王 娟, 張 瑜, 黃成真, 莊 曄, 馮紹元

不同覆蓋方式對(duì)新復(fù)墾區(qū)土壤水熱及春玉米產(chǎn)量的影響*

王 娟, 張 瑜, 黃成真, 莊 曄, 馮紹元**

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州 225009)

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展, 我國凈耕地面積持續(xù)減少, 合理開發(fā)利用潛在土地資源, 對(duì)于保障我國糧食安全具有重要意義。為了探討不同覆蓋耕作方式對(duì)新復(fù)墾區(qū)土壤水熱及作物生長的影響, 通過2018年和2019年連續(xù)兩年田間試驗(yàn), 研究了傳統(tǒng)耕作(CK)、地膜覆蓋(FM)、秸稈深埋(BS)和秸稈深埋+地膜覆蓋(F+S) 4種處理對(duì)土壤水分、溫度和春玉米生長及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明: 2018年, F+S、BS、FM處理玉米生育期內(nèi)0~20 cm及20~40 cm土層平均土壤含水率分別較CK增加24.4%、16.5%、12.6%及9.1%、3.2%、3.7%。2018年玉米苗期, 0~100 cm土壤蓄水量表現(xiàn)為FM>F+S>CK>BS, 明顯表現(xiàn)為有覆膜處理(F+S和FM)的土壤蓄水量高于不覆膜處理(BS和CK)。2019年玉米苗期, 土壤蓄水量則表現(xiàn)為F+S>BS>FM>CK。與CK相比, 春玉米全生育期不同覆蓋耕作處理?xiàng)l件下各土層(5~25 cm)土壤溫度均有所提高, 具體表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 各處理土壤溫度隨土層深度表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。以表層5 cm土壤溫度增幅最大, 覆蓋耕作處理的增溫效應(yīng)在全生育期表現(xiàn)為前期明顯而后期弱化。各處理株高變化趨勢(shì)一致, 在播種后70 d左右達(dá)到峰值, 隨后出現(xiàn)小幅度下降并最終保持穩(wěn)定。試驗(yàn)期, 株高和葉面積均表現(xiàn)為地表有覆膜的處理高于未覆膜處理(<0.05)。2018年, F+S、BS和FM處理玉米產(chǎn)量均顯著高于CK (<0.05), 2018年和2019年, 各處理產(chǎn)量分別較CK增加17.0%、13.5%、6.6%和30.5%、23.9%、3.8%。產(chǎn)量構(gòu)成逐步回歸分析結(jié)果表明, 穗長對(duì)產(chǎn)量的影響最大, 產(chǎn)量與穗行數(shù)和百粒重呈正相關(guān)關(guān)系。秸稈深埋+地膜覆蓋處理(F+S)可以綜合發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì), 有效調(diào)節(jié)土壤水熱狀況, 改善土壤環(huán)境, 促進(jìn)作物生長發(fā)育, 從而獲得較高的產(chǎn)量, 可作為新復(fù)墾區(qū)春玉米適宜的種植管理方式。

新復(fù)墾區(qū); 秸稈深埋; 地膜覆蓋; 土壤水熱; 春玉米

我國每年通過土地整治等措施增加的耕地面積約30萬hm2。然而, 隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展, 目前凈耕地面積仍表現(xiàn)為減少趨勢(shì)[1-2]。因此, 通過不同措施復(fù)墾潛在耕地, 開發(fā)利用潛在土地資源對(duì)于提高我國糧食產(chǎn)出, 保障糧食安全具有重要科學(xué)意義。

新復(fù)墾土地作為被重新開發(fā)利用的土地資源, 前期缺乏合理的田間管理, 土壤理化性質(zhì)較差, 普遍存在耕層淺薄、保水保肥能力差、作物產(chǎn)量較低等問題。結(jié)合已有的研究發(fā)現(xiàn), 復(fù)墾主要是指煤礦區(qū)對(duì)采煤塌陷地的復(fù)墾, 且不僅包含土地復(fù)墾, 還包括生態(tài)系統(tǒng)重建[3]。近年來復(fù)墾區(qū)土地范圍擴(kuò)大到建筑用地等各類廢棄地整理復(fù)墾所形成的耕地。本研究的試驗(yàn)場即屬于典型的新復(fù)墾區(qū)。對(duì)于新復(fù)墾耕地的改良, 主要分為工程和農(nóng)藝等方面, 包括興修水利設(shè)施、客土改良、地表覆蓋、增施有機(jī)肥、制定合理的耕作制度及適宜的種植結(jié)構(gòu)模式等[4-5]。徐秋桐等[6]以提高土壤肥力為目標(biāo), 研究了豬糞、雞糞、水稻()秸稈、蔬菜收獲殘留物、城市污泥、沼渣、豬糞/水稻秸稈堆肥、生活垃圾堆肥等8種有機(jī)廢棄物對(duì)新復(fù)墾耕地的綜合改良效果, 認(rèn)為施用任何有機(jī)物均對(duì)土壤肥力具有明顯改善作用。胡振琪[4]討論了在復(fù)墾土壤表面使用干草和麥稈、木質(zhì)殘?jiān)扔袡C(jī)覆材, 以及其他無機(jī)地表覆材和化學(xué)土壤穩(wěn)定劑的技術(shù)來改良土壤條件, 促進(jìn)作物生長。總體來看, 有關(guān)新復(fù)墾區(qū)農(nóng)田改良方面理論研究較多, 還應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)踐數(shù)據(jù)的支撐。對(duì)于不同種類的新復(fù)墾土地應(yīng)因地制宜, 根據(jù)其實(shí)際土壤問題和改良的目的選擇相應(yīng)的措施。

秸稈深埋異于常規(guī)秸稈還田, 可有效打破犁底層, 改善土壤結(jié)構(gòu), 增加降雨的入滲量, 減緩水分向更深土層的運(yùn)移, 且深埋入土的秸稈可將養(yǎng)分回歸土壤, 最終實(shí)現(xiàn)蓄水保墑培肥穩(wěn)產(chǎn)[2,7]。常曉慧等[8]研究表明, 日平均地溫秸稈深施還田比覆蓋還田和對(duì)照平均高0.8 ℃和1.2 ℃, 且對(duì)土壤溫度的影響效應(yīng)與秸稈深施量呈正比。隨秸稈深施量的增加, 對(duì)地溫的影響越明顯。李波等[9]研究了秸稈深埋量與滴灌灌水量交互作用對(duì)溫室番茄()品質(zhì)、產(chǎn)量等的影響, 結(jié)果表明在深埋秸稈的條件下, 適當(dāng)減少灌水量可提高番茄品質(zhì), 且可以使番茄品質(zhì)和水分利用效率(WUE)達(dá)到較高水平。此外, 大量研究結(jié)果表明, 地膜覆蓋可以提高土壤供水條件, 調(diào)節(jié)土壤溫度, 抑制地表蒸發(fā), 并將部分棵間蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為作物的有效蒸騰, 提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[10-11]。作物產(chǎn)量受到土壤水熱狀況的影響, 土壤水分作為植物吸水的供給源, 也是土壤進(jìn)行各種物理、化學(xué)及生物過程所不可缺少的條件, 土壤溫度影響到近地面大氣的熱狀況, 并對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化有一定的影響?？偨Y(jié)前人研究成果發(fā)現(xiàn), 單一的地膜覆蓋、秸稈深埋均能提高土壤供水能力, 調(diào)節(jié)土壤溫度, 改善土壤水熱狀況, 并最終促進(jìn)作物生長, 提高產(chǎn)量, 但對(duì)于地膜覆蓋與秸稈深埋復(fù)合措施在農(nóng)業(yè)種植中的應(yīng)用還不夠廣泛, 其對(duì)農(nóng)田水熱環(huán)境的影響效應(yīng)還需進(jìn)一步討論, 尤其是在生產(chǎn)力水平較低的新復(fù)墾區(qū)。

基于此, 針對(duì)研究區(qū)新復(fù)墾土壤耕層淺薄、保水保肥差、生產(chǎn)力低的問題, 將秸稈深埋、地膜覆蓋及二者相結(jié)合的田間復(fù)合耕作措施引入試驗(yàn)場新復(fù)墾土壤改良過程中, 以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式為對(duì)照, 通過田間試驗(yàn)探討秸稈深埋、地膜覆蓋以及二者復(fù)合處理對(duì)新復(fù)墾農(nóng)田春玉米()全生育期土壤水分、溫度的調(diào)節(jié)效應(yīng), 以及對(duì)作物生長狀況和產(chǎn)量的影響, 以期為研究區(qū)土地復(fù)墾等提供理論依據(jù), 保障我國耕地資源和糧食安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗(yàn)地位于揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津東校區(qū)農(nóng)水與水文水生態(tài)試驗(yàn)場(119°23′56.32″E, 32°20′56.32″N), 地處北亞熱帶濕潤氣候區(qū), 年平均氣溫14.8 ℃, 氣候溫和, 四季分明。全年無霜期223 d, 日平均氣溫≥10 ℃以上天數(shù)為233 d。全年氣溫最低為冬季1月, 最高為夏季7月, 最低和最高月平均氣溫分別為3.9 ℃和26.9 ℃。光照充足, 年日照時(shí)數(shù)2000 h左右, 年平均總輻射量4.844× 106kJ?m?2。年平均降雨量為1063.2 mm, 雨量豐沛, 雨日110 d。夏季和冬季的降雨分別占全年的40.1%和13.0%, 4—9月的降雨量約占全年的70%左右。分別于2018年和2019年的4—10月開展田間試驗(yàn), 試驗(yàn)期研究區(qū)的降雨情況如圖1所示。試驗(yàn)場初建于2016年, 建設(shè)前為荒地, 屬于較為典型的新復(fù)墾土地, 且田間存在少量建筑垃圾, 在開展試驗(yàn)前進(jìn)行了清理和田面整平等前期處理。

經(jīng)測定, 試驗(yàn)區(qū)土壤飽和導(dǎo)水率8.07× 10?4cm·s?1, 飽和含水率38.05%, 土壤堿解氮26.03 mg?g?1, 有機(jī)質(zhì)6.65 g?g?1。0~80 cm土層土壤黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.002~0.02 mm)和砂粒(0.02~2 mm)含量分別為5.13%、35.23%和59.64%, 土壤質(zhì)地(國際制)為砂質(zhì)壤土, 詳細(xì)基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式為對(duì)照(CK), 共設(shè)置秸稈深埋(BS)、秸稈深埋+地膜覆蓋(F+S)和地表覆膜(FM) 3種不同覆蓋處理, 各處理均重復(fù)3次, 共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)(5 m×3 m), 采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)排列。在每個(gè)小區(qū)兩側(cè)開挖南北向矩形排水溝, 深約30 cm, 寬約50 cm。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理如表2所示。

試驗(yàn)中所用秸稈為水稻秸稈, 機(jī)械打碎后均勻鋪設(shè), 長度約為3~6 cm, 秸稈量為15 000 kg?hm?2。地膜采用160 cm寬的普通透明聚氯乙烯膜, 厚度約0.05 mm。春玉米品種為‘鄭單958’, 株行距為40 cm×50 cm, 分別于2018年和2019年4月上旬播種, 全生育期105 d左右, 7月下旬收獲。在播種前按657 kg?hm?2的標(biāo)準(zhǔn)施底肥, 選用總養(yǎng)分≥45%的復(fù)合肥料, 其中N-P2O5-K2O質(zhì)量百分比含量為15%-15%-15%。玉米生育期內(nèi)不再進(jìn)行灌溉和施肥, 其他田間管理均與當(dāng)?shù)赜衩自耘喾绞揭恢隆?/p>

表2 試驗(yàn)處理

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水率和蓄水量計(jì)算

在播種前及春玉米苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、收獲期分別取土, 取土總深度為100 cm。利用直徑為5 cm的土鉆分7層采集土樣(0~10 cm、10~ 20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm), 每次取完樣后回填鉆孔。所采集的土樣存入放置冰袋的泡沫箱中帶回試驗(yàn)室, 采用烘干法測定土壤含水率。本研究中的土壤蓄水量主要指一定土層厚度土壤中的總水量, 根據(jù)不同土層的土壤含水率換算得出:

W=h×ω×ρ×10 (1)

式中:W為第層土壤的蓄水量(mm),h為第層土層深度(cm),ω為第層土壤質(zhì)量含水率(g?g?1),ρ為第層土壤容重(g?cm?3), 10為換算系數(shù)。

1.3.2 土壤溫度測定

在玉米全生育期, 以旬為周期, 采用金屬曲管地溫計(jì)于8:00、14:00和20:00測定5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm土層土壤溫度, 測定位置布設(shè)在各小區(qū)大致中間位置沿種植行任意兩株玉米之間。

1.3.3 作物生長指標(biāo)與產(chǎn)量

玉米出苗后, 以旬為周期, 于每個(gè)小區(qū)選取有代表性的玉米植株3株測定其生長狀況。用鋼卷尺測定春玉米株高、葉片的長度和寬度, 并采用估算法計(jì)算葉面積指數(shù):

∑(L×B)×(2)

LAI/(3)

式中:為葉片面積(cm2);L為葉片的長度(cm);B為葉片的寬度(cm);為擬合系數(shù), 取為0.75;為植株葉片所占地面面積(cm2); LAI為葉面積指數(shù)(cm2?cm?2)。

玉米收獲時(shí), 各處理隨機(jī)選取9個(gè)穗測定其穗長、穗粗、穗行數(shù)以及行粒數(shù); 同時(shí)進(jìn)行脫粒, 曬干后稱取質(zhì)量, 以計(jì)算春玉米產(chǎn)量。在各處理測產(chǎn)的玉米粒中隨機(jī)取9個(gè)重復(fù), 每個(gè)重復(fù)分別取100粒稱重, 取其平均值作為春玉米的百粒重。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪表, Origin Pro 2018作圖, 采用Surfer 12.0軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化處理生成等值線圖, 利用SPSS 19.0對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA), LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋耕作方式對(duì)土壤含水率的影響

土壤水分是農(nóng)田環(huán)境中影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要因素, 以2018年為例, 土壤剖面含水率隨播種后天數(shù)的動(dòng)態(tài)變化如圖2所示。土壤含水率等值線圖的疏密程度和平緩曲折反映了不同覆蓋耕作處理下春玉米生育期0~100 cm土層的水分變化過程和特點(diǎn)。由圖中可看出, 土壤表層含水率主要受降雨的影響, 且與降雨之間存在一定滯后關(guān)系。土壤水分分布具有明顯的分層現(xiàn)象, 春玉米生育期內(nèi)各處理土壤含水率總體表現(xiàn)為隨土層深度的增加而升高。不同土層的含水率動(dòng)態(tài)變化表明, 0~40 cm土層土壤含水率變化幅度較大, 60~100 cm土層土壤含水率較穩(wěn)定, 隨時(shí)間變異系數(shù)相對(duì)較小。

玉米根系主要集中在0~40 cm土層, 根系層土壤水分狀況影響著作物根系發(fā)育, 該深度土層土壤含水率動(dòng)態(tài)變化對(duì)玉米產(chǎn)量影響最顯著。從圖中可看出玉米苗期—拔節(jié)期, BS和F+S處理0~40 cm土層含水率表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì), 而CK與FM處理則存在濕層, 20~30 cm土壤含水率均高于表層, 這可能是因?yàn)槁裨O(shè)秸稈層后, 改變了土壤的孔隙結(jié)構(gòu), 從而影響了土壤水分運(yùn)動(dòng)。從圖中0~20 cm土層土壤含水率可看出, 在玉米播種—拔節(jié)期, 與CK相比各覆蓋處理均有一定的保墑效果, 其中有地膜覆蓋的F+S和FM處理土壤含水率顯著高于無地表覆膜的BS和CK處理(<0.05), 但F+S和FM處理、BS和CK處理間差異不顯著, 這主要是因?yàn)榈啬じ采w可隔斷土壤與大氣的水熱交換, 在外界蒸發(fā)強(qiáng)度較大時(shí), 有效地抑制土壤水分的蒸發(fā), 從而提高表層土壤含水量。深埋秸稈處理在提高土壤入滲率的同時(shí), 極大地改善了土壤孔隙度, 加速了土壤表層水分的蒸發(fā), 從而降低了表層土壤含水率。在玉米生育中期受降雨的影響, 各處理表層土壤含水率出現(xiàn)1次峰值, 之后受作物耗水和蒸發(fā)的影響又迅速降低。在玉米生長后期, 各處理間土壤含水率的差異變小。在玉米全生育期內(nèi), 0~20 cm和20~40 cm土層土壤含水率變化趨勢(shì)基本相似, F+S、BS、FM處理玉米生育期內(nèi)0~20 cm土層及20~40 cm土層平均含水量較CK分別增加24.4%、16.5%、12.6%及9.1%、3.2%、3.7%。

在玉米拔節(jié)期和灌漿期分別于降雨前、后測定了各處理0~40 cm土層土壤含水率, 發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期降雨后F+S、FM、BS處理0~40 cm土壤含水量分別較CK增加12.0%、5.3%、8.3%, 灌漿期降雨后F+S、FM、BS處理0~40 cm土壤含水量分別比CK增加7.2%、6.4%、7.1%。2018年F+S、FM、BS處理玉米生育期內(nèi)0~40 cm土層平均含水量分別比CK增加12.8%、8.3%、5.4%。由此可見, 地膜覆蓋能夠有效抑制土壤水分的蒸發(fā), 秸稈深埋能夠提高土壤對(duì)降雨的攔蓄能力, F+S在一定程度上發(fā)揮二者協(xié)同效應(yīng), 提高玉米生育期0~40 cm土層含水量, 且具有持續(xù)保墑作用, 為玉米生長發(fā)育提供充足的供水保障。

各處理介紹見表2。The treatment description is shown in the table 2.

2.2 不同耕作覆蓋方式對(duì)土壤蓄水量的影響

為進(jìn)一步研究不同覆蓋耕作處理對(duì)土壤水分狀況的影響, 對(duì)2018年及2019年土壤0~100 cm土層的蓄水量變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 如圖3所示。玉米生育期內(nèi)土壤蓄水量的變化主要受外界降水、作物自身耗水、農(nóng)田大氣溫度以及田間覆蓋耕作管理方式等因素的影響。從圖中可知, 兩年試驗(yàn)期內(nèi), 不同處理玉米生育期內(nèi)土壤蓄水量年內(nèi)變化趨勢(shì)基本一致, 2018年土壤蓄水量最高出現(xiàn)在拔節(jié)期, 2019年各生育階段土壤蓄水量變化較小, 這主要與區(qū)域年內(nèi)降雨特征有關(guān)。試驗(yàn)期土壤蓄水量均在抽雄期出現(xiàn)較低水平, 可能是由于該時(shí)間段大氣蒸發(fā)較強(qiáng)烈所致, 圖2中各處理在玉米播種后70 d左右, 表層土壤含水率出現(xiàn)急劇減小, 也證明了這一點(diǎn)。需要注意的是, 2018年玉米播種后20 d左右時(shí), 0~100 cm土壤蓄水量表現(xiàn)為FM>F+S>CK>BS, 表現(xiàn)為覆膜處理的土壤蓄水量顯著高于不覆膜處理, 單獨(dú)的秸稈隔層則表現(xiàn)為最低, 而2019年此時(shí)間段, 土壤蓄水量則表現(xiàn)為F+S>BS>FM>CK, 這可能是2018年在布設(shè)秸稈深埋處理時(shí), 對(duì)秸稈上方土壤擾動(dòng)較大, 加速了土壤水分的損失所致。此外, 秸稈有機(jī)物在深埋初期腐解強(qiáng)度較高, 而在土壤中腐解的過程需要吸收和消耗土壤水分, 導(dǎo)致處理布設(shè)前期土壤BS處理土壤蓄水量較低。玉米播種后49 d, 由于前期降雨的影響, BS處理0~100 cm土壤蓄水量顯著高于CK和FM, 表現(xiàn)為BS>F+S>FM>CK, 這說明秸稈深埋能夠提高土壤對(duì)降雨的攔蓄能力, 提高土壤蓄水量, 然而, 秸稈深埋結(jié)合地膜覆蓋則由于地膜對(duì)雨水的截流作用, 降低了雨水的垂直入滲量, 降雨只能以地面徑流的方式從膜側(cè)的土壤界面入滲, 從而補(bǔ)充土壤蓄水量。由此可推斷, 在降雨量較大且降雨集中時(shí), BS可通過增加土壤入滲量提高土壤蓄水量, 而在少雨的干旱期, 地膜覆蓋則可通過抑制地表蒸發(fā)而提高土壤蓄水量?？傮w來講, 與CK相比, 各覆蓋耕作處理均具有良好的蓄水保墑作用, 能夠提高0~100 cm土層土壤蓄水量, 調(diào)節(jié)土壤水蓄水量與作物耗水的平衡。

各處理介紹見表2。圖中同一生育期不同字母表示各處理間差異顯著, 未標(biāo)注字母表示無顯著差異。The treatment description is shown in the table 2. The treatments with different letters are significantly different at the same growth stage. The treatments without letters mean are no significantly different among them.

2.3 不同覆蓋耕作方式對(duì)春玉米生育期土壤溫度的影響

2018年不同覆蓋耕作方式下春玉米生育期5~25 cm土層土壤溫度如表3所示。整體來看, 地表覆膜處理可提高土壤溫度, 且在全生育期內(nèi)增溫效應(yīng)表現(xiàn)為前期明顯而后期弱化的現(xiàn)象。在春玉米生長苗期、拔節(jié)期及抽雄期, 各處理土壤溫度均隨土層深度增加而逐漸減小, 以表層5 cm土壤溫度最高, 而灌漿期表層0~10 cm土壤溫度略低于15 cm處土壤溫度。這主要是由于受田間溫度逐漸升高的影響, 表層土壤溫度回升最快, 反應(yīng)最明顯。隨著氣溫的進(jìn)一步升高, 土壤剖面整體溫度提高, 且由于春玉米植株遮蔽, 表層土壤所吸收熱輻射減少, 在土壤溫度觀測周期受氣溫影響而波動(dòng)較大, 導(dǎo)致全天平均土壤溫度較低。與CK相比, 不同覆蓋耕作處理下各土層溫度均有所提高, 以表層5 cm土壤溫度增幅最大, 苗期、拔節(jié)期和抽雄期F+S、FM和BS處理分別較CK高5.9 ℃、5.3 ℃、0.7 ℃, 7.6 ℃、7.5 ℃、0.4 ℃和4.8 ℃、5.8 ℃、?0.5 ℃。隨土層深度增加, 土壤溫度增幅減小, 各土層土壤溫度大致表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 且前3個(gè)生育期均表現(xiàn)在有覆膜的處理各土層土壤溫度顯著高于不覆膜處理(<0.05), F+S和FM處理5~ 25 cm土壤溫度分別較CK高4.3~7.6 ℃和2.5~ 9.5 ℃, 較BS處理高3.4~7.2 ℃和1.5~9.1 ℃。地表覆膜處理中, F+S處理溫度波動(dòng)較單一覆膜小, 說明秸稈深埋改變了土壤熱傳輸, 對(duì)土壤溫度也具有一定的調(diào)節(jié)作用。

表3 不同覆蓋處理下春玉米關(guān)鍵生育期5~25 cm土壤溫度值(2018年)

各處理介紹見表2。同列不同小寫字母表示同一生育期內(nèi)各處理間差異顯著(<0.05)。The treatment description is shown in the table 2. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (<0.05) among treatments at same growth stage.

春玉米苗期生長受溫度影響較大, 統(tǒng)計(jì)苗期8:00、12: 00和20:00土壤溫度隨土層深度的變化如圖4所示。整體來看, 各處理土壤溫度在8:00最低, 受大氣溫度的升高和太陽輻射等影響, 12:00土壤溫度急劇升高, 除25 cm深度處土壤溫度表現(xiàn)為全天持續(xù)緩慢升高外, 其他土層土壤溫度在20:00均有一定程度的回落。隨土層增加, 土壤溫度逐漸降低, 且波動(dòng)幅度隨土層深度的增加而減弱。各土層土壤溫度分布明顯分為2組, 覆膜處理(FM和F+S)各土層的全天土壤溫度均明顯高于不覆膜處理(BS和CK)。由此可見, 與地表裸露相比, 秸稈深埋結(jié)合地膜覆蓋處理明顯提高了土壤溫度, 這主要是由于地表覆膜作用, 與秸稈深埋措施則關(guān)系不大。

各處理介紹見表2。The treatment description is shown in the Table 2.

2.4 不同覆蓋耕作方式對(duì)春玉米生長的影響

2018年及2019年不同覆蓋耕作處理春玉米株高變化如圖5所示。總體來看, 不同處理?xiàng)l件下玉米生育期株高變化趨勢(shì)基本一致, 主要表現(xiàn)為抽雄期前生長迅速, 在播種后70 d左右達(dá)到峰值, 隨后出現(xiàn)小幅度下降, 并在后期保持穩(wěn)定。試驗(yàn)期內(nèi), 不同覆蓋耕作處理?xiàng)l件下春玉米株高均表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 2018年F+S、FM、BS處理的株高較CK分別增加15.7%、9.7%、6.9%。2019年, 植株生長旺盛的苗期和拔節(jié)期, 有覆膜條件下的株高顯著高于表面未覆膜處理。抽雄期和收獲期則表現(xiàn)為F+S顯著高于其他處理, 孕穗期除F+S和BS處理差異顯著外, 其他處理間差異均未達(dá)顯著水平。

各處理介紹見表2。The treatment description is shown in the table 2.

葉面積指數(shù)(LAI)是影響植株光合作用和蒸騰作用的重要因子, 直接影響著作物產(chǎn)量。2018年及2019年不同覆蓋耕作處理春玉米葉面積指數(shù)變化如圖6所示。由圖中可以看出, 2018年和2019年春玉米葉面積指數(shù)變化趨勢(shì)相同。全生育期內(nèi), 與株高變化趨勢(shì)類似, 在玉米苗期至抽雄期, 植株葉片生長較快, 葉面積指數(shù)升高并達(dá)到峰值。但在生育后期隨著玉米的灌漿成熟, 葉片逐漸老化, 葉面積指數(shù)大幅降低。不同覆蓋耕作條件下春玉米葉面積指數(shù)整體表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 這與株高變化規(guī)律相一致。與CK相比, 2018年F+S、FM、BS處理的葉面積指數(shù)分別增加18.7%、11.7%、2.1%。2019年苗期, 單一覆膜處理的葉面積指數(shù)顯著高于BS和CK, 拔節(jié)期F+S處理顯著高于BS和CK, 有覆膜的兩個(gè)處理間差異均未達(dá)顯著水平。與株高不同的是, 葉面積指數(shù)達(dá)到峰值的抽雄期和孕穗期, 各處理間均無顯著差異。

各處理介紹見表2。The treatment description is shown in the Table 2.

2.5 不同覆蓋耕作方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成的影響

對(duì)2018年和2019年不同覆蓋耕作條件下春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成如表4所示。2年試驗(yàn)期春玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 2018年各處理產(chǎn)量差異顯著, 2019年有覆膜的處理組產(chǎn)量顯著高于不覆膜處理組, 組內(nèi)差異不顯著。2018年和2019年, F+S、FM、BS處理下的產(chǎn)量分別較CK提高17.0%、13.5%、6.6%和30.5%、23.9%、3.8%。F+S、FM和BS處理下春玉米穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗直徑、百粒重均高于CK, 除2018年的穗行數(shù)和2019年的行粒數(shù)之外, F+S處理下的各產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)與CK處理的差異均達(dá)顯著水平(0.05)。2018年不同處理下春玉米的百粒質(zhì)量表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 且差異顯著(0.05), 各處理百粒重較CK處理提高14.0%、8.5%、6.4%。2019年, FM處理下百粒重最高, 為34.11 g, 顯著高于F+S處理。整體來看, 2019年春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)均高于2018年, 且以地膜覆蓋+秸稈深埋處理的增產(chǎn)效果最優(yōu)。

表4 2018年和2019年不同覆蓋處理春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成

各處理介紹見表2。同一年度同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。The treatment description is shown in the table 2. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments in the same year (<0.05).

3 討論

地膜覆蓋主要通過隔斷土壤與大氣的聯(lián)系, 大幅度降低土壤水分的無效蒸發(fā), 從而達(dá)到蓄水保墑的效果; 秸稈深埋通過改善土壤結(jié)構(gòu)影響作物根系對(duì)水分的吸收利用過程。本研究將地表覆膜與秸稈深埋相結(jié)合, 旨在發(fā)揮地膜覆蓋和秸稈深埋的綜合效應(yīng), 改善新復(fù)墾農(nóng)田的土壤水分條件, 提高作物對(duì)水分的利用。本研究結(jié)果表明, 玉米全生育期各處理0~20 cm土層含水率表現(xiàn)為F+S>BS>FM>CK, 20~40 cm土層含水量表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK, 說明本研究中土壤含水率受秸稈深埋和地膜覆蓋的雙重影響, 提高玉米生育期內(nèi)0~40 cm土層含水率。秸稈深埋對(duì)土壤水分的調(diào)節(jié)主要在于深埋秸稈能有效改善土壤物理結(jié)構(gòu), 從而提高其持水性能[12]; 其次秸稈自身的內(nèi)部孔隙較大, 不僅可以在降雨時(shí)吸持自然降水, 且在吸水飽和后可以根據(jù)土壤水分條件逐漸釋放所吸持水量, 提高土壤供水能力, 這與梁建財(cái)?shù)萚13]、鄒洪濤等[14]、李波等[15]的研究結(jié)論一致。地表覆膜則通過減少地表的無效蒸發(fā), 達(dá)到持續(xù)保墑作用。此外, 在秸稈和覆膜復(fù)合處理下, 地表覆膜通過調(diào)節(jié)土壤水熱條件, 可能為秸稈的腐爛提供了較好的初始環(huán)境, 從而加速秸稈腐解, 更有效地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì), 但仍需進(jìn)一步研究論證。

春玉米全生育期, 不同覆蓋處理土壤溫度均高于CK, F+S處理全生育期各土層溫度均高于其他處理, 這與譚凱敏等[16]的研究結(jié)論一致。梁美英等[17]在不同覆蓋材料對(duì)土壤溫度的影響中指出, 各處理日均土壤溫度在玉米生長前期差異明顯, 而在玉米生長后期差異不大, 不同覆蓋處理日均土壤溫度均隨土壤深度的增加而降低。本研究中不同覆蓋耕作處理的土壤溫度在播種初期差異較大, 而后期逐漸弱化。主要原因可能是玉米生長前期, 外界氣溫較低, 地膜覆蓋保溫效應(yīng)明顯, 但隨著玉米生長日益旺盛, 其對(duì)地表的遮蔽度逐漸提高, 導(dǎo)致到達(dá)農(nóng)田表面的太陽輻射減少, 地膜覆蓋的土壤溫度提升作用減弱[18]。也有研究認(rèn)為[19], 地膜覆蓋在小麥生育前期增溫效果顯著, 加快了作物的生長進(jìn)程, 而在生育后期的高溫季節(jié)起到了一定的降溫效應(yīng)。但本研究中, 各處理在春玉米全生育期均表現(xiàn)出增溫效應(yīng), 而未出現(xiàn)降溫趨勢(shì), 這可能與研究區(qū)的氣候條件有關(guān)。需要指出的是, 本試驗(yàn)中設(shè)置的地表覆膜處理各土層土壤溫度顯著高于無地表覆膜處理, 而單一秸稈深埋處理土壤溫度與對(duì)照差異不顯著, 這可能與秸稈還田量和還田深度有關(guān), 在后續(xù)的研究中需進(jìn)一步加密溫度時(shí)空觀測點(diǎn), 并聚焦秸稈還田量和深度的研究。

地膜覆蓋和秸稈深埋措施均可以改善作物耕層土壤水分、溫度及養(yǎng)分狀況, 從而為作物生長發(fā)育提供較好的農(nóng)田環(huán)境。本研究中, 與CK相比, 各覆蓋耕作處理均提高了玉米產(chǎn)量, 且以F+S處理對(duì)作物生長的促進(jìn)作用以及增產(chǎn)效果最好, 這與Mbah等[20]、陳天助等[21]的研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)榈乇砀材づc秸稈深埋相結(jié)合的處理, 綜合發(fā)揮了地膜覆蓋保水保溫效應(yīng)和深埋秸稈對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善效應(yīng), 秸稈深埋可以打破犁底層, 有利于加深耕層, 使根系分布空間擴(kuò)大, 而根系的不斷生長可進(jìn)一步滿足作物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求[22], 且地膜覆蓋提供的適宜水熱條件加速了秸稈的腐解, 從而釋放了更多的養(yǎng)分元素, 改善了土壤水肥條件[21]。慕平等[23]通過研究秸稈還田年限對(duì)玉米生長的影響發(fā)現(xiàn), 玉米地上株高及穗位高會(huì)隨還田年限增加, 其百粒重與產(chǎn)量也呈顯著增加趨勢(shì)。本試驗(yàn)中2018年, BS處理產(chǎn)量顯著高于CK, F+S處理產(chǎn)量則顯著高于FM處理, 而2019年的產(chǎn)量結(jié)果顯示僅覆膜與不覆膜處理下產(chǎn)量達(dá)顯著差異, 說明秸稈深埋弱化了對(duì)產(chǎn)量的影響, 這與慕平等[23]的研究結(jié)果有差異, 主要原因在于2019年秸稈深埋處理并未新增秸稈, 未形成秸稈連續(xù)還田, 也側(cè)面反映出秸稈深埋的時(shí)效性, 但仍需進(jìn)一步試驗(yàn)論證, 后期研究中應(yīng)側(cè)重秸稈連續(xù)還田對(duì)春玉米生長以及生育期的影響。

4 結(jié)論

1)在降雨量較大且降雨集中時(shí), 秸稈深埋能夠提高土壤對(duì)降雨的攔蓄能力, 而在少雨的干旱期, 地膜覆蓋可通過有效抑制地表蒸發(fā)而提高土壤含水率, 因此, F+S處理能夠一定程度上綜合發(fā)揮兩種措施的協(xié)同效應(yīng), 提高玉米全生育期0~40 cm土層含水率, 且具有持續(xù)保墑作用, 可為玉米生長發(fā)育提供充足的供水保障。

2)春玉米全生育期, F+S處理下各土層溫度均高于其他處理, 各處理土壤溫度隨土層深度表現(xiàn)為減小趨勢(shì)。地表有覆膜的處理各土層土壤溫度均顯著高于地表無覆膜處理, 且在全生育期內(nèi)覆膜處理的增溫效應(yīng)表現(xiàn)為生育前期明顯而后期弱化的現(xiàn)象。

3)各處理下春玉米產(chǎn)量和百粒重差異顯著, 均表現(xiàn)為F+S>FM>BS>CK。不同覆蓋耕作處理的穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗直徑均顯著高于對(duì)照, 有覆膜的處理穗長和行粒數(shù)均顯著高于不覆膜處理。由此可見, 秸稈深埋+地膜覆蓋處理可顯著提高土壤蓄水量, 調(diào)節(jié)土壤溫度, 促進(jìn)春玉米生長發(fā)育, 實(shí)現(xiàn)玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn), 研究結(jié)果可為研究區(qū)春玉米栽培管理提供理論依據(jù)。

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Effects of different mulching on soil water-heat and spring maize yield in newly reclaimed land*

WANG Juan, ZHANG Yu, HUANG Chengzhen, ZHUANG Ye, FENG Shaoyuan**

(College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

With rapid urbanization, the net cultivated land area continues to decrease, and it is important to utilize potential land resources for Chinese food security. To examine the effects of different tillage practices on soil water-heat characteristics and crop growth in newly reclaimed land, we conducted field experiments in 2018 and 2019 with four treatments: plastic film mulching (FM), buried straw layer (BS), buried straw layer with plastic film mulching (F+S), and traditional tillage (CK) as the control. We measured the soil moisture, soil temperature, and growth and yield of spring maize under each treatment. The 2018 results showed that under F+S, BS, and FM, the average soil moisture increased by 24.4%, 16.5%, and 12.6% at 0–20 cm depth, respectively, and by 9.1%, 3.2%, and 3.7% at 20–40 cm depth, respectively, compared with those under CK. Water storage of the soil profile (0–100 cm) under each treatment ranked as FM>F+S>CK>BS in 2018 in maize seedling stage indicating higher water storage under treatments with film mulch than that under no mulching. In 2019, it ranked as F+S>BS> FM>CK. The soil temperature increased under F+S, BS, and FM at each depth, especially at the 5 cm depth, compared with that under CK. The soil temperature (5–25 cm) ranking was F+S>FM>BS>CK. The temperature decreased with increasing soil depth during the growth period; the improved soil temperature effect of mulching and tillage was the strongest at the early growth stage and weakened later. The plant height dynamics were similar among treatments; it improved to a maximum at approximately 70 days after sowing but then reduced and remained stable. The plant height and leaf area index were higher in the treatments with film mulching than those under the no film mulching treatments (<0.05). The maize yield under the F+S, BS, and FM treatments were significantly higher than that under the CK treatment in 2018 (<0.05), and the yield increased by 17.0%, 13.5%, and 6.6% in 2018 and by 30.5%, 23.9%, and 3.8% in 2019, respectively. Stepwise regression analysis of the yield composition showed that ear length had the greatest effect on maize yield, and yield was positively correlated with the number of ear rows and hundred-grain weight. F+S treatment conferred a comprehensive advantage and effectively regulated the soil water and heat conditions, improved the soil environment, and promoted plant growth and development, resulting in a high yield. Therefore, F+S treatment represents an appropriate mulching and tillage management system for spring maize in a newly reclaimed land.

Newly reclamation land; Buried straw layer; Plastic film mulching; Soil water and heat; Spring maize

10.13930/j.cnki.cjea.200627

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S271

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51609209)和江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20160471)資助

馮紹元, 主要研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉理論與技術(shù)。E-mail: syfeng@yzu.edu.cn

王娟, 主要研究方向?yàn)樗临Y源高效利用與保護(hù)。E-mail: wangjuan@yzu.edu.cn

2020-07-31

2020-09-18

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51609209) and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20160471).

, E-mail: syfeng@yzu.edu.cn

Jul. 31, 2020;

Sep. 18, 2020