灌水與覆膜對春玉米生長及水分利用效率的影響

銀敏華，李援農(nóng)，徐袁博，張?zhí)鞓?，?丹(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

水、熱狀況是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，也是影響作物生長的關(guān)鍵因素[1]。Helms[2]等研究表明，適宜的土壤水分和溫度是作物良好生長的重要保障，而不協(xié)調(diào)的土壤水熱環(huán)境將延緩植株發(fā)育并降低經(jīng)濟產(chǎn)量。灌溉可有效調(diào)節(jié)土壤水熱狀況。研究表明，高頻灌溉下土壤平均含水率波動幅度較小，土壤水分能保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)；灌溉可顯著延遲氣溫對地溫的影響，具有平抑地溫的作用[3]。不同虧水度條件下，處理間土壤溫度和冠層溫度差異顯著，拔節(jié)前豐水處理的土壤溫度較低，而拔節(jié)后處理間差異逐漸減小[4]。覆膜也可改善耕層土壤水熱環(huán)境[5-9]。研究發(fā)現(xiàn)，覆膜處理的表層土壤溫度和體積含水率分別較露地處理提高4.9%和19.5%[10]。覆膜的保墑效應(yīng)主要表現(xiàn)在玉米營養(yǎng)生長的淺層土壤，該階段覆膜較露地土壤溫度平均提高2.6 ℃，覆膜協(xié)同的土壤水熱條件可有效促進植株生長[11]。

陜西關(guān)中地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。該區(qū)春玉米的生長受水分影響較小，其主要制約因素是生育前、中期熱量不足。利用地膜覆蓋進行春播可增加積溫，實現(xiàn)增產(chǎn)效果[12]。然而，長期的生產(chǎn)實踐表明，地膜較差的透水性和透氣性容易導(dǎo)致作物生長中后期出現(xiàn)不同程度的早衰現(xiàn)象，不利于產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[13-16]。研究如何在保持適宜土壤溫度的同時減少無效蒸發(fā)和奢侈蒸騰，對提高經(jīng)濟效益和水分利用具有重要意義。鑒于此，本文探究不同灌水模式與覆膜時長對春玉米生長和水分利用的影響，旨在進一步完善地膜覆蓋節(jié)水機理與技術(shù)應(yīng)用，以實現(xiàn)增產(chǎn)高效的有機統(tǒng)一。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和材料

春玉米桶栽試驗于2011-2013年4-8月，在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室試驗站遮雨棚內(nèi)進行。該區(qū)位于108°24′E、34°20′ N，海拔 521 m。供試土壤取自試驗站0～20 cm耕層土壤，質(zhì)地為壤土。其理化性狀為：有機質(zhì)11.18 g/kg，全氮 0.94 g/kg，全磷 0.60 g/kg，全鉀 14.1 g/kg；硝態(tài)氮76.01 mg/kg，速效磷25.22 mg/kg，速效鉀131.97 mg/kg；土壤干密度1.35 g/cm3，田間持水率25 % ( 質(zhì)量含水率)，pH 8.13。

供試春玉米品種為“隆玉58”， 采用子母桶(均為塑料桶)栽土培法。母桶內(nèi)徑35 cm，高32 cm，埋入地下，上沿高出地面3 cm；子桶內(nèi)徑32 cm，高32 cm，置于母桶內(nèi)。子桶底部打有7個Φ10 mm的小孔，并鋪有紗網(wǎng)和細(xì)砂，以調(diào)節(jié)土壤水分和通氣狀況。子桶內(nèi)裝兩根Φ25PVC管用于灌水(管周圍有小孔，管壁裹有紗網(wǎng))。每桶中純P2O5(磷酸二氫鉀)與干土的質(zhì)量比為0.15 g/kg。N肥使用尿素，分3次施入，1/3基施，1/3拔節(jié)追施，1/3抽雄追施。追施是將N肥溶于水通過灌水實現(xiàn)。土壤經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎、過5 mm篩后與磷酸二氫鉀、基施尿素混合均勻，分層裝入桶中(控制密度為1.35 g/cm3)，每桶裝土19 kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗1(2011年4-8月)：試驗設(shè)施氮量和覆膜時長2個因素。施氮量(純N，與干土的質(zhì)量比)設(shè)不施氮(N，0 g/kg)、低氮(L，0.2 g/kg)和高氮(H，0.4 g/kg)；覆膜時長設(shè)拔節(jié)期揭膜(A)、抽雄期揭膜(B)和全生育期覆膜(C)。生育期內(nèi)控制土壤含水率(以控制土壤含水率占田間持水率θf的百分?jǐn)?shù)表示)為75%～85%θf。試驗共9個處理，重復(fù)6次，合計54桶，隨機區(qū)組排列。

試驗2(2012和2013年4-8月)：試驗設(shè)灌水模式和覆膜時長2個因素(施氮量取試驗1中的低氮水平，即0.2 g/kg)。灌水模式分全生育期充分灌水(F，75%～85%θf)和分生育期調(diào)虧灌水(D，苗期55%～65%θf，拔節(jié)期65%～75%θf，抽雄到成熟期75%～85%θf)；覆膜時長同試驗1。 試驗共6個處理，重復(fù)9次，合計54桶，隨機區(qū)組排列。

為保證出苗，播前各處理均灌水至90%θf。每桶播5粒大小基本一致的飽滿籽粒，三葉期定苗，每桶留1株。從播種到四葉期保持土壤含水率為75%～85%θf，五葉期開始處理，其他管理按正常進行。

1.3 測定項目與方法

(1)采用Type HH2型土壤水分測定儀測定土壤含水率，并記錄次灌水量。

(2)各處理隨機選取3桶標(biāo)記，從開始處理到灌漿期，每5天測定株高和葉面積。

(3)分別于苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期測定地上和地下部分生物量。

(4)收獲后測定各處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。

(5)水分利用效率(WUE)為春玉米單位蒸散量所生產(chǎn)的總生物量。

WUE=Y/ET

式中：WUE為水分利用效率，g/mm；Y為收獲時總生物量，g；ET為總蒸散量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行整理；采用DPS 7.05進行方差分析和多重比較(Duncan法)，顯著性水平為α=0.05；采用 Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量與覆膜時長對春玉米生長、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2011年試驗結(jié)果表明，適時揭膜(A或B)結(jié)合施氮(L或H)可顯著提高春玉米株高、葉面積和生物量。一定覆膜時長下，春玉米株高、葉面積、生物量、產(chǎn)量和水分利用效率均表現(xiàn)為施氮處理顯著高于不施氮處理，低氮處理較高氮處理有所減少，但無顯著差異。施氮量一定時，抽雄期揭膜處理的增產(chǎn)和節(jié)水效果顯著優(yōu)于拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理?？梢?，抽雄期揭膜和施氮量0.2 g/kg為春玉米較優(yōu)的覆膜施氮組合。

2.2 灌水模式與覆膜時長對春玉米生長的影響

2.2.1株高和葉面積

適宜的株高是作物高產(chǎn)的基本條件，也是制約生物學(xué)產(chǎn)量的決定因素。葉面積大小對于光能利用、干物質(zhì)積累及經(jīng)濟產(chǎn)量的形成具有重要作用。圖1和圖2分別為2013年各處理株高和葉面積的動態(tài)變化。

由圖1分析知，從苗期到抽雄期(灌漿期后基本不變)各處理春玉米株高均表現(xiàn)為緩慢增加-快速增加-相對穩(wěn)定的總體趨勢。

圖1 2013年各處理春玉米株高的動態(tài)變化Fig.1 Changes of plant height of spring maize under each treatment

一定覆膜時長下，與充分灌水相比，調(diào)虧灌水處理的株高較低。其中苗期平均降低12.7%；拔節(jié)期調(diào)虧程度有所降低，兩種灌水模式的株高差異較苗期減小，為8.1%；進入抽雄期后，調(diào)虧灌水各處理恢復(fù)充分灌水，受前期虧水鍛煉，復(fù)水后產(chǎn)生一定的補償效應(yīng)，其株高的增長速率較充分灌水處理大幅度提高，前者為1.1～1.5 cm/d，后者為0.8～1.1 cm/d。灌水模式一定時，覆膜表現(xiàn)為可促進春玉米前期株高的形成，而對后期生長不利。其中，在拔節(jié)期末，覆膜處理(FB、FC、DB和DC)較揭膜處理(FA和DA)提高7.4%；在抽雄期末，全生育期覆膜處理較拔節(jié)期揭膜處理和抽雄期揭膜處理分別減少4.1%和9.5%。

由圖2分析知，從拔節(jié)期到灌漿期(苗期葉面積相對較小)各處理葉面積均表現(xiàn)為緩慢增加-急劇增加-迅速下降，并于抽雄期末達(dá)到峰值的總體趨勢。

圖2 各處理春玉米葉面積的動態(tài)變化Fig.2 Changes of leaf area of spring maize under each treatment

與株高不同，一定覆膜時長下，兩種灌水模式的葉面積表現(xiàn)為前期充分灌水處理大于調(diào)虧灌水處理，調(diào)虧灌水復(fù)水后兩者差異逐漸減小甚至出現(xiàn)一定的反超。其中拔節(jié)期末，兩者相差12.7%～16.6%；抽雄期末，調(diào)虧灌水處理較充分灌水處理提高2.3%～4.1%。之后，充分灌水各處理葉面積減少速率為151～173 cm2/d，而調(diào)虧灌水各處理葉面積減少速率為143～162 cm2/d。灌水模式一定時，抽雄期揭膜處理的葉面積始終高于拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理。

可見，調(diào)虧灌水復(fù)水后可加快植株生長，抽雄期揭膜可為植株生長創(chuàng)造適宜的溫度環(huán)境，有助于春玉米株高和葉面積的形成，兩者均可有效延緩植株衰老。

2.2.2生物量

作物的籽粒產(chǎn)量主要來源于葉片的光合產(chǎn)物，生物量是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，一定范圍內(nèi)籽粒產(chǎn)量隨干物質(zhì)累積量的增加而增加[17]。表1為2013年各處理生物量的動態(tài)變化，表2為生育期總干重的顯著性F檢驗。

表1 各處理春玉米生物量的動態(tài)變化 Tab.1 Changes of biomass of spring maize under each treatment

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在 0.05 水平上差異顯著，下同。

表2 4個生育期總干重的顯著性檢驗(F)Tab.2 Signifiance tese (F)

由表1，表2分析知，灌水模式和覆膜時長在春玉米整個生育期均對生物量總干重有顯著影響，其交互作用則僅在拔節(jié)期和抽雄期對生物量總干重影響顯著。

一定覆膜時長下，與充分灌水相比，調(diào)虧灌水各處理的生物量干重較低。苗期兩者相差28.7%(地上和地下部分分別為31.4%和23.6%)。拔節(jié)期是春玉米營養(yǎng)生長最旺盛的時期，土壤水分狀況是影響該階段植株生長的關(guān)鍵因素。兩種灌水模式下生物量總干重的差異較苗期加大，達(dá)28.0%～40.0%。到抽雄期，調(diào)虧灌水恢復(fù)充分灌水后產(chǎn)生明顯的補償效應(yīng)，與充分灌水處理的生物量總干重差異逐漸減少(2.3%～12.6%)。進入灌漿期后，兩者差異進一步減小，為2.7%～4.1%。與生物量總干重不同，各處理根冠比隨生育期推進逐漸減小，且調(diào)虧灌水處理始終大于充分灌水處理。整個生育期中，兩種灌水模式的根冠比在苗期差異最大(23.3%)，抽雄期調(diào)虧灌水復(fù)水后，其差異有所減少，為5.4%～14.2%。以上結(jié)果表明，調(diào)虧灌水可有效調(diào)節(jié)植株地上與地下部分的比例，從而增強作物抵御干旱的能力，為促進后期生長發(fā)育創(chuàng)造條件。

灌水模式一定時，春玉米生育前期覆膜處理較揭膜處理的生物量總干重高，后期則正好相反。其中拔節(jié)期，覆膜處理生物量總干重較揭膜處理提高14.7%(地上部分11.4%，地下部分24.9%)。在抽雄期，全生育期覆膜處理的生物量總干重分別較拔節(jié)期揭膜處理和抽雄期揭膜處理降低4.8%和20.9%。進入灌漿期后，覆膜導(dǎo)致作物根區(qū)土壤溫度大幅度升高，且根際土壤通氣性減弱，使得根系活性下降，提前衰老。該期全生育期覆膜處理(FC和DC)的生物量總干重較兩種揭膜處理(FA、FB、DA和DB)的差異進一步加大，分別為15.9%和31.4%?？梢姡樾燮诮夷た捎行Ы档妥魑锖笃诟麑油寥罍囟?，提高土壤透氣性，延緩植株衰老，而過早揭膜或全生育期覆膜均不利于春玉米的生長。

2.3 灌水模式與覆膜時長對春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由于桶栽試驗研究絕對產(chǎn)量具有一定的局限性，本文以FC處理的籽粒產(chǎn)量為基準(zhǔn)，用相對值表示其余處理的產(chǎn)量。表3為各處理春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。

表3 各處理春玉米的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Tab.3 Yields and component factors of spring maize under each treatment

由表3分析知， 一定覆膜時長下，充分灌水處理的相對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均優(yōu)于調(diào)虧灌水處理。2012和2013年，充分灌水處理的相對產(chǎn)量分別較調(diào)虧灌水處理提高10.6%～13.9%和9.2%～16.3%。灌水模式一定時，抽雄期揭膜處理表現(xiàn)出較高的相對產(chǎn)量和較優(yōu)的產(chǎn)量構(gòu)成因素，其相對產(chǎn)量在2012和2013年分別較全生育期覆膜處理提高21.3%～23.0%和19.0%～23.3%，而拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理之間的差異不顯著?？梢?，抽雄期揭膜是春玉米適宜的覆膜時長，可獲得較優(yōu)的增產(chǎn)效果。

2.4 灌水模式與覆膜時長對春玉米蒸散量的影響

蒸散模數(shù)為作物階段蒸散量與全生育期蒸散量的比值。蒸散強度為總蒸散量與生育周期的比值，其高低主要受氣象條件和作物生物學(xué)特性的雙重制約。2012和2013年各處理不同生育期的蒸散量、蒸散模系數(shù)及全生育期日蒸散強度見表4所示。

表4 春玉米各生育期蒸散量、蒸散模數(shù)和全生育期日蒸散強度Tab.4 Evapotranspiration and its percentages during every growth stage and intensity in whole stages of spring maize

由表4分析知，兩年中各處理春玉米的蒸散量均表現(xiàn)為苗期和灌漿期較低，而拔節(jié)期和抽雄期較高。在苗期(各處理均覆膜)，充分灌水處理的蒸散量顯著高于調(diào)虧灌水處理，其中2012年相差20.8%，2013年相差19.0%。拔節(jié)期部分處理(FA和DA)已揭膜，且調(diào)虧程度較苗期有所降低。相同條件下，揭膜處理的蒸散量顯著高于覆膜處理，增量為17.1%～25.6%。進入抽雄期后，春玉米開始由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變，期間蒸騰強烈，對水分需求量加大，階段蒸散模數(shù)達(dá)41.4%～47.2%。調(diào)虧灌水處理受前期虧水鍛煉，抽雄期復(fù)水后產(chǎn)生補償效應(yīng)，植株生長迅速，其蒸散量較對應(yīng)的充分灌水處理有所提高，2012年為0.7%～3.1%，2013年為1.9%～3.7%。3種覆膜時長的蒸散量大小關(guān)系為拔節(jié)期揭膜處理>抽雄期揭膜處理>全生育期覆膜處理。在灌漿期，全生育期覆膜處理受覆膜高溫和透氣性差的影響，植株衰老加快，蒸散量減少。一定覆膜條件下，兩種灌水模式間蒸散量差異較抽雄期略有提高。2個春玉米生長季，調(diào)虧灌水各處理的總蒸散量分別較充分灌水各處理降低4.3%～7.1%和5.4%～6.3%。

由于處理間生育周期存在一定差異，各處理日蒸散強度與總蒸散量不成比例。兩年數(shù)據(jù)表明，處理間全生育期日蒸散強度表現(xiàn)為充分灌水處理>調(diào)虧灌水處理，抽雄期揭膜處理>拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理。

2.5 灌水模式與覆膜時長對春玉米水分利用效率的影響

水分利用效率反映了不同處理下外界水分條件與作物內(nèi)部生理功能的配合程度。圖3為2012和2013年各處理春玉米的水分利用效率。

注：柱上不同字母表示在0.05水平上差異顯著。 圖3 各處理春玉米的水分利用效率Fig.3 WUE of spring maize under each treatment

由圖3分析知，一定覆膜時長下，調(diào)虧灌水處理的水分利用效率高于充分灌水處理，其中2012年提高2.1%～6.1%；2013年提高1.9%～6.7%。這主要是由于調(diào)虧灌水處理在抽雄期復(fù)水后產(chǎn)生補償效應(yīng)，可有效彌補前期水分虧缺所引起的根系受損，增強根系后期的吸水能力，從而提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。一定灌水模式下，抽雄期揭膜處理的水分利用效率顯著高于拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理，增量達(dá)23.2%～26.0%。可見，抽雄期揭膜是春玉米合理的覆膜時長，前期(覆膜時)可充分利用覆膜的增溫保墑效應(yīng)，后期(揭膜后)可避免高溫和透氣性差等覆膜的缺點，從而實現(xiàn)水分的高效利用。

3 討 論

調(diào)虧灌溉可充分利用作物自身的調(diào)節(jié)和補償功能實現(xiàn)節(jié)水高效、增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和增加總灌溉面積等多重功效[18]。研究發(fā)現(xiàn)，苗期及拔節(jié)期經(jīng)受適度水分虧缺可促使水分和營養(yǎng)供給向根系傾斜，增強植株后期的補償能力，節(jié)水效益顯著而對產(chǎn)量影響不大[19]。前期脅迫后期充分灌溉處理的產(chǎn)量與充分灌溉處理相比略有降低，但水分利用效率高于充分灌溉處理以及同等水分投入的前期充分后期限量灌溉處理[20]。本研究表明，兩種灌水模式下，春玉米根冠比的差異在苗期最大，為23.3%，生物量總干重的差異在拔節(jié)期最大，為28.0%～40.0%。調(diào)虧灌水處理復(fù)水后，其根冠比和生物量總干重與充分灌水處理的差異逐漸減少，且與充分灌水處理相比，總蒸散量減少4.3%～7.1%，水分利用效率提高1.9%～6.7%。這說明作物生長前期對水分虧缺的敏感度較低，干旱脅迫有利于作物耐旱能力的增強，后期恢復(fù)充分灌水后可實現(xiàn)作物的補償性生長，從而獲得較高的產(chǎn)量和水分利用效率。

在作物生長前期，覆膜可有效改善耕層土壤的水熱狀況，減緩干旱脅迫，促進植株生長，而后期覆膜則會導(dǎo)致根區(qū)土壤溫度升高，根際通氣性減弱，造成根系活力下降，水分和養(yǎng)分吸收利用能力減弱。對覆膜作物在適當(dāng)時期揭膜，可有效改善植株生長狀況和光合產(chǎn)物分配，延緩衰老，提高產(chǎn)量和品質(zhì)[15,16]。本研究發(fā)現(xiàn)，抽雄期揭膜有助于春玉米株高、葉面積和生物量的形成。與拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理相比，抽雄期揭膜處理的相對產(chǎn)量和水分利用效率分別提高19.0%～23.3%和23.2%～26.0%。從環(huán)保角度來看，于作物生長的適當(dāng)時期揭膜可減少“白色污染”和對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的破壞。

4 結(jié) 語

(1)覆膜可促進春玉米前期生長，而對后期生長不利。

(2)抽雄期是春玉米需水關(guān)鍵期，蒸散模數(shù)達(dá)41.4%～47.2%，生產(chǎn)中應(yīng)保證該期的水分供應(yīng)。

(3)與充分灌水相比，調(diào)虧灌水處理的總蒸散量減少4.3%～7.1%，水分利用效率提高1.9%～6.7%。抽雄期揭膜處理的相對產(chǎn)量和水分利用效率分別較拔節(jié)期揭膜處理和全生育期覆膜處理提高19.0%～23.3%和23.2%～26.0%。

綜合考慮產(chǎn)量、水分利用效率和環(huán)境因素，調(diào)虧灌水+抽雄期揭膜組合(DB處理)具有較優(yōu)的節(jié)水、增產(chǎn)和環(huán)保效應(yīng)。

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