覆膜方式對旱作夏玉米產量和溫室氣體排放的影響

楊 睿，鄭 靜，范軍亮，張凱寶，廖振棋，許新宇，賴珍林，白文強

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

玉米是西北干旱、半干旱地區的主要糧食作物之一，然而，西北旱作區年降水稀少、年內分布不均的特點制約了玉米的水分高效利用和高產效應[1-2]。壟溝集雨覆蓋系統被廣泛應用在干旱半干旱地區來加強農田土壤的儲水能力[3-4]。壟溝集雨系統可以使降雨順壟流入溝中，增加降雨入滲，從而有效增加土壤水分[5-7]。起壟可以增加農田的表面積，使農田表面接受更多的太陽輻射，從而增加了土壤表層溫度和熱傳遞能力[8-9]。大部分研究表明，覆蓋在地表形成了一層屏障，尤其是氣密性較強的地膜覆蓋，能減少空氣流動，從而有效阻止水分蒸發和熱量散失，具有增溫保溫、保水保肥、增加作物產量等作用[10-15]。然而也有研究表明，地膜覆蓋保墑節水的作用不明顯，白色地膜覆蓋引起的高溫會導致夏玉米早衰和減產[16]。

隨著近年來嚴重的全球變暖和氣候異常問題，很多研究開始著重于壟溝集雨覆蓋系統對于溫室氣體排放等環境效應的影響。溫室氣體主要包括CO2、CH4和N2O等，而農田生態系統是溫室氣體排放的主要來源之一[17]。壟溝集雨覆蓋系統可以通過改變土壤的溫度、水分、性質和肥力等因素來影響農田中的溫室氣體排放[18]。涂純等[19]研究發現，地膜覆蓋比不覆蓋顯著增加了土壤呼吸量，導致土壤CO2釋放顯著增加。然而也有研究發現，在2012年和2013年的中國北方玉米農田，不覆膜處理下的土壤CO2排放量比覆膜處理分別高出35.4%和19.9%[20]。張凱莉等[21]認為，地膜覆蓋不同程度地降低了土壤各土層CH4的濃度。李志國等[22]研究發現，與傳統無膜漫灌相比，覆膜滴灌可以改變旱田傳統無膜漫灌栽培土壤與大氣CH4的交換方向，促進土壤CH4向大氣的排放，同時使N2O的排放量顯著減小。倪雪等[23]研究發現，地膜覆蓋對N2O排放通量有顯著影響，春夏季覆膜可顯著減少N2O的排放量，而在秋季和冬季有相反的效果。由此可見，地膜覆蓋對農田溫室氣體排放的影響研究結果也不盡相同。

目前，國內對壟溝覆蓋模式的研究多集中在壟溝集雨下不同覆蓋方式的覆蓋效應對比研究，而對于連壟種植模式少有研究，特別是不同顏色地膜覆蓋對土壤水熱狀況、作物生長、水分利用效率和溫室氣體排放等綜合影響研究還較少。本文研究了不同覆膜方式和地膜顏色對夏玉米生長、農田水熱狀況及產量、水分利用效率、溫室氣體排放的影響，以期探索適宜西北地區夏玉米生長的覆膜方式，為旱作夏玉米綠色高產高效生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年6—10月在陜西省楊凌示范區西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室節水灌溉試驗站(108°24′E，34°20′N)進行。試驗區屬于暖溫帶季風半濕潤氣候區，海拔524.7 m，年平均溫度為12.9℃，多年平均降水量580 mm(主要集中在7、8、9月)，年平均蒸發量1 500 mm。試驗期間日平均氣溫為22.74℃，降雨量為529.6 mm (圖1)，整個生育期降雨分布較均勻。試驗區的土壤質地是重壤土，0～100 cm土層的田間持水量為 23%～25%，凋萎含水量為8.5%，0～20 cm土層的土壤pH值為8.14，有機質含量為12.0 g·kg-1、全氮為0.89 g·kg-1、速效磷為8.21 mg·kg-1、堿解氮為55.30 mg·kg-1[24]。

1.2 供試材料

試驗所用地膜寬100 cm，厚0.008 mm。試驗所用氮肥為尿素(N≥46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥16%)，鉀肥為農業用硫酸鉀(K2O≥51%)。供試玉米品種為鄭單958，為中熟品種，該品種具有高產穩產、適應性廣的優點，在我國西北地區廣泛種植。

1.3 試驗設計

試驗設置5個處理：(1)平作無覆蓋(CK)；(2)壟溝種植壟覆白膜(T1)；(3)壟溝種植壟覆黑膜(T2)；(4)連壟溝播白膜全覆蓋(T3)；(5)連壟溝播黑膜全覆蓋(T4)(圖2)。每個處理3個重復，隨機區組排列，共15個小區。小區面積25 m2(5 m×5 m)，試驗區周圍布設2 m保護帶，相鄰2個小區間設0.5 m寬的隔離帶。試驗田按照氮肥200 kg·hm-2、磷肥120 kg·hm-2、鉀肥60 kg·hm-2在播種前一次性施入。夏玉米于2019年6月播種，10月收獲，行距60 cm，株距30 cm，南北向種植。出苗后及時間苗，生育期除草1次、施藥除蟲2次，未進行追肥和補灌。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤溫度和水分 在各處理兩行玉米之間土壤中連續安裝了5個地溫計，深度分別為5、10、15、20、25 cm，在各生育期的8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00連續3 d分別觀測土壤溫度，其中壟溝種植的處理于壟上與溝內采樣取平均值。

于夏玉米播種前、苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期采用土鉆法在兩行玉米中間分別測量0～100 cm土層土壤含水量，每隔20 cm取1個土樣，其中壟溝種植的處理于壟上與溝內采樣取平均值，用烘干法測定土壤含水量。

1.4.2 夏玉米生長指標 在夏玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期，使用卷尺以及游標卡尺測定株高、莖粗和葉面積指數。將夏玉米植株分離為莖、葉、穗、果，105℃殺青30 min，在75℃下烘干至恒重，使用天平稱重。

1.4.3 夏玉米產量 收獲時各小區隨機選取10株，3次重復，共計30株，風干至籽粒水分質量分數為14%時測定產量及其產量組成。收獲指數(HI)是由玉米產量除以地上生物量。

圖1 夏玉米生育期日平均溫度和降雨量Fig.1 Average daily temperature and rainfall duringthe growing season of summer maize

1.4.4 溫室氣體排放 土壤CO2、CH4和N2O氣體的采集和測定采用靜態密閉箱法-氣相色譜法。分別于夏玉米苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期在兩行玉米中間采氣，每次氣體采集于上午9∶00—11∶00進行，其中壟溝種植的處理于壟上與溝內采樣后取平均值。氣體采集時將采樣箱蓋上30 min，分別經過0、10、20、30 min用50 ml注射器從氣體采集接口插入抽出40 ml氣體注入到樣品瓶保存。采樣后立即將樣品帶回實驗室分析。每次采集氣體同步記錄地表溫度和箱內溫度。樣品采集完成后立即帶回實驗室用氣相色譜儀(Trace GCUItra，美國Thermo Scientific公司)于24 h內分析完畢。計算農田溫室氣體排放通量(F)、溫室氣體增溫潛勢(GWP)和氣體排放強度(GHGI)等溫室氣體排放指標。

圖2 不同覆膜方式示意圖Fig.2 Schematic of different film mulching methods

(1)

式中，F為溫室氣體排放通量(N2O，μg·m-2·h-1；CH4，mg·m-2·h-1；CO2，mg·m-2·h-1)，ρ是各溫室氣體標準狀況下的密度(kg·m-3)，T是采樣過程中密閉箱內的平均溫度(℃)，H是采樣箱的高度(m)，C是溫室氣體的體積混合比，dC/dt是采樣過程中密閉箱內溫室氣體的濃度變化率(μL·L-1·min-1)。

GWP=28×Rc+265×RN

(2)

GHGI=GWP/W

(3)

式中，GWP為全球增溫潛勢(以CO2計，kg·hm-2)；Rc和RN分別為CH4和N2O的各生育期排放量總和。GHGI為碳排放強度(kg·103kg-1)。

1.4.5 水分利用效率 水分利用效率(WUE,kg·hm-2·mm-1)為作物產量除以蒸散量(ET，mm)。ET通過土壤水分平衡方程獲得：

ET=P+ΔS

(4)

式中，P為降雨量(mm)；ΔS是播種與收獲之間土壤蓄水量的變化(mm)。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010對試驗數據進行處理，用SPSS 20.0軟件進行數據分析，方差分析采用最小顯著差異LSD法進行，采用Origin 9.2作圖。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜方式下旱作夏玉米土壤溫度和土壤含水量

圖3是各生育期土層深度分別為5、10、15、20 cm和25 cm的土壤日平均溫度，受外界環境影響，地表5 cm與10 cm溫度變幅較大。土層深度為5 cm的土壤(圖3a)，日平均溫度變化幅度最大，各處理地溫在生育前期差異較大，苗期T1、T2、T3、T4處理5 cm土層深度的日平均溫度分別比CK高出15.69%、10.42%、29.20%、21.78%。抽雄期與灌漿期差異有所減小，而成熟期處理間差異比灌漿期略微增大。10 cm土層深度的土壤日平均溫度變化與5 cm土層深度的土壤相似(圖3b)。15、20、25 cm土層深度的日平均溫度(圖3c～圖3e)各處理間差異呈先增大后減小的趨勢，差異在拔節期達到最大，除了成熟期，T1、T2、T3、T4處理各生育期的地溫均高于CK。整體看來，在夏玉米多數生長期，連壟覆膜與常規壟溝覆膜均能提高土壤溫度，并且連壟覆膜具有更好的增溫效應。白膜覆蓋處理增溫效果優于黑膜，白膜覆蓋最高比黑膜覆蓋溫度高1.92℃，但是這種優勢隨著生育期推進與土層加深會逐漸減弱，在抽雄期與灌漿期，15 cm與25 cm土層黑膜覆蓋日平均溫度略高于白膜覆蓋。

不同壟溝處理通過改變集流面而改變水分在溝內的分布，進而影響雨水的下滲和蒸發，起到改變土壤含水量的作用。圖4為夏玉米各生育期0～100 cm土層的土壤質量含水率變化。苗期(圖4b)各壟溝覆蓋集雨處理0～100 cm土層土壤含水率均高于CK，土壤含水率大小表現為T3>T4>T1>T2>CK，隨著土層加深，處理間差異逐漸減小。拔節期(圖4c)各處理間土壤含水率差異較大，并且隨著土層加深差異增大，土層深度為100 cm時處理間差異最大，與其他時期土壤含水率變化趨勢有所不同，T1、T2、T3、T4處理平均土壤含水率比CK高8.58%、5.30%、23.14%、26.29%。抽雄期(圖4d)與灌漿期(圖4e)各處理土壤含水率變化趨勢基本一致，土壤含水率隨土層深度增大先減后增，在40～60 cm土層處達到最低值，土層深度100 cm處土壤含水率最高，20 cm土層處理間差異最大。抽雄期T1、T2、T3、T4處理平均土壤含水率比CK高6.01%、4.06%、10.12%、11.12%，灌漿期T1、T2、T3、T4處理平均土壤含水率比CK高 4.25%、5.23%、12.10%、10.21%。成熟期(圖4f)不同起壟方式的土壤含水率差異較大，尤其是在土層20 cm處，連壟種植下的土壤含水率顯著高于常規壟溝種植，T1、T2、T3、T4處理平均土壤含水率比CK高13.79%、13.43%、27.00%、26.63%。總體而言，不同起壟方式對土壤含水率的影響顯著，連壟覆膜比常規壟溝覆膜具有更好的促進土壤含水量增加的作用，而不同顏色地膜的保水作用未見顯著差異。

圖3 不同覆蓋方式下夏玉米各生育期土壤日平均溫度Fig.3 Average daily soil temperature of summer maize fields at different soil depths

圖4 不同覆蓋方式下夏玉米各生育期土壤含水量Fig.4 Average daily soil water content of summer maize fields at different soil depths

2.2 不同覆膜處理下旱作夏玉米生長與干物質積累

如表1所示，與CK相比，T1、T2、T3、T4處理成熟期夏玉米株高分別增加了2.40%、3.15%、3.89%、13.89%，莖粗分別增加了14.71%、4.41%、15.69%、17.16%。其中T3和T4顯著影響夏玉米的株高和莖粗，對夏玉米生長的促進作用大于T1、T2，說明連壟溝播方式比常規壟溝覆膜種植對夏玉米生長的促進作用更明顯。與CK相比，T4顯著增加了夏玉米成熟期的葉面積指數，T1、T2、T3、T4處理的葉面積指數較CK分別增加了11.25%、14.12%、16.42%、23.34%。

表1 不同覆膜方式下夏玉米成熟期生長指標

圖5 不同覆膜方式下夏玉米各生育期干物質積累Fig.5 Dry matter accumulation at different growth stages ofsummer maize under different film mulching methods

拔節期后，各處理的地上生物量積累速度最快，且T1、T2、T3、T4處理的地上生物量積累速度都高于CK(圖5)，T4處理的地上生物量最大。與CK相比，T1、T2、T3、T4處理干物質積累量分別增加了10.15%、7.07%、14.94%、19.39%。

2.3 不同覆膜處理下旱作夏玉米產量與水分利用效率

由表2可知，各處理的穗長和百粒重都顯著大于CK處理，而穗行數各處理之間無顯著差異。此外，T4處理的穗粗和行粒數也顯著大于CK處理。除T2外，其余處理的產量均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4處理的產量比CK分別增加了19.32%、8.88%、25.59%、29.61%。各處理之間的收獲指數無顯著差異。

由表3可知，CK的ET顯著高于各處理，T4處理ET最小，為478.70 mm。各處理中只有T2處理的水分利用效率與CK無顯著差異，T1、T2、T3、T4處理的水分利用效率比CK分別增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%。

2.4 不同覆膜處理下旱作夏玉米溫室氣體排放

由圖6和表4可知，2019年夏玉米生長季各處理N2O排放趨勢一致，峰值出現在苗期，施肥后，排放通量大小表現為T3>T4>T1>T2>CK，T1、T2、T3和T4處理的N2O各生育期排放總量分別比CK高178.26%、134.78%、334.78%、256.52%。T1、T2、T3和T4處理的CO2排放趨勢相似，共出現2次峰值，各生育期各處理的CO2排放總量均顯著高于CK，T3與T4處理的CO2各生育期排放總量存在顯著差異，且顯著高于T1和T2。各生育期T1與T2處理的CO2排放總量無顯著差異。CH4排放無明顯趨勢，T1、T2、T3、T4處理較CK均增加了CH4吸收總量，其中T3處理的CH4吸收總量顯著高于CK。T1、T2、T3、T4處理下的GWP均顯著高于CK，T3和T4處理下的GWP無顯著差異，但是都顯著高于T2。CK的碳排放強度最低，所有處理的GHGI均顯著高于CK，T3處理的GHGI顯著高于T4，T1、T2、T3、T4處理的GHGI分別比CK高出151.93%、124.65%、246.53%、186.90%。

表2 不同覆膜方式對夏玉米產量及產量構成要素的影響

表3 不同覆膜方式對夏玉米蒸散量(ET)及水分利用效率(WUE)的影響

3 討 論

水分和溫度是玉米生長的兩大主要因素，起壟和覆膜改善了土壤的水熱條件。王凱瑜[25]通過對壟溝集雨種植的研究發現，壟溝集雨系統對于0～120 cm土層的土壤具有增墑效果。王杰等[26]研究表明，壟作覆膜可以增加降雨入滲，顯著提高0～20 cm土壤水分，增大0～200 cm土層平均含水量。張守都等[27]研究發現，覆膜可以增加土壤表層土壤含水率。本研究發現常規壟溝覆膜與連壟覆膜均能顯著提高土壤含水量，并且白膜與黑膜具有相似的保水效果，然而連壟覆膜處理具有更好的保水保墑效果，這與周昌明等[28]的研究結果一致。這是由于連壟方式比常規壟溝具有更好的集雨效果，并且保留了壟上覆膜的保墑效果。本研究發現，T3、T4處理均能顯著提高土壤表層溫度。同種顏色地膜覆蓋下，連壟覆膜比常規壟溝覆膜具有更好的增溫效應，這是由于連壟覆膜方式下覆蓋地膜的面積更廣。而在同種起壟條件下，白色地膜與黑色地膜覆蓋下地溫差異在苗期～拔節期較大，白色地膜覆蓋下土壤日平均溫度較黑色地膜最多高出1.92℃，主要是由于生育前期玉米冠層對陽光的遮擋最小，太陽輻射可以透過白色地膜到達地表，進而使地表溫度升高，這與前人的研究結果一致[29-30]。在抽雄期與灌漿期，因玉米冠層對陽光的遮擋，導致白色地膜的增溫優勢減弱甚至消失，而到了成熟期因葉片凋萎，白色地膜的增溫效應又有所增強。由此可見，地膜覆蓋是影響地溫的主要原因，白色地膜的增溫效應強于黑色地膜，但是過高的溫度可能會導致玉米減產[31]。

圖6 夏玉米不同生育期N2O、CO2和CH4排放通量Fig.6 N2O, CO2, and CH4 emission fluxes at different growth stages of summer maize

表4 不同覆膜方式對夏玉米農田溫室氣體排放的影響

適宜的耕作措施可以促進夏玉米的種子萌發、植株生長、水分吸收和淀粉合成。本研究結果表明，起壟和覆膜處理有效提高了夏玉米成熟期的株高、莖粗、葉面積指數以及干物質積累，并且連壟黑膜下的夏玉米各項生長指標均為最優。申麗霞等[32]研究結果表明，地膜覆蓋可以促進玉米株高、葉面積的增加以及干物質的積累。李長春等[33]研究發現，全膜覆蓋雙壟溝播技術全面提高了雨水利用率和旱地玉米收成。本試驗結果表明，T1、T2、T3、T4處理的產量比CK分別增加了19.32%、8.88%、25.59%、29.61%，水分利用效率分別增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%，與前人研究結果相似。T4處理的產量最高，并且水分利用效率最高。

溫度和水分都是影響農田溫室氣體排放的重要因子。土壤N2O排放主要由硝化和反硝化反應產生。本研究結果表明，各處理的N2O各生育期排放總量均顯著高于CK，與Nishimura等[34]的研究結果基本一致，這是由于地膜覆蓋下高溫、濕潤、低氧的環境有利于N2O的產生。CO2是一種最主要的溫室氣體，其直接影響著全球氣候變化[35]。本試驗中各生育期各處理的CO2排放總量顯著高于CK，主要是覆膜后的土壤溫度升高，加快了土壤的呼吸速率。CO2排放通量出現的2次峰值都是在降雨過后，說明CO2排放與土壤含水量緊密相關。夏玉米農田是CH4弱的匯，Cuello等[36]研究認為覆膜形成的厭氧環境會減少CH4的吸收，這與本研究結果有所不同，本研究結果表明各處理CH4吸收量比CK都有所增加，可能原因是起壟覆膜的保溫保水作用影響了土壤酶的活性和CH4氧化的能力。起壟覆膜集雨系統顯著增加了夏玉米農田的GHGI，其中T1、T2、T3、T4處理的GHGI分別比CK高出151.93%、124.65%、246.53%、186.90%，表明壟溝覆膜系統雖然更有利于產量提高，但是卻增加了碳排放強度，長期使用可能造成一定的環境危害。然而，連壟溝播黑膜全覆蓋GHGI顯著低于壟溝播白膜全覆蓋。與前人研究結果相比，本研究所得GWP和GHGI明顯偏小，主要是由于僅在夏玉米各生育期中期測定了溫室氣體排放，取樣次數少[37]。因此，不同覆膜方式下全生育期溫室氣體排放的連續觀測還有待于進一步研究。

4 結 論

1)地膜覆蓋可以顯著增加夏玉米農田表層土壤溫度。與白膜覆蓋相比，黑膜覆蓋可以在保證玉米生長所需溫度的同時略微降低溫度，從而防止溫度過高而導致玉米因生育期縮短而減產。4種處理比CK土壤含水量均有所增加，而T3、T4處理由于連壟間形成的溝面積更小而具有更好的集水效果。

2)不同起壟覆蓋種植方式對夏玉米生長影響顯著。4種覆膜處理成熟期株高、莖粗、葉面積指數、干物質積累量均有所增加，并且T4處理與CK之間差異顯著。T4處理的穗長、穗粗、行粒數、百粒重比CK顯著增加，具有最高的產量，較CK增產29.61%。T1、T2、T3、T4處理的水分利用效率比CK分別增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%。

3)不同起壟覆蓋種植方式促進了夏玉米農田的CO2、N2O排放、CH4吸收以及夏玉米農田的GHGI，其中T1、T2、T3、T4處理的GHGI分別比CK高151.93%、124.65%、246.53%、186.90%，T4的GHGI顯著低于T3。

綜合考慮夏玉米產量與溫室氣體排放，連壟溝播黑膜全覆蓋為該地區旱作夏玉米綠色高效生產適宜的覆膜方式。