华北地区休闲期覆膜对土壤水分和春玉米苗期生长的影响

刘胜尧，范凤翠，贾建明，贾宋楠，齐 浩，李志宏，高清海

(1.河北省农林科学科院农业信息与经济研究所，河北石家庄 050051； 2.河北省农业机械化研究所有限公司，河北石家庄 050051)

华北地区旱地农田土壤水分特征的主要影响因子是自然降水和农田蒸散量[1]，农田土壤的水分时空变化可以划为4个时期：秋季缓慢蒸腾消耗期、冬季冻结水分相对稳定期、春季返浆蒸发水分强烈消耗期、雨季水分恢复期[2]。春季返浆蒸发水分强烈消耗期会导致农田土壤水分不足，已成为影响玉米正常播种及苗期生长的主要限制因素，如何将夏秋季土壤蓄水和春季返浆无效蒸发水分为春季播种出苗和苗期生长利用是亟待解决的问题。

在我国半干旱地区的农业生产中，地膜覆盖因为改善了土壤水分温度而具有良好的增产效应[3-5]，得到了广泛推广。然而半干旱地区降水分布不均匀，年度间变率大[6-7]，尤其在春季降水稀少、气候干旱、表层土壤失水快、底墒不足的情况下覆膜反而会减产[8-10]。秋季土壤雨水比较丰富，关于秋季土壤覆膜保水，春季高效利用的研究，西北地区和东北地区已有报道。张哲元等研究表明，秋季覆膜比对照0～10、10～20、20～30 cm深土层的土壤含水量分别高55.0%、53.8%、61.3%，这一水分条件能够满足玉米等大田作物种子发芽的需要，可以解决春季由于干旱而不能适时播种的难题，同时也避免了研究地区冬春季的风蚀问题和扬尘问题[11]。乔灵芝等研究认为，在西北地区秋季雨后休闲期覆盖地膜，不同覆盖的土壤蓄水量分别比不覆盖处理(CK)增加18.37～21.22 mm，玉米籽粒产量和水分生产效率分别比对照增加13.9%～14.6%、 11.0%～11.1%[12]。

研究证明，地膜覆盖的农田生产效应存在明显的地域性差异。关于华北地区以秋雨春用、春墒秋保为目标进行秋后覆膜的研究较少，本试验在作物收获后进行灭茬、薄膜覆盖，降低冬季和春季农田土壤水分的无效损失，探讨秋后覆膜保墒措施，对翌年春播时期土壤水分及玉米苗期生长的影响，以期为华北半干旱地区旱作保墒技术的实施提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年11月至2013年6月在河北省农林科学院鹿泉市大河综合试验站进行。该地区属温带半湿润偏旱大陆性季风气候，四季分明，日平均气温13.6 ℃，年降水量 536 mm，降水主要分布在7、8月。日照时数2 554 h，无霜期230 d。试验地土壤为黏壤质洪冲积石灰性褐土，0～100 cm深土体土壤容重为1.63 g/cm3，田间持水量为21.17%，凋萎含水量为11.0%；耕层土壤养分含量分别为1.96%有机质、0.10%全氮、86.10 mg/kg速效氮、32.75 mg/kg速效磷、185.40 mg/kg速效钾，pH值为7.74。

1.2 试验设计

试验设置4种处理方式：垄作覆膜、垄作、旋耕、免耕(对照)，采用随机区组设计，3次重复。垄作覆膜处理在秋收灭茬后旋耕并起垄，垄底宽40 cm，垄顶宽25 cm，沟宽20 cm，垄高15 cm，用90 cm宽的地膜全部覆盖垄沟，在垄底部打直径为0.3 cm的小孔，便于雨水入渗，春季可垄上播种。垄作处理即秋收灭茬后旋耕起垄，垄底宽40 cm，垄顶宽25 cm，沟宽20 cm，垄高15 cm，不覆膜。旋耕即秋收灭茬后旋耕处理，不覆盖地膜。免耕(对照)即秋收灭茬后不作处理，不覆盖地膜。

供试玉米品种为郑单958，种植密度为67 500株/hm2，于2013年5月10日人工点播。由于除覆膜处理外，其他处理缺苗严重，因此此试验测试进行到播种后40 d。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 测定深度为0～100 cm土层，每10 cm取1个土样，土壤冬季冻结前30 d测定1次，春季返浆后20 d测定1次，采用烘干法测定。

1.3.2 土壤储水量计算

(1)

式中：W为土壤储水量，mm；hi为土层深度，cm；ρi为土壤容重，g/cm3；bi为土壤水分质量百分数；n为土层序号，n=1，2，3，…，10；i=10，20，30，40，…，100。

1.3.3 玉米生长指标和生物量的测定 测定株高、茎粗、叶面积、单株干物质量，分别于玉米出苗后，每7 d采集各处理具有代表性的植株5株，鲜样分器官擦洗干净，在105 ℃杀青30 min，再在80 ℃烘干至恒质量，测定生物量。

1.3.4 叶绿素含量的测定 用SPALD-502叶绿素仪测定叶片的叶绿素相对含量，从玉米出苗后开始测定，每7 d测定1次，每个处理测定5株。测定部位均为朝向一致完全展开的叶片，即从顶部数第3张叶片起，每个叶片测5次，取5次的平均值作为该叶片的叶绿素相对含量。

1.3.5 叶绿素荧光参数的测定 采用Hansatecch公司生产的植物效率分析仪(Pocket PEA)测定玉米的叶绿素荧光参数，测定时间及叶位与叶绿素相对含量测定时相同。叶片先暗适应15 min，再用3 500 μmol/(m2·s)饱和光诱导，测定可变荧光(Fv)、最大荧光(Fm)、PSⅡ的最大光化学效率(Fv/Fm)，重复5次。

2 结果与分析

2.1 不同处理休闲期土壤储水变化

由图1可知，各处理0～100 cm深土层的土壤储水量受蒸发和降水的影响呈先增加后降低的倒“V”字形变化趋势。由于秋冬季降水较丰富，分别达28.5、20.2 mm，在返浆期(3月8日)各处理土壤储水量达高峰值，为278.07～285.33 mm。覆膜处理土壤储水量最高比对照高3.22 mm，差异不明显，这与秋冬季蒸发小，覆膜阻碍降雪入渗有关。返浆期后气温升高，降水少，气候干燥，土壤蒸发量大，土壤储水量下降，3月8日至3月28日阶段耗水量为2.4 mm～12.6 mm，以垄作覆膜和旋耕耗水量最低，分别为2.4、2.5 mm，这2种处理在早春季节保水效果明显，耗水量分别为对照的19.4%、 20.1%。3月28日至4月18日晚春季节0～100 cm土壤储水量继续下降，达到261.3～277.7 mm，阶段耗水量为5.1～8.4 mm，与对照相比垄作覆膜和旋耕保水效果降低，这主要与进一步升温，蒸发潜能增加，而对照处理土壤储水量低导致土壤水势较低降低蒸发量有关。此阶段垄作覆膜和旋耕土壤储水量分别比对照高16.42、5.93 mm，保水效果明显。4月18日到5月8日的初夏季节，由于有 14.9 mm 的降水，各处理100 cm土层土壤储水量小幅上升，其中以垄作覆膜和旋耕升幅最大，分别为11.28、6.25 mm，分别比对照多8.19、3.07 mm。垄作最少为0.18 mm，比对照低2.91 mm，这应与起垄后增加蒸发表面积有关。

2.2 休闲期处理对春播前土壤水分及玉米出苗的影响

由表1可知，180 d的休闲期降水总量为66.00 mm，蒸发量为61.8～34.9 mm，蒸发量小于降水量，土壤储水量有不同程度的增加，垄作覆膜和旋耕处理的播前土壤储水量最多，分别为289.00、273.38 mm，增加量分别为31.10、15.48 mm，蓄水效率分别为47%、23%，与对照比土壤储水量分别提高9.3%、3.4%，蓄水率分别提高3.80、1.39倍。说明垄作覆膜和旋耕处理对旱地冬春休闲期农田具有明显的蓄水保墒效果，尤其是在该时期降水较少的年份对耕层土壤的保墒作用更为明显，这为春播作物适期播种提供了水分保障。

由于春季降水少、风大、空气干燥、蒸发量大，导致表层土壤失水快，变化幅度大。由表1可知，各处理(0,10]cm深土壤含水量为14.85～25.06 mm，相对含水量为49.66%～83.80%。垄作覆膜处理(0,10]cm深土层含水量为25.06 mm，相对含水量为83.80%，含水量可以满足出苗的要求，而其他处理都低于田间持水量的65%，在无降雨条件下不利于出全苗、壮苗。从表1的出苗率可以看出，垄作覆膜处理的出苗率达到 87.5%，本试验每穴播2粒种子，可以保证全苗。而其他处理出苗率不足60%，严重缺苗。

表1 各处理对春播前土壤水分及玉米出苗的影响

2.3 不同处理对玉米植株性状的影响

通过分析各处理的株高和茎粗，由图2、图3可知，随着春玉米的生育进程，各处理玉米株高和茎粗具有相似的变化规律，即从苗期到抽雄期有逐渐增加的趋势，且增速呈先加快后减慢的趋势。株高在27～34 d增高速度最快，茎粗在20～27 d增粗速度最快。整个试验期间，垄作覆膜处理株高和茎粗均显著高于对照，其中，株高比对照增加6.83%～31.25%，茎粗比对照增加10.09%～49.37%，均呈现前期增幅大后期增幅小的变化趋势。旋耕和垄作处理在玉米幼苗期的株高和茎粗显著高于对照，在播后20 d差异不显著。

由图4、图5可知，垄作覆膜处理前期叶片生长较快，叶面积在播种13 d后比对照处理高125.0%，地上单株干物质量比对照高215.8%，随后增长幅度变小；播后27 d，垄作覆膜处理的叶面积比对照高78.9%，地上单株干物质量比对照高70.6%；40 d后垄作覆膜处理的叶面积比对照高30.6%，地上单株干物质量比对照高48.2%。

2.4 不同处理对叶绿素相对含量的影响

叶绿素是植物吸收光能进行光合作用的色素，在一定范围内，叶绿素含量的高低直接影响植物的光合能力。由表2可知，在试验处理前期垄作覆膜处理的叶绿素相对含量显著高于对照，在后期两者差异不显著；垄作覆膜处理在播后13 d叶绿素相对含量提高14.5%，播后20 d叶绿素相对含量提高5.4%，播后27 d提高4.5%，提高叶绿素的效果随着生育期的推进而降低，播后34 d开始与对照差异不显著。这主要是由于前期在5月中下旬，气温不稳定，常有低温冷害，同时土壤比较干旱，垄作覆膜处理可以增温保水，有利于春玉米生长，后期进入6月份，气温较高，垄作覆膜处理土壤温度高，失水快，反而影响作物生长。其他处理只有旋耕处理在播后 27 d 可以显著提高叶绿素的相对含量，其他时间与对照差异均不显著。

表2 休闲期处理对叶绿素相对含量的影响

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.5 不同处理对叶绿素荧光参数的影响

Fv/Fm是PSⅡ最大光化学量子产量，其大小反映了PSⅡ反应中心原初光能的转化效率。由表3可知，对照、旋耕处理、垄作处理在5个时间段的Fv/Fm随着时间进程的推移而增加，但垄作覆膜处理变化范围不大。播后13、20 d时垄作覆膜和旋耕处理显著高于对照，13 d时分别比对照高12.5%、7.8%。说明出苗初期垄作覆膜处理和旋耕处理玉米苗受胁迫小，这与垄作覆膜和旋耕措施可以保水提温有关。随着生育期进程气温升高和降水增加，从而减弱了垄作覆膜和旋耕提温保水的优势。

表3 休闲期处理对叶绿素荧光参数(Fv/Fm)的影响

3 结论与讨论

华北半湿润半干旱区季节性降水分布不均限制了农业生产，春季高蒸发、少降水，大大降低了耕作层(0～20 cm)的土壤水分，耕层以下由于没有作物消耗水分，因此受影响比较小，水分相对比较丰富。春季耕层干旱严重影响玉米出苗，在无降水和灌溉的条件下玉米不能按期播种。因此保持耕层水分充足是保证华北地区按期播种，出苗全和出苗壮的关键。严昌荣等认为，春播作物生长后期处于雨季，在一般情况下，降水量基本可以满足作物对水分的需求，农田土壤水分还能得到一定的补充，在半湿润偏旱区，玉米和冬小麦的耗水量虽然出现段性的须要土壤水分补给的情况，但整个生育期自然降水量都超过耗水量[1]。因此秋季土壤有一定的水基础，说明秋季有水可保。覆膜可以最大程度地保储夏秋盈余水分和冬春降水，减少春季无效蒸发，使播期(0,10] cm深土层水分比对照提高52.0%，0～100 cm深土壤水分提高9.3%，说明覆膜可以有效保持表层土壤水分，从而有利于全苗壮苗，解决等雨播种的问题[13-16]。

研究发现，覆膜对旱地玉米的生育有显著的促进作用，从玉米播种一直延续到拔节期可以显著提高株高、茎粗、叶面积及干物质积累量，这为玉米的高产创造了条件。同时覆膜在一定范围内能提高叶绿素相对含量和叶绿素荧光参数，说明覆膜可以提高光合效率。本试验由于对照处理和其他裸地处理出苗率较低，因此只进行了苗期试验，覆膜对玉米中后期的影响还应进一步研究。覆膜除了有保水效应外，对土壤温度、土壤养分的影响还须进一步研究。