綠洲灌區(qū)地膜利用方式與灌水量對玉米產量形成的協(xié)同效應

趙 財,蔡莉娟,柴 強,趙良霞,范 虹，殷 文，胡發(fā)龍，于愛忠，樊志龍

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤水熱因子是影響作物生長發(fā)育與產量形成的關鍵因子。土壤溫度通過對作物根系功能和光合作用等影響作物生長發(fā)育[1]，而土壤水分的變化與作物干物質積累及分配、產量形成等密切相關[2]。地膜覆蓋能夠改善土壤水熱條件，尤其是適量灌水條件下可顯著降低土壤水分的無效蒸發(fā)和熱量散失，提高作物產量[3-5]，但傳統(tǒng)地膜覆蓋方式在作物收獲后的翻耕及休閑期地表裸露，其間土壤水分無效蒸發(fā)；且長期地膜覆蓋造成土壤結構破壞、耕地質量下降、作物減產以及農事操作受阻、次生環(huán)境污染等一系列問題[6]。保護性耕作相對于傳統(tǒng)翻耕方式具有蓄水保墑、改善土壤物理性狀、提高作物水分利用效率等作用，在水資源匱乏的北方旱作農業(yè)區(qū)有重要應用價值[7]，然而部分研究發(fā)現(xiàn)，保護性耕作降低了作物生長早期表層土壤溫度，使出苗和生長發(fā)育延遲[8]。因此，將免耕、地膜覆蓋與灌溉制度集成在同一玉米栽培體系中，有望同步優(yōu)化農田土壤水熱環(huán)境，調控作物生長發(fā)育動態(tài)，提高作物生長水熱需求與農藝調控效應間的吻合度，建立適于資源性缺水區(qū)作物高效生產的農田管理技術。

西北綠洲灌區(qū)大面積種植地膜玉米，但資源性缺水嚴重和“非膜不植”的農業(yè)生產方式造成的農田殘膜污染已成為玉米規(guī)模化種植面臨的兩大難題，殘膜再利用的地膜減量化技術亟待開發(fā)。本研究主要針對該地區(qū)玉米生產過程中地膜污染和農田水分的無效損耗等突出問題，將不同地膜利用方式和灌溉制度集成應用于大田玉米栽培，重點探討不同供水條件下覆膜免耕對玉米干物質累積特性的影響，并分析地膜利用方式和水分管理對產量和產量構成因素的協(xié)同效應，以期為優(yōu)化綠洲灌區(qū)玉米高產、高效栽培技術提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

甘肅農業(yè)大學綠洲農業(yè)科研教學基地(103°5′E，37°30′N)位于河西走廊東端，為典型的大陸性荒漠氣候區(qū)，年均降水約150 mm，年蒸發(fā)量約 2 000～3 500 mm，資源性缺水嚴重。小麥、玉米為該區(qū)的主要糧食作物，玉米播種比例大于30%，生產以深翻耕的傳統(tǒng)耕作為主，灌溉量通常高于7 200 m3·hm-2，均采用地膜覆蓋。

1.2 試驗設計

參試玉米品種為“先玉335”,地膜厚0.008 mm，寬1.4 m。試驗為二因素三水平裂區(qū)設計，主區(qū)設覆膜免耕(NT：前茬玉米覆膜收獲后免耕，次年直接在舊膜上播種玉米)、秋免耕春覆膜(RT：前茬玉米收獲后免耕，次年播前揭去舊膜旋耕覆新膜播種玉米)及傳統(tǒng)耕作覆膜(CT:前茬玉米收獲后深翻耕，次年春天播前耙磨覆新膜)3種地膜應用方式，其玉米種植方式為全覆膜平作；副區(qū)為3個灌水水平，分別為低水(I1：全生育期灌水450 mm)、中水(I2：495 mm)、高水(I3：540 mm)，灌溉方式為畦灌，分別在苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期和灌漿期進行(表1)，前一年土壤封凍前冬儲灌120 mm。試驗共9個處理，每處理3次重復。播種密度9×104株·hm-2，行距40 cm，小區(qū)面積9.2 m×5 m。3 a播種時間分別為2014年4月20日、2015年4月17日、2016年4月20日，收獲時間分別為2014年10月1日、2015年9月27日、2016年9月19日。不同處理的總施氮水平一致，為300 kg·hm-2，基肥施總氮量的10%；追肥按照玉米生育時期進行，玉米拔節(jié)期(六葉期)第一次追肥，為總施氮量的20%；第二次大喇叭口期(十葉期)追肥，為總施氮量的50%；第三次于玉米開花后10 d追肥，施用對應剩余的氮肥量。磷肥按照N∶P為1∶0.75比例全部作為基肥施用。覆膜免耕處理的基肥使用鴨嘴式點播器直接將肥料施于膜下10 cm深的土壤中，追肥與傳統(tǒng)處理一致，為灌水前撒施。

表1 不同灌水處理的灌溉制度/mm

按照試驗設計，覆膜免耕處理和秋免耕春覆膜處理在2013年玉米收獲后免耕，休閑期保持地膜完整度在70%以上；傳統(tǒng)耕作處理在玉米收獲后回收殘膜并深翻耕。2014年春季，秋免耕春覆膜處理將舊膜揭去后進行旋耕并覆新膜，傳統(tǒng)覆膜處理進行旋耕耙磨后覆新膜。

1.3 測定指標及方法

干物重(kg·hm-2)：從玉米出苗后，每隔20 d測定玉米的地上部干物質重。苗期至小喇叭口期隨機各取10株，其后各生育時期各取5株。取回的植株在105℃烘箱內殺青30 min，再在85℃下烘干至恒重，測其干重。

群體生長率(kg·hm-2·d-1)：

CGR=(W2-W1)/(T2-T1)

式中，W2和W1分別為T2和T1時期的干物質積累量，T2、T1為測定時期。

產量及產量構成因素：每小區(qū)隨機取10株考種，測定穗粒數(shù)、千粒重，按小區(qū)收獲、計產并統(tǒng)計穗數(shù)，籽粒產量為保留14%籽粒含水量的重量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL 2007進行整理匯總，用SPSS 19.0進行顯著性檢驗及通徑分析。

2 結果與分析

2.1 地膜利用方式和灌水水平對玉米干物質積累的影響

2.1.1 不同處理干物質積累動態(tài) 圖1是2014—2016年不同地膜利用方式及灌水處理玉米地上部干物質量在生育期的積累動態(tài)。由圖1可見，在吐絲期(8月3日)以前NT處理降低了玉米干物質積累速率，尤其是玉米拔節(jié)期(6月7日)到吐絲期，NT處理干物質積累量較RT與CT 3 a平均值分別降低21.3%和32.4%；而吐絲期后NT處理的干物質積累速率顯著增加，較RT與CT分別提高5.3%和7.4%。隨灌水水平提高，玉米全生育期干物質積累量逐漸增大，與I1相比，I2和I3處理干物質積累量分別提高了12.6%和16.6%，但I2和I3處理間差異不顯著。說明覆膜免耕對玉米干物質累積的不利影響主要在前期，而吐絲期后利于干物質積累，且結合充足灌水能顯著增加干物質積累量。

注：圖中的數(shù)字表示不同處理的干物質積累方差分析P值，NS表示不同處理干物質積累量在此生育時期無顯著差異(P>0.05)。Note: The figures indicate the significant values of dry matter accumulation under different treatment at different growth period, NS indicates no-significant at P>0.05.

2.1.2 群體生長率 分析不同覆膜方式和灌水量的群體生長率(表2)得出，在玉米拔節(jié)期前(6月7日)群體生長率在各處理間無顯著差異，且處理間的互作效應不顯著；但玉米拔節(jié)期到吐絲期(6月7日至8月2日)，NT處理顯著降低了玉米群體生長率，較RT和CT平均降低31.7%和45.9%；灌水水平間相比，I2和I3處理的群體生長率顯著高于I1，較之分別提高16.9%和17.3%。覆膜方式與灌水量有顯著的互作效應，NT中、高灌水處理群體生長率較RT和CT處理分別降低29.9%、25.4%和33.0%、33.3%。玉米吐絲期后，NT處理的群體生長率顯著提高，NT處理的群體生長率3 a平均較RT和CT分別高19.8%和32.6%；隨灌水水平提高，群體生長率顯著增大，NT處理群體生長率較RT與CT在低、中、高灌水水平下分別提高11.1%、11.5%、12.9%和16.1%、16.7 %、23.4%，且覆膜方式與灌水水平互作效應顯著。說明覆膜免耕降低了玉米生育前期群體生長率，但提高了其生育后期的群體生長率，進而使干物質形成補償積累，且中、高灌水水平可提高全生育期群體生長率。

表2 不同地膜利用方式與灌水處理玉米的群體生長率/(kg·hm-2·d-1)

2.2 不同處理對玉米產量的影響

地膜利用方式、灌溉水平對玉米籽粒產量均有顯著影響，且二者交互作用顯著。2016年玉米生育期降雨量僅110 mm，且在灌漿期受干熱風影響，籽粒產量低于2014和2015年，但地膜利用方式和灌水水平對籽粒產量的影響無年際差異(圖2)。耕作處理間，NT處理籽粒產量較RT與CT分別提高8.7%與5.4%；灌水水平間，I2和I3處理籽粒產量較I1分別提高23.3%與18.9%，但I2和I3間差異不顯著。地膜利用方式與灌水水平組合以NTI2、NTI3處理籽粒產量最高，3 a平均達14 566 kg·hm-2和14 957 kg·hm-2，較NTI1分別增產16.9%和20.0%，與CTI3差異不顯著。相同灌水水平下，NTI2較CTI2處理平均提高8.96%，NTI1較CTI1處理平均提高11.91%。說明中、高灌水條件下覆膜免耕與傳統(tǒng)覆膜作用相當，但水分虧缺時，覆膜免耕可緩解干旱脅迫對作物產量形成的影響，提高玉米產量。

注：不同字母表示同一年內不同處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different letters indicate the significant difference under different treatments within one year(P<0.05).

2.3 不同處理玉米的產量構成因素

地膜利用方式對單位面積穗數(shù)、百粒重影響顯著，對穗粒數(shù)影響不顯著；灌水水平對產量構成三因素均有顯著影響，覆膜方式、灌水水平的交互作用對百粒重影響顯著(表3)。NT處理在各灌水水平下單位面積穗數(shù)均高于其他處理，較RT和CT分別高5.8%和13.4%。I2和I3處理單位面積穗數(shù)較I1分別高13.6%和21.1%。綜合覆膜方式與灌水水平，以NTI2、NTI3處理玉米單位面積穗數(shù)最多，較CTI3分別增加了16.9%和6.6%，NTI2較NTI3玉米單位面積穗數(shù)增多9.7%。NT、RT、CT三種覆膜方式下，I2和I3處理百粒重3 a平均較I1分別增重17.9%和18.8%，I2和I3之間差異不顯著。覆膜免耕結合中、高灌水較傳統(tǒng)耕作覆膜顯著提高了玉米百粒重，NTI2較CTI2百粒重提高5.3%，NTI3較CTI3提高8.4%。結果表明，覆膜免耕較傳統(tǒng)耕作覆膜處理可提高單位面積穗數(shù)和百粒重，在高灌水水平下獲得最高單位面積穗數(shù)和百粒重，但中灌水與高灌水差異不顯著，說明在覆膜免耕方式下，可實現(xiàn)灌水減量，并獲得較多穗數(shù)與較大粒重。

表3 不同地膜利用方式與灌水處理下玉米的產量及產量構成因素

2.4 產量構成因素與產量的通徑分析

2014—2016年不同地膜利用方式在不同灌水水平條件下玉米的籽粒產量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重的相關分析和通徑分析結果表明，玉米籽粒產量與穗數(shù)、百粒重呈極顯著正相關，與穗粒數(shù)有正相關但相關性不顯著(表4)。通過籽粒產量與上述指標的直接通徑系數(shù)可以看出，3個試驗年度，不同地膜利用方式及灌水水平對玉米籽粒產量構成因素的影響為穗數(shù)>穗粒數(shù)>百粒重；通過籽粒產量與上述產量構成因素的間接通徑系數(shù)可知，穗數(shù)通過百粒重對籽粒產量的貢獻率最大，百粒重通過穗數(shù)對籽粒產量的間接貢獻最大。由此說明，在覆膜免耕種植方式及適宜灌水量條件下，較多的雙穗數(shù)才能保證單位面積玉米高產，百粒重的增大是提高籽粒產量的主要途徑。

表4 不同處理玉米籽粒產量與產量因素的相關系數(shù)和通徑系數(shù)

3 討 論

3.1 玉米干物質積累對不同地膜利用方式及灌水水平的響應

在春玉米整個生育期，籽粒產量大部分來自后期的干物質積累，前期貯存于葉片和莖桿中的光合產物所占比例較小[9]。因此，促進前期莖、葉生長的同時，加強后期玉米生長至關重要。研究表明，改良耕作方式[10]、灌溉制度[11]等農藝措施，可以優(yōu)化干物質的合成及積累。本研究中，覆膜免耕玉米拔節(jié)期至吐絲期玉米群體生長率和干物質積累量顯著低于傳統(tǒng)耕作覆膜處理，而吐絲期到成熟期的玉米群體生長率顯著高于傳統(tǒng)耕作。覆膜免耕玉米前期群體生長率和干物質積累量降低主要因為覆膜免耕處理在玉米播種到拔節(jié)期的增溫效果顯著低于傳統(tǒng)耕作覆膜，農田0～25 cm土壤平均溫度較傳統(tǒng)耕作覆膜處理低13.35%，而對玉米生育后期的土壤溫度無顯著影響[12]。有研究表明，玉米生育期傳統(tǒng)耕作覆膜由于根區(qū)土壤溫度高，導致根系早衰[13]，對玉米生長產生不利影響；而免耕覆蓋土壤溫度低，土壤水分和有機質含量較高[14]，表現(xiàn)出較大的生長優(yōu)勢。張明君等[15]的研究也表明，免耕方式下玉米拔節(jié)期前的耗水和干物質積累較低，而拔節(jié)期后玉米的耗水量和干物質積累量顯著增加，最終獲得較高產量，這與本研究中覆膜免耕的干物質積累特征相一致。

3.2 產量和產量構成因素對地膜利用方式和灌水水平的響應

作物產量形成與作物生理特征和外界環(huán)境密切相關，地膜覆蓋方式[16]、水分脅迫[17]、施氮制度[18]等農藝措施通過影響作物本身及土壤水、熱狀況而影響產量及產量構成因素，免耕條件下可顯著改善土壤酶和土壤微生物活性，提高土壤的保水能力和水分利用效率[7]。本研究中，地膜利用方式與灌水水平間的互作效應顯著，覆膜免耕低灌水水平下較傳統(tǒng)耕作覆膜獲得較高的籽粒產量。分析發(fā)現(xiàn)，一方面因為覆膜免耕農田較傳統(tǒng)耕作覆膜在休閑期儲存了更多的冬季灌水和冬季雪水[19]，且覆膜免耕處理在作物生育期的棵間蒸發(fā)和傳統(tǒng)覆膜相當[20]，為虧缺灌水農田提供了良好的水分基礎；另一方面，覆膜免耕可顯著改善農田土壤理化性質，提高耕層土壤有機碳含量[21]；此外，本研究證明雖然生育前期覆膜免耕降低了土壤溫度導致干物質積累降低，但生育后期的生長補償效應使覆膜免耕玉米獲得和傳統(tǒng)耕作覆膜相同的生物產量。可見，覆膜免耕較好的水分條件和土壤理化性質以及作物后期的補償生長效應可促進玉米獲得較高籽粒產量。穗數(shù)、穗粒數(shù)、百粒重是構成玉米籽粒產量的三大重要因素，三者之間的協(xié)調發(fā)展是實現(xiàn)高產的基礎。本研究表明地膜利用方式對玉米產量構成因素無顯著影響，而在灌水水平間存在顯著差異，于愛忠等[16]研究表明，覆蓋條件下隨灌水量的增加產量構成因素增大，與本研究結果一致。覆膜免耕在中、高灌水處理下較傳統(tǒng)耕作覆膜提高了單位面積穗數(shù)、百粒重，并且其平均土壤含水量較傳統(tǒng)覆膜高。通徑分析結果進一步說明，單位面積穗數(shù)、百粒重是影響籽粒產量的原因，因此保持產量構成因素間協(xié)調的同時提高土壤含水量是覆膜免耕玉米實現(xiàn)高產的基礎。因此，在干旱灌區(qū)地膜玉米大量種植的區(qū)域，采用免耕地膜利用方式配以中灌溉水平的灌溉制度，能夠較好地協(xié)調產量構成，獲得較高的籽粒產量，達到節(jié)本、增效的目的，且可有效降低虧缺灌水對作物籽粒產量造成的損失。

4 結 論

覆膜免耕玉米在吐絲期之前的群體生長率和干物質積累量較傳統(tǒng)耕作覆膜處理降低了45.9%和32.4%，但吐絲期之后群體生長率顯著高于傳統(tǒng)耕作覆膜，表現(xiàn)出較強的生長補償效應，至成熟期獲得與傳統(tǒng)耕作覆膜處理相當?shù)母晌镔|積累量。不同灌水水平下覆膜免耕較傳統(tǒng)耕作覆膜處理顯著提高了單位面積穗數(shù)和百粒重，平均提高13.4%和6.6%，并由此使產量提高5.4%。說明覆膜免耕處理生育后期的補償生長可提高單位面積穗數(shù)和粒重進而獲取高產，在減量灌水水平下可減緩干旱脅迫，具有提高作物水分利用效率的潛力，是干旱缺水地區(qū)理想的玉米栽培技術。