于愛忠, 柴 強, 殷 文, 趙 財, 胡發(fā)龍, 樊志龍

綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量形成及水分利用特征對地膜覆蓋方式及行距的響應(yīng)*

于愛忠, 柴 強**, 殷 文, 趙 財, 胡發(fā)龍, 樊志龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室 蘭州 730070)

干旱綠洲灌區(qū)玉米生產(chǎn)普遍采用全膜覆蓋方式, 殘膜污染問題嚴(yán)重。因此, 研究地膜減投增效生產(chǎn)技術(shù)對緩解殘膜污染有重要意義。在甘肅河西石羊河流域通過田間試驗研究了不同覆膜方式(全膜覆蓋、半膜覆蓋)和不同種植行距(50 cm等行距、40 cm+80 cm寬窄行)對玉米產(chǎn)量、耗水量、耗水結(jié)構(gòu)及水分利用效率的影響。結(jié)果表明, 全膜寬窄行和半膜寬窄行種植條件下均可獲得較高的玉米籽粒產(chǎn)量, 分別達(dá)14 712.7 kg?hm-2和14 155.2 kg?hm-2, 較半膜覆蓋等行距處理高13.2%和8.9%(<0.05), 與全膜覆蓋等行距處理差異不顯著。全膜寬窄行和半膜寬窄行獲得較高籽粒產(chǎn)量的原因是提高了穗數(shù)和雙穗率。全膜覆蓋條件下寬窄行種植獲得較高LAI峰值的同時, 玉米全生育期平均LAI顯著高于半膜覆蓋處理。全膜覆蓋顯著降低了玉米生長前期(播種至大喇叭口期)的棵間蒸發(fā)量。半膜覆蓋等行距和寬窄行種植玉米全生育期棵間蒸發(fā)量分別較全膜等行距種植高14.3%和21.9%, 差異顯著。半膜覆蓋寬窄行種植條件下玉米水分利用效率達(dá)19.3 kg?mm-1?hm-2, 與全膜覆蓋等行距和寬窄行處理均無顯著差異。干旱綠洲灌區(qū)半膜覆蓋寬窄行種植替代全膜等行距種植或?qū)捳胁粫?dǎo)致玉米產(chǎn)量和水分利用效率降低。

綠洲灌區(qū); 玉米產(chǎn)量; 水分利用; 地膜覆蓋方式; 行距

地膜覆蓋作為一項輕簡易化的農(nóng)業(yè)節(jié)水生產(chǎn)技術(shù), 被認(rèn)為是在干旱和半干旱地區(qū)不可或缺的作物生產(chǎn)技術(shù)。近年來, 聚乙烯塑料薄膜大面積使用, 造成了“白色污染”問題[1-2]。生物可降解地膜應(yīng)用、一膜兩(多)用、塑料薄膜機械回收等技術(shù), 因存在成本高、適應(yīng)性低、缺乏配套機械等問題未能很好地解決殘膜污染的問題[3]。玉米(L.)是干旱、半干旱地區(qū)的主要作物, 目前普遍采用地膜覆蓋栽培措施[4-6]。研究[7-9]表明, 半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)地膜覆蓋提高玉米籽粒產(chǎn)量15%～26%, 增加0～30 cm土壤含水量30%以上, 提高水分利用效率(WUE)21.1%以上。干旱綠洲灌區(qū)全膜覆蓋較不覆膜處理玉米產(chǎn)量提高28.9%, WUE提高6.3%[10]。地膜覆蓋條件下玉米產(chǎn)量的提升歸因于改善了玉米生長的土壤水熱條件, 提高了光合產(chǎn)物的積累等[11-12]。關(guān)于地膜覆蓋提高WUE的機制, 雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的研究[13-14]認(rèn)為, 地膜覆蓋改善了土壤水分條件, 促進(jìn)了玉米對土壤水分的吸收利用; 地膜覆蓋通過改善土壤水熱狀況, 進(jìn)而提高了WUE[11]。另外, 覆蓋方式發(fā)生變化后, 引起作物空間布局發(fā)生變化。一些圍繞不同種植行距的研究[15-16]表明, 種植行距能顯著影響玉米葉片的光合速率及產(chǎn)量形成。然而, 針對地膜覆蓋方式和種植行距兩個關(guān)鍵農(nóng)藝技術(shù)的交互作用對作物產(chǎn)量形成及水分利用特征方面的研究鮮見報道, 進(jìn)而未能很好揭示產(chǎn)量形成和耗水過程對覆蓋方式及種植行距的響應(yīng)及其關(guān)鍵機制。干旱綠洲灌區(qū)資源性缺水問題突出, 主栽作物玉米普遍采用全膜覆蓋種植模式, 地膜大量使用造成殘膜污染問題嚴(yán)重。能否采用半膜覆蓋替代全膜覆蓋是研究者和生產(chǎn)者關(guān)心的重要問題。本研究通過連續(xù)3年定位試驗, 分析了全膜覆蓋和半膜覆蓋條件下, 種植行距對玉米產(chǎn)量形成及水分利用特征的影響, 以期為區(qū)域內(nèi)地膜減投增效技術(shù)的適應(yīng)性評價提供重要參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于2013—2015年在位于甘肅省武威市涼州區(qū)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗站(37°30′N, 103°5′E)進(jìn)行。該試驗站平均海拔1 776 m, 年平均氣溫7.2 ℃, 全年無霜期156 d, 近30年平均降水量156 mm, 年蒸發(fā)量超過2 400 mm, 年日照時數(shù)2 945 h, 年太陽輻射總量504~630 kJ?cm-2。主要種植作物有小麥(L.)、玉米、馬鈴薯(L.)等, 屬于典型的兩熟不足、一熟有余的干旱內(nèi)陸河灌區(qū)。區(qū)域內(nèi)土壤為典型的石灰性灌漠土, 0~110 cm土壤容重1.44 g·cm-3, 0~30 cm有機碳含量11.3 g·kg-1, 全氮、速效磷、速效鉀含量分別為0.94 g·kg-1、29.2 mg·kg-1和152.6 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗設(shè)地膜覆蓋方式和種植行距2個因素。采用2因素完全隨機區(qū)組設(shè)計。其中, 地膜覆蓋方式包括全膜覆蓋(膜寬140 cm)、半膜覆蓋(膜寬80 cm), 種植行距包括等行距(50 cm)、寬窄行(40 cm+80 cm), 共4個處理, 重復(fù)3次。小區(qū)面積12 m×8 m, 全膜覆蓋種5帶, 半膜覆蓋種10帶(圖1)。玉米品種為‘先玉335’。2013年4月20日播種, 9月25日收獲; 2014年4月22日播種, 9月27日收獲; 2015年4月24日播種, 9月26日收獲。密度82 500株·hm-2, 玉米全生育期施用純氮450 kg·hm-2, 按基肥∶大喇叭口期追肥∶灌漿期追肥3∶6∶1施入; 磷肥施用P2O5225 kg·hm–2, 全部用作基肥。采用輸水管道分小區(qū)、水表計量灌溉, 灌溉定額525 mm, 其中冬儲灌120 mm; 拔節(jié)期、大喇叭口、抽雄吐絲期、灌漿初期、灌漿中期灌水定額分別為90 mm、75 mm、90 mm、75 mm和75 mm。

圖1 玉米不同地膜覆蓋方式及行距田間試驗處理示意圖

FU: 全膜等行距; FP: 全膜寬窄行; HU: 半膜等行距; HP: 半膜寬窄行。FU: full-film mulching + uniform row; FP: full-film mulching + paired row; HU: half-film mulching + uniform row; HP: half-film mulching + paired row.

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤含水量

0~30 cm土層每10 cm為一層用烘干法測定土壤含水量, 每小區(qū)隨機選擇3個點重復(fù); 30~110 cm用水分中子儀(美國CPN公司503 DR)測定。全膜覆蓋和半膜覆蓋處理, 分別在小區(qū)中央的覆膜帶和不覆膜帶安裝1根中子管, 每20 cm為一層。玉米播種前和收獲后各測定1次, 生育期內(nèi)每15 d測定1次, 灌水前后分別加測1次。

1.3.2 棵間蒸發(fā)量

采用微型蒸滲儀(Micro-lysimeter)進(jìn)行測定。全膜覆蓋和半膜覆蓋處理, 分別在小區(qū)中央的覆膜帶和不覆膜帶安裝1套。微型蒸滲儀用PVC管做成。根據(jù)孫宏勇等[17]研究結(jié)果, 內(nèi)徑10 cm、壁厚5 mm、高15 cm時, 觀察的土壤蒸發(fā)量最接近于實際值。測定前將其垂直壓入作物行間土壤內(nèi), 使其頂面與地面齊平, 取原狀土, 然后用塑料膜封住底部, 其目的是避免與周圍土壤發(fā)生水分交換; 另用內(nèi)徑為12 cm PVC管做成外套, 固定于行間, 使其表面與附近土壤持平, 以保證操作時不破壞周圍土體結(jié)構(gòu)。

土壤蒸發(fā)測定采用稱重法, 即2次稱量之間的重量差值。

作物生長前期, 由于作物對地表的郁蔽程度低, 棵間蒸發(fā)量相對較高, 需要每天更換微型蒸滲儀內(nèi)的原狀土, 作物生長中后期, 每3 d更換1次, 降雨和灌溉后立即更換土體, 其目的是保證微型蒸滲儀內(nèi)部的土壤水分剖面與周圍土壤一致。

1.3.3 葉面積和籽粒產(chǎn)量

每小區(qū)選擇長勢一致的植株10株標(biāo)記, 采用長寬系數(shù)法, 每隔20 d測定1次葉面積。葉面積指數(shù)(LAI)為單位面積上所有葉片表面積總和與相應(yīng)土地面積之比。每小區(qū)單獨全部收獲計產(chǎn)。

1.3.4 水分利用效率

玉米某一階段的水分利用效率和全生育期水分利用效率分別用基于干物質(zhì)量水分利用效率(WUEET.B)和基于籽粒產(chǎn)量水分利用效率(WUEET.Y)表示, 用式(1)和式(2)計算:

WUEET.B=Biomass/ET (1)

WUEET.Y=/ET (2)

式中: Biomass為玉米某一生育階段積累的干物質(zhì)量;為玉米籽粒產(chǎn)量; ET為玉米某一生育階段(式1)或全生育期(式2)的耗水量, ET用式(3)計算:

本研究區(qū)地下水埋深超過15 m, 試驗條件控制, 無徑流產(chǎn)生; 經(jīng)測定無滲漏。因此,均取值0。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0進(jìn)行二因素方差分析, 多重比較選擇Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素對地膜覆蓋方式及行距的響應(yīng)

本研究在保證各處理基本苗一致的情況下, 分析了不同處理對玉米穗數(shù)、雙穗率、穗粒數(shù)、粒重和籽粒產(chǎn)量的影響。如表1所示, 不同年度間穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量差異顯著; 地膜覆蓋方式及行距對穗數(shù)、雙穗率及籽粒產(chǎn)量影響顯著, 且二者互作效應(yīng)顯著。從不同地膜覆蓋方式來看, 全膜覆蓋條件下玉米籽粒產(chǎn)量達(dá)14 267.1 kg·hm-2, 較半膜覆蓋提高5.1%(<0.05); 對應(yīng)穗數(shù)和雙穗率分別高3.8%和7.3%(<0.05)。從不同行距來看, 寬窄行種植條件下玉米籽粒產(chǎn)量達(dá)14 036.7 kg·hm-2, 較等行距高4.7% (<0.05)。對應(yīng)穗數(shù)和雙穗率分別高6.6%和18.2% (<0.05)。從地膜覆蓋方式和行距組合來看, 全膜寬窄行和半膜寬窄行種植條件下可獲得較高的籽粒產(chǎn)量, 分別達(dá)14 712.7 kg·hm-2和14 155.2 kg·hm-2, 較半膜覆蓋等行距處理高13.2%和8.9%(<0.05), 與全膜覆蓋等行距處理差異不顯著。全膜寬窄行和半膜寬窄行種植條件下穗數(shù)和雙穗率也較高, 并且顯著高于等行距處理。全膜等行距處理與半膜寬窄行處理籽粒產(chǎn)量無顯著差異。地膜覆蓋方式及行距互作對玉米穗粒數(shù)和粒重影響不顯著。從不同年度來看, 2015年、2014年籽粒產(chǎn)量分別達(dá)13 984.2和13 710.1kg·hm-2, 分別較2013年提高5.0%和3.0% (<0.05)。2015年穗粒數(shù)達(dá)610.5?！に?1, 顯著高于2013年和2014年。綜合上述結(jié)果, 試區(qū)無論在全膜覆蓋還是半膜覆蓋條件下, 寬窄行種植均能獲得較高籽粒產(chǎn)量, 其主要原因是提高了穗數(shù)和雙穗率。

表1 不同覆膜方式及種植行距條件下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

NS表示無顯著差異; *和**分別表示在<0.05和<0.01水平差異顯著。同一因素同列數(shù)字后不同小寫字母表示在<0.05水平差異顯著。NS indicates non-significance; * and ** indicate significance at< 0.05 and< 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column under a factor are significantly different at< 0.05.

2.2 地膜覆蓋方式及行距對玉米葉面積指數(shù)的影響

不同地膜覆蓋方式及種植行距條件下玉米全生育期葉面積指數(shù)(LAI)動態(tài)變化及平均葉面積指數(shù)如圖2所示。地膜覆蓋方式對LAI影響顯著, 而種植行距對其無顯著影響, 二者互作效應(yīng)不顯著。從3年平均結(jié)果來看, 玉米生長前期(苗期至拔節(jié)期)各處理LAI無顯著差異; 拔節(jié)期至抽雄吐絲期, 全膜覆蓋處理條件下LAI顯著高于半膜覆蓋處理。但相同覆膜方式下, 不同行距處理間無顯著差異。全膜覆蓋寬窄行處理LAI峰值大于6.0, 顯著高于同期半膜覆蓋處理; 此外, 后者玉米LAI峰值出現(xiàn)晚于全膜覆蓋處理。從全生育期LAI來看, 全膜覆蓋等行距處理平均LAI達(dá)3.4, 分別比半膜覆蓋等行距處理和半膜覆蓋寬窄行處理提高17.6%和11.3%(<0.05); 相同覆膜方式下, 等行距種植和寬窄行種植玉米平均LAI無顯著差異。說明全膜覆蓋條件下寬窄行種植可以獲得較高LAI峰值的同時, 玉米全生育期平均LAI顯著高于半膜覆蓋處理, 為其獲得較高的籽粒產(chǎn)量創(chuàng)造了較大的光合源。

圖2 不同地膜覆蓋及種植行距條件下玉米葉面積指數(shù)動態(tài)變化和平均葉面積指數(shù)

FU: 全膜等行距; FP: 全膜寬窄行; HU: 半膜等行距; HP: 半膜寬窄行。A圖中誤差線表示LSD值。B圖中誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤, 不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。FU: full-film mulching + uniform row; FP: full-film mulching + paired row; HU: half-film mulching + uniform row; HP: half-film mulching + paired row. Error bars indicate LSD value in the figure A. Error bars indicate standard error, and different lowercase letters above the error bars mean significant difference at< 0.05 among different treatments in the figure B.

2.3 不同地膜覆蓋方式及種植行距下玉米耗水結(jié)構(gòu)

2.3.1 不同生育階段玉米耗水結(jié)構(gòu)

3年平均試驗結(jié)果表明, 地膜覆蓋方式及種植行距對玉米不同生育階段棵間蒸發(fā)量()及蒸發(fā)量占蒸散量的比例(/ET)存在顯著影響, 且對玉米大喇叭口期至開花期和/ET的影響存在顯著互作效應(yīng)(圖3)。從不同生育階段來看, 播種期至拔節(jié)期, 半膜覆蓋條件下的平均為28.1 mm, 比全膜覆蓋提高36.5%(<0.05), 且/ET比全膜覆蓋下高6.2個百分點, 差異顯著。拔節(jié)期至大喇叭口期, 半膜覆蓋下的平均為144.5 mm, 較全膜覆蓋下高9.6%(<0.05), 且/ET較全膜覆蓋下高3.8個百分點(<0.05)。同時, 播種至大喇叭口期, 相同地膜覆蓋方式下, 種植行距對和/ET無顯著影響。大喇叭口期至開花期, 相同覆膜方式下, 寬窄行處理下的和/ET均顯著高于等行距處理, 其中全膜覆蓋寬窄行和半膜覆蓋寬窄行處理分別達(dá)45.2 mm和48.7 mm, 分別較對應(yīng)等行距處理高24.5%和16.2%; 全膜覆蓋寬窄行和半膜覆蓋寬窄行處理/ET分別比對應(yīng)等行距處理低4.0個和3.8個百分點。開花期至成熟期, 各處理和/ET均無顯著差異。上述結(jié)果說明, 全膜覆蓋顯著降低了玉米生長前期(播種至大喇叭口期)的, 且種植行距對這一生長階段的沒有顯著影響, 但種植行距影響玉米生長中期(大喇叭口期至吐絲期)及/ET; 地膜覆蓋方式和種植行距對玉米生長后期無顯著影響。

2.3.2 全生育期玉米耗水結(jié)構(gòu)

地膜覆蓋方式及種植行距對玉米全生育期總棵間蒸發(fā)量()影響顯著, 且互作效應(yīng)顯著, 但對全生育期總蒸散量(ET)和蒸發(fā)量占蒸散量的比例(/ET)影響不顯著(圖4)。半膜覆蓋和全膜覆蓋下玉米全生育期分別平均為179.9 mm和163.0 mm, 前者較后者提高12.4%(<0.05);/ET無顯著差異。寬窄行種植和等行距種植下玉米全生育期平均分別為179.9 mm和166.1 mm, 前者較后者高11.6%(<0.05);/ET無顯著差異。從地膜覆蓋方式和種植行距組合來看, 半膜覆蓋等行距和寬窄行種植處理玉米全生育期分別為177.2 mm和189.0 mm, 分別較全膜等行距高14.3%和21.9%(<0.05); 相同覆膜方式下, 不同種植行距處理玉米全生育期無顯著差異; 各處理間/ET無顯著差異。說明相對于傳統(tǒng)的全膜等行距種植方式, 半膜覆膜覆蓋寬窄行和等行距種植均增加了玉米全生育期。從玉米全生育期來看, 地膜覆蓋方式及種植行距對/ET影響不顯著。

圖3 不同覆膜方式及種植行距下玉米不同生育階段棵間蒸發(fā)量(E)及蒸發(fā)量與蒸散量之比(E/ET)

FU: 全膜等行距; FP: 全膜寬窄行; HU: 半膜等行距; HP: 半膜寬窄行。不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。FU: full-film mulching + uniform row; FP: full-film mulching + paired row; HU: half-film mulching + uniform row; HP: half-film mulching + paired row. Different lowercase letters above the error bars mean significant differences at< 0.05 among different treatments.

圖4 不同覆膜方式及種植行距下玉米全生育期總蒸散量(ET)、棵間蒸發(fā)量(E)及E/ET

FU: 全膜等行距; FP: 全膜寬窄行; HU: 半膜等行距; HP: 半膜寬窄行。不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。FU: full-film mulching + uniform row; FP: full-film mulching + paired row; HU: half-film mulching + uniform row; HP: half-film mulching + paired row. Different lowercase letters above the error bars mean significant difference at< 0.05 among different treatments.

2.4 不同地膜覆蓋方式及種植行距對玉米水分利用效率的影響

不同年度對玉米生長前期水分利用效率(WUEET.B)影響顯著; 覆膜方式對玉米不同生育階段WUEET.B及基于經(jīng)濟產(chǎn)量水分利用效率(WUEET.Y)影響顯著; 種植行距對玉米生長前期WUEET.B影響顯著, 對生長中后期WUEET.B和WUEET.Y無顯著影響, 但二者對WUEET.B和WUEET.Y互作效應(yīng)顯著(表2)。全膜覆蓋處理下, 玉米不同生育階段WUEET.B比半膜覆蓋高8.9%~46.3%(<0.05); 玉米WUEET.Y比半膜覆蓋處理提高6.8% (<0.05)。等行距種植處理玉米生長前期(播種到大喇叭口期)WUEET.B較寬窄行處理高10.7%~11.5%(<0.05),種植行距對玉米生長中后期(大喇叭口期至成熟期)WUEET.B和WUEET.Y無顯著影響。這說明, 地膜覆蓋方式和種植行距對玉米不同生育階段的水分利用效率影響顯著, 但不同生育階段表現(xiàn)并不一致。半膜覆蓋寬窄行種植下玉米水分利用效率達(dá)19.3 kg·mm-1·hm-2, 與全膜覆蓋處理差異不顯著。采用半膜覆蓋寬窄行種植并沒有顯著降低玉米基于經(jīng)濟產(chǎn)量水分利用效率。

表2 不同覆膜方式及種植行距條件下玉米水分利用效率

WUEET.B: 某一生育階段水分利用效率; WUEET.Y: 生育期水分利用效率。NS表示無顯著差異; *和**分別表示在<0.05和<0.01水平差異顯著。同一因素同列數(shù)字后不同小寫字母表示在<0.05水平差異顯著。WUEET.B: wateruse efficiency based on biomass of a growth period; WUEET.Y: wateruse efficiency based on yield. NS indicates non-significance; * and ** indicate significance at< 0.05 and< 0.01, respectively. Means followed by different letters within a column under a factor are significantly different at< 0.05.

3 討論

3.1 產(chǎn)量形成對地膜覆蓋方式及種植行距的響應(yīng)

西北干旱綠洲灌區(qū)連續(xù)3年研究結(jié)果表明, 地膜覆蓋方式和種植行距對玉米籽粒產(chǎn)量影響顯著, 全膜覆蓋處理下玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于半膜覆蓋處理; 相對于等行距種植, 寬窄行能獲得較高籽粒產(chǎn)量。從增產(chǎn)機制上來看, 本研究認(rèn)為全膜覆蓋較半膜覆蓋提高玉米產(chǎn)量、寬窄行種植較等行種植增產(chǎn)的主要原因是提高了穗數(shù)和雙穗率。有研究表明全膜覆蓋較半膜覆蓋增產(chǎn)的主要原因是提高了雙穗率、粒重和穗粒數(shù), 增加了葉面積指數(shù)[10], 這與本研究結(jié)果一致。全膜覆蓋較半膜覆蓋促進(jìn)了玉米根系生長, 改善土壤水分狀況, 進(jìn)而提高了玉米產(chǎn)量[19]。另外, 相對于半膜覆蓋, 全膜覆蓋通過提高土壤溫度, 提高了玉米籽粒產(chǎn)量[5]。地膜覆蓋顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量歸因于穗部干物質(zhì)積累及表層土壤水熱狀況的改善[7]。從種植行距的產(chǎn)量效應(yīng)來看, 本究結(jié)果與一些研究者在川中丘陵區(qū)、黃淮海地區(qū)得出的研究結(jié)果一致[20-21]。另外, 選用與本研究相同的玉米品種的研究認(rèn)為, 寬窄行種植的下部葉片的凈光合速率(n)高于等行距種植[22]。有研究發(fā)現(xiàn), 寬窄行種植改善了群體冠層結(jié)構(gòu), 使吐絲期的中下層葉片獲得更多光合有效輻射, 增強了其光合作用[15]。寬窄行(160 cm +40 cm)較等行距(60 cm)提高了上部葉片光合速率, 同時也提高了葉片中POD活性, 推遲了葉片衰老, 從而提高了產(chǎn)量[16]。本研究發(fā)現(xiàn)全膜覆蓋處理下玉米葉面積指數(shù)峰值與全生育期平均葉面積指數(shù)均高于半膜覆蓋, 這從光合源的角度進(jìn)一步解釋了全膜覆蓋較半膜覆蓋增產(chǎn)的原因。本研究發(fā)現(xiàn), 半膜覆蓋下, 寬窄行種植玉米籽粒產(chǎn)量較全膜覆蓋并沒有顯著降低。因此, 半膜覆蓋寬窄行種植替代全膜等行距或?qū)捳蟹N植能夠?qū)崿F(xiàn)玉米產(chǎn)量不降低, 但有效降低地膜的投入量, 這對于干旱綠洲灌區(qū)有重要的生態(tài)和經(jīng)濟效益。

3.2 地膜覆蓋方式及種植行距對玉米水分利用特征的影響

連續(xù)3年研究結(jié)果表明, 相對于半膜覆蓋, 全膜覆蓋顯著減低了玉米生長前期(播種至大喇叭口期)的棵間蒸發(fā)量, 但全膜覆蓋和半膜覆蓋對玉米全生育期總蒸散量影響不顯著。這一結(jié)果與李小剛等[23]在黃土高原半干旱區(qū)的研究結(jié)果一致, 其認(rèn)為地膜覆蓋下作物生長發(fā)育加快, 冠層覆蓋和葉面積顯著增加, 從而顯著增加了蒸騰消耗, 苗期因減少土面蒸發(fā)而保蓄的水分在生長盛期被作物吸收利用。另外, 黃土高原半干旱區(qū)的研究結(jié)果也證明地膜覆蓋與不覆蓋處理玉米耗水量無顯著差異[24]。本研究發(fā)現(xiàn), 與等行距種植相比, 寬窄行種植提高了玉米生長中期(大喇叭口期至吐絲期)棵間蒸發(fā)量及蒸發(fā)量占蒸散量的比例。黃淮海平原研究結(jié)果表明, 40 cm行距較50 cm行距增加了玉米耗水量[25]。在黃土旱塬區(qū)的研究發(fā)現(xiàn), 不同行距相同密度下玉米產(chǎn)量和水分利用效率沒有顯著差異[26]。因此, 行距對玉米耗水量影響的階段性及其機制有待進(jìn)一步深入探討。

各種節(jié)水技術(shù)、節(jié)水措施的應(yīng)用, 歸根結(jié)底是為了提高水分利用效率[27]。本研究發(fā)現(xiàn), 采用半膜覆蓋寬窄行種植并沒有顯著降低玉米基于經(jīng)濟產(chǎn)量水分利用效率。這是因為半膜覆蓋種植下玉米產(chǎn)量和耗水量與傳統(tǒng)全膜覆蓋等行距并沒有顯著差異。也有研究發(fā)現(xiàn)。在黃土旱塬區(qū), 相同密度下不同行距產(chǎn)量和水分利用效率沒有顯著差異[26]。許多研究認(rèn)為覆蓋之所以能夠提高作物的水分利用效率是地膜或秸稈等覆蓋方式有利于改善土壤水分狀況[28-29],即減少了作物耗水中的棵間蒸發(fā), 從而降低作物的耗水量, 提高了作物水分利用效率[11,30]。本研究進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 不同地膜覆蓋方式和種植行距對玉米不用生育階段的水分利用效率影響并不一致, 這可能是因為覆蓋和種植行距這兩個因子共同影響了耗水過程和干物質(zhì)積累過程。

4 結(jié)論

干旱綠洲灌區(qū), 地膜覆蓋方式和種植行距對玉米籽粒產(chǎn)量影響顯著, 全膜覆蓋下玉米籽粒產(chǎn)量顯著高于半膜覆蓋; 寬窄行種植較等行距種植能獲得較高籽粒產(chǎn)量。增產(chǎn)的主要原因是提高了穗數(shù)和雙穗率。相對于半膜覆蓋, 全膜覆蓋顯著降低了玉米生長前期(播種至大喇叭口期)的棵間蒸發(fā)量, 但全膜覆蓋和半膜覆蓋對玉米全生育期總蒸散量(ET)影響不顯著。半膜覆蓋寬窄行種植替代全膜等行距或?qū)捳蟹N植能夠?qū)崿F(xiàn)玉米產(chǎn)量和水分利用效率不降低, 這為水資源短缺、地膜投入量較高的干旱內(nèi)陸灌區(qū)玉米生產(chǎn)過程中實現(xiàn)地膜減投增效提供了一種重要途徑。

[1] LIU E K, HE W Q, YAN C R. ‘White revolution’ to ‘white pollution’ —agricultural plastic film mulch in China[J]. Environmental Research Letters, 2014, 9(9): 091001

[2] CHEN Y S, WU C F, ZHANG H B, et al. Empirical estimation of pollution load and contamination levels of phthalate esters in agricultural soils from plastic film mulching in China[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 70(1): 239–247

[3] 薛穎昊, 曹肆林, 徐志宇, 等. 地膜殘留污染防控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2017, 36(8): 1595–1600XUE Y H, CAO S L, XU Z Y, et al. Status and trends in application of technology to prevent plastic film residual pollution[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2017, 36(8): 1595–1600

[4] LI C J, WANG C J, WEN X X, et al. Ridge-furrow with plastic film mulching practice improves maize productivity and resource use efficiency under the wheat-maize double-cropping system in dry semi-humid areas[J]. Field Crops Research, 2017, 203: 201–211

[5] WU Y, HUANG F Y, JIA Z K, et al. Response of soil water, temperature, and maize (L.) production to different plastic film mulching patterns in semi-arid areas of Northwest China[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 166: 113–121

[6] YU Y Y, TURNER N C, GONG Y H, et al. Benefits and limitations to straw- and plastic-film mulch on maize yield and water use efficiency: A meta-analysis across hydrothermal gradients[J]. European Journal of Agronomy, 2018, 99: 138–147

[7] XU J, LI C F, LIU H T, et al. The effects of plastic film mulching on maize growth and water use in dry and rainy years in northeast China[J]. PLoS One, 2015, 10(5): e0125781

[8] BI Y L, QIU L, ZHAKYPBEK Y, et al. Combination of plastic film mulching and AMF inoculation promotes maize growth, yield and water use efficiency in the semiarid region of Northwest China[J]. Agricultural Water Management, 2018, 201: 278–286

[9] ZHANG P, WEI T, CAI T, et al. Plastic-film mulching for enhanced water-use efficiency and economic returns from maize fields in semiarid China[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 512

[10] 于愛忠, 柴強. 供水與地膜覆蓋對干旱灌區(qū)玉米產(chǎn)量的影響[J]. 作物學(xué)報, 2015, 41(5): 778–786 YU A Z, CHAI Q. Effects of plastic film mulching and irrigation quota on yield of corn in arid oasis irrigation area[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(5): 778–786

[11] LIU J L, BU L D, ZHU L, et al. Optimizing plant density and plastic film mulch to increase maize productivity and water-use efficiency in semiarid areas[J]. Agronomy Journal, 2014, 106(4): 1138–1146

[12] 孫揚, 郭占全, 吳春勝. 地膜覆蓋對玉米產(chǎn)量及干物質(zhì)特性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2016, 35(6): 72–75 SUN Y, GUO Z Q, WU C S. Effect of plastic film mulching on yield and dry matter characteristics in semi-arid area[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(6): 72–75

[13] ZHANG Z, ZHANG Y Q, SUN Z X, et al. Plastic film cover during the fallow season preceding sowing increases yield and water use efficiency of rain-fed spring maize in a semi-arid climate[J]. Agricultural Water Management, 2019, 212: 203–210

[14] 胡亞瑾, 吳淑芳, 馮浩, 等. 寬壟窄行覆膜種植對夏玉米土壤水熱及產(chǎn)量的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2016, 35(10): 8–12 HU Y J, WU S F, FENG H, et al. Effects of wide ridge and narrow row with ridge mulching mode on soil water content and temperature and yield of summer maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2016, 35(10): 8–12

[15] LIU T, SONG F, LIU S, et al. Canopy structure, light interception, and photosynthetic characteristics under different narrow-wide planting patterns in maize at silking stage[J]. Spanish Journal of Agricultural Research, 2011, 9(4): 1249–1261

[16] TIAN C, HAN J C, LI J, et al. Effects of row direction and row spacing on maize leaf senescence[J]. PLoS One, 2019, 14(4): e0215330

[17] 孫宏勇, 劉昌明, 張永強, 等. 微型蒸發(fā)器測定土面蒸發(fā)的試驗研究[J]. 水利學(xué)報, 2004, (8): 114–118 SUN H Y, LIU C M, ZHANG Y Q, et al. Study on soil evaporation by using micro-lysimeter[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, (8): 114–118

[18] FAN Z L, CHAI Q, HUANG G B, et al. Yield and water consumption characteristics of wheat/maize intercropping with reduced tillage in an Oasis region[J]. European Journal of Agronomy, 2013, 45: 52–58

[19] GAO Y H, XIE Y P, JIANG H Y, et al. Soil water status and root distribution across the rooting zone in maize with plastic film mulching[J]. Field Crops Research, 2014, 156: 40–47

[20] 陳偉, 李強, 劉曉林, 等. 密度與行距配置對川中丘區(qū)玉米物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2019, 37(3): 301–307 CHEN W, LI Q, LIU X L, et al. Effects of density and row spacing on maize accumulation and yield in hilly area of Sichuan[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2019, 37(3): 301–307

[21] 魏珊珊, 王祥宇, 董樹亭. 株行距配置對高產(chǎn)夏玉米冠層結(jié)構(gòu)及籽粒灌漿特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2014, 25(2): 441–450 WEI S S, WANG X Y, DONG S T. Effects of row spacing on canopy structure and grain-filling characteristics of high-yield summer maize[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(2): 441–450

[22] 馮瑞云, 王慧杰, 閆貴云, 等. 旱地寬窄行種植對春玉米冠層結(jié)構(gòu)、光合特性及產(chǎn)量的影響[J]. 作物雜志, 2015, (5): 80–84 FENG R Y, WANG H J, YAN G Y, et al. Effects of wide and narrow row cultivation on canopy structure, photosynthetic characteristics and yield in spring maize of dryland[J]. Crops, 2015, (5): 80–84

[23] 李小剛, 李鳳民. 旱作地膜覆蓋農(nóng)田土壤有機碳平衡及氮循環(huán)特征[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(23): 4630–4638 LI X G, LI F M. Soil organic carbon balance and nitrogen cycling in plastic film mulched croplands in rainfed farming systems[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(23): 4630–4638

[24] LIN W, LIU W Z, XUE Q W. Spring maize yield, soil water use and water use efficiency under plastic film and straw mulches in the Loess Plateau[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1): 42455

[25] LIU J Q, LI M D, ZHOU X B. Row spacing effects on radiation distribution, leaf water status and yield of summer maize[J]. The Journal of Animal & Plant Sciences, 2016, 26(3): 697–705

[26] 王磊, 樊廷錄, 李尚中, 等. 株行距配置連作對黃土旱塬覆膜春玉米土壤水分和產(chǎn)量的影響[J]. 水土保持學(xué)報, 2019, 33(2): 79–86 WANG L, FAN T L, LI S Z, et al. Effects of row spacing and continuous cropping on soil moisture and yield of spring maize covered with film in Loess Plateau dryland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(2): 79–86

[27] 王會肖, 劉昌明. 作物水分利用效率內(nèi)涵及研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2000, 11(1): 99–104 WANG H X, LIU C M. Advances in crop water use efficiency research[J]. Advances in Water Science, 2000, 11(1): 99–104

[28] ZHANG S L, SADRAS V, CHEN X P, et al. Water use efficiency of dryland maize in the Loess Plateau of China in response to crop management[J]. Field Crops Research, 2014, 163: 55–63

[29] LI S X, WANG Z H, LI S Q, et al. Effect of plastic sheet mulch, wheat straw mulch, and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China[J]. Agricultural Water Management, 2013, 116: 39–49

[30] 黨建友, 裴雪霞, 張晶, 等. 秸稈還田條件下灌水模式對冬小麥產(chǎn)量和水肥利用效率的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(10): 2511–2516 DANG J Y, PEI X X, ZHANG J, et al. Effects of irrigation mode on winter wheat yield and water-and nutrient use efficiencies under maize straw returning to field[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(10): 2511–2516

Responses of grain yield formation and water use characteristic of maize to plastic film mulching pattern and row spacing in oasis irrigation area in Northwest China*

YU Aizhong, CHAI Qiang**, YIN Wen, ZHAO Cai, HU Falong, FAN Zhilong

(College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Key Laboratory of Arid Land Crop Science in Gansu Province, Lanzhou 730070, China)

Full plastic film mulching is widely used in maize production in the Arid Oasis Irrigation area of Northwest China. The problem of residual plastic film pollution is of great concern, therefore it is important to study the cultivation techniques of the area in order to reduce pollution by plastic film. The effects of different film mulching patterns (full-film, half-film mulching) coupled with different row spacing (50 cm uniform row spacing and 40 cm + 80 cm paired row spacing) were used to test the yield, water consumption, water consumption structure, and water use efficiency of maize at the Shiyang River Basin in Hexi, Gansu. The results showed that high grain yield was obtained from the paired row spacing of full-film or half-film mulching conditions, which reached 14 712.7 and 14 155.2 kg×hm-2, and they were 13.2% and 8.9% higher than that of the half-film mulching, respectively (< 0.05). However, these were not significantly different from the uniform row spacing of full-film. This was due to the significant increase in spike number and the double-ear rate by planting in paired row spacing. Under the condition of full film mulching, the peak value of the leaf area index (LAI) was obtained by paired row space planting, with the average LAI of the maize during the whole growth period being significantly higher than that of half-film mulched treatment. The amount of evaporation at the early growth stage of maize decreased significantly under full-film mulching than under half-film mulching. The total amount of evaporation under half-film mulching with uniform and paired row spacing were 177.2 and 189.0 mm, respectively. And these were 14.3% and 21.9% respectively, significantly higher than that of full-film mulching with uniform row spacing. The water use efficiency of maize was 19.3 kg×mm-1×hm-2under the conditions of half-film with paired row spacing, which was not significantly different from that of the full-film mulching. These results indicate that half-film mulching with paired row spacing instead of full-film mulching with uniform or paired row spacing will not lead to a decrease in the grain yield and water use efficiency of maize in the Arid Oasis Irrigation area of Northwest China.

Oasis irrigation area; Maize yield; Water use; Plastic film mulching pattern; Row spacing

, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

Nov. 24, 2019;

S513

10.13930/j.cnki.cjea.190828

于愛忠, 柴強, 殷文, 趙財, 胡發(fā)龍, 樊志龍. 綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量形成及水分利用特征對地膜覆蓋方式及行距的響應(yīng)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(5): 662-670

YU A Z, CHAI Q, YIN W, ZHAO C, HU F L, FAN Z L. Responses of grain yield formation and water use characteristic of maize to plastic film mulching pattern and row spacing in oasis irrigation area in Northwest China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(5): 662-670

* 國家自然科學(xué)基金項目(31401350)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-22-G-12)和國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503125-3)資助

柴強, 主要研究方向為多熟種植、節(jié)水農(nóng)業(yè)等。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

于愛忠, 主要研究方向為節(jié)水農(nóng)業(yè)、保護(hù)性農(nóng)業(yè)等。E-mail: yuaizh@gsau.edu.cn

2019-11-24

2020-01-03

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31401350), the Special Fund for the Industrial Technology System Construction of Modern Agriculture of China (CARS-22-G-12), and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (201503125-3).

Jan. 3, 2020