留膜留茬免耕栽培對甘肅中部旱作區玉米產量及水分利用效率的影響

張 健，馬明生，張建軍

（1.定西市農業科學研究院，甘肅定西743000；2.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，蘭州730070）

甘肅中部旱作區年降水量的多寡及時空分布直接影響小麥、玉米等糧食作物產量的豐欠，已成為區域農業生產面臨的最主要問題之一。優化各項農藝措施是促進旱地作物高效用水的直接手段。國內外學者就地膜覆蓋[1]、保護性耕作[2]等研究結果表明：地膜覆蓋是旱作區主要的節水農藝措施，與露地栽培相比，可減少水分蒸發50%[3]，農田土壤含水率提高8.0%～20.0%，產量增加30.0%以上[4]。免耕可通過減少土壤蒸發量來增加作物蒸騰耗水量，進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在甘肅中部旱作區大面積推廣應用，該技術是將舊膜循環再利用和免耕2者優點有機結合的新模式，并已廣泛應用于多種農作物栽培上。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投入，節本增效效果顯著[6-8]。同時，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發育變緩，但拔節后快速恢復生長能彌補生育前期所受影響，且能獲得與覆新膜相當的籽粒產量[10]。已有研究絕大多數針對該栽培模式下的產量變化，而對其土壤水分利用特征及如何優化協調實現高效利用水分，尤其是不同降雨年型留膜留茬免耕栽培技術的高效和穩產機理尚不明晰。因此，探討不同栽培方式的玉米水分利用特征及對產量的響應，可為甘肅中部旱作區抗旱減災栽培技術提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2017-2018年在甘肅省定西市團結鎮唐家堡村（35°35′ N，104°36′ E) 進 行，海 拔1 970 m，年平 均氣溫6.2 ℃，≥10 ℃的活動積溫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，為典型旱作雨養農業區。多年平均降雨量為415 mm，6-9月降水量占年降雨量的68%，降水相對變率為24%，400 mm 降水保證率為48%。試驗區土壤為黃綿土，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7.2%。

試驗區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，蒸發量154.4 mm）和吐絲期（8月中旬降雨量31.6 mm，蒸發量51.1 mm）干旱嚴重，屬季節性干旱平水年，2018年屬豐水年。

1.2 試驗設計

試驗為田間定位試驗，2016年進行全膜雙壟溝播種植玉米預備試驗，地膜為普通白色聚乙烯地膜，幅寬1.2 m，厚度0.01 mm。采用隨機區組設計，設2 個栽培模式，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）。小區面積5.5 m×5 m=27.5 m2，3 次重復。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2 a不耕翻土壤和不揭膜，直接穴播玉米。試驗期間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，及時用細土封住，防止跑墑。T1 處理為玉米收獲后進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（甘肅省敦煌種業股份有限公司生產），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年預備試驗T1、T2 處理氮肥和磷肥全部作基肥結合播前整地覆膜前施入，2017年和2018年氮肥100%作基肥，T1結合播前整地施入，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田。

1.3 測定項目及方法

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

（2）產量測定。收獲前，每小區選擇長勢均勻一致處作為采樣區，在此區域內按整行逐株取25 株測產，脫粒后用谷物水分測定儀（PM-8188-A，北京布拉德科技發展有限公司）測定籽粒含水量，然后換算成標準含水量（14%）下的公頃產量。另每小區取20 株調查株高、穗位高、穗粗、穗長、穗行數、行粒數，計算穗粒數，并測定百粒重（含水量14%）。

（3）葉面積測定。于玉米生長發育關鍵期，每處理每重復選擇生長一致的3 株玉米做調查對象，實測所有綠葉面積，計算出全田葉面積指數（LAI）。

1.4 計算公式

（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） 自動氣象站記錄儀獲取。

（2）水分利用效率WUE：

式中：Y 為含水量14%時玉米籽粒產量，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 結果與分析

2.1 不同栽培方式對旱地玉米產量、耗水量和水分利用效率的影響

不同栽培模式玉米產量在2 個降雨年型差異顯著[見圖1（a）]，表現為豐水年顯著高于季節性干旱平水年，產量成倍增加。栽培方式間2017年T2 產量較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土封住，降低了玉米抽雄吐絲期高溫干旱的增溫效應對玉米根系活力的影響，故出現玉米產量T2＞T1；2018年T2 產量較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，同時耕層土壤容重增加使玉米根系難以下扎，導致玉米根系對深層土壤養分水分利用率降低，玉米長勢不及當年翻耕覆膜而減產。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年產量和耗水量顯著增加的前提下，水分利用效率同樣表現為顯著增加，T2 較T1 增加了14.7%，而2018年T2、T1 處理在產量顯著增加，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）]。表明在季節性干旱平水年T2 處理能顯著提高玉米產量、耗水量和水分利用效率，而豐水年T2 處理提高產量和水分利用效率的效果顯著不及T1處理。

2.2 不同栽培方式對玉米花前花后耗水量的影響

栽培方式對玉米花前花后耗水量有明顯調節作用，并與降雨年型有關（見圖2）。2017年為季節性干旱平水年，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）能有效調節季節性干旱平水年玉米耗水進程，顯著增加花后耗水量，為玉米產量形成提供水分保障。

2.3 不同栽培方式對玉米葉面積指數的動態影響

葉面積指數一方面可反映作物生長發育狀況，另一方面可反映葉片對光能的利用情況。從圖3可以看出，隨著玉米發育進程的推進，不同生育階段玉米葉面積指數呈逐漸增加趨勢。栽培方式間從苗期到抽雄期，葉面積指數變化為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個生育時期葉面積指數差異顯著。而玉米進入灌漿期，葉面積指數變化為T2＞T1，增加了4.7%，差異不顯著。原因是2017年是季節性干旱平水年，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，水分蒸發損失變緩，進而實現調控土壤水分供應來應對季節性干旱對玉米生長發育的影響。

2.4 不同栽培方式對玉米農藝及產量性狀的影響

栽培方式對玉米產量構成及農藝性狀影響明顯，并與降雨年型密切相關（見表1）。2017年為季節性干旱平水年，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、穗粒數和百粒重較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、穗長較T1 處理分別減少了2.0%、1.8%，差異不顯著，穗粒數和百粒重顯著低于T1 處理，分別減少了7.3%和4.9%。可見，在本試驗條件下，季節性干旱平水年T1 不利于玉米生產，T2 有利于玉米生產；而在豐水年恰好相反，T1對玉米生長更有利。

表1 不同栽培模式玉米農藝及產量性狀的變化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濟效益分析

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值減少3 273.0元/hm2，降幅為18.8%。留膜留茬免耕雖然產量低，但其節省了地膜、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量高，但產量增加部分不能抵消生產成本投入增加的部分。因此，留膜留茬免耕節本增效和生態效應明顯。

3 討 論

關于免耕對作物的增產和減產效應均有較多報道。邱紅波等[11]認為，玉米免耕栽培較翻耕栽培倒伏率高、有效株數少，進而導致產量顯著低于翻耕栽培，而馮延江等[12]認為，免耕耕作較傳統耕作玉米產量有所增加。留膜留茬免耕栽培是將覆膜栽培、地膜重復再利用和農田免耕栽培技術優點的再次有機整合。留膜留茬免耕栽培對玉米產量影響的研究結論存在分歧，有研究認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0.9%[13]和34.1%[14]，但也有研究認為留膜留茬免耕栽培導致玉米減產11.4%[6]。本研究結果表明：留膜留茬免耕栽培的產量效應因降雨年型而異，豐水年產量高于季節性干旱平水年，而季節性干旱平水年留膜留茬免耕栽培更有利于提高玉米產量，較傳統雙壟溝播栽培產量顯著增加了16.3%，豐水年顯著降低了29.9%。進一步對留膜留茬免耕栽培產量增減的原因分析認為，季節性干旱平水年產量增加是產量構成中穗粒數和百粒重分別顯著提高了85.2%和7.0%，而豐水年減產的原因是穗粒數和百粒重分別顯著降低7.3%和4.9%。同時，豐水年留膜留茬免耕雖然產量低于全膜雙壟溝播栽培，但其節省地膜用量和部分勞力投入，純收益增加2.3%，節本增效和環境效應明顯。

對于西北半干旱區春玉米生產面臨的重要挑戰是如何通過科學的管理措施來提高土壤水分含量并高效利用。旱地季節性降雨多變且不能預測，但栽培技術能高效集雨并合理利用[15]。本研究發現：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，這種效果在季節性干旱平水年較豐水年表現尤為突出。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耕層土壤的擾動，保護了耕層土壤微孔隙和連續孔隙路徑[16]，提高了土壤穩定性滲透率和飽和導水率[13]，進而使土壤持水量增大。本研究還發現，留膜留茬免耕能有效調節季節性干旱平水年玉米耗水進程，顯著增加花后耗水量，提高葉面積指數，實現產量和水分利用效率的協同提高，豐水年不及季節性干旱平水年。

4 結 論

留膜留茬免耕栽培對玉米產量和耗水特征的影響與降雨年型密切相關。季節性干旱平水年能有效調節玉米生育期耗水進程，顯著增加花后和全生育期土壤耗水量，顯著提高了產量和水分利用效率，優化了產量構成，明顯提高了灌漿期葉面積指數。同時留膜留茬免耕栽培能節省地膜及部分勞動力投入，節本增效和環境效應明顯。因此，留膜留茬免耕栽培可作為甘肅中部旱作區抗旱減災栽培方式推廣應用。

表2 不同栽培模式經濟效益分析Tab.2 Analysis of economic benefit on different cultivation pattern