隴中半干旱區(qū)不同覆蓋種植方式對(duì)土壤水熱效應(yīng)和玉米產(chǎn)量的影響

鄧浩亮，張恒嘉,，肖讓，張永玲，田建良，李福強(qiáng)，王玉才，周宏，李煊

隴中半干旱區(qū)不同覆蓋種植方式對(duì)土壤水熱效應(yīng)和玉米產(chǎn)量的影響

鄧浩亮1，張恒嘉1,2，肖讓1，張永玲1，田建良1，李福強(qiáng)2，王玉才2，周宏3，李煊2

（1河西學(xué)院土木工程學(xué)院/河西走廊水資源保護(hù)利用研究所，甘肅張掖 734000；2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，蘭州 730070；3中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000）

【】探討黃土高原半干旱區(qū)不同覆蓋種植方式對(duì)土壤水熱效應(yīng)及春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，為優(yōu)化隴中旱作農(nóng)業(yè)區(qū)春玉米農(nóng)田土壤水熱環(huán)境，提高作物產(chǎn)量提供依據(jù)。于2015—2016年在甘肅省榆中縣石頭溝省級(jí)旱作農(nóng)業(yè)示范點(diǎn)開(kāi)展田間定位試驗(yàn)，設(shè)平地全膜覆蓋（WM）、平地半膜覆蓋（HM）、隔溝覆膜壟播（MRM）、全膜雙壟溝播（WRF）、秸稈覆蓋（SM）和露地平播（CK）6種種植方式，測(cè)定分析春玉米各生育時(shí)期土層剖面水熱狀況、物候特征、不同生長(zhǎng)階段耗水特性和水分利用效率，以及收獲后春玉米產(chǎn)量與水分利用效率。與露地平作（CK）相比，地膜覆蓋處理較CK具有增溫效應(yīng)，全生育期土壤平均增溫2.42℃，而SM處理表現(xiàn)為降溫效應(yīng)，平均降溫0.36℃，且該調(diào)節(jié)效應(yīng)主要表現(xiàn)在苗期，隨后溫度調(diào)節(jié)效應(yīng)逐漸減弱；MRM、WRF、HM和SM處理在春玉米整個(gè)生育期內(nèi)保墑效果顯著，而WM處理不利于降水收集，僅在春玉米生長(zhǎng)前期具有保墑效果，而在中后期隨作物耗水增加，土壤含水率低于CK；春玉米在生長(zhǎng)中期（拔節(jié)至吐絲）耗水最多，生長(zhǎng)后期（吐絲至成熟）次之，生長(zhǎng)前期（出苗至拔節(jié)）耗水最少，其中地膜覆蓋耗水量大于秸稈覆蓋，全膜覆蓋耗水量大于半膜覆蓋；地膜覆蓋能顯著提高春玉米中前期水分利用效率，其中生育前期和中期分別以HM和WRF處理提高幅度最大，2年平均較CK分別提高250.68%和61.30%；地膜覆蓋種植方式在增溫、促進(jìn)耗水作用下使春玉米各生育期提前并增加單株干重，最終表現(xiàn)為產(chǎn)量和水分利用效率的提高，其中以WRF和MRM處理增產(chǎn)和提高水分利用效率效果最為顯著，產(chǎn)量較CK分別平均增加171.40%和155.05%，水分利用效率分別平均增加142.80%和125.44%。壟溝集雨種植方式可明顯改善黃土高原半干旱地區(qū)土壤水熱環(huán)境，增加玉米物質(zhì)積累量，其中全膜雙壟溝播種植方式的玉米產(chǎn)量和水分利用效率最佳。

玉米；產(chǎn)量；種植方式；壟溝集雨；土壤水熱效應(yīng)；黃土高原；半干旱區(qū)

0 引言

【研究意義】黃土高原（Loess Plateau）地處我國(guó)中部偏北方向，海拔高度800—3 000 m，“黃天厚土大河長(zhǎng)，溝壑縱橫風(fēng)雨狂”形象地描述了黃土高原的氣候和地質(zhì)形態(tài)特征。甘肅隴中屬典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)，降水量350—400 mm，降水年際變率大且分布不均，7—9月份降水占全年降水55%左右[1]，意味著作物全生育期內(nèi)處于長(zhǎng)期虧水狀態(tài)。自然降水與農(nóng)作物需水供需錯(cuò)位所致的季節(jié)性干旱是該區(qū)作物低產(chǎn)的主要原因之一[2-3]。而且，該時(shí)期降水發(fā)生歷時(shí)短、強(qiáng)度大、破壞性強(qiáng)，同時(shí)伴有嚴(yán)重的水土侵蝕，使得有限的降水得不到充分利用。春玉米作為該區(qū)主要糧食作物之一，其產(chǎn)量容易受降水影響，低而不穩(wěn)，如遇枯水年，近乎絕收。盡管常規(guī)地膜覆蓋（平地全膜覆蓋）種植方式可以有效抑制春玉米棵間土壤水分蒸發(fā)，提高土壤積溫，有效緩解干旱和春季低溫對(duì)出苗的脅迫，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，但是這種長(zhǎng)期、單一的種植模式對(duì)天然降水收集率低，作物生育期耗水量大，導(dǎo)致土壤耗水加劇，造成深層土壤干燥化，并且相關(guān)研究表明該種植方式造成土壤質(zhì)量下降，不利于可持續(xù)耕作[4]。因此如何充分利用天然降雨、維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性、確保糧食生產(chǎn)安全是該區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)亟待解決的實(shí)踐難題?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】壟溝覆蓋集雨是一項(xiàng)集全地面地膜覆蓋+壟面產(chǎn)流+溝內(nèi)集流為一體的高效旱作栽培技術(shù)，因降水高效收集、保墑抑蒸、農(nóng)田水土保持、緩解地表徑流、協(xié)調(diào)作物需水與土壤供水平衡，極大程度上改善了作物生長(zhǎng)水環(huán)境，優(yōu)化了土壤-作物-大氣水生態(tài)，可使玉米等大宗作物顯著增產(chǎn)而在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)生產(chǎn)中大面積推廣[5]。目前，有關(guān)壟溝覆蓋栽培技術(shù)增產(chǎn)效應(yīng)已有大量研究報(bào)道，如劉高遠(yuǎn)[6]、強(qiáng)生才[7]、張平良[8]、曾芳榮[9]等分別進(jìn)行了壟溝覆蓋種植方式對(duì)冬小麥（I.）、燕麥（L.）、馬鈴薯（L.）、大豆（（Linn）Merr）等作物產(chǎn)量研究，結(jié)果表明壟溝覆蓋種植方式具有改善土壤水熱環(huán)境，增產(chǎn)和提高水分利用的效果?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】玉米栽培的增產(chǎn)效應(yīng)報(bào)道較多[10-11]，但對(duì)其增產(chǎn)機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)研究，尤其從不同集雨種植方式對(duì)土壤溫度、土壤貯水量、耗水量、水分利用效率、生育期和干物質(zhì)累積等的影響入手系統(tǒng)分析其增產(chǎn)機(jī)制方面罕見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本試驗(yàn)以春玉米為試驗(yàn)材料，通過(guò)研究6種種植技術(shù)對(duì)作物季節(jié)性水熱環(huán)境、水分利用效率的調(diào)控及其對(duì)產(chǎn)量的影響，揭示了不同種植技術(shù)增產(chǎn)和高效用水機(jī)制，探索出適宜黃土高原旱作農(nóng)田最佳種植方式，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隴中旱塬高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年和2016年在甘肅省榆中縣石頭溝省級(jí)旱作農(nóng)業(yè)示范點(diǎn)（104°09E，35°87N）進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候，海拔1 970 m，年均氣溫7.4℃，≥0℃積溫3 827℃，≥10 ℃有效積溫2 625℃，無(wú)霜期121 d。作物一年一熟，無(wú)灌溉，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。據(jù)1990—2016年降雨資料，該地區(qū)年平均降雨量為352.4 mm，蒸發(fā)量 1 437.6 mm，降水少且變率大，其中55%的降雨主要集中在7—9月份，為典型的黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。春玉米為當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物，一年一熟。前茬為春玉米，試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，0—40 cm土層pH為7.52，有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為13.62、1.05 g·kg-1，堿解氮、速效磷含量分別為45.6、32.4 mg·kg-1，肥力偏低。0—100 cm土層田間持水量為20.6%，作物萎蔫系數(shù)為6.2%。降雨分布及氣溫見(jiàn)圖1，2015年春玉米全生育期內(nèi)降水217.8 mm，主要集中在5、7、9月份，屬偏枯水年。2016年春玉米全生育期降雨252.1 mm，主要集中在5、7、8月份，屬平水年。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以春玉米（L）為供試材料，品種為金凱3號(hào)，設(shè)平地全膜覆蓋（WM）、平地半膜覆蓋（HM）、全膜雙壟溝播（WRF）、隔溝覆膜壟播（MRM）、秸稈壟溝覆蓋（SM）、露地平播（CK）6個(gè)處理（表1，圖2），每個(gè)處理3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積75 m2（5 m×15 m），采用區(qū)組隨機(jī)排列，種植密度均為5.04×104株/hm2。播前對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行30 cm的翻耕處理，人工除去雜草。地膜采用蘭州金土地塑料公司生產(chǎn)的聚乙烯透明膜，地膜寬度為1.2 m，厚度為0.01 mm。小麥秸稈覆蓋中小麥秸稈在附近農(nóng)戶獲得，將經(jīng)過(guò)碾碎的小麥秸稈切段，長(zhǎng)度為5—10 cm，之后按4 000 kg·hm-2的覆蓋量進(jìn)行地表均勻全覆蓋。春玉米2年連作，不更換試驗(yàn)地。播種前基施化肥N 276 kg·hm-2、P2O572 kg·hm-2和K2O 156 kg·hm-2。2015年4月27日播種，10月10日收獲。2016年4月25日播種，10月5日收獲。當(dāng)季春玉米收獲后殘膜和小麥秸稈于翌年4月上旬收集，小麥秸稈收集后用作其他耕地還田肥料。

圖1 2015和2016全年降雨和氣溫變化

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤溫度 采用直角水銀地溫計(jì)（-30—50℃、精度1℃）在春玉米全生育期進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)小區(qū)布置3套，采集位點(diǎn)為2株玉米中間，測(cè)定土層厚度分別為5、10、15、20、25 cm共5個(gè)土層。每個(gè)生育期連續(xù)測(cè)定5 d，每天從早上8：00到晚上20：00，每隔2 h觀測(cè)1次，連續(xù)觀測(cè)5 d，取平均值。日均溫取全天7次測(cè)定平均值。

1.3.2 土壤含水量 采用傳統(tǒng)烘干稱重法測(cè)定。玉米從播種至成熟，每15 d在兩株玉米中間位置取土測(cè)定土壤含水量。測(cè)深100 cm，分20、40、60、80、100 cm共 5個(gè)層次。

土壤含水量SWC= (W1-W2) / (W2-W3)×100%

式中，SWC為土壤含水量（%）；W1為土壤鮮樣和鋁盒的總質(zhì)量（g）；W2為烘干土樣和鋁盒的總質(zhì)量（g）；W3為空鋁盒的質(zhì)量（g）。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 不同種植方式示意圖

土壤貯水量SWS =h×ρ×ω×10

式中，SWS為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g?cm-3）；ω為土壤含水量（%）。

1.3.3 耗水量 采用水量平衡法計(jì)算，耗水量

。

1.3.4 地上生物量 從播種后第15天開(kāi)始，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3株玉米，隨后每隔15 d進(jìn)行取樣。取樣后將各個(gè)器官?gòu)闹仓晟霞粝?，用紙袋?biāo)記分裝，105℃恒溫烘箱殺青2 h，然后將溫度調(diào)至80℃，烘干至恒重，采用精度為0.001 g電子稱稱重，取各測(cè)定均值。

1.3.5 產(chǎn)量 待玉米成熟后按小區(qū)單獨(dú)收獲，脫粒并計(jì)產(chǎn)，各處理的實(shí)際產(chǎn)量以3個(gè)重復(fù)小區(qū)產(chǎn)量的平均值獲得。

1.3.6 水分利用效率 根據(jù)土壤貯水量、玉米耗水量和產(chǎn)量計(jì)算水分利用效率。

×-1

式中，為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），為作物產(chǎn)量（kg·hm-2），為全生育期的玉米耗水量（mm）。

=WS-WS+

式中，WS為播前0—100 cm土壤貯水量，WS為春玉米收獲后0—100 cm土壤貯水量，為生育期內(nèi)降雨量。

1.3.7 某一生育期地上干物質(zhì)水分利用效率 干物質(zhì)水分利用效率WUE=DM×WC。

式中，DM為某一生育期春玉米累積干物質(zhì)重量（kg·hm-2），WC為某一生育期的春玉米耗水量（mm）。

WC=WS-1-WS+

式中，WS-1為上一生育期0—100 cm土層土壤貯水量，WS為當(dāng)前生育期0—100 cm土層土壤貯水量，P為春玉米這一時(shí)段降雨量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，利用SPSS 19.0軟件中LED多重比較法比較各處理相關(guān)數(shù)據(jù)差異的顯著性，用OriginPro 8.0對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同覆蓋種植方式對(duì)土壤水熱環(huán)境的影響

2.1.1 對(duì)土壤溫度的影響 不同覆蓋種植方式下各時(shí)段土壤0—25 cm土層平均溫度如表2所示。地膜覆蓋處理較CK具有增溫效應(yīng)，在春玉米苗期、拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期地膜覆蓋較CK分別增溫3.37—6.42、1.73—3.71、1.20—3.05、0.70—2.12、0.67—2.08℃，其中MRM處理增溫效應(yīng)最顯著（＜0.05），其次為WRF和WM處理，HM處理增溫幅度最小。可以看出，地膜覆蓋在春玉米生長(zhǎng)前期（苗期和拔節(jié)期）增溫效應(yīng)最為顯著，其余生育期增幅較小。SM處理無(wú)增溫效應(yīng)，0—25 cm土層土壤平均溫度均略低于CK，兩者間無(wú)顯著差異（＞0.05），說(shuō)明在半干旱農(nóng)作區(qū)秸稈覆蓋不利于土壤溫度升高，這與秸稈覆蓋阻斷了土壤對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和熱量傳導(dǎo)有關(guān)。

表2 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米田0-25cm土壤平均溫度的影響

表中同列不同字母表示0.05水平上差異顯著。下同 Different letters indicate significance at＜0.05 in the same column. The same as below

2.1.2 對(duì)生育期土壤水分含量的影響 旱地不同覆蓋種植方式下，春玉米農(nóng)田0—100 cm土層土壤貯水量季節(jié)變化與春玉米生育期和當(dāng)年降雨分布密切相關(guān)（表3）。2015年，春玉米生長(zhǎng)前期（苗期和拔節(jié)期），地膜覆蓋表現(xiàn)出顯著的保墑效應(yīng)（＜0.05），苗期WM、HM、MRM和WRF處理土壤貯水量較CK分別增加20.23%、12.32%、16.96%和19.65%，拔節(jié)期分別增加20.27%、14.82%、14.23%和20.66%，原因是苗期和拔節(jié)期春玉米耗水量較小，CK因地表無(wú)覆蓋而蒸發(fā)量較大，因此該期間土壤貯水量顯著低于地膜覆蓋處理。SM處理保墑效應(yīng)不顯著，較CK苗期減少2.95%，拔節(jié)期僅增加0.50%。成熟期WM處理土壤貯水量最低，較CK減少6.10%，HM、MRM、WRF和SM處理與CK間無(wú)顯著差異（＞0.05）。2016年土壤貯水量整體變化趨勢(shì)與2015年相似，播種前各處理 0—100 cm土壤貯水量與上一年收獲后相比有較大幅度上升，但明顯低于上一年播種前，其中，CK最低，HM處理次之，MRM處理最大。成熟期SM處理土壤貯水量最高，較CK顯著增加33.75%，可見(jiàn)，SM條件下更有利于雨水的入滲。整體而言，HM、WRF、MRM和SM處理較CK保墑效果顯著，而WM處理不利于生育期內(nèi)降水收集，僅在春玉米生長(zhǎng)前期保墑效果顯著，而在中后期隨作物耗水增加，土壤含水率低于CK。2015—2016年休耕期內(nèi)共降水59.3 mm，不同種植方式地膜殘留和秸稈覆蓋對(duì)0—100 cm土層土壤貯水量影響各異，其中WRF處理增加幅度最大，其次為WM、MRM、SM和HM處理，分別較CK顯著增加126.10%、121.52%、101.44%、64.05%和35.01%（＜0.05）?？梢钥闯觯乇砀采w有利于休耕期內(nèi)土壤水分貯存，其中全膜雙壟溝播種植方式集雨保墑效應(yīng)最為顯著，為翌年春玉米種子萌發(fā)提供良好的水分環(huán)境。

表3 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米田0—100 cm土壤貯水量的影響

2.2 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的影響

2.2.1 對(duì)春玉米干物質(zhì)積累的影響 不同生育期春玉米干物質(zhì)積累量的變化在各種植方式間差異顯著。玉米全生育期內(nèi)，干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為單峰曲線變化，在成熟期達(dá)到最大值（圖3）。覆膜種植在春玉米整個(gè)生育期內(nèi)地上生物量顯著大于SM處理和CK，而CK與SM處理之間無(wú)顯著差異（＞0.05）。地膜覆蓋種植中的MRM處理干物質(zhì)積累優(yōu)勢(shì)最為顯著，其次為WRF、WM和HM處理。與CK相比，MRM和WRF處理成熟期單株干物質(zhì)積累量顯著增加，2015年增加43.75%、36.28%，2016年增加24.33%、21.72%（＜0.05）?？梢?jiàn)，壟溝地膜覆蓋種植可使春玉米提前出苗，生育期提前，提高單株干物質(zhì)積累量，為后期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2 對(duì)春玉米物候期的影響 半干旱農(nóng)作區(qū)春玉米在不同覆蓋種植方式下的物候差異如表4所示。種植方式和覆蓋類型均顯著影響了春玉米各生育階段物候期持續(xù)時(shí)間（＜0.05），并且對(duì)春玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間和整個(gè)生育長(zhǎng)度的影響也具有顯著性（＜0.05）。壟溝覆膜種植方式中，MRM、WRF處理較SM處理、CK顯著縮短了春玉米營(yíng)養(yǎng)階段長(zhǎng)度，卻延長(zhǎng)了整個(gè)生育期跨度，更有利于春玉米產(chǎn)量的積累。與CK相比，MRM和WRF處理因前期顯著增溫保墑而使春玉米各生育期均不同程度提前，其中苗期均提前5 d，拔節(jié)期分別提前7 d和6 d，吐絲期分別提前9.5 d和9 d，灌漿期均提前5 d，成熟期分別提前17 d和16 d。WM處理整個(gè)生長(zhǎng)季持續(xù)時(shí)間最短，為148 d，其次為WRF處理（149 d）和MRM處理（149.5 d），SM處理持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)164.5 d。

圖3 不同覆蓋種植方式下春玉米單株干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)變化

表4 旱地不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米物候期的影響

PS：播種期，ES：出苗期，JS：拔節(jié)期，SS：吐絲期，GS：灌漿期，MS：成熟期

PS: planting stage, ES: Emergence stage, JS: Jointing stage, SS: silking stage, GS: grouting stage, MS: Maturation stage

2.2.3 對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響 試驗(yàn)期不同覆蓋種植方式春玉米產(chǎn)量和水分利用效率如圖4所示。可以看出，旱地不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率有顯著影響并與當(dāng)年降雨分布密切相關(guān)。2年結(jié)果表明，地膜覆蓋處理春玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于秸稈覆蓋和無(wú)覆蓋處理（＜0.05），SM處理和CK間產(chǎn)量無(wú)顯著差異（＞0.05）。2015年，WM、HM、MRM、WRF和SM處理春玉米產(chǎn)量分別較CK增加116.35%、95.24%、152.85%、170.24%和9.56%，水分利用效率分別提高67.69%、74.81%、117.21%、135.58%和4.33%。2016年，各處理春玉米產(chǎn)量分別較CK增加127.74%、100.42%、157.16%、172.51%和23.90%，水分利用效率分別提高106.48%、108.10%、134.11%、150.40%和33.81%。可以看出，2016年春玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于2015年，這與2016年春玉米生育期降水較多，促進(jìn)生物量積累有關(guān)?？梢?jiàn)，該區(qū)旱地春玉米產(chǎn)量與水分利用效率的大小隨降水量增加而增加。綜合2個(gè)生長(zhǎng)季春玉米產(chǎn)量與水分利用效率比較發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋種植方式中，WRF處理獲得最大產(chǎn)量，為7 222.63 kg·hm-2，MRM、WM和HM處理次之，分別較CK增加171.40%、155.05%、122.16%和97.88%，差異顯著（＜0.05），而SM處理較CK僅增加16.88%。水分利用效率依然以WRF處理最高，為24.62 kg·hm-2·mm-1，MRM處理次之，分別較CK增加142.80%和125.44%，而SM處理均表現(xiàn)為最小增長(zhǎng)幅度，僅為18.74%。

圖4 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.3 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米階段耗水量和水分利用效率的影響

旱地不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米階段性耗水量、耗水模系數(shù)及水分利用效率的影響顯著并與當(dāng)年降雨分布密切相關(guān)（表5）。2015年春玉米生長(zhǎng)前期（出苗至拔節(jié)）WM處理耗水量最大，其次為MRM和SM處理，分別較CK顯著增加69.10%、55.89%和43.24%，而WRF處理較CK耗水量減少12.13%（＜0.05）；生長(zhǎng)中期（拔節(jié)至吐絲）各覆蓋處理耗水量較CK增加幅度不同，其中WRF、WM、和MRM處理分別較CK顯著增加19.57%、18.28%和13.69%（＜0.05），HM和SM處理與CK間無(wú)顯著差異（＞0.05）；生長(zhǎng)后期（吐絲至成熟）WM處理耗水量最大，其次為HM和WRF處理，分別較CK顯著增加28.32%、18.45%和18.26%（＜0.05），MRM和SM處理與CK間無(wú)顯著差異（＞0.05）。2016年春玉米生長(zhǎng)前期MRM處理耗水量最大，其次為WRF和SM處理，分別較CK顯著增加54.44%、26.53%和15.41%，而WM和HM處理較CK分別減少16.39%和37.62%，各處理與CK間差異顯著（＜0.05）；生長(zhǎng)中期WM處理耗水量最大，較CK增加20.08%，差異顯著（＜0.05），而其他處理與CK間無(wú)顯著性差異（＞0.05）；生長(zhǎng)后期WRF處理耗水量最大，分別較CK增加11.21%，差異顯著（＜0.05），而其他處理與CK間無(wú)顯著性差異（＞0.05）?？梢?jiàn)，不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米耗水量影響不同。由耗水模系數(shù)可以看出，春玉米生長(zhǎng)中期耗水最多，其次是生長(zhǎng)后期，生長(zhǎng)前期耗水最少。2015—2016年2年平均總耗水量中，WM、MRM、WRF處理與HM、SM處理、CK之間差異顯著（＜0.05），總耗水量以WM處理最大，其次為MRM、WRF、HM處理和CK，WM、MRM、WRF處理總耗水量分別較CK增加19.22%，12.98%和11.64%，差異顯著（＜0.05），而HM和SM處理與CK間無(wú)顯著性差異（＞0.05）。

2015年各處理春玉米階段性水分利用效率呈拋物線型變化，均在春玉米生育中期達(dá)到最大值。覆膜種植方式春玉米生長(zhǎng)前期和中期水分利用效率較大，這是由于地膜覆蓋的增溫保墑作用，促進(jìn)了春玉米地上生物量的積累，顯著提高了水分利用效率。隨春玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，進(jìn)入生育后期，地膜覆蓋處理春玉米以生殖生長(zhǎng)為主，地上生物量積累主要表現(xiàn)為籽粒產(chǎn)量的積累，而SM處理和CK在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)旺盛，地上生物量積累為籽粒產(chǎn)量和莖稈生物量的綜合積累。因此，春玉米生育后期SM處理和CK水分利用效率顯著高于地膜覆蓋，其中SM處理最大，為100.75 kg·hm-2·mm-1，CK次之，MRM、WRF、WM、HM處理分別較CK降低19.25%、30.87%、34.64%和37.52%，差異顯著（＜0.05）。2016年春玉米生育期降雨量與2015年分布不同，各處理春玉米階段性水分利用效率呈遞增變化，均在春玉米生育后期達(dá)到最大值，其中SM處理最大，為151.92 kg·hm-2·mm-1，CK次之，MRM、HM、WM、WRF處理分別較CK降低8.01%、12.73%、33.82%和33.60%，差異顯著（＜0.05）。

表5 不同覆蓋種植方式對(duì)春玉米階段性耗水量和水分利用效率的影響

WC：耗水量，WCC：耗水模系數(shù)

WC: Water consumption, WCC: Water consumption coefficient

3 討論

3.1 增加耕層土壤溫度，調(diào)節(jié)地?zé)岘h(huán)境

黃土高原早春低溫干旱不利于春播作物種子的萌發(fā)和苗期形態(tài)建成[12]。地膜覆蓋后顯著的增溫保墑效果可有效解決這一難題，其中壟溝地膜覆蓋效果最為顯著[13]。壟溝覆蓋系統(tǒng)獨(dú)特的地形結(jié)構(gòu)不僅改善了土壤水分狀況，還對(duì)近地面冠層下側(cè)太陽(yáng)光分布進(jìn)行重建，使作物近地面冠層接受更多的光照，改善光照環(huán)境，顯著增加生長(zhǎng)前期的吐絲期積溫，進(jìn)而提高光合利用效率，對(duì)甘肅隴中地區(qū)季節(jié)性低溫有很好的緩解作用，有利于作物出苗健苗壯苗[14]。本試驗(yàn)條件下，地膜覆蓋較CK具有增溫效應(yīng)，在春玉米苗期、拔節(jié)期、吐絲期、灌漿期和成熟期較CK分別增溫3.37—6.42、1.73—3.71、1.20—3.05、0.70—2.12、0.67—2.08℃。全生育期內(nèi)MRM處理增溫效應(yīng)最顯著，WM和WRF處理次之，分別較CK平均增溫3.48、2.38和2.30℃，HM處理增溫幅度最小，僅為1.54℃。地膜覆蓋在春玉米生長(zhǎng)前期（苗期和拔節(jié)期）增溫效應(yīng)最為顯著，其余生育期增幅較小。目前有關(guān)地膜增溫效應(yīng)已有大量研究報(bào)道，而對(duì)于秸稈覆蓋的增溫效應(yīng)結(jié)論尚未統(tǒng)一。目前主要有3種觀點(diǎn)：一是部分研究者認(rèn)為秸稈覆蓋阻擋了光照直射，土壤溫度降低[15]；二是大部分研究者認(rèn)為秸稈覆蓋具有雙重效應(yīng)，在大氣溫度較低有增溫效應(yīng)，高溫時(shí)有降溫效應(yīng)，并能縮小作物在生長(zhǎng)季間和晝夜間的土壤溫度變化幅度[16]；三是少部分研究者認(rèn)為秸稈覆蓋減少了地表熱量向大氣擴(kuò)散，土壤溫度升高[17]。造成結(jié)論尚未統(tǒng)一的原因可能是覆蓋厚度和所在試驗(yàn)區(qū)域等不同所致。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，SM處理較CK無(wú)增溫效應(yīng)，且0—25 cm土層土壤平均溫度均略低于CK。

3.2 提高土壤貯水能力，緩解水分供需矛盾

壟溝地膜覆蓋采用“W”型能使膜面上所接納的降水匯集流向播種溝，導(dǎo)流到玉米根系周圍，通過(guò)種植溝不斷下滲，進(jìn)而提高了土壤水分貯存量，使土壤水分時(shí)空再分配，更高效地被作物利用[18]。同時(shí)，壟溝地膜覆蓋在近地表層形成土壤-地膜水循環(huán)空間，土壤濕度保持在相對(duì)穩(wěn)定且較高的水平。土壤表層水分變化能夠反映出土壤水分應(yīng)對(duì)大氣環(huán)境的變化，中層水分變化能夠反映土壤貯水的能力，深層水分變化能夠反映土壤供給作物耗水潛力的大小[19]。顧賀等[20]研究顯示，壟溝集雨較平作可增加土壤貯水量14.24—52.02 mm。周宏等[21]研究證實(shí)，旱區(qū)壟溝集雨種植方式較露地平作可顯著增加土壤貯水量22.4—41.2 mm，促進(jìn)了有限降水向土壤水和作物水的轉(zhuǎn)化效率，緩解了作物水分供需矛盾，是應(yīng)對(duì)極端氣候變化的重要生態(tài)策略。本試驗(yàn)條件下，2015年為偏枯水年，2016年為平水年，且2年降雨分布不同，但2年試驗(yàn)均顯示，壟溝地膜覆蓋在春玉米苗期和拔節(jié)期保墑貯水效果顯著，2015—2016年2個(gè)生長(zhǎng)季，春玉米苗期MRM和WRF處理土壤貯水量較CK分別增加10.99%和12.08%，拔節(jié)期分別增加7.67%和13.81%，吐絲期分別增加2.84%和6.66%。隨春玉米生長(zhǎng)，耗水量逐漸增大，各處理0—100 cm土壤貯水量整體均呈下降趨勢(shì)，但MRM和WRF處理種植方式依然表現(xiàn)出顯著集雨效應(yīng)，收獲后土壤含水量分別較CK增加7.74%和3.29%。春玉米收獲后WM處理土壤貯水量最低，僅在春玉米生長(zhǎng)前期具有保墑效果，而在中后期不利于降水收集，春玉米生長(zhǎng)完全依靠土壤水分，土壤水分含量顯著減少。本結(jié)論與韓凡香[22]研究結(jié)果一致，均表明壟溝覆蓋增墑效應(yīng)在春玉米生長(zhǎng)前期和中期大于后期，且大于平地種植，收獲后秸稈覆蓋貯水量大于地膜覆蓋。

3.3 優(yōu)化需水配置，提高水分利用效率

地膜覆蓋種植作物生長(zhǎng)效應(yīng)明顯，其中以壟溝覆膜效果最為顯著。在抑蒸和膜下毛細(xì)管“提墑”的共同作用下，地膜覆蓋優(yōu)化了作物需水和土壤供水關(guān)系，使作物更容易利用土壤水分滿足生長(zhǎng)需求，從而增加了土壤水分高耗性，這種高耗水現(xiàn)象在旱年、旱季更加明顯[1]。謝軍紅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜壟作耗水量最高，全覆膜平作、半覆膜平作次之，不覆膜平作最低。本試驗(yàn)條件下，總耗水量以WM處理最大，達(dá)313.24 mm，其次為MRM、WRF、HM處理和CK，WM、MRM、WRF處理分別較CK總耗水量增加19.22%，12.98%和11.64%，差異顯著，而SM處理總耗水量較CK減少1.48%。造成兩者結(jié)論差異的原因可能與玉米的耗水量受產(chǎn)量水平、品種、栽培條件、氣候等眾多因子的影響有關(guān)。綜合2個(gè)生長(zhǎng)年份階段耗水量和耗水模系數(shù)發(fā)現(xiàn)，玉米耗水量受降水量的影響較大，生育期降水量少，耗水量相應(yīng)變低，春玉米在生長(zhǎng)中期（拔節(jié)至吐絲）耗水最多，生長(zhǎng)后期（吐絲至成熟）次之，生長(zhǎng)前期（出苗至拔節(jié)）耗水最少，各種植方式間表現(xiàn)為地膜覆蓋高于秸稈覆蓋、全膜覆蓋高于半膜覆蓋。

3.4 改變物候格局，提高籽粒灌漿充實(shí)度

物候格局不僅表征了作物生長(zhǎng)發(fā)育等季節(jié)性現(xiàn)象對(duì)環(huán)境影響周期性變化，同時(shí)也是作物生長(zhǎng)環(huán)境資源的集中體現(xiàn)[24]。壟溝覆蓋種植模式因改變了作物生長(zhǎng)水熱環(huán)境，勢(shì)必對(duì)作物物候格局產(chǎn)生明顯的影響[25]。在黃土高原旱地農(nóng)作區(qū)，春玉米播種期土壤干旱、積溫較低，玉米健苗壯苗受阻，導(dǎo)致苗期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。壟溝地膜覆蓋，特別是秋覆膜和頂凌覆膜能夠顯著提高土壤水分含量，增加土壤有效積溫，為作物出苗、健苗、壯苗提供有利的水熱環(huán)境。并且，該保墑增溫效應(yīng)可持續(xù)整個(gè)生育期，因此除苗期外，壟溝覆膜集雨栽培技術(shù)還可顯著縮短玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，使玉米提前進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期，從而縮短整個(gè)生育進(jìn)程[26]。本試驗(yàn)表明，壟溝覆膜種植方式能明顯縮短春玉米營(yíng)養(yǎng)階段長(zhǎng)度，卻延長(zhǎng)了整個(gè)生育期跨度，更有利于春玉米產(chǎn)量的積累。相反，秸稈覆蓋種植模式下玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段被延長(zhǎng)，進(jìn)而延長(zhǎng)了整個(gè)生長(zhǎng)季的持續(xù)時(shí)間。這與前先的研究結(jié)果具有很大重復(fù)性[27]，但各生育期變化幅度差異明顯，該結(jié)論的差異性與各自試驗(yàn)區(qū)品種的選擇、特定的氣候條件、當(dāng)季的降水特征和積溫效果有極大關(guān)系。

3.5 削弱極端氣候影響，保持產(chǎn)量穩(wěn)中有升

在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，壟溝覆蓋集水種植方式具有顯著的保墑增溫效應(yīng)，使無(wú)效和微效降水得到有效利用，使生育期間的有效積溫得到升高，耕層土壤水溫條件的改善促進(jìn)了根系發(fā)育和對(duì)養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育，極大程度上提高了玉米在生殖階段葉綠素含量和接受光合的能力，防止了早衰，增加了源的大小和生產(chǎn)能力，促進(jìn)了根莖葉穗的干物質(zhì)積累，提高了單穗重、穗粒重等經(jīng)濟(jì)性狀，減少了無(wú)效穗長(zhǎng)，進(jìn)而顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[28-29]。2015年是偏枯水年，生長(zhǎng)季內(nèi)高溫少雨嚴(yán)重影響了籽粒形成和發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)照組收獲了非常低的籽粒產(chǎn)量，但對(duì)壟溝地膜覆蓋種植方式影響較小。2個(gè)生長(zhǎng)季綜合來(lái)看，WRF和MRM處理獲得最大籽粒產(chǎn)量，分別為7 222.63和6 787.60 kg·hm-2，較CK分別增加171.40%、155.05%，WRF處理籽粒水分利用效率（24.62 kg·hm-2·mm-1）顯著大于MRM處理（22.86 kg·hm-2·mm-1），較CK分別增加142.80%和125.44%。壟溝地膜覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)已被廣泛證實(shí)，然而其增產(chǎn)幅度很大程度上依賴于作物生育階段內(nèi)水熱配置[30-31]。大多研究表明，作物生育期內(nèi)降水越少增產(chǎn)效應(yīng)越顯著[32]。而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平水年的增產(chǎn)效應(yīng)要顯著高于偏枯水年，沒(méi)有很好地支持前期的研究結(jié)論，這可能與不同試驗(yàn)區(qū)玉米耗水臨界值有關(guān)，因此可尋求黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)春玉米最優(yōu)水分生產(chǎn)函數(shù)模型，使有限水資源利用最大化。

4 結(jié)論

在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，覆膜種植可顯著改善玉米生育前期土壤的水熱環(huán)境，壟溝覆膜的增溫保墑效果優(yōu)于平地覆膜、半覆膜和不覆膜，其中全膜雙壟溝播種植方式的增溫保墑效果最佳。全膜雙壟溝播種植無(wú)論在平水年還是偏枯水年，其產(chǎn)量和水分利用效率均最高，且在平水年增幅大于偏枯水年?？v觀土壤水熱特性及產(chǎn)量效應(yīng)，全膜雙壟溝播集雨種植方式增產(chǎn)及提高水分利用效率效應(yīng)較好，可作為優(yōu)化隴中旱作農(nóng)業(yè)區(qū)春玉米農(nóng)田土壤水熱環(huán)境的理想栽培技術(shù)。

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Effects of Different Covering Planting Patterns on Soil Moisture, Temperature Characteristics and Maize Yield in Semi-arid Region of the Loess Plateau

DENG HaoLiang1, ZHANG HengJia1,2, XIAO Rang1, ZHANG YongLing1, TIAN JianLiang1, LI FuQiang2, WANG YuCai2, ZHOU Hong3, LI Xuan2

(1College of Civil Engineering, Hexi University/Institute of Water Resources Protection and Utilization in Hexi Corridor, Zhangye 734000, Gansu;2College of Water Resources and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;3Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000)

【】 This experiment explored the dynamic changes of soil water and thermal environment and spring maize yield and water use efficiency in semi-arid areas of the Loess Plateau, which provided a theoretical basis for optimizing the soil water and heat environment and improving the crop yield of spring maize field in the dry farming area in central Gansu. 【】 The field positioning experiments were carried out in Yuzhong Agricultural Technology Promotion Center of Gansu from 2017 to 2018, which were set up 6 planting methods, including non-contoured seedbed with film mulching (WM), non-contoured seedbed with half film mulching (HM), ridge-furrow with polyethylene film and straw mulching (MRM), ridge-furrow with full film mulching (WRF), ridge-furrow with straw mulching (SM) and non-contoured seedbed without mulching (CK). Based on the experiments, the water and heat conditions of soil layers profiles in different fertility period of spring maize, phenological characteristics, yield and water use efficiency during harvest period were measured and analyzed. 【】 In this study, the film mulching treatment had a warming effect compared with CK, the average soil temperature during the whole growth period was 2.42 °C, while the SM showed a cooling effect with an average temperature drop of 0.36 °C, and the adjustment of soil temperature by the planting method was mainly manifested in the seedling stage, the effect of temperature regulation gradually weakened with the progress of growth period. MRM, WRF, HM and SM had significant effect on the preservation of spring maize during the whole growth period, while WM was not conducive to precipitation collection. It only had the effect of preserving in the early stage of spring maize growth, while the water consumption in the middle and later stages increased with the crop growth, and the soil moisture content was lower than that under CK. The most water consumed of spring maize was in the middle growth stage (jointing to silking), followed by the later growth stage (silking to maturity), and the least was in the early growth stage (budding to jointing), in which the water consumption of plastic film mulching was greater than straw mulching, and full film mulching was greater than half film mulching. Plastic film mulching planting method could improve biomass water use efficiency of spring maize least and middle growth stage significantly. The improvement was highest (up to 250.68%) at early growth stage of HM and at the middle stage of WRF (up to 61.30%), compared with CK. Plastic film mulching planting method resulted in increased soil temperatures and improved soil water consumption, therefore, these treatments extended the growing period for spring maize and increased the dry matter weight per plant, the final performance was the improvement of yield and water use efficiency. The most significant effect on increasing yield and water use efficiency was WRF and MRM, increased yield by 171.40% and 155.05%, respectively, and increased water use efficiency by 142.80% and 125.44%, respectively, compared with CK. 【】 The plastic film mulched ridge and sowing furrow planting changed the soil water and thermal environment and increased dry matter accumulation in semi-arid areas of the Loess Plateau. The yield and water use efficiency of the ridge-furrow with full film mulching planting method was the best under these treatments.

maize; yield; planting methods; ridge-furrow rainwater harvesting; soil temperature and moisture; Loess Plateau; semi-arid area

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.005

2019-05-13；

2019-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（51669001）、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（18YF1NA073）、河西學(xué)院科研創(chuàng)新與應(yīng)用校長(zhǎng)基金一般項(xiàng)目（XZ2019012）、河西學(xué)院橫向科研項(xiàng)目（H2018005）

鄧浩亮，E-mail：denghaoliang521@163.com。通信作者張恒嘉，E-mail：zhanghj@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）