戚迎龙，史海滨，李瑞平，赵 举，李 彬，李 敏



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

戚迎龙1，史海滨1※，李瑞平1，赵 举2，李 彬2，李 敏3

（1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2. 内蒙古农牧业科学院 资源环境与检测技术研究所，呼和浩特 010031；3. 内蒙古科技大学包头师范学院，包头 014030）

为系统地从玉米生长和土壤水肥热的变化来揭示覆膜的调控效应，于2014、2015年两种基础地力水平上设置覆膜滴灌与无膜滴灌开展田间试验，结果表明：与裸地滴灌比较，覆膜提高了玉米生育前期及快速生长期的叶面积指数，缩短了群体冠层发育时间。覆膜能提高出苗率4.9%～5.2%、有效株占比率5.7%～6.3%、增加籽粒与茎叶氮磷钾积累量3.9%～19.8%。覆膜能提高产量10.8%～14.2%、增加水分利用效率17%～18.4%，并且提高穗位叶光合能力与肥料偏生产力，良好基础地力可增幅覆膜效果。在播种后75 d内，覆膜提高了1 m土层贮水量达3.9%～15.7%，冠层发育完全后土壤贮水量表现为接近或小于裸地。覆膜能降低表土在相等时间间隔内水分消耗的差异，可降低表土水分消耗量在0～60 cm深耗水总量的占比率、并且削弱了湿润土体水分消耗的垂向差异。覆膜降低了灌后1～7d滴灌带处土壤水分消耗量7.59 mm、降低了膜侧处耗水量9.44 mm。覆膜可提高生长进程中0-20 cm土壤有效氮2.13～12.0 mg/kg，增加籽粒与茎叶氮积累量的同时也增大了玉米对20～60 cm土层的氮素吸收量。对收获后20～100 cm残留有效氮及速效磷以不明显影响或降低为主。土壤热增减随水分供应与消耗呈现出交替循环的波动性，覆膜明显增加了生育前期及快速生长期土壤温度，5 cm土层75 d多得到44.92 ℃的日均地积温，显著表现在土壤得水失热（井灌水和降雨后）至地温回升期，能稳定地温振幅且在土壤冷凉时获得更多的地积温。

土壤；地膜；滴灌；水肥热；养分；基础地力

0 引 言

农业水资源短缺已成为制约国家长期可持续发展的“结症”，而破解危机，关键在农业生产高效用水[1]。东北玉米带与同纬度的美国、乌克兰玉米带并称世界“三大黄金玉米带”，是玉米种植的优势区域，其所包含的西辽流域的农业灌溉水主要依赖地下水，报道指出[2]，其典型地区通辽市随着逐年增加的农业用水量引起地下水局部超采，资源可持续利用问题日益突出，因此该区域地下水资源能否高效利用，是制约当地农业发展存在的主要 问题。

滴灌可将水分和养分缓慢、均匀地输送到植株根部，实现了水肥一体化同步供应，提高了农业水肥资源利用率。覆膜可调节水分用于作物蒸腾和土壤蒸发的关系，降低土壤蒸发、促进作物蒸腾[3]。可见覆膜和滴灌水肥一体化的结合在技术上可以实现一定程度的高效用水，东北四省区“节水增粮行动”2012—2015年集中发展玉米膜下滴灌面积135万hm2以上[4]，研究区是节水增粮行动的实施区，膜下滴灌水肥一体化技术已开始大面积应用，但研究成果较少，理论研究明显滞后于生产实践。

覆膜可提供局部适宜的土壤环境，创造早播条件，延长营养生长期，明显促进养分的吸收利用，增加积温和干物质及叶水势，增加根系总根长与比根长[5]。覆膜增加各个生育期干物质，尤其在苗期和拔节期，可达24.9%～126.3%，显著增加了玉米生长前期地上部分氮磷钾积累量，对磷素收获指数的影响不明显[6]。覆膜提高了籽粒产量形成的氮生理效率[7]。覆膜明显增大百粒重、穗粒数以及穗长、穗粗、行粒数等产量构成因子，提高了出苗率、加快生育进程[8]。塑料薄膜的封闭阻断了土壤水与外界空气的直接交换，将膜下湿润的土壤水保蓄，提升耕层土壤含水率，使得更多的土壤水被作物吸收利用，减少土壤水蒸发散失[9]。覆膜通过减少水分无效蒸发与促进植株蒸腾相协调来利用土壤水分，是保水与提高深层水分的利用效率相结合的共同作用[10]。

李兆君等[6,8,11-12]以干物质、作物养分、产量、光合特性等作物指标为主，文冶强等[3,9,13-16]以覆膜对土壤水分传输的调控为主。马雯雯等[17-19]以覆膜对土壤热状况影响的研究为主。蔡昆争等[5,20-21]以覆膜对土壤养分的调控研究为主。总的来看，学者们已经各有侧重地论述了覆膜效应，但仍然缺乏综合作物及土壤水、热、肥指标来系统、全面地了解滴灌施肥条件下覆膜的调控效应。有学者研究覆膜效应时加入灌溉因素[3,22]，也有些学者加入施肥因素[23-24]，鲜有文献能考虑到基础地力条件，覆膜对滴灌条件下局部湿润土体水分消耗的相关文献亦较少。综上，本研究基于玉米滴灌水肥一体化技术来探究地膜覆盖对作物及土壤水肥热特征的综合调控过程并深入了解覆膜对“土壤-作物”系统的响应规律，为覆膜和滴灌水肥一体化技术的结合提供理论支撑，进一步完善覆膜对滴灌湿润土体水分消耗机制、对地表的水肥溶液的保蓄、对水分和养分的吸收利用及土壤水热过程的影响等科学问题的文献情报。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田选在通辽市北部腰林毛都镇，位于44°06′N、122°20′E，为东北四省节水增粮行动项目区，位于西辽河流域东部。流域地处大兴安岭东南麓和燕山北麓夹角带，人-地系统也随着历史进程在改变与演化着。流域面积13.6万km²，作为内蒙古重要的产粮基地，种植玉米达60%以上。年均气温5.0～6.5 ℃，日照时数2 800～3 100 h，相对湿度45%～58%，降雨量300～400 mm，蒸发量 1 199～2 200mm，大部分区域处在半干旱季风气候区，水资源总量多年平均70.2亿m3，地下水资源量多年平均53.73亿m3，2015年西辽河流域地表水及地下水供水量分别为7.94亿m3及34.98亿m3，农田用水量30.56亿m3，占水资源供给量的71.2%。采用美国Onset公司生产的HOBOU30型气象自动监测站获取试验田2014、2015年气象数据，通过Penman-Monteith公式[25]计算所得的参考蒸散量ET0及降雨量见图1。

图1 参考蒸散量ET0及降雨量

1.2 供试土壤

2014与2015年分别选取2种不同基础地力的大田地块，土壤容重、田间持水率均采用环刀在1 m土层内土壤剖面上取原状土后在室内试验测得，表层0～20 cm剖面取5个重复，20～100 cm各剖面取3个重复点。土样碾碎过筛后按1∶5配置土壤水溶液，震荡过滤后经真空泵抽滤，测试上清液的pH值EC，各土壤理化指标如表1。考虑到不同的产量水平及土壤理化性质(当地传统分别称为“三等地”“一等地”)，并按照“第二次土壤普查养分分级标准”划分养分级别后的地力条件见表2。

表1 土壤理化性质

表2 土壤基础地力的划分

1.3 试验设计

设置滴灌条件下覆膜（FM）与裸地（NM）2种栽培模式的田间对比试验，试验田玉米采用宽窄行(35 cm× 85 cm)种植，覆膜处理为窄行玉米覆盖70 cm，一条滴灌带灌溉两行玉米，种植模式见图3，每个处理设置3次重复并划分为3个小区，每个小区为3条滴灌带即为一个种植单元，延米长为20 m，取样监测均选在中间滴灌带控制的区域。灌水依据为覆膜处理计划湿润深度内土壤含水率占田持的百分比：拔节前65%～85%，拔节后60%～85%，并按苗期20 cm、拔节期40cm、抽雄期-成熟期60cm为计划湿润深度计算灌水量。播种时采用一体化农机施肥，N施用量72 kg/hm2，P2O5施用量105 kg/hm2，K2O施用量60 kg/hm2，追肥采用水肥一体化施肥罐追施氮素3次共计168 kg/hm2。

图2通过分析2014、2015年日均相对湿度、日均气温并统计ET0在生育期内连续分段数值区间取值频次，2014年与2015年相对湿度及日均气温数据点散布在等值线两边，即气温及湿度2个气象因子在2个试验年份接近，2014、2015年生育期总降雨量为227.40、274.01 mm，依据当地历史50年的气象数据为样本应用适线法进行降雨频率分析，得出2014、2015水文年型均为枯水年。综上述，2014、2015年试验地点农业气象条件近似。

图2 试验年主要气象因子间的关系

1.4 数据采集与测定方法

出苗率在5月下旬于试验田实际调查，采用手持计数器记录每个小区中单元滴灌带控制的20延米两行点籽区出苗数。收获时计数该两行玉米实际结穗的玉米总株数。采用美国LI-COR公司生产的LI-6400型光合仪，观测日期选在吐丝末至灌浆初的生育过渡期监测玉米穗位叶片光合特性[26]，监测10：30～11：30（选择日净光合速率达峰值的时间区间）参考文献[11,27]监测各小区玉米穗位叶净光合速率P、蒸腾速率T、气孔导度G、胞间CO2浓度C，单个样片数据记录次数参考LI-6400仪器的使用说明书取3～5次。每个小区挂牌标定3株玉米并在拔节、大喇叭口、抽雄、灌浆、成熟期测量玉米叶面积。将收获时烘干称质量后的干物质均匀粉碎并按照籽粒和茎叶（简称除籽粒外的所有器官），籽粒过0.25 mm筛，其他过0.5 mm孔筛，浓H2SO4-H2O2消煮后按教材[28]化验方法测全氮、全磷、全钾[28]。土壤取样位置为平行于滴灌带的玉米棵间，风干样过1 mm筛，按播前、拔节、抽雄、灌浆、收后测定土壤有效氮(碱解氮)，每层20 cm土钻取样，深度为播前及收后1 m、生育期内60 cm；土壤速效磷分别与播前和收后按1 m深度分5层取样监测，化验方法参考文献[28]。采用德国IMKO公司生产的TRIME-PICO-IPH型时域反射仪（TRD）监测探头深入预先安装好的地埋监测管中采集土壤体积含水率数据，采用北京昆仑泰恒科技有限公司生产的THL-TS型土壤温度自动记录仪（精度为±0.2 ℃，分辨率为0.1 ℃），选取的监测时间为2015年播种后至7月中旬（时间段为FAO56[26]给出的生育前期和快速生长期），仪器记录间隔为1 h，研究分析时计算为日平均值，间隔为1 d。土壤水分、温度、养分监测位置如图3。

图3 种植模式及土壤水、热、养分监测布置

1.5 数据计算与分析方法

数据统计学处理及科学绘图采用SigmaPlot 12.5与Excel 2016软件，模型参数求解采用1stopt 5.0数据优化分析计算软件。

1.5.1 出苗率及有效株占比率

苗率和有效株占比率小区实际监测后通过下式计算：

1.5.2 叶片水分利用率LWUE

叶片水平上的水分利用率LWUE一般采用光合速率与蒸腾速率的比值来反映[25]：

式中P为净光合速率,mol/(m2·s)，T为净光合速率, mmol/(m2·s)。

1.5.3 基于积温的叶面积指数

实测叶面积后采用常规方法计算叶面积指数，时间序列模型构建参考文献[29-30]分两个阶段给出叶面积指数与积温的关系而建立的叶面积指数增长模型，其计算过程描述如下：

式中T为日均气温(℃)，为出苗日期（日序数记为1），分别为吐丝和成熟日期对应的日序数。出苗到吐丝前1d营养生长阶段积温用1(℃)表示；从吐丝日到成熟生殖生长阶段积温用2(℃)表示。

式中RDD为出苗起第天的相对积温，(℃)为积温，分2阶段分别取值1(℃)、2(℃)；RLAI为相对叶面积指数，LAI为叶面积指数，LAImax为最大叶面积指数，x、1、2、3为参数。

1.5.4 作物养分吸收量及养分收获指数HI[6]

1.5.5 土壤养分平衡计算[31]

土壤养分平衡计算参考文献[31]采用表观平衡法。

1.5.6 水量平衡及水分利用效率计算

当地实测地下水埋深在6 m以下，故忽略地下水补给，灌水技术为滴灌且地表平整，忽略地表径流及深层渗漏。计算过程如下：

式中ET为蒸散发总耗水量(mm)，、分别为灌溉水量(mm)、有效降雨量(mm)，t1-t2为计算ET时段内贮水量差(mm)；WUE为水分利用效率kg/(mm·hm2)，为籽粒产量，kg/hm2；为土壤水消耗量(mm)，tb-tb为灌水后无降雨补给时段内的土壤含水量差值，为土层厚度(mm)；为表层土壤水分消耗占比率，%。

1.5.7 肥料利用指标计算

肥料偏生产力PFP指的是施用某一特定肥料下的作物产量与施肥量的比值（kg/kg），百千克籽粒产量养分吸收量指形成100 kg经济产量作物全株养分吸收量，计算方法[31]如下

1.5.8 土壤温度滑动平均

滑动平均便于消除数据的震荡波动，呈现一定采集范围内的总体趋势，多用于时间序列的数据分析，方法是从个数值中从第一个值开始连续取前项取平均值，接着从第二个值开始再连续取项取平均值，依次进行后最后一个项序列的第一项是序列的第（+1）项，计算方法[32]见式（16）。

式中T(℃)为地温滑动平均值，为滑动平均天数，T为时间序列对应的地温。

2 结果与分析

2.1 覆膜对玉米生长的影响

2.1.1覆膜对滴灌玉米出苗率及收获有效株数的影响

根据表3统计数据，覆膜可提高出苗率4.9%～5.2%，可提高收获时对籽粒产量有贡献的有效株占比5.7%～6.3%。提升地力水平可增大出苗率及收获有效株占比率，且对地膜覆盖的保苗效果有促进作用。

2.1.2 覆膜对滴灌玉米冠层叶片发育的影响

采用叶面积指数来描述冠层叶片扩张动态，相对叶面积指数模型求参采用1stopt数据优化计算软件，模型计算后给出了相对叶面积指数RLAI和相对积温RDD的数学模型参数见表4，然后将RLAI乘LAImax，转化为叶面积指数LAI，得出时间序列和LAI的数学关系。

表3 出苗率及有效株占比率

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达 5%显著水平，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column mean significant differences at 5% level, the same below.

表4 叶面积指数拟合参数

图4拟合值的时间范围从种子破土出苗至成熟收获，从实测值的对比可以看出，地膜覆盖在2014年、2015年均不同程度地提高了水氮一体化供应条件下滴灌玉米的叶面积指数，且在生育前期更明显。试验过程中发现在拔节至大喇叭口的快速生长期间覆膜和无膜冠层叶面积表观上可以看出非常明显的差异，从拟合动态值结合田间监测叶面积指数的对比可得出覆膜加快了前期生育进程，将生育前期及快速生长期玉米群体达到相同叶面积指数的时间提前了，效果在2015年更明显。通过对比2014年与2015年的差别，发现2014年地力水平较低时覆膜效果在前期没有2015年的明显，一定程度反映出良好的地力条件可增幅覆膜对冠层叶面积发展的作用。

图4 叶面积指数LAI拟合值与实测值

2.1.3 覆膜对滴灌玉米穗位叶光合特性的影响

图5对比了抽雄吐丝期穗位叶光合指标，PTG均因地膜覆盖而提高，C值被降低，基础地力的提升也对穗位叶PTG值有增量，基础地力好时覆膜的增效更显著。叶片水分利用效率LWUE在2014年覆膜比裸地高出0.249mol/mmol，提升了5.84%，2015年覆膜比裸地高出0.277mol/mmol，提升了6.60%。而P与T在地力提升时同步提升，其比值LWUE在不同地力条件下差异不显著。

图5 抽雄吐丝期穗位光合指标的统计对比

2.1.4 覆膜对滴灌玉米氮磷钾养分积累及收支的影响

玉米养分吸收量见表5，基础地力水平对收获时单株玉米籽粒及茎叶氮、磷、钾积累均有着决定性作用，高地力水平玉米吸收了更多养分。覆膜在良好的地力水平下可增加籽粒与茎叶氮、磷、钾积累量3.9%～19.8%，分别达8.2%～19.8%、3.9%～9.1%，地力水平偏低时覆膜对茎叶氮、籽粒磷与茎叶磷、籽粒钾影响不显著。氮磷钾养分收获指数因地膜覆盖而提高，而地力条件不影响养分收获指数。按“全国第二次土壤普查”分级标准，试验地土壤磷相对匮乏，玉米吸磷量低，但磷素收获指数最高，籽粒磷占比更大。

表5 收获时氮磷钾积累量

注：同行不同字母表示处理问达5%显著水平，下同。

Note: Different letters in the same row mean significant difference at 5% level, the same below.

不同年份相应处理间氮磷钾养分收支结果见表6，处理间氮磷钾养分投入均一致，而地膜覆盖及不同年份下地力条件的差异引起养分收支关系的变化，覆膜不同程度地增加了养分携出量，2014年氮素和磷素均为盈余，且不覆膜处理盈余量多于覆膜处理，钾素携出量大于施入；2015年氮素和钾素的表观平衡表现为亏缺，磷素盈余。地膜覆盖通过增大养分携出量而降低了表观盈余量、增大了表观亏缺量。

2.2 覆膜对滴灌玉米产量及水肥利用效率的影响

表7统计数据显示2014年NM处理总耗水量大于FM处理，2015年NM与FM处理总耗水量无显著差异。即滴灌覆膜在2014年地力水平较低时降低了总ET，而2015年地力水平高条件下覆膜未明显降低总ET。地力、覆膜二因素均对水分利用效率有显著增效分别达17%～18.4%、10.8%～12.1%。

试验数据见表8，覆膜与地力二因素均能明显提高玉米产量分别达10.8%～14.2%、19%～22.7%，提高氮、磷、钾肥料偏生产力4.3～26.9、7.6～40 kg/kg，影响效应为地力>覆膜，二因素存在交互促进作用，覆膜效应随地力水平的提升而增强；肥力高的土壤每形成100kg籽粒吸收了更多的氮、磷、钾养分，产出作物的氮、磷、钾浓度更大。覆膜使产量与氮、磷、钾养分吸收量同步提升，对100 kg籽粒养分吸收量无明显增效。

表6 土壤氮、磷、钾素表观平衡

表7 产量及水分利用效率

表8 肥料偏生产力及100 kg经济产量养分吸收量

2.3 覆膜对土壤水肥热的影响

2.3.1覆膜对滴灌土壤1m土层贮水量的影响

图6表示了2014、2015年滴灌覆膜与无膜条件下土壤1 m土层贮水量在生育期内的变化过程，两个试验年膜下滴灌处理在生育前期和快速生长期的土壤贮水量均不同程度的高于裸地滴灌，主要原因是膜下滴灌封闭土壤表面，减少了土壤蒸发量。而且滴灌覆膜保墒增温，给玉米提供了更好的土壤水热条件，增加了作物蒸腾量从而缩小了1 m土层贮水量在覆膜和裸地之间的差异。随着冠层逐渐发育完全，覆膜降低土壤蒸发量的效果减弱，土壤贮水量接近或小于裸地。播种后75 d内覆膜提高1 m土层贮水量在2014年为3.9%～15.7%，2015年为4.4%～12.8%。

图6 土壤贮水量动态

2.3.2 覆膜对滴灌湿润土体水分时空消耗特征的影响

在试验年份2015年玉米大喇叭口期一次灌水后计算计划湿润深度60 cm内各层土壤的贮水量以2 d为单位时间的消耗量及1～7 d间隔的总消耗量，该段时间无降雨补给，玉米植株蒸腾及土壤蒸发耗水总量可直接通过土壤贮水量差求得，计算结果通过图7描述，灌后初期0～20 cm土层水分消耗量因覆膜而降低，1～3 d水分消耗：在滴灌带下方比裸地降低3.6 mm，距滴灌带17.5 cm（植株所在位置）比裸地降低2.63 mm，膜侧距滴灌带35 cm处比裸地降低1.04 mm，地膜对0–20 cm保水效果：滴灌带处>植株处>膜侧。表层0～20 cm灌后3～5 d、5～7 d滴灌带下方及植株位置裸地土壤水消减量较1～3 d逐渐减少，可见覆膜稳定了土壤水消耗的速率，表层土壤在无膜封闭时表现为含水率高的状态下水分消耗的更快，含水率随时间降低后，水分消耗速率也随之下降，塑料地膜封闭后的阻断蒸发，降低了0～20 cm的水分消耗量，灌后随时间的推进，其单位时间间隔消耗量的变化也较无膜小一些。水分消耗在膜侧0～20 cm与裸地接近，土壤贮水量的消耗速率随着含水率的降低而减弱，但灌后6 d间隔内覆膜可比裸地在表层水分干湿交界面的贮水量少消耗4.24 mm。

由图7-9的数据可以看出覆膜改变了湿润土体垂直方向的耗水分布，降低了表土水分消耗量占湿润深度内耗水总量的比例、削弱了垂直方向土壤水分的消耗差异。由图8可得出覆膜降低了滴灌点源处与膜侧水分干湿交界面在一次灌水周期下湿润深度内的水分消耗总量，分别降低了7.59 mm与9.44 mm，并分别降低了1.09 mm/d与1.35 mm/d的耗水强度。

注：0,17.5,35指距滴灌带水平距离。

图8 1～7 d间隔贮水量消耗总量及耗水强度

图9 0～20 cm贮水量消耗占总量的比例

2.3.3 覆膜对滴灌土壤养分的影响

图10表示了各生育期土壤有效氮数值，可见良好基础地力提高了全生育期土壤有效氮含量；较高地力水平表层0～20 cm有效氮先增大至抽雄期达峰值后逐步减少，与气候环境下的土壤水热供应状况一致，而地力水平偏低时，基施氮72 kg/hm2不能满足玉米前期的氮需求，拔节较播前有效氮含量降低。覆膜可增大各生育期表层0～20 cm土壤有效氮2.13～12.0 mg/kg，滴施于地表的尿素水溶液因覆膜封闭而减少了挥发损失；良好地力能更好地发挥覆膜对0～20 cm有效氮的增效。播前～拔节生育前期20～40 cm的有效氮波动与表土层类似，至抽雄时两处理的有效氮含量接近，之后总体趋势递减，2015年抽雄后20～40 cm土壤有效氮为不覆膜大于覆膜，下层氮素受玉米吸收的影响更大，可推断覆膜增大了玉米对下层40～60 cm土壤氮素的利用。土壤微生物活性随土壤温度提高而逐渐提高，与此同时有机氮矿化与硝化作用增强，吸氮量也增加。综合本次试验与前人的研究结果[5,19,24,32]，以及本文其他小节对土壤水热状况的分析，推出覆膜通过优化水土环境而使得不能被作物直接利用的氮素更多的转化为速效性氮素，且覆膜封闭表土，减少滴施氮素的挥发损失，解释了覆膜可提高土壤有效氮且增加了作物吸氮量。

图10 生育期土壤有效氮动态分布

如图11所示播前与收后不同处理1 m土层的土壤有效氮，播前与收后1 m土层有效氮分布总趋势为自浅向深递减，2014年、2015年0～60 cm土层有效氮均为收后低于播前，下层60～100 cm含量播前与收后较接近。水肥一体化滴灌条件下，收获后覆膜和无膜土壤中的有效氮在2014年、2015年均较接近，说明从全生育期尺度来看，覆膜并未影响玉米收获后有效氮的残留量。土壤速效磷含量表层较高、并向下递减，不同深度内0～60 cm垂直方向差异较大，60～100 cm差异较小，对于收获后0～20 cm速效磷，FM处理在2014年比NM处理高29.8%，在2015年比NM处理高10.23%，而下层土壤表现为NM处理偏高。可见覆膜比无膜对下层土壤速效磷的吸收利用量更大一些，覆膜所提供的良好土壤水热条件也使得玉米在生育期内充分利用了速效磷素，从而降低了收获后土壤有效磷残留量。

2.3.4 覆膜对滴灌土壤水热动态的影响

图12看出土壤温度波动趋势受土壤水分供给的影响明显，NM和FM处理的土壤温度均在灌溉和有效降雨后随之锐减，而后地温再回升，表现出土壤热随着水分供给与消耗表现出的交替循环波动性。从不同深度的土壤温度对比来看，表层土壤温度高，随着深度方向递减，但以5月6日、5月30日灌水及6月11日的降雨为例，NM处理土壤在灌后和雨后均出现表层5 cm土壤温度低于深层的现象，而FM处理在上述前2个时间点井灌水补给后表层5 cm地温仍能保持不低于下层15 cm及25 cm的地温，6月11日降雨后FM处理表层5 cm地温仍然明显高于下层土壤，由此证实地膜覆盖在灌水和降雨后，相比不覆膜可以稳定土壤热量，在土壤冷凉时能获得更多的地积温。

图11 土壤有效氮、速效磷在播前和收后的剖面分布

从图13可以看出，覆膜在6月中旬以前均不同程度的提高了5 cm土层的地温，至7月初灌溉和降雨后覆膜仍然表现出一定的增温效果。如图13a所示，相对常规条件，覆膜的增温效果在井灌水和降雨后至土壤温度回升前这一段时间表现更明显、对地温的增量更大。5 cm土层地积温覆膜比无膜高44.92 ℃（75 d）。采用10 d滑动平均处理了土壤温度数据，便于消除短期的震荡波动，得出地温在一定时间内的总体趋势，图13b显示出5 cm土层地温滑动值随着生育进程推进呈波动增长的趋势，且覆膜处理滑动值在波峰与波谷均高于不覆膜处理。

图12 不同深度土壤温度动态

图13 覆膜与无膜土壤5 cm深地温

3 讨 论

覆膜在播种后即开始了对土壤-作物系统的调控，首先表现在对出苗率的影响上，多数试验[12,15]在旱作和地面灌溉的生产模式下均发现地膜对出苗、保苗的积极作用。有学者在全覆膜旱作模式下得出覆膜加快了生育进程，提高了叶面积指数[3]，也有学者在地膜双垄沟覆盖模式下得出相同的结果[8]，即覆膜使得冠层更快更充分的发育。覆膜影响光合特性，提高了叶片净光合速率和蒸腾速率，提升了叶片光合能力[11,33]。地膜也影响到玉米植株养分积累量、产量[6,34]及对水分、肥料的利用状况[23]，均表现为正效应。本次研究得出滴灌施肥技术需要覆膜来更好地调控玉米生长，试验过程中玉米群体获得的光能通风一致，地膜对作物的影响机制是通过调控土壤水热肥环境来实现的。多数学者均得出覆膜降低ET的结论[3,15]，部分学者指出覆膜后产生更高的ET[35]。也有学者[23]得出滴灌覆膜与不覆膜耗水量差异不明显是由于覆膜虽减小了土壤蒸发 E，但增大了植株蒸腾T，最终耗水量ET覆膜略大于裸地1%～3%，差异不显著。本文中的大田试验在2014年得出覆膜降低ET，而2015年地力条件较优，滴灌覆膜与无膜ET差异不显著，可见基础地力与地膜覆盖对玉米蒸散发有互作效应，下一步需要开展对滴灌施肥条件下蒸发E、蒸腾T定量分离的研究，进一步了解其耗水结构。本次研究在分析土壤养分和温度方面也和多数学者[24,34,36]得到一致的规律。西辽河平原春季冷凉，当地全生育期均采用地下水井灌，覆膜可直接为玉米生长获得更多的土壤积温。学者们针对不同形式的地面灌溉覆膜及旱作覆膜来探究其对作物生长的影响的文献情报较多，而滴灌水肥一体化作为一种高效的灌溉施肥技术，研究报道较少，随着区域性的辐射推广，需要有更多研究成果来指导实践生产。有文献[6,8,11,12]主要报道覆膜对作物的影响，有的报道对土壤水分的影响[3,9,13-16]或者地温[17-19]，土壤养 分[5,20,21]的影响，而本文更综合、更系统地分析了土壤-作物系统内作物冠层生长、光合特征、养分吸收、水肥利用以及土壤水分、养分、温度，则可以更全面地揭示地膜覆盖在滴灌水肥一体化这种技术条件下的调控机制，并且在研究覆膜调控作物生长及养分吸收时，加入了地力因素探讨了覆膜作用效果的差异；在研究覆膜调控土壤水分时，采用沿着与滴灌带垂直的方向由近及远布设多根TDR监测管，用来探讨滴灌条件下局部湿润土体水分消耗受地膜覆盖的影响；在研究地膜调控土壤温度时，采用传感器实时监测土壤地温并配合田间气象站及灌溉水表对玉米田接水量的获取，更加明确地揭示了典型井灌区覆膜与裸地的土壤热伴随着实际农田灌溉、降雨间隔条件下的循环波动特征。

总的来说，滴灌水肥一体化是一种可以实现水肥同步供应的高效灌溉施肥技术，在农业水资源紧缺、井灌区地下水超采、化肥使用不合理的严峻形势下，将会有广阔的应用前景。

4 结 论

1）水肥一体化条件下，覆膜能明显提高玉米生育前期及快速生长期叶面积指数，可将玉米群体冠层发育时间提前。覆膜能提高玉米出苗率4.9%～5.2%、增加有效株占比率5.7%～6.3%、提高籽粒与茎叶氮磷钾积累量3.9%～19.8%，增产10.8%～14.2%、提高水分利用效率17%～18.4%，并提高了穗位叶光合能力与氮磷钾肥料偏生产力，良好地力条件可增幅覆膜效果。

2）播种后75 d内，覆膜提高了1 m土层贮水量达3.9%～15.7%，随着冠层逐渐发育完全，覆膜降低土壤蒸发量的效果减弱，土壤贮水量接近或小于裸地。滴灌覆膜能稳定表土耗水速率，减小表土在1～3 d、3～5 d、5～7 d相等时间间隔内水分消耗的差异。覆膜可降低表土水分消耗量占计划湿润深度内耗水总量的比例，削弱了垂直土体耗水差异。在滴灌带处与膜侧处，覆膜分别降低了灌后1-7d土壤水分消耗量7.59mm与9.44 mm。

3）覆膜提高了玉米生长过程中表土有效氮达2.13～12.0 mg/kg 并增大玉米对20～60 cm土壤养分的吸收量。覆膜对收获后20～100cm残留有效氮及速效磷以不明显影响或降低为主。土壤热的增减随着水分供应与消耗表现出交替循环的波动性，地温在灌溉和有效降雨后随之锐减，后续回升。6月中旬前滴灌覆膜在不同土壤水热条件下均明显提高了5 cm土层的日均地温，之后主要表现在灌溉、降雨后有增效。覆膜的增温效果在井灌水和降雨后至土壤温度回升前这一段时间更为明显、对地温的增幅更大，相比不覆膜可以更好的稳定土壤热量，在土壤冷凉时能获得更多的地积温。2015年当地玉米覆膜滴灌在生育前期和快速生长期可比无膜滴灌多得到44.92 ℃的5 cm土层地积温。

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Effects of film mulching on maize growth and soil water, fertilizer and heat under fertigation of drip irrigation

Qi Yinglong1, Shi Haibin1※, Li Ruiping1, Zhao Ju2, Li Bin2, Li Min3

1.0100182.010031; 3.014030

Irrigation water shortage and climate variability constrain agricultural production, especially in arid and semiarid regions. The fertigation technology of drip irrigation under film mulching has been applied in the West Liaohe River basin, China. However, few studies have focused on quantitative effects of filming for drip fertigation in this area. To systematically reveal the regulation effect of filming from the changes in maize growth and soil water, fertilizer and heat, field experiments were carried out by applying film drip irrigation and film-free drip irrigation at two basic soil fertility levels in 2014 and 2015 in Tongliao, Inner Mongolia. In this study, soil temperature sensor, TDR moisture monitor, plant photosynthetic instrument and sample chemical test were used to obtain the data, then count and compare the differences of these data for film mulching and bare land. The results showed that film drip irrigation increased the leaf area index and shortened the time of population canopy development in the early and rapid growth periods of maize compared with film-free drip irrigation. Under the fertigation technology of drip irrigation, filming could increase the emergence rate, the effective plant percentage and the NPK accumulation in grains, stems and leaves by 4.9%-5.2%, 5.7%-6.3% and 3.9%-19.8% respectively. Filming could increase the yield and the water use efficiency by 10.8%-14.2% and 17%-18.4% respectively. Moreover, it could improve the photosynthetic capacity and partial factor productivity (PFP) at the panicle leaf. The filming effect could be increased based on good soil fundamental fertility. Within 75 days after sowing, filming increased the soil water storage at the 1 m soil layer by 3.9%-15.7%. After the canopy was fully developed, soil water storage was close to or less than that of bare land. Under the fertigation technology of drip irrigation, filming could reduce the difference of the topsoil's water consumption at equal intervals, reduce the proportion of total water consumption of topsoil in 0-60 cm depth, and weaken the vertical difference of moisture consumption in moist soil. After irrigation between 1 to 7 days, filming reduced the soil water consumption at the drip irrigation tape and the film side by 7.59 mm and 9.44 mm respectively. Filming could increase the available nitrogen at the 0-20 cm soil layer by 2.13-12.0 mg/kg in the growth process, increase the nitrogen accumulation in grains, stems and leaves. Filming could increase the nitrogen uptake of maize at the 20-60 cm soil layer. The residual available nitrogen and available phosphorus at the 20-100 cm soil layer after harvest were not significantly affected or reduced by film mulching. The soil temperature decreased sharply after irrigation and effective rainfall, and recovered subsequently. The soil heat showed alternating cycle fluctuation with water supply and consumption changes. Filming significantly increased the soil temperature in the early and rapid growth periods. Because of film mulching, the 5 cm soil layer obtained more than 44.92 ℃ daily average soil accumulated temperature within 75 days after sowing, which was significantly reflected in water accumulation and heat loss (after well irrigation and rainfall) of the soil to the soil temperature recovery period. Filming could stabilize the soil temperature amplitude and obtain more soil accumulated temperature when the soil was cold. The research results can provide scientific basis and decision-making reference for the fertigation technology of drip irrigation under plastic film mulching in the West Liaohe Plain.

soils; plastic films; drip irrigation; soil water, fertilizer and heat; nutrient; land capability

2018-07-11

2018-12-18

“十二五”科技支撑计划项目（2014BAD12B03）；国家自然科学基金重点项目（51539005）；内蒙古农牧业创新基金（2017CXJJN11）

戚迎龙，博士生，研究方向为节水灌溉理论与新技术。Email：hhhtqyl@foxmail.com

史海滨，博士，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉原理及应用方面的研究。 Email：shi_haibin@sohu.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012

S275.6; S158.3

A

1002-6819(2019)-05-0099-12

戚迎龙，史海滨，李瑞平，赵 举，李 彬，李 敏.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. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012 http://www.tcsae.org

Qi Yinglong, Shi Haibin, Li Ruiping, Zhao Ju, Li Bin, Li Min.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) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.012 http://www.tcsae.org