王同朝， 李小艳， 李 仟， 王和洲， 高国华， 关小康

(1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450002；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453003；3.叶县农业技术推广中心，河南 叶县 467200)

中国是世界上13个严重缺水国家之一[1]，农业用水占总用水量的60%～80%，农田灌溉水的利用率平均仅为45%左右[1]，但粮食耗水量却是发达国家的4倍[3]，因此在有限的水资源条件下通过土壤水分调控提高水分利用效率及作物产量已成为中国农业生产面临的重要问题.土壤水分状况是影响作物生长发育的主要环境因子[4,5]，其直接影响作物的产量、品质和水分利用等[6,7].研究表明，秸秆覆盖能够蓄水保墒，降低土壤水分无效蒸发[8]，调节土壤水、肥、气、热等状况[9]，培肥地力、抑制盐分表层积累[10]、提高夏玉米产量[11，12]和水分利用率[13]，是中国北方旱作农业持续稳定发展的有效措施之一[14].解文艳等[15]通过长期定位试验研究发现，不同降水年型和秸秆还田方式对春玉米产量和水分利用率有很大的影响，秸秆覆盖还田秋施肥对偏旱年份(降水量比多年平均值减少10%～30%)的增产及水分利用效率提高效果尤为突出.强小曼等[16]对不同水分处理下液膜覆盖对夏玉米的生长进行了研究，认为低水分条件下液膜增产率达56.97%，产投比为1.695，增产效果最好.张俊鹏等[17]和刘祖贵等[18]对不同水分条件下地膜覆盖、秸秆覆盖、无覆盖处理对夏玉米生长、灌浆特性、产量及水分利用效率的研究均认为，65%田间持水量条件下秸秆覆盖处理产量及水分利用效率增幅均最大.前人研究多集中在自然条件下不同覆盖材料的生态环境改善和作物增产效应以及不同水分处理下不同覆盖的单因素研究分析，而结合棵间蒸发、作物光合作用等系统研究秸秆覆盖和水分调控的交互作用对夏玉米产量及水分利用效率影响的报道较少.本试验在防雨棚测坑系统研究了秸秆覆盖和土壤水分调控互作对夏玉米棵间蒸发量、耗水量、水分利用效率、产量的影响，以期提高资源利用率，优化水分管理，为夏玉米节水高产提供科学依据.

1 材料与方法

1.1试验地概况

本试验于2012-06-09在中国农业科学院农田灌溉研究所商丘试验站防雨棚测坑内进行.试验地位于东经115°33′，北纬34°34′.多年平均降水量708 mm，年蒸发量1 735 mm，年平均气温13.9 ℃，≥0 ℃积温4 723 ℃以上，无霜期206 d左右.全年可照时数4 430.8 h，实照时数2 508.8 h，日照百分率为55%，太阳总辐射量达4 823 MJ·m-2·a-1.试验地为弱碱性土壤，秸秆覆盖和不覆盖0～40 cm平均容重分别为1.34 g·cm-3，1.31 g·cm-3，平均比重分别为2.65 mg·m-3，2.64 mg·m-3.不同覆盖处理土壤基础养分如表1，表1中秸秆覆盖处理的养分含量高于秸秆不覆盖处理，这是秸秆覆盖连续几年的累积效应.

表1 试验地基础养分

1.2试验处理设计及种植管理

本试验采用两因素裂区试验设计，主区为秸秆处理(秸秆覆盖和不覆盖，以下分别用T和T0表示)，副区为水分处理(分别为50%，60%，70%，80%田间持水量，以下分别用W1，W2，W3，W4表示)，共8个处理，每处理3次重复，共24个小区，每小区面积6.0 m2(3 m×2 m).秸秆覆盖处理：冬小麦收获后，将粉碎的小麦秸秆和根茬全部均匀覆盖还田(9 000 kg·hm-2)；秸秆不覆盖处理：将地表秸秆和根茬全部清出.设定水分处理为灌水下限，每次灌水量为设定水平+20%田间持水量.夏玉米关键生育时期测定土壤含水量并计算灌水量，灌水计划湿润层深度：拔节前为0.4 m，拔节至抽雄期间为0.6 m，抽雄以后为0.8 m.水分处理阶段灌水量依据公式(1)计算.因测坑填土时上下基本一致，拔节期后土壤水分计算用0～40 cm容重.

M=0.1×h×p×(30×Xi-V0/p)

(1)

式中：M为灌水量(mm)；h为土层厚度(cm)；p为土壤容重(g·cm-3)；30为0～80 cm田间持水量(M/%);Xi为设置的土壤水分控制水平(Xi=50%，60%，70%，80%);V0为灌溉前土壤含水量(%).灌水时期及灌水量如表2所示.

表2 不同处理灌水时期及灌水量

供试夏玉米品种为郑单958，等行距种植，行距55 cm，株距24.2 cm，种植密度7 5000株·hm-2.2012-05-31播种，2012-09-24收获.夏玉米全生育期施纯氮300 kg·hm-2，在拔节期和大喇叭口期按3 ∶7分期开沟追施，拔节期施肥用复合肥(N-P2O5-K2O：30-6-0)，大喇叭口期追施尿素(总氮≥46.4%)，其他管理同一般大田.

1.3测量指标和方法

1.3.1 土壤水分 用TRIME(TRIME-FM, IMKO, Ettlingen, DE, Germany)测定土壤剖面水分，在夏玉米播前、苗期、拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期分别测定24个小区土壤体积含水量(%)，测定深度为0～140 cm，垂直测定间隔为20 cm，计算夏玉米不同生育时期灌水量(mm)以及全生育期耗水量(mm).

1.3.2 棵间蒸发 棵间蒸发用Micro-Lysimeter(MLS)直接测定.MLS由薄铁皮做成，外筒高12 cm、口径12 cm，内筒高10 cm、口径10 cm，将外筒与地面平行埋于夏玉米行间，内筒装满原状土后置于外筒内，内筒底部用塑料薄膜封口，每天更换1次原状土(同一小区).在夏玉米苗期、拔节期、灌浆初期、灌浆中期、成熟期内均选2 d测定，每天18:00用精度为0.01 g的台秤称其质量，前后2 d所测质量之差视为夏玉米田日棵间蒸发量(Ed).

1.3.3 光合参数 在夏玉米的灌浆期，选择晴朗天气上午9:00～10:00采用Li-6400便携式光合仪(LI-COR Inc., Lincoln, NE, USA)分别定株测定穗位叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)等光合参数.

1.3.4 产量及其构成因素 夏玉米生理成熟后按小区分别全部收获，脱粒晒干(子粒含水率14%)折算为单产(kg·hm-2).每小区随机选取10穗进行考种，主要测定穗粗(cm)、穗长(cm)、行粒数(粒)、百粒重(g)等.

1.3.5 水分利用效率 单叶水分利用效率[Leaf Water Use Efficiency，WUEL/(μmol·mmol-1)]计算如公式(2)所示.产量水平水分利用效率[Water Use Efficiency，WUE/(kg·hm-2·mm-1)]如公式(3)所示.

WUEL=Pn/Tr

(2)

WUE=Y/ET

(3)

式中：Pn为净光合速率(μmol·m-2·s-1);Tr为蒸腾速率(mmol·m-2·s-1);Y表示子粒产量(kg·hm-2);ET表示全生育期耗水量(mm).

2 结果与分析

2.1不同处理对夏玉米棵间蒸发量的影响

由表3可知，秸秆覆盖对夏玉米4个生育时期棵间蒸发量(Ed)的影响均达到极显著水平，水分调控除对拔节期Ed影响不显著外，对其余各个生育时期Ed影响皆达到极显著水平，而秸秆覆盖和水分调控的交互作用除对拔节期和成熟期影响不显著外，对其余3个生育时期Ed影响达到显著水平.在相同水分处理下，同一生育时期秸秆不覆盖处理的夏玉米Ed显著高于秸秆覆盖处理(P<0.05).秸秆不覆盖处理夏玉米Ed在苗期、拔节期和成熟期均表现为处理W2>W4>W1>W3，且苗期各水分处理间存在显著性差异；灌浆期则随着水分调控水平的提高先增加后减少，处理W3处理的Ed最大，显著高于其他处理.在苗期、拔节期、成熟期，W2处理Ed均最大，这与表层土壤水分含量和夏玉米长势等密切相关.秸秆覆盖处理Ed在夏玉米苗期和拔节期各水分处理间差异均不显著，其他时期与不覆盖处理对应时期表现趋势一致.在夏玉米苗期，由低到高4个水分处理下秸秆覆盖Ed比秸秆不覆盖分别减了少279.52%，322.72%，192.88%，210.31%，达到显著差异(P<0.05)，灌浆期之后减少幅度分别为0.00%～50.00%，25.00%～38.89%，50.00%～62.50%，13.49%～86.67%，说明了秸秆覆盖对夏玉米生育前期的覆盖效果优于后期，在夏玉米生育前期对低水分处理的覆盖效果优于高水分.

表3 不同处理对夏玉米棵间蒸发量的影响

2.2不同处理对夏玉米耗水量及产量水分利用效率的影响

由表4可知，秸秆覆盖和水分调控对夏玉米全生育期耗水量(ET)及产量水平水分利用效率(WUE)的影响皆达到显著水平，而秸秆覆盖和水分调控的交互作用对其影响皆不显著.在相同覆盖模式下，夏玉米全生育期ET随着土壤水分调控水平的提高而增加，且不同水分处理间ET差异显著，说明土壤水分能够显著影响夏玉米全生育期ET.由低到高4个水分调控下秸秆覆盖ET比不覆盖的分别低20.18%,18.53%,21.88%和17.63%，达到显著水平(P<0.05)，说明了秸秆覆盖能显著减少夏玉米全生育期ET.在相同覆盖模式下，夏玉米产量WUE随着水分调控水平的提高而降低.在秸秆不覆盖条件下，W4水分处理WUE显著低于W1水分处理的14.6%，与W2和W3水分处理间差异不显著，说明高水分处理不能显著增加夏玉米WUE.秸秆覆盖条件下，W1和W3水分处理WUE显著高于W2和W4水分处理的.由WUE增加率可知，由低到高4个水分处理下秸秆覆盖WUE比秸秆不覆盖分别高35.32%,33.74%,51.88%和29.69%，各水平处理间差异显著(P<0.05)，W3水分处理下的WUE增幅最大，说明秸秆覆盖能够显著提高夏玉米产量WUE，在W3水分处理下秸秆覆盖效果最好.

2.3不同处理对夏玉米光合参数及单叶水分利用效率的影响

由表5可知，秸秆覆盖和水分调控对灌浆期净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、单叶水分利用率(WUEL)的影响皆达到显著水平，秸秆覆盖和水分调控的交互作用除对灌浆期Pn影响不显著外，对灌浆期Tr,Gs和WUEL的影响皆达到显著水平.秸秆不覆盖条件下，夏玉米Pn，Tr，Gs皆随着水分调控水平的提高而提高，WUEL随着水分调控水平的提高而降低.W2，W3，W4水分处理间Pn无显著性差异，但分别显著高于W1水分处理9.35%，9.15%，14.23%；W2和W3水分处理间Tr无显著性差异，其他水分处理间差异显著；W1和W2水分处理间Gs无显著性差异，其他水分处理间差异显著，说明了水分调控有利于改善夏玉米灌浆期的光合能力.秸秆不覆盖条件下，夏玉米Pn和Gs随着水分调控水平的提高呈抛物线型增加，在W3水分处理下达到最大，Tr则随着水分调控水平的提高而增加线性增加，而WUEL表现趋势与秸秆不覆盖条件下基本一致.由低到高4个水分处理下，秸秆覆盖处理夏玉米Pn，Tr和Gs分别高出不覆盖处理6.98%，7.59%，8.90%，1.74%；66.11%，52.75%，52.28%，-6.25%和36.07%，25.78%，15.09%，-8.23%，WUEL低于秸秆不覆盖处理35.60%，29.49%，29.25%，-8.54%.Pn，Tr和WUEL除W4水分处理外，其他对应水分处理间差异皆达到显著水平，Gs除W1水分处理外，其他对应水分处理间差异达到显著水平.以上说明了秸秆覆盖和水分调控对夏玉米光合参数有显著改善作用，且在W3水分处理下秸秆覆盖较不覆盖夏玉米Pn的增加幅度最大，更有利于夏玉米达到高产.

表4 不同处理对夏玉米耗水量及产量水分利用率的影响

表5 不同处理对夏玉米光合参数及单叶水分利用率的影响

2.4不同处理对夏玉米产量及穗部性状的影响

由表6可知，秸秆覆盖处理对夏玉米产量构成因素及产量的影响皆达到显著水平，水分调控除对夏玉米百粒重的影响未达到显著水平外，对夏玉米其他产量构成因素及产量的影响皆达到显著水平，而秸秆覆盖和水分调控的交互作用除对夏玉米穗粗和百粒重的影响未达到显著水平外，对夏玉米穗长、行粒数和产量的影响皆达到显著水平.在相同覆盖模式下，随着水分调控水平的提高，夏玉米产量构成因素得到了改善，产量随着水分调控水平的提高而增加.在秸秆覆盖和不覆盖处理下，W3比W1的穗粗、行粒数和产量分别增加了2.44%，5.04%，11.49%和3.10%，6.31%，22.56%，并达到显著差异，说明了水分调控主要通过增加夏玉米行粒数增加了产量.在相同水分调控下，W1，W2，W3，W4水分处理下秸秆覆盖比不覆盖行粒数、百粒重、产量分别高7.07%，9.94%，8.37%，10.06%;4.99%，5.20%，9.29%，8.74%和7.61%,8.94%，18.29%，6.96%，且皆达到显著性差异，说明了秸秆覆盖主要通过增加夏玉米行粒数和百粒重增加了产量，在W3水分处理下，夏玉米产量增幅最大，秸秆覆盖效果最明显.秸秆覆盖对产量的作用随着土壤水分条件改善而呈现非线性的增加，当土壤水分超过田间持水量的70%时，秸秆覆盖的增产作用又显著降低，秸秆覆盖和土壤水分的交互作用对产量的贡献具有条件限制性.

表6 不同处理对夏玉米穗部性状及产量的影响

3 结论与讨论

土壤水分是影响作物生理和生长活动的重要生态因子，其供应状况与作物生长发育有着密切的联系，并最终影响作物的产量[19,20].而土壤蒸发是土壤“奢侈”耗水的重要途径，减少棵间蒸发能够减少土壤水分无效损耗，可以达到节水的目的[21]，秸秆覆盖可抑制土壤无效蒸发，改变作物的耗水规律，保证作物生育后期需水，有利于提高土壤水分利用效率[22].低水分条件下土壤表层水分较低，形成了干土层，水分无效蒸发受到了限制.适宜水分条件下土壤表层水分适中，作物叶面积指数较小，从而显著增加了Ed[23].由于高水分处理能够显著增加夏玉米叶面积指数[24]、增加遮荫面积，降低表层土壤温度，从而抑制了无效蒸发，减少了Ed[25].秸秆覆盖处理较秸秆不覆盖显著提高了夏玉米蒸腾速率和产量水分利用效率，同时显著减少了土壤无效水分蒸发和夏玉米耗水量，这与前人研究结果一致[26～31].秸秆覆盖减少了棵间蒸发量从而显著减少了夏玉米耗水量，同时提高了夏玉米产量，因此产量水平水分利用效率也得到了显著提高.本研究中，秸秆覆盖和水分调控的交互作用对夏玉米苗期和灌浆期棵间蒸发量有显著的影响，在W3水分处理下，秸秆覆盖较不覆盖WUE增幅最大，达到51.88%，说明W3水分处理下，秸秆覆盖对夏玉米产量水分利用效率的改善效果最好，更有利于土壤水分的高效利用.

光合作用是作物合成有机物的根本源泉[32]，而灌浆期是夏玉米地上部分干物质积累的关键时期，为子粒产量形成提供重要的物质基础[33].本研究表明，秸秆覆盖和水分调控对灌浆期光合参数(Pn，Tr，Gs)和WUEL均有显著的影响，这与张向前等[34]和毕建杰等[35]的研究结果相一致.在秸秆不覆盖条件下，夏玉米Pn和Tr均随着水分调控水平的提高而提高，而在秸秆覆盖条件下，Pn随着水分调控水平的提高呈抛物线型，Tr随着水分调控水平的提高而提高，秸秆覆盖条件下Pn显著高于不覆盖处理6.98%，7.59%，8.90%，1.74%.这说明了在不同的覆盖条件下，夏玉米不同光合参数对土壤水分的响应不一致，秸秆不覆盖条件下，夏玉米在W4水分处理下Pn最大，而秸秆覆盖条件下，夏玉米在W3水分处理下Pn已达最大，过高的土壤水分则会降低夏玉米Pn；秸秆覆盖较秸秆不覆盖对夏玉米Pn的提高作用显著，为取得高产奠定了基础，这主要是由于其能够改善土壤水热环境，促进夏玉米叶面积的增加，延缓叶片衰老[36]，从而为夏玉米进行净光合作用提供了有利条件.WUEL为Pn和Tr的比值，葛体达等[37]和刘祖贵等[2]研究表明，WUEL随着土壤水分的提高而提高，王策等[32]的研究则表明,WUEL随着土壤水分的提高而降低.本研究中，WUEL随着控水水平的提高而降低，这说明了该试验条件下夏玉米Tr对土壤水分的敏感性大于Pn.除在W4水分条件下，秸秆不覆盖WUEL与秸秆覆盖WUEL无显著性差异外，其他3个水分处理间，秸秆不覆盖WUEL显著大于不覆盖WUEL，这与刘庚山等[38]在上午9:30左右的测定结果相一致.不同的试验结果可能与夏玉米品种[32]、试验地气象要素[2]、测定时间[38]等有关.另外，本研究还发现，秸秆覆盖和水分调控两者交互作用对夏玉米灌浆期光合参数(除Pn外)和WUEL有显著的影响.

秸秆覆盖能够显著增加夏玉米产量[12,18,39]，在一定范围内增加土壤水分，也能够增加夏玉米的产量[40].本研究表明，秸秆覆盖、水分调控以及秸秆覆盖和水分调控的交互作用对夏玉米穗长、行粒数和产量均有显著影响.秸秆覆盖显著增加了夏玉米行粒数和百粒重，水分调控显著影响了夏玉米行粒数，夏玉米产量秸秆覆盖条件下显著高于不覆盖的，随着水分调控水平的提高而增加.秸秆覆盖条件下W3水分处理夏玉米产量较秸秆不覆盖条件下W3水分处理的高18.29%，增产幅度最大，且与秸秆覆盖W4水分处理的夏玉米产量差异未达到显著水平.综合耗水量、水分利用效率、产量等指标，秸秆覆盖抑蒸增产效果明显，对夏玉米光合参数有显著的改善作用.秸秆覆盖条件下W3水分处理的产量和水分利用率增幅均最大，且耗水量较少，可取得良好的效果，有利于资源的高效利用和农业的可持续发展.

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