覆膜策略调节旱地玉米应对冰雹灾害的差异性研究

王小林，张 雄，朱晓晓

(榆林学院 生命科学学院，陕西 榆林 719000)

1 引 言

我国干旱半干旱区域农田约占全国总耕地面积的51%，自然降水是干旱半干旱作物区主要水分来源，水分匮乏是旱作区农业生产发展和生态环境的建设的主要障碍因素[1]。在黄土高原地区，主要降水多以雷雨形式集中发生在7～9月份，很容易因为降雨而产生小量的地表径流，造成土壤养分的流失，在该地区保水相当于保肥[2]。Oktem[3]和Lawes[4]在多年的研究中表明，在干旱半干旱地区作物的产量主要受到季节性自然降水的影响。

玉米是我国干旱半干旱地区的主要作物，作物生长期间水资源严重失调，导致作物生产起伏不定[5]。覆膜栽培可有效节约水资源，具有增加土壤温度，提高土壤的保水能力，减少地面水分的自然蒸发，同时促进小量降雨有效入渗到土壤。李吾强[6]研究表明，覆膜时间越久，土壤中的养分含量越高。董加贵等[7]又进一步指出，覆盖地膜可以保证20cm的耕层土壤土质疏松。想要改变陕北地区玉米种植状态，主要途径是提高栽培技术对自然降水的聚集能力，提高农田系统对自然降水的利用效率[8]。现有的覆膜耕作方式是多种多样，参差不齐。黄土旱区全膜双垄沟播栽培技术增产效益最优，增产幅度高达20%以上[9-10]。宋秉海[11]研究认为地膜覆盖在丰水及干旱年份增产作用表现出较大差异。在降雨量处于250～500mm之间的干旱半干旱农业区，农业发展的根本途径就是提高自然降水的蓄集和利用效率[12]。地膜覆盖技术通过调节土壤的水分和温度，保障根系功能的正常发挥，有效提高作物产量[13-14]。覆膜方式具有调节土壤环境，阻止杂草生长，减少土壤板结和土壤侵蚀等作用，这些作用都有利作物生长和发育，从而促进作物对养分和水分的吸收[15]。综上所述可知，地膜覆盖栽培技术在干旱半干旱种植地区是有效提高作物产量的农业技术，能够有效的聚集自然降水，减少地面的无效蒸发，最大限度的蓄积土壤水分[16]，是干旱半干旱地区农作物高产栽培技术的重大突破，地膜覆盖技术在旱作区的研究更加具有重大意义。

气候变化带来的不可预期的自然灾害在黄土旱区频繁发生。因为灾害天气的突发性和不可预测性，近些年，其对于旱区农业生产和增产稳产造成了严重的影响。陕北黄土旱区6、7月份是冰雹等突发性气候灾害频发期[17]。此时，玉米正处于大喇叭口期向抽雄期过渡，由于地膜覆盖栽培技术提升土壤内部的微生物的活跃程度[18]，显著改良土壤内在环境[19]，有利于玉米根系吸水和地上部生长发育，将玉米生育期提前并延长玉米生殖生长，加快作物生长发育的进程便于籽粒灌浆[20]。无疑是夯实了作物产量提升的基础。但覆膜玉米生育期提前，尤其是生殖生长期提前受冰雹灾害的影响越大[21-22]。因此，深入探讨不同覆膜方式对于突发性灾害气候的适应性，明确覆膜方式在缓解气候灾害上的具体原理具有现实意义。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

2017年，在榆林市横山区邵小滩村 (北纬36°57′～39°35′东经107°28′～111°15′)开展覆膜对比田间试验。试验地位于典型干旱半干旱农牧交错地带，光照充足，年均气温8.6℃，平均海拔1250m，年均降雨量397.8mm，无霜期大约是146d[23]，气候以寒温为主。80%降雨量集中在7～9月，月份间降雨量严重分布不均。暴雨、冰雹等突发自然灾害时有发生，对作物生长发育及产量形成具有显著影响[24]。本试验在2017年7月16日遭受持续30分钟的较强冰雹灾害，为了避免遭受因土壤板结而带来的二次伤害，灾后只对试验区进行简单的松土处理。

2.2试验设计

表1 2017年玉米覆膜栽培田间试验设计

注：表中I、II、III表示处理的3次重复。

试验玉米品种为延科288号；地膜为常用白色地膜和黑色地膜，厚度为0.05mm。试验设置4个覆盖处理：白膜膜际栽培(BM)、黑膜膜际栽培(HM)、白色全膜垄沟播种(QM)和露地种植(CK)，3次重复，采用随机区组试验设计(表1)。垄宽为60 cm，垄高10 cm，用80cm宽的白色地膜覆盖垄面，以行距70 cm，株距为29 cm将玉米种植在垄的两侧5-8cm处。播种前进行土地平整的处理，小区面积是4m×15m = 60m2，处理间留有过道和保护行。于2017年5月10日人工进行玉米播种和地膜覆盖，10月2日收获测产。玉米全生育期内无灌溉处理。

2.3 测定指标与方法

2.3.1 苗期和拔节期土壤水分的测定

分别用土钻法取出深度为20cm、40cm、60cm、80cm、100cm处的土壤样品，放置105℃恒温箱中烘烤12 h，直至土壤质量恒定，利用烘干法计算土壤质量含水量：

式中：W1烘干前铝盒和土样质量(g)；W2烘干后铝盒和土样质量(g)；W3空铝盒的质量(g)。

2.3.2 拔节期株高和茎粗的测定

每个小区随机选取具有代表性的植株10株，测量地面茎部到顶端的长度，用游标卡尺测定地上5cm处植株直径。

2.3.3 产量测定

在玉米收获时，每个小区都进行单独收获，同时测定产量指标穗长、穗粗、穗粒数、百粒重及小区产量。在每个试验小区随机选取10株果穗，分别测量穗长(cm)、穗中间直径(cm)； 10株玉米穗手工脱粒，记录穗粒数。籽粒晾干，随机选取100粒进行称重，重复4次；小区玉米籽粒样品，风干至含水量在13～15%之间，直接称重，计为小区产量并折算单位面积产量。

2.4 数据处理与分析

试验数据和图表的处理使用Excel和SPSS 23.0，采用SPSS进行多重比较(LSD)法和0.05水平单因素ANOVA分析。

3 结果与分析

3.1 覆膜策略对玉米苗期到拔节期土壤蓄水量变化的影响

在不同的覆膜策略下，随着土壤深度(0～100cm)的不断加深，土壤蓄水量不断降低，100cm处逐渐回升。其中QM土壤储水量较CK增幅明显(图1)。在土壤深度为40～80cm时，覆膜策略的蓄水能力较露地优势明显。QM处理在同一深度下土壤的蓄水量增幅均高于其他三个处理，地膜覆盖可有效增加土壤中层蓄水， QM较BM和HM作用更加明显。

图1覆膜策略对玉米苗期和拔节期土壤水分变化的影响

3.2 玉米拔节期的株高和茎粗对覆膜策略的响应

图2玉米拔节期的株高和茎粗对覆膜策略的响应

注：图中不相同小写字母分布表示株高、茎粗的显著差异(a=0.05)。

玉米拔节期株高和茎粗对覆膜方式的响应具有同步性(图2)。QM对株高的效果影响最为显著，平均株高达到73.92cm，较CK增加19.7%。HM和BM对株高的影响仅次于QM，较CK增加6.9%～8.84%。玉米拔节期茎粗对QM响应最为显著，平均茎粗达到28.45mm，较CK增加35.54%。玉米拔节期茎粗对BM和HM的响应基本一致，实现增幅18.7%～20.4%，且株高和茎粗在不同覆膜策略下呈显著正相关关系(R2=0.95)。

3.3 覆膜策略对旱地沙土玉米穗长和穗粗的影响

图3覆膜在对旱地沙土玉米的穗长和穗粗的影响

冰雹灾害后，覆膜策略对玉米穗长和穗粗的影响呈现出巨大差异(图3)。BM处理穗长显著增加；HM和QM穗粗显著减小。冰雹灾害后，覆膜策略增加穗长0.2%～3.4%，BM处理穗长增长最为显著， QM显著降低穗粗。

3.4 覆膜策略对沙土玉米穗粒数、百粒重和产量的影响

表2覆膜策略对旱地沙土玉米穗粒数及百粒重的影响

覆膜策略穗粒数(个)百粒重(g)CK615.3±58.0a42.5±5.9abBM613.1±63.2a43.0±3.8aHM610.1±68.9a39.7±4.9bQM609.7±56.7a40.6±4.3ab

注：表中每列数据后不同字母表示具有显著性差异(a = 0.05)。

图4不同覆膜方式玉米产量对冰雹灾害的响应

注：柱状图中不同字母表示处理间在a =0.05水平的显著性差异。

冰雹灾害后，覆膜策略下穗粒数和百粒重都有所降低(表2)，HM和QM降低幅度最大；HM和QM与对照试验组的平均穗粒数差别较大，标准差分别为3.54和4.24。平均百粒重各处理都低于CK，其中BM降幅最小，QM降幅最大。覆膜覆盖处理下，冰雹灾害显著降低了玉米的产量，不同覆膜策略玉米产量降低幅度截然不同(图4)。QM产量较CK每公顷产量减少19.6%。HM产量降幅14.0%，而BM产量降低8.3%。

4 讨论与结论

4.1 讨论

在干旱半干旱地区，地膜覆盖技术得到了广泛的应用，并已成为重要的农业增产技术手段[25]。大量研究表明，覆膜方式可以改变田间小气候，改良土壤的理化性状和养分状况，加速营养物质的积累和转化，从而有利于提高作物产量指标[26]。地膜覆盖可以促进玉米根系对土壤养分的吸收，致使营养物质能够更多的输送到籽粒中，以达到增加穗粗、穗长和百粒重产量指标[27]。本试验结果显示：在冰雹灾害影响下，覆膜方式对于穗粗和穗长具有不同程度的影响，全膜覆盖显著增加茎粗，而膜际栽培显著提升穗长(图3)，可能原因是覆膜策略对于植株叶片的恢复生长具有不同的影响。再者，营养生长期，全膜覆盖策略具有显著的需水、保水作用，通过减少地表矿质水分的大量蒸发，利于充分集纳雨水和根系生长发育(图1)，从而使得玉米营养生长期发育迅速，为玉米的高产奠定一定的生物学基础。前期良好生长为后期籽粒灌浆和生物质转移积累提供了充足的碳水化合物[28]，同时也为冰雹灾害的负面影响埋下了生物学祸根[29]。遭受雹灾后，首先玉米叶片受到损伤，损伤组织再生过程缓慢且取决于受损程度的大小；冰雹灾害后，影响玉米减产程度的主要因素为受灾程度和所处生育期，减产幅度大概为 5% ～ 85%之间；不同生育期遭遇冰雹灾害后减产幅度不尽相同，拔节期减产幅度在 10%～30%，大喇叭口期减产幅度在 40%～70%，抽雄期减产幅度最大一般在50%～80%，甚至绝产，乳熟期减产幅度 20%～50%；蜡熟期减产幅度 10%～15%[30]。由此可以得出：抽雄期是玉米产量形成的转折点。本试验冰雹发生在初夏7月份中旬，玉米正处抽雄初期，全膜覆盖已进入抽雄期，可以预测出其产量可能会受到较大程度的影响(图5)。

图5 不同覆膜策略下玉米冰雹受害程度对比

王俊鹏研究表明：全膜双垄沟播栽培技术能够显著增加株高16.9%～27.2%，穗重40.7%～78.0%和百粒重23.4%～24.2%，根长增加20.86%，干物质积累量增加27.4%，光合产物提高56.1%。半膜双垄沟播、半膜平覆穴播较露地穴播均显著增加玉米穗长、成穗数、穗粒数和千粒重，从而提高玉米籽粒。本研究结果显示：覆膜栽培可有效增加玉米植株的茎粗、株高和生物量，且全膜覆盖可显著提前玉米生育期(图2)。冰雹灾害后，不同覆膜策略下穗长和穗粗的恢复模式不同，导致最终产量出现较大差异。本试验在2017年7月份遭受冰雹灾害，导致不同覆膜处理下玉米产量呈现不同程度的减产(图4)。雹灾后，不同覆膜处理玉米穗长有明显增加，其中白膜膜际栽培显著增加；全膜覆盖处理穗粗显著降低，覆膜策略对玉米产量性状影响效果极为显著各有不同。遭受冰雹灾害后，地膜覆盖玉米产量都低于对照8.3%～19.6%，其中全膜覆盖处理每公顷平均产量最低，减产现象最为严重。归纳其原因：在玉米的抽雄期前后，植株处于营养生长阶段向生殖生长阶段的过渡，植株整体功能处于高效工作状态，抗干扰能力较差，后期恢复能力较差。由此可知，全膜覆盖处理前期水分含量较高，玉米根系发育更加迅速根系功能强大，玉米提前进入抽雄期，因此对于产量的影响最大。由于自然灾害的不确定性使得作物不同覆膜处理的作物抵御自然灾害方面的研究仍需深入和全面展开。

4.2 结论

地膜覆盖玉米前期生长迅速，生育期提前可能会降低植株对于突发气候灾害的适应和恢复能力，尤其是在抽雄期前后；覆膜方式对于玉米形态发育具有不同程度的影响，茎粗和株高呈正相关关系；在遭受自然冰雹灾害的情况下，不同覆膜策略下玉米穗长和穗粗具有不同的恢复补偿策略；冰雹灾害降低了玉米穗粒数和百粒重，最终造成籽粒产量的显著降低，但白膜膜际栽培在应对冰雹灾害的负面减产效应时，缓冲能力和生物补偿效果明显(91.7%)，在陕北旱区突发性气候灾害条件下，具有抵抗减产风险的能力，值得后期生产和科学研究的重视。