地膜覆蓋對夏玉米籽粒灌漿過程及產(chǎn)量的影響

王 銳，郭怡婷，王乃江，褚曉升，羅曉琦，王卓洲，楊志鵬，董勤各，馮 浩

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌712100；3.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100）

0 引 言

農(nóng)業(yè)水資源短缺是制約國家長期可持續(xù)發(fā)展的“結(jié)癥”，破解危機關(guān)鍵在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效用水[1]。地膜覆蓋是目前廣泛采用的一種節(jié)水農(nóng)藝措施[2]，其能夠有效抑制土壤蒸發(fā)，提高土壤水分有效性，除此之外，地膜覆蓋還具有提高土壤溫度、活化土壤養(yǎng)分、抑制雜草及病蟲害等功能[3?5]。大量研究結(jié)果表明，地膜覆蓋可顯著提高夏玉米產(chǎn)量[6?12]，灌漿過程是決定玉米產(chǎn)量高低的關(guān)鍵階段，灌漿期籽粒灌漿速率和灌漿過程持續(xù)時間是影響籽粒干物質(zhì)積累量的關(guān)鍵因素[13?15]，眾多專家學(xué)者研究了其對地膜覆蓋的響應(yīng)[16?20]。方恒等[17]認為普通地膜覆蓋主要通過延長灌漿漸增期持續(xù)時間，并提高灌漿速率，進而使夏玉米籽粒質(zhì)量提高。胡宇等[16]認為覆膜提高玉米灌漿速率，延長灌漿持續(xù)時間，顯著增加玉米百粒重和產(chǎn)量。而張俊鵬等[20]認為地膜覆蓋在提高夏玉米灌漿速率的同時，加快了籽粒灌漿進程，縮短了灌漿持續(xù)時間。高玉紅等[18]認為秋季覆膜處理加快籽粒灌漿速率的同時使籽粒達到最大灌漿速率的時間提前。

綜上所述，前人對于覆膜提高玉米灌漿速率基本達成共識，但覆膜對玉米灌漿期及各階段持續(xù)時間的影響還存在爭議。因此，為探究地膜覆蓋對夏玉米籽粒灌漿過程及產(chǎn)量的綜合影響，本研究設(shè)置不同地膜覆蓋模式，在利用Richards方程對夏玉米籽粒灌漿動態(tài)過程擬合分析的基礎(chǔ)上，研究地膜覆蓋對夏玉米籽粒灌漿過程的影響規(guī)律，并探究全膜覆蓋與半膜覆蓋對夏玉米灌漿過程及生長發(fā)育進程的不同影響，以期為覆膜條件下夏玉米獲得高產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年6?9月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點實驗室節(jié)水灌溉試驗站（34°20'N，108°24'E，海拔高度521 m）進行。該地區(qū)屬半濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量為620 mm，多年平均氣溫為13.0 ℃。試驗地土壤質(zhì)地為中壤土，1 m 土層的平均田間持水率為23%～25%，凋萎含水率為8.5%（以上均為質(zhì)量含水率），平均容重為1.37 g/cm3。耕層土壤（0～30 cm）pH 值為8.2，有機質(zhì)為8.14 g/kg，全氮為0.95 mg/kg，硝態(tài)氮為5.41 mg/kg，銨態(tài)氮為1.35 mg/kg，速效磷為20.91 mg/kg，速效鉀為134 mg/kg。逐日氣象資料由試驗站內(nèi)的氣象站獲取，試驗期間的氣溫與降雨如圖1所示，2020年玉米生育期降雨量為529 mm，其中有效降雨量（日降雨量大于5 mm）為483.3 mm。

圖1 夏玉米生育期內(nèi)日平均氣溫和降雨量Fig.1 Average daily temperature and rainfall during summer maize growth period

1.2 試驗設(shè)計

試驗供試夏玉米品種為“秦龍14”，于2020年6月13日播種，收獲期為2020年9月30日，全生育期長110 d。試驗共設(shè)置了3個處理（見圖2），分別為對照（CK）、半膜覆蓋（HM）和全膜覆蓋（FM），每個處理重復(fù)3 次，總共9 個小區(qū)。小區(qū)長6 m，寬5 m，面積30 m2，每個小區(qū)之間有0.5 m 的保護行。株距為0.4 m，行距0.6 m，種植密度為5.2 萬株/hm2。全生育期內(nèi)不灌溉。各處理施肥水平保持一致，均為225 kg N/hm2和90 kg P2O5/hm2，以底肥的形式全部耕翻施入土壤。試驗所用地膜均為白色聚乙烯地膜。

圖2 試驗布置圖（單位：cm）Fig.2 The arrangement of experiment

1.3 測定項目與方法

（1）葉面積指數(shù)（LAI）。夏玉米定苗后每個小區(qū)標記2 株生長基本一致的植株，每隔10～15 d，用卷尺測定每個葉片從葉尖到葉基的長度與離葉基1/3 處的葉寬，用葉片的實際面積乘以修正系數(shù)（展開葉為0.75，未展開葉0.5）計算LAI。

（2）地上部生物量。在夏玉米全生育期，每隔10～15 d，各處理隨機選取生長基本一致的3株夏玉米，將植株用剪刀沿地面剪下，封袋保存，帶回實驗室后放入烘箱中，設(shè)置105 ℃殺青30 min，降溫至70 ℃烘至恒重后稱取植株質(zhì)量即為干物質(zhì)質(zhì)量。

（3）產(chǎn)量及其構(gòu)成要素。玉米收獲時，每個小區(qū)隨機取15 個玉米雌穗，測其穗長、穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)，然后人工脫粒烘干，測定百粒重和穗粒重，計算籽粒產(chǎn)量。收獲指數(shù)是用夏玉米產(chǎn)量（Y）除以收獲時地上部生物量。

（4）地溫。采用紐扣式溫度計測定土壤0～10 cm 溫度。紐扣溫度計為溫度自動探測記錄系統(tǒng)，設(shè)定監(jiān)測記錄頻率為每小時一次。

（5）生育期耗水（ET）與水分利用效率（WUE）。玉米播種和收獲時采用取土烘干法測定土壤0～120 cm 土層的含水率，每隔20 cm 取一層土樣測定。夏玉米全生育期的耗水量（ET）用水量平衡法計算，公式如下：

式中：ΔW播前與收獲時的土壤貯水量差值；P為降雨量；I為灌溉量；G為地下水對作物根系的補充量；R為地表徑流量；D為根區(qū)深層滲漏量。

由于試驗區(qū)地勢平坦，降水不會產(chǎn)生徑流，因此R=0；經(jīng)分析土壤水分動態(tài)變化情況，在計算深度120 cm（根系活動層內(nèi)）內(nèi)不存在滲漏，因此D=0；此外，由于地下水埋藏深度較深，不存在地下水對作物的補給，因此G=0；試驗不進行灌溉，因此I=0。因此，水量平衡方程可以簡化為：

夏玉米水分利用效率可用下式計算：

（6）籽粒質(zhì)量。各處理選擇同時授粉、長勢均勻一致的植株掛牌標記，以確保取樣果穗授粉日期一致。玉米開花授粉后10 d開始取樣，每小區(qū)每5 d隨機選取3個果穗，共取樣6次。將果穗從中間掰開，剝下中部籽粒，去除非完整籽粒后混合均勻，隨機數(shù)出100 粒，然后放入烘箱中，設(shè)置105 ℃殺青30 min，降溫至70 ℃烘至恒重后稱取籽粒質(zhì)量。

（7）籽粒灌漿模型構(gòu)建。以花后時間t（開花日為t0）為自變量，每次測得的單粒重為因變量，用Richards模型對籽粒灌漿過程進行擬合[21]。

式中：A、B、K、N為模型參數(shù)；A為灌漿結(jié)束時最大百粒質(zhì)量。

對式（4）求一階導(dǎo)數(shù)可得到灌漿速率方程：

對式（5）求二階導(dǎo)數(shù)得到籽粒達到最大灌漿速率時的時間：

將式（6）代入式（5）得最大灌漿速率：

將式（6）代入式（4）得最大灌漿速率時的生長量：

對式（5）求積分得平均灌漿速率：

灌漿速率方程有2 個拐點，令V對t的二階導(dǎo)數(shù)為零時，可得灌漿速率方程兩個拐點的灌漿時間t1和t2為：

假定達99%A時為灌漿結(jié)束時間t3，則

所以可確定灌漿期的3個階段：灌漿漸增期T1為灌漿時間小于t1；灌漿快增期T2為t1～t2；灌漿緩增期T3為t2～t3。將t1、t2、t3代入式（1）分別得漸增期、快增期、緩增期結(jié)束時的籽粒重量W1、W2、W3，則各階段平均灌漿速率分別V1=W1/T1、V2=(W2?W1)/T2、V3=(W3?W2)/T3。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 對數(shù)據(jù)進行處理，SPSS 26 軟件進行統(tǒng)計分析，多重比較使用LSD 法（最小顯著差異法）（P＜0.05），Origin 2021軟件作圖和擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜覆蓋對地溫的影響

由圖3可知，不同處理下夏玉米0～10 cm 土層地溫變化趨勢相似，從播后到拔節(jié)期呈波動上升趨勢，之后呈波動下降趨勢。在全生育期，覆膜處理的地溫均大于對照處理，3種處理地溫從大到小依次為FM、HM、CK。與CK相比，F(xiàn)M和HM生育期分別累計增溫248.26 ℃和108.35 ℃。6?9月FM 處理下每月平均溫度分別增加3.93、2.84、1.77 和2.14 ℃，HM 處理下每月平均溫度分別增加1.62、1.46、0.67 和0.76 ℃。在夏玉米生長前期，由于植株較小，地表受太陽直射，覆膜處理的增溫效應(yīng)明顯。而在夏玉米生長中期，由于LAI增大，地面透光度減小，覆膜處理與對照處理的地溫差異較小。到夏玉米收獲前后，由于葉片干枯導(dǎo)致LAI減小，覆膜處理與對照處理的地溫差異稍有增大。

圖3 不同處理下夏玉米生育期0～10 cm土層地溫變化規(guī)律Fig.3 Soil temperature during growth period of summer maize under different treatments for 0～10 cm soil layer

溫度是影響作物生長發(fā)育的重要因素之一，氣象條件、土壤水分、地膜覆蓋等因素都影響玉米生育期的地溫分布。李仙岳等[22]研究發(fā)現(xiàn)覆膜可以很大程度的提高土壤溫度，覆膜的增溫效果在玉米生育前期最為顯著，在生育中后期較小，本研究也有相似的結(jié)論。本研究還發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋要比半膜覆蓋的增溫效果好，這與楊睿等[23]的結(jié)論相似。覆膜的增溫效應(yīng)是促進夏玉米生長發(fā)育，改善籽粒灌漿過程，最終促進夏玉米高產(chǎn)的基礎(chǔ)條件之一。

2.2 地膜覆蓋對夏玉米葉面積指數(shù)與干物質(zhì)積累的影響

由圖4可知，不同處理下夏玉米葉面積指數(shù)變化趨勢相同，均表現(xiàn)為先升高后降低，在拔節(jié)期增長速度最快。在全生育期，不同處理下的葉面積指數(shù)存在一定差異，F(xiàn)M 下最大，CK 下最小。當葉面積達到峰值時，覆蓋種植的葉面積指數(shù)顯著高于無覆蓋種植，與CK 相比，F(xiàn)M 和HM 分別提高了14.43%和9.84%，但兩種覆蓋處理沒有顯著性差異。由圖5可知，不同處理下夏玉米干物質(zhì)積累趨勢相同，干物質(zhì)從苗期開始緩慢積累，從拔節(jié)期到灌漿期迅速積累，到成熟期后又恢復(fù)到較緩慢狀態(tài)。在全生育期，夏玉米干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)FM>HM>CK，收獲時覆膜條件下的干物質(zhì)積累量顯著高于對照處理，與CK 相比，F(xiàn)M 和HM 處理分別提高了6.14%和4.64%，但兩種覆蓋處理沒有顯著性差異。以上結(jié)果表明不同地膜覆蓋模式都不同程度地促進了夏玉米的生長發(fā)育和干物質(zhì)積累，為夏玉米的高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，但是全膜覆蓋與半膜覆蓋之間沒有顯著性差異。

圖4 不同處理下夏玉米葉面積指數(shù)變化Fig.4 Leaf area index of summer maize under different treatments

圖5 不同處理下夏玉米干物質(zhì)積累Fig.5 Dry matter accumulation of summer maize under different treatments

葉片是作物最主要的光合器官，葉面積指數(shù)反映了作物的群體結(jié)構(gòu)，表征作物群體對太陽輻射的截獲能力，對作物干物質(zhì)的積累至關(guān)重要，同時較高的干物質(zhì)積累又是作物高產(chǎn)的前提。本研究發(fā)現(xiàn)覆膜對夏玉米全生育期的葉面積增加以及干物質(zhì)積累具有顯著的促進作用，并且全膜覆蓋要略優(yōu)于半膜覆蓋，這與李尚中[24]等的研究結(jié)果相似。覆膜夏玉米葉面積的增加提高了作物光合同化能力，促進了干物質(zhì)積累。在灌漿之前更多的干物質(zhì)積累為灌漿期籽粒庫容的增大做了充足的儲備，在灌漿期更高的光合同化能力源源不斷擴充夏玉米籽粒庫容，最終實現(xiàn)灌漿結(jié)束后籽粒產(chǎn)量的提高。

2.3 夏玉米籽粒灌漿Richards模型

由圖6可知，不同處理下的夏玉米籽粒干物質(zhì)積累過程均呈“慢?快?慢”的“S”形變化趨勢，在整個灌漿期不同覆膜處理均提高了夏玉米籽粒質(zhì)量。由表1可知，各處理Richards模型決定系數(shù)均在0.99以上，擬合效果較好，表明用Richards模型能較好地模擬夏玉米籽粒灌漿動態(tài)過程。A值代表灌漿結(jié)束時理論最大百粒重，與CK 相比，F(xiàn)M、HM 分別提高了18.19%和7.78%。由表2可知，全膜與半膜處理均顯著提高了夏玉米籽粒灌漿的平均灌漿速率、最大灌漿速率以及灌漿速率最大時的籽粒質(zhì)量。其中，與CK 相比，F(xiàn)M、HM 平均灌漿速率分別增加了15.00%和6.91%，最大灌漿速率分別增加了15.19%和6.90%，灌漿速率最大時的籽粒質(zhì)量分別增加了20.33%和8.60%。覆膜使夏玉米到達籽粒最大灌漿速率的時間稍有提前，但沒有顯著性差異。

圖6 不同處理下夏玉米籽粒灌漿Richards擬合曲線Fig.6 Richards fitting curves of grain filling of summer maize under different treatments

表1 不同處理下的Richards模型參數(shù)Tab.1 Parameters of Richards model under different treatments

表2 不同處理下夏玉米籽粒灌漿特征參數(shù)Tab.2 Grain filling parameters of summer maize under different treatments

研究表明，灌漿期是決定夏玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵時期，灌漿速率的高低與灌漿持續(xù)期的長短決定灌漿結(jié)束后的最終籽粒產(chǎn)量。在本研究兩種地膜覆蓋模式下，夏玉米籽粒灌漿的平均灌漿速率、最大灌漿速率增大，達到最大灌漿速率和灌漿結(jié)束時兩種覆膜處理的籽粒質(zhì)量也相應(yīng)提高，與胡宇等[16]的研究一致。但覆膜對夏玉米到達籽粒最大灌漿速率的時間影響不大，與李紹長等[25]的研究相似。

2.4 地膜覆蓋對夏玉米灌漿期各階段參數(shù)的影響

由表3可知，不同處理下夏玉米灌漿期各階段的平均灌漿速率有相似的變化趨勢，均表現(xiàn)為速增期>漸增期>緩增期。在夏玉米灌漿期各個階段，覆膜處理均顯著提高了夏玉米平均灌漿速率，且在漸增期幅度最大。在漸增期，F(xiàn)M、HM 的平均灌漿速率分別比CK 高27.57%和10.66%，在快增期，F(xiàn)M、HM 的平均灌漿速率分別比CK 高11.29%和7.00%，在緩增期，F(xiàn)M、HM 的平均灌漿速率分別比CK 高15.92% 和7.35%。在夏玉米灌漿的3個階段，F(xiàn)M對灌漿速率的提高都比HM 要大，說明全膜覆蓋比半膜覆蓋對夏玉米灌漿速率的促進作用更明顯。在提高灌漿速率的同時，覆膜改變了夏玉米灌漿各階段持續(xù)時間。與CK 相比，F(xiàn)M、HM 下灌漿漸增期分別縮短0.36、0.07 d，灌漿緩增期分別縮短0.17、0.13 d；但灌漿快增期分別延長0.28、0.07 d。其中，F(xiàn)M顯著影響了夏玉米灌漿漸增期和速增期的持續(xù)時間，而HM 對夏玉米灌漿各階段持續(xù)時間影響不顯著。

表3 不同處理下夏玉米籽粒灌漿各階段持續(xù)時間、平均灌漿速率Tab.3 Duration and rate at each stage of grain filling of summer maize under different treatments

夏玉米籽粒灌漿期可分為漸增期（T1）、快增期（T2）和緩增期（T3）3 個階段，漸增期形成大庫容是實現(xiàn)高產(chǎn)的先決條件，快增期向庫容中調(diào)運庫容物質(zhì)是保證高產(chǎn)的基礎(chǔ)[26]。本研究各處理3個階段的平均灌漿速率均表現(xiàn)為速增期>漸增期>緩增期，與Fang 等[27]結(jié)果一致。相比于對照，覆膜夏玉米籽粒灌漿期各個階段的平均灌漿灌漿速率都有所提高[28]，且全膜覆蓋提高程度要高于半膜覆蓋。付江鵬等[29]認為玉米籽粒質(zhì)量與各時期籽粒灌漿速率均呈顯著正相關(guān)，且與速增期灌漿速率相關(guān)最密切，但與灌漿持續(xù)時間各參數(shù)相關(guān)不顯著。王曉燕等[30]認為，與籽粒灌漿速率相比，籽粒灌漿持續(xù)期較不易受種植密度、基因型和溫度等因素的影響。在本研究中，兩種地膜覆蓋處理對漸增期和緩增期表現(xiàn)為縮短作用，對速增期表現(xiàn)為延長作用。地膜覆蓋通過提高夏玉米灌漿期各階段的灌漿速率，延長灌漿快增期持續(xù)時間，導(dǎo)致最終灌漿結(jié)束后夏玉米籽粒產(chǎn)量的提高，這與張俊鵬等[20]的結(jié)論相似，并且全膜覆蓋對于夏玉米灌漿過程的促進作用要優(yōu)于半膜覆蓋。

2.5 地膜覆蓋對夏玉米產(chǎn)量與水分利用效率的影響

由表4可知，覆膜處理的產(chǎn)量及構(gòu)成因素基本都大于對照處理。其中，F(xiàn)M 與HM 的產(chǎn)量、百粒重都顯著大于CK，而兩者之間沒有顯著性差異；FM 的穗粗與收獲指數(shù)顯著大于CK。與CK相比，F(xiàn)M與HM的產(chǎn)量分別增加了15.19%和8.34%。

表4 不同處理對夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響Tab.4 Effects of different treatments on yield and its components of summer maize

由表5可知，CK 的ET顯著高于FM 和HM，F(xiàn)M 的ET最小，為373.04 mm。在降低耗水量的同時，覆膜處理也顯著提高了夏玉米的水分利用效率，與CK 相比，F(xiàn)M、HM 的水分利用效率分別增加了19.75%和11.80%。

表5 不同處理對夏玉米的耗水量及水分利用效率的影響Tab.5 Effects of different treatments on ET and WUE of summer maize

大量研究結(jié)果表明，地膜覆蓋可顯著提高夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率。本研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋顯著提高了夏玉米的產(chǎn)量和水分利用效率，但全膜覆蓋與半膜覆蓋沒有顯著性差異，這與張俊鵬等[20]，徐佳星等[31]研究結(jié)果一致。本試驗中，覆膜條件下夏玉米產(chǎn)量提高的決定性產(chǎn)量構(gòu)成因素是百粒重，而決定夏玉米百粒重的關(guān)鍵性階段是夏玉米籽粒灌漿階段，地膜覆蓋條件下夏玉米灌漿期各階段灌漿速率的提高和灌漿快增期持續(xù)時間的延長是增大夏玉米百粒重，實現(xiàn)增產(chǎn)的重要原因。

3 結(jié) 論

（1）覆膜可以顯著增加夏玉米農(nóng)田表層地溫，并且全膜覆蓋要優(yōu)于半膜覆蓋。覆膜促進了夏玉米生長與干物質(zhì)積累，為夏玉米灌漿過程的優(yōu)化以及最終的產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)，但全膜覆蓋與半膜覆蓋差異不顯著。

（2）地膜覆蓋主要通過提高夏玉米灌漿期各階段的灌漿速率，延長灌漿快增期持續(xù)時間，實現(xiàn)最終灌漿結(jié)束后籽粒產(chǎn)量的提高，并且全膜覆蓋對于夏玉米灌漿過程的促進作用要優(yōu)于半膜覆蓋。

（3）覆膜提高了夏玉米產(chǎn)量，減少生育期耗水，提高水分利用效率，最終達到節(jié)水增產(chǎn)的目的。全膜覆蓋相對于半膜覆蓋，產(chǎn)量和水分利用效率都有所提高，但差異不顯著。地膜覆蓋條件下產(chǎn)量提高的決定性產(chǎn)量構(gòu)成因素是百粒重，覆膜條件下夏玉米灌漿過程的優(yōu)化，是提高夏玉米百粒重，實現(xiàn)增產(chǎn)的重要原因。