種植密度和滴頭間距對民勤春玉米產(chǎn)量及土壤水氮影響

王 洋，伍 娟，黃興法，李光永

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

膜下滴灌技術(shù)最早使用于以色列，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，是應(yīng)用于玉米生產(chǎn)上的一種新型灌溉技術(shù)[1]。在甘肅地區(qū)，天氣干燥、日蒸發(fā)強度大，玉米膜下滴灌技術(shù)是將覆膜玉米技術(shù)與滴灌技術(shù)結(jié)合，覆膜可以減少株間蒸發(fā)，滴灌技術(shù)可以節(jié)約水資源，避免過多的水分滲漏。已有關(guān)于滴頭間距研究結(jié)果表明，濕潤峰交匯時間隨滴頭間距增大呈指數(shù)型增加，濕潤體形狀隨著滴頭間距的增大依次從1個近似半球體向近似半藥囊形、半花生殼形及2個分離的近似半球體轉(zhuǎn)變[2]。袁昌富等[3]研究表明，滴頭間距大于30 cm時，沙土沿滴頭連線方向的濕潤均勻度減小，而垂直滴頭連線方向和交匯區(qū)的濕潤均勻度基本不隨滴頭間距而變化，但其交匯區(qū)土壤含水量卻隨滴頭間距增大而明顯降低。此外，滴頭間距增大，可以減少系統(tǒng)投資，但是滴頭間距過大可能會影響土壤的水氮分布不均，造成玉米產(chǎn)量降低，因此找到適合玉米的滴頭間距對滴灌玉米的產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。

玉米是我國的主要糧食作物，而玉米種植密度的大小是直接影響玉米產(chǎn)量因素之一[4]。多數(shù)研究表明，玉米的種植密度與玉米的品種有直接的關(guān)系，并且環(huán)境條件也會影響玉米的種植密度。石元亮等[5]通過研究玉米種植密度對土壤水分運移的影響，得出玉米合理的種植密度可以明顯提高土壤水利用率，充分發(fā)揮水肥促進(jìn)玉米生長的作用。米爾古麗·吾拉孜別克[6]在赤峰地區(qū)進(jìn)行玉米田間試驗，玉米種植密度在67 500～83 250 株/hm2范圍內(nèi)，玉米產(chǎn)量、株高、莖粗及葉面積指數(shù)與種植密度呈二次曲線關(guān)系。徐厚成[7]研究玉米膜下滴灌適宜的種植模式得出，在內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)植株密度對玉米的產(chǎn)量有顯著影響，吸水根長與植株密度呈二次曲線關(guān)系，莖粗與植株密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，葉面積指數(shù)與密度呈正相關(guān)關(guān)系。目前，民勤地區(qū)玉米膜下滴灌的種植密度多以當(dāng)?shù)仄韫嘤衩椎姆N植密度為參考，但是采用玉米膜下滴灌的灌溉方式可適當(dāng)提高玉米的種植密度，沒有充分發(fā)揮滴灌灌水方式的優(yōu)點。因此，在甘肅民勤研究玉米滴灌種植密度，對民勤地區(qū)春玉米的增產(chǎn)增收有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2018年4-10月在甘肅省民勤縣新地村榮騰牧業(yè)進(jìn)行，地理位置北緯38°37′，東經(jīng)102°49′。地處甘肅省河西走廊東北部，石羊河流域下游。民勤縣屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，大陸性沙漠氣候特征明顯，冬冷夏熱、降水稀少、晝夜溫差大，年均降水量為127.7 mm，年均蒸發(fā)量2 623 mm，地下水埋深18～25 m。試驗區(qū)表層土壤質(zhì)地為砂壤土，下層土壤為壤土，0～60 cm土層內(nèi)平均干容重為1.52 g/cm3，土壤硝態(tài)氮量為47.5 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

玉米試驗對象采用民勤當(dāng)?shù)仄贩N“先玉335”，采用(40+70 cm)寬窄行種植模式，滴灌帶間距110 cm，玉米種植在滴灌帶兩側(cè)，一管兩行。滴灌小區(qū)設(shè)置長度為60 m，設(shè)置滴灌小區(qū)寬度5.5 m。使用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，滴頭流量2.0 L/h，玉米的播種深度為2～4 cm，使用厚度為0.008 mm的地膜覆蓋于地面。種植密度方面在全生育期設(shè)置3種水平：97 500、105 000、112 500 株/hm2，簡記為A1、A2、A3；滴灌帶滴頭間距方面設(shè)置3個處理：滴頭間距分別為20、30、40 cm，簡記為B1、B2、B3。膜下滴灌試驗共計3×3=9個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，具體試驗處理設(shè)置如表1所示。

表1 滴灌玉米試驗處理設(shè)置表

1.3 測試及方法

(1)土壤含水量的測定：玉米每次灌水前取灌前土，灌水24 h后取灌后土，采用烘干法測定土壤灌溉前、灌溉后的土壤含水量。每個處理選取代表小區(qū)取3個測點，測點位置分別是滴灌帶滴頭處、距滴灌帶水平距離10 cm、距滴灌帶水平距離20 cm。每個測點取3層土，分別在土壤深度20、40、60 cm取土。

(2)土壤硝態(tài)氮的測定：抽穗期玉米生理活動增強，對硝態(tài)氮的需求最大，土壤中硝態(tài)氮含量變化幅度最大，因此在玉米抽穗期取灌水前、后土壤，每個處理的測點位置及取土方法與測定土壤含水量的取土位置相同。使用AA3型連續(xù)流動分析儀測量土壤中的硝態(tài)氮含量。

(3)玉米株高、莖粗的測定：抽穗期玉米生理活動旺盛，株高、莖粗達(dá)到玉米全生育期的最大值，因此測取抽穗期玉米的株高及莖粗。株高：測量玉米底端到頂端最長葉的長度；莖粗：測定玉米底端第一節(jié)莖的周長，除以3.14，算得莖直徑。

(4)玉米田間耗水量：作物需水量由水量平衡公式計算確定，計算式為：

(1)

式中：ET1-2為階段蒸發(fā)蒸騰量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)；ri為第i層土壤干容重，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段始的質(zhì)量含水率，%；Wi2為第i層土壤在時段末的質(zhì)量含水率，%；I為時段內(nèi)的灌水量，mm；P為時段內(nèi)有效降雨量，mm；K為時段內(nèi)地下水補給量，mm，本試驗地區(qū)可忽略不計；C為時段內(nèi)的排水量，無地表排水，取C=0。

(5)玉米產(chǎn)量的測定：在玉米成熟期各處理每個小區(qū)取10 m長、4行寬的玉米進(jìn)行考種，計算求得平均產(chǎn)量值即為該處理的產(chǎn)量值。

采用Excel 2013、Surfer 15作圖，SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤體積含水率

本試驗在甘肅民勤縣進(jìn)行的大田試驗，春玉米灌漿期7月14日-8月6日，該時期基本無降雨，土壤含水量不受降雨的影響，同時地下水位較深，可以不考慮地下水補給。因此，灌水是影響土壤含水量增大的主要因素。圖1是各處理7月29日灌水前后0～60 cm土壤含水量的變化圖。試驗地實測土壤平均田間持水率為25.1%，根據(jù)民勤地區(qū)春玉米的試驗研究，春玉米抽穗期灌溉土壤含水量下限為田間持水率的80%，即根據(jù)土壤含水量是否達(dá)到灌水下限來確定灌水時間，灌水到土壤田間持水率。從圖1可看出，灌水前后種植密度處理土壤含水量大小為A2>A3>A1，A2處理(種植密度105 000 株/hm2)土壤含水量最大，而A1處理(種植密度97 500 株/hm2)最小，但種植密度處理各土層變化趨勢基本相同，說明種植密度對土壤含水率變化影響較小。滴頭間距處理的土壤含水率大小為B3>B2>B1，即滴頭間距40 cm處理土壤含水率最大，滴頭間距20 cm處理的土壤含水率最??；此外，滴頭間距越大，40～60 cm的土壤含水量變化梯度越大，說明在一定范圍內(nèi)，土壤的含水量隨著滴頭間距增大而增大，且分布于40～60 cm的水量越多。比較各處理可以看出，A2B3處理灌水前后的土壤含水率處于最高水平，而A1B1處理的土壤含水率最低，灌水前、后的土壤含水率處理A2B3比A1B1分別大19.5%、13.3%。種植密度105 000 株/hm2和滴頭間距40 cm組合處理，土壤含水率處于較高水平，有利于春玉米的生長。

圖1 不同處理灌水前后土壤體積含水率變化注：圖例中Q代表灌水前，H代表灌水后，黑色虛線為田間持水率。

根據(jù)不同處理灌水前后土壤體積含水率變化圖，處理A2B3的土壤含水率處于較高水平，因此選取A2B3處理作玉米全生育期土層20、40、60 cm的土壤含水率變化圖，如圖2所示。圖2中三層土壤的平均田間持水率為26.5%，當(dāng)土壤含水率降低到灌溉含水量下限時，需要灌水提高土壤含水率到田間持水率。從圖2中得出，膜下滴灌玉米全生育期灌水9次，土層20 cm的土壤含水率始終處于最低水平，土層40、60 cm的土壤含水率較高，而土層60 cm的土壤含水率最大，與圖1中土壤含水率隨深度趨勢變化相同。土層20、40、60 cm的平均土壤含水率分別為18.1%、22.6%、24.2%，土層60 cm比土層20、40 cm的土壤含水率分別大33.5%、7.0%。

2.2 不同處理玉米株高和莖粗變化

在西北旱區(qū)，環(huán)境條件對于玉米的株高和莖粗有重要影響。因此株高、莖粗是研究玉米耐旱性和倒伏性的重要生理指標(biāo)[18]。表2為不同處理玉米各生育期株高(cm)和莖粗(cm)的數(shù)據(jù)分析表。

探究各處理株高變化規(guī)律：種植密度處理株高大小為A3>A2>A1，在本實驗種植密度范圍內(nèi)，玉米株高隨著種植密度增加而增大。滴頭間距處理株高大小為B3>B2>B1，說明玉米株高隨著滴頭間距增大而增大。種植密度對于拔節(jié)期、成熟期玉米株高有顯著影響，而對抽穗期、灌漿期玉米株高無顯著影響，原因可能是玉米抽穗期、灌漿期有雄花，而玉米拔節(jié)期沒有雄花，成熟期玉米雄花凋萎。滴頭間距對抽穗期、灌漿期春玉米株高分別有極顯著、顯著影響，原因可能是抽穗期為玉米需水、肥敏感期，而灌漿期是玉米形成產(chǎn)量關(guān)鍵期[19]，滴頭間距處理對土壤水氮分布有重要影響，選擇合適滴頭間距能為玉米提供良好的生長環(huán)境。

探究分析各處理莖粗變化規(guī)律：在一定種植密度范圍內(nèi)，玉米莖粗隨著種植密度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，滴頭間距處理玉米莖粗無明顯變化規(guī)律。種植密度對玉米拔節(jié)期莖粗有顯著影響，而對其他玉米生育期無顯著影響。滴頭間距對玉米各生育期莖粗無顯著影響。

圖2 處理A2B3玉米全生育期土壤體積含水率變化

表2 不同處理玉米株高和莖粗cm

注：*表示在P0.05水平下差異顯著，**表示在P0.01水平下差異顯著。a、b表示種植密度處理對株高、莖粗的統(tǒng)計顯著性，A、B表示滴頭間距處理對株高、莖粗的統(tǒng)計顯著性。

2.3 不同處理硝態(tài)氮分布變化

探究各處理施肥前后土壤硝態(tài)氮的分布規(guī)律，選取7月29日施肥前后的硝態(tài)氮變化量，分析水平方向(與滴頭距離)0～20 cm和垂直方向0～60 cm硝態(tài)氮含量變化。種植密度與滴頭間距對硝態(tài)氮分布的影響如圖3所示。

比較圖3(d)、(e)、(f)可得，相同滴頭間距條件下，不同種植密度處理的土壤中硝態(tài)氮分布基本相同。圖3(b)中A2B1硝態(tài)氮變化量在距離滴灌帶10 cm位置含量最大，原因可能是10 cm處地勢低洼，造成灌溉水在此處積聚，土壤硝態(tài)氮含量較大。

探究滴頭間距對土壤硝態(tài)氮的分布規(guī)律：比較滴頭間距處理B1、B2、B3，水平方向20 cm處硝態(tài)氮變化量B1>B2>B3，滴頭間距20 cm處理硝態(tài)氮運移最遠(yuǎn)，滴頭間距40 cm處理硝態(tài)氮運移的最近。對比滴頭間距處理B1、B2、B3，垂直方向深度60 cm處硝態(tài)氮變化量B3>B2>B1，滴頭間距40 cm處理硝態(tài)氮垂直運移最深，滴頭間距20 cm處理硝態(tài)氮垂直運移最淺。說明滴頭間距40 cm處理在相同的灌水定額下，灌水時間最長，養(yǎng)分隨水分垂直下滲量最多。

土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度和水平距離增大而遞減，水平方向遞減率隨距離增大而減小，垂直方向遞減率隨土層深度增大而減小。隨滴頭間距增大，滴頭周圍濕潤半徑減小，硝態(tài)氮隨水分在土壤中的徑向運移距離減小，豎向運移量增大。

2.4 玉米田間耗水量和產(chǎn)量

通過各處理的玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素分析、耗水量，分析得出影響玉米產(chǎn)量的主要因素。表3為不同玉米處理產(chǎn)量構(gòu)成因素、產(chǎn)量、生育期耗水量及水分利用效率。從表3得出：種植密度對玉米的禿尖長、穗粒數(shù)、百粒重有顯著性影響，但對玉米產(chǎn)量沒有顯著影響。種植密度A2處理玉米禿尖最長,玉米百粒重隨玉米種植密度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明種植密度增大到一定程度后，種植密度繼續(xù)增大會影響玉米的灌漿而使玉米粒重降低，與侯月等[20]的研究得出結(jié)論基本一致。種植密度處理產(chǎn)量大小為：A2>A3>A1，處理A2產(chǎn)量相對最大，為14 585.8 kg/hm2。全生育期耗水量大小為：A1>A2>A3。

滴頭間距對玉米的百粒重、生育期耗水量及水分利用效率有顯著影響，對玉米的產(chǎn)量有極顯著影響。隨著滴頭間距增大，玉米的百粒重、生育期耗水量及水分利用效率都逐漸增大。滴頭間距處理玉米全生育期耗水量B1>B3>B2，處理B1的耗水量大，但玉米產(chǎn)量最低，相應(yīng)的水分利用效率最??；滴頭間距B3的玉米產(chǎn)量最高，其玉米全生育期耗水量處于中間水平，但水分利用效率最大。滴頭間距處理產(chǎn)量大小為：B3>B2>B1，處理B3的產(chǎn)量最大，達(dá)15 986.5 kg/hm2。

圖3 各處理土壤硝態(tài)氮剖面分布 注：圖中具體數(shù)值含義為7月29日施肥前后土壤硝態(tài)氮含量變化，單位mg/kg。坐標(biāo)原點為滴頭位置，橫坐標(biāo)為距滴頭水平距離，0～20 cm；縱坐標(biāo)為土壤垂直方向的深度，0～60 cm。土壤硝態(tài)氮變化量越大圖中顏色越深。

3 討 論

不同玉米種植密度處理之間的土壤含水量存在差異，種植密度A1處理，0～60 cm土壤含水量處于較低水平，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要有3種原因：①“先玉335”玉米本身的遺傳特性、甘肅干熱天氣環(huán)境等因素造成的；②“先玉335”種植密度小，植株葉面并不能完全覆蓋地表，株間蒸發(fā)量大；③田間小氣候更適于雜草的生長，雜草消耗了部分水分。A2種植密度處理，在3種玉米密度處理中土壤含水量處于最大值，土壤水分狀況良好，更適合玉米的生長。滴頭間距處理的0～60 cm土壤含水量隨深度增大逐漸減小。在相同玉米種植密度下，滴頭間距越大，深層土壤含水量越大。處理B1沿水平方向土壤含水量大于B2、B3，深度方向土壤含水量小于B2、B3；處理B3水平方向含水量最小，垂直方向含水量最大。說明滴頭間距越大，土壤濕潤半徑越小，深層土壤含水量越大。處理B1比B2、B3玉米的全生育期耗水量分別大3.0%、1.2%，分析原因為：滴頭間距20 cm處理灌水后，分布于表層土壤水量較多，玉米株間地面蒸發(fā)較多。

表3 不同處理玉米產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率

注：*表示在P0.05水平下差異顯著，**表示在P0.01水平下差異顯著。a、b表示種植密度處理對各個因素的統(tǒng)計顯著性，A、B表示滴頭間距處理對各因素的統(tǒng)計顯著性。

玉米的株高、莖粗、穂位高及葉片等的差異主要由品系自身特性決定[21]，本試驗玉米的種植密度處理對于玉米莖粗生理指標(biāo)的影響并不顯著。一定范圍內(nèi)玉米莖粗隨著玉米種植密度增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[11]，與本試研究結(jié)果差異較大，原因可能是“先玉335”品種遺傳特性造成的。玉米株距對土壤中硝態(tài)氮、全氮分布等影響較小[22]，本試驗通過改變玉米的株距而該改變玉米的種植密度，與本試驗玉米種植密度對于土壤硝態(tài)氮分布影響較小的結(jié)論相同。文獻(xiàn)中滴頭流量越小，玉米的最長根越長，根系呈窄深式分布[23]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)滴頭間距大，土壤硝態(tài)氮分布呈窄深式分布；滴頭間距小，土壤硝態(tài)氮分布呈寬淺式分布。滴頭間距40 cm硝態(tài)氮分布與根系分布形狀區(qū)域基本相同，能為玉米生長提供更好的水氮環(huán)境。不同滴頭間距為作物生長提供的土壤水氮環(huán)境有所差異，進(jìn)而影響作物的耗水規(guī)律。

玉米種植密度對玉米產(chǎn)量沒有顯著影響，分析原因是：A2處理的玉米粒重較另外兩個密度處理最大，但處理A2的單株玉米穗粒數(shù)是最少的，兩種產(chǎn)量構(gòu)成因素造成種植密度處理對產(chǎn)量無顯著影響，種植密度通過影響玉米的穗粒數(shù)和粒重而影響玉米的產(chǎn)量。滴頭間距處理B3的玉米籽粒最重，但滴頭間距對單個玉米粒數(shù)基本沒有影響，從而滴頭間距對玉米產(chǎn)量有顯著影響，滴頭間距通過影響玉米的粒重而影響產(chǎn)量。玉米種植密度和滴頭間距對玉米的產(chǎn)量影響程度不同，滴頭間距對玉米產(chǎn)量的影響占主要地位。

4 結(jié) 語

(1)種植密度對玉米產(chǎn)量沒有顯著性差異，但玉米產(chǎn)量隨著密度增加呈先增大后減小的趨勢，“先玉335”最佳種植密度在105 000 株/hm2左右。

(2)滴頭間距對土壤水氮分布影響顯著，滴頭間距通過影響土壤中水氮分布，進(jìn)而影響玉米產(chǎn)量，玉米產(chǎn)量隨著滴頭間距增大而增大。

(3)處理A2B3在各處理中產(chǎn)量最高，達(dá)15 986.5 kg/hm2，且水分利用效率最大，為3.52 kg/m3。所以A2B3為最優(yōu)組合，種植密度105 000 株/hm2和滴頭間距40 cm可作為民勤地區(qū)春玉米膜下滴灌的技術(shù)參數(shù)。