西北干旱灌區(qū)不同地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米水分利用的影響

殷文，郭瑤，范虹，樊志龍，胡發(fā)龍，于愛忠，趙財(cái)，柴強(qiáng)

西北干旱灌區(qū)不同地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米水分利用的影響

殷文，郭瑤，范虹，樊志龍，胡發(fā)龍，于愛忠，趙財(cái)，柴強(qiáng)

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070

【目的】資源型缺水嚴(yán)重制約干旱灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，傳統(tǒng)玉米生產(chǎn)模式地膜投入量大。在極端高溫和生態(tài)環(huán)境污染的挑戰(zhàn)日益加劇的情境下，探討通過免耕地膜重復(fù)利用維持較高水分利用的可行性，以期為構(gòu)建試區(qū)地膜減量玉米高效生產(chǎn)技術(shù)提供理論支撐?！痉椒ā?017—2018年，在甘肅河西綠洲灌區(qū)，設(shè)置免耕地膜重復(fù)利用（免耕覆膜，NM）、秋免耕春覆膜（少耕覆膜，RM）與傳統(tǒng)耕作每年覆蓋新膜（傳統(tǒng)覆膜，對(duì)照，CM）3種地膜覆蓋利用方式，研究其對(duì)玉米田土壤水分利用的影響，以期為優(yōu)化試區(qū)玉米高產(chǎn)高效栽培管理技術(shù)提供理論依據(jù)?！窘Y(jié)果】NM與RM處理較CM處理提高玉米播種時(shí)0—120 cm土層平均土壤重量含水量，分別為7.8%與5.1%，這為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境。玉米播種—拔節(jié)期及吐絲—灌漿初期，NM處理較CM處理提高0—120 cm土層平均土壤重量含水量，分別為5.0%與4.7%，彌補(bǔ)了灌漿期玉米植株旺盛生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的大量需求。與CM處理相比，NM處理增加了玉米播種—大喇叭口期的耗水量，降低了玉米吐絲—灌漿初期的耗水量，增大了玉米灌漿初期—收獲期的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米各生育階段的水分需求關(guān)系。雖然NM處理較RM與CM處理提高了玉米吐絲期之前的棵間蒸發(fā)量，分別為11.7%與26.0%，提高棵間蒸發(fā)量占耗水量的比例（E/ET），分別為13.4%與19.9%，但是NM處理較RM與CM處理降低了玉米吐絲期之后的棵間蒸發(fā)量，分別為9.2%與19.4%，降低E/ET，分別為9.7%與20.7%，說明NM處理有利于增強(qiáng)玉米吐絲期之后土壤水分的有效利用。因而，在地膜減投與免耕措施下，NM處理獲得與RM及CM處理相當(dāng)?shù)淖蚜．a(chǎn)量與水分利用效率?！窘Y(jié)論】在西北干旱灌區(qū)，應(yīng)用免耕地膜重復(fù)利用并沒有導(dǎo)致玉米產(chǎn)量和水分利用效率的降低，具有穩(wěn)定產(chǎn)量及水分利用效率的作用，是玉米生產(chǎn)中地膜減投的可行措施。

玉米；免耕；地膜覆蓋；耗水特性；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】資源型缺水作為世界重大生態(tài)問題，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素，如何在現(xiàn)有的水分供給條件下發(fā)展以水資源高效利用為前提的節(jié)水型農(nóng)業(yè)尤為重要[1-2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)維持作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)需要消耗大量水資源，對(duì)土壤水分安全帶來嚴(yán)重威脅，造成土壤水分承載潛力嚴(yán)重降低[3]，因而，研發(fā)高效水資源管理農(nóng)藝措施顯得格外重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】覆蓋作為降低水分無效蒸發(fā)，優(yōu)化農(nóng)田土壤水分環(huán)境而增強(qiáng)作物水分利用的有效措施[4-5]，在干旱半干旱區(qū)域廣泛應(yīng)用。秸稈與地膜覆蓋作為輕簡(jiǎn)化的農(nóng)業(yè)節(jié)水及水分高效利用生產(chǎn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2-3]。秸稈覆蓋具有抑制土壤蒸發(fā)、保墑蓄水、調(diào)節(jié)地溫、提高肥力等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于喜涼作物生產(chǎn)[6-7]，而對(duì)于喜溫作物，因較低的土壤溫度，延緩出苗及生長(zhǎng)發(fā)育的缺點(diǎn)，甚至呈現(xiàn)減產(chǎn)及降低水分利用的效應(yīng)[8]。無色普通地膜因蓄水保墑、增溫及高產(chǎn)、水分高效利用而被大量應(yīng)用于干旱與半干旱區(qū)域喜溫作物生產(chǎn)[9-10]。然而，地膜覆蓋栽培措施弊端屢屢出現(xiàn)，諸如在高溫季節(jié)，容易造成作物根區(qū)土壤的極端高溫，導(dǎo)致作物根系及葉片發(fā)生早衰，從而影響產(chǎn)量及水分利用[11]，同時(shí)造成“白色污染”，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境惡化[12]。西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)資源性缺水嚴(yán)重，春、秋熱量不足但夏季炎熱，喜溫玉米作為主栽作物，其高產(chǎn)及水分高效利用主要?dú)w因于地膜覆蓋措施的增溫保水效應(yīng)[13]。在區(qū)域全面推行非膜不植的生產(chǎn)背景下，尋求弱化地膜覆蓋高溫弊端而提高水分利用的技術(shù)亟待進(jìn)行，因而，地膜減量化生產(chǎn)技術(shù)備受關(guān)注?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】縱觀西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)氣候特征和地膜覆蓋優(yōu)缺點(diǎn)，將地膜覆蓋及免耕技術(shù)集成在同一玉米栽培模式中，有望通過實(shí)現(xiàn)周年覆蓋，蓄納休閑期降水，優(yōu)化農(nóng)田土壤水分環(huán)境，增強(qiáng)作物需水與土壤供水的吻合度，研發(fā)適宜于西北干旱灌區(qū)玉米水分高效生產(chǎn)的農(nóng)藝管理技術(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在典型西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)，系統(tǒng)分析不同地膜覆蓋利用方式下玉米農(nóng)田耗水特性、產(chǎn)量表現(xiàn)及水分利用效率，以期為區(qū)域內(nèi)地膜減投玉米高產(chǎn)高效技術(shù)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

本試驗(yàn)于2017—2018年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威黃羊鎮(zhèn)綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地進(jìn)行。該區(qū)屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.3℃，≥10℃積溫約3 000℃；年日照時(shí)數(shù)近3 000 h，光熱資源豐富，是我國典型的玉米主產(chǎn)區(qū)。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，0—60 cm土層土壤理化性質(zhì)如表1。試區(qū)多年平均降水量156 mm、土壤水分潛在蒸發(fā)量高于2 000 mm，2017與2018年，全年降水量分別218.1和251.6 mm，玉米生育期內(nèi)降水量分別為142.8與213.8 mm。作物生產(chǎn)依賴于補(bǔ)充灌溉，玉米以覆膜種植為主，地膜投入大、成本高，且潛在污染日益嚴(yán)重。

表1 研究區(qū)域0—60 cm土層土壤理化特性

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以2013年布設(shè)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，涉及2017與2018年玉米農(nóng)田耗水相關(guān)數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)設(shè)3種地膜覆蓋利用方式：免耕覆膜（NM），即免耕地膜重復(fù)利用，地膜覆蓋1次使用2年，當(dāng)季玉米收獲后免耕，地膜完整度在70%以上，翌年春季玉米播種季節(jié)采用簡(jiǎn)易滾輪穴播器硬茬播種玉米；少耕覆膜（RM），即秋免耕春覆膜，當(dāng)季玉米成熟收獲后不翻耕，翌年春季回收殘膜后，旋耕、鎮(zhèn)壓、覆蓋新地膜，并采用簡(jiǎn)易滾輪穴播器播種玉米；傳統(tǒng)覆膜（CM），即傳統(tǒng)耕作每年覆蓋新地膜，當(dāng)季玉米收獲后立即回收舊膜，再利用鏵式犁深翻耕，翌年春季旋耕、鎮(zhèn)壓、覆蓋新地膜后，采用簡(jiǎn)易滾輪穴播器播種玉米。其中，免耕與少耕覆膜處理年際間交替輪換，具體安排順序如表2。試驗(yàn)共3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積48 m2，田間采用隨機(jī)區(qū)組排列。

表2 不同地膜覆蓋利用方式的具體安排順序

供試玉米（L）品種“先玉335”，種植密度為82 500株/hm2，覆膜栽培，膜寬140 cm，膜厚0.01 mm。因試區(qū)農(nóng)田土壤鉀處于富集狀態(tài)，因而本試驗(yàn)只施用氮肥與磷肥，施純氮360 kg·hm2（按基肥﹕大喇叭口期﹕開花后15 d=3﹕5﹕2分施），施純磷（P2O5）180 kg·hm-2，均為基肥，傳統(tǒng)與少耕覆膜基肥在播種前均勻施于地面，用旋耕機(jī)旋入15 cm耕作層，而免耕覆膜玉米基肥用直插式施肥器施入。追肥時(shí)，在對(duì)應(yīng)生育時(shí)期灌水前用直插式施肥器在距離玉米莖稈10 cm處打孔，將肥料施入10 cm孔中，然后埋土，利于提高氮肥利用。全生育期灌水5次，于拔節(jié)期、抽雄期各灌900 m3·hm-2，大喇叭口期、吐絲開花期和灌漿期各灌水750m3·hm2。其他管理措施同當(dāng)?shù)赜衩赘弋a(chǎn)田一致。播種日期分別為2017年4月25日和2018年4月20日，收獲日期分別為2017年9月22日和2018年9月23日。

1.3 測(cè)定與計(jì)算指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤重量含水量與貯水量

（1）土壤重量含水量。用烘干法測(cè)0—30 cm土層土壤重量含水量，30—60、60—90、90—120 cm土層采用水分中子儀（NMM503DR，CA，USA）測(cè)定。在玉米播種前、收獲后各測(cè)定一次，生育期內(nèi)每隔約15 d測(cè)定一次。中子水分儀測(cè)定值與土壤重量含水量的擬合曲線如下：

，2=0.9828；

式中，為土壤重量含水量（%），為中子水分儀的實(shí)際測(cè)定值，0為中子水分儀基礎(chǔ)數(shù)值。

（2）土壤貯水量。運(yùn)用土壤重量含水量計(jì)算土壤貯水量（SWS），計(jì)算公式如下：

SWS=×××10

式中，為土壤重量含水量（%），為土層深度（cm），為土壤容重（g·cm-3），10為單位換算系數(shù)。

1.3.2 耗水特性

（1）棵間蒸發(fā)量。采用PVC管自制微型蒸滲儀（高15 cm，直徑11 cm）測(cè)定[2]，每次取土?xí)r將其垂直放入作物行間，使其頂面與地面齊平，取原狀土，然后用尼龍網(wǎng)布封底，另用PVC管做成外套，固定行間，使其表面與附近土壤持平。自玉米播種后每5—6 d測(cè)定1次，微型蒸發(fā)器中土樣每減少1 g相當(dāng)于蒸發(fā)水分0.1051 mm，降雨、灌水后立即換土。

（2）耗水量（）。采用水分平衡公式計(jì)算[1]：=+。式中，為時(shí)段作物耗水量（mm）；為時(shí)段的降水量（mm）；為時(shí)段灌水量（mm）；為時(shí)段末與時(shí)段初的土壤貯水量之差（mm）。由于本試驗(yàn)區(qū)水資源匱乏，土層深度1.2 m，試驗(yàn)區(qū)地下水在30 m以下，節(jié)水灌溉量較少，因而忽略了滲漏量和地下上升水的影響。

（3）耗水結(jié)構(gòu)（/）。耗水結(jié)構(gòu)為棵間蒸發(fā)量（）與耗水量（）之比。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量（GY）與水分利用效率（WUE） 玉米成熟后，以小區(qū)為單元收獲，用種子水分儀（PM-8188）測(cè)定籽粒含水量，計(jì)算產(chǎn)量時(shí)保留籽粒含水量為14%。水分利用效率WUE=GY/ET。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2016整理、分析數(shù)據(jù)并繪制圖表，利用SPSS 19.0軟件在0.05水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（Duncan’s）。

2 結(jié)果

2.1 不同地膜覆蓋利用方式下玉米農(nóng)田土壤重量含水量差異

2.1.1 全生育期土壤重量含水量動(dòng)態(tài) 不同地膜覆蓋利用方式下玉米農(nóng)田0—120 cm 土層土壤重量含水量在2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓忍幚黹g差異均顯著，且土壤重量含水量隨灌溉及作物生育進(jìn)程而有差異（圖1）。免耕覆膜（NM）與少耕覆膜（RM）具有提高玉米播種時(shí)0—120 cm土層平均土壤重量含水量的作用，較傳統(tǒng)覆膜（CM）分別提高7.8%與5.1%，相對(duì)應(yīng)的土壤貯水量分別提高7.4%與4.5%，提高數(shù)量分別為26.2與16.1 mm。玉米播種—拔節(jié)期及吐絲—灌漿初期，仍有NM處理較CM處理提高0—120 cm土層平均土壤重量含水量，分別為5.0%與4.7%，相對(duì)應(yīng)的土壤貯水量分別提高4.8%與4.2%，提高數(shù)量分別為16.8與14.7 mm。然而，地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米拔節(jié)—吐絲期及灌漿初期之后土壤含水量無顯著影響。以上結(jié)果表明，免耕覆膜措施保持玉米播種及吐絲—灌漿初期較高土壤重量含水量，為玉米播種創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境，且彌補(bǔ)了灌漿期玉米植株旺盛生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的大量需求。

2.1.2 玉米播種前、收獲后及生育期內(nèi)土壤含水量垂直變化 不同地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米播種前0—120 cm 各土層土壤重量含水量影響顯著（圖2），耕層0—30 cm土層，NM與RM處理較CM處理提高土壤重量含水量，分別為8.5%與6.3%；30—60 cm土層，NM處理較CM處理提高8.9%；60—90 cm土層，NM與RM處理較CM處理分別提高7.8%與4.9%；90—120 cm土層土壤重量含水量年際間有差異，2018年玉米播種前土壤重量含水量明顯高于2017年，使得地膜覆蓋利用方式對(duì)2017年深層土壤重量含水量造成顯著影響，NM處理較CM處理提高5.4%。免耕地膜重復(fù)利用保持玉米播種時(shí)各土層較高的土壤重量含水量，為玉米播種及出苗創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境。玉米生育期內(nèi)，地膜覆蓋利用方式對(duì)各土層土壤重量含水量的影響不顯著，且補(bǔ)充灌溉與降雨弱化了相同地膜覆蓋利用方式下不同土層間土壤重量含水量差異，與播種前相比，各土層土壤重量含水量明顯降低。玉米收獲后，NM處理較RM與CM處理提高耕層0—30 cm土層土壤重量含水量，分別為6.6%與6.4%，NM處理較RM處理提高30—60 cm土層土壤重量含水量5.5%；地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米農(nóng)田60—120 cm土層土壤重量含水量無顯著影響。

2.2 不同地膜覆蓋利用方式下玉米農(nóng)田的耗水特性

2.2.1 全生育期棵間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài) 地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米全生育期總棵間蒸發(fā)量的影響不顯著，但對(duì)其各生育階段棵間蒸發(fā)量的影響顯著（圖3）。玉米播種—大喇叭口期，因NM處理具有較高的土壤水分含量，其地膜的完整度低于RM與CM處理，因而NM處理較RM與CM處理增加了棵間蒸發(fā)量，增加比例分別為12.2%與28.4%。玉米大喇叭口期—吐絲期，僅有2017年，NM與RM處理較CM處理增加棵間蒸發(fā)量，分別達(dá)到12.3%與7.7%。相反，隨著生育期的推進(jìn)，當(dāng)玉米進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期（吐絲—收獲期），NM處理因前期生長(zhǎng)慢而后期的快速恢復(fù)生長(zhǎng)，增大了地表覆蓋度及有效耗水，明顯抑制了土壤蒸發(fā)，使得NM處理較RM與CM處理棵間蒸發(fā)量分別降低7.6%與18.4%?？v觀玉米全生育期棵間蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)，雖然玉米吐絲期之前，NM處理較RM與CM處理農(nóng)田棵間蒸發(fā)量較大，但吐絲期之后，NM處理較RM與CM處理均降低了棵間蒸發(fā)量，說明NM處理增強(qiáng)了玉米生殖生長(zhǎng)期土壤水分的有效利用，利于籽粒灌漿，為玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖上方的誤差線表示LSD值，箭頭表示不同的灌溉時(shí)間。下同

2.2.2 玉米各生育階段耗水量 雖然地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米全生育期總耗水量無顯著影響，但對(duì)玉米各生育階段的耗水量影響顯著（表3）。就不同生育階段而言，玉米播種—拔節(jié)期，NM與RM處理較CM處理增加耗水量，分別達(dá)到14.4%與9.9%，但NM與RM處理間差異不顯著。玉米拔節(jié)—大喇叭口期，NM與RM處理較CM處理增加耗水量，分別為7.0%與9.4%。玉米大喇叭口期—吐絲期，2018年度，NM處理較RM與CM處理降低耗水量7.7%與6.8%。隨著生育期的推進(jìn)，玉米吐絲—灌漿初期，NM處理耗水量逐漸變小，NM較CM處理降低耗水量為7.8%。相反，當(dāng)玉米進(jìn)入灌漿期之后，NM處理因前期生長(zhǎng)慢而后期的快速恢復(fù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致玉米灌漿初期—收獲期耗水量較CM處理增加6.5%?？v觀玉米各生育階段耗水量差異發(fā)現(xiàn)，與CM處理相比，NM處理增加了玉米播種—大喇叭口期的耗水量，降低了玉米吐絲—灌漿初期的耗水量，增大了玉米灌漿初期—收獲期的耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米各生育階段的水分需求關(guān)系，增強(qiáng)其水分高效利用的潛勢(shì)。

圖右面的誤差線表示 LSD 值 Error bars on the right side of the curves indicate the value of LSD in the figure

表3 不同地膜覆蓋利用方式下玉米各生育階段的耗水量及耗水結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年度中所有處理在0.05水平下差異顯著。2017年，玉米播種期、拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿初期、收獲期對(duì)應(yīng)土壤水分測(cè)定日期為4月24日、5月29日、6月20日、7月26日、8月10日、9月23日；2018 年各測(cè)定時(shí)期對(duì)應(yīng)日期為4月19日、5月28日、6月26日、7月19日、8月8日、9月20日

Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. The determining dates on soil water content were 24 April, 29 May, 20 June, 26 July, 10 August, and 23 September in 2017, and 19 April, 28 May, 26 June, 19 July, 8 August, and 20 September in 2018. The corresponding growing stages of maize were sowing, jointing, big flare, silking, early-filling, harvesting, respectively

圖3 不同地膜覆蓋利用方式下玉米農(nóng)田土壤蒸發(fā)量動(dòng)態(tài)

2.2.3 玉米各生育階段棵間蒸發(fā)量占耗水量的比例 雖然地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米全生育期棵間蒸發(fā)量占總耗水量比值（/）無顯著影響，但對(duì)玉米各生育階段/影響顯著（表3）。玉米播種—大喇叭口期，因NM處理地膜的完整度低于RM與CM處理而產(chǎn)生較大的棵間蒸發(fā)量，因而NM處理較RM與CM處理提高了/，提高比例分別為14.5%與21.0%。玉米大喇叭口期—吐絲期，NM處理較RM與CM處理提高E/ET，分別為9.2%與13.6%。相反，玉米吐絲之后，NM處理因旺盛的生殖生長(zhǎng)，增大有效蒸騰耗水而降低E/ET，且灌漿盛期降低幅度更大。玉米吐絲—灌漿初期，僅有2017年，NM處理較CM處理降低/（11.8%）。玉米灌漿初期—收獲期，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴?，均有NM處理較RM與CM處理降低E/ET，分別為15.2%與26.8%。以上結(jié)果表明免耕地膜重復(fù)利用主要是減少了玉米吐絲—收獲期土壤的無效耗水，提高了土壤水分利用的有效性。

2.3 玉米籽粒產(chǎn)量與水分利用效率對(duì)地膜覆蓋利用方式的響應(yīng)

地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響年際間有差異（圖4）。2017年，免耕覆膜（NM）較少耕覆膜（RM）玉米籽粒產(chǎn)量降低4.1%，但NM處理與對(duì)照傳統(tǒng)覆膜（CM）差異不顯著。2018年，地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量沒有造成顯著影響。兩個(gè)年度，地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米水分利用效率沒有造成顯著影響。說明免耕地膜重復(fù)利用在實(shí)現(xiàn)地膜減投的基礎(chǔ)上仍可獲得較高產(chǎn)量及水分利用效率，進(jìn)一步證實(shí)該措施應(yīng)用于西北干旱灌區(qū)玉米生產(chǎn)的可行性。

不同小寫字母表示處理間在 0.05 水平上差異顯著

3 討論

3.1 地膜覆蓋利用方式對(duì)農(nóng)田耗水特性的調(diào)控效應(yīng)

近年來，隨著資源型缺水日趨緊迫，干旱氣候條件下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須以水分高效利用為重心，而優(yōu)化農(nóng)藝措施，改善農(nóng)田土壤水分環(huán)境，增強(qiáng)作物需水與農(nóng)藝調(diào)控措施間的吻合度，研發(fā)適宜于特定區(qū)域的水分高效生產(chǎn)農(nóng)藝管理技術(shù)是提高作物水分利用效率的重要途徑之一[2, 14]。地膜覆蓋作為簡(jiǎn)易節(jié)水措施廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3, 9]，可有效地抑制土壤蒸發(fā)、降低無效耗水、提高水分收獲而增強(qiáng)水分利用的有效性[1,7]。特別是年均降水不足200 mm且潛在蒸發(fā)高于2 000 mm的西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)，玉米栽培存在非膜不植的生產(chǎn)現(xiàn)狀。該區(qū)玉米生產(chǎn)通常采用傳統(tǒng)耕作每年覆蓋新地膜，其弊端日趨明顯，例如在高溫季節(jié)，容易造成作物根區(qū)土壤的極端高溫，導(dǎo)致作物根系及葉片發(fā)生早衰，從而影響產(chǎn)量及水分利用[11]。也有學(xué)者嘗試玉米栽培采用黑色地膜覆蓋，但很難滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的熱量需求[15]；若提早播種玉米，土壤溫度達(dá)不到種子發(fā)芽的基本要求，延緩出苗或者種子發(fā)生冷害而降低出苗率[16]。因而，地膜覆蓋循環(huán)利用模式作為一種減量化途徑在西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)受到研究者及廣大種植戶關(guān)注。本研究表明，免耕地膜重復(fù)利用（NM）較傳統(tǒng)每年覆蓋新地膜（CM）顯著提高了玉米播種前—拔節(jié)期的土壤重量含水量，這是因?yàn)榍安缬衩资斋@后土地休閑期免耕地膜重復(fù)利用實(shí)現(xiàn)了周年覆蓋，降低土壤水分無效蒸發(fā)，保墑蓄水，提高土壤水分含量[17]。NM處理提高了玉米吐絲—灌漿初期的土壤重量含水量，因?yàn)樵撋L(zhǎng)階段NM較CM處理降低了土壤溫度，延緩了玉米生長(zhǎng)發(fā)育而對(duì)土壤水分的利用較少[18]。說明該措施通過保持玉米灌漿初期較高的水分含量，彌補(bǔ)了玉米灌漿盛期對(duì)土壤水分的大量需求。地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米灌漿初期之后土壤重量含水量無顯著影響，主要因?yàn)殡S著氣溫的回升，NM處理土壤溫度達(dá)到玉米正常生長(zhǎng)發(fā)育的熱量需求，其地上群體大小及光合速率與CM處理相似[19]，因而二者土壤重量含水量差異不顯著。

本研究表明，地膜覆蓋利用方式對(duì)玉米全生育期內(nèi)總棵間蒸發(fā)量的影響不顯著，但對(duì)各生育階段棵間蒸發(fā)量的影響顯著。玉米吐絲期之前，NM處理較秋免耕春覆膜（RM）與CM處理農(nóng)田棵間蒸發(fā)量較大，這是因?yàn)镹M處理播種—拔節(jié)期的土壤水分含量高于RM與CM處理，但地膜完整度低于RM與CM處理，導(dǎo)致NM處理棵間蒸發(fā)量較大；相反，玉米吐絲期之后，NM處理較RM與CM處理均降低了棵間蒸發(fā)量，源于NM處理較RM與CM處理降低了土壤溫度[4,18]，玉米生育前期生長(zhǎng)緩慢，消耗水分與養(yǎng)分較少，隨著氣溫回升，生育前期剩余的土壤水分與養(yǎng)分促使玉米生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，使得玉米灌漿后期甚至蠟熟期仍保持較高的光合性能而延緩衰老，因而保持較大的冠層與遮陰面積而增強(qiáng)抑制土壤蒸發(fā)的效應(yīng)[19]。說明NM處理可均衡玉米生育前后期棵間蒸發(fā)量，進(jìn)而產(chǎn)生與RM及CM處理相似的抑蒸效應(yīng)。耕作與覆蓋方式對(duì)協(xié)調(diào)作物生產(chǎn)水分利用動(dòng)態(tài)具有顯著效應(yīng)[2,7]，有研究指出免耕地膜覆蓋可通過優(yōu)化土壤水熱特性[17-18]，調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的錯(cuò)期利用，增強(qiáng)作物需水與土壤供水的吻合度[17]，即有效降低作物生育前期無效蒸發(fā)，增加作物生育后期的有效蒸騰，使無效耗水轉(zhuǎn)化為有效耗水而增強(qiáng)水分有效利用，進(jìn)一步證實(shí)本研究得出的基本觀點(diǎn)，與CM處理相比，NM處理增加了玉米播種—大喇叭口期耗水量，降低了玉米吐絲期—灌漿初期耗水量，增大了玉米灌漿初期—收獲期耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米各生育階段的水分需求關(guān)系，為玉米水分高效利用奠定基礎(chǔ)。因此，在水資源嚴(yán)重短缺的西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)，應(yīng)用免耕地膜重復(fù)利用技術(shù)可緩解玉米需水與土壤供水矛盾，為試區(qū)玉米高效生產(chǎn)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

3.2 作物產(chǎn)量表現(xiàn)對(duì)地膜覆蓋利用方式的響應(yīng)

大量研究表明，作物生產(chǎn)中，覆蓋具有不同程度的增產(chǎn)效應(yīng)，而在干旱與半干旱地區(qū)，對(duì)于喜溫作物玉米而言，地膜覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)大于秸稈覆蓋，源于地膜覆蓋的增溫、保水、促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育[5,7]。但是，近10年來，干旱內(nèi)陸灌區(qū)玉米成熟期從10月中旬提前至9月上旬甚至8月下旬，呈現(xiàn)減產(chǎn)趨勢(shì)，其實(shí)這屬于早衰并不是早熟，其主要原因：一是高溫與低溫的極端變化；二是農(nóng)戶傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每年覆蓋新地膜，在玉米旺盛生長(zhǎng)期（開花灌漿期）的0—15 cm土壤溫度達(dá)到40℃以上[7]，明顯高于玉米根系正常生長(zhǎng)發(fā)育土壤溫度35℃的適溫閾值[20]，導(dǎo)致其生長(zhǎng)發(fā)育受損；三是大量投入地膜對(duì)農(nóng)田土壤水分與養(yǎng)分的過度消耗而造成土壤微環(huán)境惡化[21-22]；四是農(nóng)戶傳統(tǒng)生產(chǎn)模式每年覆蓋地膜，提高土壤溫度，加快玉米生育前期生長(zhǎng)，對(duì)資源的消耗多，造成玉米生育后期出現(xiàn)可利用資源不足等現(xiàn)象[22]。因此，亟待研發(fā)減緩以上傳統(tǒng)農(nóng)戶生產(chǎn)模式諸多弊端的農(nóng)藝管理措施。本研究將免耕、地膜覆蓋同步集成于玉米生產(chǎn)模式，NM處理獲得與RM及CM處理相當(dāng)?shù)淖蚜．a(chǎn)量。NM處理維持較高籽粒產(chǎn)量的原因是該措施顯著降低了玉米全生育期0—15 cm土層土壤溫度[4,18]，延緩了玉米生育前期生長(zhǎng)，消耗水分與養(yǎng)分較少，隨著氣溫回升，生育前期剩余的土壤水分與養(yǎng)分促使玉米生育后期生長(zhǎng)發(fā)育旺盛，使得灌漿后期甚至蠟熟期仍保持較高的光合性能而延緩衰老，利于玉米籽粒灌漿而促進(jìn)增產(chǎn)[19]，說明免耕地膜重復(fù)利用方式下玉米增產(chǎn)主要發(fā)生在生育后期。相反，傳統(tǒng)耕作每年覆蓋新地膜在玉米開花灌漿期造成玉米根區(qū)極端高的土壤溫度[7,11]，以及生育前期較高的土壤溫度加快玉米生長(zhǎng)，造成資源過度消耗而后期不足，導(dǎo)致玉米根系及葉片發(fā)生早衰，降低光合作用而減少地上部光合同化物的累積與分配[17,23-24]。因此，在玉米生產(chǎn)田間管理中，可通過優(yōu)化栽培措施，調(diào)控玉米生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)資源需求與供給的同步性而維持并增強(qiáng)玉米生育后期的旺盛生長(zhǎng)，延緩衰老而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)。

3.3 地膜覆蓋利用方式對(duì)作物水分利用效率的影響

根據(jù)作物水分利用效率（WUE）的量算公式可知，提高作物產(chǎn)量與降低耗水量是提高WUE的兩個(gè)主要途徑[15]。從農(nóng)田耗水的組成可知，降低土壤水分蒸發(fā)、提高作物有效蒸騰耗水可提高WUE[14]。地膜覆蓋可通過抑制土壤蒸發(fā)、提高作物有效蒸騰、提高土壤溫度而促進(jìn)增產(chǎn)和提高WUE[5,14]。本研究中，NM處理與RM及CM處理具有相當(dāng)?shù)腤UE，主要原因一是NM處理提高了玉米播種—拔節(jié)期及吐絲—灌漿初期0—120 cm土層平均土壤重量水分含量，為玉米播種及灌漿期的旺盛生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境；二是NM處理增加了玉米播種—大喇叭口期耗水量，降低了玉米吐絲期—灌漿初期耗水量，增大了玉米灌漿初期—收獲期耗水量，有效協(xié)調(diào)玉米各生育階段的水分需求關(guān)系，為玉米籽粒灌漿奠定基礎(chǔ)；NM較CM處理提高了玉米吐絲期之前的棵間蒸發(fā)量與其占耗水量的比例（/），但降低了玉米吐絲期之后的棵間蒸發(fā)量與/，有利于增強(qiáng)玉米吐絲期之后土壤水分的有效利用，為其籽粒灌漿提供充足的土壤水分，保證產(chǎn)量而維持較高WUE。因而，在資源型缺水嚴(yán)重的干旱內(nèi)陸灌區(qū)，玉米生產(chǎn)中應(yīng)用免耕地膜重復(fù)利用技術(shù)可緩解作物需水與供水矛盾而實(shí)現(xiàn)較高的WUE，可作為維持西北干旱灌區(qū)玉米生產(chǎn)中地膜減投的可行措施。

4 結(jié)論

免耕地膜重復(fù)利用（NM）可提高玉米播種—拔節(jié)期及吐絲—灌漿初期0—120 cm土層平均土壤重量水分含量，為玉米播種及灌漿期的旺盛生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的土壤水分環(huán)境。與傳統(tǒng)耕作每年覆蓋新膜（CM）相比，NM處理增加了玉米播種—大喇叭口期的耗水量，降低了玉米吐絲期—灌漿初期的耗水量，增大了玉米灌漿初期—收獲期的耗水量，有效協(xié)調(diào)了玉米各生育階段的水分需求關(guān)系。NM較CM處理提高了玉米吐絲期之前的棵間蒸發(fā)量與其占耗水量的比例（/），但降低了玉米吐絲期之后的棵間蒸發(fā)量與E/ET，NM處理有利于增強(qiáng)玉米吐絲期之后土壤水分的有效利用。在地膜減投與免耕措施下，NM處理獲得與RM及CM處理相當(dāng)?shù)淖蚜．a(chǎn)量與水分利用效率。因此，免耕地膜重復(fù)利用可作為維持干旱綠洲灌區(qū)玉米較高產(chǎn)量及水分利用效率的地膜減投可行措施。

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Effects of Different Plastic Film Mulching and Using Patterns on Soil Water Use of Maize in Arid Irrigated Area of Northwestern China

YIN Wen, GUO Yao, FAN Hong, Fan ZhiLong, HU FaLong, YU AiZhong, ZHAO Cai, CHAI Qiang

College of Agronomy, Gansu Agricultural University/State Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070

【Objective】Water resource scarcity is one of the most prominent constraints for agricultural production in arid irrigation areas, so maize production are mainly mulched with traditional plastic film. However, this process is increasingly challenged byextreme high-temperature and ecological environment pollution. This study investigated the feasibility of maintaining high water use via no tillage with plastic film reusing pattern, and the aim was to prove the theoretical support for the construction of efficient maize production technology with plastic film reduction.【Method】In 2017 and 2018, a field experiment was carried out in Hexi oasis irrigation region from Gansu province to determine the effects of different plastic film mulching and using patterns on soil water utilization of maize field. The treatments included no tillage with plastic film reusing pattern (no tillage with plastic film mulching, NM), no tillage in fall and new plastic film mulching in spring (reduced tillage with plastic film mulching, RM), and conventional tillage with annual new plastic film mulching (conventional tillage with plastic film mulching, the control, CM). 【Result】Compared with CM, the mean soil weight moisture content across the 0-120 cm soil depth was increased by 7.5% and 5.1% with NM and RM before the maize sowing, respectively, which created a good soil moisture environment for sowing of maize. NM had greater mean soil weight moisture content across the 0-120 cm soil depth by 5.0% and 4.7% than thant that under CM from sowing to jointing and silking to early-filling stages, respectively, which made up for the abundant demand of soil moisture for the vigorous growth of maize filling stage.Evapotranspiration under NM was increased until maize big-flare stage, decreased from maize silking to early-filling stage, and increased after maize early-filling stage, which was effectively coordinated with water demand contradiction of maize at each growth stages.Compared with RM and CM, NM increased soil evaporation before silking stage by 11.7% and 26.0%, and increased the ratio of soil evaporation to evapotranspiration (E/ET) by 13.4% and 19.9%, respectively. However, NM reduced soil evaporation after silking stage by 9.2% and 19.4%, and reduced E/ET by 9.7% and 20.7%, respectively.The results indicated that NM was beneficial to enhance the effective utilization of soil water after maize silking stage.Therefore, NM with no tillage and plastic film reduction obtained the same grain yield and water use efficiency for RM and CM.【Conclusion】The results showed that no tillage with plastic film reusing pattern did not lead to a decrease in the grain yield and water use efficiency of maize, compared with conventional tillage with annual new plastic film mulching, but it stabilized grain yield and water use efficiency, thus, this practice was a feasible measure to reduce plastic film input and stabilize productivity of maize production in the arid irrigated area of northwestern China.

maize; no tillage; plastic film mulching; evapotranspiration characteristics;yield

2021-01-18；

2021-06-02

國家自然科學(xué)基金（32101857）、甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目（20JR5RA025，20JR5RA037）、甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2021B-134，2019B-083）、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)（ZCYD-2020-1-4）、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年人才項(xiàng)目（Gaufx-03Y10）

殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）