秸稈覆蓋量對紅壤旱地棉花生長及土壤溫度的影響

崔愛花,杜傳莉,黃國勤,*,王淑彬,趙其國

1 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心, 南昌 330045 2 中國科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008

棉花(GossypiumhirsutumL.)是我國最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一,在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位[1- 2],紅壤是我國南方(特別是江西)的重要土壤類型。我國的稻米(Oryzasativalinanaeus)、棉花、茶葉(Camelliasinensis(L.)O.Kuntze)、桑葉(MorusalbaL)、甘蔗(SaccharumofficenarumL.)等產(chǎn)區(qū)均在紅壤上獲得長足的發(fā)展。紅壤旱地是紅壤的典型代表,占據(jù)較大的比例,但由于多種主要生產(chǎn)限制因子的存在,如酸、瘦、板、黏、旱等,使得紅壤的生產(chǎn)潛力未得到發(fā)揮和挖掘[3- 4],因此,要提高紅壤旱地棉田的生產(chǎn)力,就必須研究紅壤旱地產(chǎn)量提升的限制因子,提出解決的途徑與方法。

我國平均每年生產(chǎn)的稻草量約有2億t,近年來,農(nóng)作物秸稈、殘留物等資源浪費問題日趨嚴(yán)重,秸稈利用的現(xiàn)代技術(shù)手段滯后,造成在部分地區(qū)大量的農(nóng)作物秸稈被焚燒,致使土壤肥力逐年降低,農(nóng)田生態(tài)平衡被打破,嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[5- 6]。聶安全等[7]研究表明,水熱資源利用的同步協(xié)調(diào)性可提高水資源的利用率,使土壤環(huán)境改善、生產(chǎn)能力得以提高,是旱地農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。利用秸稈覆蓋技術(shù)不僅可以提高土壤肥力,而且可以抑制土壤水分蒸發(fā),改善土壤供水狀況,提高水分利用效率,最終提高作物產(chǎn)量[8],因而在當(dāng)前乃至今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,秸稈覆蓋是秸稈資源有效利用的方式之一,可有效地促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9- 12]。

近年來,有關(guān)學(xué)者就棉田秸稈覆蓋在不同生態(tài)區(qū)域進(jìn)行了研究,大多數(shù)研究表明秸稈覆蓋可促進(jìn)微生物活動而提高土壤養(yǎng)分含量,抑制土壤蒸發(fā)而提高水分利用率,穩(wěn)定土壤溫度和降低鹽堿危害,提高棉花產(chǎn)量[13- 19]。張金珠等[13]認(rèn)為采用秸稈覆蓋可調(diào)控0—30 cm深度土壤水分和鹽分的變化,抑制土壤鹽分上移。劉冬青等[14- 15]認(rèn)為秸稈覆蓋不僅可以提高土壤肥力,而且提高了棉花生長中后期的葉面積指數(shù),使得葉片功能期延長,光合效率提高,棉花早衰速度減緩和鈴重增加,因而提高了棉花產(chǎn)量。黃國勤等[16]認(rèn)為秸稈覆蓋可使土壤溫度日較差降低,土壤養(yǎng)分含量提高,在棉花葉綠素含量、株高以及生育進(jìn)程等方面占據(jù)優(yōu)勢,是紅壤旱地值得推廣的種植模式。賀歡等[17]研究認(rèn)為秸稈覆蓋可降低土壤溫度、溫度最大日變幅與深度具有很好的相關(guān)性,但對主莖高度的影響不明顯。馮國藝等[18]認(rèn)為免耕條件下地膜與秸稈復(fù)合覆蓋方式顯著影響濱海鹽堿地0—40 cm土層土壤水分和鹽分的運移,從而提高棉花的光合特性和生長發(fā)育。董志勇等[19]認(rèn)為秸稈覆蓋可增加棉花苗期和蕾期的土壤含水量,具有白天降溫、夜間保溫的作用,而促進(jìn)棉花果枝層數(shù)、單鈴重和籽棉產(chǎn)量的增加。這些前人研究只是其在特定區(qū)域條件下的研究結(jié)果,且對秸稈合理覆蓋量或覆蓋厚度的界定研究較少,因此,作者于2008—2010年在具有典型南方紅壤特點的昌北地區(qū)設(shè)置棉田秸稈覆蓋定位試驗,通過田間定位試驗,主要探討秸稈覆蓋量對紅壤旱地棉花生長及土壤溫度的影響,旨在促進(jìn)紅壤旱地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和綜合效益的大幅提高。

1 試驗地概況

試驗在具有典型南方紅壤特點的江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園(115°55′ 02.040″ E,28°46′04.476 ″N原農(nóng)學(xué)院試驗站)進(jìn)行。土壤為紅壤性土亞類,年平均日照時數(shù)為1559.9 h,年平均日照總輻射102.55 kJ/cm2,無霜期大約269 d,年均降雨量1658.9 mm,年均溫度16.5 ℃,≥10 ℃活動積溫為5521 ℃。試驗地為低崗地,無灌溉條件。試驗實施前進(jìn)行翻耕平整,并取樣測定土壤肥力和理化性狀。試驗初始土壤性狀是：土壤容重為1.304 g/cm3,總孔隙度為52.98%,毛管孔隙度為41.55%,有機質(zhì)為29.78 g/kg,全氮為1.34 g/kg,堿解氮為90.00 mg/kg,全磷為1.18 g/kg,有效磷為76.35 mg/kg,全鉀為55.38 g/kg,速效鉀為107.5 mg/kg,pH值為4.75。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)秸稈覆蓋量4個水平：水平1(S1)為不覆蓋(CK),水平2(S2)為覆蓋粉碎稻草4 375 kg/hm2,水平3(S3)為覆蓋粉碎稻草8 750 kg/hm2,水平4(S4)為覆蓋粉碎稻草13 125 kg/hm2。將水稻秸稈自然風(fēng)干后,用秸稈還田粉碎機粉碎,粉碎長度約200 mm。每處理重復(fù)4次,共16個小區(qū),隨機區(qū)組排列,小區(qū)長4 m,寬3 m,面積為12 m2。覆蓋分兩次進(jìn)行：第一次在棉花播種后覆蓋,用40%的量覆蓋在畦面,第二次在棉花起壟后,用60%的量再覆蓋在上面。

供試品種為國審鄂棉20,于4月25日開溝穴播,每穴播3—4粒,行距和株距分別為100 cm和40 cm。試驗施鈣鎂磷肥375 kg/hm2、氯化鉀225 kg/hm2、尿素450 kg/hm2,鈣鎂磷肥全作基肥,氯化鉀和尿素按基肥、苗肥和花鈴肥各占30%、30%和40%施用。其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锕芾怼?/p>

2.2 測定項目及方法

每小區(qū)定點10株,分別于6月15日、6月26日、7月8日、7月18日、7月28日、8月16日和9月15日共7次測定棉花株高；于9月15日調(diào)查棉花的單株成鈴,取平均值。

每小區(qū)隨機選5株棉花,每株取倒4葉,分別于棉花苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期,用SPAD502儀測定相對葉綠素含量,取平均值。

按每小區(qū)實際收獲的棉花量來計產(chǎn)；于棉花吐絮期,每小區(qū)選取棉株中部30鈴,進(jìn)行室內(nèi)考種,測定單鈴重和衣分。

在棉花進(jìn)入苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期的第2—4 d分不同時間點測定不同土層的土壤溫度,于測定日的8:00、14:00和20:00測定0—5 cm、5—10 cm、10—15 cm、15—20 cm土層溫度,最終數(shù)據(jù)取3 d平均值。在開始測定前1天埋下土壤地溫計,使其適應(yīng)土壤溫度。

2.3 統(tǒng)計方法

連續(xù)3年試驗測定數(shù)據(jù)趨勢一致,本文以2010年測定數(shù)據(jù)為例。采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同秸稈覆蓋量對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

將2009年、2010年和2011年各試驗處理的產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成數(shù)據(jù)列于表1,由表1可知,稻草覆蓋處理可增加棉花產(chǎn)量,2009年S2、S3和S4的籽棉產(chǎn)量分別比S1高13.0%、47.1%和49.8%,2010年S2、S3和S4分別比S1高11.4%、35.9%和37.7%,2011年S2、S3和S4分別比S1高18.6%、37.6%和43.0%,覆蓋處理極顯著高于不覆蓋處理(P<0.01),且在本試驗的用量范圍內(nèi)隨著覆蓋量的增加,增產(chǎn)幅度提高,S3和S4之間差異不顯著,但它們均極顯著高于S2(P<0.01)；鈴數(shù)與籽棉產(chǎn)量的趨勢一致,2009年不同覆蓋處理S2、S3和S4鈴數(shù)分別較S1增加11.5%、60.4%和66.1%,2010年S2、S3和S4較S1增加32.8%、79.3%和84.0%,2011年,S2、S3和S4分別較S1增加21.8%、69.4%和73.4%,均極顯著高于S1(P<0.01)；年際間各處理產(chǎn)量之間差異不明顯,保持較好的穩(wěn)定性；秸稈覆蓋量對鈴重和衣分兩個主要產(chǎn)量性狀的作用不明顯,各處理之間差異均未達(dá)到顯著水平。

表1 不同秸稈覆蓋量對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

同列數(shù)據(jù)后大寫字母表示1%的顯著水平,小寫字母表示5%的顯著水平

3.2 不同秸稈覆蓋量對棉花出苗率和株高的影響

將各處理調(diào)查的出苗率和株高平均值列于表2,經(jīng)方差分析結(jié)果表明,秸稈覆蓋的S2、S3和S4處理的出苗率分別較S1高21.5%,28.1%和24.1%,S2、S3和S4與S1之間存在極顯著差異(P<0.01)；而S2、S3和S4之間差異不顯著。由于覆蓋改變了土壤性狀(如板結(jié)),影響了來年的棉花出苗,因而覆蓋較不覆蓋可明顯提高棉花出苗率,但不表現(xiàn)出隨著覆蓋量增加出苗率更好,本試驗以S3較好,對覆蓋量多的S4處理出苗率反而低于S3的原因有待于進(jìn)一步研究。

從表2可以看出,隨著調(diào)查時間的延后或生育進(jìn)程的推進(jìn),各處理株高呈不斷增加的趨勢,在9月15日達(dá)到最高值。6月15日稻草覆蓋S4處理的株高極顯著(P<0.01)高于不覆蓋S1處理,高25.7%,雖然S2、S3處理的株高也高于S1,但差異不顯著。時至6月26日和7月8日,高覆蓋量的S4處理也極顯著(P<0.01)高于S2和S3處理,分別42.4%和44.7%,45.4%和42.4%,但S1處理的株高增長很快,反而高于S2和S3處理,且S4與S1之間差異不顯著；7月18日各處理之間株高的差異均不明顯；7月28日,S4的株高極顯著(P<0.01)高于S1和S2,但其與S3之間差異不顯著；8月16日和9月15日,S4的株高顯著(P<0.05)高于S1和S2,還是與S3之間差異不顯著。這說明秸稈覆蓋具有調(diào)節(jié)土壤溫度的作用,使棉株生長受溫度的抑制作用小,而株高生長較快,且以覆蓋量多的處理對促進(jìn)主莖生長具有較明顯的優(yōu)勢。

3.3 不同秸稈覆蓋量對棉花葉綠素含量(SPAD)的影響

對各處理棉花不同生育時期的主莖倒四葉的葉綠素含量測定結(jié)果列于表3,從中可以看出,不同生育期之間,各處理均是隨著生育時期的推進(jìn)呈逐漸上升趨勢,在花鈴期達(dá)到峰值,吐絮期葉片逐漸衰老,葉綠素含量也所下降,但S4處理一直沒有下降；不同覆蓋量之間,4個生育時期均是隨著稻草秸稈覆蓋量的增多而增加,且在花鈴期覆蓋處理與不覆蓋處理間存在極顯著差異(P<0.01),吐絮期覆蓋處理與不覆蓋處理間存在顯著差異(P<0.05)。通過以上分析得出：稻草覆蓋量在13 125 kg/hm2可明顯促進(jìn)苗期、花鈴期和吐絮期棉花葉綠素含量的增加；覆蓋量在8 750和13 125 kg/hm2時對花鈴期棉花葉綠素含量有較大提升,有利于棉株光合效率的提升和棉花產(chǎn)量的增加。

表2 不同秸稈覆蓋量對棉花出苗率和株高的影響

表3 不同秸稈覆蓋量對棉花葉綠素含量(SPAD)的影響

3.4 不同秸稈覆蓋量對土壤溫度的影響

由表4可知,苗期0—5 cm土層,8:00除S4與對照(S1)相當(dāng)外,S2和S3地溫較S1均提高0.5 ℃,而14:00 S2、S3和S4較S1地溫降低了2.8 ℃、3.5 ℃和6.5 ℃,在20:00,S2、S3和S4的降溫幅度在1.4—4.2 ℃,較S1低2.5 ℃—5.3 ℃?；ㄢ徠?—5 cm土層, S2、S3和S4在8：00地溫均高于S1,分別比S1高0.9 ℃、1.0 ℃和1.1 ℃,而14:00,除S2高于S1 0.3 ℃外,S3和S4分別比S1低2.2 ℃和3.3 ℃,20:00,除S2外,S3和S4降溫幅度較S1低1.6 ℃和2.5 ℃。吐絮期,0—5 cm土層,8:00秸稈覆蓋處理較S1提高0.9—1.5 ℃,14:00除S2高于S1 1 ℃,S3和S4分別較S1低0.9 ℃和1.1 ℃,而20:00 除S2外,S3和S4降溫幅度較S1降低1.7—2.1 ℃。此外,秸稈覆蓋各處理的地溫日較差與覆蓋量成反比,苗期0—5 cm,變化幅度為4.5—7.7 ℃,較S1低3.3—6.5 ℃,降低幅度為30.0%—59.1%,差異極顯著(P<0.01)；花鈴期0—5 cm 的日地溫變化幅度為5.0—8.6 ℃,較S1低0.7—4.3 ℃,降低幅度為7.5%—46.2%,差異顯著(P<0.05)；吐絮期0—5 cm 的日地溫變化幅度為3.6—6.0 ℃,較S1低0.1—2.5 ℃,降低幅度為1.6%—41.0%,差異顯著(P<0.05)。

隨著土層深度的增加,秸稈覆蓋處理的調(diào)溫作用有逐漸減弱的趨勢。苗期5—10 cm土層,秸稈覆蓋處理的地溫日較差較S1低2.4—5.4 ℃,降低幅度為29.3%—65.9%；而在10—15 cm土層覆蓋較S1低2.1—3.5 ℃,降低幅度為36.2%—60.3%；在15—20 cm土層日較差較S1低1.7—2.4 ℃,降低幅度為38.6%—54.5%?；ㄢ徠?5—10 cm土層,秸稈覆蓋處理的地溫日較差較S1低2.2—4.2 ℃,降低幅度為27.2%—51.9%；而在10—15 cm土層覆蓋較S1低1.2—2.1 ℃,降低幅度為25.0%—43.8%；在15—20cm土層日較差較S1低僅0.8—1.6 ℃,降低幅度為21.6%—43.2%。吐絮期5—10 cm土層,秸稈覆蓋處理的地溫日較差較S1低1.2—2.4 ℃,降低幅度為24.5%—44.9%；而在10—15 cm土層覆蓋較S1低0.7—1.0 ℃,降低幅度為24.1%—34.5%；在15—20cm土層日較差較S1低僅0.3—0.6 ℃,降低幅度為14.3%—28.6%。將3個生育時期土壤溫度日較差的平均值與土壤深度擬合為二次多項式形式(表5),相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9828以上。

表4 不同秸稈覆蓋量對不同時間不同土層深度地溫的影響/℃

表5 不同深度土層土壤溫度變化特征

4 討論

鄭曙峰等[20]研究認(rèn)為,秸稈覆蓋的降溫作用,可減少高溫脅迫對棉花生長的抑制作用,長勢優(yōu)于對照；馬宗斌等[21]研究認(rèn)為,秸稈覆蓋可促進(jìn)夏棉主莖的生長,有利于夏棉在較短的時期內(nèi)搭起豐產(chǎn)的架子；賀歡等[17]認(rèn)為秸稈覆蓋在棉花生長發(fā)育過程中并不能有效促進(jìn)棉花主莖的生長,前期尤為明顯,故秸稈覆蓋不宜在棉花生長前期進(jìn)行。本研究也有類似的結(jié)論,7月18日之前,除6月15日外,秸稈覆蓋各處理的株高較對照差異不顯著,但7月28日之后,株高增長較快,且覆蓋量多的處理對促進(jìn)主莖生長具有較明顯的優(yōu)勢。

鄭曙峰等[22]、王翠玉等[23]研究認(rèn)為棉田秸稈覆蓋可以促進(jìn)棉苗早發(fā),提高出苗率,增加單株成鈴,最終使棉花增產(chǎn)。張向前等[24]在玉米田秸稈覆蓋研究認(rèn)為,秸稈覆蓋雖可增加玉米的產(chǎn)量,但覆蓋量不宜過多,否則增產(chǎn)效益不大。本研究發(fā)現(xiàn),秸稈覆蓋各處理的出苗率均高于對照,平均較對照高24.6%,但覆蓋量的多少對出苗率影響沒有明顯的趨勢；隨著稻草覆蓋量的增加棉花鈴數(shù)也隨之增加,從而提高棉花產(chǎn)量,但覆蓋量高到8750 kg/hm2以后,增產(chǎn)幅度不會再增加,秸稈量為8750—13125 kg/hm2的增產(chǎn)效果最為顯著,且連續(xù)3年的數(shù)據(jù)表明,稻草覆蓋各處理年際間產(chǎn)量差異不顯著,表明了秸稈覆蓋的穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)勢。

秦鴻德等[25]和李銀平等[26]指出,葉綠素是葉片光合作用的主要物質(zhì)基礎(chǔ),也是葉片功能持續(xù)期長短的重要標(biāo)志。葉綠素含量高在一定程度上能使葉片光合速率得到改善,繼而使作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高[16,27]。黃國勤等[14]研究指出,紅壤旱地棉田秸稈覆蓋與不覆蓋處理的葉綠素含量均呈先上升后下降的趨勢；張向前等[28]認(rèn)為,適宜的秸稈覆蓋量可顯著增加玉米葉綠素含量,但當(dāng)秸稈覆蓋水平增加到一定程度,不同秸稈覆蓋量之間差異不再明顯。本研究結(jié)論與前人觀點相似：各處理棉花主莖倒四葉片葉綠素含量在苗期—花鈴期呈上升的趨勢,而在花鈴期—吐絮期逐漸下降；各生育時期的葉綠素含量隨著稻草秸稈覆蓋量的增多而增加,覆蓋量在8 750和13125 kg/hm2效果較好。

地表是大氣與土壤熱量交換的界面,地表溫度的高低直接受氣溫變化的影響[29]。土壤是根系的重要生長環(huán)境,土壤溫度影響著根系對水分、空氣、礦物質(zhì)等元素的吸收,是植物生長發(fā)育過程中不可缺少的重要生態(tài)因子之一[30],土壤空氣和土壤水分也與土壤溫度有密切相關(guān)。黃國勤等[16]認(rèn)為棉田使用秸稈覆蓋可有效降低日極端高溫,且降低幅度隨外界溫度降低有所減緩,起到增溫保墑、抵御夏季高溫脅迫作用。蘇偉等[31]和楊濱娟等[32]研究表明,秸稈覆蓋可有效調(diào)節(jié)地溫,且調(diào)溫作用隨著土層深度的增加呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。梁歡等[17]研究得出土壤深度與不同層次土壤溫度的最大變幅呈對數(shù)函數(shù)形式,且具有較高的相關(guān)性。本試驗結(jié)果與以上結(jié)論基本一致,8:00外界氣溫較低,秸稈覆蓋后較對照地溫有所提升,14:00,秸稈覆蓋處理地溫較對照有所降低,20:00外界氣溫逐漸降低,秸稈覆蓋處理較對照降低幅度有所減緩,且S3和S4處理表現(xiàn)較好；從地溫日較差分析可以看出,秸稈覆蓋處理的日地溫變換幅度均低于對照處理,差異顯著；地溫日較差隨覆蓋量的增加而降低；隨著土層深度的增加,秸稈覆蓋地溫日較差與對照差距逐漸減少,調(diào)溫作用逐漸減弱；將苗蕾期、花鈴期和吐絮期土壤溫度日較差的平均值與土壤深度擬合為二次多項式函數(shù)形式,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98以上,這對預(yù)測耕作層不同土層溫度日變幅很有幫助。

5 結(jié)論

本研究認(rèn)為,秸稈覆蓋與不覆蓋相比,對于提高棉花出苗率、提高主莖生長速度、葉綠素含量及合理調(diào)節(jié)土壤溫度方面有較好的促進(jìn)作用。一是秸稈覆蓋各處理的出苗率均極顯著(P<0.01)高于對照；二是秸稈覆蓋處理在覆蓋期內(nèi)具有調(diào)節(jié)地溫作用,在8:00和20:00提高土壤表面溫度,在14:00降低土壤表面溫度,使棉株生長受高溫或低溫脅迫小,從而增加株高優(yōu)勢明顯,但隨著土層深度的增加,秸稈覆蓋處理的調(diào)溫作用逐漸減弱；三是生育時期稻草覆蓋處理的葉綠素含量較對照均有所增加,且與覆蓋量的多少成正比,但蕾期不明顯；四是秸稈覆蓋處理可顯著增加棉花產(chǎn)量,且增產(chǎn)幅度隨覆蓋量的增加而提高。綜合來看,將水稻收獲后的秸稈,粉碎成約200 mm長的秸段分兩次均勻覆蓋在紅壤旱地棉花地塊,秸稈覆蓋量在8 750—13 125 kg/hm2既有利于棉花生產(chǎn),又能減少秸稈焚燒帶來的環(huán)境污染、提高資源利用率,是紅壤旱地棉田值得推廣的栽培措施,但此研究時間較短,應(yīng)加強在紅壤旱地的長期定位試驗研究,尤其是覆蓋種植對棉花生長動態(tài)的影響機制方面進(jìn)行全面、深入研究。

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