王小林，張 雄，朱曉曉

(榆林學院 生命科學學院，陜西 榆林 719000)

1 引 言

我國干旱半干旱區(qū)域農田約占全國總耕地面積的51%，自然降水是干旱半干旱作物區(qū)主要水分來源，水分匱乏是旱作區(qū)農業(yè)生產發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的建設的主要障礙因素[1]。在黃土高原地區(qū)，主要降水多以雷雨形式集中發(fā)生在7～9月份，很容易因為降雨而產生小量的地表徑流，造成土壤養(yǎng)分的流失，在該地區(qū)保水相當于保肥[2]。Oktem[3]和Lawes[4]在多年的研究中表明，在干旱半干旱地區(qū)作物的產量主要受到季節(jié)性自然降水的影響。

玉米是我國干旱半干旱地區(qū)的主要作物，作物生長期間水資源嚴重失調，導致作物生產起伏不定[5]。覆膜栽培可有效節(jié)約水資源，具有增加土壤溫度，提高土壤的保水能力，減少地面水分的自然蒸發(fā)，同時促進小量降雨有效入滲到土壤。李吾強[6]研究表明，覆膜時間越久，土壤中的養(yǎng)分含量越高。董加貴等[7]又進一步指出，覆蓋地膜可以保證20cm的耕層土壤土質疏松。想要改變陜北地區(qū)玉米種植狀態(tài)，主要途徑是提高栽培技術對自然降水的聚集能力，提高農田系統(tǒng)對自然降水的利用效率[8]。現(xiàn)有的覆膜耕作方式是多種多樣，參差不齊。黃土旱區(qū)全膜雙壟溝播栽培技術增產效益最優(yōu)，增產幅度高達20%以上[9-10]。宋秉海[11]研究認為地膜覆蓋在豐水及干旱年份增產作用表現(xiàn)出較大差異。在降雨量處于250～500mm之間的干旱半干旱農業(yè)區(qū)，農業(yè)發(fā)展的根本途徑就是提高自然降水的蓄集和利用效率[12]。地膜覆蓋技術通過調節(jié)土壤的水分和溫度，保障根系功能的正常發(fā)揮，有效提高作物產量[13-14]。覆膜方式具有調節(jié)土壤環(huán)境，阻止雜草生長，減少土壤板結和土壤侵蝕等作用，這些作用都有利作物生長和發(fā)育，從而促進作物對養(yǎng)分和水分的吸收[15]。綜上所述可知，地膜覆蓋栽培技術在干旱半干旱種植地區(qū)是有效提高作物產量的農業(yè)技術，能夠有效的聚集自然降水，減少地面的無效蒸發(fā)，最大限度的蓄積土壤水分[16]，是干旱半干旱地區(qū)農作物高產栽培技術的重大突破，地膜覆蓋技術在旱作區(qū)的研究更加具有重大意義。

氣候變化帶來的不可預期的自然災害在黃土旱區(qū)頻繁發(fā)生。因為災害天氣的突發(fā)性和不可預測性，近些年，其對于旱區(qū)農業(yè)生產和增產穩(wěn)產造成了嚴重的影響。陜北黃土旱區(qū)6、7月份是冰雹等突發(fā)性氣候災害頻發(fā)期[17]。此時，玉米正處于大喇叭口期向抽雄期過渡，由于地膜覆蓋栽培技術提升土壤內部的微生物的活躍程度[18]，顯著改良土壤內在環(huán)境[19]，有利于玉米根系吸水和地上部生長發(fā)育，將玉米生育期提前并延長玉米生殖生長，加快作物生長發(fā)育的進程便于籽粒灌漿[20]。無疑是夯實了作物產量提升的基礎。但覆膜玉米生育期提前，尤其是生殖生長期提前受冰雹災害的影響越大[21-22]。因此，深入探討不同覆膜方式對于突發(fā)性災害氣候的適應性，明確覆膜方式在緩解氣候災害上的具體原理具有現(xiàn)實意義。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

2017年，在榆林市橫山區(qū)邵小灘村 (北緯36°57′～39°35′東經107°28′～111°15′)開展覆膜對比田間試驗。試驗地位于典型干旱半干旱農牧交錯地帶，光照充足，年均氣溫8.6℃，平均海拔1250m，年均降雨量397.8mm，無霜期大約是146d[23]，氣候以寒溫為主。80%降雨量集中在7～9月，月份間降雨量嚴重分布不均。暴雨、冰雹等突發(fā)自然災害時有發(fā)生，對作物生長發(fā)育及產量形成具有顯著影響[24]。本試驗在2017年7月16日遭受持續(xù)30分鐘的較強冰雹災害，為了避免遭受因土壤板結而帶來的二次傷害，災后只對試驗區(qū)進行簡單的松土處理。

2.2試驗設計

表1 2017年玉米覆膜栽培田間試驗設計

注：表中I、II、III表示處理的3次重復。

試驗玉米品種為延科288號；地膜為常用白色地膜和黑色地膜，厚度為0.05mm。試驗設置4個覆蓋處理：白膜膜際栽培(BM)、黑膜膜際栽培(HM)、白色全膜壟溝播種(QM)和露地種植(CK)，3次重復，采用隨機區(qū)組試驗設計(表1)。壟寬為60 cm，壟高10 cm，用80cm寬的白色地膜覆蓋壟面，以行距70 cm，株距為29 cm將玉米種植在壟的兩側5-8cm處。播種前進行土地平整的處理，小區(qū)面積是4m×15m = 60m2，處理間留有過道和保護行。于2017年5月10日人工進行玉米播種和地膜覆蓋，10月2日收獲測產。玉米全生育期內無灌溉處理。

2.3 測定指標與方法

2.3.1 苗期和拔節(jié)期土壤水分的測定

分別用土鉆法取出深度為20cm、40cm、60cm、80cm、100cm處的土壤樣品，放置105℃恒溫箱中烘烤12 h，直至土壤質量恒定，利用烘干法計算土壤質量含水量：

式中：W1烘干前鋁盒和土樣質量(g)；W2烘干后鋁盒和土樣質量(g)；W3空鋁盒的質量(g)。

2.3.2 拔節(jié)期株高和莖粗的測定

每個小區(qū)隨機選取具有代表性的植株10株，測量地面莖部到頂端的長度，用游標卡尺測定地上5cm處植株直徑。

2.3.3 產量測定

在玉米收獲時，每個小區(qū)都進行單獨收獲，同時測定產量指標穗長、穗粗、穗粒數、百粒重及小區(qū)產量。在每個試驗小區(qū)隨機選取10株果穗，分別測量穗長(cm)、穗中間直徑(cm)； 10株玉米穗手工脫粒，記錄穗粒數。籽粒晾干，隨機選取100粒進行稱重，重復4次；小區(qū)玉米籽粒樣品，風干至含水量在13～15%之間，直接稱重，計為小區(qū)產量并折算單位面積產量。

2.4 數據處理與分析

試驗數據和圖表的處理使用Excel和SPSS 23.0，采用SPSS進行多重比較(LSD)法和0.05水平單因素ANOVA分析。

3 結果與分析

3.1 覆膜策略對玉米苗期到拔節(jié)期土壤蓄水量變化的影響

在不同的覆膜策略下，隨著土壤深度(0～100cm)的不斷加深，土壤蓄水量不斷降低，100cm處逐漸回升。其中QM土壤儲水量較CK增幅明顯(圖1)。在土壤深度為40～80cm時，覆膜策略的蓄水能力較露地優(yōu)勢明顯。QM處理在同一深度下土壤的蓄水量增幅均高于其他三個處理，地膜覆蓋可有效增加土壤中層蓄水， QM較BM和HM作用更加明顯。

圖1覆膜策略對玉米苗期和拔節(jié)期土壤水分變化的影響

3.2 玉米拔節(jié)期的株高和莖粗對覆膜策略的響應

圖2玉米拔節(jié)期的株高和莖粗對覆膜策略的響應

注：圖中不相同小寫字母分布表示株高、莖粗的顯著差異(a=0.05)。

玉米拔節(jié)期株高和莖粗對覆膜方式的響應具有同步性(圖2)。QM對株高的效果影響最為顯著，平均株高達到73.92cm，較CK增加19.7%。HM和BM對株高的影響僅次于QM，較CK增加6.9%～8.84%。玉米拔節(jié)期莖粗對QM響應最為顯著，平均莖粗達到28.45mm，較CK增加35.54%。玉米拔節(jié)期莖粗對BM和HM的響應基本一致，實現(xiàn)增幅18.7%～20.4%，且株高和莖粗在不同覆膜策略下呈顯著正相關關系(R2=0.95)。

3.3 覆膜策略對旱地沙土玉米穗長和穗粗的影響

圖3覆膜在對旱地沙土玉米的穗長和穗粗的影響

冰雹災害后，覆膜策略對玉米穗長和穗粗的影響呈現(xiàn)出巨大差異(圖3)。BM處理穗長顯著增加；HM和QM穗粗顯著減小。冰雹災害后，覆膜策略增加穗長0.2%～3.4%，BM處理穗長增長最為顯著， QM顯著降低穗粗。

3.4 覆膜策略對沙土玉米穗粒數、百粒重和產量的影響

表2覆膜策略對旱地沙土玉米穗粒數及百粒重的影響

覆膜策略穗粒數(個)百粒重(g)CK615.3±58.0a42.5±5.9abBM613.1±63.2a43.0±3.8aHM610.1±68.9a39.7±4.9bQM609.7±56.7a40.6±4.3ab

注：表中每列數據后不同字母表示具有顯著性差異(a = 0.05)。

圖4不同覆膜方式玉米產量對冰雹災害的響應

注：柱狀圖中不同字母表示處理間在a =0.05水平的顯著性差異。

冰雹災害后，覆膜策略下穗粒數和百粒重都有所降低(表2)，HM和QM降低幅度最大；HM和QM與對照試驗組的平均穗粒數差別較大，標準差分別為3.54和4.24。平均百粒重各處理都低于CK，其中BM降幅最小，QM降幅最大。覆膜覆蓋處理下，冰雹災害顯著降低了玉米的產量，不同覆膜策略玉米產量降低幅度截然不同(圖4)。QM產量較CK每公頃產量減少19.6%。HM產量降幅14.0%，而BM產量降低8.3%。

4 討論與結論

4.1 討論

在干旱半干旱地區(qū)，地膜覆蓋技術得到了廣泛的應用，并已成為重要的農業(yè)增產技術手段[25]。大量研究表明，覆膜方式可以改變田間小氣候，改良土壤的理化性狀和養(yǎng)分狀況，加速營養(yǎng)物質的積累和轉化，從而有利于提高作物產量指標[26]。地膜覆蓋可以促進玉米根系對土壤養(yǎng)分的吸收，致使營養(yǎng)物質能夠更多的輸送到籽粒中，以達到增加穗粗、穗長和百粒重產量指標[27]。本試驗結果顯示：在冰雹災害影響下，覆膜方式對于穗粗和穗長具有不同程度的影響，全膜覆蓋顯著增加莖粗，而膜際栽培顯著提升穗長(圖3)，可能原因是覆膜策略對于植株葉片的恢復生長具有不同的影響。再者，營養(yǎng)生長期，全膜覆蓋策略具有顯著的需水、保水作用，通過減少地表礦質水分的大量蒸發(fā)，利于充分集納雨水和根系生長發(fā)育(圖1)，從而使得玉米營養(yǎng)生長期發(fā)育迅速，為玉米的高產奠定一定的生物學基礎。前期良好生長為后期籽粒灌漿和生物質轉移積累提供了充足的碳水化合物[28]，同時也為冰雹災害的負面影響埋下了生物學禍根[29]。遭受雹災后，首先玉米葉片受到損傷，損傷組織再生過程緩慢且取決于受損程度的大??；冰雹災害后，影響玉米減產程度的主要因素為受災程度和所處生育期，減產幅度大概為 5% ～ 85%之間；不同生育期遭遇冰雹災害后減產幅度不盡相同，拔節(jié)期減產幅度在 10%～30%，大喇叭口期減產幅度在 40%～70%，抽雄期減產幅度最大一般在50%～80%，甚至絕產，乳熟期減產幅度 20%～50%；蠟熟期減產幅度 10%～15%[30]。由此可以得出：抽雄期是玉米產量形成的轉折點。本試驗冰雹發(fā)生在初夏7月份中旬，玉米正處抽雄初期，全膜覆蓋已進入抽雄期，可以預測出其產量可能會受到較大程度的影響(圖5)。

圖5 不同覆膜策略下玉米冰雹受害程度對比

王俊鵬研究表明：全膜雙壟溝播栽培技術能夠顯著增加株高16.9%～27.2%，穗重40.7%～78.0%和百粒重23.4%～24.2%，根長增加20.86%，干物質積累量增加27.4%，光合產物提高56.1%。半膜雙壟溝播、半膜平覆穴播較露地穴播均顯著增加玉米穗長、成穗數、穗粒數和千粒重，從而提高玉米籽粒。本研究結果顯示：覆膜栽培可有效增加玉米植株的莖粗、株高和生物量，且全膜覆蓋可顯著提前玉米生育期(圖2)。冰雹災害后，不同覆膜策略下穗長和穗粗的恢復模式不同，導致最終產量出現(xiàn)較大差異。本試驗在2017年7月份遭受冰雹災害，導致不同覆膜處理下玉米產量呈現(xiàn)不同程度的減產(圖4)。雹災后，不同覆膜處理玉米穗長有明顯增加，其中白膜膜際栽培顯著增加；全膜覆蓋處理穗粗顯著降低，覆膜策略對玉米產量性狀影響效果極為顯著各有不同。遭受冰雹災害后，地膜覆蓋玉米產量都低于對照8.3%～19.6%，其中全膜覆蓋處理每公頃平均產量最低，減產現(xiàn)象最為嚴重。歸納其原因：在玉米的抽雄期前后，植株處于營養(yǎng)生長階段向生殖生長階段的過渡，植株整體功能處于高效工作狀態(tài)，抗干擾能力較差，后期恢復能力較差。由此可知，全膜覆蓋處理前期水分含量較高，玉米根系發(fā)育更加迅速根系功能強大，玉米提前進入抽雄期，因此對于產量的影響最大。由于自然災害的不確定性使得作物不同覆膜處理的作物抵御自然災害方面的研究仍需深入和全面展開。

4.2 結論

地膜覆蓋玉米前期生長迅速，生育期提前可能會降低植株對于突發(fā)氣候災害的適應和恢復能力，尤其是在抽雄期前后；覆膜方式對于玉米形態(tài)發(fā)育具有不同程度的影響，莖粗和株高呈正相關關系；在遭受自然冰雹災害的情況下，不同覆膜策略下玉米穗長和穗粗具有不同的恢復補償策略；冰雹災害降低了玉米穗粒數和百粒重，最終造成籽粒產量的顯著降低，但白膜膜際栽培在應對冰雹災害的負面減產效應時，緩沖能力和生物補償效果明顯(91.7%)，在陜北旱區(qū)突發(fā)性氣候災害條件下，具有抵抗減產風險的能力，值得后期生產和科學研究的重視。