甘肃农业大学武威黄羊镇绿洲试验站位于甘肃河西走廊东端(37^o30′ N, 103^o5′ E), 地处东亚季风冷温带干旱区, 年蒸发量2400 mm以上, 多年平均降雨156 mm, 多集中在7、8、9月份。玉米为该区主栽作物, 生育期集中在4月至9月; 农户普遍采用覆膜种植, 种植密度为82 500株 hm^-2, 低于高产农田水平。2012— 2015年度玉米各生育阶段内的降雨量如图1。

图1

Fig. 1

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	图1 2012-2015年玉米各生育阶段内的降雨量Fig. 1 Precipitation during each growth stage of maize in 2012-2015

设75 000株 hm^-2 (低, D1)、87 000株 hm^-2 (中, D2)、99 000株 hm^-2 (高, D3) 3个种植密度; 玉米等行种植, 调控株距形成不同密度, D1、D2、D3处理的株距分别为34 cm、29 cm、24 cm; 小区面积6 m× 8 m。每处理重复3次, 小区随机排列。

玉米播种日期分别为2012年4月14日、2013年4月11日、2014年4月14日、2015年4月17日, 收获日期分别为2012年9月29日、2013年9月29日、2014年9月30日、2015年9月25日。

供试玉米(Zea maysL.)品种为先玉335。氮肥为含氮46%的尿素, 磷肥为过磷酸钙; 采用厚度为0.08 mm, 宽度为1.4 m的农用地膜。总施纯氮450 kg hm^-2, 按基肥:大喇叭口期追肥:花后15 d追肥 = 3:5:2分施; 纯P₂O₅ 337.5 kg hm^-2, 全做基肥。冬储灌120 mm, 生育期内按拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、开花期、灌浆期分别灌水90、120、120、120、90 mm, 全生育期灌溉量共计540 mm。采样日期见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同年份不同生育期的采样时间 Table 1 Sampling date for maize at different growth stages (month/day) 年份 Year 播种期 Sowing 苗期 Seeding 拔节期 Jointing 大喇叭口期 Big flare 抽雄吐丝期 Silking 开花期 Flowering 灌浆期 Filling 成熟期 Full ripe 2012 4/14 5/5 5/26 6/13 7/19 8/6 8/24 9/29 2013 4/11 5/6 5/27 6/16 7/21 8/11 8/28 9/29 2014 4/14 5/5 5/27 6/14 7/23 8/8 8/27 9/30 2015 4/17 5/5 5/23 6/10 7/16 8/3 8/21 9/25

表1 不同年份不同生育期的采样时间 Table 1 Sampling date for maize at different growth stages (month/day)

1.3.1 土壤含水量 播种前、收获后及生育期内每15~20 d各测定一次, 灌水前、灌水后加测一次, 用烘干法测定0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm三个土层; 用水分中子仪(美国CPN公司503DR)测定30~50 cm、50~80 cm、80~110 cm三个土层, 以3次重复的平均值作为一个处理的土壤含水量测定值。

1.3.2 棵间蒸发量测定 棵间蒸发量(mm)用微型蒸渗仪(Micro-Lysimeter)测定^[18]。

1.3.3 作物阶段耗水量 ET=P+I+Wt₁-Wt₂, 式中P为t₁至t₂生育阶段降水量(mm), I为t₁至t₂生育阶段灌溉量(mm), Wt₁为t₁时土壤贮水量(mm), Wt₂为t₂时土壤贮水量(mm)。由于试区地下水位极深不存在向上的水分流量, 在节水灌溉条件下, 水分渗漏量和径流量可以忽略不计。

1.3.4 全生育期总耗水量 ET=P+I+W₀-W_h, 式中P为生育期间自然降水量(mm), I为灌水量(mm), W₀为播前土壤贮水量(mm), W_h为收获期土壤贮水量(mm)。

1.3.5 生育阶段蒸散比 某生育阶段棵间蒸发量(E)与该生育阶段耗水量(ET)之比。

1.3.6 全生育期蒸散比 全生育期作物棵间蒸发量(E)与作物全生育期总耗水量(ET)之比。

1.3.7 产量 作物成熟后按小区收获计产。

1.3.8 水分利用效率 WUE = Y/ET, 式中WUE为水分利用效率(kg hm^-2 mm^-1), Y为籽粒产量(kg hm^-2); ET为生育期总耗水量。

1.3.9 灌溉水利用效率 IWUE=Y/I ^[19], 式中IWUE为灌溉水利用效率(kg hm^-2 mm^-1), Y为籽粒产量(kg hm^-2), I为生育期内总灌水量(mm)。

采用Microsoft Excel 2010整理、汇总数据, 用SPSS17.0进行方差分析、显著性检验。

2.1.1 生育期内耗水量动态 玉米全生育期总耗水量随种植密度的增加而增大, 高、中密度(702.2 mm和657.0 mm)较低密度(571.8 mm)分别增加22.8%、14.4%, 高密度较中密度增加6.9% (图2)。密度处理对玉米播种至拔节期、灌浆至成熟期的阶段耗水量影响不显著, 但显著影响拔节期至灌浆期的阶段耗水量; 拔节至大喇叭口期, 高、中、低密度的作物群体耗水量分别为88.1、79.1和70.5 mm, 且高、中密度较低密度分别增加25.1%和11.8%; 大喇叭口期至吐丝期, 玉米群体耗水量在高、中、低密度下分别为133.9、122.9和104.2 mm, 高、中密度较低密度处理分别高28.4%、18.2%; 吐丝至灌浆期, 高密度、中密度作物耗水量(94.3 mm和93.1 mm)较低密度(80.1 mm)分别增加16.5%和14.6%, 但高、中密度处理的差异不显著。说明密度对玉米群体耗水量的影响主要集中在大喇叭口期至抽雄吐丝期。

图2

Fig. 2

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	图2 不同处理的玉米生育期内耗水量动态 ET; 总耗水量; D1: 低密度; D2: 中密度; D3: 高密度。不同字母表示同一生育阶段内各处理间差异显著(P< 0.05)。Fig. 2 Dynamics of water consumption during each growth stage of maize in different treatments ET: total water consumption; D1: low density; D2: medium density; D3: high density. Bars superscripted by different letters are significantly different among different treatments in the same growth stage at P< 0.05.

2.1.2 生育期内棵间蒸发量的变化 随种植密度的提高, 玉米全生育期的棵间蒸发量显著下降(图3), 高、中密度下玉米全生育期棵间蒸发总量分别为181.5 mm和210.6 mm, 较低密度处理(238.2 mm)分别降低56.5 mm和27.6 mm。各密度处理的生育阶段棵间蒸发日均值变化, 对拔节至灌浆期的影响最大, 且随密度的提高而降低, 但对播种至拔节、灌浆至成熟期的影响不显著; 拔节至大喇叭口期, 高、中密度较低密度处理分别降低0.41 mm和0.23 mm; 大喇叭口期至吐丝期, 高、中密度的棵间蒸发日均值较低密度处理分别降低0.51 mm和0.27 mm; 吐丝至灌浆期, 高密度的棵间蒸发日均值较低密度降低0.28 mm, 中密度较低密度减少0.16 mm, 高、中密度差异不显著。说明提升密度对土壤无效耗水的抑制作用主要体现在大喇叭口期至吐丝期。

图3

Fig. 3

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	图3 不同种植密度玉米生育阶段棵间蒸发日均值变化 处理缩写同图2, 图中竖线表示玉米的3个生长阶段。Fig. 3 Variation of average daily evaporation under different planting densities Treatments are abbreviated as in Fig.2. The vertical lines in each figure are three dividing growth stage of maize into three parts.

2.1.3 生育期内的蒸散比(E/ET) 玉米全生育期的E/ET在高、中、低密度下分别为25.9%和32.1%和41.7%, 且与低密度相比, 高、中密度分别减小15.8%和6.2% (图4)。密度对各生育阶段内蒸散比的影响均显著, 且均随密度增加而显著降低; 播种至拔节期, 高密度较低密度减小15.0%, 而中、低密度差异不显著; 拔节至大喇叭口期, 蒸散比在高、中密度下较低密度处理分别减小22.1%和10.7%; 大喇叭口期至吐丝前期, 高密度较低密度减小14.4%, 中、低密度间差异不显著; 吐丝后期至开花期, 与低密度相比, 高、中密度的蒸散比分别降低10.9%和4.7%; 开花期至成熟期, 随密植提升, 高密度减小12.0%, 中密度与低密度没有差异。表明增加密度提高水分利用率主要是减少了拔节至大喇叭口期内土壤的无效耗水。

图4

Fig. 4

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	图4 不同种植密度下玉米各生育阶段蒸散比变化 E/ET: 蒸散比; 处理缩写同图2。Fig. 4 Changes of E/ET during each growth stage of maize under different planting densities E/ET: the percentage of evaporation and crop water consumption. Treatments are abbreviated as in Fig. 2.

2.2.1 产量表现 与低密度相比, 增加密度显著提高了玉米的籽粒产量(图5), 4年平均增产16.3%, 增产显著。3个密度处理中以高密度产量为最高, 高达12 609.0 kg hm^-2, 较低密度提高17.9%, 中密度较低密度增产14.8%, 而高、中密度间差异不显著。

图5

Fig. 5

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	图5 不同种植密度下的玉米籽粒产量 处理缩写同图2。Fig. 5 Grain yield of maize under different planting densities Treatments are abbreviated as in Fig. 2.

2.2.2 水分利用效率(WUE) 作物水分利用效率(WUE)在各种植密度下表现为18.2、19.3和16.8 kg hm^-2 mm^-1, 其中以中密度最高, 与低密度相比, 增加了14.9%。表明增加种植密度是提高作物水分利用效率的有效措施。

图6

Fig. 6

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	图6 不同处理作物水分利用效率 处理缩写同图2。Fig. 6 Water use efficiency (WUE) under different treatments Treatments are abbreviated as in Fig. 2.

2.2.3 灌溉水利用效率(IWUE) 提升种植密度可提高灌溉水利用效率(图7)。高、中密度下的IWUE分别为23.7 kg hm^-2 mm^-1和22.2 kg hm^-2 mm^-1, 较低密度提高了34.5%和19.6%, 表明高密度(99 000株 hm^-2)玉米群体会更充分利用灌水。

图7

Fig. 7

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	图7 不同处理作物灌溉水利用效率 处理缩写同图2。Fig. 7 Irrigation water use efficiency (IWUE) under different treatments Treatments are abbreviated as in Fig. 2.

在影响作物群体生育期内耗水量的各因素中, 种植密度可能是主要的影响因子。刘泉汝等^[14]研究表明, 秸秆覆盖条件下, 随密度增加, 作物总耗水量增加, 主要是由于拔节至抽穗高密植作物群体耗水增加, 如果此阶段底墒不足会造成减产。张冬梅等^[5]则认为, 玉米阶段耗水随密度增加主要发生在苗期至拔节期。而王立明等^[20]认为, 播种密度对不同品种大豆的田间耗水量影响不显著。在本研究中, 与低密度相比, 提高种植密度, 玉米群体总耗水量显著增加, 同时对大喇叭口期至吐丝期的阶段耗水影响最大。马淑荣^[21]研究发现, 随密度增加, 作物群体内植株数量增多, 荫蔽严重, 株间辐射度降低, 通风透光性差, 致使土壤温度降低。陈传永等^[22]也认为, 从拔节至灌浆期, 玉米叶面积指数随密度的增加呈增加趋势, 这都是决定作物耗水量差异的重要因子。本研究结果可能与增加种植密度下作物群体数量增大, 对水分需求增加, 加之在大喇叭口期至吐丝期叶面积显著增加, 致使叶面蒸腾耗水增加相关。另有研究表明, 作物总耗水量中, 棵间蒸发量(E)占较大比重, 降低E值是减少土壤水分无效散失、提高水分有效利用的重要措施^{[15, 23]}。相关研究指出^[6], 高密度处理的棵间蒸发量远低于低密度, 且密度对灌浆期的棵间蒸发影响最大。本研究中, 增加密度同样可以减少E, 但此作用在大喇叭口期至吐丝期的效果最明显。其原因可能是玉米生育前期作物植株小, 叶面积指数较低, 则叶片的蒸腾量较低, 农田耗水以裸地蒸发为主; 进入生长旺盛阶段, 随气温升高, 降雨量和灌水逐渐增多, 能够满足高密植作物的生长发育^[8], 加之大喇叭口期至吐丝期高密植作物叶面积指数显著增加, 覆盖度增加, 降低了E值, 增加后期蒸腾, 从而促进了干物质的积累, 使水分消耗从物理过程向生理过程转化, 从无效消耗向有效消耗转化, 对提高作物水分利用效率十分有益^[5]。蒸散比(E/ET)揭露了不能被作物有效利用水分的百分比, E/ET越小表明被作物有效利用的水分越多^[23]。本研究中, 玉米全生育期的E/ET随密植提高而降低, 且拔节至大喇叭口期的E/ET降幅最大。有研究指出, 作物棵间蒸发(E)占作物耗水(ET)的比例主要受叶面积指数的影响, 叶面积指数大, E/ET值小, 调节植株种植密度可以有效增加作物的叶面积指数, 减少土壤无效耗水^[24]。因此, 在限量供水条件下, 密植可能是降低E和E/ET, 提高水分利用率的可行措施。

种植密度是调控作物群体特征的重要因素, 通过调控种植密度, 改善作物对水资源的利用率, 有效提高作物产量^{[25, 26]}。李豪圣等^[27]认为高密植作物比低密植作物拥有更高的增产潜力。而高密植增产的机理在于适宜的群体结构有助于扩大光合面积、增加穗位叶层的光合有效辐射、提高群体光合速率、减少群体呼吸消耗; 而过大的群体结构, 特别是抽穗期之后, 叶面积系数达到高峰期, 叶片相互遮蔽, 群体受光面积不再随着玉米叶面积的增加而增加, 净同化率降低, 灌浆不完全^[28], 加之高密植作物加剧了土壤及地上部空间的竞争, 导致减产^[29]。但从植株群体出发, 高密植使单位面积内植株数目显著增加, 对单株根系与单株地上部的减小趋势有弥补效应, 同时显著增加了群体根表面积指数与群体叶面积指数, 进而显著提高光合作用, 促进地上部干物质的积累, 提高产量^[4]。这些研究均说明, 密植是作物增产的重要措施。而肖鑫辉^[29]研究认为, 在保证水肥供应充足的高产田中, 夏玉米品种登海661在密度为90 000~120 000株 hm^-2的范围内, 产量随密度增加而增加, 其中在密度为120 000株 hm^-2产量最大, 为14 947.5 kg hm^-2, 至密度为135 000株 hm^-2时产量下降。陈传永等^[22]研究亦表明, 春玉米“ 先玉335” 在其生育期降雨量达500 mm的基础上, 密度为60 000~105 000株 hm^-2的范围内, 增加密度具有明显的增产优势, 密度为105 000株 hm^-2时产量高达13 288.7 kg hm^-2。本研究结果与其相似, 在密度为99 000株 hm^-2时充分发挥了生长潜能, 在现有的生产条件下进一步增加种植密度已不能显著增产, 因此可通过肥水调控同步增加密度提高玉米产量^{[30, 31]}。

作物WUE指的是农田蒸散消耗单位重量水(耗水量)所制造的干物质量(产量)。密植效应具有高产优势, 同时提高WUE, 密植是提高作物群体有限水资源利用率的可行途径之一。另有研究表明^[14], 覆盖方式能够显著提高中密度种植条件下的WUE, 对其余密度处理下WUE影响不显著, 这可能是由不同密度处理的群体结构差异和耗水模式差异引起的。而李儒等^[32]认为作物高产进而提高水分利用效率的主要原因是作物耗水量的增加。本研究中, 与低密度相比, 87 000株 hm^-2密度下, WUE最大(20.1 kg hm^-2mm^-1), 同时作物产量也最大; 但在D3密度下WUE降低, 由于作物耗水对其贡献增加。99 000 株 hm^-2的种植密度相对于87 000株 hm^-2时, 玉米水分利用效率没有显著提高, 但玉米籽粒产量与灌溉水利用效率却达到最大, 而河西绿洲灌区的粮食生产主要以灌溉为主, 从灌溉水利用效率出发, 99 000株 hm^-2的密度是当前绿洲灌区单作玉米种植的首要选择。因本研究仅设计了3个密度梯度, 仍未出现产量上限, 说明试区仍具有进一步提高密度以实现增产节水的可能性。