種植模式和補灌對玉米生長發育及產量的影響

方彥杰，秦安振 ，雍蓓蓓

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所/河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站，河南 新鄉 453002；2.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，蘭州 730070；3.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002)

西北黃土高原半干旱區在中國旱作農業生產中占有重要地位[1]，干旱缺水是制約該區農業發展的最主要瓶頸之一[2]。該區地下水位深，降水量少且季節分配不均，缺水和季節性干旱嚴重制約著旱地農業的發展[3]。因此，充分利用降水，大力發展節水農業，提高降水利用率，是旱地農業可持續發展的根本途徑和重要戰略方向[4,5]。“集雨、蓄水、保墑和用水”是旱作集雨種植技術的關鍵[6,7]。作為最典型的黃土高原半干旱區，甘肅省最早開展作物集雨補灌試驗研究，并制定出版了《甘肅省雨水集蓄利用工程技術標準》[8]，2004年以來，甘肅省農業工作者摸索研究的玉米全膜雙壟溝播集雨栽培技術，現已成為中國旱作區玉米主推技術[9]。

旱地玉米是甘肅省中東部農業主要產業，常受季節性干旱等自然條件影響，生長發育緩慢[10]，嚴重干旱年份，可減產20%～40%[11,12]，而集雨補灌可有效解決玉米生長過程中自然降水與需水供需錯位，實現降水資源時空配置[13]。旱作農田集雨種植通過田間起壟覆膜，使降雨集中于作物根部，減少地面水分蒸發，最大限度的充分利用自然降雨，還能增產40%以上，水分利用效率提高50%[9,14,15]。因此，將旱作地膜覆蓋集雨種植與定量補灌結合組成一種新的技術體系，在玉米關鍵生育期遭受干旱脅迫時僅在種植溝內進行補灌，對西北旱作區玉米生產具有重要意義。

種植密度是影響玉米產量及其構成因素的最主要因素[16]。合理的種植密度可使玉米群體與個體協調發展，獲得最大產量[17]。研究認為，產量隨種植密度的增加而增加，但達到一定程度以后，產量逐漸下降[16,18]，玉米的耗水量隨種植密度的增加均呈增加趨勢[19]。因此，本研究在全膜雙壟溝種植技術與限量灌溉條件下，探討不同種植模式對玉米生長發育及產量的影響，旨在探尋干旱條件下玉米適宜的種植密度，為黃土高原半干旱區玉米生產過程中的集雨灌溉和栽培管理提供一定理論技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在甘肅省定西市安定區團結鎮唐家堡村，甘肅省農業科學院定西試驗站進行。地處104°36′ E，35°35′ N，海拔1970 m，年均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ/m2，年日照時數2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養農業區。年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相對變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗區土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g/cm3，田間持水量為21.18%，凋萎系數為7.2%，土壤有機質為11.99 g/kg、全N為1.16 g/kg、全P為25.3 mg/kg、全K 為172.8 mg/kg、pH 8.35。

1.2 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，設置FMRF70(全膜雙壟溝播種植，大壟寬70 cm，小壟寬40 cm)、FMRF60(全膜雙壟溝播種植，大壟寬60 cm，小壟寬40 cm)、FMRF50(全膜雙壟溝播種植，大壟寬50 cm，小壟寬40 cm)、FP(全膜平作種植，寬行70 cm，窄行40 cm)共4種種植模式(見表1)，重復3次。玉米品種為“先玉335”，株距35 cm。小區面積6 m×10 m=60 m2。各處理施肥量均為：有機肥(羊糞)15 t/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2，全部作為基肥，N 180 kg/hm2，其中60%作基肥，40%作拔節期追肥。2016年3月25日覆膜，4月22日人工穴播，8月15日灌水900 m3/hm2，10月8日收獲。

表1 試驗處理設置

1.3 測定項目

1.3.1 干物質累積

干物質累積量分別在玉米的苗期，拔節期，大喇叭口期，吐絲期，灌漿期和成熟期測定；隨機取樣10株(大喇叭口期后取5株)，之后在80°C烘箱烘干72 h。

1.3.2 葉面積指數(LAI)

在玉米關鍵生育期用CI-110植物冠層結構分析儀(CID，美國)測定，每小區重復5次，取平均值進行分析。

1.3.3SPAD值

在玉米關鍵生育期每小區選取長勢均勻的10株，用SPAD-502plus葉綠素儀對玉米最大葉進行SPAD值的測定，每一片葉測3個位點，取平均值進行分析。

1.3.4 土壤水分

用烘干法在玉米播期、苗期、拔節期、大喇叭口期、花期、乳熟期和收獲期測定0～200 cm土層土壤含水量，每20 cm為1個層次。

土壤貯水量計算公式：

WS=WS×γ×d/100

(1)

式中：WS為土壤重量含水量，g/kg；γ為土壤容重，g/cm3；d為土壤深度，cm。

耗水量：玉米耗水量(Evapotranspiration,ET, mm)的計算使用了水分平衡方程：

ET=P+I+WSs-WSh

(2)

式中：P為降雨量，mm；I是灌溉量，mm；WSs和WSh分別是播種前和收獲后的0～200 cm土層的土壤貯水量，mm。

1.3.5 水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

(3)

式子中：Y為玉米單位面積產量，kg/hm2；ET為生育期耗水量，mm。

1.3.6 產 量

作物產量 (kg/hm2) 的計算采用小區實打實收的產量，籽粒晾曬后進行測產。

1.4 試驗數據處理

用Excel 2007和DPS統計分析軟件進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 試驗區2016年玉米生育期降雨量及平均氣溫變化

玉米生育期內共降雨204.8 mm，39次，有效降雨9次(>10 mm)，低于多年平均值，屬干旱欠水年(圖1)。玉米生育期內最低溫為6.6 ℃，最高溫為24.2 ℃，平均氣溫為16.31 ℃。玉米生育期內降雨季節分布不均，播種至拔節期降雨89. 5 mm，有效降雨4次，喇叭口期至抽雄期降雨45.7 mm，有效降雨2次，平均氣溫18.5 ℃，但在玉米吐絲后至籽粒形成期沒有降雨，平均氣溫22.3 ℃，持續高溫干旱，影響了玉米籽粒形成，8月25日后至收獲期，降雨29.3 mm，但沒有形成有效降雨。2016年試驗區季節性高溫干旱災害現象突出，對玉米產量有顯著影響。

圖1 玉米生育期降雨分布和平均氣溫變化

2.2 干物質積累

不同處理條件下各生育期玉米的干物質積累量可知(表2)，整個生育期內，FMRF70玉米干物質積累量均表現較其他處理高，FP次之。苗期各處理間無顯著性差異(P<0.05)，較其他處理均差異顯著(P<0.05)；拔節期FMRF70均較其他處理差異顯著(P<0.05)，分別較其他處理高7.17%、11.71%和7.71%；喇叭口期后均表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，吐絲期和成熟期FMRF70與FP均無顯著性差異(P<0.05)，與FMRF60和FMRF50均差異顯著(P<0.05)，成熟期FMRF70較其他處理分別高2.51%、26.88%和13.82%。

表2 各處理玉米干物質積累 g/株

2.3 葉面積指數(LAI)

由圖2可以看出，生育期內葉面積指數(LAI)變化趨勢基本一致，拔節期至吐絲期逐漸上升，至吐絲期LAI最大，灌漿期下降，表現為吐絲期>喇叭口期>灌漿期>拔節期>成熟期。處理間不同生育期均表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，喇叭口期FMRF70較其他處理分別高1.25%、4.41%和5.79%，吐絲期和灌漿期FMRF70較其他處理差異顯著(P<0.05)，分別高出3.74%～15.58%，13.62%～31.78%。

圖2 各處理玉米葉面積指數(LAI)

2.4 葉片SPAD

葉片SPAD值代表玉米葉片的濃綠程度(表3)。各處理SPAD表現為拔節至吐絲期是逐漸增加的，但是在灌漿期降低。拔節期、喇叭口期均表現為FMRF70和FP無差異，但與FMRF60和FMRF50差異顯著(P<0.05)；吐絲期和灌漿期SPAD值FMRF70和FP無差異，但與FMRF60差異顯著(P<0.05)，三處理均與FMRF50差異顯著(P<0.05)，SPAD值表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50。

表3 各處理玉米葉片SPAD

2.5 土壤水分

2.5.1 0～200 cm土壤貯水量變化

由圖3可知，各處理不同生育期0～200 cm土壤貯水量有明顯差異。播種至苗期階段降雨較多，0～200 cm土壤貯水量增加顯著，苗期至籽粒形成期，隨著生育進程延伸，土壤貯水量呈降低趨勢，在籽粒形成后(8月20日)，由于補灌900 m3/hm2和降雨增多，乳熟期0～200 cm土壤貯水量增加。播種期0～200 cm土壤貯水量表現為FMRF70(275.2 mm)>FMRF60>FP>FMRF50(260.59 mm)，但處理間差異不顯著；拔節期0～200 cm土壤貯水量FMRF70和FMRF60基本一致，明顯高于FP和FMRF50，差異顯著(P<0.05)；喇叭口期0～200 cm土壤貯水量FMRF70最高，為284.99 mm，FMRF60次之，FP和FMRF50基本一致，FMRF70分別高6.64%、17.49%和20.66%；吐絲期、籽粒形成期和乳熟期處理間0～200 cm土壤貯水量差異減小，均表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50；成熟期土壤貯水量無顯著性差異。

圖3 各處理不同生育期0～200 cm土壤水分動態

2.5.2 不同生育期階段耗水量變化

不同生育階段0～200 cm土壤耗水量差異比較明顯(表4)。播種至出苗階段表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，FMRF70和FP與FMRF50、FMRF60差異顯著(P<0.05)；出苗至拔節階段變為FMRF50>FP>FMRF70>FMRF60，處理間差異顯著(P<0.05)；喇叭口至吐絲階段FMRF70最高，FMRF60次之，FP和FMRF50耗水量較低；吐絲至灌漿階段表現為FMRF50最高，FMRF70和FMRF60次之，FP耗水量最低，與其他處理差異顯著(P<0.05)；灌漿至成熟階段FP最高，FMRF70次之，與FMRF60和FMRF50差異顯著(P<0.05)。

表4 各處理不同生育階段0～200 cm土壤耗水量 mm

2.6 生長及籽粒性狀

由表5可以得知，處理間成熟期株高差異顯著(P<0.05)，表現為FMRF70>FP>FMRF50>FMRF60；莖粗、穗長和穗粗表現一致，FMRF70和FP無差異，但與FMRF60和FMRF50差異顯著(P<0.05)；穗位高FMRF70與其他處理均差異顯著(P<0.05)；禿尖長FMRF70最小，與其他處理均呈顯著差異(P<0.05)；行粒數FMRF70最多，FP次之， 兩處理均與FMRF60和FMRF50差異顯著(P<0.05)；百粒重表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，FMRF70與其他處理差異顯著(P<0.05)。

表5 各處理玉米生長及籽粒性狀

2.7 產量和WUE

由表6可以看出，玉米生育期降雨量為204.8 mm，8月20日補灌雨水8.99 mm，生育期0～200 cm土壤耗水量、經濟產量和水分利用效率均表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50， FMRF70較其他處理差異顯著(P<0.05)，FMRF60和FMRF50無顯著性差異。0～200 cm土壤耗水量FMRF70分別較其他處理增加2.78%、5.27%和4.94%，FMRF70產量為6316.05 kg/hm2，較其他處理分別增加19.20%、70.51%和78.96%，FMRF70WUE為24.02 kg/(hm2·mm)，較其他處理分別增加15.97%、62.47%和70.00%。

表6 各處理玉米產量和WUE

3 討 論

3.1 玉米生長發育對種植模式和補灌的響應

全膜雙壟溝播技術能夠顯著影響半干旱區玉米生長發育[9]。大量的研究表明，與傳統平作相比，壟溝集雨種植玉米可提高葉面積指數，增加干物質量的積累，穗粒數、百粒重、穗粗和禿尖長等經濟性狀指標也明顯優于平作[20]。玉米對密度變化較為敏感，合理的種植密度可以解決玉米群體與個體的矛盾，使群體發育和個體生長得到協調[21]。研究認為當種植密度合理增加時，玉米葉面積指數和群體生物量增加[22]，然而，葉綠素含量、穗長、穗粒數和百粒重降低[23]。灌水對玉米株高和葉面積影響顯著，缺水會影響玉米的營養生長，導致株高和葉面積降低[24]，補灌后顯著提高玉米穗粒數、百粒重，獲得較高產量[25]。本研究通過對全膜雙壟溝技術大小壟寬比例的改變，調控玉米播種密度(保持玉米株距一致)，結果表明，在欠水年份玉米生育期降雨204.8 mm的條件下，8月15日玉米灌漿期補灌900 m3/hm2，FMRF70能夠增加不同生育期干物質積累量，其中成熟期干物質積累增加2.51%～26.88%；生育進程內葉面積指數均高于其他處理，其中吐絲期和灌漿期LAI增加3.74%～15.58%，13.62%～31.78%，差異顯著(P<0.05)；生育期內葉片SPAD平均值表現為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，分別增加1.56%、5.69%和8.75%；成熟期株高增加5.7%～15.8%、穗位高上升11.5%～15.0%、穗長增加0.3%～13.3%、禿尖長降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%。可知，在西北半干旱區全膜雙壟溝播技術條件下，灌漿期行適量補灌，FMRF70處理能夠優化玉米生長環境，有利于玉米籽粒灌漿。

3.2 種植模式和集雨補灌對旱地玉米產量及水分利用效率的影響

全膜雙壟溝播種植技術通過地膜覆蓋、壟溝集雨、大小壟比例調控作物生長所需的水熱等資源，以改善玉米生長微環境，具有顯著的增產效應[9,13]。壟溝比例對玉米覆蓋集雨種植技術影響顯著[26]，適宜的壟寬比例可以顯著提高產量[27]，認為主要是通過增加有效貯水量來提高作物產量[28]。本研究得出FMRF70生育期0～200 cm土壤平均貯水量較其他處理增加8.0～23.54 mm。可知，在試驗區全膜雙壟溝大小壟比例為70 cm∶40 cm時增產增效最佳，可以增加產量19.20%～78.96%。

水分利用效率的大小主要受到產量、耗水量、灌水量和降雨量的影響[29]。種植密度是當前玉米提高單產的最關鍵措施之一[30]。然而，如果種植密度過高，土壤水肥條件不足，通風透光不良，影響玉米生長，最終導致產量降低。本試驗條件下，降雨量明顯不足，FMRF60和FMRF50(密度分別為57 750和63 000 株/hm2)，嚴重影響了兩處理玉米生長及產量。研究表明玉米生育期耗水量隨種植密度的增加而增大，認為主要是由于生育前期耗水量的增加所致[30]，而本試驗在旱地玉米研究表明，在不同玉米生長階段，處理間耗水量差異顯著(P<0.05)。研究認為適度的補充灌溉可提高作物水分利用效率[24-25]，本試驗玉米生育期降雨量204.8 mm，顯著低于玉米本身耗水量，在玉米需水臨界期灌漿期補灌后，使得FMRF70乳熟期0～200 cm土壤貯水量增加7.76～37.56 mm，顯著提高玉米籽粒源的水分供應，從而獲得較高經濟產量[31]。本研究結果表明，在全膜雙壟溝播種植條件下，玉米灌漿期補灌后，FMRF70可以提高水分利用效率15.97%～70.00%。

4 結 語

在典型的黃土高原半干旱區，利用田間試驗，研究了不同種植模式和集雨補灌對玉米生長發育的影響，得出以下結論。

(1)在欠水年補灌條件下，全膜雙壟溝播(FMRF70)種植模式對玉米生長具有顯著的促進作用，成熟期株高增加5.7%～15.8%、穗位高上升11.5%～15.0%、干物質積累增加2.51%～26.88%，生育期葉面積指數平均增加5.06%～14.37%，生育期葉片SPAD值平均增加1.56%～8.75%。

(2)全膜雙壟溝播(FMRF70)種植模式改善了玉米生長微環境，促進玉米籽粒性狀發育， 莖粗和穗粗均與高密度處理差異顯著(P<0.05)，穗長增加0.3%～13.3%、禿尖長降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%，有利于玉米產量形成。

(3)全膜雙壟溝播(FMRF70)種植模式下，玉米水分臨界期集雨補灌，生育期0～200 cm土壤平均貯水量增加8.0～23.54 mm，增加了農田土壤可提供有效水分，使玉米產量增加19.20%～78.96%，WUE提高15.97%～70.00%。可見，全膜雙壟溝播大壟寬70 cm，小壟寬40 cm，密度52 500 株/hm2，灌漿期適量補灌是半干旱區適宜的種植模式。