王 娟, 张 瑜, 黄成真, 庄 晔, 冯绍元

不同覆盖方式对新复垦区土壤水热及春玉米产量的影响*

王 娟, 张 瑜, 黄成真, 庄 晔, 冯绍元**

(扬州大学水利科学与工程学院 扬州 225009)

随着城市化进程的加速发展, 我国净耕地面积持续减少, 合理开发利用潜在土地资源, 对于保障我国粮食安全具有重要意义。为了探讨不同覆盖耕作方式对新复垦区土壤水热及作物生长的影响, 通过2018年和2019年连续两年田间试验, 研究了传统耕作(CK)、地膜覆盖(FM)、秸秆深埋(BS)和秸秆深埋+地膜覆盖(F+S) 4种处理对土壤水分、温度和春玉米生长及产量的影响。结果表明: 2018年, F+S、BS、FM处理玉米生育期内0~20 cm及20~40 cm土层平均土壤含水率分别较CK增加24.4%、16.5%、12.6%及9.1%、3.2%、3.7%。2018年玉米苗期, 0~100 cm土壤蓄水量表现为FM>F+S>CK>BS, 明显表现为有覆膜处理(F+S和FM)的土壤蓄水量高于不覆膜处理(BS和CK)。2019年玉米苗期, 土壤蓄水量则表现为F+S>BS>FM>CK。与CK相比, 春玉米全生育期不同覆盖耕作处理条件下各土层(5~25 cm)土壤温度均有所提高, 具体表现为F+S>FM>BS>CK, 各处理土壤温度随土层深度表现为降低趋势。以表层5 cm土壤温度增幅最大, 覆盖耕作处理的增温效应在全生育期表现为前期明显而后期弱化。各处理株高变化趋势一致, 在播种后70 d左右达到峰值, 随后出现小幅度下降并最终保持稳定。试验期, 株高和叶面积均表现为地表有覆膜的处理高于未覆膜处理(<0.05)。2018年, F+S、BS和FM处理玉米产量均显著高于CK (<0.05), 2018年和2019年, 各处理产量分别较CK增加17.0%、13.5%、6.6%和30.5%、23.9%、3.8%。产量构成逐步回归分析结果表明, 穗长对产量的影响最大, 产量与穗行数和百粒重呈正相关关系。秸秆深埋+地膜覆盖处理(F+S)可以综合发挥二者优势, 有效调节土壤水热状况, 改善土壤环境, 促进作物生长发育, 从而获得较高的产量, 可作为新复垦区春玉米适宜的种植管理方式。

新复垦区; 秸秆深埋; 地膜覆盖; 土壤水热; 春玉米

我国每年通过土地整治等措施增加的耕地面积约30万hm2。然而, 随着城市化进程的加速发展, 目前净耕地面积仍表现为减少趋势[1-2]。因此, 通过不同措施复垦潜在耕地, 开发利用潜在土地资源对于提高我国粮食产出, 保障粮食安全具有重要科学意义。

新复垦土地作为被重新开发利用的土地资源, 前期缺乏合理的田间管理, 土壤理化性质较差, 普遍存在耕层浅薄、保水保肥能力差、作物产量较低等问题。结合已有的研究发现, 复垦主要是指煤矿区对采煤塌陷地的复垦, 且不仅包含土地复垦, 还包括生态系统重建[3]。近年来复垦区土地范围扩大到建筑用地等各类废弃地整理复垦所形成的耕地。本研究的试验场即属于典型的新复垦区。对于新复垦耕地的改良, 主要分为工程和农艺等方面, 包括兴修水利设施、客土改良、地表覆盖、增施有机肥、制定合理的耕作制度及适宜的种植结构模式等[4-5]。徐秋桐等[6]以提高土壤肥力为目标, 研究了猪粪、鸡粪、水稻()秸秆、蔬菜收获残留物、城市污泥、沼渣、猪粪/水稻秸秆堆肥、生活垃圾堆肥等8种有机废弃物对新复垦耕地的综合改良效果, 认为施用任何有机物均对土壤肥力具有明显改善作用。胡振琪[4]讨论了在复垦土壤表面使用干草和麦秆、木质残渣等有机覆材, 以及其他无机地表覆材和化学土壤稳定剂的技术来改良土壤条件, 促进作物生长。总体来看, 有关新复垦区农田改良方面理论研究较多, 还应该加强实践数据的支撑。对于不同种类的新复垦土地应因地制宜, 根据其实际土壤问题和改良的目的选择相应的措施。

秸秆深埋异于常规秸秆还田, 可有效打破犁底层, 改善土壤结构, 增加降雨的入渗量, 减缓水分向更深土层的运移, 且深埋入土的秸秆可将养分回归土壤, 最终实现蓄水保墒培肥稳产[2,7]。常晓慧等[8]研究表明, 日平均地温秸秆深施还田比覆盖还田和对照平均高0.8 ℃和1.2 ℃, 且对土壤温度的影响效应与秸秆深施量呈正比。随秸秆深施量的增加, 对地温的影响越明显。李波等[9]研究了秸秆深埋量与滴灌灌水量交互作用对温室番茄()品质、产量等的影响, 结果表明在深埋秸秆的条件下, 适当减少灌水量可提高番茄品质, 且可以使番茄品质和水分利用效率(WUE)达到较高水平。此外, 大量研究结果表明, 地膜覆盖可以提高土壤供水条件, 调节土壤温度, 抑制地表蒸发, 并将部分棵间蒸发转化为作物的有效蒸腾, 提高作物产量和水分利用效率[10-11]。作物产量受到土壤水热状况的影响, 土壤水分作为植物吸水的供给源, 也是土壤进行各种物理、化学及生物过程所不可缺少的条件, 土壤温度影响到近地面大气的热状况, 并对土壤水分、养分的运移和转化有一定的影响。总结前人研究成果发现, 单一的地膜覆盖、秸秆深埋均能提高土壤供水能力, 调节土壤温度, 改善土壤水热状况, 并最终促进作物生长, 提高产量, 但对于地膜覆盖与秸秆深埋复合措施在农业种植中的应用还不够广泛, 其对农田水热环境的影响效应还需进一步讨论, 尤其是在生产力水平较低的新复垦区。

基于此, 针对研究区新复垦土壤耕层浅薄、保水保肥差、生产力低的问题, 将秸秆深埋、地膜覆盖及二者相结合的田间复合耕作措施引入试验场新复垦土壤改良过程中, 以当地传统耕作方式为对照, 通过田间试验探讨秸秆深埋、地膜覆盖以及二者复合处理对新复垦农田春玉米()全生育期土壤水分、温度的调节效应, 以及对作物生长状况和产量的影响, 以期为研究区土地复垦等提供理论依据, 保障我国耕地资源和粮食安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究试验地位于扬州大学扬子津东校区农水与水文水生态试验场(119°23′56.32″E, 32°20′56.32″N), 地处北亚热带湿润气候区, 年平均气温14.8 ℃, 气候温和, 四季分明。全年无霜期223 d, 日平均气温≥10 ℃以上天数为233 d。全年气温最低为冬季1月, 最高为夏季7月, 最低和最高月平均气温分别为3.9 ℃和26.9 ℃。光照充足, 年日照时数2000 h左右, 年平均总辐射量4.844× 106kJ∙m−2。年平均降雨量为1063.2 mm, 雨量丰沛, 雨日110 d。夏季和冬季的降雨分别占全年的40.1%和13.0%, 4—9月的降雨量约占全年的70%左右。分别于2018年和2019年的4—10月开展田间试验, 试验期研究区的降雨情况如图1所示。试验场初建于2016年, 建设前为荒地, 属于较为典型的新复垦土地, 且田间存在少量建筑垃圾, 在开展试验前进行了清理和田面整平等前期处理。

经测定, 试验区土壤饱和导水率8.07× 10−4cm·s−1, 饱和含水率38.05%, 土壤碱解氮26.03 mg∙g−1, 有机质6.65 g∙g−1。0~80 cm土层土壤黏粒(<0.002 mm)、粉砂粒(0.002~0.02 mm)和砂粒(0.02~2 mm)含量分别为5.13%、35.23%和59.64%, 土壤质地(国际制)为砂质壤土, 详细基本理化性质如表1所示。

表1 试验区土壤理化性质

1.2 试验设计

试验以当地传统耕作方式为对照(CK), 共设置秸秆深埋(BS)、秸秆深埋+地膜覆盖(F+S)和地表覆膜(FM) 3种不同覆盖处理, 各处理均重复3次, 共12个试验小区(5 m×3 m), 采用完全随机区组设计排列。在每个小区两侧开挖南北向矩形排水沟, 深约30 cm, 宽约50 cm。试验设计与处理如表2所示。

试验中所用秸秆为水稻秸秆, 机械打碎后均匀铺设, 长度约为3~6 cm, 秸秆量为15 000 kg∙hm−2。地膜采用160 cm宽的普通透明聚氯乙烯膜, 厚度约0.05 mm。春玉米品种为‘郑单958’, 株行距为40 cm×50 cm, 分别于2018年和2019年4月上旬播种, 全生育期105 d左右, 7月下旬收获。在播种前按657 kg∙hm−2的标准施底肥, 选用总养分≥45%的复合肥料, 其中N-P2O5-K2O质量百分比含量为15%-15%-15%。玉米生育期内不再进行灌溉和施肥, 其他田间管理均与当地玉米栽培方式一致。

表2 试验处理

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤含水率和蓄水量计算

在播种前及春玉米苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、收获期分别取土, 取土总深度为100 cm。利用直径为5 cm的土钻分7层采集土样(0~10 cm、10~ 20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm), 每次取完样后回填钻孔。所采集的土样存入放置冰袋的泡沫箱中带回试验室, 采用烘干法测定土壤含水率。本研究中的土壤蓄水量主要指一定土层厚度土壤中的总水量, 根据不同土层的土壤含水率换算得出:

W=h×ω×ρ×10 (1)

式中:W为第层土壤的蓄水量(mm),h为第层土层深度(cm),ω为第层土壤质量含水率(g∙g−1),ρ为第层土壤容重(g∙cm−3), 10为换算系数。

1.3.2 土壤温度测定

在玉米全生育期, 以旬为周期, 采用金属曲管地温计于8:00、14:00和20:00测定5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm土层土壤温度, 测定位置布设在各小区大致中间位置沿种植行任意两株玉米之间。

1.3.3 作物生长指标与产量

玉米出苗后, 以旬为周期, 于每个小区选取有代表性的玉米植株3株测定其生长状况。用钢卷尺测定春玉米株高、叶片的长度和宽度, 并采用估算法计算叶面积指数:

∑(L×B)×(2)

LAI/(3)

式中:为叶片面积(cm2);L为叶片的长度(cm);B为叶片的宽度(cm);为拟合系数, 取为0.75;为植株叶片所占地面面积(cm2); LAI为叶面积指数(cm2∙cm−2)。

玉米收获时, 各处理随机选取9个穗测定其穗长、穗粗、穗行数以及行粒数; 同时进行脱粒, 晒干后称取质量, 以计算春玉米产量。在各处理测产的玉米粒中随机取9个重复, 每个重复分别取100粒称重, 取其平均值作为春玉米的百粒重。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010对试验数据进行处理并绘表, Origin Pro 2018作图, 采用Surfer 12.0软件进行网络化处理生成等值线图, 利用SPSS 19.0对相关数据进行单因素方差分析(ANOVA), LSD法进行显著性检验(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖耕作方式对土壤含水率的影响

土壤水分是农田环境中影响作物生长发育和产量的重要因素, 以2018年为例, 土壤剖面含水率随播种后天数的动态变化如图2所示。土壤含水率等值线图的疏密程度和平缓曲折反映了不同覆盖耕作处理下春玉米生育期0~100 cm土层的水分变化过程和特点。由图中可看出, 土壤表层含水率主要受降雨的影响, 且与降雨之间存在一定滞后关系。土壤水分分布具有明显的分层现象, 春玉米生育期内各处理土壤含水率总体表现为随土层深度的增加而升高。不同土层的含水率动态变化表明, 0~40 cm土层土壤含水率变化幅度较大, 60~100 cm土层土壤含水率较稳定, 随时间变异系数相对较小。

玉米根系主要集中在0~40 cm土层, 根系层土壤水分状况影响着作物根系发育, 该深度土层土壤含水率动态变化对玉米产量影响最显著。从图中可看出玉米苗期—拔节期, BS和F+S处理0~40 cm土层含水率表现出逐渐增大的趋势, 而CK与FM处理则存在湿层, 20~30 cm土壤含水率均高于表层, 这可能是因为埋设秸秆层后, 改变了土壤的孔隙结构, 从而影响了土壤水分运动。从图中0~20 cm土层土壤含水率可看出, 在玉米播种—拔节期, 与CK相比各覆盖处理均有一定的保墒效果, 其中有地膜覆盖的F+S和FM处理土壤含水率显著高于无地表覆膜的BS和CK处理(<0.05), 但F+S和FM处理、BS和CK处理间差异不显著, 这主要是因为地膜覆盖可隔断土壤与大气的水热交换, 在外界蒸发强度较大时, 有效地抑制土壤水分的蒸发, 从而提高表层土壤含水量。深埋秸秆处理在提高土壤入渗率的同时, 极大地改善了土壤孔隙度, 加速了土壤表层水分的蒸发, 从而降低了表层土壤含水率。在玉米生育中期受降雨的影响, 各处理表层土壤含水率出现1次峰值, 之后受作物耗水和蒸发的影响又迅速降低。在玉米生长后期, 各处理间土壤含水率的差异变小。在玉米全生育期内, 0~20 cm和20~40 cm土层土壤含水率变化趋势基本相似, F+S、BS、FM处理玉米生育期内0~20 cm土层及20~40 cm土层平均含水量较CK分别增加24.4%、16.5%、12.6%及9.1%、3.2%、3.7%。

在玉米拔节期和灌浆期分别于降雨前、后测定了各处理0~40 cm土层土壤含水率, 发现拔节期降雨后F+S、FM、BS处理0~40 cm土壤含水量分别较CK增加12.0%、5.3%、8.3%, 灌浆期降雨后F+S、FM、BS处理0~40 cm土壤含水量分别比CK增加7.2%、6.4%、7.1%。2018年F+S、FM、BS处理玉米生育期内0~40 cm土层平均含水量分别比CK增加12.8%、8.3%、5.4%。由此可见, 地膜覆盖能够有效抑制土壤水分的蒸发, 秸秆深埋能够提高土壤对降雨的拦蓄能力, F+S在一定程度上发挥二者协同效应, 提高玉米生育期0~40 cm土层含水量, 且具有持续保墒作用, 为玉米生长发育提供充足的供水保障。

各处理介绍见表2。The treatment description is shown in the table 2.

2.2 不同耕作覆盖方式对土壤蓄水量的影响

为进一步研究不同覆盖耕作处理对土壤水分状况的影响, 对2018年及2019年土壤0~100 cm土层的蓄水量变化进行了统计分析, 如图3所示。玉米生育期内土壤蓄水量的变化主要受外界降水、作物自身耗水、农田大气温度以及田间覆盖耕作管理方式等因素的影响。从图中可知, 两年试验期内, 不同处理玉米生育期内土壤蓄水量年内变化趋势基本一致, 2018年土壤蓄水量最高出现在拔节期, 2019年各生育阶段土壤蓄水量变化较小, 这主要与区域年内降雨特征有关。试验期土壤蓄水量均在抽雄期出现较低水平, 可能是由于该时间段大气蒸发较强烈所致, 图2中各处理在玉米播种后70 d左右, 表层土壤含水率出现急剧减小, 也证明了这一点。需要注意的是, 2018年玉米播种后20 d左右时, 0~100 cm土壤蓄水量表现为FM>F+S>CK>BS, 表现为覆膜处理的土壤蓄水量显著高于不覆膜处理, 单独的秸秆隔层则表现为最低, 而2019年此时间段, 土壤蓄水量则表现为F+S>BS>FM>CK, 这可能是2018年在布设秸秆深埋处理时, 对秸秆上方土壤扰动较大, 加速了土壤水分的损失所致。此外, 秸秆有机物在深埋初期腐解强度较高, 而在土壤中腐解的过程需要吸收和消耗土壤水分, 导致处理布设前期土壤BS处理土壤蓄水量较低。玉米播种后49 d, 由于前期降雨的影响, BS处理0~100 cm土壤蓄水量显著高于CK和FM, 表现为BS>F+S>FM>CK, 这说明秸秆深埋能够提高土壤对降雨的拦蓄能力, 提高土壤蓄水量, 然而, 秸秆深埋结合地膜覆盖则由于地膜对雨水的截流作用, 降低了雨水的垂直入渗量, 降雨只能以地面径流的方式从膜侧的土壤界面入渗, 从而补充土壤蓄水量。由此可推断, 在降雨量较大且降雨集中时, BS可通过增加土壤入渗量提高土壤蓄水量, 而在少雨的干旱期, 地膜覆盖则可通过抑制地表蒸发而提高土壤蓄水量。总体来讲, 与CK相比, 各覆盖耕作处理均具有良好的蓄水保墒作用, 能够提高0~100 cm土层土壤蓄水量, 调节土壤水蓄水量与作物耗水的平衡。

各处理介绍见表2。图中同一生育期不同字母表示各处理间差异显著, 未标注字母表示无显著差异。The treatment description is shown in the table 2. The treatments with different letters are significantly different at the same growth stage. The treatments without letters mean are no significantly different among them.

2.3 不同覆盖耕作方式对春玉米生育期土壤温度的影响

2018年不同覆盖耕作方式下春玉米生育期5~25 cm土层土壤温度如表3所示。整体来看, 地表覆膜处理可提高土壤温度, 且在全生育期内增温效应表现为前期明显而后期弱化的现象。在春玉米生长苗期、拔节期及抽雄期, 各处理土壤温度均随土层深度增加而逐渐减小, 以表层5 cm土壤温度最高, 而灌浆期表层0~10 cm土壤温度略低于15 cm处土壤温度。这主要是由于受田间温度逐渐升高的影响, 表层土壤温度回升最快, 反应最明显。随着气温的进一步升高, 土壤剖面整体温度提高, 且由于春玉米植株遮蔽, 表层土壤所吸收热辐射减少, 在土壤温度观测周期受气温影响而波动较大, 导致全天平均土壤温度较低。与CK相比, 不同覆盖耕作处理下各土层温度均有所提高, 以表层5 cm土壤温度增幅最大, 苗期、拔节期和抽雄期F+S、FM和BS处理分别较CK高5.9 ℃、5.3 ℃、0.7 ℃, 7.6 ℃、7.5 ℃、0.4 ℃和4.8 ℃、5.8 ℃、−0.5 ℃。随土层深度增加, 土壤温度增幅减小, 各土层土壤温度大致表现为F+S>FM>BS>CK, 且前3个生育期均表现在有覆膜的处理各土层土壤温度显著高于不覆膜处理(<0.05), F+S和FM处理5~ 25 cm土壤温度分别较CK高4.3~7.6 ℃和2.5~ 9.5 ℃, 较BS处理高3.4~7.2 ℃和1.5~9.1 ℃。地表覆膜处理中, F+S处理温度波动较单一覆膜小, 说明秸秆深埋改变了土壤热传输, 对土壤温度也具有一定的调节作用。

表3 不同覆盖处理下春玉米关键生育期5~25 cm土壤温度值(2018年)

各处理介绍见表2。同列不同小写字母表示同一生育期内各处理间差异显著(<0.05)。The treatment description is shown in the table 2. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences (<0.05) among treatments at same growth stage.

春玉米苗期生长受温度影响较大, 统计苗期8:00、12: 00和20:00土壤温度随土层深度的变化如图4所示。整体来看, 各处理土壤温度在8:00最低, 受大气温度的升高和太阳辐射等影响, 12:00土壤温度急剧升高, 除25 cm深度处土壤温度表现为全天持续缓慢升高外, 其他土层土壤温度在20:00均有一定程度的回落。随土层增加, 土壤温度逐渐降低, 且波动幅度随土层深度的增加而减弱。各土层土壤温度分布明显分为2组, 覆膜处理(FM和F+S)各土层的全天土壤温度均明显高于不覆膜处理(BS和CK)。由此可见, 与地表裸露相比, 秸秆深埋结合地膜覆盖处理明显提高了土壤温度, 这主要是由于地表覆膜作用, 与秸秆深埋措施则关系不大。

各处理介绍见表2。The treatment description is shown in the Table 2.

2.4 不同覆盖耕作方式对春玉米生长的影响

2018年及2019年不同覆盖耕作处理春玉米株高变化如图5所示。总体来看, 不同处理条件下玉米生育期株高变化趋势基本一致, 主要表现为抽雄期前生长迅速, 在播种后70 d左右达到峰值, 随后出现小幅度下降, 并在后期保持稳定。试验期内, 不同覆盖耕作处理条件下春玉米株高均表现为F+S>FM>BS>CK, 2018年F+S、FM、BS处理的株高较CK分别增加15.7%、9.7%、6.9%。2019年, 植株生长旺盛的苗期和拔节期, 有覆膜条件下的株高显著高于表面未覆膜处理。抽雄期和收获期则表现为F+S显著高于其他处理, 孕穗期除F+S和BS处理差异显著外, 其他处理间差异均未达显著水平。

各处理介绍见表2。The treatment description is shown in the table 2.

叶面积指数(LAI)是影响植株光合作用和蒸腾作用的重要因子, 直接影响着作物产量。2018年及2019年不同覆盖耕作处理春玉米叶面积指数变化如图6所示。由图中可以看出, 2018年和2019年春玉米叶面积指数变化趋势相同。全生育期内, 与株高变化趋势类似, 在玉米苗期至抽雄期, 植株叶片生长较快, 叶面积指数升高并达到峰值。但在生育后期随着玉米的灌浆成熟, 叶片逐渐老化, 叶面积指数大幅降低。不同覆盖耕作条件下春玉米叶面积指数整体表现为F+S>FM>BS>CK, 这与株高变化规律相一致。与CK相比, 2018年F+S、FM、BS处理的叶面积指数分别增加18.7%、11.7%、2.1%。2019年苗期, 单一覆膜处理的叶面积指数显著高于BS和CK, 拔节期F+S处理显著高于BS和CK, 有覆膜的两个处理间差异均未达显著水平。与株高不同的是, 叶面积指数达到峰值的抽雄期和孕穗期, 各处理间均无显著差异。

各处理介绍见表2。The treatment description is shown in the Table 2.

2.5 不同覆盖耕作方式对春玉米产量及其产量构成的影响

对2018年和2019年不同覆盖耕作条件下春玉米产量及产量构成如表4所示。2年试验期春玉米产量均表现为F+S>FM>BS>CK, 2018年各处理产量差异显著, 2019年有覆膜的处理组产量显著高于不覆膜处理组, 组内差异不显著。2018年和2019年, F+S、FM、BS处理下的产量分别较CK提高17.0%、13.5%、6.6%和30.5%、23.9%、3.8%。F+S、FM和BS处理下春玉米穗长、穗行数、行粒数、穗直径、百粒重均高于CK, 除2018年的穗行数和2019年的行粒数之外, F+S处理下的各产量构成指标与CK处理的差异均达显著水平(0.05)。2018年不同处理下春玉米的百粒质量表现为F+S>FM>BS>CK, 且差异显著(0.05), 各处理百粒重较CK处理提高14.0%、8.5%、6.4%。2019年, FM处理下百粒重最高, 为34.11 g, 显著高于F+S处理。整体来看, 2019年春玉米产量及产量构成指标均高于2018年, 且以地膜覆盖+秸秆深埋处理的增产效果最优。

表4 2018年和2019年不同覆盖处理春玉米产量及其构成

各处理介绍见表2。同一年度同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异显著(<0.05)。The treatment description is shown in the table 2. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments in the same year (<0.05).

3 讨论

地膜覆盖主要通过隔断土壤与大气的联系, 大幅度降低土壤水分的无效蒸发, 从而达到蓄水保墒的效果; 秸秆深埋通过改善土壤结构影响作物根系对水分的吸收利用过程。本研究将地表覆膜与秸秆深埋相结合, 旨在发挥地膜覆盖和秸秆深埋的综合效应, 改善新复垦农田的土壤水分条件, 提高作物对水分的利用。本研究结果表明, 玉米全生育期各处理0~20 cm土层含水率表现为F+S>BS>FM>CK, 20~40 cm土层含水量表现为F+S>FM>BS>CK, 说明本研究中土壤含水率受秸秆深埋和地膜覆盖的双重影响, 提高玉米生育期内0~40 cm土层含水率。秸秆深埋对土壤水分的调节主要在于深埋秸秆能有效改善土壤物理结构, 从而提高其持水性能[12]; 其次秸秆自身的内部孔隙较大, 不仅可以在降雨时吸持自然降水, 且在吸水饱和后可以根据土壤水分条件逐渐释放所吸持水量, 提高土壤供水能力, 这与梁建财等[13]、邹洪涛等[14]、李波等[15]的研究结论一致。地表覆膜则通过减少地表的无效蒸发, 达到持续保墒作用。此外, 在秸秆和覆膜复合处理下, 地表覆膜通过调节土壤水热条件, 可能为秸秆的腐烂提供了较好的初始环境, 从而加速秸秆腐解, 更有效地发挥其优势, 但仍需进一步研究论证。

春玉米全生育期, 不同覆盖处理土壤温度均高于CK, F+S处理全生育期各土层温度均高于其他处理, 这与谭凯敏等[16]的研究结论一致。梁美英等[17]在不同覆盖材料对土壤温度的影响中指出, 各处理日均土壤温度在玉米生长前期差异明显, 而在玉米生长后期差异不大, 不同覆盖处理日均土壤温度均随土壤深度的增加而降低。本研究中不同覆盖耕作处理的土壤温度在播种初期差异较大, 而后期逐渐弱化。主要原因可能是玉米生长前期, 外界气温较低, 地膜覆盖保温效应明显, 但随着玉米生长日益旺盛, 其对地表的遮蔽度逐渐提高, 导致到达农田表面的太阳辐射减少, 地膜覆盖的土壤温度提升作用减弱[18]。也有研究认为[19], 地膜覆盖在小麦生育前期增温效果显著, 加快了作物的生长进程, 而在生育后期的高温季节起到了一定的降温效应。但本研究中, 各处理在春玉米全生育期均表现出增温效应, 而未出现降温趋势, 这可能与研究区的气候条件有关。需要指出的是, 本试验中设置的地表覆膜处理各土层土壤温度显著高于无地表覆膜处理, 而单一秸秆深埋处理土壤温度与对照差异不显著, 这可能与秸秆还田量和还田深度有关, 在后续的研究中需进一步加密温度时空观测点, 并聚焦秸秆还田量和深度的研究。

地膜覆盖和秸秆深埋措施均可以改善作物耕层土壤水分、温度及养分状况, 从而为作物生长发育提供较好的农田环境。本研究中, 与CK相比, 各覆盖耕作处理均提高了玉米产量, 且以F+S处理对作物生长的促进作用以及增产效果最好, 这与Mbah等[20]、陈天助等[21]的研究结果一致。这主要是因为地表覆膜与秸秆深埋相结合的处理, 综合发挥了地膜覆盖保水保温效应和深埋秸秆对土壤结构的改善效应, 秸秆深埋可以打破犁底层, 有利于加深耕层, 使根系分布空间扩大, 而根系的不断生长可进一步满足作物对水分和养分的需求[22], 且地膜覆盖提供的适宜水热条件加速了秸秆的腐解, 从而释放了更多的养分元素, 改善了土壤水肥条件[21]。慕平等[23]通过研究秸秆还田年限对玉米生长的影响发现, 玉米地上株高及穗位高会随还田年限增加, 其百粒重与产量也呈显著增加趋势。本试验中2018年, BS处理产量显著高于CK, F+S处理产量则显著高于FM处理, 而2019年的产量结果显示仅覆膜与不覆膜处理下产量达显著差异, 说明秸秆深埋弱化了对产量的影响, 这与慕平等[23]的研究结果有差异, 主要原因在于2019年秸秆深埋处理并未新增秸秆, 未形成秸秆连续还田, 也侧面反映出秸秆深埋的时效性, 但仍需进一步试验论证, 后期研究中应侧重秸秆连续还田对春玉米生长以及生育期的影响。

4 结论

1)在降雨量较大且降雨集中时, 秸秆深埋能够提高土壤对降雨的拦蓄能力, 而在少雨的干旱期, 地膜覆盖可通过有效抑制地表蒸发而提高土壤含水率, 因此, F+S处理能够一定程度上综合发挥两种措施的协同效应, 提高玉米全生育期0~40 cm土层含水率, 且具有持续保墒作用, 可为玉米生长发育提供充足的供水保障。

2)春玉米全生育期, F+S处理下各土层温度均高于其他处理, 各处理土壤温度随土层深度表现为减小趋势。地表有覆膜的处理各土层土壤温度均显著高于地表无覆膜处理, 且在全生育期内覆膜处理的增温效应表现为生育前期明显而后期弱化的现象。

3)各处理下春玉米产量和百粒重差异显著, 均表现为F+S>FM>BS>CK。不同覆盖耕作处理的穗长、穗行数、行粒数、穗直径均显著高于对照, 有覆膜的处理穗长和行粒数均显著高于不覆膜处理。由此可见, 秸秆深埋+地膜覆盖处理可显著提高土壤蓄水量, 调节土壤温度, 促进春玉米生长发育, 实现玉米高产稳产, 研究结果可为研究区春玉米栽培管理提供理论依据。

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Effects of different mulching on soil water-heat and spring maize yield in newly reclaimed land*

WANG Juan, ZHANG Yu, HUANG Chengzhen, ZHUANG Ye, FENG Shaoyuan**

(College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

With rapid urbanization, the net cultivated land area continues to decrease, and it is important to utilize potential land resources for Chinese food security. To examine the effects of different tillage practices on soil water-heat characteristics and crop growth in newly reclaimed land, we conducted field experiments in 2018 and 2019 with four treatments: plastic film mulching (FM), buried straw layer (BS), buried straw layer with plastic film mulching (F+S), and traditional tillage (CK) as the control. We measured the soil moisture, soil temperature, and growth and yield of spring maize under each treatment. The 2018 results showed that under F+S, BS, and FM, the average soil moisture increased by 24.4%, 16.5%, and 12.6% at 0–20 cm depth, respectively, and by 9.1%, 3.2%, and 3.7% at 20–40 cm depth, respectively, compared with those under CK. Water storage of the soil profile (0–100 cm) under each treatment ranked as FM>F+S>CK>BS in 2018 in maize seedling stage indicating higher water storage under treatments with film mulch than that under no mulching. In 2019, it ranked as F+S>BS> FM>CK. The soil temperature increased under F+S, BS, and FM at each depth, especially at the 5 cm depth, compared with that under CK. The soil temperature (5–25 cm) ranking was F+S>FM>BS>CK. The temperature decreased with increasing soil depth during the growth period; the improved soil temperature effect of mulching and tillage was the strongest at the early growth stage and weakened later. The plant height dynamics were similar among treatments; it improved to a maximum at approximately 70 days after sowing but then reduced and remained stable. The plant height and leaf area index were higher in the treatments with film mulching than those under the no film mulching treatments (<0.05). The maize yield under the F+S, BS, and FM treatments were significantly higher than that under the CK treatment in 2018 (<0.05), and the yield increased by 17.0%, 13.5%, and 6.6% in 2018 and by 30.5%, 23.9%, and 3.8% in 2019, respectively. Stepwise regression analysis of the yield composition showed that ear length had the greatest effect on maize yield, and yield was positively correlated with the number of ear rows and hundred-grain weight. F+S treatment conferred a comprehensive advantage and effectively regulated the soil water and heat conditions, improved the soil environment, and promoted plant growth and development, resulting in a high yield. Therefore, F+S treatment represents an appropriate mulching and tillage management system for spring maize in a newly reclaimed land.

Newly reclamation land; Buried straw layer; Plastic film mulching; Soil water and heat; Spring maize

10.13930/j.cnki.cjea.200627

王娟, 张瑜, 黄成真, 庄晔, 冯绍元. 不同覆盖方式对新复垦区土壤水热及春玉米产量的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(5): 844-854

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S271

* 国家自然科学基金项目(51609209)和江苏省自然科学基金项目(BK20160471)资助

冯绍元, 主要研究方向为节水灌溉理论与技术。E-mail: syfeng@yzu.edu.cn

王娟, 主要研究方向为水土资源高效利用与保护。E-mail: wangjuan@yzu.edu.cn

2020-07-31

2020-09-18

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (51609209) and the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20160471).

, E-mail: syfeng@yzu.edu.cn

Jul. 31, 2020;

Sep. 18, 2020