華北地區休閑期覆膜對土壤水分和春玉米苗期生長的影響

劉勝堯，范鳳翠，賈建明，賈宋楠，齊 浩，李志宏，高清海

(1.河北省農林科學科院農業信息與經濟研究所，河北石家莊 050051； 2.河北省農業機械化研究所有限公司，河北石家莊 050051)

華北地區旱地農田土壤水分特征的主要影響因子是自然降水和農田蒸散量[1]，農田土壤的水分時空變化可以劃為4個時期：秋季緩慢蒸騰消耗期、冬季凍結水分相對穩定期、春季返漿蒸發水分強烈消耗期、雨季水分恢復期[2]。春季返漿蒸發水分強烈消耗期會導致農田土壤水分不足，已成為影響玉米正常播種及苗期生長的主要限制因素，如何將夏秋季土壤蓄水和春季返漿無效蒸發水分為春季播種出苗和苗期生長利用是亟待解決的問題。

在我國半干旱地區的農業生產中，地膜覆蓋因為改善了土壤水分溫度而具有良好的增產效應[3-5]，得到了廣泛推廣。然而半干旱地區降水分布不均勻，年度間變率大[6-7]，尤其在春季降水稀少、氣候干旱、表層土壤失水快、底墑不足的情況下覆膜反而會減產[8-10]。秋季土壤雨水比較豐富，關于秋季土壤覆膜保水，春季高效利用的研究，西北地區和東北地區已有報道。張哲元等研究表明，秋季覆膜比對照0～10、10～20、20～30 cm深土層的土壤含水量分別高55.0%、53.8%、61.3%，這一水分條件能夠滿足玉米等大田作物種子發芽的需要，可以解決春季由于干旱而不能適時播種的難題，同時也避免了研究地區冬春季的風蝕問題和揚塵問題[11]。喬靈芝等研究認為，在西北地區秋季雨后休閑期覆蓋地膜，不同覆蓋的土壤蓄水量分別比不覆蓋處理(CK)增加18.37～21.22 mm，玉米籽粒產量和水分生產效率分別比對照增加13.9%～14.6%、 11.0%～11.1%[12]。

研究證明，地膜覆蓋的農田生產效應存在明顯的地域性差異。關于華北地區以秋雨春用、春墑秋保為目標進行秋后覆膜的研究較少，本試驗在作物收獲后進行滅茬、薄膜覆蓋，降低冬季和春季農田土壤水分的無效損失，探討秋后覆膜保墑措施，對翌年春播時期土壤水分及玉米苗期生長的影響，以期為華北半干旱地區旱作保墑技術的實施提供基礎理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012年11月至2013年6月在河北省農林科學院鹿泉市大河綜合試驗站進行。該地區屬溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，四季分明，日平均氣溫13.6 ℃，年降水量 536 mm，降水主要分布在7、8月。日照時數2 554 h，無霜期230 d。試驗地土壤為黏壤質洪沖積石灰性褐土，0～100 cm深土體土壤容重為1.63 g/cm3，田間持水量為21.17%，凋萎含水量為11.0%；耕層土壤養分含量分別為1.96%有機質、0.10%全氮、86.10 mg/kg速效氮、32.75 mg/kg速效磷、185.40 mg/kg速效鉀，pH值為7.74。

1.2 試驗設計

試驗設置4種處理方式：壟作覆膜、壟作、旋耕、免耕(對照)，采用隨機區組設計，3次重復。壟作覆膜處理在秋收滅茬后旋耕并起壟，壟底寬40 cm，壟頂寬25 cm，溝寬20 cm，壟高15 cm，用90 cm寬的地膜全部覆蓋壟溝，在壟底部打直徑為0.3 cm的小孔，便于雨水入滲，春季可壟上播種。壟作處理即秋收滅茬后旋耕起壟，壟底寬40 cm，壟頂寬25 cm，溝寬20 cm，壟高15 cm，不覆膜。旋耕即秋收滅茬后旋耕處理，不覆蓋地膜。免耕(對照)即秋收滅茬后不作處理，不覆蓋地膜。

供試玉米品種為鄭單958，種植密度為67 500株/hm2，于2013年5月10日人工點播。由于除覆膜處理外，其他處理缺苗嚴重，因此此試驗測試進行到播種后40 d。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分 測定深度為0～100 cm土層，每10 cm取1個土樣，土壤冬季凍結前30 d測定1次，春季返漿后20 d測定1次，采用烘干法測定。

1.3.2 土壤儲水量計算

(1)

式中：W為土壤儲水量，mm；hi為土層深度，cm；ρi為土壤容重，g/cm3；bi為土壤水分質量百分數；n為土層序號，n=1，2，3，…，10；i=10，20，30，40，…，100。

1.3.3 玉米生長指標和生物量的測定 測定株高、莖粗、葉面積、單株干物質量，分別于玉米出苗后，每7 d采集各處理具有代表性的植株5株，鮮樣分器官擦洗干凈，在105 ℃殺青30 min，再在80 ℃烘干至恒質量，測定生物量。

1.3.4 葉綠素含量的測定 用SPALD-502葉綠素儀測定葉片的葉綠素相對含量，從玉米出苗后開始測定，每7 d測定1次，每個處理測定5株。測定部位均為朝向一致完全展開的葉片，即從頂部數第3張葉片起，每個葉片測5次，取5次的平均值作為該葉片的葉綠素相對含量。

1.3.5 葉綠素熒光參數的測定 采用Hansatecch公司生產的植物效率分析儀(Pocket PEA)測定玉米的葉綠素熒光參數，測定時間及葉位與葉綠素相對含量測定時相同。葉片先暗適應15 min，再用3 500 μmol/(m2·s)飽和光誘導，測定可變熒光(Fv)、最大熒光(Fm)、PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)，重復5次。

2 結果與分析

2.1 不同處理休閑期土壤儲水變化

由圖1可知，各處理0～100 cm深土層的土壤儲水量受蒸發和降水的影響呈先增加后降低的倒“V”字形變化趨勢。由于秋冬季降水較豐富，分別達28.5、20.2 mm，在返漿期(3月8日)各處理土壤儲水量達高峰值，為278.07～285.33 mm。覆膜處理土壤儲水量最高比對照高3.22 mm，差異不明顯，這與秋冬季蒸發小，覆膜阻礙降雪入滲有關。返漿期后氣溫升高，降水少，氣候干燥，土壤蒸發量大，土壤儲水量下降，3月8日至3月28日階段耗水量為2.4 mm～12.6 mm，以壟作覆膜和旋耕耗水量最低，分別為2.4、2.5 mm，這2種處理在早春季節保水效果明顯，耗水量分別為對照的19.4%、 20.1%。3月28日至4月18日晚春季節0～100 cm土壤儲水量繼續下降，達到261.3～277.7 mm，階段耗水量為5.1～8.4 mm，與對照相比壟作覆膜和旋耕保水效果降低，這主要與進一步升溫，蒸發潛能增加，而對照處理土壤儲水量低導致土壤水勢較低降低蒸發量有關。此階段壟作覆膜和旋耕土壤儲水量分別比對照高16.42、5.93 mm，保水效果明顯。4月18日到5月8日的初夏季節，由于有 14.9 mm 的降水，各處理100 cm土層土壤儲水量小幅上升，其中以壟作覆膜和旋耕升幅最大，分別為11.28、6.25 mm，分別比對照多8.19、3.07 mm。壟作最少為0.18 mm，比對照低2.91 mm，這應與起壟后增加蒸發表面積有關。

2.2 休閑期處理對春播前土壤水分及玉米出苗的影響

由表1可知，180 d的休閑期降水總量為66.00 mm，蒸發量為61.8～34.9 mm，蒸發量小于降水量，土壤儲水量有不同程度的增加，壟作覆膜和旋耕處理的播前土壤儲水量最多，分別為289.00、273.38 mm，增加量分別為31.10、15.48 mm，蓄水效率分別為47%、23%，與對照比土壤儲水量分別提高9.3%、3.4%，蓄水率分別提高3.80、1.39倍。說明壟作覆膜和旋耕處理對旱地冬春休閑期農田具有明顯的蓄水保墑效果，尤其是在該時期降水較少的年份對耕層土壤的保墑作用更為明顯，這為春播作物適期播種提供了水分保障。

由于春季降水少、風大、空氣干燥、蒸發量大，導致表層土壤失水快，變化幅度大。由表1可知，各處理(0,10]cm深土壤含水量為14.85～25.06 mm，相對含水量為49.66%～83.80%。壟作覆膜處理(0,10]cm深土層含水量為25.06 mm，相對含水量為83.80%，含水量可以滿足出苗的要求，而其他處理都低于田間持水量的65%，在無降雨條件下不利于出全苗、壯苗。從表1的出苗率可以看出，壟作覆膜處理的出苗率達到 87.5%，本試驗每穴播2粒種子，可以保證全苗。而其他處理出苗率不足60%，嚴重缺苗。

表1 各處理對春播前土壤水分及玉米出苗的影響

2.3 不同處理對玉米植株性狀的影響

通過分析各處理的株高和莖粗，由圖2、圖3可知，隨著春玉米的生育進程，各處理玉米株高和莖粗具有相似的變化規律，即從苗期到抽雄期有逐漸增加的趨勢，且增速呈先加快后減慢的趨勢。株高在27～34 d增高速度最快，莖粗在20～27 d增粗速度最快。整個試驗期間，壟作覆膜處理株高和莖粗均顯著高于對照，其中，株高比對照增加6.83%～31.25%，莖粗比對照增加10.09%～49.37%，均呈現前期增幅大后期增幅小的變化趨勢。旋耕和壟作處理在玉米幼苗期的株高和莖粗顯著高于對照，在播后20 d差異不顯著。

由圖4、圖5可知，壟作覆膜處理前期葉片生長較快，葉面積在播種13 d后比對照處理高125.0%，地上單株干物質量比對照高215.8%，隨后增長幅度變小；播后27 d，壟作覆膜處理的葉面積比對照高78.9%，地上單株干物質量比對照高70.6%；40 d后壟作覆膜處理的葉面積比對照高30.6%，地上單株干物質量比對照高48.2%。

2.4 不同處理對葉綠素相對含量的影響

葉綠素是植物吸收光能進行光合作用的色素，在一定范圍內，葉綠素含量的高低直接影響植物的光合能力。由表2可知，在試驗處理前期壟作覆膜處理的葉綠素相對含量顯著高于對照，在后期兩者差異不顯著；壟作覆膜處理在播后13 d葉綠素相對含量提高14.5%，播后20 d葉綠素相對含量提高5.4%，播后27 d提高4.5%，提高葉綠素的效果隨著生育期的推進而降低，播后34 d開始與對照差異不顯著。這主要是由于前期在5月中下旬，氣溫不穩定，常有低溫冷害，同時土壤比較干旱，壟作覆膜處理可以增溫保水，有利于春玉米生長，后期進入6月份，氣溫較高，壟作覆膜處理土壤溫度高，失水快，反而影響作物生長。其他處理只有旋耕處理在播后 27 d 可以顯著提高葉綠素的相對含量，其他時間與對照差異均不顯著。

表2 休閑期處理對葉綠素相對含量的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.5 不同處理對葉綠素熒光參數的影響

Fv/Fm是PSⅡ最大光化學量子產量，其大小反映了PSⅡ反應中心原初光能的轉化效率。由表3可知，對照、旋耕處理、壟作處理在5個時間段的Fv/Fm隨著時間進程的推移而增加，但壟作覆膜處理變化范圍不大。播后13、20 d時壟作覆膜和旋耕處理顯著高于對照，13 d時分別比對照高12.5%、7.8%。說明出苗初期壟作覆膜處理和旋耕處理玉米苗受脅迫小，這與壟作覆膜和旋耕措施可以保水提溫有關。隨著生育期進程氣溫升高和降水增加，從而減弱了壟作覆膜和旋耕提溫保水的優勢。

表3 休閑期處理對葉綠素熒光參數(Fv/Fm)的影響

3 結論與討論

華北半濕潤半干旱區季節性降水分布不均限制了農業生產，春季高蒸發、少降水，大大降低了耕作層(0～20 cm)的土壤水分，耕層以下由于沒有作物消耗水分，因此受影響比較小，水分相對比較豐富。春季耕層干旱嚴重影響玉米出苗，在無降水和灌溉的條件下玉米不能按期播種。因此保持耕層水分充足是保證華北地區按期播種，出苗全和出苗壯的關鍵。嚴昌榮等認為，春播作物生長后期處于雨季，在一般情況下，降水量基本可以滿足作物對水分的需求，農田土壤水分還能得到一定的補充，在半濕潤偏旱區，玉米和冬小麥的耗水量雖然出現段性的須要土壤水分補給的情況，但整個生育期自然降水量都超過耗水量[1]。因此秋季土壤有一定的水基礎，說明秋季有水可保。覆膜可以最大程度地保儲夏秋盈余水分和冬春降水，減少春季無效蒸發，使播期(0,10] cm深土層水分比對照提高52.0%，0～100 cm深土壤水分提高9.3%，說明覆膜可以有效保持表層土壤水分，從而有利于全苗壯苗，解決等雨播種的問題[13-16]。

研究發現，覆膜對旱地玉米的生育有顯著的促進作用，從玉米播種一直延續到拔節期可以顯著提高株高、莖粗、葉面積及干物質積累量，這為玉米的高產創造了條件。同時覆膜在一定范圍內能提高葉綠素相對含量和葉綠素熒光參數，說明覆膜可以提高光合效率。本試驗由于對照處理和其他裸地處理出苗率較低，因此只進行了苗期試驗，覆膜對玉米中后期的影響還應進一步研究。覆膜除了有保水效應外，對土壤溫度、土壤養分的影響還須進一步研究。