隴中半干旱地區(qū)地膜覆蓋和補(bǔ)灌對(duì)玉米及土壤溫濕度的影響

張開(kāi)乾，鄭立龍

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070；2. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，蘭州 730070)

隴中半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠天然降水，該地區(qū)平均年降水量小于400 mm，大部分地區(qū)呈現(xiàn)不同程度的水分虧缺，缺水已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展最重要的限制因素，植被退化。水土流失和荒漠化都與當(dāng)?shù)氐乃Y源短缺有著密切關(guān)系。在這一地區(qū)提高農(nóng)作物產(chǎn)量增加農(nóng)民收入，關(guān)鍵是解決有效降水資源的綜合利用技術(shù)[1-4]。該地區(qū)一年中氣候變化較大，晝夜溫差大，溫度也是影響該地區(qū)高產(chǎn)的一個(gè)因素。因此很多農(nóng)業(yè)科技工作者都努力研究如何在該地區(qū)使作物在水資源有限、地溫偏低不利于種子發(fā)芽和作物生長(zhǎng)的情況下提高水分利用效率和保持地溫，保證作物高產(chǎn)增收。通過(guò)一系列的研究發(fā)現(xiàn)：秸稈覆蓋技術(shù)，在提高水分利用效率方面有一定作用[5]；覆地免耕技術(shù)，可以減少土壤蒸發(fā)，從而提高作物的產(chǎn)量和水分利用效率，如在生育期后期遇到補(bǔ)水則可在產(chǎn)量和水分利用方面明顯提高[6]；玉米采取地膜栽培，由于提高了早春土壤溫度，減少了地表水分蒸發(fā)，保水保墑，解決了需水關(guān)鍵期土壤水分的不足。同時(shí)水熱同季，改善了土壤微生物活性，有利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育和水分吸收，極大地改善了水分生產(chǎn)效率和降水利用率，故是旱地玉米奪取高產(chǎn)的有效栽培措施[7,8]；氮肥的使用和覆膜栽培技術(shù)的共同使用，發(fā)現(xiàn)較單獨(dú)的地膜覆蓋技術(shù)在提高水分利用效率方面作用更加明顯[9,10]；旱地玉米起壟集雨全地面覆膜溝播技術(shù)既能最大限度地保蓄土壤水分，又能充分接納和利用天然降水，使降水的作用大大提高，具有明顯的蓄水、保墑、增產(chǎn)效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著[11,12]。補(bǔ)灌技術(shù)，在玉米不同的生育期進(jìn)行各種多次或一次，等量或不等量的補(bǔ)灌中，以在大喇叭口期進(jìn)行一次性補(bǔ)罐最有效[13-15]。馮應(yīng)新等人在黃土高原東部地區(qū)以地膜覆蓋和補(bǔ)灌作為試驗(yàn)因素，他們認(rèn)為覆膜和補(bǔ)灌能有效提高玉米對(duì)水分的利用效率，提高玉米產(chǎn)量；在水資源有限時(shí)，玉米補(bǔ)灌時(shí)期應(yīng)以大喇叭口期為主[9]。張緒成等人在黃土高原地區(qū)進(jìn)行的地膜玉米集雨補(bǔ)灌效應(yīng)試驗(yàn)認(rèn)為覆膜可以提高水分的有效利用效率和地溫，改善玉米生長(zhǎng)的微生境，有效促進(jìn)玉米個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育，增加群體產(chǎn)量，同樣認(rèn)為補(bǔ)灌玉米生長(zhǎng)最有效時(shí)期是在大喇叭口期[11]。衛(wèi)三平等人研究旱地玉米在不同栽培方式下補(bǔ)灌的產(chǎn)量變化時(shí)，認(rèn)為全膜壟作比普通覆膜在對(duì)旱地玉米增產(chǎn)方面作用明顯[15]。

隴中半干旱地區(qū)水熱俱缺，玉米栽培受多重因子的綜合作用，但已有研究針對(duì)于水分或熱量的研究成果，難以為半干旱少熱區(qū)玉米生產(chǎn)提供可靠的理論支撐。為此本研究通過(guò)大田試驗(yàn)，研究了不同覆膜方式、補(bǔ)灌制度對(duì)玉米水分利用效率和土壤溫、濕度的影響，旨在為該區(qū)種植玉米提供技術(shù)選擇和優(yōu)化的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)基本情況

本試驗(yàn)于2014年4―10月在甘肅省榆中縣北部黃土丘陵區(qū)中連川流域(N36 °02′，E104°25′)進(jìn)行，該區(qū)域氣候上屬于半干旱類型，主要土壤類型為黃綿土。試區(qū)最熱月份平均溫度為19.0 ℃，最冷月份為1月，平均溫度為-1 ℃。地下水位大于10 m，不具備補(bǔ)給能力。因此，天然降水是該區(qū)域土壤水分和作物生產(chǎn)的基本水源，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)半干旱氣候地理類型。2013年降水量為197.7 mm，試驗(yàn)當(dāng)年2015降水為262.5 mm；無(wú)霜期為120 d左右；年日照時(shí)數(shù)2 666 h。該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為雨養(yǎng)型，作物一年一熟。

1.2 材料與方法

(1)參試材料。試驗(yàn)供試玉米品種為中早熟雜交種酒單668，由酒泉市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

(2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，分別為全膜壟作栽培，不補(bǔ)灌(M1)；全膜壟作栽培，拔節(jié)期補(bǔ)灌300 m3/hm2(M1S1)；全膜壟作栽培，大喇叭口期補(bǔ)灌300 m3/hm2(M1S2)；全膜壟作栽培，拔節(jié)期與大喇叭口期分別補(bǔ)灌150 m3/hm2(M1S1S2)；全膜平作栽培，不補(bǔ)灌(M2)；全膜平作栽培，拔節(jié)期補(bǔ)灌300 m3/hm2(M2S1)；全膜平作栽培，大喇叭口期補(bǔ)灌300 m3/hm2(M2S2)；全膜平作栽培，拔節(jié)期與大喇叭口期分別補(bǔ)灌150 m3/hm2(M2S1S2)；露地平作栽培，不補(bǔ)灌(CK)。每個(gè)處理試驗(yàn)采取隨機(jī)排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積25.2 m2(3.6 m×7.0 m)。于4月28日播種，播種密度為5.25萬(wàn)株/hm2。全膜壟作時(shí)，壟面寬80 cm，壟高20 cm，溝寬40 cm，壟上按行距40 cm、株距32 cm播種玉米2行，平作不起壟，其余參數(shù)同全膜壟作。

(3)測(cè)定指標(biāo)。土壤水分含量：稱重法測(cè)定，按20 cm每層標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定至2 m。土壤溫度：在午間12∶00-14∶00，按5 cm分層，測(cè)定0～20 cm土溫，每7 d測(cè)定一次，5月5日開(kāi)始測(cè)定。作物產(chǎn)量：對(duì)玉米的生物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.1.1不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

從表1可以看出，生物產(chǎn)量方面各覆膜處理較對(duì)照處理高出75.3%～89.7%。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量方面各覆膜處理高出對(duì)照158.88%～206.1%。經(jīng)濟(jì)系數(shù)方面各覆膜處理高出對(duì)照103.19%～120.26%。以上的比較發(fā)現(xiàn)在該試驗(yàn)地區(qū)不進(jìn)行覆膜的處理在收獲季節(jié)其不可能完全生長(zhǎng)成熟。所以，覆膜處理是該地區(qū)玉米生長(zhǎng)的一個(gè)重要條件。

表1 不同處理的產(chǎn)量比較結(jié)果

在表1中，4個(gè)全膜壟作處理和4個(gè)全膜平作處理產(chǎn)量差異發(fā)現(xiàn)，4個(gè)全膜平作的處理在生物產(chǎn)量總量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量總量上分別都大于4個(gè)全膜壟作處理的生物產(chǎn)量總量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量總量，高出5.28%和7.23%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)高出3.96%。其中生物產(chǎn)量是處理M2S1最高，為18 445.4 kg/hm2，比對(duì)照高85.17%，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出4.99%；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是處理M2S2最高，為6 277.69 kg/hm2，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出6.31%；在經(jīng)濟(jì)系數(shù)方面同樣是處理M2S2最高為0.35，比全膜壟作處理中最高的處理M1S1S2高出3.03%，比處理M2S1高出5.3%。說(shuō)明在8種不同覆膜處理中以全膜平作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌300 m3/hm2處理M2S2在提高產(chǎn)量和提高經(jīng)濟(jì)收入方面效果最好。

從表1中還可以看出，當(dāng)補(bǔ)灌方式同為拔節(jié)期補(bǔ)灌時(shí)，處理M1S1玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出7 396.7和4 153.36 kg/hm2，處理M2S1的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出8 723.1和4 527.82 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量方面都比前者增高17.91%和9%，但經(jīng)濟(jì)系數(shù)低于其1.12%。當(dāng)補(bǔ)灌方式同為大喇叭口補(bǔ)灌時(shí)，處理M1S2玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出7 416和3 999.96 kg/hm2，處理M2S2的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出8 211.2和4 732.73 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量方面都比前者增高10.7%和17.5%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)高出8.19%。當(dāng)補(bǔ)灌方式同為拔節(jié)期和大喇叭口期各補(bǔ)灌150 m3/hm2時(shí)，處理M1S1S2玉米的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出7 645.7和4 355.88 kg/hm2，處理M2S1S2的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出8 105.9和4 586.58 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量方面都比前者增高6.01%和1.2%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)高出1.2%。當(dāng)補(bǔ)灌方式同為不在生育期進(jìn)行補(bǔ)灌時(shí)，玉米在全膜壟作的生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出7 377.77和4 146.12 kg/hm2，全膜平作生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量比對(duì)照分別高出8 161.9和4 599.89 kg/hm2。二者相比后者在生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量方面都比前者增高10.6%和10.9%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)高出6.2%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，僅有全膜平作拔節(jié)期一次性補(bǔ)灌300 m3/hm2處理在經(jīng)濟(jì)系數(shù)方面小于全膜壟作拔節(jié)期一次性補(bǔ)灌300 m3/hm2處理1.12%，其他數(shù)據(jù)均大于全膜壟作方式。這說(shuō)明在本試驗(yàn)中全膜平作和全膜壟作相比，全膜壟作并不是一種增加產(chǎn)量和提高收入的有效辦法。

2.1.2不同處理對(duì)水分利用效率的影響

采取有效措施最大限度的提高降水資源的高效利用，是對(duì)旱地作物生育期實(shí)施集水補(bǔ)灌的主要目的，而水分利用效率則是基本衡量指標(biāo)[10]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在玉米全生育期自然降水262.5 mm的條件下，利用人工集雨在玉米關(guān)鍵時(shí)期進(jìn)行補(bǔ)灌，具有較高的水分利用效率，其表現(xiàn)規(guī)律與產(chǎn)量結(jié)果一致(見(jiàn)表2)。8個(gè)覆膜處理比對(duì)照高出229.1%～310.4%，其中以處理H(全膜平作大喇叭口一次補(bǔ)灌300 m3/hm2)的效果最好。

在全膜壟作種植方式時(shí)，水分利用效率以全膜壟作不補(bǔ)灌最低，為17.59 kg/(mm·hm2)；以拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補(bǔ)灌最高，為20.42 kg/(mm·hm2)，較全膜壟作不補(bǔ)灌處理的水分利用效率高16.08%。在全膜平作種植方式時(shí)，水分利用效率以全膜平作不補(bǔ)灌最低，為20.79 kg/(mm·hm2)；以大喇叭口一次補(bǔ)灌效果最好，為21.90 kg/(mm·hm2)，較全膜平作不補(bǔ)灌高出5.3%。

表2 各處理的水分利用效率比較

在整個(gè)處理中也以全膜平作大喇叭口一次補(bǔ)灌效果最好，水分利用效率高出全膜壟作種植拔節(jié)期和大喇叭口期分量補(bǔ)灌的7.2%。而全膜平作不補(bǔ)灌比全膜壟作不補(bǔ)灌在水分利用效率上高出17.89%。

綜合以上兩點(diǎn)，這說(shuō)明全膜平作在本試驗(yàn)提高水分利用方面的作用優(yōu)于全膜壟作設(shè)計(jì)的處理。

2.2 不同處理對(duì)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)影響

從表3對(duì)土壤含水量平均值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，8個(gè)覆膜處理在土壤含水率上都大于對(duì)照，高出3.07%～14.2%。再對(duì)4個(gè)全膜壟作種植方式和4個(gè)全膜平作種植方式進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，全膜壟作種植方式土壤含水率的和高于全膜平作種植方式土壤含水率的和5.38%。而對(duì)相同補(bǔ)灌方式的全膜壟作處理和全膜平作處理比較發(fā)現(xiàn)，全膜壟作拔節(jié)期一次性補(bǔ)灌比全膜平作拔節(jié)期一次性補(bǔ)灌土壤含水率高出4.09%；全膜壟作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌比全膜平作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌土壤含水率高出10.79%；全膜壟作拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補(bǔ)灌比全膜平作拔節(jié)期和大喇叭口期分次分量補(bǔ)灌土壤含水率高出4.21%；全膜壟作不補(bǔ)灌處理比全膜平作不補(bǔ)灌土壤含水率高出4.44%。這說(shuō)明覆膜處理在保持土壤含水率方面有一定效果。而全膜壟作種植處理比全膜平作處理的土壤含水率高，可能是因?yàn)槿て阶髟诋a(chǎn)量上大于全膜壟作(見(jiàn)表2)，所以耗水更多。

表3 不同處理的土壤水分在玉米全生育期內(nèi)的變化動(dòng)態(tài) %

玉米全生育期內(nèi)土壤的水分變化數(shù)據(jù)結(jié)果可以看到，除對(duì)照處理外的其他設(shè)計(jì)處理在玉米生育期第1次測(cè)定到第2次測(cè)定土壤的含水量的時(shí)間內(nèi)下降極快，而第1次到第2次測(cè)定土壤含水率的時(shí)間恰是玉米在大喇叭口時(shí)期，說(shuō)明此時(shí)期玉米生長(zhǎng)旺盛，對(duì)水分敏感時(shí)期，應(yīng)加強(qiáng)這一階段的水分管理，而對(duì)照的表現(xiàn)與其他相反，微微增加基本沒(méi)變，這可能是當(dāng)?shù)馗珊?、地溫變化大不利于玉米生長(zhǎng)，且沒(méi)有任何技術(shù)措施幫助生長(zhǎng)，使的玉米根系活力不足，吸水能力弱[8]，發(fā)育遲緩有關(guān)。第2次與第3次測(cè)定的比較，土壤含水量變化不大，這可能與當(dāng)?shù)?、8月份降雨相對(duì)多有關(guān)。從第3次和第4次測(cè)定比較中發(fā)現(xiàn)CK與其他處理的土壤含水量都大約下降1%，有過(guò)補(bǔ)灌的處理在土壤含水量下降方面并沒(méi)有優(yōu)于其他處理，原因可能是玉米在這一事期處在產(chǎn)量形成階段，耗水量極大，故單在土壤含水分量的時(shí)間變化上無(wú)法比較補(bǔ)灌效果。

從圖1可以看出，除對(duì)照外無(wú)論是補(bǔ)灌處理還是未補(bǔ)灌水處理。40～60 cm的土層土壤含水量均明顯低于0～40 cm土層和60～80 cm土層，說(shuō)明作物在生長(zhǎng)的過(guò)程中，根系主要活躍層集中在40～60 cm土層之間，根系吸水是造成下層土壤水分激烈變化的主要原因。此外，各種處理設(shè)計(jì)在0～60 cm土層之間差距明顯，而在80 cm土層后趨向一致，這表明對(duì)覆膜玉米進(jìn)行300 m3/hm2補(bǔ)灌對(duì)土壤水分的作用僅深及最多到80 cm，而以下幾乎沒(méi)有影響，所以分量分期補(bǔ)灌的方式將本來(lái)不多的補(bǔ)灌用水分2次每次150 m3/hm2進(jìn)行補(bǔ)灌，考慮干旱地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)度大的因素，在改變40～60 cm土層的含水量上可能作用不如一次性補(bǔ)灌明顯。

圖1 全生育期平均土壤含水率空間變化動(dòng)態(tài)

2.3 不同處理對(duì)土壤耕層溫度的影響

2.3.1玉米全生育期不同處理地溫的空間變化

圖2表明，0～20 cm間不同土層的地溫變化是土層越深地溫越低，CK在沒(méi)地膜覆蓋和起壟處理的情況下變化最大。0～20 cm處4個(gè)不同土層的地溫是明顯低于其他8個(gè)處理的相同土層積溫，其中各處理在5 cm處高出15.2%，10 cm處高出12.0%，15 cm處高出7.3%，20 cm處高出4.3%。這說(shuō)明全膜平作和全膜壟作都有提高地溫作用，但4個(gè)全膜壟作處理的積溫高于4個(gè)全膜平作處理積溫9.09%。再分別對(duì)相同補(bǔ)灌不同覆膜處理的4種處理進(jìn)行地溫對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在各個(gè)土層的地溫上都是全膜壟作處理大于全膜平作處理各土層積溫，5 cm處高14.24%，10 cm處高11.01%，15 cm處高5.66%，20 cm處高3.54%。這說(shuō)明雖然全膜平作和全膜壟作都能提高地溫，但全膜壟作效果更明顯。

2.3.2不同處理地溫的時(shí)間變化

通過(guò)圖2發(fā)現(xiàn)，在玉米地溫的空間變化上以5 cm土層處變化最明顯，所以將地溫時(shí)間變化選在5 cm處進(jìn)行研究。從圖3發(fā)現(xiàn)在第1次測(cè)量到第4次測(cè)量之間，地溫出現(xiàn)較大變化，8種處理地溫下降了37%～41%，但對(duì)照下降了47%，所以可以表明覆膜處理在保溫方面有一定效果。

圖2 不同處理在玉米全生育期的地溫空間變化

圖3 不同處理5 cm處土層地溫變化

3 結(jié) 語(yǔ)

在隴中半干旱地區(qū)地膜春玉米生育期補(bǔ)灌具有十分明顯的增產(chǎn)效果，8種處理產(chǎn)量較對(duì)照高出156.8%～206.1%，其中以全膜平作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌300 m3/hm2處理的效果最好，產(chǎn)量較CK增加4 732.73 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)系數(shù)提高120.26%。所以，隴中半干旱地區(qū)缺水、低溫的生態(tài)環(huán)境下，玉米種植應(yīng)該采取全膜平作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌的方式。

在玉米生育期自然降水262.5 mm的情況下，地膜覆蓋和補(bǔ)灌能有效提高水分利用效率?？偣┧繛?00 m3/hm2時(shí)，8種處理產(chǎn)量較對(duì)照處理高出229.1%～310.4%，其中效果最明顯以覆膜平作大喇叭口期一次性補(bǔ)灌最好，其水分利用效率最高為21.90 kg/(mm·hm2)，高出對(duì)照310.4%。而在相同補(bǔ)灌處理下在水分利用效率上全膜平作高于全膜壟作處理的水分利用效率7.2%～17.89%。

在影響玉米生長(zhǎng)的另一因素地溫方面，覆膜和起壟能有效提高地溫，8種覆膜處理的地溫在0～20 cm處較對(duì)照處理平均高出3.9%～14.7%，但全膜壟作的效果好于全膜平作效果，積溫高出9.09%。

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