檸條秸稈和地膜覆蓋措施對玉米生長光合特性和水分利用效率的影響

陳 林，楊新國，宋乃平，李學斌，翟德蘋

(1.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學 西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地， 寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學 西部生態與生物資源開發聯合研究中心， 寧夏 銀川 750021；4.華東師范大學生態與環境科學學院， 上海 200241)

檸條秸稈和地膜覆蓋措施對玉米生長光合特性和水分利用效率的影響

陳 林1，2，3，楊新國1，2，3，宋乃平1，2，3，李學斌1，2，3，翟德蘋4

(1.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學 西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地， 寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學 西部生態與生物資源開發聯合研究中心， 寧夏 銀川 750021；4.華東師范大學生態與環境科學學院， 上海 200241)

以甘農118玉米為試驗材料，于2013年和2014年在寧夏鹽池進行了大田試驗，設置單膜平作(single film mulching and flat planting，SFP)、雙膜平作(double film mulching and flat planting，DFP)、檸條粉溝覆平作(Caraganaintermediapowder ditch mulching and flat planting，CPDP)和裸地(Uncovered and flat planting，CK)4個處理，比較了其對旱地玉米生長、光合特性及水分利用效率的影響。結果表明，在降雨量較多和玉米生長末期，各處理玉米的株高、莖粗和葉面積間無顯著差異(P>0.05)；在降雨量較少時，覆膜處理(SFP和DFP)各生長特性間顯著高于CK和CPDP處理(P<0.05)，而CPDP和CK處理間則無顯著差異(P>0.05)。在玉米建植后的中后期，覆膜處理(SFP和DFP)光合速率和蒸騰速率高于CPDP和CK處理處理。總體看來，CPDP處理的水分利用效率(葉片水平和產量水平)均低于SFP和DFP處理。因此，不建議在研究區采取CPDP處理措施。

玉米；覆蓋措施；生長特性；光合特性；水分利用效率

玉米是重要的糧食作物[1]，大力發展玉米是確保我國今后糧食安全和飼料糧有效供給的途徑之一，也是我國農業科學研究的重點和熱點[2]。但我國玉米約有2/3種植在干旱半干旱地區，其對水分狀況反應較為敏感，在生長期間極易出現由于干旱引起的水分脅迫，同時受水資源季節分配與作物生長需水關鍵期錯位的影響，產量低而不穩，常年受旱面積高達40%，減產幅度為30%[3]，這成為影響玉米生長發育和產量提高的第一限制因素和主要非生物限制因素。栽培技術能高效集雨并合理利用[4]，其中覆蓋技術是大面積推廣的田間管理技術，能夠蓄積土壤水和減少土壤水分蒸發，顯著改善耕層土壤水熱狀況[5]，是一項行之有效的農業節水抗旱增產措施。因此，研究在不同覆蓋方式下作物生理變化特征及其機理，對尋求提高作物水分利用效率和抵御干旱災害新途徑有一定的積極意義[6]。

據統計，寧夏天然檸條林面積為2.62萬hm2，生物量為5.79萬t，人工種植的檸條林面積累計達到41.97萬hm2，生物量合計為71.24萬t。定期平茬是其生命得以延續的主要技術措施，有研究表明復壯更新利用周期按3年計算，年均更新利用面積將達到14.87萬hm2，預測年生產檸條約50～56萬t[7]。因此其資源可再生、來源豐富，但檸條秸稈通過覆蓋還田的效果及其作用機制如何，目前相關研究較少。

本研究從不同覆蓋措施出發，以旱地玉米為研究對象，初步研究了不同降雨年型下旱地玉米生長狀況、光合作用和水分利用效率(葉片水平和產量水平)對不同覆蓋措施的響應，以揭示不同降雨條件及不同時期玉米生長狀況、光合速率、蒸騰速率、氣孔導度等參數以及葉片水分利用效率和產量水分利用效率的變化特征，為該區玉米抗旱節水生理研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在寧夏鹽池縣皖記溝行政村(37°47′46″～37°53′31″N，107°24′54″～107°33′11″E)進行。該村位于鹽池縣城東北約3 km，地貌為鄂爾多斯緩坡起伏高原。氣候特點為干旱少雨，蒸發量大，冬春兩季風大沙多，屬典型的中溫帶大陸性氣候，年日照時數為2862.6 h，作物一年一熟。試驗地選擇地勢相對平坦，地力均勻一致的地塊。土壤為風沙土，肥力較差，2013年播種前土壤基礎肥力和機械組成見文獻[8]。2013年生長季內(5月20日—10月1日)降雨量為249.154 mm，占全年降雨量的87.55%，且有幾次較大的有效降雨，對玉米生長有利。在8月份，降雨量僅為19.55 mm，且只有一次9.21 mm的有效降雨，月平均氣溫達到了月平均最高值23℃。2014年生長季內(6月1日—9月30日)降雨量為91.590 mm，而玉米生長的中后期降雨量僅為23.9 mm，且多為<5 mm的小降雨事件。在生長季內氣溫無較大的波動，且晝夜溫差相對較大，有利于玉米生長和營養物質的積累。經統計，2013和2014年5—10月份月平均氣溫均在10℃以上，且播種至出苗日平均氣溫為10℃～15℃，出苗至拔節為14℃～22℃，拔節至抽雄為22℃～25℃，抽雄至授粉為24℃～29℃，授粉至成熟為15℃～26℃。可以看出，在玉米的各個時期，氣溫適宜其生長發育。因此，該地區試驗期內氣溫不是玉米生長的限制性因子。

1.2 試驗設計

試驗以甘農118玉米為研究材料，布設單膜平作(SFP)、雙膜平作(DFP)、檸條粉溝覆平作(CPDP)和裸地(CK)4個處理，其中SFP處理為小區面積內全部用地膜覆蓋1層，DFP處理為小區面積內全部用地膜覆蓋2層，地膜均為青銅峽華龍塑料工業有限責任公司生產的聚乙烯農用覆蓋薄膜(白色)，厚度0.01 mm、膜寬90 cm。考慮到平作覆膜不利于降水入滲而導致減產[9]以及由于地膜覆蓋具有導熱性差和不透氣的缺點，會導致多種覆膜作物生長發育中后期出現不同程度的早衰現象，影響作物產量和品質[10]，因此在玉米種植處預留直徑20 cm的圓孔。CPDP處理，在玉米地間隔50 cm開溝30～40 cm深，在溝內覆蓋長為1～3 cm的檸條秸稈，然后回填土鎮壓1～3 cm厚，檸條施用量為7 816.5 kg·hm-2。CK處理為常規種植方式。4個處理種植玉米的株行距均為50 cm。各處理3次重復，采用隨機區組排列，各小區長寬各為4 m，中間間隔1 m作為保護行，共12個小區。由于2012年10月2日西瓜收獲后對土地進行翻耕并實施覆膜，所以2013年播種前沒有進行施肥，且全年無施肥。為防止玉米連作導致作物生長不良、產量下降，防止造成試驗的過失誤差，本試驗在第二年選擇臨近的試驗樣地內進行。2014年5月15日一次性施底肥后實施覆膜，N、P2O5、K2O施肥量分別為225、150、135 kg·hm-2。2013年5月20日進行人工點播播種玉米，10月1日收獲；2014年6月1日人工點播播種，9月30日收獲。為保證玉米的發芽，2013年種植時每穴灌水2.5 kg，折合成降雨量為13.25 mm，2014年種植時每穴灌水5.0 kg，折合成降雨量為26.50 mm，此后則均無灌溉。試驗期間進行2～3次人工除草。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長特性測定 株高測定：用卷尺自地上根莖結合處至莖稈最高處的平均高度，用cm表示；莖粗采用游標卡尺量測莖桿直徑，用mm表示；葉面積為取全部展開葉片，測定葉長、最大葉寬，根據公式：葉面積=長×最大寬度×0.75(葉面積系數)，得出葉面積值，用cm2表示。2013年分別在6月9日、8月5日和8月20日，2014年分別在6月7日和6月28日在每個小區隨機選取(除邊行)9株生長發育基本一致的植株，對以上生長特性進行測量。

1.3.2 光合特性測定 在田間自然空氣條件下，每個小區選3～4株有代表性的健康玉米植株，每個處理共9～12株，用CIRAS-2便攜式光合測定儀(PP-Systems，英國)在晴朗無云的天氣于9∶00—11∶00活體測定不同處理玉米葉片的光合特性，葉片被測部位均在葉片的中上部，并且避開中脈，測定參數包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)。

1.3.3 水分利用效率計算 試驗期間采用TRIME-T3型TDR測量系統(德國IMKO公司)不定期測定0～100 cm土層土壤含水量。土壤貯水量和玉米全生育期耗水量的計算及結果參見文獻[8]。玉米成熟期每個小區隨機選取(除邊行)9株，收取生長發育基本一致的植株裝入樣品袋后帶回室內，晾干，稱重，并計算產量。產量、土壤貯水量和耗水量的計算以及結果參見文獻[8]。產量水分利用效率(YWUE)的計算公式為：玉米產量(kg·hm-2)與玉米生育期耗水量(mm)的比值表示，單位為kg·hm-2·mm-1。葉片水分利用效率(LWUE)以凈光合速率與蒸騰速率的比值表示，單位為μmol·mmol-1。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據的統計、分析和比較：在數據正態分布檢驗和數據轉換的基礎上，計算均值和標準差，對各項指標進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，利用LSD法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 對生長的影響

2013年不同覆蓋方式下玉米株高、莖粗和葉面積在生長前期(T1)有顯著差異，覆膜處理(SFP和DFP)均顯著高于CK處理(P<0.05)，而CPDP和CK處理間差異不顯著(P>0.05)，CPDP處理僅株高與覆膜處理(SFP和DFP)無顯著差異，莖粗和葉面積分別較覆膜處理(SFP和DFP)顯著低22.85%～34.74%和39.77%～45.49%(P<0.05)；隨著生育期推進(T2和T3)，降雨量增多的同時，土壤含水量也有所改善，各處理間玉米株高、莖粗和葉面積無顯著差異(P>0.05)。

2014年在玉米苗期(T4)，覆膜處理(SFP和DFP)株高和莖粗較CK處理分別高32.70%～33.33%和20.55%～23.12%，達到了顯著差異(P<0.05)，CPDP處理玉米株高僅比CK處理高4.05%，莖粗則高11.71%，但均未達到顯著差異(P>0.05)；到T5時期，覆膜處理(SFP和DFP)株高和莖粗較CK處理的增幅進一步加大，分別高38.81%～46.39%和34.02%～39.16%，葉面積則較CK處理顯著高達143.01%和189.96%(P<0.05)。CPDP處理葉面積高于CK處理93.99%，達到了顯著差異(P<0.05)。

2.2 對光合速率、蒸騰速率和氣孔導度的影響

不同處理下玉米葉片光合特性見圖1。2013年生長前期(T1)CK處理玉米葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均顯著低于SFP、DFP和CPDP處理(P<0.05)，葉片光合速率較之分別低18.42%、19.89%和24.08%，蒸騰速率則低27.99%、29.02%和38.56%，氣孔導度為31.30%、30.77%和40.15%；而SFP、DFP和CPDP處理間葉片光合速率、蒸騰速率和氣孔導度未達到顯著差異(P>0.05)。隨著氣溫升高和降雨量增多，到T2時期，CPDP處理玉米葉片光合速率和蒸騰速率最高，顯著高于其他三個處理(P<0.05)，分別較CK處理高達44.58%和50.72%；而DFP處理的氣孔導度顯著高于其他三個處理(P<0.05)。玉米生長的中后期(T3)，SFP和DFP處理的光合速率和蒸騰速率分別較CK處理高12.46%～13.19%和14.23%～17.15%，達到了顯著差異(P<0.05)，CPDP處理葉片光合速率和蒸騰速率低于CK處理11.73%和9.62%，但未達到顯著差異(P>0.05)；CPDP處理葉片氣孔導度最高，較CK、SFP和DFP處理高63.66%、29.36%和13.17%，與CK處理和SFP處理達到了顯著差異(P<0.05)。

表1 不同處理玉米生長特性

注：T1為2013年6月9日(苗期)；T2為2013年8月5日(拔節期)；T3為2013年8月20日(抽雄期)；T4為2014年6月7日(苗期)；T5為2014年6月28日(拔節期)，下同。同列不同小寫字母表示不同處理間在5%水平上差異顯著。

Note: T1: 2013-06-09 (seedling stage), T2: 2013-08-05 (jointing stage), T3: 2013-08-20 (tasseling stage), T4: 2014-06-07 (seedling stage), T5: 2014-06-28 (jointing stage), the same below. Different lowercase letters in each column mean significant difference at 0.05.

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間在5%水平上差異顯著，下同。Note: Different lowercase letters at each stage mean significant difference at 0.05. The same below.

圖1 不同處理不同時期玉米光合特性

Fig.1 Photosynthetic characteristics of maize under different treatments

2014年玉米建植初期(T4)，CPDP處理的光合速率較CK處理低3.72%，而蒸騰速率則高7.29%，均未達到顯著差異(P>0.05)；SFP和DFP處理光合速率和蒸騰速率較CPDP處理顯著高8.36%～15.33%和13.11%～36.41%(P<0.05)；DFP處理的光合速率和蒸騰速率較SFP處理分別高6.43%和20.60%，均未達到顯著差異(P>0.05)；CK處理的氣孔導度較SFP、DFP和CPDP處理分別低7.94%、11.97%和3.95%，但4個處理間均無顯著差異(P>0.05)。隨著生育期的推進(T5)，各處理光合特性發生明顯變化，CK處理光合速率較SFP處理低12.73%(P>0.05)，較DFP處理低24.53%(P<0.05)，CPDP處理比CK處理低13.74%(P<0.05)；SFP處理光合速率比DFP處理低13.52%(P>0.05)。蒸騰速率方面，DFP處理分別較CK和CPDP處理高63.38%和31.82%(P<0.05)，僅比SFP處理高9.95%(P>0.05)；SFP處理較CPDP處理高19.89%(P>0.05)，比CK處理高48.59%(P<0.05)；而CPDP處理較CK處理高23.94%(P<0.05)。在氣孔導度方面，SFP和DFP處理分別較CK和CPDP處理高27.78%～29.23%和39.70%～41.29%(P<0.05)；而CK處理僅比CPDP處理高9.33%，未達到顯著差異(P>0.05)。

2.3 對水分利用效率的影響

葉片水分利用效率方面，在2013年玉米建植初期(T1)，CK處理顯著高于SFP、DFP和CPDP處理(P<0.05)，分別高13.29%、12.87%和23.55%；CPDP處理則顯著低于SFP和DFP處理(P<0.05)，分別低8.31%和8.64%；而SFP和DFP處理間無顯著差異(P>0.05)。到T2時期，僅DFP處理顯著高于CK、SFP和CPDP處理(P<0.05)，分別高9.12%、9.27%和13.76%。而在玉米生長的中后期(T3)，各處理間均無顯著差異(P>0.05)。次年的葉片水分利用效率各處理間差異較大，在T4時期，CK處理顯著高于其他三個處理(P<0.05)，增幅為11.44%～31.81%；DFP處理顯著低于SFP和CPDP處理(P<0.05)，分別低11.75%和15.45%。到了T5時期，CK處理較其他處理的增幅高達23.30%～43.68%(P<0.05)；而CPDP處理則顯著低于SFP和DFP處理(P<0.05)，降幅分別為9.75%和14.19%；SFP和DFP處理間無顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同處理不同時期葉片水分利用效率和產量水分利用效率

Fig.2 Leaf water use efficiency (LWUE) and yield water use efficiency (YWUE) of maize under different treatments

玉米產量水分利用效率方面，2013年CPDP處理產量水分利用效率顯著低于CK、SFP和DFP處理(P<0.05)，較之分別低27.22%、35.32%和41.82%；CK處理顯著低于SFP和DFP處理(P<0.05)，分別低11.12%和20.06%；SFP和DFP處理產量水分利用效率無顯著差異(P>0.05)。2014年SFP和DFP處理產量水分利用效率顯著高于CPDP和CK處理(P<0.05)，SFP處理高出32.04%～35.84%，DFP處理則高50.57%～54.90%；DFP處理較SFP處理高14.03%，但無顯著差異(P>0.05)；而CPDP和CK處理間僅差2.88%，也無顯著差異(P>0.05)。

3 結論與討論

覆蓋措施主要集中在西北、東北和內蒙古等積溫不足、土壤水分虧缺的地區[9]，并被認為是一種有效的節水技術，在一定程度上可有效地增大光合勢[11]、降低蒸散和棵間蒸發、提高水分利用效率[12]、顯著提高作物產量[13]。而適量的秸稈覆蓋同樣能促進玉米生長和提高產量：李榮[14]等研究得出，采用玉米秸稈覆蓋，具有較好的降溫和保水保墑效果，土壤養分含量明顯增加，顯著促進了玉米前期的生長；朱自璽[15]等認為，夏玉米進行小麥秸桿和殘茬覆蓋可改變玉米耗水規律，減少前期棵間蒸發，增加后期植株蒸騰，促進干物質積累，使玉米產量和水分利用效率明顯提高；殷濤[16]等對秸稈地膜雙覆蓋的效果研究后認為，在玉米生育前期秸稈地膜雙覆蓋可以增加表層土壤溫度，提高表層土壤含水率，為玉米生長提供了良好的水熱條件，并最終實現了玉米產量和水分利用效率的大幅提高。但本研究中關于秸稈覆蓋并未能得出以上的結論，CPDP處理玉米的生長、光合性能以及水分利用效率(葉片水平和產量水平)均相對較低，這可能與覆蓋方式不同有關，也可能是秸稈產生了與作物爭奪水分的現象[17]或者與其對玉米具有一定的化感作用有關[18]。

水分利用效率是全面反映玉米植株水分利用狀況的綜合指標，一般在葉片水平、群體水平和產量水平的水分利用效率三個層次上研究，其中葉片水分利用效率指水的生理利用效率或蒸騰效率，反映了作物生產過程中單位水分的能量轉化效率，在其它層次水分利用效率研究中處于基礎地位，為水分利用效率的理論值[19]，而產量水平水分利用效率最接近實際生產，是目前研究最多的一個層次，也是農業生產的目的指標。但多數學者研究只集中在某一個層次上，本研究從葉片水平和產量水平水分利用效率兩個方面進行了相關研究：總體看來，CK處理的葉片水分利用效率較高，這可能和適度的水分脅迫條件下，玉米葉片水分利用效率的降幅低于光合、蒸騰速率和氣孔導度的降幅，甚至有時會高于水分條件較好下的水分利用效率，適當的水分脅迫能使玉米葉片的水分利用效率提高，從而增強葉片對水分的利用能力，抵御干旱的逆境有關[20]；在產量水分利用效率方面，同一處理的產量年際間有明顯波動，這與生育期降水量、降雨格局有關，但不同處理間產量水分利用效率均表現為覆膜(SFP和DFP)處理高于CK和CPDP處理，這可能是覆膜發揮了蓄水保墑、增進產量的作用。然而，有研究認為高產能否掩蓋高耗水，高耗水的累加是否導致土壤水分虧缺加劇，引起土壤干化、影響作物生產及生態安全，針對干旱半干旱區多變虧水環境，只以高產、增產作用評價農業技術的效益存在一定的片面性[21]。

氣象條件(溫度、降雨)等對旱地玉米產量的影響很大[22]。蘇新宏等[23]研究豫南雨養區夏玉米產量與氣象因子的關系表明，降水量是玉米生產中最關鍵的氣候因子；李尚中[24]等研究表明，在干旱年型，全膜雙壟溝播產量較露地提高76%，平水年型則高達91%；不同降雨年型及格局會影響到植物生物量的分配，降雨量主導著植物總生物量和葉莖根各部分生物量，而降雨頻次能調節植物地上和地下部分生物量分配的比例[25]。因此，今后應加強研究降雨格局變化對植物光合作用和生物量分配的影響。

致謝：感謝寧夏大學2012級和2013級生態學專業的研究生為本研究所做的基礎工作。

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Effects ofCaraganaintermediapowder and plastic film mulching measures on growth, photosynthetic characteristics and water use efficiency of maize

CHEN Lin1，2，3, YANG Xin-guo1，2，3, SONG Nai-ping1，2，3, LI Xue-bin1，2，3, ZHAI De-ping4

(1.KeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorthwestChinaofMinistryofEducation,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China; 2.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China; 3.UnionResearchCenterforEcologyandExploitationofBiologicalResourcesinWesternChina,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China; 4.CollegeofEcologicalandEnvironmentalScience,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

Using the maize cultivar Gannong 118 as material, a field experiment was conducted in Yanchi County, Ningxia Hui Autonomous Region in 2013 and 2014, with the purpose to investigate the effects of different treatments, including single film mulching and flat planting (SFP), double film mulching and flat planting (DFP),Caraganaintermediapowder ditch mulching and flat planting (CPDP), and uncovered and flat planting (CK), on the growth, photosynthetic characteristics and water use efficiency (WUE) of dryland maize. The results showed that, when the rainfall was abundant, there was no significant difference in plant height, stem diameter and leaf area at late growth stage of maize among different treatments; however, when the rainfall was deficient, all the growth parameters of maize under SFP and DFP were significantly better than those under CK and CPDP (P<0.05), and there was no significant difference between CK and CPDP. In the middle and late period of maize, the photosynthetic rate and transpiration rate of SFP and DFP were significantly higher than those of CPDP and CK (P<0.05). The WUE (including both leaf WUE and yield WUE) of CPDP was generally lower than that of SFP and DFP. Therefore, CPDP is not suggested to be applied in the study area.

maize; mulching measure; growth characteristics; photosynthetic characteristics; water use efficiency

1000-7601(2017)02-0025-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.05

2015-12-15基金項目：國家自然科學基金項目(31460123，31460161，41461046)；國家重點基礎研究計劃(973)前期專項(2012CB723206)；寧夏自然科學基金(NZ14006)

陳 林(1983—)，男，湖南湘鄉人，寧夏大學助理研究員，博士研究生，主要從事干旱半干旱地區資源與環境研究。 E-mail：chenlin198388@163.com。

宋乃平(1963—)，男，陜西扶風人，寧夏大學教授，博士，博士生導師，主要從事土地利用與生態過程研究。 E-mail：songnp@163.com。

S216；S282

A