覆膜时期和方式对黄土高原春玉米耗水特性和产量的影响

韩云良，胡迎春，张宁宁，李雨泽，廖允成，秦晓梁，温晓霞

(西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌　712100)

黄土高原中南部水资源匮乏，属于典型的旱作雨养农业区，农业生产主要依赖天然降水[1]。该地区降水年际变化大，年内分布不均，多年平均降水584.1 mm，而蒸散量为1 017 mm，蒸散量远大于降雨量[2]。该区降雨主要集中在7～9月，占全年降水总量的55%以上，冬春季降雨量少且多以10 mm以下的微量甚至无效降水为主，对改善土壤墒情意义不大[3]。春玉米是黄土高原主要粮食作物之一，春玉米收获后到来年种植一般有长达5～6个月的休闲时间，其间正值北方冬春季节，多风、干旱少雨，造成土壤失墒快，而土壤水分的不足严重影响第二年春玉米的播种和出苗。为了保住春玉米收获期后到第二年春季种植期间的土壤水分，减少冬季、春季土壤水分的无效蒸发，各地开展了大量的研究。研究表明垄作可以通过改变田间微地形，增加土壤表面积、孔隙度，协调光、热、水条件，为作物生长营造一个赖以生存的小气候[4]；地膜覆盖能够聚集雨水并进行调节和重新分配[5]，抑制土壤水分无效蒸发，提高降水利用效率，促进旱地作物高产[6-11]。近几年，在甘肃省推广的全膜双垄沟播种技术可集覆膜抑蒸、膜面集雨、垄沟种植技术为一体，充分接纳和利用天然降水，最大限度地抑制因地表裸露而造成水分大量的无效蒸发，显著提高降水利用率，达到增产效果[12-15]。全膜双垄沟覆膜时间越早，土壤水分的无效蒸发越少，对玉米出苗率和经济性状改善效果越好，研究表明在秋季进行全膜覆盖的春玉米产量较早春覆盖、播前覆盖分别增产8.37%和20.66%[16]。李来祥等[17]研究也表明全膜双垄沟可以最大限度的抑制春玉米土壤水分的无效蒸发，且秋季全膜双垄沟覆盖效果最明显，秋季全膜双垄沟覆盖播前1 m土壤贮水比播前半膜平铺增加50.2 mm，较顶凌全膜覆膜增加31.7 mm。

近些年起垄覆膜技术在生产上虽然已经广泛应用，但覆膜时期及覆膜方式的不同，其对春玉米生长的影响效果不同[18-20]。虽然有研究表明秋季覆膜可以显著提高作物的产量和水分利用效率，但是对于黄土高原中南部春玉米不同覆膜时期和覆膜方式耦合作用下农田土壤耗水特征的报道并不多见。

为此，本试验以黄土高原中南部地区春玉米为研究对象，通过分析不同覆膜时期和覆膜方式下春玉米耗水规律，探究覆膜时期和覆膜方式互作模式下耗水特性与产量之间的关系，为黄土高原中南部春玉米的合理种植提供理论支撑。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

试验于2015～2016年在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站进行，该试验站位于黄土高原中南部陕甘交界处陕西省长武县洪家镇王东村，北纬35°14′，东经107°40′，海拔1 200 m。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均活动积温3 688 ℃，有效积温3 029 ℃，平均温度9.1 ℃，无霜期171 d，年均降雨584.1 mm，降水季节性分布不均，主要集中在7-9月，春季少雨，夏季多伏旱、冰雹、风灾等自然灾害，地下水位50～80 m，无灌溉条件，属典型的旱作雨养农业区。供试土壤类型为黑垆土，0～20 cm土层土壤基本理化性质：有机质9.14 g·kg-1，速效氮37.60 mg·kg-1，速效磷10.23 mg·kg-1，速效钾120.34 mg·kg-1，母质是深厚的中壤质马兰黄土。

1.2　试验设计

试验选用‘先玉335’作为供试品种，采用不同覆膜时期和不同覆膜方式的双因素设计，设5个处理，分别为：平地无覆盖(CK)、秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)、秋季半膜平铺覆盖(ASF)、播前全膜双垄沟覆盖(SFF)、播前半膜平铺覆盖(SSF)。每处理3次重复，随机区组排列，共15个小区，小区面积4 m×8 m。种植密度为5 500株·667 m-2，播种时统一以纯N 225 kg·hm-2标准施史丹利缓释肥(N∶P∶K质量比为28∶6∶6)。

全膜双垄沟覆盖：带宽100 cm，大垄宽60 cm，高10 cm；小垄宽40 cm，高15 cm，垄上覆1 200 mm×0.008 mm地膜，膜与膜间不留空隙，相接处用土压实。大、小垄间自然形成播种沟，沟内打孔点播，株距25 cm。秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)是2015-11-15起垄、覆膜，沟内间隔25 cm打孔(直径5 cm)，2016-04-22播种；播前全膜双垄沟覆盖(SFF)是2016-04-22起垄、覆膜、播种同时进行。

半膜平铺覆盖：带宽60 cm，带间距为40 cm，用800 mm×0.008 mm地膜平铺地面，膜两边用土压实。行间距为60 cm∶40 cm，株距25 cm。秋季半膜平铺覆盖(ASF)是2015-11-15覆膜，2016-04-22播种；播前半膜平铺覆盖(SSF)是2016-04-22覆膜、播种同时进行。

平地无覆盖(CK)：行间距为60 cm∶40 cm，株距25 cm，2016-04-22播种。

1.3　测定项目与方法

1.3.1土壤水分在秋季覆膜前、春玉米播种前、关键生育期(出苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期)以及下一季玉米播种前利用烘干法测定土壤含水量。用土钻取0～200 cm土层的土，每20 cm为一层，将样品立即装入铝盒，105 ℃烘干至恒质量，计算土壤含水量。

1.3.2指标计算土壤含水量:W(%)=(M1-M2) ×100%/(M2-M),式中，W为土壤含水量(%)，M1为土壤鲜质量和铝盒质量(g)，M2为土壤干重和铝盒质量(g)，M为铝盒质量(g)。

农田耗水量：采用水分平衡法，按照以下公式[21-22]计算农田耗水量(ETa)：ETa=I+P+U-R-F+ΔW。式中，I为时段内灌水量(mm)，P为时段内有效降水量(mm)，U为地下水通过毛管作用上移补给作物水量(mm)，R为地表径流量(mm)，F为补给地下水量(mm)，ΔW为时段内土壤储水变化量，即土壤贮水消耗量。本试验地地势平坦，可视地表径流为零；地下水埋深 4 m以下，可视为地下水补给量为零；降水入渗深度不超过 2 m，可视深层渗漏为零，R、U、F值可以忽略不计。

土壤贮水消耗量：土壤贮水消耗量(△W)按照以下公式[21]计算：

式中，i为层编号，n为总土层数，γi为第i层土壤干体积质量(g·cm-3)，Hi为第i层土壤厚度(cm)，θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的含水量，以占干土质量的百分数计(%)。本试验中，土壤贮水消耗量的测定深度是200 cm。

耗水模系数、日耗水量：耗水模系数=某一生育阶段农田耗水量/生育期农田总耗水量×100%

日耗水量=某一生育阶段农田耗水量/生育阶段时间

水分利用效率(WUE)[23-24]：

WUE=GY/ETa，式中，WUE为籽粒产量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，GY为籽粒产量(kg·hm-2)，ETa为农田耗水量(mm)。

1.3.3数据分析

利用 Excel 2010 进行数据处理，利用 SPSS 16.0对试验数据进行差异显著性检验，利用 Sigmaplot 12.5软件绘制图表。

2　结果与分析

2.1　秋季覆膜对休闲期土壤水分的影响

由图1可知，黄土高原中南部地区降水主要集中在春玉米生育后期，休闲期降雨量显著低于春玉米生长季(14.6%)，该时期气候干燥多风，地面蒸腾严重。

由表1可知，在农田休闲期，不同处理0～200 cm各土层土壤贮水消耗量表现出极显著差异，不覆膜处理土壤贮水消耗量最多，秋季全膜双垄沟最少。各处理0～40 cm土层的贮水消耗量最严重，0～100 cm和140～180 cm土层随土壤深度的增加，土壤贮水消耗量逐渐减少。100～140 cm和180～200 cm土层随土壤深度的增加，土壤贮水消耗量逐渐增加。休闲期AFF、ASF和CK各处理之间总耗水量存在极显著性差异(AFF

图1　2015-2016年休闲期和2016年春玉米生长季降雨分布情况Fig.1　Distribution of rainfall during 2015-2016 fallow period and 2016 growing seasons of spring maize

表1　休闲期不同处理对各土层土壤贮水消耗量的变化Table 1　Changes of response of different treatments to soil water consumption amount in fallow period

注：同列数字后的不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。下同。休闲期土壤贮水消耗量=秋季覆膜前土壤贮水量-播前土壤贮水量。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 levels .The same below.Soil water consumption amount at fallow period=Autumn pre-mulching moisture storage-Pre-sowing moisture storage.

2.2　春玉米不同生育阶段耗水规律

春玉米不同生育阶段耗水量主要是由棵间土壤蒸发和植株叶面蒸腾造成的，各处理在5个阶段的耗水量变化很大(表2)，出苗-拔节、抽雄-灌浆和灌浆-成熟约占总耗水量的78%～85%。播种-出苗阶段，AFF耗水量显著低于其他处理，使出苗期水分充足，出苗率提高。拔节-抽雄阶段，玉米生长加快，土壤耗水量增加，AFF显著高于其他处理。抽雄-灌浆阶段，各处理玉米生长发育旺盛，叶面积指数达到最大，高温使CK、SSF和ASF地面蒸发增强，总的耗水量显著高于AFF和SFF。

表2　不同处理下春玉米各个生育阶段耗水量及耗水模系数Table 2　Total consumption and consumption percentage at each growth stage of spring maize under different treatments

注：CA.耗水量；CP.耗水模系数(生育阶段耗水量/总耗水量) 。

Note:CA.Water consumption rate; CP.Water consumption percentage(water consumption rate at growth stage/ total water consumption rate).

日耗水强度表示单位时间内田间的耗水量，耗水量是指棵间蒸发、作物蒸腾和其他生理过程需水的总和。春玉米抽雄-灌浆阶段的日耗水强度与其他生育阶段差异较大，其他阶段之间差异不明显(图2)。秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)的整体呈单峰变化趋势，与其他处理谷峰变化趋势不同。播种-出苗阶段，地面蒸发是耗水量的主要来源，该阶段陆续降雨明显增加了其他4个处理的地面蒸发量，而秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)的蓄水、保水能力强，增加了土壤贮水量，使得出苗率高，幼苗健壮。出苗-拔节阶段，日耗水量仍以地面蒸发为主，虽然玉米苗的地面覆盖减弱了颗间蒸发，但该阶段大量雨水的无效蒸发使各处理日耗水量没有明显的下降趋势，且AFF处理的耗水量急剧上升。进入拔节期后，植株生长加快，各处理耗水量逐渐增大，AFF该阶段植株生长最快，耗水量最大，显著高于其他处理。抽雄-灌浆阶段，各处理耗水量强度达到峰值。灌浆开始后，玉米茎秆下部叶片开始变黄，掉落，绿叶减少，叶面蒸腾作用快速减弱，短时间的强降雨并不能增加耗水强度，各处理的日耗水量下降趋势很明显。

2.3　不同处理对春玉米不同生育时期0～200 cm土层土壤含水量变化动态的影响

土壤含水量主要受作物耗水和降雨的共同影响，适宜的含水量是作物正常生长的保障之一。试验结果(图3)表明，出苗期，0～80 cm土层间各处理土壤含水量表现为AFF> SFF>ASF>SSF>CK，AFF显著高于其他处理，各处理间差异随土壤深度的变化越来越小。80～200 cm土层土壤含水量各处理间差异不显著，变化趋势一致；拔节期，0～160 cm土层AFF处理土壤含水量一直保持最高，在20～60 cm、80～120 cm土层显著高于其他处理。SFF、SSF、ASF和CK在0～200 cm各土层间土壤含水量变化基本趋势一致，且处理间差异不显著;抽雄期和灌浆期，玉米植株生长加快，需水量大，AFF处理土壤含水量优势减弱。抽雄期各处理0～60 cm土层含水量差异不显著，60～200 cm土壤深层含水量各处理差异变化大。灌浆期，各处理整体变化趋势一致，AFF在0～80 cm土层土壤含水量相比其他处理存在一定优势，但80～200 cm土层优势逐渐减弱，这是由于AFF处理玉米生长最旺盛，根系对土壤深层水利用较多；成熟期短时间强降雨使土壤表层含水量急剧增加，全膜覆盖处理(SFF和AFF)土壤含水量相比半膜平铺和平地偏低，大大降低了植株倒伏率。经过2016-2017年秋、冬季休闲期的土壤水分的补给，2017年玉米播种前秋季全膜覆盖(AFF)的土壤含水量显著高于CK和播前覆膜处理。

图2　春玉米不同生育阶段日耗水量变化过程Fig.2　Variation of daily water consumption of spring maize during different growth stages

a.出苗期Seeding stage;b.拔节期Jointing stage;c.抽雄期Tasseling stage;d.灌浆期Filling stage;e.成熟期Mature period;f.2017年播前土壤含水量2017 pre-sow soil moisture content;横棒代表LSD值，P<0.05Horizontal bars represent LSD value at 0.05 level

图3春玉米不同生育期各处理0～200cm土层土壤含水量的动态变化
Fig.3Dynamicsofsoilwatercontentin0-200cmsoillayeratdifferentgrowthstagesofspringmaizeunderdifferenttreatments

2.4　不同处理对春玉米产量及水分利用效率的影响

各处理播种前2 m贮水量差异不显著，收获期2 m贮水量SFF最高，AFF最低，所以AFF耗水量最高，显著高于其他处理(表3)。各处理间水分利用效率差异表现为AFF>SFF>SSF>ASF>CK，AFF显著高于SSF、ASF、CK，与SFF差异不显著。但SFF与SSF、ASF两处理也表现出不显著差异，说明秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)更加有助于提高水分利用效率。在相同的田间管理条件下，各处理间的降水生产效率显著性差异表现为AFF>SFF>SSF>ASF>CK。相比之下，秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)能最有效的提高春玉米水分利用效率和降水保蓄和利用效率。

各处理春玉米产量以AFF最高(表4)，相比于CK、SSF、ASF分别显著提高了81.88%、34.01%、42.55%，虽然与SFF没有显著性差异，但仍然提高了20.60%，说明全膜覆盖有利于玉米产量的提高，覆膜时间越早效果越明显。AFF相比其他处理增产的原因主要是提高了百粒质量，比CK、ASF、SSF、AFF分别显著提高20.52%、18.98%、14.48%、12.17%。

表3　不同处理下春玉米的降水生产效率和水分利用效率Table 3　Rainfall productivity and water use efficiency of spring maize under different treatments

表4　不同处理下春玉米产量及产量构成因素Table 4　Grain yield and yield components of spring maize under different treatments

2.5　不同处理产量与水分利用效率的关系分析

图4中横坐标代表产量，纵坐标代表耗水量，各自平均值相交于一点，将坐标划分为4个象限，标出各处理对应位点。由图4可以看出，AFF和SFF属于高产高水分利用效率覆膜模式且AFF>SFF， SSF、ASF和CK属于低产低水分利用效率覆膜模式且SSF>ASF>CK。

图4　不同处理产量和水分利用效率二维图Fig.4　Two-dimensional graph of yield and water use efficiency of different treatments

3　讨 论

3.1　不同处理对春玉米各生育期耗水量和土壤贮水量的影响

休闲期覆膜既可以抑制土壤水分无效蒸发，又可以聚集降雨，增加土壤水分，本试验结果表明，休闲期秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)处理土壤水分蒸发量最少，较秋季半膜平铺(ASF)减少33.89%，较平地无覆盖(CK)处理减少53.82%。这与先前的研究结果一致，休闲期内覆膜可以减少土壤水分损耗[25]，增加播前的土壤水分含量，尤其是0～80 cm的土壤含水量，保证出苗率。有研究认为地膜覆盖作物产量的提高是建立在高耗水的基础上，覆膜处理会加剧土壤水分耗竭[19-20]，本试验结果发现，从全生育期来看，秋季全膜双垄沟(AFF)耗水量确实显著高于对照，但是发现其他覆膜处理没有加剧土壤水分消耗，SSF、ASF和SFF 3个处理耗水量显著低于CK。2016年收获季，秋季全膜双垄沟播模式0～200 cm各土层水分含量较低，但是经过下一个休闲期处理，土壤含水量从总量上得到了完全恢复，2017年播前，秋季全膜双垄沟播模式0～200 cm大多数土层水分含量显著高于平地处理。以上结果说明，在黄土高原中南部推广秋季全膜双垄沟播技术，可以实现土壤水分的可持续利用。

本试验结果表明播种-出苗阶段，AFF耗水量显著低于其他处理。拔节-抽雄阶段，AFF显著高于其他处理。而抽雄-灌浆阶段，CK、SSF和ASF的总耗水量显著高于AFF和SFF，主要原因是，全覆膜导致作物的生育期缩短，后期出现叶面积下降造成。但是，AFF在生育后期没有出现脱水现象，在灌浆期全覆膜各层次土壤水分没有显著下降。由此认为，在黄土高原中南部，采用秋季全膜双垄沟播可以减少休闲期水分的无效损耗，增加生育期各阶段土壤含水量。

3.2　不同处理对春玉米产量和水分利用效率的影响

已有研究结果表明，覆盖栽培相比露地种植明显增加土壤贮水量，改善作物的生长发育，提高水分利用效率，达到增产的目的[26-27]。地膜覆盖通过促进物质转移提高作物干物质积累量[28]。垄膜沟种模式通过改变土壤微环境蓄存降水，减少土壤水分无效蒸发，提高水分利用效率[29-31]。甘肃省旱作区大面积推广的全膜双垄沟播技术使玉米增产30%以上[13,32-33]。本试验获得相似的研究结果，覆膜模式下产量显著高于平地，从不同的模式来看，秋季全膜双垄沟覆盖(AFF)表现最好，产量达到14 263.04 kg·hm-2，显著高于CK、SSF、ASF 3个处理，分别增产81.88%、34.01%、42.55%，与播前全膜双垄沟覆盖(SFF)没有显著差异，但仍然提高20.60%。这和之前其他地区的研究结果一致，在甘肃，旱地玉米覆膜时间越早，增产效果越明显，全膜双垄沟秋季覆盖的产量比早春覆盖增产393.51 kg·hm-2，增幅达到8.37%；早春覆盖比播种前覆盖增产478.71 kg·hm-2，增幅达到11.34%[16]。秋季全膜产量较高的原因主要是，AFF处理在玉米生育前期土壤含水量相比其他处理一直保持最高优势，减少水分无效蒸发，为玉米快速生长期提供充足的水分保证，显著提高水分利用效率和降水生产效率，达到增产的目的。

4　结 论

在研究区域内覆膜时间提前对全膜双垄沟覆盖处理影响很显著，能最大限度地保蓄土壤水分，实现秋雨春用。秋季全膜双垄沟播是一种高产高水分利用的覆膜模式，可以显著提高黄土高原春玉米产量、水分利用效率和降水生产效率。为了挖掘该技术的增产潜力，需对秋季全膜双垄沟技术玉米播种密度进一步探讨研究，寻求该覆膜方式最佳的种植密度。

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