Coventional tillage and dual mulching of straw and plastic film has stable effects on spring maize yield and nutrient absorption in Weibei dryland
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摘要:目的
在干旱半干旱地区，实现雨养农业作物持续增产的关键因素是提高作物养分利用效率。研究黄土高原旱作农业区长期不同耕作、覆盖措施对春玉米产量和养分吸收的影响，为黄土塬区可持续的农田管理提供参考。
方法保护性耕作定位试验位于中国科学院黄土高原农业生态试验站，始于2003年。设有4个传统耕作和4个免耕处理，具体为传统耕作 (CT)、传统耕作+地膜覆盖 (CP)、传统耕作+秸秆覆盖 (CS)、传统耕作+地膜+秸秆覆盖 (CPS)、免耕 (NT)、免耕+地膜覆盖 (NP)、免耕+秸秆覆盖 (NS)、免耕+地膜+秸秆覆盖 (NPS)。调查分析了2007—2016年玉米产量和玉米养分吸收特性。
结果4个传统耕作处理中，CP处理玉米籽粒平均产量比CT处理提高了24.4%，氮素和钾素养分利用效率最高；CS处理玉米平均生物产量比CT处理提高了39.4%，玉米茎秆养分吸收量最高，特别是总吸钾量提高了101.7%；CPS处理籽粒平均产量最高 (9381.6 kg/hm2)，总吸氮量和吸磷量分别比CT处理提高了63.2%和123.7%。4个免耕处理中，NP处理籽粒平均产量比NT处理提高了25.8%，NS处理比NT处理降低了3.9%；CPS处理平均籽粒产量、生物产量、植株总吸氮量和总吸磷量最高。相同覆盖处理下，传统耕作的平均籽粒产量、生物产量、氮磷总吸收量均高于免耕。平水年地膜覆盖增产效果最好 (27.0%～37.4%)，干旱年秸秆覆盖增产效果最好 (3.5%～8.5%)，丰水年则以地膜秸秆双元覆盖增产效果最大 (31.6%～38.1%)。
结论黄土高原旱地条件下，传统耕作对玉米的增产效果好于免耕。采用传统耕作结合地膜秸秆双元覆盖提高了玉米籽粒产量，增加了玉米地上部养分吸收量，在不同气候年份下对玉米增产效果均较好，且年际间变异幅度较小，是渭北旱塬增加玉米养分吸收，提高籽粒产量的最佳田间管理措施。
Abstract:ObjectivesIn arid and semi-arid regions, the critical factor in achieving stable and high crop yield is the nutrient efficiency for crop utilization. We studied the effects of tillage and mulching measures on the yield and nutrient absorption of spring maize in dryland-fed agricultural areas of the Loess Plateau to reference sustainable farmland management in the region.
MethodsThe conservation tillage experiment was started in 2003. It was located in the Loess Plateau Agricultural Ecological Experimental Station of the Chinese Academy of Sciences. Eight treatments were selected, four traditional tillage and the other four no-tillage. The treatments under traditional tillage were traditional tillage (CT), plastic film mulching (CP), straw mulching (CS), and plastic film+straw mulching (CPS). The treatments under no-tillage were no-tillage control (NT), plastic film mulching (NP), straw mulching (NS), and plastic film+straw mulching (NPS). The maize biomass, yield, and nutrient accumulation in different parts of the crop were analyzed from 2007 to 2016.
ResultsComparing traditional tillage group, the CP treatment increased the average grain yield by 24.4% and recorded the highest N and K utilization efficiency. The CS treatment increased the average biomass by 39.4% and had the highest maize stalk nutrient uptake, particularly the average K uptake increased by 101.7%. The CPS treatment recorded the highest average grain yield (9381.6 kg/hm2) and increased the average total N and P uptake by 63.2% and 123.7% compared with CT, respectively. Comparing the no-tillage group, the NP treatment increased average grain yield by 25.8%, NS reduced grain yield by 3.9%, and CPS recorded the highest average grain yield, biomass, total nitrogen uptake and total phosphorus uptake of plants. Under the same mulching practice, CT treatment had higher average grain yield, biomass, N uptake by various organs, and total N and P uptake than NT treatment. In the normal rainfall years, plastic film mulching had the highest yield (27.0%–37.4%), straw mulching recorded the highest yield in the dry years (3.5%–8.5%), and dual mulching had the highest yield in the wet years (31.6%–38.1%).
ConclusionsIn Weibei dryland, traditional tillage shows a better effect on maize production and yield. With traditional tillage, dual mulching using plastic film and straw is optimal for maize yield and nutrient absorption regardless of climate conditions.
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Keywords:
- film mulching /
- no-tillage /
- spring maize /
- yield /
- nutrient absorption /
- Weibei dryland
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渭北旱塬区是我国典型的雨养旱作农业区，降水少且季节性分布不均，春旱现象频发是限制作物生长的重要因素[1-2]，长期以传统耕作的方式对土壤进行翻耕、耙耱，且秸秆不还田，导致表土暴露、土壤结构破坏，致使土壤侵蚀严重[3]。地表覆盖和保护性耕作能够改善和调节土壤水、肥、热、气状况，也可引起作物的干物质累积、转移以及籽粒产量的变化[4]，因此成为提高该地区作物产量和肥料利用效率的重要措施。
国内外对免耕和覆盖措施进行了大量研究，有学者认为免耕会降低植株养分吸收[5-6]。但也有研究认为免耕覆盖提高了玉米籽粒中氮素养分比例，玉米根部和茎叶中氮素养分含量有所降低，同时可以促进茎叶中的钾元素向籽粒和根部转移[7]。研究表明，免耕土壤的结构、土壤微生物的数量和活性相对稳定，有利于提高养分利用效率[8]。免耕覆盖能够提高冬小麦茎秆含钾量，增加作物对钾元素的利用率[9]。秸秆还田可改善农田土壤特性[10]，调节农田小气候[11]，促进玉米生长，提高肥料利用率[12]，还能够促进同化产物向籽粒转运，提高植株对土壤养分的吸收量和转运量[13]。地膜覆盖能够改善土壤生态环境，有效延长作物生长期[14]，各生育时期氮素、磷素、钾素积累量均显著高于不覆膜，在成熟期籽粒中钾的分配量可提高323.6%[15]。
迄今为止，对保护性耕作措施研究较多，且大多保护性耕作开展年限较短，或是针对长期保护性耕作中某一时间段的研究，关于长期保护性耕作下玉米产量和养分吸收的动态变化研究较少。本研究通过对长期定位试验多年收集的数据进行分析，在一定程度上降低极端天气和偶然因素，如持续干旱或连续降雨等不可控因素带来的影响，以期阐明不同耕作和覆盖措施对玉米产量和养分吸收的影响。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
试验从2003年开始，在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行。该地位于陕西省咸阳市长武县洪家镇王东村，地处北纬35°12′、东经107°40′，海拔1200 m，地下水位50～80 m，光温热量丰富，气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，无灌溉条件，是典型的旱作雨养农业区。根据长武县气象局资料统计，该地区年均降水量为580.4 mm，降雨分布不均，7—9月的降水量占全年总量的57%，春旱现象较为常见。年平均气温9.1℃，大于10℃积温为3029℃，年日照时数2230 h，日照率为51%，年辐射总量为484 kJ/cm2，无霜期171天。2007—2016年月降水量与月气温分布见图1，2009、2010、2012年为干旱年，年平均降水量为488.6 mm，其中2010年降水量为509 mm；2008、2013、2015、2016年为平水年，年平均降水量为526.8 mm，其中2013年降水量为523.4 mm；2007、2011、2014年为丰水年，年平均降水量为641.7 mm，其中2014年降水量为597.1 mm[16]。土壤为黑垆土，母质是深厚的中壤质马兰黄土，田间持水量为21.2%[17]，萎蔫湿度9%～12%，土壤稳定湿度为15.5%，耕层土壤pH为8.3，有机质含量为11.97 g/kg，全氮含量为0.87 g/kg，全磷含量为1.22 g/kg，碱解氮含量为49.64 mg/kg，速效磷含量为16.22 mg/kg，速效钾含量为147.35 mg/kg，土壤肥力状况在渭北旱塬区具有典型代表性。
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图 1 2007—2016年月降水量与月气温分布图Figure 1. Distribution of monthly precipitation and monthly temperature from 2007 to 20161.2 试验设计
本研究针对8个处理进行分析，每个处理设3次重复，采用随机区组设计。试验处理如表1。
表 1 具体试验处理措施Table 1. Details of experimental treatments代码
Code处理
Treatment耕作管理
Tillage managementCT 传统耕作
Traditional tillage春玉米播种前翻耕一次，翻耕深度约为 20 cm，无覆盖
Plough 20 cm in depth before maize sowing, and no mulching of the soilCP CT + 地膜覆盖
CT + film mulching播前翻耕，种植行覆膜，行间不覆膜。收获后移走全部玉米秸秆
Ploughing was carried out before sowing and the rows were covered with plastic films, but not the inter-row soil. All maize straw were removed from the field after harvestCS CT + 秸秆覆盖
CT + straw mulching先翻耕后覆盖，收获的秸秆整秆均匀覆盖小区，玉米播种时秸秆收拢，放置行间
Before sowing, the area was ploughed and covered. After maize harvest, the whole stalk covered the area evenly. During subsequent maize sowing, the stalk was collected and placed between rowsCPS CT + 地膜覆盖 + 秸秆覆盖
CT + film mulching + straw mulching在 CT 基础上，秸秆与地膜间隔覆盖于地表，玉米于地膜两侧打孔种植
Based on CT, straw and mulching film were used to cover the ground, and maize was planted with holes on both sides of the mulching film.NT 连年免耕 No-tillage 试验期连年免耕，不覆盖任何材料
No-tillage and no mulching was undertaken throughout the years.NP NT + 地膜覆盖
NT + film mulching在 NT 基础上，地膜处理同 CP
Based on NT, the treatment of the plastic film was the same as CPNS NT + 秸秆覆盖
NT + straw mulching在NT基础上，秸秆处理同 CS
Based on NT, the treatment of straw was the same as CSNPS NT + 地膜覆盖 + 秸秆覆盖
NT + film mulching + straw mulching不耕作，地膜与秸秆间隔平铺于地表，地膜两侧打孔种植玉米及施肥
NT, the mulching film and the straw were laid flat on the ground surface, and both sides of the mulching film were perforated to allow for maize fertilization小区面积均为35 m2 (5 m × 7 m)，每小区种植玉米八行；对于秸秆与地膜二元覆盖的处理，地膜铺设宽度为77 cm，秸秆宽度为64 cm。各小区施N (尿素) 量均为150 kg/hm2，施P2O5 (过磷酸钙) 量为75 kg/hm2。播种量为6万株/hm2，采取宽窄行种植，宽行60 cm，窄行30 cm，株距为20 cm。供试品种为‘先玉335’。
1.3 试验方法
1.3.1 作物产量
在2007―2011、2013―2016年玉米收获后各小区单独取样，每小区选取中间两行测定产量，以实际收获籽粒干质量计算。在每个处理采集回来的玉米秸秆中选取12株，每两株作为一个小样放入牛皮纸袋中，在105℃条件下杀青30 min，在60℃条件下烘干48 h至恒量，称量得到生物产量。
1.3.2 植株养分含量
在2010、2013和2014年玉米成熟期采集地上部分，测定玉米地上部器官茎秆、叶片、籽粒的氮、磷、钾养分含量。样品经浓硫酸和双氧水消煮后，氮含量采用凯氏定氮法测定，磷含量采用钒钼黄比色法测定，钾含量采用火焰光度计法测定。
1.3.3 相关参数计算与统计方法
籽粒氮(磷/钾)吸收量(kg/hm2)=籽粒氮(磷/钾)含量×玉米籽粒产量 (1) 茎氮(磷/钾)吸收量(kg/hm2)=茎氮(磷/钾)含量×收获期玉米茎干重 (2) 叶氮(磷/钾)吸收量(kg/hm2)=叶氮(磷/钾)含量×收获期玉米叶干重 (3) 氮(磷/钾)素收获指数=籽粒中的氮(磷/钾)素积累量/植物相应养分总积累量 (4) 氮(磷/钾)素利用效率(kg/kg)=籽粒产量/成熟期地上部氮(磷/钾)总积累量 (5) 1.4 数据分析与绘图
基础数据处理使用Excel 2010，不同处理之间的方差分析和多重比较使用SPSS 22.0软件，绘图用Origin 2016软件。
2. 结果与分析
2.1 不同耕作和覆盖措施对春玉米籽粒产量和生物产量的影响
由图2和表2可知，在2007—2016年，随着种植年限的增加籽粒产量总体呈现波动性变化，其中NT和NS处理有下降趋势，而CPS和NPS处理波动较小，年际间变异系数仅分别为9.7%和11.2%。综合9年平均数据，在传统耕作和免耕两种耕作方式下，地膜覆盖处理籽粒平均产量均高于不覆盖处理，传统耕作条件下，CPS处理的籽粒平均产量最高，达9381.6 kg/hm2，较CT处理提高了31.3%。CP和CS处理较CT处理分别提高了24.4%和10.4%。在免耕条件下，NPS处理籽粒平均产量最高，达8758.4 kg/hm2，较NT处理提高了33.6%。而NP处理籽粒平均产量较NT处理提高了25.8%，NS处理比NT处理降低了3.9%，NPS处理籽粒平均产量较NS处理提高了39.0%。对于同一种田间管理措施，传统耕作的籽粒平均产量均高于免耕，秸秆覆盖时传统耕作籽粒平均产量比免耕高25.2%，不覆盖、地膜覆盖和地膜+秸秆覆盖时传统耕作籽粒平均产量比免耕分别高9.0%、7.8%和7.1%。
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图 2 籽粒产量和生物产量年际间变化Figure 2. Annual variation of maize grain yield and biological yield表 2 不同降水年型下平均籽粒产量Table 2. Average grain yield of maize in different precipitation years处理
Treatment干旱年 (kg/hm2)
Dry year平水年 (kg/hm2)
Normal year丰水年 (kg/hm2)
Wet year多年均值 (kg/hm2)
Multi-year averageCV1
(%)CV2
(%)CT 7290.5 ± 79.7 e 7256.5 ± 1183.8 cd 6907.2 ± 925.3 bc 7147.6 ± 556.0 de 3.0 23.3 CP 8576.3 ± 167.7 b 9969.2 ± 515.0 a 7670.8 ± 1086.7 abc 8893.5 ± 523.8 ab 13.2 17.7 CS 7907.0 ± 31.7 c 8198.4 ± 1086.3 bc 7466.2 ± 313.6 abc 7889.6 ± 466.6 cd 4.7 17.7 CPS 8933.4 ± 121.0 a 9486.5 ± 607.3 ab 9540.7 ± 512.2 a 9381.6 ± 303.0 a 3.6 9.7 NT 7600.6 ± 44.3 d 6234.5 ± 905.6 de 6287.4 ± 2160.0 bc 6555.7 ± 751.5 e 11.5 34.4 NP 8542.8 ± 236.5 b 7915.0 ± 745.9 bc 8502.1 ± 819.3 ab 8250.2 ± 405.7 bc 4.2 14.8 NS 7864.4 ± 23.2 c 5696.3 ± 1046.0 e 6063.4 ± 1787.6 c 6300.5 ± 734.3 e 17.7 35.0 NPS 8885.8 ± 192.5 a 9057.5 ± 457.8 ab 8274.6 ± 807.4 abc 8758.4 ± 327.9 abc 4.7 11.2 注（Note）：在整个 10 年试验中，干旱、平水和丰水年分别为 3 年、4 年和 3 年 Accross the 10 year's localized experiment, there were 3 dry years, 4 normal years and 3 wet years; 同列数据后不同小写字母表示相同降水年型不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same rainfall type of years (P < 0.05); CV1—不同降水年型间变异系数 Coefficient of variation among different rainfall type of years; CV2—年际间变异系数 Inter-annual coefficient of variation. 由表2可知，不同降水年型对玉米籽粒产量有一定影响，在传统耕作条件下，干旱年时CP、CS和CPS处理玉米平均籽粒产量比CT处理分别显著提高了17.6%、8.5%和22.5%；平水年时CP、CS和CPS处理玉米平均籽粒产量比CT处理分别提高了37.4%、13.0%和30.7%；丰水年时CP、CS和CPS处理玉米平均籽粒产量比CT处理分别提高了11.1%、8.1%和38.1%。在免耕条件下，干旱年时NP、NS和NPS处理玉米平均籽粒产量分别较NT处理显著提高了12.4%、3.5%和16.9%；平水年时NP和NPS处理玉米平均籽粒产量分别较NT处理显著提高了27.0%和45.3%；丰水年时NP和NPS处理玉米平均籽粒产量分别较NT处理提高了35.2%和31.6%。因此，地膜覆盖在平水年增产效果最好；秸秆覆盖在干旱年增产效果最好；地膜秸秆双元覆盖在丰水年增产效果最好，三种覆盖方式都是在传统耕作方式下增产效果更优。并且干旱年玉米平均籽粒产量高于丰水年。
综合9年平均数据，在传统耕作和免耕两种耕作方式下，进行田间覆盖处理的平均生物产量均高于不覆盖处理 (图2)。对于传统耕作，CS处理平均生物产量最高，达16315.4 kg/hm2，较CT处理提高了39.4%，CP和CPS处理较CT处理生物产量分别提高了14.9%和32.2%。在免耕条件下，NPS处理的平均生物产量最高，达14429.3 kg/hm2，较NT处理提高了25.0%，NP和NS处理较NT处理平均生物产量分别提高了21.8%和6.4%。对于同一种田间管理措施，传统耕作组CT、CS和CPS处理比免耕组NT、NS和NPS处理生物产量分别提高了1.4%、32.8%和7.2%。
方差分析结果表明，不同降水年份、耕作方式和覆盖方式对春玉米籽粒产量和生物产量有显著影响 (表3)。对于春玉米籽粒产量，虽然存在年份和耕作的交互作用显著影响，但是其主要受单因素 (耕作方式、覆盖方式) 的极显著影响。对于春玉米生物产量，受到降水年份、覆盖方式的极显著影响，此外，还受到耕作和覆盖方式交互作用、降水年份与耕作覆盖方式交互作用的极显著影响。但是降水年份与覆盖方式的交互作用对玉米籽粒产量和生物产量均无显著影响。
表 3 春玉米籽粒产量和生物量的方差分析Table 3. Analysis of variance of spring maize grain yield and biological yield项目
Item年份
Year耕作
Tillage覆盖
Mulching年份 × 耕作
Year × Tillage年份 × 覆盖
Year × Mulching耕作 × 覆盖
Tillage × Mulching年份 × 耕作 × 覆盖
Year × Tillage × Mulching籽粒产量 Grain yield ns ** ** * ns ns ns 生物产量 Biological yield ** ns ** ns ns ** ** 注（Note）：*—P < 0.05; **—P < 0.01; ns—不显著 Not significant. 2.2 不同耕作和覆盖措施对玉米各器官养分吸收的影响
综合2010、2013和2014年玉米各器官养分吸收结果 (图3、图4、图5)，田间覆盖处理提高了茎秆养分吸收量，3年试验结果平均值显示，在传统耕作条件下，CS处理玉米秸秆氮、磷、钾吸收量均最高，分别比CT处理高83.1%、76.5%和96.6%。免耕条件下，NP处理玉米秸秆的氮、磷吸收量均最高，分别比NT处理高42.8%和46.7%。对于同一种田间管理措施，除不覆盖条件下传统耕作茎秆吸钾量低于免耕，其余传统耕作下玉米茎秆氮、磷和钾吸收量均高于免耕。秸秆覆盖处理提高了叶片的养分吸收，在传统耕作方式下，CS处理玉米叶片的氮和钾吸收量最高，分别比CT处理高49.9%和103.9%；免耕方式下，NS处理的氮和磷吸收量最高，分别比NT处理高60.3%和100.1%。在传统耕作条件下，覆盖处理提高了籽粒养分吸收量，其中CPS处理的氮和钾吸收量均最高，分别比CT处理高了85.4%和121.2%；在免耕条件下，NPS处理的氮和磷吸收量均最高，分别比NT处理提高了85.2%和103.4%，对于同一种田间管理措施，传统耕作的玉米籽粒氮和磷吸收量均高于免耕。
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图 3 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株氮素吸收量[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]Figure 3. Nitrogen uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize![]()
图 4 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株磷素吸收量[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]Figure 4. Phosphorus uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize![]()
图 5 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株钾素吸收量[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]Figure 5. Potassium uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize2.3 不同耕作和覆盖措施对春玉米养分吸收总量的影响
在传统耕作和免耕两种耕作方式下，田间覆盖后植株总吸氮量、总吸磷量和总吸钾量均有所提高 (图3、图4、图5)。3年试验结果平均值显示，在传统耕作方式下，CPS处理的植株总吸氮量和总吸磷量最高，比CT处理分别提高了63.2%和123.7%，而CS处理的总吸钾量最高，比CT处理提高了101.7%。在免耕方式下，NPS处理的植株总吸氮量和总吸磷量最高，比NT处理分别提高了62.3%和91.6%。对于同一种田间管理措施，传统耕作的植株总吸氮量和总吸磷量均高于免耕，其中传统耕作组CT、CP、CS和CPS处理植株的总吸氮量比免耕组NT、NP、NS和NPS处理分别高19.7%、3.8%、37.7%和21.2%，而植株的总吸磷量传统耕作组CT、CP、CS和CPS处理比免耕组NT、NP、NS和NPS处理分别高9.4%、61.4%、6.0%和30.0%，植株的总吸钾量表现为CT < NT、CP < NP、CS > NS和CPS > NPS。
2.4 不同耕作和覆盖措施对春玉米养分收获指数的影响
2010、2013和2014年玉米3年平均养分收获指数结果 (图6)显示，在传统耕作条件下，CP处理的氮素和磷素收获指数最高，比CT处理分别高13.6%和19.2%，而CPS处理的钾素收获指数最高，比CT处理高18.2%。在免耕条件下，NPS处理的氮素和磷素收获指数最高，分别比NT处理高12.1%和9.9%，而NP处理的钾素收获指数最高，比NT处理高13.6%。对于同一种田间管理措施，传统耕作氮素收获指数均高于免耕，传统耕作组CT、CP、CS和CPS处理分别比免耕组NT、NP、NS和NPS处理高1.7%、6.3%、11.8%和1.5%。CT、CP和CS处理的磷素收获指数相比于NT、NP和NS处理分别提高了2.8%、13.0%和13.6%。CS和CPS处理的钾素收获指数分别比NS和NPS处理高9.5%和13.0%。
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图 6 不同覆盖耕作方式下玉米养分收获指数[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]Figure 6. Nutrient harvest index of maize under different mulching and tillage methods2.5 不同耕作和覆盖措施对春玉米养分利用效率的影响
2010、2013和2014年玉米3年平均养分利用效率结果 (图7)显示，在传统耕作条件下，CP处理的氮素和钾素利用效率最高，分别为64.6和562.7 kg/kg，比CT处理分别高8.4%和65.6%，但田间覆盖处理降低了磷素利用效率。在免耕条件下，NPS处理的氮素和钾素利用效率最高，分别比NT处理高15.2%和136.8%，而NP处理磷素利用效率最高，比CT处理高0.6%。对于同种田间管理措施，传统耕作组CT、CP和CS处理氮素利用效率分别比免耕组NT、NP和NS处理高6.0%、11.1%和0.1%。不覆盖时传统耕作的磷素利用效率比免耕高3.3%。不覆盖和地膜覆盖时，传统耕作的钾素利用效率分别比免耕相应处理提高44.6%和49.0%。
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图 7 不同覆盖耕作方式下玉米养分利用效率[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]Figure 7. Nutrient use efficiency of maize under different mulching and tillage methods3. 讨论
3.1 不同管理措施对玉米籽粒产量和生物产量的影响
在干旱地区，春季低温不利于作物生长[18-19]，地膜覆盖能够在低温的春季提高表土温度，使种子提前3～10天萌发[20]，并加速玉米成熟[19]，提高玉米产量。本研究也发现类似结果，地膜覆盖处理 (CP、CPS、NP、NPS) 提高了籽粒产量，较传统耕作不覆盖处理平均提高了15.4%～31.3%，其中传统耕作条件下的地膜秸秆双元覆盖平均籽粒产量最高，达到了9381.6 kg/hm2 (图2、表2)。此外，本研究10年长期试验表明秸秆覆盖下传统耕作和免耕处理产量都出现了下降趋势 (图2)，这与Zhang等[21]的研究结果类似，一方面可能是因为秸秆常年覆盖影响了土壤温度[22-23]，进而影响土壤养分的矿化，从而影响作物生长；另一方面可能是因为秸秆覆盖后田间水热条件更有利于病虫害的发生，进而影响玉米的产量[24]。周怀平等[25]认为秸秆覆盖还田在偏干旱年份的增产效果尤为突出。这与本研究结果不尽相同，主要可能是在干旱年秸秆覆盖可明显减轻土壤干燥化程度，增加土壤储水量[25]。此外，本研究结果表明，地膜覆盖在平水年增产效果最好，地膜秸秆双元覆盖在丰水年增产效果最好 (表2)，造成这种现象的原因在于平水年水热均匀，地膜覆盖在玉米生长早期可以提供合适的土壤水分和温度，并且地膜覆盖通过抑制蒸发可以保留作物生长所需的水分[22, 26]；在丰水年降水量偏多，玉米生长期间光热资源不足，但是地膜秸秆双元覆盖保证了玉米生长期间土壤温度，地膜覆盖阻挡过多雨水的入渗，秸秆覆盖保证了土壤通气性，因此有利于玉米产量的提高。本研究中，进行田间覆盖的处理 (CP、CS、CPS、NP、NS和NPS) 提高了生物产量，较传统耕作不覆盖处理平均提高了5.0%～39.4%，而免耕不覆盖 (11541.4 kg/hm2) 比传统耕作不覆盖 (11701.0 kg/hm2 ) 生物产量降低了1.4% (图2、表2)。这一方面可能是因为秸秆覆盖后提高了玉米抽穗期后的生物重[27]；另一方面可能是因为残茬覆盖会增加光合面积和光合势，提高光合速率[28]，促进作物生长发育，从而起到提高生物产量的作用。
3.2 不同管理措施对玉米养分吸收的影响
植株对养分的吸收情况会对作物籽粒产量产生直接影响，本研究结果表明，田间覆盖处理整体上较传统耕作不覆盖处理提高了茎秆、叶片和籽粒的吸氮量和吸磷量；而免耕不覆盖各器官的吸氮量和吸磷量较传统耕作不覆盖3年平均降低了7.5%～17.9%。各种保护性耕作措施 (NT、NP、NS、NPS) 较传统耕作不覆盖处理的茎秆、叶片和籽粒的吸钾量3年平均提高了3.1%～52.4% (图3、图4，图5)。秸秆还田可改善农田土壤特性[10]，调节农田小气候[11]，促进玉米生长，提高植株各器官对土壤养分的吸收量和转运量[13]。籽粒是氮素养分的主要储存部位，秸秆覆盖提高了叶片生理活性，从而通过增加叶片和籽粒中氮素和磷素积累量以及茎秆中钾素积累量，提高了地上部养分总吸收量[29]。地膜覆盖能够改善土壤生态环境，有效延长作物生长期，使得各生育时期氮素、磷素、钾素吸收量均显著高于不覆膜处理[15]，而免耕会降低植株养分吸收[5-6]。本研究结果表明，2010、2013和2014年田间覆盖处理 (CP、CS、CPS、NP、NS、NPS) 玉米平均养分总吸收量较传统耕作不覆盖均有所提高，总吸氮量提高了4.5%～64.3% (4.7～67.8 kg/hm2)，总吸磷量提高了29.1%～127.8% (7.9～34.8 kg/hm2)，总吸钾量提高了22.1%～101.7% (9.0～41.6 kg/hm2)；而免耕不覆盖的玉米养分总吸收量较传统耕作不覆盖均有所降低，总吸氮量降低了16.4%，总吸磷量降低了8.6% (图3、图4、图5)。这与战秀梅等[30]研究结果相似。与秸秆不还田相比，秸秆还田后总吸氮量和总吸钾量均有所增加，对于磷素，秸秆还田后腐解释放养分，有利于春玉米后期磷素的积累和转移。此外，磷在土壤中的移动性差，扩散速率低，且易被吸附和固定[31]，本研究发现平水年 (2013年) 玉米吸磷量显著高于干旱年 (2010年) 和丰水年 (2014年)，可能是因为水分影响磷素营养在土壤中的运移和植物对磷素的吸收、利用和分配[32]，2010年是干旱年，水分的亏缺降低了玉米植株对于磷素的吸收利用，而2014年是丰水年，过量的水分导致玉米籽粒产量和生物产量较低 (图2)，从而使得玉米植株的磷素吸收量低于2013年平水年。
养分收获指数和利用效率反映了不同养分元素对玉米生物产量和籽粒产量的贡献[33]。本研究结果表明，地膜覆盖处理 (CP、CPS、NP、NPS) 整体上较传统耕作不覆盖提高了氮、磷和钾素收获指数，主要因为地膜覆盖可以增加土壤微生物活性，提高植物对养分的吸收能力[34]，并且具有增温保墒的作用，从而有助于促进作物生长发育[22]，因此覆膜对玉米养分收获指数具有提升作用。本研究还发现，免耕地膜+秸秆覆盖较传统耕作的氮、磷和钾素利用效率分别提高了8.7%、10.4%和63.7% (图7)，因此，在免耕基础上采用秸秆还田和地膜覆盖互作的方式对促进玉米各器官氮磷钾养分的吸收利用效果最好。
4. 结论
在翻耕和免耕条件下，地膜覆盖在平水年增产效果最好 (27.0%～37.4%)；秸秆覆盖在干旱年增产效果最好 (3.5%～8.5%)；地膜秸秆双元覆盖在丰水年增产效果最好 (31.6%～38.1%)，3种覆盖都是在传统耕作方式下增产效果更优。地膜覆盖、秸秆覆盖与地膜秸秆双元覆盖在翻耕和免耕条件下都提高了玉米各器官养分吸收量，地上部总养分吸收量提高了4.5%～127.8%，其中传统耕作+地膜+秸秆覆盖 (CPS) 处理平均总吸氮量提高了63.2%，平均总吸磷量提高了123.7%。
传统耕作条件下地膜秸秆双元覆盖 (CPS) 显著提高了玉米籽粒产量，增加了玉米地上部养分吸收量，在不同气候年型下对玉米增产效果均较好，且年际间变异幅度较小，是渭北旱塬增加玉米养分吸收，提高籽粒产量的最佳田间管理措施。
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图 1 2007—2016年月降水量与月气温分布图
Figure 1. Distribution of monthly precipitation and monthly temperature from 2007 to 2016
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图 2 籽粒产量和生物产量年际间变化
Figure 2. Annual variation of maize grain yield and biological yield
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图 3 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株氮素吸收量
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]
Figure 3. Nitrogen uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize
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图 4 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株磷素吸收量
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]
Figure 4. Phosphorus uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize
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图 5 玉米茎秆、叶片、籽粒及整株钾素吸收量
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]
Figure 5. Potassium uptake by stalks, leaves, grains and whole plants of maize
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图 6 不同覆盖耕作方式下玉米养分收获指数
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]
Figure 6. Nutrient harvest index of maize under different mulching and tillage methods
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图 7 不同覆盖耕作方式下玉米养分利用效率
[注（Note）：方柱上不同字母表示处理间在0.05水平差异显著Different letters above the bars indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.]
Figure 7. Nutrient use efficiency of maize under different mulching and tillage methods
表 1 具体试验处理措施
Table 1 Details of experimental treatments
代码
Code处理
Treatment耕作管理
Tillage managementCT 传统耕作
Traditional tillage春玉米播种前翻耕一次，翻耕深度约为 20 cm，无覆盖
Plough 20 cm in depth before maize sowing, and no mulching of the soilCP CT + 地膜覆盖
CT + film mulching播前翻耕，种植行覆膜，行间不覆膜。收获后移走全部玉米秸秆
Ploughing was carried out before sowing and the rows were covered with plastic films, but not the inter-row soil. All maize straw were removed from the field after harvestCS CT + 秸秆覆盖
CT + straw mulching先翻耕后覆盖，收获的秸秆整秆均匀覆盖小区，玉米播种时秸秆收拢，放置行间
Before sowing, the area was ploughed and covered. After maize harvest, the whole stalk covered the area evenly. During subsequent maize sowing, the stalk was collected and placed between rowsCPS CT + 地膜覆盖 + 秸秆覆盖
CT + film mulching + straw mulching在 CT 基础上，秸秆与地膜间隔覆盖于地表，玉米于地膜两侧打孔种植
Based on CT, straw and mulching film were used to cover the ground, and maize was planted with holes on both sides of the mulching film.NT 连年免耕 No-tillage 试验期连年免耕，不覆盖任何材料
No-tillage and no mulching was undertaken throughout the years.NP NT + 地膜覆盖
NT + film mulching在 NT 基础上，地膜处理同 CP
Based on NT, the treatment of the plastic film was the same as CPNS NT + 秸秆覆盖
NT + straw mulching在NT基础上，秸秆处理同 CS
Based on NT, the treatment of straw was the same as CSNPS NT + 地膜覆盖 + 秸秆覆盖
NT + film mulching + straw mulching不耕作，地膜与秸秆间隔平铺于地表，地膜两侧打孔种植玉米及施肥
NT, the mulching film and the straw were laid flat on the ground surface, and both sides of the mulching film were perforated to allow for maize fertilization
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表 2 不同降水年型下平均籽粒产量
Table 2 Average grain yield of maize in different precipitation years
处理
Treatment干旱年 (kg/hm2)
Dry year平水年 (kg/hm2)
Normal year丰水年 (kg/hm2)
Wet year多年均值 (kg/hm2)
Multi-year averageCV1
(%)CV2
(%)CT 7290.5 ± 79.7 e 7256.5 ± 1183.8 cd 6907.2 ± 925.3 bc 7147.6 ± 556.0 de 3.0 23.3 CP 8576.3 ± 167.7 b 9969.2 ± 515.0 a 7670.8 ± 1086.7 abc 8893.5 ± 523.8 ab 13.2 17.7 CS 7907.0 ± 31.7 c 8198.4 ± 1086.3 bc 7466.2 ± 313.6 abc 7889.6 ± 466.6 cd 4.7 17.7 CPS 8933.4 ± 121.0 a 9486.5 ± 607.3 ab 9540.7 ± 512.2 a 9381.6 ± 303.0 a 3.6 9.7 NT 7600.6 ± 44.3 d 6234.5 ± 905.6 de 6287.4 ± 2160.0 bc 6555.7 ± 751.5 e 11.5 34.4 NP 8542.8 ± 236.5 b 7915.0 ± 745.9 bc 8502.1 ± 819.3 ab 8250.2 ± 405.7 bc 4.2 14.8 NS 7864.4 ± 23.2 c 5696.3 ± 1046.0 e 6063.4 ± 1787.6 c 6300.5 ± 734.3 e 17.7 35.0 NPS 8885.8 ± 192.5 a 9057.5 ± 457.8 ab 8274.6 ± 807.4 abc 8758.4 ± 327.9 abc 4.7 11.2 注（Note）：在整个 10 年试验中，干旱、平水和丰水年分别为 3 年、4 年和 3 年 Accross the 10 year's localized experiment, there were 3 dry years, 4 normal years and 3 wet years; 同列数据后不同小写字母表示相同降水年型不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same rainfall type of years (P < 0.05); CV1—不同降水年型间变异系数 Coefficient of variation among different rainfall type of years; CV2—年际间变异系数 Inter-annual coefficient of variation.
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表 3 春玉米籽粒产量和生物量的方差分析
Table 3 Analysis of variance of spring maize grain yield and biological yield
项目
Item年份
Year耕作
Tillage覆盖
Mulching年份 × 耕作
Year × Tillage年份 × 覆盖
Year × Mulching耕作 × 覆盖
Tillage × Mulching年份 × 耕作 × 覆盖
Year × Tillage × Mulching籽粒产量 Grain yield ns ** ** * ns ns ns 生物产量 Biological yield ** ns ** ns ns ** ** 注（Note）：*—P < 0.05; **—P < 0.01; ns—不显著 Not significant.
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