不同覆膜方式對隴東春玉米土壤水分和產量性狀的影響

劉 眾,王宏凱,鄭 琪,趙智慧,劉愈之,丁志遠,李 娜

(甘肅省平涼市農業科學院,甘肅平涼 744000)

隴東屬典型干旱半干旱雨養農業區,干旱缺水是農業的主要制約因素,自然降水常年保持在550 mm左右,但季節分布極不均勻,7-9月份降水占年降水量的60%,冬旱、春旱、初夏旱發生頻率高,秋旱亦時常出現,對玉米生長發育及產量都會造成嚴重影響,因此干旱是隴東旱作區玉米高產、穩產的主要障礙因子[1]。如何高效利用有限降水資源,減少土壤水分無效損耗,大幅度提高旱地作物生產力,已成為旱地農業亟待解決的課題[2]。為此,本試驗于2020-2021年度進行了地膜玉米不同覆膜方式保墑增產效果研究,旨在探明不同覆膜方式下隴東春玉米土壤水分時空變化規律,分析不同覆膜方式對玉米產量性狀的影響,進而為全膜雙壟溝播技術推廣及其增產機理研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為‘富農1號’(甘肅農業大學繁育提供),試驗用寬幅140 cm、70 cm,厚度均為 0.01 mm地膜(山西運城塑料廠生產),供試氮 肥為尿素(含N 46%,蘭州石化公司生產),復合肥(15-15-15, 山東邁金農業生態肥業公司 生產)。

1.2 田間試驗

試驗于2020年在甘肅省平涼市農業科學院高平試驗站進行。該地海拔1 320 m,塬地覆蓋黑壚土,土壤pH 8.2,地力中等,肥力均勻,常年降水量550 mm,試驗地前茬為冬小麥。試驗共設置5種覆膜方式(表1),采用隨機區組排列,3次重復。小區面積45.65 m2(8.3 m×5.5 m),每小區種植15行,株距27.5 cm,密度4 400 株/667m2,用點播器播種(圖1)。施用尿素27.6 kg/667 m2、復合肥69 kg/667 m2,其中,2/3尿素、復合肥作基肥,在起壟時施入壟內(雙壟方式中施入窄壟內),隨后覆膜;1/3尿素在玉米拔節期追施,其他參照當地田間管理。

A.全膜雙壟溝播; B.半膜壟作

表1 不同覆膜方式設計方案Table 1 Design schemes for different film mulching modes

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分含量 分別在4月17日(播期)、6月4日(苗期)、7月5日(孕穗揚花期)及8月11日(乳熟蠟熟期)14:00于每小區播種溝內隨機選取1個采樣點用土鉆取樣,用烘干法測定0～200 cm土層含水量(每20 cm為一層)。

1.3.2 玉米產量性狀及產量 分別在玉米苗期(6月5日)、孕穗揚花期(7月6日)、收獲期(9月12日)10:00于每小區隨機選取10株玉米測定植株高度。在出苗期、收獲期分別調查出苗率和植株倒伏率。收獲期每小區隨機選取28株,調查單株果穗數,其果穗全部收獲裝入網袋,待風干后隨機選取10穗測定果徑、果長、禿頂長、穗粒數、果穗粒質量、千粒質量。隨機選取10株秸稈,測定莖粗、葉片數、葉面積(5株)等,隨后標記扎捆,待風干后稱量,每小區果穗單獨脫粒計產。

單葉面積(cm2)=長度×最寬處寬度×0.7

1.4 數據處理與分析

采用土壤水分遞減率和土壤水分總降幅來分析隴東旱塬區玉米田的土壤水分時空遞變規律。

1.4.1 土壤水分遞減率Dij(%)=[(p(i-1)j-pij)/p(i-1)j]×100%,式中i代表生育時期,其值依次為苗期、孕穗揚花期、乳熟蠟熟期;j代表土層,其值依次為0～20 cm至180～200 cm;Dij代表i生育時期在j土層上的土壤水分遞減率;p(i-1)j指i前一生育時期在j土層上的含水量;pij指i生育時期在j土層上的含水量。

1.4.2 土壤水分總降幅Zj(%)=[(p播期j-p乳蠟熟期j)/p播期j]×100%,Zj代表j土層上的土壤水分總降幅;p播期j指播期j土層上的土壤含水量;p乳熟蠟熟期j指乳熟蠟熟期j土層上的土壤含水量。

采用Excel 2016數據分析作圖、SAS 8.0和SPSS 12.0統計分析軟件進行方差分析、采用LSD多重比較,P<0.05和P<0.01為顯著或極顯著。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜方式對土壤水分的影響

2.1.1 不同覆膜方式下土壤水分動態變化 不同覆膜方式播種期耕層土壤含水量最高,為 15.99%～21.26%,平均18.81% (圖2-A)。良好的土壤墑情保證了春季玉米按期播種能順利出苗,在生產上有利于抓全苗、苗齊、苗壯,為玉米豐產奠定了基礎。全膜冬前、頂凌覆膜的兩個處理土壤含水量分別達到21.26%、20.33%,較播前覆膜的15.99%土壤含水量增加33%和27.2%,半膜冬前、頂凌覆膜土壤含水量分別為18.41%、18.04%,低于同時期全膜覆蓋,比全膜播期覆膜的分別增加15.1%和12.8%(圖2)。覆膜時期對土壤水分的影響大于覆膜方式,5個處理20～40 cm土壤含水量相對其他土層處于最低。播種期覆膜(Ac)的土壤含水量最低,覆膜以后各土層水分逐漸增加,與其余4個處理比較變化不大。

A.播種期;B.苗期;C.孕穗揚花期;D.乳熟蠟熟期

由此可見,冬前、頂凌覆膜是旱作玉米蓄水保墑的有效措施且效果顯著。

苗期各處理耕層(0～20 cm)土壤含水量最低,在10.42%～13.95%之間 (圖2-B),這與玉米出苗大量消耗耕層水分相吻,之后玉米進入生殖生長階段后,隨植株長大,田間密閉、田間蒸騰蒸發和棵間蒸發逐漸減弱,0～20 cm土壤水分逐步得以恢復,再到乳熟期時,植株干枯,地面蒸發增大,耕層土壤含水量再次下降。各處理下,20～40 cm土壤含水量最低,其主要原因是玉米生長發育主要吸收該層土壤水分(圖2)。

4種不同覆膜方式下,播期土壤含水量>苗期土壤含水量>孕穗揚花期土壤含水量>乳熟蠟熟期土壤含水量(圖3-A～D),4個處理中20～40 cm土層含水量最低,40 cm以下土層含水量隨土壤深度增加而逐層增加。全膜雙壟溝播冬前覆膜和頂凌覆膜兩個處理的土壤水分在玉米生育前期(播種至拔節期)的各個土層最高(圖3-A～B)。在玉米生育中后期,根系集中分布層(0～40 cm)較高,由此可使表土層(0～20 cm)和根系集中分布層上的土壤含水量在玉米全生育期始終保持在一個較高的水平(最干旱的苗期其表土層含水量在11.78%～13.95%),能夠滿足玉米播種、出苗和植株正常生長發育對土壤水分的需求,玉米植株生長健壯,田間未出現旱象。全膜雙壟溝播播期覆膜處理的土壤含水量基本能夠保證玉米生長發育對土壤水分的需求(最干旱的苗期其表土層含水量為11.45%),玉米植株株型較好;但半覆膜各個處理的土壤水分含量相對較低(圖4),在一些生育時期特別是苗期出現嚴重的虧缺(最干旱的苗期其表土層含水量為8.98%～ 10.42%),玉米葉片在苗期出現了不同程度的卷曲,旱象明顯,影響玉米的正常生長發育。

圖4 半覆膜玉米各生育時期土壤水分動態曲線(CK)Fig.4 Temporal and spatial variation law of soil moisture of half film mulching at different growth stages of maize (CK)

冬前全膜雙壟、頂凌全膜雙壟、播前全膜雙壟 1 m土壤貯水量均顯著地高于半覆膜的2個處理(圖5);至大喇叭口期以后,差異逐漸變小。冬前和頂凌全膜雙壟前期相對較高的土壤貯水量,滿足了玉米出苗和前期生長對水分的迫切需求,可有效解決了玉米4-5月份因春旱無法播種、出苗的瓶頸[10]。

Aa.全膜雙壟溝播冬前覆膜;Ab.全膜雙壟溝播頂凌覆膜;Ba.半膜平鋪冬前覆膜;Bb.半膜平鋪頂凌覆膜

2.1.2 不同覆膜方式土壤含水量的時空遞變規律 研究土壤水分時空遞變規律是揭示不同覆膜方式保墑增產機理的基礎,對隴東旱塬區地膜玉米覆膜方式的選擇具有重要意義。

苗期100 cm以上土層,特別是60 cm以上土層的土壤水分較播期有大幅度的耗損 (圖6-A),此時正值玉米營養生長發育階段,植株矮小,田間覆蓋度低,田間蒸發量大,土壤水分大量損耗。土壤水分遞減率表現為:半膜頂凌覆膜>半膜冬前覆膜>播種全覆膜>頂凌全覆膜>冬前全覆膜(圖6)。

A. 苗期;B.孕穗揚花期

孕穗揚花期五種覆膜方式中0～20 cm土層水分遞減率均為負值,Ac和Bb的20～40 cm土層水分遞減率為負值,Ba、Bb兩處理0～200 cm土層水分遞減率幾乎均為負值,Aa、Ab、Ac 覆膜方式下160～200 cm土層水分遞減率也為負值 (圖6-B),這是由于相應各處理土層特別是表土層的土壤水分在孕穗揚花期較苗期則有大幅度的回補所致(降水量顯著增加、蒸騰減弱)。半覆膜2個處理回補幅度較大且在0～200 cm土層上基本均呈遞增,全覆膜各個處理回補幅度小且在中間土層上仍在遞減。

乳熟蠟熟期各土層水分降幅自0～20 cm到20～40 cm增加到最大,40 cm以下土層降幅逐步減少,乳熟蠟熟期中間土層的土壤水分較孕穗揚花期有大幅度的耗損(圖7),雖然此時期降水量較大,蒸發、蒸騰也較營養生長階段減弱,但此時期正值玉米籽粒形成干物質合成的關鍵期,需要消耗大量水分。5種覆膜方式中全膜冬前覆膜和頂凌覆膜2種方式的土壤水分降幅變化較大。

圖7 不同覆膜方式下玉米乳熟蠟熟期土壤水分總降幅Fig.7 Decreasing amplitude of soil moisture during milk ripening and wax ripening stages under different film mulching modes

2.2 不同覆膜方式對玉米生育期的影響

不同覆膜方式對玉米生育期影響較大,全覆膜和早覆膜均能明顯加快玉米生育進度,使玉米生育時期提前,生育期縮短(表2)。其中以全膜雙壟溝播冬前覆膜和頂凌覆膜處理表現最為明顯,出苗期均較對照提前6 d,成熟期分別較對照提前15 d和12 d,生育期分別較對照縮短10 d和7 d。

表2 不同覆膜方式對玉米生育期的影響Table 2 Effects of different film mulching modes on growth stage of maize

2.3 不同覆膜方式對玉米產量性狀的影響

2.3.1 玉米營養體主要產量性狀 不同覆膜方式對玉米營養體的經濟性狀有較大的影響(表3)。其中玉米出苗率、株高、穗位高、葉片數、葉面積等全覆膜諸處理明顯高于半覆膜諸處理;玉米莖粗以全膜雙壟溝播冬前覆膜處理的最粗,半膜頂凌覆膜和半膜冬前覆膜兩處理最細;玉米倒伏率(收獲期,下同)以全膜雙壟溝播冬前覆膜和頂凌覆膜處理最低,分別為4.7%、3.8%, 全膜雙壟溝播播期覆膜處理較高,為14.5%;半膜覆蓋兩個處理倒伏率最高,為31.6%～48.2%。

表3 玉米生長發育主要產量性狀Table 3 Major yield traits for maize growth and development

2.3.2 玉米果穗經濟性狀 表4表明,不同覆膜方式對玉米果穗主要經濟性狀亦有較大的影響。其中玉米千粒質量和穗粒重在處理間的差異性最大,以全膜雙壟溝播冬前覆膜處理的最高,全膜雙壟溝播頂凌覆膜和全膜雙壟溝播播期覆膜處理次之,半膜冬前覆膜處理居第3位,半膜頂凌覆膜處理最低?？梢?全覆膜特別是全膜雙壟溝播冬前覆膜處理的高產性主要是通過提高籽粒飽滿度實現的。

表4 不同覆膜方式玉米果穗主要經濟性狀Table 4 Main economic traits of maize ears under different film mulching modes

2.4 不同覆膜方式對玉米產量與效益的影響

2.4.1 不同覆膜方式玉米產量表現 不同覆膜方式對玉米產量影響明顯(表5)。全膜覆蓋的3個處理籽粒667m2產量均在900 kg以上,明顯高于半膜覆蓋的2個處理,地上干物質(秸稈+穗 軸+籽粒)、隨籽粒產量增加而增加且呈正相關。全膜雙壟溝播冬前覆膜的干物質、籽粒產量最高,分別達到1 769.06 kg/667 m2和969.02 kg/667 m2,較Bb處理分別增產24.80%、30.29%、 23.79%、22.43%;全膜雙壟溝播頂凌覆膜和播期覆膜處理次之;半膜覆蓋的2個處理,隨覆膜時期推遲,干物質與產量依次遞減,半膜頂凌覆膜的產量水平最低。

表5 不同處理玉米產量(干質量)水平Table 5 Yield(dry mass ) levels of maize under different treatments

籽粒產量方差分析結果表明,全覆膜不同處理間差異不顯著,但全膜雙壟溝播冬前覆膜處理的產量極顯著高于半覆膜不同處理,全膜雙壟溝播頂凌覆膜和全膜雙壟溝播播期覆膜處理的產量極顯著高于半膜頂凌覆膜。

2.4.2 不同覆膜方式玉米經濟效益比較 由表6看出,全膜覆蓋的3個處理667m2投入成本較半膜增加83.5元,而純收益比半膜頂凌覆膜667m2增加165.35～307.26元。全膜雙壟溝播冬前覆膜處理的經濟效益最好,667m2產值、純收益分別達到2 098.21元/667m2、1 129.01 元/667m2,較半膜頂凌覆膜增收307.26 元/667m2,產投比達2.17;全膜雙壟溝播頂凌覆膜、全膜雙壟溝播播期覆膜和半膜冬前覆膜處理次之,較對照667m2增收129.19～206.59元;半膜頂凌覆膜的經濟效益最低。

表6 不同處理下玉米經濟效益分析Table 6 Analysis of economic benefits of maize under different treatments

3 討 論

3.1 旱作農業的發展

隨著全球氣候變暖,旱作農業生產的難度日益加大[3]。干旱已成為影響農業生產的重要因素[4],干旱發生的頻率越來越高,春旱、伏旱、秋旱發生的范圍和影響程度越來越。為了減輕干旱對農業生產造成的影響,多年來,經過農業科技工作者的辛勤探索和實踐,已經找到了旱作農業發展的新路子,即從被動抗旱向主動抗旱轉變[5-6]。地膜覆蓋栽培通過改變作物生長微環境,有效接納天然降水、變秋雨、冬雪為春季所用,人為改變了天然降水時空不勻的突出問題,是春播作物按期播種抓全苗的一項有效措施,為作物生長發育創造適宜的土壤環境[7-9]。

3.2 地膜與溝壟在農業生產中的應用及其效應

全膜雙壟溝播技術是旱作農業發展史上一項突破性的技術措施,能夠最大限度地利用小于 5 mm的無效降水,對農業生產起到了增溫、集雨保墑、抑蒸富集疊加效應,增產增收作用顯著[10]。地膜覆蓋后阻斷了土壤毛細管水分的蒸發,保證土壤耕層和根系集中分布層上的含水量在玉米全生育期處在一個較高水平;縮短了玉米的生育期,改善玉米主要經濟性狀,顯著提高玉米籽粒飽滿度[11],為隴東旱塬區玉米高產穩產奠定堅實基礎;Aa的產量水平、經濟收益亦是5個覆膜方式中最高的。2種覆膜方式間的籽粒產量之間未達到顯著的差異水平,但全膜雙壟溝播冬前覆膜方式產量和土壤水分含量均為最高。

3.3 地膜應用對土壤水分及環境的影響

土壤水分狀況是影響玉米生長的重要因素,影響玉米種子發芽、根系生長,是玉米生命活動的介質和參與者[12]。玉米生長所需的水分主要來自土壤水分的吸收,特別是苗期,玉米處于營養生長階段,植株個體小,地表裸露、田間蒸發和棵間蒸騰作用強;玉米生長發育主要消耗40 cm以上土壤水分[13]。而全膜冬前、頂凌覆膜的土壤含水量明顯高于播種期覆膜,也高于半膜冬前和頂凌覆膜的二個處理,這與前人研究結果相吻合。

地膜覆蓋栽培是改變局部土壤環境(水分、熱量)的一種人為干預措施,能夠增加作物產量[14-15]。但是長期使用地膜,增加了局部土壤溫度,影響土壤微生物和動物活動,使土壤吸附固定的無效養分加速釋放[11]。同時也增加了農作物可以吸收利用的有效養分,降低土壤肥力;因此生產上要通過增施肥料、平衡施肥維持土壤肥力。在隴東春玉米生產中,影響土壤水分的因素依次為,覆膜時期>覆膜方式;5個不同覆膜方式與覆膜時期下,播期土壤含水量>苗期>孕穗揚花 期>乳熟蠟熟期。如果秋季自然降水充沛,則在冬前覆膜,如果秋季降水匱乏,而冬季和早春降水較多的情況下,則頂凌覆膜能蓄積更多自然降水,為玉米春播提供充沛的土壤水分。不論全膜覆蓋還是半膜覆蓋,頂凌覆膜效果均優于播期覆膜[16-18]。

3.4 地膜覆蓋的弊端及其應對措施

長期覆蓋地膜栽培會增加土壤中殘膜積累量,改變土壤理化性狀[19]。殘膜聚集能阻礙土壤毛細管水分運移和天然降水的滲透,對土壤容重、孔隙度和通透性均能產生不良影響;造成土壤板結,影響耕地質量提升,不利于農業生產綠色健康可持續發展。殘留地膜及其產生的微塑料可能吸附土壤中重金屬和有機污染物(農藥、除草劑),并影響土壤微生物和土壤動物的健康生長發育,進而危害土壤生態系統健康[20]。為了減少“白色污染”,玉米收獲后要盡量撿拾盡殘膜,以免殘膜累積引起土壤污染。全膜雙壟溝播技術的增效潛力還有待進一步的挖掘[21],如適宜于隴東旱塬區的品種選擇、種植密度、施肥技術等,全覆膜條件下作物病蟲害發生規律與防治、膜下雜草的有效防除、全覆膜技術的高效應用等有待進一步深入 研究。

4 結 論

5種覆膜方式播種期耕層土壤含水量最高,為15.99%～21.26%,平均18.81%,良好的土壤商情保證了春季玉米按期播種能順利出苗。Aa、Ab土壤含水量分別達到21.26%、20.33%,較Ac 15.99%增加33%和27.2%。Ba、Bb土壤含水量分別為18.41%、 18.04%,低于同時期全膜覆蓋,比Ac分別增加15.1%和12.8%。覆膜時期對土壤水分的影響大于覆膜方式。

冬前、頂凌覆膜是旱作玉米蓄水保墑的有效措施,效果顯著。苗期各處理耕層土壤含水量最低,在10.42%～13.95%之間,這與玉米出苗大量消耗耕層水分相吻合。5個不同覆膜方式與覆膜時期下,播期土壤含水量>苗期>孕穗揚花 期>乳熟蠟熟期,5個處理中20～40 cm土層含水量最低,土壤水分遞減率表現為:半膜頂凌覆 膜>半膜冬前覆膜>播種全覆膜>頂凌全覆膜>冬前全覆膜。Aa 667m2產量969.02 kg,每667m2產值1 807.2元,每667m2純收益1 129元,較Bb增產22.43%,每667m2增收307.3元,產投比 2.17。