滴灌条件下不同覆盖材料对玉米产量效益及土壤水分的影响

2024-02-27崔云玲张立勤唐文雪杨蕊菊汤莹

甘肃农业科技 2024年1期

崔云玲张立勤唐文雪杨蕊菊汤莹

摘要：為探明不同覆盖材料对滴灌水肥一体化条件下玉米产量和土壤水分分布的影响，以普通PE地膜和裸地为对照，分析全生物降解膜、加厚PE地膜、玉米秸秆等3种材料覆盖下对玉米产量和水分的影响。结果表明，玉米秸秆、加厚PE地膜和生物降解膜覆盖后玉米产量为13 114.5～13 708.5 kg/hm2，较普通PE地膜增产1.4%～6.0%；水分利用效率为24.17～25.11 kg/（mm·hm2），较普通PE地膜提高2.3%～3.8%。产值与效益均高于普通PE地膜，均以玉米秸秆处理最高，分别为38 383.8、24 283.8元/hm2；生物降解膜次之，分别为37 674.0、21 624.0元/hm2；加厚PE 地膜排第3，分别为36 720.6、21 570.6元/hm2。收获后覆盖处理土壤水分均呈典型的“双峰”曲线，上层含水量高于下层，对深层土壤水分影响较大。在降水量低、蒸发量高的沿黄灌区，覆膜的主要作用是减蒸保水，用可生物降解的环保型降解地膜、易回收型的加厚PE地膜或固炭培肥型的秸秆替代普通PE膜可行。

关键词：滴灌；覆盖材料；玉米；产量效益；水分利用效率；土壤水分分布

中图分类号：S513 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2024）01-0057-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.01.010

Effects of Mulching Materials on Maize Yields， Economic Benefits and

Soil Moisture Distribution under Drip Irrigation

CUI Yunling， ZHANG Liqin， TANG Wenxue， YANG Ruiju， TANG Ying

（Institute of Soil， Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to explore the effects of mulching materials on maize growth， yield， economic benefits and soil moisture distribution under the integrated condition of drip irrigation， fully biodegradable film， thickened plastic film， and straw wereusedas the research objects and traditional bare land planting and ordinary PE film were used as a control to study the effects of different mulching materials onmaize yieldand soil moisture distribution. The results showed that yield and wateruse efficiency（WUE） of maize covered with straw， thickened PE film， and biodegradable film were 13 114.5 to 13 708.5 kg/ha and 24.17 to 25.11 kg/（mm·ha）， respectively which were 1.4 to 6.0% and 2.3% to 3.8% higher than that of PE film， respectively. The output value andeconomic benefits of straw， thickened PE film， and biodegradable film covering were higher than those of PE film and bare land and peaked understraw cover （38 382.0 and 24 282.0 Yuan/ha， respectively）， and followed by biodegradable film （37 674.0 and 21624.0 Yuan/ha， respectively） and thickened PE film（36 718.5 and 21 568.5 Yuan/ha， respectively）. The soil moisture in the ground mulching treatment showed a typical 'bimodal' curve， and the deep soil moisture was lower than that bare land after harvesting. In irrigation areas along the Yellow River with low rainfall and high evaporation， the main function of mulching is to reduce evaporation and retain soil moisture. It is completely feasible to replace ordinary PE film with biodegradable and environmentally friendly degradable film， easily recyclable thickened PE film， or straw for carbon fixation and fertilization.

Key words： Drip irrigation; Mulching material; Maize; Yield and Economic benefit; Water use efficiency; Soil moisture distribution

沿黄干旱灌区年降水量约180 mm，而蒸发量在2 500 mm以上，蒸发量是降水量的10倍以上。降水量低且降水时空分布与玉米需水期严重错位，70%的降水集中在7 — 9月份。灌水和保持土壤水分是保证作物产量的重要措施。秸秆或地膜覆盖地表是旱作农业生产中普遍应用的保墒措施。秸秆覆盖能够增加土壤有机质和养分含量、降低土壤容重、调节地表温度、抑制杂草生长，覆盖秸秆后减少土壤水分散失，显著提高作物水分利用效率［1 - 2 ］。鲁向晖等［2 ］的研究表明，与不覆盖相比，秸秆覆盖可提高春玉米产量3.5%，水分利用效率16.5%。刘超等［3 ］的研究表明，秸秆覆盖夏玉米增产潜力大，是一种值得推广的玉米增产措施。

不少研究表明，地膜覆盖能够改善土壤微环境，贮水保墒，提高作物产量及水分、养分利用效率［4 - 8 ］。但也有学者发现，地膜覆盖并不一定会提高作物产量，如薛少平等［9 ］的研究表明，地膜覆盖当年具有明显的增产效果，但次年作物产量即开始下降。李凤民等［10 ］的研究也表明，地膜覆盖后由于土壤水分和肥力消耗过大，在严重干旱年份会导致产量显著下降。张永涛等［11 ］的研究表明，地膜覆盖显著增加土壤贮水量30％，土壤蒸散量减少50%，降低水分亏缺15%以上，并能加快作物生育进程，作物产量平均提高42.3%。但随着地膜栽培的大面积使用，普通地膜覆盖导致的环境污染问题日趋加重，可降解膜、加厚地膜和秸秆等新型覆盖材料的开发与利用倍受廣大学者关注。可降解地膜由于其基本构成成分、试验地气候条件以及覆盖方式的差异，其应用效果不尽相同［12 - 13 ］。我们选用加厚PE地膜、全生物可降解膜、玉米秸秆3种覆盖材料，结合前人的研究基础，研究了秸秆、全生物可降解地膜和加厚PE地膜覆盖对春玉米产量及水分利用的影响，以探讨3种覆盖材料替代普通地膜的可行性，以期解决该区域玉米田残膜污染问题。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022年4 — 10月在景泰条山农场（103° 33′～104° 43′ E，36°43′～37° 38′ N，海拔1 610 m）实施。试验区域年均降水量185.6 mm，蒸发量2 860 mm，≥10 ℃的有效积温3 038 ℃。通过黄河水提灌实施灌溉，作物需水高峰期轮灌周期长，不能保证正常供水，滴灌是缓解供水矛盾、确保作物需水的重要措施。供试土壤为灌淤土，质地砂壤。播前耕层土壤含有机质12.8 g/kg、全氮0.97 g/kg、碱解氮65.3 mg/kg、有效磷30.5 mg/kg、速效钾183.0 mg/kg，全盐0.36 g/kg，pH 8.5。

1.2 试验材料

普通PE地膜，白色，幅宽70 cm，厚0.010 mm（甘肃济洋塑料有限公司生产）；生物降解膜，黑色，幅宽70 cm，厚0.010 mm（兰州鑫银环橡胶制品有限公司生产）；加厚PE地膜，白色，膜宽70cm，厚0.015 mm（兰州鑫银环橡胶制品有限公司生产）。覆盖用秸秆为上年收获的玉米秸秆。指示玉米品种为皆丰1159。

1.3 试验方法

试验共设5个处理：（1）不覆膜（CK1）；（2）普通PE地膜（CK2）；（3）生物降解膜；（4）加厚PE地膜；（5）玉米秸秆，拔节期行间覆盖。覆膜时间为播种前7 d（4月10日），膜下中间铺1条滴灌带。试验随机区组设计，3次重复，小区面积55 m2。采用滴灌水肥一体化栽培方式，宽窄行平作种植，带幅100 cm（40 cm+60 cm），滴灌带均在窄行铺设（一膜一带），行距50 cm、株距20 cm，密度10万株/hm2。4月16日播种，播种后滴水灌溉450 m3/hm2。玉米生育期灌水量3 450～7 650 m3/hm2，自拔节期（6月初）开始滴灌，收获前20 d（9月下旬）停止滴灌，滴灌频率8～12 d/次，单次滴水量375～600 m3/hm2。通过滴灌系统施入N 300 kg/hm2，P2O5 120 kg/hm2。10月15日收获。

1.4 测试项目及方法

1.4.1 土壤水分分别在覆盖前、收获后采用烘干法测定0～100 cm土层土壤含水量。每小区沿斜线确定3个采样点，在膜面正中取土样，测定层次分别为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，测定值加权平均。

土壤贮水量=土壤含水量×土壤容重×土层深度

土壤含水量=［（湿土质量-烘干土质量）/烘干土质量］×100%

1.4.2 农艺性状、产量及水分利用效率玉米成熟后按小区测产，并随机取10株调查农艺性状。采用水分平衡方程计算耗水量，并计算水分利用效率。

水分利用效率（WUE）=籽粒产量/耗水量

1.5 数据处理

采用Excel 2007和SPSS17等统计分析软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖材料对玉米农艺性状的影响

在种植密度相同时，穗粒数和百粒重是影响玉米产量的主要因素。从表1可以看出，各覆盖处理对玉米各农艺性状均有一定的影响。与CK1相比，在地膜覆盖（加厚PE地膜、生物降解地膜）条件下，玉米的株高、穗位高均有所降低；穗长、穗粒数和百粒重均有所增加，其中穗长增加3.6%～5.4%，穗粒数增加8.1%～10.9%，百粒重增加0～9.0%，差异均不显著；玉米秸秆条件下，玉米株高、穗位高、穗长、穗粒数、百粒重分别增加14.8%、19.0%、5.4%、14.5%、9.0%，玉米秸秆处理的株高、穗位高、穗粒数均与CK1差异显著。与CK2相比，加厚PE膜、生物降解膜各农艺性状变化不大；玉米秸秆处理的株高、穗位高、穗长、穗粒数、百粒重分别增加22.8%、23.3%、1.7%、5.9%、5.1%，其中穗位高与CK2差异显著，其余性状与CK2差异不显著。不同覆盖材料处理下玉米综合效应表现为玉米秸秆 > 普通PE地膜（CK2） > 加厚PE地膜 > 生物降解膜 > 不覆膜（CK1）。覆膜后玉米株高、穗位高较不覆膜和玉米秸秆处理降低的主要原因可能是覆膜加快了玉米前期的生长发育进程所致，而后期的花粒期正值8月份高温期，地膜的降温作用反而不如露地和玉米秸秆，对玉米的后期生长发育产生不利影响。

2.2 不同覆盖材料对玉米产量和水分利用效率的影响

从表2可知，覆盖栽培对玉米产量和水分利用效率均有影响。在地膜和玉米秸秆条件下，玉米产量为12 931.5～13 708.5 kg/hm2，较CK1增产1 572.5～2 349.0 kg/hm2，增幅13.8%～20.7%；水分利用效率为24.17～25.11 kg/（mm·hm2），较CK1提高7.7%～11.9%。与CK2相比，加厚PE地膜、生物降解地膜和玉米秸秆增产1.4%～6.0%，水分利用效率提高2.3%～3.8%。对产量进行方差分析表明，加厚PE地膜、生物降解膜与CK1和CK2差异不显著；玉米秸秆与CK2差异不显著，与CK1差异达显著水平。说明在降水量低，蒸发量高的沿黄灌区，覆盖能够起到增加产量、提升水分利用效率的作用。从产量和水分利用效率综合考虑，不同覆盖材料处理下玉米产量和水分利用效率均表现为玉米秸秆 > 生物降解膜 > 加厚PE地膜 > 普通PE地膜（CK2） > 不覆膜（CK1），但各覆盖处理间差异均不显著。可见，用可降解型的环保生物降解膜、易回收型的加厚PE膜或固炭培肥型的秸秆进行覆盖替代普通PE膜可行。

2.3 不同覆盖材料对经济效益的影响

由表3可知，各处理在种子、化肥、农药、灌水、机耕等方面的投入相同，但总投入存在较大差异。各处理的总投入为生物降解膜 > 加厚PE地膜 > 普通PE地膜（CK2） > 玉米秸秆 > 不覆膜（CK1）。生物降解膜处理的投入最高，为16 050.0元/hm2；加厚PE地膜处理次之，为15 150.0元/ hm2；普通PE地膜处理居第3，为14 850.0元/hm2；玉米秸秆和不覆膜（CK1）处理较低，分别为14 100.0元/hm2和12 450.0元/hm2。生物降解地膜和加厚PE地膜的投入相对较高。

从表3还可以看出，各处理总产值、投入、纯收入、产投比存在较大差异。产值、纯收益由大到小依次为玉米秸秆、生物降解膜、加厚PE地膜、普通PE地膜（CK2）、不覆膜（CK1）。产值以玉米秸秆处理最高，为38 383.8元/hm2，较CK1增收6 577.2元/hm2，较CK2增收2 175.6元/ hm2；生物降解膜和加厚PE地膜较好，产值分别为 37 674.0、36 720.6元/hm2。纯收益以玉米秸秆处理最高，为24 283.8元/hm2；生物降解膜和加厚PE地膜较好，分别为21 624.0、21 570.6元/hm2。产投比表现为玉米秸秆 > 不覆膜（CK1） > 普通PE地膜（CK2） > 加厚PE地膜 > 生物降解膜。在产量水平相当的情况下，纯收益和产投比的高低与投入呈显著负相关。综合考虑不同处理的经济效益，以玉米秸秆处理最好，其次是加厚PE地膜处理，普通PE地膜（CK2）排第3，生物降解膜处理为第4。

2.4 不同覆盖材料收获后土壤水分分布的影响

土壤含水量直接反映出土壤水分的丰缺程度。有研究表明，膜下滴灌条件下0～40 cm土层玉米根质量占总根质量的80%以上［14 ］。从表4可知，与播种前相比，收获后0～100 cm土层土壤贮水量表现为不覆盖（CK1）处理增加12.9%，覆盖各处理均表现为降低趋势，降幅2.9%～13.1%。种植一茬作物后，不覆盖处理更有利用土壤水分保蓄，较覆盖处理土壤贮水量增加24.1～39.7 mm，提高16.3%～ 30.0%。耗水量表现为玉米秸秆 > 生物降解膜 > 普通PE地膜 > 加厚PE地膜 > 不覆膜，与水分利用效率表现完全一致。

从图1可看出，不覆盖（CK1）处理随着土层深度的增加土壤水分呈持续增加的趋势，其余处理均表现为先增加后降低再增加的趋势。与不覆膜（CK1）相比，覆盖后0～40 cm土层的土壤含水量增加0.57～1.53个百分点，增幅7.5%～16.3%，表现为与玉米主根系分布高度吻合。0～40 cm土層土壤平均含水量玉米秸秆 > 普通PE地膜 > 加厚PE地膜 > 生物降解膜 > 不覆膜；40～100 cm土层的土壤含水量均降低，其中40～80 m土层的土壤含水量下降明显，同层次含水量下降2.02～6.26个百分点，降幅17.4%～45.6%，该土层土壤平均含水量表现为玉米秸秆 < 降解膜 < 普通PE地膜（CK2） < 加厚PE地膜 < 不覆膜（CK1），与耗水量和产量成反比，说明不同覆盖措施主要通过提升该层次土壤水分至根层确保玉米对水分的利用，覆盖各处理与CK1间差异均达显著水平，但两两间差异均不显著。与普通PE地膜（CK2）相比，玉米秸秆、加厚PE地膜和生物降解膜0～40 cm土层土壤含水量变化甚小，40～100 cm土层的土壤含水量差异较大，但各处理变化不尽一致，其中40～80 cm土层土壤含水量玉米秸秆和生物降解膜处理有所降低，印证了玉米秸秆、生物降解膜产量和水分利用效率提高的原因。

在生育期地面覆盖后加大了对深层水分的利用，玉米产量与耗水量成正比，与土壤贮水量成反比。说明在玉米需水的高峰期外界供水不足或不能及时补充水分时，覆盖可通过有效提升40～80 cm土层土壤水分向上层移动来确保作物对水分的需求。因此覆盖各处理收获后土壤水分均呈现典型的“双峰”曲线，对地下水补充量相对减少，是覆盖种植技术的不利因素，应采取措施进行水分补充，以确保土壤水库有一定的贮蓄量。这与匡恩俊等［21 ］研究结果有所不同。

3 讨论与结论

地面覆盖栽培通过改变农田微环境进而改善土壤水热状况，促进协调作物生长来提高产量。因增温保水和增产增收效果显著，普通PE地膜已在干旱区农业生产中普遍应用，但其长期使用所带来的土壤地膜残留污染已引起广泛关注。近年来，地膜减量或替代技术成为缓解“白色污染”的研究热点，玉米秸秆、生物降解膜和加厚地膜是有望替代普通PE地膜的覆盖材料。覆膜通过改善土壤水分、温度、微生物活性等条件而影响作物生长，进而影响作物生育进程和产量［15 - 17 ］；玉米秸秆能促进土壤养分和水分的提高，调节土壤温度，提高玉米产量和水分利用效率［18 - 20 ］；与普膜覆盖相比，降解膜能够提高玉米产量和水分利用效率［21 － 22 ］。与不覆膜相比，生物降解膜能够显著提高玉米产量［23 - 25 ］。在本研究中，生物降解膜、加厚PE地膜、玉米秸秆的效应与普通地膜相当，能加快玉米生育进程、提高玉米产量，这与申丽霞等［26 ］研究一致。

沿黄灌区光温资源丰富，在不影响玉米成熟的前提下，覆膜处理在中后期的主要作用是防止棵间蒸发，保持土壤水分。而秸秆覆盖在有效解决土壤水分问题的同时保持了较低的土壤温度，更有利于玉米的生长发育。在中部沿黄灌区滴灌水肥一体化栽培条件下，覆盖处理的玉米产量和水分利用效率均高于不覆膜的对照，与普通PE地膜相比，玉米秸秆、加厚PE地膜和生物降解膜覆盖后玉米产量为13 114.5～13 708.5 kg/hm2，增产1.4%～6.0%；水分利用效率为24.17～25.11 kg/（mm·hm2），提升2.3%～3.8%。产值与效益均高于普通PE地膜和裸地，均以玉米秸秆处理最高，分别为38 382.0、24 282.0元/hm2；生物降解膜次之，分别为 37 674.0、21 624.0元/hm2；加厚PE地膜排第3，分别为36 718.5、21 568.5元/hm2。玉米产量和水分利用效率由高到低依次均为玉米秸秆、生物降解膜、加厚PE地膜，产值与纯收效表现相同。地面覆盖处理收获后土壤水分均呈现典型的“双峰”曲线，0～60 cm土层的水分含量高于不覆盖处理，而60～100 cm土层的水分含量低于不覆盖处理。在降水量低、蒸发量高的沿黄灌区，地面覆盖的主要作用是减蒸保水，用可生物降解的环保型降解膜、易回收型的加厚PE地膜或固炭培肥型的秸秆进行覆盖来替代普通PE地膜是可行的。如果不考虑生产成本，这3种覆盖材料均可在一定程度上替代普通PE地膜，但从增碳增肥和环保角度考虑，在玉米拔节期行间进行秸秆覆盖，无论是保墒还是后期降低土温均优于覆膜处理，可以在该区域应用。

参考文献：

［1］杨荣光，毕建杰，王升国．秸秆覆盖对麦田土壤含水量及麦生长状况的影响［J］．山东农业科学，2009（2）：43-44．

［2］鲁向晖，高鹏，王飞．宁夏南部山区秸秆覆盖对春玉米水分利用及产量的影响［J］．土壤通报，2008，

39（6）：1248－1251．

［3］刘超，汪有科，湛景武．秸秆覆盖量对夏玉米产量影响的试验研究［J］．灌溉排水学报，2008，27（4）：64-66．

［4］王俊，李凤民，宋秋华，等．地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响［J］．应用生态学报，2003，

14（2）：205-210．

［5］李建奇．地膜覆盖对春玉米产量、品质的影响机理研究［J］．玉米科学，2008，16（5）：87-92，97.

［6］王喜庆，李生秀，高亚军．地膜覆盖对旱地春玉米生理生态和产量的影响［J］．作物学报，1998，24（3）：348-353．

［7］闫根海，杨晓军，王斌．地膜覆盖对玉米产量及其土壤状况的影响［J］．安徽农业学报，2010，38（12）：6405-6406，6413．

［8］钟良平，邵明安，李玉山．农田生态系统生产力演变及驱动力［J］．中国农业科学，2004，37（4）：510-515．

［9］薛少平，朱琳，姚万生．麦草覆盖与地膜覆盖对旱地可持续利用的影响［J］．农业工程学报，2002，18（6）：71-73．