方彥杰，秦安振 ，雍蓓蓓

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002)

西北黃土高原半干旱區(qū)在中國(guó)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]，干旱缺水是制約該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最主要瓶頸之一[2]。該區(qū)地下水位深，降水量少且季節(jié)分配不均，缺水和季節(jié)性干旱嚴(yán)重制約著旱地農(nóng)業(yè)的發(fā)展[3]。因此，充分利用降水，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高降水利用率，是旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑和重要戰(zhàn)略方向[4,5]。“集雨、蓄水、保墑和用水”是旱作集雨種植技術(shù)的關(guān)鍵[6,7]。作為最典型的黃土高原半干旱區(qū)，甘肅省最早開展作物集雨補(bǔ)灌試驗(yàn)研究，并制定出版了《甘肅省雨水集蓄利用工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，2004年以來，甘肅省農(nóng)業(yè)工作者摸索研究的玉米全膜雙壟溝播集雨栽培技術(shù)，現(xiàn)已成為中國(guó)旱作區(qū)玉米主推技術(shù)[9]。

旱地玉米是甘肅省中東部農(nóng)業(yè)主要產(chǎn)業(yè)，常受季節(jié)性干旱等自然條件影響，生長(zhǎng)發(fā)育緩慢[10]，嚴(yán)重干旱年份，可減產(chǎn)20%～40%[11,12]，而集雨補(bǔ)灌可有效解決玉米生長(zhǎng)過程中自然降水與需水供需錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)降水資源時(shí)空配置[13]。旱作農(nóng)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(fā)，最大限度的充分利用自然降雨，還能增產(chǎn)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(bǔ)灌結(jié)合組成一種新的技術(shù)體系，在玉米關(guān)鍵生育期遭受干旱脅迫時(shí)僅在種植溝內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)灌，對(duì)西北旱作區(qū)玉米生產(chǎn)具有重要意義。

種植密度是影響玉米產(chǎn)量及其構(gòu)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(gè)體協(xié)調(diào)發(fā)展，獲得最大產(chǎn)量[17]。研究認(rèn)為，產(chǎn)量隨種植密度的增加而增加，但達(dá)到一定程度以后，產(chǎn)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(shì)[19]。因此，本研究在全膜雙壟溝種植技術(shù)與限量灌溉條件下，探討不同種植模式對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)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(qū)玉米生產(chǎn)過程中的集雨灌溉和栽培管理提供一定理論技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年在甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村，甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站進(jìn)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(shí)數(shù)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(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相對(duì)變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)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(shù)為7.2%，土壤有機(jī)質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)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(fù)3次。玉米品種為“先玉335”，株距35 cm。小區(qū)面積6 m×10 m=60 m2。各處理施肥量均為：有機(jī)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(jié)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(yàn)處理設(shè)置

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 干物質(zhì)累積

干物質(zhì)累積量分別在玉米的苗期，拔節(jié)期，大喇叭口期，吐絲期，灌漿期和成熟期測(cè)定；隨機(jī)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(shù)(LAI)

在玉米關(guān)鍵生育期用CI-110植物冠層結(jié)構(gòu)分析儀(CID，美國(guó))測(cè)定，每小區(qū)重復(fù)5次，取平均值進(jìn)行分析。

1.3.3SPAD值

在玉米關(guān)鍵生育期每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的10株，用SPAD-502plus葉綠素儀對(duì)玉米最大葉進(jìn)行SPAD值的測(cè)定，每一片葉測(cè)3個(gè)位點(diǎn)，取平均值進(jìn)行分析。

1.3.4 土壤水分

用烘干法在玉米播期、苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、花期、乳熟期和收獲期測(cè)定0～200 cm土層土壤含水量，每20 cm為1個(gè)層次。

土壤貯水量計(jì)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(jì)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(chǎn)量，kg/hm2；ET為生育期耗水量，mm。

1.3.6 產(chǎn) 量

作物產(chǎn)量 (kg/hm2) 的計(jì)算采用小區(qū)實(shí)打?qū)嵤盏漠a(chǎn)量，籽粒晾曬后進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007和DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)2016年玉米生育期降雨量及平均氣溫變化

玉米生育期內(nèi)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(nèi)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(nèi)降雨季節(jié)分布不均，播種至拔節(jié)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(xù)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(yàn)區(qū)季節(jié)性高溫干旱災(zāi)害現(xiàn)象突出，對(duì)玉米產(chǎn)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(zhì)積累

不同處理?xiàng)l件下各生育期玉米的干物質(zhì)積累量可知(表2)，整個(gè)生育期內(nèi)，F(xiàn)MRF70玉米干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)較其他處理高，F(xiàn)P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(jié)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(xiàn)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(zhì)積累 g/株

2.3 葉面積指數(shù)(LAI)

由圖2可以看出，生育期內(nèi)葉面積指數(shù)(LAI)變化趨勢(shì)基本一致，拔節(jié)期至吐絲期逐漸上升，至吐絲期LAI最大，灌漿期下降，表現(xiàn)為吐絲期>喇叭口期>灌漿期>拔節(jié)期>成熟期。處理間不同生育期均表現(xiàn)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(shù)(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(xiàn)為拔節(jié)至吐絲期是逐漸增加的，但是在灌漿期降低。拔節(jié)期、喇叭口期均表現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)程延伸，土壤貯水量呈降低趨勢(shì)，在籽粒形成后(8月20日)，由于補(bǔ)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(xiàn)為FMRF70(275.2 mm)>FMRF60>FP>FMRF50(260.59 mm)，但處理間差異不顯著；拔節(jié)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，F(xiàn)MRF60次之，F(xiàn)P和FMRF50基本一致，F(xiàn)MRF70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(xiàn)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(dòng)態(tài)

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(xiàn)為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，F(xiàn)MRF70和FP與FMRF50、FMRF60差異顯著(P<0.05)；出苗至拔節(jié)階段變?yōu)镕MRF50>FP>FMRF70>FMRF60，處理間差異顯著(P<0.05)；喇叭口至吐絲階段FMRF70最高，F(xiàn)MRF60次之，F(xiàn)P和FMRF50耗水量較低；吐絲至灌漿階段表現(xiàn)為FMRF50最高，F(xiàn)MRF70和FMRF60次之，F(xiàn)P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，F(xiàn)MRF70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(zhǎng)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(xiàn)為FMRF70>FP>FMRF50>FMRF60；莖粗、穗長(zhǎng)和穗粗表現(xiàn)一致，F(xiàn)MRF70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(zhǎng)FMRF70最小，與其他處理均呈顯著差異(P<0.05)；行粒數(shù)FMRF70最多，F(xiàn)P次之， 兩處理均與FMRF60和FMRF50差異顯著(P<0.05)；百粒重表現(xiàn)為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，F(xiàn)MRF70與其他處理差異顯著(P<0.05)。

表5 各處理玉米生長(zhǎng)及籽粒性狀

2.7 產(chǎn)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(bǔ)灌雨水8.99 mm，生育期0～200 cm土壤耗水量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和水分利用效率均表現(xiàn)為FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50， FMRF70較其他處理差異顯著(P<0.05)，F(xiàn)MRF60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%，F(xiàn)MRF70產(chǎn)量為6316.05 kg/hm2，較其他處理分別增加19.20%、70.51%和78.96%，F(xiàn)MRF70WUE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(chǎn)量和WUE

3 討 論

3.1 玉米生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)種植模式和補(bǔ)灌的響應(yīng)

全膜雙壟溝播技術(shù)能夠顯著影響半干旱區(qū)玉米生長(zhǎng)發(fā)育[9]。大量的研究表明，與傳統(tǒng)平作相比，壟溝集雨種植玉米可提高葉面積指數(shù)，增加干物質(zhì)量的積累，穗粒數(shù)、百粒重、穗粗和禿尖長(zhǎng)等經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)也明顯優(yōu)于平作[20]。玉米對(duì)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(gè)體的矛盾，使群體發(fā)育和個(gè)體生長(zhǎng)得到協(xié)調(diào)[21]。研究認(rèn)為當(dāng)種植密度合理增加時(shí)，玉米葉面積指數(shù)和群體生物量增加[22]，然而，葉綠素含量、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和百粒重降低[23]。灌水對(duì)玉米株高和葉面積影響顯著，缺水會(huì)影響玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，導(dǎo)致株高和葉面積降低[24]，補(bǔ)灌后顯著提高玉米穗粒數(shù)、百粒重，獲得較高產(chǎn)量[25]。本研究通過對(duì)全膜雙壟溝技術(shù)大小壟寬比例的改變，調(diào)控玉米播種密度(保持玉米株距一致)，結(jié)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(bǔ)灌900 m3/hm2，F(xiàn)MRF70能夠增加不同生育期干物質(zhì)積累量，其中成熟期干物質(zhì)積累增加2.51%～26.88%；生育進(jìn)程內(nèi)葉面積指數(shù)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(nèi)葉片SPAD平均值表現(xiàn)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(zhǎng)增加0.3%～13.3%、禿尖長(zhǎng)降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%?？芍?，在西北半干旱區(qū)全膜雙壟溝播技術(shù)條件下，灌漿期行適量補(bǔ)灌，F(xiàn)MRF70處理能夠優(yōu)化玉米生長(zhǎng)環(huán)境，有利于玉米籽粒灌漿。

3.2 種植模式和集雨補(bǔ)灌對(duì)旱地玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

全膜雙壟溝播種植技術(shù)通過地膜覆蓋、壟溝集雨、大小壟比例調(diào)控作物生長(zhǎng)所需的水熱等資源，以改善玉米生長(zhǎng)微環(huán)境，具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)[9,13]。壟溝比例對(duì)玉米覆蓋集雨種植技術(shù)影響顯著[26]，適宜的壟寬比例可以顯著提高產(chǎn)量[27]，認(rèn)為主要是通過增加有效貯水量來提高作物產(chǎn)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?？芍?，在試驗(yàn)區(qū)全膜雙壟溝大小壟比例為70 cm∶40 cm時(shí)增產(chǎn)增效最佳，可以增加產(chǎn)量19.20%～78.96%。

水分利用效率的大小主要受到產(chǎn)量、耗水量、灌水量和降雨量的影響[29]。種植密度是當(dāng)前玉米提高單產(chǎn)的最關(guān)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(fēng)透光不良，影響玉米生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。本試驗(yàn)條件下，降雨量明顯不足，F(xiàn)MRF60和FMRF50(密度分別為57 750和63 000 株/hm2)，嚴(yán)重影響了兩處理玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)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(rèn)為主要是由于生育前期耗水量的增加所致[30]，而本試驗(yàn)在旱地玉米研究表明，在不同玉米生長(zhǎng)階段，處理間耗水量差異顯著(P<0.05)。研究認(rèn)為適度的補(bǔ)充灌溉可提高作物水分利用效率[24-25]，本試驗(yàn)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(bǔ)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(yīng)，從而獲得較高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[31]。本研究結(jié)果表明，在全膜雙壟溝播種植條件下，玉米灌漿期補(bǔ)灌后，F(xiàn)MRF70可以提高水分利用效率15.97%～70.00%。

4 結(jié) 語

在典型的黃土高原半干旱區(qū)，利用田間試驗(yàn)，研究了不同種植模式和集雨補(bǔ)灌對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響，得出以下結(jié)論。

(1)在欠水年補(bǔ)灌條件下，全膜雙壟溝播(FMRF70)種植模式對(duì)玉米生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)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(zhì)積累增加2.51%～26.88%，生育期葉面積指數(shù)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(zhǎng)微環(huán)境，促進(jìn)玉米籽粒性狀發(fā)育， 莖粗和穗粗均與高密度處理差異顯著(P<0.05)，穗長(zhǎng)增加0.3%～13.3%、禿尖長(zhǎng)降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%，有利于玉米產(chǎn)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(bǔ)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(nóng)田土壤可提供有效水分，使玉米產(chǎn)量增加19.20%～78.96%，WUE提高15.97%～70.00%?？梢?，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(bǔ)灌是半干旱區(qū)適宜的種植模式。