旱作地膜玉米密植增產用水效應及土壤水分時空變化

樊廷錄，李永平，李尚中，劉世新，王淑英，馬明生

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旱作地膜玉米密植增產用水效應及土壤水分時空變化

樊廷錄1,2，李永平3，李尚中2，劉世新3，王淑英2，馬明生2

（1甘肅農業大學農學院，蘭州 730070；2甘肅省農業科學院旱地農業研究所，蘭州 730070；3寧夏農林科學院固原分院，寧夏固原756000）

【目的】干旱缺水是黃土高原旱作農業最大的限制因素，研究覆膜、增密和品種對旱作玉米增產和水分利用的影響，有助于揭示未來旱作糧食持續增產與水環境的關系。【方法】試驗于2012—2015年在黃土高原丘陵溝壑區的寧夏彭陽進行，在全膜雙壟溝（FPRF）和半膜平鋪蓋（HPFC）2種種植方式下，選擇耐密中晚熟先玉335和吉祥1號及不耐密早熟酒單4號3個雜交種，低密度（4.5萬株/hm2）、中密度（6.75萬株/hm2）和高密度（9.0萬株/hm2）3個水平，隨機區組設計，玉米連作定位觀測。采用烘干法監測不同降水年型玉米生育時期0—200 cm土層土壤水分，通過Surfer軟件繪制土壤水分等值線圖，研究旱作覆膜連作玉米產量、水分利用效率（WUE）及土壤水分時空變化。【結果】在地膜覆蓋條件下各因素對旱作玉米產量和水分利用的影響達到極顯著或顯著水平，對籽粒產量和WUE的影響順序依次為降水年型＞密度＞覆膜方式＞品種，降水年型從干旱、正常、豐水年的變化，玉米產量由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，但WUE最高值并不在降水較多的年份，而在正常年型。密度由4.5 萬株/hm2增加到6.67萬株/hm2，耗水量、產量、WUE增加10.6 mm、20.0%和3.45 kg·mm-1·hm-2，但密度從6.67萬株/hm2增加到9.0萬株/hm2時，耗水量不再增加，而產量和WUE提高12.0%和2.97 kg·mm-1·hm-2；FPRF處理較HPFC處理平均增產15.72%，WUE提高21.09%；耐密中晚熟品種吉祥1號和先玉335較耐密性弱早熟品種酒單4號增產15.46%—24.45%，WUE提高13.35%—15.55%。在全膜雙壟溝種植條件下，玉米生育期內土壤剖面水分含量始終高于半膜平覆蓋種植，尤其是玉米灌漿期0—200 cm土層多蓄積了50—90 mm的土壤水分，在嚴重伏旱年份發揮了明顯的抗旱增產作用。不論降雨年型如何，4年期間全膜雙壟溝播玉米產量增加和WUE提高并沒有多消耗土壤水分，土壤深層未形成低濕層，也未觀察到增密增產對土壤剖面水分循環的負效應，而干旱年份半膜平鋪蓋形成了一個土壤水分＜8%的明顯干土層，并且隨著玉米生長時間的推后干土層厚度增加、范圍擴大。【結論】在目前地膜覆蓋和生產平均密度5.3萬株/hm2基礎上，“全膜雙壟溝播+耐密品種+增密1.5萬株/hm2”是年降雨450 mm以上旱作區玉米持續增產和水分高效利用的技術關鍵，增密增產不會導致土壤深層形成干土層。

旱作玉米；覆膜；密植增產；水分利用效率；土壤水分

0 引言

【研究意義】玉米已成為黃土高原旱作區糧食增產的主體，但受干旱缺水制約，產量水平一直較低，高效蓄保降水和提高水分利用效率無疑是旱作玉米長期研究的重大問題[1]，對確保糧食生產具有十分重要的意義。【前人研究進展】國內外長期關注旱作區農田水分的利用[2-5]，尤以美國大平原秸稈覆蓋與少免耕[6]、印度和以色列微集水種植著稱[7]。近20年來，中國農田壟溝覆膜集雨種植研究與應用取得了重大突破，特別是全膜雙壟溝集雨種植實現了農田壟面集流、覆膜抑蒸、溝壟種植集水保水用水的一體化[8]，旱作玉米產量提高30%[9]。壟膜溝種在改善旱作農田土壤水分環境和增糧節水中扮演著非常重要的角色[10]。玉米生產是群體條件下的生產，密度是影響其籽粒產量的重要因素之一，選擇緊湊型耐密品種來增大群體密度是獲得高產的關鍵措施[11-14]。當玉米種植密度成等差級數增加時，穗粒數成等比級數下降[15]，粒重隨密度增加呈直線下降[16]。在充分灌溉或補充條件下密度與籽粒產量、水分利用效率呈二次曲線關系[17-20]。增加玉米密度群體蒸騰耗水增加，加劇對土壤水分消耗，增加密度提高了耗水量[21]。不論什么降水年型，密度從6.0萬株/hm2增加到10.5萬株/hm2時，旱作玉米生育期總耗水量差異不明顯[13]。然而，黃土高原旱作玉米持續高產可能引起深層土壤水分過耗和土壤干燥化[22-23]，長期應用全膜雙壟溝技術會導致土壤水分負平衡和作物早衰，產量增幅降低[24-25]。【本研究切入點】目前，關于旱作玉米全膜雙壟溝種植的研究集中在土壤水溫效應與增產方面，增加密度與耗水量、水分利用效率的研究仍然不充分，連續多年的定位研究并不多見[26]，難以回答全膜雙壟溝平均的增產效應和高強度用水對土壤水分盈虧的影響。【擬解決的關鍵問題】本研究通過旱作覆膜玉米連作定位試驗，系統研究全膜雙壟溝種植農田土壤水分蓄保和循環利用特征、增密高產與水分利用等問題，為探明旱作農田水分持續高效利用機理、制定玉米穩定增產技術提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在黃土丘陵溝壑區寧夏彭陽縣白陽鎮崾峴村進行（北緯35°41′—36°17′，東經106°32′—106°58′）。試驗所在地海拔1 700 m，年均降水量460 mm，主要集中在7月、8月和9月，季節和年際間降水分配不均，年均蒸發量1 100 mm，年均氣溫7.4℃，≥0℃積溫2 600—3 700℃，無霜期140—160 d，屬典型溫帶半干旱大陸性季風氣候，黃綿土，肥力中等。根據玉米生育期（4—9月）降水量與對應期間降水分析，2012年為正常年、2013年為豐水年、2014年和2015年為干旱年（表1），其中，2015年夏秋連旱。特別是2014年5月、6月和7月降水量明顯偏少，2014年和2015年7月正值玉米授粉灌漿前期，降雨量僅是多年同期平均值的31.7%和36.5%，玉米嚴重受旱；2013年7月17日、2014年9月18日一日降水分別為190和141.5 mm，形成徑流損失，利用率不高（圖1）。

表1 2012—2015年試驗期間降水量

*（生育期降水-對應期間多年平均降水）/對應期間多年平均降水＞25%為豐水年、＜-25%為干旱年、-10%—10%為正常年

The difference of monthly rainfall to long-time average rainfall divided by long-time average rainfall is more then 25% for rainfall year and less than -25% for dry year and -10% to 10% for normal year

圖1 2012—2015年試驗期間降雨變化

試驗以覆膜方式為主處理，玉米品種為副處理，密度再裂區，隨機區組設計。主處理P為全膜雙壟溝覆蓋（P1：full plastic ridge-furrow cover，FPRF）和半膜平鋪蓋（P2：half plastic-flat cover，HPFC）2種，P1大壟寬70 cm壟高10 cm、小壟寬40 cm壟高15 cm，大小壟交替排列，玉米種在小壟溝內，P2田間地膜寬60 cm，地膜與裸地（50 cm寬）交替排列，玉米種在地膜上，地膜為0.008 mm厚度的聚乙烯薄膜；副處理H為3個玉米雜交種，吉祥1號（JX1，耐密中等中晚熟）、酒單4號（JD4，耐密性弱早熟）和先玉335（XY335，耐密性強中晚熟）；再裂區D為3個密度，D1、D2和D3分別為4.5、6.75、9.0萬株/hm2，當地生產平均密度5.3萬株/hm2。試驗處理18個，重復3次，共54個小區，小區面積長×寬=6.5 m×3.3 m=21.45 m2，行距55 cm，密度依株距調整。

試驗每年4月15日播種，先玉335和吉祥1號同期收獲，2012年10月10日、2013年10月13日、2014年10月18日、2015年10月11日，酒單4號早10天收獲。每公頃施尿素525 kg（其中300 kg播前20 d撒施翻耕整地覆膜，225 kg拔節期按株追施），覆膜前每公頃基施過磷酸鈣750 kg，5—6葉期去除分蘗定苗。當年玉米收獲后留茬留膜保墑，次年3月下旬揭膜整地重新覆膜施氮肥。田間管理同大田，玉米生長期不灌溉。

1.2 土壤水分及貯水量的測定

在播前、苗期、灌漿和收獲時每20 cm為一個土層單位，用土鉆采集0—200 cm土樣，烘干法測定土壤水分。各測定時期土壤貯水量（mm）SW = h×d×w×100%，式中，h為土層深度（mm），d為土壤容重（g·cm-3），w為土壤重量含水量（%）。

1.3 耗水量及作物水分利用效率的測定

旱作農田作物耗水量（evapotranspiration，ET）由水分平衡方程計算，ET(mm)=(SW2-SW1)+SR，式中SW1和SW2為收獲和播種時0—200 cm土壤貯水量，SR為生育期降雨量。作物水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg·mm-1·hm-2）=Y/ET，式中，Y（yield）為含水量14%時玉米籽粒產量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010整理數據，以試驗年份（2012、2013、2014和2015年）Y（4水平）、覆膜方式P（2水平）、品種H（3水平）、密度D（3水平）為4個因素，用SAS V8.1統計處理軟件進行多因素方差分析（ANVOA），利用法多重比較（a=0.05和0.01），檢驗4個處理因素對產量、耗水量和水分利用效率平均值的差異，并分析交互作用。

依據4個試驗年份玉米不同時期0—200 cm土層剖面水分實測值，利用Surfer軟件繪制土壤水分等值線圖，揭示試驗期間土壤剖面水分的時空變化特征。

2 結果

2.1 旱作地膜玉米籽粒產量的變化

連續4年玉米產量的綜合分析表明，降水年型（＜0.0001）、地膜覆蓋方式（＜0.0001）、品種類型（＜0.0001）和種植密度（＜0.0001）對旱作玉米產量（Y）的影響達到極顯著水平（表2）。在地膜覆蓋條件下，各因素對玉米產量的影響順序為降水年型＞密度＞覆膜方式＞品種。隨著降水年型從干旱（2015年和2014年）、正常（2012年）、豐水（2013年）年的變化（表3），籽粒產量（grain yield，GY）由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，正常年較干旱年增產34.92%—53.36%，較豐水年增產6.38%（與2013年7月份大暴雨造成的部分倒伏有關）。密度從4.75和6.0萬株/hm2增加到9.0萬株/hm2，產量分別達到8.34、10.06和11.27 t·hm-2（表3），低密度到中密度產量提高20.62%，中密度到高密度產量提高12.03%。覆膜方式由半膜平鋪蓋到全膜雙壟溝，產量從9.16 t·hm-2增加到10.60 t·hm-2，提高15.72%；品種耐密性由弱（酒單4號）到中（吉祥1號）產量增加15.46%，由中到強（先玉335）增加7.79%。

表2 品種（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）對玉米籽粒產量（GY）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）的方差分析

*、** 、***分別表示差異達到5%、1%、0.1%顯著水平

** Significant at the 0.05、0.01 and 0.001 probability level, respectively

表3 品種（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）對玉米籽粒產量（Y）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）平均值的多重比較

表中同列數據后對應的大、小寫字母分別表示在=1%和=5%水平由LSD法比較的差異顯著性

Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences at=5% and 1% level by LSD, respectively

除覆膜方式×年份對產量的交互作用不顯著外，其余兩因素交互作用均顯著或極顯著。品種×密度×覆膜、年型×覆膜×密度及四因素交互作用對產量影響不顯著，而品種×密度×年份、品種×覆膜方式×年份的三因素交互作用達到顯著水平。這與年際間降水變異大有關。

2.2 旱作地膜玉米水分利用效率的變化

在地膜覆蓋前提下，與玉米籽粒產量變化一樣，各因素同樣極顯著地影響水分利用效率的大小（表2），順序依然是降水年型＞密度＞覆膜方式＞品種。4個降水年型中，玉米WUE最高值并不在降水較多的年份，正常年型WUE最高（28.4 kg·mm-1·hm-2），較夏秋連旱的2015年提高51.22%、夏季干旱的2014年提高22.89%，降水較多的2013年WUE卻與2014年相當。玉米WUE隨著密度的增加而提高，密度由低到中增加2.25萬株/hm2時WUE提高17.35%，再由中到高增加同等數量的密度WUE提高12.73%。全膜雙壟溝較半膜平鋪種植WUE提高21.08%。隨著玉米品種耐密性的提高WUE增加，吉祥1號較酒單4號增加13.35%，先玉335較吉祥1號增加1.98%。

旱作玉米WUE除受降水年型、密度、覆膜方式、品種單一因素的顯著影響外，其兩因素、三因素、四因素的互作效應同樣達到極顯著水平，但密度×覆膜方式×年份的互作效應不顯著。

2.3 旱作地膜玉米田間耗水量的變化

旱作玉米地膜覆蓋種植下，各因素對田間耗水量變化的影響，同產量、WUE變化有相似的地方，但也有不同之處。降水年型、密度、品種對ET的影響達到極顯著水平（＜0.0001），大小順序為降水年型＞品種＞密度。田間耗水量隨降水量的增加而增加，而覆膜方式對ET影響不顯著（=0.4176），全膜雙壟溝ET 426.1 mm，半膜平覆蓋434.3 mm，即旱作玉米田間耗水量（包括作物蒸騰耗水與棵間蒸發）與地膜覆蓋方式關系并不密切（表3），增加地膜覆蓋面積主要是減少了土壤水分無效蒸發損失，提高了蒸騰耗水比例，降水量多少、品種水分利用能力、群體大小是旱作玉米耗水增產的主要驅動因子。然而，密度由低到中ET增加10.6 mm，達到極顯著水平，中密度與高密度之間ET差異不顯著。中晚熟耐密品種先玉335與吉祥1號之間ET無明顯差異，而較早熟耐密性弱的酒單4號ET增加18.6—23.0 mm，差異極顯著。

就各因素對ET的互作而言，降水年型、密度、覆膜方式、品種三要素之間互作效應和四要素互作效應，以及降水年型與品種、密度、覆膜方式二因素之間的互作效應，均達到顯著或極顯著水平，這與年際間降水變異大有關。但品種、密度、覆膜方式二因素之間的互作效應不顯著。

2.4 降水、密度、品種對旱作全膜雙壟溝玉米產量和水分效率的協同影響

旱作玉米地膜覆蓋下的單因素主效應和多因素互作效應分析表明，全膜雙壟溝較半膜平鋪種植以相近的田間耗水量顯著提高了產量和WUE，選擇耐密品種和增加密度是協同提高產量與WUE的關鍵。無論是正常年份、濕潤年份還是干旱年份，全膜雙壟溝種植下3個玉米品種產量、WUE、耗水量均隨密度的增加而提高（圖2）（2013年先玉335高密度下ET例外），不同密度之間ET增加幅度顯著小于產量、WUE增幅，WUE與產量的變化趨勢一致，即地膜覆蓋條件下增密是旱作玉米增產節水農藝措施調控的關鍵。旱作玉米產量和WUE與降水量有關，但與生育期降雨的季節分配更密切，2013年為豐水年，生育期降雨最多（594.1 mm），較2012年正常年增加179.3 mm，但不同密度、不同品種下的WUE值在2013年低于2012年，主要是2013年7—8月高強度降雨利用率低。盡管2014年生育期降雨與2012年相近（410 mm左右），但2014年是干旱年份，4月和9月降雨占生育期降雨的68.5%，而5—6月苗期、7月需水關鍵期降雨量僅是多年平均值的36.3%和31.7%，導致產量和WUE明顯降低。2015年生育期降水量最少且夏秋連旱，在4個試驗年份中產量和WUE均最低。

圖2 2012—2015年降水年型密度對全膜雙壟溝玉米耗水量、產量和水分利用效率的影響

先玉335和吉祥1號耐密中晚熟，生育期較耐密性弱的酒單4號長7—10 d，不論降水年型如何，隨著品種耐密性增強和密度增加，產量和WUE同步提高，品種與密度對產量和WUE協同作用豐水年份和正常年份大于干旱年份，但隨著降水量的減少品種與密度的協同效應降低（圖2）。

2.5 旱作地膜玉米生育期土壤水分變化及其垂直分布

從試驗開始的2012年4月到試驗結束的2015年10月，通過對玉米主要生育時期0—200 cm土壤水分的測定（圖3），不論降水年型如何，旱作農田全膜雙壟溝集雨種植（FPRF）土壤水分始終高于半膜平鋪蓋種植（HPFC）。無論全膜雙壟溝還是半膜鋪蓋，土壤中保蓄水分的多少（圖3）與季節性降水量高低基本一致（圖1），2013年豐水年保蓄的土壤水分高于2012年正常年，正常年高于2014年和2015年的干旱年。特別是試驗進行到2014年、2015年時，玉米整個生育期降水減少，7—8月共降雨90 mm左右，是多年同期平均降水量的47.9%，大約是2012年同期降水的50%和2013年的30%。2014年8月4日和8月20日FPRF處理土壤平均水分達到了12.50%和12.37%，較HPFC處理增加2.66和1.98個百分點，2015年7月30日和8月30日同樣處理的土壤水分為15.66%和13.55%，較HPFC處理增加3.49和3.39個百分點，即全膜雙壟溝種植在玉米灌漿期0—200 cm土層多蓄積了50—90 mm的土壤水分，在嚴重伏旱年份發揮了明顯的抗旱增產作用。

圖3 2012—2015年全膜雙壟溝與半膜平鋪蓋種植0-200 cm土層平均土壤水分變化

同半膜平鋪蓋相比，試驗期間全膜雙壟溝玉米不同生育期土壤貯水量也明顯增加。2012、2013、2014、2015年早春播前0—200 cm土層貯水量FPRF處理較HPFC處理分別增加68.7、56.3、77.8和63.2 mm，苗期干旱季節分別增加66.0、103.6、78.5和95.68 mm，到玉米收獲后仍然增加47.8、64.5、74.6和58.0 mm。

經過連續4年玉米耗水與降水補給的消長，全膜雙壟溝集雨種植0—200 cm剖面土壤水分垂直分布發生了明顯變化（圖4）。在4年試驗期間，FPRF處理0—200 cm土壤剖面水分始終高于HPFC處理，隨著土層深度的增加或玉米生育進程的推進，2種覆膜種植方式之間土壤水分趨勢性接近，但這種變化趨勢在不同氣候年份間不盡一致。正常年份2012年和豐水年份2013年土壤水分剖面分布特征基本相似，7、8月份降雨量是多年平均值的1—3倍，土壤水分得到恢復補償，到玉米灌漿后期100 cm以下兩種覆膜種植方式土壤水分趨于一致，兩年收獲時土壤水分都維持在相對較高的水平，2012年14%—15%，2013年18%—20%；但在干旱的2014年和2015年明顯不一樣，特別是2014年玉米苗期（6月4日）半膜平覆蓋0—140 cm土壤剖面水分已降低到8.31%—9.20%，全膜雙壟溝種植10.4%—14.3%，到灌漿后期（9月18日）100—180 cm土層土壤含水率全膜覆蓋和半膜覆蓋平均為12%和10.6%，特別是100—140 cm土壤水分半膜覆蓋下降到8.2%，較全膜覆蓋的11.7%低3.5個百分點，接近土壤萎蔫濕度，而160—200 cm土層2種覆膜方式土壤水分接近。夏秋連旱的2015年，9月15日整個剖面土壤水分全膜雙壟溝覆蓋較半膜平覆蓋平均高4.1個百分點，40—180 cm土層土壤水分高3.03—6.34個百分點。因此，無論降雨年型如何，全膜雙壟溝種植均能有效保蓄生育期降水，使土壤剖面水分高于半膜平覆蓋，干旱年份蓄水保水效果尤其明顯。

圖4 2012—2015年玉米生長期間0—200 cm土層土壤水分的垂直分布

2.6 旱作地膜玉米農田土壤水分利用恢復的時空變化特征

在2012—2015年期間，玉米生育期遇到了1個正常年份、1個豐水年份和2個干旱年份，覆膜農田水分不僅在土壤垂直剖面空間上明顯不同，而且在試驗期間形成了鮮明的時空差異特征。4年期間，全膜雙壟溝覆蓋與半膜平覆蓋0—200 cm土層土壤剖面水分等值線圖形成了鮮明的對照（圖5和圖6），半膜平覆蓋種植下農田土壤剖面水分均明顯降低，特別是干旱年份（2014年和2015年）形成了土壤水分的低濕層，并且低濕層厚度加深，持續時間延長。在半膜平覆蓋種植中，2012年9月中旬80—120 cm土壤水分降低到11.1%—12.5%，2013年6月上旬120—140 cm下降到11.8%—12.7%，2014年9月中旬100—140 cm土層降低到7.9%—8.7%，2015年同時期40—140 cm土層土壤水分下降到6.7%—9.5%，干旱年形成了一個土壤水分＜8%的干土層，并且隨著時間推移干土層厚度增加，范圍擴大。因此，不同降雨年份全膜雙壟溝集雨種植產量的增加，并沒有多消耗土壤水分，也未在土壤深層形成水分低濕層，尚未觀察到對土壤剖面水分循環的負面影響。

圖5 2012—2015年旱作全膜雙壟溝集雨種植玉米農田土壤水分時空分布圖

圖6 2012—2015年旱作半膜平鋪蓋種植玉米農田土壤水分時空分布圖

從農田水分平衡來看，4年全膜覆蓋連作玉米總耗水（1 680.2 mm）比半膜覆蓋（1 737.1 mm）減少56.9 mm，而玉米生育期間（2012年4月—2015年9月）和生產年度（2012年1月—2015年12月）總降水1 748 mm和1 920 mm。因此，在年均降水450 mm以上地區，連作4年的旱作玉米全膜雙壟溝播、半膜覆蓋種植降雨利用率達到87.5%和90.5%（4年總耗水/4年生產年度總降水），前者WUE25.38 kg×mm-1×hm-2，后者20.96 kg×mm-1×hm-2，即全膜雙壟溝集雨種植降低了土壤水分的非生產性消耗，將土壤蒸發耗水轉化為玉米蒸騰耗水，提高了水分利用效率。

3 討論

目前，國內所有旱作農田集雨種植研究中，壟膜溝種能最大限度蓄保降雨和提高作物水分利用效率的結論是毋容置疑的[8-10]，但產量和WUE增加幅度區域間差異很大。本研究4年連作玉米試驗，全膜雙壟溝播較半膜平輔蓋種植平均增產15.72%，WUE提高4.42 kg×mm-1×hm-2，其產量和WUE提高幅度首先與降水直接有關，其次是種植密度和品種耐密特性。在4.5—9.0萬株/hm2密度范圍內，隨著密度增加，旱作覆膜玉米產量、耗水量、WUE同步增加，主要是增加密度提高了玉米群體葉面積和蒸騰耗水量[11]，但耗水量增加幅度遠小于產量和WUE提高幅度，當密度超過6.75萬株/hm2后，耗水量卻變化較小而產量和WUE仍然增加，即使嚴重干旱的2014年和2015年，產量和WUE也是如此。在山西中部同樣降水量的旱作區，在密度6.0—10.5萬株/hm2范圍內，受干旱影響玉米產量隨密度先增加后減少，呈現拋物線型[13-14]，這可能與本研究密度范圍設定上限偏低有關。在旱作農田增加玉米種植密度必然加劇種內競爭，卻對耗水量影響不大，并且受土壤可供水量有限的影響，不同密度玉米總耗水量無差異，極差值僅4.1 mm[13]，旱作玉米合理密度應根據土壤底墑情況及降水進行預測。4年平均，本試驗全膜雙壟溝與半膜平輔蓋玉米耗水量也無明顯差異，這與年降水400 mm黃土高原半干旱地區同類試驗耗水量增加6.8%—12.1%，尤其是灌漿期耗水增加237.3%的結論不一致[27]，也有研究證實玉米耗水量在一定產量水平和一定地區內是相對穩定的數值, 由葉面蒸騰量與棵間蒸發量兩部分組成, 栽培措施僅改變棵間蒸發量與葉面蒸騰量比例[12,28]。

作物高產導致旱作農田土壤干層化[23]，特別是玉米全膜雙壟溝種植可能過度消耗土壤水分，技術的可持續性和密植高產受到質疑[24]。本研究結果卻不然，全膜雙壟溝種植在4.5萬株/hm2基礎上增加2.25萬株/hm2玉米產量提高20.62%、再增加同等數量密度繼續增產12.03%，4個不同降水年型期間全膜雙壟溝播土壤水分始終高于半膜平覆蓋種植，增密增產后并沒有導致土壤剖面形成干土層，這與白翔斌等[26]在陜西渭北旱塬全膜雙壟溝高產栽培玉米整個生育期不僅沒有導致土壤剖面土壤水分降低，在0—200 cm土層未形成干土層的研究結論一致，但干旱年份半膜覆蓋玉米灌漿期土壤水分降低到了凋萎含水量以下，出現了明顯的干土層。因此，在年降水450 mm以上的半干旱區，全膜雙壟溝播增密種植不會加劇土壤剖面水分的過度消耗，反而有利于持續增產和土壤水分蓄保利用。

4 結論

在完全依靠有限降雨的黃土高原旱作覆膜集雨種植系統中，全膜雙壟溝集雨保墑種植是旱作玉米增密增產和提高水分利用效率的前提，選擇耐密品種是增大群體持續增產的關鍵。半干旱區旱作玉米全膜雙壟溝種植較半膜平鋪蓋平均增產15.72%和水分利用效率提高21.09%。在一定密度范圍內，產量、耗水量、水分利用效率與密度同步增加，但耗水量增加幅度較小，密度超過一定值后，產量和水分利用效率提高并不多消耗土壤水分，增密增產節水效果顯著。不論降雨年型如何，全膜雙壟溝種植總能高效蓄保降水，4年期間農田土壤剖面水分始終高于半膜平鋪蓋種植，增密高產后土壤深層沒有形成干土層，而干旱年份半膜平鋪蓋土壤深層形成了明顯的干土層。在目前生產密度5.3萬株/hm2基礎上，“全膜雙壟溝+耐密品種+密度增加1.5萬株/hm2”是旱作玉米持續增產和提高水分利用效率的關鍵。

References

[1] Hatfield J L, Sauer T J, Pruceger J H. Managing soils to achieve greater water use efficiency: A review., 2001, 93(2): 271-280.

[2] David C N, Paul W U, Miller P R. Efficient water use in dryland cropping systems in the Great Plains., 2005, 97(2): 364-372.

[3] 韓思明. 黃土高原旱作農田降水資源高效利用的技術途徑. 干旱作區農業研究, 2002, 20(1): 1-9.

Han S M. Technical channels of high-efficient utilization of precipitation resources on dry-farming lands in Loess Plateau., 2002, 20(1): 1-9.(in Chinese)

[4] Li F M, Guo A H, Wei H. Effects of clear plastic film mulch on yield of spring wheat.,1999, 63(1): 79-86.

[5] Fan T L, Stewart B A, Payne W A, Wang Y, Song S Y, Luo J J, Robinson C A. Supplemental irrigation and water-yield relationships for plasticulture crops in the Loess Plateau of China.,2005, 97(1): 177-188.

[6] 楊學明, 張曉平, 方華俊. 北美保護性耕作及對中國的意義. 應用生態學報, 2004, 15(2): 335-340.

Yang X M, Zhang X F, Fang H J. Conservation tillage systems in North America and their significance for China., 2004, 15(2): 335-340.(in Chinese)

[7] Boers T M, Ben-asher J. A review of rainwater harvesting., 1982, 5(2): 145-158.

[8] Ren X L, Chen X L, Jia Z K. Effect of rainfall collecting with ridge and furrow on soil moisture and root growth of corn in Semiarid Northwest China., 2010, 196(2): 109-122.

[9] 楊祁峰, 劉廣才, 熊春蓉. 旱作玉米全膜雙壟溝播技術的水分高效利用機理研究. 農業現代化研究, 2010, 31(1): 45-51.

Yang Q F, Liu G C, Xiong C R. Study on highly efficient water utilizing mechanisms on techniques of whole plastic-film mulching on double ridges and planting in catchment furrows of dry-land maize.,2010,31(1): 45-51. (in Chinese)

[10] 任小龍, 賈志寬, 丁瑞霞. 我國旱區作物根域微集水種植技術研究進展及展望. 干旱作區農業研究, 2010, 28(3): 83-89.

Ren X L, Jia Z K, Ding R X. Progress and prospect of research on root-zone water micro-collecting farming for crop in arid region of China., 2010, 28(3): 83-89. (in Chinese)

[11] 劉化濤, 黃學芳, 黃明鏡, 閆六英, 池寶亮. 不同品種與種植密度對旱作玉米產量及水分利用效率的影響. 山西農業科學, 2010, 38(9): 32-34.

Liu H T, Huang X F, Huang M J, Yan L Y, Chi B L. Effect of varieties and plant-densities to yield and WUE in dryland maize., 2010, 38(9): 32-34. (in Chinese)

[12] 王小林, 張歲岐, 王淑慶. 不同密度下品種間作對玉米水分平衡的影響. 中國生態農業學報,2013, 21(2): 171-178.

Wang XL, Zhang SQ, Wang SQ.Effects of cultivars intercropping on maize water balance under different planting densities., 2013, 21(2): 171-178. (in Chinese)

[13] 張冬梅, 張偉, 陳瓊, 黃學芳. 種植密度對旱作玉米植株性狀及耗水特性的影響. 玉米科學, 2014, 22(4): 102-108.

Zhang DM, Zhang W, Cheng Q, Huang XF.Effects of planting density on plant traits and water consumption characteristics of dryland maize., 2014, 22(4): 102-108. (in Chinese)

[14] Tollenaar M, Lee E A. Yield potential, yield stability and stress tolerance in maize., 2002, 75(2): 161-169.

[15] Sundaresan V. Control of seed size in plants., 2005, 102(50): 17887-17888.

[16] 佟屏亞, 程延年. 玉米密度與產量因素關系的研究. 北京農業科學, 1995, 13(1): 23-25.

Tong P Y, ChenG Y N. The relationships between yield and density., 1995, 13(1): 23-25. (in Chinese)

[17] Sangoi L, Gracietti M A, Rampazzo C, Boanchetti P. Response of Brazilian maize hybrids from different ears to changes in plant density., 2002, 79(1): 39-51.

[18] 王楷, 王克如, 王永宏, 趙建, 趙如浪, 王喜梅, 李健, 梁明晰, 李少昆. 密度對玉米產量（＞1500 kg·hm-2）及其產量構成因子的影響. 中國農業科學, 2012, 45(16): 3437-3445.

Wang K, Wang K R, Wang Y H, Zhao J, Zhao R L, Wang X M, Li J, Liang M X, Li S K. Effects of density on corn yield and yield components., 2012, 45(16): 3437-3445. (in Chinese)

[19] 仲爽, 趙玖香. 玉米產量和水分利用效率與耗水量的關系. 齊齊哈爾工程學院學報, 2009(4): 28-30.

Zhong S, Zhao J X. Relationship of corn yield and WUE with water consumption.2009(4): 28-30. (in Chinese)

[20] 劉文兆. 作物生產、水分消耗與水分利用效率之間的動態關系. 自然資源學報, 1998, 13(1): 23-26.

Liu W Z. Dynamic relationships of crop production and water consumption and water use efficiency., 1998, 13(1): 23-26. (in Chinese)

[21] 劉鏡波. 不同栽培模式對旱作春玉米根系生長與水分利用的影響[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2011.

Liu J B. Effects of different cultivation patterns on root growth and water use of spring maize in dryland[D]. Yangling: Northwest Agriculture and Forestry University, 2011. (in Chinese)

[22] 胡偉, 陳豫. 黃土高原半干旱區旱作農田土壤干燥化研究. 河南農業科學, 2013, 42(4): 75-79.

Hu W, Chen Y. Research on soil desiccation on dry farmland in semi-arid areas of Loess Plateau., 2013, 42(4): 75-79. (in Chinese)

[23] 董翠云, 黃明斌, 李玉山. 黃土塬區旱作農田高生產力的水分環境效應與產量波動性. 土壤與環境, 2000, 9(3): 204-206.

Dong C Y, Huang M B, Li Y S. Effect of water environment and fluctuation with higher productivity in Table Dryland of Loess Plateau., 2000, 9(3): 204-206. (in Chinese)

[24] 李世清, 李東方, 李鳳民. 半干旱農田生態系統地膜覆蓋的土壤生態效應. 西北農林科技大學學報, 2003, 31(5): 21-29.

Li S Q, Li D F, Li F M. Soil ecological effects of plastic film mulching in semi-arid agro-ecological systems., 2003, 31(5): 21-29. (in Chinese)

[25] 莫非, 周宏, 王建永. 田間微集雨技術研究及應用. 農業工程學報, 2013, 29(8): 1-17.

Mo F, Zhou H, Wang J Y. Development and application of micro-field rain-harvesting techniques., 2013, 29(8): 1-17. (in Chinese)

[26] 白翔斌, 岳善超, 李世清, 陳迎迎. 不同栽培模式旱作春玉米農田土壤水分時空動態和產量效應. 干旱作區農業研究, 2015, 33(3): 164-170.

Bai X B, Yue S C, Li S Q, Chen Y Y. Effects of various cultivation systems on soil water space- time dynamics and yield of rainfed spring maize., 2015, 33(3): 164-170.(in Chinese)

[27] 王紅麗, 張緒成, 宋尚有. 旱作全膜雙壟溝播玉米的土壤水熱效應及其對產量的影響. 應用生態學報, 2011, 22(10): 2069-2614.

Wang H L, Zhang X C, Song S Y. Effects of whole field-surface plastic mulching and planting in furrow on soil temperature, soil moisture, and corn yield in arid area of Gansu Province, Northwest China., 2011, 22(10): 2609-2614. (in Chinese)

[28] 程維新, 歐陽竹. 關于單株玉米耗水量的探討. 自然資源學報, 2008, 23(5): 929-935.

Cheng W X, Ouyang Z. An Investigation on water consumption of an individual plant of maize., 2008, 23(5): 929-935. (in Chinese)

（責任編輯 李莉）

Grain yield and water use efficiency and soil water changes of dryland corn with film mulching and close planting

FAN Ting-lu1,2, LI Yong-ping3, LI Shang-zhong2, LIU Shi-xin3, WANG Shu-ying2, Ma Ming-sheng2

(1Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;2Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;3Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry, Guyuan 756000, Ningxia)

【Objective】Drought and water shortage are the main limiting factors for dryland agricultural production on Loess Plateau of China, and studies of the effects of film mulching and close planting and hybrids on dryland corn yield and water use efficiency (WUE) are of benefit to understand the relationship of future grain yield increase and water environment safety.【Method】A 4-year field experiment with three replications was conducted in Pengyang county, Ningxia, a hilly and gully region on China’s Loess Plateau, in continuous spring corn seasons from the year 2012 to 2015, and a randomized design was used with full film ridge-furrow cover (FPRF) and half film-flat cover (HPFC) , three corn hybrids of XY335 and JX1 with close planting and mid-late mature, and JD4 with spaced planting and early mature, and three plant densities of 4.5×104(Low), 6.75×104(Middle) and 9.0×104(High) plants/hm2. The area of each plot was 6.5 m′3.3 m. Soil water contents were determined at main crop stages in soil depths of a 200 cm with 20 cm depth as a soil layer. Seasonal ET amounts were calculated with growing season precipitation (precipitation received from planting to harvesting) and soil water changes. Grain yields in all plots were determined by hand-harvesting 12 m2. Soil moisture contour maps of 2012-2015 were drawn using SURFER V11 software. 【Result】Experimental factors highly affected dryland film mulched corn yield and water use, but the order of influence on grain yield and WUE was corn density ＞ film mulching pattern ＞ corn variety. With year’s type from dry years to normal and rainy years, grain yield increased from 7.72 and 8.79 t·hm-2to 11.86 to 11.15 t·hm-2, but the highest WUE value was obtained in normal year not in rainy year. When corn density increased from 4.5 ×104to 6.75 ×104plants/hm2, ETs, grain yield and WUE increased by 10.6 mm, 20.0% and 3.45 kg×mm-1×hm-2, and the density improved from 6.75×104to 9.0×104plants/hm2, ETs did not increase again and grain yield and WUE increased by 12.0% and 2.97 kg×mm-1×hm-2, respectively. Average grain yield of corn and WUE in FPRF increased by 15.72% and 21.09% compared with that in HPFC. Grain yield and WUE of JX1 and XY335 hybrids, with close planting and middle-late mature, increased by 15.46% -24.45% and 13.35% -15.55% compared with that of JD4 hybrid with low density and early mature. Whatever rainfall in the four years, profile soil water content at 0-200 cm layers during crop growing season was always higher in the FPRF than in the HPFC treatment, particularly the FPRF stored more than 50-90 mm soil water at the 0-200 layers in grain filling period, which played an important role in drought-resistance and WUE increase during serious summer drought. More importantly, the FPRF with significant corn yield increase by close planting did not deplete much soil water, yet not resulted in deep dry soil layers formation whether normal and rainy or dry year, and negative effects on soil water cycle were not observed in the FPRF. However, a dry soil layer with less than 8% of soil water was formed significantly in the HPFC treatment at deep layers in dry years, and dry soil thickness increased and it’s scope extended as corn growth. 【Conclusion】On the basis of film mulching with density of 5.3×104plants/hm2currently, the package of full ridge-furrow film mulching and close planting hybrids and density improvement of 1.5×104plants/hm2will be a key technique for sustainable grain yield increase of dryland corn and high efficient use of water in dryland area of annual rainfall over 450 mm, and the yield-increasing techniques with close planting did not cause deep dry soil layers formation.

dryland corn; film mulching; close planting and grain yield increasing; water use efficiency; soil water

2016-03-23；接受日期：2016-06-27

國家“十二五”科技支撐計劃（2012BAD09B03，2015BAD22B0-2和2013AA102902）、國家公益性行業（農業）科研專項（201503124和201303104）、甘肅省重大科技專項（143NKDJ018）

樊廷錄，Tel：0931-7614884；E-mail：fantinglu3394@163.com