間作條件下不同覆蓋方式對玉米品質的影響及綜合效益評價

方旭飛， 王麗學， 張鐘莉莉， 趙朔毅

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，遼寧沈陽 110866； 2.北京農(nóng)業(yè)信息技術研究中心，北京 100097)

目前農(nóng)田水土流失、缺水干旱和生態(tài)環(huán)境退化已經(jīng)成為制約世界農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要原因，同時由于自然災害以及人類耕作方式的不當對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害也正日益加劇。保護性耕作已成為目前世界上應用最廣、效果最好的一項旱作農(nóng)業(yè)技術，因此越來越受到世界各國的關注[1]。保護性耕作是以減輕水土流失和保護土壤與環(huán)境為主要目標，采用保護性種植制度和配套栽培技術形成的一套完整的農(nóng)田保護性耕作技術體系，包括免耕技術、秸稈覆蓋技術和地膜覆蓋技術等具體內(nèi)容[2-4]。李洪勛等研究表明，秸稈覆蓋作為一種強化土壤有機質積累、調(diào)節(jié)土壤溫度和水分的農(nóng)藝措施已被廣泛應用，尤其在玉米增產(chǎn)方面取得較好效果。適宜的秸稈覆蓋還田不僅能夠改善土壤的肥力狀況，提高作物根系活力，而且能為作物生長發(fā)育提供有利條件，從而實現(xiàn)作物的優(yōu)質高產(chǎn)[5]。杜社妮等分析了玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應，結果表明地膜覆蓋能夠改善農(nóng)田的生長環(huán)境，可以使生態(tài)發(fā)生復雜的變化，在作物的反季節(jié)同樣能夠種植。地膜覆蓋還能夠起到節(jié)水、調(diào)控土壤溫度、改善土壤性狀及改善農(nóng)產(chǎn)品品質等作用，并且在農(nóng)作物增產(chǎn)等方面已取得實效[6]。同時大量研究表明，合理間作不僅可以充分利用光、溫、水等養(yǎng)分資源，還可以有效防治病蟲害，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對化肥農(nóng)藥的依賴，進而在降低生產(chǎn)成本和減輕環(huán)境污染的基礎上實現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，達到經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。間作中由于2種作物所占據(jù)的地上部和地下部生態(tài)位發(fā)生了分離，在時間生態(tài)位和空間生態(tài)位上互補擴大，從而使地上部的光、熱和地下部的營養(yǎng)資源在時間上前后分離、在空間上互補擴大，實現(xiàn)資源最大限度的利用。玉米和豆科作物間作是我國北方普遍實施的一種重要種植方式，與單作相比，玉米的產(chǎn)量和品質都會有較大改善[7]。間作對作物產(chǎn)量和品質的影響主要源于作物系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境和土壤環(huán)境的改變[8-13]。本研究通過間作條件下不同覆蓋方式對玉米的品質影響以及最優(yōu)種植效益模式的適用性評價，以期為東北旱地玉米覆蓋技術和種植模式的完善與改進提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

本試驗于2016年5—10月在沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院綜合試驗基地進行。該基地位于東北地區(qū)南部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，四季分明。年均氣溫為8.0 ℃，年平均降水量為749.3 mm，年蒸發(fā)量為1 282.3 mm，6—9月為降水集中期，其降水量約占全年的59.5%，平均徑流深為 403.4 mm，土壤以草甸土為主，該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水源以天然降水為主。

1.2 試驗設計

本試驗玉米品種為聯(lián)達288，大豆品種為開創(chuàng)14。2015年秋季玉米收割后開始試驗，2016年5月初開始播種。整個生育期以天然降水為主，其中降水集中在7月中旬。該試驗包括傳統(tǒng)耕作玉米(CM)、傳統(tǒng)耕作玉米/大豆(CI)、秸稈覆蓋耕作玉米(JM)、秸稈覆蓋耕作玉米/大豆(JI)、地膜覆蓋耕作玉米(DM)、地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)6種處理，具體處理見表1。每個處理3個重復，共18個小區(qū)，每個小區(qū)面積為3 m×6 m。其中玉米單作的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，玉米的種植密度5.67萬/hm2；玉米間作大豆的玉米行株距為0.5 m×0.35 m，大豆種植在玉米的壟溝內(nèi)，大豆行株距為0.6 m×0.3 m，大豆的種植密度5.56萬/hm2。

1.3 測定方法與內(nèi)容

粗灰分含量采用灰化法測定；粗蛋白含量采用凱氏定氮法的消化方式測定；粗淀粉含量采用旋光法測定；含水量采用玉米水分測定儀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對試驗數(shù)據(jù)進行整理，統(tǒng)計分析與綜合評價采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件。

表1 試驗處理操作方法

2 結果與分析

2.1 間作條件下不同覆蓋方式對玉米品質的影響

由圖1可以看出，間作處理下玉米的粗蛋白和粗淀粉的含量較單作增加，而玉米粗灰分含量和含水量較單作減少。玉米粗蛋白和粗淀粉含量的大小順序均為DI>DM>JI>JM>CI>CM， 玉米粗灰分含量的大小順序為CM>CI>JM>JI>DM>DI，玉米含水量的大小順序為CM>CI>DM>JM>JI>DI。其中同一覆蓋方式下，JI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較JM分別增加12.54%、3.47%，JI的玉米粗灰分含量和含水量較JM分別減少5.19%、10.95%；DI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較DM分別增加10.11%、2.64%，DI的玉米粗灰分含量和含水量較DM分別減少7.20%、13.33%；CI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量較CM分別增加16.89%、2.85%，CI的玉米粗灰分含量和含水量較CM分別減少4.90%、6.88%。表明覆蓋和間作能使玉米的粗蛋白和粗淀粉含量增加，使含水量和粗灰分含量降低，從而達到能提高玉米品質的作用。

2.2 綜合效益評價

應用綜合統(tǒng)計分析，從試驗數(shù)據(jù)的各個方面選取7個有代表性的指標進行因子分析，然后轉變?yōu)楦鱾€指標的權重系數(shù)，再根據(jù)相關公式計算出不同處理的綜合適用性指數(shù)(CAI)，最后通過對不同處理的效益進行綜合評價，得出玉米最優(yōu)種植效益模式。具體步驟如下。

2.2.1 因子的選取 根據(jù)試驗結果可知，土壤的含水量和溫度、植株的株高、葉片水分利用率、玉米粗蛋白含量、玉米的產(chǎn)量和純經(jīng)濟效益存在著一定的差異，因此選取這7個評價指標，對其進行綜合適用性指數(shù)評價。

土壤含水量(%)：玉米整個生育期各處理在0～60 cm處土壤含水量的平均值；土壤溫度(℃)：玉米全生育期各處理在0～25 cm處土壤溫度的平均值；葉片水分利用率(μmol/mmol)：各處理灌漿期葉片水分利用率的平均值；株高(cm)：玉米的株高、莖粗、葉面積在一定程度上呈現(xiàn)為正相關關系，因此可以選取玉米全生育期的株高平均值作為代表；玉米粗蛋白含量(%)；產(chǎn)量(kg/hm2)；純效益(元/hm2)。

根據(jù)試驗地實際情況，對各處理的成本和純效益進行計算。在計算中，各項費用都以hm2為單位，其中成本費用分為兩大部分(材料費和人工費)，具體如種子、農(nóng)藥、肥料等農(nóng)化原料費，試驗期間的電費以及整地、播種、除草、施肥、打農(nóng)藥、管理、收獲等人工費。其中，秸稈覆蓋所使用的玉米秸稈由于可以使用上一年的秸稈，故不計算為材料成本，而地膜覆蓋所使用的地膜應包含在材料費用之中。土地的管理和整理及農(nóng)藥的使用等應包含在人工費中，其中在人工費用方面間作費用要高于單作，而農(nóng)業(yè)純效益為農(nóng)業(yè)毛效益與總支出之差。具體細節(jié)如表2所示。

綜上所述，各因子初始值見表3。

表2 各處理的成本和純經(jīng)濟效益

注：玉米、大豆單價分別為1.01、2.46元/kg。

表3 各處理的各個因子的初始值

2.2.2 因子分析結果 對表3中各因子的初始值進行因子分析，其中在提取2個公因子后，公因子的累積貢獻率可以達到90.966%，即2個公共因子可以解釋約91%的總方差，故滿足要求。由計算結果可知，這7個變量的共性方差(KMO值)全大于0.5，而且都在0.7以上，有的甚至接近于1，說明因子分析的效果很好。巴特利特球度檢驗值P=0.012<0.05，故拒絕原假設相關系數(shù)矩陣為單位矩陣，說明變量間存在線性相關，即適合作因子分析。由相關系數(shù)矩陣、反映像相關矩陣、巴特利特球度檢驗、KMO檢驗的分析結果可知，大部分因子的相關系數(shù)都很高，線性關系較強，則說明適合因子分析，可以提取公因子。故表示提取的2個公因子能夠很好地反映原始變量的主要信息，可以將公共因子方差折算為權重系數(shù)。因子分析應用在評價指標權重確定中，通過主成分分析法得到的各指標的公因子方差，其值大小表示該項指標對總體變異的貢獻，權重系數(shù)等于各個公共因子方差占其總和的百分數(shù)。公共因子方差及權重系數(shù)見表4。

表4 各處理的各個因子的公共因子方差和權重系數(shù)

2.2.3 各處理的綜合適用性指數(shù) 首先通過相關系數(shù)法將各因子量綱歸一化，轉換函數(shù)如下：

式中：X*表示各影響因子指標的隸屬度值；Xi表示各影響因子指標的原始值；(Xi)max和(Xi)min分別表示第i項影響因子指標中的最大值和最小值。根據(jù)該函數(shù)和表4計算各影響因子指標的隸屬度值見表5。

表5 各處理的各個因子的隸屬度值

然后根據(jù)因子分析中各影響因子指標的公因子方差值確定其權重系數(shù)，最后根據(jù)下面公式計算不同農(nóng)藝措施的綜合適用性指數(shù)(CAI)：

式中：Ki為各影響因子的權重系數(shù)；X*為各因子指標的隸屬度。根據(jù)該公式計算出各處理的綜合適用性指數(shù)為表中最后一列，計算結果見表6。

由表6計算結果可知，CM、CI、JM、JI、DM、DI各處理的綜合適用性指數(shù)由小到大依次為0.141、0.275、0.393、0.610、0.648、0.825，表明覆蓋和間作都能使其綜合適用性指數(shù)提高，而地膜覆蓋條件下玉米間作大豆(DI)的值最大，即為最優(yōu)種植效益模式。

表6 各處理的各個因子的綜合適用性指數(shù)

注：綜合適用性指數(shù)的權重系數(shù)為1.000。

3 結論

本研究表明覆蓋和間作能使玉米的粗蛋白和粗淀粉含量增加，使含水量和粗灰分含量降低，從而達到能提高玉米品質的作用。覆蓋和間作都能使其綜合適用性指數(shù)提高，而地膜覆蓋條件下玉米間作大豆(DI)的值最大。綜上所述，秸稈覆蓋和地膜覆蓋方式具有良好蓄水保墑作用，并提供適宜水熱條件，同時玉米間作大豆模式能充分地利用土地、光照、水分和其他資源，因此地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)是本研究條件下最適宜的覆蓋種植模式。

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