地膜厚度与揭膜时间对旱作农田春玉米生长及残膜回收的影响

丁云鹏，潘文辉，龙 美，张候平，温晓霞

（西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌 712100）

在我国约有1/3 的可耕地面积实施旱地农业，其中40%位于半干旱地区，而西北黄土高原地区属于典型的旱作雨养农业区，该区的玉米种植面积广、增产潜力大，是我国旱地农业的重要组成部分[1-3]。水资源短缺和降雨分布不均给该地区的农业可持续发展带来了巨大挑战，而覆膜种植可以改善土壤水温条件，提高水分利用效率，保持土壤肥力，加快作物的生长发育并增加作物产量[4-5]。但是，覆膜带来效益的同时，负面效应也不断显现，由于生产中使用的地膜较薄、高温暴晒等，玉米生育期内随着覆膜时间的增长破损度越来越大，最终收获时地膜难以回收，造成了严重的残膜污染问题[6]。到目前为止，地膜覆盖的增产效果明显，所以残膜污染问题没有引起足够重视。农业生产中面临的地膜回收难的问题主要是塑料地膜难以被完全揭起移除，其原因是地膜厚度较薄，随时间延长、风吹日晒后非常容易破碎，作物收获时其强度不足以支持其被完整揭起，破碎地膜要完全清除需要大量的人力，由于其成本过高而不被农民接受[7]。因此，研究地膜厚度与揭膜时间不仅在生产方面而且在防治环境污染方面都具有重大意义。

研究表明，厚度为0.006～0.012 mm 地膜具有显著的增温保墒效应，地膜越厚，增温效应越强，保墒效果越好[8]。另外，有研究表明，增加地膜厚度对玉米产量有显著影响，在玉米生长的苗期、拔节期，随着地膜厚度的增加，玉米长势愈加健壮，株高、茎粗和叶面积指数增大，最终起到增产效果[9]。此外，地膜厚度不仅直接影响作物产量，还与地膜回收有密切的关系。有研究发现，厚地膜韧性大，抗拉伸性能强，回收时不易破损，提高了回收率；而薄地膜强度低，由于高温暴晒、风化、人为因素等，导致地膜破损成小块，回收率低[10-11]。

与全生育期覆膜相比，在玉米生殖生长时期，吐丝期揭膜土壤累积温度降低33～45 ℃，从而延缓叶片衰老，增强玉米的光合作用[12]。另外，有研究表明，提前揭膜能够增加棉花的单株铃数，叶片中叶绿素含量、可溶性物质增加，使棉花更好地从营养生长向生殖生长转化，显著增加了棉花产量和品质[13]。冯建军等[14]进行了玉米揭膜试验，发现在18叶揭膜显著提高了玉米百粒质量和产量，其次是11 叶揭膜处理，且玉米揭膜时间不宜在11 叶之前，提前揭膜不仅对作物生长具有调控作用，在解决残膜污染方面也发挥了重要作用。对北疆膜下滴灌早熟棉田适时揭膜，不仅能延缓棉花早衰，促进产量形成，而且有利于残膜回收，回收率高达85.56%[15-16]。史艳虎[17]对玉米进行不同时期揭膜试验，发现不同时期揭膜残膜回收率均达90%以上，总体呈现出揭膜时期越早、残膜回收率越高的趋势。

前人对地膜厚度与揭膜时间各自单因素对春玉米生长的影响研究较多，但对于双因素耦合效应对春玉米生长及残膜回收的影响研究较少。本试验为地膜厚度与揭膜时间的双因素耦合试验，通过研究不同地膜厚度与揭膜时间对旱作农田土壤水温条件、春玉米生长及地膜回收率的影响，筛选出适合黄土高原地区春玉米增产的较优地膜使用厚度与揭膜时间，同时提高残膜回收率，在保证玉米产量的同时有效减少残膜污染，旨在为进一步优化西北旱作农区田间覆膜管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验于2020—2021年在中国科学院长武黄土高原农业生态试验站（35°12'N，107°40'E）进行。该试验站位于黄土高原中南部，海拔1 200 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降雨量为584 mm，主要集中在7—9月，年均温9.1 ℃，无霜期171 d，无灌溉条件，属于旱作雨养农业区。试验田土壤为黑垆土，试验前试验田0～20 cm 土层土壤基本理化性质为：全氮0.76 g/kg，有机质14.42 g/kg，碱解氮59.76 mg/kg，速效磷8.37 mg/kg，速效钾151.25 mg/kg，pH 值为8.25。

1.2 试验材料

供试地膜为普通聚乙烯薄膜，由山西省运城市开拓塑料有限公司提供；供试玉米品种为先玉335，由山东登海先锋种业有限公司提供。

1.3 试验设计

本试验为两因素随机区组试验，设置3 个地膜 厚 度，即H1. 0.008 mm，H2. 0.010 mm，H3.0.012 mm；2 个揭膜时间，即T1.抽雄期揭膜，T2.收获后揭膜，共6 个处理，每个处理3 次重复，共18 个小区，小区面积为36 m2（8.0 m×4.5 m）。试验地施用纯N 225 kg/hm2、纯P 40 kg/hm2、纯K 80 kg/hm2，肥料为一次性施入，然后进行旋耕。2020年春玉米于5月10日播种和10月3日收获，2021年于5月5日 播 种 和9月28日收获，采用垄沟半膜双行种植方式，春玉米种植在垄两侧的沟里，垄宽60 cm，沟宽60 cm，种植株距为25 cm，行距为60 cm，种植密度6.5 万株/hm2，其余田间管理采用农户常规管理方式。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤贮水量和水分利用效率测定 测定春玉米拔节期（V6）、抽雄期（VT）、乳熟期（R3）和成熟期（R6）土壤含水量，其方法是在小区中间部位随机选点，在种植行春玉米株间对0～200 cm 土层进行取样，每20 cm 为一层，所取土样混匀后取其中一部分立即装入铝盒供测定湿土质量，在105 ℃下烘干后测定土壤含水率；同时，采用环刀法以20 cm 为一个土层，测定0～200 cm 各土层土壤容重，进而计算0～200 cm 土壤贮水量、耗水量及水分利用效率。

式中，W为土壤含水率（%），M1为土壤湿质量和铝盒质量（g），M2为土壤干质量和铝盒质量（g），M为铝盒质量（g）。

式中，SW为各土层总土壤贮水量（mm），hi为各土层深度（cm），γi为各土层土壤容重（g/cm3），wi为各土层土壤含水率（%）。

式中，ΔSW为各土层总土壤贮水耗水量（mm），SW1为播前各土层总土壤贮水量（mm），SW2为收获后各土层总土壤贮水量（mm）。

式中，ET为各土层生育期内土壤总耗水量（mm），I为灌溉量（mm），P为生育期降雨量（mm），U为地下水补给量（mm），R为地表径流量（mm），F为深层渗漏量（mm）。

本试验地为无灌溉区，地势平缓，地下水埋深50～80 m，降水入渗深度不超过2 m，故I、U、R、F都可忽略不计，故土壤耗水量公式可简化为式（5）。

式中，WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm）），GY为玉米籽粒产量（kg/hm2）。

1.4.2 土壤温度测定 于春玉米三叶期（V3）、拔节期、抽雄期、乳熟期和成熟期，用手持插入式数显地温计（LCD-110 型，衡水创纪仪器仪表有限公司）测定5 cm 土层土壤温度，测定时间为8：00、14：00、20：00，取其平均值作为日平均土壤温度，每个生育时期连续观测3 d，取其平均值作为该生育时期日平均土壤温度。

1.4.3 干物质积累量测定 在春玉米生长的三叶期、拔节期、抽雄期、乳熟期和成熟期，每小区随机选取玉米植株5 株，并按器官进行分样，然后装入牛皮纸袋中，在105 ℃烘箱内杀青30 min，然后在75 ℃烘干至恒质量，并称其质量得各器官干物质积累量和整株植株干物质积累量。

1.4.4 产量及产量构成因素测定 成熟期每小区随机选取5 个玉米穗，测定穗长、穗粗、穗行数和行粒数，计算出穗粒数，然后人工脱粒，测定其百粒质量；每小区随机选取20 个玉米穗，自然风干后，进行人工脱粒和称质量，并测定其中水分含量，进而计算单位面积籽粒产量（14%含水量）。

1.4.5 地膜回收率测定 于春玉米生长的抽雄期和玉米收获后，在每个小区中间选取5 m2的区域，人工揭除残留地膜，将采集到的残膜带回实验室，去除杂草和泥土，将残膜展开后进行超声波清水洗涤，然后用滤纸吸干残膜上的水分，在干燥阴凉处自然晾干后称质量。

1.5 数据分析

用Excel 2019进行数据处理，用SPSS 23.0分析软件进行方差分析，利用Origin 2018软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 地膜厚度与揭膜时间对不同生育时期0～200 cm 土壤贮水量的影响

从表1 可以看出，地膜厚度显著影响拔节期和抽雄期土壤贮水量。2020年试验中，在春玉米生长的拔节期，厚地膜蓄水效果显著好于薄地膜，随地膜厚度的增大贮水量显著增高（P<0.05），在春玉米生长的抽雄期，各处理间贮水量差异不显著。2021年试验中，在春玉米生长的拔节期和抽雄期，随地膜厚度的增加，土壤贮水量显著增加，表现出H3 处 理>H2 处 理>H1 处 理。

表1 不同处理下春玉米各生育阶段土壤贮水量Tab.1 Soil water storage at different growth stages of spring maize under different treatments mm

在春玉米生长的乳熟期和成熟期，地膜厚度对贮水量的影响逐渐减弱，揭膜时间显著影响土壤贮水量。在春玉米生长的乳熟期，抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1 处理下，2 a 分别降低贮水量3.07%、7.53%，在H2 处理下，2 a 分别降低贮水量3.07%、6.95%，在H3 处理下，2 a 分别降低贮水量1.47%、11.05%，另外，地膜厚度与揭膜时间两因素交互作用对土壤贮水量产生显著影响（P<0.05）。在春玉米生长的成熟期，抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1处理下，2 a 分别降低贮水量1.46%、1.92%，在H2处理下，2 a 分别降低贮水量1.94%、2.71%，在H3处理下，2 a 分别降低贮水量2.23%、2.56%。

2.2 地膜厚度与揭膜时间对不同生育时期5 cm 土层土壤温度的影响

从表2 可以看出，在春玉米生长的三叶期至抽雄期，地膜厚度对5 cm 土层土壤温度产生显著影响。在春玉米生长的三叶期、拔节期和抽雄期，H3厚度处理土壤温度显著高于H1、H2 厚度处理，H2厚度处理显著高于H1 厚度处理（P<0.05）。

表2 不同处理5 cm 土层土壤温度Tab.2 Soil temperature in 5 cm soil layer of different treatments ℃

在春玉米生长的乳熟期，2 a 数据均表明，地膜厚度与揭膜时间均对土壤温度产生显著影响，厚地膜土壤温度显著高于薄地膜，抽雄期揭膜土壤温度显著低于收获后揭膜，地膜厚度与揭膜时间的交互作用对乳熟期土壤温度产生显著影响（P<0.05）。在2020年春玉米生长的成熟期，各处理间温度差异不显著，在2021年春玉米生长的成熟期，地膜厚度对土壤温度影响不显著，揭膜时间对土壤温度产生显著影响（P<0.05），在H1、H2、H3 厚度处理下，抽雄期揭膜较收获后揭膜分别降低土壤温度4.70%、8.53%、9.93%。

2.3 地膜厚度与揭膜时间对不同生育时期干物质积累量的影响

从图1 可以看出，地膜厚度与揭膜时间均对春玉米生育期内干物质积累量产生显著影响。2 a 田间试验中，在春玉米生长的三叶期、拔节期和抽雄期，地膜厚度对干物质积累量产生显著影响，均表现出H3 厚度处理干物质积累量最高，显著高于H1和H2 厚度处理（P<0.05）。在春玉米生长的三叶期，H3 厚度处理较H1 厚度处理2 a 分别增加干物质积累量49.79%、52.44%，较H2 厚度处理2 a 分别增加17.42%、17.92%；在春玉米生长的拔节期，H3 厚度处理较H1 处理2 a 分别增加干物质积累量29.58%、36.18%，较H2 处理2 a 分别增加干物质积累量15.68%、18.22%；在春玉米生长的抽雄期，H3厚度处理较H1 处理2 a 分别增加干物质积累量12.63%、16.28%，较H2 处理2 a 分别增加干物质积累量8.04%、11.95%。

图1 不同处理春玉米干物质积累动态Fig.1 Dynamic of dry matter accumulation of spring maize in different treatments

2020年试验中，在春玉米生长的乳熟期和成熟期，地膜厚度与揭膜时间均对干物质积累量产生显著影响，H3 厚度处理干物质积累量显著高于H1 和H2 处理，抽雄期揭膜干物质积累量显著高于收获后揭膜（P<0.05）。2021年试验中，在春玉米生长的乳熟期和成熟期，地膜厚度对干物质积累量无显著影响，抽雄期揭膜较收获后揭膜显著提高了干物质积累量（P<0.05）。

2.4 地膜厚度与揭膜时间对春玉米产量及产量构成因素的影响

由表3 可知，地膜厚度与揭膜时间显著影响春玉米籽粒产量（P<0.05），随着地膜厚度的增大籽粒产量提高，抽雄期揭膜较收获后揭膜提高了春玉米籽粒产量。在抽雄期揭膜处理下，H3 处理较H1处理2 a 分别提高籽粒产量7.86%、4.74%，较H2处理2 a 分别提高4.11%、1.31%；在收获后揭膜处理下，H3 处理较H1 处理2 a 分别提高籽粒产量14.72%、5.47%，较H2 处理2 a 分别提高4.07%、2.89%。抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1 处理下，2 a分别提高产量18.80%、10.67%，在H2 处理下，2 a分别提高产量11.65%、11.62%，在H3 处理下，2 a分别提高产量11.70%、9.90%。

表3 不同处理春玉米产量及产量构成因素Tab.3 Yield and yield components of spring maize in different treatments

地膜厚度与揭膜时间显著影响春玉米穗长、行粒数、穗粒数和百粒质量，但对穗直径和穗行数影响不显著。H3 处理较H1、H2 处理显著提高了春玉米穗长、行粒数、穗粒数和百粒质量，并随地膜厚度增加而增加，抽雄期揭膜较收获后揭膜显著提高了穗长、行粒数、穗粒数和百粒质量（P<0.05）。

2.5 地膜厚度与揭膜时间对水分利用效率的影响

地膜厚度与揭膜时间对春玉米水分利用效率的影响如表4 所示。

表4 不同处理春玉米水分利用效率Tab.4 Water use efficiency of spring maize in different treatments

由表4 可知，揭膜时间显著影响收获期2 m 土壤贮水量、耗水量和水分利用效率，地膜厚度显著影响水分利用效率（P<0.05），但对收获期土壤贮水量和耗水量影响不显著。在耗水量方面，抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1 处理下，2 a 分别增加耗水量2.62%、2.10%，在H2 处理下，2 a 分别增加耗水量3.56%、3.14%，在H3 处理下，2 a 分别增加耗水量4.56%、4.64%。在水分利用效率方面，在抽雄期揭膜处理下，H3 处理较H1 处理2 a 分别提高水分利用效率7.66%、4.39%，较H2 处理2 a 分别提高3.65%、0.82%；在收获后揭膜处理下，H3 处理较H1 处理2 a 分别提高水分利用效率16.66%、7.73%，较H2 处理2 a 分别提高4.67%、3.89%。抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1 处理下，2 a 分别提高水分利用效率15.71%、8.39%，在H2 处理下，2 a 分别提高水分利用效率7.84%、8.22%，在H3 处理下，2 a 分别提高水分利用效率6.79%、5.03%。

2.6 地膜厚度与揭膜时间对地膜回收率的影响

由图2 可知，地膜厚度与揭膜时间均对地膜回收率产生显著影响（P<0.05）。在抽雄期揭膜处理下，H3 处理较H1 处理2 a 分别提高地膜回收率15.04%、13.76%，较H2 处理2 a 分别提高地膜回收率6.92%、8.83%；在收获后揭膜处理下，H3 处理较H1 处理2 a 分别提高地膜回收率14.24%、17.84%，较H2 处理2 a 分别提高地膜回收率6.02%、7.67%。抽雄期揭膜较收获后揭膜在H1 处理下，2 a 分别提高地膜回收率7.00%、11.71%，在H2 处理下，2 a 分别提高地膜回收率6.84%、6.69%，在H3 处理下，2 a 分别提高地膜回收率7.75%、7.84%。

图2 不同处理地膜回收率Fig.2 Recovery rates of mulching film in different treatments

3 讨论

3.1 地膜厚度与揭膜时间对土壤水温和春玉米生长的影响

张和琴等[18]研究指出，地膜厚度显著影响了土壤温度，厚地膜较薄地膜来说，具有更好的增温保墒效果，提高了春玉米的出苗率和干物质积累量，产量也有所提高。唐文雪等[19]研究指出，地膜厚度为0.010、0.012 mm 时，随地膜厚度增加，玉米节根数、根干质量、地上部干质量、株高及叶面积均呈增大趋势。另有研究发现，增加覆膜厚度可提高南瓜地膜下0～5 cm 土层土壤温度，但对地膜下0～20 cm土壤水分含量无显著影响[20]。本试验表明，与生产上常用的0.008～0.010 mm 厚度地膜覆盖相比，0.012 mm 厚度地膜覆盖能够更好地抑制土壤水分蒸发，保水效果更好，增加了春玉米拔节期至抽雄期0～200 cm 土层土壤贮水量，并且对春玉米生育前期表层土壤具有显著的增温效果，从而促进春玉米生长，提高了春玉米籽粒产量和水分利用效率。

王俊等[21]研究指出，地膜覆盖的增温保墒作用利于作物前期生长和水分利用，在生育后期覆膜，作物根系发育受到抑制，作物蒸散量和水分利用效率下降，影响产量的形成。史艳虎[17]研究指出，不同时期揭膜对土壤含水量影响较大，苗期揭膜处理土壤含水量最低，不揭膜处理土壤含水量最高，随着揭膜时期的提早土壤含水量呈下降趋势，在产量方面，灌浆期揭膜的玉米产量最高。另有研究表明，抽雄期揭膜籽粒产量和水分利用效率均优于拔节期揭膜和全生育期覆膜[22]。蒋耿民等[23]研究表明，抽雄期揭膜能够增加夏玉米产量及水分利用效率，是陕西省关中地区最适揭膜时间。本试验表明，与目前生产上春玉米普遍采用的收获后揭膜相比，抽雄期揭膜后由于春玉米生长后期无地膜覆盖，有效降低了表层土壤温度，缓解了春玉米生育后期高温造成的早衰现象，使春玉米生育后期长势较好，提高了春玉米干物质积累量，同样也增加了土壤耗水，降低了生育后期土壤贮水量，增加了春玉米籽粒产量，提高了水分利用效率。

3.2 地膜厚度与揭膜时间对地膜回收率的影响

地膜厚度不仅直接关系到土壤保温、保湿等性能，还与土壤中农膜残留有密切的关系。有研究表明，地膜越厚，捡拾效率越高，捡拾回收率越高[24]。曹健等[25]研究指出，地膜越薄，越易老化，农膜回收越困难，残留量越大。本研究同样也发现，与0.008、0.010 mm 厚度地膜覆盖相比，0.012 mm 厚度地膜覆盖提高了地膜的机械强度，使地膜在玉米整个生育期不被杂草、高温暴晒和人为因素等破坏，同时回收拾捡地膜时因其较强的韧性更有利于回收，提高地膜回收率。

刘海[26]研究表明，大喇叭口期揭膜既能很好地利用地膜的覆盖效果，提高产量，又能减少地膜残留，玉米产量和残膜可回收性最佳耦合点为大喇叭口期揭膜。本研究表明，与目前生产上春玉米普遍采用的收获后揭膜相比，抽雄期揭膜能够减少地膜在田间存留的时间，减少生育后期地膜不必要的破损，能够有效提高地膜回收率，抽雄期揭膜是黄土高原中南部旱作农区玉米产量和残膜可回收性最佳耦合的揭膜时间点。与此同时，考虑到残膜机械化回收的问题，抽雄期揭膜不利于机械作业，人工揭膜一定程度上降低了工作效率，增加了实际生产中的成本，最终会影响到经济效益，应综合考虑抽雄期揭膜的生产推广问题。

4 结论

本研究认为，与生产上常用的0.008～0.010 mm厚度地膜覆盖相比，0.012 mm 厚度地膜覆盖能够改善土壤水温条件，促进春玉米生长，提高春玉米籽粒产量和水分利用效率。与目前生产上春玉米普遍采用的收获后揭膜相比，抽雄期揭膜降低了春玉米生育后期的土壤温度，缓解了生育后期高温造成的早衰问题，显著提高了春玉米籽粒产量和水分利用效率。另外，0.012 mm 厚度地膜覆盖和抽雄期揭膜显著提高了地膜回收率。因此，0.012 mm厚度地膜覆盖和抽雄期揭膜是黄土高原雨养农业区春玉米既增产又生态环保的理想覆膜管理模式。