青海東部旱地玉米覆膜對(duì)產(chǎn)量及水熱效應(yīng)的影響

劉穎川，楊 凱，王金貴,2

（1青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧810016；2省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810016）

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，氣候干暖化趨勢(shì)在世界范圍內(nèi)越來越明顯，進(jìn)一步加劇了全球干旱發(fā)展趨勢(shì)[1]。在中國西北地區(qū)干旱頻率超過了80%，而適宜和濕潤的年份不到20%，氣候干旱化趨勢(shì)也在加強(qiáng)[2]。干旱缺水成為了制約中國西北干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[3]。另外，由于降水時(shí)空分布的不均性和雨季與作物生長需水時(shí)期的不一致性，能被作物吸收利用的降水僅占年總降水量的30%～ 40%，而將近60%～ 70%的降水以地表徑流和無效蒸發(fā)的方式損失，所以降水利用率僅為3～ 6 kg/(mm·hm2)[4]。研究表明地膜覆蓋栽培措施可顯著減少土壤自然蒸發(fā)的無用消耗，不僅能提高水資源的利用效率，而且能協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱[5]，使土壤環(huán)境的生產(chǎn)能力得以補(bǔ)償和形成良性循環(huán)。但也有相關(guān)研究表明在土壤墑情不佳和生育后期降雨不足的情況下地膜覆蓋對(duì)作物產(chǎn)量具有負(fù)面影響，可導(dǎo)致減產(chǎn)[6-7]。因此，如何提高水資源利用率和協(xié)調(diào)水熱資源利用的同步性是解決干旱、半干旱旱作農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[8]。筆者對(duì)青海省海東市民和縣旱地春玉米全膜覆蓋栽培與傳統(tǒng)露地栽培進(jìn)行比較研究，主要分析全膜覆膜措施對(duì)土壤水溫效應(yīng)和玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響，以期為當(dāng)?shù)睾档赜衩赘材ぴ耘嗟目沙掷m(xù)性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海東市民和縣(35°45′—36°26′N，102°26′—103°04′E)，屬高原大陸性干旱氣候，年均溫度9℃，年均降水量360 mm左右，無霜期198天。海拔最高4220 m，最低1650 m，平均海拔2200 m。全縣農(nóng)作物播種面積4.45萬hm2，其中覆膜玉米種植面積2020年超過2.67萬hm2，為青海省最大覆膜玉米種植區(qū)。試驗(yàn)地位于民和縣李二堡鎮(zhèn)祁家村(36°13′N，101°38′E)，海拔1924 m，土壤類型為栗鈣土。0～ 20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量16.95 g/kg、全氮1.12 g/kg、堿解氮86.90 mg/kg、速效磷18.61 mg/kg、速效鉀148.60 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為‘金凱3號(hào)’（玉米雜交種），于2020年4月18日覆膜點(diǎn)播，于10月5日收獲，試驗(yàn)共設(shè)全膜覆蓋（覆膜）和無膜覆蓋（無膜CK）2個(gè)處理，小區(qū)面積為20 m2，每個(gè)處理重復(fù)3次。各小區(qū)均不施基肥，播種時(shí)使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，總養(yǎng)分≥45%，施肥量為300 kg/hm2，期間在孕穗期追施尿素一次，用量為225 kg/hm2，其他管理均與大田一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

各生育期各小區(qū)選擇3個(gè)點(diǎn)連續(xù)4天定時(shí)(14:00)測(cè)定土壤溫度；用烘干法定期測(cè)定0～ 50 cm各土層土壤含水量，于成熟期用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。收獲期各小區(qū)分別取樣10株，測(cè)定單穗重，以小區(qū)實(shí)收玉米籽粒產(chǎn)量計(jì)產(chǎn)。土壤貯水量、土壤耗水量和土壤水分利用率分別用式(1)～ (3)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，采用Excel軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對(duì)玉米主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

由表1可知，相對(duì)于無膜處理，覆膜處理顯著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要經(jīng)濟(jì)性狀。覆膜處理玉米百粒重、穗粒重、株高、地上生物量（干重）和地下生物量（干重）比無膜處理分別增加了3.9 g、85.2 g、34.4 cm、7.7 g和4.6 g，分別提高了16.8%、50.6%、12.2%、4.6%和22.3%；覆膜處理每公頃籽粒產(chǎn)量比無膜處理增加了4429.3 kg，增產(chǎn)達(dá)50.6%，覆膜極顯著提高了玉米產(chǎn)量(P＜0.01)。分析表明，生長前期覆膜處理地溫增溫較快，加上地膜覆蓋相對(duì)阻斷了土壤地表水分的直接蒸發(fā)，消耗的水分多用于玉米生長時(shí)的蒸騰作用，從而使玉米早發(fā)苗、快生長，因而覆膜處理株高顯著高于無膜處理。另外，由于覆膜處理?xiàng)l件下玉米生長的水熱環(huán)境得以改善，使得玉米的營養(yǎng)生長和生殖生長達(dá)到最佳優(yōu)化，從而促進(jìn)了玉米的光合作用，有利于光合產(chǎn)物的增加。在進(jìn)入生殖生長后加速了光合產(chǎn)物從源向庫的轉(zhuǎn)移分配，因此玉米的百粒重和穗粒重均顯著增加，最終使覆膜處理籽粒產(chǎn)量極顯著增加，從而奠定了高產(chǎn)的基礎(chǔ)。

表1 不同處理對(duì)玉米農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響

2.2 覆膜對(duì)土壤水分的影響

表2為出苗期到成熟期土壤平均含水量。從表2可以看出，0～ 50 cm土層覆膜處理土壤含水量高于無膜處理。5個(gè)土層土壤含水量覆膜處理比無膜處理分別高3.2%、1.7%、1.3%、0.7%、和0.4%，其中0～ 10 cm土層土壤含水量差異顯著(P＜0.05)，其余土層差異不顯著(P＞0.05)。0～ 50 cm土層覆膜處理土壤含水量隨著土層深度的增加逐漸而減小，無膜處理土壤水量呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。由表2可知，覆膜處理?xiàng)l件下，0～ 20 cm土層土壤貯水量比無膜處理顯著增加了6.9 mm(P＜0.05)，提高了13.9%；比20～ 50cm土層增加了3.1mm，提高了4.6%，但差異不顯著(P＞0.05)。覆膜處理可有效減少蒸發(fā)，有利于表層土壤水分的蓄積。隨著土層深度的增加，與無膜對(duì)照相比，各土層土壤含水量差異逐漸減小。由此可見，通過覆膜措施則可以將這部分水保存在0～ 20 cm的表層土壤中，從而可以延長農(nóng)作物的水分利用時(shí)間，提高水分利用效率。尤其是在干旱年份，對(duì)于淺根系的玉米來說能夠保持耕層土壤的濕潤對(duì)玉米生長非常有利。由表3可知，整個(gè)生育期覆膜處理耗水量雖然比無膜處理高7.3 mm，但覆膜處理極顯著提高了玉米水分利用效率(P＜0.01)，相比于無膜處理水分利用效率增加了9.53 kg/(mm·hm2)，提高了48.1%。其原因可能在于覆膜后促進(jìn)了玉米生長，隨著葉面積指數(shù)的增大，玉米葉片蒸騰速率增大，從而提高了水分利用效率[9]。

表2 不同處理對(duì)土壤水分狀況的影響

表3 地膜覆蓋對(duì)土壤水分利用率的影響

2.3 覆膜對(duì)土壤溫度的影響

于玉米出苗期到成熟期5個(gè)生育時(shí)期定期測(cè)定了5、10、15、20 cm 4個(gè)土層的土壤溫度，覆膜和無膜處理對(duì)土壤溫度有不同的影響（圖1）。覆膜和無膜處理土壤溫度均隨生育時(shí)期的推移逐漸降低，均隨土層深度的增加而降低，覆膜處理各生育期和各土層土壤溫度均高于無膜處理。出苗期覆膜處理4個(gè)土層土壤溫度分別比無膜處理高11.5、11.0、8.0、7.5℃，拔節(jié)期分別比無膜處理高11.5、8.0、5.0、5.5℃，抽雄期覆膜處理比無膜處理分別高8.0、4.0、1.0、1.5℃，孕穗期覆膜處理比無膜處理分別高0.5、2.0、2.0、3.0℃，成熟期分別比無膜處理高2.5、2.5、2.0、2.0℃。覆膜處理5個(gè)生育時(shí)期耕層(0～ 20 cm)平均土壤溫度分別比無膜處理高9.5、7.5、3.6、1.9、2.3℃。整個(gè)生育期，覆膜處理耕層平均土壤溫度比無膜處理高4.9℃。由此可見，隨著生育時(shí)期的推移，覆膜處理對(duì)耕層土壤溫度的增溫效果逐漸減小，覆膜處理的增溫效果主要體現(xiàn)在出苗期、拔節(jié)期和抽雄期3個(gè)玉米生育前期。

圖1 土壤溫度隨生育時(shí)期和土層深度變化特征

3 結(jié)論

覆膜處理顯著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要經(jīng)濟(jì)性狀，每公頃籽粒產(chǎn)量比無膜處理增加了4429.3 kg，增產(chǎn)達(dá)50.6%，覆膜極顯著提高了玉米產(chǎn)量(P＜0.01)。覆膜處理?xiàng)l件下，0～ 20 cm土層土壤貯水量比無膜處理顯著增加了6.9 mm(P＜0.05)，提高了13.9%；比20～ 50 cm土層增加了3.1 mm，提高了4.6%，但差異不顯著(P＞0.05)。整個(gè)生育期覆膜處理耗水量雖然比無膜處理高7.3 mm，但覆膜處理極顯著提高了玉米水分利用效率(P＜0.01)，相比于無膜處理水分利用效率增加了9.53 kg/(mm·hm2)，提高了48.1%。整個(gè)生育期，覆膜處理耕層平均土壤溫度比無膜處理高4.9℃，覆膜措施的增溫效果主要體現(xiàn)在玉米生育前期，隨著生育時(shí)期的推移，覆膜處理對(duì)耕層土壤溫度的增溫效果逐漸減小。

4 討論

干旱地區(qū)地膜覆蓋能明顯提高作物生育前期的土壤溫度，有利于作物提早出苗、苗齊苗壯，對(duì)抗旱增產(chǎn)具有十分重要的作用[10-11]。對(duì)冬小麥的覆膜試驗(yàn)表明，地膜覆蓋的增溫效應(yīng)在冬前播后一段時(shí)間最為明顯，但隨著生長期的推移，其增溫效果逐漸減小[12-13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，地膜覆蓋相比于無膜處理，在玉米生育前期溫度較低時(shí)其增溫效果非常明顯，其中出苗期和拔節(jié)期0～ 20 cm土層土壤平均溫度比無膜處理高9.5℃和7.5℃；隨著生長時(shí)期的推移，抽雄期、孕穗期和成熟期時(shí)比無膜處理高3.6、1.9、2.3℃，其增溫效果在逐漸減小，與以上小麥試驗(yàn)結(jié)果相一致。同時(shí)也有相關(guān)研究表明，不同覆蓋模式的增溫效應(yīng)表現(xiàn)為不同的日變化和季節(jié)變化特征，進(jìn)而對(duì)作物的生長發(fā)育也產(chǎn)生不同的影響[14]。

春玉米地膜覆蓋栽培技術(shù)在國內(nèi)已推廣應(yīng)用了20多年，其對(duì)于擴(kuò)展玉米種植區(qū)域和干旱地區(qū)旱作玉米的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)發(fā)揮了巨大的作用[15]。甘肅省大力推廣的全膜雙壟溝播技術(shù)可以使平均降水利用率達(dá)70%，玉米生育期內(nèi)平均水分利用率達(dá)33 kg/(mm·hm2)，平均產(chǎn)量達(dá)到8375 kg/hm2，比窄平膜栽培模式增產(chǎn)37%，使黃土高原旱作區(qū)玉米生產(chǎn)能力顯著提升[16-17]。本研究表明，覆膜處理水分利用率達(dá)29.34 kg/(mm·hm2)，比無膜處理高48.1%；覆膜處理產(chǎn)量達(dá)到13188.4kg/hm2，比無膜處理增產(chǎn)50.6%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，全地膜覆蓋技術(shù)能夠有效阻斷土壤水分的無效蒸發(fā)，從而可以顯著提高表層土壤(0～ 20 cm)水分含量，使玉米生長所需的水分條件得以局部改善[18]，在一定程度上緩解了旱地玉米生育需水關(guān)鍵期土壤水分不足的矛盾[19]。

覆膜處理?xiàng)l件下水熱條件得以相對(duì)優(yōu)化，從而促進(jìn)了玉米的生長發(fā)育，改善了玉米的百粒重、穗粒重等產(chǎn)量性狀，顯著提高了玉米水分利用率[20-23]，最終實(shí)現(xiàn)玉米的增產(chǎn)[24]。但是，由于覆膜處理?xiàng)l件下土壤水分狀況的改善使得玉米生長比較旺盛，玉米根深而量大，地上群體較大，葉面積迅速擴(kuò)展，使玉米蒸騰加劇，從而加劇玉米對(duì)深層土壤水分的消耗[8]。對(duì)于旱作農(nóng)業(yè)來說，種植年限的增加和生產(chǎn)力的提高必然會(huì)增加作物對(duì)深層土壤水分的消耗[25]，最終會(huì)對(duì)土壤水分的年際平衡產(chǎn)生不利的影響。因此，如何高效調(diào)控覆膜栽培方式下土壤水分狀況還需進(jìn)一步研究。