綠洲灌區(qū)地膜利用方式與灌水量對玉米產(chǎn)量形成的協(xié)同效應

趙 財,蔡莉娟,柴 強,趙良霞,范 虹，殷 文，胡發(fā)龍，于愛忠，樊志龍

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤水熱因子是影響作物生長發(fā)育與產(chǎn)量形成的關鍵因子。土壤溫度通過對作物根系功能和光合作用等影響作物生長發(fā)育[1]，而土壤水分的變化與作物干物質(zhì)積累及分配、產(chǎn)量形成等密切相關[2]。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱條件，尤其是適量灌水條件下可顯著降低土壤水分的無效蒸發(fā)和熱量散失，提高作物產(chǎn)量[3-5]，但傳統(tǒng)地膜覆蓋方式在作物收獲后的翻耕及休閑期地表裸露，其間土壤水分無效蒸發(fā)；且長期地膜覆蓋造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、耕地質(zhì)量下降、作物減產(chǎn)以及農(nóng)事操作受阻、次生環(huán)境污染等一系列問題[6]。保護性耕作相對于傳統(tǒng)翻耕方式具有蓄水保墑、改善土壤物理性狀、提高作物水分利用效率等作用，在水資源匱乏的北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)有重要應用價值[7]，然而部分研究發(fā)現(xiàn)，保護性耕作降低了作物生長早期表層土壤溫度，使出苗和生長發(fā)育延遲[8]。因此，將免耕、地膜覆蓋與灌溉制度集成在同一玉米栽培體系中，有望同步優(yōu)化農(nóng)田土壤水熱環(huán)境，調(diào)控作物生長發(fā)育動態(tài)，提高作物生長水熱需求與農(nóng)藝調(diào)控效應間的吻合度，建立適于資源性缺水區(qū)作物高效生產(chǎn)的農(nóng)田管理技術。

西北綠洲灌區(qū)大面積種植地膜玉米，但資源性缺水嚴重和“非膜不植”的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式造成的農(nóng)田殘膜污染已成為玉米規(guī)?；N植面臨的兩大難題，殘膜再利用的地膜減量化技術亟待開發(fā)。本研究主要針對該地區(qū)玉米生產(chǎn)過程中地膜污染和農(nóng)田水分的無效損耗等突出問題，將不同地膜利用方式和灌溉制度集成應用于大田玉米栽培，重點探討不同供水條件下覆膜免耕對玉米干物質(zhì)累積特性的影響，并分析地膜利用方式和水分管理對產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的協(xié)同效應，以期為優(yōu)化綠洲灌區(qū)玉米高產(chǎn)、高效栽培技術提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

甘肅農(nóng)業(yè)大學綠洲農(nóng)業(yè)科研教學基地(103°5′E，37°30′N)位于河西走廊東端，為典型的大陸性荒漠氣候區(qū)，年均降水約150 mm，年蒸發(fā)量約 2 000～3 500 mm，資源性缺水嚴重。小麥、玉米為該區(qū)的主要糧食作物，玉米播種比例大于30%，生產(chǎn)以深翻耕的傳統(tǒng)耕作為主，灌溉量通常高于7 200 m3·hm-2，均采用地膜覆蓋。

1.2 試驗設計

參試玉米品種為“先玉335”,地膜厚0.008 mm，寬1.4 m。試驗為二因素三水平裂區(qū)設計，主區(qū)設覆膜免耕(NT：前茬玉米覆膜收獲后免耕，次年直接在舊膜上播種玉米)、秋免耕春覆膜(RT：前茬玉米收獲后免耕，次年播前揭去舊膜旋耕覆新膜播種玉米)及傳統(tǒng)耕作覆膜(CT:前茬玉米收獲后深翻耕，次年春天播前耙磨覆新膜)3種地膜應用方式，其玉米種植方式為全覆膜平作；副區(qū)為3個灌水水平，分別為低水(I1：全生育期灌水450 mm)、中水(I2：495 mm)、高水(I3：540 mm)，灌溉方式為畦灌，分別在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期和灌漿期進行(表1)，前一年土壤封凍前冬儲灌120 mm。試驗共9個處理，每處理3次重復。播種密度9×104株·hm-2，行距40 cm，小區(qū)面積9.2 m×5 m。3 a播種時間分別為2014年4月20日、2015年4月17日、2016年4月20日，收獲時間分別為2014年10月1日、2015年9月27日、2016年9月19日。不同處理的總施氮水平一致，為300 kg·hm-2，基肥施總氮量的10%；追肥按照玉米生育時期進行，玉米拔節(jié)期(六葉期)第一次追肥，為總施氮量的20%；第二次大喇叭口期(十葉期)追肥，為總施氮量的50%；第三次于玉米開花后10 d追肥，施用對應剩余的氮肥量。磷肥按照N∶P為1∶0.75比例全部作為基肥施用。覆膜免耕處理的基肥使用鴨嘴式點播器直接將肥料施于膜下10 cm深的土壤中，追肥與傳統(tǒng)處理一致，為灌水前撒施。

表1 不同灌水處理的灌溉制度/mm

按照試驗設計，覆膜免耕處理和秋免耕春覆膜處理在2013年玉米收獲后免耕，休閑期保持地膜完整度在70%以上；傳統(tǒng)耕作處理在玉米收獲后回收殘膜并深翻耕。2014年春季，秋免耕春覆膜處理將舊膜揭去后進行旋耕并覆新膜，傳統(tǒng)覆膜處理進行旋耕耙磨后覆新膜。

1.3 測定指標及方法

干物重(kg·hm-2)：從玉米出苗后，每隔20 d測定玉米的地上部干物質(zhì)重。苗期至小喇叭口期隨機各取10株，其后各生育時期各取5株。取回的植株在105℃烘箱內(nèi)殺青30 min，再在85℃下烘干至恒重，測其干重。

群體生長率(kg·hm-2·d-1)：

CGR=(W2-W1)/(T2-T1)

式中，W2和W1分別為T2和T1時期的干物質(zhì)積累量，T2、T1為測定時期。

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：每小區(qū)隨機取10株考種，測定穗粒數(shù)、千粒重，按小區(qū)收獲、計產(chǎn)并統(tǒng)計穗數(shù)，籽粒產(chǎn)量為保留14%籽粒含水量的重量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL 2007進行整理匯總，用SPSS 19.0進行顯著性檢驗及通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜利用方式和灌水水平對玉米干物質(zhì)積累的影響

2.1.1 不同處理干物質(zhì)積累動態(tài) 圖1是2014—2016年不同地膜利用方式及灌水處理玉米地上部干物質(zhì)量在生育期的積累動態(tài)。由圖1可見，在吐絲期(8月3日)以前NT處理降低了玉米干物質(zhì)積累速率，尤其是玉米拔節(jié)期(6月7日)到吐絲期，NT處理干物質(zhì)積累量較RT與CT 3 a平均值分別降低21.3%和32.4%；而吐絲期后NT處理的干物質(zhì)積累速率顯著增加，較RT與CT分別提高5.3%和7.4%。隨灌水水平提高，玉米全生育期干物質(zhì)積累量逐漸增大，與I1相比，I2和I3處理干物質(zhì)積累量分別提高了12.6%和16.6%，但I2和I3處理間差異不顯著。說明覆膜免耕對玉米干物質(zhì)累積的不利影響主要在前期，而吐絲期后利于干物質(zhì)積累，且結(jié)合充足灌水能顯著增加干物質(zhì)積累量。

注：圖中的數(shù)字表示不同處理的干物質(zhì)積累方差分析P值，NS表示不同處理干物質(zhì)積累量在此生育時期無顯著差異(P>0.05)。Note: The figures indicate the significant values of dry matter accumulation under different treatment at different growth period, NS indicates no-significant at P>0.05.

2.1.2 群體生長率 分析不同覆膜方式和灌水量的群體生長率(表2)得出，在玉米拔節(jié)期前(6月7日)群體生長率在各處理間無顯著差異，且處理間的互作效應不顯著；但玉米拔節(jié)期到吐絲期(6月7日至8月2日)，NT處理顯著降低了玉米群體生長率，較RT和CT平均降低31.7%和45.9%；灌水水平間相比，I2和I3處理的群體生長率顯著高于I1，較之分別提高16.9%和17.3%。覆膜方式與灌水量有顯著的互作效應，NT中、高灌水處理群體生長率較RT和CT處理分別降低29.9%、25.4%和33.0%、33.3%。玉米吐絲期后，NT處理的群體生長率顯著提高，NT處理的群體生長率3 a平均較RT和CT分別高19.8%和32.6%；隨灌水水平提高，群體生長率顯著增大，NT處理群體生長率較RT與CT在低、中、高灌水水平下分別提高11.1%、11.5%、12.9%和16.1%、16.7 %、23.4%，且覆膜方式與灌水水平互作效應顯著。說明覆膜免耕降低了玉米生育前期群體生長率，但提高了其生育后期的群體生長率，進而使干物質(zhì)形成補償積累，且中、高灌水水平可提高全生育期群體生長率。

表2 不同地膜利用方式與灌水處理玉米的群體生長率/(kg·hm-2·d-1)

2.2 不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

地膜利用方式、灌溉水平對玉米籽粒產(chǎn)量均有顯著影響，且二者交互作用顯著。2016年玉米生育期降雨量僅110 mm，且在灌漿期受干熱風影響，籽粒產(chǎn)量低于2014和2015年，但地膜利用方式和灌水水平對籽粒產(chǎn)量的影響無年際差異(圖2)。耕作處理間，NT處理籽粒產(chǎn)量較RT與CT分別提高8.7%與5.4%；灌水水平間，I2和I3處理籽粒產(chǎn)量較I1分別提高23.3%與18.9%，但I2和I3間差異不顯著。地膜利用方式與灌水水平組合以NTI2、NTI3處理籽粒產(chǎn)量最高，3 a平均達14 566 kg·hm-2和14 957 kg·hm-2，較NTI1分別增產(chǎn)16.9%和20.0%，與CTI3差異不顯著。相同灌水水平下，NTI2較CTI2處理平均提高8.96%，NTI1較CTI1處理平均提高11.91%。說明中、高灌水條件下覆膜免耕與傳統(tǒng)覆膜作用相當，但水分虧缺時，覆膜免耕可緩解干旱脅迫對作物產(chǎn)量形成的影響，提高玉米產(chǎn)量。

注：不同字母表示同一年內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters indicate the significant difference under different treatments within one year(P<0.05).

2.3 不同處理玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素

地膜利用方式對單位面積穗數(shù)、百粒重影響顯著，對穗粒數(shù)影響不顯著；灌水水平對產(chǎn)量構(gòu)成三因素均有顯著影響，覆膜方式、灌水水平的交互作用對百粒重影響顯著(表3)。NT處理在各灌水水平下單位面積穗數(shù)均高于其他處理，較RT和CT分別高5.8%和13.4%。I2和I3處理單位面積穗數(shù)較I1分別高13.6%和21.1%。綜合覆膜方式與灌水水平，以NTI2、NTI3處理玉米單位面積穗數(shù)最多，較CTI3分別增加了16.9%和6.6%，NTI2較NTI3玉米單位面積穗數(shù)增多9.7%。NT、RT、CT三種覆膜方式下，I2和I3處理百粒重3 a平均較I1分別增重17.9%和18.8%，I2和I3之間差異不顯著。覆膜免耕結(jié)合中、高灌水較傳統(tǒng)耕作覆膜顯著提高了玉米百粒重，NTI2較CTI2百粒重提高5.3%，NTI3較CTI3提高8.4%。結(jié)果表明，覆膜免耕較傳統(tǒng)耕作覆膜處理可提高單位面積穗數(shù)和百粒重，在高灌水水平下獲得最高單位面積穗數(shù)和百粒重，但中灌水與高灌水差異不顯著，說明在覆膜免耕方式下，可實現(xiàn)灌水減量，并獲得較多穗數(shù)與較大粒重。

表3 不同地膜利用方式與灌水處理下玉米的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.4 產(chǎn)量構(gòu)成因素與產(chǎn)量的通徑分析

2014—2016年不同地膜利用方式在不同灌水水平條件下玉米的籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重的相關分析和通徑分析結(jié)果表明，玉米籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)、百粒重呈極顯著正相關，與穗粒數(shù)有正相關但相關性不顯著(表4)。通過籽粒產(chǎn)量與上述指標的直接通徑系數(shù)可以看出，3個試驗年度，不同地膜利用方式及灌水水平對玉米籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響為穗數(shù)>穗粒數(shù)>百粒重；通過籽粒產(chǎn)量與上述產(chǎn)量構(gòu)成因素的間接通徑系數(shù)可知，穗數(shù)通過百粒重對籽粒產(chǎn)量的貢獻率最大，百粒重通過穗數(shù)對籽粒產(chǎn)量的間接貢獻最大。由此說明，在覆膜免耕種植方式及適宜灌水量條件下，較多的雙穗數(shù)才能保證單位面積玉米高產(chǎn)，百粒重的增大是提高籽粒產(chǎn)量的主要途徑。

表4 不同處理玉米籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量因素的相關系數(shù)和通徑系數(shù)

3 討 論

3.1 玉米干物質(zhì)積累對不同地膜利用方式及灌水水平的響應

在春玉米整個生育期，籽粒產(chǎn)量大部分來自后期的干物質(zhì)積累，前期貯存于葉片和莖桿中的光合產(chǎn)物所占比例較小[9]。因此，促進前期莖、葉生長的同時，加強后期玉米生長至關重要。研究表明，改良耕作方式[10]、灌溉制度[11]等農(nóng)藝措施，可以優(yōu)化干物質(zhì)的合成及積累。本研究中，覆膜免耕玉米拔節(jié)期至吐絲期玉米群體生長率和干物質(zhì)積累量顯著低于傳統(tǒng)耕作覆膜處理，而吐絲期到成熟期的玉米群體生長率顯著高于傳統(tǒng)耕作。覆膜免耕玉米前期群體生長率和干物質(zhì)積累量降低主要因為覆膜免耕處理在玉米播種到拔節(jié)期的增溫效果顯著低于傳統(tǒng)耕作覆膜，農(nóng)田0～25 cm土壤平均溫度較傳統(tǒng)耕作覆膜處理低13.35%，而對玉米生育后期的土壤溫度無顯著影響[12]。有研究表明，玉米生育期傳統(tǒng)耕作覆膜由于根區(qū)土壤溫度高，導致根系早衰[13]，對玉米生長產(chǎn)生不利影響；而免耕覆蓋土壤溫度低，土壤水分和有機質(zhì)含量較高[14]，表現(xiàn)出較大的生長優(yōu)勢。張明君等[15]的研究也表明，免耕方式下玉米拔節(jié)期前的耗水和干物質(zhì)積累較低，而拔節(jié)期后玉米的耗水量和干物質(zhì)積累量顯著增加，最終獲得較高產(chǎn)量，這與本研究中覆膜免耕的干物質(zhì)積累特征相一致。

3.2 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素對地膜利用方式和灌水水平的響應

作物產(chǎn)量形成與作物生理特征和外界環(huán)境密切相關，地膜覆蓋方式[16]、水分脅迫[17]、施氮制度[18]等農(nóng)藝措施通過影響作物本身及土壤水、熱狀況而影響產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，免耕條件下可顯著改善土壤酶和土壤微生物活性，提高土壤的保水能力和水分利用效率[7]。本研究中，地膜利用方式與灌水水平間的互作效應顯著，覆膜免耕低灌水水平下較傳統(tǒng)耕作覆膜獲得較高的籽粒產(chǎn)量。分析發(fā)現(xiàn)，一方面因為覆膜免耕農(nóng)田較傳統(tǒng)耕作覆膜在休閑期儲存了更多的冬季灌水和冬季雪水[19]，且覆膜免耕處理在作物生育期的棵間蒸發(fā)和傳統(tǒng)覆膜相當[20]，為虧缺灌水農(nóng)田提供了良好的水分基礎；另一方面，覆膜免耕可顯著改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，提高耕層土壤有機碳含量[21]；此外，本研究證明雖然生育前期覆膜免耕降低了土壤溫度導致干物質(zhì)積累降低，但生育后期的生長補償效應使覆膜免耕玉米獲得和傳統(tǒng)耕作覆膜相同的生物產(chǎn)量。可見，覆膜免耕較好的水分條件和土壤理化性質(zhì)以及作物后期的補償生長效應可促進玉米獲得較高籽粒產(chǎn)量。穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重是構(gòu)成玉米籽粒產(chǎn)量的三大重要因素，三者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展是實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎。本研究表明地膜利用方式對玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素無顯著影響，而在灌水水平間存在顯著差異，于愛忠等[16]研究表明，覆蓋條件下隨灌水量的增加產(chǎn)量構(gòu)成因素增大，與本研究結(jié)果一致。覆膜免耕在中、高灌水處理下較傳統(tǒng)耕作覆膜提高了單位面積穗數(shù)、百粒重，并且其平均土壤含水量較傳統(tǒng)覆膜高。通徑分析結(jié)果進一步說明，單位面積穗數(shù)、百粒重是影響籽粒產(chǎn)量的原因，因此保持產(chǎn)量構(gòu)成因素間協(xié)調(diào)的同時提高土壤含水量是覆膜免耕玉米實現(xiàn)高產(chǎn)的基礎。因此，在干旱灌區(qū)地膜玉米大量種植的區(qū)域，采用免耕地膜利用方式配以中灌溉水平的灌溉制度，能夠較好地協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成，獲得較高的籽粒產(chǎn)量，達到節(jié)本、增效的目的，且可有效降低虧缺灌水對作物籽粒產(chǎn)量造成的損失。

4 結(jié) 論

覆膜免耕玉米在吐絲期之前的群體生長率和干物質(zhì)積累量較傳統(tǒng)耕作覆膜處理降低了45.9%和32.4%，但吐絲期之后群體生長率顯著高于傳統(tǒng)耕作覆膜，表現(xiàn)出較強的生長補償效應，至成熟期獲得與傳統(tǒng)耕作覆膜處理相當?shù)母晌镔|(zhì)積累量。不同灌水水平下覆膜免耕較傳統(tǒng)耕作覆膜處理顯著提高了單位面積穗數(shù)和百粒重，平均提高13.4%和6.6%，并由此使產(chǎn)量提高5.4%。說明覆膜免耕處理生育后期的補償生長可提高單位面積穗數(shù)和粒重進而獲取高產(chǎn)，在減量灌水水平下可減緩干旱脅迫，具有提高作物水分利用效率的潛力，是干旱缺水地區(qū)理想的玉米栽培技術。