秸稈覆蓋和水分控制條件對壟作溝灌夏玉米生長和產(chǎn)量的影響

傅渝亮，汪順生，李彥彬

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州450045）

0 引言

提高水分利用效率對發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，采取適宜的保護性農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，減少農(nóng)田水分的非生產(chǎn)性水分消耗，提高水分的生產(chǎn)效率，有利于生產(chǎn)力水平的提高[1,2]。壟作溝灌模式和秸稈覆蓋對節(jié)約灌溉用水和保持田間水分具有顯著作用，尤其是對大規(guī)模糧食作物的種植節(jié)水效果明顯[3,4]。由于壟作溝灌技術(shù)改變了田間土壤微地形，對田間水肥氣熱狀況具有較好的調(diào)節(jié)作用。另外，由于僅在壟溝內(nèi)進行灌溉，形成了有利于水分運移和入滲的良好路徑，具有節(jié)水、保肥以及增產(chǎn)等優(yōu)點。不僅減少了作物總灌水量，并且降低了灌溉用水的損耗，提高了灌溉水利用效率[5-7]。師學(xué)珍等[8]在西北地區(qū)進行了壟作溝灌水肥耦合試驗，結(jié)果表明壟作溝灌能顯著提高玉米穂粗、穗長和產(chǎn)量。王增麗等[9]研究了不同灌水量條件對壟作溝灌玉米水分利用效率和產(chǎn)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，灌水量越大，玉米的穗長、穗行數(shù)越大，灌水定額為500 m3/hm2時，水分利用效率和產(chǎn)量均達到最大值。張立勤等[10]研究發(fā)現(xiàn)，壟作溝灌覆膜比傳統(tǒng)模式種植玉米的WUE和產(chǎn)量分別提高了4.17%～34.16%及1.63%～40.44%。而大量研究已表明，農(nóng)田覆蓋措施有利于改善土壤結(jié)構(gòu)、保墑保肥且對作物生長具有良好的促進作用[11,12]，并在一定程度上能有效提高降雨利用率。黃彩霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)覆蓋條件對小麥和玉米的干物質(zhì)、產(chǎn)量及WUE均有顯著提高作用。張瑜等[14]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能有效提高土層中土壤含水率，并能促進作物增產(chǎn)。

大量壟作溝灌和秸稈覆蓋相結(jié)合的研究表明該技術(shù)節(jié)水效果顯著，在我國西北、華北等地區(qū)已獲得大面積推廣。但可以看到的是，不同水分控制下限條件下秸稈覆蓋量對壟作溝灌夏玉米的節(jié)水效果、產(chǎn)量和水分利用效率方面的研究較少，基于此，為進一步獲得不同覆蓋條件下更佳的節(jié)水灌溉量，本文通過設(shè)置不同秸稈覆蓋量、不同水分控制下限，探究壟作溝灌夏玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及WUE等方面的影響，以期為制定節(jié)水效果更為顯著的夏玉米灌溉制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年6月至2018年10月在華北水利水電大學(xué)農(nóng)水試驗場開展。該地土壤為粉沙壤土，土壤容重為1.35 g/cm3，田間持水量（Field Capacity，F(xiàn)C） 為24.58%。土壤全氮（Tottal N，TN）為0.055%，有機質(zhì)（Organic Matter，OM）為0.79%，速效磷（Olsen P，OP）和速效鉀（Avail K，AK）含量分別為12.4 mg/kg 和102.6 mg/kg。試驗設(shè)置為壟作溝灌大田試驗，試驗區(qū)域小區(qū)面積為20.0 m×1.1 m，溝斷面為梯形，壟面寬70 cm，壟高20 cm，溝深40 cm，溝底寬20 cm。夏玉米品種為“鄭單958”，種植方式為每壟雙排種植，玉米株距30 cm，行距50 cm。為避免區(qū)間水分相互滲漏對試驗造成干擾，小區(qū)間設(shè)置1.1 m 的保護行（壟）。試驗采用隨機區(qū)組排列，重復(fù)3 次，試驗過程中無遮雨措施。圖1 為壟作溝灌夏玉米種植示意圖。降雨數(shù)據(jù)由試驗場內(nèi)的自動氣象站獲取（見表1）。按照播種后天數(shù)將壟作溝灌夏玉米全生育期劃分為：播種-出苗期（0～8 d），出苗-拔節(jié)期（8～31 d），拔節(jié)-抽雄期（31～50 d），抽雄-灌漿期（50～63 d） 以及灌漿-成熟期（63～90 d）。

表1 試驗期間各月降雨量 mmTab.1 Rainfall from of each months during the experiment

1.2 試驗方案及試驗設(shè)計

本次試驗在夏玉米播種后10 d 測定各土壤水分梯度下不同秸稈覆蓋量的出苗率、株高和地上干物質(zhì)積累量。共設(shè)4種秸稈覆蓋量，即M0：覆蓋量為0（CK）、M1：覆蓋量為1 500 kg/hm2、M2：4 500 kg/hm2、M3：7 500 kg/hm2，夏玉米出苗后均勻覆蓋于壟上玉米行間。設(shè)4 種水分控制下限：分別為I1：55%FC、I2：60%FC、I3：70%FC和I4：80%FC。試驗計劃濕潤層為100 cm，以烘干法在每次灌水和雨后對土壤水分進行測定。當土壤重量含水率達到水分控制下限時進行灌水，灌水定額為45 mm。試驗共設(shè)置12 個處理，各試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。各處理生育期內(nèi)水分控制下限和覆蓋量見表2。

表2 各處理生育期內(nèi)水分控制下限和覆蓋量Tab.2 Different irrigation and fertilizing amount

1.3 測定項目及方法

1.3.1 作物棵間蒸發(fā)量和土壤含水率測定

作物棵間蒸發(fā)采用微型蒸發(fā)器測定，用換土稱重法測量，分別將內(nèi)徑為5 cm 和10 cm 的微型蒸發(fā)器放置于隴上和溝內(nèi)，在每天8∶00 取土并使用精度為0.01 g 的天秤稱重。土壤含水率測定采用TDR 測定，在壟、溝各取一個觀測點，試驗區(qū)每隔5 d 測定一次土壤含水率，灌水前后及降雨后加測，并利用下式計算夏玉米耗水量：

式中：ET為夏玉米全生育期耗水量，mm；I為夏玉米全生育期凈灌水量，mm；P為夏玉米全生育期內(nèi)有效降雨量，mm；ri為相應(yīng)第i層的土壤干容重，g/cm3；Hi為相應(yīng)第i層土壤厚度，cm；θi1、θi2為第i層土壤的含水率在時段初、末的值，%；G為地下水補給量，mm；D為深層滲漏量，mm。

由于試驗地點地下水位處于5 m 以下，因此不考慮地下水補給情況，即G=0；試驗單次灌水量均較小，不存在深層滲漏情況，故D=0。

1.3.2 作物生長和產(chǎn)量測定

各處理預(yù)先隨機標定10 株待測植株，每10 d 測定一次株高和葉面積等。株高用卷尺進行測量，測量標定的10 株玉米全部葉片的長、寬。在作物成熟時，對夏玉米干物質(zhì)、產(chǎn)量等進行測定。干物質(zhì)累積量的測定：將標定10 株待測植株，剪去地下部分，將各個分器官置于105 ℃下殺青30 min，75 ℃下烘至恒重，冷卻后稱重；測定生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量，各處理實行單打單收，測定實際產(chǎn)量。

1.3.3 水分利用效率（WUE）及降水利用效率（PUE）

WUE為夏玉米產(chǎn)量與耗水量的比值；PUE為夏玉米產(chǎn)量與降水量的比值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007 分析軟件處理試驗數(shù)據(jù)，同時采用SPSS 11.5 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，并對相關(guān)指標用DUNCAN法進行顯著性分析，顯著性水平為（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對壟作溝灌夏玉米株高的影響

圖2 為不同處理對壟作溝灌夏玉米株高的影響?？梢钥闯?，從55%FC～80%FC范圍內(nèi)，株高表現(xiàn)為先增大后降低并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在55%FC水分條件下，夏玉米生育初期，其株高變化并不隨秸稈覆蓋量的增加而出現(xiàn)顯著差異，當生育期超過60 d 時，覆蓋處理的夏玉米株高顯著高于CK。在達到60%FC水分條件下，秸稈覆蓋1 500 kg/hm2處理夏玉米株高與CK 差距逐漸減小，秸稈覆蓋4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2株高變化差距不顯著，但均顯著高于1 500 kg/hm2及CK處理。當水分控制為70%FC時，不同覆蓋處理間株高變化均出現(xiàn)一定差距，秸稈覆蓋處理株高生長均顯著高于CK，此時，秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時的株高最大。在80%FC水分條件下，各覆蓋處理對夏玉米株高的影響趨于一致，但均略高于CK。

2.2 不同處理對壟作溝灌夏玉米葉面積的影響

圖3 為各處理對壟作溝灌10 株夏玉米葉面積變化的影響?？梢钥吹剑谏谇?0 d，不同處理條件下夏玉米葉面積均呈現(xiàn)較為緩慢增加的趨勢，相同水分條件下，秸稈覆蓋能顯著增大葉面積。在生育期40～80 d 時，各處理對夏玉米葉面積影響顯著增大，這是由于該時期為夏玉米拔節(jié)期—抽雄期，夏玉米營養(yǎng)生長處于主要地位，而水分對葉片的生長促進效果顯著，因此各處理葉面積隨水分控制下限的增大而增大。80 d之后，各處理夏玉米葉面不在繼續(xù)增大且逐漸趨于穩(wěn)定或略有降低。水分為55%FC時，夏玉米葉面積隨秸稈覆蓋量的增大而增大，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2時平均值分別較CK 提高46.58%、58.31% 及61.32%，而水分控制下限60%FC～80%FC時，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2葉面積平均值分別較CK 提高 25.87%、 59.45%、 54.32%，23.23%、 52.15%、48.75%以及6.54%、31.65%、27.23%，當水分控制下限為80%FC，且以秸稈覆蓋量為4 500 kg/hm2時，夏玉米葉面積達到最大，對夏玉米葉面積的促進作用最為顯著，進一步提高葉片光合生產(chǎn)潛力。

2.3 不同處理對壟作溝灌夏玉米干物質(zhì)積累量的影響

干物質(zhì)積累量是影響夏玉米產(chǎn)量的重要因素，圖4為不同秸稈覆蓋量與水分耦合對10 株夏玉米干物質(zhì)積累量的影響?？梢钥闯?，在生育期70 d 之前，各處理夏玉米干物質(zhì)積累量增速顯著，而70 d 之后增速顯著降低并趨于緩和。在水分條件為55%FC時，各處理對夏玉米干物質(zhì)積累量影響差異不顯著，成熟期時均維持在每10株120 g左右，且均顯著低于其他水分處理；水分控制下限55%FC～60%FC、70%FC以及80%FC時，夏玉米平均干物質(zhì)累積量漲幅分別為1.88%、7.26%及19.65%。當水分達到較高水平時（70%FC和80%FC），不同秸稈覆蓋量處理之間夏玉米的干物質(zhì)積累量差異性逐漸縮小，特別是水分80%FC時秸稈覆蓋量為7 500 kg/km2僅比水分70%FC時秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時夏玉米干物質(zhì)積累量增加3.05%。60%FC水分處理條件下，在生育期70 d 之后，夏玉米干物質(zhì)積累量隨秸稈覆蓋量的增大而增大，但隨著水分控制下限的繼續(xù)增大，僅有秸稈覆蓋量4 500 kg/km2和7 500 kg/km2的干物質(zhì)積累量處在較高水平，分別達到182.55 g 和185.29 g，顯著高于秸稈覆蓋量1 500 kg/km2（153.91 g）和CK（147.88 g）。說明在一定水分下限范圍內(nèi)，秸稈覆蓋量越大，越有利于夏玉米干物質(zhì)積累量的提高。相同秸稈覆蓋量情況下，夏玉米干物質(zhì)積累量隨水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限條件下，秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時，夏玉米干物質(zhì)的積累量最大。

不同耦合處理對壟作溝灌夏玉米干物質(zhì)累積特征參數(shù)具有不同影響。由表3可知，相同水分控制下限條件下，最大干物質(zhì)累積速率、干物質(zhì)累積速率最大時間、干物質(zhì)累積速率最大時生長量以及平均干物質(zhì)累積速率均與秸稈覆蓋量成顯著的正相關(guān)關(guān)系，而相同秸稈覆蓋量條件下，干物質(zhì)累積速率最大時生長量隨水分控制下限的增加而增大，但最大干物質(zhì)累計速率和干物質(zhì)累積速率最大時間隨水分控制下限增大表現(xiàn)為先增大后降低變化，均于70%FC水分控制下限時達到最大。不同水分控制下限條件對最大干物質(zhì)累計速率影響不顯著（p＞0.05），對干物質(zhì)累積速率最大時生長量影響達到顯著水平（p＜0.05），而對干物質(zhì)累積速率最大時間和平均干物質(zhì)累積速率的影響影響達到極顯著水平（p＜0.01）。不同秸稈覆蓋量以及不同耦合處理對夏玉米干物質(zhì)累積特征參數(shù)的影響均具有統(tǒng)計學(xué)意義（p＜0.01）。

表3 不同耦合處理對夏玉米干物質(zhì)累積特征參數(shù)的影響Tab 3 Effect of different coupling treatments on summer maize dry matter accumulation characteristic parameters

2.4 不同耦合處理對壟作溝灌夏玉米耗水量的影響

通過表4可以看出，夏玉米各生育階段中耗水量大小關(guān)系依次為：灌漿-成熟期（95.77 mm）＞拔節(jié)-抽雄期（76.19 mm） ＞抽雄-灌漿期（62.53 mm） ＞出苗-拔節(jié)期（58.46 mm）＞播種-出苗期（24.29 mm），水分控制下限越高，各階段耗水量越高并達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期內(nèi)耗水量平均漲幅分別為5.06%、11.45%及23.48%。

表4 各處理夏玉米不同生育階段耗水量mmTab.4 Water consumption of different growth stages of summer maize

整體來看，水分處理和秸稈覆蓋處理對夏玉米全生育期內(nèi)的耗水量變化影響均達到極顯著水平（p＜0.01），但水分和秸稈覆蓋耦合處理對其變化影響不顯著（p＞0.05）。相同水分條件下，各生育期耗水量隨秸稈覆蓋量的增加表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢，并于秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，其平均值為313.91 mm；而相同秸稈覆蓋量情況下，各生育期耗水量隨水分控制下限的提高表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢，并于70%FC時達到最大，為333.43 mm。各生育期內(nèi)耗水量最大的時期為灌漿—成熟期，這主要是由于此階段是物質(zhì)積累的關(guān)鍵階段，需要大量水分以促進光合作用以及促進玉米籽粒形成，因此耗水量最大。

通過圖5可以看出，夏玉米耗水量模比系數(shù)在全生育期內(nèi)表現(xiàn)為先增加后降低再增大的趨勢，呈顯著的二次拋物線規(guī)律。相同水分控制下限條件下，同一生育時期的耗水量模比系數(shù)隨秸稈覆蓋量的增加而降低，播種—出苗期，不覆蓋秸稈夏玉米耗水量的模比系數(shù)最大為19.30%，相較于不覆蓋，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及1 500 kg/hm2模比系數(shù)減幅分別為13.38%、4.54%和4.14%。拔節(jié)—抽雄期秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時耗水量模比系數(shù)最大為24.51%，表現(xiàn)出最佳的保水能力，秸稈覆蓋量1 500 kg/hm2時模比系數(shù)最低為23.09%。抽雄—灌漿期夏玉米耗水量模比系數(shù)與秸稈覆蓋量呈正比降低，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時模比系數(shù)較1 500 kg/hm2提高5.45%；灌漿—成熟期夏玉米耗水量模比系數(shù)與秸稈覆蓋量呈反比上升，秸稈覆蓋量7 500 kg/hm2時模比系數(shù)較1 500 kg/hm2降低3.96%。

2.5 不同耦合處理對夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子主要包括玉米穗長、穗粗、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重以及籽粒產(chǎn)量等。根據(jù)表5可知，不同水分控制下限條件均會對夏玉米生長和產(chǎn)量影響因子產(chǎn)生一定影響，不同水分控制下限處理與夏玉米產(chǎn)量影響因子的關(guān)系均具有統(tǒng)計學(xué)意義（p＜0.01）。不同覆蓋量處理對夏玉米穗長、穗粗、穗行數(shù)影響不顯著（p＞0.05），而對穗粒數(shù)、百粒重以及籽粒產(chǎn)量影響極顯著（p＜0.01）。水分下限和秸稈覆蓋耦合處理對夏玉米穗長、穗行數(shù)和穗粒數(shù)影響不顯著平（p＞0.05），而對穗粗、百粒重以及籽粒產(chǎn)量的影響均達到極顯著水平（p＜0.01）。

表6 為不同水分和秸稈覆蓋量耦合處理對夏玉米產(chǎn)量、WUE以及PUE的影響。整體來看，水分處理、秸稈覆蓋處理及其耦合處理對夏玉米產(chǎn)量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），隨著水分控制下限的增大，WUE表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，而產(chǎn)量和PUE隨水分條件的增大而不斷增大，但增加幅度逐漸減小。由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米產(chǎn)量、WUE和PUE平均變化幅度分別為33.42%、10.60%、-2.54%，24.13%、1.50%、-7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。不同秸稈覆蓋處理對夏玉米產(chǎn)量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），相同水分條件下，夏玉米產(chǎn)量、WUE以及PUE均隨著秸稈覆蓋量的增大表現(xiàn)為先增大后降低趨勢，在秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，平均分別為6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。相同秸稈覆蓋量處理下，其產(chǎn)量、WUE和PUE隨水分控制下限的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，70%FC水分處理，產(chǎn)量、WUE和PUE均達到最大值，分別為6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。因此可以看到，水分控制下限為70%FC處理、秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時，夏玉米的產(chǎn)量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3） 和PUE（5.48 kg/m3）均最高。

3 討論與結(jié)論

水分處理和覆蓋處理對夏玉米生長發(fā)育均有顯著的促進作用。本研究表明，55%FC～80%FC范圍內(nèi)，株高表現(xiàn)為先增大后降低并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，同一水分控制處理下，秸稈覆蓋為4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2能顯著提高夏玉米株高，各覆蓋處理夏玉米株高均顯著高于CK。水分控制下限60%FC～80%FC時，秸稈覆蓋量為4 500 kg/km2的夏玉米葉面積達到最大，對夏玉米葉面積的促進作用最為顯著，這與趙引等[15]在覆膜和灌水量對玉米生長的影響中得到的結(jié)果一致。王平等[16]研究表明，隨灌水量的增加，夏玉米的干物質(zhì)積累量顯著提高，80%的土壤含水率有利于干物質(zhì)的積累。本研究發(fā)現(xiàn)，在一定水分下限范圍內(nèi)，秸稈覆蓋量越大，越有利于提高夏玉米干物質(zhì)積累量的提高，相同秸稈覆蓋量情況下，夏玉米干物質(zhì)積累量隨水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限條件下，秸稈覆蓋量為7 500 kg/hm2時，夏玉米干物質(zhì)的積累量最大。

申勝龍等[17]通過大田試驗，研究了不同秸稈覆蓋量對夏玉米耗水量、干物質(zhì)累積量的影響，結(jié)果表明，不同秸稈覆蓋量處理耗水量均大于CK，且覆蓋量越大，耗水量也越大，在干旱半干旱地區(qū)壟膜溝播條件下，7 500 kg/hm2為合理的秸稈覆蓋量。本研究表明，水分和秸稈覆蓋處理對夏玉米耗水量影響極顯著，全生育耗水量水分控制下限的增加而增大，各階段耗水量越高并達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期內(nèi)耗水量平均漲幅分別為5.06%、11.45%及23.48%。相同水分條件下，耗水量于秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，其平均值為313.91 mm；而相同秸稈覆蓋量情況下，并于70%FC時達到最大，為333.43 mm。鄭媛媛等[18]研究了不同灌水和不同覆蓋條件下玉米產(chǎn)量和水分利用的影響，結(jié)果表明土壤耗水量隨著灌溉水量的增加而減少，而覆蓋能降低土壤耗水量，這可能是由于試驗地區(qū)氣候條件和試驗條件不同所導(dǎo)致與本文研究結(jié)果并不完全一致。

本研究表明，水分、秸稈覆蓋以及其耦合處理對夏玉米產(chǎn)量、WUE和PUE的影響均達到極顯著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米產(chǎn)量、WUE和PUE平均變化幅度分別為33.42%、10.60%、 -2.54%，24.13%、 1.50%、 -7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。高天平等[19]研究了不同水分補給量對覆蓋條件下玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，田間持水量的75%～80%最有利于產(chǎn)量的提高。本研究中，相同秸稈覆蓋量處理下，夏玉米的產(chǎn)量、WUE和PUE均于70%FC水分處理時達到最大值，平均分別為6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。相同水分條件下，夏玉米產(chǎn)量、WUE以及PUE均在秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時達到最大，平均分別為6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。

綜合來看，水分控制下限為70%FC處理、秸稈覆蓋量4 500 kg/hm2時，夏玉米的產(chǎn)量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3）和PUE（5.48 kg/m3）均最高，而且單位玉米產(chǎn)量的耗水系數(shù)最小，顯著提升了經(jīng)濟效益，即I3M3 處理是本試驗中的最佳處理，對于提高西北、華北等地區(qū)的高產(chǎn)高效的壟作種植模式秸稈覆蓋措施與節(jié)水灌溉兩者的耦合應(yīng)用方案的制訂提供參考及技術(shù)支撐。