地膜覆盖条件下黄土高原玉米产量及水分利用效应分析

徐佳星，封涌涛，叶玉莲，张润泽，胡昌录，雷同，张树兰

（1西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2宝鸡市农业技术推广服务中心，陕西宝鸡 721001）

0 引言

【研究意义】黄土高原是典型的雨养农业区，玉米是该地区的主要粮食作物[1]。随着土壤肥力提升[2]，水分已经成为黄土高原旱作玉米生产的主要限制因素。因此如何高效利用降雨，提高作物的水分利用效率是旱作地区研究的重点。地膜覆盖技术是一项简单有效的节水增产措施[3-5]，在黄土高原地区玉米种植中被广泛应用。【前人研究进展】大量研究指出覆膜具有提高降雨捕获量、抑制土壤水分无效蒸发、增加土壤的蓄水和水分回流的能力，从而提高作物的水分利用效率[6-9]，同时可以使玉米生育期缩短，增加株高以及叶面积，显著增加有效穗数、千粒重等生物产量和经济产量[10-13]。同时地膜覆盖会增加土壤温度和土壤孔隙度，有利于提高土壤微生物的活性以及积温生产效率[14-15]。但也有研究指出覆膜会导致作物减产，地膜覆盖由于提高了土层温度，使玉米的生育期提前，尽管玉米的生育后期有大量降雨，但是“卡脖旱”仍然导致了旱地玉米减产[16-17]。同时有人指出，覆膜增加玉米产量的同时会增加耗水量，连年进行地膜覆盖栽培，容易引起土壤水分的耗竭[18-19]。地膜覆盖技术目前分为全膜覆盖和半膜覆盖2种覆盖模式，有研究指出全膜覆盖的产量要显著高于半膜覆盖[20-21]，也有研究指出全膜和半膜覆盖产量相似[22]。不同田间试验研究结果中的产量效应、土壤水分利用由于试验的年度变异存在差异，个别地点个别年份的研究结果难以全面地评价不同地膜覆盖对土壤水分利用及玉米产量的影响。另外，地膜覆盖后残膜碎片等会造成环境污染[23-25]，十分有必要在区域尺度上对不同覆膜方式进行综合评价。【本研究切入点】本文通过分析过去近20年黄土高原地膜覆盖玉米发表的文章，系统分析全膜和半膜覆盖对玉米产量、水分利用及水分利用效率的影响。【拟解决的关键问题】本研究综合评价地膜覆盖技术的效应，为黄土高原地区地膜覆盖的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

在中国知网（CNKI），Web of Science与EI Compondex文献数据库，根据“玉米”、“蒸散量”、“产量”、“黄土高原”以及“地膜覆盖”关键词，收集了从2000—2017年发表的相关文章，进一步根据雨养条件，且水分利用效率或蒸散量基于1.6—3 m土层深度估算进行文献筛选。1.6—3 m土层深度的筛选条件主要是考虑玉米根系在土壤剖面的分布，有些文献水分利用效率或蒸散量基于1 m土层深度计算，玉米利用土壤水分估算偏低。基于上述条件，最后筛选出43篇文献（附表1），涉及黄土高原山西、陕西以及甘肃3个省12个不同地区。每个文献包括不覆膜（CK）和半膜覆盖（RM）或全膜覆盖（FM）2个处理，或者不覆膜、半膜覆盖和全膜覆盖3个处理。全膜覆盖包括全膜双垄沟、全膜起垄覆盖以及全膜平铺；半膜覆盖包括半膜双垄沟、垄上覆膜沟内播种以及半膜平铺的栽培方式。利用文章中图表的数据，构建了玉米产量、蒸散量以及水分利用效率的数据集，其中有一些文章提供蒸散量或者水分利用效率中的某一个，我们根据蒸散量（ET）= 产量（Yield）/水分利用效率（WUE）计算得出所需值。

本研究对产量、蒸散量、水分利用效率3个性状进行描述性统计分析。以不覆膜作为对照，计算产量、蒸散量以及水分利用效率的增加率。

式中，F为覆膜类型；CK为不覆膜。

为了了解黄土高原玉米生产的水分利用效率潜力，本文采用边界函数的方法研究产量与蒸散量之间的关系。具体步骤是将蒸散量的数据从小到大排序（作为x轴），产量基于蒸散量的数据排列。将蒸散量以20 mm间隔划分，每个区段提取产量最大数据点，直至产量达到最高产量。对产量最大的数据点进行线性回归，得到线性函数，其斜率表示玉米的潜在蒸腾效率，即黄土高原玉米的水分生产潜力，横坐标截距表示玉米当季最低的土壤水分蒸发量。边界函数的方法最早由澳大利亚学者FRENCH和SCHULTZ提出[26]，随后被许多学者引用[27-29]。

为了了解黄土高原海拔高度以及生育期降雨量对覆膜玉米增产率的影响，本研究分别将玉米增产率与海拔及生育期降雨量进行了相关分析，其中生育期降雨量以50 mm间隔划分，分段计算增产率的平均值，然后与降雨量进行了相关性分析。

数据采用SPSS18.0进行统计分析。半膜或全膜覆盖与不覆膜处理之间比较采用配对样本T检验进行分析，所有文献的半膜覆盖与全膜覆盖的比较采用独立样本T检验进行分析，同时对同一文献中既包括全膜覆盖，又包括半膜覆盖，也进行了对比分析。

图1 黄土高原不同处理玉米的籽粒产量Fig.1 Maize grain yield under plastic film mulching in the Loess Plateau

2 结果

2.1 全膜及半膜覆盖对产量、耗水量及水分利用效率的影响

黄土高原地区全膜覆盖玉米产量变化范围544—15 132 kg·hm-2，平均产量为9 191 kg·hm-2；对照不覆膜玉米产量变化范围170—12 059 kg·hm-2，平均产量为5 910 kg·hm-2（图1）。半膜覆盖玉米产量变化范围3 329—16 640 kg·hm-2，平均产量为9 348 kg·hm-2；对照不覆膜玉米产量变化范围536—13 520 kg·hm-2，平均产量为7059 kg·hm-2。无论是全膜覆盖还是半膜覆盖均显著提高了玉米产量，增产幅度大于40%。不过无论是所有文献数据还是同一文献数据的统计分析均表明全膜覆盖和半膜覆盖的玉米产量没有显著差异。

图2为黄土高原地区不同覆盖条件下玉米蒸散量的差异。全膜覆盖玉米季蒸散量变化范围221—511 mm，均值为366 mm；与之对应的不覆膜玉米蒸散量变化范围262—581 mm，均值为357 mm。半膜覆盖玉米季蒸散量变化范围224—604 mm，均值为385 mm；不覆膜蒸散量变化范围225—644 mm，均值为389 mm。与对照相比，全膜覆盖显著增加了玉米季蒸散量，蒸散量的增加范围-17%—32%，均值为2.83%。而半膜覆盖没有显著影响玉米季蒸散量，不过全膜与半膜覆盖之间蒸散量相似。

图3为黄土高原地区不同覆盖条件下玉米播种前与收获后土壤储水量的差值。全膜覆盖玉米土壤储水量差值范围-173—205 mm，平均值为6.85 mm，其中有60%的年份出现了土壤耗水；而对照不覆膜土壤储水量差值范围-135—211 mm，平均值为1.90 mm，有56%的年份出现了土壤耗水，全膜较对照增加土壤耗水约5 mm。半膜覆盖玉米土壤储水量差值范围-177—253 mm，平均值为19.99 mm，其中有60%的年份也出现了土壤耗水；其对照不覆膜土壤储水量差值范围-146—237 mm，平均值为18.06 mm，其中有62%的年份出现了土壤耗水，半膜较对照增加土壤耗水约2 mm。无论是所有文献数据还是同一文献数据的统计分析均表明，覆膜与对照或者是全膜与半膜之间玉米土壤储水量差值没有显著差异。

黄土高原地区全膜覆盖水分利用效率变化范围0.3—39.0 kg·hm-2·mm-1，均值是17.5 kg·hm-2·mm-1；与之对应的不覆膜玉米水分利用效率变化范围0—29.6 kg·hm-2·mm-1，均值为11.7 kg·hm-2·mm-1（图4）。半膜覆盖水分利用效率变化范围1.0—38.1 kg·hm-2·mm-1，均值是17.3 kg·hm-2·mm-1；不覆膜水分利用效率变化范围0.1—38.1 kg·hm-2·mm-1，均值为13.2 kg·hm-2·mm-1。全膜覆盖或半膜覆盖较对照均显著提高了玉米水分利用效率，但全膜覆盖与半膜覆盖水分利用效率相近（图4）。另外，同一文献中数据的统计分析也表明全膜和半膜覆盖之间水分利用效率没有显著差异。

2.2 玉米产量与耗水量之间的关系

图5显示玉米产量和蒸散量之间的关系，当包含所有处理的数据时（图5-a），土壤的无效蒸发为69.3 mm，玉米当季的潜在蒸腾效率为62.9 kg·hm-2·mm-1；在不覆膜条件下，土壤的无效蒸发为126.2 mm，玉米当季的潜在蒸腾效率为51.7 kg·hm-2·mm-1（图5-b）。地膜覆盖增加了玉米潜在蒸腾效率11.2 kg·hm-2·mm-1，减少了无效土壤蒸发约57mm。

图2 黄土高原不同处理玉米的蒸散量Fig.2 Evapotranspiration under plastic film mulching in the Loess Plateau

图3 黄土高原不同处理玉米播前与收获土壤储水量的增加量Fig.3 Difference of soil water between maize sowing and harvest under plastic mulching in the Loess Plateau

图4 黄土高原不同处理玉米的水分利用效率Fig.4 Water use efficiency under plastic film mulching in the Loess Plateau

2.3 生育期降雨量和海拔高度与玉米增产率的关系

全膜覆盖条件下玉米增产率与生育期降雨量呈现显著的负相关关系（P＜0.1）；半膜覆盖条件下玉米增产率与生育期降雨量呈现二次曲线关系（P=0.1052）（图6-a，b），显示当生育期降雨量超过350 mm时，半膜覆盖增产率将下降。全膜覆盖和半膜覆盖玉米增产率和海拔高度呈现显著二次拟合关系（图6-c，d），即覆膜处理玉米增产率随着海拔高度的增加呈现出先缓慢变化，之后显著增加的趋势。

图5 黄土高原玉米产量和耗水量之间的关系Fig.5 Relationship between maize yield and evaportranspiration (ET) in the Loess Plateau

图6 全膜覆盖和半膜覆盖玉米增产率与玉米生育期降雨量（a，b）和海拔高度（c，d）的关系Fig.6 Relationships between change in yield under FM and RM and growing season rainfall (a, b) and altitude (c, d) in the Loess Plateau

3 讨论

3.1 覆膜对玉米产量的影响

本研究表明，黄土高原玉米全膜覆盖或者半膜覆盖均显著提高了玉米产量，平均增产率超过40%。以往研究指出，地膜覆盖能减少土壤水分的无效蒸发，增加作物蒸腾耗水，显著提高玉米产量[30-33]。LIN等[29]对玉米产量与蒸散量间的关系研究发现，与不覆膜相比，地膜覆盖使土壤无效蒸发量降低12.3 mm。本研究发现，地膜覆盖较不覆膜减少了约57 mm的土壤无效蒸发量（图5）。另外，地膜覆盖能增加耕层土壤温度，显著缩短玉米物候期，防止玉米生育早期的冻害，并且显著增加了叶面积指数，增加生物量累积，所以显著提高了产量[33]。本研究也发现随海拔高度增加，玉米的增产效果显著增加，这可能主要与覆膜提高地温，防止苗期冻害，增强光合作用，净光合产物相应增多有关[34]。MBAH等[15]指出地膜覆盖会增加土壤孔隙度和降低土壤容重，增加土壤的通气和微生物活动，从而增加根系下扎深度，扩大根系利用水分和养分空间，加快植物生长和提高产量。郭满平等[35]报道覆膜提高了玉米的穗数，穗粒数以及千粒重，显著提高产量。WANG等[36]研究指出覆膜可以显著增加土壤矿质态氮的含量以及作物氮、磷的吸收量，从而促进增产。本研究发现覆膜可以显著提高玉米潜在蒸腾效率（11.2 kg·hm-2·mm-1），与LIN等[29]报道的结果相似（13 kg·hm-2·mm-1），这与地膜覆盖增加作物光能利用率有关[37]。因此，地膜覆盖增加玉米产量不仅与其改变玉米生长的土壤环境有关，也与其改变地上部微气候条件有关。本研究也表明无论是覆膜还是不覆膜处理，处于边界线以下的玉米产量（图5），可能受其他因素（如播期、品种、施肥、降雨分布等）的影响[12,38]，未能达到产量潜力。因此，在黄土高原地区地膜覆盖下提高玉米产量要综合保水、栽培以及施肥等多种优化措施。

本文通过比较文献中同时包括全膜覆盖和半膜覆盖处理的数据发现（图1），全膜较半膜覆盖处理有增加玉米产量的趋势，但二者之间没有显著差异。以往有关半膜与全膜覆盖增产的研究报道并不一致，一些研究显示有的年份全膜与半膜之间玉米产量相似[22,39-40]，有些年份全膜覆盖玉米产量显著高于半膜覆盖，特别是全膜双垄沟覆盖显著高于半膜覆盖[5,11,21,41]。这可能是因为在干旱的年份全膜双垄沟玉米生长旺盛、前期耗水多，生殖生长时期土壤水分严重亏缺，授粉不良，导致产量下降[22]，与半膜覆盖没有差异。而全膜双垄沟覆盖较半膜覆盖显著增产的原因可能是前者可以大幅提高地温、提高光合产物累积与转运、增加籽粒灌浆速率，进而提高收获指数[5,21]。由于本文收集全膜双垄沟数据较少，没有单独比较全膜双垄沟与半膜之间的差异。已有报道之间的差异可能与个别研究不同年份的气候条件，如降雨年型（降雨量多少以及雨量分布）影响不同覆膜方式的玉米生长的水热环境有关。个别地点个别年份的研究结果难以全面地评价不同地膜覆盖对玉米产量的影响，区域尺度上综合过去多点多种气候年型对比全膜与半膜效应，结论更为可靠。另外，长期地膜覆盖后残膜碎片对土壤性质以及作物生长有不良影响[42]，还会造成环境污染[23-25]。因此，建议黄土高原地区玉米种植采用半膜覆盖。

另外，本研究发现在区域尺度上，全膜覆盖增产率与生育期降雨呈现显著的负相关关系，半膜覆盖玉米产量随着降雨量的增加呈现出先增加后减少的趋势，当降雨量为350 mm时，增产率达到最大值。个别模拟研究报道玉米生育期降雨量分别为230、340和440 mm时，半膜覆盖较传统平作分别增产76%—83%、37%—43%和5%—11%[43]，表明高降雨量条件下覆膜效果降低。而大田试验发现无论全膜还是半膜覆盖在生育期降雨较少（192 mm）或者较高（417 mm）条件下玉米增产率均较低[22]。因此，区域尺度上综合过去多点多种气候年型，其结果应该值得肯定。

3.2 覆膜对水分利用以及水分利用效率的影响

在黄土高原地区，耗水量主要包括土壤蒸发以及植物蒸腾，所耗水分的主要来源是生育期降水以及土壤播前贮水。本研究发现全膜覆盖显著提高了玉米生育期蒸散量，而半膜覆盖与对照差异不显著（图2）。这可能与全膜覆盖显著提高土壤温度，早期促进玉米生长旺盛，蒸腾剧烈，从而导致全膜处理蒸散量高于不覆膜处理[22,41]。尽管全膜双垄沟具有较好的效果，但与半膜处理间差异不显著，这是因为不同覆膜方式都具有抑蒸、保蓄降水以及减少土壤蒸发的优点[41]，可能在玉米生长过程中全膜与半膜相比抑蒸效果并不显著。尽管本研究发现覆膜可以减少玉米生育期土壤无效蒸发57 mm，但是全膜覆盖玉米蒸散量的显著增加意味着需要有可靠的水分供应。而黄土高原地区年际降雨量变幅很大，说明覆膜作物高产的可持续性还存在不确定性。同时大多数研究基于2 m土层或者更浅的土层计算作物蒸散量，这可能没有真正反映覆膜玉米水分利用的情况，现有发表的数据可能偏低。例如LIN等[44]指出，收获时常规以及全膜处理2 m以下的土壤含水量要低于播种时的土壤含水量，因此以2 m作为耗水量的计算土深可能低估了植物对土壤水分的利用深度。LIN等[44]在7年的试验发现3年玉米生育期降雨量分别为344、268和361 mm，全膜覆盖收获期土壤水分低于播前土壤水分，而在其他4年生育期降雨量均大于350 mm，并没有出现明显的耗水。谢军红等[18]指出在当季生育期降雨量低于300 mm时，地膜覆盖玉米对土壤水库出现明显的消耗，吴杨等[45]指出在当季生育期降雨量低于350 mm时，地膜覆盖玉米较常规处理出现明显的耗水。而本研究区域尺度上的结果显示，全膜和半膜覆盖均有60%的年份存在土壤水分消耗的状况，全膜的相对耗水量高于半膜，表明在黄土高原半膜覆盖可能具有可持续性。目前缺乏地膜覆盖的长期定位试验，有关地膜覆盖的模型模块有待进一步开发，而黄土高原降雨呈现逐年下降趋势[46-47]。因此，地膜覆盖是否是该区高产以及水分高效利用的可持续管理措施还有待于进一步综合评价。

覆膜显著提升玉米蒸腾效率，提高了玉米产量，尽管覆膜有增加玉米蒸散量的趋势，但仍然显著提高了玉米的水分利用效率。不过全膜覆盖与半膜覆盖间水分利用效率差异不显著，综合考虑推荐半膜覆盖。

4 结论

黄土高原地区地膜覆盖可以显著增加玉米产量和水分利用效率，特别是高海拔区域地膜覆盖有利于玉米生长和产量提高。这与地膜覆盖显著降低土壤无效蒸发量，显著提高玉米潜在的蒸腾效率有关。但是全膜覆盖与半膜覆盖对玉米产量和水分利用效率具有等效性，考虑到地膜的环境污染与经济成本等因素，推荐黄土高原地区玉米栽培选用半膜覆盖。不过地膜覆盖是否是可持续的高产、水分高效利用措施还有待于进一步评估。