滴灌水肥一體化條件下覆膜對玉米生長及土壤水肥熱的影響

戚迎龍，史海濱，李瑞平，趙 舉，李 彬，李 敏

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滴灌水肥一體化條件下覆膜對玉米生長及土壤水肥熱的影響

戚迎龍1，史海濱1※，李瑞平1，趙 舉2，李 彬2，李 敏3

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 資源環(huán)境與檢測技術(shù)研究所，呼和浩特 010031；3. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭師范學(xué)院，包頭 014030）

為系統(tǒng)地從玉米生長和土壤水肥熱的變化來揭示覆膜的調(diào)控效應(yīng)，于2014、2015年兩種基礎(chǔ)地力水平上設(shè)置覆膜滴灌與無膜滴灌開展田間試驗，結(jié)果表明：與裸地滴灌比較，覆膜提高了玉米生育前期及快速生長期的葉面積指數(shù)，縮短了群體冠層發(fā)育時間。覆膜能提高出苗率4.9%～5.2%、有效株占比率5.7%～6.3%、增加籽粒與莖葉氮磷鉀積累量3.9%～19.8%。覆膜能提高產(chǎn)量10.8%～14.2%、增加水分利用效率17%～18.4%，并且提高穗位葉光合能力與肥料偏生產(chǎn)力，良好基礎(chǔ)地力可增幅覆膜效果。在播種后75 d內(nèi)，覆膜提高了1 m土層貯水量達3.9%～15.7%，冠層發(fā)育完全后土壤貯水量表現(xiàn)為接近或小于裸地。覆膜能降低表土在相等時間間隔內(nèi)水分消耗的差異，可降低表土水分消耗量在0～60 cm深耗水總量的占比率、并且削弱了濕潤土體水分消耗的垂向差異。覆膜降低了灌后1～7d滴灌帶處土壤水分消耗量7.59 mm、降低了膜側(cè)處耗水量9.44 mm。覆膜可提高生長進程中0-20 cm土壤有效氮2.13～12.0 mg/kg，增加籽粒與莖葉氮積累量的同時也增大了玉米對20～60 cm土層的氮素吸收量。對收獲后20～100 cm殘留有效氮及速效磷以不明顯影響或降低為主。土壤熱增減隨水分供應(yīng)與消耗呈現(xiàn)出交替循環(huán)的波動性，覆膜明顯增加了生育前期及快速生長期土壤溫度，5 cm土層75 d多得到44.92 ℃的日均地積溫，顯著表現(xiàn)在土壤得水失熱（井灌水和降雨后）至地溫回升期，能穩(wěn)定地溫振幅且在土壤冷涼時獲得更多的地積溫。

土壤；地膜；滴灌；水肥熱；養(yǎng)分；基礎(chǔ)地力

0 引 言

農(nóng)業(yè)水資源短缺已成為制約國家長期可持續(xù)發(fā)展的“結(jié)癥”，而破解危機，關(guān)鍵在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效用水[1]。東北玉米帶與同緯度的美國、烏克蘭玉米帶并稱世界“三大黃金玉米帶”，是玉米種植的優(yōu)勢區(qū)域，其所包含的西遼流域的農(nóng)業(yè)灌溉水主要依賴地下水，報道指出[2]，其典型地區(qū)通遼市隨著逐年增加的農(nóng)業(yè)用水量引起地下水局部超采，資源可持續(xù)利用問題日益突出，因此該區(qū)域地下水資源能否高效利用，是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展存在的主要 問題。

滴灌可將水分和養(yǎng)分緩慢、均勻地輸送到植株根部，實現(xiàn)了水肥一體化同步供應(yīng)，提高了農(nóng)業(yè)水肥資源利用率。覆膜可調(diào)節(jié)水分用于作物蒸騰和土壤蒸發(fā)的關(guān)系，降低土壤蒸發(fā)、促進作物蒸騰[3]。可見覆膜和滴灌水肥一體化的結(jié)合在技術(shù)上可以實現(xiàn)一定程度的高效用水，東北四省區(qū)“節(jié)水增糧行動”2012—2015年集中發(fā)展玉米膜下滴灌面積135萬hm2以上[4]，研究區(qū)是節(jié)水增糧行動的實施區(qū)，膜下滴灌水肥一體化技術(shù)已開始大面積應(yīng)用，但研究成果較少，理論研究明顯滯后于生產(chǎn)實踐。

覆膜可提供局部適宜的土壤環(huán)境，創(chuàng)造早播條件，延長營養(yǎng)生長期，明顯促進養(yǎng)分的吸收利用，增加積溫和干物質(zhì)及葉水勢，增加根系總根長與比根長[5]。覆膜增加各個生育期干物質(zhì)，尤其在苗期和拔節(jié)期，可達24.9%～126.3%，顯著增加了玉米生長前期地上部分氮磷鉀積累量，對磷素收獲指數(shù)的影響不明顯[6]。覆膜提高了籽粒產(chǎn)量形成的氮生理效率[7]。覆膜明顯增大百粒重、穗粒數(shù)以及穗長、穗粗、行粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子，提高了出苗率、加快生育進程[8]。塑料薄膜的封閉阻斷了土壤水與外界空氣的直接交換，將膜下濕潤的土壤水保蓄，提升耕層土壤含水率，使得更多的土壤水被作物吸收利用，減少土壤水蒸發(fā)散失[9]。覆膜通過減少水分無效蒸發(fā)與促進植株蒸騰相協(xié)調(diào)來利用土壤水分，是保水與提高深層水分的利用效率相結(jié)合的共同作用[10]。

李兆君等[6,8,11-12]以干物質(zhì)、作物養(yǎng)分、產(chǎn)量、光合特性等作物指標(biāo)為主，文冶強等[3,9,13-16]以覆膜對土壤水分傳輸?shù)恼{(diào)控為主。馬雯雯等[17-19]以覆膜對土壤熱狀況影響的研究為主。蔡昆爭等[5,20-21]以覆膜對土壤養(yǎng)分的調(diào)控研究為主。總的來看，學(xué)者們已經(jīng)各有側(cè)重地論述了覆膜效應(yīng)，但仍然缺乏綜合作物及土壤水、熱、肥指標(biāo)來系統(tǒng)、全面地了解滴灌施肥條件下覆膜的調(diào)控效應(yīng)。有學(xué)者研究覆膜效應(yīng)時加入灌溉因素[3,22]，也有些學(xué)者加入施肥因素[23-24]，鮮有文獻能考慮到基礎(chǔ)地力條件，覆膜對滴灌條件下局部濕潤土體水分消耗的相關(guān)文獻亦較少。綜上，本研究基于玉米滴灌水肥一體化技術(shù)來探究地膜覆蓋對作物及土壤水肥熱特征的綜合調(diào)控過程并深入了解覆膜對“土壤-作物”系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律，為覆膜和滴灌水肥一體化技術(shù)的結(jié)合提供理論支撐，進一步完善覆膜對滴灌濕潤土體水分消耗機制、對地表的水肥溶液的保蓄、對水分和養(yǎng)分的吸收利用及土壤水熱過程的影響等科學(xué)問題的文獻情報。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗田選在通遼市北部腰林毛都鎮(zhèn)，位于44°06′N、122°20′E，為東北四省節(jié)水增糧行動項目區(qū)，位于西遼河流域東部。流域地處大興安嶺東南麓和燕山北麓夾角帶，人-地系統(tǒng)也隨著歷史進程在改變與演化著。流域面積13.6萬km2，作為內(nèi)蒙古重要的產(chǎn)糧基地，種植玉米達60%以上。年均氣溫5.0～6.5 ℃，日照時數(shù)2 800～3 100 h，相對濕度45%～58%，降雨量300～400 mm，蒸發(fā)量 1 199～2 200mm，大部分區(qū)域處在半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，水資源總量多年平均70.2億m3，地下水資源量多年平均53.73億m3，2015年西遼河流域地表水及地下水供水量分別為7.94億m3及34.98億m3，農(nóng)田用水量30.56億m3，占水資源供給量的71.2%。采用美國Onset公司生產(chǎn)的HOBOU30型氣象自動監(jiān)測站獲取試驗田2014、2015年氣象數(shù)據(jù)，通過Penman-Monteith公式[25]計算所得的參考蒸散量ET0及降雨量見圖1。

圖1 參考蒸散量ET0及降雨量

1.2 供試土壤

2014與2015年分別選取2種不同基礎(chǔ)地力的大田地塊，土壤容重、田間持水率均采用環(huán)刀在1 m土層內(nèi)土壤剖面上取原狀土后在室內(nèi)試驗測得，表層0～20 cm剖面取5個重復(fù)，20～100 cm各剖面取3個重復(fù)點。土樣碾碎過篩后按1∶5配置土壤水溶液，震蕩過濾后經(jīng)真空泵抽濾，測試上清液的pH值EC，各土壤理化指標(biāo)如表1。考慮到不同的產(chǎn)量水平及土壤理化性質(zhì)(當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)分別稱為“三等地”“一等地”)，并按照“第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)”劃分養(yǎng)分級別后的地力條件見表2。

表1 土壤理化性質(zhì)

表2 土壤基礎(chǔ)地力的劃分

1.3 試驗設(shè)計

設(shè)置滴灌條件下覆膜（FM）與裸地（NM）2種栽培模式的田間對比試驗，試驗田玉米采用寬窄行(35 cm× 85 cm)種植，覆膜處理為窄行玉米覆蓋70 cm，一條滴灌帶灌溉兩行玉米，種植模式見圖3，每個處理設(shè)置3次重復(fù)并劃分為3個小區(qū)，每個小區(qū)為3條滴灌帶即為一個種植單元，延米長為20 m，取樣監(jiān)測均選在中間滴灌帶控制的區(qū)域。灌水依據(jù)為覆膜處理計劃濕潤深度內(nèi)土壤含水率占田持的百分比：拔節(jié)前65%～85%，拔節(jié)后60%～85%，并按苗期20 cm、拔節(jié)期40cm、抽雄期-成熟期60cm為計劃濕潤深度計算灌水量。播種時采用一體化農(nóng)機施肥，N施用量72 kg/hm2，P2O5施用量105 kg/hm2，K2O施用量60 kg/hm2，追肥采用水肥一體化施肥罐追施氮素3次共計168 kg/hm2。

圖2通過分析2014、2015年日均相對濕度、日均氣溫并統(tǒng)計ET0在生育期內(nèi)連續(xù)分段數(shù)值區(qū)間取值頻次，2014年與2015年相對濕度及日均氣溫數(shù)據(jù)點散布在等值線兩邊，即氣溫及濕度2個氣象因子在2個試驗?zāi)攴萁咏?014、2015年生育期總降雨量為227.40、274.01 mm，依據(jù)當(dāng)?shù)貧v史50年的氣象數(shù)據(jù)為樣本應(yīng)用適線法進行降雨頻率分析，得出2014、2015水文年型均為枯水年。綜上述，2014、2015年試驗地點農(nóng)業(yè)氣象條件近似。

圖2 試驗?zāi)曛饕獨庀笠蜃娱g的關(guān)系

1.4 數(shù)據(jù)采集與測定方法

出苗率在5月下旬于試驗田實際調(diào)查，采用手持計數(shù)器記錄每個小區(qū)中單元滴灌帶控制的20延米兩行點籽區(qū)出苗數(shù)。收獲時計數(shù)該兩行玉米實際結(jié)穗的玉米總株數(shù)。采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的LI-6400型光合儀，觀測日期選在吐絲末至灌漿初的生育過渡期監(jiān)測玉米穗位葉片光合特性[26]，監(jiān)測10：30～11：30（選擇日凈光合速率達峰值的時間區(qū)間）參考文獻[11,27]監(jiān)測各小區(qū)玉米穗位葉凈光合速率P、蒸騰速率T、氣孔導(dǎo)度G、胞間CO2濃度C，單個樣片數(shù)據(jù)記錄次數(shù)參考LI-6400儀器的使用說明書取3～5次。每個小區(qū)掛牌標(biāo)定3株玉米并在拔節(jié)、大喇叭口、抽雄、灌漿、成熟期測量玉米葉面積。將收獲時烘干稱質(zhì)量后的干物質(zhì)均勻粉碎并按照籽粒和莖葉（簡稱除籽粒外的所有器官），籽粒過0.25 mm篩，其他過0.5 mm孔篩，濃H2SO4-H2O2消煮后按教材[28]化驗方法測全氮、全磷、全鉀[28]。土壤取樣位置為平行于滴灌帶的玉米棵間，風(fēng)干樣過1 mm篩，按播前、拔節(jié)、抽雄、灌漿、收后測定土壤有效氮(堿解氮)，每層20 cm土鉆取樣，深度為播前及收后1 m、生育期內(nèi)60 cm；土壤速效磷分別與播前和收后按1 m深度分5層取樣監(jiān)測，化驗方法參考文獻[28]。采用德國IMKO公司生產(chǎn)的TRIME-PICO-IPH型時域反射儀（TRD）監(jiān)測探頭深入預(yù)先安裝好的地埋監(jiān)測管中采集土壤體積含水率數(shù)據(jù)，采用北京昆侖泰恒科技有限公司生產(chǎn)的THL-TS型土壤溫度自動記錄儀（精度為±0.2 ℃，分辨率為0.1 ℃），選取的監(jiān)測時間為2015年播種后至7月中旬（時間段為FAO56[26]給出的生育前期和快速生長期），儀器記錄間隔為1 h，研究分析時計算為日平均值，間隔為1 d。土壤水分、溫度、養(yǎng)分監(jiān)測位置如圖3。

圖3 種植模式及土壤水、熱、養(yǎng)分監(jiān)測布置

1.5 數(shù)據(jù)計算與分析方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計學(xué)處理及科學(xué)繪圖采用SigmaPlot 12.5與Excel 2016軟件，模型參數(shù)求解采用1stopt 5.0數(shù)據(jù)優(yōu)化分析計算軟件。

1.5.1 出苗率及有效株占比率

苗率和有效株占比率小區(qū)實際監(jiān)測后通過下式計算：

1.5.2 葉片水分利用率LWUE

葉片水平上的水分利用率LWUE一般采用光合速率與蒸騰速率的比值來反映[25]：

式中P為凈光合速率,mol/(m2·s)，T為凈光合速率, mmol/(m2·s)。

1.5.3 基于積溫的葉面積指數(shù)

實測葉面積后采用常規(guī)方法計算葉面積指數(shù)，時間序列模型構(gòu)建參考文獻[29-30]分兩個階段給出葉面積指數(shù)與積溫的關(guān)系而建立的葉面積指數(shù)增長模型，其計算過程描述如下：

式中T為日均氣溫(℃)，為出苗日期（日序數(shù)記為1），分別為吐絲和成熟日期對應(yīng)的日序數(shù)。出苗到吐絲前1d營養(yǎng)生長階段積溫用1(℃)表示；從吐絲日到成熟生殖生長階段積溫用2(℃)表示。

式中RDD為出苗起第天的相對積溫，(℃)為積溫，分2階段分別取值1(℃)、2(℃)；RLAI為相對葉面積指數(shù)，LAI為葉面積指數(shù)，LAImax為最大葉面積指數(shù)，x、1、2、3為參數(shù)。

1.5.4 作物養(yǎng)分吸收量及養(yǎng)分收獲指數(shù)HI[6]

1.5.5 土壤養(yǎng)分平衡計算[31]

土壤養(yǎng)分平衡計算參考文獻[31]采用表觀平衡法。

1.5.6 水量平衡及水分利用效率計算

當(dāng)?shù)貙崪y地下水埋深在6 m以下，故忽略地下水補給，灌水技術(shù)為滴灌且地表平整，忽略地表徑流及深層滲漏。計算過程如下：

式中ET為蒸散發(fā)總耗水量(mm)，、分別為灌溉水量(mm)、有效降雨量(mm)，t1-t2為計算ET時段內(nèi)貯水量差(mm)；WUE為水分利用效率kg/(mm·hm2)，為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；為土壤水消耗量(mm)，tb-tb為灌水后無降雨補給時段內(nèi)的土壤含水量差值，為土層厚度(mm)；為表層土壤水分消耗占比率，%。

1.5.7 肥料利用指標(biāo)計算

肥料偏生產(chǎn)力PFP指的是施用某一特定肥料下的作物產(chǎn)量與施肥量的比值（kg/kg），百千克籽粒產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量指形成100 kg經(jīng)濟產(chǎn)量作物全株養(yǎng)分吸收量，計算方法[31]如下

1.5.8 土壤溫度滑動平均

滑動平均便于消除數(shù)據(jù)的震蕩波動，呈現(xiàn)一定采集范圍內(nèi)的總體趨勢，多用于時間序列的數(shù)據(jù)分析，方法是從個數(shù)值中從第一個值開始連續(xù)取前項取平均值，接著從第二個值開始再連續(xù)取項取平均值，依次進行后最后一個項序列的第一項是序列的第（+1）項，計算方法[32]見式（16）。

式中T(℃)為地溫滑動平均值，為滑動平均天數(shù)，T為時間序列對應(yīng)的地溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜對玉米生長的影響

2.1.1覆膜對滴灌玉米出苗率及收獲有效株數(shù)的影響

根據(jù)表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)，覆膜可提高出苗率4.9%～5.2%，可提高收獲時對籽粒產(chǎn)量有貢獻的有效株占比5.7%～6.3%。提升地力水平可增大出苗率及收獲有效株占比率，且對地膜覆蓋的保苗效果有促進作用。

2.1.2 覆膜對滴灌玉米冠層葉片發(fā)育的影響

采用葉面積指數(shù)來描述冠層葉片擴張動態(tài)，相對葉面積指數(shù)模型求參采用1stopt數(shù)據(jù)優(yōu)化計算軟件，模型計算后給出了相對葉面積指數(shù)RLAI和相對積溫RDD的數(shù)學(xué)模型參數(shù)見表4，然后將RLAI乘LAImax，轉(zhuǎn)化為葉面積指數(shù)LAI，得出時間序列和LAI的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表3 出苗率及有效株占比率

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達 5%顯著水平，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 5% level, the same below.

表4 葉面積指數(shù)擬合參數(shù)

圖4擬合值的時間范圍從種子破土出苗至成熟收獲，從實測值的對比可以看出，地膜覆蓋在2014年、2015年均不同程度地提高了水氮一體化供應(yīng)條件下滴灌玉米的葉面積指數(shù)，且在生育前期更明顯。試驗過程中發(fā)現(xiàn)在拔節(jié)至大喇叭口的快速生長期間覆膜和無膜冠層葉面積表觀上可以看出非常明顯的差異，從擬合動態(tài)值結(jié)合田間監(jiān)測葉面積指數(shù)的對比可得出覆膜加快了前期生育進程，將生育前期及快速生長期玉米群體達到相同葉面積指數(shù)的時間提前了，效果在2015年更明顯。通過對比2014年與2015年的差別，發(fā)現(xiàn)2014年地力水平較低時覆膜效果在前期沒有2015年的明顯，一定程度反映出良好的地力條件可增幅覆膜對冠層葉面積發(fā)展的作用。

圖4 葉面積指數(shù)LAI擬合值與實測值

2.1.3 覆膜對滴灌玉米穗位葉光合特性的影響

圖5對比了抽雄吐絲期穗位葉光合指標(biāo)，PTG均因地膜覆蓋而提高，C值被降低，基礎(chǔ)地力的提升也對穗位葉PTG值有增量，基礎(chǔ)地力好時覆膜的增效更顯著。葉片水分利用效率LWUE在2014年覆膜比裸地高出0.249mol/mmol，提升了5.84%，2015年覆膜比裸地高出0.277mol/mmol，提升了6.60%。而P與T在地力提升時同步提升，其比值LWUE在不同地力條件下差異不顯著。

圖5 抽雄吐絲期穗位光合指標(biāo)的統(tǒng)計對比

2.1.4 覆膜對滴灌玉米氮磷鉀養(yǎng)分積累及收支的影響

玉米養(yǎng)分吸收量見表5，基礎(chǔ)地力水平對收獲時單株玉米籽粒及莖葉氮、磷、鉀積累均有著決定性作用，高地力水平玉米吸收了更多養(yǎng)分。覆膜在良好的地力水平下可增加籽粒與莖葉氮、磷、鉀積累量3.9%～19.8%，分別達8.2%～19.8%、3.9%～9.1%，地力水平偏低時覆膜對莖葉氮、籽粒磷與莖葉磷、籽粒鉀影響不顯著。氮磷鉀養(yǎng)分收獲指數(shù)因地膜覆蓋而提高，而地力條件不影響?zhàn)B分收獲指數(shù)。按“全國第二次土壤普查”分級標(biāo)準(zhǔn)，試驗地土壤磷相對匱乏，玉米吸磷量低，但磷素收獲指數(shù)最高，籽粒磷占比更大。

表5 收獲時氮磷鉀積累量

注：同行不同字母表示處理問達5%顯著水平，下同。

Note: Different letters in the same row mean significant difference at 5% level, the same below.

不同年份相應(yīng)處理間氮磷鉀養(yǎng)分收支結(jié)果見表6，處理間氮磷鉀養(yǎng)分投入均一致，而地膜覆蓋及不同年份下地力條件的差異引起養(yǎng)分收支關(guān)系的變化，覆膜不同程度地增加了養(yǎng)分?jǐn)y出量，2014年氮素和磷素均為盈余，且不覆膜處理盈余量多于覆膜處理，鉀素攜出量大于施入；2015年氮素和鉀素的表觀平衡表現(xiàn)為虧缺，磷素盈余。地膜覆蓋通過增大養(yǎng)分?jǐn)y出量而降低了表觀盈余量、增大了表觀虧缺量。

2.2 覆膜對滴灌玉米產(chǎn)量及水肥利用效率的影響

表7統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示2014年NM處理總耗水量大于FM處理，2015年NM與FM處理總耗水量無顯著差異。即滴灌覆膜在2014年地力水平較低時降低了總ET，而2015年地力水平高條件下覆膜未明顯降低總ET。地力、覆膜二因素均對水分利用效率有顯著增效分別達17%～18.4%、10.8%～12.1%。

試驗數(shù)據(jù)見表8，覆膜與地力二因素均能明顯提高玉米產(chǎn)量分別達10.8%～14.2%、19%～22.7%，提高氮、磷、鉀肥料偏生產(chǎn)力4.3～26.9、7.6～40 kg/kg，影響效應(yīng)為地力>覆膜，二因素存在交互促進作用，覆膜效應(yīng)隨地力水平的提升而增強；肥力高的土壤每形成100kg籽粒吸收了更多的氮、磷、鉀養(yǎng)分，產(chǎn)出作物的氮、磷、鉀濃度更大。覆膜使產(chǎn)量與氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量同步提升，對100 kg籽粒養(yǎng)分吸收量無明顯增效。

表6 土壤氮、磷、鉀素表觀平衡

表7 產(chǎn)量及水分利用效率

表8 肥料偏生產(chǎn)力及100 kg經(jīng)濟產(chǎn)量養(yǎng)分吸收量

2.3 覆膜對土壤水肥熱的影響

2.3.1覆膜對滴灌土壤1m土層貯水量的影響

圖6表示了2014、2015年滴灌覆膜與無膜條件下土壤1 m土層貯水量在生育期內(nèi)的變化過程，兩個試驗?zāi)昴は碌喂嗵幚碓谏捌诤涂焖偕L期的土壤貯水量均不同程度的高于裸地滴灌，主要原因是膜下滴灌封閉土壤表面，減少了土壤蒸發(fā)量。而且滴灌覆膜保墑增溫，給玉米提供了更好的土壤水熱條件，增加了作物蒸騰量從而縮小了1 m土層貯水量在覆膜和裸地之間的差異。隨著冠層逐漸發(fā)育完全，覆膜降低土壤蒸發(fā)量的效果減弱，土壤貯水量接近或小于裸地。播種后75 d內(nèi)覆膜提高1 m土層貯水量在2014年為3.9%～15.7%，2015年為4.4%～12.8%。

圖6 土壤貯水量動態(tài)

2.3.2 覆膜對滴灌濕潤土體水分時空消耗特征的影響

在試驗?zāi)攴?015年玉米大喇叭口期一次灌水后計算計劃濕潤深度60 cm內(nèi)各層土壤的貯水量以2 d為單位時間的消耗量及1～7 d間隔的總消耗量，該段時間無降雨補給，玉米植株蒸騰及土壤蒸發(fā)耗水總量可直接通過土壤貯水量差求得，計算結(jié)果通過圖7描述，灌后初期0～20 cm土層水分消耗量因覆膜而降低，1～3 d水分消耗：在滴灌帶下方比裸地降低3.6 mm，距滴灌帶17.5 cm（植株所在位置）比裸地降低2.63 mm，膜側(cè)距滴灌帶35 cm處比裸地降低1.04 mm，地膜對0–20 cm保水效果：滴灌帶處>植株處>膜側(cè)。表層0～20 cm灌后3～5 d、5～7 d滴灌帶下方及植株位置裸地土壤水消減量較1～3 d逐漸減少，可見覆膜穩(wěn)定了土壤水消耗的速率，表層土壤在無膜封閉時表現(xiàn)為含水率高的狀態(tài)下水分消耗的更快，含水率隨時間降低后，水分消耗速率也隨之下降，塑料地膜封閉后的阻斷蒸發(fā)，降低了0～20 cm的水分消耗量，灌后隨時間的推進，其單位時間間隔消耗量的變化也較無膜小一些。水分消耗在膜側(cè)0～20 cm與裸地接近，土壤貯水量的消耗速率隨著含水率的降低而減弱，但灌后6 d間隔內(nèi)覆膜可比裸地在表層水分干濕交界面的貯水量少消耗4.24 mm。

由圖7-9的數(shù)據(jù)可以看出覆膜改變了濕潤土體垂直方向的耗水分布，降低了表土水分消耗量占濕潤深度內(nèi)耗水總量的比例、削弱了垂直方向土壤水分的消耗差異。由圖8可得出覆膜降低了滴灌點源處與膜側(cè)水分干濕交界面在一次灌水周期下濕潤深度內(nèi)的水分消耗總量，分別降低了7.59 mm與9.44 mm，并分別降低了1.09 mm/d與1.35 mm/d的耗水強度。

注：0,17.5,35指距滴灌帶水平距離。

圖8 1～7 d間隔貯水量消耗總量及耗水強度

圖9 0～20 cm貯水量消耗占總量的比例

2.3.3 覆膜對滴灌土壤養(yǎng)分的影響

圖10表示了各生育期土壤有效氮數(shù)值，可見良好基礎(chǔ)地力提高了全生育期土壤有效氮含量；較高地力水平表層0～20 cm有效氮先增大至抽雄期達峰值后逐步減少，與氣候環(huán)境下的土壤水熱供應(yīng)狀況一致，而地力水平偏低時，基施氮72 kg/hm2不能滿足玉米前期的氮需求，拔節(jié)較播前有效氮含量降低。覆膜可增大各生育期表層0～20 cm土壤有效氮2.13～12.0 mg/kg，滴施于地表的尿素水溶液因覆膜封閉而減少了揮發(fā)損失；良好地力能更好地發(fā)揮覆膜對0～20 cm有效氮的增效。播前～拔節(jié)生育前期20～40 cm的有效氮波動與表土層類似，至抽雄時兩處理的有效氮含量接近，之后總體趨勢遞減，2015年抽雄后20～40 cm土壤有效氮為不覆膜大于覆膜，下層氮素受玉米吸收的影響更大，可推斷覆膜增大了玉米對下層40～60 cm土壤氮素的利用。土壤微生物活性隨土壤溫度提高而逐漸提高，與此同時有機氮礦化與硝化作用增強，吸氮量也增加。綜合本次試驗與前人的研究結(jié)果[5,19,24,32]，以及本文其他小節(jié)對土壤水熱狀況的分析，推出覆膜通過優(yōu)化水土環(huán)境而使得不能被作物直接利用的氮素更多的轉(zhuǎn)化為速效性氮素，且覆膜封閉表土，減少滴施氮素的揮發(fā)損失，解釋了覆膜可提高土壤有效氮且增加了作物吸氮量。

圖10 生育期土壤有效氮動態(tài)分布

如圖11所示播前與收后不同處理1 m土層的土壤有效氮，播前與收后1 m土層有效氮分布總趨勢為自淺向深遞減，2014年、2015年0～60 cm土層有效氮均為收后低于播前，下層60～100 cm含量播前與收后較接近。水肥一體化滴灌條件下，收獲后覆膜和無膜土壤中的有效氮在2014年、2015年均較接近，說明從全生育期尺度來看，覆膜并未影響玉米收獲后有效氮的殘留量。土壤速效磷含量表層較高、并向下遞減，不同深度內(nèi)0～60 cm垂直方向差異較大，60～100 cm差異較小，對于收獲后0～20 cm速效磷，F(xiàn)M處理在2014年比NM處理高29.8%，在2015年比NM處理高10.23%，而下層土壤表現(xiàn)為NM處理偏高?？梢姼材け葻o膜對下層土壤速效磷的吸收利用量更大一些，覆膜所提供的良好土壤水熱條件也使得玉米在生育期內(nèi)充分利用了速效磷素，從而降低了收獲后土壤有效磷殘留量。

2.3.4 覆膜對滴灌土壤水熱動態(tài)的影響

圖12看出土壤溫度波動趨勢受土壤水分供給的影響明顯，NM和FM處理的土壤溫度均在灌溉和有效降雨后隨之銳減，而后地溫再回升，表現(xiàn)出土壤熱隨著水分供給與消耗表現(xiàn)出的交替循環(huán)波動性。從不同深度的土壤溫度對比來看，表層土壤溫度高，隨著深度方向遞減，但以5月6日、5月30日灌水及6月11日的降雨為例，NM處理土壤在灌后和雨后均出現(xiàn)表層5 cm土壤溫度低于深層的現(xiàn)象，而FM處理在上述前2個時間點井灌水補給后表層5 cm地溫仍能保持不低于下層15 cm及25 cm的地溫，6月11日降雨后FM處理表層5 cm地溫仍然明顯高于下層土壤，由此證實地膜覆蓋在灌水和降雨后，相比不覆膜可以穩(wěn)定土壤熱量，在土壤冷涼時能獲得更多的地積溫。

圖11 土壤有效氮、速效磷在播前和收后的剖面分布

從圖13可以看出，覆膜在6月中旬以前均不同程度的提高了5 cm土層的地溫，至7月初灌溉和降雨后覆膜仍然表現(xiàn)出一定的增溫效果。如圖13a所示，相對常規(guī)條件，覆膜的增溫效果在井灌水和降雨后至土壤溫度回升前這一段時間表現(xiàn)更明顯、對地溫的增量更大。5 cm土層地積溫覆膜比無膜高44.92 ℃（75 d）。采用10 d滑動平均處理了土壤溫度數(shù)據(jù)，便于消除短期的震蕩波動，得出地溫在一定時間內(nèi)的總體趨勢，圖13b顯示出5 cm土層地溫滑動值隨著生育進程推進呈波動增長的趨勢，且覆膜處理滑動值在波峰與波谷均高于不覆膜處理。

圖12 不同深度土壤溫度動態(tài)

圖13 覆膜與無膜土壤5 cm深地溫

3 討 論

覆膜在播種后即開始了對土壤-作物系統(tǒng)的調(diào)控，首先表現(xiàn)在對出苗率的影響上，多數(shù)試驗[12,15]在旱作和地面灌溉的生產(chǎn)模式下均發(fā)現(xiàn)地膜對出苗、保苗的積極作用。有學(xué)者在全覆膜旱作模式下得出覆膜加快了生育進程，提高了葉面積指數(shù)[3]，也有學(xué)者在地膜雙壟溝覆蓋模式下得出相同的結(jié)果[8]，即覆膜使得冠層更快更充分的發(fā)育。覆膜影響光合特性，提高了葉片凈光合速率和蒸騰速率，提升了葉片光合能力[11,33]。地膜也影響到玉米植株養(yǎng)分積累量、產(chǎn)量[6,34]及對水分、肥料的利用狀況[23]，均表現(xiàn)為正效應(yīng)。本次研究得出滴灌施肥技術(shù)需要覆膜來更好地調(diào)控玉米生長，試驗過程中玉米群體獲得的光能通風(fēng)一致，地膜對作物的影響機制是通過調(diào)控土壤水熱肥環(huán)境來實現(xiàn)的。多數(shù)學(xué)者均得出覆膜降低ET的結(jié)論[3,15]，部分學(xué)者指出覆膜后產(chǎn)生更高的ET[35]。也有學(xué)者[23]得出滴灌覆膜與不覆膜耗水量差異不明顯是由于覆膜雖減小了土壤蒸發(fā) E，但增大了植株蒸騰T，最終耗水量ET覆膜略大于裸地1%～3%，差異不顯著。本文中的大田試驗在2014年得出覆膜降低ET，而2015年地力條件較優(yōu)，滴灌覆膜與無膜ET差異不顯著，可見基礎(chǔ)地力與地膜覆蓋對玉米蒸散發(fā)有互作效應(yīng)，下一步需要開展對滴灌施肥條件下蒸發(fā)E、蒸騰T定量分離的研究，進一步了解其耗水結(jié)構(gòu)。本次研究在分析土壤養(yǎng)分和溫度方面也和多數(shù)學(xué)者[24,34,36]得到一致的規(guī)律。西遼河平原春季冷涼，當(dāng)?shù)厝诰捎玫叵滤?，覆膜可直接為玉米生長獲得更多的土壤積溫。學(xué)者們針對不同形式的地面灌溉覆膜及旱作覆膜來探究其對作物生長的影響的文獻情報較多，而滴灌水肥一體化作為一種高效的灌溉施肥技術(shù)，研究報道較少，隨著區(qū)域性的輻射推廣，需要有更多研究成果來指導(dǎo)實踐生產(chǎn)。有文獻[6,8,11,12]主要報道覆膜對作物的影響，有的報道對土壤水分的影響[3,9,13-16]或者地溫[17-19]，土壤養(yǎng) 分[5,20,21]的影響，而本文更綜合、更系統(tǒng)地分析了土壤-作物系統(tǒng)內(nèi)作物冠層生長、光合特征、養(yǎng)分吸收、水肥利用以及土壤水分、養(yǎng)分、溫度，則可以更全面地揭示地膜覆蓋在滴灌水肥一體化這種技術(shù)條件下的調(diào)控機制，并且在研究覆膜調(diào)控作物生長及養(yǎng)分吸收時，加入了地力因素探討了覆膜作用效果的差異；在研究覆膜調(diào)控土壤水分時，采用沿著與滴灌帶垂直的方向由近及遠布設(shè)多根TDR監(jiān)測管，用來探討滴灌條件下局部濕潤土體水分消耗受地膜覆蓋的影響；在研究地膜調(diào)控土壤溫度時，采用傳感器實時監(jiān)測土壤地溫并配合田間氣象站及灌溉水表對玉米田接水量的獲取，更加明確地揭示了典型井灌區(qū)覆膜與裸地的土壤熱伴隨著實際農(nóng)田灌溉、降雨間隔條件下的循環(huán)波動特征。

總的來說，滴灌水肥一體化是一種可以實現(xiàn)水肥同步供應(yīng)的高效灌溉施肥技術(shù)，在農(nóng)業(yè)水資源緊缺、井灌區(qū)地下水超采、化肥使用不合理的嚴(yán)峻形勢下，將會有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

1）水肥一體化條件下，覆膜能明顯提高玉米生育前期及快速生長期葉面積指數(shù)，可將玉米群體冠層發(fā)育時間提前。覆膜能提高玉米出苗率4.9%～5.2%、增加有效株占比率5.7%～6.3%、提高籽粒與莖葉氮磷鉀積累量3.9%～19.8%，增產(chǎn)10.8%～14.2%、提高水分利用效率17%～18.4%，并提高了穗位葉光合能力與氮磷鉀肥料偏生產(chǎn)力，良好地力條件可增幅覆膜效果。

2）播種后75 d內(nèi)，覆膜提高了1 m土層貯水量達3.9%～15.7%，隨著冠層逐漸發(fā)育完全，覆膜降低土壤蒸發(fā)量的效果減弱，土壤貯水量接近或小于裸地。滴灌覆膜能穩(wěn)定表土耗水速率，減小表土在1～3 d、3～5 d、5～7 d相等時間間隔內(nèi)水分消耗的差異。覆膜可降低表土水分消耗量占計劃濕潤深度內(nèi)耗水總量的比例，削弱了垂直土體耗水差異。在滴灌帶處與膜側(cè)處，覆膜分別降低了灌后1-7d土壤水分消耗量7.59mm與9.44 mm。

3）覆膜提高了玉米生長過程中表土有效氮達2.13～12.0 mg/kg 并增大玉米對20～60 cm土壤養(yǎng)分的吸收量。覆膜對收獲后20～100cm殘留有效氮及速效磷以不明顯影響或降低為主。土壤熱的增減隨著水分供應(yīng)與消耗表現(xiàn)出交替循環(huán)的波動性，地溫在灌溉和有效降雨后隨之銳減，后續(xù)回升。6月中旬前滴灌覆膜在不同土壤水熱條件下均明顯提高了5 cm土層的日均地溫，之后主要表現(xiàn)在灌溉、降雨后有增效。覆膜的增溫效果在井灌水和降雨后至土壤溫度回升前這一段時間更為明顯、對地溫的增幅更大，相比不覆膜可以更好的穩(wěn)定土壤熱量，在土壤冷涼時能獲得更多的地積溫。2015年當(dāng)?shù)赜衩赘材さ喂嘣谏捌诤涂焖偕L期可比無膜滴灌多得到44.92 ℃的5 cm土層地積溫。

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Effects of film mulching on maize growth and soil water, fertilizer and heat under fertigation of drip irrigation

Qi Yinglong1, Shi Haibin1※, Li Ruiping1, Zhao Ju2, Li Bin2, Li Min3

1.0100182.010031; 3.014030

Irrigation water shortage and climate variability constrain agricultural production, especially in arid and semiarid regions. The fertigation technology of drip irrigation under film mulching has been applied in the West Liaohe River basin, China. However, few studies have focused on quantitative effects of filming for drip fertigation in this area. To systematically reveal the regulation effect of filming from the changes in maize growth and soil water, fertilizer and heat, field experiments were carried out by applying film drip irrigation and film-free drip irrigation at two basic soil fertility levels in 2014 and 2015 in Tongliao, Inner Mongolia. In this study, soil temperature sensor, TDR moisture monitor, plant photosynthetic instrument and sample chemical test were used to obtain the data, then count and compare the differences of these data for film mulching and bare land. The results showed that film drip irrigation increased the leaf area index and shortened the time of population canopy development in the early and rapid growth periods of maize compared with film-free drip irrigation. Under the fertigation technology of drip irrigation, filming could increase the emergence rate, the effective plant percentage and the NPK accumulation in grains, stems and leaves by 4.9%-5.2%, 5.7%-6.3% and 3.9%-19.8% respectively. Filming could increase the yield and the water use efficiency by 10.8%-14.2% and 17%-18.4% respectively. Moreover, it could improve the photosynthetic capacity and partial factor productivity (PFP) at the panicle leaf. The filming effect could be increased based on good soil fundamental fertility. Within 75 days after sowing, filming increased the soil water storage at the 1 m soil layer by 3.9%-15.7%. After the canopy was fully developed, soil water storage was close to or less than that of bare land. Under the fertigation technology of drip irrigation, filming could reduce the difference of the topsoil's water consumption at equal intervals, reduce the proportion of total water consumption of topsoil in 0-60 cm depth, and weaken the vertical difference of moisture consumption in moist soil. After irrigation between 1 to 7 days, filming reduced the soil water consumption at the drip irrigation tape and the film side by 7.59 mm and 9.44 mm respectively. Filming could increase the available nitrogen at the 0-20 cm soil layer by 2.13-12.0 mg/kg in the growth process, increase the nitrogen accumulation in grains, stems and leaves. Filming could increase the nitrogen uptake of maize at the 20-60 cm soil layer. The residual available nitrogen and available phosphorus at the 20-100 cm soil layer after harvest were not significantly affected or reduced by film mulching. The soil temperature decreased sharply after irrigation and effective rainfall, and recovered subsequently. The soil heat showed alternating cycle fluctuation with water supply and consumption changes. Filming significantly increased the soil temperature in the early and rapid growth periods. Because of film mulching, the 5 cm soil layer obtained more than 44.92 ℃ daily average soil accumulated temperature within 75 days after sowing, which was significantly reflected in water accumulation and heat loss (after well irrigation and rainfall) of the soil to the soil temperature recovery period. Filming could stabilize the soil temperature amplitude and obtain more soil accumulated temperature when the soil was cold. The research results can provide scientific basis and decision-making reference for the fertigation technology of drip irrigation under plastic film mulching in the West Liaohe Plain.

soils; plastic films; drip irrigation; soil water, fertilizer and heat; nutrient; land capability

2018-07-11

2018-12-18

“十二五”科技支撐計劃項目（2014BAD12B03）；國家自然科學(xué)基金重點項目（51539005）；內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)創(chuàng)新基金（2017CXJJN11）

戚迎龍，博士生，研究方向為節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)。Email：hhhtqyl@foxmail.com

史海濱，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉原理及應(yīng)用方面的研究。 Email：shi_haibin@sohu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012

S275.6; S158.3

A

1002-6819(2019)-05-0099-12

戚迎龍，史海濱，李瑞平，趙 舉，李 彬，李 敏.滴灌水肥一體化條件下覆膜對玉米生長及土壤水肥熱的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(5)：99－110. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012 http://www.tcsae.org

Qi Yinglong, Shi Haibin, Li Ruiping, Zhao Ju, Li Bin, Li Min.Effects of film mulching on maize growth and soil water, fertilizer and heat under fertigation of drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 99－110. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012 http://www.tcsae.org