沟垄全覆盖种植方式对旱地玉米生长及水分利用效率的影响

李 荣，侯贤清，贾志宽，* ，韩清芳，王 敏，杨宝平，丁瑞霞，王俊鹏

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100;2.农业部西北黄土高原旱地作物生理生态与耕作重点实验室，杨凌 712100;3.宝鸡市农业技术推广中心，宝鸡 721001)

沟垄集雨系统是一种集水农业技术，即在田间修筑沟垄，垄面覆膜沟内种植作物的方式，具有较好的集雨、蓄水保墒效果，且一次起垄多年不变、易于推广，已成为旱区农业主要的节水措施之一［1］。但近几十年由于气候变暖、水污染状况日益加剧等原因，水资源日益紧缺。因此，如何以现有节水措施为基础更大幅度地提高有限降雨的利用效率、维持整个水资源的可持续利用和区域平衡已成为节水农业的主要课题［2］。

垄上覆盖地膜的沟垄集雨系统可使当季无效和微效降水形成径流，叠加到种植沟内，且覆盖可抑制膜下土壤水分的无效蒸发，促进降雨入渗，改善作物根区土壤水分的供应状况，进而提高作物的产量和水分利用效率［3-5］。关于沟垄集雨技术的研究已有不少报道。王俊鹏等在宁南国家旱农试验区研究表明［6-9］，当垄沟均为60 cm时，与平作对照相比，小麦、玉米、谷子、豌豆、糜子分别增产80.8%、69.8%、83.6%、77.1%和37.2%;在定西半干旱雨养农业区采用微集水种植技术，可使春小麦产量提高34.4%—58.8%［10］。李小雁等［11］认为，在沟垄比适宜的条件下，集雨系统不仅提高了土壤温度和养分利用效率，而且显著提高了作物的产量和水分利用效率。王琦等［12-14］的研究结果也表明，沟垄集雨种植能够较好地提高降水利用率和作物产量。然而，这些研究均是以垄上覆膜沟内不覆盖种植为对象。垄上覆膜沟内不覆盖集雨种植模式在一定程度上提高了降雨利用效率和作物产量［11，15］，但沟内不覆盖在利用自然降水、提高作物水分利用率方面受到一定的限制，进一步提高作物生产水平仍具有较大潜力。因此，在沟垄集雨模式下进行沟内覆盖可抑制土壤水分蒸发，对进一步提高降水利用率将具有重要意义。目前，关于沟垄全覆盖集雨种植模式的研究较少。

针对渭北旱塬区年降水量少、季节分布不均，特别是玉米生育期干旱问题，从改善旱地玉米生长环境及提高降水的高效利用出发，本研究将垄上覆盖集雨与沟内覆盖保水相结合，通过垄上覆盖普通地膜沟内覆盖普通地膜、生物降解膜、秸秆及液体地膜4种材料，以垄上覆膜沟内不覆盖种植为对照，研究不同沟垄种植模式对土壤水温、玉米生长及水分利用效率的影响，为完善集雨种植栽培技术提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2008—2010年在陕西省合阳县旱作农业试验站(北纬35°15′，东经110°18′，海拔910 m)进行，该区年平均降雨量为550 mm，其中65%的降雨集中在7—9月份。年平均温度为10.5℃，总平均日照时数为2 528 h，无霜期169—180 d。试验期间月降雨量分布如表1。2008—2010年总降雨量分别为469.6、499.6和515.2 mm，3a玉米播前30 d降雨量分别为25.7、16.9和17.4 mm，生育期降雨量分别为330.3、378.8和390.7 mm。试验地为平地，土壤为中壤质垆土，pH值为8.1。在0—20 cm土层，有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为10.9、0.8、0.6和7.1 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为74.4、23.2和135.8 mg/kg。2008年试验前茬作物为春玉米。

表1 2008—2010年试验地的月降雨量分布Table 1 Distribution of monthly precipitation at the experimental site during 2008—2010

1.2 试验设计与大田管理

将土壤表面改变为交替的沟垄集雨系统，沟垄均宽60 cm，垄高15 cm，垄上均覆盖塑料地膜，沟内覆塑料地膜(PP)、生物降解膜(PB)、液体地膜(PL)、秸秆(PS)和沟内不覆盖(CK)，共5个处理。玉米种于沟内垄两侧，株距30 cm。每处理3次重复，小区面积为8.1 m×3.6 m，随机排列。

播种前30 d，修筑沟垄，将基肥(N 150 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2)均匀散在沟内，翻入土壤，然后进行覆盖。垄上均覆盖普通地膜(80 cm宽，8 um厚，来自于陕西运城塑料厂)。PP和PB处理沟内分别覆盖普通地膜和生物降解膜(80 cm宽，8 um厚，由陕西华宇生物科技有限公司提供)。玉米秸秆被切成15 cm长，以9000 kg/hm2的覆盖量均匀覆于PS区沟内，液体地膜(北京金尚禾生物有限公司生产)按产品∶水为1∶5稀释，以公司推荐的450 L/hm2的总量用手动喷雾器喷施于PL区沟内土壤表面。

春玉米(豫玉22)于2008年4月15日、2009年4月26日和2010年4月25日播种，密度为55558株/hm2。在7月下旬分别追施N肥150 kg/hm2。于2008年9月5日、2009年9月18和2010年9月17日收获。当季作物收获后保持沟垄结构，来年继续使用。试验期间进行人工除草。

1.3 取样与测定

1.3.1 土壤水分测定

2008—2010年，采用土钻取土法分别测定播种期(0 d)，拔节期(45—50 d)，抽雄期(85—90 d)，灌浆期(105—110 d)和收获期(135—140 d)种植沟内0—200 cm土层土壤含水量，以20 cm为间隔。播种前根据Robertson［16］测定土壤容重，并计算 0—200 cm 土层土壤蓄水量［17］。

1.3.2 土壤温度测定

2008—2010年，用曲管水银温度计从播种到收获期测定08:00、14:00和20:00土壤5、10、15、20和25 cm处的温度，3次读数的平均值作为日均土壤温度，间隔为10 d。

1.3.3 玉米生长测定

记录2008—2010年玉米生育进程。从播后30 d开始至收获期，以30 d为间隔，每小区选5株有代表性的长势基本一致的植株挂牌标记，测定其株高和叶面积，同时选3株有代表性的长势基本一致的植株，杀青、烘干，测定其地上部生物量。

1.3.4 籽粒产量及其构成要素

玉米成熟后收获中间两行(宽0.6 m，长8.1 m)测产，取有代表性的样穗20穗进行室内考种，考察穗长、穗粗、穗粒数和百粒重等指标。

1.3.5 水分利用效率［18］

式中，WUE为水分利用效率，Y为籽粒产量，ET为玉米生育期耗水量［19］。

1.4 统计分析

用SAS进行方差分析，SSR(Dancan)法用来检测各处理间平均差异。当P＜0.05时认为统计上差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同沟垄覆盖处理0—200 cm土层土壤水分状况

2.1.1 0—200 cm土层土壤水分时间动态变化

3a试验期间，不同生育期各覆盖处理的土壤水分与对照(沟不覆盖处理)存在明显差异(表2)。玉米生长前期(播后0—60 d)，地面裸露面积较大，土壤水分以棵间蒸发为主，沟垄全覆盖处理能有效抑制土壤水分蒸发，使土壤蓄水量明显高于对照，抑蒸效果以PS处理最好，PP和PB处理次之。该时期PP、PB和PS处理3年平均0—200 cm土层土壤蓄水量分别较CK增加9.1、10.2和16.5 mm;生育中期(60—120 d)，玉米进入旺盛生长阶段，作物蒸腾耗水加大，各处理土壤水分降至最低且差异较大。该时期PS处理3年平均土壤蓄水量较CK显著增加16.9 mm;PP和PB处理的土壤蓄水量在2008和2009年分别平均较CK显著降低11.8和10.7 mm，而2010年与CK处理差异不显著，这可能与该时期降雨量有关(2008年148.2 mm、2009年89.0 mm和2010年232.6 mm)。生育后期(120—140 d)，作物耗水减少，各沟垄全覆盖处理与对照差异均不显著。整个生育期PL处理土壤蓄水量略高于CK，但差异不显著。

2.1.2 0—200 cm土层土壤水分垂直变化

不同年份因降雨量及其分布不同，各覆盖处理在不同时期0—200 cm土壤水分的垂直分布不同，而同一时期各覆盖处理的变化趋势相似(图1)。生育前期(0—60 d)，PS处理0—200 cm各土层平均土壤含水量均显著高于CK，PP和PB处理0—20 cm和100—200 cm含水量显著高于CK。玉米生育中期(60—120 d)，2008和2009年土壤水分垂直变化趋势较为相似，PP和PB处理下0—20 cm层土壤水分高于CK。然而，在80—180 cm层显著低于CK，且这种趋势在该阶段降雨最少的2009年最为明显(图1)。

2008年PP和PB处理80—180 cm层平均土壤含水量分别较CK降低5.1%和5.4%;2009年分别降低9.4%和9.3%。在2010年，土壤水分分布不同于2008和2009年，PP和PB处理各土层土壤水分与CK无显著差异;3a研究期间，该时期PS处理各层土壤含水量均高于CK。在生长后期(120—140 d)，土壤水分年际间垂直变化随后期降雨量的增加而增加，各处理0—100 cm土壤含水量较生育中期明显增加，且以PP、PB和PS处理0—20 cm土壤含水量增幅较大。整个生育期PL处理各层土壤含水量与CK无显著差异(图1)。

表2 2008—2010年玉米生长期不同处理0—200 cm土层土壤贮水量Table 2 Soil water storage in 0—200 cm soil profile at maize growing period under different treatments during 2008—2010

2.2 不同沟垄集雨种植下5—25 cm土层平均土壤温度

图2为2008—2010年玉米各生育时期5—25 cm处的土壤平均温度。研究期间，在0—90 d，不同处理对土壤温度的影响效果显著，PP和PB处理3a平均土壤温度分别较CK增高1.6℃和1.3℃，PS处理较CK降低1.9℃，而PL处理土壤温度略高于CK，差异不显著。90 d以后，PS处理的土壤温度显著低于CK处理0.8℃，其它各处理与CK无显著差异。PL处理在前期略高于CK，其它各时期与CK无显著差异。

2.3 不同沟垄覆盖处理对玉米株高、叶面积及地上生物量的影响

由表3可知，不同沟垄集雨处理对玉米关键生育时期的生长产生一定的影响。PP和PB处理主要促进玉米前中期生长，而PS处理促进玉米中后期生长，PL处理整个生育期玉米各生长指标均略高于CK，但差异不显著。在播后50和90 d，PP和PB处理玉米株高均显著高于CK，而在140 d略高于CK，但差异不显著。PS处理玉米株高在50 d显著低于PP和PB处理，与CK无显著差异，但随生育期的推进，其株高超过PL和CK处理，与PP和PB处理差异不显著(2008年)或显著高于其它各处理(2009和2010年)。PP、PB和PS处理3a平均最大株高(140 d)分别较CK增高2.3%、2.4%和7.0%。PL处理整个生育期玉米株高略高于CK，差异不显著。

不同处理对叶面积的影响与株高相似。PP和PB处理各时期玉米叶面积均显著高于CK;PS处理玉米叶面积在播后50 d与CK无显著差异，但在中后期(90 d和140 d)叶面积最大，均显著高于其它处理。PP、PB和PS处理3a平均最大单株叶面积(90 d)分别较CK增加30.9%、29.9%和34.6%。PL处理整个生育期玉米叶面积略高于CK，但差异不显著。

不同沟垄集雨处理显著影响玉米地上部生物量，PP和PB处理下玉米生物量在各时期均显著高于CK，PS处理下玉米生物量在50 d与CK无显著差异，但90 d后显著高于CK，PP、PB和PS处理3a平均最大生物量(140 d)分别较CK增加15.5%、13.9%和6.5%。而PL处理整个生育期玉米生物量与CK差异不显著。

图1 2008—2010年玉米生长阶段不同处理0—200 cm土层土壤水分含量Fig.1 The soil water content(0—200 cm)at maize growing stages for different treatments during 2008—2010

图2 2008—2010年玉米生长期不同处理5—25 cm平均土壤温度Fig.2 Mean soil temperature(5—25 cm)under different treatments in maize growing period during 2008—2010

表3 不同降雨量和种植方式对株高、叶面积及地上生物量的影响Table 3 Effects of different treatments on plant height，leaf area and aboveground biomass

2.4 不同沟垄覆盖处理对玉米产量和水分利用效率的影响

不同沟垄覆盖方式可显著影响玉米的产量及构成(表4)，玉米产量以2008年最高，2009年最低，各处理玉米产量顺序为PS＞PB＞PP＞PL＞CK。PP、PB和PS处理3a平均玉米产量分别较CK显著增加1252.1 kg/hm2(13.0%)、1330.8 kg/hm2(13.8%)和1423.9 kg/hm2(15.0%)。沟垄全覆盖处理能显著增产，其主要原因是明显增加玉米的百粒重和穗粒数，PP、PB和PS处理3a平均百粒重分别较CK提高9.4%、10.5%和11.6%;穗粒数分别提高13.0%、13.8%和14.8%。对于穗长，以PS处理最高，PB和PP处理次之，3a平均分别较CK提高10.0%、5.2% 和4.8%。而穗粗以PB处理最高，其次为PP、PS处理，3a平均分别较CK提高4.0%、2.2%和1.6%。3a研究期间，PL处理下玉米产量及构成均略高于CK处理，但无显著差异。

不同处理对0—200 cm土层土壤水分利用状况不同，从而对玉米耗水量和水分利用效率产生显著影响(表4)。各覆盖处理玉米耗水量随产量的增加而增加，其中PP、PB和PS处理与CK处理差异显著，3a平均较CK分别增加12.3、14.1 mm和12.2 mm。水分利用效率(WUE)的变化规律与产量相似，各集雨覆盖处理的WUE均显著高于沟内不覆盖处理(CK)。PP、PB和PS处理3a平均WUE较CK分别增加2.3 kg·hm-2·mm-1(9.8%)、2.4 kg·hm-2·mm-1(10.2%)和2.7 kg·hm-2·mm-1(11.6%)。

3 讨论

3.1 土壤水温状况

在旱作区一项重要的措施是减少土壤水分的蒸发，而沟垄集雨种植可有效阻止土壤水分蒸发，有助于土壤蓄水，从而改善农田的水分状况［1］。申丽霞等［20］认为，与露地栽培相比，可降解地膜和普通地膜覆盖使玉米三叶期至大喇叭口期0—40 cm的土壤水分含量明显提高。研究发现，PP和PB玉米生育前期土壤含水量显著高于对照，而在中后期显著低于(2008和2009年)对照或持平(2010年)，这可能跟PP和PB处理下玉米生长较快，对下层水分消耗较多有关。结果表明，PS处理对春玉米全生育期的土壤水分均有抑制无效蒸发的效果，可使0—200 cm土层土壤保持较高的贮水量。不同覆盖措施对土壤温度的影响效果随气候条件和覆盖材料的不同而不同［21］。在本研究中，PP处理生育期5—25 cm土壤温度均最高，这是由于地膜覆盖阻止了土壤和空气间的水分交换，降低了土壤和空气间的热通量和热交换［22］。PB处理下土壤温度低于PP处理，这跟地膜的透光性优于生物降解膜有关［23］。秸秆覆盖的土壤表面比裸地有较高的反射率和较低的热传导性，降低了到达地面的热量，从而降低了土壤温度［24］。PS处理下土壤温度显著低于CK。PL处理土壤温度与CK无显著差异，这可能与液体地膜喷施后成膜效果较差，且易受外界环境条件使其受损有关［25］。

表4 不同处理对玉米产量及水分利用效率的影响Table 4 Effects of different treatments on maize yields and water use efficiency(WUE)

3.2 玉米生长

申丽霞等［20］认为，可降解地膜和普通地膜有较高的土壤水分含量和温度，使玉米各时期株高、叶面积和地上部干物质重均明显高于露地对照。张杰等［26］研究也发现，与传统平作相比，垄上覆盖普通地膜和生物降解膜处理均能显著增加玉米株高、叶面积和生物量，而液态膜的影响不显著。研究结果表明，PP和PB处理比沟不覆盖处理的集雨增温效果显著，促进玉米前中期生长，使玉米前期株高、叶面积及地上部生物量显著其它各处理。PS处理在前期土壤温度较低，玉米生长缓慢，但其土壤水分状况较好，对地上部生长的促进作用主要表现在生长中后期，中后期玉米株高、叶面积及生物量显著高于CK。

3.3 玉米水分利用效率

相关研究表明［27-29］，地膜覆盖能提高玉米产量和水分利用效率，覆盖生物降解膜也具有极显著增产效果，与普通地膜无明显差异。本研究结果表明，在沟垄全覆盖种植模式下，沟覆地膜(PP)、生物降解膜(PB)和秸秆(PS)处理，可进一步抑制玉米种植沟内土壤水分的无效蒸发，调节沟内土壤水温状况，与沟不覆盖相比，明显增加玉米的百粒重和穗粒数，从而提高作物产量和水分利用效率。王敏等［30］的研究表明，与露地平作相比，平覆生物降解膜和地膜覆盖种植能显著提高玉米穗长、穗粗、百粒重和产量，而秸秆覆盖处理显著降低了玉米穗长和百粒重，造成玉米减产。而本研究发现，PS处理的土壤水分状况较好，同时垄上覆盖地膜的增温效果一定程度上可弥补低温效应对玉米生长的影响，使其产量和水分利用效率比CK处理显著提高。黑色液膜作为一种新型覆盖材料，具有使用方便、成本低廉、无环境污染及应急性强等特点。王小彬等［31］研究表明，液膜覆盖明显提高了土壤温度，促进春玉米的生长发育，增产效果显著。而在本研究中，PL的土壤水温状况与CK处理无显著差异，在整个生育期玉米各生长、产量和水分利用效率无显著提高，这可能归因于不同的生态条件和液膜产品［32］。

4 结论

与沟不覆盖处理相比，垄覆地膜沟覆地膜生物降解膜或秸秆的沟垄全覆盖处理能进一步改善作物种植沟内的土壤水温状况，促进玉米生长，显著增加其株高、叶面积和生物量，从而提高玉米的产量和水分利用效率。

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