青海東部旱地玉米覆膜對產量及水熱效應的影響

劉穎川，楊 凱，王金貴,2

（1青海大學農牧學院，西寧810016；2省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧810016）

0 引言

20世紀80年代以來，氣候干暖化趨勢在世界范圍內越來越明顯，進一步加劇了全球干旱發展趨勢[1]。在中國西北地區干旱頻率超過了80%，而適宜和濕潤的年份不到20%，氣候干旱化趨勢也在加強[2]。干旱缺水成為了制約中國西北干旱、半干旱地區農業生產的關鍵因素之一[3]。另外，由于降水時空分布的不均性和雨季與作物生長需水時期的不一致性，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的無用消耗，不僅能提高水資源的利用效率，而且能協調土壤中水、肥、氣、熱[5]，使土壤環境的生產能力得以補償和形成良性循環。但也有相關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作物產量具有負面影響，可導致減產[6-7]。因此，如何提高水資源利用率和協調水熱資源利用的同步性是解決干旱、半干旱旱作農業穩產增產的關鍵技術[8]。筆者對青海省海東市民和縣旱地春玉米全膜覆蓋栽培與傳統露地栽培進行比較研究，主要分析全膜覆膜措施對土壤水溫效應和玉米產量構成因素的影響，以期為當地旱地玉米覆膜栽培的可持續性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區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。試驗地位于民和縣李二堡鎮祁家村(36°13′N，101°38′E)，海拔1924 m，土壤類型為栗鈣土。0～ 20 cm土壤有機質含量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 試驗設計

供試玉米品種為‘金凱3號’（玉米雜交種），于2020年4月18日覆膜點播，于10月5日收獲，試驗共設全膜覆蓋（覆膜）和無膜覆蓋（無膜CK）2個處理，小區面積為20 m2，每個處理重復3次。各小區均不施基肥，播種時使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，總養分≥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 測定項目和方法

各生育期各小區選擇3個點連續4天定時(14:00)測定土壤溫度；用烘干法定期測定0～ 50 cm各土層土壤含水量，于成熟期用環刀法測定土壤容重。收獲期各小區分別取樣10株，測定單穗重，以小區實收玉米籽粒產量計產。土壤貯水量、土壤耗水量和土壤水分利用率分別用式(1)～ (3)進行計算。

1.4 數據處理

采用SPSS 16.0軟件對試驗數據進行相關分析，采用Excel軟件進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 覆膜對玉米主要農藝性狀及產量的影響

由表1可知，相對于無膜處理，覆膜處理顯著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要經濟性狀。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量比無膜處理增加了4429.3 kg，增產達50.6%，覆膜極顯著提高了玉米產量(P＜0.01)。分析表明，生長前期覆膜處理地溫增溫較快，加上地膜覆蓋相對阻斷了土壤地表水分的直接蒸發，消耗的水分多用于玉米生長時的蒸騰作用，從而使玉米早發苗、快生長，因而覆膜處理株高顯著高于無膜處理。另外，由于覆膜處理條件下玉米生長的水熱環境得以改善，使得玉米的營養生長和生殖生長達到最佳優化，從而促進了玉米的光合作用，有利于光合產物的增加。在進入生殖生長后加速了光合產物從源向庫的轉移分配，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量極顯著增加，從而奠定了高產的基礎。

表1 不同處理對玉米農藝性狀和產量的影響

2.2 覆膜對土壤水分的影響

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。由表2可知，覆膜處理條件下，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，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，從而可以延長農作物的水分利用時間，提高水分利用效率。尤其是在干旱年份，對于淺根系的玉米來說能夠保持耕層土壤的濕潤對玉米生長非常有利。由表3可知，整個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了玉米生長，隨著葉面積指數的增大，玉米葉片蒸騰速率增大，從而提高了水分利用效率[9]。

表2 不同處理對土壤水分狀況的影響

表3 地膜覆蓋對土壤水分利用率的影響

2.3 覆膜對土壤溫度的影響

于玉米出苗期到成熟期5個生育時期定期測定了5、10、15、20 cm 4個土層的土壤溫度，覆膜和無膜處理對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個土層土壤溫度分別比無膜處理高11.5、11.0、8.0、7.5℃，拔節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個生育時期耕層(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，隨著生育時期的推移，覆膜處理對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在出苗期、拔節期和抽雄期3個玉米生育前期。

圖1 土壤溫度隨生育時期和土層深度變化特征

3 結論

覆膜處理顯著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要經濟性狀，每公頃籽粒產量比無膜處理增加了4429.3 kg，增產達50.6%，覆膜極顯著提高了玉米產量(P＜0.01)。覆膜處理條件下，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在玉米生育前期，隨著生育時期的推移，覆膜處理對耕層土壤溫度的增溫效果逐漸減小。

4 討論

干旱地區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，對抗旱增產具有十分重要的作用[10-11]。對冬小麥的覆膜試驗表明，地膜覆蓋的增溫效應在冬前播后一段時間最為明顯，但隨著生長期的推移，其增溫效果逐漸減小[12-13]。本試驗結果表明，地膜覆蓋相比于無膜處理，在玉米生育前期溫度較低時其增溫效果非常明顯，其中出苗期和拔節期0～ 20 cm土層土壤平均溫度比無膜處理高9.5℃和7.5℃；隨著生長時期的推移，抽雄期、孕穗期和成熟期時比無膜處理高3.6、1.9、2.3℃，其增溫效果在逐漸減小，與以上小麥試驗結果相一致。同時也有相關研究表明，不同覆蓋模式的增溫效應表現為不同的日變化和季節變化特征，進而對作物的生長發育也產生不同的影響[14]。

春玉米地膜覆蓋栽培技術在國內已推廣應用了20多年，其對于擴展玉米種植區域和干旱地區旱作玉米的穩產和高產發揮了巨大的作用[15]。甘肅省大力推廣的全膜雙壟溝播技術可以使平均降水利用率達70%，玉米生育期內平均水分利用率達33 kg/(mm·hm2)，平均產量達到8375 kg/hm2，比窄平膜栽培模式增產37%，使黃土高原旱作區玉米生產能力顯著提升[16-17]。本研究表明，覆膜處理水分利用率達29.34 kg/(mm·hm2)，比無膜處理高48.1%；覆膜處理產量達到13188.4kg/hm2，比無膜處理增產50.6%。由試驗結果可知，全地膜覆蓋技術能夠有效阻斷土壤水分的無效蒸發，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鍵期土壤水分不足的矛盾[19]。

覆膜處理條件下水熱條件得以相對優化，從而促進了玉米的生長發育，改善了玉米的百粒重、穗粒重等產量性狀，顯著提高了玉米水分利用率[20-23]，最終實現玉米的增產[24]。但是，由于覆膜處理條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，葉面積迅速擴展，使玉米蒸騰加劇，從而加劇玉米對深層土壤水分的消耗[8]。對于旱作農業來說，種植年限的增加和生產力的提高必然會增加作物對深層土壤水分的消耗[25]，最終會對土壤水分的年際平衡產生不利的影響。因此，如何高效調控覆膜栽培方式下土壤水分狀況還需進一步研究。