地膜覆蓋對(duì)河套灌區(qū)春玉米耗水結(jié)構(gòu)及水分利用的影響

王青松，馮浩，董勤各，李成，權(quán)浩，陳浩

地膜覆蓋對(duì)河套灌區(qū)春玉米耗水結(jié)構(gòu)及水分利用的影響

王青松1,3，馮浩1,2,3*，董勤各1,2,3，李成1,3，權(quán)浩1,3，陳浩1,3

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100）

【】探究不同顏色地膜覆蓋對(duì)春玉米農(nóng)田蒸散量及蒸散結(jié)構(gòu)的影響。在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)開(kāi)展了黑色地膜覆蓋（M2）、透明地膜覆蓋（M1）和不覆膜（M0）春玉米試驗(yàn)，采用微型棵間蒸滲儀法、水量平衡法，在玉米生育期內(nèi)測(cè)定并計(jì)算土壤含水率、農(nóng)田蒸散量、棵間蒸發(fā)量及其占比，分析了不同覆蓋處理下農(nóng)田水量平衡、作物產(chǎn)量及水分利用效率。在土壤剖面0～120 cm土層內(nèi)，覆膜處理土壤含水率顯著高于不覆膜處理，M1、M2處理的土壤貯水能力優(yōu)于M0處理，同時(shí)覆膜處理顯著降低了春玉米農(nóng)田蒸散量，與M0處理相比分別降低了6.10%、8.18%；主要原因在于覆膜降低了土壤棵間蒸發(fā)，與M0處理相比，M1、M2處理分別降低了28.43%、33.20%的土壤蒸發(fā)量，改善了農(nóng)田的耗水結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致更多的無(wú)效水分消耗轉(zhuǎn)化為作物可利用的水分，進(jìn)而提高春玉米產(chǎn)量與水分利用效率；與M0處理相比，M1、M2處理的產(chǎn)量分別增大22.83%、10.31%；水分利用效率分別增加了30.79%、20.12%。此外，在河套灌區(qū)常見(jiàn)透明地膜與黑色地膜覆蓋條件下，透明地膜消耗了更多的水分，但同時(shí)透明地膜處理可以在后期利用更多的毛管上升水且具有更高的產(chǎn)量與水分利用效率。在河套灌區(qū)利用覆膜技術(shù)，可以有效地改善春玉米農(nóng)田的耗水結(jié)構(gòu)，提高春玉米產(chǎn)量與水分利用效率；相比于黑色地膜，透明地膜是最適宜河套灌區(qū)的農(nóng)藝措施。

春玉米；透明地膜；黑色地膜；蒸散發(fā)；棵間蒸發(fā)；水分利用效率

0 引言

【研究意義】?jī)?nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)最大的自流設(shè)計(jì)灌區(qū)，也是我國(guó)重要的商品糧、油基地，擁有充足的光、熱資源；但該地區(qū)同時(shí)也存在干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水有明顯的時(shí)空變化等現(xiàn)象[1]，且近年來(lái)由于黃河灌溉用水調(diào)度灌區(qū)引水配額呈下降趨勢(shì)[2]。為了緩解這些問(wèn)題，該地區(qū)廣泛采用覆膜的方式來(lái)提高春玉米播種期溫度，降低水分損耗，以提高作物產(chǎn)量及水分利用效率，緩解該地區(qū)的用水壓力。

【研究進(jìn)展】目前，透明地膜覆蓋已成為干旱半干旱地區(qū)廣泛采用的農(nóng)藝措施[3]，作為一種特殊的覆蓋材料，透明地膜覆蓋直接影響土壤溫度、土壤水分和土壤表層微氣候循環(huán)，通過(guò)保溫保墑促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量[4-5]。農(nóng)田蒸散是作物蒸騰與土壤棵間蒸發(fā)的總和，也是土壤-植物-大氣連續(xù)體水分循環(huán)的重要過(guò)程[6]，在干旱地區(qū)農(nóng)田用水的99%通過(guò)蒸散被消耗[7]。隨著河套灌區(qū)水資源的日益緊缺，農(nóng)田蒸散量、日蒸散特征及灌溉條件下的根區(qū)水量平衡特征已經(jīng)成為制定灌溉制度和評(píng)價(jià)灌溉水利用效率的主要依據(jù)。

但近年來(lái)，在全球變暖的背景下，部分學(xué)者對(duì)透明地膜覆蓋進(jìn)行了深入研究和生產(chǎn)實(shí)踐，在西北干旱地區(qū)透明地膜的負(fù)面作用日益凸顯，包括白色污染、早衰、生育后期脫產(chǎn)脫肥等現(xiàn)象[8-9]。與透明地膜相比，黑色地膜由于透光率較低，吸收太陽(yáng)輻射較低，能夠有效降低夏季炎熱時(shí)期的膜下土壤溫度[10]。另外，黑色地膜覆蓋也已被證明可以明顯改善土壤水分條件，從而提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[11-12]。因此，近年來(lái)黑色地膜覆蓋被逐漸地運(yùn)用在馬鈴薯[13-14]、西瓜[15-16]、番茄[17]、棉花[18]等作物生產(chǎn)中。【切入點(diǎn)】然而，關(guān)于2種地膜的比較在河套地區(qū)鮮少被研究報(bào)道，在干旱灌區(qū)如何選擇合適的薄膜顏色仍然是一個(gè)不清楚的問(wèn)題。此外，在河套灌區(qū)，黑色地膜、透明地膜、不覆膜等常見(jiàn)種植方式中，黑色地膜和透明地膜在減少土壤蒸發(fā)，調(diào)節(jié)土壤的耗水結(jié)構(gòu)及均衡旱作農(nóng)田水量平衡等方面上鮮有涉及。

另外，由于不同地膜覆蓋引起耗水結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致作物產(chǎn)量與水分利用方面的差異在不同的地區(qū)也有不同的結(jié)果，部分研究表明，在中國(guó)西北地區(qū)的玉米試驗(yàn)中，黑色地膜相比于透明地膜，可以在作物后期降低土壤溫度，對(duì)作物早衰問(wèn)題有所緩解，無(wú)論是壟溝種植還是平作都可以顯著提高作物水分利用效率[19]，其認(rèn)為在旱地春玉米地區(qū)，黑色地膜可以代替常見(jiàn)透明地膜在干旱地區(qū)推廣。然而部分研究結(jié)論相反，其結(jié)果表明，由于低溫對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，透明地膜的水分利用效率高于黑色地膜[20]，此外，在西北地區(qū)馬鈴薯的種植試驗(yàn)中，部分研究認(rèn)為透明地膜的產(chǎn)量與水分利用效率均高于黑色地膜[21]。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】針對(duì)上述問(wèn)題，本研究開(kāi)展了灌區(qū)常規(guī)灌溉種植模式下黑色地膜覆蓋、透明地膜覆蓋、不覆膜等不同覆蓋處理，研究3種處理下土壤耗水、蒸散發(fā)及其組分關(guān)系、根區(qū)土壤水量平衡特征及水分利用效率，以期為河套灌區(qū)春玉米覆膜方式提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年4―9月在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所曙光試驗(yàn)站進(jìn)行（40°46″N，107°24″E，海拔1 042 m）。該地區(qū)處于干旱半干旱氣候帶，屬典型的溫帶大陸性氣候，多年平均降水量135 mm，多年平均蒸發(fā)量2 306.5 mm，年均氣溫6.91 ℃，全年無(wú)霜期160 d，年日照時(shí)間3 100～3 300 h。試驗(yàn)期間的氣溫與降水由自動(dòng)氣象站進(jìn)行檢測(cè)（圖1）。試驗(yàn)區(qū)每年的秋季引用黃河水秋澆，其土壤屬于黃河灌淤土，質(zhì)地以砂壤土為主，0～120 cm土壤體積質(zhì)量為1.49 g/cm3，田間持水率為28.6%。0～120 cm土層主要理化性質(zhì)見(jiàn)表1。0～120 cm土壤有機(jī)質(zhì)量為7.3 g/kg，全氮量為105.3 mg/kg，速效鉀量為120.5 mg/kg，速效磷量為55.8 mg/kg。試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)有地下水源井，試驗(yàn)區(qū)使用地下水進(jìn)行灌溉，地下水埋深2.5 m左右。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理及水力參數(shù)

圖1 河套灌區(qū)春玉米生育期日最高溫度、平均溫度、最低溫度、降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)供試作物為春玉米，品種為“金蘋(píng)628”，地膜為高壓聚乙烯膜，厚度8 μm。完全隨機(jī)區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)黑色地膜覆蓋（M2）、透明地膜覆蓋（M1）、不覆膜（M0）3個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。小區(qū)面積為48 m2（4 m×12 m），各小區(qū)之間設(shè)置1 m寬的緩沖區(qū)以減少土壤水分側(cè)滲。

播種時(shí)間為2019年4月26日，收獲時(shí)間為9月12日。播種方式為穴播，株距為0.3 m，行距0.4 m。播前施加底肥并覆蓋地膜，各處理施肥水平保持一致，施氮量為300 kg/hm2、施磷量200 kg/hm2。其中150 kg/hm2氮肥和200 kg/hm2磷肥以尿素（N：46%）、磷酸二胺（N：18%、P：46%）形式作為基肥施入，其余150 kg/hm2氮肥以尿素的形式于玉米拔節(jié)期隨灌水輸入，采用覆膜畦灌方式，灌水量按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民引黃灌水量灌溉。

1.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水率

在玉米生育期內(nèi)，采用烘干法測(cè)定土壤含水率，測(cè)量深度為120 cm，每10 cm為1層，從播種期開(kāi)始每14天測(cè)定土壤含水率1次，灌水前后和降水后分別加測(cè)土壤含水率。

1.3.2 棵間蒸發(fā)

棵間蒸發(fā)采用置于行間的自制微型蒸滲儀（micro-lysimeter）測(cè)定。該微型蒸滲儀是用PVC管做成，分為內(nèi)外筒。內(nèi)筒高20 cm，內(nèi)徑10 cm，壁厚2.5 mm。外筒為鍍鋅鐵皮，規(guī)格與內(nèi)筒相當(dāng)。每次取土?xí)r將內(nèi)筒垂直壓入土壤內(nèi)，取得原狀土，刮平底部，用濾紙與紗網(wǎng)封底，置于行間的外筒內(nèi)，保持筒內(nèi)土面與田間土面持平。每天上午08:00用精度為0.01 g的電子天平稱質(zhì)量。為保證蒸發(fā)器內(nèi)的土壤含水率與田間土壤含水率一致，每5天換土1次，降水和灌水后換土。

1.3.3 氣象要素

試驗(yàn)期間觀測(cè)記載作物生育期的降水量和水面蒸發(fā)量，根據(jù)《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》，采用站內(nèi)自動(dòng)氣象站觀測(cè)氣象資料，每30 min自動(dòng)記錄1組數(shù)據(jù)，基本氣象資料有空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、最高氣溫、最低氣溫和降水量等。

1.3.4 作物耗水量和水分利用效率

采用水量平衡法計(jì)算春玉米耗水量

式中：Δ為播種期與收獲期土壤0～120 cm貯水量之差（mm）；為生育期有效降水量（mm）；為生育期的灌水量（mm）；為生育期地表徑流量（mm），試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦且為畦灌，故無(wú)地表徑流產(chǎn)生；為深度為100 cm處的水分通量（mm），正向下，負(fù)向上。

一般來(lái)說(shuō)，玉米的根系活動(dòng)層主要分布在0～100 cm，所以認(rèn)為100 cm土層是土壤水分流入或流出的根區(qū)深度。100 cm處的水分交換量通過(guò)80～100 cm和100～120 cm土層的土壤含水率利用達(dá)西方程求解計(jì)算式為：

式中：（）非飽和土壤導(dǎo)水率（cm/d）；110、90分別為110 cm和90 cm處的土壤基質(zhì)勢(shì)（kPa）；110、90為分別為110 cm與90 cm的土壤深度；S為飽和導(dǎo)水率，S=179 cm/d；e為土壤相對(duì)飽和度；s和r分別為土壤飽和含水率和土壤殘余含水率（%）；為土壤壓力勢(shì)水頭（cm）；分別為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。利用式（2）、式（3）將土壤含水率轉(zhuǎn)化為土壤基質(zhì)勢(shì)，土壤水分特征曲線與s利用美國(guó)鹽土公司開(kāi)發(fā)的RETC軟件根據(jù)土壤顆粒分布進(jìn)行回歸推算，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與插值數(shù)據(jù)估算土壤水分交換量。

水分利用效率（kg/（hm2·mm））計(jì)算式為：

。 （5）

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Office Excel處理數(shù)據(jù)繪制圖形，SPSS19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆膜處理對(duì)土壤含水率的影響

圖2為播種前期與收獲期各處理0～120 cm土層土壤含水率垂向空間分布特征。由圖2可知，0～100 cm播前及收獲后各處理體積含水率從表層到深層逐漸增加，100～120 cm由于土壤質(zhì)地中含沙量太高導(dǎo)致土壤體積含水率變小（表1）。從整體上看，各處理收獲后土壤含水率相比播前都有所減少，且減少主要發(fā)生在的根區(qū)土層內(nèi)，這是由于春玉米80%的土壤根系都位于0～60 cm[22]。其中M0處理含水率最低，黑色地膜覆蓋與透明地膜覆蓋土壤含水率相差較小。對(duì)比不同處理播前及收獲后0～120 cm土層的土壤貯水量可知（圖3（d）），M0、M1、M2處理平均土壤含水率較播前降低了15.44%、12.39%、11.71%。覆膜整體上節(jié)水效果顯著。

圖3為春玉米生育期內(nèi)各土層不同處理土壤體積含水率隨時(shí)間的變化態(tài)勢(shì)以及不同生育期0～120 cm土壤貯水量的變化。由圖3可知，春玉米生育期內(nèi)0～60 cm土層土壤水分波動(dòng)較大，而60～120 cm的土壤水分變化較小，各處理土壤體積含水率變化趨勢(shì)較為一致，每次灌水后急劇增加，之后隨著土壤棵間蒸發(fā)，作物蒸騰等作用逐漸減小。從整個(gè)生育期來(lái)看，在第1次灌水后各處理土壤含水率達(dá)到最大，第2次灌水前1天土壤含水率最低，主要是由于這個(gè)階段作物處于快速生長(zhǎng)階段且此時(shí)沒(méi)有灌溉，降水較少，土壤棵間蒸發(fā)及作物蒸騰消耗量大。整個(gè)生育期內(nèi)0～20 cm土層土壤含水率變化最大且M2處理最高，但與M1處理無(wú)明顯差異，M0處理含水率最低，M2、M1處理分別比M0處理高9.16%、6.44%。從播種到拔節(jié)后期，M2、M1處理比M0處理分別高15.9%、14.8%，這是由于試驗(yàn)前期相對(duì)于覆膜處理，不覆膜處理土壤完全裸露，土壤蒸發(fā)較大，覆膜減少了水分的無(wú)效蒸發(fā)，所以覆膜處理的含水率大于不覆膜處理。但在作物生長(zhǎng)后期，覆膜條件下植株生長(zhǎng)旺盛，需水量大，從而后期土壤水分沒(méi)有明顯提高。而M2處理比M1處理水分高的原因是透明地膜覆蓋處理下，作物生長(zhǎng)更旺盛，水分消耗更多，這點(diǎn)從最后的產(chǎn)量可以得到驗(yàn)證。20～60 cm土層土壤含水率變化同樣較大，主要是由于此土層是作物根系活躍層，其中M2處理的土壤平均含水率最大，M2、M1處理比M0處理分別高8.1%、7.5%。60～120 cm土層含水率變化不大，只在幾次灌水后有小幅度上升，由于100～120 cm為砂層，導(dǎo)致60～120 cm土層平均含水率與20～60 cm相差不大，M2、M1處理分別比M0處理大3.7%、2.6%。

圖2 播前及收獲期土壤含水率

圖3 春玉米生育期內(nèi)各土層土壤體積含水率及貯水量

土壤貯水量的變化取決于春玉米生育期內(nèi)的降水量、作物蒸騰量、土壤蒸發(fā)量等多種因素，在灌區(qū)還要著重考慮灌水量的影響。2019年春玉米生育期內(nèi)降水+灌溉為568.3 cm。土壤貯水量最高出現(xiàn)在苗期，這是由該區(qū)域的灌溉特性與春玉米生長(zhǎng)特性決定的。苗期降水與灌溉量大且植株小耗水少，故貯水量高。播種—出苗各處理貯水量沒(méi)有差異但隨著春玉米生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)始，各處理貯水量開(kāi)始出現(xiàn)差異，出苗—拔節(jié)期M0處理土壤貯水量顯著低于M1、M2處理，M1、M2處理差異不顯著，這是由于覆膜處理可以顯著降低土壤蒸發(fā)，減少土壤水分的消耗，而且可以提高土壤表層溫度，使得作物生長(zhǎng)更加快速，生育期提前導(dǎo)致的。拔節(jié)期—抽雄期，作物各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)開(kāi)始增大，耗水量增加，土壤貯水量呈下降趨勢(shì)，由于灌水量充足，土壤貯水量在灌漿與成熟期有所上升。成熟期M1、M2處理較M0處理分別增加了7.8%、10.9%，覆膜節(jié)水效果顯著。相比于透明地膜，黑色地膜土壤貯水量更多，但沒(méi)有顯著差異。

2.2 不同覆膜處理對(duì)土壤棵間蒸發(fā)、農(nóng)田蒸散量及棵間蒸發(fā)占農(nóng)田蒸散比例的影響

利用微型蒸滲儀和水量平衡法測(cè)量計(jì)算了不同處理下春玉米土壤棵間蒸發(fā)量（圖4）、各生育階段棵間蒸發(fā)量、農(nóng)田蒸散量及蒸發(fā)占蒸散的比例（表2）。在春玉米的生育期內(nèi)，不同覆膜處理的土壤棵間蒸發(fā)量具有相似的變化特征，都是在降水或者灌溉后達(dá)到一個(gè)峰值，之后逐漸減少到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。另外，M0處理的土壤蒸發(fā)量始終高于覆膜處理，M0、M1、M2的3個(gè)處理生育期平均蒸發(fā)量分別為215.92、154.54、144.23 mm。從生育過(guò)程來(lái)看，生育前期由于作物冠層覆蓋度小、生育后期由于作物衰老，故土壤蒸發(fā)日峰值大；在生育中期，隨著的增加，更多的輻射被冠層截住，所以中間2次灌水后的土壤蒸發(fā)峰值小。從播種到拔節(jié)期的土壤蒸發(fā)量最大，分別占整個(gè)生育期的49.89%、51.43%、51.06%。從整個(gè)生育期來(lái)看M1、M2處理的土壤蒸發(fā)量相比M0處理分別降低了28.43%、33.20%，但是M1、M2處理的土壤棵間蒸發(fā)沒(méi)有明顯差異，由此可以看出，覆膜處理降低了蒸散量，主要降低了棵間蒸發(fā)，從而達(dá)到節(jié)水的目的。相比于黑色地膜，透明地膜的土壤蒸發(fā)量更高，但是差距不大，這可能是由于相比于透明地膜，黑色地膜可以吸收更多的太陽(yáng)輻射，降低了覆蓋下的土壤溫度，從而導(dǎo)致土壤蒸發(fā)較低。

圖4 春玉米土壤棵間蒸發(fā)量

黑色地膜、透明地膜、不覆膜處理下的各生育階段農(nóng)田蒸散量如表2所示，M0處理生育期耗水量是574.57 mm，覆膜處理中M1、M2處理的生育期耗水量分別是539.54、527.56 mm，相比M0處理分別降低了6.10%、8.18%。覆膜處理降低了蒸散量，同時(shí)所有處理的都是生育前期低，然后快速增加到最高值，在生長(zhǎng)中期的大約2個(gè)月內(nèi)，一直在這個(gè)峰值附近波動(dòng)，然后因?yàn)槿~片的衰老在生育后期逐漸減少。

/表明了生育期耗水中，無(wú)效水分占總消耗水分的比例，通過(guò)了解這一比例可以了解作物對(duì)水分利用的有效性[23]。3個(gè)處理在的變化趨勢(shì)上一致（表2），在播種—六葉期時(shí)最大，都達(dá)到80%左右，隨著生育期的推進(jìn)，該值逐漸減小，到生育后期，又有所增大，這是由于前期作物耗水量少，土壤水分主要消耗在土壤蒸發(fā)，中期隨著作物的生長(zhǎng)，特別是拔節(jié)到灌漿期，作物冠層的覆蓋變大，蒸騰消耗了大量水分，此時(shí)黑膜、透明地膜、不覆膜的比值相近，后期隨著作物衰老，蒸騰作用減小，土壤蒸發(fā)又繼續(xù)增大，導(dǎo)致變大。并且由于覆膜處理具有減少土壤蒸發(fā)的特性導(dǎo)致M1、M2處理在每個(gè)生育階段的值都比M0處理小。M0處理的總蒸發(fā)量占蒸散的比例分別是37.58%。M1、M2處理分別為28.64%、27.34%，比M0處理分別小27.25%、23.78%。說(shuō)明無(wú)論是透明地膜還是黑色地膜相比于不覆膜都降低，降低這個(gè)比值可以使更多的無(wú)效水轉(zhuǎn)化為植株的可利用水，改善作物的耗水結(jié)構(gòu)。雖然M1處理消耗更多的水分與土壤蒸發(fā)，的比值和M2相比沒(méi)有明顯差異。

2.3 不同覆膜處理對(duì)春玉米農(nóng)田水量平衡的影響

農(nóng)田水量平衡中的土壤水分狀況、外界水分供應(yīng)量、根系層水分交換量如表3所示。在3個(gè)處理中，根區(qū)水分通量較大，表明從根區(qū)底部向土壤深層滲漏的水量較大，這是由于秋澆作用農(nóng)田貯水量很大，而黃河水引進(jìn)時(shí)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民仍大水漫灌，灌水量較多，導(dǎo)致前期土壤水滲漏過(guò)多，以此可見(jiàn)，前期過(guò)高的土壤水分及灌溉量易造成水分浪費(fèi)，應(yīng)適當(dāng)減少第一次灌溉水量。不過(guò)在生育后期，根區(qū)以下水分又向上補(bǔ)充以供作物根系吸收。另外，相比于不覆膜，透明地膜覆蓋導(dǎo)致了更多的水分滲漏，同時(shí)透明地膜也利用了更多的深層水分，最終是比不覆蓋處理更加節(jié)約水分。

表2 各生育階段棵間蒸發(fā)量、蒸散量及蒸發(fā)占蒸散的比例

表3 農(nóng)田水量平衡分析結(jié)果

2.4 不同覆膜處理對(duì)春玉米產(chǎn)量構(gòu)成及水分利用效率的影響

不同地膜覆蓋處理下的玉米產(chǎn)量構(gòu)成如表4所示。M1、M2處理無(wú)論是在行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、百粒質(zhì)量上均優(yōu)于M0處理，但M0處理的穗粗卻比M1、M2處理大，地膜覆蓋處理可以顯著提高作物產(chǎn)量，與M0處理相比，M1、M2處理的產(chǎn)量分別增加22.83%、10.31%。對(duì)于2個(gè)覆膜處理，M1處理的產(chǎn)量形狀及水分利用效率均優(yōu)于M2處理，這主要是因?yàn)橄啾扔诤谏啬ぬ幚?，透明地膜覆蓋可以在作物后期利用更多的毛管上升水（表3），特別在作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵灌漿期，透明地膜處理下作物較?。ū?），提高了籽粒形成時(shí)期的水分利用，從而形成了更高的百粒質(zhì)量與產(chǎn)量。不同處理的水分利用效率從大到小依次為M1、M2、M0處理，覆膜處理相比與不覆膜處理分別增加30.79%、20.12%。但覆膜處理間的水分利用效率沒(méi)有顯著差異。

表4 不同處理春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成、水分利用效率

3 討論

與不覆膜相比，覆膜可以有效提高春玉米生育期內(nèi)土壤的蓄水保墑能力，提高土壤溫度，抑制蒸發(fā)，改善土壤耗水結(jié)構(gòu)，從而提高旱區(qū)的作物水分利用效率[24-26]。河套灌區(qū)由于春季氣溫低、降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，地膜覆蓋被廣泛用于玉米、小麥、葵花的種植中[27-29]。在本研究中，土壤表層水分波動(dòng)較大，這主要是由于河套地區(qū)降水稀少，土壤表層的含水率主要受灌水的影響。在生育前期，作物生長(zhǎng)緩慢，耗水量少，此時(shí)，覆膜的主要作用是保水，減少水分蒸發(fā)，因此土壤0～60 cm水分明顯高于不覆膜處理，而60～120 cm土壤含水率卻相差不大；在生育后期，隨著作物對(duì)水分的需求越來(lái)越大，作物的蒸騰作用逐漸超越土壤蒸發(fā)對(duì)耗水的影響，此時(shí)土壤表層水分反而出現(xiàn)不覆膜處理較高的時(shí)段。

在整個(gè)生育期內(nèi)，所有處理的土壤耗水量均呈現(xiàn)出“低-高-低”的變化趨勢(shì)，這與所有的干旱區(qū)春玉米農(nóng)田耗水量的趨勢(shì)一致，且生育期耗水量均超過(guò)500 mm，這是河套灌區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民過(guò)量灌溉的結(jié)果[28-29]。黑色地膜處理，透明地膜處理的蒸散量明顯低于不覆膜處理，且透明膜處理比黑色地膜處理的耗水量高。這在不同的研究中有著不同的結(jié)果，陸海東等[31-32]研究認(rèn)為在其2 a的試驗(yàn)中，黑色地膜、透明地膜覆蓋條件下農(nóng)田蒸散相似，沒(méi)有明顯的差別。但在有關(guān)研究[11]中，透明地膜的耗水量大于黑色地膜和不覆膜處理，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。原因可能是透明地膜覆蓋下作物長(zhǎng)勢(shì)較好，消耗更多土壤水分和透明地膜覆蓋下土壤溫度相比于黑色地膜較高導(dǎo)致更多土壤蒸發(fā)的共同結(jié)果。

土壤蒸發(fā)是農(nóng)田土壤水分損失量中無(wú)效損失的重要組成部分。各處理的土壤棵間蒸發(fā)的變化趨勢(shì)相同，由于秋澆后土壤水分狀況較好，播種后的棵間蒸發(fā)量大，但此時(shí)期沒(méi)有發(fā)生灌溉事件，土壤蒸發(fā)主要以水分?jǐn)U散為主。其余時(shí)間段的土壤蒸發(fā)都符合FAO-56中蒸發(fā)模型的蒸發(fā)規(guī)律，都將灌溉或者降水后的土壤蒸發(fā)分為2個(gè)階段，第1個(gè)階段土壤水分充足，蒸發(fā)主要和大氣的蒸發(fā)能力有關(guān)，蒸發(fā)量較大，當(dāng)?shù)?個(gè)階段的累計(jì)蒸發(fā)量達(dá)到最大值以后，進(jìn)入第2階段，棵間蒸發(fā)便逐漸減小[34]。本試驗(yàn)中M0處理土壤蒸發(fā)占蒸散發(fā)的為37.58%、M1處理為28.64%、M2處理為27.34%。這與王自奎等[35]試驗(yàn)結(jié)果一致。

覆膜對(duì)提高玉米產(chǎn)量具有重要意義，與很多前人的研究一致，覆膜顯著地提升了春玉米產(chǎn)量[36-37]。然而，在黑膜、透明膜覆蓋條件下春玉米產(chǎn)量與水分利用效率的比較中不同的研究有著不同的結(jié)論，大部分的研究報(bào)道都是傾向于黑色地膜的產(chǎn)量和水分利用效率都會(huì)比透明地膜高，這是由于在其研究中，黑色地膜較不覆膜可以顯著節(jié)水保墑，相對(duì)于透明地膜具有降低土壤溫度的效果，從而防止了高溫與干旱對(duì)玉米根系的影響，延緩了玉米衰老，進(jìn)一步促進(jìn)玉米產(chǎn)量的形成[11,19]。在本研究中，在相同的種植方式下（覆膜畦灌），透明地膜覆蓋條件下的產(chǎn)量和水分利用效率均高于黑色地膜覆蓋（表4），這可能是由于在河套地區(qū)，因?yàn)樯趦?nèi)灌水量充足的原因，透明地膜并不會(huì)造成土壤水分的過(guò)度消耗；另外在春玉米的灌漿期，由于日平均氣溫的降低（圖1），透明地膜并未造成過(guò)高的土壤溫度。

在河套灌區(qū)傳統(tǒng)覆膜畦灌的種植方式上，透明地膜相比于黑色地膜，雖然消耗了更多的土壤棵間蒸發(fā)及蒸散量，但取得了更高的產(chǎn)量與水分利用效率，因此在干旱低溫的灌區(qū)春玉米種植中，需要提高土壤溫度且作物后期沒(méi)有水分虧缺時(shí)，推薦使用透明地膜。對(duì)于黑色地膜，推薦在需要在出苗期需要蓄水保墑，提高溫度，但在灌漿期防止土壤高溫對(duì)作物根生長(zhǎng)進(jìn)行負(fù)面影響的氣候條件下使用。

4 結(jié)論

1）透明地膜與黑色地膜具有相同的節(jié)水保墑作用，在整個(gè)生育期內(nèi)較不覆膜可以明顯提高土壤含水率；這種差異主要體現(xiàn)在農(nóng)田耗水量及耗水結(jié)構(gòu)的不同，M1、M2處理的生育期耗水量分別比M0處理分別降低了6.10%、8.18%，主要原因是整個(gè)生育期內(nèi)M1、M2處理的土壤蒸發(fā)量相比M0處理分別降低了28.43%、33.20%，導(dǎo)致農(nóng)田耗水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

2）覆膜處理可以影響農(nóng)田水量平衡，在透明地膜覆蓋條件下，春玉米生長(zhǎng)可以利用更多毛管上升水分，從而優(yōu)化水分利用。

3）在產(chǎn)量和水分利用效率方面，2種覆膜處理都增加了春玉米產(chǎn)量。透明地膜覆蓋條件下產(chǎn)量最高，相比于黑色地膜和不覆膜處理分別增加11.36%、21.83%；在水分利用效率方面相比于黑色地膜和不覆膜處理分別增加8.89%、30.79%。

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The Effectiveness of Mulching in Improving Water Use Efficiency of Spring Maize in Hetao Irrigation District Varied with Types of Plastic Films

WANG Qingsong1,3, FENG Hao1,2,3*, DONG Qin’ge1,2,3, LI Cheng1,3, QUAN Hao1,3, CHEN Hao1,3

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2. Institute of Water-saving Agriculture in Arid Areas of China, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;3. Institute of Water and Soil Conservation. Chinese Academy of Science and Ministry of Water Resource, Yangling 712100, China)

【】Mulching has been widely used in agricultural production in Hetao irrigation district of Inner Mongolia to improve soil temperature and reduce soil water evaporation. However, if and how film types such as their color and materials affect evapotranspiration and water use efficiency of crops is an issue that is largely elusive. The purpose of this paper is to experimentally address this knowledge gap.【】The experiments were conducted at a spring maize field, with the soil surface mulched by either black plastic film (M2) or transparent plastic film (M1). No-mulching was taken as the control (CK). During the experiment, we measured the changes in soil moisture, evaporation and evapotranspiration in each treatment. The water use efficiency and water consumption of the maize in each treatment were calculated based on water balance in the root-zone soil.】Regardless of the film types, mulching significantly increased the water in 0～120 cm soil because of the reduced evapotranspiration, with the evapotranspiration and evaporation under black and transparent plastic films reduced by 6.10% and 8.18%, and 28.43% and 33.20%, respectively, compared to those in the CK. These hence increased the bioavailable water to the maize and the eventual yield. In particular, M1 and M2 increased the maize yield by 22.83% and 10.31%, and water use efficiency by 30.79% and 20.12%, respectively, compared to CK. Water consumption in M1 was more than that in M2, but water movement from the subsoil to the topsoil at the late growth stage boosted crop yield and increased its water use efficiency as a result. 【】Plastic film mulching of the spring maize in Hetao irrigation district reduced the evapotranspiration, and consequently increased its yield and water using efficiency. Comparison revealed that mulching with the transparent film is more effective and agronomically suitable for the studied region.

spring maize; transparent plastic film; black plastic film; evapotranspiration; evaporation; water use efficiency

S513；S275.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020735

1672 - 3317（2021）08 - 0010 - 09

王青松, 馮浩, 董勤各, 等. 地膜覆蓋對(duì)河套灌區(qū)春玉米耗水結(jié)構(gòu)及水分利用的影響[J]．灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(8): 10-18.

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2020-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51879224，51609237）

王青松（1994-），男。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究。E-mail: 1194159284@qq.com

馮浩（1970-），男。研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源利用與保護(hù)研究。E-mail:nercwsi@vip.sina.com

責(zé)任編輯：陸紅飛