吳楊，賈志寬，邊少鋒，王永軍

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不同方式周年覆蓋對(duì)黃土高原玉米農(nóng)田土壤水熱的調(diào)控效應(yīng)

吳楊1，賈志寬2，邊少鋒1，王永軍1

（1吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，長(zhǎng)春 130033；2西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

【目的】探究黃土高原半干旱區(qū)不同覆蓋方式調(diào)控土壤水、熱與持續(xù)增產(chǎn)、增效的協(xié)同效應(yīng)，為該區(qū)確立高效、環(huán)保覆蓋方式提供理論依據(jù)?！痉椒ā吭O(shè)置塑料地膜全膜覆蓋（PM）、降解膜全膜覆蓋（BM）、膜壟種植（RH）和秸稈覆蓋（SM）4種不同周年覆蓋（休閑期+生育期）方式，以裸地不覆蓋為對(duì)照（CT），通過3年大田定位試驗(yàn)，研究不同覆蓋方式對(duì)土壤水、熱時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及其利用特征的影響?！窘Y(jié)果】周年覆蓋能有效抑制休閑期土壤水分無效蒸發(fā)，提高降水潛在利用效率，PM、BM、RH和SM處理休閑期分別較CT多儲(chǔ)水53、51、32和36 mm，降水潛在利用效率分別提高了14%、12%、11%和10%。地膜覆蓋增溫顯著，有效提高了玉米干物質(zhì)累積速度，縮短了其生育進(jìn)程，其中PM、BM和RH處理拔節(jié)期分別較CT提前了15、8和 7 d，成熟期分別提前了17、7和7 d。與CT處理相比，PM、BM和RH處理產(chǎn)量增幅分別為52%、32%和27%，積溫生產(chǎn)效率分別提高了57%、15%和58%，水分利用效率分別提高了31%、14%和26%，降水利用效率分別提高了53%、27%和29%，耗水系數(shù)則分別降低了33%、21%和22%。SM處理能有效增加玉米生育期土壤儲(chǔ)水量，但土壤溫度的降低導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，其拔節(jié)期和成熟期分別較CT推遲了4 d和5 d，最終產(chǎn)量、水分生產(chǎn)效率和積溫生產(chǎn)效率分別降低了21%、18%和9%。PM處理增加了農(nóng)田耗水量，其季末供水能力分別較BM、RH和SM降低了19、56和86 mm。但PM處理土壤水分平衡受生育中后期降水量影響較大，2015 年 7—9 月降水量較多年平均值減少71 mm，PM處理收獲期100—200 cm土層土壤儲(chǔ)水量較CT處理減少28 mm，并較土壤穩(wěn)定度降低5.4 mm，造成深層土壤水分虧缺?！窘Y(jié)論】塑料地膜全膜覆蓋是黃土高原半干旱區(qū)協(xié)同提高土壤水、熱資源利用效率，增加玉米產(chǎn)量的有效措施，然而在玉米生育中后期遭遇干旱容易引起深層土壤水分虧缺和產(chǎn)量波動(dòng)；降解膜全膜覆蓋和膜壟種植處理的增溫和增產(chǎn)效果均弱于塑料地膜全膜覆蓋，但更有利于維持土壤水分平衡；秸稈覆蓋降溫、減產(chǎn)效果明顯，不推薦在氣溫較低的半干旱區(qū)應(yīng)用。

地面覆蓋；土壤水分；土壤溫度；玉米產(chǎn)量; 水分利用效率；半干旱區(qū)

0 引言

【研究意義】黃土高原地區(qū)旱地農(nóng)田總面積約為6.389×106hm2，光熱資源豐富，是我國(guó)最重要的旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)之一。該區(qū)常年降水量300—600 mm，理論上能夠滿足農(nóng)作物正常生長(zhǎng)需求，然而由于蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，降水時(shí)空分布極不均衡，實(shí)際能被作物利用的降水不足總降水量的40%[1]。因此采取有效的覆蓋栽培措施，最大程度地將降水貯存在土壤中，并對(duì)季節(jié)性土壤水分虧缺進(jìn)行有效調(diào)節(jié)是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】塑料地膜覆蓋能夠有效改善耕層土壤水、熱條件，協(xié)同提高玉米“源-庫(kù)”能力，增加籽粒產(chǎn)量[2-4]。然而玉米高產(chǎn)是以高耗水為代價(jià)的，連年進(jìn)行塑料地膜覆蓋栽培容易造成土壤水分虧缺和引起產(chǎn)量波動(dòng)[5-6]。此外，在長(zhǎng)期使用塑料地膜覆蓋的農(nóng)田中，殘留的地膜會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成一定污染，影響作物耕作及生長(zhǎng)發(fā)育[7]。因此，采用秸稈、生物降解膜等環(huán)保材料來代替塑料地膜，或者采用僅在壟上覆膜溝播集雨種植技術(shù)（簡(jiǎn)稱膜壟種植）來減少塑料地膜的使用量，增加土壤水分的有效性，對(duì)于該區(qū)協(xié)調(diào)作物產(chǎn)量與農(nóng)田耗水量關(guān)系，保障玉米持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)具有重要意義[8-10]。對(duì)于黃土高原春播作物而言，冬春休閑期（上年11月至翌年4月）降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤蓄水保墑十分困難，在上年秋季進(jìn)行休閑期地面覆蓋可最大限度地發(fā)揮農(nóng)田覆蓋的防旱保墑的作用，貯存秋墑，緩解春季干旱脅迫[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】黃土高原地區(qū)降水量變率大，地膜覆蓋所導(dǎo)致的深層土壤干燥化的問題相對(duì)復(fù)雜。玉米連作條件下，其土壤水分是否能夠持續(xù)高效利用的問題至今尚不明確。而秸稈、降解膜覆蓋及膜壟種植的增產(chǎn)效果受降水和溫度等氣候因素影響較大，這些覆蓋方式結(jié)合周年覆蓋（休閑期+生育期）對(duì)農(nóng)田土壤水、熱環(huán)境的調(diào)控效應(yīng)及其對(duì)塑料地膜的可替代性迫切需要進(jìn)一步探究。【擬解決的關(guān)鍵問題】在黃土高原半干旱區(qū)，研究不同周年覆蓋方式（塑料地膜全膜覆蓋、降解膜全膜覆蓋、膜壟種植和秸稈覆蓋）對(duì)土壤水、熱動(dòng)態(tài)變化特征及其生產(chǎn)效率的影響，回答不同覆蓋方式能否協(xié)同調(diào)控土壤水、熱與持續(xù)增產(chǎn)、增效的問題，為該區(qū)域提高水、熱資源利用效率，確立高效環(huán)保覆蓋方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)于2012年11月至2015年10月，在寧夏回族自治區(qū)固原市彭陽(yáng)縣長(zhǎng)城村（35°51′ N，106°48′ E）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)海拔1 658 m，地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地。該地區(qū)近40年降水量350—550 mm，年蒸發(fā)量1 753.2 mm，年平均氣溫7.4℃—8.5℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 518 h，無霜期140—160 d。土壤為黃綿土，2 m土層平均土壤容重、田間持水量、穩(wěn)定土壤含水量（土壤中的懸著水停止向蒸發(fā)面運(yùn)行，土壤水分接近于均衡狀態(tài)時(shí)的土壤含水量）和萎蔫系數(shù)分別為1.4 g·cm-3、19%、12%和5%，0—60 cm土層速效氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量分別為50.06 mg·kg-1、10.78 mg·kg-1、131.40 mg·kg-1和11.63 g·kg-1。試驗(yàn)期間各月降水量和氣溫分布情況分別見圖1和圖2。

圖1 試驗(yàn)期間月降水量分布

圖2 試驗(yàn)期間日平均氣溫分布

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)周年（休閑期+生育期）塑料地膜全膜覆蓋（PM）、降解膜全膜覆蓋（BM）、膜壟種植（RH）、秸稈覆蓋（SM）及裸地不覆蓋（CT）5個(gè)處理，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理田間重復(fù)3次，小區(qū)種植面積為58.8 m2（長(zhǎng)14 m×寬4.2 m）。塑料地膜和降解膜全膜覆蓋處理為平膜全量覆蓋，膜寬均為120 cm，厚度均為0.008 mm，覆蓋后沿地膜帶垂直方向每隔200 cm壓一土帶，防大風(fēng)揭膜。膜壟種植處理溝、壟寬均為60 cm，壟高為15 cm，在壟上覆普通塑料地膜，膜寬90 cm，厚0.008 mm，溝中不覆蓋作為種植區(qū)。所用塑料地膜為固原圓德塑料制品有限公司生產(chǎn)，所用降解膜為日本昭和電工株式會(huì)社生產(chǎn)的白色地膜，成分為聚丁二酸丁二醇酯（PBS），完全降解需270 d左右。秸稈覆蓋處理為整稈均勻覆蓋，覆蓋量為9 000 kg·hm-2，為不影響玉米出苗，在播種時(shí)將所覆秸稈移除，待出苗后再重新覆蓋。

試驗(yàn)作物為春玉米，品種為富農(nóng)821，播種密度為66 660株/hm2（行距60 cm，株距25 cm），人工用鷹嘴播種/施肥器進(jìn)行播種和施肥，其中施化肥N 300 kg·hm-2和P2O5150 kg·hm-2（播前基肥﹕大喇叭口期追肥=1﹕1），全生育期不灌水。上季作物收獲后，將各覆膜處理的舊地膜全部移除，在10月下旬至11月上旬重新覆蓋地膜，秸稈覆蓋處理重新覆蓋秸稈。4月中下旬播種，9月底至10月中旬收獲，其中降解膜全膜覆蓋處理只在2013年 11月至2015年10月進(jìn)行。試驗(yàn)期間根據(jù)情況人工進(jìn)行除草，其他栽培管理同大田。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 玉米生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)及產(chǎn)量的測(cè)定 玉米播種后，每隔20 d，各小區(qū)選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致的代表性植株，65℃烘至恒重，測(cè)其干重。收獲時(shí)，每個(gè)小區(qū)選取代表性4行，每行隨機(jī)連續(xù)收獲10株進(jìn)行測(cè)產(chǎn)（產(chǎn)量按14%標(biāo)準(zhǔn)含水量計(jì)）。

運(yùn)用Logistic生長(zhǎng)方程Y=K/(1＋EXP (a＋bt))對(duì)玉米地上干物質(zhì)重量進(jìn)行曲線擬合，并估算方程特征值[13]。式中，t為生長(zhǎng)天數(shù)（d）；a和b是待定系數(shù)（a＞0，b＜0），K為生物量理論最大值。當(dāng)t0= -a/b時(shí)，有d2y/d2t=0，此時(shí)生物量增長(zhǎng)速度達(dá)最大值，即Vm= dy/dt= -bK/4；t0表示生物量累積最快時(shí)間，此時(shí)的生物量增長(zhǎng)速率又叫做“速度特征值”。t1=(ln(2+ 1.732) -a)/b，t2=(ln(2-1.732)-a)/b，分別為生物量快速累積的開始和結(jié)束時(shí)間，△Y為t2與t1時(shí)刻生物量的差值，即生物量在快速累積階段的增長(zhǎng)量。

1.3.2 土壤水分的測(cè)定 采用土鉆法測(cè)定，測(cè)定深度為0—200 cm土層，其中0—20 cm 每10 cm取1個(gè)土樣，20 cm以下每20 cm取1個(gè)土樣。膜壟種植取樣位置為種植溝中、壟側(cè)和壟下，其余處理為種植區(qū)的種植溝中。取樣時(shí)期為休閑期初始、早春和播期，生育期在播種后每20 d測(cè)定一次，直至玉米收獲。所取土樣在2 h內(nèi)測(cè)定其濕重，在105℃烘箱內(nèi)烘至恒重后稱量干重，根據(jù)公式（1）計(jì)算土壤儲(chǔ)水量：

式中，為土壤儲(chǔ)水量（mm）；h為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3）；b為土壤水分重量百分?jǐn)?shù)；為土層數(shù)量；= 10, 20, 40, … 200。

冬春休閑期儲(chǔ)水量（RSF）為休閑期初始（SWBF）和休閑期結(jié)束（即播期，SWEF）200 cm土層土壤儲(chǔ)水量的差值[14]；季末供水能力（WSC）為收獲期覆蓋處理和裸地對(duì)照處理200 cm土層土壤儲(chǔ)水量的差值[15]。

那是天葬刀。刀身長(zhǎng)一尺六寸，寬一寸六分，刃薄如蟬翼，鋒紅如泣血。刀柄處，一顆墨玉般的骷髏，將刀鋒的尾端銜在口中。兩眶中鑲嵌著的紅色雙瞳，在天葬師伸手握住刀柄的剎那，閃爍起血色的光芒。

1.3.3 農(nóng)田耗水量 農(nóng)田耗水量根據(jù)土壤水分平衡公式（2）計(jì)算[16]：

ET=P+ΔSW+C-D-R（2）

式中，ET為農(nóng)田階段耗水量（mm）；P為階段降水量（mm）；ΔSW為階段內(nèi)200 cm土層的土壤儲(chǔ)水量的變化量（mm）；為地上水上升補(bǔ)給量（mm）；為深層滲漏量（mm）；為地表徑流（mm）。試驗(yàn)地區(qū)地下水位超過80 m，因此地下水上升補(bǔ)給量可忽略不計(jì)。在降水量較低的半干旱地區(qū)，作物的農(nóng)田降水入滲深度不超過200 cm，另外本試驗(yàn)選擇的地勢(shì)較平坦，故認(rèn)為深層滲漏量和徑流量為0。

1.3.4 水分利用指標(biāo)計(jì)算 為定量評(píng)價(jià)不同覆蓋方式對(duì)降水資源的利用狀況，分別利用公式（3）、（4）、（5）和（6）計(jì)算籽粒水分利用效率、降水利用效率[17]、降水潛在利用效率[18]和耗水系數(shù)[19]：

（3）

() （4）

[(-)(-)-ET]×100() （5）

(++)×10（6）

式中，為籽粒水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）；為玉米生育期農(nóng)田耗水量（mm）；為降水利用效率（kg·hm-2·mm-1）；和分別為休閑期和生育期降水量（mm）；為降水潛在利用率（%）；γ和γ分別為休閑期和生育期徑流系數(shù)，由于試驗(yàn)地為平整無徑流損失的旱作農(nóng)田，故γ和γ的取值均為0；ET為休閑期農(nóng)田蒸發(fā)量（mm）；為耗水系數(shù)（m3·kg-1）；為休閑期初始和收獲期200 cm土層土壤儲(chǔ)水量的差值（mm）。

1.3.5 土壤溫度的測(cè)定 用曲管水銀地溫計(jì)測(cè)定5、10、15、20及25 cm處的土壤溫度，溫度計(jì)均置于各處理玉米株間，測(cè)定時(shí)間在8：00—20：00，每隔2 h記錄一次，播種后每10 d讀取一次地溫直至玉米收獲。利用公式（7）計(jì)算土壤有效積溫[20]：

=∑(T-T) （7）

式中，為土壤有效積溫（℃）；T為日平均土壤溫度；T為玉米基礎(chǔ)有效溫度，其值為10℃。當(dāng)T＜T時(shí)土壤有效積溫記為0℃。

土壤積溫生產(chǎn)效率（TUE，kg·hm-2·℃-1）為玉米產(chǎn)量（kg·hm-2）與生育期有效積溫（℃）的比值[2]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Sigmaplot13.0軟件作圖、SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)＜0.05時(shí)認(rèn)為差異達(dá)到顯著水平。

2 結(jié)果

2.1 試驗(yàn)?zāi)攴萁邓壳闆r

2013、2014和2015年休閑期降水量分別為22、99和62 mm，分別為多年同期降水量的31%、139%和87%，玉米生育期降水量分別為590、317和335 mm，分別為多年同期降水量的174%、94%和99%。2013年休閑期相對(duì)干旱，但生育期降水異常豐沛，其中玉米生育中后期7—9月份降水量較同期多年降水量增加了178 mm，增幅達(dá)74%。2014年休閑期降水偏多，但生育期降水量正常。2015年休閑期降水量正常，但玉米生育中后期相對(duì)干旱，7—9月份降水量較同期多年降水量減少了71 mm，減少幅度為30%（圖1）。

2.2 玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量對(duì)不同覆蓋方式的響應(yīng)

2.2.1 玉米干物質(zhì)累積特征 利用Logistic生長(zhǎng)模型對(duì)玉米干物質(zhì)累積進(jìn)行曲線擬合，表1結(jié)果顯示，地膜覆蓋明顯加速了玉米的生長(zhǎng)發(fā)育，相比CT處理，PM、BM和RH處理分別平均提前16、9和8 d進(jìn)入干物質(zhì)快速累積期，平均最大累積速度分別提高了1.6、0.5和0.8 g·d-1，快速累積期的平均干物質(zhì)增長(zhǎng)量分別增加了94、36和56 g。SM處理生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，進(jìn)入干物質(zhì)快速累積期的時(shí)間較CT平均推遲了5 d，干物質(zhì)最大累積速度及其在快速累積期的增長(zhǎng)量分別較CT平均降低了0.9 g·d-1和36 g。

表1 不同覆蓋方式玉米干物質(zhì)累積Logistic方程

t1、t2分別為進(jìn)入、結(jié)束干物質(zhì)旺盛累積期的時(shí)間，t0為干物質(zhì)累積速率達(dá)到最大的時(shí)間，Vm為干物質(zhì)最大累積速率，△Y為快速生長(zhǎng)期干物質(zhì)累積量，2為方程決定系數(shù)

t1and t2are thestart time and terminates time of rapid biomass accumulation period, respectively. t0is the timewhen the biomass accumulation rate reaches the maximum. Vmis the maximum rate of biomass accumulation.△Y is the biomass accumulation during the rapid growth period.2is the determination coefficient of the equation

2.2.2 不同覆蓋方式玉米生育進(jìn)程 各覆膜處理均明顯縮短了玉米的各個(gè)生育進(jìn)程，其中PM、BM和RH處理拔節(jié)期分別較CT平均提前了15、8和 7 d，成熟期分別平均提前了17、7和7 d。SM處理生育進(jìn)程明顯滯后，拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期分別較CT平均推遲了4、5、4和5 d（表2）。

表2 不同覆蓋方式玉米生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程（日期，播種后天數(shù)）

2.2.3 產(chǎn)量對(duì)不同覆蓋方式的響應(yīng) 旱地農(nóng)田作物產(chǎn)量受氣候因素影響較大，具有不穩(wěn)定性。試驗(yàn)期間，不同年份的降水量及降水分配特點(diǎn)差異較大，因此年份和覆蓋方式的互作達(dá)到了極顯著水平（＜0.01），說明不同覆蓋方式對(duì)產(chǎn)量的影響在不同降水年型年份具有較大差異（表3）。不同覆蓋處理產(chǎn)量表現(xiàn)為PM＞RH＞BM＞CT＞SM，其中PM、BM和RH處理平均產(chǎn)量分別較CT處理增加了5 164、2 537、 3 220 kg·hm-2，增產(chǎn)幅度分別為52%、32%和27%（＜0.05）。而SM處理平均產(chǎn)量較CT降低了2 127 kg·hm-2，減產(chǎn)幅度為21%（＜0.05）（表3）。

2.3 不同覆蓋方式土壤水分動(dòng)態(tài)變化及其利用特征

2.3.1 休閑期土壤儲(chǔ)水效率 不同覆蓋處理均能有效抑制冬春休閑土壤水分的無效蒸發(fā)，PM、BM、RH和SM處理休閑期平均儲(chǔ)水量分別較CT增加了53、51、32和36 mm（表4）。PM、BM、RH和SM處理播前0—100 cm土層平均土壤儲(chǔ)水量分別較CT增加了36、23、33和29 mm，100—200 cm土層平均土壤儲(chǔ)水量分別增加了16、19、20和27 mm，且這一效應(yīng)在休閑期降水量相對(duì)較低的2013年表現(xiàn)最為明顯（圖3）。

2.3.2 生育期土壤水分消耗與恢復(fù)特征 生育期降水較充足年份（2013年），各處理土壤儲(chǔ)水量隨著時(shí)間的推移逐漸升高，土壤水分沒有被消耗反而增加。生育中期相對(duì)干旱年份（2014和2015年），各處理土壤儲(chǔ)水量均明顯下降，其中PM和BM處理土壤耗水量較大，0—100 cm和100—200 cm土層土壤儲(chǔ)水量均低于或接近土壤穩(wěn)定濕度。PM處理加強(qiáng)了對(duì)深層土壤水分的利用，2015年收獲期，其100—200 cm土層土壤儲(chǔ)水量較CT處理降低了28 mm，較土壤穩(wěn)定度降低了5.4 mm。RH和SM處理均能有效提高生育期土壤水分，0—100 cm土層平均土壤儲(chǔ)水量分別較CT提高了24 mm和22 mm，100—200 cm土層平均土壤儲(chǔ)水量分別提高了24 mm和23 mm。農(nóng)田耗水量和季末供水能力分別與產(chǎn)量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。PM處理農(nóng)田耗水量最高，但季末供水能力分別較BM、RH和SM處理平均降低了19、56和86 mm（表4）。

表3 不同覆蓋方式玉米產(chǎn)量及土壤水、熱資源利用效率

小寫字母和LSD0.05分別表示在0.05水平上的差異顯著性和最小顯著差數(shù)。*表示顯著水平達(dá)到0.05，**表示顯著水平達(dá)到了 0.01，***表示顯著水平達(dá)到了0.001。WUE：水分利用效率；PPE：降水潛在利用效率；PUE：降水利用效率；WUC：耗水系數(shù)；TUE：積溫生產(chǎn)效率

The different lowercase letters indicate significant differences at0.05 level. LSD0.05indicates the value of the least significant difference at 0.05 level. * means significant difference at0.05 level, ** means significant difference at0.01 level, *** means significant differences at0.001 level. WUE for water use efficiency, PPE for potential precipitation use efficiency, PUE for precipitation use efficiency, WUC for soil water use coefficient, and TUE for accumulated temperature use efficiency

2.3.3 不同覆蓋方式對(duì)水分利用效率及耗水系數(shù)的影響 農(nóng)田土壤水分的消耗與利用受降水影響較大，不同覆蓋方式與年份間互作對(duì)水分利用效率和耗水系數(shù)均表現(xiàn)出了極顯著的差異性（＜0.01）（表3）。休閑期覆蓋最大限度地發(fā)揮了其防旱保墑的作用，PM、BM、RH和SM處理降水潛在利用效率分別較CT平均提高了14%、12%、11%和10%。地膜覆蓋能有效提高水資源利用效率，PM、BM和RH處理平均水分利用效率分別較CT提高了31%、14%和26%，平均降水利用效率分別提高了53%、27%和29%，平均耗水系數(shù)分別降低了33%、21%和22%，其中以PM處理對(duì)水資源利用程度最高。SM處理由于減產(chǎn)，平均水分利用效率和降水利用效率分別較CT降低了18%和20%，平均耗水系數(shù)較CT處理提高了15%。

2.4 不同覆蓋方式土壤熱量動(dòng)態(tài)變化及其利用特征

2.4.1 生育期土壤溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 玉米生育前期，植株冠層弱小，地面覆蓋度低，日間土壤溫度變幅較大，不同處理間土壤溫度差異也最為明顯。PM、BM、RH、SM和CT處理平均日間升溫幅度分別為6.0℃、4.7℃、4.9℃、3.3℃和4.5℃，平均日間降溫幅度為1.0℃、1.5℃、1.9℃、1.1℃和2.5℃。由此可見，PM處理不僅能夠迅速提高日間土壤溫度，還能減緩?fù)寥罍囟鹊南陆邓俣?，增溫和保溫效果最?yōu)，而SM處理日間升溫和降溫幅度均明顯低于CT，日間土壤溫度變化較為平穩(wěn)（圖4—5）。

PM處理生育期平均土壤溫度較CT增加了 2.8℃，其中以播種后0—60 d增溫幅度最大，平均為4.7℃。BM和RH處理播后0—60 d土壤溫度分別較CT平均提高了2.1℃和1.8℃，但隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，BM和RH處理土壤溫度較CT逐漸沒有差異。SM處理降溫效果明顯，生育期平均土壤溫度較CT降低了1.2℃（圖6）。

F和G分別表示休閑期和玉米生育期。圖中誤差棒表示0.05水平上的最小顯著差數(shù)（LSD）。下同

圖4 不同覆蓋處理日間土壤升溫幅度

2.4.2 不同生育階段土壤有效積溫 PM、BM和RH處理苗期和穗期有效積溫分別較CT平均增加了200℃、129℃和89℃，增幅分別為21%、13%和9%，花粒期有效積溫分別平均增加了201℃、30℃℃和71℃，增幅分別為44%、7%和15%。SM處理通過延長(zhǎng)生育期來獲得足夠的積溫進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，其苗穗期有效積溫較CT差異并不顯著（＞0.05），但花粒期平均有效積溫較CT顯著降低了113℃，降幅達(dá)25%（＜0.05）。玉米生育期有效積溫與產(chǎn)量極顯著正相關(guān)，但其中僅花粒期有效積溫與產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)到了極顯著水平（＜0.01），而苗穗期有效積溫與產(chǎn)量相關(guān)不顯著（＞0.05）（表5）。

表4 不同覆蓋方式休閑期和玉米生育期0—200 cm土層土壤水分儲(chǔ)存與消耗

ns 表示差異不顯著。SWBF：初始土壤儲(chǔ)水量；SWEF：結(jié)束/播期土壤儲(chǔ)水量；RSF：休閑期儲(chǔ)水量；SWH：收獲期土壤儲(chǔ)水量；ET：耗水量；WSC：季末供水能力

ns means no significant difference. SWBF for soil water storage at the beginning of the fallow season, SWEF for soil water storage at the end of the fallow season, RSF for precipitation water storage during the fallow season, SWH for soil water storage at harvest, ET for evapotranspiration, and WSC for soil water supply capacity

圖5 不同覆蓋處理日間土壤降溫幅度

圖6 不同覆蓋處理日間土壤平均溫度

表5 玉米不同生育階段土壤有效積溫

2.4.3 不同覆蓋方式土壤積溫生產(chǎn)效率 不同覆蓋處理對(duì)土壤積溫生產(chǎn)效率的影響顯著，其中SM處理平均積溫生產(chǎn)效率較CT顯著降低了9%，而地膜覆蓋對(duì)土壤熱量的累積和利用效率大于秸稈覆蓋，PM、BM和RH處理平均積溫生產(chǎn)效率分 別較CT處理提高了57%、15%和58%（＜0.05）（表3）。

3 討論

3.1 休閑期土壤儲(chǔ)水特征

周年覆蓋最大限度地發(fā)揮了其防旱保墑的作用，實(shí)現(xiàn)了降水在休閑期和玉米生育期的再分配，不同周年覆蓋處理降水潛在利用效率提高幅度達(dá)10%— 14%，休閑期可較裸地不覆蓋多儲(chǔ)水36—53 mm，其保墑效果等同于一次播前有效灌水，有效解決了黃土高原半干旱地區(qū)春旱頻發(fā)的問題。Qin等[21]研究指出，由于地膜覆蓋減少了雨水入滲，增加了徑流，地膜相比秸稈不適宜在休閑期覆蓋。但本研究發(fā)現(xiàn)在中國(guó)西北半干旱地區(qū)，冬春季降水稀少，抑制蒸發(fā)是保蓄土壤水分的最關(guān)鍵措施，塑料地膜和降解膜全膜覆蓋相比秸稈覆蓋更能夠有效抑制土壤水分無效蒸發(fā)，PM和BM處理休閑期分別較SM處理多儲(chǔ)水17 mm和11 mm。而膜壟種植由于僅在壟上覆蓋地膜（即半膜覆蓋），溝中土壤完全裸露，抑蒸效果相比全膜覆蓋下降，RH處理休閑期儲(chǔ)水量分別較PM和BM處理降低了21 mm和12 mm。但試驗(yàn)?zāi)攴莶⑽丛庥鰢?yán)重春旱，休閑期土壤儲(chǔ)水量與產(chǎn)量的相關(guān)性并不顯著。

3.2 生育期土壤水分利用與平衡

旱地農(nóng)田作物耗水量與產(chǎn)量密切相關(guān)[22]。塑料地膜全膜覆蓋在玉米生育前期提供了良好的土壤水溫環(huán)境，并有效促進(jìn)了其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，進(jìn)入生殖階段后，較大的植株必然將消耗更多的水分來進(jìn)行干物質(zhì)積累和形成籽粒產(chǎn)量，因此王敏等[5]和謝軍紅等[6]研究認(rèn)為長(zhǎng)期進(jìn)行塑料地膜全膜覆蓋栽培容易導(dǎo)致土壤水分虧缺。然而Liu等[23]研究指出，作物在8、9月份需水量開始逐漸降低，但此時(shí)降水量不斷增加是中國(guó)黃土高原半干旱地區(qū)的主要降水特點(diǎn)，在年降水量＞273 mm的條件下，塑料地膜全膜覆蓋栽培能夠保證玉米高產(chǎn)并維持水分平衡。本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，黃土高原半干旱區(qū)0—200 cm土層土壤水分受不穩(wěn)定的降水影響較大，塑料地膜全膜覆蓋處理季末土壤水分的恢復(fù)狀況與7—9月份降水量密切相關(guān)，生育中后期充足的降水是塑料地膜全膜覆蓋保證玉米高產(chǎn)并維持水分平衡的必要條件。2013年和2014年的7—9月降水量分別較多年平均值高出178 mm和11 mm，PM處理土壤水分在收獲期基本恢復(fù)，0—200 cm土層土壤含水量較CT沒有明顯差異。然而2015年7—9月降水量較多年平均值減少了71 mm，PM處理收獲期深層100—200 cm土層土壤儲(chǔ)水量較CT處理降低28 mm，并較土壤穩(wěn)定度降低5.4 mm，造成土壤水分虧缺。由于深層土壤水分的恢復(fù)較上層土壤困難，這一水分虧缺的長(zhǎng)期累積則可能造成土壤干燥化現(xiàn)象，引起產(chǎn)量波動(dòng)。

降解膜全膜覆蓋生育期土壤水分變化規(guī)律與塑料地膜全膜覆蓋基本一致，但其耗水量明顯低于塑料地膜全膜覆蓋，BM處理季末供水能力較PM處理提高了19 mm。膜壟種植能夠有效富集降水，增加作物種植區(qū)的土壤水分[10, 24]，而秸稈覆蓋在降低土壤蒸發(fā)的同時(shí)提高了雨水入滲強(qiáng)度[8, 25]，玉米生育期內(nèi)RH和SM處理均表現(xiàn)出了良好的保墑效果，季末供水能力分別較PM處理提高了56 mm和86 mm。由此可見，降解膜全膜覆蓋、膜壟種植和秸稈覆蓋相比塑料地膜全膜覆蓋更有利于維持土壤水分的平衡。但由于塑料地膜全膜覆蓋增產(chǎn)幅度最大，降水利用效率和籽粒水分利用效率最高，PM處理耗水系數(shù)分別較BM、RH、SM和CT處理平均降低了17%、13%、41%和33%，對(duì)降水的有效利用程度和單位水資源的產(chǎn)出率最高[19]。

3.3 土壤溫度與玉米產(chǎn)量

地膜覆蓋后土壤潛熱交換基本被抑制，在冷涼地區(qū)增溫效果顯著[4, 26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，地膜覆蓋不僅能夠提高日間增溫幅度，還能減緩?fù)寥罍囟鹊南陆邓俣?，有利于土壤吸收和貯存更多熱量，其中PM處理增溫和保溫效果最好，生育期平均土壤溫度較CT增加了2.8℃。降解膜由于透光率較低，增溫效果弱于塑料地膜[27-29]，并且隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，降解膜不斷裂解，其保溫性能下降，BM處理的增溫效果主要集中在播種后0—60 d。膜壟種植由于是半膜覆蓋，其增溫效果弱于塑料地膜和降解膜全膜覆蓋，且隨著玉米冠層的不斷增大，RH處理土壤溫度在播種60 d后較CT逐漸沒有明顯差異。秸稈覆蓋阻擋了太陽(yáng)輻射，反射率高，熱導(dǎo)性差[28, 30]，SM處理的日間增溫幅和降溫幅度均明顯降低，土壤溫度變化較為平穩(wěn)，生育期平均土壤溫度較CT降低了1.2℃。

與前人研究結(jié)果類似[27, 31]，由于玉米植株冠層弱小，地面覆蓋度低，不同覆蓋處理對(duì)土壤溫度的影響主要表現(xiàn)在生育前期，但本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段（苗期和穗期）有效積溫與產(chǎn)量并沒有顯著的相關(guān)性，而花粒期有效積溫與產(chǎn)量表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性。地膜覆蓋處理的增溫效應(yīng)一方面加速了玉米干物質(zhì)累積速度，另一面縮短了生育進(jìn)程，從而使玉米生殖生長(zhǎng)處于氣溫相對(duì)較高的時(shí)期（7月中上旬至9月底），不同覆膜處理花粒期有效積溫增幅在7%—44%，積溫生產(chǎn)效率提高幅度為15%—58%，大大促進(jìn)了玉米籽粒產(chǎn)量的形成與提高。而秸稈覆蓋與之相反，SM處理通過延長(zhǎng)生育期獲得了足夠積溫進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，苗期和穗期有效積溫較CT差異并不顯著，但生殖生長(zhǎng)時(shí)期相對(duì)滯后，處于氣溫相對(duì)較低的時(shí)期（8月初至10月中旬），加之其低溫效應(yīng)，SM處理花粒期平均有效積溫較CT降低了25%，最終減產(chǎn)21%，積溫生產(chǎn)效率降低了9%。

4 結(jié)論

周年（休閑期+生育期）地面覆蓋是黃土高原半干旱地區(qū)提高自然降水潛在利用效率的有效措施，其中塑料地膜全膜覆蓋通過協(xié)同提高土壤水、熱資源利用效率，最終獲得高產(chǎn)，但在生育中后期遭遇干旱易引起深層土壤水分虧缺和產(chǎn)量波動(dòng)。降解膜全膜覆蓋和膜壟種植的增溫、增產(chǎn)效果均弱于塑料地膜全膜覆蓋，但更有利于維持土壤水分平衡。降解膜具有解決農(nóng)膜殘留污染問題的優(yōu)勢(shì)，透光性高、保溫和增溫性能好的降解膜更能滿足黃土高原春玉米可持續(xù)生產(chǎn)需求。秸稈覆蓋導(dǎo)致花粒期有效積溫降低造成減產(chǎn)，不推薦在氣溫較低的半干旱區(qū)應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Regulation Effects of Different Mulching Patterns During the Whole Season on Soil Water and Temperature in the Maize Field of Loess Plateau

WU Yang1, JIA ZhiKuan2, BIAN ShaoFeng1, WANG YongJun1

(1Institute of Agricultural Resource and Environment, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130033;2College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】To indentify the synergy effects of different mulching patterns on soil water and temperature for improving maize (L.) productivity sustainably, and to provide a theoretical evidence for establishing efficient and environmentally friendly mulching patterns in semi-arid areas of Loess Plateau.【Method】A 3-years located expeiment with four mulching patterns during the whole season were carried out in the experiment area: full amount plastic film (PM), degradable film mulching (BM), ridge and furrow planting with plastic film mulched on the ridges (RH) and straw mulching (SM), and conventional flat planting without mulching (CT) was used as the control. Then the effects of different mulching patterns on soil water and temperature spatiotemporal dynamic variations and utilization characters were also studied thoroughly. 【Result】The results showed that mulching during the whole season significantly inhibited the invalid evaporation of soil during the fallow season and improved potential precipitation use efficiency (PPE). With PM, BM, RH and SM, the precipitation storage during the fallow season increased by 53, 51, 32 and 36 mm compared with CT, respectively, and the PPE increased by 14%, 12%, 11% and 10%, respectively. Film mulching significantly improved soil temperature, thereby improved the biomass accumulation rate and shortened the growth and developmental process of maize, and the jointing stageand maturity stage under PM, BM and RH advanced by 15, 8 and 7 d, and 17, 7 and 7 d, respectively, compared with CT. PM, BM and RH increased yield by 52%, 32% and 27%, improved accumulated temperature use efficiency (TUE) by 57%, 15% and 58%, increased water use efficiency (WUE) by 31%, 14% and 26%, increased precipitation use efficiency (PUE) by 53%, 27% and 29%, and reduced water consumption coefficient (WUC) by 33%, 21% and 22%, respectively, compared with CT. SM increased soil water storage during the maize growth season, but decreased soil temperature and presented retarded growth, the jointingstage and maturity stage with SM delayed by 4 d and 5 d, respectively, which decreased the yield, WUE and TUE by 21%, 18% and 9%, respectively, compared with CT. PM intensified the utilization of soil water, then the water supply capacity at the end of the season (WSC) under PM decreased by 19, 56 and 86 mm, compared with BM, RH and SM, respectively. The soil water balance under PM was greatly affected by the precipitation amount during the middle and late growth stage of maize. The precipitation amount from July to September during 2015 reduced 71 mm compared with the average value during many years, and the soil water storage in the 100-200 cm layer under PM reduced 28 mm compared with CT, and 5.4 mm compared with stable soil water storage, which caused water deficit in the deep soil layer.【Conclusion】PM would be a usefull method to improve the efficiency of soil hydrothermall resource utilization and to increase maize yield in semi-arid area of Loess Plateau, which accompanied with risks for maintaining deep soil water balance and stablizeing crop yield in the year with droughts during the middle and late growth stage of maize. BM and RH had weak effects on increasing soil temperature and maize yield compared with PM, whereas they were more benifical to maintain the balance of soil water. SM showed a significant effect on soil temeprature decreasing and yield reduction, which was not recommended in the semi-arid area with low temperatures.

mulching; soil water; soil temperature; maize yield; water use efficiency; semi-arid areas

2017-10-30；

2017-12-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0300303）、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20150519010JH）、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2012BAD09B03）

吳楊，E-mail：yangwu15@126.com。通信作者賈志寬，E-mail：jiazhk@126.com。通信作者王永軍，E-mail：yjwang2004@126.com

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.15.004