不同集雨模式對(duì)夏玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

邢云鵬，牛最榮，張 芮，張永勝，高恩基

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.定西市水利科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000)

玉米作為我國(guó)主要糧食作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，玉米糧食供應(yīng)日趨緊張[1]。而玉米作為一種高產(chǎn)作物，氣候條件變化對(duì)其產(chǎn)量的影響很大。如何通過優(yōu)化種植方式，高效利用有限的水資源以提高玉米產(chǎn)量是一個(gè)關(guān)鍵問題[2]。自然降雨的水分補(bǔ)給對(duì)北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)來(lái)說是不可或缺的。但由于降雨的不均勻性導(dǎo)致能被作物吸收的水分只占總量三分之一左右[3]。針對(duì)這一問題，近年來(lái)甘肅地區(qū)逐漸推廣了一些新型農(nóng)藝措施，如地膜覆蓋，秸稈覆蓋等方式，水資源利用效率得到有效提高[4]。

大量研究表明地膜覆蓋與秸稈覆蓋均能保持土壤含水率，提高0～25cm土層溫度，控制雜草生長(zhǎng)，并提高土壤的水肥利用效率，因而能使作物產(chǎn)量得到有效提升。但是隨著農(nóng)業(yè)地膜的推廣，普通地膜在田間形成大量殘膜，阻礙了農(nóng)業(yè)機(jī)械工作，作物根系生長(zhǎng)和水肥氣運(yùn)移，不僅對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響，還威脅著以牧草為食的動(dòng)物健康[5]。近年來(lái)，一些新型地膜如生物可降解地膜、光降解地膜、液態(tài)地膜的出現(xiàn)，大大解決了這一問題[6-9]。壟溝二元集雨模式即壟體覆膜，溝中覆蓋秸稈，將地膜覆蓋與秸稈覆蓋相結(jié)合可極大程度地起到保水保墑的作用、提高作物有效耗水量，維護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，也可以彌補(bǔ)作物降水時(shí)期與耗水時(shí)期不同步的問題，提高對(duì)降水資源的利用[10-11]。

本研究以平作不覆膜不覆秸稈為對(duì)照，研究液態(tài)地膜，生物可降解地膜以及普通地膜分別在覆秸稈和不覆秸稈情況下對(duì)甘肅省定西市西川地區(qū)玉米生長(zhǎng)過程中土壤的含水量、產(chǎn)量及其相關(guān)構(gòu)成因素和水分利用效率的影響，篩選適宜的集雨覆蓋模式，以期為在隴中地區(qū)提高玉米產(chǎn)量、降水資源的高效利用及環(huán)保高效地膜應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年5—9月在甘肅省定西市西川水利科學(xué)研究所大田進(jìn)行。試驗(yàn)場(chǎng)所在區(qū)域多年平均降雨量400mm，年平均氣溫6.3℃，平均蒸發(fā)量1500mm。試驗(yàn)地土壤為黃綿土。堿解氮32.25mg/kg，全氮0.86g/kg，銷態(tài)氮240.62mg/kg，(銨態(tài)氮14.57mg/kg，有效磷19.56mg/kg，速效鉀186.17mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為“登義”2號(hào)。試驗(yàn)采用壟溝種植技術(shù)，壟寬60cm，溝寬60cm，壟高25cm。設(shè)置5種一元集雨模式，分別是壟覆普通黑色地膜(HL)、壟覆生物降解膜(SL)、壟覆液態(tài)地膜(YL)、溝覆秸稈(NJ)。設(shè)置4種二元集雨模式，分別是壟覆普通黑色地膜溝覆秸稈(HJ)、壟覆生物降解膜溝覆秸稈(SJ)、壟覆液態(tài)地膜溝覆秸稈(YJ)。對(duì)照采用平作不覆蓋(CK)。試驗(yàn)共8個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，合計(jì)24個(gè)小區(qū)，如圖1所示。播種前施用一次農(nóng)家肥，此后不再施肥。整個(gè)生育時(shí)期不進(jìn)行灌水。雜草茂盛時(shí)期進(jìn)行2到3次人工除草，避免破壞地膜。

圖1 各處理示意圖

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1氣象數(shù)據(jù)

降雨量等氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)采用試驗(yàn)基地小型氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中降水量數(shù)據(jù)如圖2所示。

1.3.2各生育期含水率

分為6個(gè)層次(10cm，20cm，40cm，60cm，80cm，100cm)，用土鉆取土烘干法在玉米不同生育時(shí)期測(cè)定土壤各土層含水率。

1.3.3玉米全生育期耗水量和水分利用效率

土壤耗水量根據(jù)水分平衡公式進(jìn)行計(jì)算[12]：

ET=P+W1-W2+I+D-R

(1)

式中，ET—土壤耗水量，mm；P—生育期降雨量，mm；I—灌水量，mm；本實(shí)驗(yàn)采取全小區(qū)不灌水I=0，C—地下水流入根部水量，mm；W1—播前0～100cm土層土壤貯水量，mm；W2—收獲后0～100cm土層土壤貯水量，mm；D—根部以外排出水量，mm；R—地表徑流，mm。

本試驗(yàn)中，地下水位在地表約40m的深度，所以地下水流入根部的水量可以忽略不計(jì)，因?yàn)楸驹囼?yàn)地是平地周圍沒有河流，所以未發(fā)生徑流，而對(duì)于100cm以下排水量則不影響本試驗(yàn)計(jì)算，也可以忽略不計(jì)。

1.3.4玉米產(chǎn)量及相關(guān)指標(biāo)

收獲時(shí)，調(diào)查每小區(qū)有效穗數(shù)，并在每小區(qū)選取代表性植株6株，取樣后在室外風(fēng)干，之后于室內(nèi)進(jìn)行考種，觀測(cè)其穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗，穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量。

1.3.5玉米水分利用效率

水分利用效率利用以下公式進(jìn)行計(jì)算

WUE=Y/ET

(2)

式中，WUE—水分利用效率；Y—經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析，不同處理之間多重比較采用Duncan新復(fù)極差方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期降雨特征

2019年玉米生育期降雨量如圖2所示，其分布較為符合安定區(qū)常年降雨規(guī)律[13]，6—8月的降雨量較多，分別占玉米生育期降雨量的21.3%，25.5%和25.4%，符合該地區(qū)大陸性季風(fēng)氣候的特征。大于20mm的降雨次數(shù)占總降雨次數(shù)的7.3%，但大于20mm的降雨量占玉米生育期總降雨量的32.7%，說明該地區(qū)降雨變幅較大，時(shí)間分布不平衡。

圖2 2019年試驗(yàn)地玉米生育期降雨量

2.2 不同集雨模式下各時(shí)期含水率變化

不同覆蓋模式在玉米各生育期土壤含水率分布圖如圖3所示。從圖3(a)可知，玉米苗期(5月23日)根系較淺，主要消耗淺層土壤水分，該時(shí)期降雨較少，導(dǎo)致各處理10～20cm土層含水率較低。

6月28日拔節(jié)期時(shí)由于短期內(nèi)存在一定的降雨，所以整體的含水率略高于其他時(shí)期，但仍可以看出20～60cm土層差異性顯著，其中CK，SJ，HL，YL含水率最低(圖3(b))。

7月22日吐絲期時(shí)各處理的含水率相較于其他時(shí)期，各處理10～60cm土層含水率均顯示出了一定的差異性，其中CK處理20cm深的土壤含水率比40cm小得多，原因是CK處理出苗較晚，此時(shí)主要耗水層仍然是20cm，而且株高相較于其他處理低，使得表層土壤的水分更易于蒸發(fā)。

圖3 不同覆蓋模式在玉米各生育期土壤含水率分布圖

8月14日灌漿期時(shí)，表層土壤含水率為整個(gè)生育時(shí)期最低，其中HL處理的表層土壤含水率已經(jīng)低于凋萎系數(shù)，主要原因是此時(shí)氣溫較高而且玉米正處于灌漿期較為消耗水分，短期內(nèi)沒有降雨表層土壤中的水分就會(huì)持續(xù)蒸發(fā)。

9月22日時(shí)，土壤各土層差異均不太明顯，玉米已經(jīng)成熟，蒸騰作用大幅度減少。

從圖3可以看出，玉米全生育時(shí)期的100cm深度的土層都沒有明顯的差異性，這說明在豐水年不同覆膜方式對(duì)100cm深度的土壤含水率影響較小。

2.3 不同集雨模式對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

不同集雨模式下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀見表1。由表1可知，各處理之間玉米穗粗，穗長(zhǎng)沒有明顯的差異。HJ和NJ處理的穗行數(shù)顯著大于CK處理，其他處理則沒有明顯的差異。不覆膜的NJ、CK處理的千粒重要顯著小于覆膜的其他處理。這是因?yàn)椴桓材さ腘J、CK處理由于出苗較晚，到達(dá)灌漿期時(shí)氣溫已經(jīng)逐漸降低，影響了玉米的灌漿。而同一種覆膜材料下，覆秸稈的處理均大于不覆秸稈的處理。各處理的行粒數(shù)之間沒有明顯的差異性，但是同一覆膜材料下覆秸稈的處理要略小于不覆秸稈的處理，這可能是由于覆秸稈的處理玉米更加早熟，過早進(jìn)入灌漿期。產(chǎn)量和千粒重方面，HJ處理產(chǎn)量最高，達(dá)到10614kg/hm2，顯著高于CK；YL、HL、SJ、SL等處理產(chǎn)量也相對(duì)較高，顯著高于CK，且與HJ不存在顯著差異；NJ、CK處理產(chǎn)量最低，分別僅為5112.88kg/hm2、5644.77kg/hm2。而在液態(tài)膜和生物降解膜的材料下，覆秸稈雖然比不覆秸稈玉米籽粒更加飽滿，但是籽粒數(shù)量卻更少，導(dǎo)致產(chǎn)量略低于不覆秸稈的處理。這表明在豐水年的條件下，液態(tài)膜和生物降解膜覆秸稈的玉米比不覆秸稈的玉米更早的進(jìn)入灌漿期，孕穗期更短。

其中壟體不覆膜溝覆秸稈的NJ處理相較于平作無(wú)任何處理的CK，產(chǎn)量反而降低了9.4%，影響其產(chǎn)量降低的主要因素是小區(qū)穗數(shù)。這是由于玉米壟溝種植模式相較于傳統(tǒng)的平作，植株之間的距離較遠(yuǎn)，種植密度較低，不覆膜的壟溝種植模式的增產(chǎn)效果不能補(bǔ)償種植稀疏的減產(chǎn)效應(yīng)[14]。

由不同處理的千粒重可以看出，覆膜處理的千粒重均明顯高于不覆膜處理。而覆膜處理中，覆秸稈的千粒重均高于不覆秸稈的。這表明，覆膜和覆秸稈有利于玉米在灌漿期灌漿。

2.4 不同集雨模式對(duì)玉米耗水量和水分利用效率的影響

不同集雨模式下玉米耗水特性和水分利用效率見表2。從表2可知，在覆秸稈的處理中，玉米的耗水量從大到小依次是NJ>SJ>YJ>HJ，其中不覆膜的NJ處理耗水量最大，達(dá)到411.63mm；而覆黑膜的HJ處理耗水量最小，僅為388.45mm，顯著低于SL處理。從整體來(lái)看，HL處理和其他處理之間有著顯著性的差異，HJ處理相較于其他處理也處于較低水平，說明普通黑膜對(duì)土壤的保水性要強(qiáng)于其他材料的膜。而WUE方面，HJ處理的WUE最大，為27.27kg/m3，顯著高于CK；其次為HL和YL，比CK的WUE分別提高了79.83%，63.59%，差異達(dá)到顯著水平；另外，YJ、SJ、SL處理WUE也顯著高于CK處理。

這表明，不同處理的水分利用效率由大到小分別為：普通黑膜>液態(tài)地膜，生物降解膜>不覆膜。其中液態(tài)地膜與生物降解膜的水分利用效率無(wú)明顯差異。這與胡敏[10]等的研究不符，可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的普通地膜為黑色，生物降解膜為白色。宗睿[11]和岳德成[12]的研究表明覆蓋黑膜比白膜更能提高玉米的產(chǎn)量。

表1 不同集雨模式下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

注：根據(jù)Duncan多重比較，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

表2 不同集雨模式下玉米耗水特性和水分利用效率

注：根據(jù)Duncan多重比較，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

而覆蓋相同材料的膜的情況下，生物降解膜和普通黑膜覆秸稈的水分利用效率略高于不覆秸稈，液態(tài)膜覆秸稈的水分利用效率則略低于不覆秸稈。這可能是由于豐水年秸稈覆蓋對(duì)產(chǎn)量的影響較小的原因[13]。

3 結(jié)論

本研究表明在豐水年過度提前玉米的生育時(shí)期反而會(huì)導(dǎo)致玉米在孕穗期持續(xù)時(shí)間較短，造成玉米籽粒減少，降低產(chǎn)量。

壟溝種植模式相較于普通平作種植密度更小，如果集雨效果不明顯，水分利用效率還要小于普通平作。

本研究中普通黑色地膜比新型地膜更能提高玉米的水分利用效率，這可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的生物降解膜為白色，不利于玉米的生長(zhǎng)。而黑色生物降解膜是否比白色生物降解膜更能提高玉米的水分利用效率，還有待進(jìn)一步研究。

本研究在豐水年進(jìn)行，全生育期不灌水沒有顯著影響玉米的生長(zhǎng)，在平水年和枯水年的灌水量的確定還有待進(jìn)一步研究。