覆盖栽培技术运用于干旱地区玉米种植的效果研究

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论文摘要

  覆盖栽培作为一类田间微环境控制技术,能显着降低作物棵间蒸发,从而改善耕层土壤水热状况,提高降水利用率和作物产量,对旱地作物稳产丰产作用巨大。半干旱区旱作玉米地膜覆盖栽培从半膜平覆、全膜平覆、起垄覆盖到全膜双垄沟播集雨种植,产量效益稳步攀升,尤其是全膜双垄集雨种植集覆盖增温抑蒸、雨水富集叠加和垄沟种植技术于一体,使玉米等作物增产30%以上。以往的研究多集中于从单一角度探讨覆盖栽培对土壤水分、温度、养分、生物物质及作物生理特性和产量的影响上,但对覆盖栽培、特别是对半干旱区全膜双垄沟播种植产生的土壤水热、产量综合效应及其持续性的研究报道不多,增产作用机理尚不明了,需要深入研究。本文以全膜双垄覆盖、沙覆盖和沙膜二元覆盖为试验处理,研究探明旱地玉米覆盖栽培的土壤水热及增产综合效应,阐明其对土壤水热环境变化的影响机制,为旱作玉米高产稳产栽培提供理论依据和技术支撑。

  1、材料与方法

  1.1试验材料与试验设计

  试验于2009年在甘肃省农业科学院定西试验站(35°23'N,104°30'E)试验田进行,试验区海拔1960m,年均太阳辐射5898MJ·m-2,日照时数2500h,年均气温6.2℃,≥0℃积温2787.7℃,≥10℃积温2075.1℃,无霜期140d,多年平均降水量415.2mm,其中60%分布在7-9月。干旱、缺水、多旱灾是常驻性农业气候特征,为典型的半干旱雨养农业区。试验土壤为黄绵土,0~20cm土层有机质含量8.22g·kg-1,全氮1.2g·kg-1,磷素(P2O5)1.7g·kg-1,水解氮54mg·kg-1,速效磷4.5mg·kg-1,速效钾190mg·kg-1,pH值8.5,属弱碱性土壤。

  2009年玉米全生育期降水264.7mm,主要集中在7月和8月,属偏旱年型。

  试验以沈单16玉米为供试品种,采用单因素随机设计,设裸地平作(CK)、全沙覆盖平作(whole soil surfaces and ridge-furrow,SMC)、沙膜二元覆盖沟种(ridge film cover furrows and cover cropping , FSMC)和全膜覆盖沟垄种植(whole surface plastic film mulching double ridge-furrow cropping,FMRFC)4个处理,3次重复。全部采用宽窄行种植(70/40cm),种植密度为60000株·hm-2。地膜覆盖为播前顶凌覆膜;全沙覆盖用当地河沙,于玉米播种前均匀覆盖于小区,厚度3~5cm;沙膜二元覆盖即垄上覆膜集雨,垄沟覆沙抑蒸的保水耕作方式。试验施肥量均为:N225kg·hm-2、P2O5150kg·hm-2、K2O135kg·hm-2,肥料均在播前作底肥一次施入。2009年4月25日播种,10月9日收获,全生育期无补充灌溉,除拔草外不进行其他田间管理。

  1.2测定项目与方法

  1.2.1地温地温参考Cook等的方法。在玉米全生育期用地温计测定0~25cm地温,每5cm为1层,每小区测定1个位点,定点测定。其中,全膜双垄种植按试验重复在大垄面和小垄面上随机选点测定,沙膜二元覆盖在垄面上选点测定。每10~15d在8∶00、14∶00、20∶00各测定1次。

  1.2.2土壤含水量和水分利用效率在玉米全生育期用烘干法测定0~200cm土层土壤贮水量,每20cm为1层,平均每10~15d每小区测定1次,每小区测定1个位点,定点测定。其中,全膜双垄种植按试验重复在大垄面和小垄面上随机选1位点测定,沙膜二元覆盖在垄面上选点测定。同时采用环刀法测定土壤容重。

  土壤含水量的计算公式为:土壤含水量=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100%。

  土壤贮水量的计算公式为:Sw=d×r×w/10计算土壤贮水量。式中Sw为土壤贮水量(mm),d为土层厚度(cm),r为土壤容重(g·cm-3),w为土壤含水量(%)。

  农田耗水量按水分平衡方程ET=P-腤计算,式中ET为作物耗水量,P为降水量,腤为时段末与时段初土壤贮水量之差(单位均为mm)。耗水强度(mm·d-1)=各生育阶段大豆田耗水量(mm)/生育阶段天数(d)作物水分利用效率按WUE=Y/ET计算,Y为作物籽粒产量(kg·hm-2),ET为作物耗水量(mm)。

  【图1】

  1.2.3产量及其构成因素。成熟期每小区随机取10株进行室内考种,测定株高、穗粒数、穗粒重和百粒重,每小区按实收计算产量。

  1.3数据处理

  采用MicrosoftExcel2010软件对数据进行处理和绘图,采用SPSS18.0统计分析软件对数据进行差异显着性检验(LSD法)。

  2、结果与分析

  2.1不同覆盖处理的土壤增温效应

  2.1.1不同覆盖处理玉米生育关键期土壤温度日动态变化。由图1可以看出,各处理0~25cm耕层土壤日平均温度随土层深度增加呈先增后降再升再降的变化趋势,变幅随着玉米生育进程逐渐缩小。FMRFC处理0~25cm耕层土壤日平均温度变幅最大,其次是SMC,FSMC第三。苗期~拔节期是土壤日平均温度变化较大的时期,以0~10cm土层地温变化较为剧烈,变异系数达7.0%~10.87%,以后随生育进程变异逐渐缩小,变异系数缩至2.8%~4.4%。与CK比,FMRFC、FSMC和SMC可使0~25cm耕层日平均温度分别提高3.6、1.4和1.4℃,可使0~10cm土层日平均地温提高4.0、1.2和1.75℃。

  2.1.2不同覆盖处理玉米全生育期土壤温度的动态变化。在玉米整个生育期内,各处理0~25cm土层的平均温度都经历了从苗期至拔节期的快速增温过程,至抽雄期末达到最高,然后开始下降至成熟期达到最低的动态变化过程(图2)。苗期和拔节期,各处理0~25cm耕层土壤温度呈随土层深度增加呈递减的变化趋势,以CK最低,变幅为12~20℃,FMRFC最高,变幅为15.1~23.3℃,二者相差3.1~3.3℃。作物生育中期,如玉米大喇叭口期,各处理0~25cm耕层土壤温度处于较高位小幅平稳变化态势,以CK变幅最大,变幅为20.4~25.2℃,SMC次之,变幅为21~24.8℃,FMRFC和FSMC相近,居第三,变幅为20.5~22℃,各覆盖处理与CK比温差为0.4~3.2℃。作物生育后期与前期正好相反,各处理0~25cm耕层温度表现为随土层增加而升高的变化趋势,变幅为10.3~12.2℃,比CK高出0.3~0.8℃(图3)。

  覆盖处理明显地提高了玉米全生育期0~25cm土层的平均温度,显着地提高了玉米抽雄期以前0~25cm土层的平均温度,增温的范围为0.4~3.3℃和1.4~3.6℃。抽雄期以前土壤温度的提高有利于作物提早出苗、苗齐苗壮,对抗旱增产有积极地作用。

  【图2】【图3】

  2.2不同覆盖处理的土壤水分耗保效应

  2.2.1不同覆盖处理玉米生育关键期土壤水分耗散特

  征试验年份,各处理0~100cm土层的土壤水分均被强烈的耗散,但不同处理玉米不同生育时期耗散的程度不同(图4)。玉米出苗至大喇叭口期,虽然SMC和CK相对于FMRFC和FSMC更为强烈地加剧了对表层20cm土壤水分的消耗,使土壤含水量比播前分别降低了7.52、6.91、5.92和4.52个百分点,都接近凋萎系数,但0~100cm土层的土壤平均含水量与播前比,均表现为FMRFC和SMC降低最多、FMSC和CK接近,分别为4.85、4.28、2.91和2.79个百分点,覆盖处理比CK要多【图4】

  耗水0.12~2.06个百分点。分析认为,由于FMRFC和SMC处理前期土壤升温快,促进了玉米早发快长增加了对土壤水分的消耗,所以对0~100cm土层土壤水分的消耗要显着高于FSMC和CK。至收获后,各覆盖处理0~20cm土层的土壤含水量得到了明显的恢复,FSMC、SMC和FMRFC处理分别比播前增加了1.77、1.32和0.39个百分点,比CK高3.91、3.43和2.5个百分点。0~100cm土层的平均含水量也有改善但不显着,FMRFC、FSMC、SMC和CK各处理虽然仍分别比播前低3.56、2.65、1.94和2.18个百分点,但与大喇叭口期比也分别增加了1.29、0.53、0.15和0.24个百分点。可以看出,FMRFC和FSMC处理集保水作用要优于SMC和CK,是比较有效的覆盖方式。

  2.2.2不同覆盖处理玉米全生育期土壤水分耗散特征

  玉米生育前期土壤水分条件的改善,使得作物营养生长旺盛、生长量大,地上部分蒸腾强烈,促进了土壤水分,特别是土壤深层水分的耗散。如图5所示,玉米拔节期各覆盖处理0~80cm的土层土壤贮水量均高于对照处理,大喇叭口期至成熟期,除FMRFC和FSMC处理0~20cm土层的土壤贮水量仍高于CK外,20cm以下土层的土壤贮水量所有覆盖处理几乎都低于CK。全生育期所有处理0~100cm土层的土壤水分均被玉米强烈耗散,深层土壤水分含量也明显降低趋于播前状态。在经历了2009年7-8月175.2mm较强烈降雨至收获后,虽然表层土壤水分有一定的恢复,但各覆盖处理40~140cm土层的土壤贮水量仍低于对照,没有恢复到播前状态;160~200cm土层的土壤贮水量虽然高于对照也没能得到足够的补给。测定分析表明,试验年份各处理播前和收获后0~20cm土壤贮水量无明显变化;但在20~100cm土层,FMRFC、FSMC和SMC的土壤贮水量收获后较播前分别减少43.22、27.5和20.13mm,较CK分别低28.35、8.61和3.88mm;在100~200cm土层,FMRFC、FSMC、SMC和CK的土壤贮水量分别减少10.2、6.0、8.66和8.29mm,无显着差异。

  【图5】

  2.3同覆盖方式的增产效应

  2.3.1覆盖耕作对玉米主要经济性状的影响。覆盖处理显着地改善了玉米株高、穗粒数、穗粒重和百粒重等重要经济性状(表1,P<0.01)。除株高表现为FSMC>SMC>FMRFC>CK的优劣次序外,其余性状均一致表现为FMRFC最优、FSMC次之、SMC第三、CK第四的优劣次序。FSMC和SMC处理由于前期地温升温较快,加上沙覆盖相对阻断了土壤水分向表层运移的通道、减少了土壤裸面无效蒸发损失、水分多消耗多用于作物生长的生理蒸腾,使得作物早发、快长,因而表现为株高显着高于其他处理。

  从表1还可以看出,除株高外,覆盖处理使试验年份测定的玉米经济性状都成倍的增加,尤对玉米穗粒重的增加作用最显着。株高、穗粒数、穗粒重和百粒重分别比CK增加了38~60cm、208~273粒、83~119.3g和11.4~14.9g,提高了23.17%~36.59%、76.19%~100%、220.16%~316.45%和79.72%~104.2%。分析表明,覆盖处理由于改善了作物生长的水热环境,不但调优了作物的营养和生殖生长,而且促进了作物光合作用、增加了光合产物、加速了光合产物向籽粒的运移分配,所以玉米的穗粒数、穗粒重和百粒重都显着地增加,从而奠定了高产的基础。

  2.3.2覆盖耕作对玉米生育耗水量、水分利用效率和产量的影响。不同覆盖处理玉米耗水量存在明显差异。

  试验结果表明(表2),FMRFC处理耗水量最高,与FSMC、SMC和CK的差异达到了极显着水平(P<0.01),FSMC和SMC与CK的差异不明显。各覆盖处理玉米全生育期耗水量分别比CK高9.8%,2.97和1.34%。不同覆盖处理都显着地提高了玉米的产量和作物水分利用效率(WUE),增产效应达到1%的显着水平,优先次序为FMRFC>FSMC>SMC>CK。与CK比,增产率分别达到78.71%、58.69%和39.47%,平均58.96%;WUE分别提高了62.77%、54.14%和37.64%。

  【表1】【表2】

  覆盖栽培提高了玉米生长发育前期的土壤温度和半干旱区5~10mm降水的集蓄利用率,改善了玉米营养生长期的土壤水热环境,增加了对20~100cm土层土壤深层水的耗散,提高了产量。水分条件的改善起着增产的主导作用。在半干旱区,能改善土壤水分状况和供水能力的栽培措施都能获得增产。

  3、讨论

  旱地地膜覆盖栽培的“增温说”表明,地膜覆盖能明显提高作物生育前期的土壤温度,有利于促进作物提早出苗、苗齐苗壮,对抗旱增产有积极的作用。

  覆盖栽培的增温效应因田间覆盖处理的不同表现为不同的日变化和季节变化特征,影响的土壤深度也不同,进而对作物生长发育也产生着不同的作用。研究上也有冬季低温短日照条件下地膜覆盖增温效果不如秸秆覆盖的报道。因此,根据气候年型选择最优覆盖方式,是有效发挥覆盖增温效应的正确途径。

  旱地地膜覆盖栽培可轻微提高表层土壤水分含量,使作物生长的水分条件得到局部改善,但由于水热条件的改善促使作物前期生长旺盛、群体大、根系发达,根深量大,加剧了深层土壤水分的消耗。旱地全膜覆盖沟垄种植技术全地面覆盖有效地阻断了土壤水分的无效蒸发,同时田间覆膜垄面的集水作用汇集半干旱区难利用的5~10mm降水到作物根区,提高了0~20cm土层的含水量,解决了旱地作物生育需水关键期土壤水分的不足的矛盾,提高了作物全生育期生长的水分满足率。相对优化的水热分条件促进了作物的生殖生长,改善了作物的产量性状,显着提高了降水利用率和作物水分利用效率,实现粮食的增产。

  但是,旱作农田生产力的提高必然增加对土壤深层水分的消耗,这对土壤水分年际平衡不利,因此,研究探索并选择节水高效的覆盖栽培方式是旱地作物高效用水栽培技术研究的重要方面。

  4、结论

  旱地覆盖栽培显着地提高了玉米生育前期苗期-抽雄期0~25cm土层的平均温度,增温范围为1.4~3.6℃。其中,FMRFC处理增温效应最明显,其增温作用主要表现在玉米生长发育的前期和后期,中期作用较小,前期可提高0~25cm土层日平均温度3.1~3.3℃,后期可提高0.3~0.8℃,全生育期土壤温度呈“U”型变化。增温能促进玉米早萌发、苗齐、苗壮,抗逆能力增强。

  旱地地膜覆盖栽培改善了玉米表层土壤的水分条件,0~20cm耕层的土壤水分在米生育期末能够得到降雨补给,玉米生长发育对土壤贮水量的消耗主要集中在20~100cm土层。FMRFC处理较FSMC、SMC和CK显着增加了作物的耗水量,但能充分利用土壤深层水分以满足作物生长需求。

  在半干旱区能改善土壤水分状况和供水能力的栽培措施都能获得增产。FMRFC处理的抑蒸与大小垄面相间的集水面的集水作用,汇集半干旱区降水径流改善了0~20cm耕层得土壤水分条件,增加了玉米拔节、抽雄两个需水关键期土壤水分供应,促进了玉米的生殖生长,使株高、穗粒数、穗粒重和百粒重明显增加,显着提高了降水利用率和作物水分利用效率而增产,是旱地玉米覆盖栽培的最佳覆盖模式。

  旱地玉米覆盖栽培相对增加了对20~100cm土层土壤贮水量的消耗,并随着种植年限的增加,玉米生长消耗土壤水分层次会逐步加深,耗水量也会随之增加,这对土壤水分年际平衡不利。因此,覆盖栽培方式下土壤水分的高效调控技术需要深入研究。(图标略)

参考文献
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