四川丘陵旱地春玉米穴灌播種機(jī)配套農(nóng)藝措施研究

石 愷，王小春*，陳 誠(chéng)，蔡金雄，蒲 甜，張黎驊，楊文鈺

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014）

四川省是我國(guó)第三大玉米主產(chǎn)區(qū)-西南山地丘陵玉米區(qū)主要省份之一，其中丘陵山地占全省玉米播種面積65%以上。該區(qū)耕地類型主要為雨養(yǎng)旱地，全年降水主要集中在5～9月份，降雨分布不均，季節(jié)性干旱明顯，冬春兩季極易發(fā)生重旱、極旱[1]。為保證春玉米正常出苗，在播種前需造墑，但地面灌溉灌水定額較大[2]，冬干無(wú)水源，且播種機(jī)攜帶水量有限，目前該區(qū)域仍多采用人工播種，成本高、效率低，嚴(yán)重阻礙玉米發(fā)展。研制適宜該區(qū)域播種機(jī)械并為其配套相符農(nóng)藝措施是玉米生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)。

研究表明冬耕可疏松土壤，有利于熟化，改善土壤理化性狀，為作物出苗和根系生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境條件；冬耕地塊通氣性良好，地溫高，有利于土壤好氣細(xì)菌活動(dòng)，利于土壤中有機(jī)質(zhì)分解；將土壤中害蟲、病菌及雜草根系翻至地表，可減輕農(nóng)田蟲害、病害和雜草滋生。地膜覆蓋可改善耕層土壤水肥氣熱狀況和作物生長(zhǎng)微生態(tài)環(huán)境，增溫保墑，促進(jìn)土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)，顯著提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率[3]。冬耕栽培與覆膜措施結(jié)合，優(yōu)勢(shì)明顯，冬耕覆膜可減少播種時(shí)灌水量，提高春玉米出苗率，較春耕不覆膜處理產(chǎn)量和水分利用效率分別提高30.13%和31.03%[4]。

關(guān)于穴灌播種機(jī)配套農(nóng)藝技術(shù)研究主要集中在我國(guó)北方地區(qū)，研究?jī)?nèi)容以土壤理化特性、作物地上部生長(zhǎng)和產(chǎn)量為主[5]，四川丘陵旱地玉米生長(zhǎng)生態(tài)環(huán)境有別于北方，對(duì)穴灌播種機(jī)相配套保水農(nóng)藝技術(shù)研究不完善，不同保水農(nóng)藝技術(shù)對(duì)穴灌玉米生長(zhǎng)影響尚不清楚。本文研制適宜四川丘陵旱地玉米區(qū)播種、施肥、穴灌一次性完成播種機(jī)，該機(jī)具經(jīng)初試效果良好，通過(guò)設(shè)置田間試驗(yàn)，比較分析穴灌播種下春玉米水分利用效率和產(chǎn)量與抽水澆灌差異，研究與穴灌配套保水農(nóng)藝措施對(duì)春玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用效率影響，為提高玉米穴灌施肥播種機(jī)使用效果、大面積推廣應(yīng)用和四川丘陵旱地春玉米節(jié)水高效機(jī)械化栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及地點(diǎn)

試驗(yàn)地位于四川省仁壽縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地（29°59′N，104°08′E），當(dāng)?shù)睾０?82 m，亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫17.4℃，年均降雨1 009.4 mm，年均日照1 196.6 h。供試材料為川單418，本試驗(yàn)供試土壤為紫色濕潤(rùn)雛形土（典型西南丘陵區(qū)土壤）。

1.2 降雨與氣溫情況

玉米生育期內(nèi)降雨量與氣溫分布見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)試驗(yàn)，因素A為翻耕時(shí)期，A1：冬耕（頭年12月翻耕），A2：春耕（播種前翻耕）；因素B為覆膜情況，B1：覆膜，B2：不覆膜，均由智能穴灌播種機(jī)播種，另外設(shè)置生產(chǎn)中常用生產(chǎn)方式（抽水澆灌、冬耕、不覆膜處理CK）為對(duì)照，共5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)。每小區(qū)種植3帶，帶長(zhǎng)5 m，帶寬2m，小區(qū)面積30m2（6m×5m），密度60000株·hm-2，采用寬窄行種植，窄行行距0.4 m，穴距0.17 m。4月7日播種，8月1日收獲，播種時(shí)測(cè)定土壤底墑為16%，抽水澆灌造墑，使土壤底墑為20%±1%，通過(guò)前期試驗(yàn)確定穴灌量為150 mL·穴-1，穴灌耗水量：4.5 m3·hm-2，抽水澆灌耗水量：22.5 m3·hm-2，為測(cè)定不同處理對(duì)土壤水分含量影響，從播種之日開始使用雨棚15 d，遮擋雨水。底肥每公頃配施過(guò)磷酸鈣600 kg（含P2O512%），氯化鉀150 kg（含K2O 60%），全生育期共施純氮240 kg·hm-2，按底肥∶穗肥=5∶5施用，其他管理同大田。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與計(jì)算方法

1.4.1 出苗率測(cè)定

在玉米全田出苗后，分別計(jì)數(shù)每個(gè)小區(qū)出苗數(shù)，計(jì)算出苗率。

1.4.2 土壤溫度測(cè)定

各處理均勻選點(diǎn)埋入地溫計(jì)，在玉米苗期觀測(cè)深度10 cm地溫，于上午10:00～12:00連續(xù)測(cè)定3 d，記錄數(shù)據(jù)。

1.4.3 土壤水分含量測(cè)定

自播種日起，每隔5 d取耕層（0～20 cm）土樣，使用烘干法測(cè)定土壤水分含量，共測(cè)定4次。

1.4.4 根系形態(tài)與生物量測(cè)定

在苗期、抽雄期、灌漿期用根鉆分層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）采集根樣，將根土混合體置100目篩中，清水沖洗泥土并剔除雜質(zhì)，收集玉米根系，使用愛(ài)普生Expression 10 000 xl掃描儀掃描根系，WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析掃描圖片，計(jì)算根長(zhǎng)、根直徑、根表面積；采用排水法測(cè)定玉米根體積[6]，將玉米根系裝于牛皮紙袋在105℃殺青1 h，80℃烘干至恒重，稱取根生物量。

1.4.5 地上部生物量測(cè)定

在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期、成熟期每小區(qū)選取具有代表性樣品3株，將其地上部分裝于牛皮紙袋，105℃下殺青1 h，80℃下烘干置恒重后稱量。

1.4.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成測(cè)定

玉米成熟期，收獲小區(qū)所有玉米果穗后計(jì)算該區(qū)有效穗數(shù)，根據(jù)均重法每小區(qū)選取20苞果穗研究穗部性狀（穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重），計(jì)算產(chǎn)量（產(chǎn)量=穗數(shù)×穗粒數(shù)×千粒重）。

1.4.7 水分利用效率計(jì)算

玉米收獲后利用產(chǎn)量計(jì)算水分利用效率。

WUE=Y/WC，WC=P+I+ΔSWS

式中，Y-玉米產(chǎn)量（kg·hm-2），WC-耗水量，P-降雨量（mm），I-作物生育期總灌水量，ΔSWS為從播種至收獲土壤儲(chǔ)水量變化。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003匯總及整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用DPS 7.05軟件作統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用率的影響

2.1.1 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表1可知，灌溉方式對(duì)玉米產(chǎn)量及有效穗影響顯著，穴灌播種下玉米產(chǎn)量、有效穗較抽水澆灌播種顯著提高12.16%、8.59%。在穴灌條件下，翻耕時(shí)期和覆膜對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素影響顯著，對(duì)有效穗互作效應(yīng)達(dá)顯著水平，冬耕、覆膜處理產(chǎn)量分別較春耕和不覆膜處理顯著提高10.47%和13.10%，其中A1B1處理下玉米產(chǎn)量最高，較A1B2、A2B1和A2B2處理分別顯著提高9.99%、7.47%和25.37%。冬耕處理玉米千粒重較春耕處理顯著降低2.31%，但穗粒數(shù)、有效穗顯著提高8.75%、4.20%；覆膜處理穗粒數(shù)、千粒重較不覆膜處理分別顯著提高6.27%、4.64%。由此可見(jiàn)，不同農(nóng)藝措施對(duì)產(chǎn)量提升程度不同，穴灌播種配套冬耕與覆膜農(nóng)藝措施通過(guò)提高穗粒數(shù)與有效穗，有效提高玉米產(chǎn)量。

2.1.2 水分利用效率

水分利用效率變化趨勢(shì)與產(chǎn)量一致（見(jiàn)表1），穴灌播種灌水量?jī)H為抽水澆灌播種1/5，但水分利用效率顯著提高12.80%。在穴灌條件下，翻耕時(shí)期和覆膜情況對(duì)玉米水分利用效率影響均達(dá)顯著，冬耕處理水分利用效率較春耕處理顯著提高14.27%，覆膜處理水分利用效率較不覆膜處理顯著提高8.72%；A1B1處理下水分利用效率最高，較A1B2、A2B1和A2B2處理分別顯著提高10.00%、7.48%和25.36%?？芍谒拇ㄇ鹆旰档卮河衩咨a(chǎn)中，穴灌播種配套冬耕與覆膜農(nóng)藝措施可有效節(jié)省灌溉用水，顯著提高產(chǎn)量與水分利用效率。

表1 玉米產(chǎn)量與水分利用效率Table 1 Maize yield and water use efficiency

2.2 不同處理對(duì)玉米生長(zhǎng)土壤環(huán)境的影響

2.2.1 土壤水分含量

由圖2可知，播種后各處理耕層土壤水分含量均呈降低趨勢(shì)，主要是由于種子萌發(fā)、生長(zhǎng)以及土壤蒸騰作用需消耗水分。翻耕時(shí)期和覆膜情況顯著影響土壤水分含量，冬耕處理土壤水分含量在4個(gè)測(cè)定時(shí)期分別較春耕處理顯著提高8.82%、1.46%、3.16%、4.99%；覆膜處理土壤水分含量在4個(gè)測(cè)定時(shí)期分別較不覆膜處理顯著提高1.65%、5.34%、5.19%、6.46%；A1B1處理土壤水分含量降低趨勢(shì)顯著低于其他處理，說(shuō)明冬耕與覆膜農(nóng)藝措施可在玉米播種后有效保持耕層土壤水分含量。

2.2.2 地溫

耕層地溫變化與玉米種子萌發(fā)及出苗情況關(guān)系較大，直接影響玉米根系和幼苗生長(zhǎng)。不同農(nóng)藝措施對(duì)耕層地溫影響程度不同，由圖3可知，穴灌播種條件下，翻耕時(shí)期對(duì)地溫影響未達(dá)顯著；覆膜情況對(duì)地溫影響顯著，覆膜處理對(duì)地溫提升幅度在冬耕與春耕下接近，冬耕下，覆膜處理地溫較不覆膜處理顯著提高4.6℃，春耕下，覆膜處理地溫較不覆膜處理顯著提高4.7℃。結(jié)合圖2可知，冬耕覆膜農(nóng)藝措施可有效改善玉米生長(zhǎng)土壤環(huán)境，發(fā)揮保溫提墑作用。

2.3 不同處理對(duì)玉米生長(zhǎng)影響

2.3.1 出苗率

由圖4可知，翻耕時(shí)期與覆膜情況對(duì)出苗率影響與對(duì)地溫影響接近，翻耕時(shí)期對(duì)出苗率無(wú)顯著影響，覆膜情況對(duì)出苗率影響達(dá)顯著。冬耕條件下，覆膜處理出苗率較不覆膜處理顯著提高13.56%；春耕條件下，覆膜處理出苗率較不覆膜處理提高8.11%。穴灌播種下，種子直接與水分接觸，促進(jìn)吸漲萌發(fā)，冬耕與覆膜農(nóng)藝措施有效保持耕層水分含量并顯著提高地溫，出苗率顯著提高。

2.3.2 根系生長(zhǎng)

由表2可知，翻耕時(shí)期和覆膜情況顯著影響玉米苗期根系形態(tài)，且對(duì)根表面積互作效應(yīng)顯著。春耕處理下，玉米根長(zhǎng)、根表面積和根體積較冬耕處理分別顯著提高41.72%、54.70%和52.12%，根直徑差異不顯著；覆膜處理較不覆膜處理根表面積、根直徑和根體積分別顯著提高18.89%、5.41%和32.85%，根長(zhǎng)無(wú)顯著差異。

2.3.3 玉米根系分布

由圖5可以看出，翻耕時(shí)期和覆膜情況顯著影響玉米根系在不同土層分布量，覆膜處理顯著提高根系總量。冬耕處理下，根系在0～20 cm土層分布量占根系總量87.39%，較春耕處理提高4.49%，20～40 cm、40～60 cm 土層分布量分別占根系總量7.84%、4.77%，較春耕處理降低17.36%、5.25%；覆膜處理根系總量較不覆膜處理顯著提高19.85%，覆膜處理在0～20 cm土層根系分布量較不覆膜處理提高2.36%，20～40 cm、40～60 cm土層分布量較不覆膜處理降低28.88%、19.80%。

表2 玉米苗期根系形態(tài)Table 2 Root morphology of maize seedling

2.3.4 玉米根干重

如圖6所示，從苗期開始，翻耕時(shí)期和覆膜情況顯著影響玉米根干重。在苗期，春耕處理根干重較冬耕處理顯著提高15.72%，此后生育時(shí)期，冬耕與春耕處理根干重?zé)o顯著差異；覆膜情況對(duì)根干重影響在各生育時(shí)期均達(dá)顯著，覆膜處理根干重在苗期、抽雄期和灌漿期分別較不覆膜處理顯著提高117.91%、19.85%和44.85%，說(shuō)明覆膜處理有利于穴灌條件下玉米根干重增加。

2.3.5 地上部干物質(zhì)積累

由表3可知，玉米地上部干物質(zhì)積累量隨生育時(shí)期推進(jìn)逐漸增加。冬耕處理苗期干物質(zhì)積累較春耕處理顯著降低25.88%，拔節(jié)期后，冬耕處理干物質(zhì)積累逐漸加快，灌漿期和成熟期較春耕處理分別顯著提高4.43%和7.19%；覆膜情況對(duì)玉米各生育時(shí)期地上部干物質(zhì)積累影響均達(dá)顯著，覆膜處理在苗期、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期和成熟期干物質(zhì)積累量分別較不覆膜處理顯著提高170.40%、14.90%、15.19%、12.03%和9.83%。灌漿期至成熟期玉米干物質(zhì)積累量最多，在此期間，冬耕處理干物質(zhì)積累量較春耕處理顯著提高11.91%，覆膜處理干物質(zhì)積累量較不覆膜處理顯著提高6.29%。

2.4 土壤環(huán)境與玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量相關(guān)性分析

由表4可知，地溫與出苗率、地上生物量、地下生物量、千粒重、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；土壤水分含量與地上生物量、穗粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與地下生物量呈顯著正相關(guān)。出苗率與地下生物量、千粒重呈極顯著正相關(guān)，與地上生物量、產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；地上生物量與地下生物量、穗粒數(shù)、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；地下生物量與千粒重、產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；穗粒數(shù)和有效穗分別與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)。結(jié)果說(shuō)明，冬耕與覆膜農(nóng)藝措施通過(guò)提高地溫與土壤水分含量有效提高出苗率并促進(jìn)地上與地下部生物量積累，改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，達(dá)到增產(chǎn)目的。

表3 玉米地上部干物質(zhì)Table 3 Dry matter in the upper part of maize (g)

表4 土壤環(huán)境與玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil environment and maize growth and yield

3 討 論

研究表明，穴灌有效節(jié)約水資源，提高水分利用效率[7]，穴灌播種需水量?jī)H為4～8 m3·hm-2，較噴灌、微灌和地面渠灌節(jié)水40%～90%。石文廷等指出穴灌穴播地膜覆蓋玉米出苗較早，根區(qū)土壤含水量可提高4.51%，在提高水分利用效率同時(shí)可保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[8]。本研究結(jié)果表明，穴灌播種較抽水澆灌播種節(jié)省灌溉用水80%，水分利用效率和產(chǎn)量顯著提高，與胡云等研究結(jié)果一致[4]。穴灌下水分直接與種子接觸形成濕土團(tuán)將種子包圍，為種子萌發(fā)提供充足水分，提高玉米出苗率和苗期質(zhì)量，顯著增加有效株數(shù)，提高產(chǎn)量。

不同耕作方式改變玉米生存環(huán)境，通過(guò)調(diào)控土壤水分含量、地溫等環(huán)境因素，影響玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量。冬耕田塊播種時(shí)地面沉實(shí)易保墑，地溫回升快，播后易出苗，但土壤緊實(shí)使苗期根系生長(zhǎng)速度變慢，根長(zhǎng)與根量減小，空間橫向分布增加[9-10]。本研究結(jié)果表明，在穴灌條件下，冬耕處理顯著提高土壤水分含量，具有明顯保水功能，有效改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，使產(chǎn)量與水分利用效率顯著提升，與張俊麗等研究結(jié)果一致[10]。冬耕處理地溫與春耕處理差異不顯著，是由本試驗(yàn)僅測(cè)定耕層上部地溫，而冬耕對(duì)地溫影響在更深土層所導(dǎo)致。冬耕處理下，玉米苗期地上部干物質(zhì)量、根干重和根系形態(tài)指標(biāo)顯著下降，根系在0～20 cm土層分布量顯著增加，在20～60 cm土層分布量顯著減少，這是由于冬耕提高土壤容重，根系不易伸展，另外，川中丘陵區(qū)土壤耕層淺薄，質(zhì)地黏重緊實(shí)刺激玉米上層根系生長(zhǎng)[11]。拔節(jié)期后，冬耕處理物質(zhì)積累速率逐漸加快，最終干物質(zhì)積累量顯著高于春耕處理，這是因冬耕后土壤緊實(shí)[12]，具持續(xù)保水能力，滿足玉米在各生育時(shí)期水分需求。

覆膜是旱地作物常用栽培措施，地膜覆蓋可阻斷膜下水分向外界傳輸途徑，改變膜下水分運(yùn)動(dòng)模式，抑制表層土壤水分蒸發(fā)，提高耕層地溫與土壤水分含量。覆膜有利于玉米地下根系生長(zhǎng)和在土壤中空間分布，增加根系總生物量，改善玉米生長(zhǎng)環(huán)境和穗部性狀，提高產(chǎn)量和水分利用效率。陳尚洪等研究發(fā)現(xiàn)，與不覆膜處理相比，地膜覆蓋處理顯著提高春玉米全生育時(shí)期干物質(zhì)積累量，顯著提高花后光合同化物積累量和成熟期籽粒干物質(zhì)分配量[13]。本研究結(jié)果表明，在穴灌條件下，覆膜處理較不覆膜處理有效提高地溫與土壤水分含量，顯著提高出苗率。覆膜處理顯著提高春玉米全生育時(shí)期地上部干物質(zhì)積累量與根干重，穗粒數(shù)與千粒重顯著增加，進(jìn)而使產(chǎn)量與水分利用效率顯著提升，土壤環(huán)境與玉米出苗率、地上、地下部生物量積累和產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，這與查麗等研究結(jié)果一致[14]。覆膜處理改善苗期根系形態(tài)，使0～20 cm土層根系分布量顯著增加，因覆膜保墑作用將表層土壤含水量維持在較高水平，為根系生長(zhǎng)提供充足水分。

4 結(jié) 論

在四川丘陵旱地地區(qū)，運(yùn)用智能穴灌播種機(jī)播種較抽水澆灌播種節(jié)省80%灌溉用水，有效提高玉米產(chǎn)量與水分利用效率。穴灌播種下，冬耕與覆膜農(nóng)藝措施通過(guò)提高春玉米苗期缺水條件下土壤含水量與地溫，提高出苗率；與春耕不覆膜相比，冬耕覆膜可提高根系在耕層分布并促進(jìn)植株地上、地下部分生長(zhǎng)，改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高產(chǎn)量。因此，智能穴灌播種機(jī)配套冬耕與覆膜農(nóng)藝措施是四川丘陵旱地地區(qū)春玉米節(jié)水高效生產(chǎn)值得推廣技術(shù)。