覆膜方式对旱作夏玉米产量和温室气体排放的影响

杨 睿，郑 静，范军亮，张凯宝，廖振棋，许新宇，赖珍林，白文强

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

玉米是西北干旱、半干旱地区的主要粮食作物之一，然而，西北旱作区年降水稀少、年内分布不均的特点制约了玉米的水分高效利用和高产效应[1-2]。垄沟集雨覆盖系统被广泛应用在干旱半干旱地区来加强农田土壤的储水能力[3-4]。垄沟集雨系统可以使降雨顺垄流入沟中，增加降雨入渗，从而有效增加土壤水分[5-7]。起垄可以增加农田的表面积，使农田表面接受更多的太阳辐射，从而增加了土壤表层温度和热传递能力[8-9]。大部分研究表明，覆盖在地表形成了一层屏障，尤其是气密性较强的地膜覆盖，能减少空气流动，从而有效阻止水分蒸发和热量散失，具有增温保温、保水保肥、增加作物产量等作用[10-15]。然而也有研究表明，地膜覆盖保墒节水的作用不明显，白色地膜覆盖引起的高温会导致夏玉米早衰和减产[16]。

随着近年来严重的全球变暖和气候异常问题，很多研究开始着重于垄沟集雨覆盖系统对于温室气体排放等环境效应的影响。温室气体主要包括CO2、CH4和N2O等，而农田生态系统是温室气体排放的主要来源之一[17]。垄沟集雨覆盖系统可以通过改变土壤的温度、水分、性质和肥力等因素来影响农田中的温室气体排放[18]。涂纯等[19]研究发现，地膜覆盖比不覆盖显著增加了土壤呼吸量，导致土壤CO2释放显著增加。然而也有研究发现，在2012年和2013年的中国北方玉米农田，不覆膜处理下的土壤CO2排放量比覆膜处理分别高出35.4%和19.9%[20]。张凯莉等[21]认为，地膜覆盖不同程度地降低了土壤各土层CH4的浓度。李志国等[22]研究发现，与传统无膜漫灌相比，覆膜滴灌可以改变旱田传统无膜漫灌栽培土壤与大气CH4的交换方向，促进土壤CH4向大气的排放，同时使N2O的排放量显著减小。倪雪等[23]研究发现，地膜覆盖对N2O排放通量有显著影响，春夏季覆膜可显著减少N2O的排放量，而在秋季和冬季有相反的效果。由此可见，地膜覆盖对农田温室气体排放的影响研究结果也不尽相同。

目前，国内对垄沟覆盖模式的研究多集中在垄沟集雨下不同覆盖方式的覆盖效应对比研究，而对于连垄种植模式少有研究，特别是不同颜色地膜覆盖对土壤水热状况、作物生长、水分利用效率和温室气体排放等综合影响研究还较少。本文研究了不同覆膜方式和地膜颜色对夏玉米生长、农田水热状况及产量、水分利用效率、温室气体排放的影响，以期探索适宜西北地区夏玉米生长的覆膜方式，为旱作夏玉米绿色高产高效生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年6—10月在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室节水灌溉试验站(108°24′E，34°20′N)进行。试验区属于暖温带季风半湿润气候区，海拔524.7 m，年平均温度为12.9℃，多年平均降水量580 mm(主要集中在7、8、9月)，年平均蒸发量1 500 mm。试验期间日平均气温为22.74℃，降雨量为529.6 mm (图1)，整个生育期降雨分布较均匀。试验区的土壤质地是重壤土，0～100 cm土层的田间持水量为 23%～25%，凋萎含水量为8.5%，0～20 cm土层的土壤pH值为8.14，有机质含量为12.0 g·kg-1、全氮为0.89 g·kg-1、速效磷为8.21 mg·kg-1、碱解氮为55.30 mg·kg-1[24]。

1.2 供试材料

试验所用地膜宽100 cm，厚0.008 mm。试验所用氮肥为尿素(N≥46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5≥16%)，钾肥为农业用硫酸钾(K2O≥51%)。供试玉米品种为郑单958，为中熟品种，该品种具有高产稳产、适应性广的优点，在我国西北地区广泛种植。

1.3 试验设计

试验设置5个处理：(1)平作无覆盖(CK)；(2)垄沟种植垄覆白膜(T1)；(3)垄沟种植垄覆黑膜(T2)；(4)连垄沟播白膜全覆盖(T3)；(5)连垄沟播黑膜全覆盖(T4)(图2)。每个处理3个重复，随机区组排列，共15个小区。小区面积25 m2(5 m×5 m)，试验区周围布设2 m保护带，相邻2个小区间设0.5 m宽的隔离带。试验田按照氮肥200 kg·hm-2、磷肥120 kg·hm-2、钾肥60 kg·hm-2在播种前一次性施入。夏玉米于2019年6月播种，10月收获，行距60 cm，株距30 cm，南北向种植。出苗后及时间苗，生育期除草1次、施药除虫2次，未进行追肥和补灌。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤温度和水分 在各处理两行玉米之间土壤中连续安装了5个地温计，深度分别为5、10、15、20、25 cm，在各生育期的8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00连续3 d分别观测土壤温度，其中垄沟种植的处理于垄上与沟内采样取平均值。

于夏玉米播种前、苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期采用土钻法在两行玉米中间分别测量0～100 cm土层土壤含水量，每隔20 cm取1个土样，其中垄沟种植的处理于垄上与沟内采样取平均值，用烘干法测定土壤含水量。

1.4.2 夏玉米生长指标 在夏玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期，使用卷尺以及游标卡尺测定株高、茎粗和叶面积指数。将夏玉米植株分离为茎、叶、穗、果，105℃杀青30 min，在75℃下烘干至恒重，使用天平称重。

1.4.3 夏玉米产量 收获时各小区随机选取10株，3次重复，共计30株，风干至籽粒水分质量分数为14%时测定产量及其产量组成。收获指数(HI)是由玉米产量除以地上生物量。

图1 夏玉米生育期日平均温度和降雨量Fig.1 Average daily temperature and rainfall duringthe growing season of summer maize

1.4.4 温室气体排放 土壤CO2、CH4和N2O气体的采集和测定采用静态密闭箱法-气相色谱法。分别于夏玉米苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期在两行玉米中间采气，每次气体采集于上午9∶00—11∶00进行，其中垄沟种植的处理于垄上与沟内采样后取平均值。气体采集时将采样箱盖上30 min，分别经过0、10、20、30 min用50 ml注射器从气体采集接口插入抽出40 ml气体注入到样品瓶保存。采样后立即将样品带回实验室分析。每次采集气体同步记录地表温度和箱内温度。样品采集完成后立即带回实验室用气相色谱仪(Trace GCUItra，美国Thermo Scientific公司)于24 h内分析完毕。计算农田温室气体排放通量(F)、温室气体增温潜势(GWP)和气体排放强度(GHGI)等温室气体排放指标。

图2 不同覆膜方式示意图Fig.2 Schematic of different film mulching methods

(1)

式中，F为温室气体排放通量(N2O，μg·m-2·h-1；CH4，mg·m-2·h-1；CO2，mg·m-2·h-1)，ρ是各温室气体标准状况下的密度(kg·m-3)，T是采样过程中密闭箱内的平均温度(℃)，H是采样箱的高度(m)，C是温室气体的体积混合比，dC/dt是采样过程中密闭箱内温室气体的浓度变化率(μL·L-1·min-1)。

GWP=28×Rc+265×RN

(2)

GHGI=GWP/W

(3)

式中，GWP为全球增温潜势(以CO2计，kg·hm-2)；Rc和RN分别为CH4和N2O的各生育期排放量总和。GHGI为碳排放强度(kg·103kg-1)。

1.4.5 水分利用效率 水分利用效率(WUE,kg·hm-2·mm-1)为作物产量除以蒸散量(ET，mm)。ET通过土壤水分平衡方程获得：

ET=P+ΔS

(4)

式中，P为降雨量(mm)；ΔS是播种与收获之间土壤蓄水量的变化(mm)。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对试验数据进行处理，用SPSS 20.0软件进行数据分析，方差分析采用最小显著差异LSD法进行，采用Origin 9.2作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式下旱作夏玉米土壤温度和土壤含水量

图3是各生育期土层深度分别为5、10、15、20 cm和25 cm的土壤日平均温度，受外界环境影响，地表5 cm与10 cm温度变幅较大。土层深度为5 cm的土壤(图3a)，日平均温度变化幅度最大，各处理地温在生育前期差异较大，苗期T1、T2、T3、T4处理5 cm土层深度的日平均温度分别比CK高出15.69%、10.42%、29.20%、21.78%。抽雄期与灌浆期差异有所减小，而成熟期处理间差异比灌浆期略微增大。10 cm土层深度的土壤日平均温度变化与5 cm土层深度的土壤相似(图3b)。15、20、25 cm土层深度的日平均温度(图3c～图3e)各处理间差异呈先增大后减小的趋势，差异在拔节期达到最大，除了成熟期，T1、T2、T3、T4处理各生育期的地温均高于CK。整体看来，在夏玉米多数生长期，连垄覆膜与常规垄沟覆膜均能提高土壤温度，并且连垄覆膜具有更好的增温效应。白膜覆盖处理增温效果优于黑膜，白膜覆盖最高比黑膜覆盖温度高1.92℃，但是这种优势随着生育期推进与土层加深会逐渐减弱，在抽雄期与灌浆期，15 cm与25 cm土层黑膜覆盖日平均温度略高于白膜覆盖。

不同垄沟处理通过改变集流面而改变水分在沟内的分布，进而影响雨水的下渗和蒸发，起到改变土壤含水量的作用。图4为夏玉米各生育期0～100 cm土层的土壤质量含水率变化。苗期(图4b)各垄沟覆盖集雨处理0～100 cm土层土壤含水率均高于CK，土壤含水率大小表现为T3>T4>T1>T2>CK，随着土层加深，处理间差异逐渐减小。拔节期(图4c)各处理间土壤含水率差异较大，并且随着土层加深差异增大，土层深度为100 cm时处理间差异最大，与其他时期土壤含水率变化趋势有所不同，T1、T2、T3、T4处理平均土壤含水率比CK高8.58%、5.30%、23.14%、26.29%。抽雄期(图4d)与灌浆期(图4e)各处理土壤含水率变化趋势基本一致，土壤含水率随土层深度增大先减后增，在40～60 cm土层处达到最低值，土层深度100 cm处土壤含水率最高，20 cm土层处理间差异最大。抽雄期T1、T2、T3、T4处理平均土壤含水率比CK高6.01%、4.06%、10.12%、11.12%，灌浆期T1、T2、T3、T4处理平均土壤含水率比CK高 4.25%、5.23%、12.10%、10.21%。成熟期(图4f)不同起垄方式的土壤含水率差异较大，尤其是在土层20 cm处，连垄种植下的土壤含水率显著高于常规垄沟种植，T1、T2、T3、T4处理平均土壤含水率比CK高13.79%、13.43%、27.00%、26.63%。总体而言，不同起垄方式对土壤含水率的影响显著，连垄覆膜比常规垄沟覆膜具有更好的促进土壤含水量增加的作用，而不同颜色地膜的保水作用未见显著差异。

图3 不同覆盖方式下夏玉米各生育期土壤日平均温度Fig.3 Average daily soil temperature of summer maize fields at different soil depths

图4 不同覆盖方式下夏玉米各生育期土壤含水量Fig.4 Average daily soil water content of summer maize fields at different soil depths

2.2 不同覆膜处理下旱作夏玉米生长与干物质积累

如表1所示，与CK相比，T1、T2、T3、T4处理成熟期夏玉米株高分别增加了2.40%、3.15%、3.89%、13.89%，茎粗分别增加了14.71%、4.41%、15.69%、17.16%。其中T3和T4显著影响夏玉米的株高和茎粗，对夏玉米生长的促进作用大于T1、T2，说明连垄沟播方式比常规垄沟覆膜种植对夏玉米生长的促进作用更明显。与CK相比，T4显著增加了夏玉米成熟期的叶面积指数，T1、T2、T3、T4处理的叶面积指数较CK分别增加了11.25%、14.12%、16.42%、23.34%。

表1 不同覆膜方式下夏玉米成熟期生长指标

图5 不同覆膜方式下夏玉米各生育期干物质积累Fig.5 Dry matter accumulation at different growth stages ofsummer maize under different film mulching methods

拔节期后，各处理的地上生物量积累速度最快，且T1、T2、T3、T4处理的地上生物量积累速度都高于CK(图5)，T4处理的地上生物量最大。与CK相比，T1、T2、T3、T4处理干物质积累量分别增加了10.15%、7.07%、14.94%、19.39%。

2.3 不同覆膜处理下旱作夏玉米产量与水分利用效率

由表2可知，各处理的穗长和百粒重都显著大于CK处理，而穗行数各处理之间无显著差异。此外，T4处理的穗粗和行粒数也显著大于CK处理。除T2外，其余处理的产量均显著高于CK，T1、T2、T3、T4处理的产量比CK分别增加了19.32%、8.88%、25.59%、29.61%。各处理之间的收获指数无显著差异。

由表3可知，CK的ET显著高于各处理，T4处理ET最小，为478.70 mm。各处理中只有T2处理的水分利用效率与CK无显著差异，T1、T2、T3、T4处理的水分利用效率比CK分别增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%。

2.4 不同覆膜处理下旱作夏玉米温室气体排放

由图6和表4可知，2019年夏玉米生长季各处理N2O排放趋势一致，峰值出现在苗期，施肥后，排放通量大小表现为T3>T4>T1>T2>CK，T1、T2、T3和T4处理的N2O各生育期排放总量分别比CK高178.26%、134.78%、334.78%、256.52%。T1、T2、T3和T4处理的CO2排放趋势相似，共出现2次峰值，各生育期各处理的CO2排放总量均显著高于CK，T3与T4处理的CO2各生育期排放总量存在显著差异，且显著高于T1和T2。各生育期T1与T2处理的CO2排放总量无显著差异。CH4排放无明显趋势，T1、T2、T3、T4处理较CK均增加了CH4吸收总量，其中T3处理的CH4吸收总量显著高于CK。T1、T2、T3、T4处理下的GWP均显著高于CK，T3和T4处理下的GWP无显著差异，但是都显著高于T2。CK的碳排放强度最低，所有处理的GHGI均显著高于CK，T3处理的GHGI显著高于T4，T1、T2、T3、T4处理的GHGI分别比CK高出151.93%、124.65%、246.53%、186.90%。

表2 不同覆膜方式对夏玉米产量及产量构成要素的影响

表3 不同覆膜方式对夏玉米蒸散量(ET)及水分利用效率(WUE)的影响

3 讨 论

水分和温度是玉米生长的两大主要因素，起垄和覆膜改善了土壤的水热条件。王凯瑜[25]通过对垄沟集雨种植的研究发现，垄沟集雨系统对于0～120 cm土层的土壤具有增墒效果。王杰等[26]研究表明，垄作覆膜可以增加降雨入渗，显著提高0～20 cm土壤水分，增大0～200 cm土层平均含水量。张守都等[27]研究发现，覆膜可以增加土壤表层土壤含水率。本研究发现常规垄沟覆膜与连垄覆膜均能显著提高土壤含水量，并且白膜与黑膜具有相似的保水效果，然而连垄覆膜处理具有更好的保水保墒效果，这与周昌明等[28]的研究结果一致。这是由于连垄方式比常规垄沟具有更好的集雨效果，并且保留了垄上覆膜的保墒效果。本研究发现，T3、T4处理均能显著提高土壤表层温度。同种颜色地膜覆盖下，连垄覆膜比常规垄沟覆膜具有更好的增温效应，这是由于连垄覆膜方式下覆盖地膜的面积更广。而在同种起垄条件下，白色地膜与黑色地膜覆盖下地温差异在苗期～拔节期较大，白色地膜覆盖下土壤日平均温度较黑色地膜最多高出1.92℃，主要是由于生育前期玉米冠层对阳光的遮挡最小，太阳辐射可以透过白色地膜到达地表，进而使地表温度升高，这与前人的研究结果一致[29-30]。在抽雄期与灌浆期，因玉米冠层对阳光的遮挡，导致白色地膜的增温优势减弱甚至消失，而到了成熟期因叶片凋萎，白色地膜的增温效应又有所增强。由此可见，地膜覆盖是影响地温的主要原因，白色地膜的增温效应强于黑色地膜，但是过高的温度可能会导致玉米减产[31]。

图6 夏玉米不同生育期N2O、CO2和CH4排放通量Fig.6 N2O, CO2, and CH4 emission fluxes at different growth stages of summer maize

表4 不同覆膜方式对夏玉米农田温室气体排放的影响

适宜的耕作措施可以促进夏玉米的种子萌发、植株生长、水分吸收和淀粉合成。本研究结果表明，起垄和覆膜处理有效提高了夏玉米成熟期的株高、茎粗、叶面积指数以及干物质积累，并且连垄黑膜下的夏玉米各项生长指标均为最优。申丽霞等[32]研究结果表明，地膜覆盖可以促进玉米株高、叶面积的增加以及干物质的积累。李长春等[33]研究发现，全膜覆盖双垄沟播技术全面提高了雨水利用率和旱地玉米收成。本试验结果表明，T1、T2、T3、T4处理的产量比CK分别增加了19.32%、8.88%、25.59%、29.61%，水分利用效率分别增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%，与前人研究结果相似。T4处理的产量最高，并且水分利用效率最高。

温度和水分都是影响农田温室气体排放的重要因子。土壤N2O排放主要由硝化和反硝化反应产生。本研究结果表明，各处理的N2O各生育期排放总量均显著高于CK，与Nishimura等[34]的研究结果基本一致，这是由于地膜覆盖下高温、湿润、低氧的环境有利于N2O的产生。CO2是一种最主要的温室气体，其直接影响着全球气候变化[35]。本试验中各生育期各处理的CO2排放总量显著高于CK，主要是覆膜后的土壤温度升高，加快了土壤的呼吸速率。CO2排放通量出现的2次峰值都是在降雨过后，说明CO2排放与土壤含水量紧密相关。夏玉米农田是CH4弱的汇，Cuello等[36]研究认为覆膜形成的厌氧环境会减少CH4的吸收，这与本研究结果有所不同，本研究结果表明各处理CH4吸收量比CK都有所增加，可能原因是起垄覆膜的保温保水作用影响了土壤酶的活性和CH4氧化的能力。起垄覆膜集雨系统显著增加了夏玉米农田的GHGI，其中T1、T2、T3、T4处理的GHGI分别比CK高出151.93%、124.65%、246.53%、186.90%，表明垄沟覆膜系统虽然更有利于产量提高，但是却增加了碳排放强度，长期使用可能造成一定的环境危害。然而，连垄沟播黑膜全覆盖GHGI显著低于垄沟播白膜全覆盖。与前人研究结果相比，本研究所得GWP和GHGI明显偏小，主要是由于仅在夏玉米各生育期中期测定了温室气体排放，取样次数少[37]。因此，不同覆膜方式下全生育期温室气体排放的连续观测还有待于进一步研究。

4 结 论

1)地膜覆盖可以显著增加夏玉米农田表层土壤温度。与白膜覆盖相比，黑膜覆盖可以在保证玉米生长所需温度的同时略微降低温度，从而防止温度过高而导致玉米因生育期缩短而减产。4种处理比CK土壤含水量均有所增加，而T3、T4处理由于连垄间形成的沟面积更小而具有更好的集水效果。

2)不同起垄覆盖种植方式对夏玉米生长影响显著。4种覆膜处理成熟期株高、茎粗、叶面积指数、干物质积累量均有所增加，并且T4处理与CK之间差异显著。T4处理的穗长、穗粗、行粒数、百粒重比CK显著增加，具有最高的产量，较CK增产29.61%。T1、T2、T3、T4处理的水分利用效率比CK分别增加了25.95%、14.71%、41.22%、44.20%。

3)不同起垄覆盖种植方式促进了夏玉米农田的CO2、N2O排放、CH4吸收以及夏玉米农田的GHGI，其中T1、T2、T3、T4处理的GHGI分别比CK高151.93%、124.65%、246.53%、186.90%，T4的GHGI显著低于T3。

综合考虑夏玉米产量与温室气体排放，连垄沟播黑膜全覆盖为该地区旱作夏玉米绿色高效生产适宜的覆膜方式。