秸秆覆盖量对土壤温度和春玉米耗水规律及产量的影响

于庆峰, 苗庆丰, 史海滨, 胡 敏

(1.内蒙古农业大学 职业技术学院, 内蒙古 包头014109; 2.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特010018)

我国北方大部分地区春季寒冷干旱且夏季高温少雨，这一特殊的气候条件严重影响了作物的正常生长，从而在一定程度上制约着农业的发展。有研究表明，地膜覆盖后，有效改善了作物根系区土壤水热条件，促进了作物前期的生长发育，同时使得作物产量和水分利用效率显著提高[1-6]。但是普通农用地膜的主要成分为一种分子结构非常稳定的聚乙烯材料，因其在自然条件下难以分解，残膜在农田内大量积累，形成了白色污染，严重影响了农田环境和农业的可持续发展[7]。同时有研究表明，近些年出现的新型覆盖材料—生物地膜可自行降解，对环境污染小且在土壤的保温、保墒和作物增产和水分利用效率的提高等方面有较好的应用效果，因此被广大研究者所青睐[8-9]。然而生物地膜造价较高，机械强度和受拉伸的能力较弱，在北方春季多风季节容易被扯坏，从而影响其保温、保墒效果，因此其推广应用受到一定的限制[10]。秸秆覆盖作为传统的作物栽培技术，同样具有较好的保墒、增温效果，且可显著提高作物产量和水分利用效率[11-13]，另外秸秆覆盖具有易腐烂、对农田污染小的优势，因此具有廉价、环保特征的秸秆覆盖具有较好的应用前景。但是其在不同地区、不同生育季的效应不同，在应用中应该进行微调节。

内蒙古河套灌区属于典型的干旱半干旱气候区，春玉米是该地区主要的经济作物，以往露地种植模式往往使得作物受干旱和春季低温的危害，产值较低，同时地膜覆盖带来的白色污染问题以及生物地膜投入过高等客观问题的存在一定程度上限制了灌区玉米产业的可持续发展，而已有研究表明，秸秆覆盖同样能够较好的调节土壤水热状况且可显著提高作物产量和水分利用效率，但该地区对于秸秆覆盖的应用情况还鲜有报道。因此本研究拟在该地区春玉米种植中引入秸秆覆盖的栽培模式，以不覆盖为对照，试验设置不同秸秆覆盖量，研究其对土壤温度、玉米耗水规律及产量和水分利用效率的影响，旨在揭示秸秆覆盖对土壤水热的影响机理及实现增产和水分高效利用的原理，进而评价秸秆覆盖在内蒙古地区春玉米种植过程中的适用性，同时筛选出最适宜该地区玉米种植的秸秆覆盖量，对该地区玉米产业的发展具有重要意义。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区磴口县境内进行，该地区多年平均降雨量139.8 mm，蒸发量2 374.6 mm；多年平均气温为7.6℃，平均日照时数3 183 h，平均无霜期130 d左右。试验区0—20 cm为粉砂壤土，20—100 cm为粉砂质黏壤土，土壤平均容重为1.47 g/cm3；耕作层凋萎系数9.3%，田间持水量21.2%，该地区农业灌溉水源为黄河水，水质平均矿化度为0.32 g/L，平均pH值为8.1。

1.2　试验设计

试验设置不覆盖、秸秆覆盖量为5 t/hm2(JF1)，7.5 t/hm2(JF2)，10 t/hm2(JF3)和12.5 t/hm2(JF4)共5个处理。前茬玉米收获后，进行翻地整平，秋浇前将玉米秸秆人工铺撒于试验小区内，秸秆长度3～5 cm，铺撒均匀后覆盖3 cm左右虚土防止水流冲散，2016年10月29日进行秋浇。试验小区采用随机区组试验设计，各处理重复3次，试验小区规格为50 m×10 m。春玉米播种期为2016年4月23日，收获期为9月14日。

玉米种植按当地常规种植管理模式进行，玉米选用品种为豫奥6号，播种时施足底肥，其中尿素(46%N)为300 kg/hm2，磷酸二铵(16%P2O5)为150 kg/hm2。在靠近毛渠渠口侧打起35 cm的田埂，对各小区进行分流灌溉，同时为确保入畦流量的稳定性，在入水口处筑一储水槽，采用梯形量水堰测量控制灌溉水量。玉米全生育期共灌3次水，其中灌第一水时灌水975 m3/hm2，施尿素(46%N)450 kg/hm2；灌第二水时灌水975 m3/hm2，施尿素(46%N)300 kg/hm2；灌第三水时灌水900 m3/hm2，不施肥。

1.3　测定内容及方法

降雨量采用田间微气象站观测采集。自玉米播种开始每隔7 d在玉米行间取土，灌水前后加测，取样深度100 cm，每20 cm为一层，采用烘干称重法测定土壤含水率，各处理取3次重复。土壤棵间蒸发量采用自制微型蒸渗仪测定，每天上午8：00测定一次，采用精度为0.01 g的电子天平称重。各处理埋设直角地温计，埋设深度为5，10，15，20，25 cm，各生育期连续3 d自8：00至20：00每隔2 h读取一次。分别于各处理玉米行间垂向80 cm和120 cm处埋设两根负压计，选定距地表为100 cm处为作物根系层下边界，测定土壤负压值。玉米成熟期，各处理选取具有代表性的15株测定其生产性状指标和产量。采用水量平衡法计算作物阶段耗水量。

作物阶段耗水量公式为：

ET=ΔW+P+I+G-D

(1)

式中：ET为春玉米各生育阶段耗水量(mm)；ΔW为春玉米各生育期内0—100 cm土壤贮水量变化(mm)；P为春玉米各生育期有效降雨量(mm)；I为灌溉量(mm)；G为地下水补给量(mm)；D为深层渗漏量(mm)。其中G，D根据负压值和作物根系层水力学参数，采用达西定律进行计算。

1.4　数据分析

采用MS-Excel 2003进行数据处理并绘制图表，SPSS 17.0进行单因素方差分析;如果差异显著,则采用邓肯式新复极差检验法进行多重比较，检验不同处理间的差异显著性。

图1春玉米全生育期降雨量

2　结果与分析

2.1　不同秸秆覆盖量对玉米耗水量及棵间蒸发量的影响

由表1可知，玉米各生育阶段蒸腾量整体表现为先增大后减小的趋势，且在玉米拔节—抽雄吐丝期达到了全生育期的峰值，而后玉米逐渐由营养生长转向生殖生长，随玉米的逐渐成熟，叶片逐渐衰老凋亡，耗水量逐渐降低。对比各处理棵间土壤蒸发量可知，在玉米苗期至拔节期的生育前期，由于此阶段植株相对矮小，地面裸露程度较大，土壤蒸发强烈，此阶段棵间蒸发量差异不显著(p>0.05)，平均占作物阶段耗水量的比例为40.22%～46.23%。玉米拔节期以后，在适宜的土壤和环境条件下，玉米进入生长旺季，此时耗水以作物蒸腾耗水为主，而棵间蒸发量所占比例逐渐减弱。至玉米抽雄—吐丝期期达到全生育期的最低值，占比0.80%～12.28%，部分达到显著性差异(p<0.05)。玉米进入灌浆—成熟期以后，由于玉米叶片逐渐枯萎衰亡，植株蒸腾能力下降，加之部分秸秆腐烂，保墒效应减弱，此阶段土壤棵间蒸发量占比又呈增加趋势，平均占比13.59%～27.74%，部分达到显著性差异(p<0.05)。整个生育期来看，随秸秆覆盖量的增加，棵间土壤蒸发量呈现减小趋势，这主要是由于覆盖量越多，抑制土壤水分的无效消耗作用更强；同时高覆盖量条件更好地调节了土壤的水热条件，使得玉米生长更为旺盛，枝叶覆盖度显著高于低覆盖量和对照处理，很大程度上抑制了土壤水分的无效蒸发。同时研究发现，当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时，对棵间土壤水分蒸发的抑制作用开始呈现减弱趋势，与JF4处理间无显著性差异(p>0.05)。

2.2　不同秸秆覆盖量对土壤温度的影响

图2为不同秸秆覆盖量条件下玉米各生育期5—25 cm土壤平均温度变化情况，玉米苗期至拔节期，不同秸秆覆盖量处理条件下土壤温度均显著高于不覆盖处理(p<0.05)，且覆盖量越大，增温效果越显著，处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较不覆盖处理高2.14℃，4.23℃，5.53℃和6.56℃，但处理JF3和JF4间差异性不显著(p>0.05)。玉米是典型的喜温性作物，秸秆覆盖在玉米生育前期起到了良好的增温保温效果，有利于玉米的前期生长，这与陈素英等[14]的研究结果相同。玉米抽雄吐丝至灌浆期，气温达到了全年的峰值。有研究发现，土壤温度过高会降低玉米根系的生理活性，抑制根系的正常代谢过程，加速根系老化，不利于对养分和水分的吸收利用，并将使作物减产[15]。本研究发现，该生育阶段内秸秆覆盖条件下土壤温度显著低于对照处理，处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较不覆盖处理低0.89℃，1.70℃，2.70℃和3.06℃，秸秆覆盖起到了很好的降温效果，避免了玉米遭受高温的危害。玉米成熟期，随着枝叶的枯萎，此阶段各覆盖条件下土壤平均温度均显著对照处理(p<0.05)，平均高0.75℃，2.67℃，3.40℃和3.66℃，但处理JF3和JF4间差异性不显著(p>0.05)。综合来看，秸秆覆盖在高温时起到了降温效应，而低温时具有明显的增温效应[16]，为玉米的正常生长提供了良好的土壤温度条件。

表2为玉米各生育期内不同秸秆覆盖量条件下各土层土壤温度平均日变幅的变化情况，由表可知，随秸秆覆盖量的增加，土壤温度平均日变幅呈现减小趋势，这主要是由于秸秆覆盖对光能辐射和热传导影响的结果。当外界气温较高时，秸秆吸收了光能的短波辐射，降低了热量的交换速率，同时将一部分热量储藏在秸秆内，从而起到了一定的降温效应，而当外界气温较低时，秸秆可释放长波辐射，从而起到增温保温效果，秸秆这样的特性也一定程度上抑制了土壤温度的剧烈变化，这一研究结果与张俊鹏等[17]的研究结论一致。同时研究发现，随土层深度的增加，土壤温度变幅逐渐减弱，这主要是由于深层土壤受外界环境影响较弱所致。对比可知，当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时，各土层土壤温度的变幅与处理JF4间平均相差0.10～0.17℃，差异性不显著(p>0.05)。

表1　不同秸秆覆盖量条件下玉米各生育阶段耗水量及棵间蒸发量对比

图2　玉米各生育期5-25 cm土壤平均温度

2.3　不同秸秆覆盖量对玉米产量及水分利用效率的影响

由表3可知，不同秸秆覆盖量条件下玉米各产量指标均显著高于对照处理，玉米穗长和百粒重均以处理JF4最高，且与处理JF3间无显著性差异，但均显著高于其他处理。而玉米穗粗和穗粒数以处理JF3最高，与处理JF4间无显著性差异，但显著高于其他处理。就玉米经济产量而言，处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较CK高13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，差异性显著(p<0.05)，不同秸秆覆盖处理增产效应显著，这主要是由于地表覆盖后更好地调节了土壤的水肥热条件，从而更有利于玉米的生长和产量的形成。但处理JF3和JF4间相差0.36%，差异性不显著(p>0.05)，说明当秸秆覆盖达到一定量后，增产增收效应减弱。

表2　不同秸秆覆盖量对土壤温度平均日变幅的影响　℃

在干旱半干旱地区，水资源日益短缺是制约农业发展的关键性因素，因此实现农业水资源的高效利用是保证农业正常有序发展的前提。由表3可知，各处理作物综合水分利用效率均显著高于对照处理(p<0.05)，处理JF1，JF2，JF3和JF4分别较CK高19.94%，27.44%，39.42%和41.88%，说明秸秆覆盖显著抑制了土壤水分的无效蒸发，促进了玉米的吸收利用，从而有效提高了玉米的综合水分利用效率，但对比处理JF3和JF4间差异性不显著(p>0.05)，平均相差1.73%。

表3　不同秸秆覆盖量下玉米产量及水分利用效率对比

3　讨 论

作物的耗水强度表征作物的生长状况，同时耗水强度在一定程度上也影响着作物对水分的利用率。有研究表明，秸秆覆盖后，改善了田间小气候，从而促进了作物的生长发育并不同程度上影响了作物的耗水特性[18]。研究发现，玉米全生育期内作物蒸腾量呈现先增大后减小的趋势，且在拔节—抽雄吐丝期达到全生育期的峰值，且玉米进入拔节期以后，同时期秸秆覆盖条件明显高于对照处理，且部分差异达到了显著性水平(p<0.05)，这主要是因为秸秆覆盖条件下玉米生长更为旺盛，耗水强度较大。

土壤地表覆盖后，不同程度上切断了土壤水分的蒸发路径，从而有效减少了土壤水分的无效蒸发，保蓄了土壤水分[19-20]。而作物棵间蒸发是无效水分蒸发的重要组成部分，本研究发现棵间土壤蒸发量自苗期开始呈现先减小后增加的趋势，且在玉米抽雄—吐丝期达到全生育期的最低值。同时本研究发现，春玉米全生育期内随秸秆覆盖量的增加，棵间土壤蒸发量呈现减小趋势，但当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时，对棵间土壤水分蒸发的抑制作用开始呈现减弱趋势，这是因为当秸秆覆盖达到一定厚度后，会在一定程度上阻碍部分降雨及灌溉水分的下渗，从而造成水分损失，这一研究结论与郭彦芬等[13]的研究结果相同。

北方地区春季寒冷干旱，夏季高温少雨，而玉米是典型的喜温性作物，春季低温冷害会对玉米的出苗和苗期生长产生胁迫，因此，此时适宜的土壤温度是保证玉米种子萌发和前期生长的必要条件[21]。本研究发现，秸秆覆盖显著提高了作物生育前期耕层土壤温度，且覆盖量越大，增温效果越显著，玉米苗期至拔节期处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较对照处理高2.14℃，4.23℃，5.53℃和6.56℃。夏季高温季节，过高的土壤温度将会对玉米的正常生长产生危害，本研究发现，玉米抽雄吐丝至灌浆期的高温季节，秸秆覆盖起到了一定的降温效应，避免玉米遭受高温的危害，该生育阶段处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较对照处理低0.89℃，1.70℃，2.70℃和3.06℃。综合来看，秸秆覆盖在高温时起到了降温效应，而低温时具有明显的增温效应，为玉米的正常生长提供了良好的土壤温度条件，这一研究结论与王顺霞等[16]的研究成果相同。通过对不同秸秆覆盖量条件下各土层土壤温度平均日变幅的变化情况研究发现，随秸秆覆盖量的增加，土壤温度平均日变幅呈现减小趋势，这一研究结果与张俊鹏等[17]的研究结论一致，且当秸秆覆盖量达到10 t/hm2后，土壤温度变化趋于稳定。

秸秆覆盖显著提高了作物产量和水分利用效率，研究发现秸秆覆盖处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较处理CK增产13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，水分利用效率高19.94%，27.44%，39.42%和41.88%，这一研究结论与鲁向晖[11]和郭彦芬[13]等的研究结果相同。综合分析，秸秆覆盖量为10 t/hm2时较适宜在灌区推广应用。

4　结 论

(1) 玉米全生育期内，阶段耗水量呈现先增大后减小的趋势，棵间土壤蒸发量呈现先减小后增加的趋势，且两者分别在玉米抽雄—吐丝期达到全生育期的峰值和最低值。全生育期内，随秸秆覆盖量的增加，棵间土壤蒸发量呈现减小趋势，且当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时，对棵间土壤水分蒸发的抑制作用开始呈现减弱趋势。

(2) 秸秆覆盖在高温时具有降温作用，低温时具有显著的增温效应，从而为玉米的正常生长提供了良好的土壤温度条件。秸秆覆盖量影响着土壤温度平均日变幅的变化，随秸秆覆盖量的增加，土壤温度平均日变幅呈现减小趋势，且当秸秆覆盖量达到10 t/hm2时其变幅趋于稳定。

(3) 秸秆覆盖显著提高了玉米的产量指标及水分利用效率，处理JF1，JF2，JF3和JF4平均较处理CK增产13.45%，18.20%，24.89%和24.45%，水分利用效率提高了19.94%，27.44%，39.42%和41.88%。

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