2011年和2012年在甘肃农业大学绿洲农业综合实验站进行试验。该站位于河西走廊东端, 平均海拔1506 m, 属于典型的干旱内陆气候, 冬春季较干旱, 年蒸发量超过2400 mm, 年平均气温7.2℃, 全年无霜期156 d, 年日照时数2945 h, 年太阳辐射总量504~630 kJ cm^-2, 主要种植作物有小麦、玉米、豌豆、马铃薯等。属于典型的两季不足、一季有余的自然生态区, 土壤为荒漠灌淤土。试区多年平均降水量和试验期间降水量如图1。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 试区降水量Fig. 1 Precipitation of the experimental site

设全膜覆盖、半膜覆盖和未覆膜3种地膜覆盖方式。每种覆盖方式下设高、中、低3个灌水水平, 相应灌溉制度如表1, 共9个处理, 采用完全随机区组设计, 重复3次。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验处理灌溉制度 Table 1 Irrigation regimes of the experimental treatments 灌水水平 Irrigation level 灌水定额Irrigation amount at different stages (m3 hm-2) 灌溉定额 Irrigation quota (m3 hm-2) 冬储灌 Before winter 拔节期 Jointing 大喇叭口期 Big trumpet 抽雄吐丝期 Heading 灌浆期 Filling 高 High 1800 1350 1350 1350 1350 7200 中 Moderate 1800 1275 1125 1125 1125 6450 低 Low 1800 1050 975 975 900 5700

表1 试验处理灌溉制度 Table 1 Irrigation regimes of the experimental treatments

全膜覆盖处理, 采用宽幅140 cm地膜覆(厚度0.008 mm, 无色聚乙烯薄膜), 每幅膜种3行; 半膜覆盖, 采用宽幅70 cm地膜覆(图2)。4月20日播种, 用玉米点播器将种子破膜穴播在膜下, 行距50 cm、株距24 cm, 保苗82 500株 hm^-2。

图2

Fig. 2

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	图2 3种地膜覆盖方式示意图. a: 全膜覆盖; b: 半膜覆盖; c: 未覆膜。Fig. 2 Three mulching patterns. a: Full-film mulching; b: Half-film mulching; c: No mulching.

参试玉米品种为武科2号。采用统一施肥水平, 基肥施纯氮450 kg hm^-2, 按基肥∶ 拔节期追肥∶ 大喇叭口期追肥3∶ 5∶ 2施用; P₂O₅ 225 kg hm^-2, K₂O 135 kg hm^-2。

1.3.1 土壤含水量 0~30 cm土层用烘干法测定, 每10 cm为一层; 30~110 cm用水分中子仪(美国CPN公司503 DR)测定, 每20 cm为一层。玉米播种前和收获后各测定一次, 生育期内每15 d测定一次, 灌水前后分别加测一次。

全膜覆盖和半膜覆盖, 分别在小区中央的覆膜带和未覆膜带安装一根中子管。

1.3.2 土壤温度 采用曲管地温计测定5、10、15、20和25 cm土壤温度, 每隔7 d在8:00、14:00和18:00连续观测3 d。玉米某一阶段平均土壤温度和天数的乘积即为该生育阶段0~25 cm土层范围内的土壤积温。

1.3.3 叶面积 选择每小区长势一致的植株标记, 采用长宽系数法, 每隔20 d测定一次叶面积。叶面积指数(LAI)为单位面积上所有叶片表面积的总和与相应土地面积之比。

1.3.4 产量及产量性状 按小区单独收获计产(除去取样植株所占面积), 并随机选取10穗考种, 测定穗行数、行粒数、百粒重。

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率WUE = Y/ET (1)

ET = Pc + I + U - R - Dw - Δ S (2)

式(1)中, Y为玉米籽粒产量; ET为玉米全生育期耗水量。式(2)中, Pc表示玉米生育期有效降雨量; I为玉米生育期内灌水量; U为补给到作物根区地下水量; R为地表径流量; Dw为渗漏量; Δ S为0~110 cm土层范围内土壤含水量的变化^[21]。

本研究中试区地下水埋深超过15 m; 试验条件控制, 无径流产生; 经测定无渗漏。因此, U、R、Dw均取值为0。

采用SPSS 13.0进行方差分析和通径分析, 前者为二因素方差分析, 后者以SPSS线性回归实现^[22], 对于多重比较(Post Hoc Multiple Comparisons)选择Duncan’ s multiple range tests (P< 0.05)。

如表2所示, 2011年和2012年度, 地膜覆盖方式、灌水量对玉米籽粒产量影响显著, 对玉米籽粒产量、收获指数和WUE存在显著互作效应。2012年玉米籽粒产量达到12 341.7 kg hm^-2, 较2011年高14.7%, 差异显著。从两年结果平均值来看, 全膜和半膜覆盖条件下, 产量分别较未覆膜高28.9%和20.7%, 差异显著; 高灌水水平下, 产量分别较中、低灌水水平高4.2%和8.8%, 差异显著。其中, 全膜覆盖高、中灌水量条件下, 玉米籽粒产量分别达到13 275.5 kg hm^-2和12 880.5 kg hm^-2, 显著高于同等灌水量的半膜覆盖和未覆膜处理。全膜覆盖和半膜覆盖条件下, 玉米收获指数分别达到0.51和0.49, 显著高于未覆膜处理。高灌水水平下, 收获指数达到0.50, 显著高于中、低灌水水平。其中, 全膜覆盖高、中灌水水平处理、半膜覆盖高灌水水平处理收获指数均大于0.50, 显著高于其他处理。全膜覆盖条件下玉米WUE达到16.9 kg mm^-1 hm^-2, 分别较半膜覆盖和未覆膜处理高12.7%和6.3%, 差异显著; 不同灌水量对WUE无显著影响, 但中灌水量条件下, 全膜覆盖和半膜覆盖处理WUE分别达到17.8 kg mm^-1 hm^-2和16.8 kg mm^-1 hm^-2, 显著高于未覆膜处理。说明干旱绿洲灌区全膜覆盖条件下, 适当增加灌水量可提高玉米收获指数, 增加玉米籽粒产量, 并可获得较高的水分利用效率。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同覆膜方式及供水水平下玉米产量、收获指数及水分利用效率 Table 2 Grain yield, harvest index and water use efficiency of maize under different mulching models and irrigation levels 因素及互作 Main factors and interaction 籽粒产量 Grain yield (kg hm-2) 收获指数 Harvest index 水分利用效率 Water use efficiency (kg mm-1hm-2) 年Year 2011 10758.0 b 0.46 16.7 2012 12341.7 a 0.48 17.2 地膜覆盖方式Plastic film mulching (P) 全膜 Full-film mulching (F) 12776.2 a 0.51 a 16.9 a 半膜 Half-film mulching (H) 11961.7 b 0.49 a 15.0 b 未覆膜 No mulching (N) 9911.8 c 0.42 b 15.9 b 灌水量Irrigation level (I) 高 High 12037.4 a 0.50 a 16.9 中 Moderate 11552.5 b 0.47 b 16.3 低 Low 11059.7 b 0.45 b 16.9 地膜覆盖方式× 灌水量 P × I 全膜 F 高 High 13275.5 a 0.54 a 17.1 b 中 Moderate 12880.5 ab 0.51 b 17.8 ab 低 Low 12172.6 cd 0.49 bc 19.4 a 半膜 H 高 High 12409.9 bc 0.53 a 17.8 ab 中 Moderate 11947.2 cd 0.48 c 16.8 b 低 Low 11527.9 d 0.46 d 17.7 ab 未覆膜 N 高 High 10427.0 e 0.44 e 16.1 bc 中 Moderate 9829.5 f 0.41 f 14.0 c 低 Low 9478.5 f 0.41 f 15.0 c 年 Year (Y) * NS NS 地膜覆盖方式 Plastic film mulching (P) * * * * * 灌水量 Irrigation level (I) * * * NS 年× 地膜覆盖方式 Y× P NS NS NS 年× 灌水量 Y× I NS NS NS 地膜覆盖方式× 灌水量 P× I * * * 年× 地膜覆盖方式× 灌水量 Y× P× I NS NS NS NS, * , * * indicate non-significant or significant atP< 0.05 or P < 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at P < 0.05. NS、* 和* * 分别表示无显著差异及在0.05和0.01水平上差异显著。同一列数字后的不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

表2 不同覆膜方式及供水水平下玉米产量、收获指数及水分利用效率 Table 2 Grain yield, harvest index and water use efficiency of maize under different mulching models and irrigation levels

2.2.1 双穗率、穗粒数、粒重 在保证各处理基本苗一致的情况下, 分析了不同处理对玉米双穗率、穗粒数和粒重的影响。如表3所示, 地膜覆盖方式及灌水量对玉米双穗率、穗粒数和粒重影响显著, 二者对3个指标的互作效应显著。2012年, 双穗率达到19.0%, 较2011年高2.3个百分点, 差异显著; 2012年穗粒数达到631.2粒 穗^-1, 较2011年高12.4%, 差异显著。就不同覆膜方式而言, 全膜覆盖条件下, 双穗率、穗粒数和粒重分别达到22.3%, 638.8粒 穗^-1和35.2 g 100粒^-1, 分别较未覆膜处理高75.6%、19.0%和12.5%, 差异显著; 半膜覆盖条件下, 双穗率和穗粒数显著高于未覆膜处理, 而粒重与未覆膜无显著差异。对不同灌水量而言, 高灌水量处理双穗率、穗粒数和粒重分别达到20.9%、626.4粒 穗^-1和34.6 g 100粒^-1, 分别较低灌水量处理高29.0%、10.0%和8.1%, 差异显著; 中等灌水量条件下, 穗粒数显著高于低灌水量处理, 其双穗率和粒重则差异不显著。从地膜覆盖方式与灌水量的组合结果来看, 全膜覆盖结合高灌水量双穗率、穗粒数和粒重分别达到23.9%、658.6粒 穗^-1和36.4 g 100粒^-1, 显著高于其他各处理, 为该处理条件下获得高产奠定了基础。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同覆膜方式及供水水平下玉米产量构成因素 Table 3 Component factors on grain yield of maize under different mulching models and irrigation levels 因素及互作 Main factors and interaction 双穗率 Double ear rate (%) 穗粒数 Seed number per ear 粒重 Seed weight (g 100 seed-1) 年Year 2011 16.7 b 631.2 a 32.7 2012 19.0 a 560.5 b 33.8 地膜覆盖方式 Plastic film mulching (P) 全膜 Full-film mulching (F) 22.3 a 638.8 a 35.2 a 半膜 Half-film mulching (H) 18.8 b 612.5 a 33.3 b 未覆膜 No mulching (N) 12.7 c 536.6 b 31.3 b 灌水量Irrigation level (I) 高 High 20.9 a 626.4 a 34.6 a 中 Moderate 16.4 b 591.7 b 33.3 b 低 Low 16.2 b 569.5 c 32.0 b 地膜覆盖方式× 灌水量P × I 全膜F 高 High 23.9 a 658.6 a 36.4 a 中 Moderate 21.7 b 636.3 b 35.2 ab 低 Low 21.5 b 621.5 b 34.1 bc 半膜H 高 High 23.9 a 648.2 a 34.7 b 中 Moderate 16.4 c 596.6 c 33.0 c 低 Low 16.1 c 592.8 c 32.1 d 未覆膜N 高 High 15.0 c 572.6 cd 32.6 cd 中 Moderate 11.2 d 542.4 d 31.6 d 低 Low 11.0 d 494.1 e 29.9 e 年 Year (Y) * * NS 地膜覆盖方式 Plastic film mulching (P) * * * * * 灌水量 Irrigation level (I) * * * * * 年× 地膜覆盖方式 Y× P NS NS NS 年× 灌水量 Y× I NS NS NS 地膜覆盖方式× 灌水量 P× I * * * 年× 地膜覆盖方式× 灌水量 Y× P× I NS NS NS NS, * , * * indicate non-significant or significant atP< 0.05 or P < 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at P < 0.05. NS、* 和* * 分别表示无显著差异及在0.05和0.01水平上差异显著。同一列数字后的不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

表3 不同覆膜方式及供水水平下玉米产量构成因素 Table 3 Component factors on grain yield of maize under different mulching models and irrigation levels

2.2.2 叶面积指数 不同地膜覆盖及供水条件下玉米全生育期叶面积指数(LAI)动态变化及平均叶面积指数如图3和图4。从2011、2012两年平均结果来看, 不同处理峰值差异明显, 其中, 全膜覆盖条件下的高灌水处理和中等灌水处理及半膜覆盖条件下高灌水处理LAI峰值均大于5.0, 显著高于其他处理。从玉米全生育期平均叶面积指数来看, 全膜和半膜覆盖条件下, 高灌水量处理平均LAI分别达到2.8和2.7, 显著高于对应低灌水处理; 中等灌水量处理与低灌水量处理, 平均LAI差异不显著。未覆膜条件下, 3个灌水量处理LAI差异不显著。这说明全膜覆盖条件下的高灌水量处理和中等灌水量处理及半膜覆盖条件下高灌水量处理可以获得较高的LAI峰值, 且均大于5.0。与此同时, 平均LAI亦显著高于对应覆膜条件下的低灌水水平, 且均大于2.6, 为获得高产创造了较大的光合源。

图3

Fig. 3

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图3 不同地膜覆盖及供水条件下玉米叶面积指数动态变化. FH、FM和FL分别表示全膜覆盖高、中、低灌水量处理; HH、HM和HL分别表示半膜覆盖高、中、低灌水量处理; NH、NM和NL分别表示未覆膜高、中、低灌水量处理。图中NS表示无显著差异; 上方数字表示LSD值。Fig. 3 Dynamics of leaf area index (LAI) of maize under different mulching and irrigation treatments. FH, FM, and FL stand for full-film mulching with high, moderate and low irrigation level, respectively. HH, HM and HL stand for half-film mulching with high, moderate and low irrigation level respectively. NH, NM, and NL stand for no mulching with high, moderate and low irrigation level respectively. NS means no significant. Numbers at the top of figure reflect LSD value.

图4

Fig. 4

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	图4 不同地膜覆盖及供水条件下玉米全生育期平均叶面积指数. 处理之间不同小写字母表示在0.05水平差异显著。缩写同图3。Fig. 4 Average leaf area index across growing season of maize under different mulching and irrigation treatments. Bars superscripted by different letters are significantly different at P< 0.05. Abbreviations are the same as those given in Figure 3.

不同覆膜方式及供水水平下玉米全生育期0~110 cm平均土壤含水量及0~25 cm土壤积温结果如表4。2011和2012年度, 土壤含水量差异不显著, 但土壤积温存在显著差异。地膜覆盖方式及灌水量对0~30 cm土壤含水量及0~25 cm土壤积温影响显著。地膜覆盖方式与灌水量对玉米上述2个指标存在显著的互作效应。地膜覆盖方式及灌水量对30~110 cm土壤含水量无显著影响, 这可能是试区长期采用传统翻耕技术(深度为30 cm左右)致使该土层以下形成了犁底层, 在一定程度上阻止了水分纵向运移。就不同覆膜方式而言, 全膜及半膜覆盖条件下, 0~30 cm土壤含水量分别较未覆膜处理高15.5%和9.8%, 0~25 cm土壤积温分别较未覆膜处理高5.8%和5.0%, 差异显著。从不同灌水量来看, 随着灌水量减少, 0~30 cm土壤含水量呈递减趋势, 差异显著, 高灌水量土壤积温分别较中等灌水量和低灌水量高4.1%和4.3%。从地膜覆盖方式与灌水量的组合结果来看, 全膜覆盖高灌水量处理0~30 cm土壤含水量和0~25 cm土壤积温分别达到23.9%和3717.9℃, 显著高于其他处理。这说明地膜覆盖显著改善了玉米全生育期耕层土壤水热状况, 适当增加灌水量在提高土壤含水量的同时, 实现了土壤积温的同步提高, 其中以高灌水量效果显著。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 不同覆膜方式及供水水平下玉米全生育期平均土壤含水量及土壤温度 Table 4 Average soil water content and accumulated soil temperature during maize growth stage at the 0-30 cm soil profile under different mulching and irrigation treatments 因素及互作 Main factors and interaction 土壤含水量 Soil water content (%) 土壤积温 Accumulated soil temperature (℃) 0-30 cm 30-110 cm 年Year (Y) 2011 20.7 25.1 3411.2 b 2012 21.0 25.3 3535.3 a 地膜覆盖方式Plastic film mulching (P) 全膜Full-film mulching (F) 22.4 a 25.3 3610.3 a 半膜Half-film mulching (H) 21.3 b 25.1 3584.0 a 未覆膜No mulching (N) 19.4 c 24.9 3411.8 b 灌水量Irrigation level (I) 高High (H) 22.0 a 25.4 3643.1 a 中Moderate (M) 21.0 b 25.2 3498.9 b 低Low (L) 20.2 c 24.7 3464.0 b 地膜覆盖方式× 灌水量P × I 全膜 F 高 H 23.9 a 25.7 3717.9 a 中 M 22.1 b 25.4 3549.7 b 低 L 21.4 bc 25.0 3563.2 b 半膜 H 高 H 22.0 b 25.5 3669.6 a 中 M 21.1 bc 25.2 3567.3 b 低 L 20.7 c 24.6 3515.0 b 未覆膜 N 高 H 20.2 c 25.2 3541.8 b 中 M 19.7 cd 25.1 3379.7 c 低 L 18.4 d 24.5 3313.8 c 年 Y NS NS * 地膜覆盖方式 P * * NS * * 灌水量 I * * NS * 年 × 地膜覆盖方式 Y × P NS NS NS 年 × 灌水量 Y × I NS NS NS 地膜覆盖方式 × 灌水量 P × I * * NS * 年 × 地膜覆盖方式 × 灌水量 Y × P × I NS NS NS NS, * , * * indicate non-significant or significant atP< 0.05 or P < 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column are significantly different at P < 0.05. NS、* 和* * 分别表示无显著差异及在0.05和0.01水平上差异显著。同一列数字后的不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

表4 不同覆膜方式及供水水平下玉米全生育期平均土壤含水量及土壤温度 Table 4 Average soil water content and accumulated soil temperature during maize growth stage at the 0-30 cm soil profile under different mulching and irrigation treatments

不同地膜覆盖及供水条件下, 玉米籽粒产量与双穗率、穗粒数、粒重、平均叶面积指数、0~30 cm土壤含水量、土壤积温的相关分析和通径分析结果表明, 玉米籽粒产量与上述指标均呈显著正相关。由籽粒产量与上述指标的直接通径系数可以看出, 地膜覆盖及灌水量对玉米产量因素的影响顺序为: 穗粒数(0.461)> 粒重(0.339)> 0~30 cm土壤含水量(0.323)> 土壤积温(0.307)> 平均叶面积指数(0.226)> 双穗率(0.044)。由籽粒产量与上述指标的间接通径系数可以看出, 双穗率通过粒重对产量的贡献率最大(0.319), 平均叶面积指数通过穗粒数对产量的贡献最大(0.269), 土壤含水量通过双穗率对产量的贡献最大(0.523), 土壤积温通过粒重对产量的贡献最大(0.619)。值得注意的是, 0~30 cm土壤含水量和0~25 cm土壤积温对双穗率、穗粒数、粒重、平均叶面积指数4个指标的间接通径系数均高于0.3, 由此说明适宜的地膜覆盖方式与灌水量主要是通过提高双穗率、增加叶面积指数来提高玉米粒重和穗粒数, 从而提高玉米籽粒产量, 而双穗率、平均叶面积指数的提高均可归因于土壤水热状况的改善。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 不同地膜覆盖及供水条件下玉米籽粒产量与产量因素及土壤水热特征指标的相关系数和通径系数 Table 5 Correlation coefficient and path coefficient of maize grain yield with yield component factors, soil water content, accumulated soil temperature, respectively 与籽粒产量的简单相关系数Correlation coefficient with yield 直接通径系数 Direct path coefficient 间接通径系数Indirect path coefficient X1 X2 X3 X4 X5 X6 X1 0.938* * 0.044 0.044 0.319 0.134 0.039 0.062 X2 0.960* * 0.461 0.042 0.325 0.132 0.055 0.043 X3 0.934* * 0.339 0.041 0.442 0.111 0.046 0.037 X4 0.688* 0.226 0.026 0.269 0.167 0.058 0.032 X5 0.947* * 0.323 0.523 0.412 0.399 0.365 0.069 X6 0.835* * 0.307 0.420 0.568 0.619 0.423 0.012 * , * * Correlation is significant at the 0.05 and 0.01 levels respectively. X1, X2, X3, X4, X5, and X6 indicate double ear rate, seed number per ear, 100-grain weight, average leaf area index, average soil water content of 0-30 cm layer and accumulated soil temperature of 0-30 cm layer respectively. * , * * 分别表示在0.05和0.01水平上显著相关; X1、X2、X3、X4、X5和X6分别表示玉米双穗率、穗粒数、粒重、平均叶面积指数、0~30 cm平均土壤含水量和0~25 cm土壤积温。

表5 不同地膜覆盖及供水条件下玉米籽粒产量与产量因素及土壤水热特征指标的相关系数和通径系数 Table 5 Correlation coefficient and path coefficient of maize grain yield with yield component factors, soil water content, accumulated soil temperature, respectively