陇中半干旱地区地膜覆盖和补灌对玉米及土壤温湿度的影响

张开乾，郑立龙

(1.甘肃省农业科学院，兰州 730070；2. 甘肃省农业科学院农业经济与信息研究所，兰州 730070)

陇中半干旱地区农业生产主要依靠天然降水，该地区平均年降水量小于400 mm，大部分地区呈现不同程度的水分亏缺，缺水已成为当地农业及经济发展最重要的限制因素，植被退化。水土流失和荒漠化都与当地的水资源短缺有着密切关系。在这一地区提高农作物产量增加农民收入，关键是解决有效降水资源的综合利用技术[1-4]。该地区一年中气候变化较大，昼夜温差大，温度也是影响该地区高产的一个因素。因此很多农业科技工作者都努力研究如何在该地区使作物在水资源有限、地温偏低不利于种子发芽和作物生长的情况下提高水分利用效率和保持地温，保证作物高产增收。通过一系列的研究发现：秸秆覆盖技术，在提高水分利用效率方面有一定作用[5]；覆地免耕技术，可以减少土壤蒸发，从而提高作物的产量和水分利用效率，如在生育期后期遇到补水则可在产量和水分利用方面明显提高[6]；玉米采取地膜栽培，由于提高了早春土壤温度，减少了地表水分蒸发，保水保墒，解决了需水关键期土壤水分的不足。同时水热同季，改善了土壤微生物活性，有利于玉米生长发育和水分吸收，极大地改善了水分生产效率和降水利用率，故是旱地玉米夺取高产的有效栽培措施[7,8]；氮肥的使用和覆膜栽培技术的共同使用，发现较单独的地膜覆盖技术在提高水分利用效率方面作用更加明显[9,10]；旱地玉米起垄集雨全地面覆膜沟播技术既能最大限度地保蓄土壤水分，又能充分接纳和利用天然降水，使降水的作用大大提高，具有明显的蓄水、保墒、增产效果，经济效益显著[11,12]。补灌技术，在玉米不同的生育期进行各种多次或一次，等量或不等量的补灌中，以在大喇叭口期进行一次性补罐最有效[13-15]。冯应新等人在黄土高原东部地区以地膜覆盖和补灌作为试验因素，他们认为覆膜和补灌能有效提高玉米对水分的利用效率，提高玉米产量；在水资源有限时，玉米补灌时期应以大喇叭口期为主[9]。张绪成等人在黄土高原地区进行的地膜玉米集雨补灌效应试验认为覆膜可以提高水分的有效利用效率和地温，改善玉米生长的微生境，有效促进玉米个体生长发育，增加群体产量，同样认为补灌玉米生长最有效时期是在大喇叭口期[11]。卫三平等人研究旱地玉米在不同栽培方式下补灌的产量变化时，认为全膜垄作比普通覆膜在对旱地玉米增产方面作用明显[15]。

陇中半干旱地区水热俱缺，玉米栽培受多重因子的综合作用，但已有研究针对于水分或热量的研究成果，难以为半干旱少热区玉米生产提供可靠的理论支撑。为此本研究通过大田试验，研究了不同覆膜方式、补灌制度对玉米水分利用效率和土壤温、湿度的影响，旨在为该区种植玉米提供技术选择和优化的依据。

1 材料与方法

1.1 试区基本情况

本试验于2014年4―10月在甘肃省榆中县北部黄土丘陵区中连川流域(N36 °02′，E104°25′)进行，该区域气候上属于半干旱类型，主要土壤类型为黄绵土。试区最热月份平均温度为19.0 ℃，最冷月份为1月，平均温度为-1 ℃。地下水位大于10 m，不具备补给能力。因此，天然降水是该区域土壤水分和作物生产的基本水源，属于典型的黄土丘陵沟壑区半干旱气候地理类型。2013年降水量为197.7 mm，试验当年2015降水为262.5 mm；无霜期为120 d左右；年日照时数2 666 h。该区域农业生产为雨养型，作物一年一熟。

1.2 材料与方法

(1)参试材料。试验供试玉米品种为中早熟杂交种酒单668，由酒泉市农业科学研究院提供。

(2)试验设计。试验共设9个处理，分别为全膜垄作栽培，不补灌(M1)；全膜垄作栽培，拔节期补灌300 m3/hm2(M1S1)；全膜垄作栽培，大喇叭口期补灌300 m3/hm2(M1S2)；全膜垄作栽培，拔节期与大喇叭口期分别补灌150 m3/hm2(M1S1S2)；全膜平作栽培，不补灌(M2)；全膜平作栽培，拔节期补灌300 m3/hm2(M2S1)；全膜平作栽培，大喇叭口期补灌300 m3/hm2(M2S2)；全膜平作栽培，拔节期与大喇叭口期分别补灌150 m3/hm2(M2S1S2)；露地平作栽培，不补灌(CK)。每个处理试验采取随机排列，重复3次，小区面积25.2 m2(3.6 m×7.0 m)。于4月28日播种，播种密度为5.25万株/hm2。全膜垄作时，垄面宽80 cm，垄高20 cm，沟宽40 cm，垄上按行距40 cm、株距32 cm播种玉米2行，平作不起垄，其余参数同全膜垄作。

(3)测定指标。土壤水分含量：称重法测定，按20 cm每层标准测定至2 m。土壤温度：在午间12∶00-14∶00，按5 cm分层，测定0～20 cm土温，每7 d测定一次，5月5日开始测定。作物产量：对玉米的生物产量、经济产量进行测定。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米产量及水分利用效率的影响

2.1.1不同处理对玉米产量的影响

从表1可以看出，生物产量方面各覆膜处理较对照处理高出75.3%～89.7%。经济产量方面各覆膜处理高出对照158.88%～206.1%。经济系数方面各覆膜处理高出对照103.19%～120.26%。以上的比较发现在该试验地区不进行覆膜的处理在收获季节其不可能完全生长成熟。所以，覆膜处理是该地区玉米生长的一个重要条件。

表1 不同处理的产量比较结果

在表1中，4个全膜垄作处理和4个全膜平作处理产量差异发现，4个全膜平作的处理在生物产量总量和经济产量总量上分别都大于4个全膜垄作处理的生物产量总量和经济产量总量，高出5.28%和7.23%，经济系数高出3.96%。其中生物产量是处理M2S1最高，为18 445.4 kg/hm2，比对照高85.17%，比全膜垄作处理中最高的处理M1S1S2高出4.99%；经济产量是处理M2S2最高，为6 277.69 kg/hm2，比全膜垄作处理中最高的处理M1S1S2高出6.31%；在经济系数方面同样是处理M2S2最高为0.35，比全膜垄作处理中最高的处理M1S1S2高出3.03%，比处理M2S1高出5.3%。说明在8种不同覆膜处理中以全膜平作大喇叭口期一次性补灌300 m3/hm2处理M2S2在提高产量和提高经济收入方面效果最好。

从表1中还可以看出，当补灌方式同为拔节期补灌时，处理M1S1玉米的生物产量和经济产量比对照分别高出7 396.7和4 153.36 kg/hm2，处理M2S1的生物产量和经济产量比对照分别高出8 723.1和4 527.82 kg/hm2。二者相比后者在生物和经济产量方面都比前者增高17.91%和9%，但经济系数低于其1.12%。当补灌方式同为大喇叭口补灌时，处理M1S2玉米的生物产量和经济产量比对照分别高出7 416和3 999.96 kg/hm2，处理M2S2的生物产量和经济产量比对照分别高出8 211.2和4 732.73 kg/hm2。二者相比后者在生物和经济产量方面都比前者增高10.7%和17.5%，经济系数高出8.19%。当补灌方式同为拔节期和大喇叭口期各补灌150 m3/hm2时，处理M1S1S2玉米的生物产量和经济产量比对照分别高出7 645.7和4 355.88 kg/hm2，处理M2S1S2的生物产量和经济产量比对照分别高出8 105.9和4 586.58 kg/hm2。二者相比后者在生物和经济产量方面都比前者增高6.01%和1.2%，经济系数高出1.2%。当补灌方式同为不在生育期进行补灌时，玉米在全膜垄作的生物产量和经济产量比对照分别高出7 377.77和4 146.12 kg/hm2，全膜平作生物产量和经济产量比对照分别高出8 161.9和4 599.89 kg/hm2。二者相比后者在生物和经济产量方面都比前者增高10.6%和10.9%，经济系数高出6.2%。通过以上数据比较发现，仅有全膜平作拔节期一次性补灌300 m3/hm2处理在经济系数方面小于全膜垄作拔节期一次性补灌300 m3/hm2处理1.12%，其他数据均大于全膜垄作方式。这说明在本试验中全膜平作和全膜垄作相比，全膜垄作并不是一种增加产量和提高收入的有效办法。

2.1.2不同处理对水分利用效率的影响

采取有效措施最大限度的提高降水资源的高效利用，是对旱地作物生育期实施集水补灌的主要目的，而水分利用效率则是基本衡量指标[10]。试验结果表明，在玉米全生育期自然降水262.5 mm的条件下，利用人工集雨在玉米关键时期进行补灌，具有较高的水分利用效率，其表现规律与产量结果一致(见表2)。8个覆膜处理比对照高出229.1%～310.4%，其中以处理H(全膜平作大喇叭口一次补灌300 m3/hm2)的效果最好。

在全膜垄作种植方式时，水分利用效率以全膜垄作不补灌最低，为17.59 kg/(mm·hm2)；以拔节期和大喇叭口期分次分量补灌最高，为20.42 kg/(mm·hm2)，较全膜垄作不补灌处理的水分利用效率高16.08%。在全膜平作种植方式时，水分利用效率以全膜平作不补灌最低，为20.79 kg/(mm·hm2)；以大喇叭口一次补灌效果最好，为21.90 kg/(mm·hm2)，较全膜平作不补灌高出5.3%。

表2 各处理的水分利用效率比较

在整个处理中也以全膜平作大喇叭口一次补灌效果最好，水分利用效率高出全膜垄作种植拔节期和大喇叭口期分量补灌的7.2%。而全膜平作不补灌比全膜垄作不补灌在水分利用效率上高出17.89%。

综合以上两点，这说明全膜平作在本试验提高水分利用方面的作用优于全膜垄作设计的处理。

2.2 不同处理对土壤水分时空动态影响

从表3对土壤含水量平均值进行分析发现，8个覆膜处理在土壤含水率上都大于对照，高出3.07%～14.2%。再对4个全膜垄作种植方式和4个全膜平作种植方式进行比较发现，全膜垄作种植方式土壤含水率的和高于全膜平作种植方式土壤含水率的和5.38%。而对相同补灌方式的全膜垄作处理和全膜平作处理比较发现，全膜垄作拔节期一次性补灌比全膜平作拔节期一次性补灌土壤含水率高出4.09%；全膜垄作大喇叭口期一次性补灌比全膜平作大喇叭口期一次性补灌土壤含水率高出10.79%；全膜垄作拔节期和大喇叭口期分次分量补灌比全膜平作拔节期和大喇叭口期分次分量补灌土壤含水率高出4.21%；全膜垄作不补灌处理比全膜平作不补灌土壤含水率高出4.44%。这说明覆膜处理在保持土壤含水率方面有一定效果。而全膜垄作种植处理比全膜平作处理的土壤含水率高，可能是因为全膜平作在产量上大于全膜垄作(见表2)，所以耗水更多。

表3 不同处理的土壤水分在玉米全生育期内的变化动态 %

玉米全生育期内土壤的水分变化数据结果可以看到，除对照处理外的其他设计处理在玉米生育期第1次测定到第2次测定土壤的含水量的时间内下降极快，而第1次到第2次测定土壤含水率的时间恰是玉米在大喇叭口时期，说明此时期玉米生长旺盛，对水分敏感时期，应加强这一阶段的水分管理，而对照的表现与其他相反，微微增加基本没变，这可能是当地干旱、地温变化大不利于玉米生长，且没有任何技术措施帮助生长，使的玉米根系活力不足，吸水能力弱[8]，发育迟缓有关。第2次与第3次测定的比较，土壤含水量变化不大，这可能与当地7、8月份降雨相对多有关。从第3次和第4次测定比较中发现CK与其他处理的土壤含水量都大约下降1%，有过补灌的处理在土壤含水量下降方面并没有优于其他处理，原因可能是玉米在这一事期处在产量形成阶段，耗水量极大，故单在土壤含水分量的时间变化上无法比较补灌效果。

从图1可以看出，除对照外无论是补灌处理还是未补灌水处理。40～60 cm的土层土壤含水量均明显低于0～40 cm土层和60～80 cm土层，说明作物在生长的过程中，根系主要活跃层集中在40～60 cm土层之间，根系吸水是造成下层土壤水分激烈变化的主要原因。此外，各种处理设计在0～60 cm土层之间差距明显，而在80 cm土层后趋向一致，这表明对覆膜玉米进行300 m3/hm2补灌对土壤水分的作用仅深及最多到80 cm，而以下几乎没有影响，所以分量分期补灌的方式将本来不多的补灌用水分2次每次150 m3/hm2进行补灌，考虑干旱地区蒸发强度大的因素，在改变40～60 cm土层的含水量上可能作用不如一次性补灌明显。

图1 全生育期平均土壤含水率空间变化动态

2.3 不同处理对土壤耕层温度的影响

2.3.1玉米全生育期不同处理地温的空间变化

图2表明，0～20 cm间不同土层的地温变化是土层越深地温越低，CK在没地膜覆盖和起垄处理的情况下变化最大。0～20 cm处4个不同土层的地温是明显低于其他8个处理的相同土层积温，其中各处理在5 cm处高出15.2%，10 cm处高出12.0%，15 cm处高出7.3%，20 cm处高出4.3%。这说明全膜平作和全膜垄作都有提高地温作用，但4个全膜垄作处理的积温高于4个全膜平作处理积温9.09%。再分别对相同补灌不同覆膜处理的4种处理进行地温对比，发现在各个土层的地温上都是全膜垄作处理大于全膜平作处理各土层积温，5 cm处高14.24%，10 cm处高11.01%，15 cm处高5.66%，20 cm处高3.54%。这说明虽然全膜平作和全膜垄作都能提高地温，但全膜垄作效果更明显。

2.3.2不同处理地温的时间变化

通过图2发现，在玉米地温的空间变化上以5 cm土层处变化最明显，所以将地温时间变化选在5 cm处进行研究。从图3发现在第1次测量到第4次测量之间，地温出现较大变化，8种处理地温下降了37%～41%，但对照下降了47%，所以可以表明覆膜处理在保温方面有一定效果。

图2 不同处理在玉米全生育期的地温空间变化

图3 不同处理5 cm处土层地温变化

3 结 语

在陇中半干旱地区地膜春玉米生育期补灌具有十分明显的增产效果，8种处理产量较对照高出156.8%～206.1%，其中以全膜平作大喇叭口期一次性补灌300 m3/hm2处理的效果最好，产量较CK增加4 732.73 kg/hm2，经济系数提高120.26%。所以，陇中半干旱地区缺水、低温的生态环境下，玉米种植应该采取全膜平作大喇叭口期一次性补灌的方式。

在玉米生育期自然降水262.5 mm的情况下，地膜覆盖和补灌能有效提高水分利用效率。总供水量为300 m3/hm2时，8种处理产量较对照处理高出229.1%～310.4%，其中效果最明显以覆膜平作大喇叭口期一次性补灌最好，其水分利用效率最高为21.90 kg/(mm·hm2)，高出对照310.4%。而在相同补灌处理下在水分利用效率上全膜平作高于全膜垄作处理的水分利用效率7.2%～17.89%。

在影响玉米生长的另一因素地温方面，覆膜和起垄能有效提高地温，8种覆膜处理的地温在0～20 cm处较对照处理平均高出3.9%～14.7%，但全膜垄作的效果好于全膜平作效果，积温高出9.09%。

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