黃土塬區不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究

劉春芬, 劉文兆,, 林 文, 韓曉陽, 李 超

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區不同地膜覆蓋度下土壤水熱狀況研究

劉春芬1, 劉文兆1,2, 林 文2, 韓曉陽2, 李 超3

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

為進一步優化覆膜種植模式、了解作物增產機制，比較了黃土塬區無作物種植的旱作農田壟溝條件下土壤水熱狀況對不同地膜覆蓋度(30%，50%，70%，85%，100%，CK即0%)的響應特征。結果表明：(1) 地膜覆蓋保水效果(Y，4—9月土壤貯水增量)與覆蓋度(X)呈正相關關系，擬合方程為Y=1.65X+42.60，相關系數R=0.98；地膜覆蓋度越大，5 m土層內有效蓄積降水量越多；覆膜條件下降水入滲土壤的深度已到3 m以下。(2) 土壤表層溫度隨覆蓋度的增大而升高，有助于低溫季節作物出苗；85%膜地溫與全膜基本相近。地膜覆蓋度從30%增加到85%過程中，白天地溫達到峰值的速度加快，峰值加大。(3) 綜合考慮農田覆膜栽培的土壤水熱狀況及經濟效益，以85%地膜覆蓋為最佳選擇。

黃土塬區; 地膜; 不同覆蓋度; 土壤水分; 土壤溫度

在黃土高原旱作農業區，地膜覆蓋種植玉米已得到大面積推廣，在土壤蓄水量、葉綠素含量、凈光合速率、蒸騰速率、水分利用效率以及產量性狀等指標上均較傳統種植表現優越[1-2]。但由于氣候和管理方式的差異，采用的地膜覆蓋度參差不齊。地膜覆蓋寬度把握不當易影響作物生產力；而合適的薄膜寬度一方面能最大限度地增溫保水，另一方面還可以節約成本，提高覆膜的經濟性，因此不同地膜覆蓋度的研究對于該區域糧食生產尤為必要[3-7]。實際生產中人們在玉米地膜覆蓋方面不斷創新，將地膜與壟溝有效結合，由最初的半膜平鋪逐漸發展為壟溝半膜、壟溝全膜等，同時研究者們也進行了覆膜結合壟溝的多種嘗試。李小雁等[8]的試驗結果發現，玉米在株高、產量、穗粒重、水分利用效率和耗水量方面，均呈現壟溝全膜>壟溝半膜>單純壟溝>平地裸種的趨勢。針對壟溝覆膜集雨系統，王曉凌等[9]指出，60 cm壟寬的壟溝覆膜集雨種植的玉米產量和水分利用效率高于30 cm壟寬。另有研究表明，并非覆膜壟寬越大，溝中所集降雨越多、作物產量越高，例如，王俊鵬等[10]在寧南的研究發現，壟溝寬均為60 cm的覆膜集雨明顯比壟溝寬均為75 cm的效果好，在春小麥和玉米作物上，60 cm壟寬比75 cm壟寬分別增產24%，18%。Li等[11]發現，在溝寬為60 cm，壟寬分別為60 cm和120 cm的模式下種植玉米時，120 cm壟寬的產量顯著低于60 cm壟寬。

以往的研究大多側重于薄膜平鋪、壟溝半膜、壟溝全膜等某一固定模式的研究，不同地膜覆蓋度間的效應對比涉及不多，作物種植方式也有所區別。為了更明確地比較旱作農田地膜覆蓋度間的土壤水熱效應差異，本研究在相同壟溝的基礎上設置了不同地膜覆蓋度，對玉米生長季內的土壤水分和土壤溫度變化特征進行了分析，以期為優化覆膜種植作物提供指導，也可為水熱運移模型提供相關的數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗于中國科學院長武農業生態試驗站進行，該站地處黃土高原南部的陜甘交界處，北緯35°14′，東經107°41′，海拔1 200 m，屬暖溫帶大陸性季風氣候。1月平均氣溫5.1℃，7月平均氣溫22.4℃，年均氣溫9.1℃，≥10℃年積溫2 994℃，年日照時數2 218 h，無霜期171 d。年均降水量584 mm，多分布在7—9月份，地下水埋深50～80 m，農田生產全部依靠自然降水，屬典型的旱作農業區。土壤屬黑壚土，pH值為8.4，土質均勻疏松。試驗期間降水量及月均氣溫見圖1。

1.2 試驗材料與設計

試驗在2015年4月至9月進行，未種植作物，小區面積4 m×6 m，各小區壟、溝寬均為50 cm，壟高15 cm。壟上覆膜，共設置了6個薄膜覆蓋度，分別為0%(CK)，30%(T1)，50%(T2)，70%(T3)，85%(T4)，100%(T5)，重復3次，18個小區完全隨機排列，其他管理措施一致。為減少雜草蒸騰耗水對試驗帶來的影響，試驗期間定期除草。試驗采用無色透明的聚乙烯塑料薄膜，厚度0.015 mm，增溫、保濕性能好。

圖12015年4-9月長武氣溫及降雨量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 2015年4月至9月期間，采用土鉆法測定各小區溝中的土壤含水量，試驗開始和結束兩次的取樣深度為0—500 cm，試驗期間每10 d一次，深度為0—500 cm，試驗期間為0—200 cm；1 m以上取樣間隔10 cm，1 m以下間隔20 cm，每個處理相同測定指標3次重復。所取土壤樣品放在105℃的烘箱中烘至恒重，測定土壤的含水量并按公式(1)計算土壤貯水量：

E=C×ρ×H

(1)

式中：E表示貯水量(mm)；C表示土壤質量含水量(%)；ρ表示土壤容重(g/cm3)；H表示土層深度(mm)。

土壤貯水增量，為相應土層厚度內試驗后與試驗前土壤貯水量的差值。

1.3.2 土壤溫度 采用JM624地溫計測定土壤溫度，主要包括：(1) 15 cm地溫連續觀測：在春玉米生長季(4—9月)內測定壟、溝15 cm土層的溫度，測定時間為每天的8：00，14：00，20：00。

(2) 15 cm地溫日變化：每10 d左右進行一次，測定時間為每天的8：00，10：00，12：00，14：00，16：00，18：00，20：00；(3) 5 cm，10 cm地溫：分別測定壟、溝各土層的溫度，每10 d左右進行一次，測定時間為每天的8：00，14：00，20：00。

1.4 數據分析與處理

采用Microsoft Excel 2010，IBM SPSS Statistics 20和SigmaPlot 12.5軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 對土壤水分的影響

2.1.1 薄膜覆蓋度與土壤保水效果的關系 本研究中，土壤的保水效果用4月和9月(當地玉米播種前和收獲后)的0～5 m土層貯水量的差值表示。覆蓋度與貯水增量的關系見圖2，以薄膜覆蓋度(X，%)為橫坐標，以貯水增量(Y，mm)為縱坐標，擬合覆蓋度與貯水增量的關系式為Y=1.65X+42.60，相關系數R=0.98，達到極顯著水平。從該關系式可以看出，試驗后貯水增量隨覆蓋度的增大呈增加趨勢，以全膜覆蓋的貯水增量最大，為213.94 mm，顯著高于CK和T1(p<0.05)。T2，T3，T4和T5的貯水增量均無顯著差異。

從圖3可看出，試驗前各處理溝中土壤含水量的垂直變化規律基本一致，0—60 cm，100—280 cm土層水分逐漸減少；60—100 cm，300—500 cm土層水分逐漸增加，且300 cm以下土壤含水量增加不明顯。經過4個多月的不同覆膜處理，土壤含水量呈現明顯的差異，其中不覆膜處理(CK)在整個0—500 cm土層的含水量均低于其他覆膜處理。與覆膜前相比，在0—100 cm土層，CK減小，T2，T3，T4，T5增大，T1先減小后增大；所有覆膜處理在100 cm以下土層的水分含量較覆膜前均有所增加，且300 cm以下土層差異明顯，以T4和T5的保水效果最好。分析整個土層可知保水效果依次為T5>T4>T3>T2>T1>CK，T5與T4，T3與T2的含水量變化基本相近。

圖2覆蓋度與5m土層內貯水增量的關系

圖3試驗前、后各處理5m土層內土壤含水量

2.1.2 試驗前后溝中5 m土層貯水增量占降水量的比重 表1為試驗前后溝中5 m土層貯水增量占當地降水量的百分率，試驗期總降水量為384.2 mm。可看出，試驗后5 m土層內無膜處理(CK)只吸收了降水量的11%，T1，T2，T3，T4，T5覆膜處理利用降水量的比值依次為23%，37%，36%，48%，56%。薄膜覆蓋度越大，試驗期間5 m土層對降水的利用率越高。若以地膜覆蓋度(X，%)為橫坐標，以貯水增量占降水量的百分率(Y，%)為縱坐標，擬合關系式為Y=0.43X+11.09，相關系數R=0.98。

因此可推出，土壤蒸發量隨覆蓋度的增大呈減小趨勢，說明薄膜覆蓋度的增大有利于提高土壤貯水量，抑制土壤水分的無效蒸發，起到良好的保水保墑效果。

2.1.3 各覆膜條件下的土壤含水量剖面分析 圖4為各覆膜處理2 m土層含水量的動態變化，受降雨和田間表土層強烈蒸發的影響，各覆膜處理溝中0—20 cm土層含水量隨時間的推移變化劇烈；60—100 cm土層含水量變化相對??；100—200 cm土層含水量變化又趨于明顯。

表1 試驗前后5 m土層貯水增量占降水量的百分率

進一步分析圖中數據可得，從5月23日到10月1日，T1，T2，T3，T4和T5覆蓋處理溝中0—20 cm土層平均含水量分別較對照CK增加了0.01%，1.56%，1.64%，2.27%和3.02%，可見在0—20 cm土層，隨覆蓋度的增大，土壤含水量增大。20—60 cm土層各覆膜處理的平均含水量較CK依次增加0.19%，0.90%，1.16%，1.37%，1.97%，與0—20 cm土層相比，增加值大體呈降低趨勢。說明在20—60 cm土層，含水量隨覆蓋度的增大依然增大，但增幅變小。與此類似，60—100 cm和100—200 cm各覆膜處理含水量較CK的增幅隨土層加深呈逐漸減小的趨勢。因此增大地膜覆蓋度所產生的保水效果隨土層加深而減小。

圖4各覆膜處理2m土層含水量的動態變化

2.2 土壤溫度變化

2.2.1 覆膜初期土壤溫度 地溫是影響玉米種子出苗的重要因素，為解決春季低溫導致出苗率低和苗弱的現象，提高苗期土壤溫度顯得尤為關鍵。圖5為播種后1個月溝中不同土層地溫隨時間的變化，可看出隨著土層的加深，地溫總體呈下降趨勢，且各覆膜處理差異逐漸變小。T5在5 cm，10 cm和15 cm土層的日均地溫較CK分別升高1.9～3.7℃，1.6～4.1℃，0.1～2.6℃。各覆膜處理較CK均有明顯的增溫效應，且增溫效果隨覆蓋度增加基本呈增大趨勢，T5與T4相比差別不大。在當地玉米出苗期(4月27日至5月8日)，增大覆蓋度明顯提高了表層土壤溫度。

圖5不同土層地溫的動態變化

2.2.2 覆蓋度與地溫增量的關系 表2給出了薄膜覆蓋度與各處理壟、溝15 cm土層地溫增量的關系，以薄膜覆蓋度(X，%)為橫坐標，以地溫增量(Y，℃)為縱坐標，擬合方程。所有關系均構成直線方程，表明地溫增量均隨覆蓋度的增大而增大。

試驗期間壟上增溫幅度為1.5～7.7℃，最小值出現在5月的30%覆膜處理，最大值出現在8月的全膜處理。整體而言，不同覆膜處理的增溫效果為T5>T4>T3>T2>T1(表3)。比較各月份壟溝差異(表2)可知，壟上地溫增量隨月份的推移斜率逐漸增大；溝中地溫在5月，6月，7月的斜率依次增大，8月有略降低的趨勢；壟上各月增量大于溝中。

表2 覆蓋度與地溫增量的關系

注：**表示p<0.01水平顯著相關。

2.2.3 不同月份各處理壟上15 cm地溫日變化特征 5—8月間，壟上15 cm土層地溫的日變化(圖6)表明，覆蓋度越大，白天地溫達到最大值的速度越快，且峰值越高；而全膜白天地溫與85%膜基本相近。另外，在較低覆蓋度范圍，各覆膜處理地溫差異較大，T3相對T2的地溫增量小于T2相對T1的地溫增量。6月，7月的溫度相對較高，覆蓋處理與CK相比的增溫幅度也較大。且氣溫越高，各覆膜水平地溫差異越大。6月，7月的地溫最大值分別為40.3℃(出現在T4的16：00)和41.3℃(出現在T5的18：00)。在8月氣溫降低時，最大值為39.3℃，出現在T4的16：00。說明在5月—8月，月均氣溫先升后降的情況下，15 cm土層白天溫度最大值也先增大后減小，且最大值出現的時間在一天中先延后再推前。

表3 各月份壟上日平均增溫效果比較

圖6不同覆蓋度下5-8月15cm平均地溫日變化

3 討論與結論

(1) 已有研究[12-14]證明在土壤貯水量方面，全膜壟溝﹥半膜壟溝﹥單純壟溝，且全膜壟溝能夠顯著增加土壤貯水量，有效蓄積有限的降水。在此基礎上，本研究給出了地膜保水效果與覆蓋度的擬合方程式，為Y=1.65X+42.60，相關系數R=0.98，即增大地膜覆蓋度有利于提高土壤貯水量。從土層貯水量、土壤剖面含水量以及有效蓄積降水量等方面對比得出保水效果以85%膜和全膜為最佳，定量化地完善了農田覆膜機制。試驗期間全膜覆蓋5 m土層蓄積降水量達56%，比對照CK高出45個百分點，起到了良好的保水作用。6個覆膜處理的含水量差異主要出現在300 cm以下土層，說明覆膜條件下降水入滲土壤的深度已到3 m以下，土壤水庫得到充分補充。

(2) 在5 cm，10 cm和15 cm土層，地膜的增溫效果隨覆蓋度的增加而增大，85%膜和全膜增溫明顯。據王敏[14]，李興[15]等研究報道，覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期是在玉米出苗至拔節，且在黃土高原旱作區，地膜覆蓋使玉米生育前期0—25 cm土層的日平均溫度比露地提高2.2～3.0℃。還有研究[16-18]指出，耕層溫度在24～31℃范圍，玉米的發芽指數和活力指數明顯上升，溫度越高越利于出苗；而低于20℃高于35℃時，出苗率低。當地玉米出苗期各覆膜水平5 cm土層增溫明顯，由CK的19.3～25.0℃增大到T5的21.2～28.8℃，增大薄膜覆蓋度可通過提高表層土壤溫度顯著改善玉米出苗狀況。從整體看，不同覆膜處理的增溫效果為全膜>85%膜>70%膜>50%膜>30%膜，85%膜與全膜的增溫效果相近。

2015年的氣溫月均值在5月，6月，7月逐漸增大，8月有減小的趨勢。在分析覆蓋度與地溫增量的關系時，壟上增幅隨月份增大；而溝中為先增大后減小，與氣溫月均值變化一致。說明與壟上相比，溝中地溫與氣溫關系緊密。壟上增幅在8月氣溫降低的情況下略有增大，可能與積溫或水熱耦合效應[19-20]有關。已有研究認為，溫度升高會導致玉米生育期縮短，減少干物質積累時間，從而導致其產量下降[21-24]；劉小蘭等[25]也指出，土壤增溫會加快作物根系早衰和土壤有機質的礦化及養分損失。據李興[15]等研究報道，覆膜處理與不覆膜處理相比，增溫最明顯的時期是在玉米出苗至拔節，后期增溫減慢。因此如果覆膜種植玉米，土壤適當地增溫不會對玉米生長后期造成太大的危害，但全膜增溫最劇烈，容易產生負效應。另外全膜的經濟成本最高，不應成為最佳選擇。

(3) 綜合考慮實際應用生產中覆膜初期的提溫效果、高溫季節的負效應、整個階段的保水作用及農業生產的經濟成本，試驗得出85%為最佳地膜覆蓋度。基于6個覆膜處理的田間試驗數據建立的覆蓋度對土壤水分和土壤溫度的差異化影響模式，為旱作農田覆膜保水提供重要依據。

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SoilHydrothermalStatusUnderDifferentDegreesofFilmMulchingCoverageontheLoessTableland

LIU Chunfen1, LIU Wenzhao1,2, LIN Wen2, HAN Xiaoyang2, LI Chao3

(1.CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to further optimize film planting patterns and understand crop production mechanisms, responsive characteristics of soil hydrothermal status to different degrees of film mulching coverage (30%, 50%, 70%, 85%, 100%, and CK or 0%) were studied under the condition of dry farmland furrows with no crops on the loess tableland. The results showed that: (1) the water conservation effects (Y, the increment of soil water storage from April to September) were correlated with film coverage (X), the fitted equation was expressed asY=1.65X+42.60, with a correlation coefficient ofR= 0.98; the greater film coverage was, the more validness of precipitation accumulation in 5 m soil profile was, the depth of rainfall infiltration under the film mulching condition was 3 m below the soil surface; (2) soil temperature increased with the increment of film coverage, which was good for crop emergence in low temperature season; soil temperature for the 85% mulching was almost the same as the whole-film mulching, ground temperature reached a maximum faster, with a higher peak value from the 30% of film mulching to 85%; (3) the 85% of film-covering was best pattern in terms of soil hydrothermal status under film mulching cultivation and economic benefits in farmland.

loess tableland; film; different degrees of coverage; soil moisture; soil temperature

S316

A

1005-3409(2017)06-0062-06

2016-05-03

2016-05-17

863計劃課題(2013AA102904);公益性行業(氣象)科研重大專項(GYHY(QX)201506001)

劉春芬(1990—),女,山西晉城人,在讀碩士,研究方向為農業生態學。E-mail:lcfzx6@163.com

劉文兆(1960—),男,陜西乾縣人,研究員,博士生導師,主要從事水文生態與流域管理研究。E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn