李尚中,樊廷录,赵刚,党翼,王磊,张建军,唐小明,程万莉
(甘肃省农业科学院旱地农业研究所,甘肃 兰州 730070)
天然降水是我国北方旱农地区可利用的主要水资源,80%以上的农作物生长是靠250~600 mm的天然降水。由于降水时空分布不匀,降水期与作物需水期错位,能被作物利用的降水仅为总降水量的30%~40%,而60%~70%的降水以地表径流和无效蒸发的方式损失,降水利用效率仅为3~6 kg·hm-2·mm-1,农业生产低而不稳[1]。干旱缺水已是制约我国北方旱地农业生产的关键因素之一[2]。覆盖栽培由于改善了土壤的水、热状况等生态环境,活化了土壤养分,显著提高了作物产量和水分利用效率[1-6],已经作为一种重要的旱作农业抗旱栽培措施,在北方旱作农业区被推广应用[5-6]。但有些研究认为,覆盖栽培并未表现出增产效果[7-11],而且对玉米籽粒品质的影响也没有一致的结论,马青枝等[12]研究表明,覆膜能显著地提高玉米(Zeamays)籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白质含量,而王勇等[13]研究表明,覆膜降低了籽粒粗脂肪、蛋白质含量。这可能与不同研究区域的水热差异、土壤质地、土壤肥力等诸多因素有关。为了进一步探索不同覆盖栽培模式的土壤水热特征及产量品质效应,指导生产实践,本研究以露地栽培为对照,揭示不同覆盖时间、覆盖模式和覆盖材料调节土壤环境、影响玉米产量和品质的差异,为旱地玉米优质栽培的研究和生产应用提供依据。
试验于2013、2014、2015、2016年在农业部西北旱作营养与施肥科学观测实验站(甘肃省农业科学院镇原旱地农业综合试验站)实施,东经107°29′,北纬35°30′,海拔1254 m,年平均温度8.3 ℃,年日照时数2449.2 h,≥0 ℃年积温3435 ℃,≥10 ℃年积温2722 ℃,无霜期165 d。多年平均年降水量530 mm,降水主要分布在7、8、9三个月,属完全依靠自然降水的西北半湿润偏旱区。土壤为黑垆土,有机质含量11.8 g·kg-1,全氮0.88 g·kg-1,碱解氮93.1 mg·kg-1,速效磷11.2 mg·kg-1,速效钾207.5 mg·kg-1,肥力中等。春玉米为当地的主要作物之一,种植制度为一年一熟。
试验年度降水如表1所示,2013、2014、2015和2016年度,冬春休闲期降水量依次为73.4、256.4、235.2和165.0 mm,为同期多年平均降水量的47.3%、165.2%、151.5%和106.3%;玉米生育期总降水量分别为480.4、227.5、275.9和273.5 mm,为同期多年平均降水量的148.4%、70.3%、85.2%和84.5%,降水年型分别属于丰水年、干旱年、平水年、平水年;玉米生长旺盛的6月降水量分别68.0、64.1、79.8和75.5 mm,为多年同期平均降水量的131.8%、124.2%、154.7%和146.3%,7月降水量分别为250.3、14.8、45.1和105.2 mm,为多年同期平均降水量的219.6%、13.0%、39.6%和92.3%,8月降水量分别为56.6、81.9、72.0和48.0 mm,为多年同期平均降水量的68.6%、99.3%、87.3%和58.2%。
表1 2013-2016年玉米生育期降水量Table 1 Precipitation during maize growth period in 2013-2016
供试玉米品种为先玉335。覆盖材料:地膜为甘肃济洋塑料有限公司生产的0.01 mm聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜,秸秆为玉米机械化收获后被粉碎的秸秆。
试验采用三因素裂区设计,主区为覆盖时间A[秋覆盖(A1): 10月下旬至土壤封冻前覆盖;播前覆盖(A2):玉米播种前(4月中旬)覆盖];裂区为覆盖方式B[垄沟覆盖(B1):带宽110 cm,每带起底宽40 cm、高15~20 cm的小垄和底宽70 cm、高10~15 cm的大垄,两垄中间为播种沟。选用120 cm宽的地膜,边起垄边覆膜,膜与膜之间不留空隙,相接处用土压住地膜;平面覆盖(B2):用120 cm宽的地膜覆盖,每隔200 cm压土腰带,净膜100 cm,膜间留20 cm的空隙,膜内播种];裂裂区为覆盖材料C[地膜(C1);秸秆(C2),覆盖量为9000 kg·hm-2;露地(C3)]。
各处理3次重复,小区面积为44 m2(5.5 m×8.0 m=44 m2),播种密度为7.5万株·hm-2,按试验设计密度拉绳人工穴播,每穴2~3粒,播种深度4~5 cm。采用普通大田高产施肥管理:覆膜前结合整地基施尿素300 kg·hm-2、普通过磷酸钙938 kg·hm-2,玉米拔节期追施尿素195 kg·hm-2,其他栽培管理同大田生产。4个年度试验在同一地块同一位置进行。
1.3.1土壤温度测定 玉米播种后,每隔30 d,选择晴天在各处理小区中间沿玉米种植行测定任意两株之间深5、10、15和20 cm处的地温,测定时间分别为 8:00、14:00 和18:00,将 3 次测得平均值作为当天土壤温度,连续测3 d取其平均值。
1.3.2玉米品质测定[12-13]淀粉含量采用双波长法测定、脂肪含量采用索氏残余提取法测定、蛋白含量采用凯氏定氮法测定、容重采用GHCS-1000型容重器(漏斗下口直径为 40 mm)国标法《玉米》GB1353—1999 附录 A(标准的目录)测定。
1.3.3土壤水分测定和水分利用效率计算方法[6]玉米播种前和收获时分别用土钻法测定沿玉米种植行任意两株之间每个小区2 m土层(每20 cm为一个层次)的土壤含水率,转换为以mm为单位的播前和收获时的土壤贮水量。生育期降水量通过MM-950自动气象站获得。利用土壤水分平衡方程计算每小区作物耗水量(water consumption)。成熟后,随机取样20株考种,按每小区实收计产,计算水分利用效率(water use efficiency)。
耗水量 (mm)=播前2 m土壤贮水量-收获时2 m土壤贮水量+生育期降水量
水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米籽粒产量/耗水量
采用SPSS 11.5软件进行统计分析。
2013、2014、2015和2016年,冬春休闲期降水量为多年同期的47.3%、165.2%、151.5%和106.3%,分别属干旱、丰水、丰水和平水休闲季节(表1)。由表2可知,不论冬春休闲季节降水如何,不同覆盖时间对玉米播前0~2 m土层贮水量有显著的影响(P<0.05), 秋覆盖4年平均玉米播前0~2 m土层贮水量为486.1 mm, 较播前覆盖多贮水42.0 mm,提高9.5%。秋覆盖条件下,2013、2014、2015和2016年,垄沟覆盖玉米播前0~2 m土层贮水量平均为474.5、531.6、491.4和443.6 mm,分别较平面覆盖增加贮水11.3、-3.9、-24.3和9.8 mm,除2015年0~2 m贮水量差异达显著水平(P<0.05)外,其余年份未达到显著水平。秋覆盖条件下,不同覆盖材料对玉米播前0~2 m土层贮水量有极显著的影响(P<0.01),2013、2014、2015和2016年,地膜和秸秆覆盖玉米播前0~2 m土层贮水量依次为476.6和461.2 mm、527.1和539.9 mm、497.0和510.0 mm、441.0和436.4 mm,较露地分别提高6.7%和3.2%、9.2%和11.8%、9.9%和12.8%、12.3%和11.2%。地膜覆盖较秸秆覆盖依次提高15.5、-12.8、-13.0和4.6 mm。覆盖时间和覆膜方式、覆膜方式和覆盖材料互作差异不显著,覆盖时间、覆盖方式和覆盖材料三因素互作差异不显著,覆膜时间和覆盖材料互作差异达极显著水平(P<0.01)。可见,垄沟覆盖在冬春闲期降水量较少时可以提高土壤贮水量,在降水量较多的情况下不利于土壤水分保蓄。不论是地膜还是秸秆覆盖,可以有效地提高玉米播前土壤贮水量。在冬春闲期降水少(2013年)或正常降水(2016年)条件下,地膜覆盖蓄水保水效果优于秸秆覆盖,而冬春闲期降水较多(2014和2015年)条件下,秸秆覆盖蓄水保水效果优于地膜覆盖。
表2 不同处理玉米播前0~2 m土层贮水量Table 2 Water storage in 0-2 m soil layers before maize planting under different treatments (mm)
A为覆盖时间,B为覆盖方式,C为覆盖材料。表中数字后的不同字母表示同一覆盖方式不同覆盖材料处理间在0.05水平下的差异显著性,下同。
A means mulching time,B means mulching modes,C means material. S: Straw; PF: Plastic film; NM: No mulching. Letters after number indicate the significance at 0.05 level among different material of the same mulching modes. The same below.
不同覆盖模式耕层土壤温度监测表明(表3),播后110 d前,不同覆盖方式之间耕层土壤温度存在极显著差异(P<0.01),而播后130 d,差异未达显著水平。播后0、30、60、90、110和130 d,平面覆盖耕层土壤平均温度为20.8、23.4、26.0、24.5、26.9和17.7 ℃,较垄沟覆盖提高7.8%、10.9%、11.3%、6.5%、8.0%和3.3%。不同覆盖材料对耕层土壤温度有显著的影响(P<0.05),播后0、30、60、90、110和130 d,地膜覆盖平均耕层温度依次为25.3、25.0、24.7、24.6、27.6和18.5 ℃,较露地增加21.3%、8.9%、-3.5%、2.7%、4.4%和6.3%,全生育期平均提高5.9%,秸秆覆盖平均耕层温度依次为14.1、18.8、24.0、22.8、23.9和16.4 ℃,较露地减少32.4%、18.1%、6.3%、4.8%、9.7%和5.8%,全生育期平均减少12.7%。覆盖方式和覆盖材料互作差异不显著。可见,地膜和秸秆覆盖对玉米土壤耕层温度的影响主要是从播种到拔节期,拔节后随着叶面积增加,叶片遮阴作用的增强,覆盖方式在改变土壤耕层温度方面的作用逐渐减小。其中,地膜覆盖主要表现为增加土壤温度,而秸秆覆盖则相反。
表3 不同覆膜模式地温变化Table 3 Change of soil temperature under different mulching modes (℃)
表中数据为2013、2014、2015和2016年的平均值。The data in the Figure are average for 2013,2014,2015 and 2016.
由表4可知,不同覆盖时间对玉米产量和水分利用效率有一定的影响,2013、2015和2016年产量差异达显著水平(P<0.05),2013和2016年水分利用效率差异达显著水平(P<0.05)。2013、2014、2015和2016年,秋覆盖产量和水分利用效率分别为14018.0 kg·hm-2和28.2 kg·hm-2·mm-1、11476.5 kg·hm-2和28.7 kg·hm-2·mm-1、11206.1 kg·hm-2和25.3 kg·hm-2·mm-1、11141.9 kg·hm-2和29.7 kg·hm-2·mm-1,较播前覆盖分别提高8.4%和5.0%、4.7%和2.9%、8.8%和0.8%、6.5%和9.0%。不同覆盖时间4年平均产量差异达极显著水平(P<0.01),秋覆盖4年平均产量和水分利用效率分别为11960.6 kg·hm-2和28.0 kg·hm-2·mm-1,较播前覆盖分别提高7.1%和4.5%。不同覆盖方式产量和水分利用效率差异不显著,垄沟秸秆覆盖4年平均产量和水分利用效率分别为9902.6 kg·hm-2和23.5 kg·hm-2·mm-1,较平面秸秆覆盖减产5.8%和5.4%,垄沟地膜覆盖平均产量和水分利用效率为15025.9 kg·hm-2和34.3 kg·hm-2·mm-1,较平面地膜覆盖增产6.3%和5.2%,垄沟露地平均产量为9771.1 kg·hm-2和24.1 kg·hm-2·mm-1,较平面露地减产2.5%和3.6%。不同覆盖材料对玉米产量和水分利用效率影响达极显著水平(P<0.01),2013、2014、2015和2016年,地膜覆盖玉米产量和水分利用效率分别为16575.0 kg·hm-2和34.0 kg·hm-2·mm-1、14066.0 kg·hm-2和33.7 kg·hm-2·mm-1、14889.0 kg·hm-2和33.6 kg·hm-2·mm-1、12801.5 kg·hm-2和32.4 kg·hm-2·mm-1,较露地增产 38.4%和37.2%、45.1%和28.3%、58.6%和43.4%、50.1%和36.1%,较秸秆覆盖增产39.6%和41.9%、42.1%和35.1%、86.6%和81.5%、15.5%和10.6%,秸秆覆盖4年平均产量和水分利用效率分别为10210.2 kg·hm-2和24.2 kg·hm-2·mm-1,较露地增产3.2%和-1.5%,但差异不显著。覆盖时间和覆膜方式两两互作差异不显著,2013年,覆盖时间和覆盖材料两两互作差异极显著(P<0.01),而2014、2015和2016年两两互作差异不显著,覆膜方式和覆盖材料两两互作差异显著(P<0.05),2013年,覆盖时间、覆盖方式和覆盖材料三因素互作差异显著(P<0.05),而2014、2015和2016年差异未达显著水平。可见,地膜垄沟秋覆盖可以显著提高玉米产量和水分利用效率,而秸秆垄沟秋覆盖和播前覆盖,均降低了玉米产量和水分利用效率,秸秆平面覆盖产量和水分利用效率与露地差异不显著,但显著低于地膜覆盖。
不同覆盖模式玉米品质分析表明(表5),秋覆盖可以提高玉米容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量,但与播前覆盖差异不显著。秋覆盖容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量分别为713.5 g·L-1、9.80%、3.53%和73.61%,较播前覆盖分别提高1.5%、1.0%、1.2%和0.01%。覆盖方式对玉米容重和脂肪含量影响差异不显著,对蛋白质和淀粉含量影响达显著水平(P<0.05),垄沟覆盖容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量分别为708.6 g·L-1、9.66%、3.55%和73.63%,较平面覆盖提高0.07%、-1.95%、2.67%和0.06%。不同覆盖材料对容重、蛋白质和脂肪含量影响达极显著水平(P<0.01),对淀粉含量影响差异不显著,秸秆覆盖容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量分别为680.7 g·L-1、9.86%、3.43%和73.62%,较露地增加-3.49%、-1.03%、1.41%和0.02%,地膜覆盖容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量分别为735.9 g·L-1、9.65%、3.58%和73.60%,较露地增加4.32%、-3.16%、5.92%和-0.02%,较秸秆覆盖增加8.10%、-2.16%、4.45%和-0.04%。覆盖时间和覆膜方式、覆膜方式和覆盖材料、覆盖时间和覆盖材料两两互作与覆盖时间、覆盖方式和覆盖材料三因素互作差异均不显著。可见,地膜覆盖提高了玉米容重和脂肪含量,降低了蛋白质和淀粉含量,垄沟覆盖可提高玉米容重、脂肪和淀粉含量,降低蛋白质含量。
覆盖改变了农田的土壤水分运移方式,阻断了土壤水分的垂直蒸发和水汽的乱流交换,增大了水分蒸发的阻力,提高了土壤保墒性能。王进鑫等[14]研究表明,在持续干旱时段,覆盖不仅改善了覆盖区土壤水分状况,而且强化了覆盖区与相邻非覆盖区下层土壤液态水的运移与再分布,有利于减轻持续干旱的威胁。作物生育期覆盖的蓄水保墒作用已被大量的研究所证实[1,3,5-6,14-16],但对不同覆盖模式冬春休闲期保墒效果研究较少。本研究表明,不论冬春休闲季节降水如何,秋覆盖可以提高玉米播前水分含量,0~2 m土层较播前覆盖多贮水42.0 mm。秋季地膜和秸秆覆盖,均可以提高玉米播前土壤贮水量,平均较露地分别多贮水42.2和43.7 mm。2013、
表5 不同处理玉米籽粒品质参数Table 5 Maize quality traits of different treatments
表中数据为2013、2014、2015和2016年的平均值。The date in the Figure are average for 2013,2014,2015 and 2016.
2014、2015和2016年,垄沟覆盖播前贮水量较平面覆盖增加11.3、-3.9、-24.3和9.8 mm,地膜覆盖较秸秆覆盖依次提高15.5、-12.8、-13.0和4.6 mm,即冬春闲期降水少(2013年)或正常降水(2016年)条件下,垄沟覆盖和地膜蓄水保墒效果较好,而冬春闲期降水较多(2014和2015年)条件下,平面覆盖和秸秆蓄水保水效果优于垄沟和地膜。这可能与起垄造成沟内土壤紧实和地膜覆盖阻止了较大降水及时入渗,产生径流损失,而秸秆覆盖条件下的土壤导水率较高,降水入渗快等有关,其原因有待进一步研究。
覆盖方式对土壤温度的影响效果随土壤类型、气候条件,覆盖材料的不同而不同[17]。地膜覆盖能有效地增加生育期积温,尤其在低温期增温效果非常明显,0~20 cm土层土壤平均温度比无覆盖时高3~5 ℃[18],播种出苗和营养生长期间,可增加积温180 ℃左右[19],本研究结果与其基本一致。但地膜玉米不同覆膜模式的增温效果研究并不一致。杨祁峰等[20]研究表明,玉米田不同生育时期的地温均是垄膜沟播>窄平膜>不覆膜,而本研究表明,玉米生育期耕层平均温度大小依次为平面地膜覆盖>平面露地>垄沟地膜覆盖>垄沟露地,这可能与土壤含水量、地膜覆盖度及气候条件等有关,有待进一步研究。从整体趋势来看,秸秆覆盖在调控作物生育期土壤温度的效应方面,主要是降温效应,均表现为生长前期的地温差异显著,随着生育进程的推进和作物叶面积的增大,其影响逐渐减少[3],本研究结论与其基本一致。
作物产量综合反映了系统管理水平与土壤生产力,是农业持续发展的重要评价指标,提高作物产量和水分利用效率是所有科研重视和研究的目的所在[21]。王勇等[13]研究表明,平面秋覆膜较春季播前覆膜相比,玉米产量和水分利用效率分别提高16.7%和14.9%,张雷等[22]研究表明,全膜双垄沟秋覆膜较播前覆膜产量和水分利用效率依次提高16.1%和34.5%,本研究与其基本一致。秋季秸秆覆盖也可以提高玉米产量和水分利用效率,分别提高5.6%和3.5%,这与秋季覆盖保蓄较多的土壤水分有关。乔灵芝等[23]认为,垄覆地膜的产量和水分利用效率低于平覆地膜,本研究认为,垄沟地膜覆盖产量和水分利用效率较平面地膜覆盖增产6.3%和5.2%,而垄沟秸秆覆盖产量和水分利用效率较平面秸秆覆盖降低5.8%和5.4%,这可能与降水年型,覆盖引起的土壤水分、温度等因素变化有关。不同覆盖材料对玉米的产量和水分利用效率有不同程度的影响,多数研究表明,地膜玉米具有良好的增产效应,显著提高了水分利用效率[6,13,18-23],本研究结果与其一致。关于秸秆覆盖对作物产量水分的效应,部分研究认为秸秆覆盖可提高玉米产量和水分利用效率[24-27],也有研究认为,秸秆覆盖机械阻碍伤害了作物出苗和春季的降温效应,影响了其前期生长,导致减产[28-29]。本研究认为,与传统平面露地种植相比,秸秆平面覆盖玉米产量和水分利用效率分别提高4.9%和0.6%,而垄沟秸秆覆盖产量和水分利用效率分别降低1.2%和6.0%,这与垄沟秸秆覆盖显著降低了耕层土壤温度有关。
已有研究表明,覆盖会影响玉米籽粒的品质,但没有一致的结论。马青枝等[12]研究表明,覆膜能显著地提高玉米籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白质含量。余海兵等[30]研究表明,地膜覆盖可提高春糯玉米的粗蛋白含量,降低粗淀粉和支链淀粉含量。王勇等[13]研究表明,覆膜降低了籽粒粗脂肪、蛋白质和赖氨酸含量,提高了粗淀粉含量。李建奇[31]研究表明,覆膜栽培提高了玉米籽粒容重、粗淀粉含量,对粗蛋白、粗脂肪、赖氨酸、直链淀粉含量的影响具有不确定性。王同朝等[32]研究表明,玉米籽粒总淀粉含量为垄作覆盖>平作覆盖>垄作>平作,但对总蛋白质含量影响差异不明显。本研究表明,秋覆盖可以提高玉米容重、蛋白质、脂肪和淀粉含量,但与播前覆盖差异不显著。垄沟覆盖提高了玉米淀粉含量,降低蛋白质含量,对容重和脂肪含量影响差异不显著。秸秆覆盖提高了脂肪,降低了容重和蛋白质含量,地膜覆盖提高了玉米容重和脂肪含量,降低了蛋白质,对淀粉含量影响差异不显著。可见,在覆盖栽培条件下,提高玉米蛋白质含量是亟待解决的问题。
覆盖时间、覆盖方式和覆盖材料对玉米播前土壤水分、耕层土壤温度、产量、水分利用效率和品质均有一定的调控作用,总体表现为覆盖材料>覆盖方式>覆盖时间。在生产实际中,应根据生产目标选择适宜的覆盖栽培模式。
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