不同颜色地膜覆盖对寒旱区春玉米土壤水温状况及产量的影响

闫静琦,武佳颖,蒋傲男,赵海超,卢海博,黄智鸿

(1.河北北方学院 农林科技学院，河北 张家口 075000；2.河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室，河北 张家口 075000)

冀西北地区是典型的寒旱区，年降雨量少而集中，有效积温低，春季冷害频发，水资源短缺及低温是制约该地区春玉米产量的关键因素。春玉米覆膜栽培技术是玉米生产中的重要措施，通过此栽培技术，提高水资源的利用效率，显著增加春玉米的产量，极大促进了中国旱作农业的快速发展[1]。L.M Zhou和C.A.Liu[2-3]等研究表明，地膜覆盖可以聚集雨水并进行调节与分配，有效控制土壤水分蒸发，提高降水利用率，促进干旱、半干旱地区作物高产。不同颜色的地膜覆盖对土壤水热状况产生的影响不同，张永明等[4]认为地膜覆盖可显著增加0～15 cm土层土壤温度。J.R.Schmidt[5]、J.Fariaslarios[6]通过研究覆盖不同颜色的地膜对农田土壤温度的影响，结果表明，白色地膜比黑色地膜对土壤的热积累效果更好。近年研究中，白色地膜出现较多使玉米早衰的现象，但白色地膜增温效果优于黑色地膜，虽然黑色地膜增温效果缓慢但可以抑制杂草的生长，且黑色地膜比白色地膜降低白天的平均温度效果佳。李玉玲等[7]研究发现，覆膜处理比不覆膜处理的水分利用效率和产量有所提高，其中，垄膜沟播双行种植的增产幅度最大，达43.7%，而全膜双垄沟、垄膜沟播单行种植处理的水分利用效率达到最高。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

图1 春玉米生育期气候条件

试验于2018-2019年4月至9月在河北省张家口市宣化区沙岭子镇张家口市农业科学院试验基地(114°55′E，40°40′N)进行。该试验区属温带半干旱大陆性季风气候，年降雨量350～450 mm，主要集中在7-8月，年平均日照时数2 800～3 300 h，年平均气温8.9 ℃，生育期内≥10 ℃有效积温为2 715.8 ℃，无霜期130～150 d。播前0～20 cm土层养分含量为总氮0.70 mg·kg-1、总磷0.63 mg·kg-1、氨氮6.58 mg·kg-1、有机质17.60 g·kg-1、容重0.83 g·cm-3。试验期间降雨量及温度情况如图1所示。

1.2 供试材料与试验设计

供试品种：玉丰613。试验采用随机区组设计，设以下3个处理，分别为黑色膜(HM)、白色膜(BM)、不覆膜(CK)。所有处理采用平垄覆膜，膜厚0.008 mm。按照行距45 cm∶55 cm大小行种植，株距35 cm，70 500株/hm2。玉米施用肥料为新洋丰肥业的硫酸钾复合肥，N-P2O5-K2O比例为18-12-15，施用量为600 kg·hm-2。其他田间管理按常规进行。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤水分含量

在春玉米各生育时期，用土壤分层取样器钻取0～100 cm土层土壤，每20 cm取一个土样装在铝盒中，采用烘干法测定[9]。

土壤含水量:W(%)=(P1-P2)/(P2-P)*100%

W为土壤含水量(%)，P1为土壤鲜质量和铝盒质量(g)，P2为土壤干质量和铝盒质量(g)，P为铝盒质量(g)。

1.3.2 土壤温度

使用曲管地温计在各时期7:30、8:50、9:50内分别测定各个覆膜处理下地表层(0 cm)、5、10、15、20 cm处土壤温度，每个覆膜处理重复3次测温，取其平均值计算春玉米各生育期不同覆膜处理地表及不同土层的温度。

1.3.3 产量及其构成因素

玉米收获期，每个处理连续选取25株测定产量[10]，覆膜处理选随机选取10个果穗留作室内考种，测量其穗质量、穗长、穗粗、秃尖长、千粒质量、穗行数、行粒数。对春玉米地进行测产，测定增产率。增产率=(覆膜处理产量-CK处理产量)/CK产量*100%。

1.3.4 水温利用效率

土壤贮水量：W=h×a×b×10/100

式中：W为土壤贮水量(mm)；h为土层深度(cm)；a为土壤容质量(g·cm-3)；b为土壤含水量。

全生育期耗水量：ET=I±P0±(W0-Wt)

式中：ET为全生育期耗水量(mm)；I为作物生育期内灌溉总量；P0为生育期内有效降雨量；W0为生育阶段初期的土壤贮水量；Wt为生育阶段末期的土壤贮水量。

水分利用效率：WUE=Y/ET*100%[11]

式中：WUE(kg·hm-2·mm-1)为水分利用效率；Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)；ET为全生育期田间耗水量(mm)。

温度利用效率=Y/ET温*100%

温度利用效率计算，根据水分利用效率公式进行转换，Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)；ET温为全生育期有效积温(℃)。

1.4 数据处理与分析

利用WPS 2019制作表格与绘图，利用SPSS 22.0进行方差分析。试验数据为2018-2019年平均值。

2 结果与分析

2.1 不同颜色地膜各生育期0～100 cm土壤含水量

图2 不同颜色地膜各生育期0～100 cm土壤含水量变化

不同颜色地膜各生育期0～100 cm土壤含水量变化如图2所示，苗期不同地膜类型土壤含水率在17.21%～19.71%，大小顺序为：HM(黑膜)>BM(白膜)>CK(不覆膜)，HM处理较CK显著提高2.5%；拔节期不同地膜类型土壤含水率在15.33%～18.41%，大小顺序为：HM>BM>CK，HM和BM处理较CK分别显著提高3.08%、2.62%；散粉期不同地膜类型土壤含水率在14.89%～16.49%，大小顺序为：BM>HM>CK，各覆膜处理之间没有显著性差异；灌浆期不同地膜类型土壤含水率在17.33%～19.47%，大小顺序为：BM>HM>CK，BM和HM处理较CK显著提高2.14%，2.06%；成熟期不同地膜类型土壤含水率在18.66%～20.36%，大小顺序为：BM>HM>CK，BM、HM、CK无显著性差异。总体来看：黑色膜有利于增加春玉米生育前期0～100 cm土壤含水量，白色膜有利于增加春玉米生育后期0～100 cm土壤含水量。

2.2 不同颜色地膜各生育期0～100 cm土壤贮水量与耗水量

不同颜色地膜各生育期0～100 cm土壤贮水量与耗水量变化见表1，在苗期、散粉期、灌浆期、成熟期各处理0～100 cm贮水量表现为HM>BM>CK，HM、BM、CK处理之间存在显著性差异，最高贮水量分别为229.75、183.38、150.62、187.87 mm；拔节期各处理0～100 cm贮水量表现为BM>HM>CK，各覆膜处理之间存在显著性差异，最高贮水量为229.75 mm；CK处理成熟期贮水量较低，玉米生长期耗水量较高，BM处理成熟期贮水量较高，玉米生长期耗水量较低，说明BM处理能更好地在春玉米生育后期有效累积无效降雨，从而提高土壤含水率，为下季作物生长发育提供较好的底墒。

表1 各时期不同颜色地膜的土壤贮水量变化与生育期耗水量

2.3 不同颜色地膜春玉米各生育期0～20 cm土层温度变化

不同颜色地膜对春玉米生育期0～20 cm土层温度的影响如图3所示，苗期各覆膜处理大小顺序为BM>HM>CK，较CK分别平均增温2.36 ℃，1.54 ℃，且各覆膜处理随土层深度的增加呈现下降的趋势，可见BM处理增温效果最显著；拔节期各覆膜处理大小顺序为BM>HM>CK，较CK分别平均增温1.82 ℃、1.49 ℃，且在20 cm处土壤温度最低，最低温度为20.76 ℃，可见BM处理增温效果最显著；散粉期各覆膜处理大小顺序为HM>BM>CK，较CK分别平均增温1.03 ℃、0.55 ℃，表层土壤温度最高，最高温度为26.57 ℃，HM处理增温效果最显著；灌浆期各覆膜处理大小顺序为HM>BM>CK，较CK分别平均增温0.88 ℃、0.50 ℃，15 cm处土壤温度最低，最低温度为19.54 ℃，可见HM处理增温效果最显著；成熟期各覆膜处理大小顺序为HM>BM>CK，较CK分别平均增温1.09 ℃、0.75 ℃，随土层深度的增加土壤温度降低，可见HM处理增温效果显著。总体而言：白色膜有利于春玉米生育前期增温，黑色膜有利于春玉米生育后期增温。

图3 不同颜色地膜各生育期0～20 cm土层温度变化

2.4 不同颜色地膜对水温利用效率的影响

不同颜色地膜对水温利用效率的影响见表2。BM处理的水温利用效率均表现最优，分别为20.24%、3.64%。不同颜色地膜的水分利用效率在17.39%～20.24%，大小顺序为BM>HM>CK，较CK分别提高16.39%、9.55%；不同颜色地膜温度利用效率在3.27%～3.64%，大小顺序为BM>HM>CK，较CK分别提高11.31%，5.50%。

表2 不同颜色地膜对水温利用效率的影响 %

2.5 不同颜色地膜对产量构成因素的影响

不同颜色地膜对产量构成因素的影响见表3，BM处理的穗粗、穗质量、穗长、行粒数、千粒质量、容质量、籽粒产量均表现最优，分别为4.77 cm、339.31 g、17.49 cm、38粒，454.21 g、73.93 g·mL-1，9 880.96 kg·hm-2。各覆膜处理的穗粗、穗长、行粒数无显著性差异；穗质量在234.44～339.31 g，BM>HM>CK，较CK分别增加质量104.87、57.24 g；千粒质量在379.28～454.21 g，BM>HM>CK，较CK分别增加质量74.93、13.21 g；容质量在63.09～73.93 g·mL-1，BM>HM>CK，较CK分别增加质量10.84、8.50 g·mL-1；籽粒产量在8 907.76～9 880.96 g，BM>HM>CK，较CK分别增产10.93%、5.08%。

表3 不同颜色地膜对产量构成因素的比较

3 结论与讨论

人们习惯称地膜在农业中的应用为“白色革命”，对世界农业的发展起到了巨大的推动作用，尤其是在干旱、半干旱地区的旱作农业中地膜覆盖发挥了不可替代的作用。通过覆膜可以提高土壤温度与土壤含水量来促进春玉米的生长发育，还可以减少春玉米本身水分含量的蒸发，从而显著提高春玉米的产量和水分利用效率。任新茂等[12]研究表明，覆膜平均产量和水分利用效率较不覆膜分别提高52.79%和60.55%。本试验研究表明：覆膜处理均能提高籽粒产量及水温利用效率，白色膜比黑色膜、对照籽粒产量分别提高10.93%、5.08%，水温利用效率分别提高16.39%、9.55%和11.31%、5.50%。

玉米作为典型的喜温作物，对低温的耐受程度较低，即使1 ℃的温度差异也会影响玉米的生长发育。李兴等[13]研究表明，覆膜处理在苗期和拔节期的增温效果显著，在10 cm和20 cm处增温最显著，达2.5 ℃。本试验研究表明，白色地膜有利于提高春玉米生育前期0～20 cm土壤温度。肖继兵等[14]研究表明，地膜覆盖有利于提高土壤0～60 cm土层水分含量，改善玉米生长的水分生长，促进植物生长。本试验研究表明，黑色地膜有利于提高春玉米生育前期0～100 cm土壤含水量。主要是因为黑色地膜在阳光照射下，本身增温快、湿度高，但是转化给土壤的热量较少，因此增温作用不如白色地膜，且黑色膜几乎不透光，水分散失较慢，故保墒能力高于白膜。

黑色膜、白色膜均能提高土壤含水量、土壤温度、产量及水温利用效率，但白色膜生育期耗水量较少，且有利于提高春玉米生育后期土壤含水量，为下季作物提供较高的底墒；寒旱区早春温度较低，而白色膜有利于提高春玉米前期的土壤温度，促进出苗，有利于培育壮苗，且白色膜的籽粒产量及水温利用效率优于黑色膜和对照，因此，在寒旱区应推广白色膜覆盖栽培技术。