黑龍江西部淺溝覆膜種植模式在玉米苗期的增溫特性*

婁德君，張興林，從治宇，薛 瑤，姜麗霞

（1.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，沈陽 110000；2.齊齊哈爾市氣象局，齊齊哈爾 161006；3.富裕縣氣象局，富裕 161200；4.黑龍江省氣象科學研究所，哈爾濱 150030）

黑龍江省是重要商品糧生產基地，玉米是黑龍江省主栽作物。1980年以來，玉米的種植面積及產量有逐年增多的趨勢，總產量占全國玉米總產近30%，在保障糧食安全中占有舉足輕重的地位[1]。隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件頻發，農業受氣候變化與氣象災害影響劇烈，東北地區是受氣候變化影響最明顯的地區之一[2-4]。黑龍江西部是黑龍江省適宜種植玉米的主要區域之一[5]，玉米播種期一般在5月上中旬，玉米出苗和苗期極易受到寒潮、霜凍、低溫、大風和旱澇等災害影響。尤其黑龍江省西南部是玉米干旱和冷害高風險區[6-7]。因此，開展該地區玉米生長發育期間熱量資源評價和研究，對農業氣候資源高效利用、規避農業氣象災害風險和切實保障糧食安全都有重要意義。

地膜覆蓋能明顯改善玉米田土壤水熱生態條件，合理利用地膜覆蓋能夠增溫、保墑、提高水分利用效率，從而提高玉米產量[8-10]。地膜覆蓋能明顯提高表層0-10cm 土壤溫度[11]，可以使玉米播種至營養生長期內耕層地溫晴天提高3～5℃，陰雨天氣提高1～2℃，可以增加積溫180℃·d[12]。與裸地相比，白色/透明地膜和黑色地膜均能增加苗期積溫和提高產量，只是增幅略有差異[13-14]。覆膜玉米出苗率顯著高于露地，使春玉米各生育階段平均提早7d，全生育期縮短11d[15]。覆膜可使玉米增產30%以上[12,16]。育苗移栽可以提高玉米生育期內的光、熱、水等氣候資源利用率[17]，進而提高玉米產量。宋芳等[18]對比了6 種不同玉米栽培方式得到地膜覆蓋育苗移栽方式下的玉米產量最高。然而地膜覆蓋和育苗移栽雖是高產種植模式，但地膜覆蓋會使土壤中有殘膜污染，育苗移栽則增加種植成本，均不利于在黑龍江省大范圍推廣。

在以往研究基礎上，結合黑龍江省推廣的大壟雙行高產種植模式，總結出玉米大壟雙行淺溝覆膜種植模式。該模式具有大壟雙行的光能資源利用優勢，同時淺溝覆膜設計具有增溫保墑作用。在幼苗后期去除地膜減少了常規覆膜造成的白色污染。直接在壟上開溝播種、覆膜，節省了育苗移栽的種植成本。但是對于該種植方式衍生出的玉米苗期的增溫效應，以及其對玉米生長發育的影響，還缺乏系統與定量的數據支持和客觀評價。因此，本研究擬定量分析和評價該模式在玉米播種-幼苗期的增溫作用和優勢，為提高東北北部玉米對熱量資源的利用率、科學引種和優化種植結構等提供依據，也為該模式的大范圍推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 模式簡介

將兩個下寬為65cm 的標準壟合成一個下寬為130cm 的大壟，在壟上開兩條10cm 深的淺溝，兩溝中心間距40cm，播種后覆蓋地膜，使得膜與淺溝間形成了一個狹小的類似“溫室”的空間，保證玉米幼苗有一定的生長空間。當外界氣溫穩定通過10℃時考慮打孔放風，此時玉米苗齡在三葉以上。當外界氣溫穩定通過15℃且未來5d 左右無明顯大風和低溫時段時，去除覆蓋的地膜，使幼苗于裸地正常生長，此時一般在6月10-15日，玉米苗齡在五葉以上。這種淺溝覆膜種植方式可增溫保墑，加速幼苗的生長，減輕幼苗生長期的低溫、風害及春旱損失。

1.2 試驗設計

玉米種植模式試驗于2018年4-9月在黑龍江省富裕縣友誼鄉某玉米專業合作社生產田內（47°49'N，124°34'E）進行。其中淺溝覆膜試驗期為2018年5-6月。試驗地面積0.65hm2，砂壤土，地勢平坦，土壤肥力中等。試驗地塊呈南北走向，設有長250m，寬1.3m 的大壟20 條，觀測點設在地塊中間的相鄰大壟上，一條為淺溝地膜覆蓋，一條為空壟作對照，未設重復。供試玉米品種為新引kws2564，熟期127d，所需積溫2650℃·d。所用地膜為市場通用的普通白色塑料地膜，厚度0.010mm。

大壟雙行淺溝覆膜種植模式（下文簡稱淺溝覆膜，FM）和對照（不開溝覆膜裸地，CK）的剖面結構如圖1 所示。每個處理選擇兩個點位（圖1）安裝長春產DYY-II（B）型溫度傳感器，測量精度±0.3℃，數據間隔為1min，24h 連續觀測地下5cm土壤溫度（簡稱表層地溫）和地上5cm 氣溫（簡稱近地表氣溫）。數據傳輸方式為GPRS。溫度傳感器分別設置在圖1 中地下5cm 和地上5cm 處，淺溝底視為淺溝覆膜的地表面。溫度和玉米發育期觀測分別按照《地面自動氣象觀測規范》和《農業氣象觀測規范》進行。

玉米于2018年4月26日播種，5月6日覆膜，5月14日出苗，5月20日三葉，5月30日破膜放風（仍保留地膜覆蓋，只在膜上打孔放風），6月8日七葉，6月12日去除地膜。開淺溝、覆膜、打孔放風、揭膜等均為機器操作。

1.3 數據分析

每個小時取整點的分鐘數據進行分析，整點分鐘數據缺失的用距離整點最近的分鐘數據代替。以前一日21：00 至當日20：00 共24 個時次為一個自然日。日平均溫度由每日24 個時次的溫度取平均值得到，日最低溫度為24 個時次內最低溫度。逐小時溫度為對應的研究時段每日該時次的溫度取平均值計算得到。使用t 檢驗進行兩個處理溫度差異的顯著性檢驗（P＜0.05）。采用Excel 和Matlab 軟件進行數據計算和繪圖。

2 結果與分析

2.1 淺溝覆膜種植模式日平均溫度的特性分析

由圖2 可見，在玉米播種-幼苗期觀測的38d(5月6日-6月12日)中，兩個處理中表層地溫（地下5cm，圖2a）和近地表氣溫（地上5cm，圖2b）的日平均值表現為完全一致的變化趨勢，前期較低后期略升高。但仔細對比兩處理溫度變化過程可見，同一時段的表層地溫和近地表氣溫會有明顯差異。特別是，播種初期（5月6-17日），CK（不開溝覆膜模式）處理表層地溫很低，僅為10.9～18.2℃，而淺溝覆膜種植模式中表層地溫可達16.6～21.6℃，比CK 高出2～6℃。5月23日氣溫最低時CK降至12.0℃，淺溝覆膜種植模式為16.2℃，比CK高4.2℃。直至5月30日破膜放風前，淺溝覆膜種植模式處理中表層地溫一直比CK 高，隨后外界溫度過高（22℃）后，淺溝覆膜種植模式處理中表層地溫低于CK。整個觀測期各時段兩處理中表層地溫平均值淺溝覆膜處理為20.4℃，比CK 高1.4℃。在破膜放風前（5月6-29日，P1 時段），表層地溫平均為19.6℃，比CK 高2.8℃，溫度差異達極顯著水平（P＜0.01），之后（5月30日-6月12日，P2 時段）平均比裸地低0.9℃（表1）。可見，淺溝覆膜種植模式在當地玉米播種-幼苗期具有調節表層地溫的作用，在破膜放風前，對表層地溫有顯著的增溫作用，破膜放風后，對表層地溫有降溫作用。

表1 不同時段兩個處理的平均溫度和溫差（平均值±標準差，℃）Table 1 Average mean-temperature and its differences between two treatments during different periods(mean±SD,℃)

破膜放風前，CK 處理近地表氣溫明顯偏低，在11～23℃，而淺溝覆膜種植模式處理中的近地表氣溫在12～31℃，比CK 高出1.5～9.4℃，且有16d 全天比CK 高5℃以上，增溫效果明顯。破膜放風后，淺溝覆膜處理的近地表氣溫與CK 非常接近，溫差在-2～2℃。在整個觀測時段中，淺溝覆膜種植模式處理中近地表氣溫平均為23.5℃，比CK 近地表氣溫平均值19.8℃偏高3.7℃，差異達極顯著水平（P＜0.01）。氣溫偏高主要發生在破膜放風前的時段，CK 平均近地表氣溫為17.6℃，而淺溝覆膜種植模式為23.7℃，比CK 顯著偏高6.1℃（P＜0.01）。表明淺溝覆膜種植模式能夠大幅提高破膜放風前的近地表氣溫。

2.2 淺溝覆膜種植模式日最低溫度特性分析

李輝等[19]將東北地區分為4 個氣候類型區，各類型區玉米產量對不同的氣候要素敏感。試驗地生長季月平均氣溫18.4℃，月平均降水量77.6mm，屬氣候類型II 區，該區玉米氣候產量對平均最低氣溫的變化更敏感，因此對試驗中的最低溫度特性進行分析。由圖3 可見，兩個處理中日最低溫度的時間序列也表現出完全一致的變化趨勢，前期略低后期略升高。但表層地溫與近地表氣溫日最低值的變化也存在明顯差異。破膜放風前（5月6-29日）表層地溫日最低值CK 明顯偏低，在5～15℃之間，而淺溝覆膜種植模式處理中的日最低溫度在8～16℃，比CK 高出1.2～4.1℃。統計發現，24d 內淺溝覆膜種植模式中日最低溫度的最低值為8.3℃，而 CK有11d 的日最低溫度介于5～8℃，CK 的低溫日數明顯偏多。破膜放風后（5月30日-6月12日），兩處理的日最低溫度均明顯升高，CK日最低溫度在13～21℃，淺溝覆膜種植模式比CK 高0.5～2.0℃，一般在15～21℃。在整個覆膜時段，淺溝覆膜種植模式的日最低溫度始終高于CK，平均日最低溫度比CK 高2℃（P＜0.05）。前后兩時段淺溝覆膜種植模式平均日最低溫度分別為12.3 和17.5℃，分別比CK 高2.7℃（P＜0.01）和0.9℃（表2）。這表明淺溝覆膜種植模式對玉米播種至幼苗期表層地溫最低溫度具有增溫作用，在破膜放風前，對表層地溫日最低溫度增溫作用顯著。

表2 不同時段兩處理的平均最低溫度和差值（℃）Table 2 Average minimum temperature and its differences between the two treatments during different periods(℃)

近地表氣溫的日最低溫度兩處理在覆膜初期（5月6-13日）差異較大，CK 值明顯偏低，為-0.1～12.5℃，淺溝覆膜處理為2.6～10.8℃，平均比CK高3℃左右。特別是5月6、9、13日CK 的日最低溫度分別為0.1、0.2、-0.1℃，而淺溝覆膜種植模式分別為5.4、4.6、2.6℃，比CK 高3～5℃。之后至5月29日，兩處理日最低溫度總體上十分接近，溫差在±1.5℃之間。破膜放風后（5月30日-6月12日），兩曲線變化及差異與表層地溫的日最低溫度相似，淺溝覆膜種植模式始終高于CK。整個觀測期兩處理的平均最低溫度差異在0.9～1.5℃。可見淺溝覆膜種植模式對近地表最低溫度也有一定的增溫作用，覆膜初期增溫作用更明顯。

2.3 淺溝覆膜種植模式逐時溫度特性分析

由圖4 可見，破膜放風前（5月6-29日）表層地溫（圖4a）和近地表氣溫（圖4b）的逐時變化雖趨勢一致，但有明顯差別。兩個處理表層地溫的逐小時變化趨勢和升溫速率基本一致，表層地溫均在5：00 前后最低，然后逐漸升高，在午后14：00 前后達到最高，之后逐漸下降。逐時地溫淺溝覆膜始終高于CK，偏高2.2～3.8℃，兩處理表層地溫逐時溫度差異夜間略小，6：00-7：00 差異達到最小，白天溫差略增大，在12：00-13：00 達到最大。說明淺溝覆膜對逐小時表層地溫有一致的增溫效果，且白天增溫比夜間略明顯。

近地表氣溫的逐小時變化淺溝覆膜種植模式和CK 雖然與表層地溫一樣，也為夜間略低，白天逐漸升高，午時前后達到最高。但與表層地溫兩處理溫度差異穩定維持在2～4℃之間不同，近地表氣溫兩處理白天的溫差較大，夜間差異較小。兩個處理的溫度最低值均出現在3：00 前后，之后開始升溫，至6：00 前后兩個處理的差異并不明顯。但隨后二者的升溫速率明顯不同，淺溝覆膜種植模式開始急劇升溫，7：00-10：00 升溫速率較大，超過5.0℃·h-1，其中7：00 升溫最快，升溫速率達10.3℃·h-1。而CK在7：00-10：00 的升溫速率明顯偏小，7：00 升溫最快，為4.8℃·h-1，8：00-10：00 升溫速率僅1.6～2.6℃·h-1。到中午前后11：00-14：00 時，淺溝覆膜與CK 的近地表氣溫最大差值已達17.5℃，這是日出后日照充足，膜下小空間迅速增溫的緣故。由逐小時溫度變化還可以看到，與CK 相比，淺溝覆膜種植模式只在4：00-6：00 溫度稍低，其余時次溫度皆高。這表明淺溝覆膜種植模式可以大幅提高白天的近地表氣溫。

與破膜放風前兩個處理的逐小時變化趨勢均為淺溝覆膜種植模式一致偏高不同，破膜放風后（5月30日-6月12日）表層地溫（圖5a）和近地表氣溫（圖5b）的逐小時變化均為白天CK 偏高，夜間淺溝覆膜種植模式偏高。由圖可見，淺溝覆膜種植模式和CK 的表層地溫均為14：00 前后最高，3：00-5：00時段最低。淺溝覆膜種植模式白天的表層地溫在19～27℃，比CK 低1～3.5℃，22：00-6：00 在17.5～20.5℃，比CK 高0.2～1℃，淺溝覆膜種植模式表層地溫白天偏低夜間略高，日較差為9.2℃，比CK日較差12.9℃偏小約3.7℃。

近地表氣溫淺溝覆膜種植模式白天在16～32℃，比CK 低1～4.5℃，16：00-4：00 在15～24℃，比CK 高1～3℃。平均氣溫日較差淺溝覆膜種植模式為16.8℃，比CK 低3℃左右。同時，近地表氣溫與破膜放風前和破膜放風后表層地溫均幾乎同步變化，只是變幅略有不同。逐小時近地表最高和最低溫度出現時間淺溝覆膜種植模式比CK 均滯后2～3h，這可能是由于裸地直接暴露在環境中，對日照的作用響應較快，而淺溝覆膜種植模式近地表5cm 處在淺溝中，且會受玉米幼苗的部分遮擋，對外界環境變化的響應會有滯后。對圖5 的綜合分析表明，破膜放風后淺溝覆膜種植模式對白天的表層地溫和近地表氣溫有降低作用，對夜間則有增加作用，平均能減小3～4℃的溫度日較差。

2.4 淺溝覆膜種植模式積溫特性分析

圖6為淺溝覆膜種植模式和CK的積溫變化及二者的差值曲線。由圖可見，試驗期間淺溝覆膜種植模式和CK 的積溫均隨時間呈增加趨勢，但二者的增加速率不同，淺溝覆膜種植模式的積溫始終大于CK。兩個處理的積溫差異變化分為兩個時段，在破膜放風前，隨著時間的推移，兩個處理的積溫差逐漸增大，到5月29日，淺溝覆膜種植模式積溫為569.0℃·d，CK 為423.0℃·d，積溫差異達到最大值約146.0℃·d，24d 內淺溝覆膜種植模式的積溫比CK 增加了約35%。5月30日破膜放風之后，兩個處理的積溫差異變化很小，甚至略有下降。

淺溝覆膜種植模式下玉米出苗、三葉、七葉出現日期均比傳統種植偏早，分別早8d、8d、10d，表明淺溝覆膜種植模式下玉米出葉速度加快，其溫度條件對玉米快速生長具有促進作用，這與何維勛等研究結論相吻合[20]。另外淺溝覆膜種植模式下玉米出苗-七葉期活動積溫為599.0℃·d，按孫本普等[21]研究每片葉長出所需積溫約70.0℃·d 計算，則玉米出苗-七葉期所需積溫約為490.0℃·d，可見淺溝覆膜種植模式的溫度累積遠高于玉米生長需求，表明其增溫作用顯著，效果較好。

3 結論與討論

3.1 結論

對比試驗表明，玉米播種-幼苗期淺溝覆膜種植模式比裸地有顯著的增溫效應。增溫主要在破膜放風前，表層地溫和近地表氣溫分別顯著提高2.8℃和6.1℃。白天和夜間溫度均有升高，增溫作用白天大于夜間。破膜放風后表層地溫和近地表氣溫略有下降，但降溫主要在白天，夜間增溫作用明顯，溫度日較差平均減小3～4℃。另外覆膜時段表層地溫和近地表氣溫的日最低溫度表現為一致增溫，表層地溫的最低溫度顯著升高2.0℃。淺溝覆膜種植模式較裸地積溫增加35%，生育期約提早8d。

3.2 討論

溫度是影響玉米生長發育的主要因素之一[22]，地溫增高可以縮短玉米出苗的時間，提高玉米的出苗率和成活率[23]。東北地區玉米產量的增加有約25%的貢獻可用熱量資源的增加來解釋[24]。常規地膜覆蓋條件下土壤的增溫特性已得到許多研究結果[11-14,25]。淺溝覆膜種植模式對玉米苗期有明顯的增溫效應，表層地溫比裸地增溫2.8℃，與文獻中常規地膜覆蓋表層5cm 地溫比裸地增溫2.49℃[14]、2.85℃[26]接近，逐日增溫2～6℃的幅度也與常規覆膜晴天3～5℃、陰雨天1～2℃的溫度增幅[12]相當或略高。另外，覆膜時段內該模式夜間均有增溫，且破膜放風前表層地溫、破膜放風后近地表氣溫夜間增加均較明顯，平均增溫可達2～3℃，與常規玉米覆膜后地溫的最大增值表現在最低地溫的提高也基本一致[25]。研究表明，夜間增溫有利于玉米種子萌發，可使玉米物候期提前，有利于減輕早霜危害[27]。破膜放風后白天降溫夜間增溫導致溫度日較差明顯減小，也有利于玉米產量增加[28]。早在20世紀80年代，日本學者分析發現，玉米幼穗形成前每長出1片葉需要65.0℃·d 的積溫[29]，孫本普等[21]2005年在中國鄒平縣長山鎮高王村開展了不同播期對春玉米葉片生長影響的試驗研究，結果表明，春玉米出苗至最后1 片葉展開每長出一片葉所需的平均積溫為69.6℃·d，可見在不同時間條件下，玉米不同品種每生長1 片葉所需積溫差異不大，相對穩定。盡管玉米葉片增加的動態是由雜交種特性決定的，但也與玉米出苗期和環境條件有關，玉米出葉速度隨溫度升高而加快[20]。該模式積溫增加特性使玉米出葉速度加快，促進玉米快速生長發育，與裸地相比，該模式增加玉米生育初期的積溫約35%，生育期提早8d 左右，與常規覆膜平均提早各生育階段7d 接近[15]。可見淺溝覆膜種植模式的增溫作用與常規覆膜相當。日平均溫度不低于10℃初日通常作為春玉米的適宜播種期，近年來隨著氣候變暖，東北地區10℃初日一般提前2～10d，然而研究發現春玉米的播種期有逐年推后趨勢（4d·10a-1）[30]，大大浪費了熱量資源，采用淺溝覆膜方式可以科學指導玉米播種時間，實行早播，提高該地區玉米對熱量資源的利用率，更好地發揮氣候生產潛力。

黑龍江省發生低溫冷害頻率較高[24]，淺溝覆膜日最低溫度偏高，一定程度上能減輕或避免早霜、寒潮、低溫等災害的影響。常規地膜覆蓋一般在玉米出苗后打孔引苗[12]，淺溝覆膜種植模式一般苗齡在3 葉以后才破膜，也提高了幼苗抵御大風和低溫災害的能力。同時幼苗在淺溝中生長一段時間，也可以減輕大風和低溫等的危害，從抵御災害角度看該模式有一定的優勢。但試驗地終霜凍一般出現在4：00-6：00 前后，覆膜期淺溝覆膜的近地表溫度在該時段略低于裸地，所以不能減輕終霜凍危害。統計歷史資料可知，試驗地多年平均終霜凍日期為5月13日，近60a 該地終霜凍日期有顯著提前趨勢（P＜0.01），氣候傾向率為-3.2d·10a-1。20世紀90年代末期以來該站最晚終霜凍日期是5月15日，因此，在霜凍偏早的氣候背景下，依賴于準確率越來越高的中期天氣預報對于溫度和霜凍的預測，可以控制播種覆膜時間進而控制出苗日期。那么該種植模式這一弊端的影響可能會很小。

綜上，淺溝覆膜種植模式優勢明顯，其增溫作用與常規覆膜接近，有利于玉米出苗和生長發育，可以提高玉米對熱量資源的利用率，據此可以提前播種或者選擇晚熟高產品種搶積溫，使作物產量增加，還可以優化種植格局，將作物品種在偏北區域推廣。該模式較常規覆膜又具有明顯優勢，可以減輕幼苗期風災和低溫災害影響，后期去膜處理也較常規覆膜生態環保，較可降解地膜等節約成本[16]。該種植模式只需對常用的農業機械稍加改裝即可完成開淺溝、播種、覆膜、打孔放風、揭膜等全程機器作業，操作容易，便于大范圍推廣，因此在黑龍江省乃至東北地區寒地玉米生產中具有廣闊的應用前景。

本研究僅探討了淺溝覆膜種植模式在玉米播種至出苗期的增溫特性，該模式整體的田間小氣候效應，包括光能資源優勢、水分利用率及模式對玉米生長發育各階段的影響等今后還需進一步研究。