渭北旱原地处黄土高原中南部,属典型的雨养农业区。受自然降水量少及年际波动大的影响,作物产量长期低而不稳,已严重影响了该区的粮食安全和农业可持续发展。本研究在合阳旱农试验站通过连续4年定位试验,以传统不覆盖为对照,全面、系统和深入地探讨了2种覆盖方式(全程秸秆覆盖和生育期秸秆覆盖)和3个水平秸秆覆盖量(4500、9000和13500kg/hm~2)对农田环境及春玉米生理生态的影响,主要结论如下:1.不同量秸秆覆盖改善了土壤结构。与CK相比,S1、S2和S3处理0~20cm土层的容重分别降低0.76%、2.29%和3.05%,土壤孔隙度分别提高0.18%、1.67%和2.32%。干筛法取得土壤团聚体表明,全程覆盖处理>0.25mm的土壤团聚体含量在0~10cm和10~20cm土层均大于对照(CK),尤以S2最高,较CK分别提高5.57%和8.57%.湿筛法取得土壤团聚体表明,全程覆盖处理>0.25mm土壤水稳性团聚体含量在0~10cm和10~20cm土层均小于对照,而在30~40cm土层大于对照。生育期覆盖处理土壤容重、土壤孔隙度和土壤团聚体变化趋势和全程覆盖处理一致,但后者整体优于前者。2.不同量秸秆覆盖明显降低了春玉米不同土层的土壤温度。全程秸秆覆盖处理S1 (4500)、S2 (9000)和S3 (13500 kg/hm~2)土壤温度的日变化,以早上8:00地温最低,差异亦最小;中午14:00地温最高,差异最大;下午18:00地温仅次于中午。3个处理0—15cm土层2年平均地温,与CK相比,苗期分别降低2.6、3.2和3.9℃;播后60d分别降低了2.2、3.6和4.2℃;播后90d差异逐渐减小;全生育期平均分别降低0.9、1.6和1.9℃。春玉米播后0—30d,3个处理5cm土层土壤温度2年(2009—2010)平均值,较CK分别显著(P<0.05)降低3.4、4.4和4.8℃,10cm土层次之,15—25cm土层各处理间无明显差异。生育期秸秆覆盖处理S4 (4500)、S5 (9000)和S6 (13500 kg/hm~2)土壤温度的时空变化规律与全程秸秆覆盖处理趋势一致。3.不同量秸秆覆盖有效调控了土壤水分。冬闲末,全程覆盖处理对土壤水分的保墒效应,在2009—2010年度效果最好,2008—2009年度次之,2007—2008年度最低。S1、S2和S3处理2m土层3个年度平均土壤贮水量,较CK分别增加9.14、20.71和26.04mm,差异均达显著水平(P<0.05)。而生育期覆盖各处理2m土层土壤贮水量和CK无显著差异。不同降水年份,全程覆盖和生育期覆盖处理0—60cm土层土壤贮水量,均表现出播后0—60d较CK增幅较大,随着时间推移逐渐缩小的趋势。S1、S2和S3全生育期0—60cm土层4年平均土壤贮水量,较CK分别增加4.40、8.45 (P<0.05)和10.75mm(P<0.05),其中,以2010年(正常年份)增幅最大,2008年(干旱年)次之,2009年(丰水年)最差。生育期覆盖与全程覆盖处理0—60cm土壤贮水量的变化趋势相同,但整体低于后者,S4、S5和S6处理4年0—60cm平均土壤贮水量较CK分别增加2.60、6.17和8.78 mm.4.不同量秸秆覆盖提高了土壤养分含量和土壤酶活性。其中,全程覆盖处理整体高于生育期覆盖处理。S4、S5和S6处理收获期0~20cm土层4年平均全氮(TN)质量分数较CK分别增加9.01%、17.12%和19.82%,差异均达显著水平(P<0.05);S1、S2和S3处理3年平均全氮(TN)质量分数较CK分别增加17.12%、25.23%和21.62%,差异亦均达显著水平(P<0.05)。S4、S5和S6处理TN质量分数在全生育期均呈单峰曲线波动,峰值在播后60d(较CK滞后30d),2009年全生育期平均TN质量分数,在0~20cm土层较CK分别提高7.32%、9.76%和9.76%。S1、S2和S3全生育期蔗糖酶活性较CK分别提高10.16%、25.85%和20.14%,S4、S5和S6分别提高4.63%、16.58%和10.52%。其中,S2、S3、S5和S6均显著高于CK,但S2与S3、S5与S6间均无显著差异;全程覆盖与生育期覆盖各处理脲酶活性整个生育期均呈“N”形曲线变化,S1、S2和S3处理全生育期脲酶活性较CK分别提高2.19%、5.58%和3.78%,S4、S5和S6较CK分别增加0.40%、2.39%和1.39%;全程覆盖和生育期覆盖处理磷酸酶活性在生育期呈“M”形曲线波动,峰值分别在播后90和120d。S1、S2和S3全生育期磷酸酶活性较CK分别提高6.35%、13.76%和11.11%,S4、S5和S6较CK分别提高了4.23%、11.51%和8.86%;S1、S2、S3、S4、S5和S6全生育期过氧化氢酶活性较CK分别提高1.02%、2.65%、2.35%、0.94%、1.93%和1.78%,均与CK无显著差异。5.不同量秸秆覆盖还田强化了土壤有机质的积累,改善了土壤碳库组分。0—20cm土层,与CK相比,S1、S2和S3总有机碳(TOC)质量分数分别提高5.08%、14.12%和28.03 % (P<0.05);活性有机碳(LOC)质量分数分别提高19.20%、44.02%和23.50%,差异均达显著水平(P<0.05);碳库管理指数(CMI)分别高出20.94%、46.86%和50.21%,差异亦均达显著水平(P<0.05)。此外,春玉米产量与LOC和CMI分别显著(P<0.05)和极显著相关(P<0.01),而与TOC则无显著相关性。6.不同量秸秆覆盖改善了农田小气候,降低了春玉米冠气温差(CATD)、提高了叶片水势(LW),尤以中午13:00~15:00效果最为明显。全程覆盖处理以S2综合表现最优,其14:00及日平均CATD,分别达到-0.20℃和0.79℃,较CK分别显著(P<0.05)降低111.4%和75.8%,其15:00的LWP为-1.58MPa,较CK升高7.06% (P<0.05);S3处理14:00及日平均的CATD较S2降低,但两者无显著差异。此外,全程覆盖处理冠气温差与秸秆覆盖量、土壤贮水量均显著负相关(P<0.05)。7.不同量秸秆覆盖延缓了春玉米的生长发育。两种覆盖方式对春玉米苗期、拔节期和成熟期的生长发育影响较大,其它生育阶段则影响较小。4年结果表明,S1、S2、S3、S4、S5和S6较CK出苗分别推迟4、5、7、3、4和7d,三叶期分别推迟0、1、3、0、1和3d,拔节分别推迟3、3、3、1、2和3d,成熟期分别推迟2、4、5、0、2和4d。8.不同量秸秆覆盖增强了春玉米的光和作用,提高了PS II潜在活性。S1和CK群体平均净光合速率2008和2009年均呈“单峰型”曲线变化,峰值在拔节期;S2和S3处理2年均呈“双峰型”曲线变化,峰值分别在拔节期和孕穗期,且前者高于后者。不同量覆盖处理的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、叶片瞬时水分利用效率(WUE瞬时)较CK均明显增加,光系统II (PS II)的最大光化学量子产量(F_v/F_m)、PS II潜在活性(Fv/F0)和光化学猝灭系数(qP)较CK亦明显提高。9.不同量秸秆覆盖不同程度地提高了作物产量。全程覆盖方式下,以S2和S3产量最高(S2和S3无显著差异),S1最低。S1、S2和S3处理3年平均籽粒产量较CK分别增产6.24%、14.02% (P<0.05)和14.46% (P<0.05)。生育期覆盖方式下,S4、S5和S6处理4年平均籽粒产量较CK分别增产1.76%、9.42% (P<0.05)和10.34% (P<0.05)。覆盖处理生物产量的变化趋势与籽粒产量增长趋势一致,但前者的增幅低于后者。春玉米产量因其特征值不同而存在较大差异。产量构成三要素中,各覆盖处理以行粒数与CK差异最大,百粒重其次,穗行数差异最小,表明不同处理间产量的差异主要是由于行粒数不同造成。10.不同量秸秆覆盖量提高了春玉米的的水分利用效率(WUE)。2008年较CK增幅最大,2010年次之,2009年最低。S1、S2和S3处理3年平均WUE较CK分别提高1.08%、6.45%和5.38%,3年平均PUE分别提高13.07%、21.59%和21.59%;S4、S5和S6处理4年平均WUE较CK分别提高0.54%、8.06%和7.53%,4年平均PUE分别提高2.27%、10.23%和11.36%。2种覆盖方式、不同量秸秆覆盖处理的耗水系数基本接近。11.全程覆盖处理春玉米各器官N素累积量整体高于生育期覆盖,且随覆盖量的递增而逐步增加(籽粒N素累积量除外),各器官N素累积量高低次序为:籽粒>穗叶>茎鞘>穗轴>苞叶。不同覆盖方式均以9000kg/hm~2覆盖量处理的N素利用效率、N肥利用率和N肥农学效率表现最优。12.全程覆盖各处理纯收益不同年份存在较大差异,以正常年份(2011年)最高,干旱年份(2008年)次之,丰水年份(2009年)最低。S1、S2和S3处理3年平均纯收益,较CK分别增加6.61%、18.87%和17.39%;3年平均产投比分别提高1.21%、5.45%和3.64%。生育期覆盖各处理整体低于全程覆盖处理。本研究表明,全程覆盖和生育期覆盖方式下不同量秸秆覆盖处理水、温、肥效应、春玉米产量、WUE及节水效益均明显高于CK,且全程覆盖整体高于生育期覆盖,不同量秸秆覆盖量处理以S2综合表现最优。鉴此,渭北旱原及同类生态区春玉米进行秸秆覆盖时,推荐选择全程覆盖方式,且以9 000 kg/hm~2覆盖量为宜。