辽西半干旱区秋覆膜对土壤水分及玉米水分利用效率的影响

冯　晨，孙占祥，郑家明，冯良山，白　伟,，张　哲,，张广才

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所， 辽宁 沈阳 110161； 2．沈阳农业大学土地与环境学院， 辽宁 沈阳 110866)



辽西半干旱区秋覆膜对土壤水分及玉米水分利用效率的影响

冯晨1，孙占祥1，郑家明1，冯良山1，白伟1,2，张哲1,2，张广才2

(1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所， 辽宁 沈阳 110161； 2．沈阳农业大学土地与环境学院， 辽宁 沈阳 110866)

摘要：秋覆膜技术是传统地膜覆盖栽培技术的创新和延伸。为了探明秋季覆膜对土壤水分及玉米水分利用效率的影响，2014年在农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站，设置常规裸地种植(T1)、传统春覆膜(T2)、秋覆膜(T3)以及秋覆膜配施秸秆(T4)四种处理，研究了不同覆膜处理对土壤蓄水量、水分剖面分布、春玉米产量及水分利用效率的影响。结果表明，两种秋覆膜处理可实现对土壤水分的跨季节调控，播前土壤蓄水量比裸地增加35.44%和23.09%，比春覆膜增加40.79%和27.95%，整个生育期土壤蓄水量较裸地增加30.70%和20.10%，较春覆膜增加37.77%和26.59%。两种秋覆膜处理的剖面土壤水分在各生育时期均较为充足；春覆膜处理土壤含水率随土层深度变化剧烈，下层土壤水分严重缺失。秋覆膜处理可显著增加玉米产量，较裸地和春覆膜处理平均增产13.26%和13.52%，单株粒重增加是秋覆膜提高玉米产量的主要原因。秋覆膜T3处理可充分利用作物生育期降水，与T1、T2、T4处理相比，水分利用效率显著提高8.24%、9.74%和8.83%。

关键词：秋覆膜；春覆膜；蓄水量；剖面分布；产量；水分利用效率

辽宁省是我国十三个粮食主产省之一，农业生产方式以旱作农业为主，旱作农田占全省耕地面积64%，生产全省70%左右的粮食[1]。目前辽宁省每年玉米种植面积超过200万hm2，其中辽西旱作农业区种植面积占全省的2/3以上，对于辽宁省的粮食安全起到至关重要的作用。该区域土地和光热资源十分丰富，增产潜力巨大，但季节性水资源匮乏和降水年内分配不均导致辽西地区“十年九春旱”现象频发，严重制约着区域环境及农业的持续发展[2-3]，因此在该地区探寻合理的旱地土壤耕作栽培措施，对于提高作物对有限降水的利用效率，缓解作物需水与降水矛盾十分必要[4-5]。

地膜覆盖技术自20世纪70年代引入我国，便广泛应用于旱作农业区[6-9]。秋覆膜技术是传统地膜覆盖栽培技术的创新和延伸，其核心是充分考虑旱作农业区春旱严重、夏季降水集中的气候特点，在秋收后，霜冻之前进行灭茬、覆膜处理，通过减少秋、冬、春三季农田土壤水分的无效损失，有效保蓄夏秋季降水，实现对旱地土壤水分的跨季节调节，从而达到“秋雨春用、夏墒秋保”的效果[10]。目前有关秋覆膜的研究大多集中于甘肃地区[11-13]，针对辽西地区秋覆膜技术的增产和水分利用效率规律研究相对较少，虽然已有研究指出秋覆膜可以保证春播期间土壤持续稳定地供应种子发芽所需的水分[14]，实现增产和提高水分利用效率[15-16]，但针对辽西地区秋季覆膜的增产和保水效果研究尚存在不足之处：①有关秋覆膜与常规覆膜对产量和水分利用效率等方面影响的定量对比研究相对缺乏；②缺少对秋覆膜条件下土壤水分的动态监测和剖面分布规律研究。除此之外，有研究表明，传统覆膜增产以土壤有机碳的过度消耗为代价，因此，可以推测包括秋覆膜在内，同样存在着土壤质量下降的隐患，为此，有必要将秸秆还田纳入到秋覆膜玉米种植体系中，做为增碳覆膜处理观测其对玉米产量和水分利用效率的影响。

本研究针对上述问题，以农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站为平台，设置传统春覆膜、秋覆膜、秋覆膜配施秸秆以及常规裸地种植四种不同处理，探讨不同覆膜条件对土壤水分蓄量与剖面分布、春玉米产量和水分利用效率的影响差异，并通过秸秆还田纳入秋覆膜玉米种植体系，进一步探讨秋覆膜配施秸秆在水分利用、产量及农田质量上的可行性，为完善辽西半干旱区秋覆膜技术，改善农田生态环境，提高旱作农田生产能力和作物水分利用效率，实现区域农田作物的高产稳产提供理论依据和技术支持。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验在农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站(东经121°46′，北纬42°09′)进行。试验所在区域属温带季风大陆性气候，年均气温6℃～8℃，5月、9月的日照时数1 200～1 300 h，无霜期135～165 d。年降水量为350～500 mm，且60%～80%的降水集中在6～8月份，降水变率大，旱灾频繁，“十年九春旱”是当地基本气候特征。

试验区土壤为褐土，土壤基本理化性质如下[17]：容重1.35 g·cm-3，pH 6.95，有机质含量为11.61 g·kg-1，全氮0.64 g·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，全钾2.46 g·kg-1，速效氮72.58 mg·kg-1，速效磷136.13 mg·kg-1，速效钾62.19 mg·kg-1。试验区种植方式为春玉米连作，试验品种为郑单958。

1.2试验设计

试验采用完全随机区组设计，设置4种处理分别为：裸地种植(T1)；春季覆膜(T2)；秋季覆膜(T3)和秋季覆膜配施秸杆(T4)，试验重复3次，共12个小区。每小区面积60 m2(10 m×6 m)。秋覆膜处理于2013年11月进行提前覆膜；其它处理于2014年4月26日进行整地、施肥和播种，其中春覆膜处理于施肥后覆膜，再打孔播种；春玉米种植密度为60 000株·hm-2，行距50 cm，株距33 cm。播种(或秋覆膜)时施尿素(含N46%)520 kg·hm-2，三元复合肥(含N15%，P2O515%，K2O15%)300 kg·hm-2，秸秆处理的秸秆施用量为9 000 kg·hm-2，其他管理正常，2014年9月22日收获。

1.3测定项目及方法

1.3.1土壤含水量测定采用EcH2O土壤水温数据采集器定点测定不同生育时期0～50 cm土壤含水量。播种前(4月25日)和收获后(9月22日)土壤含水量，采用土钻取样烘干法，测定0～100 cm土层，每10 cm一个层次。

土壤蓄水量计算：

W=h×a×b×10/100

式中，W为土壤蓄水量(mm)；a为土壤容重(g·cm-3)；b为土壤含水率(%)；h为土层深度(cm)。

1.3.2产量及其构成因素玉米收获后，各处理随机选取3个代表性样区(面积10 m2)进行测产，并测定穗长、穗粗、穗行数、秃尖、行粒数、百粒重等产量构成因素。

1.3.3作物耗水量作物耗水量[18]：

ET=P1+U-R-F-ΔW

式中，ET为作物耗水量(mm)；P1和U分别代表作物生育期降水量(mm)和地下水补给量(mm)；R和F分别代表径流量(mm)和深层渗漏量(mm)；ΔW为计算时段内土壤贮水量的变化(mm)，土壤贮水量及作物耗水量均以1 m土层含水率计算；在试验年份内并未发生高强度或持续性降水，因此没有通过地面径流或向下渗漏出1 m根系层而引起水分损失。因当地地下水埋深较大，可以不考虑地下水补给影响。此外，本试验区较为平坦，小区间的侧向水分交换较少发生，可忽略不计。为此，上式可简化为：

ET=P1-ΔW

相关降水数据来自阜新气象局以及试验区气象站实测数据。

1.3.4水分利用效率水分利用效率[19]：

WUE=Y/ET

式中，WUE为籽粒产量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y为籽粒产量(kg·hm-2)。

1.4数据处理与分析方法

采用Excel进行数据整理和作图，用SPSS 20.0软件进行相关统计分析，Duncan法多重比较(P为0.05)。

2结果与分析

2.1不同覆膜处理对土壤蓄水量和水分空间分布的影响

2.1.1土壤蓄水量土壤蓄水量的高低反映土壤持水能力和供水能力的高低，图1为不同处理土壤(0～50 cm)含水量的变化情况，由图可知，秋季覆膜前(2013年10月30日)，各处理土壤水分含量相同，经过秋冬贮水，春播时(2014年4月25日)各处理间土壤水分含量发生了变化，如图1虚线处所示，4月25日，裸地种植、春覆膜处理、秋覆膜处理和秋覆膜配施秸秆处理的土壤含水量分别为：14.8%、14.2%、20.0%和18.2%。秋覆膜处理和秋覆膜配施秸秆处理在播种时土壤蓄水量分别为99.89 mm和90.78 mm，比裸地种植增加35.44%和23.09%，比春覆膜处理增加40.79%和27.95%，说明两种秋覆膜处理可通过提前覆膜，增加播前土壤蓄水量，实现水分的跨时调控。

玉米关键生育时期的土壤蓄水效果与处理类型有着密切关系，秋覆膜和秋覆膜配施秸秆处理的土壤蓄水量比裸地种植增加30.70%和20.10%，比春覆膜处理增加37.77%和26.59%，图2为不同处理对玉米生育时期0～50 cm土壤蓄水量的影响，由图2可以看出，除成熟期外，不同处理在各生育时期的蓄水量均表现为：秋覆膜>秋覆膜配施秸秆>春覆膜>裸地施肥(CK)，而成熟期表现为：裸地施肥(CK)>秋覆膜>秋覆膜配施秸秆>春覆膜，这主要是因为在收获前，9月20日阜新地区发生了大于10 mm的降水，未覆盖的裸地迅速接纳降水所致。

图1　不同处理土壤整个生育期含水量变化

图2不同处理下玉米各生育时期0～50 cm土壤蓄水量

Fig.2Effect of different treatments on water storage during periods(0～50 cm soil depth)

2.1.2土壤水分剖面分布土壤水分的空间分布体现着水分在土体中的存在状况和运移规律，同时也影响着作物对土壤水分的利用程度。不同时期各处理土壤含水率随剖面深度的变化如图3所示。苗期两种秋覆膜处理土壤水分各层均高于春覆膜和裸地处理。春覆膜处理表层土壤水分高于裸地处理，但30 cm土层以下时，其含水率下降到15%以下，低于裸地处理。拔节期0～20 cm土层，秋覆膜、秋覆膜配施秸秆以及春覆膜处理的含水量均在21%以上，而裸地处理由于地表裸露，地表蒸发多，土壤含水率仅为14.6%，但随着土层深度的增加含水率有所上升；土层深度30 cm以下时，土壤水分分布与苗期相同，为秋覆膜>秋覆膜配施秸秆>裸地施肥(CK)>春覆膜。

大喇叭口期是需水需肥的关键时期，随着玉米根系的生长，对土壤浅层水分消耗较大，根系分布密集的耕层(0～30 cm)土壤水分消耗较多，各处理土壤水分差异明显，秋覆膜与秋覆膜配施秸秆处理，各层土壤水分均较为充足，且变化较为平缓，这可能与提前覆膜，土壤水分贮量大，且覆膜具有保水效果有关。与之相比，裸地和春覆膜处理土壤含水率随土层深度变化较为剧烈，其中裸地处理的表层土壤含水量低于下层土壤，而春覆膜处理由于覆膜引起土壤水分上移，下层土壤水分相对缺失。抽雄期水分分布与喇叭口期相似。成熟期三个覆膜处理水分分布与喇叭口期和抽雄期相似，但裸地处理水分却大大提高，原因为收获前当地发生降水，裸地迅速接纳降水，而覆膜处理却由于地膜存在影响了降雨入渗所致。

图3不同覆膜处理玉米各生育时期0～50 cm分层土壤含水量的动态变化

Fig.3Effect of different mulching treatments on soil moisture content in 0～50 cm soil layer

2.2不同覆膜处理对春玉米产量及水分利用效率的影响

2.2.1产量及产量构成因素从表1可以看出，秋覆膜处理产量最高，可达14 452.5 kg·hm-2，显著高于未覆膜处理和春覆膜处理(P<0.05)，但与秋覆膜配施秸秆处理的产量差异不显著。秋覆膜处理产量较裸地施肥处理产量增加13.26%，较春覆膜处理增加13.52%，春覆膜与对照(裸地施肥)之间无显著差异。穗部性状分析表明，秋季覆膜在穗粗、穗长、穗粒数和千粒重方面并无优势(P>0.05)，但玉米单株粒重显著高于其他处理，这也是秋覆膜处理提高玉米产量的主要原因。

表1　不同覆膜处理对玉米产量构成因素的影响

注：数据为平均值±标准误，不同小写字母表示处理在5%水平上差异显著，下同。

Note: Data is mean±SE. Values followed by a different letter within a column for treatments are significantly different atP≤0.05, and hereinafter.

2.2.2作物水分利用效率处理不同对玉米耗水量和水分利用效率的影响不同(表2)，作物耗水量表现为秋覆膜>秋覆膜配施秸秆>春覆膜>裸地施肥(CK)，秋覆膜处理的耗水量只显著高于裸地施肥处理(P<0.05)，但水分利用效率显著高于其它3个处理，比对照提高8.24%，比春覆膜处理提高9.74%，比秋覆膜配施秸秆处理增加8.83%。

表2　不同处理对玉米耗水量及水分利用效率的影响

3讨论

已有研究表明春覆膜能够有效保蓄水分，增加玉米产量[15,20-21]，但在本研究中春覆膜并未表现出其增产优势，这主要因为2014年辽宁省遭遇伏秋连旱，自7月24日至8月5日，全省受旱面积由7.5万hm2发展到105万hm2，试验所在地——阜新市受旱面积23.33万hm2，试验区全生育期降雨量仅329.5 mm，土壤水分十分缺乏，与此同时，春覆膜处理由于地表被覆盖，即使有少量降水也无法及时入渗，从而导致春覆膜无水可保；除此之外，随着作物生长，玉米根系对下层水分需求越来越大，春覆膜可使土壤水分表聚，但却加重了土壤下层水分的缺失，进而严重影响玉米根系生长和最终产量。

此外，在本项研究中，秋覆膜配施秸秆处理(T4)在播前土壤蓄水量和水分剖面分布上与秋覆膜处理(T3)同具优势(图1，图3)，但T4并未显著提高春玉米产量和水分利用效率(表1，表2)，这可能归因于以下两方面：一是秸秆还田虽能在一定程度上保蓄水分[22]，但当水分不足时会存在与种子或幼苗“争水”现象，影响作物生长发育；二是秸秆虽为重要碳、氮源[23-24]，但其腐解需要一定温湿条件[25-26]，辽西旱作区干旱少雨，当年又遇伏秋连旱，这在很大程度上抑制了秸秆腐解，削弱了秸秆还田的养分供应能力。因此，在特定旱作农业区域条件下，秋覆膜配施秸秆对作物产量及农田质量的影响规律，仍需长期深入研究。

2014年辽宁省遭遇了60年一遇的特大伏秋连旱，灌浆期玉米受旱直接影响了产量，导致辽西北部分地区作物减产。在这种情况下，春覆膜由于无水可保而无产量优势，但秋覆膜却可显著增加土壤蓄水量和作物产量，提高水分利用效率，说明秋覆膜技术对于辽西北旱作区保水增产，抵御旱情具有十分重要的作用和意义。

4结论

1) 两种秋覆膜处理(T3和T4)可通过秋季提前覆膜实现水分的跨时空调控，增加播前土壤蓄水量(比裸地增加35.44%和23.09%，比春覆膜增加40.79%和27.95%)和整个生育期土壤蓄水量(较裸地增加30.70%和20.10%，较春覆膜增加37.77%和26.59%)。

2) 秋覆膜与秋覆膜配施秸秆处理整个生育期土壤剖面水分较为充足；春覆膜处理土壤含水率随土层深度变化较为剧烈，下层土壤水分缺失严重。

3) 秋覆膜处理(T3)可显著增加玉米产量和水分利用效率，较裸地平均增产13.26%，较春覆膜平均增产13.52%，单株粒重增加是秋覆膜提高玉米产量的主要原因。T3处理作物水分利用效率比T1、T2、T4分别提高8.24%、9.74%和8.83%。

参 考 文 献：

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Effects of plastic film mulching during autumn on soil water and water utilization of spring maize in dry land of northwest Liaoning

FENG Chen1, SUN Zhan-xiang1, ZHENG Jia-ming1, FENG Liang-shan1,BAI Wei1,2, ZHANG Zhe1,2, ZHANG Guang-cai2

(1.TillageandCultivationResearchInstitute,LiaoningAcademyofAgriculturalSciences,Shenyang,Liaoning110161,China;2.CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：Plastic film mulching in autumn is an innovation and extension technology of traditional plastic film mulching technology. In order to explore the effects of mulching during autumn on soil water and water use efficiency of spring maize, four mulching treatments, including traditional planting (T1), spring mulching (T2), autumn mulching (T3) and autumn mulching with straw return (T4), were carried out in Fuxin Scientific Observing and Experimental Station of Agro-environment and Arable Land Conservation, to clarify the effects of different mulching treatments on soil water storage, distribution, crop yields and water use efficiency of spring maize. Our result showed that compared with T1, T3 and T4 could increase the water storage before sowing by 35.44% and 23.09%, respectively, while by 40.79% and 27.95%, compared with T2. T3 and T4 could also increase water storage during the whole growth period by 30.70% and 20.10%, 37.77% and 26.59%, respectively, compared with T1 and T2. The soil profile water was relatively abundant during the whole growth period, while T2 had a very big variation in profile water, which had a serious lack of water in subsoil. The maize yield by T3 was the highest, which was 13.26% and 13.52% higher than that of T1 and T2, respectively. It was mostly contributed by the increase in single grain yield. Compared with T1, T2 and T4, T3 could increase water use efficiency by 8.24%, 9.74% and 8.83%, respectively.

Keywords:mulching in autumn; mulching in spring; water storage; water profile distribution; yield; water use efficiency

中图分类号：S152.7

文献标志码：A

作者简介：冯晨(1985—)，女，辽宁大石桥人，助理研究员，博士，主要从事旱作节水农业研究。E-mail：sandyla570521@126.com。通信作者：孙占祥(1967—)，男，辽宁抚顺人，研究员，博士，主要从事旱作节水农业研究。

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAD09B02)；辽宁省科技攻关项目(2014213004)；农业部公益性行业科研专项资金项目(201503105；201303125)；辽宁“百千万人才工程”培养经费资助项目(2013921058)

收稿日期：2015-01-23

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.02

文章编号：1000-7601(2016)02-0009-06