不同覆盖方式对土壤水肥热状况以及玉米产量影响

梅四卫，朱涵珍，王 术，杨习文

（1.沈阳农业大学 农学院，沈阳 110866；2.河南农业职业学院，郑州 451450；3.河南农业大学 农学院，郑州 450003）

0 引 言

【研究意义】当前耕地水土流失、水资源短缺和生态环境恶化已成为制约世界农业可持续发展的主要原因。与此同时，由于自然灾害和人类的不合理耕作，对农田生态环境的破坏也日益严重。保护性耕作是世界上应用最广泛、最有效的农业技术之一，越来越受到世界各国的关注[1]。

【研究进展】保护性耕作的目的是减少水土流失，保护土壤，包括免耕技术、秸秆覆盖技术、覆膜技术等[2-4]。覆盖技术不仅能提高水分利用效率，调节土壤温度，起到保水调温的作用；而且能够改善土壤物理性状、抑制杂草、减弱土壤盐碱化程度和改善土壤微生物环境等作用，并且能够减少水土流失为作物生长提供适宜的水、肥和热等条件，从而提高作物产量。覆盖技术作为一种强化土壤有机质积累、调节土壤温度和水分的农艺措施已被广泛应用，尤其在玉米增产方面取得好的效果[5]。王平等[6]分析了玉米地膜覆盖的土壤环境效应，结果表明地膜能改善农田的生长环境，并且在农作物增产等方面已取得实效。玉米是仅次于水稻的第二大粮食作物，主要分布于东北、华北等地区，在农作物种植、粮食加工与医药等领域均有所涉及，玉米消费总量在全球中的比例在20%左右。玉米的产量在一定程度上受到农田覆盖的影响，农田覆盖受到太阳光能的影响，土壤中的水分、温度等会间接地对土壤秸秆活性、养分物质等产生影响。地膜覆盖起源于20世纪80年代，其能对农田的生长环境进行改善，使农产品品质得到提升，且能够显著提高土壤水分[7]。然而聚乙烯材料作为地膜的主要成分很难被分解，作物收获后会大量残留在农田中，长时间必然会对农业健康与可持续发展产生不利影响[8]。

【切入点】秸秆覆盖能够对土壤温度、水分进行有效调节，使土壤有机质积累得到强化，且有数据表明能够增加玉米产量，在农作物的种植领域应用最为广泛[9-10]。秸秆覆盖相较于地膜覆盖，其突出优势为环保、无污染。目前关于地膜覆盖与秸秆覆盖对土壤水热肥及玉米产量影响的对比研究还比较少。【拟解决的关键问题】本文选取玉米作为研究对象，设置地膜覆盖、玉米秸秆覆盖与不覆盖，以不覆盖作为对照（CK），对各覆盖方式下土壤含水率、养分、温度状况以及玉米产量进行系统研究。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于河南省安阳市安阳县，东经114°12'，北纬36°19'，年平均气温13.6 ℃，年降水量650 mm，无霜期200 d。全年可照时间为4 431.8～4 432.3 h，全年平均日照百分率为55%，属于暖温带大陆性季风气候。试验区以砂质壤土为主，0～100 cm土壤平均密度1.45 g/cm3，田间持水率20.53%，灌溉水源为黄河水，平均矿化度为0.6～0.8 g/L。试验基地主要以草甸土为主，土壤中的有机质与腐殖质层均比较充足，且其团粒结构也较高，土壤体积质量为1.38 g/cm3。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设置

本试验以不覆盖方式为对照（CK），另外设置地膜覆盖、秸秆覆盖 2种处理方式，春播期采用机器进行地膜覆盖，地膜为PE普通农用地膜，其宽度为70 cm。在秋浇前人工将秸秆铺设于试验小区内，并将约为2 cm的虚土覆盖在上面，确保覆盖厚度的均匀，覆盖量为10 t/hm2。试验各小区面积为200 m2（20 m×10 m），设置塑料薄膜覆盖（PFM）、秸秆覆盖（SM）、不覆膜（CK）3个处理，每个处理3次重复，随机排列组合。将1.5 m深塑料膜隔离埋设在各试验小区内，以确保小区间水分不受侧渗影响。种植管理模式为常规栽培管理模式。

按当地玉米常规栽培管理模式进行种植管理，供试玉米品种为豫奥6号，采用人工穴播，行距60 cm，株距50 cm，深度6 cm，播种时施足底肥450 kg/hm2（磷酸二铵、尿素），灌第1水时为2018年6月11日，施尿素450 kg/hm2，灌第2水时为2018年7月24日，施尿素300 kg/hm2，第3次灌水为2018年9月7日，灌溉方式为滴灌，每次灌水量均为30 mm，其他田间措施与当地保持一致。

1.2.2 测定项目及方法

每隔7 d在玉米行间进行取土，每20 cm为0~1层至100 cm深度，采用烘干称质量法测定土壤含水率，每个处理取3个重复。分别于玉米播种期和收获后取表层0～20 cm土壤测定其养分指标，主要为有机质、全氮、水解氮、速效钾、有效磷。于处理小区内埋设直角地温计，埋深分别为5、10、15、20、25 cm，每个生育期连续3 d自08:00至20:00每隔2 h读取1次。玉米成熟期，各处理选取具有代表性的10株测定其生产性状指标和产量。

1.2.3 水分利用效率计算

本试验地势平坦，地下水位较低，降水入渗深度不深，地下水通过毛管作用上移补给作物水量、地表径流量和补给地下水量可忽略不计，玉米水分利用效率（WUE）计算式[11]为：

式中：Y为玉米籽粒产量（kg/hm2）；ET为玉米生育期总耗水量；I为生育期内灌水量；ΔW为玉米生育期内0～100 cm土壤贮水量变化；P为玉米生育期有效降雨量，生育期内试验地月份降水量如表1所示。

表1 玉米生育期内试验地降水量Table 1 The monthly mean rainfall during growth phase of maize in the experimental field

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对土壤水分的影响

不同覆盖方式下土壤水分如图1所示。

图1 不同覆盖方式下土壤含水率变化Fig.1 The changes of soil moisture content with different covering methods

由图1可知，全生育期内地膜覆盖和秸秆覆盖条件下各土层含水率相当，均显著高于不覆膜处理，且以0～60 cm差异更为明显，这主要是由于雨湖区地下水埋深较浅，下层80～100 cm土壤受地下水补给作用较强，该土层含水率差异较小。玉米苗期耗水强度低，在土壤蒸发作用下，不覆盖处理0～60 cm土壤平均含水率要分别较地膜覆盖和秸秆覆盖低7.52%和6.25%，差异显著。玉米生育中期阶段植株营养和生殖生长旺盛，而该时段内灌区干旱少雨，因此良好的土壤水分条件成为保证玉米正常生长和高产的决定性因素。该生育阶段内地膜覆盖和秸秆覆盖条件下0～100 cm土壤含水率平均相差0.06%～1.60%，差异不显著，但均明显高于不覆盖处理，且0～60 cm差异显著，平均较不覆盖处理高12.77%、13.87%、13.33%和 13.94%、14.19%、16.33%，说明此阶段秸秆覆盖条件下土壤保墒效果与地膜覆盖相当，且显著优于不覆盖处理。玉米成熟期，由于不灌溉，各土层含水率达到了全生育期的最低值，且各处理同样以0～60 cm土壤含水率相差更大。且此时秸秆覆盖条件下该土层深度含水率要显著高于地膜覆盖和不覆盖处理，平均高8.23%和22.41%，说明秸秆覆盖有利于土壤水分的储蓄和持续利用。

2.2 不同覆盖方式对土壤养分的影响

在玉米播种期，3种覆盖方式具有相同的土壤养分指标，表2为不同覆盖方式下玉米收获期0～20 cm土层土壤养分指标。由表2可知，秸秆覆盖的有机质量、水解氮、速效钾和有效磷量最高，与不覆盖和地膜覆盖，差异显著。3种覆盖方法的全氮量差异不明显，速效钾与有效磷量相比不覆盖时分别增加了15.11%、85.13%，说明秸秆覆盖对土壤中速效钾和有效磷质量分数的提升效果更好。

表2 不同覆盖方法下土壤养分指标 g/kgTable 2 Soil nutrientindexes with different covering methods

2.3 不同覆盖方式对土壤温度的影响

表3为玉米生长期各覆盖方式下0～25 cm土层的土壤温度变化。从表3可以看出，玉米的整个生长期内，不覆盖处理的土壤温度始终低于地膜覆盖处理的。在玉米的苗期与拔节期中，地膜覆盖与秸秆覆盖处理间的土壤温度差异不显著，但均比不覆盖处理高，秸秆覆盖分别比不覆盖处理高 4.1 ℃和2.1 ℃，这表明在玉米生长前期，秸秆覆盖能够有效提高土壤温度，为玉米的前期生长创造了有利条件。在玉米生长期内，秸秆覆盖处理土壤温度平均比地膜覆盖的低1.2～4.5 ℃，比不覆盖的低0.8～1.8 ℃，且秸秆覆盖与其他 2种覆盖方式之间具有显著性差异。而玉米进入成熟期后，秸秆覆盖条件下的土壤温度均显著比其他2种覆盖方式高。

表3 3种覆盖方式下各生育期土壤温度变化Table 3 The soil temperatures during growth of corn with three covering ways ℃

2.4 不同覆盖方式对玉米产量及水分利用效率的影响

从表4可以看出，秸秆覆盖处理的玉米产量最大，其次是地膜覆盖处理，而不覆盖处理最小。秸秆与地膜覆盖处理间玉米产量差异并不明显，但均比不覆盖处理高，且差异显著。地膜覆盖、秸秆覆盖处理产量分别比CK高 24.11%、24.32%，具有明显的增产效应，这是由于地表覆盖后更好地调节了土壤的水肥热条件，从而为玉米的生产与产量形成创造了有利条件。比较地膜覆盖与秸秆覆盖的产量可以发现，后者的玉米经济产量显著高于前者0.41%，这说明相较于地膜覆盖处理方法，秸秆覆盖的增产效应也比较显著。

表4 不同覆盖方法下玉米产量指标Table 4 Yield index of corn with different covering methods

表5 3种覆盖方法玉米水分利用效率Table 5 The WUE of corn with three covering ways

由表4可知，玉米各产量指标均表现为秸秆覆盖＞地膜覆盖＞不覆盖处理，且地膜覆盖与秸秆覆盖处理之间各指标差异不显著（P＞0.05），但均显著高于不覆盖处理。地膜覆盖和秸秆覆盖分别较不覆盖处理高24.02%和24.90%，增产效应明显，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。秸秆覆盖条件下玉米经济产量平均较地膜覆盖高0.37%，略优于地膜覆盖处理。由表5可知，地膜和秸秆覆盖方式下玉米水分利用效率相当，无显著差异，但均显著高于不覆盖处理，分别提高了23.25%和23.06%

3 讨 论

研究得出，秸秆覆盖和地膜覆盖都能调节土壤温度和水分，减少土壤养分流失，增加玉米产量，与王平[6]等研究秸秆覆盖对小麦产量和土壤水热肥的影响结果相似。在玉米的生长前、中期，秸秆覆盖与地膜覆盖处理下土壤水分状况之间的差异并不显著，表明秸秆与地膜覆盖的保墒效果均比较好，均优于不覆盖处理，0～60 cm差异更明显。玉米进入成熟期后，0～60 cm土壤层含水率最大与最小的为秸秆覆盖、不覆盖处理，表明秸秆覆盖为土壤水分的贮存与不断利用创造了有利条件。

秸秆覆盖能够使土壤中的养分指标得到提高，玉米进入收获期后，秸秆覆盖浅层土壤养分显著高于其他2种覆盖条件，这可能是由于秸秆腐烂后分解，释放出的有机和无机养分进入土壤中。相较于不覆盖条件，秸秆覆盖能够有效提高土壤中的速效钾和有效磷量，研究表明，玉米生长过程中需要大量的钾，尤其是生长后期的钾需求量，因此，若土壤中有充足的速效钾供应将有利于玉米的生长，延缓根系和植株的衰老，从而提高产量。针对土壤温度，秸秆能够对光照形成的光能进行吸收，高温时借助热传导作用能够使温度降低，而外界温度较低时其又能使增温效应得以发挥，在此土壤温度下，玉米能够得到更好的生长。秸秆覆盖的玉米产量高于地膜覆盖的玉米产量，但差异并不显著。在灌区农业用水日益减少的现状下，要想实现作物的稳定高产，就必须实现水分的高效利用[12-13]。与不覆盖处理方法相比，地膜覆盖和秸秆覆盖的经济产量和水分利用效率分别提高 24.02%、24.90%；23.25%、23.06%，具有明显的增产效应与水分利用效率，这主要是由于覆盖较大程度上抑制了土壤水分的无效耗散，从而有效提高了玉米的水分利用效率[14-15]。

4 结 论

与不覆盖和地膜覆盖相比，秸秆覆盖对生长期玉米具有较好的保墒效果，成熟期秸秆覆盖后的土壤含水率最高，有利于土壤水分的贮存和利用。秸秆覆盖后浅层土壤层养分显著高于其他2种覆盖条件，能够有效提高土壤中的速效钾和有效磷量，有利于玉米的生长，延缓根系和植株的衰老，从而提高产量。秸秆覆盖能够在高温时降低土壤温度，低温时增加土壤温度，维持土壤在适宜温度以利于玉米生长。秸秆覆盖后的玉米产量相比地膜覆盖并不显著，但秸秆覆盖能够提高玉米的经济产量和水分利用效率。