隴中半干旱地區(qū)地膜覆蓋和補灌對玉米及土壤溫濕度的影響

張開乾，鄭立龍

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，蘭州 730070)

隴中半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠天然降水，該地區(qū)平均年降水量小于400 mm，大部分地區(qū)呈現(xiàn)不同程度的水分虧缺，缺水已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)及經(jīng)濟發(fā)展最重要的限制因素，植被退化。水土流失和荒漠化都與當(dāng)?shù)氐乃Y源短缺有著密切關(guān)系。在這一地區(qū)提高農(nóng)作物產(chǎn)量增加農(nóng)民收入，關(guān)鍵是解決有效降水資源的綜合利用技術(shù)[1-4]。該地區(qū)一年中氣候變化較大，晝夜溫差大，溫度也是影響該地區(qū)高產(chǎn)的一個因素。因此很多農(nóng)業(yè)科技工作者都努力研究如何在該地區(qū)使作物在水資源有限、地溫偏低不利于種子發(fā)芽和作物生長的情況下提高水分利用效率和保持地溫，保證作物高產(chǎn)增收。通過一系列的研究發(fā)現(xiàn)：秸稈覆蓋技術(shù)，在提高水分利用效率方面有一定作用[5]；覆地免耕技術(shù)，可以減少土壤蒸發(fā)，從而提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率，如在生育期后期遇到補水則可在產(chǎn)量和水分利用方面明顯提高[6]；玉米采取地膜栽培，由于提高了早春土壤溫度，減少了地表水分蒸發(fā)，保水保墑，解決了需水關(guān)鍵期土壤水分的不足。同時水熱同季，改善了土壤微生物活性，有利于玉米生長發(fā)育和水分吸收，極大地改善了水分生產(chǎn)效率和降水利用率，故是旱地玉米奪取高產(chǎn)的有效栽培措施[7,8]；氮肥的使用和覆膜栽培技術(shù)的共同使用，發(fā)現(xiàn)較單獨的地膜覆蓋技術(shù)在提高水分利用效率方面作用更加明顯[9,10]；旱地玉米起壟集雨全地面覆膜溝播技術(shù)既能最大限度地保蓄土壤水分，又能充分接納和利用天然降水，使降水的作用大大提高，具有明顯的蓄水、保墑、增產(chǎn)效果，經(jīng)濟效益顯著[11,12]。補灌技術(shù)，在玉米不同的生育期進行各種多次或一次，等量或不等量的補灌中，以在大喇叭口期進行一次性補罐最有效[13-15]。馮應(yīng)新等人在黃土高原東部地區(qū)以地膜覆蓋和補灌作為試驗因素，他們認為覆膜和補灌能有效提高玉米對水分的利用效率，提高玉米產(chǎn)量；在水資源有限時，玉米補灌時期應(yīng)以大喇叭口期為主[9]。張緒成等人在黃土高原地區(qū)進行的地膜玉米集雨補灌效應(yīng)試驗認為覆膜可以提高水分的有效利用效率和地溫，改善玉米生長的微生境，有效促進玉米個體生長發(fā)育，增加群體產(chǎn)量，同樣認為補灌玉米生長最有效時期是在大喇叭口期[11]。衛(wèi)三平等人研究旱地玉米在不同栽培方式下補灌的產(chǎn)量變化時，認為全膜壟作比普通覆膜在對旱地玉米增產(chǎn)方面作用明顯[15]。

隴中半干旱地區(qū)水熱俱缺，玉米栽培受多重因子的綜合作用，但已有研究針對于水分或熱量的研究成果，難以為半干旱少熱區(qū)玉米生產(chǎn)提供可靠的理論支撐。為此本研究通過大田試驗，研究了不同覆膜方式、補灌制度對玉米水分利用效率和土壤溫、濕度的影響，旨在為該區(qū)種植玉米提供技術(shù)選擇和優(yōu)化的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)基本情況

本試驗于2014年4―10月在甘肅省榆中縣北部黃土丘陵區(qū)中連川流域(N36 °02′，E104°25′)進行，該區(qū)域氣候上屬于半干旱類型，主要土壤類型為黃綿土。試區(qū)最熱月份平均溫度為19.0 ℃，最冷月份為1月，平均溫度為-1 ℃。地下水位大于10 m，不具備補給能力。因此，天然降水是該區(qū)域土壤水分和作物生產(chǎn)的基本水源，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)半干旱氣候地理類型。2013年降水量為197.7 mm，試驗當(dāng)年2015降水為262.5 mm；無霜期為120 d左右；年日照時數(shù)2 666 h。該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為雨養(yǎng)型，作物一年一熟。

1.2 材料與方法

(1)參試材料。試驗供試玉米品種為中早熟雜交種酒單668，由酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

(2)試驗設(shè)計。試驗共設(shè)9個處理，分別為全膜壟作栽培，不補灌(M1)；全膜壟作栽培，拔節(jié)期補灌300 m3/hm2(M1S1)；全膜壟作栽培，大喇叭口期補灌300 m3/hm2(M1S2)；全膜壟作栽培，拔節(jié)期與大喇叭口期分別補灌150 m3/hm2(M1S1S2)；全膜平作栽培，不補灌(M2)；全膜平作栽培，拔節(jié)期補灌300 m3/hm2(M2S1)；全膜平作栽培，大喇叭口期補灌300 m3/hm2(M2S2)；全膜平作栽培，拔節(jié)期與大喇叭口期分別補灌150 m3/hm2(M2S1S2)；露地平作栽培，不補灌(CK)。每個處理試驗采取隨機排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積25.2 m2(3.6 m×7.0 m)。于4月28日播種，播種密度為5.25萬株/hm2。全膜壟作時，壟面寬80 cm，壟高20 cm，溝寬40 cm，壟上按行距40 cm、株距32 cm播種玉米2行，平作不起壟，其余參數(shù)同全膜壟作。

(3)測定指標(biāo)。土壤水分含量：稱重法測定，按20 cm每層標(biāo)準測定至2 m。土壤溫度：在午間12∶00-14∶00，按5 cm分層，測定0～20 cm土溫，每7 d測定一次，5月5日開始測定。作物產(chǎn)量：對玉米的生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.1.1不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，生物產(chǎn)量方面各覆膜處理較對照處理高出75.3%～89.7%。經(jīng)濟產(chǎn)量方面各覆膜處理高出對照158.88%～206.1%。經(jīng)濟系數(shù)方面各覆膜處理高出對照103.19%～120.26%。以上的比較發(fā)現(xiàn)在該試驗地區(qū)不進行覆膜的處理在收獲季節(jié)其不可能完全生長成熟。所以，覆膜處理是該地區(qū)玉米生長的一個重要條件。

表1 不同處理的產(chǎn)量比較結(jié)果

在表1中，4個全膜壟作處理和4個全膜平作處理產(chǎn)量差異發(fā)現(xiàn)，4個全膜平作的處理在生物產(chǎn)量總量和經(jīng)濟產(chǎn)量總量上分別都大于4個全膜壟作處理的生物產(chǎn)量總量和經(jīng)濟產(chǎn)量總量，高出5.28%和7.23%，經(jīng)濟系數(shù)高出3.96%。其中生物產(chǎn)量是處理M2S1最高，為18 445.4 kg/hm2，比對照高85.17%，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出4.99%；經(jīng)濟產(chǎn)量是處理M2S2最高，為6 277.69 kg/hm2，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出6.31%；在經(jīng)濟系數(shù)方面同樣是處理M2S2最高為0.35，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出3.03%，比處理M2S1高出5.3%。說明在8種不同覆膜處理中以全膜平作大喇叭口期一次性補灌300 m3/hm2處理M2S2在提高產(chǎn)量和提高經(jīng)濟收入方面效果最好。

從表1中還可以看出，當(dāng)補灌方式同為拔節(jié)期補灌時，處理M1S1玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出7 396.7和4 153.36 kg/hm2，處理M2S1的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出8 723.1和4 527.82 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟產(chǎn)量方面都比前者增高17.91%和9%，但經(jīng)濟系數(shù)低于其1.12%。當(dāng)補灌方式同為大喇叭口補灌時，處理M1S2玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出7 416和3 999.96 kg/hm2，處理M2S2的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出8 211.2和4 732.73 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟產(chǎn)量方面都比前者增高10.7%和17.5%，經(jīng)濟系數(shù)高出8.19%。當(dāng)補灌方式同為拔節(jié)期和大喇叭口期各補灌150 m3/hm2時，處理M1S1S2玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出7 645.7和4 355.88 kg/hm2，處理M2S1S2的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出8 105.9和4 586.58 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟產(chǎn)量方面都比前者增高6.01%和1.2%，經(jīng)濟系數(shù)高出1.2%。當(dāng)補灌方式同為不在生育期進行補灌時，玉米在全膜壟作的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出7 377.77和4 146.12 kg/hm2，全膜平作生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量比對照分別高出8 161.9和4 599.89 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟產(chǎn)量方面都比前者增高10.6%和10.9%，經(jīng)濟系數(shù)高出6.2%。通過以上數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，僅有全膜平作拔節(jié)期一次性補灌300 m3/hm2處理在經(jīng)濟系數(shù)方面小于全膜壟作拔節(jié)期一次性補灌300 m3/hm2處理1.12%，其他數(shù)據(jù)均大于全膜壟作方式。這說明在本試驗中全膜平作和全膜壟作相比，全膜壟作并不是一種增加產(chǎn)量和提高收入的有效辦法。

2.1.2不同處理對水分利用效率的影響

采取有效措施最大限度的提高降水資源的高效利用，是對旱地作物生育期實施集水補灌的主要目的，而水分利用效率則是基本衡量指標(biāo)[10]。試驗結(jié)果表明，在玉米全生育期自然降水262.5 mm的條件下，利用人工集雨在玉米關(guān)鍵時期進行補灌，具有較高的水分利用效率，其表現(xiàn)規(guī)律與產(chǎn)量結(jié)果一致(見表2)。8個覆膜處理比對照高出229.1%～310.4%，其中以處理H(全膜平作大喇叭口一次補灌300 m3/hm2)的效果最好。

在全膜壟作種植方式時，水分利用效率以全膜壟作不補灌最低，為17.59 kg/(mm·hm2)；以拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補灌最高，為20.42 kg/(mm·hm2)，較全膜壟作不補灌處理的水分利用效率高16.08%。在全膜平作種植方式時，水分利用效率以全膜平作不補灌最低，為20.79 kg/(mm·hm2)；以大喇叭口一次補灌效果最好，為21.90 kg/(mm·hm2)，較全膜平作不補灌高出5.3%。

表2 各處理的水分利用效率比較

在整個處理中也以全膜平作大喇叭口一次補灌效果最好，水分利用效率高出全膜壟作種植拔節(jié)期和大喇叭口期分量補灌的7.2%。而全膜平作不補灌比全膜壟作不補灌在水分利用效率上高出17.89%。

綜合以上兩點，這說明全膜平作在本試驗提高水分利用方面的作用優(yōu)于全膜壟作設(shè)計的處理。

2.2 不同處理對土壤水分時空動態(tài)影響

從表3對土壤含水量平均值進行分析發(fā)現(xiàn)，8個覆膜處理在土壤含水率上都大于對照，高出3.07%～14.2%。再對4個全膜壟作種植方式和4個全膜平作種植方式進行比較發(fā)現(xiàn)，全膜壟作種植方式土壤含水率的和高于全膜平作種植方式土壤含水率的和5.38%。而對相同補灌方式的全膜壟作處理和全膜平作處理比較發(fā)現(xiàn)，全膜壟作拔節(jié)期一次性補灌比全膜平作拔節(jié)期一次性補灌土壤含水率高出4.09%；全膜壟作大喇叭口期一次性補灌比全膜平作大喇叭口期一次性補灌土壤含水率高出10.79%；全膜壟作拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補灌比全膜平作拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補灌土壤含水率高出4.21%；全膜壟作不補灌處理比全膜平作不補灌土壤含水率高出4.44%。這說明覆膜處理在保持土壤含水率方面有一定效果。而全膜壟作種植處理比全膜平作處理的土壤含水率高，可能是因為全膜平作在產(chǎn)量上大于全膜壟作(見表2)，所以耗水更多。

表3 不同處理的土壤水分在玉米全生育期內(nèi)的變化動態(tài) %

玉米全生育期內(nèi)土壤的水分變化數(shù)據(jù)結(jié)果可以看到，除對照處理外的其他設(shè)計處理在玉米生育期第1次測定到第2次測定土壤的含水量的時間內(nèi)下降極快，而第1次到第2次測定土壤含水率的時間恰是玉米在大喇叭口時期，說明此時期玉米生長旺盛，對水分敏感時期，應(yīng)加強這一階段的水分管理，而對照的表現(xiàn)與其他相反，微微增加基本沒變，這可能是當(dāng)?shù)馗珊怠⒌販刈兓蟛焕谟衩咨L，且沒有任何技術(shù)措施幫助生長，使的玉米根系活力不足，吸水能力弱[8]，發(fā)育遲緩有關(guān)。第2次與第3次測定的比較，土壤含水量變化不大，這可能與當(dāng)?shù)?、8月份降雨相對多有關(guān)。從第3次和第4次測定比較中發(fā)現(xiàn)CK與其他處理的土壤含水量都大約下降1%，有過補灌的處理在土壤含水量下降方面并沒有優(yōu)于其他處理，原因可能是玉米在這一事期處在產(chǎn)量形成階段，耗水量極大，故單在土壤含水分量的時間變化上無法比較補灌效果。

從圖1可以看出，除對照外無論是補灌處理還是未補灌水處理。40～60 cm的土層土壤含水量均明顯低于0～40 cm土層和60～80 cm土層，說明作物在生長的過程中，根系主要活躍層集中在40～60 cm土層之間，根系吸水是造成下層土壤水分激烈變化的主要原因。此外，各種處理設(shè)計在0～60 cm土層之間差距明顯，而在80 cm土層后趨向一致，這表明對覆膜玉米進行300 m3/hm2補灌對土壤水分的作用僅深及最多到80 cm，而以下幾乎沒有影響，所以分量分期補灌的方式將本來不多的補灌用水分2次每次150 m3/hm2進行補灌，考慮干旱地區(qū)蒸發(fā)強度大的因素，在改變40～60 cm土層的含水量上可能作用不如一次性補灌明顯。

圖1 全生育期平均土壤含水率空間變化動態(tài)

2.3 不同處理對土壤耕層溫度的影響

2.3.1玉米全生育期不同處理地溫的空間變化

圖2表明，0～20 cm間不同土層的地溫變化是土層越深地溫越低，CK在沒地膜覆蓋和起壟處理的情況下變化最大。0～20 cm處4個不同土層的地溫是明顯低于其他8個處理的相同土層積溫，其中各處理在5 cm處高出15.2%，10 cm處高出12.0%，15 cm處高出7.3%，20 cm處高出4.3%。這說明全膜平作和全膜壟作都有提高地溫作用，但4個全膜壟作處理的積溫高于4個全膜平作處理積溫9.09%。再分別對相同補灌不同覆膜處理的4種處理進行地溫對比，發(fā)現(xiàn)在各個土層的地溫上都是全膜壟作處理大于全膜平作處理各土層積溫，5 cm處高14.24%，10 cm處高11.01%，15 cm處高5.66%，20 cm處高3.54%。這說明雖然全膜平作和全膜壟作都能提高地溫，但全膜壟作效果更明顯。

2.3.2不同處理地溫的時間變化

通過圖2發(fā)現(xiàn)，在玉米地溫的空間變化上以5 cm土層處變化最明顯，所以將地溫時間變化選在5 cm處進行研究。從圖3發(fā)現(xiàn)在第1次測量到第4次測量之間，地溫出現(xiàn)較大變化，8種處理地溫下降了37%～41%，但對照下降了47%，所以可以表明覆膜處理在保溫方面有一定效果。

圖2 不同處理在玉米全生育期的地溫空間變化

圖3 不同處理5 cm處土層地溫變化

3 結(jié) 語

在隴中半干旱地區(qū)地膜春玉米生育期補灌具有十分明顯的增產(chǎn)效果，8種處理產(chǎn)量較對照高出156.8%～206.1%，其中以全膜平作大喇叭口期一次性補灌300 m3/hm2處理的效果最好，產(chǎn)量較CK增加4 732.73 kg/hm2，經(jīng)濟系數(shù)提高120.26%。所以，隴中半干旱地區(qū)缺水、低溫的生態(tài)環(huán)境下，玉米種植應(yīng)該采取全膜平作大喇叭口期一次性補灌的方式。

在玉米生育期自然降水262.5 mm的情況下，地膜覆蓋和補灌能有效提高水分利用效率。總供水量為300 m3/hm2時，8種處理產(chǎn)量較對照處理高出229.1%～310.4%，其中效果最明顯以覆膜平作大喇叭口期一次性補灌最好，其水分利用效率最高為21.90 kg/(mm·hm2)，高出對照310.4%。而在相同補灌處理下在水分利用效率上全膜平作高于全膜壟作處理的水分利用效率7.2%～17.89%。

在影響玉米生長的另一因素地溫方面，覆膜和起壟能有效提高地溫，8種覆膜處理的地溫在0～20 cm處較對照處理平均高出3.9%～14.7%，但全膜壟作的效果好于全膜平作效果，積溫高出9.09%。

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