覆膜和灌水量对农田水热动态和制种玉米生长的影响

2018-08-31毛晓敏

农业机械学报 2018年8期

赵引毛晓敏段萌

(中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

0 引言

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米播种面积和产量占粮食作物的比例由1980年的17.13%和19.53%增加到2016年的32.53%和35.63%[1]。因此，确保玉米产量对维护我国粮食安全具有重要意义。地处我国西北干旱区的石羊河流域是制种玉米的重要生产基地，而该地区水资源匮乏，严重制约了当地农业的可持续发展，农业高效用水成为解决用水瓶颈、促进水资源可持续利用的关键。大量研究表明，地膜覆盖可以抑制土壤蒸发，增加土壤温度，促进作物生长、提高作物产量和水分利用效率[2-4]。农作物的灌溉制度是为满足作物生长需要且又获得一定产量而制定的适时、适量的灌水方案。不同的灌溉制度与地膜覆盖技术结合，可实现既满足作物生长需要、又达到节水和高产的目的[5-11]。研究表明，覆膜和调亏灌溉均可获得较高的玉米产量和水分利用效率[6, 9]。姬景红等[5]认为覆膜亏水灌溉在保证较高的玉米产量的同时，比不覆膜亏水灌溉和覆膜充分灌溉分别提高灌溉水利用效率2.7倍和2.5倍。王婵等[11]也得出相似的结论，认为全膜覆盖条件下适当的灌水量可提高制种玉米产量并获得较高的水分利用效率，产量除较全膜高灌水处理低7.4%外，较其他处理提高3.0%～68.7%，水分利用效率最高，提高8.9%～35.3%。于爱忠[7]提出相同覆膜方式下适当减少灌水量是提高玉米水分利用效率的有效途径。覆膜与灌溉制度耦合效应的这些研究中多采用传统大水漫灌的灌水方式，然而随着地膜覆盖技术的推广，膜下滴灌技术在我国的干旱和半干旱地区大面积应用。相关学者对膜下滴灌条件下的土壤水、盐、热动态[12]、土壤蒸发和作物蒸腾耗水及作物生长规律[13]等开展了一系列研究，但研究多集中于膜下滴灌条件下不同灌溉制度的对比，将不覆膜滴灌与膜下滴灌进行定量对比研究的报道较少。因此有必要在滴灌方式下，对覆膜与灌水量的耦合效应进行深入研究。本研究以石羊河流域制种玉米为研究对象，采用滴灌的灌水方式，比较覆膜和不同灌水量对农田水热动态变化以及作物生长的耦合影响，探索覆膜与节水灌溉的综合作用，以期为我国水资源高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年4—9月在甘肃省武威市中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站(北纬37°52′，东经102°52′，海拔1 581 m)进行。该站位于腾格里沙漠边缘，属于典型的大陆性温带干旱沙漠气候区。该地区多年平均降水量164 mm，多年平均蒸发量2 000 mm，多年平均气温8℃，全年无霜期150 d左右，日照时长3 000 h以上。该地区地下水埋深为40～50 m，试验地区0～100 cm土壤以粉砂壤土为主，土壤干容重1.53 g/cm3，田间持水率(体积)为32%。

1.2 试验设计

本试验供试制种玉米品种为甘鑫630。试验设置覆膜与水分2个因素，覆膜分别为完全覆膜(M1)与不覆膜(M0)2个水平，水分设置W1、W2、W3、W4和W5 5个水平，分别为当地传统灌溉定额的100%、85%、70%、55%和40%(当地传统灌溉定额为作物腾发量(ETc)减去有效降雨量，ETc为参考作物腾发量(ET0)与作物系数(Kc)相乘计算得到，ET0利用Penman-Monteith[14]公式计算，Kc参照文献[15])，共10个处理(小区)，每个小区面积为137.2 m2(长为24.5 m、宽为5.6 m)。完全覆膜处理的小区采用100 cm宽的透明塑料薄膜覆盖土壤，膜与膜间无缝隙并用土压盖。施肥按照当地经验，即播前施375 kg/hm2的磷酸二铵和375 kg/hm2的氮磷钾复合肥作为底肥，拔节期分3次施450 kg/hm2的尿素。父母本比例1∶6，母本于2017年4月24日播种，父本于2017年5月4日播种。播种方式为南北穴播，行距40 cm，株距25 cm。

为保证不覆膜小区玉米的出苗率，分别于4月26日和5月1日灌出苗水，而不覆膜小区在5月11日多灌一次出苗水。试验中采用滴灌的灌溉方式，滴灌带按“一管两行”布置，滴灌带间距为80 cm，滴头间距为30 cm，滴头流量为2.5 L/h。

1.3 试验监测指标与方法

1.3.1土壤水分和温度

土壤含水率：采用Trime-TDR时域反射仪测定土壤体积含水率，每个小区分别在行间各布置3个测点，测定深度1.6 m(本研究中仅采用了60 cm土层以上的土壤含水率)，测点垂向间距为20 cm，每隔7 d测定一次，灌水及降雨前后加测，并利用取土干燥法对测得值进行校正。

土壤温度：采用土壤温度记录仪(HZTJ1型)长期监测土壤温度。在M1W1、M0W1、M1W3、M0W3、M1M5和M0W5小区各布置一个测点，分别监测各测点地面以下10、20、40、80、120 cm深度处的土壤温度，每30 min自动记录一次数据，定期下载存储数据。

1.3.2作物生长发育进程、生理指标和产量

生长发育进程：从制种玉米播种开始观测玉米生长发育性状，记录各个生育阶段的日期。

株高和叶面积指数：各试验小区随机选定具有代表性的3株制种玉米植株(母本)，在生育期内每隔7 d用卷尺测量其株高及完全展开叶片的长度和最大宽度，以此推求其叶面积指数。具体计算公式为

S=Lbβ

(1)

A=∑S

(2)

LAI=A/B

(3)

式中S——单片叶面积，cm2

L——叶片长度，cm

b——叶片最大宽度，cm

β——折减系数，参照文献[16]，取0.74

A——单株叶面积，cm2

B——植株所占地表面积，cm2

LAI——叶面积指数，cm2/cm2

地上干物质累积量和产量：作物成熟后，选3株具有代表性的植株，从茎基部切断，获得完整的地上部，将其叶片、茎秆、果等器官装袋，置于105℃下杀青30 min，然后在85℃下干燥至恒质量，以考察干物质累积量。各试验小区随机选取一行制种玉米，连续取样10株，取样重复3次，测定其产量。

1.4 作物耗水量和水分利用效率

作物耗水量的计算采用水量平衡的方法。由于采用了滴灌(覆膜情况下为膜下滴灌)的节水灌溉方式，可忽略灌溉损失，认为灌溉入渗率为100%。对于降雨入渗，通过选取典型单次降雨前后土壤水的增加量与当次降雨量的比值来计算覆膜与不覆膜对降雨入渗的影响[17]，即

i=λ/P100%

(4)

其中

λ=∑(wj1-wj0)d

(5)

式中i——降雨入渗率，%

P——降雨量，mm

λ——降雨入渗量，mm

wj1——降雨后第j层土壤体积含水率，cm3/cm3

wj0——降雨前第j层土壤体积含水率，cm3/cm3

d——土层厚度，mm

耗水量采用水量平衡公式计算，即

ET=Q+I+ΔW

(6)

其中

Q=Pi

(7)

式中ET——时段内的耗水量，mm

Q——时段内降雨入渗量，mm

I——时段内灌溉量，mm

ΔW——时段初与时段末土壤贮水量变化，mm

水分利用效率(WUE)计算公式为

WUE=Y/ET

(8)

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——单位面积制种玉米产量，kg/hm2

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2016处理数据，制作图表，SPSS 20.0进行统计分析，并用Duncan新复极差检验法进行显著性分析(P<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 土壤水分动态变化规律

2.1.1覆膜对土壤水分消耗的影响

图1 不同处理0～60 cm土层贮水消耗量的变化 Fig.1 Changes of soil water storage consumption amounts in 0～60 cm soil layer under different treatments

图1a～1e为相同灌水条件下覆膜与不覆膜处理对0～60 cm土层贮水消耗量的影响，其中纵坐标60 cm土层贮水消耗量表示初始贮水量与当天贮水量的差值。在W1灌水条件下，覆膜处理土壤贮水消耗量较不覆膜少，这可能是因为W1充分灌水条件下，覆膜与不覆膜处理制种玉米生长状况均较旺盛，蒸腾作用相同，根系吸水消耗土壤中的水量相同，但覆膜可明显减少棵间蒸发，因此土壤贮水消耗量较不覆膜少。而在W2、W3、W4和W5灌水条件下，覆膜处理土壤贮水消耗量较不覆膜多，这可能是因为W2、W3、W4和W5条件下，灌水量少，土壤蒸发少，覆膜与不覆膜土壤蒸发无差异，但覆膜可阻滞降水入渗，增加土壤贮水的消耗。以2017年7月26日、27日(总降雨量为32.4 mm)的连续降雨为例，当降雨量为32.4 mm时，根据式(4)、(5)得到的覆膜处理降雨入渗百分比为37.7%、不覆膜达48.6%，覆膜较不覆膜降低22.4%，因此导致7月下旬不覆膜处理土壤贮水消耗量明显降低。另外，在非充分灌水条件下覆膜促进制种玉米生长，根系吸水较多，也会使覆膜贮水消耗量增加。这一研究结果与大多数的研究[18-19]类似，土壤贮水量在生育前期主要受土壤蒸发的影响[20]，覆膜抑制土壤与大气之间的水分交换，减少土壤蒸发[21-23]。随着作物植株冠层不断壮大，蒸腾作用占主导地位，覆膜作物蒸腾作用较强，耗水较多。土壤贮水量还与降雨量有关，覆膜可减少降雨量下渗，降低土壤含水量[17, 24-25]。

2.1.2灌水量对土壤水分消耗的影响

图1f表示不同灌水处理下初始与收获期0～60 cm土层贮水量的差值。整体上看，土壤贮水消耗量随着灌水量的减小而增多。当灌水量较少，不能满足作物生长需求时，会加大对土壤水分的消耗。在整个生育期内，覆膜处理W2、W3、W4和W5分别较W1多消耗土壤水分67.5%、135.3%、191.9%和116.0%，不覆膜处理则分别多消耗1.5%、58.6%、35.6%和64.5%。从图中还可以看出，除W4处理外，覆膜处理贮水消耗量较不覆膜少，这与图1b～1e的结果似乎矛盾，主要原因是图1b～1e显示的是贮水量消耗的过程。尽管在过程中贮水量的消耗一般呈现出覆膜较不覆膜的多，但最后接近成熟期时，由于覆膜制种玉米提前成熟，所以后期耗水明显减少，显示在图1f上反而表现出了覆膜较不覆膜少的特征。

2.2 土壤温度动态变化规律

太阳辐射和地表覆盖物是影响表层土壤温度的主要因素。整体上看，土壤温度随着生育期的推进呈现先增加后减小的趋势。从播种到7月下旬，气温升高，降雨少，土壤增温快。7月下旬之后，气温降低，降雨多，土壤温度降低。通过对土壤温度动态变化的分析，发现不同灌水处理下的温度变化趋势基本一致。由于篇幅所限，此处以灌水量处于适中水平的W3处理为例，分析覆膜与不覆膜的日均温差以及M1W3处理土层不同深度处的土壤温度在整个生育期的变化规律。

2.2.1不同土层深度处覆膜与不覆膜温差随生育期的变化

图2为不同土层深度覆膜与不覆膜之间每日日平均温度的差值随生育期的变化规律。可以看出，在7月初之前，由于植株矮小，作物叶面积指数小，遮阴作用较小，塑料薄膜的透光率很高，地膜覆盖能把太阳能转化的热能汇集在土壤中，使覆膜处理的土壤温度显著高于不覆膜处理，10 cm深处提高了22.4%。许多研究者[26-28]得出了一致的结论，认为在作物生长前期，塑料薄膜接收太阳辐射能量，会显著增加土壤温度。地膜对地温的影响与土层深度有关，土层越深，覆膜与不覆膜处理之间的温差越小，10、20、40、80、120 cm深度土层的平均温差分别为1.6、2.0、1.3、1.1、0.3℃。到达7月，覆膜处理的玉米叶面积指数升高(达5.5 cm2/cm2左右)，冠层遮光作用大于不覆膜处理，且由于地膜遭到破损，覆膜与不覆膜处理的土壤温度比较接近，两者差异不显著[25]，温差在0℃波动，ZHANG等[28]也得出了类似的结论，认为是由于较高的土壤水分降低了土壤温度。可见地膜的保温作用主要表现在生育前期，生育后期保温作用减弱，甚至出现了不覆膜处理的地温高于覆膜处理的现象。但也有研究表明[24, 29]，地膜在整个生育期保温效果都比较明显。

图2 不同土层深度覆膜与不覆膜日均温差的变化 Fig.2 Changes of mean daily temperature for treatments with mulching and non-mulching in different soil layers

2.2.2不同土层深度处地温随生育期的变化

图3为不同土层深度处地温在整个生育期的变化情况。土壤温度随着土层深度的增加而减小，且这种差异随着生育期的进展逐渐减弱。可以看出，40 cm以上土层的土壤温度较高，且温差不大，而80 cm和120 cm深度土壤温度较低，与40 cm以上土层相比温差相差较为明显，其中，10 cm深处的地温曲线与20 cm深处的基本重合，这可能是因为浅层土壤温度受外界条件波动较大，产生监测误差导致。20 cm深处的平均地温比40 cm增加了4.8%。而40 cm深处的平均地温比80 cm增加了11.9%，80 cm深处的平均地温比120 cm增加了12.1%。到达灌浆期，不同土层深度温度差异又逐渐减弱。

图3 M1W3处理不同土层深度处地温的变化 Fig.3 Changes of soil temperature in different soil layers in M1W3

此外，土温的波动幅度也随深度的增加而减弱。这是由于土壤温度的波动变化主要与大气温度、灌水和降雨有关，土层越深，受到大气温度、灌水和降雨的影响越小，波动幅度越小。

2.3 制种玉米发育进程

耕层土壤温度是影响制种玉米生育期长短和生育进程的主要因素[9]。覆膜明显增高生育前期土壤温度，使制种玉米生育进程加快，缩短生育期。表1表明，覆膜制种玉米出苗较不覆膜提前7 d，拔节早7 d，抽穗、灌浆和成熟分别早10、14、17 d。覆膜制种玉米生育期达137 d，较不覆膜缩短14 d。王罕博等[4]研究表明，覆膜可使玉米全生育期缩短11 d，各个生育阶段平均提前7 d。申丽霞等[30]认为，覆膜玉米出苗、拔节、抽穗和灌浆较不覆膜分别早4、6、10、10 d，全生育期缩短12 d。这与本研究结果相似。

表1 制种玉米生育期划分 Tab.1 Partition of growth period of seed-maize

2.4 覆膜和灌水量对制种玉米株高的影响

图4为各处理下制种玉米植株株高的变化。可以看出，制种玉米株高在覆膜与不覆膜处理下大体随生育期的进展呈现相同的变化趋势，即从苗期开始，制种玉米株高增长迅速，到达抽穗期，株高趋于稳定。覆膜制种玉米的株高在苗期增长速率为2.19～2.65 cm/d，拔节期为2.71～3.27 cm/d，而不覆膜处理制种玉米的株高在苗期增长速率为1.40～1.65 cm/d，拔节期为1.80～2.48 cm/d，因此覆膜处理植株株高普遍高于不覆膜，并且提前7～10 d达到最大株高。这是由于生育前期覆膜处理有较高的土壤温度[2,31]。在W1和W3灌水条件下，覆膜与不覆膜的植株最大株高基本相同，而W2、W4和W5灌水条件下覆膜处理较不覆膜分别提高了6.5%、13.5%和10.0%。

图4 覆膜和不覆膜处理不同灌水条件下制种玉米株高的变化 Fig.4 Changes of seed-maize plant height for different irrigation treatments under mulching and non-mulching

拔节期之前，制种玉米植株较小，对水分的需求量也相对较小，各处理的株高长势状况基本没有差异，水分对玉米植株株高基本没有影响。随着植株的生长，植株对水分的需求增加。到达抽穗期，营养生长基本停止而转向生殖生长，作物株高趋于稳定，不同灌水条件下株高有了明显的差异，高水能够及时满足植株对水分的需求。灌水量越大，制种玉米株高越高[32-33]，覆膜处理W1、W2灌水条件下制种玉米的株高为161 cm左右，说明在覆膜条件下，W2灌水处理对制种玉米的株高并无明显的影响，可以保证作物的良好生长；W3、W4和W5灌水条件下，制种玉米株高显著降低，为147 cm左右，降低了8.6%，与W1、W2处理相差14 cm。而在不覆膜条件下， W1、W2、W3、W4和W5灌水条件下的株高分别为161、152、148、129、134 cm，W1、W2与W4、W5之间具有显著性差异(P<0.05)，作物株高最大相差27 cm左右，比覆膜处理高13 cm。这说明高灌水条件下，覆膜不覆膜对作物株高没有明显影响，而在非充分灌水条件下，覆膜有利于达到较高的株高水平。这说明地膜减弱了灌水量对株高的影响。

2.5 覆膜和灌水量对制种玉米叶面积指数的影响

图5 覆膜和不覆膜处理不同灌水条件下制种玉米叶面积指数(LAI)的变化 Fig.5 Changes of seed-maize leaf area index for different irrigation treatments under mulching and non-mulching

图5为各处理制种玉米叶面积指数的变化情况。总体来说，覆膜与不覆膜处理下制种玉米的叶面积指数随生育期的变化趋势一致，即在苗期植株矮小，植株间竞争小，各水分处理叶面积指数差异很小，叶面积指数缓慢增长。到达拔节期，制种玉米叶面积指数增长迅速，达到0.15 cm2/(cm2·d)左右，在抽穗期，由于植株迅速增长，植株间竞争性强，水分对叶片的干枯有较大影响，因此各水分处理条件下叶面积指数有了明显的差异，除M1W1处理叶面积指数有所增加外，其余处理叶面积指数均有不同程度的降低。进入灌浆期后，根部叶片干枯脱落，叶面积指数开始大幅度下降。

覆膜比不覆膜生育期提前，在苗期和拔节期，覆膜处理叶面积指数始终高于不覆膜。覆膜处理抽穗期干叶片数开始增多，叶面积指数下降，但不覆膜处理叶面积指数达最大，导致覆膜低于不覆膜处理，并且W2和W4灌水条件下，覆膜与不覆膜叶面积指数峰值基本相同，而W1、W3和W5灌水条件下，覆膜较不覆膜叶面积指数峰值高，分别高7.6%、3.8%和8.6%。W1、W2、W3、W4和W5灌水条件下，覆膜玉米叶面积指数平均值比不覆膜分别提高了28.3%、20.2%、40.6%、12.7%和42.8%。王罕博等[4]认为叶面积指数在播种一个月后覆膜较露地处理高110.2%，李文彪等[34]认为覆膜玉米的叶面积指数平均值比露地提高40%，这些结果与本文相似。

不同水分处理条件下，W1处理的叶面积指数明显高于其他处理，在覆膜条件下，W2与W4处理叶面积指数比较接近，而W3与W5较接近，W3和W5的叶面积指数明显高于W2和W4。不覆膜条件下则表现为W2和W4高于W3和W5。可见，水分对制种玉米叶面积指数的影响较大[35]。

2.6 覆膜和灌水量对制种玉米最终干物质累积量和产量的影响

由表2可知，相同灌水条件下，覆膜处理制种玉米的干物质累积量和产量均高于不覆膜处理。W1、W2、W3、W4和W5处理覆膜比不覆膜最终干物质累积量分别提高了46.5%、30.0%、31.0%、31.5%和20.4%，W1、W2处理下覆膜与不覆膜差异显著(P<0.05)。这一结论与王罕博等[4]的结论相似，其研究结果表明，到8月后覆膜较不覆膜地上干物质量高14.8%～20.7%。BU等[24]两年的研究结果表明，与不覆膜处理的最终干物质累积量相比，覆膜平均提高了25.8%。杨长刚等[36]则认为覆膜可提高小麦干物质累积量67.7%。

在W1和W3灌水条件下，覆膜比不覆膜显著增产(P<0.05)，增产率分别达44.6%和33.1%。

表2 制种玉米最终干物质累积量和产量 Tab.2 Total dry biomass and yield of seed-maize

注：表中同一列数字后的不同字母表示在0.05水平下差异显著。

而在W2、W4和W5灌水条件下，覆膜与不覆膜产量增产不显著，增产率分别为24.8%、24.5%和6.5%。覆膜可以提高作物产量，这一结果与前人的研究相似[4,24,37-39]。但也有研究表明覆膜会使作物减产，刘胜尧等[25]认为覆膜不利于降水入渗而导致水渍，使玉米产量减少5.0%。

可以看出，在覆膜条件下，干物质累积量和产量基本随着灌水量的增加而增多。这与LI等[35]的研究结果类似。W1处理干物质累积量和产量与W4和W5具有显著性差异(P<0.05)，W1干物质累积量和产量较W4和W5平均值分别提高了34.2%和28%。W3处理的产量高于W2，且与W1处理无显著性差异。在不覆膜条件下，各灌水处理之间干物质累积量和产量均无显著性差异。M0W1处理的产量偏低，而M0W5处理偏高，这是因为在制种玉米收获季节，其他水分处理尚未完全成熟，只有M0W5处理籽粒已达最大。M0W1处理整个生育期内土壤贮水消耗多，60 cm土层贮水量较低，导致产量较低。而肖俊夫等[40]认为高水分处理减产的原因是高水分条件下存在奢侈性耗水，导致作物减产，降低水分生产效率。

2.7 覆膜和灌水量对生育期内总耗水量的影响

如图6所示，在相同的灌水条件下，覆膜耗水量低于不覆膜，W1、W2、W3、W4和W5灌水量下分别低3.9%、1.8%、4.6%、3.3%和8.9%。这与多数研究结果一致[4,41-43]，在小麦、马铃薯的研究[44]中也有相似的结论。但也有研究表明，覆膜可增加生育期内作物耗水量，李尚中等[45]认为覆膜对耗水量的增加不明显，只增加了5.0%，谢军红等[46]认为地膜覆盖使耗水量增加10.0%～20.8%，杨长刚等[36]则认为可增加34%左右。这可能与土壤初始含水率有关。

图6 覆膜和不覆膜不同灌水条件下生育期内的总耗水量 Fig.6 Total water consumption during growth period for different irrigation treatments under mulching and non-mulching

灌水量对作物耗水量的影响较大，耗水量随着灌水量的增加而增加。覆膜条件下，W2、W3、W4和W5作物耗水量分别为377.9、345.8、308.2、245.0 mm，与W1的428.1 mm相比，分别减少了11.7%、19.2%、28.0%和42.8%。不覆膜条件下，W2、W3、W4和W5作物耗水量分别为384.9、362.6、318.9、369.1 mm，与W1的445.2 mm相比，作物耗水量分别减少了13.6%、18.5%、28.4%和39.6%。

2.8 覆膜和灌水量对水分利用效率的影响

水分利用效率是作物高效用水的重要指标，节水灌溉的关键在于提高水分利用效率，保障作物常年可持续生产。覆膜提高了作物产量，降低了作物耗水，因此在相同灌水条件下，覆膜处理可提高水分利用效率，W1、W2、W3、W4和W5分别提高50.4%、27.1%、39.6%、28.8%和16.9%(图7)。这与多数研究结果一致[4,24,36-37]。

图7 各灌水处理不同覆膜方式下的水分利用效率 Fig.7 Water use efficiency under different irrigation treatments with different mulching patterns

可以看出灌水量对水分利用效率的影响较大。覆膜处理下，W5相比W1可提高38.0%，W3可提高17.6%，W2和W4与W1的水分利用效率基本无变化。在不覆膜处理下，W5比W1提高77.4%，W2、W3和W4处理的水分利用效率基本相同，相比W1提高了25.2%左右。可见，水分利用效率大体上随着灌水量的增加而降低。