垄膜沟播与秸秆还田对内蒙古黄土高原玉米农田土壤水分、酶活性及产量的影响

高日平， 刘小月， 杜二小， 韩云飞， 任永峰，高宇， 赵沛义*， 李焕春， 张鹏

(1.内蒙古农业大学农学院，呼和浩特010019；2.内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古旱作农业重点实验室，呼和浩特 010031；3.农业农村部内蒙古耕地保育科学观测实验站，呼和浩特 011705)

全膜双垄沟播是一项提高半干旱雨养环境作物生产力的集雨种植技术。该项技术集覆盖抑蒸、垄面集流、垄沟种植于一体[1]，可大幅降低田间作物株间水分蒸发，增加作物根际水分供应量[2]，改善土壤水热状况，提升农田物质生产力和作物产量[3]。以年降水量400 mm左右的半干旱区应用最广[4]。

内蒙古黄土高原地带属中温带半干旱大陆性季风气候，是典型的旱作雨养区。年际间降雨量少，蒸发量大，年降雨量365 mm左右。自然降雨不足且缺乏灌溉条件，水资源匮乏是制约该区域农业发展的主要限制因子[5-7]。但该区域土地资源丰富，光热条件优越。耕地总面积4.69万hm2，其中玉米为当地主栽作物，占总种植面积的60%[8]。近年全膜双垄沟播技术的大面积推广应用，为该区域玉米稳产增产提供了有效的技术途径，玉米种植面积和产量持续增长，且玉米茎秆资源也呈现逐年增长的态势。

秸秆翻耕还田作为秸秆资源化利用的有效途径之一，可提高土壤肥力[9]、改善土壤性状[10]、增加作物产量[11]，被广泛应用。研究表明，秸秆还田后需要一定的水分供应保证秸秆的正常矿化分解和养分释放，而干旱半干旱地区土壤含水率较低，秸秆腐解困难，还田后反而会对作物生长造成负面影响[12]。垄膜沟播栽培技术与秸秆还田相结合可增加秸秆腐解速率[13]，提高土壤水分利用效率[14]和增加作物产量[15]。但目前关于秸秆还田与垄膜沟播栽培耦合后的土壤环境效应研究较少。鉴于此，本文从土壤含水量、土壤酶活性和产量诸方面综合分析研究，探究了适宜内蒙古黄土高原旱作区玉米覆膜栽培方式和高效秸秆还田利用模式，以期为该技术在玉米栽培中的应用和推广提供一定的科学依据和技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为种星618。植株为半紧凑型，品种平均株高316 cm，平均穗位120 cm，总叶片数21～22片，穗上叶上冲，穗轴红色，轴细粒长。

供试地膜为聚乙烯吹塑农用覆盖薄膜(白膜)，规格为宽(1 200±15)mm，厚度0.012 mm。

1.2 试验地概况

试验于2019年5—10月在内蒙古清水河县农牧和科技局良种场(111°39′E和39°57′N)进行。试验田气候类型为中温带半干旱大陆性季风气候，年均日照时数为2 914 h，年平均温度7.1 ℃，无霜期140 d左右，≥10 ℃积温2 370 ℃，年均降雨量365 mm。土壤类型为黄绵土，土壤有机质含量10.45 g·kg-1、全氮含量0.58 g·kg-1、全磷含量1.15 g·kg-1、全钾含量24.50 g·kg-1、碱解氮含量35.10 mg·kg-1、有效磷含量16.52 mg·kg-1、速效钾含量102.60 mg·kg-1，pH 7.87，属低等肥力水平。试验期间5—10月降雨量(344 mm)和月平均气温见图1。

1.3 试验设计

试验为单因素随机区组设计，共设置4个处理：秸秆还田(S)、全覆膜垄膜沟播(M)、全覆膜垄膜沟播结合秸秆还田(S+M)、秸秆不还田不覆膜(CK)。每个处理设置3次重复，小区面积96 m2(12 m×8 m)。上季收获玉米秸秆用秸秆粉碎机粉碎至5～10 cm，并均匀抛散于田间。采用液压旋耕机进行旋耕作业，旋耕深度为20～25 cm，秸秆翻埋深度为10～20 cm，还田量为6 000 kg·hm-2。地膜覆盖方式为全覆膜覆盖垄膜沟播(图2)。2019年5月10日采用玉米全覆膜精量播种机进行播种、覆膜、施肥一体化作业，种植密度为52 500株·hm-2。氮肥总施用量为225 kg·hm-2，所有处理磷肥(P2O5150 kg·hm-2)和钾肥(K2O kg·hm-2)一次性底施，试验地终年无灌溉。

1.4 测定指标及其方法

1.4.1玉米地上部干物质积累量的测定 在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期各小区分别取3株玉米鲜植株，取样测定鲜重后装袋，并带回实验室于105 ℃杀青30 min，再将温度调至80 ℃下烘干至恒重用以测定干物质。

1.4.2土壤含水量的测定 在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期分别以0—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100 cm共10个土层取土样，采用土钻取土烘干法测定土壤含水量。

1.4.3酶活性测定 在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期分别取0—30 cm土层土样用于酶活性测定，土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，土壤脲酶采用靛酚蓝比色法，土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法，土壤碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法[16]。

1.4.4产量测定 玉米成熟后，每小区选10 m双行进行测产。

1.4.5玉米降雨利用率的计算 玉米降雨利用率的计算公式如下。

降雨利用率(kg·hm-2·mm-1)=产量(kg·hm-2)/生育期降雨量(mm)

(1)

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016处理试验数据和绘制统计图表，选用SPSS 25.0数据处理系统进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对玉米地上部干物质积累量的影响

由表1可见，不同种植方式下，玉米苗期至成熟期地上部干物质积累量差异显著(P<0.05)。苗期各处理地上部干物质积累量大小顺序为S+M>M>S>CK，S+M处理、M处理、S处理较CK分别提高4.35%、8.70%、13.04%；拔节期至成熟期，各处理干物质量直线增长，以S+M处理干物质量最大；成熟期时，S+M处理、M处理、S处理较CK分别提高3.94%、15.12%、20.76%，以秸秆还田覆膜干物质最大，不还田不覆膜干物质最小，且覆膜不还田处理干物质量大于还田不覆膜处理。覆膜干物质量提升效果优于秸秆还田，表明垄膜沟播结合秸秆还田可显著提高玉米地上部干物质积累量。

表1 不同处理下玉米地上部干物质量

2.2 不同耕作方式对土壤含水量的影响

各生育期内，玉米农田土壤含水量均表现为S+M>M>S>CK(图3)。其中CK土壤含水量随土层加深呈“V”字形变化趋势，S、M、S+M处理土壤含水量变化趋势大致相同，均呈先升高后降低再升高后逐渐趋于平稳的变化态势，全生育期均以S+M处理土壤含水量最高、M处理次之，CK含水量最低。垄膜沟播结合秸秆还田各生育阶段10个土层土壤含水量均有所提高，分别较CK提高了11.28%～55.54%、6.54%～37.72%、3.13%～38.33%、7.63%～29.17%、3.71%～17.53%、6.93%～19.40%、7.21%～19.61%、5.58%～29.00%、0.97～6.98%、1.43～10.20%，0—20 cm土层土壤含水量受蒸发影响较大。S、M、S+M处理与CK差异显著(P<0.05)，垄膜集雨和秸秆还田可大幅减少表层土壤水分的无效蒸发，增加土壤耕层水分的有效供应；20—50 cm土层S、M、S+M处理土壤含水量与CK差异显著(P<0.05)；50—90 cm土层土壤含水量在各生育时期内，以S+M处理最高，与CK差异明显，S处理与M处理差异不显著(P>0.05)，90—100 cm土层土壤含水量S+M处理与CK差异显著(P<0.05)，S、M处理与CK差异不显著(P>0.05)。总之，从全生育期来看，各处理不同土层含水量的变化规律基本一致，S+M处理含水率最高，CK最低。

图3 不同处理下玉米全生育期土壤0—100 cm土层含水量

2.3 不同耕作方式对土壤酶活性的影响

2.3.1土壤过氧化氢酶活性 土壤过氧化氢酶可表征土壤的生化活性程度。由表2可见，垄膜沟播和秸秆还田对玉米田土壤过氧化氢酶活性有显著影响(P<0.05)。S、M、S+M处理土壤过氧化氢酶活性均高于CK，且随着玉米生育期的推移，总体变化趋势表现为先增加后降低，苗期最低，大喇叭口期达到峰值，各生育期内以S+M处理土壤过氧化氢酶活性最高，苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期和成熟期较CK分别提高23.68%、25.87%、38.05%、35.05%和26.13%。不同处理土壤过氧化氢酶大小顺序为S+M>M>S>CK。

表2 不同处理下土壤过氧化氢酶活性

2.3.2土壤脲酶活性 土壤脲酶与土壤中氮素循环密切相关，是评价土壤肥力的重要指标之一。由表3可见，玉米苗期至成熟期，S、M、S+M处理和CK处理土壤脲酶活性的变化趋势一致，呈现先增加后减少的变化态势，苗期最低，灌浆期达到峰值，各生育期S、M和S+M处理土壤脲酶活性与CK差异显著(P<0.05)，灌浆期和成熟期时S、M、S+M处理较CK分别提高14.10%、24.36%、33.33%和21.31%、32.79%、52.46%，其中垄膜沟播结合秸秆还田(S+M)处理土壤脲酶活性最高，不同处理土壤脲酶大小顺序为S+M>M>S>CK。

表3 不同处理下土壤脲酶活性

2.3.3土壤蔗糖酶活性 蔗糖酶对土壤C素的供应与释放有重要作用，一定程度上可反映土壤肥力状况。由表4可见，垄膜沟播和秸秆还田对玉米田土壤蔗糖酶活性有显著影响(P<0.05)，S、M、S+M处理土壤蔗糖酶活性均高于CK，且随着玉米生育期的推移，总体呈先增加后降低的变化趋势，苗期最低，大喇叭口期达到峰值，S处理全生育期土壤脲酶活性较CK分别提高12.59%、17.44%、19.91%、17.50%和15.52%，M处理全生育期土壤蔗糖酶活性较CK分别提高16.35%、28.49%、21.78%、21.57%和20.92%，S+M处理全生育期土壤蔗糖酶活性较CK分别提高26.07%、35.37%、37.66%、28.34%和28.88%，各生育期内以S+M处理土壤蔗糖酶活性最高，不同处理土壤蔗糖酶大小顺序为S+M>M>S>CK。

表4 不同处理下土壤蔗糖酶活性

2.3.4土壤碱性磷酸酶活性 碱性磷酸酶可促进土壤中磷素的有效转化。不同处理土壤碱性磷酸酶活性随玉米生育期的变化趋势与过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶一致。由表5可见，各处理土壤碱性磷酸酶活性从苗期至成熟期总体呈先增加后降低的变化趋势，苗期最低，大喇叭口期达到峰值，S处理全生育期土壤碱性磷酸酶活性较CK分别提高14.38%、10.14%、13.31%、13.60%和22.76%，M处理全生育期土壤碱性磷酸酶活性较CK分别提高31.53%、24.08%、24.10%、19.66%和33.37%，S+M处理全生育期土壤碱性磷酸酶活性较CK分别提高33.64%、28.99%、31.68%、34.74%和39.93%，各生育期内以S+M处理土壤碱性磷酸酶活性最高，不同处理土壤碱性磷酸酶大小顺序为S+M>M>S>CK。

表5 不同处理下土壤碱性磷酸酶活性

2.4 不同耕作方式对玉米产量和降雨利用率的影响

由表6可知，垄膜沟播和秸秆还田对玉米产量影响显著(P<0.05)，不同处理玉米产量大小顺序为S+M>M>S>CK，S、M、S+M处理玉米产量较CK处理分别提高11.84%、37.83%、45.13%，以垄膜沟播结合秸秆还田(S+M)处理产量最高，垄膜沟播(M)处理次之，不覆膜不秸秆还田(S)处理最低，且覆膜垄作处理玉米产量大于秸秆还田处理。不同处理间玉米降雨利用率不同，S、M和S+M处理降雨利用效率较CK分别提高11.85%、37.87%和45.15%，垄膜沟播显著增加了降雨利用率。

表6 不同处理下玉米产量、降雨利用率

2.5 土壤含水量及酶活性与玉米干物质积累量和产量相关性分析

玉米干物质积累量和玉米产量与土壤含水量和酶活性相关分析结果(表7)表明，干物质与土壤含水量、土壤脲酶呈显著正相关，玉米产量与土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶呈显著正相关。土壤酶对土壤中养分的吸收和转化具有重要作用，同时可促进作物对土壤中养分的吸收利用，影响作物产量，一定程度上反映作物生长状况，这体现了土壤与作物之间的关系。土壤酶之间呈显著正相关或极显著正相关，土壤含水量与土壤酶之间呈显著正相关，这表明垄膜沟播和秸秆还田改善了土壤水热状况，也改变了土壤微生态环境，促进了玉米的生长发育，提高了玉米产量。

表7 土壤含水量及酶活性与玉米干物质积累量和产量相关性分析

3 讨论

3.1 垄膜沟播耦合秸秆还田对土壤性状的影响

垄膜沟播和秸秆还田作为提升土壤生产能力、改善土壤生态环境、协调土壤水肥气热，提高作物产量的重要农业技术措施被广泛研究和推广。诸多研究表明，在干旱少雨地区，地膜覆盖和秸秆还田后土壤水分变化尤为显著[17-18]。黄高宝等[19]通过探究不同栽培方式下玉米农田高效用水机制认为，半干旱地区全膜双垄沟播栽培土壤平均含水量最高，较对照提高14.19%，且对0—60 cm土层土壤含水量影响较大；刁生鹏等[8]在内蒙古黄土高原地区通过两年秸秆直接还田研究表明，秸秆翻耕还田可显著提高玉米农田0—80 cm土层土壤含水率，减少水分无效蒸发，增加土壤水分的有效供应；折翰非[20]在旱地研究表明，全膜双垄沟播结合秸秆还田可显著提高土壤0—200 cm土层土壤水分含量，耦合秸秆还田后耕层土壤储水能力提高，土壤水分消耗减缓，同时也促进了秸秆的腐解。本研究结果与前人研究结果基本一致，在半干旱旱作区，垄膜沟播和秸秆还田均可显著提高土壤0—100 cm土层土壤含水量，其中垄膜沟播提升效果明显优于秸秆还田。一方面这可能是由于秸秆还田覆盖层疏松多孔、与土壤相接不连续，保水保墒能力一般，而全覆膜覆盖较秸秆还田可大幅降低作物棵间水分蒸发，最大程度实现贫水富集，提高土壤含水量；另一方面秸秆还田对土壤水分的影响具有双重效应，秸秆在腐解过程中也会消耗土壤中一定水分，从而影响土壤中水分含量。垄膜沟播耦合秸秆还田后土壤含水量增幅程度较单一地膜覆盖和单一秸秆还田表现为最大，这可能是由于二者的叠加效应增强了土壤纳雨增墒能力，大幅减缓了土壤水分蒸散，有效提高了土壤含水量，促进了土壤-作物-水分的良性循环，尤以耕层土壤含水量提升效果最为显著。另外，垄膜沟播和秸秆还田后玉米地上部干物质量较不覆膜不还田耕作显著增加，其中垄膜沟播玉米干物质量显著大于秸秆还田，两者耦合后干物质量表现为最大，秸秆还田结合垄膜种植促进了玉米生长，这与牛芬菊等[21]在旱地研究得出的结论一致。

土壤酶作为土壤代谢的主要动力，时刻反映土壤中生化反应的强度和方向，是衡量土壤质量变化的敏感性指标。张剑等[22]研究认为，全覆膜垄膜沟播可增加土壤酶活性，有利于改善土壤结构并提升土壤养分，可为植株根系生长及养分吸收创造良好微环境；高日平等[23]在黄土高原风沙区研究表明，秸秆还田可提高玉米田土壤酶活性，改善土壤微环境，提高土壤养分转化和分解能力。本研究结果表明，垄膜沟播与秸秆还田均可提高土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，全覆膜垄膜沟播虽不能直接提高土壤酶活性，但可改善农田生态微环境和土壤水热状况，形成良好的局部小气候条件，促进土壤中养分释放，从而提高土壤酶活性。秸秆由于自身含有大量酶类物质，还田腐解后可为土壤带来大量酶和有机物质，进而提高土壤酶活性，因此，垄膜沟播和秸秆还田均可提高土壤酶活性，且垄膜沟播耦合秸秆还田较单一覆膜和单一秸秆还田土壤酶活性提升更显著。这可能是由于秸秆和地膜二者的协同互作效应，一方面地膜覆盖改善了土壤的水热状况，加速了秸秆腐解与养分释放，酶活性得到提高；另一方面秸秆还田提高了土壤的透气性，增强了土壤生态环境与外界物质交换，促进了微生物的生命活动，从而提高了土壤酶活性。这与吴荣美等[15]在秸秆还田和全膜双垄集雨沟播耦合能够提高土壤酶活性的结论一致。

3.2 垄膜沟播耦合秸秆还田对玉米产量的影响

徐文强等[24]研究表明，全膜双垄沟播结合秸秆还田措施玉米增产效果显著。本研究结果表明，全覆膜垄膜沟播和秸秆还田均可提高玉米产量，其中覆膜玉米产量提升效果优于秸秆还田，覆膜促进了玉米植株根系对土壤深层水的吸收利用，提高了玉米成熟期生物量和产量，同时覆膜能够抑制杂草生长，该效应对玉米增产起到了一定作用，覆膜结合秸秆还田玉米产量和降雨利用提高45.13%和45.15%，二者耦合改善了土壤水热环境，提高了土壤酶活性，更有利于作物根系对土壤养分的吸收和利用，最终实现增产增效的目的。