黑龙江西部浅沟覆膜种植模式在玉米苗期的增温特性*

娄德君，张兴林，从治宇，薛 瑶，姜丽霞

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，沈阳 110000；2.齐齐哈尔市气象局，齐齐哈尔 161006；3.富裕县气象局，富裕 161200；4.黑龙江省气象科学研究所，哈尔滨 150030）

黑龙江省是重要商品粮生产基地，玉米是黑龙江省主栽作物。1980年以来，玉米的种植面积及产量有逐年增多的趋势，总产量占全国玉米总产近30%，在保障粮食安全中占有举足轻重的地位[1]。随着全球气候变暖，极端天气气候事件频发，农业受气候变化与气象灾害影响剧烈，东北地区是受气候变化影响最明显的地区之一[2-4]。黑龙江西部是黑龙江省适宜种植玉米的主要区域之一[5]，玉米播种期一般在5月上中旬，玉米出苗和苗期极易受到寒潮、霜冻、低温、大风和旱涝等灾害影响。尤其黑龙江省西南部是玉米干旱和冷害高风险区[6-7]。因此，开展该地区玉米生长发育期间热量资源评价和研究，对农业气候资源高效利用、规避农业气象灾害风险和切实保障粮食安全都有重要意义。

地膜覆盖能明显改善玉米田土壤水热生态条件，合理利用地膜覆盖能够增温、保墒、提高水分利用效率，从而提高玉米产量[8-10]。地膜覆盖能明显提高表层0-10cm 土壤温度[11]，可以使玉米播种至营养生长期内耕层地温晴天提高3～5℃，阴雨天气提高1～2℃，可以增加积温180℃·d[12]。与裸地相比，白色/透明地膜和黑色地膜均能增加苗期积温和提高产量，只是增幅略有差异[13-14]。覆膜玉米出苗率显著高于露地，使春玉米各生育阶段平均提早7d，全生育期缩短11d[15]。覆膜可使玉米增产30%以上[12,16]。育苗移栽可以提高玉米生育期内的光、热、水等气候资源利用率[17]，进而提高玉米产量。宋芳等[18]对比了6 种不同玉米栽培方式得到地膜覆盖育苗移栽方式下的玉米产量最高。然而地膜覆盖和育苗移栽虽是高产种植模式，但地膜覆盖会使土壤中有残膜污染，育苗移栽则增加种植成本，均不利于在黑龙江省大范围推广。

在以往研究基础上，结合黑龙江省推广的大垄双行高产种植模式，总结出玉米大垄双行浅沟覆膜种植模式。该模式具有大垄双行的光能资源利用优势，同时浅沟覆膜设计具有增温保墒作用。在幼苗后期去除地膜减少了常规覆膜造成的白色污染。直接在垄上开沟播种、覆膜，节省了育苗移栽的种植成本。但是对于该种植方式衍生出的玉米苗期的增温效应，以及其对玉米生长发育的影响，还缺乏系统与定量的数据支持和客观评价。因此，本研究拟定量分析和评价该模式在玉米播种-幼苗期的增温作用和优势，为提高东北北部玉米对热量资源的利用率、科学引种和优化种植结构等提供依据，也为该模式的大范围推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 模式简介

将两个下宽为65cm 的标准垄合成一个下宽为130cm 的大垄，在垄上开两条10cm 深的浅沟，两沟中心间距40cm，播种后覆盖地膜，使得膜与浅沟间形成了一个狭小的类似“温室”的空间，保证玉米幼苗有一定的生长空间。当外界气温稳定通过10℃时考虑打孔放风，此时玉米苗龄在三叶以上。当外界气温稳定通过15℃且未来5d 左右无明显大风和低温时段时，去除覆盖的地膜，使幼苗于裸地正常生长，此时一般在6月10-15日，玉米苗龄在五叶以上。这种浅沟覆膜种植方式可增温保墒，加速幼苗的生长，减轻幼苗生长期的低温、风害及春旱损失。

1.2 试验设计

玉米种植模式试验于2018年4-9月在黑龙江省富裕县友谊乡某玉米专业合作社生产田内（47°49'N，124°34'E）进行。其中浅沟覆膜试验期为2018年5-6月。试验地面积0.65hm2，砂壤土，地势平坦，土壤肥力中等。试验地块呈南北走向，设有长250m，宽1.3m 的大垄20 条，观测点设在地块中间的相邻大垄上，一条为浅沟地膜覆盖，一条为空垄作对照，未设重复。供试玉米品种为新引kws2564，熟期127d，所需积温2650℃·d。所用地膜为市场通用的普通白色塑料地膜，厚度0.010mm。

大垄双行浅沟覆膜种植模式（下文简称浅沟覆膜，FM）和对照（不开沟覆膜裸地，CK）的剖面结构如图1 所示。每个处理选择两个点位（图1）安装长春产DYY-II（B）型温度传感器，测量精度±0.3℃，数据间隔为1min，24h 连续观测地下5cm土壤温度（简称表层地温）和地上5cm 气温（简称近地表气温）。数据传输方式为GPRS。温度传感器分别设置在图1 中地下5cm 和地上5cm 处，浅沟底视为浅沟覆膜的地表面。温度和玉米发育期观测分别按照《地面自动气象观测规范》和《农业气象观测规范》进行。

玉米于2018年4月26日播种，5月6日覆膜，5月14日出苗，5月20日三叶，5月30日破膜放风（仍保留地膜覆盖，只在膜上打孔放风），6月8日七叶，6月12日去除地膜。开浅沟、覆膜、打孔放风、揭膜等均为机器操作。

1.3 数据分析

每个小时取整点的分钟数据进行分析，整点分钟数据缺失的用距离整点最近的分钟数据代替。以前一日21：00 至当日20：00 共24 个时次为一个自然日。日平均温度由每日24 个时次的温度取平均值得到，日最低温度为24 个时次内最低温度。逐小时温度为对应的研究时段每日该时次的温度取平均值计算得到。使用t 检验进行两个处理温度差异的显著性检验（P＜0.05）。采用Excel 和Matlab 软件进行数据计算和绘图。

2 结果与分析

2.1 浅沟覆膜种植模式日平均温度的特性分析

由图2 可见，在玉米播种-幼苗期观测的38d(5月6日-6月12日)中，两个处理中表层地温（地下5cm，图2a）和近地表气温（地上5cm，图2b）的日平均值表现为完全一致的变化趋势，前期较低后期略升高。但仔细对比两处理温度变化过程可见，同一时段的表层地温和近地表气温会有明显差异。特别是，播种初期（5月6-17日），CK（不开沟覆膜模式）处理表层地温很低，仅为10.9～18.2℃，而浅沟覆膜种植模式中表层地温可达16.6～21.6℃，比CK 高出2～6℃。5月23日气温最低时CK降至12.0℃，浅沟覆膜种植模式为16.2℃，比CK高4.2℃。直至5月30日破膜放风前，浅沟覆膜种植模式处理中表层地温一直比CK 高，随后外界温度过高（22℃）后，浅沟覆膜种植模式处理中表层地温低于CK。整个观测期各时段两处理中表层地温平均值浅沟覆膜处理为20.4℃，比CK 高1.4℃。在破膜放风前（5月6-29日，P1 时段），表层地温平均为19.6℃，比CK 高2.8℃，温度差异达极显著水平（P＜0.01），之后（5月30日-6月12日，P2 时段）平均比裸地低0.9℃（表1）。可见，浅沟覆膜种植模式在当地玉米播种-幼苗期具有调节表层地温的作用，在破膜放风前，对表层地温有显著的增温作用，破膜放风后，对表层地温有降温作用。

表1 不同时段两个处理的平均温度和温差（平均值±标准差，℃）Table 1 Average mean-temperature and its differences between two treatments during different periods(mean±SD,℃)

破膜放风前，CK 处理近地表气温明显偏低，在11～23℃，而浅沟覆膜种植模式处理中的近地表气温在12～31℃，比CK 高出1.5～9.4℃，且有16d 全天比CK 高5℃以上，增温效果明显。破膜放风后，浅沟覆膜处理的近地表气温与CK 非常接近，温差在-2～2℃。在整个观测时段中，浅沟覆膜种植模式处理中近地表气温平均为23.5℃，比CK 近地表气温平均值19.8℃偏高3.7℃，差异达极显著水平（P＜0.01）。气温偏高主要发生在破膜放风前的时段，CK 平均近地表气温为17.6℃，而浅沟覆膜种植模式为23.7℃，比CK 显著偏高6.1℃（P＜0.01）。表明浅沟覆膜种植模式能够大幅提高破膜放风前的近地表气温。

2.2 浅沟覆膜种植模式日最低温度特性分析

李辉等[19]将东北地区分为4 个气候类型区，各类型区玉米产量对不同的气候要素敏感。试验地生长季月平均气温18.4℃，月平均降水量77.6mm，属气候类型II 区，该区玉米气候产量对平均最低气温的变化更敏感，因此对试验中的最低温度特性进行分析。由图3 可见，两个处理中日最低温度的时间序列也表现出完全一致的变化趋势，前期略低后期略升高。但表层地温与近地表气温日最低值的变化也存在明显差异。破膜放风前（5月6-29日）表层地温日最低值CK 明显偏低，在5～15℃之间，而浅沟覆膜种植模式处理中的日最低温度在8～16℃，比CK 高出1.2～4.1℃。统计发现，24d 内浅沟覆膜种植模式中日最低温度的最低值为8.3℃，而 CK有11d 的日最低温度介于5～8℃，CK 的低温日数明显偏多。破膜放风后（5月30日-6月12日），两处理的日最低温度均明显升高，CK日最低温度在13～21℃，浅沟覆膜种植模式比CK 高0.5～2.0℃，一般在15～21℃。在整个覆膜时段，浅沟覆膜种植模式的日最低温度始终高于CK，平均日最低温度比CK 高2℃（P＜0.05）。前后两时段浅沟覆膜种植模式平均日最低温度分别为12.3 和17.5℃，分别比CK 高2.7℃（P＜0.01）和0.9℃（表2）。这表明浅沟覆膜种植模式对玉米播种至幼苗期表层地温最低温度具有增温作用，在破膜放风前，对表层地温日最低温度增温作用显著。

表2 不同时段两处理的平均最低温度和差值（℃）Table 2 Average minimum temperature and its differences between the two treatments during different periods(℃)

近地表气温的日最低温度两处理在覆膜初期（5月6-13日）差异较大，CK 值明显偏低，为-0.1～12.5℃，浅沟覆膜处理为2.6～10.8℃，平均比CK高3℃左右。特别是5月6、9、13日CK 的日最低温度分别为0.1、0.2、-0.1℃，而浅沟覆膜种植模式分别为5.4、4.6、2.6℃，比CK 高3～5℃。之后至5月29日，两处理日最低温度总体上十分接近，温差在±1.5℃之间。破膜放风后（5月30日-6月12日），两曲线变化及差异与表层地温的日最低温度相似，浅沟覆膜种植模式始终高于CK。整个观测期两处理的平均最低温度差异在0.9～1.5℃。可见浅沟覆膜种植模式对近地表最低温度也有一定的增温作用，覆膜初期增温作用更明显。

2.3 浅沟覆膜种植模式逐时温度特性分析

由图4 可见，破膜放风前（5月6-29日）表层地温（图4a）和近地表气温（图4b）的逐时变化虽趋势一致，但有明显差别。两个处理表层地温的逐小时变化趋势和升温速率基本一致，表层地温均在5：00 前后最低，然后逐渐升高，在午后14：00 前后达到最高，之后逐渐下降。逐时地温浅沟覆膜始终高于CK，偏高2.2～3.8℃，两处理表层地温逐时温度差异夜间略小，6：00-7：00 差异达到最小，白天温差略增大，在12：00-13：00 达到最大。说明浅沟覆膜对逐小时表层地温有一致的增温效果，且白天增温比夜间略明显。

近地表气温的逐小时变化浅沟覆膜种植模式和CK 虽然与表层地温一样，也为夜间略低，白天逐渐升高，午时前后达到最高。但与表层地温两处理温度差异稳定维持在2～4℃之间不同，近地表气温两处理白天的温差较大，夜间差异较小。两个处理的温度最低值均出现在3：00 前后，之后开始升温，至6：00 前后两个处理的差异并不明显。但随后二者的升温速率明显不同，浅沟覆膜种植模式开始急剧升温，7：00-10：00 升温速率较大，超过5.0℃·h-1，其中7：00 升温最快，升温速率达10.3℃·h-1。而CK在7：00-10：00 的升温速率明显偏小，7：00 升温最快，为4.8℃·h-1，8：00-10：00 升温速率仅1.6～2.6℃·h-1。到中午前后11：00-14：00 时，浅沟覆膜与CK 的近地表气温最大差值已达17.5℃，这是日出后日照充足，膜下小空间迅速增温的缘故。由逐小时温度变化还可以看到，与CK 相比，浅沟覆膜种植模式只在4：00-6：00 温度稍低，其余时次温度皆高。这表明浅沟覆膜种植模式可以大幅提高白天的近地表气温。

与破膜放风前两个处理的逐小时变化趋势均为浅沟覆膜种植模式一致偏高不同，破膜放风后（5月30日-6月12日）表层地温（图5a）和近地表气温（图5b）的逐小时变化均为白天CK 偏高，夜间浅沟覆膜种植模式偏高。由图可见，浅沟覆膜种植模式和CK 的表层地温均为14：00 前后最高，3：00-5：00时段最低。浅沟覆膜种植模式白天的表层地温在19～27℃，比CK 低1～3.5℃，22：00-6：00 在17.5～20.5℃，比CK 高0.2～1℃，浅沟覆膜种植模式表层地温白天偏低夜间略高，日较差为9.2℃，比CK日较差12.9℃偏小约3.7℃。

近地表气温浅沟覆膜种植模式白天在16～32℃，比CK 低1～4.5℃，16：00-4：00 在15～24℃，比CK 高1～3℃。平均气温日较差浅沟覆膜种植模式为16.8℃，比CK 低3℃左右。同时，近地表气温与破膜放风前和破膜放风后表层地温均几乎同步变化，只是变幅略有不同。逐小时近地表最高和最低温度出现时间浅沟覆膜种植模式比CK 均滞后2～3h，这可能是由于裸地直接暴露在环境中，对日照的作用响应较快，而浅沟覆膜种植模式近地表5cm 处在浅沟中，且会受玉米幼苗的部分遮挡，对外界环境变化的响应会有滞后。对图5 的综合分析表明，破膜放风后浅沟覆膜种植模式对白天的表层地温和近地表气温有降低作用，对夜间则有增加作用，平均能减小3～4℃的温度日较差。

2.4 浅沟覆膜种植模式积温特性分析

图6为浅沟覆膜种植模式和CK的积温变化及二者的差值曲线。由图可见，试验期间浅沟覆膜种植模式和CK 的积温均随时间呈增加趋势，但二者的增加速率不同，浅沟覆膜种植模式的积温始终大于CK。两个处理的积温差异变化分为两个时段，在破膜放风前，随着时间的推移，两个处理的积温差逐渐增大，到5月29日，浅沟覆膜种植模式积温为569.0℃·d，CK 为423.0℃·d，积温差异达到最大值约146.0℃·d，24d 内浅沟覆膜种植模式的积温比CK 增加了约35%。5月30日破膜放风之后，两个处理的积温差异变化很小，甚至略有下降。

浅沟覆膜种植模式下玉米出苗、三叶、七叶出现日期均比传统种植偏早，分别早8d、8d、10d，表明浅沟覆膜种植模式下玉米出叶速度加快，其温度条件对玉米快速生长具有促进作用，这与何维勋等研究结论相吻合[20]。另外浅沟覆膜种植模式下玉米出苗-七叶期活动积温为599.0℃·d，按孙本普等[21]研究每片叶长出所需积温约70.0℃·d 计算，则玉米出苗-七叶期所需积温约为490.0℃·d，可见浅沟覆膜种植模式的温度累积远高于玉米生长需求，表明其增温作用显著，效果较好。

3 结论与讨论

3.1 结论

对比试验表明，玉米播种-幼苗期浅沟覆膜种植模式比裸地有显著的增温效应。增温主要在破膜放风前，表层地温和近地表气温分别显著提高2.8℃和6.1℃。白天和夜间温度均有升高，增温作用白天大于夜间。破膜放风后表层地温和近地表气温略有下降，但降温主要在白天，夜间增温作用明显，温度日较差平均减小3～4℃。另外覆膜时段表层地温和近地表气温的日最低温度表现为一致增温，表层地温的最低温度显著升高2.0℃。浅沟覆膜种植模式较裸地积温增加35%，生育期约提早8d。

3.2 讨论

温度是影响玉米生长发育的主要因素之一[22]，地温增高可以缩短玉米出苗的时间，提高玉米的出苗率和成活率[23]。东北地区玉米产量的增加有约25%的贡献可用热量资源的增加来解释[24]。常规地膜覆盖条件下土壤的增温特性已得到许多研究结果[11-14,25]。浅沟覆膜种植模式对玉米苗期有明显的增温效应，表层地温比裸地增温2.8℃，与文献中常规地膜覆盖表层5cm 地温比裸地增温2.49℃[14]、2.85℃[26]接近，逐日增温2～6℃的幅度也与常规覆膜晴天3～5℃、阴雨天1～2℃的温度增幅[12]相当或略高。另外，覆膜时段内该模式夜间均有增温，且破膜放风前表层地温、破膜放风后近地表气温夜间增加均较明显，平均增温可达2～3℃，与常规玉米覆膜后地温的最大增值表现在最低地温的提高也基本一致[25]。研究表明，夜间增温有利于玉米种子萌发，可使玉米物候期提前，有利于减轻早霜危害[27]。破膜放风后白天降温夜间增温导致温度日较差明显减小，也有利于玉米产量增加[28]。早在20世纪80年代，日本学者分析发现，玉米幼穗形成前每长出1片叶需要65.0℃·d 的积温[29]，孙本普等[21]2005年在中国邹平县长山镇高王村开展了不同播期对春玉米叶片生长影响的试验研究，结果表明，春玉米出苗至最后1 片叶展开每长出一片叶所需的平均积温为69.6℃·d，可见在不同时间条件下，玉米不同品种每生长1 片叶所需积温差异不大，相对稳定。尽管玉米叶片增加的动态是由杂交种特性决定的，但也与玉米出苗期和环境条件有关，玉米出叶速度随温度升高而加快[20]。该模式积温增加特性使玉米出叶速度加快，促进玉米快速生长发育，与裸地相比，该模式增加玉米生育初期的积温约35%，生育期提早8d 左右，与常规覆膜平均提早各生育阶段7d 接近[15]。可见浅沟覆膜种植模式的增温作用与常规覆膜相当。日平均温度不低于10℃初日通常作为春玉米的适宜播种期，近年来随着气候变暖，东北地区10℃初日一般提前2～10d，然而研究发现春玉米的播种期有逐年推后趋势（4d·10a-1）[30]，大大浪费了热量资源，采用浅沟覆膜方式可以科学指导玉米播种时间，实行早播，提高该地区玉米对热量资源的利用率，更好地发挥气候生产潜力。

黑龙江省发生低温冷害频率较高[24]，浅沟覆膜日最低温度偏高，一定程度上能减轻或避免早霜、寒潮、低温等灾害的影响。常规地膜覆盖一般在玉米出苗后打孔引苗[12]，浅沟覆膜种植模式一般苗龄在3 叶以后才破膜，也提高了幼苗抵御大风和低温灾害的能力。同时幼苗在浅沟中生长一段时间，也可以减轻大风和低温等的危害，从抵御灾害角度看该模式有一定的优势。但试验地终霜冻一般出现在4：00-6：00 前后，覆膜期浅沟覆膜的近地表温度在该时段略低于裸地，所以不能减轻终霜冻危害。统计历史资料可知，试验地多年平均终霜冻日期为5月13日，近60a 该地终霜冻日期有显著提前趋势（P＜0.01），气候倾向率为-3.2d·10a-1。20世纪90年代末期以来该站最晚终霜冻日期是5月15日，因此，在霜冻偏早的气候背景下，依赖于准确率越来越高的中期天气预报对于温度和霜冻的预测，可以控制播种覆膜时间进而控制出苗日期。那么该种植模式这一弊端的影响可能会很小。

综上，浅沟覆膜种植模式优势明显，其增温作用与常规覆膜接近，有利于玉米出苗和生长发育，可以提高玉米对热量资源的利用率，据此可以提前播种或者选择晚熟高产品种抢积温，使作物产量增加，还可以优化种植格局，将作物品种在偏北区域推广。该模式较常规覆膜又具有明显优势，可以减轻幼苗期风灾和低温灾害影响，后期去膜处理也较常规覆膜生态环保，较可降解地膜等节约成本[16]。该种植模式只需对常用的农业机械稍加改装即可完成开浅沟、播种、覆膜、打孔放风、揭膜等全程机器作业，操作容易，便于大范围推广，因此在黑龙江省乃至东北地区寒地玉米生产中具有广阔的应用前景。

本研究仅探讨了浅沟覆膜种植模式在玉米播种至出苗期的增温特性，该模式整体的田间小气候效应，包括光能资源优势、水分利用率及模式对玉米生长发育各阶段的影响等今后还需进一步研究。