麦秸-塑膜复合覆盖对玉米产量及土壤物理参数的影响研究

丁 林，王福霞，王文娟，王以兵

(1.甘肃省水利科学研究院，兰州 730000；2.甘肃省水利水电勘测设计研究院，兰州 730000)

“旱、寒、薄”是农业发展的主要制约因素，推广地膜秸秆二元覆盖技术是解决“旱、寒、薄”3大问题的重要技术之一，因为它既有地膜覆盖增温保墒作用，又有秸秆覆盖蓄水保墒、肥田改土作用[1]。有研究结果表明，在河西绿洲灌区实行秸秆带膜还田前景广阔，秸秆粉碎后腐解效果优于整株[2]；垄覆膜和旱作沟覆秸秆可改进土壤水分和温度条件，增加玉米产量和净收入[3]；秸秆与地膜二元覆盖麦田土壤变温幅度小、水分散失少、养分积累增加、有效分蘖多、后期叶面积大、干物质积累增加[4]；麦草与地膜二元覆盖可降低作物冠层温度1～2 ℃，显著减少玉米田间土壤水分蒸发，对土壤具有一定的保温作用[5,6]，并能明显提高玉米产量和水分利用效率[7-10]。本文将秸秆覆盖与地膜覆盖2种技术结合在一起，属于二元覆盖的范畴。该技术在作物种植前先覆秸秆再覆膜，形成双层覆盖，取长补短，相得益彰。并针对秸秆覆盖导致产量低等特点，研究麦秸-塑膜复合覆盖条件下玉米产量、耗水规律、棵间蒸发规律及土壤物理参数，对实现田间水分的高效利用、提高中低产田的产量、提高土地生产力和农业综合生产能力都具有十分重要的意义。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4-9月在甘肃省水利科学研究院民勤灌溉试验站进行。试验区地处民勤绿洲和腾格里沙漠交界地带，地理坐标东经130°05′，北纬38°37′，属典型的大陆性荒漠气候，气候干燥，降水稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均气温7.8 ℃，极端最高气温39.5 ℃，极端最低气温-27.3 ℃，平均湿度45%，多年平均降水110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，全年平均扬沙59 d，全年沙尘暴日数37 d。光热资源丰富，年日照时数3 028 h，≥0 ℃积温3 550 ℃，≥10 ℃积温3 145 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm。试验区土质0～60 cm为黏壤土，60 cm以下逐渐由黏壤土变为沙壤土，土壤平均密度为1.54 g/cm。试验田有机质0.527%、全氮0.045%、全磷0.115%、全钾1.667%、pH值7.96、全盐1.872 g/kg，灌溉水矿化度0.91 g/L。

1.2 试验设计

试验选择覆盖方式、秸秆用量2个控制因素，采用多因素完全随机试验设计。覆盖方式设有4个水平：秸秆覆盖S，地膜覆盖F，麦秸-塑膜覆盖SF，无覆盖N；灌水定额均为900 m3/(hm2·次-1)，灌水次数6次，灌水时间一致；秸秆用量设有4 000和6 000 kg/hm22个水平。共形成6个处理，每个处理重复3次。试验玉米品种为“先玉335”，试验于4月15日播种，10月6日收获测产，玉米按行距45 cm、株距25 cm，每穴1～2株播种。试验地休闲期深耕冬灌，播种前耙耱、平整，播后按试验设计灌水。试验地播前施底肥磷酸二铵225 kg/hm2、尿素300 kg/hm2、钾肥150 kg/hm2，生育期随水追肥2次，每次225 kg/hm2尿素。灌溉水源为井水，用水表严格控制灌水量。各处理随机布置3个测定土壤含水量的TDR测管和3个测定土面蒸发的微型蒸渗仪，该蒸渗仪采用内外桶结构，用0.75 mm厚的镀锌铁皮卷制而成，内桶直径20 cm，桶高30 cm，底部封闭，外桶直径22 cm，高度与内筒一致，底部封闭。试验小区主要技术参数设计见表1。

表1 试验处理设计

1.3 测定指标与方法

(1)土壤含水率。采用TDR土壤水分速测仪结合烘干法(土钻取土)测定并计算含水率。深度为0～100 cm土层中每20 cm为一层测定，整个生育期每隔10 d测定一次，降水及灌水前后进行加测。

(2)籽粒产量及生物产量。收获期在每个小区中随机选取2点，每点取样10株，将2个点的样品合成一个样，进行考种，按各小区单收，计算各小区籽粒产量，每个小区收割后，按小区称重测定生物产量。

(3)灌水量。采用管道输水灌溉，每个试验小区均有单独水表控制，灌水量由水表量测。

(4)耗水量。耗水量ET按与式计算：

(1)

式中，ET1-2为阶段耗水量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数目；γi为第i层土壤干密度，g/cm-3；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1为第i层土壤在时段始的含水量(干土重的百分率)；Wi2为第i层土壤在时段末的含水率(干土重的百分率)；M为时段内的灌水量，mm；P0为时段内的有效降水量，mm；K为100 cm以下土体与100 cm以上土体的水分交换量，mm，负值为渗漏，正值为补给，mm；C为试验小区与外部土体的地面径流交换量，mm，正值为向外径流，负值为向内径流。

(5)增产率。在节水灌溉技术条件下，以使用节水灌溉技术后作物产量和常规灌溉条件下的作物产量差除以常规灌溉条件下的作物产量。

(6)气象资料。通过TRM-ZS3全自动气象站观测记载温度、降水、蒸发、风速等气象因素。

(7)土壤化学性质。主要有pH值、土壤养分等。分别在播种前、收获后测定，每个小区重复3次，取0～10、10～20、20～30 cm土样，上述样品均送到甘肃省农科院农业测试中心测定。

(8)棵间蒸发。取原状土装到桶内，地膜覆盖、秸秆覆盖及复合覆盖条件下，换土后的微型蒸渗仪表层覆盖与试验设计一致，埋设时桶内土层与原地块土层水平一致。每天下午19∶00称重，根据2次差值计算土壤蒸发量。

1.4 数据分析及处理方法

用Excel2007进行数据处理和制图，用DPS(v6.05)统计软件做相关分析。

2 结果与分析

2.1 玉米生育进程及土壤温度变化分析

覆膜及复合覆盖处理播种后土壤水热状况较好，作物出苗时间较短，而麦秸覆盖和无覆盖处理由于地温较低，出苗时间较覆膜处理推迟3 d左右。如表2所示，从整个生育期来看，覆膜或复合覆盖处理成熟期较麦秸覆盖和无覆盖处理提早10 d，主要是麦秸覆盖和无覆盖处理苗期-拔节期延续时间较长，导致后续生育阶段比覆膜处理推迟10 d左右，到生育后期麦秸覆盖和无覆盖处理灌浆延续时间较覆膜及复合覆盖处理缩短。而开花期、灌浆期延长，有利于提高授粉率、增加饱粒数、灌浆充足，有利于形成大粒和增加千粒重，相反灌浆时间缩短，不利于产量形成，易造成秕粒。以苗期(4月25日)0～25 cm土壤温度日变化分析各处理土壤温度变化情况。各处理0～25 cm地温呈现出随深度增加而逐渐滞后的趋势，0～10 cm的土壤从8∶00 开始逐渐升温14∶00-16∶00 达到峰值后，逐渐再回落；15～25 cm的变化趋势与0～10 cm基本一致，但其峰值的出现时间有明显的滞后现象。无论哪种覆盖方式，峰值均出现在地表处：其中14∶00 时地膜覆盖的峰值高达48.82 ℃，比无覆盖处理的高 2 ℃；无覆盖处理出现在15∶00，为46.82 ℃；复合覆盖和秸秆覆盖的峰值出现在16∶00时，分别为 43.82和36.82 ℃。这说明地膜覆盖有增温作用，使得其峰值出现的时间较无覆盖处理提前1 h，而复合覆盖和秸秆覆盖中的秸秆具有降温作用，导致其峰值滞后1 h 出现。而复合覆盖SF中的地膜又具有增温效应，使其峰值比秸秆覆盖的高出7 ℃。 在实际生产中应根据当地气候条件选择既能提高作物出苗率，又能调控作物生育进程的覆盖措施，配合适当的灌溉制度及田间管理可起到水热高效利用，提高作物产量及水分利用效率的作用。

表2 不同处理玉米生育进程

2.2 玉米耗水及棵间蒸发规律

通过田间土壤含水量的测定利用水量平衡方程计算各个阶段和全生育期玉米的耗水量及棵间蒸发量，结果如表3所示。各处理在全生育期以无覆盖处理NH耗水量最大，为730.42 mm，耗水量最小的是SFH6，其耗水量为670.85 mm。可以看出，无覆盖与麦秸覆盖处理耗水量较大，这与作物生长状况不好，地面蒸发量大有关；而覆膜或复合覆盖处理耗水量相对较小，具有节水、减少无效蒸发的作用，与无覆盖处理相比，覆膜处理耗水量减少38.6 mm，复合覆盖处理耗水量减少44.0～59.6 mm。各处理棵间蒸发均呈现生育前期高、生育旺盛期低、收获期高的变化趋势，苗期由于作物生长缓慢，地面覆盖度较低导致棵间蒸发比例较大，随着作物生长，叶面积增加，棵间蒸发逐渐减小，到生育后期随玉米的成熟，叶片开始衰老、变黄，植株蒸腾能力减弱，棵间蒸发占阶段耗水量的比例又有所上升。各处理棵间蒸发表现为无覆盖>秸秆覆盖>地膜覆盖>复合覆盖，秸秆覆盖量越多棵间蒸发越小。地膜覆盖处理棵间蒸发占总耗水量的22.66%，复合覆盖为21.21%和20.91%，麦秸覆盖为27.86%和27.21%，无覆盖为30.21%。与无覆盖、麦秸覆盖与地膜覆盖相比，复合覆盖棵间蒸发平均减少35.23%、14.34%和8.86%。

表3 不同覆盖处理玉米耗水及棵间蒸发规律

2.3 玉米产量效应

玉米各处理产量效应如表4所示。研究结果表明，在籽粒产量方面，覆膜处理产量较高，复合覆盖次之，无覆盖处理最低，最高与最低产量相差4 537.5 kg/hm2；在复合覆盖处理中SFH4产量相对较高，比NH处理高3 073.5 kg/hm2。麦秸覆盖和无覆盖处理耗水量大于覆膜及复合覆盖处理，主要是由于麦秸覆盖和无覆盖处理棵间蒸发较大，且生育期推迟，后期需水量较大，收获后土壤水分含量较低，较多利用了土壤水分。不同处理经济产量与生物产量之间的比例关系，反映出光合有机物质的分配效率，在所有处理中以FH最大为56.82%，其次为SFH4> SFH6> SH6>SH4> NH，最大收获指数和最小收获指数相差12.18。腹膜及复合覆盖处理的收获指数均较大，其产量和生物量也较高的，主要是由于玉米在苗期生长旺盛，光合产物较多，在增加产量的同时，其光合副产品也大幅度增加。因地制宜选择适当覆盖方式(复合覆盖，覆草量4 000～4 500 kg/hm2)，不但可以保持其较高的产量，还可以起到节约用水的作用。

2.4 复合覆盖对土壤物理参数的影响

表5为各处理播种前、收获后0～30 cm土层土壤参数变化情况。由表5可知，覆膜及无覆盖处理收获后有机质含量均小于播种前，主要是由于土壤中原有的部分有机质转化为营养物质被作物吸收利用；有秸秆覆盖的处理收获后土壤有机质含量均大于播种前，平均增加量为0.95 g/kg；在复合覆盖处理中，秸秆量越大，收获后有机质含量增加量越大，其中SFH6较 SFH4增加0.73 g/kg；同样麦秸覆盖量情况下，覆膜处理比无膜处理有机质增加量要高。由上说明，复合覆盖对提高麦草利用有利，土壤有机质含量较播种前可提高8.62%～14.94%。各处理收获后pH均大于播种前，麦秸覆盖量多的处理前后pH差值较覆盖量少的处理大，如SFH4 和SFH6相差0.32，SH4 和SH6相差0.10，而无覆盖处理和地膜覆盖处理差值相对较小。造成上述结论的原因主要是灌水将大量盐分留在土壤中，导致pH值升高。

表4 不同覆盖条件下玉米产量效益

表5 不同覆盖条件下土壤参数变化情况

2.5 麦秸-塑膜复合覆盖玉米种植模式

在技术调研、试验研究、已有畦灌技术成果及模式的基础上，结合现有工程、农艺、管理节水成果，集成提出了麦秸-塑膜复合覆盖种植技术模式。

(1)模式内容。冬灌+播前深翻+平整覆草覆膜+膜上灌溉。

(2)技术要求。前茬作物收割后，秋耕、平整，冬灌。次年播种前深翻、耙磨、平整、覆草+覆膜，畦田宽度3～4.5 m，田面坡度1/500～1/1 000，单宽流量为2.5～3 L/s；畦田长度60 m左右。定期监测土壤水分，适时进行第1次灌水，精确控制灌水量。

(3)技术指标。麦草用量4 000～4 500 kg/hm2，人工均匀的铺在地面上，覆草后机械铺膜。播种后灌第1次水，灌水定额900 m3/(hm2·次)，生育期灌水6次。人力机械播种，播种时1膜3行，膜宽145 cm，按行距45 cm，株距25 cm，每穴1～2株播种。

(4)灌水。灌水时采用管道输水小畦灌溉，全育期灌水6次(不包括冬季储水灌)，每次灌水量900 m3/(hm2·次)，精确控制单宽流量，灌溉定额5 400 m3/hm2。

(5)追肥。分别在大喇叭期、灌浆期分2次结合灌水追施尿素225 kg/(hm2·次)，另外根据土壤肥料含量适当增施磷肥和钾肥，用量在75 kg/hm2左右。

3 结论与讨论

本研究紧密结合保护性耕作技术的需求，重点针对玉米开展了复合覆盖生长、产量及土壤环境等研究，在此基础上，集成提出了复合覆盖技术参数与种植技术模式。在作物生长方面研究得出：覆膜或麦秸塑膜复合覆盖生育期较麦秸覆盖处理提早10 d左右，无覆盖和麦秸覆盖处理由于播种后地温较低，保水性能较差，作物前期生长发育较慢，生育期明显推后。在产量效应方面得出：无覆盖与麦秸覆盖处理耗水量较大，而覆膜或复合覆盖处理耗水量相对较小，具有节水、减少无效蒸发的作用，与无覆盖处理相比，覆膜处理耗水量减少38.6 mm，复合覆盖处理耗水量减少44.0～59.6 mm。覆膜处 理水分利用效率提高41.0%，复合覆盖处理水分利用效率提高20.8%～30.1%。与无覆盖、麦秸覆盖、地膜覆盖相比，复合覆盖棵间蒸发平均减少35.23%、14.34%和8.86%。在土壤物理参数方面得出：有麦秸覆盖处理增加了盐分在土壤中的保有量，复合覆盖使土壤有机质含量提高8.62%～14.94%，对增加土壤有机质含量，提高麦草利用有积极作用。在复合覆盖量方面得出：复合覆盖适宜覆草量为4000～4500kg/hm2，适宜覆盖方式为覆膜或麦秸-塑膜复合覆盖。

本研究结论是在大田试验条件下完成的，不可避免受到试验期间降雨水平等气象因子的影响，所以试验得出的结论有一定的局限性，复合覆盖对土壤物理参数的影响还需进一步研究。受气候条件、土壤质地和作物品种等因素影响，应该开展不同地区各种作物的大田试验研究，为制定不同地区的复合覆盖技术方案提供科学依据。

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[1] 韩泽华.玉米生物覆盖技术[J].农业技术与装备,2012,(16):60-61.

[2] 卢秉林,车宗贤,包兴国,等.河西绿洲灌区玉米桔秆带膜还田腐解特征研究[J].生态环境学报,2012,21(7):1 262-1 265.

[3] Li R, Hou X, Jia Z, et al. Effects on soil temperature, moisture, and maize yield of cultivation with ridge and furrow mulching in the rained area of the Loess Plateau, China[J].Agricultural Water Management, 2013,116:101-109.

[4] 杨安中,王 敏,张从宇.秸秆与地膜二元覆盖对小麦田间生态环境及产量影响[J].水土保持学报，2003,17(3):198-183.

[5] 买自珍,程炳文,王 勇,等.草与地膜覆盖对玉米田间生态环境及产量的影响[J].中国生态农业学报，2007,15(2):66-68.

[6] 买自珍,罗世武,程炳文,等.玉米二元覆盖农田水分动态及水分利用效率研究[J].中国生态农业学报,2007,15(3):68-70.

[7] 韩 忠.地膜和桔秆二元覆盖技术的原理和实践[J].山西农业大学学报(自然科学版),1997,(3): 245-249.

[8] 张金霞.西北旱区碎麦秸垫式膜上灌的高效用水机理及土壤环境效应研究[D].兰州:甘肃农业大学,2013:37-89.

[9] 张金霞,贾生海,成自勇. 西北旱区碎麦秸垫式膜上灌对玉米出苗及产量的影响[J].干旱地区农业研究,2015,33(6):117-121.

[10] 汪丙国,靳孟贵,王贵玲.农田秸秆覆盖的土壤水分效应[J].中国农村水利水电,2010,(6):76-80,84.