兩種輪作模式下壟溝覆膜夏玉米適播密度的研究

李鵬宇，李援農，谷曉博，方 恒

(西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

玉米是我國第一大糧食作物，同時又是重要的飼料糧和工業(yè)原料，加強玉米生產對保障國家糧食安全意義重大[1-2]。西北地區(qū)是我國玉米主要產區(qū)之一，但是該區(qū)降水稀少，加之管理粗放，限制了玉米產量的提高[3-4]。壟溝集雨栽培結合地膜覆蓋可顯著提高夏玉米的水肥利用效率，進而提高夏玉米產量[5]。研究表明，氣溫是影響玉米生育期的主要因素，適期早播可延長玉米生育期，增加有效積溫[6]；薛慶禹等[7]的研究發(fā)現早播夏玉米葉面積指數、干物質量和產量均高于晚播夏玉米。但是，玉米產量的提高不僅在于改良種植方式、充分利用灌溉及降水資源和確定合適的播期，合理密植同樣關鍵。研究表明，適宜的種植密度不僅能提高玉米冠層光合效率，增加產量[8]，同時還能提高經濟效益[9]。前人關于夏玉米種植密度的研究主要基于冬小麥-夏玉米輪作模式，但是隨著北方冬天氣溫不斷升高，油菜種植區(qū)呈現“北移西擴”趨勢，北方冬油菜種植面積增加[10]，冬油菜與北方傳統(tǒng)作物夏玉米輪作模式的可研性越來越高。冬小麥和冬油菜生育期不同，進而導致2種輪作模式下夏玉米的播種時間有所不同，并且目前國內對夏玉米適播密度的研究主要基于平作種植，針對壟溝集雨覆膜栽培夏玉米適播密度的研究較少。因此，針對2種輪作模式下壟溝集雨覆膜栽培夏玉米適播密度的研究對合理利用水、土、熱資源具有重要的理論與現實意義。

本文基于田間試驗，通過分析比較不同種植方式、密度和播期對夏玉米土壤水分、土壤溫度、根系及地上部分生長、穗部性狀及產量的影響，以期確定2種輪作模式下壟溝集雨覆膜栽培夏玉米的最適播種密度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5—10月在西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室試驗站進行。該區(qū)位于108°04′E、37°17′N，屬暖溫帶季風半濕潤氣候區(qū)，海拔高度521 m，全年無霜期210 d，年均日照時數2 163.8 h，年均氣溫13℃，年均降水量632 mm，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm。試驗田土壤為中壤土，0～40 cm耕層田間持水率為24%(質量含水率)，凋萎含水率為8.5%(質量含水率。播前取0～40 cm耕層土壤測得基本理化性質為：有機質13.2 g·kg-1,全氮0.91 g·kg-1，硝態(tài)氮69.71 mg·kg-1，速效磷25.63 mg·kg-1，速效鉀130.96 mg·kg-1，pH 8.13。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為‘鄭單958’；試驗用塑料地膜寬60 cm，厚0.01 mm。試驗用氮肥為尿素(N≥46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥16%)，鉀肥為農業(yè)用硫酸鉀(K2O≥51%)。

試驗采用裂區(qū)設計。當地冬油菜收獲后的第3d(5月28日)設置為第一播期(B1)，當地冬小麥收獲后的第3d(6月15日)設置為第二播期(B2)；壟溝集雨覆膜處理密度設3個水平：5萬株·hm-2(M1，株距40 cm)，7.5萬株·hm-2(M2，株距26.7 cm)和10萬株·hm-2(M3，株距20 cm)，并設平作不覆膜5萬株·hm-2(CK)作為對照。試驗共設2個播期(B1、B2)，每個播期4個處理(M1、M2、M3、CK)，每個處理3次重復，共24個小區(qū)，小區(qū)面積20 m-2(4 m×5 m)，各小區(qū)完全隨機排列。

前茬作物收獲后深翻，平整土地。其中壟溝集雨種植方式下壟寬50 cm，溝寬50 cm，壟高20 cm，玉米植于壟兩側；平作和壟溝集雨種植夏玉米行距均控制為50 cm，通過調控株距來控制種植密度。播前1 d基施氮肥180 kg·hm-2(純N)，磷肥120 kg·hm-2(純P2O5)，鉀肥90 kg·hm-2(純K2O)后挖溝起壟，劃分小區(qū)。田間管理與當地高產田一致。第一播期于2019年5月28日播種，9月19日收獲(收獲后可正常播種冬油菜)，全生育期為115 d；第二播期于2019年6月15日播種，9月29日收獲(收獲后可正常播種冬小麥)，全生育期為107 d。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤儲水量 采用土鉆取土105℃烘干的方法，測定各處理播種、收獲時0～200 cm土壤，以及播種后每30 d左右0～100 cm土壤的儲水量。于每小區(qū)溝中間及平作玉米行間隨機取3個測點，沿深度方向每10 cm取1個土樣。并計算土壤儲水量、作物耗水量和水分利用效率[11]。

1.3.2 土壤溫度 用曲管地溫計(插在每小區(qū)中間行的溝中間)分別于8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00測定各小區(qū)5、10、15、20、25 cm土層深度下的土壤溫度，求得其平均值作為該日0～25 cm土層的平均土壤溫度。自播種之日起每15 d左右測定1次。

1.3.3 根系取樣及測定 于灌漿期(第一播期為8月3日，第二播期為8月17日)，在各小區(qū)隨機選取夏玉米3株，去除地上部分及氣生根，用直徑為9 cm的根鉆在距玉米根莖0 cm處，沿深度方向向下每10 cm取一個土樣，共取至60 cm。將土樣過篩網沖洗，剪下側根，并將側根分層裝袋。用EPSON Perfection V700 和WinRHIZO Pro軟件對根系進行掃描和分析，獲得根長(cm)、根表面積(cm2)和根體積(cm3)等數據，最后將根系于75℃烘至恒重，獲得不同土層的根系干質量(g)。

1.3.4 株高、莖粗、葉面積指數和地上部干質量 于灌漿期(第一播期為8月3日，第二播期為8月17日)，在各小區(qū)隨機取夏玉米3株，用卷尺測定株高(cm)，游標卡尺測定莖粗(mm)。葉面積采用Montgomery(1911)法(簡稱蒙法)，計算公式為：單葉面積(m2)=葉長(m)×最大葉寬(m)×0.75，累加得單株總葉面積。葉面積指數(m2·m-2)=單株總葉面積(m2/株)×每平方米株數(株·m-2)。將莖、葉、果分開，放入烘箱105℃殺青30 min后于75℃烘至恒重，地上部干物質量為各器官干物質量之和。

1.3.5 產量 夏玉米成熟后，每小區(qū)取中間一行連續(xù)10株玉米，自然風干后，測定穗行數、行粒數、百粒重(g)(75℃烘至恒重)等產量性狀。玉米產量換算成含有14%籽粒含水率的單位產量(kg·hm-2)。

1.3.6 收獲指數 收獲指數=玉米籽粒產量(kg·hm-2)/地上部干物質量(kg·hm-2)。

1.3.7 氣象數據 包括日最高氣溫、日最低氣溫、日均溫、日照時數、降水量等。(氣象數據由西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室灌溉試驗站提供)并計算有效積溫[12]。

1.4 數據分析

分別采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行數據整理和方差分析，多重比較采用Duncan新復極差法，顯著性水平為p<0.05，采用Origin 2020 b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤儲水量的影響

不同處理0～100 cm深度土層的土壤儲水量動態(tài)變化見圖1。結合氣象數據分析可知，不同處理的土壤儲水量變化受降雨影響較大。由于5—9月份出現多次較為集中的降雨，因此2個播期的土壤儲水量均呈現波動性的變化。B1播前一周內有較多降水，因此初始土壤儲水量高于B2。

壟溝集雨覆膜可顯著提高夏玉米生育前期(0～45 d)的土壤儲水量。在第15天，覆膜處理夏玉米的土壤儲水量不具有顯著性差異，但均顯著高于CK；其中B1夏玉米苗期(15 d)M1、M2、M3平均土壤儲水量較CK高30%～40%。在B1的第75天，B2的第60天和第75天，M1和CK不具有顯著性差異。原因可能有兩個，一是長時間降水稀少，壟溝覆膜的集雨保墑效果不明顯；二是覆膜夏玉米長勢良好，灌漿期葉面積指數較大，蒸騰量更大。

密度對土壤儲水量的影響在夏玉米的生育的第30天后逐漸顯現出來，密度越大土壤儲水量越小。在2個播期的30 d(拔節(jié)期)，M1、M2和M3開始出現顯著性差異?？梢?，在30 d前，夏玉米植株矮小，土壤水分通過植株的蒸騰散失少，不同密度處理間土壤水分差異不顯著；在30 d后，夏玉米進入生長旺盛的拔節(jié)期，土壤水分通過植株蒸騰散失增加，不同密度處理間土壤儲水量開始出現顯著性差異。2個播期的105 d(成熟期)，M1略大于M2和M3但差異性不顯著；B1的M1、M2、M3均顯著大于CK；B2的M1和M2顯著大于CK，B2的M3雖大于CK但差異不顯著，這一時期土壤儲水量的改變主要來自于降水和土壤水分的蒸發(fā)。

不同處理下夏玉米全生育期不同深度土層的平均土壤儲水量差異顯著(圖2)。覆膜可顯著提高夏玉米0～20 cm淺層土壤的土壤儲水量。B1和B2夏玉米，M1、M2和M3處理0～20 cm土層土壤儲水量較CK平均提高3.5%～11.4%和4.9%～10.6%。20～40 cm和40～60 cm土層深度內，M1均顯著大于CK，但M2、M3和CK之間的差異性不顯著。種植密度越大，土壤儲水量越小，各土層土壤儲水量均表現為M1>M2>M3。其中，40～60 cm土層B1和B2夏玉米M3處理土壤儲水量均顯著小于CK。

2.2 不同處理對土壤溫度的影響

不同處理0～25 cm深度內的平均土壤溫度隨夏玉米生育進程的變化趨勢見圖3。結合氣象數據分析可知，0～25 cm深度內的平均土壤溫度受大氣溫度的影響較大。B1土壤溫度先逐漸升高，后逐漸降低；B2土壤溫度逐漸降低，受氣溫影響至90 d達到最低，后又略微升高。造成B1和B2土壤溫度變化趨勢不同的原因是：B1比B2早18 d播種，B1播種時大氣溫度較低，因此0～25 cm平均土壤溫度也較低。

覆膜可顯著提高夏玉米生育前期土壤溫度，促進玉米種子萌發(fā)，有利于苗期及拔節(jié)期生長，進而提高玉米產量。B1和B2苗期(15 d)M1、M2、M3處理0～25 cm平均土壤溫度比CK分別高1.6～2.7℃和3.0～3.6℃。B1在45 d前，B2在30 d前M1、M2、M3顯著高于CK，之后各處理間的差異不顯著。這主要是因為夏玉米生育中后期，覆膜處理長勢更好，郁閉度更大，截獲的太陽光也更多，覆膜的增溫效果不明顯[13]。造成B1和B2地溫趨勢改變時間不同的原因是，B1(早播)夏玉米苗期時間更長，郁閉度增加較B2緩慢，因此覆膜的有效增溫天數也更長。

種植密度越大，土壤溫度越低。B1在15 d后土壤溫度表現為M1>M2>M3,其中第30d，M1比M2、M3和CK分別高1.5℃、2.7℃和5.0℃；密度對B2各處理土壤溫度的影響較B1不明顯。

2.3 不同處理下夏玉米灌漿期的生長特征

2.3.1 夏玉米灌漿期地上部生長特征 灌漿期是夏玉米進行生殖生長并決定產量的關鍵時期，現以灌漿期為例分析不同處理對夏玉米地上部生長的影響(表1)。壟溝覆膜可顯著提高夏玉米灌漿期的株高、莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干質量。B1和B2夏玉米的株高、莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干質量均表現為M1>CK，且達到顯著性差異。

表1 夏玉米灌漿期株高、莖粗、葉面積指數和地上部干物質量

種植密度對夏玉米的莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干質量有顯著影響，但對株高的影響不顯著。密度越大，夏玉米莖粗越小。B1和B2夏玉米莖粗均表現為M1>M2>M3，其中M1均顯著大于M3。單株葉面積隨密度的增大而減小，葉面積指數和地上部干質量隨密度的增大而增大，其中B1M3處理有最大的葉面積指數和地上部干質量，分別為6.31 m2·m-2和13.7 t·hm-2。

2個播期夏玉米的株高、莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干質量有較大差異。B2各處理株高比B1平均高21～46.1cm，但莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干質量均表現為B1>B2。

2.3.2 夏玉米灌漿期根系生長特征 發(fā)達的根系不但能提高夏玉米的抗倒伏能力，而且有利于其吸收土壤中的水分和養(yǎng)分，進而提高夏玉米產量。不同處理對夏玉米抽雄期0～60 cm土層總根長、根表面積、根體積和總根干質量的影響見表2。B1和B2各處理夏玉米根系特征參數均顯著高于CK，說明壟溝覆膜可促進夏玉米根系發(fā)育；B1和B2夏玉米根系特征參數均表現為M3>M2>M1>CK，隨著種植密度的減小，根系特征參數也逐漸減小。

表2 夏玉米灌漿期0～60 cm土層的根系特征參數

B1壟溝覆膜夏玉米較B2根系更加發(fā)達。不同播期的灌漿期覆膜處理夏玉米根系特征參數均表現為B1>B2。

不同處理對夏玉米灌漿期不同深度土層側根長占0～60 cm土層總側根長的百分比具有顯著影響(圖4)。側根長百分比隨土層深度的增加而減小，B1和B2各處理0～20 cm側根長百分比分別為51.4%～70.9%和50.1%～70.4%，均大于50%。各處理0～20 cm土層側根長百分比均表現為M1>M2>M3>CK，且表現出顯著差異；但各處理20～40 cm和40～60 cm土層側根長百分比表現為CK>M3>M2>M1?？梢姼材な瓜挠衩壮尸F淺根化趨勢，且根系主要分布于0～20 cm深度土層，并且淺根化趨勢隨種植密度的增大而減小。

2.4 不同處理對夏玉米產量、產量構成及水分利用效率的影響

不同處理夏玉米的產量構成見表3。夏玉米不同處理間行粒數、穗長、穗粗和百粒重有較大差異。B1和B2的行粒數、穗長、穗粗和百粒重均表現為M1>CK，且達到顯著性水平。可見壟溝覆膜可顯著提高夏玉米的行粒數、穗長、穗粗和百粒重。

表3 夏玉米產量構成要素

種植密度對夏玉米的行粒數、穗長、穗粗和百粒重有顯著影響。B1和B2行粒數、穗長、穗粗和百粒重均表現為M1>M2>M3，除B2M1和B2M2穗粗差異不顯著外，其余均達到顯著性水平?？梢姺N植密度越大，夏玉米的行粒數、穗長、穗粗和百粒重越小。

播期對夏玉米的穗長、穗粗和百粒重有顯著影響。除B1CK和B2CK差異不顯著外，B1和B2覆膜處理在穗長、穗粗和百粒重上均表現為B1>B2；其中B1覆膜處理百粒重較B2平均高2.7%～16.9%。

壟溝覆膜可顯著降低夏玉米耗水量，提高產量、水分利用效率和收獲指數(表4)。B1和B2夏玉米覆膜較未覆膜(CK)處理，產量分別提高了67.2%～81.1%和39.4%～68.3%；耗水量分別降低了1.1%～4.8%和3.3%～7.2%；水分利用效率分別提高了75.7%～82.0%和50.2%～76.0%；收獲指數分別提高了3.7%～20.2%和11.2%～28.6%。

B1各處理產量表現為M3>M2>M1>CK，但M3與M2差異不顯著，與M1和CK差異顯著；B2各處理產量表現為M2>M3>M1>CK，其中M2與M3、M1和CK均達到顯著性差異。第一播期的B1M3處理產量和水分利用效率最高，分別為12 522.5 kg·hm-2和2.62 kg·m-3；第二播期的B2M2處理產量和水分利用效率最高，分別為11 492.0 kg·hm-2和2.52 kg·m-3。B1比B2各處理產量平均提高1.26%～21.4%，水分利用效率平均提高0.7%～17.7%。

表4 夏玉米產量、耗水量、水分利用效率及收獲指數

3 討 論

3.1 壟溝覆膜對土壤環(huán)境及夏玉米生長的影響

集雨種植能顯著提高小于5 mm降水的利用效率[14]，改善土壤水分狀況，在中國旱區(qū)農業(yè)中應用廣泛[15]。研究表明，覆膜具有增溫保墑的作用，在減少無效蒸發(fā)的同時促進有效蒸騰，進而提高作物水分利用效率[16-17]。本試驗表明，壟溝集雨覆膜栽培可顯著提高夏玉米生育前期0～25 cm土層平均溫度和0～100 cm土層內的平均土壤含水量，降低全生育期耗水量1.1%～7.2%，提高水分利用效率50.2%～82.0%。但是夏玉米生育中后期覆膜的增溫效果不顯著，主要是因為覆膜夏玉米郁閉度更大，阻擋了更多的太陽光，這與殷濤等[13]和閆志山等[18]的結論一致。

壟溝集雨覆膜種植通過改善土壤水熱狀況，進而達到促進作物生長及增產的目的。本試驗表明，覆膜夏玉米具有更大株高、莖粗、單株葉面積、葉面積指數和地上部干物質量，其中覆膜較露地(CK)產量平均提高39.4%～81.1%，收獲指數提高3.7%～28.6%。同時，覆膜夏玉米具有更加發(fā)達的根系，這有助于作物對土壤中水分及養(yǎng)分的吸收。B1和B2灌漿期覆膜處理0～60cm土層的總根長、根體積、根表面積和總根干質量均顯著大于CK。分析不同土層根長占0～60 cm土層總根長的百分比可知，M1處理0～20 cm根長百分比顯著大于CK，表明覆膜使夏玉米呈現淺根化趨勢，這與銀敏華等[19]的結論一致。

3.2 種植密度對土壤環(huán)境及夏玉米生長的影響

過低的種植密度使得光、熱、水資源得不到有效利用，而過高的種植密度使夏玉米群體透光率降低，消光系數增大，空桿和倒伏增加[20-21]。因此合理密植是通過協(xié)調玉米的庫源關系，從而使玉米群體獲得高產的關鍵[22]。本試驗中，隨著夏玉米種植密度的增加，0～1 m深土壤含水量和0～25 cm土層的平均溫度降低，全生育期耗水量和根系特征參數增加。其中，密度每增加2.5萬株·hm-2，灌漿期0～60 cm土層總根長平均增加和12.7%～18.6%。覆膜夏玉米呈現淺根化趨勢的原因是，覆膜使得淺層土壤儲水量增加。但隨著種植密度的增加，土壤水分消耗增加，淺層土壤儲水量減少，因此淺根化趨勢也相應減小。同時，隨著種植密度的增加，夏玉米灌漿期的莖粗和單株葉面積減小，株高、葉面積指數和群體地上部干物質量增大。

適當增加種植密度能彌補單株產量的降低，從而使群體獲得較高產量[23-24]。本試驗中，隨著種植密度的增加，行粒數、穗長、穗粗和百粒重均逐漸降低。雖然密度的增加引起了單株產量的降低，但B1覆膜夏玉米產量隨種植密度的增加而增大，在10萬株·hm-2時獲得最高產量；而B2覆膜夏玉米產量隨播種密度的增加先增大后減小，在7.5萬株·hm-2時獲得最高產量。

董飛等[25]在山西臨汾的試驗研究表明，冬小麥-夏玉米輪作模式下，溝播夏玉米在7.5萬株·hm-2時產量和水分利用效率最高；寧碩瀛[26]在陜西多個試驗站的研究表明，正常播(6月14日)夏玉米在7.5萬株·hm-2時獲得最高產量。本試驗與前人的研究結果一致，冬小麥-夏玉米輪作模式下夏玉米(B2)在7.5萬株·hm-2時獲得最高產量為11 492 kg·hm-2。雖然本試驗中B1夏玉米隨著種植密度的增加產量持續(xù)上升，但是當密度由7.5萬株·hm-2增加到10萬株·hm2時，產量及水分利用效率的增加并不顯著。因此，當B1夏玉米密度繼續(xù)增加時產量是否會繼續(xù)增加或下降，仍有待進一步研究。

3.3 播期對氣象因子及夏玉米生長的影響

大量研究表明，播期主要通過調節(jié)玉米生育期內日照時數、有效積溫及平均溫度等氣象因子來影響玉米的生長發(fā)育及產量[27-28]。任佰朝等[29]研究發(fā)現播期對夏玉米生理成熟所需積溫無顯著影響。夏玉米適宜早播，能使其莖稈變粗，干物質量積累增加，株高、穗位高降低，同時灌漿時間延長[30]；隨播期推遲，夏玉米生育期縮短，最大葉面積指數和地上部最大干物質量下降，產量降低[7]。本試驗中，B1夏玉米全生育期內有效積溫、日照時數、日平均溫度和生育期天數均高于B2，其中有效積溫比B2多153.2℃。B1夏玉米灌漿期株高降低，莖稈變粗，葉面積指數和干物質量積累增加，灌漿期日平均溫度較B2高1.54℃。同時，同一密度下B1覆膜夏玉米百粒重較B2平均高2.7%～17.5%，產量平均提高3.7%～21.4%。有研究表明，百粒重的降低是影響晚播夏玉米產量的重要原因，由于早播夏玉米生育期延長，同時灌漿期光熱資源更加充足，從而使玉米粒重增加，產量提高[31]。

4 結 論

1)壟溝集雨覆膜栽培可顯著提高夏玉米的土壤含水量30%～40%以及生育前期的淺層(0～25 cm)土壤溫度1.6℃～3.6℃。同時，覆膜夏玉米灌漿期有著更加發(fā)達的根系和更大的株高、莖粗、葉面積和地上干物質等。2個播期覆膜較未覆膜(CK)產量和水分利用效率平均提高39.4%～81.1%和50.2%～82.0%。

2)不同輪作模式下，夏玉米的最適種植密度不同。冬油菜-夏玉米輪作模式下夏玉米在壟溝覆膜10萬株·hm-2時獲得最高產量，為12 522.5 kg·hm-2；冬小麥-夏玉米輪作模式下夏玉米在壟溝覆膜7.5萬株·hm-2時獲得最高產量，為11 492 kg·hm-2。由于播期的提前，冬油菜-夏玉米輪作模式下，覆膜夏玉米的生長狀況和產量均優(yōu)于冬小麥-夏玉米輪作，并且適宜種植密度也相應提高。