不同灌溉模式下夏玉米產(chǎn)量形成特點(diǎn)

呂麗華 董志強(qiáng) 梁雙波 張經(jīng)廷 張麗華 賈秀領(lǐng)

(農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站, 河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所, 河北 石家莊 050035)

華北平原夏玉米產(chǎn)量在10 500～12 000 kg·hm-2時, 需水量在350～400 mm[1-3], 而同期河北山前平原平水年型降水量僅為277 mm, 缺水100 mm左右[2], 并且該區(qū)降水與作物需水存在一定的時空差異, 一般需要灌溉。而當(dāng)前水資源供需矛盾日益緊張的情況下, 如何高效利用有限水資源，采用何種灌溉技術(shù)是一個廣受關(guān)注的課題[4]。

崔遠(yuǎn)來[5]認(rèn)為綜合集成單項(xiàng)技術(shù)是新的農(nóng)業(yè)科技革命的一個重要特點(diǎn), 現(xiàn)有技術(shù)的集成, 有利于創(chuàng)新，有利于技術(shù)的進(jìn)步。本研究組自2012年開始進(jìn)行了玉米管灌和微噴灌水肥運(yùn)籌、密度、播期收獲期搭配等試驗(yàn)的對比研究, 研究集成了夏玉米管灌和微噴灌技術(shù)模式。微灌水肥一體化作為一種高效節(jié)水灌溉技術(shù), 與傳統(tǒng)的灌溉方式相比, 能有效控制灌水定額, 降低表層土壤容重, 抑制土壤養(yǎng)分下滲, 改善作物的生長環(huán)境[6-8]；還可提高葉面積指數(shù)和光合強(qiáng)度[9], 提高籽粒的灌漿速率[10], 從而提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[11-12]。

目前，玉米栽培方向主要集中于單項(xiàng)技術(shù)的研究，包括播期[13]、密度[14]、水肥耦合[15]等方向，關(guān)于微灌水分試驗(yàn)主要集中于灌水量在冠層的空間分布[16-17]、微灌不同灌水量對產(chǎn)量形成和水分利用效率的影響等方面[18-20], 但把灌溉與其他栽培技術(shù)集成, 對微噴灌和管灌兩種優(yōu)化的集成模式綜合分析的研究鮮有報道。本文重點(diǎn)分析了2個密度下微噴灌和管灌2種集成模式的產(chǎn)量性狀以及相關(guān)生理生態(tài)指標(biāo)的變化, 以期明確不同灌溉集成模式下玉米增產(chǎn)潛力及有關(guān)生理特性, 為玉米節(jié)水高產(chǎn)栽培實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

自2015—2016年在河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所藁城堤上試驗(yàn)站進(jìn)行田間試驗(yàn)。該區(qū)屬華北太行山山前平原區(qū)(38°41′N, 116°85′E), 年均降雨量484 mm。0～20 cm土壤含全氮含量0.97 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)15.5 g·kg-1、全磷2.2 g·kg-1、有效磷19.5 mg·kg-1、堿解氮72.7 mg·kg-1、有效鉀91.0 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌溉及施肥方式、密度、收獲期再裂區(qū)設(shè)計(jì), 灌溉方式為主區(qū), 密度裂區(qū)，收獲時間為再裂區(qū), 3次重復(fù), 隨機(jī)排列, 小區(qū)面積8.4 m×5.9 m=49.56 m2,行距60 cm, 玉米品種為鄭單958。設(shè)置2種集成灌溉模式, 微噴灌溉和管灌；設(shè)置2個種植密度, 6.3萬株·hm-2和7.8萬株·hm-2；設(shè)置2個收獲時間, 9月25日和10月3日。冬小麥?zhǔn)斋@后, 夏玉米免耕播種, 播后灌溉, 生育期灌水量、灌水時期見表1, 降水量見表2。施肥量N∶P2O5∶K2O=12∶2.9∶5.8, 施入沃夫特水溶性復(fù)合肥720 kg·hm-2(含N 25%、P2O56%、K2O 5%)、硫酸鉀100.8 kg·hm-2(含K2O 50%)。管灌處理于出苗期一次性開溝施入, 生育期間不進(jìn)行追肥；微噴灌處理沃夫特復(fù)合肥于出苗期、11展葉期和吐絲期按35%、45%和20%施入, 硫酸鉀出苗期和11展葉期按67%和33%施入。微噴帶為并列斜5孔、孔徑0.8 mm，噴射角范圍45°～70°,帶寬40 mm，微噴帶鋪設(shè)間距1.8 m；管灌模式采用PE軟管灌溉, 即每個小區(qū)用2根直徑為63 mm軟管(軟管間隔2.5 m)輸送至小區(qū)中部。處理間設(shè)1.0 m寬隔離帶。管灌模式灌水量以小區(qū)自然灌滿為標(biāo)準(zhǔn)。2015年和2016年分別于6月18日和6月15日播種。

1.3 測定方法

葉面積指數(shù)：在拔節(jié)期、12展葉期、吐絲后5～7 d、灌漿中期和成熟期，分別選擇有代表性的植株4株, 測定葉片長和寬。根據(jù)公式計(jì)算葉面積和葉面積指數(shù)(LAI)：單葉葉面積=葉寬×葉長×系數(shù), 系數(shù)為0.5～0.75, 即未展開葉片數(shù)量為n, 則展開葉(m)系數(shù)為a=0.75, 未展開葉(m+1)系數(shù)為b=a-(0.75-0.5)/n, 未展開葉(m+2)系數(shù)為c=b-(0.75-0.5)/n,依次類推；LAI=單位土地面積內(nèi)株數(shù)×單株葉面積/單位土地面積。

穗位葉SPAD：采用SPAD-502葉綠素儀于吐絲后5～7 d、灌漿中期和成熟期分別測定穗位葉SPAD值, 每個小區(qū)測定6株。

表1 2個灌溉模式灌水時期及灌水量/mm

表2 夏玉米生育期間降水量/mm

作物生長速率(CGR，g·m-2·d-1)=(W2-W1)/A(t2-t1),W1和W2分別表示時間t1和t2時單位面積的干物重,A表示土地面積[21]。

抗倒伏指數(shù)、穿刺強(qiáng)度：在灌漿中期每小區(qū)選取5株代表性樣株, 采用YYD-1 微電腦莖稈強(qiáng)度測定儀測定基部2～5節(jié)長度、穿刺強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度, 同時測定植株重心高度, 記錄數(shù)值。穿刺強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度單位為N?？沟狗笖?shù)=機(jī)械強(qiáng)度/重心高度。

土壤含水量：于2015年7月13日和2016年8月12日取土, 測定0～120 cm土層土壤水分含量, 以20 cm為一個土壤層次。測定濕重后烘干稱重。土壤含水量(%)=(濕重-干重)/干重×100。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成：每小區(qū)收獲玉米3行(每行5.9 m), 稱所有果穗總鮮重, 按平均鮮穗重從所收果穗中隨機(jī)選取20穗, 風(fēng)干后測定穗粒數(shù), 脫粒, 稱重, 測定千粒重和籽粒產(chǎn)量, 同時采用谷物水分測定儀測定含水率, 計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量和千粒重 (按14%折算含水率)。

經(jīng)濟(jì)系數(shù)=成熟期籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003處理數(shù)據(jù),DPS 7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式下玉米植株抗倒伏指數(shù)和穿刺強(qiáng)度

通過測定基部莖節(jié)的穿刺強(qiáng)度和抗倒伏指數(shù)可知(圖1), 微噴灌水肥一體少量多次的施肥灌溉能明顯增加莖稈的強(qiáng)度和韌度, 莖稈質(zhì)量得到提高, 其穿刺強(qiáng)度和抗倒伏指數(shù)大多高于管灌。2015年結(jié)果表明, 高密度條件下微噴灌處理基部第二節(jié)抗倒伏指數(shù)顯著高于管灌, 較管灌高24.3%，其他幾節(jié)與管灌差異不顯著。低密度下基部第二至第四節(jié)抗倒伏指數(shù)均顯著高于管灌, 較管灌處理平均高11.6%。穿刺強(qiáng)度同樣表現(xiàn)為低密度處理差異較明顯, 基部第二至第五節(jié)微噴灌較管灌平均高20.2%,而高密度下僅基部第三節(jié)表現(xiàn)為微噴灌處理較高。2016年高密度條件下微噴灌處理第二和第四莖節(jié)、低密度下第二和第三莖節(jié)的抗倒伏指數(shù)顯著高于管灌, 分別較管灌處理高5.9%和9.7%；穿刺強(qiáng)度2種灌溉方式差異較大, 高密度和低密度條件下微噴灌較管灌分別高38.0%和19.3%。

另外, 微噴灌模式高密度處理基部莖節(jié)的抗倒伏指數(shù)高于管灌低密度處理或與之相當(dāng), 2015年基部第二至第五莖節(jié)抗倒伏指數(shù)分別較管灌低密度處理高27.3%、14.9%、14.3%和11.5%, 2016年基部第二和第四莖節(jié)分別高4.9%、4.0%。說明微噴灌模式下可適當(dāng)增加種植密度, 而其莖稈質(zhì)量不會受到明顯影響。

2.2 不同灌溉模式對玉米葉面積指數(shù)(LAI)的影響

LAI受灌溉方式影響明顯(圖2)。2015年高密度下除9月25日外、低密度下除9月3日和25日外, 微噴灌處理LAI均顯著高于管灌, 高密度和低密度分別平均高13.8%和14.6%。2016年微噴灌LAI顯著高于管灌, 高密度和低密度分別平均高23.1%和28.8%。不同生育階段存在差異, 拔節(jié)期(2015年7月17日和2016年7月16日)微噴灌較管灌LAI增加明顯, 2015年和2016年分別增加了30.2%和44.2%, 但隨生育進(jìn)程的推進(jìn), 微噴灌和管灌LAI差距縮小, 2015年9月25日微噴灌和管灌LAI相當(dāng), 2016年9月25日微噴灌較管灌LAI高22.1%?？梢?，微噴灌LAI高于管灌, 差別較大的時期主要是拔節(jié)期, 且大多隨生育期的推進(jìn)LAI差距縮小。

注：1—第二節(jié)；2—第三節(jié)；3—第四節(jié)；4—第五節(jié)。不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。下同。Note: 1—second node;2—third node;3—fourth node;4—fifth node. Different letters mean significant differences among treatments at P<0.05 level. The same below.圖1 不同灌溉模式對玉米植株抗倒伏指數(shù)和穿刺強(qiáng)度的影響Fig.1 Effects of different irrigation modes on plant lodging resistance index and puncture strength

圖2 不同灌溉模式對玉米LAI的影響Fig.2 Effects of different irrigation modes on LAI

2.3 不同灌溉模式對玉米穗位葉葉綠素含量(SPAD值)的影響

灌溉方式對穗位葉SPAD值的影響2年變化趨勢不同。2015年高密度條件下, 8月14日至9月18日穗位葉SPAD值微噴灌與管灌相當(dāng), 但成熟期表現(xiàn)為管灌處理葉片SPAD值降低較快, 微噴灌穗位葉SPAD值較管灌高4.9%；低密度條件下9月3日至9月18日均表現(xiàn)為微噴灌穗位葉SPAD值顯著低于管灌, 平均低6.0%, 但8月14日和9月25日穗位葉SPAD值差別不明顯。說明微噴灌處理生育后期優(yōu)勢較為明顯, 葉片SPAD值降低較慢, 明顯緩解了葉片衰老, 使后期葉片的光合活性高于管灌。2016年趨勢不同, 高密度條件下微噴灌SPAD值顯著高于管灌, 較管灌平均高5.3%～5.9%, 而低密度條件下二者相當(dāng)(圖3)。

各時期穗位葉SPAD值平均，微噴灌模式高密度處理與管灌低密度處理相當(dāng), 尤其是2015年8月14日至9月18日較管灌低密度處理僅平均低1.6%, 而9月25日成熟期高出3.7%；2016年8月13日較管灌低密度處理高1.2%, 9月22日僅低1.0%, 差異不大。

2.4 不同灌溉模式對玉米作物生長速率(CGR)的影響

微噴灌處理CGR大多顯著高于管灌處理(圖4)。2015年高密度條件下微噴灌處理各生育階段CGR均顯著高于管灌, 平均高10.1%；低密度條件下除12葉展至吐絲期外,其余時期微噴灌CGR明顯高于管灌, 平均高26.3%, 差別最大的時期出現(xiàn)在6～12展葉期, 相差28.2%。2016年CGR變化趨勢稍有差異, 高密度條件下除吐絲-灌漿中期外, 其他生育階段微噴灌CGR均顯著高于管灌, 平均高9.0%；低密度下各生育階段微噴灌CGR均高于管灌, 平均高25.6%, 差別較大的時期出現(xiàn)在播種～12葉期和灌漿中期～成熟期, 分別相差31.7%和39.4%。說明, 微噴灌處理CGR較高, 尤其是生育后期其植株生長較快, 干物質(zhì)積累速率較快。

另外, 微噴灌模式高密度處理CGR明顯高于管灌低密度處理, 2015年除12展葉～吐絲期外, 其他生育階段CGR分別較管灌低密度處理高79.6%和29.0%；2016年4個生育階段CGR較管灌低密度處理分別高37.7%、24.5%、25.7%和24.3%。

2.5 不同灌溉模式對土壤水分含量的影響

2015、2016年開花期灌水前均進(jìn)行了土壤干旱程度調(diào)查。由圖5可見, 2015年不同密度條件下管灌和微噴灌處理土壤含水量變化大致相同, 高密度條件下0～40 cm淺層土壤含水量為微噴灌顯著高于管灌, 平均高5.9%, 而40～100 cm土層正好相反, 微噴灌顯著低于管灌, 平均低14.9%；低密度下淺層0～20 cm土壤含水量為微噴灌顯著高于管灌, 20～40 cm差別不大, 而40～100 cm則表現(xiàn)為微噴灌低于管灌, 平均低10.6%。2016年高密度和低密度條件下0～60 cm土壤含水量均表現(xiàn)為微噴灌高于管灌, 分別高12.5%和20.2%, 而60～100 cm 2種灌溉方式相當(dāng)?？梢? 微噴灌水肥一體主要改善了上層土壤的水分狀況, 土壤含水量高于管灌, 而下層土壤水分低于管灌或與管灌相當(dāng), 可能是其在一定程度上增加了對深層土壤水的利用, 尤其在降水較少的2015年趨勢更為明顯。

圖3 不同灌溉模式對穗位葉SPAD值的影響Fig.3 Effects of different irrigation modes on SPAD values of ear leaf

注：1—6葉～12葉；2—12葉～吐絲；3—吐絲～成熟期有；4—播種～12葉；5—吐絲～灌漿中期；6—灌漿中期～成熟。Note: 1—6 leaf～12 leaf;2—12 leaf～silking;3—silking～mature;4—sowing～12 leaf;5—silking～filling;6—filling～mature.圖4 不同灌溉模式對玉米作物生長速率(CGR)的影響Fig.4 Effects of different irrigation modes on CGR

2.6 不同灌溉模式對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同灌溉方式比較, 2015年微噴灌和管灌處理間產(chǎn)量差異不顯著(表3)，但微噴灌模式低密度處理增產(chǎn)效果更大, 其中早收和晚收處理分別較管灌模式高5.1%和7.2%(表3)；而2016年微噴灌模式產(chǎn)量顯著高于管灌模式(表3)，且該模式高密度處理增產(chǎn)效果更好, 早收和晚收處理分別較管灌模式高6.0%和10.8%, 微噴灌模式產(chǎn)量較高主要由于其千粒重顯著較高。推遲收獲期有顯著的增產(chǎn)效果，2015年微噴灌和管灌晚收獲處理較相應(yīng)的早收處理平均分別增產(chǎn)12.6%和9.7%，且該年份灌溉方式和收獲時間表現(xiàn)出更為明顯的互作效果(表4)；2016年高密度下微噴灌和管灌晚收處理較相應(yīng)的高密度早收處理分別增產(chǎn)6.9%和2.3%, 說明玉米收獲越晚，玉米微噴灌模式的增產(chǎn)效應(yīng)更能充分發(fā)揮, 該模式產(chǎn)量較高同樣由于其千粒重顯著較高。增加密度提高玉米產(chǎn)量效果顯著, 總體2015年和2016年平均通過增加密度實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)分別為11.0%和5.2%, 增產(chǎn)因素來自群體的增加, 穗粒數(shù)與千粒重有所下降。

采用水肥一體化灌溉技術(shù)、增加密度以及延遲收獲時間對玉米有較明顯的增產(chǎn)效果(表3)。2年數(shù)據(jù)平均, 以管灌方式下低密度早收獲處理為對照, 通過水肥一體化灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)5.8%的增產(chǎn), 在此基礎(chǔ)上通過增加種植密度可實(shí)現(xiàn)4.7%的增產(chǎn), 再加上推遲收獲時間又可實(shí)現(xiàn)11.2%的增產(chǎn)；三種技術(shù)綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)23.3%。說明通過采用微噴灌+高密度+延遲收獲時間的集成技術(shù), 可充分發(fā)揮玉米的增產(chǎn)潛力。

3 討 論

土壤含水量直接影響作物的生長狀況[22]。李英等[23]研究表明噴灌處理玉米土壤各層水分分布較為均勻, 本研究結(jié)果2016年土壤含水量變化趨勢與其研究結(jié)果一致, 但在嚴(yán)重干旱的2015年, 表現(xiàn)為微噴灌處理各土層含水量變化幅度較大；并且2015年0～40 cm土層、2016年0～60 cm土層微噴灌模式土壤含水量高于管灌模式, 而下層正好相反, 可見, 微噴灌水肥一體化技術(shù)主要改善了根系活動層土壤的水分狀況, 而下層土壤水分低于管灌或與管灌相當(dāng), 一定程度增加了對深層土壤水的利用, 與白玲曉[24]研究結(jié)果一致。

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: different small letters in the same column mean significant differences among treatments atP<0.05 level.

玉米要獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)就必須依靠灌溉[25-26]。灌溉可減輕由于降水時間分布不均造成的作物階段干旱, 低量和中量灌溉可明顯提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率, 并且有限的灌水用在水分最敏感的時期是獲得高產(chǎn)高效的有效途徑[27]。前人研究表明, 在玉米整個生育期內(nèi), 有2次需水高峰期, 即拔節(jié)至大喇叭口期和抽雄至吐絲期[3,28]。本研究中管灌采用農(nóng)民常規(guī)的一次性施肥方式, 而微噴灌采用水肥一體化三次灌水施肥(播后+大喇叭口期+吐絲期), 后者使玉米植株生長較快, LAI明顯高于管灌, 尤其是生育前期和中期LAI差別較大；并且生育后期微噴灌模式葉片SPAD值降低較慢, 其葉片的光合活性高于管灌, 因此生育后期該模式仍保持較高的CGR, 增加玉米生物量,提高玉米千粒重,實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn),且收獲越晚，玉米微噴灌模式的增產(chǎn)效應(yīng)越大, 與任麗雯等[29]的研究結(jié)果一致。另外微噴灌模式高密度處理基部莖節(jié)抗倒伏指數(shù)、葉片SPAD值和CGR大多優(yōu)于管灌低密度處理或與之相當(dāng), 說明微噴灌溉方式下可適當(dāng)增加種植密度, 且密度的增加不會使莖稈質(zhì)量、葉片SPAD值和CGR等指標(biāo)變差。

表4 裂區(qū)試驗(yàn)產(chǎn)量方差分析

注：處理A-灌溉方式；處理B-密度；處理C-收獲時間。Note: A-irrigation mode; B-density; C-harvest time.

本課題組經(jīng)3年的研究, 形成了玉米微噴灌集成技術(shù)模式, 主體技術(shù)包括3方面(微噴灌水肥一體化技術(shù)+增加密度+延遲收獲時間), 該技術(shù)模式對玉米有較明顯的增產(chǎn)效果。以管灌低密度早收獲處理為對照, 水肥一體化灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)5.8%的增產(chǎn)；采用該技術(shù)后顯著提高了玉米的抗倒伏能力, 降低了高密群體玉米的倒伏風(fēng)險, 使微噴灌模式下增加種植密度成為增產(chǎn)的另一個技術(shù)途徑, 本研究通過增加種植密度又可實(shí)現(xiàn)4.7%的增產(chǎn)；另外本課題組2016年底曾對該區(qū)7村140戶進(jìn)行入戶調(diào)查, 農(nóng)戶平均玉米收獲時間為9月22日, 收獲時間較早, 而在前兩項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上再推遲收獲時間至10月3日又可實(shí)現(xiàn)11.2%的增產(chǎn)；3種技術(shù)綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)23.3%。說明采用微噴灌+高密度+延遲收獲時間的集成技術(shù), 可充分發(fā)揮玉米的增產(chǎn)潛力。

4 結(jié) 論

玉米微噴灌集成技術(shù)模式包括微噴灌水肥一體化技術(shù)、增密技術(shù)和延遲收獲期技術(shù)，3種技術(shù)綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)23.3%, 其中增加密度和延遲收獲時間對產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，緊湊型玉米品種密度可設(shè)置7.8萬株·hm-2左右，收獲日期可推遲至10月3日以后。該技術(shù)模式較微噴灌技術(shù)、增密技術(shù)、延遲收獲期等單項(xiàng)技術(shù)增產(chǎn)優(yōu)勢更為明顯，可充分發(fā)揮玉米的增產(chǎn)潛力。該模式的優(yōu)點(diǎn)：改善了根層土壤的水分狀況，使玉米生育前中期LAI較高, 生育中后期綠葉持續(xù)期較長, CGR較高；增加了高密度下莖稈強(qiáng)度，提高了玉米抗倒伏能力。該模式的缺點(diǎn)：當(dāng)前該區(qū)域農(nóng)民習(xí)慣的玉米收獲時間為9月22日左右, 較早的收獲習(xí)慣使該技術(shù)模式的推廣還存在一定的難度；當(dāng)前微噴灌系統(tǒng)配套農(nóng)機(jī)設(shè)備較少，并且田間微灌系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、保養(yǎng)的技術(shù)要點(diǎn)尚不明確，這些問題的解決是該項(xiàng)技術(shù)模式推廣應(yīng)用的前提。