不同灌水水平下一膜兩年覆蓋的玉米農田土壤水分和經濟效益分析

趙 財，陳桂平，柴 強，殷 文，劉 暢

(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)

不同灌水水平下一膜兩年覆蓋的玉米農田土壤水分和經濟效益分析

趙 財，陳桂平，柴 強，殷 文，劉 暢

(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水分和產量的影響，以期為灌區玉米生產優化耕作措施、地膜再利用、提高水分利用效率提供理論依據。結果表明，一膜兩年覆蓋可顯著提高播前農田0～60 cm土層土壤含水量和土壤貯水量(0～120 cm)，一膜兩年覆蓋農田貯水量較傳統耕作覆膜提高13.31%，且處理間差異顯著；在玉米生育期一膜兩年用地膜覆蓋可明顯提高0～30 cm土層土壤含水量，一膜兩年用較傳統覆膜處理0～30 cm土層土壤含水量提高7.67%，而不同處理對30～120 cm土層土壤含水量影響較小。高灌水水平下，一膜兩年覆蓋方式可達到與傳統耕作覆膜方式相當的產量，在中、低灌水水平下高于傳統覆膜處理，分別增產2.40%和16.39%，且在低灌水水平下WUE在不同覆膜方式處理間存在顯著差異， 一膜兩年覆蓋的WUE分別較秋免耕春覆膜和傳統耕作覆膜高出5.25%和20.26%；此外，一膜兩年覆蓋方式可顯著減少成本投入，產投比分別較秋免耕春覆膜和傳統耕作覆膜提高7.27%和15.69%。說明一膜兩年用地膜覆蓋可顯著提高播前和生育期0～30 cm的土壤含水量，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，提高作物子粒產量和水分利用效率，降低成本投入，提高產投比，是適于西北綠洲灌區的覆膜農田管理新技術。

玉米；一膜兩年覆蓋；灌水水平；水分利用效率；產投比；經濟效益

地膜覆蓋技術可有效抑制農田水分蒸發，保持土壤水分，促進作物對深層土壤水分的利用。利用地膜的不透氣和不透水性，切斷了土壤水分同近地層空氣中水分的交換通道，有效地阻止了土壤水分的蒸發，并有效地促進了土壤-作物水分的良性循環，提高了降水在土壤中的保蓄率。研究表明，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，地膜覆蓋可顯著提高0～60 cm土層的土壤含水量[1-2]，可使糧食作物增產20%～35%[3]。覆膜栽培技術增產的主要原因是提高了玉米穗粒數和百粒重，有助于玉米單株干物質的積累，但降低了單株成穗數[4]。旱地玉米采用秋覆膜栽培可顯著提高土壤蓄水效率和作物水分利用效率，秋覆膜春播玉米播前1 m土層多貯水36.7 mm，土壤蓄水效率為78.4%，產量和水分利用效率(WUE)較春季地膜覆蓋分別提高16.7%、14.9%[5]；旱地小麥采用秋覆膜栽培的平均產量又略高于春覆膜[6]。免耕具有顯著的水土保持效應和作物增產效應已被大量研究所證實[7-8]。這說明地膜覆蓋和免耕在提高農田土壤含水量，提高水分的有效性和利用效率方面已形成了成熟的技術體系，但這些研究都建立在單一的技術基礎上，如何使地膜覆蓋和免耕技術的優點結合，實現水分的耦合效應，進一步提高水分利用效率需要我們進行更深層次的研究。

本文針對綠洲灌區目前存在的“無膜不植”造成嚴重的地膜污染[9-10]和休閑季耕地深松翻耕造成休閑期土壤水分大量蒸發損失等問題[11]，利用地膜覆蓋抑制蒸發的功能和少免耕技術增強土壤的保墑儲水能力、減少休閑期農田水分的蒸發損失，提出了一膜兩年用覆蓋技術和秋免耕秋覆膜技術，此技術是將休閑期地膜覆蓋和少免耕技術有機結合，研究在有限供水條件下一膜兩年用農田水分變化和不同種植模式農田土壤水分的空間、時間規律，對于綠洲灌區玉米節水高效生產技術具有十分重要的理論意義。

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156 mm，年蒸發量約2 400 mm，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。試驗期間試驗區日均溫17.85℃，有效降雨量241.7 mm，高于多年平均降雨量(見圖1)。

1.2 試驗設計

試驗設3種覆膜耕作方式：傳統耕作覆膜，秋免耕春覆膜，一膜兩年覆蓋；3個灌水梯度：灌溉定額分別為5 700 m3·hm-2，6 450 m3·hm-2，7 200 m3·hm-2；灌溉制度根據玉米生育時期制定。共9個處理，重復3次，田間隨機排列。玉米種植采用平作全膜覆蓋，灌溉方式為小畦灌。不同處理代碼(表1)及灌溉制度見表2。

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，施用對應剩余的氮肥量。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，大田玉米灌水、施肥等田間管理措施保持一致。玉米(ZeamayzL.)品種為“先玉335” 。2014年玉米播種日期為4月25日，收獲日期為10月1日。

按照試驗設計，一膜兩年覆蓋處理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。試驗指標的測定在2014年進行。

1.4 測定指標及計算方法

1.4.1 土壤含水量 土壤含水量使用土鉆與中子水分儀測定。每20 d測定一次，播前、收獲后及灌水前、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，鋁管裝于帶型中央。

圖1 作物生長期間試驗區日均溫及降雨量

表1 不同覆蓋處理設計和實施方法

表2 不同灌水水平的灌溉制度

1.4.2 土壤貯水量 0～120 cm土壤貯水量 (Soil water storage, SWS, mm) 使用如下公式進行計算：

SWS=10×h×a×θ

(1)

式中，h代表土壤深度(cm)，a代表土壤容重(g·cm-3)，θ代表土壤體積含水量(cm3·cm-3)。

1.4.3 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30 m以下，因此也未考慮地下上升水的影響)。其公式為：

ET=P+I+S1-S2

(2)

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

1.4.4 產量及產量構成因素 每小區取樣10株考種，測定其株高、穗長、穗粒數、行粒數、百粒重等產量性狀，以試驗小區為單位，單打單收，自然風干后測定各自產量。

1.4.5 作物水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

(3)

式中，Y為作物子粒產量(kg·hm-2)；ET為作物全生育期內總耗水量(mm)。

1.5 數據統計

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

2 結果與分析

2.1 一膜兩年覆蓋對農田播前土壤含水量和貯水量的影響

如圖2所示，在冬儲灌相同的情況下，與傳統耕作覆膜(CT)技術相比，一膜兩年用地膜覆蓋(NT)和秋免耕春覆膜(RT)技術都顯著提高了播前土壤含水量，0～60 cm土層平均土壤含水量NT和RT較CT處理分別高出14.31%和4.69%；同時，一膜兩年覆蓋處理0～120 cm土層土壤貯水量也顯著高于傳統耕作處理，NT處理農田貯水量分別高出RT和CT處理4.44%和13.31%，其中NT與CT處理間差異顯著；RT較CT高出8.49%，但差異不顯著(圖3)。說明在冬儲灌灌水量相同的條件下，休閑期地膜覆蓋可有效抑制農田水分的蒸發損失，提高農田土壤含水量和貯水量，尤其是0～60 cm土層的土壤含水量。

圖2 播前土壤含水量

圖3 播前土壤貯水量

2.2 一膜兩年覆蓋對不同層次水分動態變化的影響

2.2.1 0～30 cm土層土壤水分動態變化 不同覆膜方式下不同種植模式作物農田0～30 cm土層土壤水分動態變化如圖4所示。一膜兩年用地膜覆蓋全生育期土壤含水量與傳統覆膜和秋免耕春覆膜處理空間變化趨勢基本一致，但在不同生育時期有所不同，在玉米大喇叭口期(7月1日)以前一膜兩年用地膜覆蓋0～30 cm土層土壤含水量在同一灌水水平下明顯高于傳統地膜覆蓋，此后土壤含水量在相同灌水水平間無明顯差異，全生育期一膜兩年用地膜覆蓋0～30 cm土層土壤含水量較秋免耕春覆膜處理和傳統覆膜處理分別高出3.32%和7.67%。但在不同灌水梯度下0～30 cm土層土壤含水量存在顯著差異。NTI3全生育期平均土壤含水量較中灌水處理NTI2和低灌水處理NTI1分別高出10.11%和30.29%。RTI3全生育期平均土壤含水率較中灌水處理RTI2和低灌水處理RTI1分別高出8.91%和27.74%。CTI3全生育期平均土壤含水量較中灌水處理CTI2和低灌水處理CTI1分別高出4.26%和19.73%。

圖4 玉米全生育期0～30 cm土層土壤含水量動態變化圖

2.2.2 30～120 cm土層土壤水分動態變化 不同覆膜方式下不同種植模式作物農田30～120 cm土層土壤水分動態變化如圖5所示。一膜兩年用地膜覆蓋30～120 cm土層土壤含水量與傳統覆膜和秋免耕春覆膜處理空間變化趨勢基本一致，但相較0～30 cm土層土壤含水量變異幅度較小，且在灌水水平間存在顯著差異。30～120 cm土層土壤含水量在相同灌水水平下覆膜方式間無明顯差異，但在不同覆膜方式下灌水水平間存在顯著差異。三種覆膜方式下都表現為高、中灌水水平間無顯著差異，但高、中灌水處理與低灌水處理間差異顯著；NTI3和NTI2處理分別較低灌水處理NTI1高出5.11%和14.79%；RTI3和RTI2土壤含水量較低灌水處理RTI1分別高出6.98%和16.70%；CTI3和CTI2土壤含水量較CTI1分別高出4.89%和13.95%。

圖5 玉米全生育期30～120 cm土層土壤含水量動態變化

2.3 一膜兩年覆蓋對玉米產量和水分利用效率的影響

一膜兩年覆蓋方式可達到與傳統耕作覆膜方式相當的產量，且在中、低灌水水平下高于傳統覆膜處理；一膜兩年用覆膜方式下高、中灌水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，NTI2處理較CTI2處理的玉米產量高出2.40%，NTI1處理較CTI1處理的玉米產量提高16.39%。一膜兩年覆蓋方式下，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%，傳統覆膜方式下高、中灌水處理的WUE分別較低灌水處理提高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在顯著差異，NTI1、RTI1和CTI1間有明顯差異，NTI1處理的水分利用效率分別較RTI1和CTI1高出5.25%和20.26%(見表3)。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。

2.4 一膜兩年覆蓋對產值及產投比的影響

如表4所示，一膜兩年覆蓋方式可顯著減少投入資金，包括生產性投入和非生產性投入兩方面，從而優化了該方式的經濟效益，使純收益有所提高，產投比增大。一膜兩年用處理較旋耕覆膜和傳統耕作覆膜方式的產投比分別提高7.27%和15.69%；一膜兩年用覆蓋方式大大減少了機械投入、人工投入和地膜投入，有效地降低了投入成本，提高了產投比。同時旋耕覆膜處理也減少了機械投入和人工投入，較傳統的耕作覆膜相比同樣提高了產投比。同時，研究得出灌水水平是影響產投比的重要因素，低灌水水平由于其產出低，降低了其產投比。

3 討論與結論

綠洲灌區由于水資源緊缺，加之降雨量少，而蒸發強烈，致使農田土壤水分保蓄能力差，水分利用效率低。地膜覆蓋增溫保墑的效應國內外已做了大量的試驗研究，地膜覆蓋可明顯提高0～10 cm土層的土壤含水量，特別對0～60 cm的保墑作用顯著[12-13]。同時，研究表明秋季覆膜較播前覆膜有較好的保水貯水效果；秋覆膜和頂凌覆膜全膜雙壟溝播玉米農田0～100 cm土層土壤平均含水量較播前覆膜分別提高2.7%和1.5%，土壤貯水量分別增加245～501 mm·hm-2和138～317 mm·hm-2[14]。本研究表明，一膜兩年覆蓋可有效提高播前0～60 cm土層的土壤含水量，較傳統覆膜方式高出12.60%，且0～120 cm土層土壤貯水量高出傳統耕作處理13.31%。說明一膜兩年覆蓋可顯著提高播前土壤含水量和貯水量。本研究同時表明，上層土壤(0～30 cm)由于受到蒸散、作物生長、降雨及農事操作的影響，土壤含水量差異大、變化劇烈；中層和下層土壤(30～120 cm)變化差異不明顯，主要受灌水水平的影響。一膜兩年用較傳統覆膜處理0～30 cm土層土壤含水率提高7.67%；一膜兩年用地膜覆蓋技術是地膜覆蓋和免耕技術的有機結合，土壤水分除受地膜覆蓋的影響外，免耕較傳統耕作也可提高耕層土壤含水量[6,15]。

表3 不同處理下作物產量和水分利用效率

注：表中同列不同小寫字母代表處理間達5%顯著水平，下同。

Note: The small letters in same column means significant difference at 0.05 level, the same as below.

表4 不同處理的產投比/(元·hm-2)

此外，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[16-18]。本研究中，一膜兩年用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；且水分利用效率最高的三個處理都為中灌水水平處理；而在低灌水水平下，與傳統覆膜方式相比單作玉米水分利用效率提高20.26%。說明中灌水水平間作模式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。此外，一膜兩年用覆蓋方式大大減少了機械投入、人工投入和地膜投入，有效地降低了投入成本，提高了產投比，一膜兩年用處理較旋耕覆膜和傳統耕作覆膜方式的產投比分別提高12.14%和33.53%。張雷、余秀珍等人的研究表明一膜兩年覆蓋模式既可增加作物產量，又可顯著提高產投比[19-20]，與本文的研究結果相一致。這說明一膜兩年用地膜覆蓋在限量灌水條件下較傳統覆膜方式可以獲得較高的水分利用效率和經濟效益，對于綠洲灌區玉米節水、高效、可持續生產具有十分重要的意義。

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Soilmoistureandeconomicbenefitsofmaizefieldby2yearsplasticfilmmulchingunderdifferentirrigationlevels

ZHAO Cai, CHEN Gui-ping, CHAI Qiang, YIN Wen, LIU Chang

(GansuProvincialKeyLaboratoryofAridLandCropScience,FacultyofAgronomy/GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

In order to provide the theory basis for optimal tillage measures, film mulching reuse and increasing water use efficiency of maize in oasis irrigation district, under different irrigation levels and minimal/no tillage with plastic film mulch, taking the maize field as the research object, the effect on soil water content and yield of maize by 2 years film mulching, no tillage in autumn and mulching in spring and traditional tillage plus mulching have been researched. The results showed that: before sowing the soil water content in 0 to 60 cm and soil water storage in 0 to 120 cm can be significantly increased by 2 years plastic film mulching treatment, compared with the traditional tillage plus mulch, the soil water storage can be increased 13.31%, also the difference between treatment was significant. In addition, the soil water content in 0 to 30 cm can be increased 7.67% during maize growing period, but the effect of different treatment to soil water content in 30 to 120 cm was less. Under high irrigation level, the crop yield by 2 years plastic film mulching can be reached same as the traditional tillage plus mulch, but it was high under middle and low irrigation level, the yields were increased 2.40% and 16.39% respectively. Also, the water use efficiency (WUE) was exsisted significant difference between each mulching treatment under low irrigation level, the WUE by 2 years film mulching was higher than 5.25% and 20.26% compared with no tillage in autumn and mulching in spring and traditional tillage plus mulching. In addition, the production cost by the mode of 2 years plastic film mulching can be significantly decreased, the input-output ratio was higher than 7.27% and 15.69% with no tillage in autumn and mulching in spring and traditional tillage plus mulching. This can be explained that: the soil water content in 0 to 30cm before seeding and during growth period can be significantly increased by the mode of 2 years plastic film mulching, under low irrigation level as water stress, the drought water stress can be moderated, increased crop grain yield, WUE and the ratio of input and output, decreased the production cost by the mode of 2 years plastic film mulching. So it was a new management technique for the oasis irrigation district in northwest region of China.

maize; 2 years plastic film mulch; irrigation level; water use efficiency; ratio of input and output; economic benefits

1000-7601(2017)03-0001-06doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.01

2016-04-12

：2017-04-05

：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，研究方向為多熟種植和節水農業。 E-mail: zhaoc@gsau.edu.cn。

柴 強(1972—)，男，甘肅武威人，教授，博士生導師，主要從事多熟種植、循環農業和節水農業研究。

S343.1； S513

： A