黄土高原雨养夏玉米覆盖栽培模式对产量、资源利用效率及温室气体排放的综合效应研究

本研究针对黄土高原半干旱区水资源短缺与粮食安全的矛盾，创新性评估了6种覆盖栽培模式（NM/SM/RP/DMt/DMs/DMb）对夏玉米产量形成、水热光资源利用效率及温室气体排放的调控机制。研究发现连续垄沟黑膜覆盖（DMb）可显著提高籽粒产量51.1%，降低温室气体排放强度52.4%，为旱作农业可持续发展提供了兼顾高产与低碳的优化方案。

　　

在全球气候变化和粮食安全双重挑战下，黄土高原作为中国典型的雨养农业区，正面临日益严峻的水资源短缺和极端气候威胁。传统耕作方式导致土壤水分蒸发严重、热量利用效率低下，而常规地膜覆盖虽能保墒增温，却可能加剧土壤高温胁迫和温室气体排放。如何通过耕作模式创新实现"高产-高效-低碳"的协同提升，成为旱作农业可持续发展的核心难题。

针对这一科学问题，中国某高校农业水资源团队在《Agricultural Water Management》发表研究论文，通过两年田间试验系统比较了6种覆盖模式（无覆盖NM、秸秆全覆盖SM、垄沟透明膜RP、连续垄透明膜DMt、银黑膜DMs和黑膜DMb）对夏玉米生产系统的综合影响。研究采用土壤水热动态监测、气体静态箱-色谱法、冠层光拦截测量等关键技术，结合资源利用效率模型和温室气体强度指数（GHGI）评估体系，揭示了覆盖模式对0-25cm土层水热条件、作物生理指标及环境效应的调控规律。

3.1 土壤温度
研究发现连续垄沟黑膜覆盖（DMb）创造独特的"表层增温-深层稳温"效应，5-25cm土层日均温较无覆盖（NM）提高0.8℃，且温度日变幅最小。通过对比垄上（5-10cm）与沟底（5-10cm）温度证实，垄体结构形成热缓冲层，使关键根系层温度稳定在31.6℃的最适范围。

3.2 土壤水分
DMb处理在0-200cm土层含水量显著高于其他模式，尤其在20-120cm关键吸水层表现出独特的"干湿交替"动态。数据分析显示，该模式通过减缓干旱期水分消耗速率（ΔSWC降低4.5%），使灌浆期土壤有效水增加34.2%。

3.3 温室气体排放
虽然所有覆膜处理均增加N₂O（83.5-138.5%）和CO₂（30.1-48.6%）累积排放，但DMb的GHGI（34.78 kg CO₂-eq t^-1）显著低于透明膜DMt（55.07），这归因于其较低的光辐射吸收率减少了土壤微生物活性。

3.5 冠层特征与产量
DMb处理叶面积指数（LAI）和地上生物量（AGB）分别提升31.3%和41.8%，通过增强光拦截率（LIR 90.29%）和辐射利用效率（RUE 2.678 g MJ^-1），最终使籽粒产量达14.27-14.67 t ha^-1，水生产力（WP）提高49.6%。

3.8 资源利用效率
相关性分析表明，DMb通过协同提升热时间利用效率（TUE 7.20 kg ha^-1 ℃^-1）和水分转化效率，形成"水-热-光"耦合增效机制，其标准化路径系数达0.97。

该研究创新性提出连续垄沟黑膜覆盖可作为黄土高原雨养玉米的优化模式，其核心优势在于：① 通过垄体热缓冲层避免根系高温胁迫；② 利用黑膜光谱特性平衡保墒与降温需求；③ 实现产量提升与碳排放强度的解耦。研究为旱区农业应对气候变化提供了可量化的技术选择，其建立的GHGI评估框架对全球类似生态区具有参考价值。未来需重点关注长期覆膜对土壤微生物群落和有机碳库的影响，以完善全生命周期环境评价体系。