覆盖方式对黄土高原半湿润区春玉米农田土壤水热特征及产量的影响

邓浩亮，张恒嘉,，李福强，肖 让，周 宏，张永玲， 王玉才，李 煊，吴克倩，俞海英

(1.河西学院 土木工程学院，河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃 张掖 734000； 2.甘肃农业大学 水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；3.西北师范大学 旅游学院，甘肃 兰州 730070)

黄土高原半湿润农作区以天然降水为主要水资源，尽管降水充沛，但季节分配明显，主要集中在6-9月，具有历时短、强度大、破坏性强，与作物生长供需错位，导致作物产量低且不稳，已成为限制当地高效农业发展的主要因素[1]。2000年以来，以传统农业为主的黄土高原雨养农业正在向高效、生态农业转型发展[2]。在水肥耦合一体基础上，结合垄沟覆盖微集雨系统成为主要生产方式[3]。典型的垄沟地膜覆盖技术极大地缓解了黄土高原地区由于降水少、变率大、蒸发强而导致作物建苗难等问题，已被大面积推广应用[4]。诸多研究表明，全膜双垄沟播栽培以其高效集雨[5]、保墒、抑蒸[6-7]、减少地表径流对土壤冲刷[8]等特点，显著改善土壤耕层水热环境，调配作物生长需水与土壤供水平衡[9]，进而提高了作物当季产量[10-11]，但增幅因作物种类和品种等差异而不同[12-13]，且在降雨偏低的气候区增幅更显优势[14-15]。作物产量的提高不仅与降水量紧密相关，也与土壤温度等因素联系紧密。有研究指出，农业生产区气温上升或下降1 ℃，粮食产量均具有增产或减产10%的潜力[16]，因此，水热共同响应是作物稳产增产的主要因素。王兴等[17]通过对黄土高原半湿润地区地面温、湿特性及辐射收支特征研究表明，黄土高原半湿润地区8，9月份前后土壤温度从增温型变成冷却型，即从8月份开始，太阳辐射减弱，深层土壤向地表传递能量，土壤积温呈下降趋势。该时段恰好是春玉米生殖生长旺盛阶段，较低的土壤积温降低了春玉米灌浆速率，最终表现为减产低收。因此，如何充分利用黄土高原半湿润地区降水优势，破解土壤积温与作物生长供需不平衡难题，是作物增产增收的关键。尽管全膜双垄沟播技术能够收集<10 mm无效降水，将其转化为土壤有效水，但随着降水量增大，集水效果减弱，且该种植方式在半湿润地区土壤积温低于覆膜平种，进而限制了作物增产[18]。为有效发挥旱地农田微集水种植的生产潜能，综合高效利用垄沟地膜蓄水增温特性，需根据不同生态区自然资源特征，合理采取栽培方式，维持春玉米单产稳定性，亟待田间试验去验证。本研究以春玉米为试验材料，分析了传统露地平播(CK)、全膜覆盖平播(WM)、半膜覆盖平播(HM)、全膜双垄沟播(WRF)、隔沟覆膜垄播(MRM)和秸秆覆盖沟播(SM)等6种不同种植方式，通过探讨不同覆盖种植方式对春玉米阶段性土壤水热变化特点以及产量和水分利用效率影响，为拓展黄土高原半湿润区春玉米农田种植方式提供技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2017，2018年在甘肃省华亭市朱家坡农业技术推广中心(106°65′E，35°21′N)进行。海拔约1 485.2 m，年均气温7.9 ℃，平均无霜期168 d，属泾渭河冷温带亚湿润区。据1990-2018年气象资料显示，该地区年平均降雨量为579.6 mm，6-9月份降雨量占全年降水量的60%。试验区土壤为黄绵土，0～40 cm 耕层平均容重为1.25 g/cm3，饱和含水率24.5%，凋萎含水率7.2%，有机质含量11.6 g/kg，有效磷、碱解氮、速效钾含量分别为17.3，52.8，184.7 mg/kg，pH值7.4，肥力中等。

1.2 试验设计

设6个处理(表1)，每个处理3次重复。供试玉米品种为金凯3号，种植密度均为5.04×104株/hm2，小区面积5 m×15 m=75 m2，采用区组随机排列。各处理施肥量均为尿素600 kg/hm2，过磷酸钙600 kg/hm2，硫酸钾300 kg/hm2，全部作为底肥一次施入。2017，2018年2个生长季分别在4月20日和4月21日播种，10月7日收获。

表1 试验设计Tab.1 Experimental design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 在玉米全生育期内每15 d测定0～100 cm土样，测定步长为20 cm，采用传统烘干称质量法测定。土壤贮水量根据土壤含水量和土壤容重计算。

1.3.2 土壤温度 在春玉米各生育期内用直角水银地温计(-30～50 ℃、精度1 ℃)测定0～25 cm地温，每5 cm为1层，每小区测定3个位点，定点测定。每个生育期内8:00-20:00每2 h各测定1次，连续测定5 d。

1.3.3 产量 成熟期按小区实际收成计产，并折合成公顷产量(kg/hm2)。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率(kg/(hm2·mm))=春玉米产量(kg/hm2)/总耗水量(mm)。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2010处理数据，SPSS 19.0方差分析，Origin Pro 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 试验期降水与温度特征

由表2可以看出，2017年春玉米全生育期内降水471.4 mm，主要集中在3-10月份，较历史平均水平521.6 mm减少50.2 mm，属平水年，其中休耕期内1-2月份和12月份无降水发生，11月份降水量稀少，仅为1.4 mm；春玉米生育期间平均温度为17.27 ℃，较历史平均水平16.43 ℃增加0.84 ℃，变化幅度较小，其中5月2-7日经历了一次明显降温过程，平均温度为8.5～12.5 ℃，较历史平均水平13.4 ℃降低4.9～0.9 ℃，不利于春玉米保全苗和健苗。2018年春玉米全生育期降雨649.4 mm，主要集中在5-9月份，较历史平均水平521.6 mm增加127.8 mm，属丰水年，其中休耕期内1-2月和11-12月降水量适中，为39.2 mm；春玉米生育期间平均温度为16.56 ℃，较历史平均水平16.43 ℃增加0.13 ℃，变化幅度较小，其中5月6-10日出现明显降温过程，平均温度为10.0～12.0 ℃，较历史平均水平13.6 ℃降低3.6～1.6 ℃，不利于春玉米幼苗的生长。

表2 春玉米生育期与休耕期间降雨与气温变化Tab.2 Dynamic of precipitation and air temperature during the maize growth and fallow stages

2.2 不同种植方式对土壤水分变化的影响

如图1所示，生育前期，0～60 cm剖面土壤含水量变化幅度受降雨影响较大，并随降雨变化呈现交替升降规律，后期变化幅度不仅与降水有关，而且与作物耗水紧密相关。60～100 cm土层土壤含水量变化幅度前期受大气降水影响较小，变化较平稳，随着春玉米生育期递增，需水量逐渐增大，深层土壤耗水加剧，呈波动变化。2017年，春玉米生育前期降水少，土壤含水量呈持续减少状态，至95 d左右时接近凋萎系数，无法提供春玉米正常生长水环境；110 d后降水逐渐增多，有效补给土壤水库，土壤蓄水量升高，其中垄沟集雨种植方式蓄水能力高于平地种植方式。2018年，春玉米生育中前期耗水与降水供需一致，但在95～110 d内降水与春玉米耗水供需错位，仅依赖土壤贮水供给春玉米正常生长，110 d后降水增多，土壤水库再次得到补给。同时可以看出，黄土高原半湿润地区雨水主要集中在春玉米生育后期，在满足作物生长耗水的同时而且可以补充土壤水库，为后年耕作抵御春旱发生提供水分保障。

图1 不同种植方式下0～100 cm土层土壤含水量变化Fig.1 Changes of soil water content in 0-100 cm soil layers within the different growing seasons

表3 不同种植方式下各生育阶段土壤日平均温度变化Tab.3 Mean soil temperature for different treatments under different maize growing stages ℃

2.3 不同种植方式对土壤温度变化的影响

2.3.1 不同种植方式下土壤平均温度变化 不同种植方式下春玉米各生育阶段土壤日平均温度变化情况如表3所示。种植方式主要影响苗期5，15，25 cm土层土壤温度，且不同降水年份对土壤温度的影响亦不相同。2017年，苗期5 cm土层土壤平均温度以MRM处理最高，达36.93 ℃，其次依次为WM、HM和WRF，分别较CK显著提高6.64，5.65，4.62，4.37 ℃，15，25 cm土层土壤平均温度分别较CK显著提高6.50，5.49，4.92，3.62 ℃和2.28，3.12，1.70，1.76 ℃，SM较CK表现出降温效应，5，25 cm土层土壤平均温度较CK显著降低4.01，2.00 ℃，而15 cm土层土壤平均温度较CK降低0.65 ℃，但差异不显著(P>0.05)。2018年苗期和抽雄期土壤平均温度低于2017年，尤在抽雄期降幅更大，这可能与抽雄期连续出现降雨天气，太阳辐射较弱有关。各处理间温度差异变化与2017年相同，地膜覆盖增温效应显著，秸秆覆盖表现为降温效应，MRM、WM、HM和WRF苗期5，15和25 cm土层土壤平均温度较CK分别提高2.85～6.85 ℃，1.83～4.92 ℃和1.47～2.64 ℃，而SM分别降低2.90，1.18，0.39 ℃。苗期过后，春玉米进入生长旺盛期，随着叶面积扩展速率的迅速增大，田间郁闭度逐渐增加，削弱了太阳辐射地表的能力，地表温度受光照影响减弱，各种覆盖种植方式间差异逐渐减小。从土壤平均温度的垂直变化情况来看，随着土层深度的递增，各处理间变异系数有逐渐减小的趋势。

2.3.2 不同种植方式下土壤最低温度变化 不同种植方式下春玉米各生育阶段土壤最低温度变化情况如表4所示，整个生育阶段苗期-抽雄期(2017年)和苗期-吐丝期(2018年)土壤温度变幅较小，进入吐丝期(2017年)和成熟期(2018年)后，土壤最低温度降低显著，于成熟期达到最低值。MRM在0～15 cm土层土壤最低温度中并未表现出显著的增温优势，春玉米整个生育阶段内土壤最低温度表现为WM和WRF处理高于SM和MRM，且在生育前期差异较大，后期差异逐渐缩小。2017年苗期5 cm土层土壤最低温度WM、WRF、HM、SM和MRM较CK分别显著提高5.27，4.90，4.64，4.12，3.77 ℃，15 cm分别显著提高4.29，4.58，3.78，2.11，2.94 ℃，而25 cm提高0.38～2.03 ℃。2018年苗期、拔节期和抽雄期土壤最低温度均低于2017年，这可能与当季降雨较多，夜间温度降幅较大有关，且各种植方式5 cm土层土壤最低温度较CK增幅较小，为1.34(SM)～3.15(MRM) ℃，而15，25 cm较CK增幅分别为0.57～4.42 ℃和0.60～2.52 ℃。

表4 不同种植方式下各生育阶段0～25 cm土壤日最低温度变化Tab.4 Minimum soil temperature of 0-25 cm for different treatments under different maize growing stages ℃

2.4 产量和水分利用效率

不同降水年份各种植方式之间产量和水分利用效率的差异性有所不同(图2)。2017年，各种植方式间玉米产量和水分利用效率均与对照差异显著(P<0.05)，其中MRM产量和水分利用效率最大，分别为9 974.87 kg/hm2和21.50 kg/(hm2·mm)，其次为HM和WRF，两者间无显著差异(P>0.05)，而WM、SM和CK表现出较低的产量和水分利用效率；MRM、HM、WRF和WM产量分别较CK显著增加40.61%，23.42%，22.49%和16.39%，水分利用效率分别显著增加37.56%，21.63%，21.69%和9.98%，而SM产量和水分利用效率分别较CK显著减少11.06%和9.79%。2018年各种植方式间尽管差异显著，但差异幅度小于2017年，其中MRM依然表现出高产和高水分利用效率优势，MRM、HM、WRF和WM产量分别较CK增加26.20%，16.39%，12.38%和4.85%，水分利用效率分别增加28.61%，14.89%，14.97%和0.16%，SM依然表现出最低产量和水分利用效率，较CK分别减少12.52%和10.03%。可见，黄土高原半湿润区旱作春玉米产量随降雨量增加而增加，但增幅较小，而水分利用效率随降雨量增加而显著降低。综合2017年和2018年不同种植方式下春玉米产量与水分利用效率比较发现，MRM获得产量最大，可达10 058.52 kg/hm2，HM和WRF次之，WM增幅最小，分别较CK平均显著增加32.96%，19.69%，17.12%和10.26%(P<0.05)；水分利用效率与产量变化趋势一致，依然以MRM居首，达18.96 kg/(hm2·mm)，MRF和HM次之，分别较CK平均显著增加33.52%，18.66%和18.59%；SM始终表现出减产效应，产量和水分利用效率就2种地膜覆盖垄沟种植方式相比，MRM比WRF可增产13.52%，提高水分利用效率12.46%较CK分别降低11.84%和9.93%，且差异显著(P<0.05)。仅分别为6 669.91 kg/hm2和12.79 kg/(hm2·mm)。

不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。 Different lowercase letters indicate significant difference at P<0.05 level.

2.5 各指标相关性分析

土壤与春玉米生长等各指标相关性分析结果如表5所示。不同覆盖种植方式改变了土壤水热环境，整个生育期内土壤含水量(SW)与株高(PH)、穗粒数(GN)、百粒质量(HGW)均呈显著正相关(P<0.01或P<0.05)，相关系数r分别为0.816，0.697，0.823，表明生育期内土壤水分含量对春玉米株高、穗粒数、百粒质量影响显著；土壤温度(ST)与水分利用效率(WUE)、地上生物量(AB)、秸秆产量(SY)、籽粒产量(GY)均呈显著正相关(P<0.01或P<0.05)，相关系数r分别为0.693，0.879，0.731，0.862，表明生育期内土壤温度对春玉米水分利用效率、地上生物量、秸秆产量和籽粒产量影响显著，即在适宜的范围内土壤温度越高，春玉米生物量积累和水分利用效率越高。

表5 春玉米产量形成因素与土壤水分、温度之间相关性Tab.5 Correlation between yield forming factors and soil moisture, temperature of spring maize

3 讨论与结论

自然降水随季节变化分布不均、土壤耕层积温不足是黄土高原半湿润农业区水热资源的基本特征，是影响高产优质高效农业可持续发展的主要限制因素[19]。但是，该地区6-9月份降雨集中、雨量较大，可为作物正常生长提供充足水源保证。垄沟覆盖集雨系统通过改变耕层微地形，形成产流面、集流沟，增加降雨接收面约25%～30%，可对作物生育期内有限降雨进行二次分配与优化利用[20]。研究表明，垄沟地膜覆盖集水效率可高达87%～90%[21]，尤其是低强度降水收集率更为显著[22]，即在春旱时节，垄沟覆盖体系可有效收集有限降水补充土壤水库，增加土壤含水量，确保作物苗期水分供应。李尚中等[23]研究结果指出，垄沟覆盖增墒效应显著，且收获后土壤含水量大于平地全膜覆盖。2 a研究结果表明，整个生育期内，土壤含水量随降雨量呈波动变化趋势，垄沟覆盖集雨种植方式贮水效果较好，WM降水收集效率低，仅在玉米生育前期具有效果。

地膜覆盖后，太阳辐射可大量透过膜面被土壤吸收，同时阻碍了近地层空间的热量交换，从而增加了土壤热通量，减缓阴天和夜间光热不足导致的土壤温度下降[24]，显著增加作物生育阶段内土壤积温。当然，地膜的增温效应并不是持续的，主要表现在作物生育前期，有利于作物出苗、健苗和壮苗[25]，后随作物生长季的推移逐渐减少，甚至消失[26]。该现象的产生主要是由于作物苗期叶面积小，地表可直接获取光照直射能量并传递至耕层土壤，随着生育进程持续推进，叶面积扩展速率增快，叶面积指数逐渐增大，田间郁闭，减少了光照与地表接触面，从而减弱地膜的增温效应[27]。孙玉莲等[28]研究显示，地膜覆盖种植玉米后增温效果显著，在玉米苗期0～40 cm土层平均温度较无覆盖种植提高0.6～5.1 ℃。李尚中等[29]研究表明，地膜覆盖较露地可平均提高土壤温度1.4 ℃左右，秸秆覆盖降低了2.9 ℃。本试验结果表明，MRM处理增温效应最显著，其次为WM、HM和WRF处理，主要影响春玉米苗期5～25 cm土层土壤温度。2017年，MRM、WM、HM和WRF处理5，15，25 cm土层土壤温度分别较CK提高6.64，5.65，4.62和4.37 ℃，6.50，5.49，4.92和3.62 ℃，2.28，3.12，1.70和1.76 ℃，而SM表现出降温效应，分别较CK降低4.01，0.65和2.00 ℃。2018年由于降雨天气较多，苗期土壤平均温度略低于2017年，2 a各处理间温度差异变化相同，即垄沟地膜覆盖增温效应显著，秸秆覆盖表现为降温效应。

玉米为喜温作物，各生育阶段对温度都较敏感，尤在生育前期对低温的耐受程度较低[30]。宋振伟等[31]研究表明，垄作较平作可降低玉米苗期夜间土壤最低温度1.1～1.6 ℃，该降温效应在玉米生育中后期差异逐渐缩小甚至消失。本试验结果表明，地表覆盖可减少土壤的热量散失，平抑土壤温度波幅，有效提高耕作表层最低温度。2017，2018年，苗期5 cm土层土壤最低温度WRF、WM、HM、SM、MRM较CK分别提高5.27和3.15 ℃，4.90和3.02 ℃，4.64和2.63 ℃，4.12和1.34 ℃，3.77和1.88 ℃，随着土层深度的递增，各处理间最低温度间差异逐渐缩小。

土壤水热高低取决于大气变化，也受地表覆盖物和耕作制度的影响。垄沟覆盖栽培技术可有效改善耕层土壤温度，增强幼苗抵御冷害的能力，同时提高春季农田土壤水分环境，并显著增加生育中后期土壤水分含量，土壤环境改善，春玉米产量和水分利用效率显著提高[32-33]，其增产效应很大程度上依赖于作物生育阶段内水热配置[34]。本试验设置MRM处理，旨在利用垄膜覆盖的方式收集自然降水，通过交替无覆盖的集雨沟实现有限降水的田间富集、叠加、利用，保持土壤水分并提高根区土壤温度，为春玉米生长发育营造良好的水热环境。2个生长年份综合来看，MRM获得最大产量和水分利用效率，分别为10 058.52 kg/hm2和18.96 kg/(hm2·mm)，较CK分别提高32.96%和33.52%，显著高于HM和WRF。尽管秸秆覆盖显著提高了土壤水分含量，但同时有效拦截太阳直射地表辐射，阻碍土壤与大气间热交换，从而降低土壤温度，不利于春玉米对光热资源的吸收利用，进而影响产量的提高[35]，因此SM产量和水分利用效率仅分别为6 669.91 kg/hm2，12.79 kg/(hm2·mm)，较CK显著降低11.84%和9.93%。诸多研究证实，垄沟集雨种植方式增产效应在一定降水范围内与降水量呈反比，即降水越少，增产效应越显著[36]。2017年春玉米生长季内降水分布不均，阶段性干旱使对照组产量显著低于垄沟集雨种植方式，2018年是一个丰水年，生长季内降水充沛促进了籽粒形成和发展，使对照组收获了较高的籽粒产量，尽管各处理2018年较2017年获得产量较高，但平水年的增产效应要显著高于丰水年，这与前人的研究结论相一致。

地表覆盖后能显著抑制土壤水分无效蒸发，提高土壤水库的调蓄能力，促进作物对土壤水分的有效利用，同时地表覆盖亦改变了土壤热状况，进而影响作物干物质积累和产量的形成[37]。目前大多研究认为，土壤水分、温度与作物产量均呈显著相关[38-39]。本试验通过分析比较土壤含水量、温度与产量构成因子及产量等指标相关性，发现黄土高原半湿润农作区土壤水分与产量相关性较小，相关系数r仅为0.237，这是由于春玉米生育期内平均降雨量达521.6 mm，能够完全满足其正常生长耗水，尽管地表覆盖能够改善土壤水库库容，但对提高当地作物产量影响不显著。土壤温度与产量相关系数r达0.862，相关性极显著，因此，土壤温度是制约该农作区作物产量进一步提高的关键限制因子。这与前人的研究存在一定差异，可能与试验区大气水热资源分布、垄沟的尺寸等存在一定的关系。

WRF的应用很大程度上缓解了黄土高原雨养农业区降雨供需矛盾对作物产量形成的影响。较WRF相比，MRM在改善土壤水温，玉米生长发育和提高土壤水分利用效率等方面更具优势。2 a试验结果表明，MRM比WRF可增产13.52%，提高水分利用效率12.46%。该项研究丰富了黄土高原半湿润农作区旱作集水种植模式，对提升和筛选适合半湿润地区春玉米高产稳产的可持续发展种植模式有实践指导意义。