旱地玉米不同覆蓋栽培模式的土壤水熱特征及產量品質效應

李尚中，樊廷錄，趙剛，黨翼，王磊，張建軍，唐小明，程萬莉

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅 蘭州 730070)

天然降水是我國北方旱農地區可利用的主要水資源，80%以上的農作物生長是靠250～600 mm的天然降水。由于降水時空分布不勻，降水期與作物需水期錯位，能被作物利用的降水僅為總降水量的30%～40%，而60%～70%的降水以地表徑流和無效蒸發的方式損失，降水利用效率僅為3～6 kg·hm-2·mm-1，農業生產低而不穩[1]。干旱缺水已是制約我國北方旱地農業生產的關鍵因素之一[2]。覆蓋栽培由于改善了土壤的水、熱狀況等生態環境，活化了土壤養分，顯著提高了作物產量和水分利用效率[1-6]，已經作為一種重要的旱作農業抗旱栽培措施，在北方旱作農業區被推廣應用[5-6]。但有些研究認為，覆蓋栽培并未表現出增產效果[7-11]，而且對玉米籽粒品質的影響也沒有一致的結論，馬青枝等[12]研究表明，覆膜能顯著地提高玉米(Zeamays)籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白質含量，而王勇等[13]研究表明，覆膜降低了籽粒粗脂肪、蛋白質含量。這可能與不同研究區域的水熱差異、土壤質地、土壤肥力等諸多因素有關。為了進一步探索不同覆蓋栽培模式的土壤水熱特征及產量品質效應，指導生產實踐，本研究以露地栽培為對照，揭示不同覆蓋時間、覆蓋模式和覆蓋材料調節土壤環境、影響玉米產量和品質的差異，為旱地玉米優質栽培的研究和生產應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013、2014、2015、2016年在農業部西北旱作營養與施肥科學觀測實驗站(甘肅省農業科學院鎮原旱地農業綜合試驗站)實施，東經107°29′，北緯35°30′，海拔1254 m，年平均溫度8.3 ℃，年日照時數2449.2 h，≥0 ℃年積溫3435 ℃，≥10 ℃年積溫2722 ℃，無霜期165 d。多年平均年降水量530 mm，降水主要分布在7、8、9三個月，屬完全依靠自然降水的西北半濕潤偏旱區。土壤為黑壚土，有機質含量11.8 g·kg-1，全氮0.88 g·kg-1，堿解氮93.1 mg·kg-1，速效磷11.2 mg·kg-1，速效鉀207.5 mg·kg-1，肥力中等。春玉米為當地的主要作物之一，種植制度為一年一熟。

試驗年度降水如表1所示，2013、2014、2015和2016年度，冬春休閑期降水量依次為73.4、256.4、235.2和165.0 mm，為同期多年平均降水量的47.3%、165.2%、151.5%和106.3%；玉米生育期總降水量分別為480.4、227.5、275.9和273.5 mm，為同期多年平均降水量的148.4%、70.3%、85.2%和84.5%，降水年型分別屬于豐水年、干旱年、平水年、平水年；玉米生長旺盛的6月降水量分別68.0、64.1、79.8和75.5 mm，為多年同期平均降水量的131.8%、124.2%、154.7%和146.3%，7月降水量分別為250.3、14.8、45.1和105.2 mm，為多年同期平均降水量的219.6%、13.0%、39.6%和92.3%，8月降水量分別為56.6、81.9、72.0和48.0 mm，為多年同期平均降水量的68.6%、99.3%、87.3%和58.2%。

表1 2013-2016年玉米生育期降水量Table 1 Precipitation during maize growth period in 2013-2016

1.2 材料與設計

供試玉米品種為先玉335。覆蓋材料：地膜為甘肅濟洋塑料有限公司生產的0.01 mm聚乙烯吹塑農用地面覆蓋薄膜，秸稈為玉米機械化收獲后被粉碎的秸稈。

試驗采用三因素裂區設計，主區為覆蓋時間A[秋覆蓋(A1)： 10月下旬至土壤封凍前覆蓋；播前覆蓋(A2)：玉米播種前(4月中旬)覆蓋]；裂區為覆蓋方式B[壟溝覆蓋(B1)：帶寬110 cm，每帶起底寬40 cm、高15～20 cm的小壟和底寬70 cm、高10～15 cm的大壟，兩壟中間為播種溝。選用120 cm寬的地膜，邊起壟邊覆膜，膜與膜之間不留空隙，相接處用土壓住地膜；平面覆蓋(B2)：用120 cm寬的地膜覆蓋，每隔200 cm壓土腰帶，凈膜100 cm，膜間留20 cm的空隙，膜內播種]；裂裂區為覆蓋材料C[地膜(C1)；秸稈(C2)，覆蓋量為9000 kg·hm-2；露地(C3)]。

各處理3次重復，小區面積為44 m2(5.5 m×8.0 m=44 m2)，播種密度為7.5萬株·hm-2，按試驗設計密度拉繩人工穴播，每穴2～3粒，播種深度4～5 cm。采用普通大田高產施肥管理：覆膜前結合整地基施尿素300 kg·hm-2、普通過磷酸鈣938 kg·hm-2，玉米拔節期追施尿素195 kg·hm-2，其他栽培管理同大田生產。4個年度試驗在同一地塊同一位置進行。

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤溫度測定 玉米播種后，每隔30 d，選擇晴天在各處理小區中間沿玉米種植行測定任意兩株之間深5、10、15和20 cm處的地溫，測定時間分別為 8:00、14:00 和18:00，將 3 次測得平均值作為當天土壤溫度，連續測3 d取其平均值。

1.3.2玉米品質測定[12-13]淀粉含量采用雙波長法測定、脂肪含量采用索氏殘余提取法測定、蛋白含量采用凱氏定氮法測定、容重采用GHCS-1000型容重器(漏斗下口直徑為 40 mm)國標法《玉米》GB1353—1999 附錄 A(標準的目錄)測定。

1.3.3土壤水分測定和水分利用效率計算方法[6]玉米播種前和收獲時分別用土鉆法測定沿玉米種植行任意兩株之間每個小區2 m土層(每20 cm為一個層次)的土壤含水率，轉換為以mm為單位的播前和收獲時的土壤貯水量。生育期降水量通過MM-950自動氣象站獲得。利用土壤水分平衡方程計算每小區作物耗水量(water consumption)。成熟后，隨機取樣20株考種，按每小區實收計產，計算水分利用效率(water use efficiency)。

耗水量 (mm)=播前2 m土壤貯水量-收獲時2 m土壤貯水量+生育期降水量
水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=玉米籽粒產量/耗水量

1.4 統計分析

采用SPSS 11.5軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋栽培模式的土壤播前水分效應

2013、2014、2015和2016年，冬春休閑期降水量為多年同期的47.3%、165.2%、151.5%和106.3%，分別屬干旱、豐水、豐水和平水休閑季節(表1)。由表2可知，不論冬春休閑季節降水如何，不同覆蓋時間對玉米播前0～2 m土層貯水量有顯著的影響(P<0.05)， 秋覆蓋4年平均玉米播前0～2 m土層貯水量為486.1 mm， 較播前覆蓋多貯水42.0 mm，提高9.5%。秋覆蓋條件下，2013、2014、2015和2016年，壟溝覆蓋玉米播前0～2 m土層貯水量平均為474.5、531.6、491.4和443.6 mm，分別較平面覆蓋增加貯水11.3、-3.9、-24.3和9.8 mm，除2015年0～2 m貯水量差異達顯著水平(P<0.05)外，其余年份未達到顯著水平。秋覆蓋條件下，不同覆蓋材料對玉米播前0～2 m土層貯水量有極顯著的影響(P<0.01)，2013、2014、2015和2016年，地膜和秸稈覆蓋玉米播前0～2 m土層貯水量依次為476.6和461.2 mm、527.1和539.9 mm、497.0和510.0 mm、441.0和436.4 mm，較露地分別提高6.7%和3.2%、9.2%和11.8%、9.9%和12.8%、12.3%和11.2%。地膜覆蓋較秸稈覆蓋依次提高15.5、-12.8、-13.0和4.6 mm。覆蓋時間和覆膜方式、覆膜方式和覆蓋材料互作差異不顯著，覆蓋時間、覆蓋方式和覆蓋材料三因素互作差異不顯著，覆膜時間和覆蓋材料互作差異達極顯著水平(P<0.01)。可見，壟溝覆蓋在冬春閑期降水量較少時可以提高土壤貯水量，在降水量較多的情況下不利于土壤水分保蓄。不論是地膜還是秸稈覆蓋，可以有效地提高玉米播前土壤貯水量。在冬春閑期降水少(2013年)或正常降水(2016年)條件下，地膜覆蓋蓄水保水效果優于秸稈覆蓋，而冬春閑期降水較多(2014和2015年)條件下，秸稈覆蓋蓄水保水效果優于地膜覆蓋。

表2 不同處理玉米播前0～2 m土層貯水量Table 2 Water storage in 0-2 m soil layers before maize planting under different treatments (mm)

A為覆蓋時間，B為覆蓋方式，C為覆蓋材料。表中數字后的不同字母表示同一覆蓋方式不同覆蓋材料處理間在0.05水平下的差異顯著性,下同。

A means mulching time，B means mulching modes，C means material. S: Straw; PF: Plastic film; NM: No mulching. Letters after number indicate the significance at 0.05 level among different material of the same mulching modes. The same below.

2.2 不同覆蓋栽培模式的土壤溫度效應

不同覆蓋模式耕層土壤溫度監測表明(表3)，播后110 d前，不同覆蓋方式之間耕層土壤溫度存在極顯著差異(P<0.01)，而播后130 d，差異未達顯著水平。播后0、30、60、90、110和130 d，平面覆蓋耕層土壤平均溫度為20.8、23.4、26.0、24.5、26.9和17.7 ℃，較壟溝覆蓋提高7.8%、10.9%、11.3%、6.5%、8.0%和3.3%。不同覆蓋材料對耕層土壤溫度有顯著的影響(P<0.05)，播后0、30、60、90、110和130 d，地膜覆蓋平均耕層溫度依次為25.3、25.0、24.7、24.6、27.6和18.5 ℃，較露地增加21.3%、8.9%、-3.5%、2.7%、4.4%和6.3%，全生育期平均提高5.9%，秸稈覆蓋平均耕層溫度依次為14.1、18.8、24.0、22.8、23.9和16.4 ℃，較露地減少32.4%、18.1%、6.3%、4.8%、9.7%和5.8%，全生育期平均減少12.7%。覆蓋方式和覆蓋材料互作差異不顯著。可見，地膜和秸稈覆蓋對玉米土壤耕層溫度的影響主要是從播種到拔節期，拔節后隨著葉面積增加，葉片遮陰作用的增強，覆蓋方式在改變土壤耕層溫度方面的作用逐漸減小。其中，地膜覆蓋主要表現為增加土壤溫度，而秸稈覆蓋則相反。

表3 不同覆膜模式地溫變化Table 3 Change of soil temperature under different mulching modes (℃)

表中數據為2013、2014、2015和2016年的平均值。The data in the Figure are average for 2013，2014，2015 and 2016.

2.3 不同覆蓋栽培模式對玉米產量和水分利用效率的影響

由表4可知，不同覆蓋時間對玉米產量和水分利用效率有一定的影響，2013、2015和2016年產量差異達顯著水平(P<0.05)，2013和2016年水分利用效率差異達顯著水平(P<0.05)。2013、2014、2015和2016年，秋覆蓋產量和水分利用效率分別為14018.0 kg·hm-2和28.2 kg·hm-2·mm-1、11476.5 kg·hm-2和28.7 kg·hm-2·mm-1、11206.1 kg·hm-2和25.3 kg·hm-2·mm-1、11141.9 kg·hm-2和29.7 kg·hm-2·mm-1，較播前覆蓋分別提高8.4%和5.0%、4.7%和2.9%、8.8%和0.8%、6.5%和9.0%。不同覆蓋時間4年平均產量差異達極顯著水平(P<0.01)，秋覆蓋4年平均產量和水分利用效率分別為11960.6 kg·hm-2和28.0 kg·hm-2·mm-1，較播前覆蓋分別提高7.1%和4.5%。不同覆蓋方式產量和水分利用效率差異不顯著，壟溝秸稈覆蓋4年平均產量和水分利用效率分別為9902.6 kg·hm-2和23.5 kg·hm-2·mm-1，較平面秸稈覆蓋減產5.8%和5.4%，壟溝地膜覆蓋平均產量和水分利用效率為15025.9 kg·hm-2和34.3 kg·hm-2·mm-1，較平面地膜覆蓋增產6.3%和5.2%，壟溝露地平均產量為9771.1 kg·hm-2和24.1 kg·hm-2·mm-1，較平面露地減產2.5%和3.6%。不同覆蓋材料對玉米產量和水分利用效率影響達極顯著水平(P<0.01)，2013、2014、2015和2016年，地膜覆蓋玉米產量和水分利用效率分別為16575.0 kg·hm-2和34.0 kg·hm-2·mm-1、14066.0 kg·hm-2和33.7 kg·hm-2·mm-1、14889.0 kg·hm-2和33.6 kg·hm-2·mm-1、12801.5 kg·hm-2和32.4 kg·hm-2·mm-1，較露地增產 38.4%和37.2%、45.1%和28.3%、58.6%和43.4%、50.1%和36.1%，較秸稈覆蓋增產39.6%和41.9%、42.1%和35.1%、86.6%和81.5%、15.5%和10.6%，秸稈覆蓋4年平均產量和水分利用效率分別為10210.2 kg·hm-2和24.2 kg·hm-2·mm-1，較露地增產3.2%和-1.5%，但差異不顯著。覆蓋時間和覆膜方式兩兩互作差異不顯著，2013年，覆蓋時間和覆蓋材料兩兩互作差異極顯著(P<0.01)，而2014、2015和2016年兩兩互作差異不顯著，覆膜方式和覆蓋材料兩兩互作差異顯著(P<0.05)，2013年，覆蓋時間、覆蓋方式和覆蓋材料三因素互作差異顯著(P<0.05)，而2014、2015和2016年差異未達顯著水平。可見，地膜壟溝秋覆蓋可以顯著提高玉米產量和水分利用效率，而秸稈壟溝秋覆蓋和播前覆蓋，均降低了玉米產量和水分利用效率，秸稈平面覆蓋產量和水分利用效率與露地差異不顯著，但顯著低于地膜覆蓋。

2.4 不同覆蓋栽培模式對玉米主要品質的影響

不同覆蓋模式玉米品質分析表明(表5)，秋覆蓋可以提高玉米容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量，但與播前覆蓋差異不顯著。秋覆蓋容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量分別為713.5 g·L-1、9.80%、3.53%和73.61%，較播前覆蓋分別提高1.5%、1.0%、1.2%和0.01%。覆蓋方式對玉米容重和脂肪含量影響差異不顯著，對蛋白質和淀粉含量影響達顯著水平(P<0.05)，壟溝覆蓋容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量分別為708.6 g·L-1、9.66%、3.55%和73.63%，較平面覆蓋提高0.07%、-1.95%、2.67%和0.06%。不同覆蓋材料對容重、蛋白質和脂肪含量影響達極顯著水平(P<0.01)，對淀粉含量影響差異不顯著，秸稈覆蓋容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量分別為680.7 g·L-1、9.86%、3.43%和73.62%，較露地增加-3.49%、-1.03%、1.41%和0.02%，地膜覆蓋容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量分別為735.9 g·L-1、9.65%、3.58%和73.60%，較露地增加4.32%、-3.16%、5.92%和-0.02%，較秸稈覆蓋增加8.10%、-2.16%、4.45%和-0.04%。覆蓋時間和覆膜方式、覆膜方式和覆蓋材料、覆蓋時間和覆蓋材料兩兩互作與覆蓋時間、覆蓋方式和覆蓋材料三因素互作差異均不顯著。可見，地膜覆蓋提高了玉米容重和脂肪含量，降低了蛋白質和淀粉含量，壟溝覆蓋可提高玉米容重、脂肪和淀粉含量，降低蛋白質含量。

3 討論

3.1 不同覆蓋栽培模式對玉米播前水分的影響

覆蓋改變了農田的土壤水分運移方式，阻斷了土壤水分的垂直蒸發和水汽的亂流交換，增大了水分蒸發的阻力，提高了土壤保墑性能。王進鑫等[14]研究表明，在持續干旱時段，覆蓋不僅改善了覆蓋區土壤水分狀況，而且強化了覆蓋區與相鄰非覆蓋區下層土壤液態水的運移與再分布，有利于減輕持續干旱的威脅。作物生育期覆蓋的蓄水保墑作用已被大量的研究所證實[1,3,5-6,14-16]，但對不同覆蓋模式冬春休閑期保墑效果研究較少。本研究表明，不論冬春休閑季節降水如何，秋覆蓋可以提高玉米播前水分含量，0～2 m土層較播前覆蓋多貯水42.0 mm。秋季地膜和秸稈覆蓋，均可以提高玉米播前土壤貯水量，平均較露地分別多貯水42.2和43.7 mm。2013、

表5 不同處理玉米籽粒品質參數Table 5 Maize quality traits of different treatments

表中數據為2013、2014、2015和2016年的平均值。The date in the Figure are average for 2013，2014，2015 and 2016.

2014、2015和2016年，壟溝覆蓋播前貯水量較平面覆蓋增加11.3、-3.9、-24.3和9.8 mm，地膜覆蓋較秸稈覆蓋依次提高15.5、-12.8、-13.0和4.6 mm，即冬春閑期降水少(2013年)或正常降水(2016年)條件下，壟溝覆蓋和地膜蓄水保墑效果較好，而冬春閑期降水較多(2014和2015年)條件下，平面覆蓋和秸稈蓄水保水效果優于壟溝和地膜。這可能與起壟造成溝內土壤緊實和地膜覆蓋阻止了較大降水及時入滲，產生徑流損失，而秸稈覆蓋條件下的土壤導水率較高，降水入滲快等有關，其原因有待進一步研究。

3.2 不同覆蓋栽培模式對耕層土壤溫度的影響

覆蓋方式對土壤溫度的影響效果隨土壤類型、氣候條件，覆蓋材料的不同而不同[17]。地膜覆蓋能有效地增加生育期積溫，尤其在低溫期增溫效果非常明顯，0～20 cm土層土壤平均溫度比無覆蓋時高3～5 ℃[18]，播種出苗和營養生長期間，可增加積溫180 ℃左右[19]，本研究結果與其基本一致。但地膜玉米不同覆膜模式的增溫效果研究并不一致。楊祁峰等[20]研究表明，玉米田不同生育時期的地溫均是壟膜溝播>窄平膜>不覆膜，而本研究表明，玉米生育期耕層平均溫度大小依次為平面地膜覆蓋>平面露地>壟溝地膜覆蓋>壟溝露地，這可能與土壤含水量、地膜覆蓋度及氣候條件等有關，有待進一步研究。從整體趨勢來看，秸稈覆蓋在調控作物生育期土壤溫度的效應方面，主要是降溫效應，均表現為生長前期的地溫差異顯著，隨著生育進程的推進和作物葉面積的增大，其影響逐漸減少[3]，本研究結論與其基本一致。

3.3 不同覆蓋栽培模式對玉米產量和水分利用效率的影響

作物產量綜合反映了系統管理水平與土壤生產力，是農業持續發展的重要評價指標，提高作物產量和水分利用效率是所有科研重視和研究的目的所在[21]。王勇等[13]研究表明，平面秋覆膜較春季播前覆膜相比，玉米產量和水分利用效率分別提高16.7%和14.9%，張雷等[22]研究表明，全膜雙壟溝秋覆膜較播前覆膜產量和水分利用效率依次提高16.1%和34.5%，本研究與其基本一致。秋季秸稈覆蓋也可以提高玉米產量和水分利用效率，分別提高5.6%和3.5%，這與秋季覆蓋保蓄較多的土壤水分有關。喬靈芝等[23]認為，壟覆地膜的產量和水分利用效率低于平覆地膜，本研究認為，壟溝地膜覆蓋產量和水分利用效率較平面地膜覆蓋增產6.3%和5.2%，而壟溝秸稈覆蓋產量和水分利用效率較平面秸稈覆蓋降低5.8%和5.4%，這可能與降水年型，覆蓋引起的土壤水分、溫度等因素變化有關。不同覆蓋材料對玉米的產量和水分利用效率有不同程度的影響，多數研究表明，地膜玉米具有良好的增產效應，顯著提高了水分利用效率[6,13,18-23]，本研究結果與其一致。關于秸稈覆蓋對作物產量水分的效應，部分研究認為秸稈覆蓋可提高玉米產量和水分利用效率[24-27]，也有研究認為，秸稈覆蓋機械阻礙傷害了作物出苗和春季的降溫效應，影響了其前期生長，導致減產[28-29]。本研究認為，與傳統平面露地種植相比，秸稈平面覆蓋玉米產量和水分利用效率分別提高4.9%和0.6%，而壟溝秸稈覆蓋產量和水分利用效率分別降低1.2%和6.0%，這與壟溝秸稈覆蓋顯著降低了耕層土壤溫度有關。

3.4 不同覆蓋栽培模式對玉米主要品質的影響

已有研究表明，覆蓋會影響玉米籽粒的品質，但沒有一致的結論。馬青枝等[12]研究表明，覆膜能顯著地提高玉米籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白質含量。余海兵等[30]研究表明，地膜覆蓋可提高春糯玉米的粗蛋白含量，降低粗淀粉和支鏈淀粉含量。王勇等[13]研究表明，覆膜降低了籽粒粗脂肪、蛋白質和賴氨酸含量，提高了粗淀粉含量。李建奇[31]研究表明，覆膜栽培提高了玉米籽粒容重、粗淀粉含量，對粗蛋白、粗脂肪、賴氨酸、直鏈淀粉含量的影響具有不確定性。王同朝等[32]研究表明，玉米籽粒總淀粉含量為壟作覆蓋>平作覆蓋>壟作>平作，但對總蛋白質含量影響差異不明顯。本研究表明，秋覆蓋可以提高玉米容重、蛋白質、脂肪和淀粉含量，但與播前覆蓋差異不顯著。壟溝覆蓋提高了玉米淀粉含量，降低蛋白質含量，對容重和脂肪含量影響差異不顯著。秸稈覆蓋提高了脂肪，降低了容重和蛋白質含量，地膜覆蓋提高了玉米容重和脂肪含量，降低了蛋白質，對淀粉含量影響差異不顯著。可見，在覆蓋栽培條件下，提高玉米蛋白質含量是亟待解決的問題。

4 結論

覆蓋時間、覆蓋方式和覆蓋材料對玉米播前土壤水分、耕層土壤溫度、產量、水分利用效率和品質均有一定的調控作用，總體表現為覆蓋材料>覆蓋方式>覆蓋時間。在生產實際中，應根據生產目標選擇適宜的覆蓋栽培模式。

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