chǎn)57.4%，小麥帶翻耕無秸稈還田與玉米帶每年覆新膜（CTI）玉米增產(chǎn)33.7%；與免耕地膜2年覆蓋單作玉米（NTM2）相比，NTSI2、NTSSI2、CTSI、CTI處理玉米分別增產(chǎn)61.1%、57.1%、61.3%、37.0%。

地膜覆蓋利用方式對單作玉米籽粒產(chǎn)量無顯著影響，但小麥免耕秸稈還田提高了免耕地膜2年覆蓋間作玉米的籽粒產(chǎn)量，NTSI2、NTSSI2、CTSI處理中玉米籽粒產(chǎn)量較CTI處理分別提高17.6%、14.7%、17.7%。說明免耕地膜2年覆蓋應用于免耕秸稈還田間作可進一步加強玉米增產(chǎn)效應。

圖1 不同地膜覆蓋及耕作方式對玉米籽粒產(chǎn)量的影響

2.5 玉米灌漿期冠層溫度與籽粒產(chǎn)量及葉片水分利用效率的相關性

不同覆蓋及耕作方式下玉米灌漿期冠層溫度與其葉片水分利用效率及籽粒產(chǎn)量均呈極顯著負相關關系（圖2）。說明小麥帶免耕還田、玉米帶地膜2年利用可通過增加土壤水分供給量，降低玉米冠層溫度，葉片保持適宜的水分含量，從而提高葉片水分利用效率及產(chǎn)量，進一步增強水分利用的有效性，呈現(xiàn)水分高效利用的潛勢。

圖2 玉米灌漿期的冠層溫度與葉片水分利用效率及籽粒產(chǎn)量的相關性

3 討論

3.1 作物冠層溫度及光合生理特性對秸稈還田與地膜覆蓋的響應

冠層溫度與作物生育狀況的關系，不僅受到作物品種本身基因型差異特性的影響[13]，還受環(huán)境如土壤水分、蒸騰與光照強度、氣溫、CO2濃度、空氣飽和差等因素的制約[2]，當然除了基因型之外，其他制約因素均受覆蓋與耕作[14-15]、施肥與灌溉制度[15-16]等措施的調(diào)控。作物冠層溫度的調(diào)控主要呈現(xiàn)兩個方面，第一，作物冠層將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能而提高冠層溫度；第二，作物葉片通過蒸騰作用散熱冷卻而降低冠層溫度[2]。在土壤墑情較好條件下作物冠層溫度相對較低，當作物生長中土壤水分供應不足時，蒸騰作用減弱，蒸騰耗熱較少、感熱通量增加，從而增大作物冠層溫度[17]。因此，通過優(yōu)化耕作與栽培措施，改善土壤水分環(huán)境與作物生長動態(tài)，可調(diào)控作物冠層溫度。本研究得出，間作較單作降低了玉米灌漿期的冠層溫度，這是因為不同品種、不同高矮搭配的作物間作改變了作物生長的微生境，間作群體高低鑲嵌的冠層結(jié)構(gòu)比單一群體高度一致的冠層利于空氣的流動及光照的分布，尤其是矮位作物收獲后，高位作物的開放冠層有利于降低邊界層的擴散阻力，改變?nèi)~氣、水汽梯度[18]。小麥間作玉米模式中，間作小麥與玉米的吸水空間不同、根系分布不同，均可產(chǎn)生間作小麥與玉米分享有限水資源的互補效應[19]，特別是間作小麥收獲后，玉米根系可進入小麥帶吸收小麥帶的土壤水分，增加玉米葉片水分含量而增強玉米的蒸騰速率，從而降低冠層溫度。

本研究進一步得出，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋利用顯著降低了玉米灌漿期的冠層溫度，這是因為間作小麥收獲時免耕秸稈還田增加土壤與大氣間水熱交換的物理阻隔層，阻止大氣與土壤間的能量和水分交換而降低土壤蒸發(fā)[20]，使得更多的土壤水分補給生殖生長期玉米的水分需求，增加玉米葉片水分含量而增強蒸騰作用[19]，從而降低冠層溫度。另外，免耕地膜2年利用較傳統(tǒng)每年覆新膜降低土壤溫度[21-22]，玉米生育前期生長發(fā)育緩慢，對土壤水養(yǎng)分消耗較少，使得土壤貯存較多水養(yǎng)分用于適宜土壤溫度的生殖生長期[19]，旺盛的生長使得玉米有效蒸騰耗水增加，從而降低冠層溫度；相反，傳統(tǒng)每年覆新膜較高的土壤溫度加快玉米前期生長發(fā)育，過度消耗養(yǎng)分與水分，使得生育后期資源供給不足，另外傳統(tǒng)每年覆新膜易造成玉米開花灌漿期根區(qū)極端高的土壤溫度，導致后期根系及葉片發(fā)生早衰[22-24]，光合源相對較小，作物光合與蒸騰速率減小，造成相對較高的冠層溫度。在免耕秸稈還田處理中，覆蓋還田較立茬還田降低玉米灌漿期冠層溫度效應更大，這是因為免耕秸稈立茬較覆蓋還田減小了地表直接形成的秸稈物理隔層，對土壤溫度的降低效應及對土壤蒸發(fā)的抑制效應不及免耕秸稈覆蓋還田[22-23]，造成供應作物生長發(fā)育的有效土壤水分較少，因而免耕小麥秸稈立茬較覆蓋還田方式下地膜覆蓋玉米灌漿期具有相對較高的冠層溫度。作物冠層溫度的差異是環(huán)境生態(tài)條件和本身生物學特性有機結(jié)合的產(chǎn)物，受到耕作措施及栽培方式的有效調(diào)控，還需進一步深入研究。

3.2 作物光合生理特性對秸稈還田與地膜覆蓋的響應

目前，有關作物光合生理特征研究主要集中于單作作物光合特性與籽粒產(chǎn)量及群體結(jié)構(gòu)的關系方面[25-26]，對復合群體中作物光合生理特性的研究主要集中于不同間作模式[27]。然而，對于集成不同管理措施的間作作物光合生理特性研究相對較少。間作因平面采光變?yōu)榱Ⅲw采光而利于作物群體分層受光，較單作可優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)、改善群體冠層內(nèi)的光分布、增大受光面積而提高光能利用率[28-29]。適宜的群體結(jié)構(gòu)可優(yōu)化群體內(nèi)光分布、延長葉片功能期、保持較大的作物冠層、減少光能損失而提高凈光合速率[30]。間作群體可增大光截獲量，改善田間小氣候，加強高位作物對生長要素的利用，但會減弱低位作物接受的光照強度，在一定程度上影響其生長發(fā)育，當早熟作物收獲后，會增加晚熟作物光截獲量[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn)，間作較單作增加了玉米灌漿期的光合與蒸騰速率，源于間作立體、分層的受光結(jié)構(gòu)導致共生期內(nèi)間作小麥獲得較強的光合特性促進其生長，使得玉米生長速率較低而處于生長劣勢，而短生育期小麥收獲后，間作玉米因競爭造成的抑制作用得到顯著恢復，增加生長速率[31]，主要表現(xiàn)在一方面早熟作物收獲后地表裸露，良好的通風透光結(jié)構(gòu)擴大了晚熟作物的受光面積，增強光合特性[29]，另一方面，小麥帶的土壤水分通過水分補償途徑用于配對玉米生長[19]，滿足間作玉米旺盛生長的水分需求而提高光合與蒸騰速率。本研究將秸稈還田及地膜覆蓋利用方式同步集成于間作模式中，小麥高茬收割后的秸稈免耕覆蓋有較強的蓄水保墑能力，使更多的土壤水分補給間作玉米灌漿期旺盛生長的水分需求，進一步加快玉米生長[19]；另外傳統(tǒng)每年覆新膜在玉米吐絲至灌漿期，根區(qū)土壤溫度在正午達到45℃[22]，遠遠超過了玉米根系發(fā)育的35℃適溫閾值[32]，而地膜2年覆蓋可弱化這一弊端，保持適宜的土壤溫度有利于玉米正常的生長發(fā)育，避免了玉米根系及葉片發(fā)生早衰現(xiàn)象。因而，免耕秸稈還田及地膜2年覆蓋間作玉米光合特性均高于傳統(tǒng)單作及間作玉米，對間作玉米高產(chǎn)起到重要作用。

3.3 秸稈還田與地膜覆蓋對作物產(chǎn)量的影響

通過采用適宜的種植模式，優(yōu)化農(nóng)藝管理措施，調(diào)控作物生長發(fā)育動態(tài)，改善作物資源需求環(huán)境，可實現(xiàn)高產(chǎn)[19,31]。已有研究表明，將少耕秸稈還田與傳統(tǒng)每年覆蓋地膜集成于間作模式可提高作物生產(chǎn)力[19, 33]。然而，大量使用地膜導致農(nóng)田生態(tài)環(huán)境脆弱及耕地質(zhì)量下降[34]，而且每年覆新膜作物生育期內(nèi)極端高溫[22-24]，對作物的持續(xù)高產(chǎn)造成嚴重影響。因此，尋求弱化地膜覆蓋弊端的技術(shù)亟待進行。在西北綠洲灌區(qū)非膜不植的生產(chǎn)背景下，免耕地膜2年用作為地膜減投的一種方式，在單作模式已有研究表明地膜2年覆蓋可改善土壤水熱特性，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境[21-22]。本研究表明，間作較單作玉米增產(chǎn)52.2%，一方面源于間作自身地上地下的互作優(yōu)勢，另一方面源于間作的增密效應[12]。將免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋同步集成于小麥間作玉米模式，進一步增強了間作玉米的增產(chǎn)效應，NTSI2、NTSSI2處理較CTI處理玉米分別增產(chǎn)17.6%、14.7%，較CTM處理分別增產(chǎn)57.2%、53.4%。間作較單作玉米增產(chǎn)源于間作小麥收獲后，玉米獨立生長期干物質(zhì)積累的補償效應與干物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分配的超補償效應[31]。免耕秸稈還田與地膜2年覆蓋利進一步加強間作玉米增產(chǎn)的原因主要有：第一，玉米帶地膜2年覆蓋利用改善土壤水熱環(huán)境，優(yōu)化玉米生長動態(tài)，玉米生育前期較低土壤溫度延緩玉米生長，消耗水分養(yǎng)分少，剩余更多的水分養(yǎng)分資源滿足土壤溫度較為適宜的生育后期生長，延緩地上部的衰老[21-22]，改善功能葉片的光合特性，促使籽粒灌漿而實現(xiàn)高產(chǎn)；第二，小麥間作玉米模式中，小麥收獲時采用高茬收獲后免耕秸稈還田，抑制土壤蒸發(fā)，提高土壤水分保持，使更多的土壤水分運移到玉米帶，滿足玉米旺盛生長的水分需求[19]，提高光合與蒸騰速率，促進營養(yǎng)器官的光合同化物向生殖器官的運轉(zhuǎn)，通過進一步提高光合同化物轉(zhuǎn)移的超補償效應而增產(chǎn)；第三，從土壤理化性狀的角度分析，免耕結(jié)合秸稈還田為作物生長創(chuàng)造良好的耕層土壤結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)耕作可降低土壤容重，提高土壤速效養(yǎng)分含量，促進作物對養(yǎng)分的吸收和利用[35-36]，而小麥收獲后，小麥帶較高的速效養(yǎng)分含量用于補給與之相間作的玉米生長所需，為高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎。因此，在干旱綠洲灌區(qū)，可通過集成應用免耕秸稈覆蓋還田及地膜2年覆蓋利用技術(shù)，進一步發(fā)展資源高效利用的間作模式。

4 結(jié)論

間作較單作可降低玉米灌漿期的冠層溫度，小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋較傳統(tǒng)無秸稈還田與每年覆新膜間作，顯著降低了玉米灌漿期的冠層溫度，且隨氣溫變化其冠層溫度變化較小，可減少氣溫變化對玉米生長發(fā)育造成的不利影響。間作玉米灌漿期保持較高的光合速率、蒸騰速率及葉片水分利用效率，對高產(chǎn)、水分高效利用起到重要作用，特別是小麥帶免耕秸稈還田與玉米帶地膜2年覆蓋的間作玉米在灌漿后期仍保持較高的光合速率、蒸騰速率及葉片水分利用效率，是間作玉米獲得高產(chǎn)的光合生理基礎，呈現(xiàn)高效利用水分的潛勢。間作較單作玉米具有明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢，免耕地膜2年覆蓋應用于免耕秸稈還田間作可進一步加強玉米增產(chǎn)效應。因此，在干旱內(nèi)陸綠洲灌區(qū)，小麥帶應用免耕秸稈還田及玉米帶應用地膜2年覆蓋技術(shù)是實現(xiàn)間作玉米高產(chǎn)、水資源高效利用的理想耕作措施。

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Effects of Intercropped Wheat Straw Retention on Canopy Temperature and Photosynthetic Physiological Characteristics of Intercropped Maize Mulched with Plastic During Grain Filling Stage

YIN Wen, CHAI Qiang, YU AiZhong, ZHAO Cai, FAN ZhiLong, HU FaLong, FAN Hong, GUO Yao

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science/College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070)

【】The photosynthetic and physiological characteristics are important factors affecting the yield of crops. The canopy temperature reflects the energy balance of crops, which is closely related to the photosynthetic physiology and yield formation of the crop. Study on crop canopy temperature, photosynthetic and physiological characteristics, and yield formation under different straw and plastic mulching methods is of great significance for optimizing cropping system and improving crop production potential in arid oasis irrigation areas.【】The field experiment was conducted in Hexi oasis irrigation regionfrom 2014 to 2016, to determine the effects of straw retention and plastic mulching approaches on canopy temperature and photosynthetic physiological characteristics of maize in wheat-maize intercopping. 【】Intercropping could reduce the canopy temperature of maize in the grain filling stage, compared to sole cropping. No-tillage with 25 to 30 cm straw mulching in wheat strip and two-year plastic mulching in maize strip (NTSI2) and no-tillage with 25 to 30 cm straw standing in wheat strip and two-year plastic mulching in maize strip (NTSSI2) had significant effect at reducing the canopy temperature of maize, and reduced the canopy temperature of maize by 10.3% and 7.5%, respectively, compared to sole maize with annual new plastic mulching (CTM), which reduced canopy temperature by 7.6% and 4.7%, respectively, compared to conventional tillage without straw retention in wheat strip and annual new plastic mulching in maize strip (CTI). According to canopy-air temperature difference, it could be seen that NTSI2 treatment had less changes in canopy temperature with air temperature during maize filling stage, which could reduce the adverse effect of temperature change on the growth and development of maize. Intercropping could increase the photosynthetic rate (n), transpiration rate (r) and leaf water use efficiency (WUEL) during the grian-filling stage of maize, compared to sole cropping. The treatments on NTSI2 and NTSSI2 had greaternof maize by 23.0% and 18.1% than that of CTM, and greaternby 13.4% and 8.9% than that of CTI, respectively. Also, NTSI2and NTSSI2 had greaterrof maize by 7.9% and 5.8% than that of CTM, and greaterrby 6.1% and 4.1% than that of CTI, respectively. Thus, NTSI2 and NTSSI2 increased WUELof maize by 14.4% and 12.0% than that of CTM, and increased WUELby 7.2% and 4.9% than that of CTI, respectively. The treatment on NTSI2 had the highest increasing effect on WUEL, it also had the potential for efficient use of water.Intercropping increased maize grain yield by 52.2% over sole cropping. The grain yield of NTSI2 and NTSSI2 was 57.2% and 53.4% greater than that of CTM treatment, and was 17.6% and 14.7% greater than that of CTI treatment, respectively. 【】 No tillage and 25 to 30 cm straw retention combined with two-year plastic film mulching was the most feasible technology for realizing high yield and efficient utilization of resources of wheat-maize intercropping in the oasis irrigation region.

wheat-maize intercropping; straw retention; plastic mulching; canopy temperature; photosynthetic physiology; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.004

2020-02-22；

2020-06-05

國家自然科學基金（31771738）、甘肅省自然科學基金（20JR5RA025, 20JR5RA008）、中央引導地方科技發(fā)展專項（ZCYD-2020-1-4）、甘肅農(nóng)業(yè)大學伏羲青年人才項目（Gaufx-03Y10）

殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。通信作者柴強，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）