0 引言
【研究意义】作物良好的生长发育需要适宜的光、温、水、肥、土等生态条件,其产量及品质在很大程度上也受自然生态条件的约束[1]。在诸多生态因子中,土壤水热因子是影响作物生长发育与产量形成的关键因子,土壤温度作为土壤热状况的综合表征指标,受到大气温度、近地表空间热平衡特征、土壤持水状况及太阳辐射等因素影响,而土壤温度的变化与根系功能和光合作用等作物生长发育指标有着规律性对应关系,对作物生长发育具有重要作用[2]。土壤水分作为作物生长发育的约束性条件,受到土壤耕作措施、种植方式及大气-土壤温度等因素的影响,而土壤水分的变化与作物干物质积累与分配、产量形成密切相关[3-4]。研究特定农艺措施对土壤水热特性的影响,不仅是提高自然资源利用效率的重大需求,同时可为优化作物综合生产技术体系提供重要依据。【前人研究进展】地表覆盖、耕作措施作为调控农田土壤水热特性的主要措施,具有可操作性强、简易等优点。其中,少耕秸秆覆盖等保护性耕作技术具有减少土壤水分蒸发、保墒蓄水、调节地温、提高肥力、抑制杂草生长等多种优点[5],但也存在降低作物生长早期表层土壤温度,延缓出苗及生长发育的缺点[6]。地膜覆盖能够改善土壤水热条件,提高作物产量[7-8],但在高温季节,地膜覆盖往往容易造成作物根区土壤的极端高温,并可导致玉米根系及叶片发生早衰,从而影响产量[9]。西北绿洲灌区资源性缺水严重,春、秋热量不足但夏季炎热,在全面推行非膜不植的生产背景下,寻求弱化地膜覆盖高温弊端的技术亟待进行。与地膜覆盖面临的问题相伴,西北绿洲灌区玉米生产存在连作病虫害严重,产量、品质下降等问题[10],而作物轮作倒茬可通过平衡土壤养分、减少病虫草害,达到稳产、高产[11-12],因此,在玉米生产过程中充分发挥轮作倒茬的作用是当地玉米产业可持续发展的重要方向。【本研究切入点】纵观轮作倒茬优势和单一覆盖材料的优缺点,将轮作、秸秆还田和地膜覆盖集成在同一玉米栽培模式中,有望同步优化农田水热特性,提高玉米生长热量和水分需求与农艺调控效应间的吻合度,建立适用于绿洲灌区玉米高效生产的茬口管理技术。【拟解决的关键问题】本研究在典型干旱绿洲灌区,系统研究前茬小麦秸秆还田方式对轮作地膜覆盖玉米农田土壤温度、水分的影响,阐明不同耕作措施对土壤水热效应作用机理,从而为试区土壤耕作技术的改进和作物高产、高效栽培提供科学依据和技术支撑。1 材料与方法
1.1 试验区概况
田间试验于2009—2012年度在甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地（37°30′ N,103°5′ E）进行。试验区位于河西走廊东端,属寒温带干旱气候区,干燥度5.85,土壤容重1.57 g·cm-3,0—30 cm土层全氮含量0.68 g·kg-1、全磷1.41 g·kg-1、有机质14.31 g·kg-1。土壤类型为灌漠土,土层厚约120 cm,多年平均降雨量约156 mm,且主要集中在每年的7—9月,年蒸发量约2 400 mm,灌溉水资源有限,作物种植必须采用地膜覆盖等节水措施。该区年平均气温7.2℃、≥0℃和≥10℃的积温分别为3 513.4℃和2 985.4℃,春、秋季温度低,易对喜温、长生育期作物造成冻害。小麦、玉米是该区两大主栽作物,播种比例大于50%,耕作以传统深翻耕为主,秸秆移出农田。1.2 试验设计
2009年布置预备试验,2011年在相同小区种植小麦,为次年轮作玉米建立4种茬口,即小麦秸秆25 cm高茬收割立茬免耕（no-till with 25 cm height of straw standing,NTSS）、25 cm高茬等量秸秆覆盖免耕（no-till with 25 cm height of straw covering,NTS）、25 cm高茬等量秸秆翻压（tillage with 25 cm height of straw incorporation,TIS）和传统低茬收割翻耕（conventional tillage without straw retention,CT）,次年轮作玉米,形成4个处理。各处理3次重复,小区面积48 m2,完全随机排列。2010年与2012年度测定后茬地膜覆盖玉米的相关指标。玉米播种日期分别为2010年4月22日与2012年4月20日,收获日期分别为2010年9月28日与2012年10 月2日。播种密度为82 500株/hm2,在玉米播种前,所有处理旋耕,全膜覆盖。
供试玉米（Zea mays L.）品种为武科2号。采用统一施肥水平,施纯氮450 kg·hm-2,按基肥﹕大喇叭口期追肥﹕灌浆期追肥=3﹕6﹕1分施,纯P2O5 225 kg·hm-2,全作基肥。另外,采用统一灌水水平,冬储灌1 200 m3·hm-2,玉米生育期内的灌溉时间及灌溉制度如表1。
Table 1
表1
表1不同年份不同生育时期的灌溉时间及制度
Table 1Irrigation amount and date for maize at different growth stages
| 年份 Year | 拔节期 Jointing | 大喇叭口期 Big flare | 抽雄吐丝期 Silking | 开花期 Flowering | 灌浆期 Filling | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 日期 Date | 灌水量 Irrigation amount (m3·hm-2) | 日期 Date | 灌水量 Irrigation amount (m3·hm-2) | 日期 Date | 灌水量 Irrigation amount (m3·hm-2) | 日期 Date | 灌水量 Irrigation amount (m3·hm-2) | 日期 Date | 灌水量 Irrigation amount (m3·hm-2) | |||
| 2010 | 5.13 | 900 | 6.10 | 750 | 6.26 | 900 | 7.28 | 750 | 8.20 | 750 | ||
| 2012 | 5.16 | 6.10 | 7.1 | 7.25 | 8.21 | |||||||
新窗口打开
1.3 测定指标和计算方法
大气温度：通过小型气象站（SL5）自动测定并记录。土壤温度：采用曲管地温计测定0—25 cm土壤温度,每5 cm为一层,在作物生育期内,每隔3 d在一天内8：00、14：00和18：00测定。玉米某一阶段平均土壤温度和天数的乘积即为该生育阶段0—25 cm土层内的土壤积温。
土壤含水量：0—30 cm土层用烘干法测定,每10 cm为一层;30—110 cm用水分中子仪（美国CPN公司503 DR）测定,按30—50 cm、50—80 cm、80—110 cm分别测定。玉米播种前和收获后各测定一次,生育期内每15天测定一次,灌水前后分别加测一次。
作物阶段耗水量： ET= P + I+SWSt2-SWSt1
式中,P为t1至t2时间段的降雨量（mm）,I为t1至t2时间段的灌水量,SWSt1为t1时期的土壤贮水量（mm）,SWSt2为t2时期的土壤贮水量（mm）。由于试区地下水位极深不存在向上的水分流量,在节水灌溉条件下,水分渗漏量和径流量可以忽略不计。
全生育期耗水量： ET = P + I + SWSo - SWSh
式中,P为作物生育期内降雨量（mm）,I为生育期内灌水量（mm）,SWSo为播种期土壤贮水量（mm）,SWSh为收获期土壤贮水量（mm）。
产量：每小区单独收获计产。
1.4 数据统计
数据采用Microsoft Excel 2007整理、汇总,用SPSS17.0进行方差分析、显著性检验。2 结果
2.1 前茬小麦秸秆处理方式对轮作地膜覆盖玉米土壤含水量时空变化的影响
2.1.1 不同处理土壤含水量的时间动态 2010与2012年,NTSS、NTS与CT处理相比,播种前至苗期 0—110 cm土层土壤含水量平均高5.0%—7.8%,TIS与CT间差异不显著（图1）;拔节至大喇叭口期、吐丝至开花期0—110 cm土层土壤含水量分别高4.7%—6.1%与3.5%—5.0%。灌浆期,NTS比CT高4.7%。玉米收获后,NTSS、NTS、TIS的土壤含水量比CT高5.0%—11.3%,NTS比NTSS、TIS高5.2%—5.9%。前茬小麦不同秸秆还田方式对轮作地膜覆盖玉米农田0—30 cm与30—110 cm土层土壤含水量具有显著影响。播前至苗期,NTSS、NTS、TIS的0—30 cm土层的土壤含水量比对照CT高4.1%—15.1%,NTS比NTSS、TIS高4.7%—10.5%;对30—110 cm土层作用不显著。拔节至大喇叭口期,NTSS、NTS、TIS处理0—30 cm土壤含水量比CT高3.2%—7.6%,NTSS、NTS比TIS高3.9%—4.3%;30—110 cm土层间相比,NTS比CT高4.9%。吐丝至开花期,NTSS、NTS耕层0—30 cm土壤含水量比TIS、CT高2.7%—4.6%;30—110 cm土层,NTSS、NTS比TIS、CT高3.2%—5.3%。灌浆期,耕层0—30 cm NTS比NTSS、TIS、CT高6.8%—10.5%,但30—110 cm土层差异不显著。玉米收获后,耕层0—30 cm土壤含水量均为NTS最高,较TIS、CT高8.7%—18.0%;30—110 cm土层NTS比CT高5.2%。说明前茬小麦秸秆免耕覆盖（NTS）可提高后茬地膜覆盖玉米田0—110 cm土层的土壤含水量,在玉米灌浆期,也可利用深层土壤水分满足玉米旺盛生长对水分的需求。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同处理全生育期的土壤含水量动态
-->Fig.1Dynamic on soil water content during the whole growth period of different treatment
-->
2.1.2 不同处理土壤含水量的垂直变化 土壤含水量的垂直变化年际间有差异（图2）,2012年降雨较多,耕层0—30 cm土壤含水量比2010年高。2年中,2种前茬小麦秸秆免耕还田处理（NTSS、NTS）耕层0—30 cm的土壤含水量比翻耕处理（TIS 和 CT）高3.9%—12.8%;30—80 cm土层,NTS较TIS和CT高2.7%—7.5%;而80—110 cm土层,NTS较TIS、CT低2.0%—3.5%。比较0—110 cm土层全生育期平均土壤含水量,NTS较TIS、CT高4.6%—7.9%,说明前茬小麦秸秆免耕覆盖还田具有较好的保水效应。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同处理土壤含水量的垂直变化
-->Fig.2Changes of soil water content at different depths in each treatment
-->
2.2 不同小麦秸秆还田方式对地膜覆盖玉米各生育阶段耗水量的影响
2010年,NTSS、NTS的耗水量与CT差异不显著,而2012年,NTS的耗水量较其他处理低2.1%—2.7%,耗水量的差异与播前土壤储水量关系密切（表2）。播种至玉米拔节期,耗水量较大,占总耗水量28.0%—39.3%,其中,2010年,NTSS、NTS的耗水比例明显高于CT,因为NTSS、NTS的播前土壤储水量高于CT（表2）。随着生育期的推进,在拔节至吐丝期,NTS的耗水量小于CT,但在玉米吐丝至完熟期,玉米处于旺盛生长期,耗水量总体增大,NTSS、NTS的耗水量及耗水比例高于TIS和CT,这是因为前茬小麦秸秆免耕覆盖生育前期低温延缓了玉米的生长发育,后期低温回升生长加快,蒸腾耗水加大所致。总体来说,前茬小麦秸秆覆盖免耕减小了玉米生育前期的耗水,增大了生育后期（吐丝至成熟期）的耗水量,有效协调玉米前后生育时期耗水互补、竞争关系。
Table 2
表2
表2不同秸秆还田方式下玉米各生育阶段的耗水量差异
Table 2Evapotranspiration of maize at each of growth stage under different straw returning patterns
| 年份 Year | 处理 Treatment | 播种-拔节期 Sowing-jointing | 拔节-大喇叭口期 Jointing-big flare | 大喇叭口期-吐丝期 Big flare-silking | 吐丝-完熟期 Silking-full-ripe | 全生育期 Whole growth period | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ET1 (mm) | ET1/ET (%) | ET2 (mm) | ET2/ET (%) | ET3 (mm) | ET3/ET (%) | ET4 (mm) | ET4/ET (%) | ET (mm) | ||
| 2010 | NTSS | 208ab | 37.2b | 63b | 11.2c | 114b | 20.4b | 174a | 31.2a | 558a |
| NTS | 218a | 39.3a | 54c | 9.7d | 106c | 19.0c | 177a | 32.0a | 555ab | |
| TIS | 196bc | 36.5b | 67b | 12.4b | 120a | 22.3a | 155b | 28.8b | 538b | |
| CT | 190c | 34.9c | 79a | 14.4a | 123a | 22.6a | 153b | 28.1b | 545ab | |
| 2012 | NTSS | 175b | 29.5ab | 43b | 7.3c | 166a | 28.0ab | 208a | 35.2a | 591a |
| NTS | 166c | 28.6bc | 47b | 8.1b | 151b | 26.1b | 216a | 37.2a | 579b | |
| TIS | 166c | 28.0c | 47b | 8.0b | 171a | 29.0a | 207a | 35.1a | 592a | |
| CT | 184a | 30.9a | 58a | 9.7a | 171a | 28.7a | 182b | 30.7b | 595a | |
新窗口打开
2.3 不同小麦秸秆还田方式对地膜覆盖玉米土壤热量的影响
2.3.1 不同处理土壤温度的日变化 2010年,NTS 8：00平均土壤温度比TIS、CT高0.53—0.76℃（图3）;2年全生长期内,TIS、CT 14：00平均土壤温度比NTSS、NTS高1.36—3.87℃,TIS、CT 18：00比NTSS、NTS高0.61—1.30℃,可以看出,与CT相比,NTSS、NTS的降温效应缓慢。对于全生育期内0—25 cm平均土壤温度,NTSS比TIS、CT低0.49—1.06℃,NTS比TIS、CT低0.98—1.75℃。虽然翻耕处理的平均土壤温度高于小麦秸秆免耕还田处理,但NTSS、NTS与TIS、CT处理相比,一天内在增温8：00—14：00阶段,前者土壤温度增幅较小,在降温14：00—18：00阶段,前者土壤温度降幅较小,说明小麦秸秆免耕还田处理在昼夜低温时具有保温效应,而在气温快速上升时增温效应不明显,在降温时具有稳温效应。即前茬小麦秸秆免耕覆盖为后茬地膜覆盖玉米栽培创造了利于玉米生长发育的土壤热量环境。2.3.2 不同处理土壤温度的垂直变化 前茬小麦不同秸秆还田方式轮作地膜覆盖玉米全生育期0—25 cm土层平均土壤温度随着土层的加深影响逐渐减弱,对土壤温度的作用区域主要在0—15 cm土层（图4）。表层0—15 cm土层温度均有CT>TIS>NTSS>NTS,5 cm处,CT、TIS比NTSS高0.92—2.35℃,比NTS高1.50—2.78℃,10 cm处分别高0.55—1.61℃与1.13—2.36℃,15 cm处CT、TIS较NTS高1.13—1.73℃。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同处理0—25 cm土层平均土壤温度的日变化
-->Fig. 3Daily dynamics of average soil temperature of 0 to 25 cm soil depth in different treatments
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同处理0—25 cm土层平均土壤温度的深度变化
-->Fig. 4Changes of average soil temperature at 0 to 25 cm soil depth in different treatments
-->
2.3.3 不同处理大气与土壤温度差 通过大气温度与表层土壤温度差可判断前茬小麦不同秸秆还田方式对轮作地膜覆盖玉米土壤温度稳定性的影响（表3）。玉米生育前期,地面裸露面积大,TIS、CT的表层土壤温度均高于大气温度,NTSS、NTS年际间有差异,但NTSS、NTS的大气-土壤温差的绝对值均小于TIS、CT,土壤温度较稳定。8月份,大气-土壤温差均大于0,玉米封冠后太阳辐射无法直接到达地面,辐射面积明显减小,土壤温度降低,但有NTS的大气-土壤温差高于其他处理。9月份,大气-土壤温度差年际间有差异,2010年NTSS、NTS的绝对值大于TIS和CT,2012年相反,可能因为2010年9月降雨较少,小麦秸秆免耕覆盖稳定土壤温度的效应得到体现,2012年9月降雨较多,弱化了免耕秸秆覆盖稳温及保温效应。从全生育期平均大气-土壤温差可知,NTS温差变异较小,具有稳定土壤温度的作用。总之,前茬小麦秸秆免耕覆盖（NTS）在低温季有保持土壤热量的作用,在高温季节有相对降温的作用,是减少气温变化对地膜覆盖玉米生长发育过度影响的重要机制。
2.3.4 不同处理作物不同生育阶段土壤积温与土壤温度的差异 就土壤温度而言,玉米播种至拔节期,TIS与CT较NTS高1.1—1.7℃（表4）;拔节至大喇叭口期,CT比NTS高1.6—1.8℃;大喇叭口期至吐丝期与吐丝期至灌浆末期,NTS比CT分别低1.3—2.1℃与2.0—2.5℃;灌浆末期至完熟期,2010年,TIS与CT比NTSS与NTS低0.5—0.9℃,而2012年,CT较NTS高0.9—1.5℃。虽然NTS在播种至拔节期的土壤温度低于TIS与CT,延缓了玉米出苗,但在吐丝至灌浆期NTS较低的土壤温度避免了玉米根系及叶片发生早衰。
Table 3
表3
表3不同处理不同生育时期大气与0—25 cm土壤平均温度差
Table 3The difference value between air temperature and soil temperature in 0 to 25 cm soil layers in each growth period of different treatment (℃)
| 年份 Year | 处理 Treatment | 4月 April | 5月 May | 6月 June | 7月 July | 8月 August | 9月 September | 平均 Average |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2010 | NTSS | -1.7 | -3.3 | -1.3 | -0.8 | 1.6 | -1.4 | -1.1 |
| NTS | -1.4 | -2.9 | -0.7 | -0.3 | 2.3 | -1.6 | -0.8 | |
| TIS | -2.2 | -4.2 | -2.2 | -1.3 | 0.1 | -0.7 | -1.7 | |
| CT | -2.4 | -5.2 | -2.4 | -1.6 | -0.2 | -1.0 | -2.1 | |
| 2011 | NTSS | -0.3 | -1.9 | -0.5 | 0.0 | 1.4 | -1.1 | -0.4 |
| NTS | -0.1 | -1.1 | 0.1 | 1.1 | 2.7 | -0.5 | 0.4 | |
| TIS | -0.6 | -2.4 | -1.1 | -0.4 | 1.0 | -1.5 | -0.8 | |
| CT | -1.0 | -3.4 | -1.5 | -1.0 | 0.7 | -2.0 | -1.4 |
新窗口打开
Table 4
表4
表4不同处理玉米各生育阶段土壤温度与土壤积温差异
Table 4Soil temperature and soil accumulated temperature of each growth stage in maize of different treatments (℃)
| 年份 Year | 处理 Treatment | 播种-拔节期 Sowing-jointing | 拔节-大喇叭口期 Jointing-big flare | 大喇叭口期-吐丝期 Big flare-silking | 吐丝-灌浆末期 Silking-late filling | 灌浆末期-完熟期 Late filling-full-ripe | 全生育期 Whole growth period | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ST | SAT | ST | SAT | ST | SAT | ST | SAT | ST | SAT | AST | TSAT | ||
| 2010 | NTSS | 17.0bc | 681bc | 22.8ab | 890ab | 24.9ab | 505ab | 21.4b | 830b | 18.4a | 383a | 20.9b | 3290bc |
| NTS | 16.7c | 667c | 22.2b | 876b | 24.3b | 492b | 20.7b | 823b | 18.5a | 375ab | 20.5b | 3233c | |
| TIS | 17.7ab | 709ab | 23.7a | 916a | 25.4a | 516a | 23.0a | 890a | 17.6b | 349c | 21.5a | 3380ab | |
| CT | 18.4a | 734a | 24.0a | 925a | 25.6a | 521a | 23.2a | 898a | 17.9b | 357bc | 21.8a | 3435a | |
| 2012 | NTSS | 17.6bc | 625bc | 22.7ab | 705ab | 23.6ab | 732ab | 21.3a | 817ab | 16.7bc | 324ab | 20.4ab | 3203b |
| NTS | 17.1c | 598c | 22.1b | 686b | 22.5b | 713b | 20.0b | 800b | 16.2c | 300b | 19.6b | 3096c | |
| TIS | 17.9b | 646ab | 23.3ab | 724ab | 24.0a | 745ab | 21.7a | 837a | 17.1ab | 327ab | 20.8a | 3279ab | |
| CT | 18.7a | 674a | 23.8a | 737a | 24.6a | 763a | 22.0a | 846a | 17.7a | 344a | 21.4a | 3364a | |
新窗口打开
就土壤积温而言,玉米播种至拔节期,TIS与CT较NTS高42.2—76.2℃（表4）,拔节至吐丝期,CT比NTS高29.3—50.5℃,吐丝至灌浆末期,CT比NTS高46.7—75.3℃。从全生育期总土壤积温分析,NTSS、NTS比CT低145.2—267.5℃。
2.4 不同小麦秸秆还田方式对地膜覆盖玉米产量的影响
与传统低茬收割翻耕相比,小麦秸秆还田显著提高了轮作地膜覆盖栽培玉米的籽粒产量（图5）,2个试验年度平均高4.5%—17.5%,增产显著。3种秸秆还田处理中均以小麦秸秆25 cm高茬等量覆盖免耕处理（NTS）的籽粒产量最高,分别达到13 470 kg·hm-2与13 247 kg·hm-2,较TIS提高5.7%—9.0%。由此说明前茬小麦秸秆25 cm高茬等量覆盖结合免耕有利于提高后茬地膜覆盖玉米的籽粒产量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同处理的玉米产量
柱状图上不同字母表示所有处理在0.05水平差异显著
-->Fig. 5Grain yield of maize under different treatments
Different letters in the histogram indicate significant difference among the treatments at 0.05 probability level
-->
3 讨论
3.1 地膜覆盖玉米农田土壤水分对前茬小麦秸秆还田方式的响应
近年来,随着水资源的日趋紧缺,地膜覆盖作为一项节水生产技术广泛地应用于农业生产。大量研究表明,采用地膜覆盖技术显著提高土壤含水量、产量及水分利用效率[7-8]。另有研究表明,少耕秸秆覆盖可以有效地保持土壤水分,降低无效耗水[5,13]。本研究表明,前茬小麦秸秆还田轮作地膜覆盖玉米在不同生育时期土壤含水量均高于传统耕作,而3个小麦秸秆还田处理中,免耕秸秆覆盖土壤含水量明显高于立茬、翻压秸秆还田措施,而立茬、翻压秸秆还田处理土壤含水量在不同阶段差异不同。玉米生育期结束时,前茬小麦秸秆免耕覆盖保持较高的土壤水分含量,这可能是由于免耕秸秆及地膜覆盖膜侧的土壤界面具有良好的导水蓄水保墒能力[14]。秸秆、地膜覆盖具有降低耗水的效应已被研究所证实[7,13],本研究中,与传统覆膜相比,前茬小麦秸秆免耕对后茬地膜覆盖玉米农田耗水量的影响表现出年际间差异,2010年,免耕秸秆地膜双覆盖的耗水量高于传统耕作,这可能是因为2010年为缺水年份,小麦秸秆免耕覆盖轮作地膜玉米加大了对深层土壤水分的利用,而增加了耗水量;相反,2012年降水较多,小麦秸秆免耕覆盖的耗水量低于传统耕作。特别是,前茬小麦秸秆覆盖免耕减小了后茬地膜覆盖玉米生育前期的耗水,增大了生育后期（吐丝至成熟期）的耗水量,有效协调玉米前后生育时期需水矛盾,因此,前茬小麦秸秆免耕覆盖措施可优化后茬地膜覆盖农田的耗水特性,值得进一步关注。3.2 地膜覆盖玉米农田土壤热量特性对前茬小麦秸秆还田方式的响应
温度对作物生产具有重要影响,而土壤温度是改变植物所受温度变化的基础,是植物保持根系活力的重要因素,对农田生产力具有较大影响[15-16]。本研究表明前茬小麦秸秆免耕覆盖可以明显改善表层土壤热量条件,但同一天不同测定时段,不同秸秆还田方式热量效应表现出差异,与传统收割翻耕处理相比,在增温阶段,前茬小麦秸秆免耕覆盖土壤温度增幅较小,降温阶段降幅较小,表现出保温与稳温效应,由于秸秆覆盖导热性差,太阳辐射条件下土壤温度上升及失热时温度下降的速度较慢,土壤温度的日变幅比传统地膜覆盖小[17]。通过大气温度与表层土壤温度差可知,前茬小麦秸秆免耕覆盖在低温季有保持土壤热量的作用,而在高温季节有相对降温的作用,这是减少气温变化对玉米生长发育过度影响的重要机制。水热条件是影响作物生长发育最重要的因素,作物产量的形成往往是二者综合作用的结果[18]。已有研究表明,免耕秸秆覆盖可显著地改善土壤水分条件,但由于地表大量秸秆覆盖,导致早春地温较低使得前期作物的生长发育缓慢,低温导致减产已被证实[19],另有研究表明,在高温季节,单一的地膜覆盖往往容易造成作物根区极端高的土壤温度,导致作物根系及叶片发生早衰现象,从而影响产量[9]。而本研究前茬小麦秸秆免耕覆盖轮作后茬地膜覆盖玉米,虽然生育前期土壤温度较低,但总高于单一的免耕秸秆覆盖[14]。而且表层土壤温度影响玉米出苗,温度低出苗慢,但对出苗率无明显影响[20];气温迅速升高,传统覆膜0—10 cm土层极端高温达到45℃,明显超过了玉米根系发育35℃的适温阈值[21],而前茬小麦秸秆免耕覆盖可降低后茬地膜覆盖玉米吐丝至灌浆期的土壤温度,避免了玉米根系及叶片发生早衰现象。总之,前茬小麦秸秆免耕覆盖轮作地膜覆盖玉米不但具备了免耕覆盖的蓄水保墒优点,而且还通过后茬地膜覆盖显著地改善了土壤表层的热量条件,解决了秸秆覆盖早春低温制约因子及地膜覆盖盛夏极端高温制约因子,并将前者的保水蓄水优势转化为最终的产量优势,显著提高了玉米的产量和水分利用效率[22],为解决单一的免耕秸秆覆盖低温效应及地膜覆盖的高温效应问题提供了科学依据和理论支持。
土壤积温是反映作物生长发育期间对土壤热量资源获取的综合表征指标[23],地膜覆盖能有效增加土壤积温,尤其在积温不足地区与春季土壤升温缓慢的环境下,覆膜栽培具有显著的促进作物生长发育与增产效应[24-25],而秸秆覆盖可降低土壤积温,延缓作物生长发育[14]。本研究表明,自玉米播种到灌浆期,0—25 cm土层土壤积温表现为前茬小麦秸秆还田轮作后茬地膜覆盖玉米农田均低于传统耕作,而3个小麦秸秆还田处理中,免耕秸秆还田土壤积温低于翻压秸秆还田措施,而2个免耕处理土壤积温在不同的阶段差异也不同。全生育期内,各处理土壤积温均大于2 850℃,满足中晚熟品种热量要求[26]。因此,面向热量丰富的西北地区一熟春玉米生产,只有在4月下旬玉米播种到5月上旬成苗期,积温低而不稳定,覆膜增温促长效果显著;玉米吐丝至灌浆期,土壤积温较低,减缓灌浆,但不影响籽粒产量的形成。然而,在热量相对有限地区,前茬小麦秸秆免耕覆盖较之传统覆盖,该技术对晚熟品种的支撑不足,还需进一步研发适宜高效覆盖材料。因此,前茬小麦秸秆免耕覆盖轮作后茬地膜覆盖玉米作为只保水不增温的覆盖方式,对于西北地区非积温限制下的春玉米高产栽培具有重要意义。
前茬小麦免耕秸秆覆盖轮作地膜覆盖玉米可优化农田土壤水热特性,但地膜覆盖增加了生产成本,同时废旧地膜的残留量较高,进一步造成环境污染,综合考虑其经济、环境效益等因素,亟待研发低成本、低污染的玉米可持续栽培耕作措施,即一膜2年用可值得研究者关注。
4 结论
前茬小麦秸秆免耕覆盖可提高后茬地膜覆盖玉米全生育期内土壤含水量,减小后茬地膜覆盖玉米生育前期的耗水,增大生育后期的耗水量,有效协调玉米前后生育时期需水矛盾。前茬小麦秸秆免耕覆盖有效地改善了后茬地膜覆盖玉米农田土壤表层的热量条件,全生育期平均土壤温度较传统低茬收割翻耕处理低1.1—1.4℃、土壤积温低202—208℃;播种至拔节期土壤温度低1.6—1.7℃,土壤积温低67—76℃;玉米吐丝至灌浆末期土壤温度低2.0—2.5℃,土壤积温低47—75℃,避免植株早衰,有效解决了单一免耕秸秆覆盖早春低温制约因子及地膜覆盖盛夏极端高温制约因子。最重要的是,前茬小麦秸秆免耕覆盖减弱后茬地膜覆盖玉米大气-土壤温差的变异程度,在低温季有保持土壤热量的作用,在高温季节有相对降温的作用,是减少气温变化对地膜覆盖玉米生长发育过度影响的重要机制。因此,前茬小麦秸秆免耕覆盖（NTS）是绿洲灌区地膜覆盖玉米适宜的前茬处理措施。The authors have declared that no competing interests exist.
