张 哲，张 旭，冯良山，张燕卿，刘恩科，孙占祥

秋覆膜对辽西春玉米水肥利用效率和产量的影响

张 哲1,2，张 旭3，冯良山1,2，张燕卿4，刘恩科4，孙占祥1,2※

（1.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所/辽宁省旱作节水工程技术中心，沈阳 110161； 2. 国家农业环境阜新观测实验站，阜新，123100； 3. 阜新市气象局，阜新 123000；4. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

为了探明旱地秋覆膜对春玉米水分和氮肥利用效率的影响，2013—2015年在国家农业环境阜新观测实验站设置了秋覆膜（秋季收获后开始覆膜，AM）、春覆膜（传统生育期覆膜，SM）和不覆膜（NM）3个处理，利用田间观测结合15N同位素示踪的方法，分析秋覆膜栽培春玉米的水分与氮肥利用特征。结果表明，在连续2个较干旱的年份，AM促进了玉米干物质积累，2 a的玉米籽粒产量分别较SM提高了19%和11%，较NM提高了14%和75%，但玉米生物产量与SM无显著差异（>0.05）；AM在休闲期减少了水分消耗，在播种期土体蓄水量较SM和NM平均多35 mm，并在玉米生育期耗水量较SM和NM多，主要体现在玉米的抽雄期和灌浆期作物耗水量的显著增加（<0.05）；在2014年，3个处理的玉米籽粒产量和生物产量水分利用效率无显著差异（>0.05）；在2015年，AM与SM的玉米籽粒产量和生物产量水分利用效率无显著差异（>0.05），但均显著高于NM（<0.05），较NM平均提高了60%和65%；AM减少了氮肥损失，同时也较SM减少了土壤中氮肥的残留，显著提高了当季和翌年氮肥利用效率（<0.05），2 a累计氮肥利用效率达到了50.5%，高于SM和NM，但AM在当季0～100 cm土层中残留的肥料氮显著高于NM（<0.05）。综合分析认为，在较干旱的年型下，旱地秋覆膜是辽宁西部半干旱区提高春玉米产量和水肥利用效率的一项有效技术措施，如进行氮肥优化施用，可进一步提升该技术在区域农业发展的应用价值。

水分；肥；干旱；秋覆膜；春玉米；耗水量

0 引 言

东北地区是中国最典型的春玉米一年一熟种植区，春玉米播种面积占全国玉米总播种面积30%以上，产量占全国玉米总产量29%以上[1]。辽宁省是中国 13个粮食主产区之一，春玉米种植面积每年稳定在2×106hm2以上，其中辽西北地区占2/3以上，产量占辽宁省75%以上，因此，该区域的玉米生产对辽宁省的粮食安全至关重要。但是，在该区域，低温和旱灾频繁严重限制了玉米的生产[2]，玉米平均单产仅为6 000 kg/hm2，远低于美国等发达国家9 000 kg/hm2的平均单产水平[3]。

地膜覆盖技术自1978年引入中国以来，由于其保墒增温特性被广泛的应用于中国旱作农业区[4]。研究显示，在半干旱区利用地膜覆盖栽培玉米，由于减少土壤水分蒸发损失，促进作物蒸腾[5]，提高了玉米产量和水分利用效率[6]。同时，由于地膜覆盖改变的水温条件，也促进有机氮的矿化，同时也刺激了土壤中更多的同化作用[7]，增加了氮肥利用效率和降低了系统氮损失的风险[8-9]。

而在辽西北地区传统的旱地覆膜多在作物生育期，虽然覆膜在一定程度上可以减少春季因蒸发造成的土壤水分损失，但是年际间和季节内的降水分布不均，以及每年平均约900～1 200 mm的蒸发量仍然经常导致旱灾频发[2]和覆膜无水可保的现象，这严重影响了该区域玉米生产[10-11]。同时，在作物收获后，由于地膜覆盖在土壤表层聚集的过多硝态氮[12-15]，在地膜被移除后也可能具有更高挥发或淋溶的风险。因此，探寻一种合理的地膜覆盖方式，提高本区域水氮利用效率，是促进农业可持续发展的有效措施。

旱地秋覆膜技术是北方旱作区重要的农业技术措施，其核心是针对春季播种时期旱灾频发、年际和年内降雨量分布不均的气候特点，在秋季作物收获后进行整地和覆膜处理，以“秋雨春用、春墒秋保”为目标，通过减少秋、冬、春3季作物休闲期农田土壤水分的无效蒸发，实现旱作农田水资源的跨季节调控[16]。研究显示，旱地秋覆膜可以保墒蓄水，显著提高播前土体蓄水量，增加叶面积指数，提高生物产量以及水分生产效率[17-21]。但是对于中国东北半干旱区旱地秋覆膜条件下水氮利用的研究并不够深入，特别是在该区域农民为了追求高产，过多的肥料应用导致面源污染的背景条件下，秋覆膜栽培玉米的氮肥利用、残留和损失状况如何尚不明确。为此，本文通过对比分析秋覆膜、春覆膜和不覆膜，研究旱地秋覆膜土壤水分和氮肥利用状况，以期为该区域覆盖栽培和合理施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

试验区位于辽宁省西北部阜新蒙古族自治县，属温带季风大陆性气候区，是中国典型半干旱区。年平均温度为7～8 ℃，10 ℃以上积温为2 900～3 400 ℃·d，无霜期为135～165 d。该区域种植制度为一年一熟制，年降水量300～500 mm。降水变率较大，旱灾频繁，“十年九旱”是该区域基本气候特征[3]。

1.2 试验地点和供试材料

试验地点在国家农业环境阜新观测实验站（42°11′E，121°70′N，海拔213 m），地处阜新蒙古族自治县阜新镇。试验田地势平坦，土质均匀。土壤为石灰性褐土（60.6%砂粒、20.5%粉粒、18.9%黏粒），耕层（0～20 cm）土壤基本理化性状为：土壤容重1.35 g/cm3，有机质15.36 g/kg，全氮0.90 g/kg，全磷0.76 g/kg，全钾为28.46 g/kg，速效氮101.12 mg/kg，速效磷106.13 mg/kg，速效钾为105.47 mg/kg。本研究于2013年秋季至2015年秋季开展，利用WS-STD1自动气象站监测温度和降水量（图1），在2013－2014年和2014－2015年，休闲期总降水量分别为79.9和75.2 mm；2014年和2015年生育期降水量分别为310和249 mm，降水量均低于历史平均水平。

供试玉米品种为郑单958；供试地膜为阜新市塑料二厂生产的透明聚乙烯（Polyethylene）地膜，厚度0.008 mm，宽度为1 m。

1.3 试验设计

田间小区试验采用完全随机试验设计，共设3个处理，分别为：Ⅰ秋覆膜（AM）；Ⅱ春覆膜（SM）；Ⅲ不覆膜（NM），每个处理3次重复，共9个小区，每个小区面积50 m2（5 m×10 m），小区之间设1 m宽作业道。各处理氮、磷、钾肥施用量一致，按照氮肥240 kg/hm2（以N计）、磷肥150 kg/hm2（以P2O5计）、钾肥75 kg/hm2（以K2O计）的标准沟施（本地区传统的肥料施用量），施肥位置为预种植玉米行间，折合成肥料每小区施用过磷酸钙（含P2O512%）6.25 kg，硫酸钾（含K2O 51%）7.35 kg，尿素（含N 46%）2.61 kg，具体操作为：2013和2014年10月1日利用小型旋耕机灭茬统一整地，旋耕深度20 cm。AM处理在秋季整地后，肥料一次性施入，并在喷施乙草胺后进行覆膜；SM处理在春季播种前，肥料一次性施入，并在喷施乙草胺后进行覆膜；NM处理在春季播种前，肥料一次性施入，不覆膜，播种后喷施乙草胺。地膜覆盖处理每床地膜两侧有10 cm被埋入，每小区有80%地面覆盖，采用玉米平作种植方式为“一膜双行”，种植密度为60 000 株/hm2，膜下玉米行距0.5 m，株距0.33 m，不覆膜处理与地膜覆盖处理距离一致。2014和2015年的播种期分别为4月26日和4月28日；收获期分别为9月22日和9月24日。所有处理均不进行灌溉。

图1 2013－2015年研究区域月降雨量与月平均温度

每个田间小区内设置1个15N同位素微区，每个微区长×宽×高为1.2 m×0.6 m×1 m的长方体土柱(土柱用加厚硬塑料围住，与周围土壤隔离），试验第1年施入15N标记尿素（15N丰度为10.24%，由上海化工研究院生产），第2年施入普通尿素，其他操作与田间小区一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 地上干物质积累

在玉米生长苗期（2014年5月29日、2015年6月18日）、拔节期（2014年6月19日、2015年6月30日）、吐丝期（2014年7月19日、2015年7月28日）、灌浆期（2014年8月15日、2015年8月20日）和成熟期（2014年9月22日、2015年9月24日），每小区选择生长发育一致、叶片无病斑和破损的植株3株，用镰刀取地上部分，烘箱105℃杀青60 min，85℃烘至恒定质量称干物质质量。

1.4.2 生物产量和籽粒产量

玉米成熟后，每个处理随机取3个具有代表性的10 m2样区测产，用浙江托普PM-8188-A谷物水分仪（精度为标准误差0.5%以下）测定水分，按14%含水率折合成公顷产量[1]。从对应的10 m2样区随机取连续植株5株，称质量后利用烘干法计算植株含水率，然后根据鲜质量和5株含水率，平均值折合成公顷生物产量。

1.4.3 耗水量与水分利用效率

在秋季整地后、玉米播种期、拔节期、吐丝期、灌浆期和收获期，利用土钻在种植玉米2行中间（膜上或与之对应的裸地）取土（土钻内径为38 mm），取样深度为100 cm，每10 cm 1个层次，采用烘干法测定土壤量含水率，将过筛孔的新鲜土样称取约20 g置于铝盒中，在105 ℃下烘至恒质量，然后称其干质量。计算土壤含水率。

土体储水量，即：

=10··/100（1）

式中为0～100 cm土层的土体蓄水量，mm；为土层深度，cm；为0～100 cm土层的平均土壤容重，g/cm3；为0～100 cm土层的平均土壤含水率，%。

利用在旱作农田水分利用研究中使用的水分平衡方法[22]计算作物耗水量（或实际蒸散量）。试验过程中未对作物进行灌溉，同时，试验小区土地平坦，降水量较小，故地表径流和土壤水分渗漏量可以忽略不计；地下水埋深较大，地下水的补充也可忽略不计。由此，计算公式为

ET=−Δ（2）

式中ET为作物耗水量或实际蒸散量，mm；为统计时期降水量，mm；Δ为统计时期前后0～100 cm土层土体蓄水量变化量之差，mm。

水分利用效率[22]计算式为

WUEGY=100%×GY/ETtotal×10 （3）

WUEBY=100%×BY/ETtotal×10 （4）

式中WUEGY为籽粒（经济）产量水分利用效率，kg/(hm2·m3)；WUEBY为生物产量水分利用效率，kg/(hm2·m3)，ETtotal为玉米生育期总的耗水量，mm。

1.4.4 氮肥去向与氮肥利用效率

氮肥吸收：玉米收获时，微区中的4株玉米全部收获，将茎、叶、籽粒和穗轴分开，取45 cm×35 cm×30 cm深度的土壤根系，将根系上的土洗干净，各器官于65 ℃烘至恒定质量，计算干物质。利用H2SO4-H2O2消煮法测定玉米植株各器官全氮[22]。在蒸馏滴定后，利用水浴锅进行加热，使其浓缩至2～3 mL，装入离心管，用Thermo Fisher Scientific公司气体同位素比质谱仪（IRMS）测定玉米各器官15N丰度。

氮肥残留：玉米收获时，每个微区釆集3钻，每钻在0～100 cm土层以10 cm为间隔采集土壤剖面土样，将3钻分层次混匀带回实验室，釆集的土样分别测定土壤全氮、无机氮（硝态氮、铵态氮）和15N丰度。

土壤全氮的测定采用高锰酸钾-还原性铁修正开氏法[23]。

土壤无机氮的测定，将新鲜土样过2 mm筛，称取2份，每份20 g装入250 mL的三角瓶中，分别加入2 mol/LKCl溶液100 mL，用振荡器振荡1 h，速度为200 r/min，在过滤浸提后，选出一份利用流动分析仪测定硝态氮和铵态氮。另外一份移入凯氏管加入0.4 g MgO和0.4 g戴氏合金，利用凯氏定氮仪进行蒸馏后，用硫酸标准溶液滴定至紫红色[23]。

全氮和无机氮蒸馏滴定后的样品用水浴锅加热浓缩至2～3 mL，装入的离心管中，用气体同位素比质谱仪测定15N丰度。

肥料氮的比例=（测试样品土壤中的全氮、无机氮、玉米叶茎、穗轴、籽粒和根系15N的丰度−15N的自然丰度）/标记肥料15N的丰度

吸收或残留的肥料氮(kg/hm2)=含氮量(kg/hm2)×肥料氮的比例

氮肥有效率(%)[24]=100%×[吸收的肥料氮(kg/hm2)+土壤残留肥料氮(kg/hm2)]/氮肥施用量(kg·hm-2)

肥料氮的利用效率(%)=100%×玉米地上部分肥料氮的吸收量(kg/hm2)/肥料氮施用量(kg/hm2)

土壤中标记的肥料氮转入有机氮库中的量(kg/hm2)=土壤中总的标记全氮量(kg/hm2)−土壤中标记的肥料氮以无机氮形式存在的量(kg/hm2)

2014年标记肥料氮损失(kg/hm2)＝肥料施入量(kg/hm2)−玉米吸收量(kg/hm2)−标记氮素以无机氮形式存在的量(kg/hm2)−标记氮素以有机氮形式存在的量(kg/hm2)

2015年标记肥料氮损失(kg/hm2)＝2014年土壤中标记氮素总残留量(kg/hm2)−2015年玉米吸收量(kg/hm2)− 2015年标记氮素以无机氮形式存在的量(kg/hm2)−2015年标记氮素以有机氮形式存在的量(kg/hm2)

氮肥收获指数＝玉米籽粒标记氮肥吸收量(kg/hm2)/地上部植株标记氮素吸收量(kg/hm2)

1.5 数据处理与分析方法

用Microsoft Excel整理试验数据并作图，利用SPSS 21.0统计分析软件进行方差分析，多重比较采用Duncan’s法，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米干物质积累的影响

秋覆膜对玉米地上干物质积累影响显著（图2）。2个试验年份，从玉米出苗开始，AM和SM的地上干物质量在整个生育期均高于NM，并随着生育期的延续，AM与SM要显著高于NM；但同时，2 a的结果也显示，玉米在抽雄期之前（2014年为7月19日，2015年为7月28日），AM和SM的干物质积累速率和积累量是没有明显差异，在抽雄期之后AM的干物质积累量逐渐高于SM，2014和2015年分别较SM平均提高了8.7%和4.5%，这说明AM在整个玉米的生育期促进玉米干物质积累的能力要强于SM。

注：AM为秋覆膜；SM春覆膜；NM为不覆膜。下同。

2.2 不同处理对耗水量的影响

覆膜对休闲期和玉米生育期的耗水量影响显著（<0.05）（图3）。

注：标以不同字母的柱值表示处理间在0.05水平上差异显著。

在休闲期，AM 2个试验年份的耗水量均显著低于SM和NM（<0.05），平均比SM和NM减少37 mm的水分消耗；在玉米苗期，AM和SM 2a的耗水量均显著低于NM（<0.05），分别比NM平均减少46和49 mm，AM和SM之间差异不显著（>0.05）；在玉米拔节期，2 a数据存在一定差异，在2014年，各处理的耗水量之间差异不显著（>0.05），而在2015年，AM和SM要显著高于NM（<0.05），分别较NM增加21和18 mm；在玉米抽雄期，3个处理2 a的耗水量均显示彼此间存在显著差异（<0.05），AM分别较SM和NM平均增加12和52 mm；在玉米灌浆期，AM 2 a的耗水量均显著高于SM和NM（<0.05），较SM和NM平均增加17 mm，SM与NM之间差异不显著。以上说明AM的耗水规律是在休闲期和玉米苗期少而在玉米生育后期（抽雄期-灌浆期）显著增加。

2.3 不同处理对玉米产量与水分利用效率的影响

秋覆膜为玉米生育期提供了更多的水分，对玉米产量影响显著（<0.05）（表1）。2 a的数据均显示，在玉米播种期，AM的土体蓄水量要显著高于SM和NM（<0.05），较SM和NM平均提高35 mm；在玉米生育期，AM 2 a的平均耗水量为330 mm，显著的高于SM的296 mm和NM的297 mm（<0.05），这说明AM播种期多储蓄的水分在玉米生育期被利用；AM 2 a的玉米籽粒产量均显著高于SM和NM（<0.05），分别较SM平均提高19%和11%，较NM平均提高14%和75%，而AM与SM 2 a的玉米生物产量无显著差异（>0.05），但显著高于NM（<0.05），分别较NM平均提升18%和76%，这说明AM促进了玉米籽粒产量的提升；AM与SM 2 a的籽粒产量水分利用效率和生物产量水分利用效率均显示2个处理间无显著差异（>0.05），同时在2014年，与NM也无显著性差异（>0.05），但是在更为干旱的2015年，AM与SM均显著高于NM（<0.05），较NM的籽粒产量水分利用效率平均提高了60%，生物产量水分利用效率平均提高了65%，这一方面说明在更为干旱的年份，覆膜可以提高水分效率，而另一方面也说明AM的玉米生育期耗水量增加的情况下，在提高玉米产量的同时，仍能保持较高的水分利用效率；玉米籽粒产量、生物产量、籽粒产量水分利用效率和生物产量水分利用效率年际间差异显著，也说明AM在干旱的年份（2014－2015年）可提高水分有效性。

2.4 不同处理对氮肥去向的影响

覆膜显著影响了标记肥料氮的去向（<0.05）（表2）。在2014年，玉米植株吸收标记15N的量，AM显著高于SM和NM（<0.05），分别较SM和NM多10%和11%，而SM和NM之间差异不显著（>0.05）；AM和SM在土壤中残留标记15N的总氮量显著高于NM（<0.05），分别较NM多62%和77%，而AM与SM之间差异不显著（>0.05）；且AM与SM残留标记15N的氮素形态存在一定的差异，AM残留标记15N有机氮的量显著高于SM（<0.05），残留标记15N无机氮的量显著低于SM（<0.05）；AM和SM损失标记15N的量显著低于NM（<0.05），较NM分别减少135%和158%，AM与SM之间差异不显著（>0.05）；这说明AM在氮肥施入的第1年，在增加植株的吸收量同时，可以减少了氮肥的损失，并增加氮肥在土壤中残留，同时相对于SM残留在土壤中肥料氮素多以稳定有机氮的形式存在。在2015年，3个处理对残留标记15N的吸收，彼此间存在显著差异（<0.05），AM较SM和NM分别增加了35%和270%；SM在土壤中残留标记15N的全氮量显著高于AM和NM（<0.05），分别较AM和NM多24%和80%；AM损失标记15N的量最低，较SM减少36%；这说明AM也促进了玉米对于翌年肥料氮的吸收，同时相对于SM减少了肥料氮在土壤中的残留。

表1　2013－2014年和2014－2015年各处理玉米耗水量和水分利用效率

注：数据为平均值±标准误。同列标以不同小写字母的值在处理间0.05水平上差异显著。下同。

Note: Date is mean±SE. The values followed by a different letter within a column are significantly different among treatments at 0.05 level. Same as below.

表2 2014年和2015年玉米收获时不同处理15N标记的肥料去向

2.5 不同处理对玉米氮肥利用效率的影响

秋覆膜对春玉米利用15N标记氮肥影响显著（<0.05）（表3）。AM和SM当季（2014年）氮肥有效率和翌年（2015年）氮肥有效率均显著高于NM（<0.05），而AM与SM间氮肥有效率差异不显著（>0.05），这说明AM和SM可以有效减少氮肥的损失；AM当季（2014年）氮肥利用效率和翌年（2015年）氮肥利用效率均显著高于SM和NM（<0.05），2 a氮肥累计利用效率为50.5%，显著高于SM的42.7%和NM的33.5%，并且AM还显著增加了籽粒的氮肥吸收量，较SM和NM分别增加了23%和61%，造成了氮肥收获指数的提高，这说明AM在提高氮肥的利用效率的同时，也使更多的肥料氮素被玉米籽粒吸收，提高了氮肥的有效性。

表3 2014年和2015年不同处理15N标记肥料的氮素利用效率

3 讨 论

3.1 干物质积累与产量

旱地秋覆膜技术的应用是在传统作物生育期覆膜（即春覆膜）的基础上增加了休闲期的覆盖时间，减少了农田土壤水分蒸发损失，以实现土壤水分的周年调控，促进作物生长，达到作物稳产或高产的目的[25]。Wang等[26]研究显示，在中国西北半干旱地区，连续使用秋覆膜，比不覆膜玉米籽粒产量提高了30%～107%，生物产量增加了37%～69%。本研究得到了相似的结论，连续2 a使用秋覆膜的处理，在整个生育期玉米的干物质积累量均快于不覆膜，到收获时，玉米籽粒产量和生物产量均显著高于不覆膜（<0.05），特别是在更为干旱的2015年，秋覆膜处理的玉米籽粒产量比不覆膜提高了75%，这说明秋覆膜在干旱年份玉米增产优势明显；在半干旱区，春覆膜虽然可以有效减少作物苗期土壤水分蒸发，增加土壤温度，并促进作物苗期生长，但是年际间和季节内的降水分布不均，以及休闲期不覆盖造成的蒸发损失可能导致旱灾频发和无水可保的现象，进而影响玉米产量[27]。张雷等[17-18]的研究结果也表明，秋覆膜的玉米产量高于春覆膜。本研究得到相似的结论，连续2 a秋覆膜和春覆膜在生育前期均可以显著促进玉米的干物质积累，但在90 d后，秋覆膜的干物质积累量逐渐高于春覆膜，到收获时，秋覆膜的干物质积累量分别较SM提高了8.7%和4.5%，而且玉米籽粒产量分别较SM提高了19%和11%，这说明，在辽西北地区干旱的年份，秋覆膜相较于春覆膜可以稳定促进干物质积累，提高春玉米籽粒产量。

3.2 水分利用效率

传统作物生育期覆膜相对不覆膜可以提高作物水分利用效率原因是由于减少了土壤水分的无效蒸发，在为作物提供了良好的水分条件的同时，促进了作物后期蒸腾[28-29]，在总的耗水量没有显著差异的情况下[30-31]，提高了作物产量，进而提高了作物水分利用效率。而秋覆膜由于减少了休闲期农田土壤水分的无效蒸发，提高了播前土壤水分含量，为作物提供了更多的可利用水，提高了作物产量[16]，同时相对于不覆膜和春覆膜也增加了生育期的耗水量，因此也影响了水分利用效率。本研究中，秋覆膜2 a的玉米籽粒产量水分利用效率和生物产量水分利用效率与春覆膜无显著差异，同时在2014年，与不覆膜也无显著性差异，但是在更为干旱的2015年，则显著高于不覆膜NM（<0.05），较NM的籽粒产量水分利用效率提高了60%，生物产量水分利用效率提高了65%，这也说明在更为干旱的年份，春覆膜和秋覆膜均可以提高水分效率。而本研究还显示，秋覆膜在休闲期和苗期可以有效减少因蒸发造成的水分消耗，在玉米生育后期显著促进了蒸腾耗水，春季覆膜虽然在苗期同样减少了相同的水分消耗，但在玉米生育后期蒸腾水分消耗显著低于秋覆膜（<0.05），影响了最后的玉米产量，虽然秋覆膜的作物耗水量增加，但籽粒产量也显著的增加（<0.05），这也说明秋覆膜进一步提升了水分有效性。

3.3 氮肥高效利用

在农田系统中，肥料氮的去向主要包括作物的吸收、土壤中的残留，以及不同形式的损失[32]。地膜覆盖对土壤环境的改变，也对氮肥去向造成了影响[33]。Liu 等[8]研究发现，半干旱区地膜覆盖栽培玉米，明显增加了氮肥利用效率和降低了系统氮损失的风险。Liu等[33]研究表明，在当季玉米收获后，保持在0～170 cm土层中覆膜处理比不覆膜处理肥料氮素多了25%，而翌年覆膜处理的玉米吸收的残留肥料氮比不覆膜处理高63%。本研究利用15N同位素示踪技术，借鉴巨晓棠氮肥有效率的概念，即氮肥被作物吸收量和在主要根区土壤中残留量之和占施入氮肥的百分率[24]，对比2 a年的氮肥利用情况，结果与前人研究基本一致，证实秋覆膜和春覆膜均可以提高氮肥有效率，但秋覆膜显著提高了当季和残留氮肥的利用效率，同时也提高了氮肥收获指数，这主要是由于秋覆膜良好的水温条件促进了玉米植株对肥料氮的吸收。但同时地膜覆盖条件下氮肥残留的增加是不容忽视的。解文艳等[34]研究显示，地膜覆盖促进了玉米对氮素的吸收，同时也影响了硝态氮在土壤中的分布；李小刚和李凤民[35]的报道也证实，土壤中无机氮含量由于地膜覆盖会明显增加。本研究中，秋覆膜肥料氮残留要低于春覆膜，并且标记的肥料氮在第1年被同化到有机氮库的量要明显多于春覆膜，其原因可能是由于秋覆膜处理水温条件的改变，引起土壤氮库中有机氮的矿化和肥料无机氮的同化发生置换所致[35]，但从数据上看，与目前传统不覆膜一致的施肥量，肥料氮的残留量仍然较多，而且良好的水温条件也将加速有机氮的矿化[33]，可能造成氮素淋失和污染环境。因此，建议结合土壤供氮平衡进一步开展研究，优化秋覆膜条件下氮肥施用方式和施入量，以减少面源污染风险。

4 结 论

本研究开展2 a试验研究，结果表明，在辽西北地区较干旱的年型下应用秋覆膜技术，可以有效减少休闲期土壤水分损失，使播前土体蓄水量平均增加35 mm，并将这部分水应用到生育期被玉米吸收利用，显著促进了玉米干物质积累和生育后期蒸腾耗水，最终秋覆膜的玉米籽粒产量分别较春覆膜平均提高了19%和11%，较不覆膜平均提高了14%和75%，提高了水分有效性；同时秋覆膜还减少了肥料氮的损失，提高了当季和翌年肥料氮的利用效率，增加了氮肥收获指数，2 a氮肥累计利用效率达到了50.5%，而春覆膜和不覆膜为42.7%和33.5%。本研究连续2 a均为干旱年份，在丰水年份或者平水年份是否有同样的结论则有待进一步研究；同时本研究发现，按照目前240 kg/hm2（以N计）的氮肥施用标准，秋覆膜会导致氮肥残留量过多，可能会对农田环境造成污染。因此，建议通过连续多年定位研究，在明确不同年型条件下秋覆膜种植玉米的水氮利用规律基础上，优化氮肥施用方式和施入量，促进秋覆膜技术的合理应用和推广。

[1] 白伟，孙占祥，张立祯，等. 耕层土壤虚实结构优化春玉米根系形态提高水分利用效率[J]. 农业工程学报，2019，35(21)：88-97.

Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zhang Lizhen, et al. Furrow loose and ridge compaction plough layer structure optimizing root morphology of spring maize and improving its water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(21): 88-97. (in Chinese with English abstract)

[2] Cai Qian, Zhang Yulong, Sun Zhanxiang, et al. Morphological plasticity of root growth under mild water stress increases water use efficiency without reducing yield in maize[J]. Biogeosciences, 2017, 14: 3851-3858.

[3] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 辽西地区不同种植模式对春玉米产量形成及其生长发育特性的影响[J]. 作物学报，2014，40(1)：181-189.

Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Effect of different planting patterns on maize growth and yield in western Liaoning province[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(1): 181-189. (in Chinese with English abstract)

[4] Li S Z, Wang Z H, Li S Q, et al. Effect of plastic sheet mulch, wheat straw mulch, and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China[J]. Agricultural Water Management, 2013, 116: 39-49.

[5] Gan Yantai, Siddique K H M, Turner N C, et al. Ridge-furrow mulching systems-An innovative technique for boosting crop productivity in semiarid rain-fed environments[J]. Advances in Agronomy, 2013, 118: 429-476.

[6] Mo Fei, Wang Jianyong, Xiong Youcai, et al. Ridge-furrow mulching system in semiarid Kenya: A promising solution to improve soil water availability and maize productivity[J]. European Journal of Agronomy, 2016, 80: 124-136.

[7] Gong Daozhi, Hao Weiping, Mei Xurong, et al. Warmer and wetter soil stimulates assimilation more than respiration in rainfed agricultural ecosystem on the China Loess Plateau: The role of partial plastic film mulching tillage[J]. PLoS One, 2015, 10: 20.

[8] Liu Chang’an, Zhou Limin, Jia Jujie, et al. Maize yield and water balance is affected by nitrogen application in a film-mulching ridge-furrow system in a semiarid region of China[J]. European Journal of Agronomy, 2014, 52: 103-111.

[9] 谷晓博，李援农，杜娅丹，等. 生物降解膜促进冬油菜养分吸收减少土壤硝态氮累积[J]. 农业工程学报，2016，32(10)：90-97.

Gu Xiaobo, Li Yuannong, Du Yadan, et al. Biodegradable film enhancing nutrient uptake of winter oilseed rape (L.) and reducing soil nitrate accumulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 90-97. (in Chinese with English abstract)

[10] Zhang Shulan, Victor Sadras, Chen Xinping, et al. Water use efficiency of dryland maize in the Loess Plateau of China in response to crop management[J]. Field Crops Research, 2014, 163: 55-63.

[11] Jia Hongchang, Zhang Yong, Tian Shiyan, et al. Reserving winter snow for the relief of spring drought by film mulching in northeast China[J]. Field Crops Research, 2017, 209: 58-64.

[12] Dong Qiang, Dang Tinghui, Guo Shengli, et al. Effect of different mulching measures on nitrate nitrogen leaching in spring maize planting system in south of Loess Plateau[J]. Agricultural Water Management, 2019, 213: 654-658.

[13] 戚迎龙，史海滨，李瑞平，等. 滴灌水肥一体化条件下覆膜对玉米生长及土壤水肥热的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(5)：99-110.

Qi Yinglong, Shi Haibin, Li Ruiping, et al. 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)

[14] 付鑫，王俊，张祺，等. 秸秆和地膜覆盖对渭北旱作玉米农田土壤氮组分与产量的影响[J]. 生态学报，2018，38(19)：6912-6920.

Fu Xin, Wang Jun, Zhang Qi, et al. Effects of straw and plastic film mulching on soil nitrogen fractions and corn yield in the Weibei rainfed highland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(19): 6912-6920. (in Chinese with English abstract)

[15] 张景俊，李仙岳，彭遵原，等. 河套灌区葵花农田生物地膜覆盖下土壤水-热-氮-盐分布特征[J]. 生态环境学报，2018，27(6)：1067-1075.

Zhang Jingjun, Li Xianyue, Peng Zunyuan, et al. The distribution of soil water, temperature, nitrogen and salinity under biofilm mulching in Hetao sunflower field[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2018, 27(6): 1067-1075. (in Chinese with English abstract)

[16] 邹洪涛，张玉龙，黄毅，等. 东北风沙半干旱区雨水资源跨时调控对玉米生长发育及产量的影响[J]. 土壤通报，2008，39(4)：852-854.

Zou Hongtao, Zhang Yulong, Huang Yi, et al. Effect of plastic film mulching for preserving soil moisture on the growth and yield of maize in semiarid region of western Liaoning province[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4): 852-854. (in Chinese with English abstract)

[17] 张雷，牛芬菊，李小燕，等. 旱地全膜双垄沟播秋覆膜对玉米产量和水分利用率的影响[J]. 中国农学通报，2010，26(22)：142-145.

Zhang Lei, Niu Fenju, Li Xiaoyan, et al. Effects of planting in furrow and whole plastic-film mulching on double ridges in autumn on yield index of corn production and water use efficiency in dry Lands[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(22): 142-145. (in Chinese with English abstract)

[18] 张建军，樊廷录，党翼，等. 覆膜时期与施氮量对旱地玉米土壤耗水特征及产量的影响[J] . 水土保持学报，2018，32(6)：72-78.

Zhang Jianjun, Fan Tinglu, Dang Yi, et al. Effect of film mulching period and nitrogen application rate on soil water consumption characteristics and maize yield in dryland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(6): 72-78. (in Chinese with English abstract)

[19] 王勇，宋尚有，樊廷录，等. 黄土高原旱地秋覆膜及氮肥秋基春追比例对春玉米产量和品质的影响[J]. 中国农业科学，2012，45(3)：460-470.

Wang Yong, Song Shangyou, Fan Tinglu, et al. Effects of film mulching and different ratios of base nitrogen to dressing on yield and key quality of spring maize in dryland of the Loess Plateau[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(3): 460-470. (in Chinese with English abstract)

[20] 信东旭，张玉龙，黄毅，等. 不同时期覆膜对辽西旱地农田土壤墒情及春玉米产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2009，27(6)：114-118.

Xin Dongxu, Zhang Yulong, Huang Yi, et al. Effects of plastic film-mulching in different stages on soil water content and spring maize yield of dryland in western Liaoning[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(6): 114-118. (in Chinese with English abstract)

[21] 李国华. 全膜双垄沟播玉米不同覆膜时期水分生产效率研究[J]. 中国农学通报，2009，25(18)：205-207.

Li Guohua. Study on the different water productivity of maize treated with film mulching two lines during different growth period[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2009, 25(18): 205-207. (in Chinese with English abstract)

[22] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 虚实并存耕层提高春玉米产量和水分利用效率[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：81-90.

Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Furrow loose and ridge compaction plough layer improves spring maize yield and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 81-90. (in Chinese with English abstract)

[23] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版，2000.

[24] 巨晓棠. 氮肥有效率的概念及意义：兼论对传统氮肥利用率的理解误区[J]. 土壤学报，2014，51(5)：921-933.

Ju Xiaotang. The concept and meanings of nitrogen fertilizer availability ratio-discussing misunderstanding of traditional nitrogen use efficiency[J]. Acta Pedologica Sinica, 2014, 51(5): 921-933. (in Chinese with English abstract)

[25] 张哲，孙占祥，张燕卿，等. 覆膜对半干旱区春玉米生长及产量构成的影响[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2016，42(3)：231-237.

Zhang Zhe, Sun Zhanxiang, Zhang Yanqing, et al. Effects of plastic mulch on growth and yield components of spring maize in semi-arid areas[J]. Journal of Hunan Agricultural University: Natural Sciences, 2016, 42(3): 231-237. (in Chinese with English abstract)

[26] Wang Yongpeng, Li Xiaogang, Zhu Jing, et al. Multi-site assessment of the effects of plastic-film mulch on dryland maize productivity in semiarid areas in China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2016, 220: 160-169.

[27] Zhang Zhe, Zhang Yanqing, Sun Zhanxiang, et al. Plastic film cover during the fallow season preceding sowing increases yield and water use efficiency of rain-fed spring maize in a semi-arid climate[J]. Agricultural Water Management, 2019, 212: 203-210.

[28] Li Rong, Hou Xianqing, Jia Zhikuan, et al. Effects on soil temperature, moisture, and maize yield of cultivation with ridge and furrow mulching in the rainfed area of the Loess Plateau, China[J]. Agricultural Water Management, 2013, 116: 101-109.

[29] 蒋锐，郭升，马德帝. 旱地雨养农业覆膜体系及其土壤生态环境效应[J]. 中国生态农业学报，2018，26(3)：317-328.

Jiang Rui, Guo Sheng, Ma Dedi. Review of plastic film mulching system and its impact on soil ecological environment in China’s rainfed drylands[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 317-328. (in Chinese with English abstract)

[30] Zhu Lin, Liu Jianliang, Luo Shasha, et al. Soil mulching can mitigate soil water deficiency impacts on rainfed maize production in semiarid environments[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(1): 58-66.

[31] Fan Yaqiong, Ding Risheng, Kang Shaozhong, et al. Plastic mulch decreases available energy and evapotranspiration and improves yield and water use efficiency in an irrigated maize cropland[J]. Agricultural Water Management, 2017, 179: 122-131.

[32] Guo Sheng, Jiang Rui, Qu Hongchao, et al. Fate and transport of urea-N in a rain-fed ridge-furrow crop system with plastic mulch[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 186: 214-223.

[33] Liu Xiao’e, Li Xiaogang, Guo Ruiying, et al. The effect of plastic mulch on the fate of urea-N in rain-fed maize production in a semiarid environment as assessed by15N-labeling[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 70: 71-77.

[34] 解文艳，周怀平，杨振兴，等. 旱地春玉米地表覆盖对土壤硝态氮残留的影响[J]. 水土保持学报，2015，29(4)：158-164.

Xie Wenyan, Zhou Huaiping, Yang Zhenxing, et al. Effect of soil surface mulching on residual nitrate nitrogen in soil of spring maize field in dryland[J]. Journal of soil and water conservation, 2015, 29(4): 158-164.(in Chinese with English abstract)

[35] 李小刚，李凤民. 旱作地膜覆盖农田土壤有机碳平衡及氮循环特征[J]. 中国农业科学，2015，48(23)：4630-4638.

Li Xiaogang, Li Fengmin. Soil organic carbon balance and nitrogen cycling in plastic fiIm mulched croplands in rainfed farming systems[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4630-4638. (in Chinese with English abstract)

Effects of autumn mulching on water and fertilizer use efficiency and yield of spring maize in Western Liaoning Province

Zhang Zhe1,2, Zhang Xu3, Feng Liangshan1,2, Zhang Yanqing4, Liu Enke4, Sun Zhanxiang1,2※

(1.,,110161,; 2.123100,; 3.123000,; 4.,100081,)

In order to examine the effects of autumn film mulching on water and nitrogen use efficiency of spring maize in semi-arid area, a field experiment was conducted in 2013-2015 for two consecutive years in National Agricultural Experimental Station for Agricultural Environment, and three mulching patterns were set up: plastic film mulching at autumn (film mulching begins after harvest in autumn, AM), plastic film mulching at spring (conventional growing season mulching, SM), and no film mulching (NM). Combined with15N isotope tracer method, the characteristics of water and nitrogen utilization of spring corn mulched in autumn were analyzed. The precipitation during the growing period of spring maize was 310 and 249 mm in 2014 and 2015, respectively, which was lower than the historical average. During the experiments, maize was not irrigated. The aboveground dry matter of maize, biomass yield, grain yield, water consumption and water use efficiency were determined. The results showed that the AM treatment promoted maize growth. After the tasseling period, the aboveground dry matter of maize in the AM treatment was 8.7% and 4.5% higher than the treatments of SM and NM, respectively. The grain yields of AM treatment in 2014 and 2015 were 19% and 11% higher than the SM treatment and 14% and 75% higher than the NM treatment (<0.05), but there was no significant difference on biomass yield between AM and SM (>0.05) in the two consecutive years of relative drought. The AM treatment reduced the water consumption in the leisure period (<0.05), the soil water storage in the sowing period increased by 35 mm on average compared with SM and NM treatments. The water consumptions of maize during tasseling and filling periods was significantly increased (＜0.05). There were no significant difference in water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize among the three treatments in 2014 (>0.05). There was no significant difference in water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize between AM and SM in 2015(>0.05), but both were significantly higher than NM(<0.05). The AM and SM treatments averagely increased the water use efficiency of grain yield and that of biomass yield of maize by 60% and 65% compared to NM in 2015. The AM treatment reduced the nitrogen fertilizer loss, and also reduced the nitrogen fertilizer residue in the soil compared with SM treatment, which improved the use efficiency of nitrogen fertilizer significantly in the current season and the following year (<0.05). The cumulative nitrogen fertilizer use efficiency reached 50.5% in the two years, while those of SM and NM treatments were only 42.7% and 33.5% in the two years, respectively. However, the residual fertilizer nitrogen of AM treatment in the 0-100 cm soil layer was significantly higher than that of NM treatment (<0.05). Therefore, the comprehensive analysis showed that autumn film mulching was an effective technical measure for improving the water and nitrogen fertilizer use efficiency and yield of spring maize in the semi-arid west of Liaoning province under the relatively dry years. Optimizing the application of nitrogen fertilizer can further enhance the value of this technology in regional agricultural development.

moisture; fertilizers; drought; autumn film cover; spring maize; water consumption

张哲，张旭，冯良山,等. 秋覆膜对辽西春玉米水肥利用效率和产量的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(15)：150-158.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019 http://www.tcsae.org

Zhang Zhe, Zhang Xu, Feng Liangshan, et al. Effects of autumn mulching on water and fertilizer use efficiency and yield of spring maize in Western Liaoning Province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 150-158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019 http://www.tcsae.org

2020-03-30

2020-06-10

辽宁省科学事业公益研究基金（20180044）；国家自然科学基金青年基金项目（41807388），辽宁省农业科学院学科建设计划项目(2019DD062010)；辽宁省兴辽人才计划（XLYC1908013、XLYC1807056）；国家重点研发计划（2016YFD0300204）；农业农村部农业科研杰出人才及其创新团队

张哲，博士，副研究员，主要从事旱作与节水农业关键技术研究。Email：chick409@126.com

孙占祥，博士，研究员，博士生导师，主要从事旱地耕作制度理论与技术研究。Email：sunzx67@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.019

S318

A

1002-6819(2020)-15-0150-09