留膜留茬免耕栽培對(duì)甘肅中部旱作區(qū)玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

張 健，馬明生，張建軍

（1.定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅定西743000；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州730070）

甘肅中部旱作區(qū)年降水量的多寡及時(shí)空分布直接影響小麥、玉米等糧食作物產(chǎn)量的豐欠，已成為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的最主要問題之一。優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)藝措施是促進(jìn)旱地作物高效用水的直接手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就地膜覆蓋[1]、保護(hù)性耕作[2]等研究結(jié)果表明：地膜覆蓋是旱作區(qū)主要的節(jié)水農(nóng)藝措施，與露地栽培相比，可減少水分蒸發(fā)50%[3]，農(nóng)田土壤含水率提高8.0%～20.0%，產(chǎn)量增加30.0%以上[4]。免耕可通過減少土壤蒸發(fā)量來增加作物蒸騰耗水量，進(jìn)而提高作物水分利用效率[5]。

近年來，留膜留茬免耕直播栽培技術(shù)在甘肅中部旱作區(qū)大面積推廣應(yīng)用，該技術(shù)是將舊膜循環(huán)再利用和免耕2者優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合的新模式，并已廣泛應(yīng)用于多種農(nóng)作物栽培上。已有研究表明：該栽培模式能有效減少地膜用量和田間作業(yè)投入，節(jié)本增效效果顯著[6-8]。同時(shí)，廢舊地膜污染問題亦可得到有效控制[9]。然而，覆膜免耕栽培玉米苗期低的土壤溫度易造成生長(zhǎng)發(fā)育變緩，但拔節(jié)后快速恢復(fù)生長(zhǎng)能彌補(bǔ)生育前期所受影響，且能獲得與覆新膜相當(dāng)?shù)淖蚜．a(chǎn)量[10]。已有研究絕大多數(shù)針對(duì)該栽培模式下的產(chǎn)量變化，而對(duì)其土壤水分利用特征及如何優(yōu)化協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)高效利用水分，尤其是不同降雨年型留膜留茬免耕栽培技術(shù)的高效和穩(wěn)產(chǎn)機(jī)理尚不明晰。因此，探討不同栽培方式的玉米水分利用特征及對(duì)產(chǎn)量的響應(yīng)，可為甘肅中部旱作區(qū)抗旱減災(zāi)栽培技術(shù)提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2017-2018年在甘肅省定西市團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村（35°35′ N，104°36′ E) 進(jìn) 行，海 拔1 970 m，年平 均氣溫6.2 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，無灌溉，為典型旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降雨量為415 mm，6-9月降水量占年降雨量的68%，降水相對(duì)變率為24%，400 mm 降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm 土層土壤平均容重1.25 g/m3，田間持水量21.2%，凋萎系數(shù)7.2%。

試驗(yàn)區(qū)2017年和2018年年降雨量分別為418.3 mm 和533.3 mm，生育期降雨量分別為351.3 mm 和448.8 mm，2017年雖然總降雨量達(dá)到多年平均降雨量415 mm，但玉米抽雄期（7月中下旬降雨量29.5 mm，蒸發(fā)量154.4 mm）和吐絲期（8月中旬降雨量31.6 mm，蒸發(fā)量51.1 mm）干旱嚴(yán)重，屬季節(jié)性干旱平水年，2018年屬豐水年。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為田間定位試驗(yàn)，2016年進(jìn)行全膜雙壟溝播種植玉米預(yù)備試驗(yàn)，地膜為普通白色聚乙烯地膜，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)2 個(gè)栽培模式，分別為：①全膜雙壟溝播栽培（T1）；②全膜雙壟溝播留膜留茬免耕栽培（T2）。小區(qū)面積5.5 m×5 m=27.5 m2，3 次重復(fù)。其中T2 處理留膜免耕栽培為2016年全膜雙壟溝播玉米在秋季收獲后不揭膜，留茬3～5 cm 人工割倒玉米稈，連續(xù)2 a不耕翻土壤和不揭膜，直接穴播玉米。試驗(yàn)期間2017年和2018年地膜完整度分別保持在95%和85%以上，收獲期地膜破損處，及時(shí)用細(xì)土封住，防止跑墑。T1 處理為玉米收獲后進(jìn)行舊膜回收并秋深翻耕，春季播前旋耕施肥覆膜。玉米品種先玉335（甘肅省敦煌種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)），密度7.5 萬株/hm2，4月下旬播種，10月上旬收獲。氮肥用量180 kg/hm2，過磷酸鈣1 000 kg/hm2。2016年預(yù)備試驗(yàn)T1、T2 處理氮肥和磷肥全部作基肥結(jié)合播前整地覆膜前施入，2017年和2018年氮肥100%作基肥，T1結(jié)合播前整地施入，T2采用追肥槍人工施入，T1、T2處理施肥深度基本一致，所有處理均不施磷、鉀肥。其他田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

（1）土壤水分測(cè)定。采用土鉆人工分層取土，烘干稱重法測(cè)定，分別在玉米播種、抽雄吐絲期、收獲時(shí)由地表向下依次測(cè)取0～200 cm 土層水分，每20 cm 作為一個(gè)取樣層，先稱濕土重，在105 ℃恒溫下烘干12 h 后稱干土重，計(jì)算含水量。

（2）產(chǎn)量測(cè)定。收獲前，每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻一致處作為采樣區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)按整行逐株取25 株測(cè)產(chǎn)，脫粒后用谷物水分測(cè)定儀（PM-8188-A，北京布拉德科技發(fā)展有限公司）測(cè)定籽粒含水量，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量（14%）下的公頃產(chǎn)量。另每小區(qū)取20 株調(diào)查株高、穗位高、穗粗、穗長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)，計(jì)算穗粒數(shù)，并測(cè)定百粒重（含水量14%）。

（3）葉面積測(cè)定。于玉米生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期，每處理每重復(fù)選擇生長(zhǎng)一致的3 株玉米做調(diào)查對(duì)象，實(shí)測(cè)所有綠葉面積，計(jì)算出全田葉面積指數(shù)（LAI）。

1.4 計(jì)算公式

（1）作物生育期耗水量（Evapotranspiration，ET）：

式中：W1、W2分別為播種前和收獲后土壤貯水量，mm；P 為作物生育期降水量，mm，通過campbell cr1000（美國(guó)） 自動(dòng)氣象站記錄儀獲取。

（2）水分利用效率WUE：

式中：Y 為含水量14%時(shí)玉米籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET 為玉米耗水量，mm。

（3）土壤貯水量W：

式中：h 為土層深度，cm；a 為土壤容重，g/cm3；b 為土壤重量含水量，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同栽培方式對(duì)旱地玉米產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響

不同栽培模式玉米產(chǎn)量在2 個(gè)降雨年型差異顯著[見圖1（a）]，表現(xiàn)為豐水年顯著高于季節(jié)性干旱平水年，產(chǎn)量成倍增加。栽培方式間2017年T2 產(chǎn)量較T1 顯著增加了16.3%，原因可能是2017年7月中下旬高溫干旱，T1處理地膜覆蓋度高，高溫干旱提高了土壤溫度，進(jìn)行影響玉米根系活力，T2 處理地膜覆蓋度不及T1 處理，加上地膜破損處用細(xì)土封住，降低了玉米抽雄吐絲期高溫干旱的增溫效應(yīng)對(duì)玉米根系活力的影響，故出現(xiàn)玉米產(chǎn)量T2＞T1；2018年T2 產(chǎn)量較T1 顯著降低29.9%，雖然2018年是豐水年，但隨著留膜年限的增加，地膜覆蓋度降低使其保溫保墑效果降低，同時(shí)耕層土壤容重增加使玉米根系難以下扎，導(dǎo)致玉米根系對(duì)深層土壤養(yǎng)分水分利用率降低，玉米長(zhǎng)勢(shì)不及當(dāng)年翻耕覆膜而減產(chǎn)。耗水量2017年栽培方式間差異顯著，為T2＞T1，增加了4.2%；2018年耗水量差異不顯著，為T2＞T1，降低了5.2%[見圖1（b）]。T2處理在2017年產(chǎn)量和耗水量顯著增加的前提下，水分利用效率同樣表現(xiàn)為顯著增加，T2 較T1 增加了14.7%，而2018年T2、T1 處理在產(chǎn)量顯著增加，耗水量未顯著增加的條件下，均顯著提高了水分利用效率，T1 較T2 增加了18.7%[見圖1（c）]。表明在季節(jié)性干旱平水年T2 處理能顯著提高玉米產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率，而豐水年T2 處理提高產(chǎn)量和水分利用效率的效果顯著不及T1處理。

2.2 不同栽培方式對(duì)玉米花前花后耗水量的影響

栽培方式對(duì)玉米花前花后耗水量有明顯調(diào)節(jié)作用，并與降雨年型有關(guān)（見圖2）。2017年為季節(jié)性干旱平水年，花前耗水量T2 處理與T1 處理基本接近，降低0.6%，差異不顯著，花后耗水量提高9.3%，差異顯著[見圖2（a）]。2018年為豐水年，花前耗水量T2 處理高于T1 處理，增加了11.6%，差異顯著，花后耗水量基本接近，降低0.2%，差異不顯著[見圖2（b）]。表明留膜留茬免耕（T2）能有效調(diào)節(jié)季節(jié)性干旱平水年玉米耗水進(jìn)程，顯著增加花后耗水量，為玉米產(chǎn)量形成提供水分保障。

2.3 不同栽培方式對(duì)玉米葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)影響

葉面積指數(shù)一方面可反映作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況，另一方面可反映葉片對(duì)光能的利用情況。從圖3可以看出，隨著玉米發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)，不同生育階段玉米葉面積指數(shù)呈逐漸增加趨勢(shì)。栽培方式間從苗期到抽雄期，葉面積指數(shù)變化為T2＜T1，分別降低了11.4%、13.0%、7.3%，除苗期差異不顯著外，其余2個(gè)生育時(shí)期葉面積指數(shù)差異顯著。而玉米進(jìn)入灌漿期，葉面積指數(shù)變化為T2＞T1，增加了4.7%，差異不顯著。原因是2017年是季節(jié)性干旱平水年，抽雄吐絲期高溫干旱使T1 處理下部葉片枯萎，綠葉數(shù)明顯減少所致。而留膜留茬免耕栽培（T2） 由于地膜覆蓋度降低和部分地膜破損，土壤溫度降低，水分蒸發(fā)損失變緩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)控土壤水分供應(yīng)來應(yīng)對(duì)季節(jié)性干旱對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

2.4 不同栽培方式對(duì)玉米農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的影響

栽培方式對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成及農(nóng)藝性狀影響明顯，并與降雨年型密切相關(guān)（見表1）。2017年為季節(jié)性干旱平水年，T2處理株高、穗位高均低于T1 處理，分別減少了2.1%、2.0%，差異不顯著，但穗粗、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和百粒重較T1 分別增加29.2%、32.5%、85.2%、7.0%，均差異顯著。2018年為豐水年，T2 處理株高、穗位高顯著低于T1，分別減少了5.7%、11.0%，穗粗、穗長(zhǎng)較T1 處理分別減少了2.0%、1.8%，差異不顯著，穗粒數(shù)和百粒重顯著低于T1 處理，分別減少了7.3%和4.9%?？梢姡诒驹囼?yàn)條件下，季節(jié)性干旱平水年T1 不利于玉米生產(chǎn)，T2 有利于玉米生產(chǎn)；而在豐水年恰好相反，T1對(duì)玉米生長(zhǎng)更有利。

表1 不同栽培模式玉米農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的變化Tab.1 Change of agronomy and yield characteristic of maize in different cultivation pattern

2.5 不同栽培方式玉米經(jīng)濟(jì)效益分析

表2顯示：留膜留茬免耕栽培和全膜雙壟溝播栽培平均產(chǎn)值分別為14 131.5 元/hm2和17 404.5 元/hm2，留膜留茬免耕較全膜雙壟溝播產(chǎn)值減少3 273.0元/hm2，降幅為18.8%。留膜留茬免耕雖然產(chǎn)量低，但其節(jié)省了地膜、土壤耕翻及部分勞力投 入 約3 735.0 元/hm2，使純收益增加462.0 元/hm2，增 加2.3%。而全膜雙壟溝播雖然產(chǎn)量高，但產(chǎn)量增加部分不能抵消生產(chǎn)成本投入增加的部分。因此，留膜留茬免耕節(jié)本增效和生態(tài)效應(yīng)明顯。

3 討 論

關(guān)于免耕對(duì)作物的增產(chǎn)和減產(chǎn)效應(yīng)均有較多報(bào)道。邱紅波等[11]認(rèn)為，玉米免耕栽培較翻耕栽培倒伏率高、有效株數(shù)少，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量顯著低于翻耕栽培，而馮延江等[12]認(rèn)為，免耕耕作較傳統(tǒng)耕作玉米產(chǎn)量有所增加。留膜留茬免耕栽培是將覆膜栽培、地膜重復(fù)再利用和農(nóng)田免耕栽培技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的再次有機(jī)整合。留膜留茬免耕栽培對(duì)玉米產(chǎn)量影響的研究結(jié)論存在分歧，有研究認(rèn)為留膜留茬免耕栽培較全膜雙壟溝播栽培和露地栽培分別增產(chǎn)0.9%[13]和34.1%[14]，但也有研究認(rèn)為留膜留茬免耕栽培導(dǎo)致玉米減產(chǎn)11.4%[6]。本研究結(jié)果表明：留膜留茬免耕栽培的產(chǎn)量效應(yīng)因降雨年型而異，豐水年產(chǎn)量高于季節(jié)性干旱平水年，而季節(jié)性干旱平水年留膜留茬免耕栽培更有利于提高玉米產(chǎn)量，較傳統(tǒng)雙壟溝播栽培產(chǎn)量顯著增加了16.3%，豐水年顯著降低了29.9%。進(jìn)一步對(duì)留膜留茬免耕栽培產(chǎn)量增減的原因分析認(rèn)為，季節(jié)性干旱平水年產(chǎn)量增加是產(chǎn)量構(gòu)成中穗粒數(shù)和百粒重分別顯著提高了85.2%和7.0%，而豐水年減產(chǎn)的原因是穗粒數(shù)和百粒重分別顯著降低7.3%和4.9%。同時(shí)，豐水年留膜留茬免耕雖然產(chǎn)量低于全膜雙壟溝播栽培，但其節(jié)省地膜用量和部分勞力投入，純收益增加2.3%，節(jié)本增效和環(huán)境效應(yīng)明顯。

對(duì)于西北半干旱區(qū)春玉米生產(chǎn)面臨的重要挑戰(zhàn)是如何通過科學(xué)的管理措施來提高土壤水分含量并高效利用。旱地季節(jié)性降雨多變且不能預(yù)測(cè)，但栽培技術(shù)能高效集雨并合理利用[15]。本研究發(fā)現(xiàn)：無論何種降雨年型，留膜留茬免耕栽培均提高了作物生育期土壤耗水量，這種效果在季節(jié)性干旱平水年較豐水年表現(xiàn)尤為突出。原因在于留膜留茬免耕栽培周年地膜覆蓋能有效蓄積冬春休閑期降水，并抑制土壤水分的無效蒸散，再加上留膜留茬免耕栽培降低了對(duì)耕層土壤的擾動(dòng)，保護(hù)了耕層土壤微孔隙和連續(xù)孔隙路徑[16]，提高了土壤穩(wěn)定性滲透率和飽和導(dǎo)水率[13]，進(jìn)而使土壤持水量增大。本研究還發(fā)現(xiàn)，留膜留茬免耕能有效調(diào)節(jié)季節(jié)性干旱平水年玉米耗水進(jìn)程，顯著增加花后耗水量，提高葉面積指數(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和水分利用效率的協(xié)同提高，豐水年不及季節(jié)性干旱平水年。

4 結(jié) 論

留膜留茬免耕栽培對(duì)玉米產(chǎn)量和耗水特征的影響與降雨年型密切相關(guān)。季節(jié)性干旱平水年能有效調(diào)節(jié)玉米生育期耗水進(jìn)程，顯著增加花后和全生育期土壤耗水量，顯著提高了產(chǎn)量和水分利用效率，優(yōu)化了產(chǎn)量構(gòu)成，明顯提高了灌漿期葉面積指數(shù)。同時(shí)留膜留茬免耕栽培能節(jié)省地膜及部分勞動(dòng)力投入，節(jié)本增效和環(huán)境效應(yīng)明顯。因此，留膜留茬免耕栽培可作為甘肅中部旱作區(qū)抗旱減災(zāi)栽培方式推廣應(yīng)用。

表2 不同栽培模式經(jīng)濟(jì)效益分析Tab.2 Analysis of economic benefit on different cultivation pattern