旱地玉米休閑期秸稈覆蓋對農田土壤水肥的調控效應

李娜娜，梁改梅，池寶亮

（山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原 030031）

山西省屬于半濕潤易旱區，十年九旱。春玉米一年一熟，多實行冬季休閑，主要依賴于自然降水，但是降水年際間波動劇烈，并且季節性分布不均勻，導致了產量低而不穩，因此，有限水資源的高效利用是山西省旱地玉米生產面臨的主要問題[1]。玉米冬春休閑期長達210 d 左右，占全年的57.5%，是保墑的關鍵期。所以，在冬春休閑期實施秸稈覆蓋免耕技術，可有效地抵制土壤風蝕和水蝕、減輕焚燒秸稈對空氣的污染[2-3]。尤其對于旱作農業區，能切實提高土壤蓄水率、保證糧食穩產高產[4]。

有研究表明，秸稈覆蓋可以改善土壤團聚體結構[5]、調節水分狀況[6-7]、增加農田土壤固碳能力[8]、增強作物光合特性[9]、提高作物產量[10]、增加經濟效益[11-12]等，同時秸稈腐解后增加了土壤有機質含量[13]，并且隨著秸稈覆蓋年限的增加，土壤有機質呈增加趨勢[14]。王慧等[15-16]研究結果表明，秸稈連續還田條件下，可顯著提高土壤全氮、速效磷和速效鉀含量。

近年來，山西省已開展了許多關于秸稈覆蓋的研究，然而，針對旱地玉米休閑期秸稈覆蓋對農田土壤水肥的調控效應，目前尚缺乏系統研究。研究山西省旱地玉米冬春休閑期秸稈覆蓋模式，探索免耕秸稈覆蓋措施的蓄水保墑及培肥土壤機理，為提高旱地玉米的水分生產效率和土地生產力提供了理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013—2015 年在山西省壽陽縣景尚鄉張韓村實施，試驗地屬于晉中盆地的黃土丘陵山地，屬溫帶大陸性季風氣候，海拔1 210 m，年平均降雨量為534.80 mm。土壤以褐土為主。2012 年收獲后0～20 cm 土層的pH 值8.25，有機質12.5 g/kg，全氮0.97 g/kg，堿解氮69.88 mg/kg，速效磷7.0 mg/kg，速效鉀91.0 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為大豐30。

1.3 試驗設計

2012 年10 月玉米收獲后開始試驗，把地里的玉米秸稈粉碎后進行覆蓋，共3 a。采用隨機區組設計，冬春休閑期（10 月至5 月）設免耕秸稈覆蓋（秸稈粉碎覆蓋不進行耕作）和傳統耕作（11 月份進行翻耕）2 個處理。小區面積為150 m2，每個處理3 次重復。晨雨調控肥（N-P2O5-K2O：23-12-5）作為基肥一次性施入，用量為1 305 kg/hm2（氮肥300 kg/hm2）。種植時間為4 月26 日，密度為6 萬株/hm2，3 a 試驗均在同一地塊進行。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤水分及水分利用效率的測定 每小區中部各埋設一根中子管，深度200 cm。在玉米休閑期及全生育期定期用CPN-503 中子儀（0～200 cm）和6050X1Trase 系統（0～20 cm）測定土壤含水量，中子儀每隔20 cm 為一層測定土壤水分。

其中，V 為土壤含水量（%），h 為土層厚度（mm）。

其中，GY 為玉米籽粒產量（kg/hm2），ET 為生育期耗水量（mm）。

1.4.2 土壤養分的測定 土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷、有效鉀的測定均采用常規方法。

1.4.3 產量的測定 收獲時，每小區進行單打單收實際測產，計算產量。

1.5 數據分析

用SPSS 軟件對數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 休閑期秸稈覆蓋對旱地玉米農田水分的影響

2.1.1 休閑期秸稈覆蓋的土壤含水量變化 由表1可知，休閑期秸稈覆蓋處理的平均土壤水分含量在土體上部0～60 cm 處保水較大，較處理前平均提高18.7%，而傳統耕作較處理前平均下降3.5%。這說明冬春休閑期秸稈覆蓋能夠集蓄降水，明顯地提高表層土壤含水量，使表層土壤保持濕潤狀態，從而提高下季玉米的播前土壤底墑，尤其在干旱年份，可有效地提高出苗率、促進幼苗生長。在60～120 cm 土層，雖然秸稈覆蓋后與處理前的土壤含水量一致，傳統耕作土壤含水量低于處理前的土壤含水量，這可能是由于傳統耕作造成土壤的攪動失墑。在120～200 cm 土層，受降水影響變異較小，土壤含水量均以秸稈覆蓋最好，這說明秸稈覆蓋增溫保墑促進了深層土壤的水分運動。從土壤水分垂直變化的變異系數來看：免耕秸稈覆蓋模式>傳統耕作模式，表明免耕秸稈覆蓋后，土壤水分隨垂直深度的變化波動較為劇烈，而傳統耕作處理的土壤水分隨土壤深度變化相對較弱。

表1 休閑期秸稈覆蓋的土壤水分含量變化

2.1.2 休閑期秸稈覆蓋的土壤貯水量和蒸發量變化 冬春休閑期秸稈覆蓋處理有效利用了有限的降水資源，提高了0～200 cm 土壤貯水量，與傳統耕作相比，3 a 平均土壤貯水量提高了29 mm（表2）。因此，冬春休閑期秸稈覆蓋對土壤水分有一定的保蓄作用。休閑期的前期為雨季末期，有一定的蓄墑作用；休閑期的后期為土壤水分大量蒸發階段，又會造成失墑。由表2 可知，休閑期內秸稈覆蓋處理3 a平均2 m 土體貯水量失墑15.2 mm，而傳統耕作則失墑44.2 mm。休閑期秸稈覆蓋土壤總蒸發量占同期降水的比例為104.4%～135.1%，而傳統耕作土壤總蒸發量占同期降水的比例為130.6%～175.4%。冬春休閑期秸稈覆蓋措施可有效地抑制土壤蒸發，與傳統耕作相比，3 a 平均可減少土壤蒸發33.6%。因此，休閑期秸稈覆蓋具有明顯的抑蒸保墑效應,促進了農田水分的良性循環。

表2 休閑期秸稈覆蓋0～200 cm 土壤貯水量及蒸發量變化

2.1.3 休閑期秸稈覆蓋對旱地玉米水分利用效率的影響 休閑期秸稈覆蓋的水分利用效率如圖1所示。

由圖1 可知，不同年份間休閑期秸稈覆蓋與傳統耕作的玉米水分利用效率差異顯著，3 a 平均休閑期秸稈覆蓋的玉米WUE 顯著高于傳統耕作。2013 年處理間WUE 差異不顯著，2014、2015 年WUE 分別較對照提高7.2%和2.8%。休閑期秸稈覆蓋較傳統耕作3 a 平均WUE 提高11.3%。表明冬春休閑期農田粉碎覆蓋可以提高水分利用效率。

2.2 休閑期秸稈覆蓋對旱地玉米農田養分的影響

由表3 可知，冬春休閑期秸稈覆蓋提高了表層土壤肥力。3 a 平均的0～20 cm 土壤有機質含量較傳統耕作增加2.53 g/kg，提高19.8%。與傳統耕作相比，休閑期秸稈覆蓋的全氮提高8.4%，堿解氮提高27.6%，有效磷和速效鉀也分別提高15.7%和29.4%。

表3 休閑期秸稈覆蓋后0～20 cm 土壤肥力的變化

2.3 休閑期秸稈覆蓋對旱地玉米產量的影響

由圖2 可知，不同年際間冬春休閑期不同處理對玉米產量影響的表現一致，均為秸稈覆蓋的產量顯著高于傳統耕作。2013、2014、2015 年秸稈覆蓋分別較傳統耕作增產4.8%、4.3%和12.14%，3 a 平均增產7.0%。

3 結論與討論

冬春休閑期秸稈粉碎覆蓋措施可減少無效耗水，提高蓄水保墑效率，從而提高作物產量[17-18]。還有研究表明，免耕秸稈覆蓋能夠增加土壤含水量，提高作物產量，其效果優于傳統耕作和少耕[19-21]。本研究與前人研究結果一致，冬春休閑期秸稈覆蓋能夠提高0～200 cm 土層含水量，并且發現在土體上部0～60 cm 處保水較大，土壤含水量較處理前平均提高18.7%，而傳統耕作較處理前平均下降3.5%。同時，冬春休閑期秸稈覆蓋與傳統耕作相比，3 a 平均土壤貯水量提高29 mm，秸稈覆蓋減少土壤蒸發33.6%。因此，休閑期秸稈覆蓋還具有明顯的抑蒸保墑效應,促進了農田水分的良性循環。

玉米秸稈的主要成分是木質素和纖維素，在土壤微生物的作用下可部分轉化為土壤有機質，因此，冬春休閑期免耕秸稈覆蓋可提高土壤的有機質含量。蔡太義等[13]研究表明，秸稈還田后土壤全氮含量提高11.0%，全磷含量提高10.0%，水解氮含量提高41.0%。秸稈還田還能夠補充和提高土壤磷素和鉀素含量[22]。本研究表明，休閑期秸稈覆蓋較傳統耕作0～20 cm 土壤有機質含量提高19.8%，全氮提高8.4%，堿解氮提高27.6%，有效磷和速效鉀也分別提高15.7%和29.4%。

冬春休閑期玉米秸稈粉碎覆蓋后，增強了土壤抑蒸保墑能力，提高了土壤肥力，進而提高了玉米產量和水分利用效率。本研究表明，休閑期秸稈覆蓋較傳統耕作增產7.0%，WUE 提高11.3%。

研究中發現，玉米秸稈粉碎不合要求，影響播種質量。應進一步開展農機與農藝配套研究，改進并選擇粉碎率高的玉米收割粉碎機械，從而提高下季作物的播種質量。

合理的耕作管理技術可影響土壤墑情，進而影響玉米春播出苗。通過秸稈覆蓋創造作物節水增產的小氣候條件，從而實現有限水資源的合理利用。秸稈粉碎覆蓋可有效地抑制土壤蒸發，減少無效耗水，提高上年秋雨和休閑期降水的保蓄率，可增加耕層土壤貯水量，是減緩春旱的重要措施。