覆膜時期和方式對黃土高原春玉米耗水特性和產量的影響

韓云良，胡迎春，張寧寧，李雨澤，廖允成，秦曉梁，溫曉霞

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌　712100)

黃土高原中南部水資源匱乏，屬于典型的旱作雨養農業區，農業生產主要依賴天然降水[1]。該地區降水年際變化大，年內分布不均，多年平均降水584.1 mm，而蒸散量為1 017 mm，蒸散量遠大于降雨量[2]。該區降雨主要集中在7～9月，占全年降水總量的55%以上，冬春季降雨量少且多以10 mm以下的微量甚至無效降水為主，對改善土壤墑情意義不大[3]。春玉米是黃土高原主要糧食作物之一，春玉米收獲后到來年種植一般有長達5～6個月的休閑時間，其間正值北方冬春季節，多風、干旱少雨，造成土壤失墑快，而土壤水分的不足嚴重影響第二年春玉米的播種和出苗。為了保住春玉米收獲期后到第二年春季種植期間的土壤水分，減少冬季、春季土壤水分的無效蒸發，各地開展了大量的研究。研究表明壟作可以通過改變田間微地形，增加土壤表面積、孔隙度，協調光、熱、水條件，為作物生長營造一個賴以生存的小氣候[4]；地膜覆蓋能夠聚集雨水并進行調節和重新分配[5]，抑制土壤水分無效蒸發，提高降水利用效率，促進旱地作物高產[6-11]。近幾年，在甘肅省推廣的全膜雙壟溝播種技術可集覆膜抑蒸、膜面集雨、壟溝種植技術為一體，充分接納和利用天然降水，最大限度地抑制因地表裸露而造成水分大量的無效蒸發，顯著提高降水利用率，達到增產效果[12-15]。全膜雙壟溝覆膜時間越早，土壤水分的無效蒸發越少，對玉米出苗率和經濟性狀改善效果越好，研究表明在秋季進行全膜覆蓋的春玉米產量較早春覆蓋、播前覆蓋分別增產8.37%和20.66%[16]。李來祥等[17]研究也表明全膜雙壟溝可以最大限度的抑制春玉米土壤水分的無效蒸發，且秋季全膜雙壟溝覆蓋效果最明顯，秋季全膜雙壟溝覆蓋播前1 m土壤貯水比播前半膜平鋪增加50.2 mm，較頂凌全膜覆膜增加31.7 mm。

近些年起壟覆膜技術在生產上雖然已經廣泛應用，但覆膜時期及覆膜方式的不同，其對春玉米生長的影響效果不同[18-20]。雖然有研究表明秋季覆膜可以顯著提高作物的產量和水分利用效率，但是對于黃土高原中南部春玉米不同覆膜時期和覆膜方式耦合作用下農田土壤耗水特征的報道并不多見。

為此，本試驗以黃土高原中南部地區春玉米為研究對象，通過分析不同覆膜時期和覆膜方式下春玉米耗水規律，探究覆膜時期和覆膜方式互作模式下耗水特性與產量之間的關系，為黃土高原中南部春玉米的合理種植提供理論支撐。

1　材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗于2015～2016年在中國科學院長武黃土高原農業生態試驗站進行，該試驗站位于黃土高原中南部陜甘交界處陜西省長武縣洪家鎮王東村，北緯35°14′，東經107°40′，海拔1 200 m。氣候屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均活動積溫3 688 ℃，有效積溫3 029 ℃，平均溫度9.1 ℃，無霜期171 d，年均降雨584.1 mm，降水季節性分布不均，主要集中在7-9月，春季少雨，夏季多伏旱、冰雹、風災等自然災害，地下水位50～80 m，無灌溉條件，屬典型的旱作雨養農業區。供試土壤類型為黑壚土，0～20 cm土層土壤基本理化性質：有機質9.14 g·kg-1，速效氮37.60 mg·kg-1，速效磷10.23 mg·kg-1，速效鉀120.34 mg·kg-1，母質是深厚的中壤質馬蘭黃土。

1.2　試驗設計

試驗選用‘先玉335’作為供試品種，采用不同覆膜時期和不同覆膜方式的雙因素設計，設5個處理，分別為：平地無覆蓋(CK)、秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)、秋季半膜平鋪覆蓋(ASF)、播前全膜雙壟溝覆蓋(SFF)、播前半膜平鋪覆蓋(SSF)。每處理3次重復，隨機區組排列，共15個小區，小區面積4 m×8 m。種植密度為5 500株·667 m-2，播種時統一以純N 225 kg·hm-2標準施史丹利緩釋肥(N∶P∶K質量比為28∶6∶6)。

全膜雙壟溝覆蓋：帶寬100 cm，大壟寬60 cm，高10 cm；小壟寬40 cm，高15 cm，壟上覆1 200 mm×0.008 mm地膜，膜與膜間不留空隙，相接處用土壓實。大、小壟間自然形成播種溝，溝內打孔點播，株距25 cm。秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)是2015-11-15起壟、覆膜，溝內間隔25 cm打孔(直徑5 cm)，2016-04-22播種；播前全膜雙壟溝覆蓋(SFF)是2016-04-22起壟、覆膜、播種同時進行。

半膜平鋪覆蓋：帶寬60 cm，帶間距為40 cm，用800 mm×0.008 mm地膜平鋪地面，膜兩邊用土壓實。行間距為60 cm∶40 cm，株距25 cm。秋季半膜平鋪覆蓋(ASF)是2015-11-15覆膜，2016-04-22播種；播前半膜平鋪覆蓋(SSF)是2016-04-22覆膜、播種同時進行。

平地無覆蓋(CK)：行間距為60 cm∶40 cm，株距25 cm，2016-04-22播種。

1.3　測定項目與方法

1.3.1土壤水分在秋季覆膜前、春玉米播種前、關鍵生育期(出苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期、成熟期)以及下一季玉米播種前利用烘干法測定土壤含水量。用土鉆取0～200 cm土層的土，每20 cm為一層，將樣品立即裝入鋁盒，105 ℃烘干至恒質量，計算土壤含水量。

1.3.2指標計算土壤含水量:W(%)=(M1-M2) ×100%/(M2-M),式中，W為土壤含水量(%)，M1為土壤鮮質量和鋁盒質量(g)，M2為土壤干重和鋁盒質量(g)，M為鋁盒質量(g)。

農田耗水量：采用水分平衡法，按照以下公式[21-22]計算農田耗水量(ETa)：ETa=I+P+U-R-F+ΔW。式中，I為時段內灌水量(mm)，P為時段內有效降水量(mm)，U為地下水通過毛管作用上移補給作物水量(mm)，R為地表徑流量(mm)，F為補給地下水量(mm)，ΔW為時段內土壤儲水變化量，即土壤貯水消耗量。本試驗地地勢平坦，可視地表徑流為零；地下水埋深 4 m以下，可視為地下水補給量為零；降水入滲深度不超過 2 m，可視深層滲漏為零，R、U、F值可以忽略不計。

土壤貯水消耗量：土壤貯水消耗量(△W)按照以下公式[21]計算：

式中，i為層編號，n為總土層數，γi為第i層土壤干體積質量(g·cm-3)，Hi為第i層土壤厚度(cm)，θi1和θi2分別為第i層土壤時段初和時段末的含水量，以占干土質量的百分數計(%)。本試驗中，土壤貯水消耗量的測定深度是200 cm。

耗水模系數、日耗水量：耗水模系數=某一生育階段農田耗水量/生育期農田總耗水量×100%

日耗水量=某一生育階段農田耗水量/生育階段時間

水分利用效率(WUE)[23-24]：

WUE=GY/ETa，式中，WUE為籽粒產量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，GY為籽粒產量(kg·hm-2)，ETa為農田耗水量(mm)。

1.3.3數據分析

利用 Excel 2010 進行數據處理，利用 SPSS 16.0對試驗數據進行差異顯著性檢驗，利用 Sigmaplot 12.5軟件繪制圖表。

2　結果與分析

2.1　秋季覆膜對休閑期土壤水分的影響

由圖1可知，黃土高原中南部地區降水主要集中在春玉米生育后期，休閑期降雨量顯著低于春玉米生長季(14.6%)，該時期氣候干燥多風，地面蒸騰嚴重。

由表1可知，在農田休閑期，不同處理0～200 cm各土層土壤貯水消耗量表現出極顯著差異，不覆膜處理土壤貯水消耗量最多，秋季全膜雙壟溝最少。各處理0～40 cm土層的貯水消耗量最嚴重，0～100 cm和140～180 cm土層隨土壤深度的增加，土壤貯水消耗量逐漸減少。100～140 cm和180～200 cm土層隨土壤深度的增加，土壤貯水消耗量逐漸增加。休閑期AFF、ASF和CK各處理之間總耗水量存在極顯著性差異(AFF

圖1　2015-2016年休閑期和2016年春玉米生長季降雨分布情況Fig.1　Distribution of rainfall during 2015-2016 fallow period and 2016 growing seasons of spring maize

表1　休閑期不同處理對各土層土壤貯水消耗量的變化Table 1　Changes of response of different treatments to soil water consumption amount in fallow period

注：同列數字后的不同小寫字母表示處理間差異達5%顯著水平。下同。休閑期土壤貯水消耗量=秋季覆膜前土壤貯水量-播前土壤貯水量。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 levels .The same below.Soil water consumption amount at fallow period=Autumn pre-mulching moisture storage-Pre-sowing moisture storage.

2.2　春玉米不同生育階段耗水規律

春玉米不同生育階段耗水量主要是由棵間土壤蒸發和植株葉面蒸騰造成的，各處理在5個階段的耗水量變化很大(表2)，出苗-拔節、抽雄-灌漿和灌漿-成熟約占總耗水量的78%～85%。播種-出苗階段，AFF耗水量顯著低于其他處理，使出苗期水分充足，出苗率提高。拔節-抽雄階段，玉米生長加快，土壤耗水量增加，AFF顯著高于其他處理。抽雄-灌漿階段，各處理玉米生長發育旺盛，葉面積指數達到最大，高溫使CK、SSF和ASF地面蒸發增強，總的耗水量顯著高于AFF和SFF。

表2　不同處理下春玉米各個生育階段耗水量及耗水模系數Table 2　Total consumption and consumption percentage at each growth stage of spring maize under different treatments

注：CA.耗水量；CP.耗水模系數(生育階段耗水量/總耗水量) 。

Note:CA.Water consumption rate; CP.Water consumption percentage(water consumption rate at growth stage/ total water consumption rate).

日耗水強度表示單位時間內田間的耗水量，耗水量是指棵間蒸發、作物蒸騰和其他生理過程需水的總和。春玉米抽雄-灌漿階段的日耗水強度與其他生育階段差異較大，其他階段之間差異不明顯(圖2)。秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)的整體呈單峰變化趨勢，與其他處理谷峰變化趨勢不同。播種-出苗階段，地面蒸發是耗水量的主要來源，該階段陸續降雨明顯增加了其他4個處理的地面蒸發量，而秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)的蓄水、保水能力強，增加了土壤貯水量，使得出苗率高，幼苗健壯。出苗-拔節階段，日耗水量仍以地面蒸發為主，雖然玉米苗的地面覆蓋減弱了顆間蒸發，但該階段大量雨水的無效蒸發使各處理日耗水量沒有明顯的下降趨勢，且AFF處理的耗水量急劇上升。進入拔節期后，植株生長加快，各處理耗水量逐漸增大，AFF該階段植株生長最快，耗水量最大，顯著高于其他處理。抽雄-灌漿階段，各處理耗水量強度達到峰值。灌漿開始后，玉米莖稈下部葉片開始變黃，掉落，綠葉減少，葉面蒸騰作用快速減弱，短時間的強降雨并不能增加耗水強度，各處理的日耗水量下降趨勢很明顯。

2.3　不同處理對春玉米不同生育時期0～200 cm土層土壤含水量變化動態的影響

土壤含水量主要受作物耗水和降雨的共同影響，適宜的含水量是作物正常生長的保障之一。試驗結果(圖3)表明，出苗期，0～80 cm土層間各處理土壤含水量表現為AFF> SFF>ASF>SSF>CK，AFF顯著高于其他處理，各處理間差異隨土壤深度的變化越來越小。80～200 cm土層土壤含水量各處理間差異不顯著，變化趨勢一致；拔節期，0～160 cm土層AFF處理土壤含水量一直保持最高，在20～60 cm、80～120 cm土層顯著高于其他處理。SFF、SSF、ASF和CK在0～200 cm各土層間土壤含水量變化基本趨勢一致，且處理間差異不顯著;抽雄期和灌漿期，玉米植株生長加快，需水量大，AFF處理土壤含水量優勢減弱。抽雄期各處理0～60 cm土層含水量差異不顯著，60～200 cm土壤深層含水量各處理差異變化大。灌漿期，各處理整體變化趨勢一致，AFF在0～80 cm土層土壤含水量相比其他處理存在一定優勢，但80～200 cm土層優勢逐漸減弱，這是由于AFF處理玉米生長最旺盛，根系對土壤深層水利用較多；成熟期短時間強降雨使土壤表層含水量急劇增加，全膜覆蓋處理(SFF和AFF)土壤含水量相比半膜平鋪和平地偏低，大大降低了植株倒伏率。經過2016-2017年秋、冬季休閑期的土壤水分的補給，2017年玉米播種前秋季全膜覆蓋(AFF)的土壤含水量顯著高于CK和播前覆膜處理。

圖2　春玉米不同生育階段日耗水量變化過程Fig.2　Variation of daily water consumption of spring maize during different growth stages

a.出苗期Seeding stage;b.拔節期Jointing stage;c.抽雄期Tasseling stage;d.灌漿期Filling stage;e.成熟期Mature period;f.2017年播前土壤含水量2017 pre-sow soil moisture content;橫棒代表LSD值，P<0.05Horizontal bars represent LSD value at 0.05 level

圖3春玉米不同生育期各處理0～200cm土層土壤含水量的動態變化
Fig.3Dynamicsofsoilwatercontentin0-200cmsoillayeratdifferentgrowthstagesofspringmaizeunderdifferenttreatments

2.4　不同處理對春玉米產量及水分利用效率的影響

各處理播種前2 m貯水量差異不顯著，收獲期2 m貯水量SFF最高，AFF最低，所以AFF耗水量最高，顯著高于其他處理(表3)。各處理間水分利用效率差異表現為AFF>SFF>SSF>ASF>CK，AFF顯著高于SSF、ASF、CK，與SFF差異不顯著。但SFF與SSF、ASF兩處理也表現出不顯著差異，說明秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)更加有助于提高水分利用效率。在相同的田間管理條件下，各處理間的降水生產效率顯著性差異表現為AFF>SFF>SSF>ASF>CK。相比之下，秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)能最有效的提高春玉米水分利用效率和降水保蓄和利用效率。

各處理春玉米產量以AFF最高(表4)，相比于CK、SSF、ASF分別顯著提高了81.88%、34.01%、42.55%，雖然與SFF沒有顯著性差異，但仍然提高了20.60%，說明全膜覆蓋有利于玉米產量的提高，覆膜時間越早效果越明顯。AFF相比其他處理增產的原因主要是提高了百粒質量，比CK、ASF、SSF、AFF分別顯著提高20.52%、18.98%、14.48%、12.17%。

表3　不同處理下春玉米的降水生產效率和水分利用效率Table 3　Rainfall productivity and water use efficiency of spring maize under different treatments

表4　不同處理下春玉米產量及產量構成因素Table 4　Grain yield and yield components of spring maize under different treatments

2.5　不同處理產量與水分利用效率的關系分析

圖4中橫坐標代表產量，縱坐標代表耗水量，各自平均值相交于一點，將坐標劃分為4個象限，標出各處理對應位點。由圖4可以看出，AFF和SFF屬于高產高水分利用效率覆膜模式且AFF>SFF， SSF、ASF和CK屬于低產低水分利用效率覆膜模式且SSF>ASF>CK。

圖4　不同處理產量和水分利用效率二維圖Fig.4　Two-dimensional graph of yield and water use efficiency of different treatments

3　討 論

3.1　不同處理對春玉米各生育期耗水量和土壤貯水量的影響

休閑期覆膜既可以抑制土壤水分無效蒸發，又可以聚集降雨，增加土壤水分，本試驗結果表明，休閑期秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)處理土壤水分蒸發量最少，較秋季半膜平鋪(ASF)減少33.89%，較平地無覆蓋(CK)處理減少53.82%。這與先前的研究結果一致，休閑期內覆膜可以減少土壤水分損耗[25]，增加播前的土壤水分含量，尤其是0～80 cm的土壤含水量，保證出苗率。有研究認為地膜覆蓋作物產量的提高是建立在高耗水的基礎上，覆膜處理會加劇土壤水分耗竭[19-20]，本試驗結果發現，從全生育期來看，秋季全膜雙壟溝(AFF)耗水量確實顯著高于對照，但是發現其他覆膜處理沒有加劇土壤水分消耗，SSF、ASF和SFF 3個處理耗水量顯著低于CK。2016年收獲季，秋季全膜雙壟溝播模式0～200 cm各土層水分含量較低，但是經過下一個休閑期處理，土壤含水量從總量上得到了完全恢復，2017年播前，秋季全膜雙壟溝播模式0～200 cm大多數土層水分含量顯著高于平地處理。以上結果說明，在黃土高原中南部推廣秋季全膜雙壟溝播技術，可以實現土壤水分的可持續利用。

本試驗結果表明播種-出苗階段，AFF耗水量顯著低于其他處理。拔節-抽雄階段，AFF顯著高于其他處理。而抽雄-灌漿階段，CK、SSF和ASF的總耗水量顯著高于AFF和SFF，主要原因是，全覆膜導致作物的生育期縮短，后期出現葉面積下降造成。但是，AFF在生育后期沒有出現脫水現象，在灌漿期全覆膜各層次土壤水分沒有顯著下降。由此認為，在黃土高原中南部，采用秋季全膜雙壟溝播可以減少休閑期水分的無效損耗，增加生育期各階段土壤含水量。

3.2　不同處理對春玉米產量和水分利用效率的影響

已有研究結果表明，覆蓋栽培相比露地種植明顯增加土壤貯水量，改善作物的生長發育，提高水分利用效率，達到增產的目的[26-27]。地膜覆蓋通過促進物質轉移提高作物干物質積累量[28]。壟膜溝種模式通過改變土壤微環境蓄存降水，減少土壤水分無效蒸發，提高水分利用效率[29-31]。甘肅省旱作區大面積推廣的全膜雙壟溝播技術使玉米增產30%以上[13,32-33]。本試驗獲得相似的研究結果，覆膜模式下產量顯著高于平地，從不同的模式來看，秋季全膜雙壟溝覆蓋(AFF)表現最好，產量達到14 263.04 kg·hm-2，顯著高于CK、SSF、ASF 3個處理，分別增產81.88%、34.01%、42.55%，與播前全膜雙壟溝覆蓋(SFF)沒有顯著差異，但仍然提高20.60%。這和之前其他地區的研究結果一致，在甘肅，旱地玉米覆膜時間越早，增產效果越明顯，全膜雙壟溝秋季覆蓋的產量比早春覆蓋增產393.51 kg·hm-2，增幅達到8.37%；早春覆蓋比播種前覆蓋增產478.71 kg·hm-2，增幅達到11.34%[16]。秋季全膜產量較高的原因主要是，AFF處理在玉米生育前期土壤含水量相比其他處理一直保持最高優勢，減少水分無效蒸發，為玉米快速生長期提供充足的水分保證，顯著提高水分利用效率和降水生產效率，達到增產的目的。

4　結 論

在研究區域內覆膜時間提前對全膜雙壟溝覆蓋處理影響很顯著，能最大限度地保蓄土壤水分，實現秋雨春用。秋季全膜雙壟溝播是一種高產高水分利用的覆膜模式，可以顯著提高黃土高原春玉米產量、水分利用效率和降水生產效率。為了挖掘該技術的增產潛力，需對秋季全膜雙壟溝技術玉米播種密度進一步探討研究，尋求該覆膜方式最佳的種植密度。

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