方旭飛，張鐘莉莉，王麗學(xué)，欒 策

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,沈陽(yáng) 110866；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.遼寧水利職業(yè)學(xué)院，沈陽(yáng) 110122)

0 引 言

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(shí)由于自然災(zāi)害以及人類耕作方式的不當(dāng)對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害也正日益加劇。而保護(hù)性耕作是目前世界上應(yīng)用最廣、效果最好的一項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù),因此越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注[1]。保護(hù)性耕作是以減輕水土流失和保護(hù)土壤為目標(biāo)，包括免耕技術(shù)、秸稈覆蓋技術(shù)和地膜覆蓋技術(shù)等具體內(nèi)容[2-4]。李洪勛和吳伯志的研究表明秸稈覆蓋作為一種強(qiáng)化土壤有機(jī)質(zhì)積累、調(diào)節(jié)土壤溫度和水分的農(nóng)藝措施已被廣泛應(yīng)用，尤其在玉米增產(chǎn)方面取得好的效果[5]。杜社妮和白崗栓分析了玉米地膜覆蓋的土壤環(huán)境效應(yīng),結(jié)果表明地膜能改善農(nóng)田的生長(zhǎng)環(huán)境，可以使生態(tài)發(fā)生復(fù)雜的變化，并且在農(nóng)作物增產(chǎn)等方面已取得實(shí)效[6]。同時(shí)大量研究表明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(chóng)害,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)化肥農(nóng)藥的依賴,進(jìn)而在降低生產(chǎn)成本和減輕環(huán)境污染的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[7-9]。尤其是豆科作物與禾本科作物的間套作效應(yīng)十分明顯，作物間可以相互促進(jìn)、共生。Undie UL等人研究表明與玉米單一種植相比，玉米和大豆間套作可以提高光能的截獲，降低水分的蒸發(fā)，保持土壤含水量，同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)大豆的密度和布局，還能夠增加玉米的產(chǎn)量[10]。東北干旱雨養(yǎng)地區(qū)水資源短缺而光熱資源豐富，適于發(fā)展間作套種，但該地區(qū)以傳統(tǒng)翻耕和秸稈全部移出農(nóng)田的生產(chǎn)模式，既增大了成本又浪費(fèi)了資源，因此亟待技術(shù)改進(jìn)。本研究將免耕秸稈覆蓋、免耕地膜覆蓋技術(shù)集成到玉米間作大豆模式中，以期實(shí)現(xiàn)資源投入的減量化和循環(huán)利用化，并充分利用種間互作效應(yīng)提高自然資源利用效率。研究結(jié)果將為建立適用于東北干旱雨養(yǎng)地區(qū)光熱資源、水資源高效利用特征的覆蓋種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行。該基地位于東北地區(qū)南部，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明,冬季寒冷干燥，春季氣候多變、氣溫回升快，夏季溫?zé)?。年均氣溫?.1 ℃，年平均降雨量約為400～500 mm，降雨主要集中在7-9月，其降水量約占全年的69.5%，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(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)玉米品種為“聯(lián)達(dá)288”、大豆品種為“開(kāi)創(chuàng)14”。2015年秋季玉米收割后開(kāi)始試驗(yàn)，2016年5月初開(kāi)始播種。整個(gè)生育期以天然降雨為主，其中降雨集中在7月中旬。該試驗(yàn)處理包括覆蓋方式和種植模式兩方面，即3種覆蓋方式(無(wú)覆蓋傳統(tǒng)耕作、免耕地膜覆蓋和免耕秸稈覆蓋)和2個(gè)種植模式(玉米單作和玉米間作大豆)共6種處理，具體如表1。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū),每個(gè)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(wàn)株/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(wàn)株/hm2，具體如圖1。

1.3 測(cè)定方法與內(nèi)容

(1)土壤含水率的測(cè)定：采用時(shí)域反射儀(TDR)進(jìn)行測(cè)量，共分6個(gè)土層深度進(jìn)行測(cè)量，即：10、20、30、40、50、60 cm。每7 d測(cè)定一次，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)有3個(gè)重復(fù)。

(2)地溫的測(cè)定：在播種后將套裝的五支組曲管地溫計(jì)埋于各小區(qū)，深度為5、10、15、20和25 cm，每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置有2個(gè)重復(fù)。在玉米的整個(gè)生育期每天14∶00開(kāi)始讀取各組地溫計(jì)的度數(shù)，每7 d測(cè)定一次。

(3)玉米干物質(zhì)積累測(cè)定：在玉米的拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，從各小區(qū)任選4株有代表性的植株，連根挖取，沖洗干凈并用紗布吸干附著的水分。然后將植株分為根、莖、葉三部分，用感量為0.01 g的電子秤分別稱其鮮重，然后將其裝入紙袋并作好標(biāo)記，放入干燥恒溫箱。先在105 ℃下殺青30 min，然后75 ℃恒溫烘干12 h后稱重。

表1 試驗(yàn)處理操作方法Tab.1 Operational approach of different methods

圖1 小區(qū)試驗(yàn)間作與單作設(shè)計(jì)圖(單位：cm)Fig.1The design drawing of the plot experiment

(4)玉米產(chǎn)量的測(cè)定：玉米成熟后從各小區(qū)隨機(jī)選取6穗玉米，標(biāo)記并放置通風(fēng)口自然風(fēng)干。用感量為0.1 g的電子天平測(cè)定每穗玉米十籽粒、百籽粒和全部籽粒的重量，取單穗玉米產(chǎn)量的平均值乘以每塊小區(qū)玉米株數(shù)測(cè)定每塊小區(qū)產(chǎn)量，最后用18塊小區(qū)產(chǎn)量來(lái)計(jì)算單位面積產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

運(yùn)用Excel2010對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計(jì)分析與綜合評(píng)價(jià)采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式和種植模式對(duì)土壤含水率的影響

土壤含水率在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上是一個(gè)重要的參數(shù)，玉米生育期內(nèi)0～60 cm深度土壤含水率變化如圖2所示，土壤含水率受覆蓋方式的影響較為明顯，隨著土壤深度的加深，不同處理下土壤含水率波動(dòng)差異性降低。在0～10 cm土層深度處，單作模式下DM和JM的平均含水率比CM分別高2.59%、1.41%，間作模式下DI和JI的平均含水率比CI分別高2.78%、1.53%；在10～20和20～30 cm土層深度處土壤含水率變化趨勢(shì)相似，單作和間作模式下平均含水率在苗期以前的大小(6月7號(hào)前)分別表現(xiàn)為DM>JM>CM，DI>JI>CI，而在苗期以后平均含水率的大小分別表現(xiàn)為JM>CM>DM，JI>CI>DI；在30～40 cm土層深度處，單作和間作模式下土壤含水率的大小分別表現(xiàn)為JM>CM>DM，JI>CI>DI。結(jié)果表明地膜覆蓋對(duì)于表層土(0～10 cm)的保水效果較好，因?yàn)榈啬じ采w相對(duì)于另外兩種覆蓋方式可以更好地減少表層土的水分蒸發(fā)，而隨著土壤深度的加深秸稈覆蓋對(duì)深層土的保水效果最好，原因在于秸稈覆蓋相對(duì)于另外兩種覆蓋方式可以更好地能減少地表徑流、提高天然降雨入滲。在40～50 cm和50～60 cm土層深度處的土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致，各處理含水率的差異不大。對(duì)于同一種覆蓋方式來(lái)說(shuō)，在不同土層深度處單作和間作對(duì)土壤含水率的影響不明顯。

圖2 玉米生育期內(nèi)0～60 cm深度土壤含水率變化曲線Fig.2 The variation curve of soil moisture content of different depths

玉米各生育期0～60 cm土層含水量如表2所示，在同一種模式下，各生育期土壤含水量值由大到小均表現(xiàn)為：秸稈覆蓋>傳統(tǒng)模式>地膜覆蓋。從整個(gè)生育期貯水量上來(lái)看，單作模式下，JM的全生育期貯水量較DM和CM分別高14.73%、11.46%，間作模式下，JI的全生育期貯水量較DI和CI分別高16.02%、10.54%，而同一覆蓋方式下單作和間作的土壤貯水量差異性不顯著，因此秸稈覆蓋在整個(gè)生育期對(duì)提高土壤貯水量最為顯著。

2.2 不同覆蓋方式和種植模式對(duì)土壤溫度的影響

土壤溫度影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育，在一定范圍內(nèi)，土壤溫度越高，作物的生長(zhǎng)發(fā)育越快。玉米全生育期內(nèi)0～25 cm深度土壤溫度變化如圖3所示，覆蓋和間作會(huì)影響土壤溫度變化，但隨著土壤深度的增加，不同處理間的差異性減弱。對(duì)于各土層深度處土壤溫度來(lái)說(shuō)，單作模式下均表現(xiàn)為DM>CM>JM，間作模式下均表現(xiàn)為DI>CI>JI；相同覆蓋方式下，在5、10、15 cm土層處，單作模式下的平均土壤溫度較間作模式高0.5～1.5 ℃，在20和25 cm的土層深度處單作和間作的土壤溫度差異性不大。結(jié)果表明地膜覆蓋可以起到保溫的作用，因?yàn)樘?yáng)輻射可以穿越地膜使地溫增加，而地面長(zhǎng)波輻射和大氣輻射卻很少能穿越薄膜從而對(duì)土壤起到了保溫的作用，而秸稈覆蓋使部分太陽(yáng)輻射被反射到大氣中同時(shí)吸收一部分太陽(yáng)輻射，使熱量很難向地表及下層土壤傳遞，進(jìn)而降低了土壤溫度。

表2 玉米各生育階段土壤含水量(0～60 cm)Tab.2 The soil water content at different growth stages of maize(0～60 cm)

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在P=0.05概率水平下差異顯著。

圖3 玉米全生育期內(nèi)0～25 cm深度土壤溫度變化曲線Fig.3 The variation curve of ground temperature of different depths

玉米各生育期0～25 cm土層平均土壤溫度和其特征值如表3所示，對(duì)于玉米各育期0～25 cm土層平均土壤溫度來(lái)說(shuō)，地膜覆蓋對(duì)提高土壤溫度的效果最為顯著，其土壤溫度隨著生育期的推進(jìn)先增加后降低，對(duì)于同一種模式來(lái)說(shuō)，單作模式下DM的平均土壤溫度較JM在整個(gè)生育期都有顯著性差異，而DM的平均土壤溫度較CM在灌漿期和成熟期有顯著性差異，在其他生育時(shí)期差異性不顯著；間作模式下DI的平均土壤溫度較JI在整個(gè)生育期都有顯著性差異,而DI的平均土壤溫度較CI在苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期有顯著性差異，在其他生育時(shí)期差異性不顯著；而同一覆蓋方式下間作和單作的平均土壤溫度差異性不顯著。從玉米全育期0～25 cm土層土壤溫度平均值來(lái)看，DM處理下的平均土壤溫度較JM和CM分別高11.61%、8.33%，DI處理下平均土壤溫度較JI和CI分別高13.68%、9.28%。

表3 玉米各生育期0～25 cm土層平均土壤溫度和其特征值Tab.3 The average soil temperature and eigenvalue in the soil depth of 0～25 cm at different growth stages of maize

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著。

2.3 不同覆蓋方式和種植模式對(duì)玉米干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的影響

不同處理玉米的干物質(zhì)累積和產(chǎn)量如表4所示，玉米根、莖和葉的干物質(zhì)累積規(guī)律相似，同一種植模式下，由大到小的順序都為：地膜覆蓋>秸稈覆蓋>傳統(tǒng)耕作，相同覆蓋方式下，間作相對(duì)于單作更有利于干物質(zhì)的累積。對(duì)于玉米產(chǎn)量來(lái)說(shuō)，間作和覆蓋均會(huì)提高玉米產(chǎn)量。其中單作模式下DM和JM的玉米產(chǎn)量較CM分別高19.34%、11.39%，間作模式下DI的和JI玉米產(chǎn)量較CI分別高19.71%、13.74%。同一覆蓋方式下間作處理玉米的產(chǎn)量相對(duì)于單作增加顯著，秸稈覆蓋方式下JI的玉米產(chǎn)量較JM增加12.13%,地膜覆蓋方式下DI的玉米產(chǎn)量較DM增加10.15%,傳統(tǒng)耕作方式下CI的玉米產(chǎn)量較CM增加9.81%。因此可以看出地膜覆蓋和秸稈覆蓋相較于傳統(tǒng)耕作可以增加玉米產(chǎn)量，而地膜覆蓋的增產(chǎn)相較于秸稈覆蓋更加顯著，同時(shí)間作相較于單作也能增加玉米產(chǎn)量，所以地膜覆蓋配合玉米/大豆間作模式下可以獲得最優(yōu)增產(chǎn)效果。

表4 不同處理玉米的干物質(zhì)累積和產(chǎn)量Tab.4 Dry matter accumulation and yield of maizein different treatments

注：同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著。

3 結(jié) 論

玉米間作大豆的種植模式能夠充分的利用土地、水分、陽(yáng)光等資源，將其與保護(hù)性耕作相結(jié)合能達(dá)到增產(chǎn)、保溫和蓄水保墑的綜合效果。

(1)從貯水量上來(lái)看，覆蓋可以提高土壤含水量，秸稈覆蓋對(duì)提高土壤含水率的效果最為顯著，單作模式下，JM的貯水量較DM和CM分別高14.73%、11.46%；間作模式下，JI的貯水量較DI和CI分別高16.02%、10.54%。而同一覆蓋方式下間作和單處理的土壤含水率和土壤貯水量差異性不顯著。

(2)從土壤溫度上來(lái)看，覆蓋同樣可以增加土壤溫度，其中地膜覆蓋對(duì)提高土壤溫度的效果最為顯著，而同一覆蓋方式下間作和單作處理的地溫差異性不顯著。

(3)在玉米產(chǎn)量方面，地膜覆蓋處理玉米的產(chǎn)量高于傳統(tǒng)耕作和秸稈覆蓋，間作處理相對(duì)于單作有利于增加產(chǎn)量的形成。

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，使玉米增產(chǎn)，同時(shí)玉米間作大豆模式能充分的利用土地、光照、水分和其他資源，其中地膜覆蓋耕作玉米/大豆(DI)是本研究條件下最適宜的覆蓋種植模式。

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