充分滴灌不同覆盖处理对春玉米产量和水分利用效率的影响

徐明明，赵月芬，张彦群，王建东，王传娟，莫 彦，吴忠东

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049；2. 中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；3. 中国水利水电科学研究院 研究生院，北京 100048；4. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

0 引 言

玉米是我国重要的粮食作物，而华北地区是我国重要的玉米产区，是保障国家粮食安全的重要战略区域[1]。农艺覆盖滴灌技术能为玉米提供一个良好的生长环境，提高玉米产量和水分利用效率，然而不同的覆盖材料下玉米的产量和水分利用效率大小不一[2]，白膜、黑膜和秸秆是地表滴灌常用的覆盖材料。Silva and Cook认为秸秆覆盖通过改善土壤理化性质，例如堆积密度、孔隙率和团聚体稳定性等来提高土壤含水率[3]。在玉米整个生育期内覆膜处理能保持土壤水分[4]，提升深层水分至植物可吸收层，同时提高叶片的叶绿素含量，提高作物的净光合速率[5]。通过田间试验对不同种植模式下玉米生长、产量和耗水特征进行了大量研究，结果根据区域、供试作物、管理措施等不同而有所差异,普遍认为采用地膜、秸秆等地面覆盖主要是通过集雨、保墒、增温、抑蒸等生态效应来提高产量[6]。空气蒸汽压亏缺(VPD)由田间相对湿度和温度计算得到，表征大气的实际水汽压与饱和水汽压之间的差值。不同覆盖材料改变了土壤及近地表的温湿度状况，从而影响冠层VPD。VPD越大造成的空气负压越大，形成的大气拉力越大，进而影响水分平衡、植株的蒸腾和生长，然而，不同覆盖材料对冠层VPD的影响鲜见报道。

前人研究中大多数都集中在用一种或两种材料进行覆盖，很少有研究直接评估多种覆盖材料对田间微环境、耗水、光合生理、产量和水分利用效率(WUE)的系统影响。为明确覆盖滴灌模式在华北地区的节水增产效应及生理机制，本研究通过田间试验分析了春玉米田土壤含水率动态变化、植株间VPD变化、田间蒸发蒸腾量(ET)、光合参数、作物生长、产量和水分利用效率(WUE)在不同覆盖处理(白膜W、黑膜B、秸秆S、不覆盖N)下的差异。相关研究结论以期能揭示不同覆盖滴灌条件下玉米增产的机理，为优化该区域覆盖滴灌模式提供数据支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验在北京大兴区的国家节水灌溉工程技术研究中心试验研究基地进行，位于东经116°15′，北纬39°39′，海拔31.3 m，属山前冲洪积平原区。该区属于北温带半湿润大陆季风气候，多年平均温度为11.6 ℃，多年平均降雨量为540 mm，降雨70%～80%集中在7-9月份。试验地0～100 cm土层为砂壤土(国际制)，平均田持、有机质和容重分别为0.306 cm3/cm3、3.25 g/kg和1.41 g/cm3。

1.2 试验设计与材料

试验于2019年5-9月进行，生育期内的降雨量为267.6 mm，试验采用地表滴灌灌水方式。供试作物为春玉米，品种为“巡天1102”。试验设置4种覆盖方式，即黑膜(B)、白膜(W)、秸秆(S)和裸地(N)处理，每个处理3个重复，地膜采用普通聚乙烯地膜(白膜，黑膜)，厚度为0.008 mm，宽度50 cm；秸秆覆盖是在玉米定苗以后，把上季留存的玉米秸秆粉碎后、晒干，均匀铺在小区内，覆盖量为6 000 kg/hm2。试验地采用传统平作(平地播种)模式，播种前，对试验地块进行旋耕、翻平耙细，旋耕深度0.25～0.3 m。采用宽窄行布置，窄行宽为40 cm，种植两行玉米，宽行为80 cm，玉米株距为0.2 m，定植密度为8.33 万株/hm2；每两行玉米之间铺设一条滴灌带，相邻两滴灌带间距1.2 m。滴灌带采用北京绿源塑料有限责任公司生产的滴头流量1.35 L/h，滴头间距30 cm，管外径16 mm的薄壁滴灌带，布设方式为“一管两行”。播种后覆盖处理前，进行喷施封闭药。玉米生育期内纯氮、有效磷(P2O5)和有效钾(K2O)施用量分别为240、135和135 kg/hm2，其中，20%的纯氮、50%的P2O5和30%的K2O作为底肥施入，其余的在作为追肥分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄期以及灌浆期随水施入。

采用土壤含水率上下限控制确定灌溉制度。当W处理的土壤含水率到达灌水下限时，不同处理间同时进行灌水，灌水上限为田间持水率的95%。各处理的灌水定额计算公式(1)根据微灌工程技术规范确定：

Q=A×H×(θ上-θ下)×P/η

(1)

式中：Q是灌水定额，m3；θ上为灌水上限(田间持水率的95%)，cm3/cm3；θ下为灌水下限(田间持水率的70%)，cm3/cm3；A为小区面积，m2；H为土壤计划湿润层，取值苗期0.3 m，拔节至成熟0.6 m；P为湿润比，取值0.6；η为灌溉水利用系数，取0.95。

1.3 测定项目及计算方法

(1)土壤水分的测量。在垄中间滴头正下方安装EC-5土壤水分探头，安装深度为10、20、30、50和70 cm。部分探头通过EM50(Decagon Em50 Series, Decagon Devices, USA)自动数据采集器连续采集，其余均通过数据采集器(Procheck)手动监测，每天下午5时左右，读数一次。

(2)冠层温湿度测定。在玉米冠层上方20 cm处安装HOBO Pro v2温湿度自动记录仪监测玉米行间温湿度，数据采集间隔为30 min一次。

(3)生育期耗水量。玉米生育期阶段耗水量用水量平衡法计算，按公式(2)计算：

ET=P+I-R-D-ΔS

(2)

ΔS=Sb-Sf

(3)

式中:ET是阶段耗水量，mm；P为有效降雨量，mm；I为灌水量，mm；R为地表径流量，mm；D为深层渗漏量，mm，D可以忽略不计；试验区地势平坦，R可以忽略不计；ΔS为计算时间段始末0～80 cm深度土层的储水量变化(Sb计算阶段始，SJ计算阶段末)。

(4)作物生长和干物质测定。每个处理选取具有代表性的3株玉米。在拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期测定茎粗、叶面积，叶面积指数LAI。成熟期在各处理随机选取5株具有代表性的玉米，采集植株地上部分，将植株按照茎、叶、雄和穗分开，用烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘至恒重，测定各器官干物质量。

(5)气体交换参数。在玉米苗期、拔节期、灌浆期和成熟期，选择典型晴天用便携式光合仪(LI-6800，美国 Li-cor 公司)进行4次光合光响应曲线的测定，测定时控制叶室温度为26～28 ℃，湿度为60%，叶室CO2浓度设定为400 mol/mol，光强设定为2 100、1 800、1 500、1 250、1 000、800、500、200、150、110、80、50、20和0 μmol/(m2·s)，从强到弱进行测定。测定部位为玉米最上层完全展开叶片，每个处理随机测定3株。光合-光响应曲线测定结果用非直角双曲线方程拟合获得相关参数，进行处理间比较分析。非直角双曲线模型的表达式为：

An=

(4)

式中：An为植物的净光合速率，μmol/(m2·s)；α为表观光量子效率；PAR为光合有效辐射，μmol/(m2·s)；Amax为最大光合速率，又称光合能力，μmol /(m2·s)；θ为曲线的曲率，曲率越大，曲线的弯曲程度越大；Rd为暗呼吸速率，μmol/(m2·s)。

(6)玉米考种、产量及水分利用效率测算。每个处理选取3块有代表性的样方(样方面积3 m×2.6 m=7.8 m2)进行考种，统计实际产量，折合成公顷产量，并分别测定玉米穗长、穗粗、穗重、百粒重等农艺性状。根据公式(5)计算水分利用效率：

WUE=Y/ET

(5)

式中：WUE是籽粒产量水分利用效率， kg/m3；Y为经济产量，kg/hm2；ET为作物生育期内耗水量，mm。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2016 和 Origin 8.0进行数据处理和图表绘制，SPSS软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 田间微环境变化

(1)不同覆盖处理对土壤含水率的影响。在0～40 cm土层中，W、B、S处理的含水率均高于N处理，全生育期，不同覆盖处理间春玉米的浅层土壤平均含水率有较大的差异，0～40 cm土层深度处，W、B和S处理土壤含水率分别为24.8%、23.5%和22.6%，比N处理值(21.5%)分别提高了15.2%、9.3%和5.0%。随土层深度的增加，不同处理间的土壤含水率差距开始减小。40～80 cm土层深度处，W、B和S处理土壤含水率分别为22.6%、22.5%和21.2%，比N处理值(21.5%)分别提高了6.8%、6%和1.3%。

图1 不同土层的土壤含水率的变化

(2)不同覆盖处理对VPD的影响。图2中可以看出玉米苗期到拔节期，覆膜能够使白天时段(8-16时)冠层处的VPD降低，与N处理相比，W处理的VPD下降7.8%，B处理的VPD下降8.2%，S处理的VPD则下降0.3%，S处理与N处理相比无明显差异。以上表明覆膜能够明显降低冠层处的VPD，影响VPD的因素主要有温度和相对湿度，其中W、B和S处理的平均温度较N处理低0.48、0.05和0.06 ℃，各处理间温度无明显差异，覆膜处理VPD降低的原因主要为这一时期玉米的蒸腾速率大于不覆盖处理，玉米冠层附近的相对湿度较高，因此W和B处理的田间湿度分别比不覆盖处理高8.8%和10.8%。

2.2 不同覆盖处理对玉米生长的影响

不同覆盖处理对玉米生长的影响如图3所示，从图3中(a)看出，茎粗的最大值出现在拔节期，随着生育期的推进茎粗逐渐趋于稳定。在拔节期W、B和S处理的平均茎粗分别比N高30%、24.1%和14.8%，其中W、B和S处理的茎粗显著高于不覆盖处理(p<0.05)。抽雄期W处理的茎粗比N处理显著提高24.2%(p=0.003)，B、S处理的茎粗虽高于N处理但未达到显著水平。在灌浆期和成熟期，不同覆盖处理间茎粗差异减小，均未达到显著水平。由图3中(b)图分析得到，LAI(叶面积指数)在生育期前期快速增长，之后随着生育期的推进开始趋于稳定并有所下降，并且全生育期各处理的LAI变化规律基本一致，即在生育前期有明显的增加趋势，在抽雄期达到最大值，之后开始缓慢下降；在抽雄期及灌浆期W、B和S处理的LAI均高于N处理；成熟期各覆盖处理的LAI均高于不覆盖处理，其中B处理的LAI显著高于N处理(p=0.068)。由此可见，覆盖处理在一定程度上增大了LAI，而且在成熟期能够使叶片保持较高的LAI，延缓叶片的衰老。

图2 不同覆盖处理在苗期-拔节期的VPD变化

图3 生育期内玉米的生长特征

2.3 不同覆盖处理对玉米光合生理变化的影响

2.3.1 光合能力

图4给出了2019年各生育阶段测定的光合-光响应参数光合能力(Amax)的差异比较结果。在生育期前期，覆盖处理显著提高了玉米的光合速率，促进玉米的生长发育；在成熟期，覆盖处理可使玉米保持较高的光合速率，提高玉米产量。2019年春玉米苗期、拔节和成熟期，W处理的Amax值比N处理分别显著提高了20.22%、27.01%和9.51%(p<0.05)；B处理的Amax值比N处理分别显著提高20.58%、45.36%和26.34%(p<0.05)；S处理的Amax值比N处理分别显著提高了13.55%、31.19%和31.27%(p<0.05)。

图4 不同处理间光合能力Amax的差异

整体上看，Amax在拔节期达较高值后随生育期的推进逐渐减小。各处理的光响应Amax值波动范围为25～75 μmol/(m2·s)。W、B和S处理全生育期平均Amax值比N处理分别提高了8.3%、17.28%和11.43%，由此可见，覆盖处理同比提高了作物Amax值，有利于玉米生物量的积累，促进玉米的生长发育，而且在生育末期覆盖处理能够延缓叶片的衰老，使玉米叶片保持较高的净光合效率，提高玉米产量。

2.3.2 气孔导度

整体上看，玉米叶片的气孔导度值随生育期的推进先增加后逐渐减小(图5)，不同处理在拔节期的气孔导度值最大，随着生育期的递进呈现下降的趋势，因此不同的农艺覆盖措施没有改变气孔导度的变化趋势。不同覆盖处理的气孔导度值范围在0.1～0.47 μmol/(m2·s)，在生育期前期，覆膜处理的气孔导度高于不覆盖处理但无显著差异(p>0.05)，在灌浆期以及成熟期，各处理间气孔导度相近。

图5 不同处理间气孔导度的差异

2.4 不同覆盖处理间耗水量的变化

不同处理下玉米耗水量分析结果如表1所示。各处理的总耗水量、耗水强度和各生育阶段耗水量均随灌水量以及降雨量的增大而增大，总耗水量则为S>B>N>W，其中覆白膜处理与其他处理相比，减少了玉米的耗水量，具备较好的保水效果。

覆盖处理没有显著改变玉米生育阶段耗水特征。由耗水模系数得出，各处理苗期耗水量占全生育期的20%～23%，拔节期—抽雄期耗水占全生育期的28%～34%，灌浆期耗水占全生育期的23%～24%，成熟期耗水占全生育期3%。耗水强度方面，苗期各处理的耗水强度较小，覆盖各处理的耗水强度均小于不覆盖处理，W、B和S处理的耗水强度分别较不覆盖处理低3.36%、10.7%和1.83%，其中B处理的耗水强度最小。苗期以后，随着玉米生育期的推进，由于叶片的遮蔽作用，覆膜以及秸秆覆盖的保水效果不再明显，各处理间的耗水强度没有明显差异。水量平衡法计算的不同覆盖处理蒸发蒸腾量(ET)在425.3～444.6 mm之间变化，其中，W处理ET最低。

表1 不同覆盖处理下的玉米阶段耗水量

2.5 不同覆盖处理对穗指标、玉米产量及水分利用效率的影响

由表2看出各处理间的穗粗表现为W>B>S>N；穗长方面，W和S处理分别高出 N处理0.81和 0.01 mm，而B处理的穗长略低于N处理，W处理的穗长显著高于N处理(p=0.003)；穗重方面，W、B和S处理的穗均重分别比N处理高19.66、3.19和2.29 g。各覆盖处理的穗粗以及穗重虽高于不覆盖处理，但无显著差异(p>0.1)；S处理和B处理的穗重和穗长与N处理相比无显著差异。百粒重方面，W、B和S处理均高于不覆盖处理，其中W处理的百粒重显著高于不覆盖处理(p=0.044)。

表2 不同覆盖处理对玉米生物量及水分利用效率的影响

玉米干物质量及穗重量对玉米产量具有重要影响，是表征玉米长势状况的重要参数，各处理间的干物质积累量均随生育期的推进呈上升趋势。由表2可以看出，玉米成熟期的干物质量达到最大值，不同处理间表现为W>B>S>N，成熟期W、B和S处理分别比N处理高12.7%、10.46%和8.32%，但未达到显著水平(p>0.1)。S和B处理成熟期穗干物质量占总干物质量的比例(Rc/t)与N处理相比略有降低，其中S处理的Rc/t显著低于N处理10%(p=0.023)，W处理中Rc/t比N处理提高5.45%。产量方面，覆盖各处理的经济产量均高于不覆盖处理，且W处理与N处理的产量之间的差异达到了显著水平，各处理间表现为W>S>B>N，B和S处理产量与N处理值差异不显著，W处理产量较N处理显著提高13.4%(p=0.032)。W处理WUE(2.99 kg/m3)较N处理显著提高17.0%(p=0.011)，而B和S处理的WUE介于W和N处理之间，与N差异不显著。

2.6 光合参数变异来源

覆盖处理影响田间微环境变化，包括土壤含水率和冠层空气温湿度，从而引起作物光合生理、生长、耗水和产量差异。光合作用是玉米产量形成的基础，也是玉米产量形成和累积的重要来源。本研究首先分析了土壤含水率、VPD对光合参数的影响，然后试图采用光合参数差异解释处理间产量差异。图6中，分析了苗期叶片的光合能力与土壤含水率之间的关系，不同处理(W、B、S和N)间土壤含水率与Amax显著线性相关(p=0.045)，该关系表明土壤含水率对Amax的决定作用，土壤含水率较高的处理，Amax也相应的较高。

由图7可见，在玉米的拔节期，Gs与植株间VPD呈现出线性相关的关系，不同处理(W、B、S和N)间Gs与VPD呈显著线性相关(p=0.085)，回归直线决定系数(R2)为0.838。从图中可以看出，不同处理间VPD越大，对应的Gs也会越小，两者呈现负相关的关系。由以上分析，生育期内不同覆盖处理下植株间的VPD有所不同，覆膜的VPD要低于不覆盖，而秸秆覆盖与不覆盖相比则差异不大，各处理间VPD的差异导致气孔导度有所不同，覆膜条件下VPD较低，促使叶片气孔张开，气孔导度值升高，提高叶片的光合速率，促进玉米生长发育，提高玉米产量。

图6 不同覆盖处理间土壤含水率与叶片苗期光合能力(Amax)的关系

图7 不同覆盖处理间VPD与叶片拔节期气孔导度的关系

由以上分析，不同覆盖处理下对应的光合能力与土壤含水率均有所不同，覆盖处理的光合能力要明显高于不覆盖处理，分析原因为覆盖处理的土壤含水率高于不覆盖处理，较高的土壤含水率能够提高叶片的光合能力，积累玉米生长所需要的干物质，促进玉米的生长发育，从而提高玉米产量。

3 讨 论

农田覆盖改变了土壤与大气的界面层状况,在土壤表面设置一道物理阻隔层,阻碍和减缓了土壤与大气层间的水分和能量交换,使得土壤的水、肥、气、热状况得到改善[7]。有研究认为春玉米苗期至拔节期，不同覆盖材料主要影响表层0～40 cm的土壤水分状况[8]。本研究表明，秸秆覆盖、黑膜覆盖和白膜覆盖处理均对土壤水分具有保持作用，相对于不覆盖处理，生育期内0～40 cm土壤含水率提升幅度为5%～15.2%，而在40～80 cm土壤含水率提升幅度为1.3%～6.8%，因此进一步证明了覆盖材料主要影响表层的土壤含水率。不同的覆盖措施对VPD影响也有所不同，焦晓聪研究表明适当降低VPD可以有效维持水分平衡，促进植株发育[9]，杜清洁认为VPD的变化会影响叶片的光合作用[10]。地膜覆盖影响了农田近地面的环境条件，改变了植物冠层微气象环境，从而影响了叶片的气体交换过程，并对玉米长势产生影响，最终导致产量改变[11]。试验表明，覆膜处理的VPD明显低于不覆盖处理，通过增大气孔导度提高玉米叶片的光合能力，促进玉米生长发育。

王敏研究认为白色地膜覆盖显著提高了玉米的地上部干重以及穗长、穗粗、WUE和产量，秸秆覆盖由于地温和物理阻碍等因素影响显著(p<0.05)降低了玉米穗长、穗粗、百粒重，使玉米营养生长不充分，进而影响生殖生长造成减产[12]。本研究结果表明白膜覆盖提高了玉米的穗长、穗粗、百粒重和WUE，玉米增产13.4%，而秸秆覆盖的穗指标、产量和WUE同不覆盖相比略有提升，但低于覆膜处理。同王敏研究结论不同，秸秆覆盖并未有减产现象发生，不同之处是王敏的试验研究是在西北旱作区进行的，温度是限制玉米生长的主要因素，本试验温度不再是限制玉米生长的主要因素。王传娟研究认为覆膜处理显著提高春玉米Amax12.9%～22.8%[13]，本研究中同样验证了该结论，玉米生育期内秸秆覆盖、黑膜覆盖和白膜覆盖处理的光合能力分别较不覆盖处理高11.43%、17.28%和8.3%。在本试验中，与不覆盖处理相比，黑膜处理玉米产量没有显著提高，其原因仍需进一步研究确定。Mbah研究发现黑膜覆盖的玉米株高高于白膜覆盖[14]。刘胜群研究认为孕穗期间玉米茎秆质量和茎粗增大对抗倒伏十分有利[15]。本研究中黑膜覆盖株高高于其他处理，茎粗及茎秆质量则与其他处理无明显差异，在孕穗期有倒伏现象发生，可能是黑膜处理下产量增加不显著的原因之一。

4 结 论

基于田间试验，分析了覆白膜滴灌处理(W)、覆黑膜滴灌处理(B)、秸秆覆盖滴灌处理(S)以及不覆盖滴灌处理(N)下田间微环境、光合生理、耗水、玉米生长及产量的差异，取得的主要结论如下：

(1)不同覆盖处理对土壤水分具有保持作用，0～40 cm深度处较不覆盖处理土壤含水率提高5.0%～15.2%，40～80 cm深度处较不覆盖处理土壤含水率提高1.3%～6.8%；在苗期-拔节期覆膜使田间VPD有所下降，白膜和黑膜较不覆盖处理分别下降7.8%和8.2%。

(2)覆盖处理提高春玉米Amax值8.3%～17.28%，这与各覆盖处理提高了土壤含水率有关；生育期前期覆膜处理的田间VPD降低，进而使叶片的气孔导度有所增长，有利于提高光合速率。

(3)苗期各覆盖处理的耗水量均小于不覆盖处理，随着玉米生育期的推进，由于玉米的生长及叶片的遮蔽作用，各处理间的耗水量没有明显差异，全生育期各处理的耗水量在425.3～444.6 mm之间。

(4)生育期前期覆盖处理的玉米茎粗显著高于不覆盖处理，其中白膜的玉米茎粗显著高于其他处理(p<0.05)；在生育期末期覆盖措施能提高玉米的叶面积指数，使叶片保持较高的叶面积指数，延缓叶片的衰老。滴灌的条件下，白膜、黑膜和秸秆覆盖分别增产13.4%、2.1%和6.3%，水分利用效率提高17.3%、2%和5.1%。

综合分析，农艺覆盖滴灌措施能够改善玉米生长的水热条件，其中白色地膜覆盖滴灌的农作措施最大程度地改善了土壤水热条件，提高了玉米叶片光合能力、产量及WUE。