旱作地膜玉米密植增产用水效应及土壤水分时空变化

樊廷录，李永平，李尚中，刘世新，王淑英，马明生



旱作地膜玉米密植增产用水效应及土壤水分时空变化

樊廷录1,2，李永平3，李尚中2，刘世新3，王淑英2，马明生2

（1甘肃农业大学农学院，兰州 730070；2甘肃省农业科学院旱地农业研究所，兰州 730070；3宁夏农林科学院固原分院，宁夏固原756000）

【目的】干旱缺水是黄土高原旱作农业最大的限制因素，研究覆膜、增密和品种对旱作玉米增产和水分利用的影响，有助于揭示未来旱作粮食持续增产与水环境的关系。【方法】试验于2012—2015年在黄土高原丘陵沟壑区的宁夏彭阳进行，在全膜双垄沟（FPRF）和半膜平铺盖（HPFC）2种种植方式下，选择耐密中晚熟先玉335和吉祥1号及不耐密早熟酒单4号3个杂交种，低密度（4.5万株/hm2）、中密度（6.75万株/hm2）和高密度（9.0万株/hm2）3个水平，随机区组设计，玉米连作定位观测。采用烘干法监测不同降水年型玉米生育时期0—200 cm土层土壤水分，通过Surfer软件绘制土壤水分等值线图，研究旱作覆膜连作玉米产量、水分利用效率（WUE）及土壤水分时空变化。【结果】在地膜覆盖条件下各因素对旱作玉米产量和水分利用的影响达到极显著或显著水平，对籽粒产量和WUE的影响顺序依次为降水年型＞密度＞覆膜方式＞品种，降水年型从干旱、正常、丰水年的变化，玉米产量由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，但WUE最高值并不在降水较多的年份，而在正常年型。密度由4.5 万株/hm2增加到6.67万株/hm2，耗水量、产量、WUE增加10.6 mm、20.0%和3.45 kg·mm-1·hm-2，但密度从6.67万株/hm2增加到9.0万株/hm2时，耗水量不再增加，而产量和WUE提高12.0%和2.97 kg·mm-1·hm-2；FPRF处理较HPFC处理平均增产15.72%，WUE提高21.09%；耐密中晚熟品种吉祥1号和先玉335较耐密性弱早熟品种酒单4号增产15.46%—24.45%，WUE提高13.35%—15.55%。在全膜双垄沟种植条件下，玉米生育期内土壤剖面水分含量始终高于半膜平覆盖种植，尤其是玉米灌浆期0—200 cm土层多蓄积了50—90 mm的土壤水分，在严重伏旱年份发挥了明显的抗旱增产作用。不论降雨年型如何，4年期间全膜双垄沟播玉米产量增加和WUE提高并没有多消耗土壤水分，土壤深层未形成低湿层，也未观察到增密增产对土壤剖面水分循环的负效应，而干旱年份半膜平铺盖形成了一个土壤水分＜8%的明显干土层，并且随着玉米生长时间的推后干土层厚度增加、范围扩大。【结论】在目前地膜覆盖和生产平均密度5.3万株/hm2基础上，“全膜双垄沟播+耐密品种+增密1.5万株/hm2”是年降雨450 mm以上旱作区玉米持续增产和水分高效利用的技术关键，增密增产不会导致土壤深层形成干土层。

旱作玉米；覆膜；密植增产；水分利用效率；土壤水分

0 引言

【研究意义】玉米已成为黄土高原旱作区粮食增产的主体，但受干旱缺水制约，产量水平一直较低，高效蓄保降水和提高水分利用效率无疑是旱作玉米长期研究的重大问题[1]，对确保粮食生产具有十分重要的意义。【前人研究进展】国内外长期关注旱作区农田水分的利用[2-5]，尤以美国大平原秸秆覆盖与少免耕[6]、印度和以色列微集水种植著称[7]。近20年来，中国农田垄沟覆膜集雨种植研究与应用取得了重大突破，特别是全膜双垄沟集雨种植实现了农田垄面集流、覆膜抑蒸、沟垄种植集水保水用水的一体化[8]，旱作玉米产量提高30%[9]。垄膜沟种在改善旱作农田土壤水分环境和增粮节水中扮演着非常重要的角色[10]。玉米生产是群体条件下的生产，密度是影响其籽粒产量的重要因素之一，选择紧凑型耐密品种来增大群体密度是获得高产的关键措施[11-14]。当玉米种植密度成等差级数增加时，穗粒数成等比级数下降[15]，粒重随密度增加呈直线下降[16]。在充分灌溉或补充条件下密度与籽粒产量、水分利用效率呈二次曲线关系[17-20]。增加玉米密度群体蒸腾耗水增加，加剧对土壤水分消耗，增加密度提高了耗水量[21]。不论什么降水年型，密度从6.0万株/hm2增加到10.5万株/hm2时，旱作玉米生育期总耗水量差异不明显[13]。然而，黄土高原旱作玉米持续高产可能引起深层土壤水分过耗和土壤干燥化[22-23]，长期应用全膜双垄沟技术会导致土壤水分负平衡和作物早衰，产量增幅降低[24-25]。【本研究切入点】目前，关于旱作玉米全膜双垄沟种植的研究集中在土壤水温效应与增产方面，增加密度与耗水量、水分利用效率的研究仍然不充分，连续多年的定位研究并不多见[26]，难以回答全膜双垄沟平均的增产效应和高强度用水对土壤水分盈亏的影响。【拟解决的关键问题】本研究通过旱作覆膜玉米连作定位试验，系统研究全膜双垄沟种植农田土壤水分蓄保和循环利用特征、增密高产与水分利用等问题，为探明旱作农田水分持续高效利用机理、制定玉米稳定增产技术提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在黄土丘陵沟壑区宁夏彭阳县白阳镇崾岘村进行（北纬35°41′—36°17′，东经106°32′—106°58′）。试验所在地海拔1 700 m，年均降水量460 mm，主要集中在7月、8月和9月，季节和年际间降水分配不均，年均蒸发量1 100 mm，年均气温7.4℃，≥0℃积温2 600—3 700℃，无霜期140—160 d，属典型温带半干旱大陆性季风气候，黄绵土，肥力中等。根据玉米生育期（4—9月）降水量与对应期间降水分析，2012年为正常年、2013年为丰水年、2014年和2015年为干旱年（表1），其中，2015年夏秋连旱。特别是2014年5月、6月和7月降水量明显偏少，2014年和2015年7月正值玉米授粉灌浆前期，降雨量仅是多年同期平均值的31.7%和36.5%，玉米严重受旱；2013年7月17日、2014年9月18日一日降水分别为190和141.5 mm，形成径流损失，利用率不高（图1）。

表1 2012—2015年试验期间降水量

*（生育期降水-对应期间多年平均降水）/对应期间多年平均降水＞25%为丰水年、＜-25%为干旱年、-10%—10%为正常年

The difference of monthly rainfall to long-time average rainfall divided by long-time average rainfall is more then 25% for rainfall year and less than -25% for dry year and -10% to 10% for normal year

图1 2012—2015年试验期间降雨变化

试验以覆膜方式为主处理，玉米品种为副处理，密度再裂区，随机区组设计。主处理P为全膜双垄沟覆盖（P1：full plastic ridge-furrow cover，FPRF）和半膜平铺盖（P2：half plastic-flat cover，HPFC）2种，P1大垄宽70 cm垄高10 cm、小垄宽40 cm垄高15 cm，大小垄交替排列，玉米种在小垄沟内，P2田间地膜宽60 cm，地膜与裸地（50 cm宽）交替排列，玉米种在地膜上，地膜为0.008 mm厚度的聚乙烯薄膜；副处理H为3个玉米杂交种，吉祥1号（JX1，耐密中等中晚熟）、酒单4号（JD4，耐密性弱早熟）和先玉335（XY335，耐密性强中晚熟）；再裂区D为3个密度，D1、D2和D3分别为4.5、6.75、9.0万株/hm2，当地生产平均密度5.3万株/hm2。试验处理18个，重复3次，共54个小区，小区面积长×宽=6.5 m×3.3 m=21.45 m2，行距55 cm，密度依株距调整。

试验每年4月15日播种，先玉335和吉祥1号同期收获，2012年10月10日、2013年10月13日、2014年10月18日、2015年10月11日，酒单4号早10天收获。每公顷施尿素525 kg（其中300 kg播前20 d撒施翻耕整地覆膜，225 kg拔节期按株追施），覆膜前每公顷基施过磷酸钙750 kg，5—6叶期去除分蘖定苗。当年玉米收获后留茬留膜保墒，次年3月下旬揭膜整地重新覆膜施氮肥。田间管理同大田，玉米生长期不灌溉。

1.2 土壤水分及贮水量的测定

在播前、苗期、灌浆和收获时每20 cm为一个土层单位，用土钻采集0—200 cm土样，烘干法测定土壤水分。各测定时期土壤贮水量（mm）SW = h×d×w×100%，式中，h为土层深度（mm），d为土壤容重（g·cm-3），w为土壤重量含水量（%）。

1.3 耗水量及作物水分利用效率的测定

旱作农田作物耗水量（evapotranspiration，ET）由水分平衡方程计算，ET(mm)=(SW2-SW1)+SR，式中SW1和SW2为收获和播种时0—200 cm土壤贮水量，SR为生育期降雨量。作物水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg·mm-1·hm-2）=Y/ET，式中，Y（yield）为含水量14%时玉米籽粒产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010整理数据，以试验年份（2012、2013、2014和2015年）Y（4水平）、覆膜方式P（2水平）、品种H（3水平）、密度D（3水平）为4个因素，用SAS V8.1统计处理软件进行多因素方差分析（ANVOA），利用法多重比较（a=0.05和0.01），检验4个处理因素对产量、耗水量和水分利用效率平均值的差异，并分析交互作用。

依据4个试验年份玉米不同时期0—200 cm土层剖面水分实测值，利用Surfer软件绘制土壤水分等值线图，揭示试验期间土壤剖面水分的时空变化特征。

2 结果

2.1 旱作地膜玉米籽粒产量的变化

连续4年玉米产量的综合分析表明，降水年型（＜0.0001）、地膜覆盖方式（＜0.0001）、品种类型（＜0.0001）和种植密度（＜0.0001）对旱作玉米产量（Y）的影响达到极显著水平（表2）。在地膜覆盖条件下，各因素对玉米产量的影响顺序为降水年型＞密度＞覆膜方式＞品种。随着降水年型从干旱（2015年和2014年）、正常（2012年）、丰水（2013年）年的变化（表3），籽粒产量（grain yield，GY）由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，正常年较干旱年增产34.92%—53.36%，较丰水年增产6.38%（与2013年7月份大暴雨造成的部分倒伏有关）。密度从4.75和6.0万株/hm2增加到9.0万株/hm2，产量分别达到8.34、10.06和11.27 t·hm-2（表3），低密度到中密度产量提高20.62%，中密度到高密度产量提高12.03%。覆膜方式由半膜平铺盖到全膜双垄沟，产量从9.16 t·hm-2增加到10.60 t·hm-2，提高15.72%；品种耐密性由弱（酒单4号）到中（吉祥1号）产量增加15.46%，由中到强（先玉335）增加7.79%。

表2 品种（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）对玉米籽粒产量（GY）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）的方差分析

*、** 、***分别表示差异达到5%、1%、0.1%显著水平

** Significant at the 0.05、0.01 and 0.001 probability level, respectively

表3 品种（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）对玉米籽粒产量（Y）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）平均值的多重比较

表中同列数据后对应的大、小写字母分别表示在=1%和=5%水平由LSD法比较的差异显著性

Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences at=5% and 1% level by LSD, respectively

除覆膜方式×年份对产量的交互作用不显著外，其余两因素交互作用均显著或极显著。品种×密度×覆膜、年型×覆膜×密度及四因素交互作用对产量影响不显著，而品种×密度×年份、品种×覆膜方式×年份的三因素交互作用达到显著水平。这与年际间降水变异大有关。

2.2 旱作地膜玉米水分利用效率的变化

在地膜覆盖前提下，与玉米籽粒产量变化一样，各因素同样极显著地影响水分利用效率的大小（表2），顺序依然是降水年型＞密度＞覆膜方式＞品种。4个降水年型中，玉米WUE最高值并不在降水较多的年份，正常年型WUE最高（28.4 kg·mm-1·hm-2），较夏秋连旱的2015年提高51.22%、夏季干旱的2014年提高22.89%，降水较多的2013年WUE却与2014年相当。玉米WUE随着密度的增加而提高，密度由低到中增加2.25万株/hm2时WUE提高17.35%，再由中到高增加同等数量的密度WUE提高12.73%。全膜双垄沟较半膜平铺种植WUE提高21.08%。随着玉米品种耐密性的提高WUE增加，吉祥1号较酒单4号增加13.35%，先玉335较吉祥1号增加1.98%。

旱作玉米WUE除受降水年型、密度、覆膜方式、品种单一因素的显著影响外，其两因素、三因素、四因素的互作效应同样达到极显著水平，但密度×覆膜方式×年份的互作效应不显著。

2.3 旱作地膜玉米田间耗水量的变化

旱作玉米地膜覆盖种植下，各因素对田间耗水量变化的影响，同产量、WUE变化有相似的地方，但也有不同之处。降水年型、密度、品种对ET的影响达到极显著水平（＜0.0001），大小顺序为降水年型＞品种＞密度。田间耗水量随降水量的增加而增加，而覆膜方式对ET影响不显著（=0.4176），全膜双垄沟ET 426.1 mm，半膜平覆盖434.3 mm，即旱作玉米田间耗水量（包括作物蒸腾耗水与棵间蒸发）与地膜覆盖方式关系并不密切（表3），增加地膜覆盖面积主要是减少了土壤水分无效蒸发损失，提高了蒸腾耗水比例，降水量多少、品种水分利用能力、群体大小是旱作玉米耗水增产的主要驱动因子。然而，密度由低到中ET增加10.6 mm，达到极显著水平，中密度与高密度之间ET差异不显著。中晚熟耐密品种先玉335与吉祥1号之间ET无明显差异，而较早熟耐密性弱的酒单4号ET增加18.6—23.0 mm，差异极显著。

就各因素对ET的互作而言，降水年型、密度、覆膜方式、品种三要素之间互作效应和四要素互作效应，以及降水年型与品种、密度、覆膜方式二因素之间的互作效应，均达到显著或极显著水平，这与年际间降水变异大有关。但品种、密度、覆膜方式二因素之间的互作效应不显著。

2.4 降水、密度、品种对旱作全膜双垄沟玉米产量和水分效率的协同影响

旱作玉米地膜覆盖下的单因素主效应和多因素互作效应分析表明，全膜双垄沟较半膜平铺种植以相近的田间耗水量显著提高了产量和WUE，选择耐密品种和增加密度是协同提高产量与WUE的关键。无论是正常年份、湿润年份还是干旱年份，全膜双垄沟种植下3个玉米品种产量、WUE、耗水量均随密度的增加而提高（图2）（2013年先玉335高密度下ET例外），不同密度之间ET增加幅度显著小于产量、WUE增幅，WUE与产量的变化趋势一致，即地膜覆盖条件下增密是旱作玉米增产节水农艺措施调控的关键。旱作玉米产量和WUE与降水量有关，但与生育期降雨的季节分配更密切，2013年为丰水年，生育期降雨最多（594.1 mm），较2012年正常年增加179.3 mm，但不同密度、不同品种下的WUE值在2013年低于2012年，主要是2013年7—8月高强度降雨利用率低。尽管2014年生育期降雨与2012年相近（410 mm左右），但2014年是干旱年份，4月和9月降雨占生育期降雨的68.5%，而5—6月苗期、7月需水关键期降雨量仅是多年平均值的36.3%和31.7%，导致产量和WUE明显降低。2015年生育期降水量最少且夏秋连旱，在4个试验年份中产量和WUE均最低。

图2 2012—2015年降水年型密度对全膜双垄沟玉米耗水量、产量和水分利用效率的影响

先玉335和吉祥1号耐密中晚熟，生育期较耐密性弱的酒单4号长7—10 d，不论降水年型如何，随着品种耐密性增强和密度增加，产量和WUE同步提高，品种与密度对产量和WUE协同作用丰水年份和正常年份大于干旱年份，但随着降水量的减少品种与密度的协同效应降低（图2）。

2.5 旱作地膜玉米生育期土壤水分变化及其垂直分布

从试验开始的2012年4月到试验结束的2015年10月，通过对玉米主要生育时期0—200 cm土壤水分的测定（图3），不论降水年型如何，旱作农田全膜双垄沟集雨种植（FPRF）土壤水分始终高于半膜平铺盖种植（HPFC）。无论全膜双垄沟还是半膜铺盖，土壤中保蓄水分的多少（图3）与季节性降水量高低基本一致（图1），2013年丰水年保蓄的土壤水分高于2012年正常年，正常年高于2014年和2015年的干旱年。特别是试验进行到2014年、2015年时，玉米整个生育期降水减少，7—8月共降雨90 mm左右，是多年同期平均降水量的47.9%，大约是2012年同期降水的50%和2013年的30%。2014年8月4日和8月20日FPRF处理土壤平均水分达到了12.50%和12.37%，较HPFC处理增加2.66和1.98个百分点，2015年7月30日和8月30日同样处理的土壤水分为15.66%和13.55%，较HPFC处理增加3.49和3.39个百分点，即全膜双垄沟种植在玉米灌浆期0—200 cm土层多蓄积了50—90 mm的土壤水分，在严重伏旱年份发挥了明显的抗旱增产作用。

图3 2012—2015年全膜双垄沟与半膜平铺盖种植0-200 cm土层平均土壤水分变化

同半膜平铺盖相比，试验期间全膜双垄沟玉米不同生育期土壤贮水量也明显增加。2012、2013、2014、2015年早春播前0—200 cm土层贮水量FPRF处理较HPFC处理分别增加68.7、56.3、77.8和63.2 mm，苗期干旱季节分别增加66.0、103.6、78.5和95.68 mm，到玉米收获后仍然增加47.8、64.5、74.6和58.0 mm。

经过连续4年玉米耗水与降水补给的消长，全膜双垄沟集雨种植0—200 cm剖面土壤水分垂直分布发生了明显变化（图4）。在4年试验期间，FPRF处理0—200 cm土壤剖面水分始终高于HPFC处理，随着土层深度的增加或玉米生育进程的推进，2种覆膜种植方式之间土壤水分趋势性接近，但这种变化趋势在不同气候年份间不尽一致。正常年份2012年和丰水年份2013年土壤水分剖面分布特征基本相似，7、8月份降雨量是多年平均值的1—3倍，土壤水分得到恢复补偿，到玉米灌浆后期100 cm以下两种覆膜种植方式土壤水分趋于一致，两年收获时土壤水分都维持在相对较高的水平，2012年14%—15%，2013年18%—20%；但在干旱的2014年和2015年明显不一样，特别是2014年玉米苗期（6月4日）半膜平覆盖0—140 cm土壤剖面水分已降低到8.31%—9.20%，全膜双垄沟种植10.4%—14.3%，到灌浆后期（9月18日）100—180 cm土层土壤含水率全膜覆盖和半膜覆盖平均为12%和10.6%，特别是100—140 cm土壤水分半膜覆盖下降到8.2%，较全膜覆盖的11.7%低3.5个百分点，接近土壤萎蔫湿度，而160—200 cm土层2种覆膜方式土壤水分接近。夏秋连旱的2015年，9月15日整个剖面土壤水分全膜双垄沟覆盖较半膜平覆盖平均高4.1个百分点，40—180 cm土层土壤水分高3.03—6.34个百分点。因此，无论降雨年型如何，全膜双垄沟种植均能有效保蓄生育期降水，使土壤剖面水分高于半膜平覆盖，干旱年份蓄水保水效果尤其明显。

图4 2012—2015年玉米生长期间0—200 cm土层土壤水分的垂直分布

2.6 旱作地膜玉米农田土壤水分利用恢复的时空变化特征

在2012—2015年期间，玉米生育期遇到了1个正常年份、1个丰水年份和2个干旱年份，覆膜农田水分不仅在土壤垂直剖面空间上明显不同，而且在试验期间形成了鲜明的时空差异特征。4年期间，全膜双垄沟覆盖与半膜平覆盖0—200 cm土层土壤剖面水分等值线图形成了鲜明的对照（图5和图6），半膜平覆盖种植下农田土壤剖面水分均明显降低，特别是干旱年份（2014年和2015年）形成了土壤水分的低湿层，并且低湿层厚度加深，持续时间延长。在半膜平覆盖种植中，2012年9月中旬80—120 cm土壤水分降低到11.1%—12.5%，2013年6月上旬120—140 cm下降到11.8%—12.7%，2014年9月中旬100—140 cm土层降低到7.9%—8.7%，2015年同时期40—140 cm土层土壤水分下降到6.7%—9.5%，干旱年形成了一个土壤水分＜8%的干土层，并且随着时间推移干土层厚度增加，范围扩大。因此，不同降雨年份全膜双垄沟集雨种植产量的增加，并没有多消耗土壤水分，也未在土壤深层形成水分低湿层，尚未观察到对土壤剖面水分循环的负面影响。

图5 2012—2015年旱作全膜双垄沟集雨种植玉米农田土壤水分时空分布图

图6 2012—2015年旱作半膜平铺盖种植玉米农田土壤水分时空分布图

从农田水分平衡来看，4年全膜覆盖连作玉米总耗水（1 680.2 mm）比半膜覆盖（1 737.1 mm）减少56.9 mm，而玉米生育期间（2012年4月—2015年9月）和生产年度（2012年1月—2015年12月）总降水1 748 mm和1 920 mm。因此，在年均降水450 mm以上地区，连作4年的旱作玉米全膜双垄沟播、半膜覆盖种植降雨利用率达到87.5%和90.5%（4年总耗水/4年生产年度总降水），前者WUE25.38 kg×mm-1×hm-2，后者20.96 kg×mm-1×hm-2，即全膜双垄沟集雨种植降低了土壤水分的非生产性消耗，将土壤蒸发耗水转化为玉米蒸腾耗水，提高了水分利用效率。

3 讨论

目前，国内所有旱作农田集雨种植研究中，垄膜沟种能最大限度蓄保降雨和提高作物水分利用效率的结论是毋容置疑的[8-10]，但产量和WUE增加幅度区域间差异很大。本研究4年连作玉米试验，全膜双垄沟播较半膜平辅盖种植平均增产15.72%，WUE提高4.42 kg×mm-1×hm-2，其产量和WUE提高幅度首先与降水直接有关，其次是种植密度和品种耐密特性。在4.5—9.0万株/hm2密度范围内，随着密度增加，旱作覆膜玉米产量、耗水量、WUE同步增加，主要是增加密度提高了玉米群体叶面积和蒸腾耗水量[11]，但耗水量增加幅度远小于产量和WUE提高幅度，当密度超过6.75万株/hm2后，耗水量却变化较小而产量和WUE仍然增加，即使严重干旱的2014年和2015年，产量和WUE也是如此。在山西中部同样降水量的旱作区，在密度6.0—10.5万株/hm2范围内，受干旱影响玉米产量随密度先增加后减少，呈现抛物线型[13-14]，这可能与本研究密度范围设定上限偏低有关。在旱作农田增加玉米种植密度必然加剧种内竞争，却对耗水量影响不大，并且受土壤可供水量有限的影响，不同密度玉米总耗水量无差异，极差值仅4.1 mm[13]，旱作玉米合理密度应根据土壤底墒情况及降水进行预测。4年平均，本试验全膜双垄沟与半膜平辅盖玉米耗水量也无明显差异，这与年降水400 mm黄土高原半干旱地区同类试验耗水量增加6.8%—12.1%，尤其是灌浆期耗水增加237.3%的结论不一致[27]，也有研究证实玉米耗水量在一定产量水平和一定地区内是相对稳定的数值, 由叶面蒸腾量与棵间蒸发量两部分组成, 栽培措施仅改变棵间蒸发量与叶面蒸腾量比例[12,28]。

作物高产导致旱作农田土壤干层化[23]，特别是玉米全膜双垄沟种植可能过度消耗土壤水分，技术的可持续性和密植高产受到质疑[24]。本研究结果却不然，全膜双垄沟种植在4.5万株/hm2基础上增加2.25万株/hm2玉米产量提高20.62%、再增加同等数量密度继续增产12.03%，4个不同降水年型期间全膜双垄沟播土壤水分始终高于半膜平覆盖种植，增密增产后并没有导致土壤剖面形成干土层，这与白翔斌等[26]在陕西渭北旱塬全膜双垄沟高产栽培玉米整个生育期不仅没有导致土壤剖面土壤水分降低，在0—200 cm土层未形成干土层的研究结论一致，但干旱年份半膜覆盖玉米灌浆期土壤水分降低到了凋萎含水量以下，出现了明显的干土层。因此，在年降水450 mm以上的半干旱区，全膜双垄沟播增密种植不会加剧土壤剖面水分的过度消耗，反而有利于持续增产和土壤水分蓄保利用。

4 结论

在完全依靠有限降雨的黄土高原旱作覆膜集雨种植系统中，全膜双垄沟集雨保墒种植是旱作玉米增密增产和提高水分利用效率的前提，选择耐密品种是增大群体持续增产的关键。半干旱区旱作玉米全膜双垄沟种植较半膜平铺盖平均增产15.72%和水分利用效率提高21.09%。在一定密度范围内，产量、耗水量、水分利用效率与密度同步增加，但耗水量增加幅度较小，密度超过一定值后，产量和水分利用效率提高并不多消耗土壤水分，增密增产节水效果显著。不论降雨年型如何，全膜双垄沟种植总能高效蓄保降水，4年期间农田土壤剖面水分始终高于半膜平铺盖种植，增密高产后土壤深层没有形成干土层，而干旱年份半膜平铺盖土壤深层形成了明显的干土层。在目前生产密度5.3万株/hm2基础上，“全膜双垄沟+耐密品种+密度增加1.5万株/hm2”是旱作玉米持续增产和提高水分利用效率的关键。

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（责任编辑 李莉）

Grain yield and water use efficiency and soil water changes of dryland corn with film mulching and close planting

FAN Ting-lu1,2, LI Yong-ping3, LI Shang-zhong2, LIU Shi-xin3, WANG Shu-ying2, Ma Ming-sheng2

(1Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;2Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;3Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry, Guyuan 756000, Ningxia)

【Objective】Drought and water shortage are the main limiting factors for dryland agricultural production on Loess Plateau of China, and studies of the effects of film mulching and close planting and hybrids on dryland corn yield and water use efficiency (WUE) are of benefit to understand the relationship of future grain yield increase and water environment safety.【Method】A 4-year field experiment with three replications was conducted in Pengyang county, Ningxia, a hilly and gully region on China’s Loess Plateau, in continuous spring corn seasons from the year 2012 to 2015, and a randomized design was used with full film ridge-furrow cover (FPRF) and half film-flat cover (HPFC) , three corn hybrids of XY335 and JX1 with close planting and mid-late mature, and JD4 with spaced planting and early mature, and three plant densities of 4.5×104(Low), 6.75×104(Middle) and 9.0×104(High) plants/hm2. The area of each plot was 6.5 m´3.3 m. Soil water contents were determined at main crop stages in soil depths of a 200 cm with 20 cm depth as a soil layer. Seasonal ET amounts were calculated with growing season precipitation (precipitation received from planting to harvesting) and soil water changes. Grain yields in all plots were determined by hand-harvesting 12 m2. Soil moisture contour maps of 2012-2015 were drawn using SURFER V11 software. 【Result】Experimental factors highly affected dryland film mulched corn yield and water use, but the order of influence on grain yield and WUE was corn density ＞ film mulching pattern ＞ corn variety. With year’s type from dry years to normal and rainy years, grain yield increased from 7.72 and 8.79 t·hm-2to 11.86 to 11.15 t·hm-2, but the highest WUE value was obtained in normal year not in rainy year. When corn density increased from 4.5 ×104to 6.75 ×104plants/hm2, ETs, grain yield and WUE increased by 10.6 mm, 20.0% and 3.45 kg×mm-1×hm-2, and the density improved from 6.75×104to 9.0×104plants/hm2, ETs did not increase again and grain yield and WUE increased by 12.0% and 2.97 kg×mm-1×hm-2, respectively. Average grain yield of corn and WUE in FPRF increased by 15.72% and 21.09% compared with that in HPFC. Grain yield and WUE of JX1 and XY335 hybrids, with close planting and middle-late mature, increased by 15.46% -24.45% and 13.35% -15.55% compared with that of JD4 hybrid with low density and early mature. Whatever rainfall in the four years, profile soil water content at 0-200 cm layers during crop growing season was always higher in the FPRF than in the HPFC treatment, particularly the FPRF stored more than 50-90 mm soil water at the 0-200 layers in grain filling period, which played an important role in drought-resistance and WUE increase during serious summer drought. More importantly, the FPRF with significant corn yield increase by close planting did not deplete much soil water, yet not resulted in deep dry soil layers formation whether normal and rainy or dry year, and negative effects on soil water cycle were not observed in the FPRF. However, a dry soil layer with less than 8% of soil water was formed significantly in the HPFC treatment at deep layers in dry years, and dry soil thickness increased and it’s scope extended as corn growth. 【Conclusion】On the basis of film mulching with density of 5.3×104plants/hm2currently, the package of full ridge-furrow film mulching and close planting hybrids and density improvement of 1.5×104plants/hm2will be a key technique for sustainable grain yield increase of dryland corn and high efficient use of water in dryland area of annual rainfall over 450 mm, and the yield-increasing techniques with close planting did not cause deep dry soil layers formation.

dryland corn; film mulching; close planting and grain yield increasing; water use efficiency; soil water

2016-03-23；接受日期：2016-06-27

国家“十二五”科技支撑计划（2012BAD09B03，2015BAD22B0-2和2013AA102902）、国家公益性行业（农业）科研专项（201503124和201303104）、甘肃省重大科技专项（143NKDJ018）

樊廷录，Tel：0931-7614884；E-mail：fantinglu3394@163.com