不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對玉米農田土壤溫度和水分利用效率的影響

趙財，陳桂平，柴強，于愛忠，殷文

（甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070）

不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對玉米農田土壤溫度和水分利用效率的影響

趙財，陳桂平，柴強，于愛忠，殷文

（甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州730070）

以大田玉米為研究對象，在少耕地膜覆蓋和不同灌水水平下，研究了一膜兩年用地膜覆蓋、秋免耕春覆膜和傳統耕作覆膜對玉米農田土壤溫度和水分利用效率（WUE）的影響。結果表明：與傳統耕作覆膜和秋免耕春覆膜兩種新膜覆蓋處理相比，一膜兩年用處理在玉米播種到拔節期的增溫效果顯著低于新膜覆蓋，農田0～25 cm土壤平均溫度較傳統覆膜處理低13.35%，而對玉米拔節期到成熟期的土壤溫度無明顯影響，且農田0～25 cm土層土壤積溫差異也不顯著，相同覆膜方式下不同灌水水平間有顯著差異，隨著灌水水平的降低土壤積溫增加；一膜兩年用地膜覆蓋方式下玉米籽粒產量和WUE與兩種新膜覆蓋方式相當，中灌水水平下WUE最高，達到17.89 kg·mm－1，且在低灌水水平下獲得籽粒產量顯著高于傳統覆膜處理，一膜兩年用覆蓋、灌溉定額5 700 m3·hm－2較傳統耕作覆膜、灌水定額5 700m3hm－2處理的玉米產量高出16.39%。說明，一膜兩年用地膜覆蓋在玉米播種到拔節期的增溫效應低于新膜覆蓋，但并不影響籽粒產量的形成，且在存在水分脅迫的低灌水水平下一膜兩年用覆蓋模式可減緩干旱脅迫，提高作物籽粒產量，是適于西北綠洲灌區的具有較好經濟效益和生態效益的覆膜農田管理新技術。

一膜兩年用；少免耕；灌水水平；土壤溫度；水分利用效率

地膜覆蓋的主要特征效應是提高農田土壤溫度，地膜覆蓋增溫的主要機理是晴天氣溫較高時吸收太陽輻射使地表升溫，而地膜是熱的不良導體，有效防止了土壤熱量的散失。研究表明地膜覆蓋可顯著提高棉花、玉米、小麥和馬鈴薯等作物生育期內的日平均溫度，地膜覆蓋棉田整個生育期內5cm土層平均增溫1.5℃［1］；與傳統栽培方式相比，地膜覆蓋栽培方式耕層土壤（0～20 cm）日平均溫度提高2.9℃［2］。同時，地膜覆蓋能夠提高水分的有效性和利用效率，從而達到增產的效果，一般情況下，可使糧食作物增產20%～35%，經濟作物增產20%～60%［3］。地膜的長期大量使用，農田殘膜不僅污染土壤、妨礙耕作、破壞耕層土壤結構，而且阻礙作物出苗、根系發育，影響土壤通透性，降低作物產量和品質，對農業生態環境也構成了威脅［4－5］。因此，生產實踐中利用覆蓋方式減少休閑期農田水分損失，提高土壤水分和農田貯水量，同時循環利用地膜，減少地膜的使用量是當前中國，尤其是綠洲灌區農業亟待解決的現實問題。

一膜兩年用覆蓋技術，是舊膜的循環再利用，是地膜覆蓋和少免耕覆膜技術的有機結合。一膜兩年覆蓋玉米、小麥、向日葵、大豆、糜子、亞麻等作物在產量和經濟效益方面的表現已有研究［6－8］，但一膜兩年覆蓋下土壤溫度的系統研究鮮見報道。本文通過對一膜兩年用地膜覆蓋在不同的灌水水平下的土壤溫度的時空變化研究，旨在探索與綠洲灌區間作玉米生理所需積溫及水分相吻合，適宜該區的地膜減量化生產體系，為優化地膜覆蓋技術提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究在甘肅農業大學綠洲農業科研教學基地（103°5′E，37°30′N）進行。試驗區位于河西走廊東端的武威市涼州區黃羊鎮，屬寒溫帶干旱氣候區，海撥1 506 m，無霜期約155 d，多年平均降雨量約156 mm、年蒸發量約2 400mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.2℃，≥0℃和≥10℃的積溫分別為3 513.4℃和2 985.4℃；日照時數2 945 h，土地資源廣闊，光照資源豐富，日照時數長，晝夜溫差大，適于玉米種植。試驗期間試驗區日均溫17.85℃，有效降雨量216.6 mm，高于多年平均降雨量（圖1）。

圖1 作物生長期間試驗區日均溫及降雨量（2014）Fig.1 Precipitation and air temperature atexperiment station

1.2 試驗設計

試驗設3種覆膜耕作方式：傳統耕作覆膜（2013年玉米收獲后深翻耕，2014年播前覆膜）；秋免耕春覆膜（2013年前茬玉米覆膜種植收獲后免耕，2014年玉米播前旋耕覆膜）；一膜兩年覆蓋（2013年玉米覆膜種植收獲后免耕，2014年直接在原有舊膜上播種玉米）。3個灌水梯度，灌溉定額5 700m3·hm－2、6 450m3·hm－2、7 200m3·hm－2；灌溉方式為膜上灌溉。共9個處理，重復三次，田間隨機排列。試驗處理及代碼見表1，灌溉制度見表2。

表1 試驗處理及代碼Table 1 Experiment design and treatments codes

施肥制度：不同處理的總施氮水平一致，為300 kg·hm－2，基肥施總氮量的10%；追肥按照玉米生育時期進行，玉米拔節期（六葉期）第一次追肥為總施氮量的20%；第二次大喇叭口期（十葉期）追肥，為總施氮量的50%；第三次于玉米開花后10 d追肥，為總施氮量的20%。磷肥按照N∶P為1∶0.75的比例全部作為基肥施用。

1.3 茬口處理

試驗在2013年和2014年進行，其中2013年為預備試驗，平作全覆膜大田玉米灌水、施肥等田間管理措施保持一致。按照試驗設計，一膜兩年覆蓋和秋免耕春覆膜處理小區在2013年玉米收獲后免耕，保持地膜的完整度在70%以上；而傳統耕作處理為玉米收獲后進行殘膜回收并深翻耕。2014年春季，秋免耕春覆膜處理將舊膜揭去后進行旋耕覆膜，傳統覆膜處理進行旋耕耙磨后覆膜，而一膜兩年用覆蓋處理不做任何處理直接在舊膜上播種。

表2 不同灌溉定額的灌溉制度Table 2 Irrigation regimes of the different irigation levels

1.4 測定指標及計算方法

1.4.1 土壤溫度在各處理小區玉米帶中央安裝一套曲管地溫計（Wuqiang regongmeter plant，Hebei，China）測定5、10、15、20 cm和25 cm土壤溫度。根據玉米的生育時期每隔15 d連續測定三天土壤溫度，常規測定是每天的8∶00、14∶00和18∶00測定，三次平均代表當天的土壤溫度。

1.4.2 土壤含水量土壤含水量使用土鉆與中子水分儀測定。各處理小區設一個測定點，鋁管裝于玉米帶中央。每20 d測定一次，播前、收獲后，灌水前、灌水后加測，測定土層深度為120 cm。測定時，前30 cm用土鉆人工取土，10 cm一分層。30～120 cm用水分中子儀（美國CPN公司503DR）測定。

1.4.3 產量以小區為單位，單打單收，自然風干后測其總產。

1.4.4 作物耗水量（ET）耗水量＝（播前土壤貯水量－收獲后土壤貯水量）＋生育期降水量＋灌水量（本試驗設計的灌水量相對較小，加之試驗期間降水稀少，故滲漏量可忽略不計；試驗區地下水埋深在30m以下，因此也未考慮地下上升水的影響）。其公式為：

其中，P為生育期降水量；I為生育期灌水量；S1為播種期土壤貯水量；S2為收獲期土壤貯水量。

1.4.5 作物水分利用效率（WUE）

其中，Y為作物籽粒產量，ET為作物全生育期內總耗水量。

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel 2007進行整理匯總，用SPSS 17.0進行方差分析、顯著性檢驗（LSD法）。

2 結果與分析

2.1 不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對0～25 cm土層土壤溫度動態變化的影響

由圖2可以看出深度0～25 cm處平均地溫動態變化，不同處理地溫呈現出相同的變化規律。在玉米出苗期，地表尚未形成作物覆蓋，地溫隨氣溫的升高急速提高，6月1日左右達到最高值，0～25 cm深度各處理的平均溫度達最大值到29.2℃。其后隨著作物的生長逐漸對地表形成覆蓋，作物的遮陰作用降低了地溫，地溫逐漸降低，收獲前的9月15日各處理0～25 cm的平均溫度為14.5℃。同時，一膜兩年用地膜在作物形成覆蓋前的保溫作用明顯低于新膜，NTM較RTM和CTM的地溫分別低1.5℃和1.8℃，但隨著植株長大形成覆蓋差異逐漸減小。

圖2 不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對0～25 cm土層平均地溫的影響Fig.2 The average soil temperature dynamics ofmonoculturedmaize at0～25 cm under differentmulching and irrigation conditions

2.2 不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對不同生育階段土壤溫度的影響

2.2.1 對播種到拔節期土壤溫度的影響如圖3所示，玉米播種到拔節期農田0～25 cm土層平均土壤溫度在一膜兩年用地膜覆蓋方式（NTM）與秋免耕春覆膜方式（RTM）和傳統耕作覆膜方式（CTM）間存顯著差異，而同一覆膜方式下不同灌水處理間無明顯差異。玉米播種到拔節期一膜兩年用地膜覆蓋農田0～25 cm土層平均土壤溫度顯著低于秋免耕春覆膜和傳統耕作覆膜處理，NTM較RTM和CTM處理分別低11.22%和13.33%；而土壤溫度在秋免耕春覆膜與傳統耕作覆膜處理間差別不明顯，RTM較CTM處理低2.38%。說明玉米播種到拔節期（第一次灌水前）土壤溫度主要受覆膜方式的影響，且一膜兩年用地膜的增溫作用顯著低于新膜。

圖3 不同處理下玉米播種到拔節期0～25 cm土層土壤平均溫度Fig.3 The average temperature ofmonoculturedmaize at0～25 cm depth between seeding to jointing period under different treatments

2.2.2 對玉米拔節期到成熟期土壤溫度的影響不同供水與地膜覆蓋條件下玉米拔節期到成熟期0～25 cm土壤平均溫度如圖4所示。不同耕作覆膜方式下0～25 cm土壤平均溫度無顯著差異，RTM和CTM處理較NTM處理分別高出0.25℃和0.29℃。但地膜覆蓋和灌水對玉米拔節期到成熟期0～25 cm土壤平均溫度存在顯著影響，且互作效應顯著。一膜兩年覆蓋條件下，高灌水處理（NTMI3）和中等灌水處理（NTMI2）土壤平均溫度分別較低灌水處理（NTMI1）低0.69℃和0.94℃，且差異顯著。秋免耕春覆膜條件下，高灌水處理（RTMI3）和中等灌水處理（RTMI2）土壤平均溫度分別較低灌水處理（RTMI1）低0.55℃和0.3℃，且RTMI3與RTMI1間差異顯著。傳統耕作覆膜條件下，高灌水處理（CTMI3）和中等灌水處理（CTMI2）土壤平均溫度分別較低灌水處理（CTMI1）低0.39℃和0.38℃，但灌水處理間差異不顯著。說明單作玉米從拔節期到成熟期的土壤溫度與灌水水平呈負相關關系。

圖4 不同處理下玉米拔節期到成熟期0～25 cm土層土壤平均溫度Fig.4 The average temperature ofmonoculturedmaize at 0～25 cm depth between jointing tomaturation period under different treatments

2.3 不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對農田土壤積溫的影響

不同灌水水平下不同覆膜方式單作玉米全生育期0～25 cm土層土壤積溫如圖5所示，單作玉米全生育期0～25 cm土層土壤積溫在不同覆膜方式下無顯著差異，秋免耕春覆膜處理最高，傳統覆膜處理次之，一膜兩年用最低，RTM處理較CTM和NTM處理分別高出0.31%和1.71%；但相同覆膜方式下0～25 cm土層土壤積溫在不同灌水水平間存顯著差異，表現為隨著灌水水平的降低土壤積溫增加，低灌溉水平最高，中灌溉水平次之，高灌溉量下最低，其中在一膜兩年用地膜覆蓋下，NTMI1較NTMI2和NTMI3分別高出3.24%和4.46%，NTMI2較NTMI3高出1.19%。

圖5 不同覆膜方式下玉米農田0～25 cm土層土壤積溫Fig.5 Accumulated soil tempeature at0～25 cm depth during the whole growth period under different mulching and irrigation conditions

2.4 不同灌水水平下少耕地膜覆蓋對玉米產量及水分利用效率的影響

一膜兩年用單作玉米產量在高灌水水平下與傳統覆膜方式相當，而在中低灌水水平下高于傳統覆膜方式（表3）。一膜兩年用覆膜方式下高、中灌水單作玉米產量分別達到了15 201.49 kg·hm－2和15 031.16 kg·hm－2，分別較低灌水水平高出14.58%和13.30%；在同一灌水水平下，NTMI2處理較CTMI2處理的玉米產量高出2.40%，NTMI1處理較CTMI1處理的玉米產量高出16.39%；說明一膜兩年覆蓋與傳統覆膜方式一樣有利于產量的形成，且在水分虧缺時可緩解干旱脅迫對作物產量形成的影響。

比較不同處理水分利用效率發現，一膜兩年用覆膜方式下，高、中灌水處理的WUE分別較低灌水處理提高8.48%和11.51%；秋免耕春覆膜方式下高、中灌水處理的WUE分別較低灌水處理提高5.64%和18.64%；而傳統覆膜方式下高、中灌水處理的WUE分別較低灌水處理只提高2.75%和3.28%；此外，在低灌水水平下WUE在不同覆膜方式處理間存顯著差異，單作玉米的NTMI1、RTMI1和 CTMI1間有明顯差異，NTMI1處理的水分利用效率分別較RTMI1和CTMI1高出5.25%和20.26%。可見，中灌水水平下作物可充分利用有限的土壤水分，又促進作物形成高產，而在低灌水水平下使用一膜兩年用覆蓋模式可減緩干旱脅迫，提高作物的水分利用效率。

表3 不同處理的產量表現和水分利用效率Table 3 Yield and WUE under different treatments

3 討論

地膜覆蓋是人為改善作物生長微環境的栽培技術，有明顯的增溫保墑作用。但大多研究表明，地膜覆蓋只在作物生長前期有明顯的增溫作用，后期減弱。夏自強等［9］研究表明，地膜覆蓋在作物生長前期的低溫季節增溫作用十分明顯，20 cm以上土層土壤溫度較無地膜覆蓋高3℃～5℃，而在作物生長后期的高溫季節，由于受作物郁閉作用的影響，地膜覆蓋對土壤溫度的影響不大。杜社妮等［10］也研究表明，地膜覆蓋在玉米的生育前期有明顯的增溫效果，5～25 cm土層土壤日平均溫度可比對照提高2.2℃～3.0℃。本研究表明，一膜兩年用地膜覆蓋在玉米苗期（第一次灌水前）的增溫效果顯著低于傳統地膜覆蓋，一膜兩年用地膜覆蓋單作玉米農田0～25 cm土壤平均溫度較傳統覆膜處理低13.35%；而覆膜方式對玉米拔節期到成熟期的土壤溫度無明顯影響，該期土壤溫度隨供水水平的提高而降低。農田0～25 cm土層土壤積溫在覆膜方式和不同灌水水平間都存在顯著差異，且覆膜方式與種植模式存在顯著的互作效應，一膜兩年用地膜覆蓋間作玉米帶積溫較單作玉米高出6.32%。同時，地膜覆蓋增加作物產量提高水分利用效率已被大量研究所證明［11－12］，不同覆膜栽培方式能使玉米水分利用效率提高19.62%～66.43%［13］，而舊膜二次利用后胡麻較露地播種增收527 kg·hm－2［14］。本研究中，一膜兩年用單作玉米產量在高灌水水平下與傳統覆膜方式相當，而在中低灌水水平下高于傳統覆膜方式，尤其在低灌水水平下，與傳統覆膜方式相比單作玉米水分利用效率提高20.26%，表明中灌水水平一膜兩年覆蓋玉米可充分利用有限的土壤水分，又促進作物形成高產，而在低灌水水平下可減緩干旱脅迫，提高作物的水分利用效率；這可能與前茬作物留舊膜，翌年春天除舊膜覆新膜免耕播種，在干旱環境下既有效防止土壤水分散失，避免土壤結構破壞密不可分［15］。

4 結論

與傳統耕作覆膜和秋免耕春覆膜兩種新膜覆蓋處理相比，一膜兩年用處理在播種到拔節期的增溫效果顯著低于新膜覆蓋，但作物生長后期的增溫效應無明顯差異；且農田0～25 cm土層土壤積溫在覆膜方式間差異不顯著，但相同覆膜方式下在不同灌水水平間存顯著差異，隨著灌水水平的降低土壤積溫增加。從籽粒產量的表現看，一膜兩年用地膜覆蓋方式下玉米可獲得與兩種新膜覆蓋方式相當的產量，且在低灌水水平下獲得籽粒產量顯著高于傳統覆膜處理，NTMI1較CTMI1處理的玉米產量高出16.39%；一膜兩年用地膜覆蓋玉米水分利用效率與傳統覆膜無明顯差別，中灌水水平下水分利用效率最高，WUE達到17.89 kg·mm－1。說明，一膜兩年用地膜覆蓋在玉米播種到拔節期的增溫效應低于新膜覆蓋，但并不影響籽粒產量的形成，且在存在水分脅迫的低灌水水平下一膜兩年用覆蓋模式可減緩干旱脅迫，提高作物籽粒產量，是適于西北綠洲灌區的具有較好經濟效益和生態效益的覆膜農田管理新技術。

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The effect ofm inimum tillage and mulching on soil temperature and WUE ofmaize under different irrigation levels

ZHAO Cai，CHEN Gui-ping，CHAIQiang，YU Ai-zhong，YINWen
（Gɑnsu Provinciɑl Key Lɑborɑtory of Arid Lɑnd Crop Science／Fɑculty of Agronomy Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ）

A field experiment ofmaizewas conducted to evaluate the effect of different film mulching patterns（one time plasticmulch used for 2 years，no tillage in fall andmulching in spring，traditionalmulching）on soil temperature and WUE under different irrigation levels，with the aimsof providing a better understanding ofoptimization ofmaize cropping system，film mulching re-utilization，and increasing of water use efficiency in oasis irrigation area.The results showed that the treatmentof plasticmulching once and used for 2 years increased the soil temperature，but itwas significantly lower than the treatmentwith new film mulching between seeding and jointing stage ofmaize.Themean temperature of 0～25 cm profile soil in treatmentwith one time plasticmulch used for 2 yearswas 13.35%lower than the temperature in traditionalmulching treatment.However，no significanteffectwas found on soil temperature during themaize jointing tomaturation stage.And no significant difference on soil accumulated temperature of0～25 cm profile under different film mulching patterns，but therewas significant difference under the different irrigation levels.Compared with the other twomulching patterns，the grain yield and WUE were not significantly different from the treatmentwith one time plastic mulch used for2 years，however，theWUE reached 17.89 kg·mm－1under themedium irrigation level，the grain yield was significantly higher than the traditional film mulching treatment.The production ofmaize in NTMI1 treatment was 16.39%higher than CTMI1 treatment.We concluded that the treatmentwith one time plasticmulch used for2 yearshad a lower warming effect than the treatmentswith new film mulching，but did not affect the forming of seed ofmaize，it could also decrease the drought pressure and increase the yield potential and be considered as a new advanced technique ofmaize cropping system for both economic and ecological benefits in northwest oasis irrigation area of China.

one time plastic mulch used for 2 years；minimum and no tillage；irrigation level；soil temperature；water use efficiency

S513；S501

：A

1000-7601（2017）01-0152-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.23

2016-01-27

國家公益性行業項目（201503125）；國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B10）

趙財（1978—），男，甘肅武威人，博士，助理研究員，主要從事多熟種植和節水農業研究。E-mail：zhaoc＠gsau.edu.cn。

柴強（1972—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為多熟種植、循環農業和節水農業。E-mail：chaiq＠gsau.edu.cn。