灌水与覆膜对春玉米生长及水分利用效率的影响

银敏华，李援农，徐袁博，张天乐，杨 丹(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

水、热状况是评价土壤肥力的重要指标，也是影响作物生长的关键因素[1]。Helms[2]等研究表明，适宜的土壤水分和温度是作物良好生长的重要保障，而不协调的土壤水热环境将延缓植株发育并降低经济产量。灌溉可有效调节土壤水热状况。研究表明，高频灌溉下土壤平均含水率波动幅度较小，土壤水分能保持在一个相对稳定的范围内；灌溉可显著延迟气温对地温的影响，具有平抑地温的作用[3]。不同亏水度条件下，处理间土壤温度和冠层温度差异显著，拔节前丰水处理的土壤温度较低，而拔节后处理间差异逐渐减小[4]。覆膜也可改善耕层土壤水热环境[5-9]。研究发现，覆膜处理的表层土壤温度和体积含水率分别较露地处理提高4.9%和19.5%[10]。覆膜的保墒效应主要表现在玉米营养生长的浅层土壤，该阶段覆膜较露地土壤温度平均提高2.6 ℃，覆膜协同的土壤水热条件可有效促进植株生长[11]。

陕西关中地区属暖温带半湿润季风气候区。该区春玉米的生长受水分影响较小，其主要制约因素是生育前、中期热量不足。利用地膜覆盖进行春播可增加积温，实现增产效果[12]。然而，长期的生产实践表明，地膜较差的透水性和透气性容易导致作物生长中后期出现不同程度的早衰现象，不利于产量和品质的提高[13-16]。研究如何在保持适宜土壤温度的同时减少无效蒸发和奢侈蒸腾，对提高经济效益和水分利用具有重要意义。鉴于此，本文探究不同灌水模式与覆膜时长对春玉米生长和水分利用的影响，旨在进一步完善地膜覆盖节水机理与技术应用，以实现增产高效的有机统一。

1 材料与方法

1.1 试验地点和材料

春玉米桶栽试验于2011-2013年4-8月，在西北农林科技大学教育部农业水土工程重点实验室试验站遮雨棚内进行。该区位于108°24′E、34°20′ N，海拔 521 m。供试土壤取自试验站0～20 cm耕层土壤，质地为壤土。其理化性状为：有机质11.18 g/kg，全氮 0.94 g/kg，全磷 0.60 g/kg，全钾 14.1 g/kg；硝态氮76.01 mg/kg，速效磷25.22 mg/kg，速效钾131.97 mg/kg；土壤干密度1.35 g/cm3，田间持水率25 % ( 质量含水率)，pH 8.13。

供试春玉米品种为“隆玉58”， 采用子母桶(均为塑料桶)栽土培法。母桶内径35 cm，高32 cm，埋入地下，上沿高出地面3 cm；子桶内径32 cm，高32 cm，置于母桶内。子桶底部打有7个Φ10 mm的小孔，并铺有纱网和细砂，以调节土壤水分和通气状况。子桶内装两根Φ25PVC管用于灌水(管周围有小孔，管壁裹有纱网)。每桶中纯P2O5(磷酸二氢钾)与干土的质量比为0.15 g/kg。N肥使用尿素，分3次施入，1/3基施，1/3拔节追施，1/3抽雄追施。追施是将N肥溶于水通过灌水实现。土壤经自然风干、磨碎、过5 mm筛后与磷酸二氢钾、基施尿素混合均匀，分层装入桶中(控制密度为1.35 g/cm3)，每桶装土19 kg。

1.2 试验设计

试验1(2011年4-8月)：试验设施氮量和覆膜时长2个因素。施氮量(纯N，与干土的质量比)设不施氮(N，0 g/kg)、低氮(L，0.2 g/kg)和高氮(H，0.4 g/kg)；覆膜时长设拔节期揭膜(A)、抽雄期揭膜(B)和全生育期覆膜(C)。生育期内控制土壤含水率(以控制土壤含水率占田间持水率θf的百分数表示)为75%～85%θf。试验共9个处理，重复6次，合计54桶，随机区组排列。

试验2(2012和2013年4-8月)：试验设灌水模式和覆膜时长2个因素(施氮量取试验1中的低氮水平，即0.2 g/kg)。灌水模式分全生育期充分灌水(F，75%～85%θf)和分生育期调亏灌水(D，苗期55%～65%θf，拔节期65%～75%θf，抽雄到成熟期75%～85%θf)；覆膜时长同试验1。 试验共6个处理，重复9次，合计54桶，随机区组排列。

为保证出苗，播前各处理均灌水至90%θf。每桶播5粒大小基本一致的饱满籽粒，三叶期定苗，每桶留1株。从播种到四叶期保持土壤含水率为75%～85%θf，五叶期开始处理，其他管理按正常进行。

1.3 测定项目与方法

(1)采用Type HH2型土壤水分测定仪测定土壤含水率，并记录次灌水量。

(2)各处理随机选取3桶标记，从开始处理到灌浆期，每5天测定株高和叶面积。

(3)分别于苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期测定地上和地下部分生物量。

(4)收获后测定各处理产量及其构成因素。

(5)水分利用效率(WUE)为春玉米单位蒸散量所生产的总生物量。

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率，g/mm；Y为收获时总生物量，g；ET为总蒸散量，mm。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010对数据进行整理；采用DPS 7.05进行方差分析和多重比较(Duncan法)，显著性水平为α=0.05；采用 Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量与覆膜时长对春玉米生长、产量和水分利用效率的影响

2011年试验结果表明，适时揭膜(A或B)结合施氮(L或H)可显著提高春玉米株高、叶面积和生物量。一定覆膜时长下，春玉米株高、叶面积、生物量、产量和水分利用效率均表现为施氮处理显著高于不施氮处理，低氮处理较高氮处理有所减少，但无显著差异。施氮量一定时，抽雄期揭膜处理的增产和节水效果显著优于拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理。可见，抽雄期揭膜和施氮量0.2 g/kg为春玉米较优的覆膜施氮组合。

2.2 灌水模式与覆膜时长对春玉米生长的影响

2.2.1株高和叶面积

适宜的株高是作物高产的基本条件，也是制约生物学产量的决定因素。叶面积大小对于光能利用、干物质积累及经济产量的形成具有重要作用。图1和图2分别为2013年各处理株高和叶面积的动态变化。

由图1分析知，从苗期到抽雄期(灌浆期后基本不变)各处理春玉米株高均表现为缓慢增加-快速增加-相对稳定的总体趋势。

图1 2013年各处理春玉米株高的动态变化Fig.1 Changes of plant height of spring maize under each treatment

一定覆膜时长下，与充分灌水相比，调亏灌水处理的株高较低。其中苗期平均降低12.7%；拔节期调亏程度有所降低，两种灌水模式的株高差异较苗期减小，为8.1%；进入抽雄期后，调亏灌水各处理恢复充分灌水，受前期亏水锻炼，复水后产生一定的补偿效应，其株高的增长速率较充分灌水处理大幅度提高，前者为1.1～1.5 cm/d，后者为0.8～1.1 cm/d。灌水模式一定时，覆膜表现为可促进春玉米前期株高的形成，而对后期生长不利。其中，在拔节期末，覆膜处理(FB、FC、DB和DC)较揭膜处理(FA和DA)提高7.4%；在抽雄期末，全生育期覆膜处理较拔节期揭膜处理和抽雄期揭膜处理分别减少4.1%和9.5%。

由图2分析知，从拔节期到灌浆期(苗期叶面积相对较小)各处理叶面积均表现为缓慢增加-急剧增加-迅速下降，并于抽雄期末达到峰值的总体趋势。

图2 各处理春玉米叶面积的动态变化Fig.2 Changes of leaf area of spring maize under each treatment

与株高不同，一定覆膜时长下，两种灌水模式的叶面积表现为前期充分灌水处理大于调亏灌水处理，调亏灌水复水后两者差异逐渐减小甚至出现一定的反超。其中拔节期末，两者相差12.7%～16.6%；抽雄期末，调亏灌水处理较充分灌水处理提高2.3%～4.1%。之后，充分灌水各处理叶面积减少速率为151～173 cm2/d，而调亏灌水各处理叶面积减少速率为143～162 cm2/d。灌水模式一定时，抽雄期揭膜处理的叶面积始终高于拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理。

可见，调亏灌水复水后可加快植株生长，抽雄期揭膜可为植株生长创造适宜的温度环境，有助于春玉米株高和叶面积的形成，两者均可有效延缓植株衰老。

2.2.2生物量

作物的籽粒产量主要来源于叶片的光合产物，生物量是产量形成的基础，一定范围内籽粒产量随干物质累积量的增加而增加[17]。表1为2013年各处理生物量的动态变化，表2为生育期总干重的显著性F检验。

表1 各处理春玉米生物量的动态变化 Tab.1 Changes of biomass of spring maize under each treatment

注：同列数据后不同字母表示在 0.05 水平上差异显著，下同。

表2 4个生育期总干重的显著性检验(F)Tab.2 Signifiance tese (F)

由表1，表2分析知，灌水模式和覆膜时长在春玉米整个生育期均对生物量总干重有显著影响，其交互作用则仅在拔节期和抽雄期对生物量总干重影响显著。

一定覆膜时长下，与充分灌水相比，调亏灌水各处理的生物量干重较低。苗期两者相差28.7%(地上和地下部分分别为31.4%和23.6%)。拔节期是春玉米营养生长最旺盛的时期，土壤水分状况是影响该阶段植株生长的关键因素。两种灌水模式下生物量总干重的差异较苗期加大，达28.0%～40.0%。到抽雄期，调亏灌水恢复充分灌水后产生明显的补偿效应，与充分灌水处理的生物量总干重差异逐渐减少(2.3%～12.6%)。进入灌浆期后，两者差异进一步减小，为2.7%～4.1%。与生物量总干重不同，各处理根冠比随生育期推进逐渐减小，且调亏灌水处理始终大于充分灌水处理。整个生育期中，两种灌水模式的根冠比在苗期差异最大(23.3%)，抽雄期调亏灌水复水后，其差异有所减少，为5.4%～14.2%。以上结果表明，调亏灌水可有效调节植株地上与地下部分的比例，从而增强作物抵御干旱的能力，为促进后期生长发育创造条件。

灌水模式一定时，春玉米生育前期覆膜处理较揭膜处理的生物量总干重高，后期则正好相反。其中拔节期，覆膜处理生物量总干重较揭膜处理提高14.7%(地上部分11.4%，地下部分24.9%)。在抽雄期，全生育期覆膜处理的生物量总干重分别较拔节期揭膜处理和抽雄期揭膜处理降低4.8%和20.9%。进入灌浆期后，覆膜导致作物根区土壤温度大幅度升高，且根际土壤通气性减弱，使得根系活性下降，提前衰老。该期全生育期覆膜处理(FC和DC)的生物量总干重较两种揭膜处理(FA、FB、DA和DB)的差异进一步加大，分别为15.9%和31.4%。可见，抽雄期揭膜可有效降低作物后期耕层土壤温度，提高土壤透气性，延缓植株衰老，而过早揭膜或全生育期覆膜均不利于春玉米的生长。

2.3 灌水模式与覆膜时长对春玉米产量及其构成因素的影响

由于桶栽试验研究绝对产量具有一定的局限性，本文以FC处理的籽粒产量为基准，用相对值表示其余处理的产量。表3为各处理春玉米产量及其构成因素。

表3 各处理春玉米的产量及其构成因素Tab.3 Yields and component factors of spring maize under each treatment

由表3分析知， 一定覆膜时长下，充分灌水处理的相对产量及其构成因素均优于调亏灌水处理。2012和2013年，充分灌水处理的相对产量分别较调亏灌水处理提高10.6%～13.9%和9.2%～16.3%。灌水模式一定时，抽雄期揭膜处理表现出较高的相对产量和较优的产量构成因素，其相对产量在2012和2013年分别较全生育期覆膜处理提高21.3%～23.0%和19.0%～23.3%，而拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理之间的差异不显著。可见，抽雄期揭膜是春玉米适宜的覆膜时长，可获得较优的增产效果。

2.4 灌水模式与覆膜时长对春玉米蒸散量的影响

蒸散模数为作物阶段蒸散量与全生育期蒸散量的比值。蒸散强度为总蒸散量与生育周期的比值，其高低主要受气象条件和作物生物学特性的双重制约。2012和2013年各处理不同生育期的蒸散量、蒸散模系数及全生育期日蒸散强度见表4所示。

表4 春玉米各生育期蒸散量、蒸散模数和全生育期日蒸散强度Tab.4 Evapotranspiration and its percentages during every growth stage and intensity in whole stages of spring maize

由表4分析知，两年中各处理春玉米的蒸散量均表现为苗期和灌浆期较低，而拔节期和抽雄期较高。在苗期(各处理均覆膜)，充分灌水处理的蒸散量显著高于调亏灌水处理，其中2012年相差20.8%，2013年相差19.0%。拔节期部分处理(FA和DA)已揭膜，且调亏程度较苗期有所降低。相同条件下，揭膜处理的蒸散量显著高于覆膜处理，增量为17.1%～25.6%。进入抽雄期后，春玉米开始由营养生长向生殖生长转变，期间蒸腾强烈，对水分需求量加大，阶段蒸散模数达41.4%～47.2%。调亏灌水处理受前期亏水锻炼，抽雄期复水后产生补偿效应，植株生长迅速，其蒸散量较对应的充分灌水处理有所提高，2012年为0.7%～3.1%，2013年为1.9%～3.7%。3种覆膜时长的蒸散量大小关系为拔节期揭膜处理>抽雄期揭膜处理>全生育期覆膜处理。在灌浆期，全生育期覆膜处理受覆膜高温和透气性差的影响，植株衰老加快，蒸散量减少。一定覆膜条件下，两种灌水模式间蒸散量差异较抽雄期略有提高。2个春玉米生长季，调亏灌水各处理的总蒸散量分别较充分灌水各处理降低4.3%～7.1%和5.4%～6.3%。

由于处理间生育周期存在一定差异，各处理日蒸散强度与总蒸散量不成比例。两年数据表明，处理间全生育期日蒸散强度表现为充分灌水处理>调亏灌水处理，抽雄期揭膜处理>拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理。

2.5 灌水模式与覆膜时长对春玉米水分利用效率的影响

水分利用效率反映了不同处理下外界水分条件与作物内部生理功能的配合程度。图3为2012和2013年各处理春玉米的水分利用效率。

注：柱上不同字母表示在0.05水平上差异显著。 图3 各处理春玉米的水分利用效率Fig.3 WUE of spring maize under each treatment

由图3分析知，一定覆膜时长下，调亏灌水处理的水分利用效率高于充分灌水处理，其中2012年提高2.1%～6.1%；2013年提高1.9%～6.7%。这主要是由于调亏灌水处理在抽雄期复水后产生补偿效应，可有效弥补前期水分亏缺所引起的根系受损，增强根系后期的吸水能力，从而提高籽粒产量和水分利用效率。一定灌水模式下，抽雄期揭膜处理的水分利用效率显著高于拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理，增量达23.2%～26.0%。可见，抽雄期揭膜是春玉米合理的覆膜时长，前期(覆膜时)可充分利用覆膜的增温保墒效应，后期(揭膜后)可避免高温和透气性差等覆膜的缺点，从而实现水分的高效利用。

3 讨 论

调亏灌溉可充分利用作物自身的调节和补偿功能实现节水高效、增产优质和增加总灌溉面积等多重功效[18]。研究发现，苗期及拔节期经受适度水分亏缺可促使水分和营养供给向根系倾斜，增强植株后期的补偿能力，节水效益显著而对产量影响不大[19]。前期胁迫后期充分灌溉处理的产量与充分灌溉处理相比略有降低，但水分利用效率高于充分灌溉处理以及同等水分投入的前期充分后期限量灌溉处理[20]。本研究表明，两种灌水模式下，春玉米根冠比的差异在苗期最大，为23.3%，生物量总干重的差异在拔节期最大，为28.0%～40.0%。调亏灌水处理复水后，其根冠比和生物量总干重与充分灌水处理的差异逐渐减少，且与充分灌水处理相比，总蒸散量减少4.3%～7.1%，水分利用效率提高1.9%～6.7%。这说明作物生长前期对水分亏缺的敏感度较低，干旱胁迫有利于作物耐旱能力的增强，后期恢复充分灌水后可实现作物的补偿性生长，从而获得较高的产量和水分利用效率。

在作物生长前期，覆膜可有效改善耕层土壤的水热状况，减缓干旱胁迫，促进植株生长，而后期覆膜则会导致根区土壤温度升高，根际通气性减弱，造成根系活力下降，水分和养分吸收利用能力减弱。对覆膜作物在适当时期揭膜，可有效改善植株生长状况和光合产物分配，延缓衰老，提高产量和品质[15,16]。本研究发现，抽雄期揭膜有助于春玉米株高、叶面积和生物量的形成。与拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理相比，抽雄期揭膜处理的相对产量和水分利用效率分别提高19.0%～23.3%和23.2%～26.0%。从环保角度来看，于作物生长的适当时期揭膜可减少“白色污染”和对农田生态环境的破坏。

4 结 语

(1)覆膜可促进春玉米前期生长，而对后期生长不利。

(2)抽雄期是春玉米需水关键期，蒸散模数达41.4%～47.2%，生产中应保证该期的水分供应。

(3)与充分灌水相比，调亏灌水处理的总蒸散量减少4.3%～7.1%，水分利用效率提高1.9%～6.7%。抽雄期揭膜处理的相对产量和水分利用效率分别较拔节期揭膜处理和全生育期覆膜处理提高19.0%～23.3%和23.2%～26.0%。

综合考虑产量、水分利用效率和环境因素，调亏灌水+抽雄期揭膜组合(DB处理)具有较优的节水、增产和环保效应。

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