王 真,孫 軍,杜婭丹,孫 丹,甘海成,牛文全

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 楊凌 712100;3.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 楊凌 712100)

黃土高原是重要的玉米()生產(chǎn)區(qū),2016年玉米產(chǎn)量為6.11×10t,約占中國(guó)谷物總產(chǎn)量的10%。然而,由于地下水較深且資源稀少,大部分農(nóng)田只能依賴雨水。許多地區(qū)年降水量?jī)H200～400 mm,且60%以上的降水集中于6-9月。水資源有限、年際降雨極度不均,以及黃土高原地區(qū)嚴(yán)重的土壤蒸發(fā)損失限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。據(jù)報(bào)道,作物需水量與供水量之間嚴(yán)重不平衡,導(dǎo)致玉米和小麥()兩種主要谷物的產(chǎn)量很低(分別為2500～3500 kg·hm和1500～3000 kg·hm)。因此,黃土高原急需抑制土壤水分蒸發(fā)、增加雨水利用率、提高作物產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)措施。

薄膜覆蓋能夠減少土壤水分蒸發(fā),提高土壤含水率、土壤溫度以及作物產(chǎn)量與水分利效率。因此,過(guò)去幾十年,薄膜覆蓋在黃土高原地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。壟作覆膜即起壟與薄膜覆蓋結(jié)合的種植方法,不僅可減少土壤水分蒸發(fā),且能有效收集和利用雨水,近些年得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。Fang 等在黃土高原3年栽培研究中發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)不覆蓋相比,壟作覆膜的夏玉米產(chǎn)量在濕潤(rùn)年明顯增加13.0%～32.9%,在正常降雨年增加15.5%～35.2%,在干旱年增加27.2%～58.9%。但是,土壤表層較高的水分及溫度為微生物提供了適宜的土壤微環(huán)境,會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的快速分解和轉(zhuǎn)化。有研究表明,壟作覆膜會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解,導(dǎo)致養(yǎng)分貧瘠。因此,長(zhǎng)期來(lái)看,對(duì)壟作覆膜是否有利于保持土壤可持續(xù)的問(wèn)題應(yīng)予以更多關(guān)注。

近幾年,在機(jī)械化驅(qū)使及秸稈禁燒政策下,秸稈覆蓋在夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。例如,秸稈覆蓋機(jī)可實(shí)現(xiàn)秸稈解捆、行間覆蓋與薄土蓋壓一體化作業(yè)。秸稈覆蓋還田技術(shù)操作簡(jiǎn)單,大大降低了機(jī)械和燃料投入,節(jié)約勞動(dòng)力,降低種植成本,降低生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放,能夠協(xié)同提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。秸稈覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā),保持冬季土壤溫度高于傳統(tǒng)不覆蓋處理,而夏季低于不覆蓋處理,更有利于作物生長(zhǎng)。秸稈覆蓋還田后,能有效防止土壤侵蝕和沙化,尤其在水土流失嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)。然而,秸稈覆蓋在不同地區(qū)研究結(jié)果不一,并不總是會(huì)提高作物產(chǎn)量;但另一方面,秸稈覆蓋會(huì)提供有機(jī)質(zhì),提高土壤有機(jī)碳含量,因此,秸稈覆蓋措施需要進(jìn)一步研究。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤有機(jī)碳和土壤氮在碳、氮循環(huán)中起著重要作用。隨著氣候、環(huán)境的快速變化,人們對(duì)土壤碳、氮庫(kù)的研究愈加廣泛和深入。全球1 m 土層土壤中有機(jī)碳含量約為1.505×10kg,占全球陸地碳庫(kù)的2/3～3/4,甚至超過(guò)全球大氣層和陸地植被的總碳含量,區(qū)域范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳的微小變化便會(huì)導(dǎo)致全球范圍的氣候變化。另外,土壤氮和有機(jī)碳存在耦合關(guān)系,氮影響土壤碳固存,土壤有機(jī)碳影響氮的礦化、固定和反硝化過(guò)程。因此,研究農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤碳、氮的影響對(duì)提高農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化潛力尤為重要。

基于此,本研究以黃土高原夏玉米為研究對(duì)象,設(shè)置不同覆蓋措施,旨在: 1) 研究秸稈覆蓋和壟作覆膜對(duì)土壤水熱狀況、土壤有機(jī)碳及硝態(tài)氮含量、土壤呼吸以及對(duì)夏玉米的氮素吸收、地上部干物質(zhì)積累、作物水分消耗、產(chǎn)量及水分利用效率的影響;2) 揭示黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)節(jié)水、減少碳排放的效應(yīng)機(jī)理,最終提出適合半干旱黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的覆蓋方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

圖1 2019年和2020年夏玉米生長(zhǎng)季日氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Daily meteorological data during summer maize growing seasons in 2019 and 2020

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試夏玉米品種為‘鄭單958’,冬小麥-夏玉米輪作。設(shè)置3 種處理: 1)壟作覆膜(RFM): 起壟種植,壟上覆塑料薄膜,壟溝種植玉米,薄膜寬60 cm,厚0.008 mm,壟寬和行距為50 cm;2)傳統(tǒng)平作不覆蓋(NM): 不起壟,不覆蓋薄膜和秸稈,作為對(duì)照;3)秸稈覆蓋(SM): 平作的基礎(chǔ)上,前茬冬小麥留茬20～30 cm,莖稈機(jī)械切碎至3～5 cm,在夏玉米播種后進(jìn)行表面覆蓋,覆蓋量為4 t·hm。3 種處理均在播種前旋耕,深度為20 cm。

大田試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),3 種處理各設(shè)置3 次重復(fù),共9 個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為5 m×4 m,各小區(qū)間隔1.5 m,并用高10 cm 的土埂圍起,防止徑流,四周設(shè)置2 m 保護(hù)行。南北走向,完全隨機(jī)排列。分別于2019年6月12日、2020年6月19日播種,按株距30 cm,行距50 cm 穴播,每穴3 粒種子。播種后撒施磷肥90 kg·hm(過(guò)磷酸鈣,16% PO),鉀肥75 kg·hm(硫酸鉀,51% KO)及氮肥170 kg·hm(尿素,含N 46%),磷肥和鉀肥一次性施入,氮肥總量的1/3 作為基肥,之后分別于2019年7月15日和2020年7月22日撒施氮肥總量的2/3 追肥。待玉米長(zhǎng)出3 片真葉后,按密度75 000 株·hm進(jìn)行間苗、定苗(各小區(qū)每行隨機(jī)選擇兩穴為2 株,其余單穴單株)。人工拔除雜草,其他田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢?分別于2019年9月30日和2020年10月7日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

采用烘干法測(cè)定土壤含水率。各小區(qū)(RFM于壟溝)使用土鉆(直徑4.5 cm),于播種期、收獲期0～200 cm 土層取樣,拔節(jié)期和灌漿期0～100 cm 土層取樣,間隔10～20 cm,105 ℃ 至烘干。

采用水量平衡原理,ET 計(jì)算公式為:

式中: ET 為作物耗水量,mm;為玉米生長(zhǎng)季降雨量,mm;為灌溉水量,mm (本研究沒(méi)有灌溉);為2 m土層以下的深層滲漏量,mm (沒(méi)有大雨或灌溉,假定其可以忽略不計(jì));為地表徑流,mm (每個(gè)地塊都被田埂包圍以防止徑流,忽略不計(jì));Δ為播種到收獲的土壤水消耗量,mm。

播種后,將曲管地溫計(jì)(河北省武強(qiáng)紅星儀表廠)插入各小區(qū)地下5 cm、10 cm,用于及時(shí)讀取并記錄測(cè)定土壤呼吸時(shí)的土壤溫度,各小區(qū)分別設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。各小區(qū)將一個(gè)內(nèi)徑為10 cm、高8 cm 的PVC 管插入地下5 cm。拔節(jié)期開(kāi)始,每隔10～14 d 于上午9:00-11:00,用土壤呼吸測(cè)定儀LI-6400 XT (土壤CO通量系統(tǒng),CFX-2,PP 系統(tǒng)Hitchin,英國(guó))與呼吸室連接,測(cè)定土壤CO排放通量。測(cè)量前12 h,清除PVC 管內(nèi)土壤表面作物殘留物。隨機(jī)選擇位置(RFM 為壟溝),自動(dòng)記錄180 s 內(nèi)呼吸值,設(shè)置3 次重復(fù);同時(shí)記錄地溫計(jì)讀數(shù)。

收獲后,各處理隨機(jī)設(shè)置3 個(gè)取樣點(diǎn)(RFM 為壟溝),于0～200 cm 土層取樣,間隔10～20 cm。采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定0～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量(g·kg),使用連續(xù)流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer-Ⅲ)測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量(g·kg)。

在關(guān)鍵生育期各小區(qū)隨機(jī)選取3 株有代表性的植株,按器官分類(lèi)裝入檔案袋,105 ℃殺青30 min,后75 ℃至烘干,稱干重。收獲期植物樣磨碎,使用凱氏定氮儀(FOSS 2300 型)測(cè)定各器官全氮含量。

植株氮素吸收(PNU,kg·hm)計(jì)算如下:

氮素收獲指數(shù):

式中:N為植株各器官氮素吸收,g·kg;和分別為籽粒吸收量和總氮素吸收量,g·kg;DW為各器官干重,kg·hm;1000 為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

收獲前各小區(qū)劃定面積2 m×4 m,成熟后,隨機(jī)選取15 株玉米,脫粒并風(fēng)干至含水量的14%,測(cè)定百粒重和籽?？傊?根據(jù)種植密度、穗粒數(shù)計(jì)算產(chǎn)量。水分利用效率計(jì)算如下:

式中: WUE 為水分利用效率,kg·hm·mm;為 產(chǎn)量,kg·hm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2010 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù);采用Origin 2021 作圖;用SPSS 22.0 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析,ANOVA (F-value)方法進(jìn)行年際疊加效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤含水率(SWC)的影響

覆蓋方式顯著影響土壤含水率(圖2)。2019年播種期,0～20 cm 土 層RFM 處理土壤含水率最高,SM 處理于40～140 cm 土層土壤含水率最高。灌漿期和成熟期,較NM,RFM 提高了表層0～10 cm 土壤含水率;灌漿期RFM 較NM 減少了10～20 cm 土層土壤含水率;SM 比NM 明顯提高了拔節(jié)期、灌漿期(土 層40～60 cm 除外)和成熟期(10～20 cm 和60～80 cm 除外) 0～80 cm 土層土壤含水率(＜0.05)。2020年,播種期至成熟期,NM 處理土壤水分含量均較低,與NM 相比,SM 和RFM 于拔節(jié)期、灌漿期和成熟期0～100 cm 土層土壤含水率分別提高23.8%和15.2%、12.4%和9.8%、10.0%和4.0% (＜0.05)。2020年成熟期SM 于0～80 cm 土層水分含量為15.8%,100～200 cm 土層為15.5%;2019年0～80 cm 土層水分含量為18.2%,100～200 cm 土層為18.9%。與SM相比,2020年整個(gè)生長(zhǎng)季NM 的0～80 cm 土層(成熟期10～20 cm 和60～80 cm 除外)土壤含水率一直較低。

圖2 2019年和2020年不同處理夏玉米不同生育期土壤含水率變化Fig.2 Soil moisture contents at different growth stages of summer maize under different treatments in 2019 and 2020

2.2 不同處理對(duì)土壤溫度與土壤呼吸速率的影響

與NM 相比,RFM 提高了0～10 cm 土壤溫度,而SM 降低了0～10 cm 土壤溫度(圖3)。2020年,5 cm土壤溫度變化受大氣溫度影響較大,整體變化趨勢(shì)與最高氣溫相似;與NM 相比,RFM 顯著提高0.5～1.0 ℃,SM 顯著降低0.3～0.7 ℃。土壤深度10 cm 溫度變化幅度較小,變化趨勢(shì)與平均氣溫變化趨勢(shì)相似,RFM 比NM 顯著提高0.2～0.7 ℃ (＜0.05),而SM顯著降低0.5～1.0 ℃ (＜0.05)。

圖3 2020年夏玉米生長(zhǎng)季當(dāng)?shù)叵嗤掌谌諝鉁氐淖兓筒煌幚淼販丶巴寥篮粑俾蔉ig.3 Local daily air temperature for the same date and soil temperature and respiration rate under different treatments during summer maize growing season in 2020

覆蓋方式顯著影響土壤呼吸速率(圖3)。土壤呼吸速率在拔節(jié)后期(7月27日)和灌漿后期(9月18日)達(dá)到兩次峰值。與NM 相比,RFM 顯著提高了夏玉米關(guān)鍵生育階段土壤呼吸速率(＜0.05),拔節(jié)前期(7月13日)提高33.7%,拔節(jié)后期提高33.0%,開(kāi)花期(8月9日)提高9.5%,抽絲期(花后14 d,8月22日)提高54.6%,灌漿期(9月7日、9月18日)平均提高57.3%,成熟期(9月30日)提高20.9%;SM 顯著降低了夏玉米拔節(jié)期、開(kāi)花期、抽絲期、灌漿期、pth成熟期土壤CO排放速率(＜0.05),與NM 相比,拔節(jié)前期降低37.0%,拔節(jié)后期降低34.5%,開(kāi)花期降低43.3%,抽絲期降低39.4%,灌漿期降低36.7%,成熟期降低44.0%。RFM 同步提高土壤溫度和土壤呼吸速率,SM 同步降低土壤溫度和土壤呼吸速率。

2.3 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳(SOC)與土壤剖面硝態(tài)氮分布的影響

覆蓋方式顯著影響土壤有機(jī)碳含量(圖4)。從兩年收獲期看,2019年,與NM 相比,SM 顯著提高0～20 cm 土層SOC 10.0% (＜0.05);RFM 顯著降低SOC 4.2% (＜0.05);2020年,SM 較NM 顯著提高21.3%(＜0.05);RFM 與NM 差異不顯著。從2019年 到2020年總體趨勢(shì)看,NM對(duì)SOC 的影響不顯著,RFM降低了土壤0～20 cm 土層SOC;而SM 提高了SOC,年變化速率0.49 g·kg·a。

圖4 2019年和2020年不同處理土壤有機(jī)碳及硝態(tài)氮含量變化Fig.4 Soil organic carbon and soil nitrate nitrogen contents under different mulching treatments in 2019 and 2020

由圖4可以看出,與NM 相比,RFM 顯著減少土壤剖面硝態(tài)氮含量(＜0.05);SM 顯著增加淺層0～80 cm 土壤硝態(tài)氮含量(＜0.05),而深層土壤硝態(tài)氮含量降低。SM 于2019年播種和收獲期,土層10～30 cm (54.0 mg·kg和51.2 mg·kg)均出現(xiàn)峰值。兩年數(shù)據(jù)相比,2020年比2019年SM 土壤硝態(tài)氮含量顯著增加(＜0.05) (除播種期0～20 cm 土層外),NM變化不顯著,而RFM 顯著減少壟溝土壤硝態(tài)氮含量。

2.4 不同處理對(duì)植株氮素吸收、地上部干物質(zhì)積累、作物耗水量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響

RFM 和SM 顯著提高植物全氮含量,提高了植株氮素吸收量(表1),分別比NM 提高植株氮素吸收量11.3%和37.6% (＜0.05);并將更多的氮素分配給籽粒,使籽粒氮素吸收分別提高13.8%和45.1% (＜0.05),從而提高了植株氮素收獲指數(shù)。表明作物氮素主要用于籽粒生產(chǎn),覆蓋可以提高籽粒生產(chǎn)力。

RFM 和SM 平均比NM 顯著增加地上部干物質(zhì)積累4.2%和25.4% (＜0.05) (圖5),表明植株氮素吸收率的提高顯著增加了地上部干物質(zhì)積累。覆蓋對(duì)作物水分消耗影響顯著(表1),與NM 相比,SM 兩年均顯著提高了作物耗水量,而RFM 于2019年提高較為顯著。RFM 和SM 均提高了作物水分利用效率,平均比NM 提高9.1%和13.0% (＜0.05)。RFM 和SM 提高夏玉米水分利用率和氮素吸收率的同時(shí),提高了籽粒重,最終提高產(chǎn)量,2020年尤為顯著,分別比NM 提高9.2%和16.8% (＜0.05)。

表1 2019年和2020年不同處理夏玉米百粒重、產(chǎn)量、吸氮量、氮素收獲指數(shù)、耗水量及水分利用效率Table 1 100-grain weight,grain yield,nitrogen uptake,nitrogen harvest index,evapotranspiration and water use efficiency of summer maize under different treatments in 2019 and 2020

圖5 2019年和2020年不同生育期不同處理夏玉米地上部干物質(zhì)積累量Fig.5 Dry matter accumulation aboveground of summer maize under different treatments at the jointing stage (S1),tasseling stage(S2),silking stage (S3),grain filling stage (S4) and maturity (S5) in 2019 and 2020

3 討論

水資源短缺是限制黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。據(jù)報(bào)道,由于土壤水蒸發(fā)與徑流,造成降水量的70%損失,僅25%～30%可被作物吸收利用。覆蓋可以通過(guò)抑制土壤水蒸發(fā)保護(hù)土壤水分,進(jìn)而提高土壤含水率,被視為有效的農(nóng)業(yè)措施。本研究2年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),起壟覆蓋薄膜(RFM)增加了土壤表層(0～10 cm)土壤含水量?？赡苁且?yàn)閴偶垢采w薄膜使得雨水順勢(shì)流入壟溝,有效收集了淺層雨水,在一定時(shí)間內(nèi)RFM 的表層土壤含水量高于NM (平作無(wú)覆蓋);而對(duì)于平作覆蓋秸稈(SM),耕作降低了土壤容重,提高了土壤孔隙度,進(jìn)而增加了水分入滲,而SM 又抑制了土壤水分蒸發(fā),使得土壤含水量高于NM。2019年灌漿期RFM 較NM 減少了10～20 cm 土層土壤含水量,可能是在降雨不足、土壤水分相差不大時(shí),RFM 增加了作物耗水量(表1),更多的土壤水分被作物吸收利用。玉米生長(zhǎng)季5-6月試驗(yàn)地降雨量較少(圖1),植株生長(zhǎng)消耗了大量土壤水分,導(dǎo)致土壤水分損失;NM 地表沒(méi)有覆蓋,暴露在陽(yáng)光下,蒸發(fā)損失嚴(yán)重,而SM 大大減少了土壤水分蒸發(fā),增加了早期水分滲入土壤;7-8月,降雨增加(圖1),但是植株葉面積增加,阻攔大量降雨進(jìn)入土壤。因此,與SM 相比,整個(gè)生長(zhǎng)季NM 的SWC 一直較低。

覆蓋措施顯著影響土壤表層0～10 cm 溫度。RFM可增加土壤溫度(圖3),研究結(jié)果與先前研究一致。可能是因?yàn)楸∧じ采w的區(qū)域及周?chē)^不覆膜的NM處理接收了更多太陽(yáng)能,使得表層土壤溫度高于NM。Kar 等研究得出秸稈覆蓋會(huì)在冬季增加土壤溫度,在夏季降低土壤溫度。本研究SM 較NM 降低表層土壤溫度,可能是由于土壤表面覆蓋秸稈形成了物理屏障,可以阻擋太陽(yáng)輻射和土壤與大氣之間的交換,使得在空氣溫度較高時(shí)降低土壤溫度,在空氣溫度較低時(shí)提高土壤溫度。

土壤有機(jī)碳含量(SOC)對(duì)土壤肥力、碳固存以及應(yīng)對(duì)氣候變化至關(guān)重要,覆膜可增加表層0～10 cm溫度(圖3),增強(qiáng)養(yǎng)分有效性和水分利用效率,影響土壤養(yǎng)分循環(huán),為微生物提供良好的水、肥、熱狀況,進(jìn)而增強(qiáng)土壤微生物活性,促進(jìn)SOC 分解。因此,本試驗(yàn)RFM 處理的SOC 含量下降。因?yàn)榻斩捄妥魑餁埩暨M(jìn)入土壤被微生物分解,從而增加了有機(jī)質(zhì)的輸入,秸稈覆蓋也可以改善土壤理化性質(zhì)(抑制表層土壤溫度隨空氣溫度劇烈變化,改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)),使得SOC 分解受到抑制,因此,本試驗(yàn)的SM 提高了SOC 含量,減弱了土壤呼吸。這與Fan 等和Hu 等的研究結(jié)果類(lèi)似。

土壤硝態(tài)氮是旱地作物氮吸收的主要形式,但很容易流失。不同覆蓋方式對(duì)土壤硝態(tài)氮含量影響不同。本研究得出RFM 較NM 顯著減少土壤剖面硝態(tài)氮含量,而SM 顯著增加淺層土壤硝態(tài)氮含量,降低了深層土壤硝態(tài)氮含量,結(jié)果與Hu 等和Dong 等研究結(jié)果一致。RFM 顯著減少土壤硝態(tài)氮含量是因?yàn)镽FM 壟脊覆膜,阻止了降雨從土壤表面直接垂直滲入,而大部分水只能滲入壟溝,加強(qiáng)了水的橫向運(yùn)動(dòng),進(jìn)而增強(qiáng)水在塑料薄膜脊上的向上運(yùn)動(dòng),使得土壤硝態(tài)氮集中于表層土壤,而產(chǎn)量和植株氮素吸收量的增加(表1)增加了作物對(duì)土壤硝態(tài)氮的消耗;另外,土壤表層較高的土壤溫度和水分加快了土壤硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。SM 顯著增加淺層土壤硝態(tài)氮含量的主要原因是SM 秸稈自身作為碳源輸入,提高了土壤C/N,大大增加了土壤中碳的生物有效性,為土壤異養(yǎng)微生物提供了充足能量,增強(qiáng)了土壤氮的礦化作用,增加了淺層土壤硝態(tài)氮含量,這與Fang 等和Hu 等研究結(jié)果一致。而深層土壤硝態(tài)氮含量,比如100～200 cm 土層,主要來(lái)自于上層硝態(tài)氮的淋溶運(yùn)移,本研究中,2020年SM處理下0～80 cm 土層水分含量為79.3%,100～200 cm土層為77.7%,2019年SM 處理下0～80 cm 土層水分含量為91.1%,100～200 cm 土層為95.0%,可見(jiàn)SM 不同土層間水分梯度較小,加之SM 減少了土壤蒸發(fā)損失,減少了不同土層間水分交換,降低了硝態(tài)氮向深層土壤的遷移,所以100～200 cm 土層硝態(tài)氮含量減少。本研究發(fā)現(xiàn)2019年SM 土壤硝態(tài)氮含量在10～30 cm 出現(xiàn)峰值,主要原因是2019年在播種和收獲前后降雨較多,使土壤表層0～10 cm 的無(wú)機(jī)氮向下入滲,10～30 cm 土層無(wú)機(jī)氮含量有所增加。RFM 覆膜位置不同,可能對(duì)土壤不同深度硝態(tài)氮含量的影響不同,如Hu 等采用不同的覆蓋范圍,發(fā)現(xiàn)覆膜提高了0～80 cm 土壤硝態(tài)氮含量,這與本試驗(yàn)結(jié)果有一定差異。

土壤氮是玉米的主要氮素來(lái)源。本研究中RFM 和SM 土壤水分和作物耗水量增加的同時(shí)也顯著提高了玉米的氮素吸收,并將更多的氮轉(zhuǎn)移分配至籽粒,從而提高了氮素收獲指數(shù)(表1)。水分和氮素吸收量的增加為作物生長(zhǎng)提供了充足的水分和養(yǎng)分,進(jìn)而積累了更多的干物質(zhì),為夏玉米灌漿提供了充足的同化物,更有利于籽粒增重,使得RFM 和SM在提高水氮利用效率的同時(shí)也提高了籽粒重。此外,有研究表明秸稈覆蓋的低溫效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致早春玉米的產(chǎn)量下降;但也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋比不覆蓋產(chǎn)量增加46%,較薄膜覆蓋增加47%。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2 種覆蓋方式(RFM 和SM)均提高了夏玉米產(chǎn)量,尤其在2020年,分別比NM 產(chǎn)量提高9.2%和16.8%。

4 結(jié)論

夏玉米生長(zhǎng)季覆蓋措施提高了土壤含水率,秸稈覆蓋效果優(yōu)于壟作覆膜;與平作不覆蓋相比,壟作覆膜可提高5 cm、10 cm 表層土壤溫度,加速有機(jī)碳分解,增強(qiáng)土壤呼吸速率。而秸稈覆蓋可降低表層土壤溫度,增加土壤有機(jī)碳含量,降低土壤呼吸速率;壟作覆膜顯著減少壟溝土壤硝態(tài)氮含量;秸稈覆蓋可增加0～80 cm 土層土壤硝態(tài)氮含量,而減少深層硝態(tài)氮淋溶。覆蓋措施提高了植株氮素吸收并更多地轉(zhuǎn)移至籽粒,從而提高了氮素收獲指數(shù)和籽粒重,最終提高產(chǎn)量?？紤]到顯著的保水增產(chǎn)減排效果,秸稈覆蓋是適合半干旱黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的有效措施。