邓浩亮¹, 张恒嘉^,1,2, 肖让¹, 张永玲¹, 田建良¹, 李福强², 王玉才², 周宏³, 李煊² 1 河西学院土木工程学院/河西走廊水资源保护利用研究所,甘肃张掖 734000
2 甘肃农业大学水利水电工程学院,兰州 730070
3 中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000

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 HengJia^,1,2, XIAO Rang¹, ZHANG YongLing¹, TIAN JianLiang¹, LI FuQiang², WANG YuCai², ZHOU Hong³, LI Xuan² 1 College of Civil Engineering, Hexi University/Institute of Water Resources Protection and Utilization in Hexi Corridor, Zhangye 734000, Gansu
2 College of Water Resources and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070
3 Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000

通讯作者: 张恒嘉,E-mail：zhanghj@gsau.edu.cn

责任编辑: 李莉
收稿日期:2019-05-13接受日期:2019-07-12网络出版日期:2020-01-16

基金资助:

国家自然科学基金.51669001 甘肃省重点研发计划.18YF1NA073 河西学院科研创新与应用校长基金一般项目.XZ2019012 河西学院横向科研项目.H2018005

Received:2019-05-13Accepted:2019-07-12Online:2020-01-16
作者简介 About authors
邓浩亮,E-mail：denghaoliang521@163.com。











摘要
【目的】探讨黄土高原半干旱区不同覆盖种植方式对土壤水热效应及春玉米产量和水分利用效率的影响,为优化陇中旱作农业区春玉米农田土壤水热环境,提高作物产量提供依据。【方法】于2015—2016年在甘肃省榆中县石头沟省级旱作农业示范点开展田间定位试验,设平地全膜覆盖（WM）、平地半膜覆盖（HM）、隔沟覆膜垄播（MRM）、全膜双垄沟播（WRF）、秸秆覆盖（SM）和露地平播（CK）6种种植方式,测定分析春玉米各生育时期土层剖面水热状况、物候特征、不同生长阶段耗水特性和水分利用效率,以及收获后春玉米产量与水分利用效率。【结果】与露地平作（CK）相比,地膜覆盖处理较CK具有增温效应,全生育期土壤平均增温2.42℃,而SM处理表现为降温效应,平均降温0.36℃,且该调节效应主要表现在苗期,随后温度调节效应逐渐减弱;MRM、WRF、HM和SM处理在春玉米整个生育期内保墒效果显著,而WM处理不利于降水收集,仅在春玉米生长前期具有保墒效果,而在中后期随作物耗水增加,土壤含水率低于CK;春玉米在生长中期（拔节至吐丝）耗水最多,生长后期（吐丝至成熟）次之,生长前期（出苗至拔节）耗水最少,其中地膜覆盖耗水量大于秸秆覆盖,全膜覆盖耗水量大于半膜覆盖;地膜覆盖能显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别以HM和WRF处理提高幅度最大,2年平均较CK分别提高250.68%和61.30%;地膜覆盖种植方式在增温、促进耗水作用下使春玉米各生育期提前并增加单株干重,最终表现为产量和水分利用效率的提高,其中以WRF和MRM处理增产和提高水分利用效率效果最为显著,产量较CK分别平均增加171.40%和155.05%,水分利用效率分别平均增加142.80%和125.44%。【结论】垄沟集雨种植方式可明显改善黄土高原半干旱地区土壤水热环境,增加玉米物质积累量,其中全膜双垄沟播种植方式的玉米产量和水分利用效率最佳。
关键词： 玉米;产量;种植方式;垄沟集雨;土壤水热效应;黄土高原;半干旱区

Abstract
【Objective】 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. 【Method】 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. 【Result】 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. 【Conclusion】 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.
Keywords：maize;yield;planting methods;ridge-furrow rainwater harvesting;soil temperature and moisture;Loess Plateau;semi-arid area


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本文引用格式
邓浩亮, 张恒嘉, 肖让, 张永玲, 田建良, 李福强, 王玉才, 周宏, 李煊. 陇中半干旱区不同覆盖种植方式对土壤水热效应和玉米产量的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(2): 273-287 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.005
DENG HaoLiang, ZHANG HengJia, XIAO Rang, ZHANG YongLing, TIAN JianLiang, LI FuQiang, WANG YuCai, ZHOU Hong, LI Xuan. Effects of Different Covering Planting Patterns on Soil Moisture, Temperature Characteristics and Maize Yield in Semi-Arid Region of the Loess Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(2): 273-287 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.005

0 引言

【研究意义】黄土高原（Loess Plateau）地处我国中部偏北方向,海拔高度800—3 000 m,“黄天厚土大河长,沟壑纵横风雨狂”形象地描述了黄土高原的气候和地质形态特征。甘肃陇中属典型的雨养农业经济区,降水量350—400 mm,降水年际变率大且分布不均,7—9月份降水占全年降水55%左右^[1],意味着作物全生育期内处于长期亏水状态。自然降水与农作物需水供需错位所致的季节性干旱是该区作物低产的主要原因之一^[2,3]。而且,该时期降水发生历时短、强度大、破坏性强,同时伴有严重的水土侵蚀,使得有限的降水得不到充分利用。春玉米作为该区主要粮食作物之一,其产量容易受降水影响,低而不稳,如遇枯水年,近乎绝收。尽管常规地膜覆盖（平地全膜覆盖）种植方式可以有效抑制春玉米棵间土壤水分蒸发,提高土壤积温,有效缓解干旱和春季低温对出苗的胁迫,促进生长发育,实现稳产增产,但是这种长期、单一的种植模式对天然降水收集率低,作物生育期耗水量大,导致土壤耗水加剧,造成深层土壤干燥化,并且相关研究表明该种植方式造成土壤质量下降,不利于可持续耕作^[4]。因此如何充分利用天然降雨、维持农田生态系统可持续性、确保粮食生产安全是该区长期以来亟待解决的实践难题。【前人研究进展】垄沟覆盖集雨是一项集全地面地膜覆盖+垄面产流+沟内集流为一体的高效旱作栽培技术,因降水高效收集、保墒抑蒸、农田水土保持、缓解地表径流、协调作物需水与土壤供水平衡,极大程度上改善了作物生长水环境,优化了土壤-作物-大气水生态,可使玉米等大宗作物显著增产而在黄土高原旱作农业区生产中大面积推广^[5]。目前,有关垄沟覆盖栽培技术增产效应已有大量研究报道,如刘高远^[6]、强生才^[7]、张平良^[8]、曾芳荣^[9]等分别进行了垄沟覆盖种植方式对冬小麦（Triticum aestivum I.）、燕麦（Avena sativa L.）、马铃薯（Solanum tuberosum L.）、大豆（Glycine max（Linn.）Merr.）等作物产量研究,结果表明垄沟覆盖种植方式具有改善土壤水热环境,增产和提高水分利用的效果。【本研究切入点】玉米栽培的增产效应报道较多^[10,11],但对其增产机制仍缺乏系统研究,尤其从不同集雨种植方式对土壤温度、土壤贮水量、耗水量、水分利用效率、生育期和干物质累积等的影响入手系统分析其增产机制方面罕见报道。【拟解决的关键问题】本试验以春玉米为试验材料,通过研究6种种植技术对作物季节性水热环境、水分利用效率的调控及其对产量的影响,揭示了不同种植技术增产和高效用水机制,探索出适宜黄土高原旱作农田最佳种植方式,为进一步实现陇中旱塬高标准农田建设提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年和2016年在甘肃省榆中县石头沟省级旱作农业示范点（104°09E,35°87N）进行。该试验区属温带半干旱大陆性气候,海拔1 970 m,年均气温7.4℃,≥0℃积温3 827℃,≥10 ℃有效积温2 625℃,无霜期121 d。作物一年一熟,无灌溉,为典型旱地雨养农业。据1990—2016年降雨资料,该地区年平均降雨量为352.4 mm,蒸发量 1 437.6 mm,降水少且变率大,其中55%的降雨主要集中在7—9月份,为典型的黄土高原雨养农业区。春玉米为当地主要农作物,一年一熟。前茬为春玉米,试验区土壤为黄绵土,0—40 cm土层pH为7.52,有机质、全氮含量分别为13.62、1.05 g·kg^-1,碱解氮、速效磷含量分别为45.6、32.4 mg·kg^-1,肥力偏低。0—100 cm土层田间持水量为20.6%,作物萎蔫系数为6.2%。降雨分布及气温见图1,2015年春玉米全生育期内降水217.8 mm,主要集中在5、7、9月份,属偏枯水年。2016年春玉米全生育期降雨252.1 mm,主要集中在5、7、8月份,属平水年。

图1

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图12015和2016全年降雨和气温变化

Fig. 1Dynamic of precipitation and average air temperature during the 2015 and 2016 year

1.2 试验设计

试验以春玉米（Zea mays L.）为供试材料,品种为金凯3号,设平地全膜覆盖（WM）、平地半膜覆盖（HM）、全膜双垄沟播（WRF）、隔沟覆膜垄播（MRM）、秸秆垄沟覆盖（SM）、露地平播（CK）6个处理（表1,图2）,每个处理3次重复,共18个小区,小区面积75 m²（5 m×15 m）,采用区组随机排列,种植密度均为5.04×10⁴株/hm²。播前对试验小区进行30 cm的翻耕处理,人工除去杂草。地膜采用兰州金土地塑料公司生产的聚乙烯透明膜,地膜宽度为1.2 m,厚度为0.01 mm。小麦秸秆覆盖中小麦秸秆在附近农户获得,将经过碾碎的小麦秸秆切段,长度为5—10 cm,之后按4 000 kg·hm^-2的覆盖量进行地表均匀全覆盖。春玉米2年连作,不更换试验地。播种前基施化肥N 276 kg·hm^-2、P₂O₅ 72 kg·hm^-2和K₂O 156 kg·hm^-2。2015年4月27日播种,10月10日收获。2016年4月25日播种,10月5日收获。当季春玉米收获后残膜和小麦秸秆于翌年4月上旬收集,小麦秸秆收集后用作其他耕地还田肥料。

Table 1
表1
表1试验设计
Table 1Experimental design

处理 Treatment	代码 Code	方法 Method
平地全膜覆盖 Non-contoured seedbed with film mulching	WM	前茬作物收获后及时灭茬,待试验区土壤解冻之前（播前一个月左右）,翻耕30 cm,施入足够肥料,然后用120 cm宽的地膜覆盖,膜与膜之间不留空隙,相互重叠大约5 cm,相接处用土压实,采用等行间距穴播点种。 After the former plants harvest, they should be wiped out. Before the soil thawed in the test area (about a month before sowing), plowed 30 cm, applied enough fertilizer, and then covered with plastic film 120 cm wide. There was no space between films, and they overlapped with each other about 5 cm. Soil was compacted at the junction, and seeds were planted at the same row space.
平地半膜覆盖 Non-contoured seedbed with half film mulching	HM	覆膜前整地、施肥同WM处理,用120 cm宽的地膜覆盖,膜与膜之间间隔40 cm,地膜两侧用土压实,采用宽窄行（宽行70 cm,窄行40 cm）穴播点种。 Before mulching, soil preparation and fertilization were same as WM. Plastic film of 120 cm wide was used to cover the soil, with an interval of 40 cm between the film and soil compaction on both sides of the plastic film. The sowing were used of wide and narrow rows (70 cm wide and 40 cm narrow rows) .
隔沟覆膜垄播 Ridge-furrow with polyethylene film and straw mulching	MRM	覆膜前整地、施肥同WM处理,试验区土壤解冻之前起垄铺膜,每幅垄大小相等,垄幅宽均为35 cm,高15 cm,两垄相接处形成集雨沟,集雨沟宽20cm。选用120 cm宽的地膜,边起垄边覆膜,地膜与垄外侧紧贴,用土压住地膜。在垄上进行穴播点种。 Before mulching, soil preparation and fertilization were same as WM. Before thawing, the soil in the experimental area was furrowed and covered with film. Each ridge is equal in size, with a width of 35 cm and a height of 15 cm. Rain gutters are formed where two ridges meet. The ditch is 20 cm wide. A 120 cm wide mulch is selected, and the mulch is covered while the ridge is covered. The mulch is close to the outside of the ridge, and the soil is pressed by the soil. Spot-seeding on ridges.
全膜双垄沟播 Ridge-furrow with full film mulching	WRF	覆膜前整地、施肥同WM处理,试验区土壤解冻之前起垄铺膜,每幅垄分为大小两垄,垄幅宽110 cm。大垄宽70 cm、高10 cm,小垄宽40 cm、高15 cm。选用120 cm宽的地膜,膜与膜之间不留空隙,相接处用土压住地膜。在大小垄相接处沟内穴播点种。 Before mulching, soil preparation and fertilization were same as WM. Before thawing, the soil in the experimental area was furrowed and covered with film. Each ridge was divided into two ridges with a width of 110 cm. The large ridge was 70 cm wide and 10 cm high, and the small ridge was 40 cm wide and 15 cm high. Plastic film of 120 cm width was selected, no space was left between the film and the film, and soil was used to press the plastic film at the junction. Seeds were planted in the furrows where the ridges connect.
秸秆垄沟覆盖 Ridge-furrow with straw mulching	SM	覆盖前整地、施肥、起垄同WRF处理,用小麦秸秆进行全覆盖,按4 000kg·hm-2 的比例均匀覆盖,在大小垄相接处沟内穴播点种。 Land preparation, fertilization and ridding before mulching were same as WRF, and wheat straw was used for full coverage. According to the proportion of 4 000kg·hm-2, seeds were planted in the ditches where the ridges and ridges connect.
露地平播 Non-contoured seedbed without mulching	CK	采用等行间距穴播点种,无覆盖。 The seeds were seeded at the same row space, without covering.

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图2

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图2不同种植方式示意图

Fig. 2Planting diagram

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤温度 采用直角水银地温计（-30—50℃、精度1℃）在春玉米全生育期进行测定,每个小区布置3套,采集位点为2株玉米中间,测定土层厚度分别为5、10、15、20、25 cm共5个土层。每个生育期连续测定5 d,每天从早上8：00到晚上20：00,每隔2 h观测1次,连续观测5 d,取平均值。日均温取全天7次测定平均值。

1.3.2 土壤含水量 采用传统烘干称重法测定。玉米从播种至成熟,每15 d在两株玉米中间位置取土测定土壤含水量。测深100 cm,分20、40、60、80、100 cm共 5个层次。

土壤含水量SWC= (W₁-W₂) / (W₂-W₃)×100%

式中,SWC为土壤含水量（%）;W₁为土壤鲜样和铝盒的总质量（g）;W₂为烘干土样和铝盒的总质量（g）;W₃为空铝盒的质量（g）。

土壤贮水量SWS =h×ρ×ω×10

式中,SWS为土壤贮水量（mm）;h为土层深度（cm）;ρ为土壤容重（g∙cm^-3）;ω为土壤含水量（%）。

1.3.3 耗水量 采用水量平衡法计算,耗水量

WC_Ⅰ-Ⅱ=10$\sum^n_{i=1}$r_iH_i（W_iⅠ-W_iⅡ）+M+P+K-D。

式中,WC_Ⅰ-Ⅱ为春玉米阶段耗水量（mm）;i为土层序号;n为土层总数;r_ⅰ为第i层土壤干容重（g·cm^-3）;H_i为第i层土壤厚度（cm）;W_iⅠ、W_iⅡ分别为第i层土壤在该生育期阶段始末的质量含水量（%）;M为该生育期阶段内灌水量（mm）,试验地无灌水,故M=0;P为该生育期阶段内降雨量（mm）;K为该生育期阶段内地下水补给量（mm）,试验区地下水埋深大于10 m,故K=0;D为阶段内排水量（mm）,试验区无径流排水,故D=0。

1.3.4 地上生物量 从播种后第15天开始,每个小区随机选取3株玉米,随后每隔15 d进行取样。取样后将各个器官从植株上剪下,用纸袋标记分装,105℃恒温烘箱杀青2 h,然后将温度调至80℃,烘干至恒重,采用精度为0.001 g电子称称重,取各测定均值。

1.3.5 产量 待玉米成熟后按小区单独收获,脱粒并计产,各处理的实际产量以3个重复小区产量的平均值获得。

1.3.6 水分利用效率 根据土壤贮水量、玉米耗水量和产量计算水分利用效率。

WUE=Y×WC^-1

式中,WUE为水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）,Y为作物产量（kg·hm^-2）,WC为全生育期的玉米耗水量（mm）。

WC= WS_B-WS_H +P

式中,WS_B为播前0—100 cm土壤贮水量,WS_H为春玉米收获后0—100 cm土壤贮水量,P为生育期内降雨量。

1.3.7 某一生育期地上干物质水分利用效率 干物质水分利用效率WUE_bi=DM_i×WC_i^-1。

式中,DM_i为某一生育期春玉米累积干物质重量（kg·hm^-2）,WC_i为某一生育期的春玉米耗水量（mm）。

WC_i= WS_i-1-WS_i +Pi

式中,WS_i-1为上一生育期0—100 cm土层土壤贮水量,WS_i为当前生育期0—100 cm土层土壤贮水量,P_i为春玉米这一时段降雨量。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2010对所测数据进行计算,利用SPSS 19.0软件中LED多重比较法比较各处理相关数据差异的显著性,用OriginPro 8.0对各指标进行作图。

2 结果

2.1 不同覆盖种植方式对土壤水热环境的影响

2.1.1 对土壤温度的影响 不同覆盖种植方式下各时段土壤0—25 cm土层平均温度如表2所示。地膜覆盖处理较CK具有增温效应,在春玉米苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期地膜覆盖较CK分别增温3.37—6.42、1.73—3.71、1.20—3.05、0.70—2.12、0.67—2.08℃,其中MRM处理增温效应最显著（P＜0.05）,其次为WRF和WM处理,HM处理增温幅度最小。可以看出,地膜覆盖在春玉米生长前期（苗期和拔节期）增温效应最为显著,其余生育期增幅较小。SM处理无增温效应,0—25 cm土层土壤平均温度均略低于CK,两者间无显著差异（P＞0.05）,说明在半干旱农作区秸秆覆盖不利于土壤温度升高,这与秸秆覆盖阻断了土壤对太阳辐射的吸收和热量传导有关。

Table 2
表2
表2不同覆盖种植方式对春玉米田0-25cm土壤平均温度的影响
Table 2Effect of different covering planting patterns on soil average temperature in 0-25 cm layer (℃)

年份 Year	处理 Treatment	苗期 Seedling	拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	灌浆期 Grain filling	成熟期 Maturity	平均 Mean
2015	WM	22.50b	26.07ab	21.37ab	20.06ab	15.07ab	21.01ab
	HM	21.53b	25.17b	20.76bc	19.62bc	14.45b	20.31bc
	MRM	24.43a	27.29a	22.18a	20.79a	15.52a	22.04a
	WRF	22.02b	25.52b	21.33ab	20.53a	15.29a	20.94b
	SM	18.18c	23.09c	19.39d	18.48c	13.29c	18.48d
	CK	19.08c	23.74c	19.80cd	18.72c	13.50c	18.97cd
	平均 Mean	21.29	25.15	20.80	19.70	14.52
2016	WM	25.40b	25.61ab	22.94bc	19.22ab	14.83ab	21.60b
	HM	24.11b	24.61b	21.90c	18.44bc	13.97bc	20.61c
	MRM	27.31a	26.45a	24.19a	20.11a	15.72a	22.76a
	WRF	24.05b	25.35ab	22.97bc	19.58a	15.53a	21.50b
	SM	19.52c	22.47c	20.24d	17.88c	13.07c	18.64d
	CK	19.82c	22.57c	20.46d	17.93c	13.57c	18.87d
	平均 Mean	23.37	24.51	22.12	18.86	14.45
2年平均 Average numerical values of 2 years	WM	23.95b	25.84ab	22.16b	19.64ab	14.95ab	21.31b
	HM	22.82b	24.89b	21.33b	19.03bc	14.21bc	20.46c
	MRM	25.87a	26.87a	23.18a	20.45a	15.62a	22.40a
	WRF	23.03b	25.44b	22.15b	20.06a	15.41a	21.22b
	SM	18.85c	22.78c	19.81c	18.18c	13.18d	18.56d
	CK	19.45c	23.16c	20.13c	18.33c	13.54cd	18.92d
	平均 Mean	22.33	24.83	21.46	19.28	14.49

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

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2.1.2 对生育期土壤水分含量的影响 旱地不同覆盖种植方式下,春玉米农田0—100 cm土层土壤贮水量季节变化与春玉米生育期和当年降雨分布密切相关（表3）。2015年,春玉米生长前期（苗期和拔节期）,地膜覆盖表现出显著的保墒效应（P＜0.05）,苗期WM、HM、MRM和WRF处理土壤贮水量较CK分别增加20.23%、12.32%、16.96%和19.65%,拔节期分别增加20.27%、14.82%、14.23%和20.66%,原因是苗期和拔节期春玉米耗水量较小,CK因地表无覆盖而蒸发量较大,因此该期间土壤贮水量显著低于地膜覆盖处理。SM处理保墒效应不显著,较CK苗期减少2.95%,拔节期仅增加0.50%。成熟期WM处理土壤贮水量最低,较CK减少6.10%,HM、MRM、WRF和SM处理与CK间无显著差异（P＞0.05）。2016年土壤贮水量整体变化趋势与2015年相似,播种前各处理 0—100 cm土壤贮水量与上一年收获后相比有较大幅度上升,但明显低于上一年播种前,其中,CK最低,HM处理次之,MRM处理最大。成熟期SM处理土壤贮水量最高,较CK显著增加33.75%,可见,SM条件下更有利于雨水的入渗。整体而言,HM、WRF、MRM和SM处理较CK保墒效果显著,而WM处理不利于生育期内降水收集,仅在春玉米生长前期保墒效果显著,而在中后期随作物耗水增加,土壤含水率低于CK。2015—2016年休耕期内共降水59.3 mm,不同种植方式地膜残留和秸秆覆盖对0—100 cm土层土壤贮水量影响各异,其中WRF处理增加幅度最大,其次为WM、MRM、SM和HM处理,分别较CK显著增加126.10%、121.52%、101.44%、64.05%和35.01%（P＜0.05）。可以看出,地表覆盖有利于休耕期内土壤水分贮存,其中全膜双垄沟播种植方式集雨保墒效应最为显著,为翌年春玉米种子萌发提供良好的水分环境。

Table 3
表3
表3不同覆盖种植方式对春玉米田0—100 cm土壤贮水量的影响
Table 3Effect of different covering planting patterns on soil water storage in 0-100 cm layer (mm)

年份 Year	处理 Treatment	耕作期 Plowing	播种 Sowing	苗期 Seedling	拔节期 Jointing	吐丝期 Silking	灌浆期 Grain filling	成熟期 Maturity	收获期 Harvesting	平均 Mean
2015	WM	203.13a	217.80a	245.49a	247.40a	195.58a	158.32ab	112.37b	110.41b	186.31a
	HM	179.44b	185.85c	229.33b	236.18b	197.68a	168.38a	123.79a	114.77ab	179.43a
	MRM	191.86ab	200.85b	238.81ab	234.98b	188.75ab	158.37ab	126.96a	120.85a	182.68a
	WRF	182.03b	190.73bc	244.31a	248.19a	194.80a	161.75a	121.09a	113.27ab	182.02a
	SM	160.51c	168.25d	198.15c	206.72c	176.32b	154.08b	122.84a	118.13a	163.13b
	CK	150.55c	152.40e	204.18c	205.70c	176.15b	157.11ab	119.67ab	116.22ab	160.25b
	平均 Mean	177.92	185.98	226.71	229.86	188.21	159.67	121.12	115.61	175.63
2016	WM	145.72bc	164.30ab	223.84a	234.63a	189.24b	157.67bc	113.15c	108.83c	167.17ab
	HM	136.29cd	140.63c	208.59b	231.80a	197.64ab	166.76b	127.93b	125.65b	166.91ab
	MRM	152.96a	167.13a	198.58bc	213.37bc	179.61c	154.68c	117.20bc	122.27b	163.23b
	WRF	149.31ab	154.88b	197.40bc	225.73a	187.25bc	148.69c	107.76c	119.81b	161.35b
	SM	144.28bc	154.89b	201.82b	222.40ab	208.50a	190.06a	152.46a	154.04a	178.56a
	CK	132.16d	136.85c	189.89c	210.70c	182.04bc	160.89bc	113.99c	109.44c	154.50b
	平均 Mean	143.45	153.11	203.35	223.10	190.71	163.12	122.08	123.34	165.28
2年平均 Average numerical values of 2 years	WM	174.43a	191.05a	234.66a	241.01a	192.41ab	157.99bc	112.76c	109.62c	176.74a
	HM	157.87b	163.24c	218.96b	233.99ab	197.66a	167.57ab	125.86b	120.21b	173.17a
	MRM	172.41a	183.99ab	218.69b	224.17bc	184.18bc	156.52bc	122.08b	121.56b	172.95a
	WRF	165.67ab	172.80bc	220.85b	236.96a	191.03ab	155.22c	114.43bc	116.54b	171.69a
	SM	152.40bc	160.35c	199.98c	214.56cd	192.41ab	172.07a	138.87a	136.09a	170.84ab
	CK	141.36c	144.62d	197.04c	208.20d	179.10c	159.00bc	116.83bc	112.83bc	157.37b
	平均 Mean	160.69	169.34	215.03	226.48	189.46	161.40	121.80	119.47	167.17

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2.2 不同覆盖种植方式对春玉米生长发育与产量的影响

2.2.1 对春玉米干物质积累的影响 不同生育期春玉米干物质积累量的变化在各种植方式间差异显著。玉米全生育期内,干物质积累量表现为单峰曲线变化,在成熟期达到最大值（图3）。覆膜种植在春玉米整个生育期内地上生物量显著大于SM处理和CK,而CK与SM处理之间无显著差异（P＞0.05）。地膜覆盖种植中的MRM处理干物质积累优势最为显著,其次为WRF、WM和HM处理。与CK相比,MRM和WRF处理成熟期单株干物质积累量显著增加,2015年增加43.75%、36.28%,2016年增加24.33%、21.72%（P＜0.05）。可见,垄沟地膜覆盖种植可使春玉米提前出苗,生育期提前,提高单株干物质积累量,为后期稳产高产奠定了基础。

图3

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图3不同覆盖种植方式下春玉米单株干物质积累动态变化

Fig. 3Dynamic changes in dry matter weight per plant of spring maize under different covering planting patterns



2.2.2 对春玉米物候期的影响 半干旱农作区春玉米在不同覆盖种植方式下的物候差异如表4所示。种植方式和覆盖类型均显著影响了春玉米各生育阶段物候期持续时间（P＜0.05）,并且对春玉米营养生长持续时间和整个生育长度的影响也具有显著性（P＜0.05）。垄沟覆膜种植方式中,MRM、WRF处理较SM处理、CK显著缩短了春玉米营养阶段长度,却延长了整个生育期跨度,更有利于春玉米产量的积累。与CK相比,MRM和WRF处理因前期显著增温保墒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,拔节期分别提前7 d和6 d,吐丝期分别提前9.5 d和9 d,灌浆期均提前5 d,成熟期分别提前17 d和16 d。WM处理整个生长季持续时间最短,为148 d,其次为WRF处理（149 d）和MRM处理（149.5 d）,SM处理持续时期间最长,达164.5 d。

Table 4
表4
表4旱地不同覆盖种植方式对春玉米物候期的影响
Table 4Effect of different covering planting patterns on growth stage of spring maize (d)

年份 Year	处理 Treatment	物候期 phenology (d)
		播种—出苗 PS-ES	出苗—拔节 ES-JS	拔节—吐丝 JS-SS	吐丝—灌浆 SS-GS	灌浆—成熟 GS-MS	播种—成熟 PS-MS
2015	WM	10c	30b	38b	16c	54b	148b
	HM	12c	30b	39b	17c	54b	152b
	MRM	10c	28b	33b	16c	59a	146b
	WRF	10c	29b	33b	16c	59a	147b
	SM	20a	40a	45a	22a	39d	166a
	CK	16b	35b	42ab	20b	45c	158ab
	平均 Mean	13.00	32.00	38.33	17.83	51.67	152.83
2016	WM	11b	28c	36c	15c	58b	148b
	HM	14b	26c	42bc	18b	55bc	155ab
	MRM	11b	26c	33d	17bc	65a	152ab
	WRF	11b	27c	34cd	17bc	63ab	152ab
	SM	19a	42a	50a	24a	28d	163a
	CK	15b	33b	43b	23ab	45c	159ab
	平均 Mean	13.50	30.33	39.67	19.00	52.33	154.83
2年平均 Average numerical values of 2 years	WM	10.5c	29.0c	37.0c	15.5c	56.0b	148.0b
	HM	13.0c	28.0c	40.5bc	17.5b	54.5bc	153.5ab
	MRM	10.5c	27.0c	33.0d	16.5bc	62.0a	149.0b
	WRF	10.5c	28.0c	33.5d	16.5bc	61.0ab	149.5b
	SM	19.5a	41.0a	47.5a	23.0a	33.5d	164.5a
	CK	15.5b	34.0b	42.5b	21.5ab	45.0c	158.5ab
	平均 Mean	13.25	31.17	39.00	18.42	52.00	153.83

PS：播种期,ES：出苗期,JS：拔节期,SS：吐丝期,GS：灌浆期,MS：成熟期
PS: Planting stage, ES: Emergence stage, JS: Jointing stage, SS: Silking stage, GS: Grouting stage, MS: Maturation stage

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2.2.3 对春玉米产量和水分利用效率的影响 试验期不同覆盖种植方式春玉米产量和水分利用效率如图4所示。可以看出,旱地不同覆盖种植方式对春玉米产量和水分利用效率有显著影响并与当年降雨分布密切相关。2年结果表明,地膜覆盖处理春玉米产量和水分利用效率显著高于秸秆覆盖和无覆盖处理（P＜0.05）,SM处理和CK间产量无显著差异（P＞0.05）。2015年,WM、HM、MRM、WRF和SM处理春玉米产量分别较CK增加116.35%、95.24%、152.85%、170.24%和9.56%,水分利用效率分别提高67.69%、74.81%、117.21%、135.58%和4.33%。2016年,各处理春玉米产量分别较CK增加127.74%、100.42%、157.16%、172.51%和23.90%,水分利用效率分别提高106.48%、108.10%、134.11%、150.40%和33.81%。可以看出,2016年春玉米产量和水分利用效率显著高于2015年,这与2016年春玉米生育期降水较多,促进生物量积累有关。可见,该区旱地春玉米产量与水分利用效率的大小随降水量增加而增加。综合2个生长季春玉米产量与水分利用效率比较发现,不同覆盖种植方式中,WRF处理获得最大产量,为7 222.63 kg·hm^-2,MRM、WM和HM处理次之,分别较CK增加171.40%、155.05%、122.16%和97.88%,差异显著（P＜0.05）,而SM处理较CK仅增加16.88%。水分利用效率依然以WRF处理最高,为24.62 kg·hm^-2·mm^-1,MRM处理次之,分别较CK增加142.80%和125.44%,而SM处理均表现为最小增长幅度,仅为18.74%。

图4

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图4不同覆盖种植方式对春玉米产量及水分利用效率的影响

Fig. 4Effect of different covering planting patterns on yield and water use efficiency of spring maize

2.3 不同覆盖种植方式对春玉米阶段耗水量和水分利用效率的影响

旱地不同覆盖种植方式对春玉米阶段性耗水量、耗水模系数及水分利用效率的影响显著并与当年降雨分布密切相关（表5）。2015年春玉米生长前期（出苗至拔节）WM处理耗水量最大,其次为MRM和SM处理,分别较CK显著增加69.10%、55.89%和43.24%,而WRF处理较CK耗水量减少12.13%（P＜0.05）;生长中期（拔节至吐丝）各覆盖处理耗水量较CK增加幅度不同,其中WRF、WM、和MRM处理分别较CK显著增加19.57%、18.28%和13.69%（P＜0.05）,HM和SM处理与CK间无显著差异（P＞0.05）;生长后期（吐丝至成熟）WM处理耗水量最大,其次为HM和WRF处理,分别较CK显著增加28.32%、18.45%和18.26%（P＜0.05）,MRM和SM处理与CK间无显著差异（P＞0.05）。2016年春玉米生长前期MRM处理耗水量最大,其次为WRF和SM处理,分别较CK显著增加54.44%、26.53%和15.41%,而WM和HM处理较CK分别减少16.39%和37.62%,各处理与CK间差异显著（P＜0.05）;生长中期WM处理耗水量最大,较CK增加20.08%,差异显著（P＜0.05）,而其他处理与CK间无显著性差异（P＞0.05）;生长后期WRF处理耗水量最大,分别较CK增加11.21%,差异显著（P＜0.05）,而其他处理与CK间无显著性差异（P＞0.05）。可见,不同覆盖种植方式对春玉米耗水量影响不同。由耗水模系数可以看出,春玉米生长中期耗水最多,其次是生长后期,生长前期耗水最少。2015—2016年2年平均总耗水量中,WM、MRM、WRF处理与HM、SM处理、CK之间差异显著（P＜0.05）,总耗水量以WM处理最大,其次为MRM、WRF、HM处理和CK,WM、MRM、WRF处理总耗水量分别较CK增加19.22%,12.98%和11.64%,差异显著（P＜0.05）,而HM和SM处理与CK间无显著性差异（P＞0.05）。

Table 5
表5
表5不同覆盖种植方式对春玉米阶段性耗水量和水分利用效率的影响
Table 5Effects of different covering planting patterns on seasonal water consumption and seasonal water use efficiency of spring maize

年份 Year	处理 Treatment	生育时期Growth stage									总耗水量 Total water consumption (mm)	籽粒水分 利用效率 Grain water use efficiency (kg·hm-2·mm-1)
		前期（出苗-拔节） Early stage (Budding-Jointing)			中期（拔节-吐丝） Middle stage (Jointing-Silking)			后期（吐丝-成熟） Later stage (Silking-Maturity)
		耗水量 WC (mm)	耗水模系数 WCC (%)	水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1)	耗水量 WC (mm)	耗水模 系数 WCC (%)	水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1)	耗水量 WC (mm)	耗水模系数 WCC (%)	水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1)
2015	WM	58.00a	17.94	44.55c	144.12a	44.59	91.65c	121.11a	37.47	57.83de	323.23a	17.44c
	HM	37.27d	13.32	65.29b	130.80bc	46.74	105.52b	111.79b	39.94	55.28e	279.86bc	18.18c
	MRM	53.47b	18.33	45.54c	138.53b	47.49	116.50a	99.69c	34.18	71.45c	291.69b	22.59b
	WRF	30.14e	10.49	70.77a	145.69a	50.69	105.72b	111.61b	38.83	61.17d	287.44b	24.50a
	SM	49.13c	18.67	10.31e	122.70c	46.62	55.37e	91.38d	34.72	100.75a	263.21cd	10.85d
	CK	34.30d	13.69	20.70d	121.85c	48.64	72.35d	94.38cd	37.67	88.48b	250.53d	10.40d
	平均 Mean	43.72	15.41	42.86	133.95	47.46	91.18	104.99	37.13	72.49	282.66	17.33
2016	WM	33.16e	10.93	70.84b	160.00a	52.76	69.75d	110.09ab	36.30	78.56d	303.25a	20.40c
	HM	24.74f	9.34	78.49a	136.35c	51.49	74.50cd	103.71b	39.17	102.05c	264.79bc	20.56c
	MRM	61.25a	20.28	37.74d	144.37b	47.80	80.57bc	96.41c	31.92	107.57c	302.03a	23.13b
	WRF	50.18b	16.77	46.11c	135.55c	45.30	93.52a	113.49a	37.93	77.65d	299.22a	24.74a
	SM	45.77c	17.98	13.20f	118.72d	46.64	40.12f	90.04c	35.38	151.92a	254.53c	13.22d
	CK	39.66d	14.42	20.29e	133.25c	48.46	51.17e	102.05bc	37.11	116.93b	274.96b	9.88e
	平均 Mean	42.46	14.96	44.45	138.04	48.74	68.27	102.63	36.30	105.78	283.13	18.66
2年 平均 Average numerical values of 2 years	WM	45.58b	14.44	57.70b	152.06a	48.67	80.70c	115.60a	36.89	68.19e	313.24a	18.92c
	HM	31.01e	11.33	71.89a	133.58bc	49.11	90.01b	107.75ab	39.56	78.67d	272.33b	19.37c
	MRM	57.36a	19.31	41.64c	141.45ab	47.65	98.54ab	98.05b	33.05	89.51c	296.86a	22.86b
	WRF	40.16c	13.63	58.44b	140.62b	47.99	99.62a	112.55a	38.38	69.41e	293.33a	24.62a
	SM	47.45b	18.32	11.76e	120.71d	46.63	47.75e	90.71c	35.05	126.33a	258.87b	12.04d
	CK	36.98d	14.06	20.50d	127.55cd	48.55	61.76d	98.22b	37.39	102.71b	262.75b	10.14e
	平均 Mean	43.09	15.18	43.65	135.99	48.10	79.73	103.81	36.72	89.14	282.90	17.99

WC：耗水量,WCC：耗水模系数
WC: Water consumption, WCC: Water consumption coefficient

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2015年各处理春玉米阶段性水分利用效率呈抛物线型变化,均在春玉米生育中期达到最大值。覆膜种植方式春玉米生长前期和中期水分利用效率较大,这是由于地膜覆盖的增温保墒作用,促进了春玉米地上生物量的积累,显著提高了水分利用效率。随春玉米生育进程的推进,进入生育后期,地膜覆盖处理春玉米以生殖生长为主,地上生物量积累主要表现为籽粒产量的积累,而SM处理和CK在该时段内生长旺盛,地上生物量积累为籽粒产量和茎秆生物量的综合积累。因此,春玉米生育后期SM处理和CK水分利用效率显著高于地膜覆盖,其中SM处理最大,为100.75 kg·hm^-2·mm^-1,CK次之,MRM、WRF、WM、HM处理分别较CK降低19.25%、30.87%、34.64%和37.52%,差异显著（P＜0.05）。2016年春玉米生育期降雨量与2015年分布不同,各处理春玉米阶段性水分利用效率呈递增变化,均在春玉米生育后期达到最大值,其中SM处理最大,为151.92 kg·hm^-2·mm^-1,CK次之,MRM、HM、WM、WRF处理分别较CK降低8.01%、12.73%、33.82%和33.60%,差异显著（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 增加耕层土壤温度,调节地热环境

黄土高原早春低温干旱不利于春播作物种子的萌发和苗期形态建成^[12]。地膜覆盖后显著的增温保墒效果可有效解决这一难题,其中垄沟地膜覆盖效果最为显著^[13]。垄沟覆盖系统独特的地形结构不仅改善了土壤水分状况,还对近地面冠层下侧太阳光分布进行重建,使作物近地面冠层接受更多的光照,改善光照环境,显著增加生长前期的吐丝期积温,进而提高光合利用效率,对甘肃陇中地区季节性低温有很好的缓解作用,有利于作物出苗健苗壮苗^[14]。本试验条件下,地膜覆盖较CK具有增温效应,在春玉米苗期、拔节期、吐丝期、灌浆期和成熟期较CK分别增温3.37—6.42、1.73—3.71、1.20—3.05、0.70—2.12、0.67—2.08℃。全生育期内MRM处理增温效应最显著,WM和WRF处理次之,分别较CK平均增温3.48、2.38和2.30℃,HM处理增温幅度最小,仅为1.54℃。地膜覆盖在春玉米生长前期（苗期和拔节期）增温效应最为显著,其余生育期增幅较小。目前有关地膜增温效应已有大量研究报道,而对于秸秆覆盖的增温效应结论尚未统一。目前主要有3种观点：一是部分研究者认为秸秆覆盖阻挡了光照直射,土壤温度降低^[15];二是大部分研究者认为秸秆覆盖具有双重效应,在大气温度较低有增温效应,高温时有降温效应,并能缩小作物在生长季间和昼夜间的土壤温度变化幅度^[16];三是少部分研究者认为秸秆覆盖减少了地表热量向大气扩散,土壤温度升高^[17]。造成结论尚未统一的原因可能是覆盖厚度和所在试验区域等不同所致。本试验结果显示,SM处理较CK无增温效应,且0—25 cm土层土壤平均温度均略低于CK。

3.2 提高土壤贮水能力,缓解水分供需矛盾

垄沟地膜覆盖采用“W”型能使膜面上所接纳的降水汇集流向播种沟,导流到玉米根系周围,通过种植沟不断下渗,进而提高了土壤水分贮存量,使土壤水分时空再分配,更高效地被作物利用^[18]。同时,垄沟地膜覆盖在近地表层形成土壤-地膜水循环空间,土壤湿度保持在相对稳定且较高的水平。土壤表层水分变化能够反映出土壤水分应对大气环境的变化,中层水分变化能够反映土壤贮水的能力,深层水分变化能够反映土壤供给作物耗水潜力的大小^[19]。顾贺等^[20]研究显示,垄沟集雨较平作可增加土壤贮水量14.24—52.02 mm。周宏等^[21]研究证实,旱区垄沟集雨种植方式较露地平作可显著增加土壤贮水量22.4—41.2 mm,促进了有限降水向土壤水和作物水的转化效率,缓解了作物水分供需矛盾,是应对极端气候变化的重要生态策略。本试验条件下,2015年为偏枯水年,2016年为平水年,且2年降雨分布不同,但2年试验均显示,垄沟地膜覆盖在春玉米苗期和拔节期保墒贮水效果显著,2015—2016年2个生长季,春玉米苗期MRM和WRF处理土壤贮水量较CK分别增加10.99%和12.08%,拔节期分别增加7.67%和13.81%,吐丝期分别增加2.84%和6.66%。随春玉米生长,耗水量逐渐增大,各处理0—100 cm土壤贮水量整体均呈下降趋势,但MRM和WRF处理种植方式依然表现出显著集雨效应,收获后土壤含水量分别较CK增加7.74%和3.29%。春玉米收获后WM处理土壤贮水量最低,仅在春玉米生长前期具有保墒效果,而在中后期不利于降水收集,春玉米生长完全依靠土壤水分,土壤水分含量显著减少。本结论与韩凡香^[22]研究结果一致,均表明垄沟覆盖增墒效应在春玉米生长前期和中期大于后期,且大于平地种植,收获后秸秆覆盖贮水量大于地膜覆盖。

3.3 优化需水配置,提高水分利用效率

地膜覆盖种植作物生长效应明显,其中以垄沟覆膜效果最为显著。在抑蒸和膜下毛细管“提墒”的共同作用下,地膜覆盖优化了作物需水和土壤供水关系,使作物更容易利用土壤水分满足生长需求,从而增加了土壤水分高耗性,这种高耗水现象在旱年、旱季更加明显^[1]。谢军红等^[23]研究发现,覆膜垄作耗水量最高,全覆膜平作、半覆膜平作次之,不覆膜平作最低。本试验条件下,总耗水量以WM处理最大,达313.24 mm,其次为MRM、WRF、HM处理和CK,WM、MRM、WRF处理分别较CK总耗水量增加19.22%,12.98%和11.64%,差异显著,而SM处理总耗水量较CK减少1.48%。造成两者结论差异的原因可能与玉米的耗水量受产量水平、品种、栽培条件、气候等众多因子的影响有关。综合2个生长年份阶段耗水量和耗水模系数发现,玉米耗水量受降水量的影响较大,生育期降水量少,耗水量相应变低,春玉米在生长中期（拔节至吐丝）耗水最多,生长后期（吐丝至成熟）次之,生长前期（出苗至拔节）耗水最少,各种植方式间表现为地膜覆盖高于秸秆覆盖、全膜覆盖高于半膜覆盖。

3.4 改变物候格局,提高籽粒灌浆充实度

物候格局不仅表征了作物生长发育等季节性现象对环境影响周期性变化,同时也是作物生长环境资源的集中体现^[24]。垄沟覆盖种植模式因改变了作物生长水热环境,势必对作物物候格局产生明显的影响^[25]。在黄土高原旱地农作区,春玉米播种期土壤干旱、积温较低,玉米健苗壮苗受阻,导致苗期持续时间较长。垄沟地膜覆盖,特别是秋覆膜和顶凌覆膜能够显著提高土壤水分含量,增加土壤有效积温,为作物出苗、健苗、壮苗提供有利的水热环境。并且,该保墒增温效应可持续整个生育期,因此除苗期外,垄沟覆膜集雨栽培技术还可显著缩短玉米营养生长期,使玉米提前进入生殖生长期,从而缩短整个生育进程^[26]。本试验表明,垄沟覆膜种植方式能明显缩短春玉米营养阶段长度,却延长了整个生育期跨度,更有利于春玉米产量的积累。相反,秸秆覆盖种植模式下玉米营养生长阶段被延长,进而延长了整个生长季的持续时间。这与前先的研究结果具有很大重复性^[27],但各生育期变化幅度差异明显,该结论的差异性与各自试验区品种的选择、特定的气候条件、当季的降水特征和积温效果有极大关系。

3.5 削弱极端气候影响,保持产量稳中有升

在黄土高原旱作农业区,垄沟覆盖集水种植方式具有显著的保墒增温效应,使无效和微效降水得到有效利用,使生育期间的有效积温得到升高,耕层土壤水温条件的改善促进了根系发育和对养分的吸收,促进玉米植株的生长发育,极大程度上提高了玉米在生殖阶段叶绿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产能力,促进了根茎叶穗的干物质积累,提高了单穗重、穗粒重等经济性状,减少了无效穗长,进而显著提高玉米产量和水分利用效率^[28,29]。2015年是偏枯水年,生长季内高温少雨严重影响了籽粒形成和发展,导致对照组收获了非常低的籽粒产量,但对垄沟地膜覆盖种植方式影响较小。2个生长季综合来看,WRF和MRM处理获得最大籽粒产量,分别为7 222.63和6 787.60 kg·hm^-2,较CK分别增加171.40%、155.05%,WRF处理籽粒水分利用效率（24.62 kg·hm^-2·mm^-1）显著大于MRM处理（22.86 kg·hm^-2·mm^-1）,较CK分别增加142.80%和125.44%。垄沟地膜覆盖的增产效应已被广泛证实,然而其增产幅度很大程度上依赖于作物生育阶段内水热配置^[30,31]。大多研究表明,作物生育期内降水越少增产效应越显著^[32]。而本试验发现,平水年的增产效应要显著高于偏枯水年,没有很好地支持前期的研究结论,这可能与不同试验区玉米耗水临界值有关,因此可寻求黄土高原旱作农业区春玉米最优水分生产函数模型,使有限水资源利用最大化。

4 结论

在黄土高原旱作农业区,覆膜种植可显著改善玉米生育前期土壤的水热环境,垄沟覆膜的增温保墒效果优于平地覆膜、半覆膜和不覆膜,其中全膜双垄沟播种植方式的增温保墒效果最佳。全膜双垄沟播种植无论在平水年还是偏枯水年,其产量和水分利用效率均最高,且在平水年增幅大于偏枯水年。纵观土壤水热特性及产量效应,全膜双垄沟播集雨种植方式增产及提高水分利用效率效应较好,可作为优化陇中旱作农业区春玉米农田土壤水热环境的理想栽培技术。

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