馮　晨，孫占祥，鄭家明，馮良山，白　偉,，張　哲,，張廣才

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所， 遼寧 沈陽 110161； 2．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

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遼西半干旱區(qū)秋覆膜對土壤水分及玉米水分利用效率的影響

馮晨1，孫占祥1，鄭家明1，馮良山1，白偉1,2，張哲1,2，張廣才2

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所， 遼寧 沈陽 110161； 2．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866)

摘要：秋覆膜技術(shù)是傳統(tǒng)地膜覆蓋栽培技術(shù)的創(chuàng)新和延伸。為了探明秋季覆膜對土壤水分及玉米水分利用效率的影響，2014年在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實驗站，設(shè)置常規(guī)裸地種植(T1)、傳統(tǒng)春覆膜(T2)、秋覆膜(T3)以及秋覆膜配施秸稈(T4)四種處理，研究了不同覆膜處理對土壤蓄水量、水分剖面分布、春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響。結(jié)果表明，兩種秋覆膜處理可實現(xiàn)對土壤水分的跨季節(jié)調(diào)控，播前土壤蓄水量比裸地增加35.44%和23.09%，比春覆膜增加40.79%和27.95%，整個生育期土壤蓄水量較裸地增加30.70%和20.10%，較春覆膜增加37.77%和26.59%。兩種秋覆膜處理的剖面土壤水分在各生育時期均較為充足；春覆膜處理土壤含水率隨土層深度變化劇烈，下層土壤水分嚴(yán)重缺失。秋覆膜處理可顯著增加玉米產(chǎn)量，較裸地和春覆膜處理平均增產(chǎn)13.26%和13.52%，單株粒重增加是秋覆膜提高玉米產(chǎn)量的主要原因。秋覆膜T3處理可充分利用作物生育期降水，與T1、T2、T4處理相比，水分利用效率顯著提高8.24%、9.74%和8.83%。

關(guān)鍵詞：秋覆膜；春覆膜；蓄水量；剖面分布；產(chǎn)量；水分利用效率

遼寧省是我國十三個糧食主產(chǎn)省之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以旱作農(nóng)業(yè)為主，旱作農(nóng)田占全省耕地面積64%，生產(chǎn)全省70%左右的糧食[1]。目前遼寧省每年玉米種植面積超過200萬hm2，其中遼西旱作農(nóng)業(yè)區(qū)種植面積占全省的2/3以上，對于遼寧省的糧食安全起到至關(guān)重要的作用。該區(qū)域土地和光熱資源十分豐富，增產(chǎn)潛力巨大，但季節(jié)性水資源匱乏和降水年內(nèi)分配不均導(dǎo)致遼西地區(qū)“十年九春旱”現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重制約著區(qū)域環(huán)境及農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[2-3]，因此在該地區(qū)探尋合理的旱地土壤耕作栽培措施，對于提高作物對有限降水的利用效率，緩解作物需水與降水矛盾十分必要[4-5]。

地膜覆蓋技術(shù)自20世紀(jì)70年代引入我國，便廣泛應(yīng)用于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[6-9]。秋覆膜技術(shù)是傳統(tǒng)地膜覆蓋栽培技術(shù)的創(chuàng)新和延伸，其核心是充分考慮旱作農(nóng)業(yè)區(qū)春旱嚴(yán)重、夏季降水集中的氣候特點，在秋收后，霜凍之前進行滅茬、覆膜處理，通過減少秋、冬、春三季農(nóng)田土壤水分的無效損失，有效保蓄夏秋季降水，實現(xiàn)對旱地土壤水分的跨季節(jié)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到“秋雨春用、夏墑秋?！钡男Ч鸞10]。目前有關(guān)秋覆膜的研究大多集中于甘肅地區(qū)[11-13]，針對遼西地區(qū)秋覆膜技術(shù)的增產(chǎn)和水分利用效率規(guī)律研究相對較少，雖然已有研究指出秋覆膜可以保證春播期間土壤持續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)種子發(fā)芽所需的水分[14]，實現(xiàn)增產(chǎn)和提高水分利用效率[15-16]，但針對遼西地區(qū)秋季覆膜的增產(chǎn)和保水效果研究尚存在不足之處：①有關(guān)秋覆膜與常規(guī)覆膜對產(chǎn)量和水分利用效率等方面影響的定量對比研究相對缺乏；②缺少對秋覆膜條件下土壤水分的動態(tài)監(jiān)測和剖面分布規(guī)律研究。除此之外，有研究表明，傳統(tǒng)覆膜增產(chǎn)以土壤有機碳的過度消耗為代價，因此，可以推測包括秋覆膜在內(nèi)，同樣存在著土壤質(zhì)量下降的隱患，為此，有必要將秸稈還田納入到秋覆膜玉米種植體系中，做為增碳覆膜處理觀測其對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響。

本研究針對上述問題，以農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實驗站為平臺，設(shè)置傳統(tǒng)春覆膜、秋覆膜、秋覆膜配施秸稈以及常規(guī)裸地種植四種不同處理，探討不同覆膜條件對土壤水分蓄量與剖面分布、春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響差異，并通過秸稈還田納入秋覆膜玉米種植體系，進一步探討秋覆膜配施秸稈在水分利用、產(chǎn)量及農(nóng)田質(zhì)量上的可行性，為完善遼西半干旱區(qū)秋覆膜技術(shù)，改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，提高旱作農(nóng)田生產(chǎn)能力和作物水分利用效率，實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)田作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗在農(nóng)業(yè)部阜新農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測實驗站(東經(jīng)121°46′，北緯42°09′)進行。試驗所在區(qū)域?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)大陸性氣候，年均氣溫6℃～8℃，5月、9月的日照時數(shù)1 200～1 300 h，無霜期135～165 d。年降水量為350～500 mm，且60%～80%的降水集中在6～8月份，降水變率大，旱災(zāi)頻繁，“十年九春旱”是當(dāng)?shù)鼗練夂蛱卣鳌?/p>

試驗區(qū)土壤為褐土，土壤基本理化性質(zhì)如下[17]：容重1.35 g·cm-3，pH 6.95，有機質(zhì)含量為11.61 g·kg-1，全氮0.64 g·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，全鉀2.46 g·kg-1，速效氮72.58 mg·kg-1，速效磷136.13 mg·kg-1，速效鉀62.19 mg·kg-1。試驗區(qū)種植方式為春玉米連作，試驗品種為鄭單958。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置4種處理分別為：裸地種植(T1)；春季覆膜(T2)；秋季覆膜(T3)和秋季覆膜配施秸桿(T4)，試驗重復(fù)3次，共12個小區(qū)。每小區(qū)面積60 m2(10 m×6 m)。秋覆膜處理于2013年11月進行提前覆膜；其它處理于2014年4月26日進行整地、施肥和播種，其中春覆膜處理于施肥后覆膜，再打孔播種；春玉米種植密度為60 000株·hm-2，行距50 cm，株距33 cm。播種(或秋覆膜)時施尿素(含N46%)520 kg·hm-2，三元復(fù)合肥(含N15%，P2O515%，K2O15%)300 kg·hm-2，秸稈處理的秸稈施用量為9 000 kg·hm-2，其他管理正常，2014年9月22日收獲。

1.3測定項目及方法

1.3.1土壤含水量測定采用EcH2O土壤水溫數(shù)據(jù)采集器定點測定不同生育時期0～50 cm土壤含水量。播種前(4月25日)和收獲后(9月22日)土壤含水量，采用土鉆取樣烘干法，測定0～100 cm土層，每10 cm一個層次。

土壤蓄水量計算：

W=h×a×b×10/100

式中，W為土壤蓄水量(mm)；a為土壤容重(g·cm-3)；b為土壤含水率(%)；h為土層深度(cm)。

1.3.2產(chǎn)量及其構(gòu)成因素玉米收獲后，各處理隨機選取3個代表性樣區(qū)(面積10 m2)進行測產(chǎn)，并測定穗長、穗粗、穗行數(shù)、禿尖、行粒數(shù)、百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.3.3作物耗水量作物耗水量[18]：

ET=P1+U-R-F-ΔW

式中，ET為作物耗水量(mm)；P1和U分別代表作物生育期降水量(mm)和地下水補給量(mm)；R和F分別代表徑流量(mm)和深層滲漏量(mm)；ΔW為計算時段內(nèi)土壤貯水量的變化(mm)，土壤貯水量及作物耗水量均以1 m土層含水率計算；在試驗?zāi)攴輧?nèi)并未發(fā)生高強度或持續(xù)性降水，因此沒有通過地面徑流或向下滲漏出1 m根系層而引起水分損失。因當(dāng)?shù)氐叵滤裆钶^大，可以不考慮地下水補給影響。此外，本試驗區(qū)較為平坦，小區(qū)間的側(cè)向水分交換較少發(fā)生，可忽略不計。為此，上式可簡化為：

ET=P1-ΔW

相關(guān)降水?dāng)?shù)據(jù)來自阜新氣象局以及試驗區(qū)氣象站實測數(shù)據(jù)。

1.3.4水分利用效率水分利用效率[19]：

WUE=Y/ET

式中，WUE為籽粒產(chǎn)量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS 20.0軟件進行相關(guān)統(tǒng)計分析，Duncan法多重比較(P為0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1不同覆膜處理對土壤蓄水量和水分空間分布的影響

2.1.1土壤蓄水量土壤蓄水量的高低反映土壤持水能力和供水能力的高低，圖1為不同處理土壤(0～50 cm)含水量的變化情況，由圖可知，秋季覆膜前(2013年10月30日)，各處理土壤水分含量相同，經(jīng)過秋冬貯水，春播時(2014年4月25日)各處理間土壤水分含量發(fā)生了變化，如圖1虛線處所示，4月25日，裸地種植、春覆膜處理、秋覆膜處理和秋覆膜配施秸稈處理的土壤含水量分別為：14.8%、14.2%、20.0%和18.2%。秋覆膜處理和秋覆膜配施秸稈處理在播種時土壤蓄水量分別為99.89 mm和90.78 mm，比裸地種植增加35.44%和23.09%，比春覆膜處理增加40.79%和27.95%，說明兩種秋覆膜處理可通過提前覆膜，增加播前土壤蓄水量，實現(xiàn)水分的跨時調(diào)控。

玉米關(guān)鍵生育時期的土壤蓄水效果與處理類型有著密切關(guān)系，秋覆膜和秋覆膜配施秸稈處理的土壤蓄水量比裸地種植增加30.70%和20.10%，比春覆膜處理增加37.77%和26.59%，圖2為不同處理對玉米生育時期0～50 cm土壤蓄水量的影響，由圖2可以看出，除成熟期外，不同處理在各生育時期的蓄水量均表現(xiàn)為：秋覆膜>秋覆膜配施秸稈>春覆膜>裸地施肥(CK)，而成熟期表現(xiàn)為：裸地施肥(CK)>秋覆膜>秋覆膜配施秸稈>春覆膜，這主要是因為在收獲前，9月20日阜新地區(qū)發(fā)生了大于10 mm的降水，未覆蓋的裸地迅速接納降水所致。

圖1　不同處理土壤整個生育期含水量變化

圖2不同處理下玉米各生育時期0～50 cm土壤蓄水量

Fig.2Effect of different treatments on water storage during periods(0～50 cm soil depth)

2.1.2土壤水分剖面分布土壤水分的空間分布體現(xiàn)著水分在土體中的存在狀況和運移規(guī)律，同時也影響著作物對土壤水分的利用程度。不同時期各處理土壤含水率隨剖面深度的變化如圖3所示。苗期兩種秋覆膜處理土壤水分各層均高于春覆膜和裸地處理。春覆膜處理表層土壤水分高于裸地處理，但30 cm土層以下時，其含水率下降到15%以下，低于裸地處理。拔節(jié)期0～20 cm土層，秋覆膜、秋覆膜配施秸稈以及春覆膜處理的含水量均在21%以上，而裸地處理由于地表裸露，地表蒸發(fā)多，土壤含水率僅為14.6%，但隨著土層深度的增加含水率有所上升；土層深度30 cm以下時，土壤水分分布與苗期相同，為秋覆膜>秋覆膜配施秸稈>裸地施肥(CK)>春覆膜。

大喇叭口期是需水需肥的關(guān)鍵時期，隨著玉米根系的生長，對土壤淺層水分消耗較大，根系分布密集的耕層(0～30 cm)土壤水分消耗較多，各處理土壤水分差異明顯，秋覆膜與秋覆膜配施秸稈處理，各層土壤水分均較為充足，且變化較為平緩，這可能與提前覆膜，土壤水分貯量大，且覆膜具有保水效果有關(guān)。與之相比，裸地和春覆膜處理土壤含水率隨土層深度變化較為劇烈，其中裸地處理的表層土壤含水量低于下層土壤，而春覆膜處理由于覆膜引起土壤水分上移，下層土壤水分相對缺失。抽雄期水分分布與喇叭口期相似。成熟期三個覆膜處理水分分布與喇叭口期和抽雄期相似，但裸地處理水分卻大大提高，原因為收獲前當(dāng)?shù)匕l(fā)生降水，裸地迅速接納降水，而覆膜處理卻由于地膜存在影響了降雨入滲所致。

圖3不同覆膜處理玉米各生育時期0～50 cm分層土壤含水量的動態(tài)變化

Fig.3Effect of different mulching treatments on soil moisture content in 0～50 cm soil layer

2.2不同覆膜處理對春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.2.1產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素從表1可以看出，秋覆膜處理產(chǎn)量最高，可達(dá)14 452.5 kg·hm-2，顯著高于未覆膜處理和春覆膜處理(P<0.05)，但與秋覆膜配施秸稈處理的產(chǎn)量差異不顯著。秋覆膜處理產(chǎn)量較裸地施肥處理產(chǎn)量增加13.26%，較春覆膜處理增加13.52%，春覆膜與對照(裸地施肥)之間無顯著差異。穗部性狀分析表明，秋季覆膜在穗粗、穗長、穗粒數(shù)和千粒重方面并無優(yōu)勢(P>0.05)，但玉米單株粒重顯著高于其他處理，這也是秋覆膜處理提高玉米產(chǎn)量的主要原因。

表1　不同覆膜處理對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同小寫字母表示處理在5%水平上差異顯著，下同。

Note: Data is mean±SE. Values followed by a different letter within a column for treatments are significantly different atP≤0.05, and hereinafter.

2.2.2作物水分利用效率處理不同對玉米耗水量和水分利用效率的影響不同(表2)，作物耗水量表現(xiàn)為秋覆膜>秋覆膜配施秸稈>春覆膜>裸地施肥(CK)，秋覆膜處理的耗水量只顯著高于裸地施肥處理(P<0.05)，但水分利用效率顯著高于其它3個處理，比對照提高8.24%，比春覆膜處理提高9.74%，比秋覆膜配施秸稈處理增加8.83%。

表2　不同處理對玉米耗水量及水分利用效率的影響

3討論

已有研究表明春覆膜能夠有效保蓄水分，增加玉米產(chǎn)量[15,20-21]，但在本研究中春覆膜并未表現(xiàn)出其增產(chǎn)優(yōu)勢，這主要因為2014年遼寧省遭遇伏秋連旱，自7月24日至8月5日，全省受旱面積由7.5萬hm2發(fā)展到105萬hm2，試驗所在地——阜新市受旱面積23.33萬hm2，試驗區(qū)全生育期降雨量僅329.5 mm，土壤水分十分缺乏，與此同時，春覆膜處理由于地表被覆蓋，即使有少量降水也無法及時入滲，從而導(dǎo)致春覆膜無水可保；除此之外，隨著作物生長，玉米根系對下層水分需求越來越大，春覆膜可使土壤水分表聚，但卻加重了土壤下層水分的缺失，進而嚴(yán)重影響玉米根系生長和最終產(chǎn)量。

此外，在本項研究中，秋覆膜配施秸稈處理(T4)在播前土壤蓄水量和水分剖面分布上與秋覆膜處理(T3)同具優(yōu)勢(圖1，圖3)，但T4并未顯著提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率(表1，表2)，這可能歸因于以下兩方面：一是秸稈還田雖能在一定程度上保蓄水分[22]，但當(dāng)水分不足時會存在與種子或幼苗“爭水”現(xiàn)象，影響作物生長發(fā)育；二是秸稈雖為重要碳、氮源[23-24]，但其腐解需要一定溫濕條件[25-26]，遼西旱作區(qū)干旱少雨，當(dāng)年又遇伏秋連旱，這在很大程度上抑制了秸稈腐解，削弱了秸稈還田的養(yǎng)分供應(yīng)能力。因此，在特定旱作農(nóng)業(yè)區(qū)域條件下，秋覆膜配施秸稈對作物產(chǎn)量及農(nóng)田質(zhì)量的影響規(guī)律，仍需長期深入研究。

2014年遼寧省遭遇了60年一遇的特大伏秋連旱，灌漿期玉米受旱直接影響了產(chǎn)量，導(dǎo)致遼西北部分地區(qū)作物減產(chǎn)。在這種情況下，春覆膜由于無水可保而無產(chǎn)量優(yōu)勢，但秋覆膜卻可顯著增加土壤蓄水量和作物產(chǎn)量，提高水分利用效率，說明秋覆膜技術(shù)對于遼西北旱作區(qū)保水增產(chǎn)，抵御旱情具有十分重要的作用和意義。

4結(jié)論

1) 兩種秋覆膜處理(T3和T4)可通過秋季提前覆膜實現(xiàn)水分的跨時空調(diào)控，增加播前土壤蓄水量(比裸地增加35.44%和23.09%，比春覆膜增加40.79%和27.95%)和整個生育期土壤蓄水量(較裸地增加30.70%和20.10%，較春覆膜增加37.77%和26.59%)。

2) 秋覆膜與秋覆膜配施秸稈處理整個生育期土壤剖面水分較為充足；春覆膜處理土壤含水率隨土層深度變化較為劇烈，下層土壤水分缺失嚴(yán)重。

3) 秋覆膜處理(T3)可顯著增加玉米產(chǎn)量和水分利用效率，較裸地平均增產(chǎn)13.26%，較春覆膜平均增產(chǎn)13.52%，單株粒重增加是秋覆膜提高玉米產(chǎn)量的主要原因。T3處理作物水分利用效率比T1、T2、T4分別提高8.24%、9.74%和8.83%。

參 考 文 獻(xiàn)：

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Effects of plastic film mulching during autumn on soil water and water utilization of spring maize in dry land of northwest Liaoning

FENG Chen1, SUN Zhan-xiang1, ZHENG Jia-ming1, FENG Liang-shan1,BAI Wei1,2, ZHANG Zhe1,2, ZHANG Guang-cai2

(1.TillageandCultivationResearchInstitute,LiaoningAcademyofAgriculturalSciences,Shenyang,Liaoning110161,China;2.CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：Plastic film mulching in autumn is an innovation and extension technology of traditional plastic film mulching technology. In order to explore the effects of mulching during autumn on soil water and water use efficiency of spring maize, four mulching treatments, including traditional planting (T1), spring mulching (T2), autumn mulching (T3) and autumn mulching with straw return (T4), were carried out in Fuxin Scientific Observing and Experimental Station of Agro-environment and Arable Land Conservation, to clarify the effects of different mulching treatments on soil water storage, distribution, crop yields and water use efficiency of spring maize. Our result showed that compared with T1, T3 and T4 could increase the water storage before sowing by 35.44% and 23.09%, respectively, while by 40.79% and 27.95%, compared with T2. T3 and T4 could also increase water storage during the whole growth period by 30.70% and 20.10%, 37.77% and 26.59%, respectively, compared with T1 and T2. The soil profile water was relatively abundant during the whole growth period, while T2 had a very big variation in profile water, which had a serious lack of water in subsoil. The maize yield by T3 was the highest, which was 13.26% and 13.52% higher than that of T1 and T2, respectively. It was mostly contributed by the increase in single grain yield. Compared with T1, T2 and T4, T3 could increase water use efficiency by 8.24%, 9.74% and 8.83%, respectively.

Keywords:mulching in autumn; mulching in spring; water storage; water profile distribution; yield; water use efficiency

中圖分類號：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：馮晨(1985—)，女，遼寧大石橋人，助理研究員，博士，主要從事旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)研究。E-mail：sandyla570521@126.com。通信作者：孫占祥(1967—)，男，遼寧撫順人，研究員，博士，主要從事旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)研究。

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAD09B02)；遼寧省科技攻關(guān)項目(2014213004)；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項資金項目(201503105；201303125)；遼寧“百千萬人才工程”培養(yǎng)經(jīng)費資助項目(2013921058)

收稿日期：2015-01-23

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.02

文章編號：1000-7601(2016)02-0009-06