青海东部旱地玉米覆膜对产量及水热效应的影响

刘颖川，杨 凯，王金贵,2

（1青海大学农牧学院，西宁810016；2省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁810016）

0 引言

20世纪80年代以来，气候干暖化趋势在世界范围内越来越明显，进一步加剧了全球干旱发展趋势[1]。在中国西北地区干旱频率超过了80%，而适宜和湿润的年份不到20%，气候干旱化趋势也在加强[2]。干旱缺水成为了制约中国西北干旱、半干旱地区农业生产的关键因素之一[3]。另外，由于降水时空分布的不均性和雨季与作物生长需水时期的不一致性，能被作物吸收利用的降水仅占年总降水量的30%～ 40%，而将近60%～ 70%的降水以地表径流和无效蒸发的方式损失，所以降水利用率仅为3～ 6 kg/(mm·hm2)[4]。研究表明地膜覆盖栽培措施可显著减少土壤自然蒸发的无用消耗，不仅能提高水资源的利用效率，而且能协调土壤中水、肥、气、热[5]，使土壤环境的生产能力得以补偿和形成良性循环。但也有相关研究表明在土壤墒情不佳和生育后期降雨不足的情况下地膜覆盖对作物产量具有负面影响，可导致减产[6-7]。因此，如何提高水资源利用率和协调水热资源利用的同步性是解决干旱、半干旱旱作农业稳产增产的关键技术[8]。笔者对青海省海东市民和县旱地春玉米全膜覆盖栽培与传统露地栽培进行比较研究，主要分析全膜覆膜措施对土壤水温效应和玉米产量构成因素的影响，以期为当地旱地玉米覆膜栽培的可持续性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省海东市民和县(35°45′—36°26′N，102°26′—103°04′E)，属高原大陆性干旱气候，年均温度9℃，年均降水量360 mm左右，无霜期198天。海拔最高4220 m，最低1650 m，平均海拔2200 m。全县农作物播种面积4.45万hm2，其中覆膜玉米种植面积2020年超过2.67万hm2，为青海省最大覆膜玉米种植区。试验地位于民和县李二堡镇祁家村(36°13′N，101°38′E)，海拔1924 m，土壤类型为栗钙土。0～ 20 cm土壤有机质含量16.95 g/kg、全氮1.12 g/kg、碱解氮86.90 mg/kg、速效磷18.61 mg/kg、速效钾148.60 mg/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为‘金凯3号’（玉米杂交种），于2020年4月18日覆膜点播，于10月5日收获，试验共设全膜覆盖（覆膜）和无膜覆盖（无膜CK）2个处理，小区面积为20 m2，每个处理重复3次。各小区均不施基肥，播种时使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，总养分≥45%，施肥量为300 kg/hm2，期间在孕穗期追施尿素一次，用量为225 kg/hm2，其他管理均与大田一致。

1.3 测定项目和方法

各生育期各小区选择3个点连续4天定时(14:00)测定土壤温度；用烘干法定期测定0～ 50 cm各土层土壤含水量，于成熟期用环刀法测定土壤容重。收获期各小区分别取样10株，测定单穗重，以小区实收玉米籽粒产量计产。土壤贮水量、土壤耗水量和土壤水分利用率分别用式(1)～ (3)进行计算。

1.4 数据处理

采用SPSS 16.0软件对试验数据进行相关分析，采用Excel软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 覆膜对玉米主要农艺性状及产量的影响

由表1可知，相对于无膜处理，覆膜处理显著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要经济性状。覆膜处理玉米百粒重、穗粒重、株高、地上生物量（干重）和地下生物量（干重）比无膜处理分别增加了3.9 g、85.2 g、34.4 cm、7.7 g和4.6 g，分别提高了16.8%、50.6%、12.2%、4.6%和22.3%；覆膜处理每公顷籽粒产量比无膜处理增加了4429.3 kg，增产达50.6%，覆膜极显著提高了玉米产量(P＜0.01)。分析表明，生长前期覆膜处理地温增温较快，加上地膜覆盖相对阻断了土壤地表水分的直接蒸发，消耗的水分多用于玉米生长时的蒸腾作用，从而使玉米早发苗、快生长，因而覆膜处理株高显著高于无膜处理。另外，由于覆膜处理条件下玉米生长的水热环境得以改善，使得玉米的营养生长和生殖生长达到最佳优化，从而促进了玉米的光合作用，有利于光合产物的增加。在进入生殖生长后加速了光合产物从源向库的转移分配，因此玉米的百粒重和穗粒重均显著增加，最终使覆膜处理籽粒产量极显著增加，从而奠定了高产的基础。

表1 不同处理对玉米农艺性状和产量的影响

2.2 覆膜对土壤水分的影响

表2为出苗期到成熟期土壤平均含水量。从表2可以看出，0～ 50 cm土层覆膜处理土壤含水量高于无膜处理。5个土层土壤含水量覆膜处理比无膜处理分别高3.2%、1.7%、1.3%、0.7%、和0.4%，其中0～ 10 cm土层土壤含水量差异显著(P＜0.05)，其余土层差异不显著(P＞0.05)。0～ 50 cm土层覆膜处理土壤含水量随着土层深度的增加逐渐而减小，无膜处理土壤水量呈先增加后降低的变化趋势。由表2可知，覆膜处理条件下，0～ 20 cm土层土壤贮水量比无膜处理显著增加了6.9 mm(P＜0.05)，提高了13.9%；比20～ 50cm土层增加了3.1mm，提高了4.6%，但差异不显著(P＞0.05)。覆膜处理可有效减少蒸发，有利于表层土壤水分的蓄积。随着土层深度的增加，与无膜对照相比，各土层土壤含水量差异逐渐减小。由此可见，通过覆膜措施则可以将这部分水保存在0～ 20 cm的表层土壤中，从而可以延长农作物的水分利用时间，提高水分利用效率。尤其是在干旱年份，对于浅根系的玉米来说能够保持耕层土壤的湿润对玉米生长非常有利。由表3可知，整个生育期覆膜处理耗水量虽然比无膜处理高7.3 mm，但覆膜处理极显著提高了玉米水分利用效率(P＜0.01)，相比于无膜处理水分利用效率增加了9.53 kg/(mm·hm2)，提高了48.1%。其原因可能在于覆膜后促进了玉米生长，随着叶面积指数的增大，玉米叶片蒸腾速率增大，从而提高了水分利用效率[9]。

表2 不同处理对土壤水分状况的影响

表3 地膜覆盖对土壤水分利用率的影响

2.3 覆膜对土壤温度的影响

于玉米出苗期到成熟期5个生育时期定期测定了5、10、15、20 cm 4个土层的土壤温度，覆膜和无膜处理对土壤温度有不同的影响（图1）。覆膜和无膜处理土壤温度均随生育时期的推移逐渐降低，均随土层深度的增加而降低，覆膜处理各生育期和各土层土壤温度均高于无膜处理。出苗期覆膜处理4个土层土壤温度分别比无膜处理高11.5、11.0、8.0、7.5℃，拔节期分别比无膜处理高11.5、8.0、5.0、5.5℃，抽雄期覆膜处理比无膜处理分别高8.0、4.0、1.0、1.5℃，孕穗期覆膜处理比无膜处理分别高0.5、2.0、2.0、3.0℃，成熟期分别比无膜处理高2.5、2.5、2.0、2.0℃。覆膜处理5个生育时期耕层(0～ 20 cm)平均土壤温度分别比无膜处理高9.5、7.5、3.6、1.9、2.3℃。整个生育期，覆膜处理耕层平均土壤温度比无膜处理高4.9℃。由此可见，随着生育时期的推移，覆膜处理对耕层土壤温度的增温效果逐渐减小，覆膜处理的增温效果主要体现在出苗期、拔节期和抽雄期3个玉米生育前期。

图1 土壤温度随生育时期和土层深度变化特征

3 结论

覆膜处理显著改善了玉米百粒重、穗粒重、株高等重要经济性状，每公顷籽粒产量比无膜处理增加了4429.3 kg，增产达50.6%，覆膜极显著提高了玉米产量(P＜0.01)。覆膜处理条件下，0～ 20 cm土层土壤贮水量比无膜处理显著增加了6.9 mm(P＜0.05)，提高了13.9%；比20～ 50 cm土层增加了3.1 mm，提高了4.6%，但差异不显著(P＞0.05)。整个生育期覆膜处理耗水量虽然比无膜处理高7.3 mm，但覆膜处理极显著提高了玉米水分利用效率(P＜0.01)，相比于无膜处理水分利用效率增加了9.53 kg/(mm·hm2)，提高了48.1%。整个生育期，覆膜处理耕层平均土壤温度比无膜处理高4.9℃，覆膜措施的增温效果主要体现在玉米生育前期，随着生育时期的推移，覆膜处理对耕层土壤温度的增温效果逐渐减小。

4 讨论

干旱地区地膜覆盖能明显提高作物生育前期的土壤温度，有利于作物提早出苗、苗齐苗壮，对抗旱增产具有十分重要的作用[10-11]。对冬小麦的覆膜试验表明，地膜覆盖的增温效应在冬前播后一段时间最为明显，但随着生长期的推移，其增温效果逐渐减小[12-13]。本试验结果表明，地膜覆盖相比于无膜处理，在玉米生育前期温度较低时其增温效果非常明显，其中出苗期和拔节期0～ 20 cm土层土壤平均温度比无膜处理高9.5℃和7.5℃；随着生长时期的推移，抽雄期、孕穗期和成熟期时比无膜处理高3.6、1.9、2.3℃，其增温效果在逐渐减小，与以上小麦试验结果相一致。同时也有相关研究表明，不同覆盖模式的增温效应表现为不同的日变化和季节变化特征，进而对作物的生长发育也产生不同的影响[14]。

春玉米地膜覆盖栽培技术在国内已推广应用了20多年，其对于扩展玉米种植区域和干旱地区旱作玉米的稳产和高产发挥了巨大的作用[15]。甘肃省大力推广的全膜双垄沟播技术可以使平均降水利用率达70%，玉米生育期内平均水分利用率达33 kg/(mm·hm2)，平均产量达到8375 kg/hm2，比窄平膜栽培模式增产37%，使黄土高原旱作区玉米生产能力显著提升[16-17]。本研究表明，覆膜处理水分利用率达29.34 kg/(mm·hm2)，比无膜处理高48.1%；覆膜处理产量达到13188.4kg/hm2，比无膜处理增产50.6%。由试验结果可知，全地膜覆盖技术能够有效阻断土壤水分的无效蒸发，从而可以显著提高表层土壤(0～ 20 cm)水分含量，使玉米生长所需的水分条件得以局部改善[18]，在一定程度上缓解了旱地玉米生育需水关键期土壤水分不足的矛盾[19]。

覆膜处理条件下水热条件得以相对优化，从而促进了玉米的生长发育，改善了玉米的百粒重、穗粒重等产量性状，显著提高了玉米水分利用率[20-23]，最终实现玉米的增产[24]。但是，由于覆膜处理条件下土壤水分状况的改善使得玉米生长比较旺盛，玉米根深而量大，地上群体较大，叶面积迅速扩展，使玉米蒸腾加剧，从而加剧玉米对深层土壤水分的消耗[8]。对于旱作农业来说，种植年限的增加和生产力的提高必然会增加作物对深层土壤水分的消耗[25]，最终会对土壤水分的年际平衡产生不利的影响。因此，如何高效调控覆膜栽培方式下土壤水分状况还需进一步研究。