綠洲灌區玉米干物質積累與產量構成對地膜覆蓋方式的響應

何小七,殷文,茍志文,樊志龍,胡發龍,范虹,柴強

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

玉米作為糧食、經濟、飼料兼用的大宗作物之一[1]，其穩產高產技術是作物生產的永久課題[2].地膜覆蓋作為旱農地區玉米生產不可或缺的農藝措施，極大地促進了玉米增產增收[1-3]，但地膜的大量投入使其殘留日益嚴重[4]，加之不易回收，人工清減成本高，清理不徹底，導致農田系統地膜富集而帶來嚴重“白色污染”[3-4]，對農田作業、作物生產和生態環境造成嚴重影響[5].研發地膜減投及循環利用技術，是農業健康發展的重要課題.

玉米減量化覆膜技術已有大量研究，節約型覆膜技術如半膜雙壟溝播、膜側溝播、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減投效果最為明顯[9]，2 a一個周期的耕作覆膜，極大地減少地膜的投入和人工回收成本，對農田系統和生態環境更友好[8-9].傳統覆膜種植措施能明顯提升干物質積累[10-11]，并向穗部轉移，使“庫”容增加，籽粒產量提升[12-13].研究發現，干物質積累和產量構成因子間相互協調與籽粒形成緊密相關，是作物產量形成的基礎[11,14].也有研究發現，留膜留茬種植能提高玉米穗粒數和千粒質量，而使有效穗數降低[4]，全膜覆蓋、秸稈地膜雙覆蓋措施均可顯著增加千粒質量和穗粒數，從而實現增產[6-7].免耕地膜兩年用是地膜覆蓋再利用和免耕技術的有機整合，現有研究多針對該覆膜方式下節水增效和產量等表現，而關于玉米干物質積累特征及產量形成深入研究較少，因此進一步探討該區不同地膜利用技術的干物質積累進程及產量構成對今后產量形成研究具有重要的理論和實踐意義.

西北干旱內陸灌區是我國玉米優良主產區之一[14]，該區玉米種植廣泛采用覆膜種植，而地膜的長期大量投入導致作物生產環境和農田生態惡化[8].本研究設置不同地膜覆蓋方式，深入探討不同處理各時期玉米干物質積累變化及產量形成的機制，為實現該區玉米地膜減量化高效生產穩產提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017～2018年在甘肅農業大學武威黃羊鎮“綠洲農業科研教學基地”(N 37°30′，E 103°50′)進行.該區屬寒溫帶干旱氣候區，年平均氣溫7.3 ℃；≥10 ℃積溫約3 000 ℃；年日照時數達2 945 h，光熱資源豐富，是我國典型的玉米生產區.試區蒸發量大，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重[8].

1.2 試驗設計

本研究以2013年布設長期定位試驗為基礎，采用隨機區組設計，設3種地膜利用方式：傳統覆膜(CM)，即傳統耕作每年覆新膜；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個處理，每處理3次重復，小區面積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，拔節期、開花期和灌漿期各灌水750 m3/hm2.其他管理措施同當地玉米高產田一致.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 測定指標和方法

植株干物質：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每次取樣10株，抽穗后每小區取樣5株，先于105 ℃下殺青1～2 h，后于80 ℃下烘至恒質量，稱質量.

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取樣時植株干質量和測定時間.采用Logistic方程通過回歸分析擬合玉米地上干物質積累動態，并計算其最大群體生長率及最大生長率出現時間[15].

產量及產量構成因素：成熟期每個小區隨機取20株進行考種，測定穗粒數、千粒質量.在每個小區測產區域統計有效穗數，脫粒稱質量，用谷物水分儀測定含水量，然后換算成標準含水量(14%)下的單位面積產量，并結合生物產量核算收獲指數.

1.4 統計分析

采用Microsoft Excel 2019整理和匯總數據，SPSS 19.0進行統計分析(Duncan法在α=0.05水平下)和通徑分析.

2 結果與分析

2.1 地膜利用方式對玉米干物質積累的影響

2.1.1 玉米干物質積累動態 地膜利用方式對玉米全生育期干物質積累有顯著的調控效應(圖1).2017和2018年，縱觀玉米生育期，各處理前期干物質積累量差異較大，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)處理干物質積累量分別較傳統覆膜(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干物質積累量較CM分別低36.9%、15.6%，NM較RM低18.5%.說明傳統耕作每年覆新膜在早期可獲得較高的干物質積累量.玉米吐絲期至灌漿期(90～120 d)，NM和RM干物質積累量分別較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積累量，隨著生育期推進，各處理差異減小，干物質積累量受地膜利用方式影響逐漸減小.

圖中的數字表示不同處理的干物質積累方差分析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，增大干物質積累量.各處理在105 d左右生長速率達最大，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量奠定基礎.

圖中的數字表示不同處理的干物質積累方差分析P值.

2.1.3 不同覆膜方式下Logistic方程擬合玉米干物質 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天數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的天數，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 玉米產量及產量構成因素對地膜覆蓋方式的響應

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

表2 不同覆膜處理玉米產量及產量構成因素

2.3 不同地膜覆蓋方式下玉米產量變化

通過分析玉米產量構成因素與籽粒產量相關性和通徑系數來權衡各產量構成因素對籽粒產量的貢獻.玉米籽粒產量與千粒質量呈極顯著正相關性，與穗粒數呈顯著正相關性(表3)，說明千粒質量是影響籽粒產量的主要因素，穗粒數次之.直接通徑系數表明，產量構成要素對產量貢獻順序依次為千粒質量(0.612)、有效穗數(0.357)和穗粒數(0.120).對間接通徑系數分析表明，穗粒數與千粒質量相互作用影響玉米籽粒產量.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量維持較高的籽粒產量.

表3 各產量構成因素對籽粒產量的直接和間接效應

3 討論

3.1 地膜利用方式對玉米干物質積累的影響

較高的干物質積累是產量形成的基礎，玉米籽粒產量與干物質積累量呈正比關系[15-16]，干物質積累的多少影響產量高低水平[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積累量，但成熟期各處理間干物質積累量差異不顯著.主要原因是傳統覆膜和少耕覆膜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同調控耕層水熱條件[15,20]，所以早期傳統覆膜可獲得較高的干物質積累量.而在生育中后期高溫季節，免耕地膜2 a利用措施可減緩傳統覆膜造成玉米根區土壤高溫而導致根系及葉片早衰問題[3,7]，而積累較大的玉米干物質.

干物質近90%源于葉部光合作用，而光合作用對高溫極其敏感[3,20]，本研究發現，免耕地膜2 a用措施最大群體生長率較傳統覆膜高6.4%，各處理生長速率最大時(105 d左右)，免耕地膜2 a用較傳統覆膜處理高10.5%，這可能是由于吐絲期后(7月下旬至8月上旬)綠洲灌區正值夏季持續高溫天氣，而傳統覆膜易造成根區土壤溫度遠超出玉米正常生長閾值[15]，致其根系及葉片早衰[18]，影響光合作用有機物生產，而免耕地膜2 a利用措施減緩了傳統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積累量的變化.通過Logistic方程分析發現小麥秸稈還田方式對后茬玉米干物質積累影響極顯著[14]，也有研究通過水肥供應方面提出氮肥后移[13]、水肥耦合[21]等農藝措施優化干物質積累過程，改變干物質最大群體生長率及其出現天數，以此延長光合作用持續時間，使得作物生長后期“源”足[22]，利于高產穩產.本研究發現，免耕地膜2 a利用較傳統覆膜和少耕覆膜措施最大群體生長率出現天數延遲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，使光能捕獲與轉化能力變弱[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時間，在生育后期維持相對較高的群體生長率的時間，積累更多干物質量，保證作物產量穩定.

3.2 玉米產量及產量構成因素對地膜利用方式的響應

玉米覆膜種植能明顯提升“源-庫”轉化力[15,20]，并促進光合產物合理地向籽粒運轉而提高產量[21].本研究發現，2 a間傳統覆膜和免耕地膜2 a用生物產量籽粒產量差異均不顯著，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損失[14]，休耕期水分的不被蒸散[24]，使農田中留存更多水分用于作物生長[18]，生育后期當土壤溫度對光合產物積累無顯著相關性時[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量.

作物高產是產量構成因素間協調發展的結果[17]，研究表明，傳統覆膜種植能提高玉米穗粒數和千粒質量，而使有效穗數降低[25]，還有研究發現，全膜覆蓋和秸稈地膜雙覆蓋措施均可顯著增加千粒質量和穗粒數，從而實現增產[6-7].與本研究結果一致，即地膜2 a用處理和少耕覆膜有效穗數顯著低于傳統覆膜處理，穗粒數及千粒質量較傳統覆膜處理高，以此保證產量穩定.

3.3 不同地膜覆蓋方式下玉米產量形成差異

單位面積穗粒數、千粒質量及有效穗數是形成玉米產量的關鍵要素[3].有研究發現，增加玉米穗數、穩定穗粒質量，可使產量構成因子間相互協調來實現大幅增產[7,19].也有研究者發現，光合同化物向穗部轉移，使穗粒數、百粒質量(“庫”容)增加，提高玉米籽粒產量[18,20].本研究經相關分析發現與之略有不同，產量提高決定于千粒質量，而非單位面積穗數的增加，主要原因是傳統地膜在夏季較高的土壤溫度可致玉米行粒數、穗粒數減少，粒質量和產量下降[15-16].比較產量構成因素對籽粒產量貢獻率，發現直接通徑系數產量貢獻順序依次為千粒質量(0.612)>有效穗數(0.357)>穗粒數(0.120)，對間接通徑系數分析表明穗粒數與千粒質量相互作用影響玉米籽粒產量，說明免耕地膜2 a利用在對單位面積成穗數無顯著影響的情況下，通過增加玉米穗粒數和千粒質量保證穩產.

4 結論

本研究結果表明，與免耕地膜2 a利用和少耕覆膜相比，傳統覆膜在早期可獲得較高的干物質積累量，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，以此得到與傳統覆膜處理相近的生物量，同時協調穗粒數與粒質量彌補有效穗數減少，從而保證玉米籽粒產量穩定，進一步說明在西北綠洲灌區玉米生產中免耕地膜2 a覆蓋是既可減少地膜、機械及勞動力投入又可保證玉米穩產高產的可行措施.