河套灌區玉米不同種植密度對田間耗水及產值的影響

白杜娟 鄒超煜 白崗栓 池利剛 張 俊 邊利軍

(1.楊凌農業高科技發展股份有限公司,陜西 楊凌 712100; 2.吉安市濕地保護中心,江西 吉安 343000; 3. 西北農林科技大學 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 4.內蒙古河套灌區水利發展中心 烏蘭布和分中心,內蒙古 磴口 015200)

玉米(Zeamays)是世界也是中國的第一大糧食作物[1]。玉米耐旱耐鹽堿,具有良好的環境適應性,是內蒙古河套灌區的主要農作物[2]。河套灌區光熱資源豐富,擁有便利的灌溉資源,是亞洲最大的“一首制”自流灌區[3-4]。河套灌區玉米種植密度多在60 000～70 000株/hm2,產量徘徊在12 000 kg/hm2左右[5-7],如何合理利用灌溉水資源,提高單位面積產量及產值,是河套灌區亟需解決的問題。增加種植密度是提高玉米產量的簡便方法[8]。增加種植密度不但能夠有效提高玉米葉面積指數,減少棵間土壤水分蒸發,提高土壤水分及養分利用效率[9-13],而且能夠有效提高玉米群體光能截獲量,提高光合生物量[1,14];同時能夠有效提高玉米有效穗數并提高籽粒產量[15-18],但增加種植密度的前提是群體的增產作用必須大于個體的減產作用[19-21],必須選用耐密性好的品種[22-23],才能緩解植株對光、熱、水、肥等資源的爭奪,提高玉米籽粒產量[24-28]。‘陜單609’是一個耐密植、適應性廣、耐粗放管理且產量高的玉米品種[29],在陜西省各地已大面積種植[14,30],但有關‘陜單609’在河套灌區密植栽培方面的研究鮮有報道。本研究在河套灌區以‘陜單609’為試驗材料,在當地常規種植密度的基礎上,將種植密度分別提高25.0%、50.0%和75.0%,監測不同種植密度對土壤耗水和玉米產量及產值的影響,以期為河套地區玉米密植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗地位于內蒙古河套灌區磴口縣壩楞村(40°24′32″ N,107°02′19″ E,海拔1 048.7 m),年均降水量144.5 mm,蒸發量2 397.6 mm,風速4.52 m/s,氣溫7.6 ℃,日照時數3 209.5 h,無霜期178 d,為中溫帶大陸性季風氣候。試驗地土壤為灌於土,耕層土壤有機質質量分數為10.43 g/kg,堿解氮176.98 mg/kg,速效磷15.64 mg/kg,速效鉀158.98 mg/kg,含鹽量0.97 g/kg,主要為氯化物-硫酸鹽,pH 8.8,地下水位在150 cm以下。耕層土壤田間持水率23.25%,凋萎系數7.46%,總孔隙度45.12%;0—100 cm土層土壤體積質量基本一致,平均為1.50 g/cm3。灌溉水為黃河過境水,礦化度0.32 g/L,pH 8.1。試驗地寬45.0 m,長60.0 m。

供試玉米品種為‘陜單609’,由西北農林科技大學選育(國審玉2016001)并提供。試驗地膜為高壓聚乙烯白色膜,寬70 cm,厚度8 μm(磴口縣大眾塑料廠生產)。

1.2 試驗設計

試驗是在2019和2020年試驗的基礎上,于2021年監測提高玉米種植密度對灌水量、田間耗水量、玉米產量及產值等的影響。

供試玉米4月25日采用寬窄行種植,地膜覆蓋,其中寬行80 cm,窄行30 cm(地膜帶內)。試驗小區長55.0 m,寬3.3 m,每個小區有3條地膜帶,每條地膜帶種植2行玉米。小區與小區之間用土埂隔檔,土埂底寬40 cm,高35 cm,以防灌溉水亂串。試驗以當地常規種植密度6.0×104株/hm2(株距30.0 cm)為對照(CK),種植密度分別提高至7.5×104株/hm2(D1,株距24.0 cm),9.0×104株/hm2(D2,株距20.0 cm)和10.5×104株/hm2(D3,株距17.0 cm),即種植密度分別提高25.0%、50.0%和75.0%。試驗重復3次,不同小區隨機排列。

試驗采用人工播種,每穴播種2粒,三葉期時間苗、定苗,每穴留1株。播種前施硝酸鉀150.0 kg/hm2,磷酸二銨375.0 kg/hm2,拔節期隨灌溉(6月20日)追施尿素75.0 kg/hm2,大喇叭口期隨灌溉(7月15日)追施尿素 225.0 kg/hm2。

玉米生長期共灌溉4次,分別在拔節期(6月20日)、大喇叭口期(7月15日)、抽雄吐絲期(7月30日)和灌漿期(8月25日),畦灌。供試玉米9月25日成熟并收獲。

1.3 監測項目

1.3.1土壤水分

玉米播種前、拔節期、喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期灌溉前及收獲前,以10 cm土層為一層,蛇形在每個小區選取5個采樣點,在地膜帶的中部,用土鉆分層采集0—100 cm土層土壤,烘干法(105 ℃連續烘烤24 h)測定土壤含水率,根據土壤含水率、土層厚度和土壤體積質量換算成土壤貯水量,mm[31]。

土壤含水率=(濕土質量-烘干土質量)/ 烘干土質量×100%

(1)

土壤貯水量=土壤含水率× 土壤體積質量×土層厚度×10

(2)

1.3.2灌水量

拔節期、喇叭口期、抽雄吐絲期和灌漿期用出水量為320 m3/h的津奧特ATSXOK300-100/2-140雙吸式潛水泵從小區地頭水渠中抽水灌溉。灌水量以田間灌溉水流鋒面到達小區尾部地埂時為標準,當田間灌溉水流鋒面到達小區尾部地埂時及時關泵停水,根據抽水時間計算灌水量[32]。

(3)

1.3.3降水量

試驗地旁空地處設有雨量筒,監測每次的降水量,并記錄降水日期。

1.3.4田間耗水量和日均耗水量

試驗地平整,土壤質地均一,地下水位較深,水分滲漏、地下水補給和水分的水平運動可忽略不計,田間耗水量應為灌水量、降水量與生長期前后土壤貯水量的差值之和。日均耗水量為田間耗水量與其持續時間的比值。

田間耗水量=灌水量+降水量+ 生長期前后土壤貯水量的差值

(4)

日均耗水量=田間耗水量/持續時間

(5)

1.3.5玉米生長狀況

玉米收獲期每個小區隨機抽查200株玉米,調查雙穗率(主莖第二果穗籽粒數≥20粒的株數占調查株數的百分比)、空稈率(不結果穗或果穗籽粒數<20粒的植株占調查株數的百分比)和倒伏率(包含根倒伏、莖倒伏和莖倒折三者占調查株數的百分比);每個小區隨機選擇15株長勢均勻、無病蟲害的玉米植株,從地表處剪取整個植株,常規方法測定農藝狀況和生產性狀。農藝狀況包含株高(地表到植株頂端)、莖粗(地上部第3節中部扁平處)、穗位(地表到最上果穗柄著生節點的高度)、秸稈生物量(葉片、莖稈、苞葉、穗軸等,不含籽粒。測定方法為每個小區選擇5株,在105 ℃左右殺青30 min后,經80 ℃烘干至質量恒定后稱重并折算為單位面積秸稈生物量,kg/hm2)。生產性狀是將果穗從植株剝離后,自然晾曬至籽粒含水量為安全含水量(14%)后進行室內考種,常規方法測定其穗長、穗行數、行粒數、禿尖長、千粒重等,并根據種植密度計算出單位面積籽粒產量,kg/hm2。根據單位面積籽粒產量和秸稈生物量計算其經濟系數。取樣后的小區則用雷沃谷神RG40(4LZ-4G1)型履帶式谷物聯合收割機進行收獲,并用星暉352秸稈粉碎打捆機撿拾秸稈并打捆。

經濟系數=籽粒產量/(籽粒產量+秸稈生物量)

(6)

1.3.6生產成本

試驗過程中需要的玉米種子、地膜、化肥及除草劑均以當地市場的銷售價格計,其中硝酸鉀6.2元/kg,磷酸二銨3.6元/kg,尿素2.8元/kg,種子30.0元/kg,地膜20.0元/kg,整地、覆膜、播種、定苗、灌溉和收獲等人工費為每人150.0元/d或根據單位面積計,整地、收獲及秸稈打捆等的農機費用均以當地標準支出。灌溉水費以當地灌溉收費標準每年1 800.0元/hm2計。

總投入=種子+化肥及除草劑+地膜+ 灌溉用水+農業機械+勞動力

(7)

1.3.7經濟產值

河套灌區養殖業發達,玉米秸稈可成為飼料進行銷售,2021年當地自然風干的秸稈打捆后價格為0.3元/kg,玉米籽粒價格2.6元/kg。

秸稈經濟產值=秸稈生物量×秸稈價格

(8)

籽粒經濟產值=籽粒產量×籽粒價格

(9)

總產值=秸稈經濟產值+籽粒經濟產值

(10)

凈產值=總產值-總投入

(11)

1.3.8水分利用效率和水分生產率

水分利用效率=(秸稈生物量+籽粒產量)/ 田間耗水量

(12)

水分生產率=籽粒產量/田間耗水量

(13)

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2010制作圖表并經SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析,若差異顯著后則用Duncan’s多重比較進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤水分

由圖1可知,播種前不同處理0—100 cm土層土壤貯水量較高,為366.14 mm,抽雄吐絲期則降低到整個生長期的最低值,平均為239.70 mm,見圖1(d)和表1。

播種至拔節期降水較多,拔節期不同處理0—40 cm土層土壤貯水量差異較大(圖1(b)),其中D1顯著低于CK(P<0.05),D2和D3極顯著低于CK(P<0.01)且顯著低于D1(P<0.05),但0—100 cm土層不同處理之間無顯著差異(表1)。

大喇叭口期不同處理0—70 cm土層土壤貯水量差異較大(圖1(c)),其中D1顯著低于CK(P<0.05),D2和D3極顯著低于CK(P<0.01),D3顯著低于D1(P<0.05),D2與D1、D3無顯著差異;0—100 cm土層土壤貯水量表現為D2和D3顯著低于CK(P<0.05),且D3顯著低于D1(P<0.05),見表1。

抽雄吐絲期不同處理0—80 cm土層土壤貯水量差異較大(圖1(d)),其中D1顯著低于CK(P<0.05),D2和D3極顯著低于CK(P<0.01),且D3極顯著低于D1(P<0.01),顯著低于D2(P<0.05),D2顯著低于D1(P<0.01);不同處理0—100 cm土層土壤貯水量與0—80 cm土層的差異一致(表1)。

灌漿期不同處理0—50 cm土層土壤貯水量差異較大(圖1(e)),其中D1、D2和D3均極顯著低于CK(P<0.01),D3顯著低于D1和D2(P<0.05);0—100 cm土層土壤貯水量表現為D2和D3顯著低于CK(P<0.05),與D1處于同一水平,無顯著差異(表1)。

成熟期不同處理0—70 cm土層土壤貯水量差異較大(圖1(f)),其中D2和D3均顯著低于CK(P<0.05),均與D1無顯著差異;0—100 cm土層土壤貯水量僅D3顯著低于CK(P<0.05),其他處理之間無顯著差異(表1)。

2.2 降水量及灌水量

由表2可知,2021年玉米全生育期降水85.9 mm,主要集中在播種至拔節期和灌漿期至成熟期,而大喇叭口期至抽雄吐絲期則無降水。灌水量以大喇叭口期至抽雄吐絲期(第2次灌溉)和抽雄吐絲期至灌漿期(第3次灌溉)較多,而灌漿期至成熟期較少。

不同處理的灌水量均隨種植密度的增加而增加,其中D1在整個生育期與CK均無顯著差異。D2不同時期均顯著高于CK(P<0.05),拔節期至大喇叭口期、大喇叭口期至抽雄吐絲期和灌漿期至成熟期與D1無顯著差異,抽雄吐絲期至灌漿期和整個生育期則極顯著(P<0.01)和顯著高于D1(P<0.05)。D3除灌漿期至成熟期顯著高于CK(P<0.05)外,其他時期及整個生育期均極顯著高于CK(P<0.01);除抽雄吐絲期至灌漿期極顯著高于D1(P<0.01)外,整個生育期均顯著高于D1(P<0.05);D3在整個生育期均與D2無顯著差異。D1、D2和D3整個生育期的灌水量分別較CK提高了3.81%、9.72%和13.90%,其中D1與CK無顯著差異,D2顯著高于CK(P<0.05),D3極顯著高于CK(P<0.01)(表2)。

2.3 田間耗水量及日均耗水量

由表3可知,不同處理的田間耗水量和日均耗水量均隨種植密度的增加而增加,其中大喇叭口期至抽雄吐絲期最高,拔節期至大喇叭口期和大喇叭口期至抽雄吐絲期不同處理之間的差異均較大。播種至拔節期持續56 d,D1和D2的田間耗水量和日均耗水量均顯著高于CK(P<0.05),D3極顯著高于CK(P<0.01)且顯著高于D1(P<0.05)。拔節期至大喇叭口期持續25 d,D1、D2和D3均極顯著高于CK(P<0.01),D2顯著高于D1(P<0.05),D3極顯著高于D1(P<0.01)且顯著高于D2(P<0.05)。大喇叭口期至抽雄吐絲期持續15 d,D1與CK處于同一水平,D2和D3均極顯著高于CK(P<0.01),D2顯著高于D1(P<0.05),D3極顯著高于D1(P<0.01)。抽雄吐絲期至灌漿期持續26 d,此期陰雨天氣較多,不同處理的田間耗水量和日均耗水量無顯著差異。灌漿期至成熟期持續31 d,D3均顯著高于CK和D1(P<0.05),其他處理之間無顯著差異。玉米整個生長期持續153 d,D1的田間耗水量和日均耗水量較CK分別提高了5.23%和5.19%,均顯著高于CK(P<0.05);D2和D3田間耗水量分別較CK提高了10.71%和15.42%,日均耗水量分別提高了10.71%和15.26%,均極顯著高于CK(P<0.01)且顯著高于D1(P<0.05)。

2.4 玉米生長狀況

由表4可知,不同處理的株高和穗位均隨種植密度的增加而增加,但不同處理的株高無顯著差異,D2和D3的穗位均顯著高于CK(P<0.05)且D3的穗位顯著高于D1(P<0.05);不同處理的莖粗均隨種植密度的增加而降低,D1和D2均顯著低于CK(P<0.05),D3極顯著低于CK(P<0.01)且顯著低于D1(P<0.05);不同處理的雙穗率均隨種植密度的增加而降低,空稈率和倒伏率則增加,相互之間均存在極顯著差異(P<0.01);D1、D2和D3的秸稈生物量分別較對照提高21.97%、41.34%和39.40%,其中D2和D3均極顯著高于D1(P<0.01),D1極顯著高于CK(P<0.01)。

由表5可知,不同處理的穗長、穗行數和行粒數均隨種植密度的增加而降低,D2和D3的穗長和穗行數均顯著低于CK(P<0.05),D3的穗長顯著低于D1(P<0.05),D1和D2的行粒數均顯著低于CK(P<0.05),D3的行粒數極顯著低于CK、D1和D2(P<0.01);不同處理的禿尖長均隨種植密度的增加而增加,之間存在極顯著差異(P<0.01);不同處理的千粒重均隨種植密度的增加而降低,其中D2顯著低于CK和D1(P<0.05),D3極顯著低于CK和D1(P<0.01)且顯著低于D2(P<0.05);D1、D2和D3的籽粒產量分別較CK提高12.54%、18.47%和-0.86%,D1和D2均極顯著高于D3和CK(P<0.01),且D2顯著高于D1(P<0.05);不同處理的經濟系數均隨種植密度的增加而降低,其中D2顯著低于CK(P<0.05),D3極顯著低于CK和D1(P<0.01)且顯著低于D2(P<0.05);D1、D2和D3的水分生產率分別較CK提高6.93%、7.01%和-14.11%,D2和D1顯著高于CK(P<0.05),且D2、D1和CK均極顯著高于D3(P<0.01);D1、D2和D3的水分利用效率分別較CK提高11.00%、16.39%和1.74%,D2均極顯著高于D3和CK(P<0.01),D1均顯著高于D3和CK(P<0.05)。

2.5 生產成本及經濟產值

由表6可知,不同處理的生產成本主要為生產資料與勞動力投入。由于當地玉米種植時的化肥、除草劑、地膜、灌溉用水、農業機械和勞動力等生產成本均以單位面積計,故不同處理生產成本中除種子不同外,其他投入如化肥及除草劑、地膜、灌溉用水、農業機械和勞動力均一致。不同處理的種子投入隨種植密度的增加而增加,D1、D2和D3分別較CK增加25.00%、50.00%和75.00%,相互之間存在極顯著差異(P<0.01);由于種子投入的增加,D1、D2和D3的總投入較CK分別增加2.17%、4.35% 和6.52%,其中D3顯著高于CK(P<0.05),但與D1和D2均無顯著差異,D1、D2、CK之間無顯著差異。

不同處理的籽粒產值表現為D1和D2均極顯著高于D3和CK(P<0.01),且D2顯著高于D1(P<0.05),D3略低于CK;秸稈產值表現為D1極顯著高于CK(P<0.01);D2和D3均極顯著高于D1(P<0.01);D1、D2和D3的總產值分別較CK提高13.27%、20.47%和2.67%,其中D2顯著高于D1(P<0.05)且極顯著高于CK和D3(P<0.01);D1、D2和的D3凈產值分別較CK提高21.46%、32.12%和-0.12%,D2顯著高于D1(P<0.05)且D1極顯著高于CK和D3(P<0.01)(表6)。

3 討 論

3.1 種植密度對土壤水分、灌水量和田間耗水量的影響

河套灌區為無灌溉便無農業的區域,灌溉是農業生產的首要條件[4,31-32]。通常情況下增加種植密度可減少土壤棵間蒸發,減少土壤水分消耗,但拔節后玉米葉面積系數及葉片蒸騰強度迅速增加,葉片蒸騰消耗的水分占土壤水分散失的主導地位,而棵間土壤水分蒸發減弱且所占比例越來越小[33],增加種植密度顯著提高玉米葉面積系數和蒸騰耗水量[9-12],因而不同處理的土壤貯水量隨種植密度的增加而降低,但灌水量、田間耗水量和日均耗水量隨種植密度的增加而增加,這與樊廷錄等[9]報道的玉米種植密度從6.67×104株/hm2提高到9.00×104株/hm2時土壤耗水量不再增加的結果不一致,主要是其試驗地為旱地,無灌溉水源,當玉米種植密度達到一定程度時,土壤難以提供足量的水分供葉片蒸騰,因而耗水量不再增加,而本試驗有灌溉條件,土壤水分不足可通過灌溉來補充,以確保玉米葉片的持續蒸騰。拔節期至灌漿期玉米生長旺盛,葉片蒸騰強烈,這一時期的田間耗水量及日均耗水量都較大,土壤貯水量較低,需要較多的灌水量,這與白崗栓等[31]、王青松等[33]、呂佳雯等[34]的研究結果基本相同。種植密度為10.5×104株/hm2的灌水量在抽雄吐絲期至灌漿期達到整個生育期的最高峰,除與該期玉米葉面積系數大、葉片蒸騰強烈等密切相關外[9-12,33],與其單位面積植株數較多和倒伏率較高導致的灌溉水流推進速率降低也密切相關[32]。抽雄吐絲期至灌漿期陰雨天較多,導致其田間耗水量及日均耗水量都較低。

3.2 種植密度對玉米生長、水分利用效率及經濟產值的影響

玉米產量取決于單位面積的有效穗數、穗粒數(穗行數與行粒數)和千粒重[13,35-36],增加種植密度,是增加有效穗數和提高玉米產量的有效方法[15-18]。當種植密度超過一定范圍,會加劇植株對光、熱、水、肥等資源的競爭,降低群體內部通風透光,降低光合速率及縮短葉片光合期,加劇葉片衰老,影響營養物質從葉片、莖稈等營養器官向籽粒轉運,使得籽粒產量占生物產量的比值減小[37-41],且當種植密超過一定范圍,植株生長減弱,莖稈變細,株高和穗位均升高,單株干物質積累減少,空稈率增加,穗長變短,禿尖變長,穗行數、行粒數和千粒重降低,以有效穗數增加為基礎的增產效應難以抵消穗粒數和百粒重降低的減產效應,導致單位面積經濟系數降低,籽粒產量降低[14,22,30,42-44]。增加種植密度必須是群體的增產作用大于個體的減產作用[19-21],必須選用耐密性好的品種[24-28]。雖然試驗地具備灌溉條件,‘陜單609’在密植狀態下可取得較高的籽粒產量[29],但隨著種植密度的增加,土壤水分及土壤養分均會表現不足,群體內部通風透光惡化[42-44],其中種植密度為10.5×104株/hm2的土壤水分在玉米生長的關鍵期,即叭口期至抽雄吐絲期處于最低水平,影響玉米正常生長,因而其生產性狀低于常規種植密度(6.0×104株/hm2),而種植密度為9.0×104株/hm2的生產性狀和農藝性狀較好,增產效果明顯,與已有研究結果基本一致[45-50]。通過提高種植密度來增加玉米產量,種植密度應控制在適當的范圍內,以發揮群體的最大增產效益。

水分生產率和水分利用效率取決于單位面積的籽粒產量、生物量和田間耗水量。雖然不同處理的田間耗水量隨種植密度的增加而增加,但不同種植密度的籽粒產量、莖稈生物量則隨種植密度的增加呈拋物線趨勢[37-44],因而種植密度為9.0×104株/hm2的水分生產率和水分利用效率最高。不同種植密度的化肥、地膜、灌溉用水、農業機械和勞動力等投入基本相同,僅種子投入有差異,但種子在總投入中所占比例較小,對生產總成本影響有限;而不同種植密度對籽粒產量和秸稈生物量影響較大,其中種植密度為9.0×104株/hm2的籽粒產量和秸稈生物量均最高,故其總產值及凈產值也最高。雖然種植密度為10.5×104株/hm2時的秸稈產值較高,但其籽粒產值較低及生產成本較高,導致其凈產值最低。通過增加種植密度,提高玉米產值,種植密度必須控制在適當范圍內,這與萇建峰等[51]、勾玲等[52]和段民孝等[53]的報道基本一致。將玉米種植密度控制在合理的范圍內,不但可增加玉米產量,還可提高單位面積玉米產值。

4 結 論

本研究通過監測河套區提高玉米種植密度對灌水量、田間耗水量、玉米產量及產值等的影響,主要結論如下:1)隨著玉米種植密度的提高,0—100 cm土層的土壤貯水量降低,而灌水量、田間耗水量和日均耗水量卻增加。2)隨著玉米種植密度的提高,玉米的株高、穗位、空稈率、倒伏率、秸稈生物量和禿尖長均增加,莖粗、雙穗率、穗長、穗行數、行粒數、千粒重和經濟系數則降低,籽粒產量和秸稈生物量均表現為先升高后降低。3)隨著玉米種植密度的提高,水分生產率、水分利用效率、總產值和凈產值均為先升高后降低,而生產成本則緩慢增加。綜上,在河套灌區‘陜單609’適宜的種植密度為9.0×104株/hm2。