方旭飞， 王丽学， 张钟莉莉， 赵朔毅

(1.沈阳农业大学水利学院，辽宁沈阳 110866； 2.北京农业信息技术研究中心，北京 100097)

目前农田水土流失、缺水干旱和生态环境退化已经成为制约世界农业可持续发展的主要原因，同时由于自然灾害以及人类耕作方式的不当对农田生态环境产生的危害也正日益加剧。保护性耕作已成为目前世界上应用最广、效果最好的一项旱作农业技术，因此越来越受到世界各国的关注[1]。保护性耕作是以减轻水土流失和保护土壤与环境为主要目标，采用保护性种植制度和配套栽培技术形成的一套完整的农田保护性耕作技术体系，包括免耕技术、秸秆覆盖技术和地膜覆盖技术等具体内容[2-4]。李洪勋等研究表明，秸秆覆盖作为一种强化土壤有机质积累、调节土壤温度和水分的农艺措施已被广泛应用，尤其在玉米增产方面取得较好效果。适宜的秸秆覆盖还田不仅能够改善土壤的肥力状况，提高作物根系活力，而且能为作物生长发育提供有利条件，从而实现作物的优质高产[5]。杜社妮等分析了玉米地膜覆盖的土壤环境效应，结果表明地膜覆盖能够改善农田的生长环境，可以使生态发生复杂的变化，在作物的反季节同样能够种植。地膜覆盖还能够起到节水、调控土壤温度、改善土壤性状及改善农产品品质等作用，并且在农作物增产等方面已取得实效[6]。同时大量研究表明，合理间作不仅可以充分利用光、温、水等养分资源，还可以有效防治病虫害，降低农业生产中对化肥农药的依赖，进而在降低生产成本和减轻环境污染的基础上实现作物的稳产高产，达到经济效益和生态效益的协调统一。间作中由于2种作物所占据的地上部和地下部生态位发生了分离，在时间生态位和空间生态位上互补扩大，从而使地上部的光、热和地下部的营养资源在时间上前后分离、在空间上互补扩大，实现资源最大限度的利用。玉米和豆科作物间作是我国北方普遍实施的一种重要种植方式，与单作相比，玉米的产量和品质都会有较大改善[7]。间作对作物产量和品质的影响主要源于作物系统内环境和土壤环境的改变[8-13]。本研究通过间作条件下不同覆盖方式对玉米的品质影响以及最优种植效益模式的适用性评价，以期为东北旱地玉米覆盖技术和种植模式的完善与改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

本试验于2016年5—10月在沈阳农业大学水利学院综合试验基地进行。该基地位于东北地区南部，属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明。年均气温为8.0 ℃，年平均降水量为749.3 mm，年蒸发量为1 282.3 mm，6—9月为降水集中期，其降水量约占全年的59.5%，平均径流深为 403.4 mm，土壤以草甸土为主，该地区农业生产的水源以天然降水为主。

1.2 试验设计

本试验玉米品种为联达288，大豆品种为开创14。2015年秋季玉米收割后开始试验，2016年5月初开始播种。整个生育期以天然降水为主，其中降水集中在7月中旬。该试验包括传统耕作玉米(CM)、传统耕作玉米/大豆(CI)、秸秆覆盖耕作玉米(JM)、秸秆覆盖耕作玉米/大豆(JI)、地膜覆盖耕作玉米(DM)、地膜覆盖耕作玉米/大豆(DI)6种处理，具体处理见表1。每个处理3个重复，共18个小区，每个小区面积为3 m×6 m。其中玉米单作的玉米行株距为0.5 m×0.35 m，玉米的种植密度5.67万/hm2；玉米间作大豆的玉米行株距为0.5 m×0.35 m，大豆种植在玉米的垄沟内，大豆行株距为0.6 m×0.3 m，大豆的种植密度5.56万/hm2。

1.3 测定方法与内容

粗灰分含量采用灰化法测定；粗蛋白含量采用凯氏定氮法的消化方式测定；粗淀粉含量采用旋光法测定；含水量采用玉米水分测定仪。

1.4 数据分析

采用Excel 2010对试验数据进行整理，统计分析与综合评价采用SPSS 19.0统计软件。

表1 试验处理操作方法

2 结果与分析

2.1 间作条件下不同覆盖方式对玉米品质的影响

由图1可以看出，间作处理下玉米的粗蛋白和粗淀粉的含量较单作增加，而玉米粗灰分含量和含水量较单作减少。玉米粗蛋白和粗淀粉含量的大小顺序均为DI>DM>JI>JM>CI>CM， 玉米粗灰分含量的大小顺序为CM>CI>JM>JI>DM>DI，玉米含水量的大小顺序为CM>CI>DM>JM>JI>DI。其中同一覆盖方式下，JI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量较JM分别增加12.54%、3.47%，JI的玉米粗灰分含量和含水量较JM分别减少5.19%、10.95%；DI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量较DM分别增加10.11%、2.64%，DI的玉米粗灰分含量和含水量较DM分别减少7.20%、13.33%；CI的玉米粗蛋白含量和粗淀粉含量较CM分别增加16.89%、2.85%，CI的玉米粗灰分含量和含水量较CM分别减少4.90%、6.88%。表明覆盖和间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，从而达到能提高玉米品质的作用。

2.2 综合效益评价

应用综合统计分析，从试验数据的各个方面选取7个有代表性的指标进行因子分析，然后转变为各个指标的权重系数，再根据相关公式计算出不同处理的综合适用性指数(CAI)，最后通过对不同处理的效益进行综合评价，得出玉米最优种植效益模式。具体步骤如下。

2.2.1 因子的选取 根据试验结果可知，土壤的含水量和温度、植株的株高、叶片水分利用率、玉米粗蛋白含量、玉米的产量和纯经济效益存在着一定的差异，因此选取这7个评价指标，对其进行综合适用性指数评价。

土壤含水量(%)：玉米整个生育期各处理在0～60 cm处土壤含水量的平均值；土壤温度(℃)：玉米全生育期各处理在0～25 cm处土壤温度的平均值；叶片水分利用率(μmol/mmol)：各处理灌浆期叶片水分利用率的平均值；株高(cm)：玉米的株高、茎粗、叶面积在一定程度上呈现为正相关关系，因此可以选取玉米全生育期的株高平均值作为代表；玉米粗蛋白含量(%)；产量(kg/hm2)；纯效益(元/hm2)。

根据试验地实际情况，对各处理的成本和纯效益进行计算。在计算中，各项费用都以hm2为单位，其中成本费用分为两大部分(材料费和人工费)，具体如种子、农药、肥料等农化原料费，试验期间的电费以及整地、播种、除草、施肥、打农药、管理、收获等人工费。其中，秸秆覆盖所使用的玉米秸秆由于可以使用上一年的秸秆，故不计算为材料成本，而地膜覆盖所使用的地膜应包含在材料费用之中。土地的管理和整理及农药的使用等应包含在人工费中，其中在人工费用方面间作费用要高于单作，而农业纯效益为农业毛效益与总支出之差。具体细节如表2所示。

综上所述，各因子初始值见表3。

表2 各处理的成本和纯经济效益

注：玉米、大豆单价分别为1.01、2.46元/kg。

表3 各处理的各个因子的初始值

2.2.2 因子分析结果 对表3中各因子的初始值进行因子分析，其中在提取2个公因子后，公因子的累积贡献率可以达到90.966%，即2个公共因子可以解释约91%的总方差，故满足要求。由计算结果可知，这7个变量的共性方差(KMO值)全大于0.5，而且都在0.7以上，有的甚至接近于1，说明因子分析的效果很好。巴特利特球度检验值P=0.012<0.05，故拒绝原假设相关系数矩阵为单位矩阵，说明变量间存在线性相关，即适合作因子分析。由相关系数矩阵、反映像相关矩阵、巴特利特球度检验、KMO检验的分析结果可知，大部分因子的相关系数都很高，线性关系较强，则说明适合因子分析，可以提取公因子。故表示提取的2个公因子能够很好地反映原始变量的主要信息，可以将公共因子方差折算为权重系数。因子分析应用在评价指标权重确定中，通过主成分分析法得到的各指标的公因子方差，其值大小表示该项指标对总体变异的贡献，权重系数等于各个公共因子方差占其总和的百分数。公共因子方差及权重系数见表4。

表4 各处理的各个因子的公共因子方差和权重系数

2.2.3 各处理的综合适用性指数 首先通过相关系数法将各因子量纲归一化，转换函数如下：

式中：X*表示各影响因子指标的隶属度值；Xi表示各影响因子指标的原始值；(Xi)max和(Xi)min分别表示第i项影响因子指标中的最大值和最小值。根据该函数和表4计算各影响因子指标的隶属度值见表5。

表5 各处理的各个因子的隶属度值

然后根据因子分析中各影响因子指标的公因子方差值确定其权重系数，最后根据下面公式计算不同农艺措施的综合适用性指数(CAI)：

式中：Ki为各影响因子的权重系数；X*为各因子指标的隶属度。根据该公式计算出各处理的综合适用性指数为表中最后一列，计算结果见表6。

由表6计算结果可知，CM、CI、JM、JI、DM、DI各处理的综合适用性指数由小到大依次为0.141、0.275、0.393、0.610、0.648、0.825，表明覆盖和间作都能使其综合适用性指数提高，而地膜覆盖条件下玉米间作大豆(DI)的值最大，即为最优种植效益模式。

表6 各处理的各个因子的综合适用性指数

注：综合适用性指数的权重系数为1.000。

3 结论

本研究表明覆盖和间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，从而达到能提高玉米品质的作用。覆盖和间作都能使其综合适用性指数提高，而地膜覆盖条件下玉米间作大豆(DI)的值最大。综上所述，秸秆覆盖和地膜覆盖方式具有良好蓄水保墒作用，并提供适宜水热条件，同时玉米间作大豆模式能充分地利用土地、光照、水分和其他资源，因此地膜覆盖耕作玉米/大豆(DI)是本研究条件下最适宜的覆盖种植模式。

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