供水与地膜覆盖对干旱灌区玉米产量的影响
于爱忠, 柴强*
甘肃省干旱生境作物学重点实验室 / 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州730070
*通讯作者(Corresponding author): 柴强, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn, Tel: 0931-7631104

第一作者联系方式: E-mail: yuaizh@gsau.edu.cn, Tel: 0931-7631156

摘要

研究限量供水与地膜覆盖对玉米产量的耦合效应, 对于充实干旱内陆灌区水资源高效利用理论具有重要意义。在甘肃河西石羊河流域通过田间试验研究了不同覆膜方式(全膜覆盖、半膜覆盖和未覆膜)和不同灌水水平(7200、6450和5700 m3 hm-2)对玉米产量的影响。结果表明, 地膜覆盖方式与灌水量对玉米籽粒产量、收获指数、双穗率、穗粒数、粒重及水分利用效率有显著影响, 且二者互作效应显著。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, 增幅达7.0%~31.0%。全膜覆盖条件下, 玉米水分利用效率达到16.9 kg mm-1 hm-2, 较半膜覆盖和未覆膜处理分别高12.7%和6.3%, 差异显著。全膜覆盖结合高灌水量玉米的双穗率、穗粒数和粒重在各处理中均表现最高, 分别达到23.9%、658.6粒 穗-1和36.4 g 100粒-1。全膜和半膜覆盖条件下, 高灌水量处理玉米全生育期平均叶面积指数(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的平均LAI差异不显著; 全膜高灌水处理0~30 cm土壤含水量和0~25 cm土层>0℃积温分别达到23.9%和3717.9℃, 显著高于其他各处理。通径分析结果进一步说明, 地膜覆盖主要是通过提高双穗率、增加叶面积指数提高了玉米粒重和穗粒数, 从而提高玉米籽粒产量, 进而双穗率、平均叶面积指数的提高均可归因于耕层土壤水热状况的改善。

关键词: 地膜覆盖; 产量; 土壤水分; 土壤积温; 叶面积指数
Effects of Plastic Film Mulching and Irrigation Quota on Yield of Corn in Arid Oasis Irrigation Area
YU Ai-Zhong, CHAI Qiang*
Key Laboratory of Arid Land Crop Science in Gansu Province / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
Abstract

The knowledge on coupling effect of plastic film mulching and limited water supply on corn yield in inland irrigation area is essential in developing effective cropping systems. A field experiment was conducted to reveal yield formation process and mechanism of corn under different plastic film mulching patterns (full-film, half-film and no mulching) and irrigation quota treatments (7200, 6450, and 5700 m3 ha-1) in Shiyanghe River Basin of Gansu Hexi Corridor. The results showed that plastic film mulching patterns and irrigation levels had significant effect on grain yield, harvest index, double-ear rate, seed number per ear, seed weight and water use efficiency(WUE). The grain yield reached 13 275.5 and 12 880.5 kg ha-1 under full-film mulching with high and moderate irrigation levels, respectively, which was 7.0% to 31.0% higher than that under half-film mulching and no mulching with the same irrigation level.The WUE reached 16.9 kg mm-1 hm-2 under full-film mulching treatment, which was 12.7% and 6.3% higher than that under half-film mulching and no mulching treatments, respectively. Full-film mulching with high irrigation level had the greatest double-ear rate, seed number per ear and seed weight, which were 23.9%, 658.6 per ear, and 36.4 g per 100 grain respectively. The average leaf area index (LAI) achieved 2.8 and 2.7 under full-film and half-film mulching with high irrigation level, respectively, which were significantly higher than that with low irrigation level. Moreover, soil water content in the soil layer from 0 to 30 cm and accumulated soil temperature of 0 to 25 cm was up to 23.9% and 3717.9℃, which was significantly higher than those in other treatments. It can be concluded that plastic film mulching increased the grain yield by improving seed number per ear and seed weight, resulting from the enhancement of double-ear rate and average LAI due to improving soil thermal characteristics.

Keyword: Plastic film mulching; Yield; Soil water; Accumulated soil temperature; LAI

近年来, 随着水资源的日趋紧缺, 地膜覆盖作为一项轻简易化的农业节水生产技术再次受到研究者的关注。许多研究结果表明, 在我国北方半干旱旱作农业区小麦[1, 2]、玉米[3, 4, 5]、油菜[6]、糜子[7]、西瓜[8]等作物生产过程中, 采用地膜覆盖技术显著改善了耕层土壤温度、水分状况, 提高了产量及水分利用效率。在丘陵地区, 与传统栽培技术相比, 地膜覆盖还可提高水稻品质[9]。地膜覆盖结合施肥、起垄等技术措施, 可充分发挥技术之间的耦合效应, 增产效果显著[10, 11]。另外, 地膜覆盖对于改善土壤入渗特征[12]、增加土壤微生物的数量和活性[13, 14, 15, 16]、缓解养分流失[17]、增加土壤供肥能力[18]也有明显作用。西北干旱绿洲灌区是我国水资源最为短缺的地区之一, 地膜覆盖技术被广泛应用于玉米生产过程。一些研究者分析了地膜覆盖条件下, 区域内主栽作物春小麦、玉米的耗水特征及产量效应[19, 20], 但限量供水和地膜覆盖对玉米产量的耦合效应的理论研究薄弱, 在一定程度上限制了对该项技术的科学评价和推广应用。本研究重点探讨了不同地膜覆盖方式及供水水平对玉米产量的影响, 以期为区域内发展节水型高产农作制模式提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试区概况

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 试区降水量Fig. 1 Precipitation of the experimental site

1.2 试验设计

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 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 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 测定指标与方法

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。

1.4 数据处理

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)。

2 结果与分析
2.1 玉米籽粒产量、收获指数与水分利用效率

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 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 产量构成因素

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 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 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 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.

2.3 土壤水热状况

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 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
2.4 产量效益机制分析

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 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
3 讨论

水分亏缺是干旱缺水地区限制作物产量提高的主要因子。地膜覆盖从减少土壤水分蒸发, 提高土壤温度两个方面改善了作物生长环境, 为作物增产奠定了基础。本研究发现, 在西北干旱绿洲灌区, 相对于露地栽培, 采用全膜覆盖或半膜覆盖均能明显改善玉米农田耕层土壤水热状况。这一结果与一些研究者对黄土高原半干旱区的研究结果较为一致[2, 3, 5], 由此说明, 在水资源紧缺、春季气温较低的西北干旱、半干旱地区, 采用地膜覆盖技术是改善玉米生长水热环境的有效措施。

对于禾谷类作物而言, 产量构成因素之间的协调发展是实现高产的基础。地膜覆盖增产的主要原因是玉米穗长和穗粒数的增加, 地膜覆盖的增产效应主要表现在拔节至抽雄及雌穗分化发育阶段[23]。此外, 地膜覆盖后由于明显增加了玉米的光合面积和光合势, 从而使同化能力明显加速[24]。本研究发现, 无论采用全膜覆盖、还是半膜覆盖, 玉米籽粒产量、收获指数均显著高于不覆盖处理, 这一结果与Liu等[4]在我国半干旱区的研究结果一致。通径分析结果进一步说明, 穗粒数的提高对产量的贡献最大。此外, 地膜覆盖措施显著改善了耕层土壤水热状况, 通过提高玉米双穗率、增加叶面积指数来提高穗粒数和粒重, 成为增产的主要原因。本研究还发现, 地膜覆盖方式与灌水量对玉米产量影响的互作效应显著, 但在全膜覆盖条件下, 高灌水量和中等灌水量处理产量分别为13 275.5 kg hm-2和12 880.5 kg hm-2, 差异不显著, 并且二者可以获得较高的水分利用效率。这主要是因为相对于露地栽培, 地膜可隔断土壤与大气间的水分交换, 有效抑制土壤蒸发, 提高作物水分利用效率[25]。对于相同覆膜方式, 在产量不降低的情况下, 适当降低灌溉量是提高水分利用效率的有效途径。因此, 全膜覆盖中等灌水量可以作为该区域玉米高产、节水型农作制模式技术。另外, 地膜覆盖带来的地膜污染问题, 有望通过政府补偿及正在实施的残膜机械化回收技术得到一定程度的缓解。

4 结论

干旱绿洲灌区全膜覆盖高、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。上述两个处理可以获得较高的LAI, 这为获得高产创造了较大的光合源。其中, 全膜覆盖结合高灌水量处理双穗率、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。此外, 全膜覆盖高、中灌水量条件下可获得较高的水分利用效率, 这对于资源性缺水问题比较突出的干旱绿洲灌区有重要意义。

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。地膜覆盖措施结合适宜的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。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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