种植模式和补灌对玉米生长发育及产量的影响

方彦杰，秦安振 ，雍蓓蓓

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南 新乡 453002；2.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，兰州 730070；3.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002)

西北黄土高原半干旱区在中国旱作农业生产中占有重要地位[1]，干旱缺水是制约该区农业发展的最主要瓶颈之一[2]。该区地下水位深，降水量少且季节分配不均，缺水和季节性干旱严重制约着旱地农业的发展[3]。因此，充分利用降水，大力发展节水农业，提高降水利用率，是旱地农业可持续发展的根本途径和重要战略方向[4,5]。“集雨、蓄水、保墒和用水”是旱作集雨种植技术的关键[6,7]。作为最典型的黄土高原半干旱区，甘肃省最早开展作物集雨补灌试验研究，并制定出版了《甘肃省雨水集蓄利用工程技术标准》[8]，2004年以来，甘肃省农业工作者摸索研究的玉米全膜双垄沟播集雨栽培技术，现已成为中国旱作区玉米主推技术[9]。

旱地玉米是甘肃省中东部农业主要产业，常受季节性干旱等自然条件影响，生长发育缓慢[10]，严重干旱年份，可减产20%～40%[11,12]，而集雨补灌可有效解决玉米生长过程中自然降水与需水供需错位，实现降水资源时空配置[13]。旱作农田集雨种植通过田间起垄覆膜，使降雨集中于作物根部，减少地面水分蒸发，最大限度的充分利用自然降雨，还能增产40%以上，水分利用效率提高50%[9,14,15]。因此，将旱作地膜覆盖集雨种植与定量补灌结合组成一种新的技术体系，在玉米关键生育期遭受干旱胁迫时仅在种植沟内进行补灌，对西北旱作区玉米生产具有重要意义。

种植密度是影响玉米产量及其构成因素的最主要因素[16]。合理的种植密度可使玉米群体与个体协调发展，获得最大产量[17]。研究认为，产量随种植密度的增加而增加，但达到一定程度以后，产量逐渐下降[16,18]，玉米的耗水量随种植密度的增加均呈增加趋势[19]。因此，本研究在全膜双垄沟种植技术与限量灌溉条件下，探讨不同种植模式对玉米生长发育及产量的影响，旨在探寻干旱条件下玉米适宜的种植密度，为黄土高原半干旱区玉米生产过程中的集雨灌溉和栽培管理提供一定理论技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，甘肃省农业科学院定西试验站进行。地处104°36′ E，35°35′ N，海拔1970 m，年均气温6.2 ℃，年辐射总量5 898 MJ/m2，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相对变率为24%，400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层平均容重1.25 g/cm3，田间持水量为21.18%，凋萎系数为7.2%，土壤有机质为11.99 g/kg、全N为1.16 g/kg、全P为25.3 mg/kg、全K 为172.8 mg/kg、pH 8.35。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设置FMRF70(全膜双垄沟播种植，大垄宽70 cm，小垄宽40 cm)、FMRF60(全膜双垄沟播种植，大垄宽60 cm，小垄宽40 cm)、FMRF50(全膜双垄沟播种植，大垄宽50 cm，小垄宽40 cm)、FP(全膜平作种植，宽行70 cm，窄行40 cm)共4种种植模式(见表1)，重复3次。玉米品种为“先玉335”，株距35 cm。小区面积6 m×10 m=60 m2。各处理施肥量均为：有机肥(羊粪)15 t/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2，全部作为基肥，N 180 kg/hm2，其中60%作基肥，40%作拔节期追肥。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日收获。

表1 试验处理设置

1.3 测定项目

1.3.1 干物质累积

干物质累积量分别在玉米的苗期，拔节期，大喇叭口期，吐丝期，灌浆期和成熟期测定；随机取样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 叶面积指数(LAI)

在玉米关键生育期用CI-110植物冠层结构分析仪(CID，美国)测定，每小区重复5次，取平均值进行分析。

1.3.3SPAD值

在玉米关键生育期每小区选取长势均匀的10株，用SPAD-502plus叶绿素仪对玉米最大叶进行SPAD值的测定，每一片叶测3个位点，取平均值进行分析。

1.3.4 土壤水分

用烘干法在玉米播期、苗期、拔节期、大喇叭口期、花期、乳熟期和收获期测定0～200 cm土层土壤含水量，每20 cm为1个层次。

土壤贮水量计算公式：

WS=WS×γ×d/100

(1)

式中：WS为土壤重量含水量，g/kg；γ为土壤容重，g/cm3；d为土壤深度，cm。

耗水量：玉米耗水量(Evapotranspiration,ET, mm)的计算使用了水分平衡方程：

ET=P+I+WSs-WSh

(2)

式中：P为降雨量，mm；I是灌溉量，mm；WSs和WSh分别是播种前和收获后的0～200 cm土层的土壤贮水量，mm。

1.3.5 水分利用效率(WUE)

WUE=Y/ET

(3)

式子中：Y为玉米单位面积产量，kg/hm2；ET为生育期耗水量，mm。

1.3.6 产 量

作物产量 (kg/hm2) 的计算采用小区实打实收的产量，籽粒晾晒后进行测产。

1.4 试验数据处理

用Excel 2007和DPS统计分析软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 试验区2016年玉米生育期降雨量及平均气温变化

玉米生育期内共降雨204.8 mm，39次，有效降雨9次(>10 mm)，低于多年平均值，属干旱欠水年(图1)。玉米生育期内最低温为6.6 ℃，最高温为24.2 ℃，平均气温为16.31 ℃。玉米生育期内降雨季节分布不均，播种至拔节期降雨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，平均气温18.5 ℃，但在玉米吐丝后至籽粒形成期没有降雨，平均气温22.3 ℃，持续高温干旱，影响了玉米籽粒形成，8月25日后至收获期，降雨29.3 mm，但没有形成有效降雨。2016年试验区季节性高温干旱灾害现象突出，对玉米产量有显著影响。

图1 玉米生育期降雨分布和平均气温变化

2.2 干物质积累

不同处理条件下各生育期玉米的干物质积累量可知(表2)，整个生育期内，FMRF70玉米干物质积累量均表现较其他处理高，FP次之。苗期各处理间无显著性差异(P<0.05)，较其他处理均差异显著(P<0.05)；拔节期FMRF70均较其他处理差异显著(P<0.05)，分别较其他处理高7.17%、11.71%和7.71%；喇叭口期后均表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，吐丝期和成熟期FMRF70与FP均无显著性差异(P<0.05)，与FMRF60和FMRF50均差异显著(P<0.05)，成熟期FMRF70较其他处理分别高2.51%、26.88%和13.82%。

表2 各处理玉米干物质积累 g/株

2.3 叶面积指数(LAI)

由图2可以看出，生育期内叶面积指数(LAI)变化趋势基本一致，拔节期至吐丝期逐渐上升，至吐丝期LAI最大，灌浆期下降，表现为吐丝期>喇叭口期>灌浆期>拔节期>成熟期。处理间不同生育期均表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，喇叭口期FMRF70较其他处理分别高1.25%、4.41%和5.79%，吐丝期和灌浆期FMRF70较其他处理差异显著(P<0.05)，分别高出3.74%～15.58%，13.62%～31.78%。

图2 各处理玉米叶面积指数(LAI)

2.4 叶片SPAD

叶片SPAD值代表玉米叶片的浓绿程度(表3)。各处理SPAD表现为拔节至吐丝期是逐渐增加的，但是在灌浆期降低。拔节期、喇叭口期均表现为FMRF70和FP无差异，但与FMRF60和FMRF50差异显著(P<0.05)；吐丝期和灌浆期SPAD值FMRF70和FP无差异，但与FMRF60差异显著(P<0.05)，三处理均与FMRF50差异显著(P<0.05)，SPAD值表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50。

表3 各处理玉米叶片SPAD

2.5 土壤水分

2.5.1 0～200 cm土壤贮水量变化

由图3可知，各处理不同生育期0～200 cm土壤贮水量有明显差异。播种至苗期阶段降雨较多，0～200 cm土壤贮水量增加显著，苗期至籽粒形成期，随着生育进程延伸，土壤贮水量呈降低趋势，在籽粒形成后(8月20日)，由于补灌900 m3/hm2和降雨增多，乳熟期0～200 cm土壤贮水量增加。播种期0～200 cm土壤贮水量表现为FMRF70(275.2 mm)>FMRF60>FP>FMRF50(260.59 mm)，但处理间差异不显著；拔节期0～200 cm土壤贮水量FMRF70和FMRF60基本一致，明显高于FP和FMRF50，差异显著(P<0.05)；喇叭口期0～200 cm土壤贮水量FMRF70最高，为284.99 mm，FMRF60次之，FP和FMRF50基本一致，FMRF70分别高6.64%、17.49%和20.66%；吐丝期、籽粒形成期和乳熟期处理间0～200 cm土壤贮水量差异减小，均表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50；成熟期土壤贮水量无显著性差异。

图3 各处理不同生育期0～200 cm土壤水分动态

2.5.2 不同生育期阶段耗水量变化

不同生育阶段0～200 cm土壤耗水量差异比较明显(表4)。播种至出苗阶段表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，FMRF70和FP与FMRF50、FMRF60差异显著(P<0.05)；出苗至拔节阶段变为FMRF50>FP>FMRF70>FMRF60，处理间差异显著(P<0.05)；喇叭口至吐丝阶段FMRF70最高，FMRF60次之，FP和FMRF50耗水量较低；吐丝至灌浆阶段表现为FMRF50最高，FMRF70和FMRF60次之，FP耗水量最低，与其他处理差异显著(P<0.05)；灌浆至成熟阶段FP最高，FMRF70次之，与FMRF60和FMRF50差异显著(P<0.05)。

表4 各处理不同生育阶段0～200 cm土壤耗水量 mm

2.6 生长及籽粒性状

由表5可以得知，处理间成熟期株高差异显著(P<0.05)，表现为FMRF70>FP>FMRF50>FMRF60；茎粗、穗长和穗粗表现一致，FMRF70和FP无差异，但与FMRF60和FMRF50差异显著(P<0.05)；穗位高FMRF70与其他处理均差异显著(P<0.05)；秃尖长FMRF70最小，与其他处理均呈显著差异(P<0.05)；行粒数FMRF70最多，FP次之， 两处理均与FMRF60和FMRF50差异显著(P<0.05)；百粒重表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，FMRF70与其他处理差异显著(P<0.05)。

表5 各处理玉米生长及籽粒性状

2.7 产量和WUE

由表6可以看出，玉米生育期降雨量为204.8 mm，8月20日补灌雨水8.99 mm，生育期0～200 cm土壤耗水量、经济产量和水分利用效率均表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50， FMRF70较其他处理差异显著(P<0.05)，FMRF60和FMRF50无显著性差异。0～200 cm土壤耗水量FMRF70分别较其他处理增加2.78%、5.27%和4.94%，FMRF70产量为6316.05 kg/hm2，较其他处理分别增加19.20%、70.51%和78.96%，FMRF70WUE为24.02 kg/(hm2·mm)，较其他处理分别增加15.97%、62.47%和70.00%。

表6 各处理玉米产量和WUE

3 讨 论

3.1 玉米生长发育对种植模式和补灌的响应

全膜双垄沟播技术能够显著影响半干旱区玉米生长发育[9]。大量的研究表明，与传统平作相比，垄沟集雨种植玉米可提高叶面积指数，增加干物质量的积累，穗粒数、百粒重、穗粗和秃尖长等经济性状指标也明显优于平作[20]。玉米对密度变化较为敏感，合理的种植密度可以解决玉米群体与个体的矛盾，使群体发育和个体生长得到协调[21]。研究认为当种植密度合理增加时，玉米叶面积指数和群体生物量增加[22]，然而，叶绿素含量、穗长、穗粒数和百粒重降低[23]。灌水对玉米株高和叶面积影响显著，缺水会影响玉米的营养生长，导致株高和叶面积降低[24]，补灌后显著提高玉米穗粒数、百粒重，获得较高产量[25]。本研究通过对全膜双垄沟技术大小垄宽比例的改变，调控玉米播种密度(保持玉米株距一致)，结果表明，在欠水年份玉米生育期降雨204.8 mm的条件下，8月15日玉米灌浆期补灌900 m3/hm2，FMRF70能够增加不同生育期干物质积累量，其中成熟期干物质积累增加2.51%～26.88%；生育进程内叶面积指数均高于其他处理，其中吐丝期和灌浆期LAI增加3.74%～15.58%，13.62%～31.78%，差异显著(P<0.05)；生育期内叶片SPAD平均值表现为FMRF70>FP>FMRF60>FMRF50，分别增加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%、穗长增加0.3%～13.3%、秃尖长降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%。可知，在西北半干旱区全膜双垄沟播技术条件下，灌浆期行适量补灌，FMRF70处理能够优化玉米生长环境，有利于玉米籽粒灌浆。

3.2 种植模式和集雨补灌对旱地玉米产量及水分利用效率的影响

全膜双垄沟播种植技术通过地膜覆盖、垄沟集雨、大小垄比例调控作物生长所需的水热等资源，以改善玉米生长微环境，具有显著的增产效应[9,13]。垄沟比例对玉米覆盖集雨种植技术影响显著[26]，适宜的垄宽比例可以显著提高产量[27]，认为主要是通过增加有效贮水量来提高作物产量[28]。本研究得出FMRF70生育期0～200 cm土壤平均贮水量较其他处理增加8.0～23.54 mm。可知，在试验区全膜双垄沟大小垄比例为70 cm∶40 cm时增产增效最佳，可以增加产量19.20%～78.96%。

水分利用效率的大小主要受到产量、耗水量、灌水量和降雨量的影响[29]。种植密度是当前玉米提高单产的最关键措施之一[30]。然而，如果种植密度过高，土壤水肥条件不足，通风透光不良，影响玉米生长，最终导致产量降低。本试验条件下，降雨量明显不足，FMRF60和FMRF50(密度分别为57 750和63 000 株/hm2)，严重影响了两处理玉米生长及产量。研究表明玉米生育期耗水量随种植密度的增加而增大，认为主要是由于生育前期耗水量的增加所致[30]，而本试验在旱地玉米研究表明，在不同玉米生长阶段，处理间耗水量差异显著(P<0.05)。研究认为适度的补充灌溉可提高作物水分利用效率[24-25]，本试验玉米生育期降雨量204.8 mm，显著低于玉米本身耗水量，在玉米需水临界期灌浆期补灌后，使得FMRF70乳熟期0～200 cm土壤贮水量增加7.76～37.56 mm，显著提高玉米籽粒源的水分供应，从而获得较高经济产量[31]。本研究结果表明，在全膜双垄沟播种植条件下，玉米灌浆期补灌后，FMRF70可以提高水分利用效率15.97%～70.00%。

4 结 语

在典型的黄土高原半干旱区，利用田间试验，研究了不同种植模式和集雨补灌对玉米生长发育的影响，得出以下结论。

(1)在欠水年补灌条件下，全膜双垄沟播(FMRF70)种植模式对玉米生长具有显著的促进作用，成熟期株高增加5.7%～15.8%、穗位高上升11.5%～15.0%、干物质积累增加2.51%～26.88%，生育期叶面积指数平均增加5.06%～14.37%，生育期叶片SPAD值平均增加1.56%～8.75%。

(2)全膜双垄沟播(FMRF70)种植模式改善了玉米生长微环境，促进玉米籽粒性状发育， 茎粗和穗粗均与高密度处理差异显著(P<0.05)，穗长增加0.3%～13.3%、秃尖长降低38.7%～45.4%、百粒重增加3.3%～4.7%，有利于玉米产量形成。

(3)全膜双垄沟播(FMRF70)种植模式下，玉米水分临界期集雨补灌，生育期0～200 cm土壤平均贮水量增加8.0～23.54 mm，增加了农田土壤可提供有效水分，使玉米产量增加19.20%～78.96%，WUE提高15.97%～70.00%。可见，全膜双垄沟播大垄宽70 cm，小垄宽40 cm，密度52 500 株/hm2，灌浆期适量补灌是半干旱区适宜的种植模式。