綠洲灌區(qū)玉米干物質(zhì)積累與產(chǎn)量構(gòu)成對(duì)地膜覆蓋方式的響應(yīng)

何小七,殷文,茍志文,樊志龍,胡發(fā)龍,范虹,柴強(qiáng)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

玉米作為糧食、經(jīng)濟(jì)、飼料兼用的大宗作物之一[1]，其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)技術(shù)是作物生產(chǎn)的永久課題[2].地膜覆蓋作為旱農(nóng)地區(qū)玉米生產(chǎn)不可或缺的農(nóng)藝措施，極大地促進(jìn)了玉米增產(chǎn)增收[1-3]，但地膜的大量投入使其殘留日益嚴(yán)重[4]，加之不易回收，人工清減成本高，清理不徹底，導(dǎo)致農(nóng)田系統(tǒng)地膜富集而帶來嚴(yán)重“白色污染”[3-4]，對(duì)農(nóng)田作業(yè)、作物生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[5].研發(fā)地膜減投及循環(huán)利用技術(shù)，是農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重要課題.

玉米減量化覆膜技術(shù)已有大量研究，節(jié)約型覆膜技術(shù)如半膜雙壟溝播、膜側(cè)溝播、秸稈地膜雙覆蓋和地膜兩年用[6-8]等均顯著降低地膜的投入量.而免耕地膜兩年用技術(shù)減投效果最為明顯[9]，2 a一個(gè)周期的耕作覆膜，極大地減少地膜的投入和人工回收成本，對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境更友好[8-9].傳統(tǒng)覆膜種植措施能明顯提升干物質(zhì)積累[10-11]，并向穗部轉(zhuǎn)移，使“庫”容增加，籽粒產(chǎn)量提升[12-13].研究發(fā)現(xiàn)，干物質(zhì)積累和產(chǎn)量構(gòu)成因子間相互協(xié)調(diào)與籽粒形成緊密相關(guān)，是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[11,14].也有研究發(fā)現(xiàn)，留膜留茬種植能提高玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，而使有效穗數(shù)降低[4]，全膜覆蓋、秸稈地膜雙覆蓋措施均可顯著增加千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[6-7].免耕地膜兩年用是地膜覆蓋再利用和免耕技術(shù)的有機(jī)整合，現(xiàn)有研究多針對(duì)該覆膜方式下節(jié)水增效和產(chǎn)量等表現(xiàn)，而關(guān)于玉米干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量形成深入研究較少，因此進(jìn)一步探討該區(qū)不同地膜利用技術(shù)的干物質(zhì)積累進(jìn)程及產(chǎn)量構(gòu)成對(duì)今后產(chǎn)量形成研究具有重要的理論和實(shí)踐意義.

西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)是我國玉米優(yōu)良主產(chǎn)區(qū)之一[14]，該區(qū)玉米種植廣泛采用覆膜種植，而地膜的長期大量投入導(dǎo)致作物生產(chǎn)環(huán)境和農(nóng)田生態(tài)惡化[8].本研究設(shè)置不同地膜覆蓋方式，深入探討不同處理各時(shí)期玉米干物質(zhì)積累變化及產(chǎn)量形成的機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)該區(qū)玉米地膜減量化高效生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017～2018年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威黃羊鎮(zhèn)“綠洲農(nóng)業(yè)科研教學(xué)基地”(N 37°30′，E 103°50′)進(jìn)行.該區(qū)屬寒溫帶干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.3 ℃；≥10 ℃積溫約3 000 ℃；年日照時(shí)數(shù)達(dá)2 945 h，光熱資源豐富，是我國典型的玉米生產(chǎn)區(qū).試區(qū)蒸發(fā)量大，玉米以覆膜種植為主，地膜投入大、成本高且潛在污染日益嚴(yán)重[8].

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究以2013年布設(shè)長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3種地膜利用方式：傳統(tǒng)覆膜(CM)，即傳統(tǒng)耕作每年覆新膜；少耕覆膜(RM)，即玉米成熟收割后不翻耕，翌年人工清撿回收殘膜、旋耕鎮(zhèn)壓后覆膜；免耕地膜2 a利用(NM)，即玉米收割后免耕，地膜完整度在70%左右，來年免耕硬茬播種.共3個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×8 m=48 m2.

供試玉米(ZeamaysL)品種先玉335，膜寬140 cm，膜厚0.01 mm.種植密度82 500 株/hm2，施純氮360 kg/hm2(按基肥∶大喇叭口期∶開花后15 d=3∶5∶2分施)，施純磷(P2O5)180 kg/hm2.全生育期灌水5次，于苗期、大喇叭口期各灌水900 m3/hm2，拔節(jié)期、開花期和灌漿期各灌水750 m3/hm2.其他管理措施同當(dāng)?shù)赜衩赘弋a(chǎn)田一致.播種日期分別為2017年4月25日和2018年4月20日，收獲日期分別為2017年9月17日和2018年9月23日.

1.3 測定指標(biāo)和方法

植株干物質(zhì)：自出苗后15 d開始，每隔15 d取一次樣，苗期到抽穗期各小區(qū)每次取樣10株，抽穗后每小區(qū)取樣5株，先于105 ℃下殺青1～2 h，后于80 ℃下烘至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量.

群體生長率：CGR=(w2-w1)/(t2-t1)；w1、w2和t1、t2分別為相鄰兩次干物質(zhì)取樣時(shí)植株干質(zhì)量和測定時(shí)間.采用Logistic方程通過回歸分析擬合玉米地上干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)，并計(jì)算其最大群體生長率及最大生長率出現(xiàn)時(shí)間[15].

產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素：成熟期每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取20株進(jìn)行考種，測定穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量.在每個(gè)小區(qū)測產(chǎn)區(qū)域統(tǒng)計(jì)有效穗數(shù)，脫粒稱質(zhì)量，用谷物水分儀測定含水量，然后換算成標(biāo)準(zhǔn)含水量(14%)下的單位面積產(chǎn)量，并結(jié)合生物產(chǎn)量核算收獲指數(shù).

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2019整理和匯總數(shù)據(jù)，SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(Duncan法在α=0.05水平下)和通徑分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 地膜利用方式對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

2.1.1 玉米干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài) 地膜利用方式對(duì)玉米全生育期干物質(zhì)積累有顯著的調(diào)控效應(yīng)(圖1).2017和2018年，縱觀玉米生育期，各處理前期干物質(zhì)積累量差異較大，成熟期差異不顯著.苗期至大喇叭口期(0～60 d)，免耕地膜2 a利用(NM)和少耕覆膜(RM)處理干物質(zhì)積累量分別較傳統(tǒng)覆膜(CM)處理低29.7%、13.1%，NM較RM低15.1%.大喇叭口期至吐絲期(60～90 d)，NM和RM干物質(zhì)積累量較CM分別低36.9%、15.6%，NM較RM低18.5%.說明傳統(tǒng)耕作每年覆新膜在早期可獲得較高的干物質(zhì)積累量.玉米吐絲期至灌漿期(90～120 d)，NM和RM干物質(zhì)積累量分別較CM低9.4%、4.5%，灌漿期至成熟期(120～150 d)，各處理間差異不顯著.說明免耕地膜2 a利用降低了玉米生育前期干物質(zhì)積累量，隨著生育期推進(jìn)，各處理差異減小，干物質(zhì)積累量受地膜利用方式影響逐漸減小.

圖中的數(shù)字表示不同處理的干物質(zhì)積累方差分析P值.

2.1.2 群體生長率差異 地膜利用方式對(duì)玉米吐絲期之前(0～90 d)群體生長率影響均顯著(圖2)，苗期至吐絲期(0～90 d)，NM和RM群體生長率平均較CM低43.0%、16.6%，NM平均較RM低21.5%，說明傳統(tǒng)覆膜能夠提高生育前期到吐絲期的群體生長率，增大干物質(zhì)積累量.各處理在105 d左右生長速率達(dá)最大，且NM最高，較CM高10.5%，灌漿期-成熟期(120～150 d)，群體生長率NM和RM比CM分別高31.7%、19.0%，NM平均較RM高15.9%.因此，免耕地膜兩年覆蓋維持生育后期較高的群體生長率，以此獲得較高的生物產(chǎn)量奠定基礎(chǔ).

圖中的數(shù)字表示不同處理的干物質(zhì)積累方差分析P值.

2.1.3 不同覆膜方式下Logistic方程擬合玉米干物質(zhì) 如表1所列，2 a平均群體生長率和最大群體生長率NM較CM分別低3.2%、6.4%，但最大群體生長率出現(xiàn)天數(shù)NM和RM較CM遲7.6、3.8 d，NM較RM遲3.9 d，且差異均顯著.說明地膜2 a用通過延遲最大群體生長率出現(xiàn)的天數(shù)，使生育后期有較高的群體生長率，從而在成熟期獲得較高的干物質(zhì)積累量.

表1 不同覆膜處理群體生長率的Logistic方程回歸分析

2.2 玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)地膜覆蓋方式的響應(yīng)

地膜覆蓋方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響年際間有差異(表2).2017年，3種處理間生物產(chǎn)量無顯著差異，NM較RM籽粒產(chǎn)量降低4.1%，RM收獲指數(shù)較CM高3.8%.2018年，3個(gè)處理籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)差異不顯著.2 a間，NM較CM有效穗數(shù)減少6.3%；相反，NM與RM較CM穗粒數(shù)分別增多8.6%、5.9%，千粒質(zhì)量分別提高6.9%、7.6%.說明地膜2 a利用雖然有效穗數(shù)低于傳統(tǒng)覆膜，但通過增加穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量來保證產(chǎn)量.

表2 不同覆膜處理玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.3 不同地膜覆蓋方式下玉米產(chǎn)量變化

通過分析玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素與籽粒產(chǎn)量相關(guān)性和通徑系數(shù)來權(quán)衡各產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn).玉米籽粒產(chǎn)量與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)性，與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)性(表3)，說明千粒質(zhì)量是影響籽粒產(chǎn)量的主要因素，穗粒數(shù)次之.直接通徑系數(shù)表明，產(chǎn)量構(gòu)成要素對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)順序依次為千粒質(zhì)量(0.612)、有效穗數(shù)(0.357)和穗粒數(shù)(0.120).對(duì)間接通徑系數(shù)分析表明，穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量相互作用影響玉米籽粒產(chǎn)量.由此可以得知，地膜2 a覆蓋利用措施主要通過提高千粒質(zhì)量維持較高的籽粒產(chǎn)量.

表3 各產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量的直接和間接效應(yīng)

3 討論

3.1 地膜利用方式對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

較高的干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，玉米籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)積累量呈正比關(guān)系[15-16]，干物質(zhì)積累的多少影響產(chǎn)量高低水平[17-18]，本研究中免耕地膜2 a利用雖然降低了玉米生育前期干物質(zhì)積累量，但成熟期各處理間干物質(zhì)積累量差異不顯著.主要原因是傳統(tǒng)覆膜和少耕覆膜2種新膜處理，使玉米苗期的增溫效果顯著高于一膜2 a覆蓋[19]，與免耕地膜2 a利用處理相比更能協(xié)同調(diào)控耕層水熱條件[15,20]，所以早期傳統(tǒng)覆膜可獲得較高的干物質(zhì)積累量.而在生育中后期高溫季節(jié)，免耕地膜2 a利用措施可減緩傳統(tǒng)覆膜造成玉米根區(qū)土壤高溫而導(dǎo)致根系及葉片早衰問題[3,7]，而積累較大的玉米干物質(zhì).

干物質(zhì)近90%源于葉部光合作用，而光合作用對(duì)高溫極其敏感[3,20]，本研究發(fā)現(xiàn)，免耕地膜2 a用措施最大群體生長率較傳統(tǒng)覆膜高6.4%，各處理生長速率最大時(shí)(105 d左右)，免耕地膜2 a用較傳統(tǒng)覆膜處理高10.5%，這可能是由于吐絲期后(7月下旬至8月上旬)綠洲灌區(qū)正值夏季持續(xù)高溫天氣，而傳統(tǒng)覆膜易造成根區(qū)土壤溫度遠(yuǎn)超出玉米正常生長閾值[15]，致其根系及葉片早衰[18]，影響光合作用有機(jī)物生產(chǎn)，而免耕地膜2 a利用措施減緩了傳統(tǒng)覆膜的極端高溫弊端，在生殖生長期保證較高的群體生長率.

Logistic擬合曲線方程能夠確切反映出作物干物質(zhì)積累量的變化.通過Logistic方程分析發(fā)現(xiàn)小麥秸稈還田方式對(duì)后茬玉米干物質(zhì)積累影響極顯著[14]，也有研究通過水肥供應(yīng)方面提出氮肥后移[13]、水肥耦合[21]等農(nóng)藝措施優(yōu)化干物質(zhì)積累過程，改變干物質(zhì)最大群體生長率及其出現(xiàn)天數(shù)，以此延長光合作用持續(xù)時(shí)間，使得作物生長后期“源”足[22]，利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn).本研究發(fā)現(xiàn)，免耕地膜2 a利用較傳統(tǒng)覆膜和少耕覆膜措施最大群體生長率出現(xiàn)天數(shù)延遲7.5～7.7 d和3.8～3.9 d，可能是由于吐絲期后極端高溫易致根系活力降低和死亡加速等，使光能捕獲與轉(zhuǎn)化能力變?nèi)鮗20,23]，也有研究指出在生長后期提高光合能力可防止玉米早衰[10]，而此時(shí)期地膜2 a利用地表溫度較低可延緩葉片及根系衰老，延遲最大群體生長率出現(xiàn)時(shí)間，在生育后期維持相對(duì)較高的群體生長率的時(shí)間，積累更多干物質(zhì)量，保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定.

3.2 玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)地膜利用方式的響應(yīng)

玉米覆膜種植能明顯提升“源-庫”轉(zhuǎn)化力[15,20]，并促進(jìn)光合產(chǎn)物合理地向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)而提高產(chǎn)量[21].本研究發(fā)現(xiàn)，2 a間傳統(tǒng)覆膜和免耕地膜2 a用生物產(chǎn)量籽粒產(chǎn)量差異均不顯著，主要原因是免耕地膜2 a用和少耕覆膜在休耕期減緩水資源蒸發(fā)損失[14]，休耕期水分的不被蒸散[24]，使農(nóng)田中留存更多水分用于作物生長[18]，生育后期當(dāng)土壤溫度對(duì)光合產(chǎn)物積累無顯著相關(guān)性時(shí)[19]，水分成為制約因素，免耕地膜2 a用和少耕覆膜處理充分利用留存水分，減緩干旱脅迫而提高作物產(chǎn)量.

作物高產(chǎn)是產(chǎn)量構(gòu)成因素間協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果[17]，研究表明，傳統(tǒng)覆膜種植能提高玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，而使有效穗數(shù)降低[25]，還有研究發(fā)現(xiàn)，全膜覆蓋和秸稈地膜雙覆蓋措施均可顯著增加千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[6-7].與本研究結(jié)果一致，即地膜2 a用處理和少耕覆膜有效穗數(shù)顯著低于傳統(tǒng)覆膜處理，穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量較傳統(tǒng)覆膜處理高，以此保證產(chǎn)量穩(wěn)定.

3.3 不同地膜覆蓋方式下玉米產(chǎn)量形成差異

單位面積穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及有效穗數(shù)是形成玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵要素[3].有研究發(fā)現(xiàn)，增加玉米穗數(shù)、穩(wěn)定穗粒質(zhì)量，可使產(chǎn)量構(gòu)成因子間相互協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)大幅增產(chǎn)[7,19].也有研究者發(fā)現(xiàn)，光合同化物向穗部轉(zhuǎn)移，使穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量(“庫”容)增加，提高玉米籽粒產(chǎn)量[18,20].本研究經(jīng)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)與之略有不同，產(chǎn)量提高決定于千粒質(zhì)量，而非單位面積穗數(shù)的增加，主要原因是傳統(tǒng)地膜在夏季較高的土壤溫度可致玉米行粒數(shù)、穗粒數(shù)減少，粒質(zhì)量和產(chǎn)量下降[15-16].比較產(chǎn)量構(gòu)成因素對(duì)籽粒產(chǎn)量貢獻(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)直接通徑系數(shù)產(chǎn)量貢獻(xiàn)順序依次為千粒質(zhì)量(0.612)>有效穗數(shù)(0.357)>穗粒數(shù)(0.120)，對(duì)間接通徑系數(shù)分析表明穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量相互作用影響玉米籽粒產(chǎn)量，說明免耕地膜2 a利用在對(duì)單位面積成穗數(shù)無顯著影響的情況下，通過增加玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量保證穩(wěn)產(chǎn).

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，與免耕地膜2 a利用和少耕覆膜相比，傳統(tǒng)覆膜在早期可獲得較高的干物質(zhì)積累量，但成熟期各處理NM(34 383.6 kg/hm2)、RM(34 936.5 kg/hm2)、CM(35 490.0 kg/hm2)差異不顯著.免耕地膜2 a利用處理維持生育后期較高群體生長率，以此得到與傳統(tǒng)覆膜處理相近的生物量，同時(shí)協(xié)調(diào)穗粒數(shù)與粒質(zhì)量彌補(bǔ)有效穗數(shù)減少，從而保證玉米籽粒產(chǎn)量穩(wěn)定，進(jìn)一步說明在西北綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)中免耕地膜2 a覆蓋是既可減少地膜、機(jī)械及勞動(dòng)力投入又可保證玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的可行措施.