徐佳星，封涌濤，葉玉蓮，張潤澤，胡昌錄，雷同，張樹蘭

（1西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100；2寶雞市農(nóng)業(yè)技術推廣服務中心，陜西寶雞 721001）

0 引言

【研究意義】黃土高原是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，玉米是該地區(qū)的主要糧食作物[1]。隨著土壤肥力提升[2]，水分已經(jīng)成為黃土高原旱作玉米生產(chǎn)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區(qū)研究的重點。地膜覆蓋技術是一項簡單有效的節(jié)水增產(chǎn)措施[3-5]，在黃土高原地區(qū)玉米種植中被廣泛應用?！厩叭搜芯窟M展】大量研究指出覆膜具有提高降雨捕獲量、抑制土壤水分無效蒸發(fā)、增加土壤的蓄水和水分回流的能力，從而提高作物的水分利用效率[6-9]，同時可以使玉米生育期縮短，增加株高以及葉面積，顯著增加有效穗數(shù)、千粒重等生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量[10-13]。同時地膜覆蓋會增加土壤溫度和土壤孔隙度，有利于提高土壤微生物的活性以及積溫生產(chǎn)效率[14-15]。但也有研究指出覆膜會導致作物減產(chǎn)，地膜覆蓋由于提高了土層溫度，使玉米的生育期提前，盡管玉米的生育后期有大量降雨，但是“卡脖旱”仍然導致了旱地玉米減產(chǎn)[16-17]。同時有人指出，覆膜增加玉米產(chǎn)量的同時會增加耗水量，連年進行地膜覆蓋栽培，容易引起土壤水分的耗竭[18-19]。地膜覆蓋技術目前分為全膜覆蓋和半膜覆蓋2種覆蓋模式，有研究指出全膜覆蓋的產(chǎn)量要顯著高于半膜覆蓋[20-21]，也有研究指出全膜和半膜覆蓋產(chǎn)量相似[22]。不同田間試驗研究結果中的產(chǎn)量效應、土壤水分利用由于試驗的年度變異存在差異，個別地點個別年份的研究結果難以全面地評價不同地膜覆蓋對土壤水分利用及玉米產(chǎn)量的影響。另外，地膜覆蓋后殘膜碎片等會造成環(huán)境污染[23-25]，十分有必要在區(qū)域尺度上對不同覆膜方式進行綜合評價?！颈狙芯壳腥朦c】本文通過分析過去近20年黃土高原地膜覆蓋玉米發(fā)表的文章，系統(tǒng)分析全膜和半膜覆蓋對玉米產(chǎn)量、水分利用及水分利用效率的影響。【擬解決的關鍵問題】本研究綜合評價地膜覆蓋技術的效應，為黃土高原地區(qū)地膜覆蓋的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

在中國知網(wǎng)（CNKI），Web of Science與EI Compondex文獻數(shù)據(jù)庫，根據(jù)“玉米”、“蒸散量”、“產(chǎn)量”、“黃土高原”以及“地膜覆蓋”關鍵詞，收集了從2000—2017年發(fā)表的相關文章，進一步根據(jù)雨養(yǎng)條件，且水分利用效率或蒸散量基于1.6—3 m土層深度估算進行文獻篩選。1.6—3 m土層深度的篩選條件主要是考慮玉米根系在土壤剖面的分布，有些文獻水分利用效率或蒸散量基于1 m土層深度計算，玉米利用土壤水分估算偏低?；谏鲜鰲l件，最后篩選出43篇文獻（附表1），涉及黃土高原山西、陜西以及甘肅3個省12個不同地區(qū)。每個文獻包括不覆膜（CK）和半膜覆蓋（RM）或全膜覆蓋（FM）2個處理，或者不覆膜、半膜覆蓋和全膜覆蓋3個處理。全膜覆蓋包括全膜雙壟溝、全膜起壟覆蓋以及全膜平鋪；半膜覆蓋包括半膜雙壟溝、壟上覆膜溝內播種以及半膜平鋪的栽培方式。利用文章中圖表的數(shù)據(jù)，構建了玉米產(chǎn)量、蒸散量以及水分利用效率的數(shù)據(jù)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個，我們根據(jù)蒸散量（ET）= 產(chǎn)量（Yield）/水分利用效率（WUE）計算得出所需值。

本研究對產(chǎn)量、蒸散量、水分利用效率3個性狀進行描述性統(tǒng)計分析。以不覆膜作為對照，計算產(chǎn)量、蒸散量以及水分利用效率的增加率。

式中，F(xiàn)為覆膜類型；CK為不覆膜。

為了了解黃土高原玉米生產(chǎn)的水分利用效率潛力，本文采用邊界函數(shù)的方法研究產(chǎn)量與蒸散量之間的關系。具體步驟是將蒸散量的數(shù)據(jù)從小到大排序（作為x軸），產(chǎn)量基于蒸散量的數(shù)據(jù)排列。將蒸散量以20 mm間隔劃分，每個區(qū)段提取產(chǎn)量最大數(shù)據(jù)點，直至產(chǎn)量達到最高產(chǎn)量。對產(chǎn)量最大的數(shù)據(jù)點進行線性回歸，得到線性函數(shù)，其斜率表示玉米的潛在蒸騰效率，即黃土高原玉米的水分生產(chǎn)潛力，橫坐標截距表示玉米當季最低的土壤水分蒸發(fā)量。邊界函數(shù)的方法最早由澳大利亞學者FRENCH和SCHULTZ提出[26]，隨后被許多學者引用[27-29]。

為了了解黃土高原海拔高度以及生育期降雨量對覆膜玉米增產(chǎn)率的影響，本研究分別將玉米增產(chǎn)率與海拔及生育期降雨量進行了相關分析，其中生育期降雨量以50 mm間隔劃分，分段計算增產(chǎn)率的平均值，然后與降雨量進行了相關性分析。

數(shù)據(jù)采用SPSS18.0進行統(tǒng)計分析。半膜或全膜覆蓋與不覆膜處理之間比較采用配對樣本T檢驗進行分析，所有文獻的半膜覆蓋與全膜覆蓋的比較采用獨立樣本T檢驗進行分析，同時對同一文獻中既包括全膜覆蓋，又包括半膜覆蓋，也進行了對比分析。

圖1 黃土高原不同處理玉米的籽粒產(chǎn)量Fig.1 Maize grain yield under plastic film mulching in the Loess Plateau

2 結果

2.1 全膜及半膜覆蓋對產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率的影響

黃土高原地區(qū)全膜覆蓋玉米產(chǎn)量變化范圍544—15 132 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為9 191 kg·hm-2；對照不覆膜玉米產(chǎn)量變化范圍170—12 059 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為5 910 kg·hm-2（圖1）。半膜覆蓋玉米產(chǎn)量變化范圍3 329—16 640 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為9 348 kg·hm-2；對照不覆膜玉米產(chǎn)量變化范圍536—13 520 kg·hm-2，平均產(chǎn)量為7059 kg·hm-2。無論是全膜覆蓋還是半膜覆蓋均顯著提高了玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度大于40%。不過無論是所有文獻數(shù)據(jù)還是同一文獻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均表明全膜覆蓋和半膜覆蓋的玉米產(chǎn)量沒有顯著差異。

圖2為黃土高原地區(qū)不同覆蓋條件下玉米蒸散量的差異。全膜覆蓋玉米季蒸散量變化范圍221—511 mm，均值為366 mm；與之對應的不覆膜玉米蒸散量變化范圍262—581 mm，均值為357 mm。半膜覆蓋玉米季蒸散量變化范圍224—604 mm，均值為385 mm；不覆膜蒸散量變化范圍225—644 mm，均值為389 mm。與對照相比，全膜覆蓋顯著增加了玉米季蒸散量，蒸散量的增加范圍-17%—32%，均值為2.83%。而半膜覆蓋沒有顯著影響玉米季蒸散量，不過全膜與半膜覆蓋之間蒸散量相似。

圖3為黃土高原地區(qū)不同覆蓋條件下玉米播種前與收獲后土壤儲水量的差值。全膜覆蓋玉米土壤儲水量差值范圍-173—205 mm，平均值為6.85 mm，其中有60%的年份出現(xiàn)了土壤耗水；而對照不覆膜土壤儲水量差值范圍-135—211 mm，平均值為1.90 mm，有56%的年份出現(xiàn)了土壤耗水，全膜較對照增加土壤耗水約5 mm。半膜覆蓋玉米土壤儲水量差值范圍-177—253 mm，平均值為19.99 mm，其中有60%的年份也出現(xiàn)了土壤耗水；其對照不覆膜土壤儲水量差值范圍-146—237 mm，平均值為18.06 mm，其中有62%的年份出現(xiàn)了土壤耗水，半膜較對照增加土壤耗水約2 mm。無論是所有文獻數(shù)據(jù)還是同一文獻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均表明，覆膜與對照或者是全膜與半膜之間玉米土壤儲水量差值沒有顯著差異。

黃土高原地區(qū)全膜覆蓋水分利用效率變化范圍0.3—39.0 kg·hm-2·mm-1，均值是17.5 kg·hm-2·mm-1；與之對應的不覆膜玉米水分利用效率變化范圍0—29.6 kg·hm-2·mm-1，均值為11.7 kg·hm-2·mm-1（圖4）。半膜覆蓋水分利用效率變化范圍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變化范圍0.1—38.1 kg·hm-2·mm-1，均值為13.2 kg·hm-2·mm-1。全膜覆蓋或半膜覆蓋較對照均顯著提高了玉米水分利用效率，但全膜覆蓋與半膜覆蓋水分利用效率相近（圖4）。另外，同一文獻中數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析也表明全膜和半膜覆蓋之間水分利用效率沒有顯著差異。

2.2 玉米產(chǎn)量與耗水量之間的關系

圖5顯示玉米產(chǎn)量和蒸散量之間的關系，當包含所有處理的數(shù)據(jù)時（圖5-a），土壤的無效蒸發(fā)為69.3 mm，玉米當季的潛在蒸騰效率為62.9 kg·hm-2·mm-1；在不覆膜條件下，土壤的無效蒸發(fā)為126.2 mm，玉米當季的潛在蒸騰效率為51.7 kg·hm-2·mm-1（圖5-b）。地膜覆蓋增加了玉米潛在蒸騰效率11.2 kg·hm-2·mm-1，減少了無效土壤蒸發(fā)約57mm。

圖2 黃土高原不同處理玉米的蒸散量Fig.2 Evapotranspiration under plastic film mulching in the Loess Plateau

圖3 黃土高原不同處理玉米播前與收獲土壤儲水量的增加量Fig.3 Difference of soil water between maize sowing and harvest under plastic mulching in the Loess Plateau

圖4 黃土高原不同處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與玉米增產(chǎn)率的關系

全膜覆蓋條件下玉米增產(chǎn)率與生育期降雨量呈現(xiàn)顯著的負相關關系（P＜0.1）；半膜覆蓋條件下玉米增產(chǎn)率與生育期降雨量呈現(xiàn)二次曲線關系（P=0.1052）（圖6-a，b），顯示當生育期降雨量超過350 mm時，半膜覆蓋增產(chǎn)率將下降。全膜覆蓋和半膜覆蓋玉米增產(chǎn)率和海拔高度呈現(xiàn)顯著二次擬合關系（圖6-c，d），即覆膜處理玉米增產(chǎn)率隨著海拔高度的增加呈現(xiàn)出先緩慢變化，之后顯著增加的趨勢。

圖5 黃土高原玉米產(chǎn)量和耗水量之間的關系Fig.5 Relationship between maize yield and evaportranspiration (ET) in the Loess Plateau

圖6 全膜覆蓋和半膜覆蓋玉米增產(chǎn)率與玉米生育期降雨量（a，b）和海拔高度（c，d）的關系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 討論

3.1 覆膜對玉米產(chǎn)量的影響

本研究表明，黃土高原玉米全膜覆蓋或者半膜覆蓋均顯著提高了玉米產(chǎn)量，平均增產(chǎn)率超過40%。以往研究指出，地膜覆蓋能減少土壤水分的無效蒸發(fā)，增加作物蒸騰耗水，顯著提高玉米產(chǎn)量[30-33]。LIN等[29]對玉米產(chǎn)量與蒸散量間的關系研究發(fā)現(xiàn)，與不覆膜相比，地膜覆蓋使土壤無效蒸發(fā)量降低12.3 mm。本研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋較不覆膜減少了約57 mm的土壤無效蒸發(fā)量（圖5）。另外，地膜覆蓋能增加耕層土壤溫度，顯著縮短玉米物候期，防止玉米生育早期的凍害，并且顯著增加了葉面積指數(shù)，增加生物量累積，所以顯著提高了產(chǎn)量[33]。本研究也發(fā)現(xiàn)隨海拔高度增加，玉米的增產(chǎn)效果顯著增加，這可能主要與覆膜提高地溫，防止苗期凍害，增強光合作用，凈光合產(chǎn)物相應增多有關[34]。MBAH等[15]指出地膜覆蓋會增加土壤孔隙度和降低土壤容重，增加土壤的通氣和微生物活動，從而增加根系下扎深度，擴大根系利用水分和養(yǎng)分空間，加快植物生長和提高產(chǎn)量。郭滿平等[35]報道覆膜提高了玉米的穗數(shù)，穗粒數(shù)以及千粒重，顯著提高產(chǎn)量。WANG等[36]研究指出覆膜可以顯著增加土壤礦質態(tài)氮的含量以及作物氮、磷的吸收量，從而促進增產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)覆膜可以顯著提高玉米潛在蒸騰效率（11.2 kg·hm-2·mm-1），與LIN等[29]報道的結果相似（13 kg·hm-2·mm-1），這與地膜覆蓋增加作物光能利用率有關[37]。因此，地膜覆蓋增加玉米產(chǎn)量不僅與其改變玉米生長的土壤環(huán)境有關，也與其改變地上部微氣候條件有關。本研究也表明無論是覆膜還是不覆膜處理，處于邊界線以下的玉米產(chǎn)量（圖5），可能受其他因素（如播期、品種、施肥、降雨分布等）的影響[12,38]，未能達到產(chǎn)量潛力。因此，在黃土高原地區(qū)地膜覆蓋下提高玉米產(chǎn)量要綜合保水、栽培以及施肥等多種優(yōu)化措施。

本文通過比較文獻中同時包括全膜覆蓋和半膜覆蓋處理的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（圖1），全膜較半膜覆蓋處理有增加玉米產(chǎn)量的趨勢，但二者之間沒有顯著差異。以往有關半膜與全膜覆蓋增產(chǎn)的研究報道并不一致，一些研究顯示有的年份全膜與半膜之間玉米產(chǎn)量相似[22,39-40]，有些年份全膜覆蓋玉米產(chǎn)量顯著高于半膜覆蓋，特別是全膜雙壟溝覆蓋顯著高于半膜覆蓋[5,11,21,41]。這可能是因為在干旱的年份全膜雙壟溝玉米生長旺盛、前期耗水多，生殖生長時期土壤水分嚴重虧缺，授粉不良，導致產(chǎn)量下降[22]，與半膜覆蓋沒有差異。而全膜雙壟溝覆蓋較半膜覆蓋顯著增產(chǎn)的原因可能是前者可以大幅提高地溫、提高光合產(chǎn)物累積與轉運、增加籽粒灌漿速率，進而提高收獲指數(shù)[5,21]。由于本文收集全膜雙壟溝數(shù)據(jù)較少，沒有單獨比較全膜雙壟溝與半膜之間的差異。已有報道之間的差異可能與個別研究不同年份的氣候條件，如降雨年型（降雨量多少以及雨量分布）影響不同覆膜方式的玉米生長的水熱環(huán)境有關。個別地點個別年份的研究結果難以全面地評價不同地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量的影響，區(qū)域尺度上綜合過去多點多種氣候年型對比全膜與半膜效應，結論更為可靠。另外，長期地膜覆蓋后殘膜碎片對土壤性質以及作物生長有不良影響[42]，還會造成環(huán)境污染[23-25]。因此，建議黃土高原地區(qū)玉米種植采用半膜覆蓋。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)在區(qū)域尺度上，全膜覆蓋增產(chǎn)率與生育期降雨呈現(xiàn)顯著的負相關關系，半膜覆蓋玉米產(chǎn)量隨著降雨量的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，當降雨量為350 mm時，增產(chǎn)率達到最大值。個別模擬研究報道玉米生育期降雨量分別為230、340和440 mm時，半膜覆蓋較傳統(tǒng)平作分別增產(chǎn)76%—83%、37%—43%和5%—11%[43]，表明高降雨量條件下覆膜效果降低。而大田試驗發(fā)現(xiàn)無論全膜還是半膜覆蓋在生育期降雨較少（192 mm）或者較高（417 mm）條件下玉米增產(chǎn)率均較低[22]。因此，區(qū)域尺度上綜合過去多點多種氣候年型，其結果應該值得肯定。

3.2 覆膜對水分利用以及水分利用效率的影響

在黃土高原地區(qū)，耗水量主要包括土壤蒸發(fā)以及植物蒸騰，所耗水分的主要來源是生育期降水以及土壤播前貯水。本研究發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋顯著提高了玉米生育期蒸散量，而半膜覆蓋與對照差異不顯著（圖2）。這可能與全膜覆蓋顯著提高土壤溫度，早期促進玉米生長旺盛，蒸騰劇烈，從而導致全膜處理蒸散量高于不覆膜處理[22,41]。盡管全膜雙壟溝具有較好的效果，但與半膜處理間差異不顯著，這是因為不同覆膜方式都具有抑蒸、保蓄降水以及減少土壤蒸發(fā)的優(yōu)點[41]，可能在玉米生長過程中全膜與半膜相比抑蒸效果并不顯著。盡管本研究發(fā)現(xiàn)覆膜可以減少玉米生育期土壤無效蒸發(fā)57 mm，但是全膜覆蓋玉米蒸散量的顯著增加意味著需要有可靠的水分供應。而黃土高原地區(qū)年際降雨量變幅很大，說明覆膜作物高產(chǎn)的可持續(xù)性還存在不確定性。同時大多數(shù)研究基于2 m土層或者更淺的土層計算作物蒸散量，這可能沒有真正反映覆膜玉米水分利用的情況，現(xiàn)有發(fā)表的數(shù)據(jù)可能偏低。例如LIN等[44]指出，收獲時常規(guī)以及全膜處理2 m以下的土壤含水量要低于播種時的土壤含水量，因此以2 m作為耗水量的計算土深可能低估了植物對土壤水分的利用深度。LIN等[44]在7年的試驗發(fā)現(xiàn)3年玉米生育期降雨量分別為344、268和361 mm，全膜覆蓋收獲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，并沒有出現(xiàn)明顯的耗水。謝軍紅等[18]指出在當季生育期降雨量低于300 mm時，地膜覆蓋玉米對土壤水庫出現(xiàn)明顯的消耗，吳楊等[45]指出在當季生育期降雨量低于350 mm時，地膜覆蓋玉米較常規(guī)處理出現(xiàn)明顯的耗水。而本研究區(qū)域尺度上的結果顯示，全膜和半膜覆蓋均有60%的年份存在土壤水分消耗的狀況，全膜的相對耗水量高于半膜，表明在黃土高原半膜覆蓋可能具有可持續(xù)性。目前缺乏地膜覆蓋的長期定位試驗，有關地膜覆蓋的模型模塊有待進一步開發(fā)，而黃土高原降雨呈現(xiàn)逐年下降趨勢[46-47]。因此，地膜覆蓋是否是該區(qū)高產(chǎn)以及水分高效利用的可持續(xù)管理措施還有待于進一步綜合評價。

覆膜顯著提升玉米蒸騰效率，提高了玉米產(chǎn)量，盡管覆膜有增加玉米蒸散量的趨勢，但仍然顯著提高了玉米的水分利用效率。不過全膜覆蓋與半膜覆蓋間水分利用效率差異不顯著，綜合考慮推薦半膜覆蓋。

4 結論

黃土高原地區(qū)地膜覆蓋可以顯著增加玉米產(chǎn)量和水分利用效率，特別是高海拔區(qū)域地膜覆蓋有利于玉米生長和產(chǎn)量提高。這與地膜覆蓋顯著降低土壤無效蒸發(fā)量，顯著提高玉米潛在的蒸騰效率有關。但是全膜覆蓋與半膜覆蓋對玉米產(chǎn)量和水分利用效率具有等效性，考慮到地膜的環(huán)境污染與經(jīng)濟成本等因素，推薦黃土高原地區(qū)玉米栽培選用半膜覆蓋。不過地膜覆蓋是否是可持續(xù)的高產(chǎn)、水分高效利用措施還有待于進一步評估。