覆蓋方式對黃土高原半濕潤區(qū)春玉米農田土壤水熱特征及產量的影響

鄧浩亮，張恒嘉,，李福強，肖 讓，周 宏，張永玲， 王玉才，李 煊，吳克倩，俞海英

(1.河西學院 土木工程學院，河西走廊水資源保護利用研究所，甘肅 張掖 734000； 2.甘肅農業(yè)大學 水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.西北師范大學 旅游學院，甘肅 蘭州 730070)

黃土高原半濕潤農作區(qū)以天然降水為主要水資源，盡管降水充沛，但季節(jié)分配明顯，主要集中在6-9月，具有歷時短、強度大、破壞性強，與作物生長供需錯位，導致作物產量低且不穩(wěn)，已成為限制當?shù)馗咝мr業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。2000年以來，以傳統(tǒng)農業(yè)為主的黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)正在向高效、生態(tài)農業(yè)轉型發(fā)展[2]。在水肥耦合一體基礎上，結合壟溝覆蓋微集雨系統(tǒng)成為主要生產方式[3]。典型的壟溝地膜覆蓋技術極大地緩解了黃土高原地區(qū)由于降水少、變率大、蒸發(fā)強而導致作物建苗難等問題，已被大面積推廣應用[4]。諸多研究表明，全膜雙壟溝播栽培以其高效集雨[5]、保墑、抑蒸[6-7]、減少地表徑流對土壤沖刷[8]等特點，顯著改善土壤耕層水熱環(huán)境，調配作物生長需水與土壤供水平衡[9]，進而提高了作物當季產量[10-11]，但增幅因作物種類和品種等差異而不同[12-13]，且在降雨偏低的氣候區(qū)增幅更顯優(yōu)勢[14-15]。作物產量的提高不僅與降水量緊密相關，也與土壤溫度等因素聯(lián)系緊密。有研究指出，農業(yè)生產區(qū)氣溫上升或下降1 ℃，糧食產量均具有增產或減產10%的潛力[16]，因此，水熱共同響應是作物穩(wěn)產增產的主要因素。王興等[17]通過對黃土高原半濕潤地區(qū)地面溫、濕特性及輻射收支特征研究表明，黃土高原半濕潤地區(qū)8，9月份前后土壤溫度從增溫型變成冷卻型，即從8月份開始，太陽輻射減弱，深層土壤向地表傳遞能量，土壤積溫呈下降趨勢。該時段恰好是春玉米生殖生長旺盛階段，較低的土壤積溫降低了春玉米灌漿速率，最終表現(xiàn)為減產低收。因此，如何充分利用黃土高原半濕潤地區(qū)降水優(yōu)勢，破解土壤積溫與作物生長供需不平衡難題，是作物增產增收的關鍵。盡管全膜雙壟溝播技術能夠收集<10 mm無效降水，將其轉化為土壤有效水，但隨著降水量增大，集水效果減弱，且該種植方式在半濕潤地區(qū)土壤積溫低于覆膜平種，進而限制了作物增產[18]。為有效發(fā)揮旱地農田微集水種植的生產潛能，綜合高效利用壟溝地膜蓄水增溫特性，需根據不同生態(tài)區(qū)自然資源特征，合理采取栽培方式，維持春玉米單產穩(wěn)定性，亟待田間試驗去驗證。本研究以春玉米為試驗材料，分析了傳統(tǒng)露地平播(CK)、全膜覆蓋平播(WM)、半膜覆蓋平播(HM)、全膜雙壟溝播(WRF)、隔溝覆膜壟播(MRM)和秸稈覆蓋溝播(SM)等6種不同種植方式，通過探討不同覆蓋種植方式對春玉米階段性土壤水熱變化特點以及產量和水分利用效率影響，為拓展黃土高原半濕潤區(qū)春玉米農田種植方式提供技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017，2018年在甘肅省華亭市朱家坡農業(yè)技術推廣中心(106°65′E，35°21′N)進行。海拔約1 485.2 m，年均氣溫7.9 ℃，平均無霜期168 d，屬涇渭河冷溫帶亞濕潤區(qū)。據1990-2018年氣象資料顯示，該地區(qū)年平均降雨量為579.6 mm，6-9月份降雨量占全年降水量的60%。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～40 cm 耕層平均容重為1.25 g/cm3，飽和含水率24.5%，凋萎含水率7.2%，有機質含量11.6 g/kg，有效磷、堿解氮、速效鉀含量分別為17.3，52.8，184.7 mg/kg，pH值7.4，肥力中等。

1.2 試驗設計

設6個處理(表1)，每個處理3次重復。供試玉米品種為金凱3號，種植密度均為5.04×104株/hm2，小區(qū)面積5 m×15 m=75 m2，采用區(qū)組隨機排列。各處理施肥量均為尿素600 kg/hm2，過磷酸鈣600 kg/hm2，硫酸鉀300 kg/hm2，全部作為底肥一次施入。2017，2018年2個生長季分別在4月20日和4月21日播種，10月7日收獲。

表1 試驗設計Tab.1 Experimental design

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 在玉米全生育期內每15 d測定0～100 cm土樣，測定步長為20 cm，采用傳統(tǒng)烘干稱質量法測定。土壤貯水量根據土壤含水量和土壤容重計算。

1.3.2 土壤溫度 在春玉米各生育期內用直角水銀地溫計(-30～50 ℃、精度1 ℃)測定0～25 cm地溫，每5 cm為1層，每小區(qū)測定3個位點，定點測定。每個生育期內8:00-20:00每2 h各測定1次，連續(xù)測定5 d。

1.3.3 產量 成熟期按小區(qū)實際收成計產，并折合成公頃產量(kg/hm2)。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(kg/(hm2·mm))=春玉米產量(kg/hm2)/總耗水量(mm)。

1.4 數(shù)據統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010處理數(shù)據，SPSS 19.0方差分析，Origin Pro 8.0作圖。

2 結果與分析

2.1 試驗期降水與溫度特征

由表2可以看出，2017年春玉米全生育期內降水471.4 mm，主要集中在3-10月份，較歷史平均水平521.6 mm減少50.2 mm，屬平水年，其中休耕期內1-2月份和12月份無降水發(fā)生，11月份降水量稀少，僅為1.4 mm；春玉米生育期間平均溫度為17.27 ℃，較歷史平均水平16.43 ℃增加0.84 ℃，變化幅度較小，其中5月2-7日經歷了一次明顯降溫過程，平均溫度為8.5～12.5 ℃，較歷史平均水平13.4 ℃降低4.9～0.9 ℃，不利于春玉米保全苗和健苗。2018年春玉米全生育期降雨649.4 mm，主要集中在5-9月份，較歷史平均水平521.6 mm增加127.8 mm，屬豐水年，其中休耕期內1-2月和11-12月降水量適中，為39.2 mm；春玉米生育期間平均溫度為16.56 ℃，較歷史平均水平16.43 ℃增加0.13 ℃，變化幅度較小，其中5月6-10日出現(xiàn)明顯降溫過程，平均溫度為10.0～12.0 ℃，較歷史平均水平13.6 ℃降低3.6～1.6 ℃，不利于春玉米幼苗的生長。

表2 春玉米生育期與休耕期間降雨與氣溫變化Tab.2 Dynamic of precipitation and air temperature during the maize growth and fallow stages

2.2 不同種植方式對土壤水分變化的影響

如圖1所示，生育前期，0～60 cm剖面土壤含水量變化幅度受降雨影響較大，并隨降雨變化呈現(xiàn)交替升降規(guī)律，后期變化幅度不僅與降水有關，而且與作物耗水緊密相關。60～100 cm土層土壤含水量變化幅度前期受大氣降水影響較小，變化較平穩(wěn)，隨著春玉米生育期遞增，需水量逐漸增大，深層土壤耗水加劇，呈波動變化。2017年，春玉米生育前期降水少，土壤含水量呈持續(xù)減少狀態(tài)，至95 d左右時接近凋萎系數(shù)，無法提供春玉米正常生長水環(huán)境；110 d后降水逐漸增多，有效補給土壤水庫，土壤蓄水量升高，其中壟溝集雨種植方式蓄水能力高于平地種植方式。2018年，春玉米生育中前期耗水與降水供需一致，但在95～110 d內降水與春玉米耗水供需錯位，僅依賴土壤貯水供給春玉米正常生長，110 d后降水增多，土壤水庫再次得到補給。同時可以看出，黃土高原半濕潤地區(qū)雨水主要集中在春玉米生育后期，在滿足作物生長耗水的同時而且可以補充土壤水庫，為后年耕作抵御春旱發(fā)生提供水分保障。

圖1 不同種植方式下0～100 cm土層土壤含水量變化Fig.1 Changes of soil water content in 0-100 cm soil layers within the different growing seasons

表3 不同種植方式下各生育階段土壤日平均溫度變化Tab.3 Mean soil temperature for different treatments under different maize growing stages ℃

2.3 不同種植方式對土壤溫度變化的影響

2.3.1 不同種植方式下土壤平均溫度變化 不同種植方式下春玉米各生育階段土壤日平均溫度變化情況如表3所示。種植方式主要影響苗期5，15，25 cm土層土壤溫度，且不同降水年份對土壤溫度的影響亦不相同。2017年，苗期5 cm土層土壤平均溫度以MRM處理最高，達36.93 ℃，其次依次為WM、HM和WRF，分別較CK顯著提高6.64，5.65，4.62，4.37 ℃，15，25 cm土層土壤平均溫度分別較CK顯著提高6.50，5.49，4.92，3.62 ℃和2.28，3.12，1.70，1.76 ℃，SM較CK表現(xiàn)出降溫效應，5，25 cm土層土壤平均溫度較CK顯著降低4.01，2.00 ℃，而15 cm土層土壤平均溫度較CK降低0.65 ℃，但差異不顯著(P>0.05)。2018年苗期和抽雄期土壤平均溫度低于2017年，尤在抽雄期降幅更大，這可能與抽雄期連續(xù)出現(xiàn)降雨天氣，太陽輻射較弱有關。各處理間溫度差異變化與2017年相同，地膜覆蓋增溫效應顯著，秸稈覆蓋表現(xiàn)為降溫效應，MRM、WM、HM和WRF苗期5，15和25 cm土層土壤平均溫度較CK分別提高2.85～6.85 ℃，1.83～4.92 ℃和1.47～2.64 ℃，而SM分別降低2.90，1.18，0.39 ℃。苗期過后，春玉米進入生長旺盛期，隨著葉面積擴展速率的迅速增大，田間郁閉度逐漸增加，削弱了太陽輻射地表的能力，地表溫度受光照影響減弱，各種覆蓋種植方式間差異逐漸減小。從土壤平均溫度的垂直變化情況來看，隨著土層深度的遞增，各處理間變異系數(shù)有逐漸減小的趨勢。

2.3.2 不同種植方式下土壤最低溫度變化 不同種植方式下春玉米各生育階段土壤最低溫度變化情況如表4所示，整個生育階段苗期-抽雄期(2017年)和苗期-吐絲期(2018年)土壤溫度變幅較小，進入吐絲期(2017年)和成熟期(2018年)后，土壤最低溫度降低顯著，于成熟期達到最低值。MRM在0～15 cm土層土壤最低溫度中并未表現(xiàn)出顯著的增溫優(yōu)勢，春玉米整個生育階段內土壤最低溫度表現(xiàn)為WM和WRF處理高于SM和MRM，且在生育前期差異較大，后期差異逐漸縮小。2017年苗期5 cm土層土壤最低溫度WM、WRF、HM、SM和MRM較CK分別顯著提高5.27，4.90，4.64，4.12，3.77 ℃，15 cm分別顯著提高4.29，4.58，3.78，2.11，2.94 ℃，而25 cm提高0.38～2.03 ℃。2018年苗期、拔節(jié)期和抽雄期土壤最低溫度均低于2017年，這可能與當季降雨較多，夜間溫度降幅較大有關，且各種植方式5 cm土層土壤最低溫度較CK增幅較小，為1.34(SM)～3.15(MRM) ℃，而15，25 cm較CK增幅分別為0.57～4.42 ℃和0.60～2.52 ℃。

表4 不同種植方式下各生育階段0～25 cm土壤日最低溫度變化Tab.4 Minimum soil temperature of 0-25 cm for different treatments under different maize growing stages ℃

2.4 產量和水分利用效率

不同降水年份各種植方式之間產量和水分利用效率的差異性有所不同(圖2)。2017年，各種植方式間玉米產量和水分利用效率均與對照差異顯著(P<0.05)，其中MRM產量和水分利用效率最大，分別為9 974.87 kg/hm2和21.50 kg/(hm2·mm)，其次為HM和WRF，兩者間無顯著差異(P>0.05)，而WM、SM和CK表現(xiàn)出較低的產量和水分利用效率；MRM、HM、WRF和WM產量分別較CK顯著增加40.61%，23.42%，22.49%和16.39%，水分利用效率分別顯著增加37.56%，21.63%，21.69%和9.98%，而SM產量和水分利用效率分別較CK顯著減少11.06%和9.79%。2018年各種植方式間盡管差異顯著，但差異幅度小于2017年，其中MRM依然表現(xiàn)出高產和高水分利用效率優(yōu)勢，MRM、HM、WRF和WM產量分別較CK增加26.20%，16.39%，12.38%和4.85%，水分利用效率分別增加28.61%，14.89%，14.97%和0.16%，SM依然表現(xiàn)出最低產量和水分利用效率，較CK分別減少12.52%和10.03%。可見，黃土高原半濕潤區(qū)旱作春玉米產量隨降雨量增加而增加，但增幅較小，而水分利用效率隨降雨量增加而顯著降低。綜合2017年和2018年不同種植方式下春玉米產量與水分利用效率比較發(fā)現(xiàn)，MRM獲得產量最大，可達10 058.52 kg/hm2，HM和WRF次之，WM增幅最小，分別較CK平均顯著增加32.96%，19.69%，17.12%和10.26%(P<0.05)；水分利用效率與產量變化趨勢一致，依然以MRM居首，達18.96 kg/(hm2·mm)，MRF和HM次之，分別較CK平均顯著增加33.52%，18.66%和18.59%；SM始終表現(xiàn)出減產效應，產量和水分利用效率就2種地膜覆蓋壟溝種植方式相比，MRM比WRF可增產13.52%，提高水分利用效率12.46%較CK分別降低11.84%和9.93%，且差異顯著(P<0.05)。僅分別為6 669.91 kg/hm2和12.79 kg/(hm2·mm)。

不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。 Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level.

2.5 各指標相關性分析

土壤與春玉米生長等各指標相關性分析結果如表5所示。不同覆蓋種植方式改變了土壤水熱環(huán)境，整個生育期內土壤含水量(SW)與株高(PH)、穗粒數(shù)(GN)、百粒質量(HGW)均呈顯著正相關(P<0.01或P<0.05)，相關系數(shù)r分別為0.816，0.697，0.823，表明生育期內土壤水分含量對春玉米株高、穗粒數(shù)、百粒質量影響顯著；土壤溫度(ST)與水分利用效率(WUE)、地上生物量(AB)、秸稈產量(SY)、籽粒產量(GY)均呈顯著正相關(P<0.01或P<0.05)，相關系數(shù)r分別為0.693，0.879，0.731，0.862，表明生育期內土壤溫度對春玉米水分利用效率、地上生物量、秸稈產量和籽粒產量影響顯著，即在適宜的范圍內土壤溫度越高，春玉米生物量積累和水分利用效率越高。

表5 春玉米產量形成因素與土壤水分、溫度之間相關性Tab.5 Correlation between yield forming factors and soil moisture, temperature of spring maize

3 討論與結論

自然降水隨季節(jié)變化分布不均、土壤耕層積溫不足是黃土高原半濕潤農業(yè)區(qū)水熱資源的基本特征，是影響高產優(yōu)質高效農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素[19]。但是，該地區(qū)6-9月份降雨集中、雨量較大，可為作物正常生長提供充足水源保證。壟溝覆蓋集雨系統(tǒng)通過改變耕層微地形，形成產流面、集流溝，增加降雨接收面約25%～30%，可對作物生育期內有限降雨進行二次分配與優(yōu)化利用[20]。研究表明，壟溝地膜覆蓋集水效率可高達87%～90%[21]，尤其是低強度降水收集率更為顯著[22]，即在春旱時節(jié)，壟溝覆蓋體系可有效收集有限降水補充土壤水庫，增加土壤含水量，確保作物苗期水分供應。李尚中等[23]研究結果指出，壟溝覆蓋增墑效應顯著，且收獲后土壤含水量大于平地全膜覆蓋。2 a研究結果表明，整個生育期內，土壤含水量隨降雨量呈波動變化趨勢，壟溝覆蓋集雨種植方式貯水效果較好，WM降水收集效率低，僅在玉米生育前期具有效果。

地膜覆蓋后，太陽輻射可大量透過膜面被土壤吸收，同時阻礙了近地層空間的熱量交換，從而增加了土壤熱通量，減緩陰天和夜間光熱不足導致的土壤溫度下降[24]，顯著增加作物生育階段內土壤積溫。當然，地膜的增溫效應并不是持續(xù)的，主要表現(xiàn)在作物生育前期，有利于作物出苗、健苗和壯苗[25]，后隨作物生長季的推移逐漸減少，甚至消失[26]。該現(xiàn)象的產生主要是由于作物苗期葉面積小，地表可直接獲取光照直射能量并傳遞至耕層土壤，隨著生育進程持續(xù)推進，葉面積擴展速率增快，葉面積指數(shù)逐漸增大，田間郁閉，減少了光照與地表接觸面，從而減弱地膜的增溫效應[27]。孫玉蓮等[28]研究顯示，地膜覆蓋種植玉米后增溫效果顯著，在玉米苗期0～40 cm土層平均溫度較無覆蓋種植提高0.6～5.1 ℃。李尚中等[29]研究表明，地膜覆蓋較露地可平均提高土壤溫度1.4 ℃左右，秸稈覆蓋降低了2.9 ℃。本試驗結果表明，MRM處理增溫效應最顯著，其次為WM、HM和WRF處理，主要影響春玉米苗期5～25 cm土層土壤溫度。2017年，MRM、WM、HM和WRF處理5，15，25 cm土層土壤溫度分別較CK提高6.64，5.65，4.62和4.37 ℃，6.50，5.49，4.92和3.62 ℃，2.28，3.12，1.70和1.76 ℃，而SM表現(xiàn)出降溫效應，分別較CK降低4.01，0.65和2.00 ℃。2018年由于降雨天氣較多，苗期土壤平均溫度略低于2017年，2 a各處理間溫度差異變化相同，即壟溝地膜覆蓋增溫效應顯著，秸稈覆蓋表現(xiàn)為降溫效應。

玉米為喜溫作物，各生育階段對溫度都較敏感，尤在生育前期對低溫的耐受程度較低[30]。宋振偉等[31]研究表明，壟作較平作可降低玉米苗期夜間土壤最低溫度1.1～1.6 ℃，該降溫效應在玉米生育中后期差異逐漸縮小甚至消失。本試驗結果表明，地表覆蓋可減少土壤的熱量散失，平抑土壤溫度波幅，有效提高耕作表層最低溫度。2017，2018年，苗期5 cm土層土壤最低溫度WRF、WM、HM、SM、MRM較CK分別提高5.27和3.15 ℃，4.90和3.02 ℃，4.64和2.63 ℃，4.12和1.34 ℃，3.77和1.88 ℃，隨著土層深度的遞增，各處理間最低溫度間差異逐漸縮小。

土壤水熱高低取決于大氣變化，也受地表覆蓋物和耕作制度的影響。壟溝覆蓋栽培技術可有效改善耕層土壤溫度，增強幼苗抵御冷害的能力，同時提高春季農田土壤水分環(huán)境，并顯著增加生育中后期土壤水分含量，土壤環(huán)境改善，春玉米產量和水分利用效率顯著提高[32-33]，其增產效應很大程度上依賴于作物生育階段內水熱配置[34]。本試驗設置MRM處理，旨在利用壟膜覆蓋的方式收集自然降水，通過交替無覆蓋的集雨溝實現(xiàn)有限降水的田間富集、疊加、利用，保持土壤水分并提高根區(qū)土壤溫度，為春玉米生長發(fā)育營造良好的水熱環(huán)境。2個生長年份綜合來看，MRM獲得最大產量和水分利用效率，分別為10 058.52 kg/hm2和18.96 kg/(hm2·mm)，較CK分別提高32.96%和33.52%，顯著高于HM和WRF。盡管秸稈覆蓋顯著提高了土壤水分含量，但同時有效攔截太陽直射地表輻射，阻礙土壤與大氣間熱交換，從而降低土壤溫度，不利于春玉米對光熱資源的吸收利用，進而影響產量的提高[35]，因此SM產量和水分利用效率僅分別為6 669.91 kg/hm2，12.79 kg/(hm2·mm)，較CK顯著降低11.84%和9.93%。諸多研究證實，壟溝集雨種植方式增產效應在一定降水范圍內與降水量呈反比，即降水越少，增產效應越顯著[36]。2017年春玉米生長季內降水分布不均，階段性干旱使對照組產量顯著低于壟溝集雨種植方式，2018年是一個豐水年，生長季內降水充沛促進了籽粒形成和發(fā)展，使對照組收獲了較高的籽粒產量，盡管各處理2018年較2017年獲得產量較高，但平水年的增產效應要顯著高于豐水年，這與前人的研究結論相一致。

地表覆蓋后能顯著抑制土壤水分無效蒸發(fā)，提高土壤水庫的調蓄能力，促進作物對土壤水分的有效利用，同時地表覆蓋亦改變了土壤熱狀況，進而影響作物干物質積累和產量的形成[37]。目前大多研究認為，土壤水分、溫度與作物產量均呈顯著相關[38-39]。本試驗通過分析比較土壤含水量、溫度與產量構成因子及產量等指標相關性，發(fā)現(xiàn)黃土高原半濕潤農作區(qū)土壤水分與產量相關性較小，相關系數(shù)r僅為0.237，這是由于春玉米生育期內平均降雨量達521.6 mm，能夠完全滿足其正常生長耗水，盡管地表覆蓋能夠改善土壤水庫庫容，但對提高當?shù)刈魑锂a量影響不顯著。土壤溫度與產量相關系數(shù)r達0.862，相關性極顯著，因此，土壤溫度是制約該農作區(qū)作物產量進一步提高的關鍵限制因子。這與前人的研究存在一定差異，可能與試驗區(qū)大氣水熱資源分布、壟溝的尺寸等存在一定的關系。

WRF的應用很大程度上緩解了黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)降雨供需矛盾對作物產量形成的影響。較WRF相比，MRM在改善土壤水溫，玉米生長發(fā)育和提高土壤水分利用效率等方面更具優(yōu)勢。2 a試驗結果表明，MRM比WRF可增產13.52%，提高水分利用效率12.46%。該項研究豐富了黃土高原半濕潤農作區(qū)旱作集水種植模式，對提升和篩選適合半濕潤地區(qū)春玉米高產穩(wěn)產的可持續(xù)發(fā)展種植模式有實踐指導意義。