0 引言
【研究意义】黄土高原地区旱地农田总面积约为6.389×106 hm2,光热资源丰富,是我国最重要的旱作农业产区之一。该区常年降水量300—600 mm,理论上能够满足农作物正常生长需求,然而由于蒸发量远远大于降水量,降水时空分布极不均衡,实际能被作物利用的降水不足总降水量的40%[1]。因此采取有效的覆盖栽培措施,最大程度地将降水贮存在土壤中,并对季节性土壤水分亏缺进行有效调节是该区农业生产的重中之重。【前人研究进展】塑料地膜覆盖能够有效改善耕层土壤水、热条件,协同提高玉米“源-库”能力,增加籽粒产量[2,3,4]。然而玉米高产是以高耗水为代价的,连年进行塑料地膜覆盖栽培容易造成土壤水分亏缺和引起产量波动[5,6]。此外,在长期使用塑料地膜覆盖的农田中,残留的地膜会对土壤环境造成一定污染,影响作物耕作及生长发育[7]。因此,采用秸秆、生物降解膜等环保材料来代替塑料地膜,或者采用仅在垄上覆膜沟播集雨种植技术（简称膜垄种植）来减少塑料地膜的使用量,增加土壤水分的有效性,对于该区协调作物产量与农田耗水量关系,保障玉米持续稳定增产具有重要意义[8,9,10]。对于黄土高原春播作物而言,冬春休闲期（上年11月至翌年4月）降水稀少,蒸发强烈,土壤蓄水保墒十分困难,在上年秋季进行休闲期地面覆盖可最大限度地发挥农田覆盖的防旱保墒的作用,贮存秋墒,缓解春季干旱胁迫[11,12]。【本研究切入点】黄土高原地区降水量变率大,地膜覆盖所导致的深层土壤干燥化的问题相对复杂。玉米连作条件下,其土壤水分是否能够持续高效利用的问题至今尚不明确。而秸秆、降解膜覆盖及膜垄种植的增产效果受降水和温度等气候因素影响较大,这些覆盖方式结合周年覆盖（休闲期+生育期）对农田土壤水、热环境的调控效应及其对塑料地膜的可替代性迫切需要进一步探究。【拟解决的关键问题】在黄土高原半干旱区,研究不同周年覆盖方式（塑料地膜全膜覆盖、降解膜全膜覆盖、膜垄种植和秸秆覆盖）对土壤水、热动态变化特征及其生产效率的影响,回答不同覆盖方式能否协同调控土壤水、热与持续增产、增效的问题,为该区域提高水、热资源利用效率,确立高效环保覆盖方式提供科学依据。1 材料与方法
1.1 研究地区概况
试验于2012年11月至2015年10月,在宁夏回族自治区固原市彭阳县长城村（35°51′ N,106°48′ E）进行,试验区海拔1 658 m,地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地。该地区近40年降水量350—550 mm,年蒸发量1 753.2 mm,年平均气温7.4℃—8.5℃,年平均日照时数2 518 h,无霜期140—160 d。土壤为黄绵土,2 m土层平均土壤容重、田间持水量、稳定土壤含水量（土壤中的悬着水停止向蒸发面运行,土壤水分接近于均衡状态时的土壤含水量）和萎蔫系数分别为1.4 g·cm-3、19%、12%和5%,0—60 cm土层速效氮、磷、钾和有机质含量分别为50.06 mg·kg-1、10.78 mg·kg-1、131.40 mg·kg-1和11.63 g·kg-1。试验期间各月降水量和气温分布情况分别见图1和图2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1试验期间月降水量分布
-->Fig. 1The monthly precipitation distribution during the experimental year
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2试验期间日平均气温分布
-->Fig. 2The distribution of daily average air temperature during the experimental period
-->
1.2 试验设计
试验设周年（休闲期+生育期）塑料地膜全膜覆盖（PM）、降解膜全膜覆盖（BM）、膜垄种植（RH）、秸秆覆盖（SM）及裸地不覆盖（CT）5个处理,完全随机设计,每个处理田间重复3次,小区种植面积为58.8 m2（长14 m×宽4.2 m）。塑料地膜和降解膜全膜覆盖处理为平膜全量覆盖,膜宽均为120 cm,厚度均为0.008 mm,覆盖后沿地膜带垂直方向每隔200 cm压一土带,防大风揭膜。膜垄种植处理沟、垄宽均为60 cm,垄高为15 cm,在垄上覆普通塑料地膜,膜宽90 cm,厚0.008 mm,沟中不覆盖作为种植区。所用塑料地膜为固原圆德塑料制品有限公司生产,所用降解膜为日本昭和电工株式会社生产的白色地膜,成分为聚丁二酸丁二醇酯（PBS）,完全降解需270 d左右。秸秆覆盖处理为整秆均匀覆盖,覆盖量为9 000 kg·hm-2,为不影响玉米出苗,在播种时将所覆秸秆移除,待出苗后再重新覆盖。试验作物为春玉米,品种为富农821,播种密度为66 660株/hm2（行距60 cm,株距25 cm）,人工用鹰嘴播种/施肥器进行播种和施肥,其中施化肥N 300 kg·hm-2和P2O5 150 kg·hm-2（播前基肥﹕大喇叭口期追肥=1﹕1）,全生育期不灌水。上季作物收获后,将各覆膜处理的旧地膜全部移除,在10月下旬至11月上旬重新覆盖地膜,秸秆覆盖处理重新覆盖秸秆。4月中下旬播种,9月底至10月中旬收获,其中降解膜全膜覆盖处理只在2013年 11月至2015年10月进行。试验期间根据情况人工进行除草,其他栽培管理同大田。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 玉米生长发育指标及产量的测定 玉米播种后,每隔20 d,各小区选取5株长势一致的代表性植株,65℃烘至恒重,测其干重。收获时,每个小区选取代表性4行,每行随机连续收获10株进行测产（产量按14%标准含水量计）。运用Logistic生长方程Y=K/(1+EXP (a+bt))对玉米地上干物质重量进行曲线拟合,并估算方程特征值[13]。式中,t为生长天数（d）;a和b是待定系数（a>0,b<0）,K为生物量理论最大值。当t0= -a/b时,有d2y/d2t=0,此时生物量增长速度达最大值,即Vm= dy/dt= -bK/4;t0表示生物量累积最快时间,此时的生物量增长速率又叫做“速度特征值”。t1=(ln(2+ 1.732) -a)/b,t2=(ln(2-1.732)-a)/b,分别为生物量快速累积的开始和结束时间,△Y为t2与t1时刻生物量的差值,即生物量在快速累积阶段的增长量。
1.3.2 土壤水分的测定 采用土钻法测定,测定深度为0—200 cm土层,其中0—20 cm 每10 cm取1个土样,20 cm以下每20 cm取1个土样。膜垄种植取样位置为种植沟中、垄侧和垄下,其余处理为种植区的种植沟中。取样时期为休闲期初始、早春和播期,生育期在播种后每20 d测定一次,直至玉米收获。所取土样在2 h内测定其湿重,在105℃烘箱内烘至恒重后称量干重,根据公式（1）计算土壤储水量：
$SW=\sum\limits_{i}^{n}{{{h}_{i}}\times {{\rho }_{i}}}\times {{b}_{i}}\times 10/100$ （1）
式中,SW为土壤储水量（mm）;hi为土层深度（cm）;ρi为土壤容重（g·cm-3）;bi为土壤水分重量百分数;n为土层数量;i = 10, 20, 40, … 200。
冬春休闲期储水量（RSF）为休闲期初始（SWBF）和休闲期结束（即播期,SWEF）200 cm土层土壤储水量的差值[14];季末供水能力（WSC）为收获期覆盖处理和裸地对照处理200 cm土层土壤储水量的差值[15]。
1.3.3 农田耗水量 农田耗水量根据土壤水分平衡公式（2）计算[16]：
ETi=Pi+ΔSWi+C-D-R （2）
式中,ETi为农田阶段耗水量（mm）;Pi为阶段降水量（mm）;ΔSWi为阶段内200 cm土层的土壤储水量的变化量（mm）;C为地上水上升补给量（mm）;D为深层渗漏量（mm）;R为地表径流（mm）。试验地区地下水位超过80 m,因此地下水上升补给量可忽略不计。在降水量较低的半干旱地区,作物的农田降水入渗深度不超过200 cm,另外本试验选择的地势较平坦,故认为深层渗漏量和径流量为0。
1.3.4 水分利用指标计算 为定量评价不同覆盖方式对降水资源的利用状况,分别利用公式（3）、（4）、（5）和（6）计算籽粒水分利用效率、降水利用效率[17]、降水潜在利用效率[18]和耗水系数[19]：
WUE=Y/ET （3）
PUE=Y/(PF+PG) （4）
PPE=[PF(1-γ1)+PG(1-γ2)-ETf]×100/(PF+PG) （5）
WUC=(ΔSW+PF+PG)×10/Y （6）
式中,WUE为籽粒水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）;Y为籽粒产量（kg·hm-2）;ET为玉米生育期农田耗水量（mm）;PUE为降水利用效率（kg·hm-2·mm-1）;PF和PG分别为休闲期和生育期降水量（mm）;PPE为降水潜在利用率（%）;γ1和γ2分别为休闲期和生育期径流系数,由于试验地为平整无径流损失的旱作农田,故γ1和γ2的取值均为0;ETf为休闲期农田蒸发量（mm）;WUC为耗水系数（m3·kg-1）;ΔSW为休闲期初始和收获期200 cm土层土壤储水量的差值（mm）。
1.3.5 土壤温度的测定 用曲管水银地温计测定5、10、15、20及25 cm处的土壤温度,温度计均置于各处理玉米株间,测定时间在8：00—20：00,每隔2 h记录一次,播种后每10 d读取一次地温直至玉米收获。利用公式（7）计算土壤有效积温[20]：
AT=∑(Tmean-Tbase) （7）
式中,AT为土壤有效积温（℃）;Tmean为日平均土壤温度;Tbase为玉米基础有效温度,其值为10℃。当Tmean<Tbase时土壤有效积温记为0℃。
土壤积温生产效率（TUE,kg·hm-2·℃-1）为玉米产量（kg·hm-2）与生育期有效积温（℃）的比值 [2]。
1.4 数据处理
数据采用Sigmaplot13.0软件作图、SPSS 18.0软件进行统计分析,采用LSD法进行差异显著性检验,当P<0.05时认为差异达到显著水平。2 结果
2.1 试验年份降水量情况
2013、2014和2015年休闲期降水量分别为22、99和62 mm,分别为多年同期降水量的31%、139%和87%,玉米生育期降水量分别为590、317和335 mm,分别为多年同期降水量的174%、94%和99%。2013年休闲期相对干旱,但生育期降水异常丰沛,其中玉米生育中后期7—9月份降水量较同期多年降水量增加了178 mm,增幅达74%。2014年休闲期降水偏多,但生育期降水量正常。2015年休闲期降水量正常,但玉米生育中后期相对干旱,7—9月份降水量较同期多年降水量减少了71 mm,减少幅度为30%（图1）。2.2 玉米生长发育及产量对不同覆盖方式的响应
2.2.1 玉米干物质累积特征 利用Logistic生长模型对玉米干物质累积进行曲线拟合,表1结果显示,地膜覆盖明显加速了玉米的生长发育,相比CT处理,PM、BM和RH处理分别平均提前16、9和8 d进入干物质快速累积期,平均最大累积速度分别提高了1.6、0.5和0.8 g·d-1,快速累积期的平均干物质增长量分别增加了94、36和56 g。SM处理生长发育迟缓,进入干物质快速累积期的时间较CT平均推迟了5 d,干物质最大累积速度及其在快速累积期的增长量分别较CT平均降低了0.9 g·d-1和36 g。Table 1
表1
表1不同覆盖方式玉米干物质累积Logistic方程
Table 1The logistic equation of plant biomass accumulation with different mulching treatments
| 年份 Year | 处理 Treatment | t1 (d) | t2 (d) | t0 (d) | Vm (g·d-1) | △Y(g) | 方程 Equation | R2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | PM | 77 | 125 | 101 | 6.21 | 260.77 | Y=451.691/(1+EXP(5.551-0.055t)) | 0.99 |
| RH | 85 | 128 | 107 | 6.16 | 229.44 | Y =397.420/(1+EXP(6.610-0.062t)) | 0.99 | |
| SM | 93 | 138 | 116 | 3.72 | 145.65 | Y =252.285/(1+EXP(6.819-0.059t)) | 0.99 | |
| CT | 91 | 129 | 110 | 5.71 | 188.33 | Y =326.210/(1+EXP(7.704-0.070t)) | 0.99 | |
| 2014 | PM | 62 | 115 | 88 | 6.30 | 290.79 | Y =503.691/(1+EXP(4.421-0.050t)) | 0.99 |
| BM | 67 | 121 | 94 | 4.07 | 191.94 | Y =332.476/(1+EXP(4.617-0.049t)) | 0.99 | |
| RH | 68 | 123 | 96 | 4.90 | 235.91 | Y =408.636/(1+EXP(4.601-0.048t)) | 0.99 | |
| SM | 80 | 130 | 105 | 3.00 | 133.40 | Y =231.074/(1+EXP(5.468-0.052t)) | 0.99 | |
| CT | 75 | 129 | 102 | 3.35 | 161.04 | Y =278.947/(1+EXP(4.893-0.048t)) | 0.99 | |
| 2015 | PM | 73 | 131 | 102 | 5.47 | 280.64 | Y=486.103/(1+EXP(4.581-0.045t)) | 0.98 |
| BM | 83 | 148 | 116 | 4.30 | 242.10 | Y=419.361/(1+EXP(4.740-0.041)) | 0.99 | |
| RH | 82 | 146 | 114 | 4.43 | 249.64 | Y=432.423/(1+EXP(4.662-0.041)) | 0.99 | |
| SM | 98 | 150 | 124 | 3.61 | 163.60 | Y=283.375/(1+EXP(6.321-0.051)) | 0.99 | |
| CT | 93 | 150 | 122 | 3.99 | 200.15 | Y=346.697/(1+EXP(5.600-0.046)) | 0.99 |
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2.2.2 不同覆盖方式玉米生育进程 各覆膜处理均明显缩短了玉米的各个生育进程,其中PM、BM和RH处理拔节期分别较CT平均提前了15、8和 7 d,成熟期分别平均提前了17、7和7 d。SM处理生育进程明显滞后,拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期分别较CT平均推迟了4、5、4和5 d（表2）。
Table 2
表2
表2不同覆盖方式玉米生长发育进程（日期,播种后天数）
Table 2The growth and developmental progress with different mulching treatments (date (M-D), days after sowing (d))
| 年份 Year | 处理 Treatment | 出苗 Emergence | 拔节 Jointing | 抽雄Tasseling | 灌浆 Filling | 成熟 Maturity |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | PM | 4-27 (12) | 5-23 (38) | 7-10 (86) | 7-25 (101) | 9-20 (158) |
| RH | 5-1 (16) | 6-1 (47) | 7-16 (92) | 8-1 (108) | 9-27 (165) | |
| SM | 5-3 (18) | 6-9 (55) | 8-3 (110) | 8-16 (123) | 10-10 (178) | |
| CT | 5-3 (18) | 6-6 (52) | 7-25 (101) | 8-9 (116) | 10-2 (170) | |
| 2014 | PM | 5-5 (6) | 6-3 (35) | 7-11 (73) | 7-26 (88) | 9-28 (152) |
| BM | 5-7 (8) | 6-10 (42) | 7-23 (85) | 8-5 (98) | 10-9 (163) | |
| RH | 5-9 (10) | 6-10 (42) | 7-21 (83) | 8-2 (95) | 10-7 (161) | |
| SM | 5-16 (17) | 6-22 (54) | 8-3 (96) | 8-14 (107) | 10-19 (173) | |
| CT | 5-16 (17) | 6-18 (50) | 7-31 (93) | 8-11 (104) | 10-15 (169) | |
| 2015 | PM | 4-26 (9) | 5-26 (39) | 7-8 (82) | 7-26 (100) | 9-21 (157) |
| BM | 4-29 (12) | 6-2 (46) | 7-20 (94) | 8-8 (113) | 10-5 (171) | |
| RH | 5-2 (15) | 6-3 (47) | 7-19 (93) | 8-8 (113) | 10-5 (171) | |
| SM | 5-6 (19) | 6-16 (60) | 7-29 (103) | 8-18 (123) | 10-16 (182) | |
| CT | 5-5 (18) | 6-10 (54) | 7-25 (99) | 8-15 (120) | 10-12 (178) |
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2.2.3 产量对不同覆盖方式的响应 旱地农田作物产量受气候因素影响较大,具有不稳定性。试验期间,不同年份的降水量及降水分配特点差异较大,因此年份和覆盖方式的互作达到了极显著水平（P<0.01）,说明不同覆盖方式对产量的影响在不同降水年型年份具有较大差异（表3）。不同覆盖处理产量表现为PM>RH>BM>CT>SM,其中PM、BM和RH处理平均产量分别较CT处理增加了5 164、2 537、 3 220 kg·hm-2,增产幅度分别为52%、32%和27%（P<0.05）。而SM处理平均产量较CT降低了2 127 kg·hm-2,减产幅度为21%（P<0.05）（表3）。
Table 3
表3
表3不同覆盖方式玉米产量及土壤水、热资源利用效率
Table 3Maize yield, soil water and thermal use efficiency under different mulching treatments
| 年份 Year | 处理 Treatment | 产量 Yield (kg·hm-2) | 水分利用效率 WUE (kg·hm-2·mm-1) | 降水潜在利用效率 PPE (%) | 降水利用效率 PUE (kg·hm-2·mm-1) | 耗水系数 WUC (m3·kg-1) | 积温生产效率 TUE (kg·hm-2·℃-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | PM | 15758.95a | 30.73a | 89.09a | 25.72a | 0.3d | 8.77a |
| RH | 14226.97b | 31.70a | 83.13b | 23.22b | 0.39c | 9.49ab | |
| SM | 7468.80d | 17.95c | 84.81b | 12.19d | 0.68a | 6.55c | |
| CT | 11178.14c | 26.06b | 76.04c | 18.24c | 0.52b | 8.37b | |
| LSD0.05 | 1122.15 | 2.47 | 2.05 | 1.83 | 0.004 | 0.80 | |
| 2014 | PM | 15020.46a | 34.81a | 84.34a | 36.05a | 0.33e | 8.19a |
| BM | 11432.13c | 27.98c | 83.64a | 27.44c | 0.42c | 7.22b | |
| RH | 12805.74b | 32.01b | 80.95b | 30.74b | 0.37d | 8.09a | |
| SM | 7622.81e | 20.21e | 77.79c | 18.30e | 0.62a | 6.08c | |
| CT | 8602.96d | 22.48d | 74.14d | 20.65d | 0.57b | 5.96c | |
| LSD0.05 | 497.73 | 1.25 | 1.60 | 1.19 | 0.003 | 0.33 | |
| 2015 | PM | 14648.02a | 31.93a | 89.61a | 36.84a | 0.34e | 8.03a |
| BM | 12399.03b | 27.65c | 89.47a | 31.18b | 0.40c | 7.51b | |
| RH | 12561.59b | 30.26b | 86.22b | 31.59b | 0.37d | 7.62b | |
| SM | 8462.13d | 23.35e | 90.14a | 21.28d | 0.47a | 6.62c | |
| CT | 10153.90c | 26.15d | 80.09c | 25.54c | 0.46b | 6.89c | |
| LSD0.05 | 561.78 | 1.37 | 1.07 | 1.41 | 0.004 | 0.37 | |
| 年份 Year | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||
| 覆盖 Mulch | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||
| 年份×覆盖Year×Mulch | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||
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2.3 不同覆盖方式土壤水分动态变化及其利用特征
2.3.1 休闲期土壤储水效率 不同覆盖处理均能有效抑制冬春休闲土壤水分的无效蒸发,PM、BM、RH和SM处理休闲期平均储水量分别较CT增加了53、51、32和36 mm（表4）。PM、BM、RH和SM处理播前0—100 cm土层平均土壤储水量分别较CT增加了36、23、33和29 mm,100—200 cm土层平均土壤储水量分别增加了16、19、20和27 mm,且这一效应在休闲期降水量相对较低的2013年表现最为明显（图3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同覆盖处理0—100 cm和100—200 cm土层土壤储水量 F和G分别表示休闲期和玉米生育期。图中误差棒表示0.05水平上的最小显著差数（LSD）。下同
-->Fig. 3The soil water storage in the 0-100 cm and 100-200 cm layers with different mulching treatments F and G mean fallow season and maize growing season, respectively. The error bars represent the least significant differences（LSD）at 0.05 level. The same as below
-->
Table 4
表4
表4不同覆盖方式休闲期和玉米生育期0—200 cm土层土壤水分储存与消耗
Table 4Soil water storage and consumption in the 0-200 cm soil layer during the fallow season and growing season of maize with different mulching treatments (mm)
| 年份 Year | 处理Treatment | 休闲期 Fallow season | 生育期 Growing season | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 降水量Precipitation | 初始土壤 储水量 SWBF | 结束/播期土壤储水量 SWEF | 休闲期 储水量 RSF | 降水量Precipitation | 收获期土壤 储水量 SWH | 耗水量 ET | 季末供水能力 WSC | ||
| 2013 | PM | 22.40 | 488.33 | 407.34a | -80.99c | 590.4 | 548.88b | 448.86b | 31.49b |
| RH | 22.40 | 475.98 | 431.50a | -44.48a | 590.4 | 509.06c | 512.84a | -8.34c | |
| SM | 22.40 | 476.77 | 406.10a | -70.68b | 590.4 | 580.34a | 416.16c | 62.94a | |
| CT | 22.40 | 480.43 | 355.98b | -124.44d | 590.4 | 517.40c | 428.99c | — | |
| LSD0.05 | — | — | 32.92 | 6.99 | — | 26.88 | 19.55 | 2.16 | |
| 2014 | PM | 99.40 | 526.36 | 560.52ab | 34.17a | 317.2 | 446.26c | 431.46a | -5.01d |
| BM | 99.40 | 523.36 | 554.60ab | 31.24a | 317.2 | 463.27c | 408.53b | 12.00c | |
| RH | 99.40 | 560.32 | 580.36a | 20.05b | 317.2 | 497.50b | 400.06b | 46.24b | |
| SM | 99.40 | 585.17 | 592.03a | 6.86c | 317.2 | 531.99a | 377.24c | 80.72a | |
| CT | 99.40 | 525.17 | 516.82b | -8.35d | 317.2 | 451.27c | 382.75c | — | |
| LSD0.05 | — | — | 44.52 | 10.10 | — | 23.06 | 16.69 | 2.34 | |
| 2015 | PM | 62.40 | 447.57 | 468.64ab | 21.07a | 335.20 | 345.13d | 458.71a | -33.49d |
| BM | 62.40 | 458.33 | 478.86a | 20.53a | 335.20 | 365.58c | 448.47a | -13.04c | |
| RH | 62.40 | 494.77 | 502.39a | 7.62b | 335.20 | 422.45b | 415.13b | 43.83b | |
| SM | 62.40 | 449.79 | 472.99a | 23.20a | 335.20 | 445.85a | 362.35d | 67.22a | |
| CT | 62.40 | 448.46 | 431.69b | -16.76c | 335.20 | 378.63c | 388.27c | — | |
| LSD0.05 | — | — | 37.39 | 12.59 | — | 18.93 | 20.03 | 2.19 | |
| 年份 Year | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||||
| 覆盖 Mulch | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||||
| 年份×覆盖Year×Mulch | 0.1951 ns | 0.0022** | 0.1710 ns | 0.0011** | 0.0000*** | ||||
| 与产量的相关系数 Correlation to yield | -0.0491ns | 0.0667 ns | -0.2505 ns | 0.7925** | -0.8026** | ||||
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2.3.2 生育期土壤水分消耗与恢复特征 生育期降水较充足年份（2013年）,各处理土壤储水量随着时间的推移逐渐升高,土壤水分没有被消耗反而增加。生育中期相对干旱年份（2014和2015年）,各处理土壤储水量均明显下降,其中PM和BM处理土壤耗水量较大,0—100 cm和100—200 cm土层土壤储水量均低于或接近土壤稳定湿度。PM处理加强了对深层土壤水分的利用,2015年收获期,其100—200 cm土层土壤储水量较CT处理降低了28 mm,较土壤稳定度降低了5.4 mm。RH和SM处理均能有效提高生育期土壤水分,0—100 cm土层平均土壤储水量分别较CT提高了24 mm和22 mm,100—200 cm土层平均土壤储水量分别提高了24 mm和23 mm。农田耗水量和季末供水能力分别与产量表现出极显著的正相关和负相关关系（P<0.01）。PM处理农田耗水量最高,但季末供水能力分别较BM、RH和SM处理平均降低了19、56和86 mm（表4）。
2.3.3 不同覆盖方式对水分利用效率及耗水系数的影响 农田土壤水分的消耗与利用受降水影响较大,不同覆盖方式与年份间互作对水分利用效率和耗水系数均表现出了极显著的差异性（P<0.01）（表3）。休闲期覆盖最大限度地发挥了其防旱保墒的作用,PM、BM、RH和SM处理降水潜在利用效率分别较CT平均提高了14%、12%、11%和10%。地膜覆盖能有效提高水资源利用效率,PM、BM和RH处理平均水分利用效率分别较CT提高了31%、14%和26%,平均降水利用效率分别提高了53%、27%和29%,平均耗水系数分别降低了33%、21%和22%,其中以PM处理对水资源利用程度最高。SM处理由于减产,平均水分利用效率和降水利用效率分别较CT降低了18%和20%,平均耗水系数较CT处理提高了15%。
2.4 不同覆盖方式土壤热量动态变化及其利用特征
2.4.1 生育期土壤温度动态变化规律 玉米生育前期,植株冠层弱小,地面覆盖度低,日间土壤温度变幅较大,不同处理间土壤温度差异也最为明显。PM、BM、RH、SM和CT处理平均日间升温幅度分别为6.0℃、4.7℃、4.9℃、3.3℃和4.5℃,平均日间降温幅度为1.0℃、1.5℃、1.9℃、1.1℃和2.5℃。由此可见,PM处理不仅能够迅速提高日间土壤温度,还能减缓土壤温度的下降速度,增温和保温效果最优,而SM处理日间升温和降温幅度均明显低于CT,日间土壤温度变化较为平稳（图4—5）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同覆盖处理日间土壤升温幅度
-->Fig. 4The soil temperature increase range during the day with different mulching treatments
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同覆盖处理日间土壤降温幅度
-->Fig. 5The soil temperature drop range during the day with different mulching treatments
-->
PM处理生育期平均土壤温度较CT增加了 2.8℃,其中以播种后0—60 d增温幅度最大,平均为4.7℃。BM和RH处理播后0—60 d土壤温度分别较CT平均提高了2.1℃和1.8℃,但随着生育进程的推进,BM和RH处理土壤温度较CT逐渐没有差异。SM处理降温效果明显,生育期平均土壤温度较CT降低了1.2℃（图6）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6不同覆盖处理日间土壤平均温度
-->Fig. 6The soil temperature in average during the day with different mulching treatments
-->
2.4.2 不同生育阶段土壤有效积温 PM、BM和RH
处理苗期和穗期有效积温分别较CT平均增加了200℃、129℃和89℃,增幅分别为21%、13%和9%,花粒期有效积温分别平均增加了201℃、30℃℃和71℃,增幅分别为44%、7%和15%。SM处理通过延长生育期来获得足够的积温进入生殖生长,其苗穗期有效积温较CT差异并不显著（P>0.05）,但花粒期平均有效积温较CT显著降低了113℃,降幅达25%（P<0.05）。玉米生育期有效积温与产量极显著正相关,但其中仅花粒期有效积温与产量的相关性达到了极显著水平（P<0.01）,而苗穗期有效积温与产量相关不显著（P>0.05）（表5）。
Table 5
表5
表5玉米不同生育阶段土壤有效积温
Table 5Effective accumulated soil temperature at different maize growth stages
| 年份 Year | 处理 Treatment | 苗期和穗期 Before anthesis (℃) | 花粒期 After anthesis (℃) | 全生育期 Whole growth stage (℃) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 2013 | PM | 1027.5a | 769.0a | 1796.5a | |
| RH | 927.6ab | 571.1b | 1498.7b | ||
| SM | 796.2c | 343.3d | 1139.6c | ||
| CT | 854.1bc | 480.9c | 1335.0b | ||
| LSD0.05 | 106.5 | 66.2 | 171.9 | ||
| 2014 | PM | 1348.1a | 486.4a | 1834.5a | |
| BM | 1205.7b | 377.9bc | 1583.6b | ||
| RH | 1183.0b | 399.8b | 1582.8b | ||
| SM | 976.3c | 278.1d | 1254.4c | ||
| CT | 1092.6bc | 350.6c | 1443.1b | ||
| LSD0.05 | 132.7 | 43.7 | 176.2 | ||
| 2015 | PM | 1100.1a | 724.9a | 1825.1a | |
| BM | 1073.5b | 578.5bc | 1651.9ab | ||
| RH | 1030.7ab | 617.7b | 1648.4ab | ||
| SM | 861.8bc | 416.5d | 1278.3c | ||
| CT | 927.8c | 545.3c | 1473.1b | ||
| LSD0.05 | 113.9 | 66.5 | 180.2 | ||
| 年份 Year | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0156* | ||
| 覆盖 Mulch | 0.0000*** | 0.0000*** | 0.0000*** | ||
| 年份×覆盖Year×Mulch | 0.6339 ns | 0.0005*** | 0.9557 ns | ||
| 与产量的相关系数 Correlation to yield | 0.0530 ns | 0.7877*** | 0.8943*** | ||
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2.4.3 不同覆盖方式土壤积温生产效率 不同覆盖处理对土壤积温生产效率的影响显著,其中SM处理平均积温生产效率较CT显著降低了9%,而地膜覆盖对土壤热量的累积和利用效率大于秸秆覆盖,PM、BM和RH处理平均积温生产效率分 别较CT处理提高了57%、15%和58%（P<0.05）（表3）。
3 讨论
3.1 休闲期土壤储水特征
周年覆盖最大限度地发挥了其防旱保墒的作用,实现了降水在休闲期和玉米生育期的再分配,不同周年覆盖处理降水潜在利用效率提高幅度达10%— 14%,休闲期可较裸地不覆盖多储水36—53 mm,其保墒效果等同于一次播前有效灌水,有效解决了黄土高原半干旱地区春旱频发的问题。QIN等[21]研究指出,由于地膜覆盖减少了雨水入渗,增加了径流,地膜相比秸秆不适宜在休闲期覆盖。但本研究发现在中国西北半干旱地区,冬春季降水稀少,抑制蒸发是保蓄土壤水分的最关键措施,塑料地膜和降解膜全膜覆盖相比秸秆覆盖更能够有效抑制土壤水分无效蒸发,PM和BM处理休闲期分别较SM处理多储水17 mm和11 mm。而膜垄种植由于仅在垄上覆盖地膜（即半膜覆盖）,沟中土壤完全裸露,抑蒸效果相比全膜覆盖下降,RH处理休闲期储水量分别较PM和BM处理降低了21 mm和12 mm。但试验年份并未遭遇严重春旱,休闲期土壤储水量与产量的相关性并不显著。3.2 生育期土壤水分利用与平衡
旱地农田作物耗水量与产量密切相关[22]。塑料地膜全膜覆盖在玉米生育前期提供了良好的土壤水温环境,并有效促进了其营养生长,进入生殖阶段后,较大的植株必然将消耗更多的水分来进行干物质积累和形成籽粒产量,因此王敏等[5]和谢军红等[6]研究认为长期进行塑料地膜全膜覆盖栽培容易导致土壤水分亏缺。然而LIU等[23]研究指出,作物在8、9月份需水量开始逐渐降低,但此时降水量不断增加是中国黄土高原半干旱地区的主要降水特点,在年降水量>273 mm的条件下,塑料地膜全膜覆盖栽培能够保证玉米高产并维持水分平衡。本研究结果进一步表明,黄土高原半干旱区0—200 cm土层土壤水分受不稳定的降水影响较大,塑料地膜全膜覆盖处理季末土壤水分的恢复状况与7—9月份降水量密切相关,生育中后期充足的降水是塑料地膜全膜覆盖保证玉米高产并维持水分平衡的必要条件。2013年和2014年的7—9月降水量分别较多年平均值高出178 mm和11 mm,PM处理土壤水分在收获期基本恢复,0—200 cm土层土壤含水量较CT没有明显差异。然而2015年7—9月降水量较多年平均值减少了71 mm,PM处理收获期深层100—200 cm土层土壤储水量较CT处理降低28 mm,并较土壤稳定度降低5.4 mm,造成土壤水分亏缺。由于深层土壤水分的恢复较上层土壤困难,这一水分亏缺的长期累积则可能造成土壤干燥化现象,引起产量波动。降解膜全膜覆盖生育期土壤水分变化规律与塑料地膜全膜覆盖基本一致,但其耗水量明显低于塑料地膜全膜覆盖,BM处理季末供水能力较PM处理提高了19 mm。膜垄种植能够有效富集降水,增加作物种植区的土壤水分[10, 24],而秸秆覆盖在降低土壤蒸发的同时提高了雨水入渗强度[8, 25],玉米生育期内RH和SM处理均表现出了良好的保墒效果,季末供水能力分别较PM处理提高了56 mm和86 mm。由此可见,降解膜全膜覆盖、膜垄种植和秸秆覆盖相比塑料地膜全膜覆盖更有利于维持土壤水分的平衡。但由于塑料地膜全膜覆盖增产幅度最大,降水利用效率和籽粒水分利用效率最高,PM处理耗水系数分别较BM、RH、SM和CT处理平均降低了17%、13%、41%和33%,对降水的有效利用程度和单位水资源的产出率最高[19]。
3.3 土壤温度与玉米产量
地膜覆盖后土壤潜热交换基本被抑制,在冷凉地区增温效果显著[4, 26]。本试验结果表明,地膜覆盖不仅能够提高日间增温幅度,还能减缓土壤温度的下降速度,有利于土壤吸收和贮存更多热量,其中PM处理增温和保温效果最好,生育期平均土壤温度较CT增加了2.8℃。降解膜由于透光率较低,增温效果弱于塑料地膜[27,28,29],并且随着生育进程的推进,降解膜不断裂解,其保温性能下降,BM处理的增温效果主要集中在播种后0—60 d。膜垄种植由于是半膜覆盖,其增温效果弱于塑料地膜和降解膜全膜覆盖,且随着玉米冠层的不断增大,RH处理土壤温度在播种60 d后较CT逐渐没有明显差异。秸秆覆盖阻挡了太阳辐射,反射率高,热导性差[28, 30],SM处理的日间增温幅和降温幅度均明显降低,土壤温度变化较为平稳,生育期平均土壤温度较CT降低了1.2℃。与前人研究结果类似[27, 31],由于玉米植株冠层弱小,地面覆盖度低,不同覆盖处理对土壤温度的影响主要表现在生育前期,但本研究进一步发现,营养生长阶段（苗期和穗期）有效积温与产量并没有显著的相关性,而花粒期有效积温与产量表现出极显著的正相关性。地膜覆盖处理的增温效应一方面加速了玉米干物质累积速度,另一面缩短了生育进程,从而使玉米生殖生长处于气温相对较高的时期（7月中上旬至9月底）,不同覆膜处理花粒期有效积温增幅在7%—44%,积温生产效率提高幅度为15%—58%,大大促进了玉米籽粒产量的形成与提高。而秸秆覆盖与之相反,SM处理通过延长生育期获得了足够积温进入生殖生长,苗期和穗期有效积温较CT差异并不显著,但生殖生长时期相对滞后,处于气温相对较低的时期（8月初至10月中旬）,加之其低温效应,SM处理花粒期平均有效积温较CT降低了25%,最终减产21%,积温生产效率降低了9%。
4 结论
周年（休闲期+生育期）地面覆盖是黄土高原半干旱地区提高自然降水潜在利用效率的有效措施,其中塑料地膜全膜覆盖通过协同提高土壤水、热资源利用效率,最终获得高产,但在生育中后期遭遇干旱易引起深层土壤水分亏缺和产量波动。降解膜全膜覆盖和膜垄种植的增温、增产效果均弱于塑料地膜全膜覆盖,但更有利于维持土壤水分平衡。降解膜具有解决农膜残留污染问题的优势,透光性高、保温和增温性能好的降解膜更能满足黄土高原春玉米可持续生产需求。秸秆覆盖导致花粒期有效积温降低造成减产,不推荐在气温较低的半干旱区应用。（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
