溝壟集雨系統壟寬對玉米水分和養分利用效率的影響

李 娟，解文強，崔婧婧，于玲玲，郭 強

（1.唐山市農業科學研究院，河北唐山063001；2.唐山市農作物種子站，河北唐山063001）

0 引 言

華北地區是我國重要的玉米生產加工地，每年玉米種植面積約占全國種植面積的1/5。目前，該區域主要采取常規覆膜和普通平作的種植方式，整個生育期不進行人工灌溉，雖省時、省工，但在大喇叭口期、吐絲期、散粉期等玉米關鍵生育時期易受高溫、干旱危害，造成結實不良，果穗短小，品質下降，嚴重影響玉米的商品品質和產量[1,2]。因此如何提高玉米的水肥利用效率，是華北地區玉米生產中需要亟待解決的問題。溝壟集雨栽培技術作為我國華北地區一種行之有效的高效節水農業措施，在農業生產中發揮著重要作用[3-5]。該技術主要采用田間溝壟相間排列，溝內種植作物，壟上覆膜的方式，該方式不僅可以收集無效降雨，減少由于降雨所產生的地表徑流，還可以有效降低地表無效蒸發，增加農田及作物根域土壤含水量，延長作物的水分利用期，進而提高作物產量和水分利用效率[6]。同時，溝壟集雨種植還可以通過調整溝和壟的寬度來改變土壤微地形和作物的田間分布，從而改善對降雨的收集以及植物對光能的利用，溫度和水分等土壤微氣候的變化也會影響土壤酶、微生物和根系活性，以上這些因子也是作物水肥有效利用的驅動因素，因此選擇合適的壟寬對提高作物水肥利用效率起著關鍵的作用[7-9]。已有研究表明，與傳統平作相比，溝壟集雨種植技術能夠增加玉米產量，依據降雨量的不同，溝壟集雨種植玉米，產量可以提高36 %～74 %[10]；不同溝壟比下，溝壟集雨種植玉米產量可增加11 %～26 %[11]。劉璐璐等[12]研究表明，溝壟集雨種植相較于平作能顯著促進玉米生長和干物質積累。任小龍等[13]研究表明，施肥模式相同前提下，溝壟集雨種植可以增加玉米株高6.8%～27.1%，增加葉面積8.5%～73.9%，增加干物質12.1%～86.6%。

由以上可知，諸多研究人員對不同壟、溝覆蓋材料以及肥料等對土壤理化性質、水分利用效率和產量的影響方面進行了大量研究，而通過調整集雨壟的寬度能否達到玉米水肥高效利用的目的？種植密度和玉米種植溝寬一定的前提下，集雨壟寬度的變化，勢必會造成玉米株距的變化，玉米株距的改變能否造成玉米產量以及生物量等因子的變化？因此，本試驗以華北地區玉米田為研究對象，溝壟溝壟集雨栽培模式下，研究不同壟寬對玉米產量及水肥利用效率的影響，為探索玉米高產、高效種植模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于唐山市海港開發區王灘鎮十家子村。該地年平均氣溫11.4 ℃，年積溫3 300～3 600 ℃，無霜期180 d，年均降雨量600 mm。在玉米生長季（5-9月），試驗地點兩年的降雨量分別為497.5 mm（2019年）和539.2 mm（2020年），分別占1-10月降雨量的88.32%和86.61%。玉米生長季降雨的時間分布不均勻，主要集中在7-9月（表1）。試驗處理前各個小區的地力情況基本一致。

表1 試驗基地2019和2020年降水量Tab.1 Precipitation of test base in 2019 and 2020

1.2 試驗設計

試驗處理為常規平作（CK）和溝壟集雨種植模式，集雨種植模式設置3 種壟寬，分別為：50 cm（A1），60 cm (A2)，70 cm (A3)，溝寬統一為60 cm。播種前起壟，壟上覆蓋0.01 mm 塑料薄膜，溝內種植玉米，壟高為15 cm，每小區面積15 m×10 m，為保證各處理玉米種植密度均為5.25 萬株/hm2，玉米株距分別為38 cm，32 cm，27 cm；常規平作行距均為60 cm，株距32 cm（圖1）。供試玉米品種為當地主栽品種君輝521。供試肥料為尿素(含N 46 %) 、過磷酸鈣(含P2O512 %)和氯化鉀(含K2O 60%)。磷、鉀肥作為基肥一次施入，氮肥總量的40%作為基肥，其余部分在大喇叭口期追施。2019年5月10日播種，9月6日收獲；2020年5月12日播種，9月10日收獲。試驗采用完全隨機區組設計，3次重復，整個玉米生長季，各小區的田間管理方式基本相同。

圖1 平作（CK）及溝壟集雨栽培下3種溝壟比分別為60：50 cm、60：60 cm 和60：70 cm的種植模式圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram for conventional flat planting(CK)and furrow-ridge mulching system with furrow：ridge ratio of 60：50 cm、60：60 cm and 70：60 cm

1.3 測定項目和方法

1.3.1 葉面積指數和地上生物量

玉米出苗后，每間隔10 d 取樣一次，測定玉米地上生物量和葉面積指數。地上生物量測定方法：每個處理選取長勢均勻一致的玉米15 株，首先在105 ℃下殺青15 min，然后80 ℃烘干至恒重；葉面積指數的測定：在測定地上生物量取樣后，首先將每株上所有葉片剪下，用直尺測量葉長和最大葉寬，采用以下公式計算葉面積指數[14]：不完全展開葉葉面積（cm2）=葉長（cm）×葉寬（cm）×0.50；完全展開葉葉面積（cm2）=葉長（cm）×葉寬（cm）×0.75；葉面積指數（LAI）=總葉面積/土地面積。

1.3.2 水分利用效率

在玉米播種前及收獲后，在每個處理小區的種植溝內（玉米株間）按照“S”形進行：田間5 點土壤取樣，每20 cm取樣一次，取樣深度共200 cm，測定土壤含水量。

土壤水分蒸散量測定采用馬富亮等研究中的微型蒸發器方法[15]。將微型蒸發器安裝在每個處理小區的種植溝內（玉米株間），每天16：30-17：30 將儀器取出稱重，每個樣點每天同一時間進行稱重，2次重量之差即為當日蒸散量。蒸發器內土壤3～5 d更換1次，雨后1～2 d內更換1次。

整個試驗期間不進行人工灌溉，因此玉米生育期灌水量為0。試驗區域地下水深約12 m，因此整個作物生育期地下水利用量為0。

1.3.3 養分利用效率

在玉米收獲時，將玉米的根、莖、葉和籽粒分開，分別進行全氮、全磷和全鉀的測定。用H2SO4-H2O2法對樣品分別進行消解，采用半微量凱氏法進行全氮測定；采用鉬銻抗比色法進行全磷測定；采用火焰光度計法進行全鉀測定。根據玉米產量以及養分吸收量計算養分利用效率。

1.4 數據統計與分析

采用DPS 6.55 和Sigmaplot 14.0 軟件對試驗數據進行分析和作圖。多重比較采用Duncan 氏新復極差法。

2 結果與分析

2.1 葉面積指數

由圖2可知，在玉米全生育期，溝壟集雨的葉面積指數均大于對照處理。2019年6月27日-7月17日和2020年7月2日-7月21日，葉面積指數增加最快，此時玉米處于吐絲～散粉期。2019年7月17日，葉面積指數達到最大值，而后逐漸減小，8月10日以后減小程度趨于緩慢。可能由于8月10日以后隨著降雨有所增加，葉面積指數下降緩慢；5月18日-7月17日，A3處理的葉面積指數較其他處理升高較快，7月17日以后下降也較快。主要是由于較大的壟寬，有利于前期玉米田間通風透光，同時，較大的集雨壟寬度增加了集雨面積，因此玉米長勢較快；后期由于降水較少，不同處理間的集雨效果差異較小，同時，密度一定的前提下，由于壟寬增加，勢必會造成株距減小，玉米根系之間爭奪水分養分加劇，因此玉米早衰情況較其他處理嚴重。2020年，各處理葉面積指數變化趨勢與2019年相似。綜合兩年試驗結果，A2處理葉面積指數平均值高于其他處理。

圖2 不同處理葉面積指數的變化Fig.2 Change of leaf area index under different treatments

2.2 生物量的變化

由圖3可知，同一年份不同處理下，玉米地上生物量變化趨勢基本一致，A1，A2，A3處理玉米地上生物量在灌漿后期～成熟期均高于CK，其中，A2處理的最大生物量最高，出現在玉米成熟期。2019年A3 處理的最大地上生物量高于CK 和A1 處理；6月11日-8月10日，各處理地上生物量增長較快，此時玉米處于拔節期～灌漿期，較高的地溫和氣溫促使玉米迅速生長；8月10日-8月30日，此時玉米處于灌漿期～成熟期，隨著玉米生育進程的推進，A1，A2，A3處理地上部植株逐漸枯黃，地上生物量增長緩慢，CK 處理的地上生物量呈緩慢下降趨勢。2020年的總體變化趨勢與2019年相似。2020年同一處理下玉米地上生物量高于2019年，可能是由于2020年整個玉米生育期降雨量高于2019年。

圖3 不同處理地上生物量的變化Fig.3 Changes of biomass under different treatments

2.3 不同處理對玉米產量及水分利用效率的影響

不同處理對玉米產量以及水分利用效率的影響見表2。綜合兩年數據，A2 處理的玉米產量極顯著（P＜0.01）高于CK，A1，A3 處理，平均增產26.32%，28.42%和6.15%；A2 處理的玉米水分利用效率最高，極顯著（P＜0.01）高于CK和A3處理，兩年平均增加43.71%和12.29%，與A1 處理的差異不顯著（P＞0.05），兩年平均增加1.78%，2020年各處理水分利用效率均高于2019年。CK 處理的土壤水分蒸發量最大，極顯著大于其他處理（P＜0.01）。

表2 不同處理的玉米產量、土壤水分蒸發量及水分利用效率Tab.2 Yield，soil water evaporation and water use efficiency between different treatments

2.4 養分利用效率

由表3可知，壟寬顯著影響玉米養分利用效率。不同處理下，氮、磷、鉀養分利用效率在同一年份變化規律基本一致，即A2＞A3＞A1＞CK；同一處理下，氮、磷、鉀養分利用率在不同年份間變化規律基本一致，即2020年氮、磷、鉀養分利用效率均高于2019年，可能是由于2020年整個玉米生育期降雨較多，較高的土壤水分促進了玉米養分利用率的提高。

表3 不同處理的玉米氮、磷、鉀利用效率Tab.3 Utilization efficiency of N，P and K nutrients in different treatments

3 討 論

溝壟覆膜這種栽培模式主要通過調節作物田間分布和土壤水熱條件來改變作物生育進程。相關研究表明溝壟集雨栽培可以顯著影響作物的株高、地上和地下部生物量。劉佩等[5]研究結果表明：溝壟集雨種植可以顯著提高冬小麥葉面積指數和地上最大生物量，同時小麥平均產量提高了7%～23%。李玉珠等[16]研究表明，壟溝集雨栽培方式增加了紫花苜蓿的株高和葉面積指數，每單位面積產量比溝壟不覆膜和傳統平作分別高了108%和171%。本研究發現，采用壟溝種植技術技術，玉米最大地上生物量、產量、葉面積指數、水分利用效率、養分利用效率顯著高于普通平作，而土壤水分蒸發量小于普通平作。這與前人在玉米等作物上的研究結果一致[17-19]。壟溝集雨處理中水分利用效率的提高主要是通過增加植物蒸騰占總蒸散發的比例，且在不增加水分消耗的條件下實現產量的提高，這與前人研究結果相似[20]。

胡琦等[21]研究表明，不同溝壟寬度的溝壟集雨栽培方式均可以增加馬鈴薯的葉面積指數，提高馬鈴薯的光合速率，增加地上部生物量和塊莖產量，并使商品薯比例提高了3.2%～30.4%。李青峰和杜文華[6]研究表明，集雨種植模式下不同溝壟寬度能夠顯著影響玉米水分利用效率，玉米生長發育進程以及產量等，玉米作為青貯飼草種植最適合的壟、溝寬度比例為1∶1。本試驗結果表明，溝壟比1∶1 時，兩年平均葉面積指數、產量、最大地上生物量、水分利用效率和養分利用效率最大，這與李青峰和杜文華的研究結果基本一致，主要原因是70 cm 寬壟降低了土壤水分和養分利用效率，50 cm 窄壟對降水的收集作用有限，導致玉米在需水關鍵期水分供給不足，造成玉米減產。

4 結 論

溝壟集雨模式，60 cm 壟寬下，即溝壟比60 cm：60 cm時，兩年玉米平均葉面積指數（2.9）、產量(13.13 t/hm2)、地上生物量(26.6 t/hm2)、水分利用效率[27.15 kg/(hm2·mm)]和養分利用效率(N：7.55 kg/kg；P：48.49 kg/kg；K：4.66 kg/kg)最大。