不同覆蓋措施對土壤水熱狀況及春玉米產量和水分利用效率的影響

王永亮 胥子航 李 申 梁哲銘 白 炬,* 楊治平,*

不同覆蓋措施對土壤水熱狀況及春玉米產量和水分利用效率的影響

王永亮1,2胥子航1,2李 申1,2梁哲銘1,2白 炬1,2,*楊治平1,2,*

1山西農業大學/ 農業農村部鹽堿土改良與利用重點實驗室(學科群), 山西太原 030031;2土壤環境與養分資源山西省重點實驗室, 山西太原 030031

為提高黃土高原東部河谷平原春玉米水分利用效率, 探究最適宜該地區春玉米種植的地表覆蓋措施, 基于連續7年長期定位試驗, 于2021—2022年開展田間試驗, 共選取無覆蓋(CK)、地膜覆蓋(plastic film mulching, FM)以及秸稈覆蓋(straw mulching, SM) 3個處理, 研究不同覆蓋措施對土壤水熱狀況及春玉米產量和水分利用效率的影響, 系統分析了2年試驗期土壤水分與溫度動態變化及春玉米各階段水分生產力, 為該地區春玉米水肥高效提供利于農業可持續發展的科學管理措施。結果表明: 與無覆蓋處理相比, 地膜覆蓋具有增溫效應, 2年內土壤溫度提高0.72～2.63℃; 秸稈覆蓋具有降溫效應, 2年內土壤溫度降低0.20～1.51℃。與無覆蓋處理相比, 地膜與秸稈覆蓋處理均可改善春玉米生長前期土壤含水量, 并驅動土壤“濕干交替”現象促進水分吸收, 提高水分利用效率, 實現增產。雖然地膜覆蓋處理改善了前期土壤含水量, 促進春玉米前期生長發育, 但會導致根系生長過淺, 不利于生長后期水分利用, 甚至植株存在倒伏風險(2021年倒伏率高達72.14%), 影響產量形成。與地膜覆蓋處理相比, 秸稈覆蓋處理驅動土壤“濕干交替”時表現出更強水分緩沖力, 協調春玉米各階段生長發育, 生長后期水分利用效率顯著提高25.17%～ 34.71%, 并降低倒伏風險。2年平均數據顯示, 與地膜覆蓋處理相比, 秸稈覆蓋處理產量與水分利用效率顯著提高8.55%和10.23%, 經濟效益顯著提高12.57%。綜上所述, 秸稈覆蓋可作為該地區春玉米水肥高效可持續利用的科學管理措施。

黃土高原; 春玉米; 覆蓋措施; 產量; 經濟效益; 水分利用效率

春玉米作為黃土高原農業生產系統中的主要糧食作物之一, 其產量對我國農業糧食生產安全起到重要作用[1]。然而, 該地區氣候干旱, 降雨稀少且分布不均, 強烈的蒸發導致土壤水分快速流失[2], 水分利用效率低下, 干旱脅迫已成為限制該地區春玉米生產的重要因素[3-5]。同時, 長期傳統耕作模式對土壤水分與養分的保護性較差, 易導致土壤旱情加劇或土壤質量下降等問題, 影響玉米產量形成, 有礙于農業可持續發展[6]。因此, 探究合理的農田管理措施來提高春玉米水分生產力是實現干旱與半干旱地區農業可持續發展的關鍵。

近年來, 地膜與秸稈覆蓋是黃土高原春玉米生產系統中2種主要的地表覆蓋措施[7-9]。已有研究發現, 地膜覆蓋措施可有效抑制土壤水分蒸發, 提高土壤含水量[10], 良好的土壤水分條件會促進干物質與養分從營養器官向籽粒的運輸, 進而提高水分生產力[11]。與此同時, 地膜覆蓋可有效防止水土流失, 降低土壤氮素損失, 進而促進玉米根系對土壤水分與養分的吸收能力, 提高水肥利用效率, 實現增產[12]。也存在研究發現, 秸稈覆蓋可防治地表徑流, 增強降雨存儲能力, 促進耕層土壤水分下滲, 改善土壤水分狀況, 提高水分生產力[13]。同時, 秸稈覆蓋可增加表層土壤有機質含量, 提高土壤肥力, 進而增加玉米干物質積累與籽粒產量, 提高水分利用效率[14], 且可避免秸稈焚燒造成的環境問題[15]。大量研究表明, 與秸稈覆蓋相比, 地膜覆蓋可有效提高土壤溫度[16], 尤其是在早春低溫地區, 地膜覆蓋的增溫效應促進了玉米種子萌發、根莖葉的組織分化以及生殖生長的啟動, 延長籽粒灌漿時間, 實現增產, 進一步提高水分利用效率[17-18]。

目前, 黃土高原地區有關地膜與秸稈覆蓋措施對春玉米生產影響的研究較多, 且諸多學者一致認為地膜覆蓋的增產增效機制要優于秸稈覆蓋。然而, 在黃土高原東部河谷平原地區, 春季氣溫較高, 溫度已不再是限制春玉米生長的主要因素, 地膜覆蓋在提高水分利用率的同時還會導致土壤水分短缺以及玉米倒伏現象, 且傳統的塑料地膜自身難以分解且不易回收, 長期覆膜造成了嚴重的微塑料污染, 因此, 可否利用秸稈覆蓋來代替地膜覆蓋成為更適宜該地區春玉米生產的地表覆蓋措施有待進一步的研究。本研究基于7年長期定位試驗, 開展為期2年的田間試驗, 分析黃土高原東部河谷平原春玉米種植區地膜與秸稈覆蓋措施下土壤水熱狀況動態變化, 并探究春玉米各生長階段水分生產力對不同地表覆蓋措施的響應機制, 明確最適宜該地區春玉米生產的地表覆蓋措施, 為我國干旱與半干旱區農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究以2014—2020年連續7年春玉米長期定位試驗為基礎, 在山西農業大學東陽試驗示范基地(37°33′20″N, 112°39′59″E, 海拔779.2 m), 于2021—2022年開展為期2年田間試驗, 該地區屬于典型溫帶大陸性季風氣候, 年均氣溫為9.7℃, 年均降雨量為440.7 mm, 約70%降雨集中在6月至9月。2年間試驗期與休耕期氣象數據如圖1所示, 2021年與2022年試驗期降雨量分別333.4 mm (平水年)和230.2 mm (枯水年)。長期定位試驗基礎土壤類型為石灰性潮土, 質地為沙壤土, 0～40 cm土壤理化性質為有機質6.60 g kg–1、全氮0.64 g kg–1、有效磷8.30 mg kg–1、速效鉀114.93 mg kg–1、土壤容重1.53 g cm–3, 萎焉系數為5.8%。

圖1 2021–2022年試驗區氣象數據

PT表示播種期, V6表示六葉期, V10表示十葉期, R1表示吐絲期, R3表示灌漿期, R5表示蠟熟期, R6表示成熟期。

PT is the sowing stage; V6 is the six-leaf stage; V10 is the ten-leaf stage; R1 is the silking stage; R3 is the filling stage; R5 is the wax ripening stage; R6 is the maturity stage.

1.2 試驗設計與田間管理

采用完全隨機區組設計, 共設置3個處理: 無覆蓋處理(CK)、地膜覆蓋處理(plastic film mulching, FM)和秸稈覆蓋處理(straw mulching, SM), 每個處理重復4次, 共12個小區, 小區面積為495 m2(45 m×11 m), 種植密度為67,500株 hm–2。地膜選用透明塑料滲水地膜, 播種前進行人工覆膜, 覆蓋方式為半膜覆蓋。秸稈為前茬玉米秸稈(即前茬玉米收獲后將殘留秸稈全部移出并整桿保留, 于當年試驗玉米三葉期均勻覆于地表, 秸稈覆蓋量約為7.5 t hm–2)。氮肥施入量為N 225 kg hm–2, 基肥與追肥按照1︰2比例分別在播種前和十葉期施入。磷肥施入量為P2O5112.5 kg hm–2, 鉀肥施入量為K2O 75 kg hm–2, 磷肥與鉀肥均在播種前一次性施入。試驗玉米品種為“大豐30”, 2021年5月11日播種, 10月1日收獲測產; 2022年5月23日播種, 9月27日收獲測產。由于該地區春季旱情嚴重, 因此各處理在播種前進行一次灌溉(灌溉量約150 mm)以保證玉米出苗,吐絲期進行一次補灌(CK處理補灌量為50 mm, FM與SM處理補灌量均為30 mm)。

1.3 測定指標與計算方法

1.3.1 土壤溫度 播種后將直角水銀溫度計埋于地表, 深度為5、10、15、20和25 cm, 分別在六葉期(V6)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、灌漿期(R3)、蠟熟期(R5)和成熟期(R6)觀測每天08:00、10:00、12:00、14:00、16:00和18:00的土壤溫度, 取3 d觀測數值平均值為該生長階段的土壤日平均溫度。

1.3.2 土壤含水量 采用烘干法分別測定播種期(PT)、六葉期(V6)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)在深度10、20、40、60、80、100、120、140、160、180和200 cm處土壤含水量(soil water content, SWC), 并計算土壤貯水量(soil water storage, SWS), 方法如下: SWC = (M1?M2)/ (M2?M3)×100%; 式中, SWC為土壤含水量(%), M1為新鮮土樣與鋁盒總重量(g), M2為烘干土樣與鋁盒總重量(g), M3為鋁盒重量(g)。SWS = SWC×ρ×h×10; 式中, SWS為土壤貯水量(mm), ρ為土壤容重(g cm–3), h為土層深度(cm)。

1.3.3 不同階段耗水量與總耗水量 采用水分平衡法計算玉米不同階段耗水量與總耗水量(evapotranspiration, ET), 方法如下: ETI～II=II～II+PI～II+ SWSI～II; 式中, ETI～II為I階段至II階段耗水量(mm), II～II為該階段灌溉量(mm), PI～II為該階段降雨量(mm),SWSI～II為I階段與II階段土壤貯水量之差(mm)。ET = I+P+SWSPT～R6; 式中, ET為總耗水量(mm), I為總灌溉量(mm), P為總降雨量(mm), SWSPT～R6為PT與R6時期土壤貯水量之差(mm)。

1.3.4 地上部干物質累積量、產量與經濟效益 分別在六葉期(V6)、十葉期(V10)、吐絲期(R1)、灌漿期(R3)和成熟期(R6)采集3株植株樣品, 切分(包括莖、葉、穗軸和籽粒)并記錄鮮重, 放入烘箱105℃下殺青1 h, 然后75℃下烘至恒重并記錄干重, 計算地上部干物質累積量(dry matter accumulation, DMA)。

成熟期在每個小區中劃定出100 m2(20 m×5 m)的方形區域調查倒伏率(莖稈與地面夾角<30°或莖稈折斷株數與該區域總株數的比值), 再進行測產, 重復4次, 將籽粒干物質量換算成14%水分的標準產量。經濟效益(元hm–2)=產量×價格?其他支出; 其他支出(元hm–2)=地膜(覆蓋/清理)+秸稈(覆蓋/清理)+灌溉+肥料+種子+除草劑+翻耕+旋耕+播種+收獲。

1.3.5 不同階段水分利用效率與總水分利用效率

根據不同階段耗水量、地上部干物質累積量計算不同階段水分利用效率, 方法如下: WUEI～II= DMAI～II/ETI～II×1000; 式中, WUEI～II為I階段至II階段水分利用效率(kg hm–2mm–1), DMAI～II為該階段地上部干物質累積量(t hm–2), ETI～II為該階段階段耗水量(mm)。WUE = Y/ET×1000; 式中, WUE為總水分利用效率(kg hm–2mm–1), Y為產量(t hm–2), ET為總耗水量(mm)。

1.3.6 根長密度、根表面積密度與根干重密度 由于2021年田間試驗中發現FM處理玉米生長后期出現大面積倒伏現象, 因此我們研究了2022年生長后期根系生長情況, 在灌漿期(R3)以玉米為中心劃定60 cm × 24 cm的方形區域, 將該區域0～100 cm土層中所有根系全部取出, 用根系掃描儀掃描獲得根長與根表面積, 并計算根長密度(cm cm–3)與根表面積密度(cm2cm–3), 再置于75℃烘箱內烘干至恒重并計算根干重密度(g m–3)。

1.4 數據處理

用SPSS 20.0軟件對數據進行正態分布檢驗與方差齊次檢驗, 選擇單因素方差分析(One way ANOVA)中最小顯著性差異法(LSD法)評估不同處理間差異性(<0.05為顯著,<0.01為極顯著)。用SigmaPlot 14.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋處理土壤溫度

與無覆蓋相比, 地膜覆蓋與秸稈覆蓋對0～25 cm土壤平均溫度表現出不同的調控作用, 且在春玉米生長前期作用較強, 而生長后期較弱(圖2)。地膜覆蓋具有增溫效應, 與CK處理相比, 2年內FM處理土壤溫度提高(0.72～2.63)℃。秸稈覆蓋則表現出降溫效應, 2年內SM處理土壤溫度較CK處理降低(0.20～1.51)℃。

2.2 不同覆蓋處理驅動土壤“濕干交替”

以CK處理作為對照, 以FM與SM處理0～20 cm、20～100 cm與100～200 cm土壤含水量的增加或減少來確定土壤的相對濕性或相對干性, 本研究中暫稱之為不同覆蓋處理所驅動的土壤“濕干交替”現象(圖3)。與CK處理相比, FM與SM處理顯著增強了V6時期前的0～200 cm土壤保水能力, V6時期后, 覆蓋處理的保水能力逐漸下降, “濕干交替”主要發生在0～20 cm與20～100 cm土層, 且均存在2個時間節點。0～20 cm土壤2年內均在V10至R1階段由濕轉干, 然后在R3至R6階段由干轉濕(圖3- a, b)。20～100 cm土壤2021年在V6至V10階段由濕轉干, 而2022年則延后至V10至R1階段, 然后均在R3至R6階段由干轉濕。與FM處理相比, 2年內SM處理驅動的土壤干性較弱, SWC升高0.05%～5.44% (圖3-c, d), 說明秸稈覆蓋表現出更強的水分緩沖能力。而100～200 cm土層中土壤“濕干交替”受覆蓋影響較弱, 主要表現在濕性范圍內波動(圖3-e, f)。

圖2 不同覆蓋處理0～25 cm土壤平均溫度

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理; V6表示六葉期, V10表示十葉期, R1表示吐絲期, R3表示灌漿期, R5表示蠟熟期, R6表示成熟期, 括號內數字表示播種后天數; 圖中豎杠表示LSD差異線,< 0.05。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment; V6 is the six-leaf stage, V10 is the ten-leaf stage, R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, R5 is the wax ripening stage, R6 is the maturity stage, the number in parentheses is the number of days after sowing; and the vertical bar in the figure is the LSD difference line,< 0.05.

2.3 不同覆蓋處理春玉米各階段水分利用效率

不同覆蓋處理春玉米各生長階段干物質累積量與耗水量存在顯著差異且與水分利用效率(water use efficiency, WUE)密切相關(圖4)。覆蓋處理顯著提高春玉米生長前期(PT?V6階段)水分利用效率。與CK處理相比, 2年內FM與SM處理WUE分別顯著提高12.44%～41.02%和10.19%～15.15%。與SM處理相比, FM處理該階段的WUE增幅較高。

春玉米生長中期(V6?R1階段)覆蓋處理間表現出不同的水分生產力。V6?V10階段, 與CK處理相比, 2年內FM處理WUE顯著提高12.29%～94.19%, SM處理WUE顯著提高25.59%～63.66%。V10?R1階段, 與CK處理相比, 2年內FM處理WUE僅在2022年顯著提高15.27%, SM處理WUE顯著提高23.71%～ 24.16%。可以看出, FM處理拔節前期(V6～V10階段)水分生產力較強, 后期(V10?R1階段)較弱。相比于FM處理, SM處理表現出更強的生長協調能力。

圖3 不同覆蓋處理0～20 cm、20～100 cm與100～200 cm土壤“濕干交替”

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理; V6表示六葉期, V10表示十葉期, R1表示吐絲期, R3表示灌漿期, R6表示成熟期。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment; V6 is the six-leaf stage, V10 is the ten-leaf stage, R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, R6 is the maturity stage.

圖4 不同覆蓋處理春玉米各階段干物質累積量、耗水量與水分利用效率

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理; PT表示播種期, V6表示六葉期, V10表示十葉期, R1表示吐絲期, R3表示灌漿期, R6表示成熟期; 圖中字母表示各處理之間差異性,< 0.05。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment; PT is the sowing stage, V6 is the six-leaf stage, V10 is the ten-leaf stage, R1 is the silking stage, R3 is the filling stage, R5 is the wax ripening stage, R6 is the maturity stage; The letters in the figure represent the differences between different treatments,< 0.05.

春玉米生長后期(R1?R6階段), 與CK處理相比, FM處理的水分生產力較弱, 主要表現為干物質累積量顯著降低, 而SM處理水分生產力依然保持在較高水平。R1–R3階段, 與CK處理相比, FM處理WUE無顯著差異但存在降低趨勢; SM處理WUE在2021年顯著提高15.77%, 2022年無差異但存在升高趨勢。R3–R6階段, 與CK處理相比, FM處理WUE在2022年顯著降低18.92%, 2022年無顯著差異但存在降低趨勢; SM處理WUE顯著提高15.03%～ 22.32%。與FM處理相比, 2年內SM處理生長后期WUE顯著提高25.17%～34.71%。

2.4 不同覆蓋處理春玉米根長密度、根干重密度與根表面積密度

不同覆蓋處理春玉米生長后期根長密度、根干重密度與根表面積密度在不同土層存在顯著差異(圖5)。與CK處理相比, FM處理根長密度、根干重密度與根表面積密度在0～10 cm土層分別顯著增加44.01%、36.24%和54.13%, 但在10～100 cm土層分別顯著減少23.47%～56.90%、33.30%～64.61%和30.88%～75.68%; SM處理根長密度、根干重密度與根表面積密度在0～20 cm土層分別顯著增加17.91%～31.75%、23.59%～30.33%和23.93%～25.38%, 在20～100 cm土層均無顯著差異但存在增加趨勢。與SM處理相比, FM處理根長密度、根干重密度與根表面積密度在0～10 cm土層分別顯著增加22.14%、10.23%和22.93%, 但在10～100 cm土層分別顯著減少31.54%～60.94%、34.68%～72.62%和44.23%～76.97%。可以看出, 與無覆蓋相比, 地膜覆蓋雖促進表層土壤根系生長, 但導致深層根系顯著減少, 根系生長過淺易受強風天氣影響發生倒伏, 而秸稈覆蓋在促進表層根系生長的同時, 深層根系也存在明顯增加趨勢, 進而降低倒伏風險。

2.5 不同覆蓋處理春玉米倒伏率、產量及水分利用效率

覆蓋與年份顯著影響春玉米倒伏率(表1)。由于2021年春玉米花后出現連續強風天氣, FM處理發生植株大面積倒伏現象, 倒伏率超過70%, 對產量影響較大; SM處理產量較CK與FM處理分別顯著提高12.14%和14.63%。而在2022年正常生長情況下, FM與SM處理產量較CK處理顯著提高16.18%和18.99%, 二者差異不顯著。2年平均數據顯示, SM處理產量較CK與FM處理顯著提高15.26%和8.55%。

年份對耗水量(evapotranspiration, ET)的影響達到極顯著水平(<0.01), 因此各處理間水分利用效率也存在顯著年際差異(<0.05), 由于2021年試驗期降雨量較2022年增加103.2 mm, 各處理ET均顯著高于2022年(表1)。2021年, FM與SM處理ET較CK處理顯著降低4.07%和3.79%, 但FM處理受產量影響, WUE較CK處理并未顯著提高, 而SM處理WUE較CK與FM處理顯著提高15.86%和13.55%。2022年, 雖然FM處理ET較CK處理無顯著差異, 但顯著提高了產量, 因此WUE較CK處理顯著提高15.17%, 而SM處理ET較CK與FM處理顯著降低3.89%和4.68%, WUE顯著提高23.71%和7.41%, 說明與無覆蓋相比, 地膜覆蓋僅顯著降低正常降雨年耗水量, 而秸稈覆蓋在正常年和枯水年均可顯著降低春玉米耗水, 表現出更強的水分緩沖能力, 進而顯著提高水分利用效率。2年平均數據顯示, 與CK處理相比, FM與SM處理WUE顯著提高8.75%和19.87%, SM處理WUE較FM處理顯著提高10.23%。

2.6 不同覆蓋處理春玉米經濟效益

農業生產的最終目標是獲得更高的經濟效益。本研究中, 覆蓋處理可降低灌溉支出, 2年內春玉米經濟效益平均提高5.07～18.27%, 且影響達到極顯著水平(<0.01)。其中, SM處理降低了覆蓋支出, 且2年內實現了最高的經濟效益(表2)。與FM處理相比, 2年內SM處理平均總收入顯著提高8.55%, 經濟效益顯著提高12.57%。

圖5 不同覆蓋處理春玉米花后根長密度(a)、根干重密度(b)與根表面積密度(c)

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理; 圖中字母表示各處理之間差異性,< 0.05。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment. Different letters in the table indicate significant differences between the different treatments at< 0.05.

表1 不同覆蓋處理春玉米倒伏率、產量及水分利用效率

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理。圖中字母表示各處理之間差異性,< 0.05; *和**分別表示變量效應在0.05和0.01概率水平差異顯著, ns表示無顯著效應。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment. Different letters in the figure indicate significant differences between different treatments at< 0.05. * and ** mean significant variable effect at the 0.05 and 0.01 pro-bability levels, respectively. ns means no significant effect.

CK表示無覆蓋處理, FM表示地膜覆蓋處理, SM表示秸稈覆蓋處理; 玉米價格定為2.3元 kg–1, 無覆蓋處理灌溉支出為1400元 hm–2, 地表覆蓋處理灌溉支出為1260元 hm–2, 地膜、秸稈、肥料、種子、除草劑、翻耕、旋耕、播種、收獲的支出分別為825、475、1800、600、638、900、750、225、525元 hm–2; 圖中字母表示各處理之間差異性,<0.05; *和**分別表示變量效應在0.05和0.01概率水平差異顯著, ns表示無顯著效應。

CK is no mulching treatment, FM is plastic film mulching treatment, and SM is straw mulching treatment; The price of maize is set at 2.3 Yuan kg–1, the irrigation expenditure for uncovered treatment is 1400 Yuan hm–2, the irrigation expenditure of mulching treatment is 1260 Yuan hm–2, and the expenditure of plastic film, straw, fertilizer, seeds, herbicides, tillage, rotary tillage, sowing, and harvesting are 825, 475, 1800, 600, 638, 900, 750, 225, and 525 Yuan hm–2. Different letters in the figure indicate significant differences between the different treatments at<0.05. * and ** mean significant variable effect at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively, ns is no significant effect.

3 討論

不同覆蓋措施對土壤溫度的調控作用存在差異性, 地膜覆蓋可阻斷土壤與外界環境之間的熱量交換, 使土壤溫度顯著升高[19-20]。而秸稈覆蓋對氣熱的阻隔能力相比地膜較弱, 同時在一定程度上可減少陽光對地面的直射, 使外界環境對土壤溫度的影響減弱[21], 表現出高氣溫時降溫, 低氣溫時增溫的雙重效應。同時, 隨著玉米冠層不斷生長, 覆蓋措施對地溫的調控作用會逐漸減弱[22]。本研究結果表明, 與CK處理相比, 2年內FM處理土壤溫度升高0.72～2.63℃, SM處理土壤溫度降低0.20～1.51℃, 且地溫的升降趨勢逐漸變緩(圖2)。Lian等[23]研究表明, 黃土高原早春低溫是影響春播作物種子萌發和苗期生長的重要因素, 地膜與秸稈覆蓋前期的增溫效應可有效解決這一問題, 但Wang等[24]研究發現, 秸稈覆蓋中后期土壤溫度降低不利于作物生長, 影響產量形成。本研究中, 雖然秸稈覆蓋春玉米生長季僅表現出降溫效應, 但并未對玉米生長產生負面影響, 這是因為本試驗區玉米春播時間較晚, 同時秸稈于玉米三葉期才覆于地表, 生長季氣溫偏高, 即使秸稈覆蓋降低了土壤溫度, 也可使地溫維持在適宜玉米生長的范圍內。

地膜與秸稈覆蓋措施均可抑制土壤無效蒸發, 顯著提高土壤含水量, 促進作物前期生長發育[25]。本研究結果表明, 與CK處理相比, FM與SM處理PT與V6時期土壤含水量均顯著提高(圖3), 進而顯著提高地上部干物質累積量(圖4), 原因是地表覆蓋措施對前期土壤的保水效應加速了土壤有機物與無機物礦化, 促進根系養分吸收[26], 利于春玉米生長前期冠層伸展與有效光能截獲, 為干物質累積奠定良好物質基礎[27-29]。Li等[30]研究發現, 覆蓋措施僅改善了春玉米生長前期的土壤水分, 這是因為土壤水分蒸發是玉米前期耗水的主要組成部分, 該階段玉米冠層對太陽輻射的遮蔽性較弱, 覆蓋有效減少了土壤水分蒸發, 進而提高土壤含水量, 并且這種保水效應在0～100 cm土層尤為顯著[31], 與本研究結果一致。Zhang等[32]研究發現, 地表覆蓋改善了前期土壤水分狀況, 隨著玉米冠層生長, 覆蓋措施對土壤水分的改善能力逐漸下降, 且中后期可驅動土壤“濕干交替”, 提高水分生產力。本研究也得到相同結果, 覆蓋處理土壤水分隨玉米生長由濕轉干, 究其原因, 春玉米在V6時期后進入營養器官生長關鍵階段, 該階段需要吸收大量土壤水分進行拔節、抽穗與吐絲[33], 覆蓋種植會引起玉米冠層生長加快, 蒸騰作用短時間快速增加, 可能會抵消覆蓋處理提供的保水效果, 土壤含水量會在玉米生長中期顯著降低, 土壤由濕轉干, 直到玉米生長后期, 冠層衰老導致植株蒸騰作用減弱, 土壤含水量又會逐漸改善[34]。同時, FM與SM處理所驅動的土壤“濕干交替”存在差異性, 玉米生長中期FM處理春土壤水分降低幅度較大, 而SM處理降低幅度較小(圖3), 原因可能是相比于塑料地膜, 秸稈本身疏松多孔, 可以更好地促進雨水下滲, 不僅保護土壤中的水分, 還能保護灌溉水不被快速蒸發, 增強了土壤水分緩沖能力[35]。有研究發現, 覆蓋處理土壤含水量的復雜變化與春玉米水分生產力間關系密切[36], 本研究結果也驗證了這一觀點。但本研究進一步發現, 與SM處理相比, FM處理的水分生產力在玉米生長前期較強, 后期較弱(圖4), 原因是地膜覆蓋相比于秸稈覆蓋驅動了較強的土壤干性, 土壤水分不足追施氮肥影響了水氮耦合效應, 進而加速根系衰老, 不利于根系下扎, 導致玉米根系主要集中在淺層土壤[37], 同時, 生長過淺的根系會降低對深層土壤水肥利用率, 進而影響后期地上部干物質累積, 水分生產力降低[38]; 而秸稈覆蓋水分緩沖力較強, 協調地下與地上部生長, 同時可經微生物分解改善土壤肥力, 促進水肥有效性, 提高后期水分生產力[39-41]。

根系是玉米吸收水分和營養物質的重要器官, 其在土壤中的分布情況與地上部生長情況密切相關[42]。本試驗在2021年發現FM處理生長后期出現大面積倒伏現象, 倒伏率超過70%, 嚴重影響了當年產量(表1)。為了進一步探究倒伏的原因, 我們在2022年試驗中研究了后期根系生長情況, 結果表明, 與CK處理相比, FM處理雖可顯著促進表層土壤根系生長, 但10～100 cm土層根長密度、根干重密度與根表面積密度均存在不同程度的降低(圖5), 這與蔡紅光等[43]研究結果相同, 生長后期過淺的土壤根系是植株易受強風天氣影響發生倒伏的重要原因; 而SM處理顯著促進淺層土壤根系生長, 同時較深層土壤根長密度、根干重密度與根表面積密度也存在增加趨勢(圖5), 同時降低了倒伏率(表1), 與張浩男等[44]研究結果一致。覆蓋措施和土壤水分狀況對春玉米生長發育和耗水規律的影響最終會反映在產量和水分利用效率上。鄧浩亮等[16]、于慶峰等[45]研究發現, 地膜與秸稈覆蓋因保水保墑作用顯著增加了地上部干物質累積量, 進而提高產量與水分利用效率。本研究中, 與CK處理相比, FM處理因倒伏存在減產趨勢; 而SM處理產量與水分利用效率均得到顯著提高, 且2年內產量與水分利用效率相比于FM處理顯著提高8.55%和10.23% (表1), 究其原因, 一是推遲至三葉期的秸稈覆蓋可以避免早期覆蓋使土壤溫度降低對春玉米幼苗生長的負面影響, 同時在隨后生育期內也可以為植株生長提供良好的水分條件[46]; 二是在夏季高溫時可有效降低土壤溫度, 延緩葉片與根系衰老, 促進了籽粒灌漿, 進而提高產量與水分利用效率[47]。

經濟效益的提高對于我國農業生產至關重要, 應從支出成本和產量、生態效益等角度綜合考慮, 推薦更為優質的農田作物栽培措施[48]。在黃土高原東部河谷平原春玉米生產系統中, 普通農用地膜多為塑料地膜, 其主要成分是一種分子結構穩定的聚乙烯材料, 因在自然條件下難以分解, 玉米收獲后殘留農田內造成微塑料污染, 嚴重威脅農田生態環境與人體健康[49]。而秸稈覆蓋可以有效避免環境污染,且該措施在農業中的經濟支出要低于地膜覆蓋[50]。本研究中, 與FM處理相比, 2年內SM處理實現了11.31%的經濟效益增幅(表2)。因此, 秸稈覆蓋更有利于糧食生產安全與農業可持續發展。

4 結論

黃土高原東部河谷平原春玉米生產系統中, 與無覆蓋處理相比, 地膜與秸稈覆蓋處理均可改善春玉米生長季土壤含水量, 并驅動土壤“濕干交替”現象促進水分吸收, 提高地上部水分生產力, 實現增產。與地膜覆蓋處理相比, 秸稈覆蓋處理的降溫保水效應更有利于該地區玉米生產, 且在驅動土壤“濕干交替”時表現出更強水分緩沖力, 協調春玉米各階段生長發育, 生長后期水分利用效率顯著提高25.17%～34.71%, 同時避免環境污染并降低倒伏風險, 2年內平均產量與水分利用效率顯著提高8.55%和10.23%, 經濟效益顯著提高12.57%。因此, 秸稈覆蓋更適宜作為該地區春玉米水肥高效可持續利用的科學管理措施。

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Effects of different mulching measures on moisture and temperature of soil and yield and water use efficiency of spring maize

WANG Yong-Liang1,2, XU Zi-Hang1,2, LI Shen1,2, LIANG Zhe-Ming1,2, BAI Ju1,2,*, and YANG Zhi-Ping1,2,*

1Shanxi Agricultural University / Key Laboratory of Saline-Alkali Soil Improvement and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs (Subject Group), Taiyuan 030031, Shanxi, China;2Shanxi Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources, Taiyuan 030031, Shanxi, China

The objectives of this study were to improve the water use efficiency of spring maize in the valley plains of the eastern Loess Plateau and to identify the most suitable surface mulching measure for spring maize cultivation in this region. Field experiments were conducted from 2021 to 2022 based on a seven-year long-term positioning experiment. Three treatments including no mulching control (CK), plastic film mulching (FM), and straw mulching (SM) were selected. The effects of different mulching measures on moisture content and temperature of soil as well as yield and water use efficiency of spring maize were investigated, and the dynamics of soil moisture, soil temperature, and the water productivity of spring maize at each growth stage during the two-year experimental period were systematically analyzed, so as to provide a scientific management measure of efficient water and fertilizer use in spring maize growing, which is beneficial to the sustainable agricultural development of the region. The results indicated that plastic film mulching had a temperature-raising effect compared with the control, showing an increase of 0.72–2.63℃ in soil temperature in two years. Straw mulching had a cooling effect and the soil temperature was reduced by 0.20–1.51℃ in two years. Compared with the control, the soil moisture content at the early growth stage of spring maize was increased in both FM and SM treatments, and the “alternation of wetting and drying” in soil was induced to promote water absorption, water use efficiency, and eventually crop yield. However, shallow roots were found in the plastic film mulching treatment although the growth of spring maize was promoted at the early stage of growth, which lowered water use efficiency at the later stage of growth and posed a risk of lodging (the lodging percentage reached 72.14% in 2021), and consequently affected yield formation. Compared with the FM treatment, the SM treatment exhibited stronger buffering capability to the fluctuation of soil moisture content as the “alternation of wetting and drying” in soil, coordinated the growth and development of spring maize at different stages. As a result, the water use efficiency was significantly improved by 25.17%–34.71% at the later growth stage, and the risk of lodging was reduced in SM. The mean values of the data in two years showed that, compared to plastic film mulching, straw mulching significantly improved the yield, water use efficiency, and the economic benefits by 8.55%, 10.23%, and by 12.57%, respectively. In summary, straw mulching could serve as the scientific management measure for the efficient and sustainable utilization of water and fertilizer in spring maize plantation in this region.

Loess Plateau; spring maize; mulching measures; yield; the economic income; water use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2024.33025

本研究由山西省科技重大專項計劃項目(202201140601028), 山西省現代農業產業技術體系建設專項(2023CYJSTX01-14), 山西省科技成果轉化引導專項(202104021301047)和山西農業大學博士科研啟動項目(2021BQ123)資助。

This study was supported by the Major Scientific and Technological Special Project of Shanxi Province (202201140601028), the Modern Agricultural Technology Industry System of Shanxi Province (2023CYJSTX01-14), the Transformation Program of Scientific and Technological Achievements of Shanxi Province (202104021301047), and the Doctoral Research Project of Shanxi Agricultural University (2021BQ123).

白炬, E-mail: baiju@sxau.edu.cn; 楊治平, E-mail: yzpsx0208@163.com

E-mail: wangyongliang@sxau.edu.cn

2023-04-26;

2024-01-12;

2024-02-08.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240206.1550.013

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