不同集雨模式对夏玉米产量及水分利用效率的影响

邢云鹏，牛最荣，张 芮，张永胜，高恩基

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.定西市水利科学研究所，甘肃 定西 743000)

玉米作为我国主要粮食作物之一，在农业生产中占有重要地位，但随着现代化进程的加快，玉米粮食供应日趋紧张[1]。而玉米作为一种高产作物，气候条件变化对其产量的影响很大。如何通过优化种植方式，高效利用有限的水资源以提高玉米产量是一个关键问题[2]。自然降雨的水分补给对北方旱区农业来说是不可或缺的。但由于降雨的不均匀性导致能被作物吸收的水分只占总量三分之一左右[3]。针对这一问题，近年来甘肃地区逐渐推广了一些新型农艺措施，如地膜覆盖，秸秆覆盖等方式，水资源利用效率得到有效提高[4]。

大量研究表明地膜覆盖与秸秆覆盖均能保持土壤含水率，提高0～25cm土层温度，控制杂草生长，并提高土壤的水肥利用效率，因而能使作物产量得到有效提升。但是随着农业地膜的推广，普通地膜在田间形成大量残膜，阻碍了农业机械工作，作物根系生长和水肥气运移，不仅对农产品质量造成影响，还威胁着以牧草为食的动物健康[5]。近年来，一些新型地膜如生物可降解地膜、光降解地膜、液态地膜的出现，大大解决了这一问题[6-9]。垄沟二元集雨模式即垄体覆膜，沟中覆盖秸秆，将地膜覆盖与秸秆覆盖相结合可极大程度地起到保水保墒的作用、提高作物有效耗水量，维护土壤结构，也可以弥补作物降水时期与耗水时期不同步的问题，提高对降水资源的利用[10-11]。

本研究以平作不覆膜不覆秸秆为对照，研究液态地膜，生物可降解地膜以及普通地膜分别在覆秸秆和不覆秸秆情况下对甘肃省定西市西川地区玉米生长过程中土壤的含水量、产量及其相关构成因素和水分利用效率的影响，筛选适宜的集雨覆盖模式，以期为在陇中地区提高玉米产量、降水资源的高效利用及环保高效地膜应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019年5—9月在甘肃省定西市西川水利科学研究所大田进行。试验场所在区域多年平均降雨量400mm，年平均气温6.3℃，平均蒸发量1500mm。试验地土壤为黄绵土。碱解氮32.25mg/kg，全氮0.86g/kg，销态氮240.62mg/kg，(铵态氮14.57mg/kg，有效磷19.56mg/kg，速效钾186.17mg/kg。

1.2 试验设计

供试玉米品种为“登义”2号。试验采用垄沟种植技术，垄宽60cm，沟宽60cm，垄高25cm。设置5种一元集雨模式，分别是垄覆普通黑色地膜(HL)、垄覆生物降解膜(SL)、垄覆液态地膜(YL)、沟覆秸秆(NJ)。设置4种二元集雨模式，分别是垄覆普通黑色地膜沟覆秸秆(HJ)、垄覆生物降解膜沟覆秸秆(SJ)、垄覆液态地膜沟覆秸秆(YJ)。对照采用平作不覆盖(CK)。试验共8个处理，每个处理重复3次，合计24个小区，如图1所示。播种前施用一次农家肥，此后不再施肥。整个生育时期不进行灌水。杂草茂盛时期进行2到3次人工除草，避免破坏地膜。

图1 各处理示意图

1.3 测定指标和方法

1.3.1气象数据

降雨量等气象数据观测采用试验基地小型气象站观测数据，其中降水量数据如图2所示。

1.3.2各生育期含水率

分为6个层次(10cm，20cm，40cm，60cm，80cm，100cm)，用土钻取土烘干法在玉米不同生育时期测定土壤各土层含水率。

1.3.3玉米全生育期耗水量和水分利用效率

土壤耗水量根据水分平衡公式进行计算[12]：

ET=P+W1-W2+I+D-R

(1)

式中，ET—土壤耗水量，mm；P—生育期降雨量，mm；I—灌水量，mm；本实验采取全小区不灌水I=0，C—地下水流入根部水量，mm；W1—播前0～100cm土层土壤贮水量，mm；W2—收获后0～100cm土层土壤贮水量，mm；D—根部以外排出水量，mm；R—地表径流，mm。

本试验中，地下水位在地表约40m的深度，所以地下水流入根部的水量可以忽略不计，因为本试验地是平地周围没有河流，所以未发生径流，而对于100cm以下排水量则不影响本试验计算，也可以忽略不计。

1.3.4玉米产量及相关指标

收获时，调查每小区有效穗数，并在每小区选取代表性植株6株，取样后在室外风干，之后于室内进行考种，观测其穗行数、行粒数、穗长、穗粗，穗粒质量和千粒质量。

1.3.5玉米水分利用效率

水分利用效率利用以下公式进行计算

WUE=Y/ET

(2)

式中，WUE—水分利用效率；Y—经济产量。

1.4 数据处理与分析方法

采用Excel2010进行数据处理，SPSS23.0统计分析软件进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析，不同处理之间多重比较采用Duncan新复极差方法。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期降雨特征

2019年玉米生育期降雨量如图2所示，其分布较为符合安定区常年降雨规律[13]，6—8月的降雨量较多，分别占玉米生育期降雨量的21.3%，25.5%和25.4%，符合该地区大陆性季风气候的特征。大于20mm的降雨次数占总降雨次数的7.3%，但大于20mm的降雨量占玉米生育期总降雨量的32.7%，说明该地区降雨变幅较大，时间分布不平衡。

图2 2019年试验地玉米生育期降雨量

2.2 不同集雨模式下各时期含水率变化

不同覆盖模式在玉米各生育期土壤含水率分布图如图3所示。从图3(a)可知，玉米苗期(5月23日)根系较浅，主要消耗浅层土壤水分，该时期降雨较少，导致各处理10～20cm土层含水率较低。

6月28日拔节期时由于短期内存在一定的降雨，所以整体的含水率略高于其他时期，但仍可以看出20～60cm土层差异性显著，其中CK，SJ，HL，YL含水率最低(图3(b))。

7月22日吐丝期时各处理的含水率相较于其他时期，各处理10～60cm土层含水率均显示出了一定的差异性，其中CK处理20cm深的土壤含水率比40cm小得多，原因是CK处理出苗较晚，此时主要耗水层仍然是20cm，而且株高相较于其他处理低，使得表层土壤的水分更易于蒸发。

图3 不同覆盖模式在玉米各生育期土壤含水率分布图

8月14日灌浆期时，表层土壤含水率为整个生育时期最低，其中HL处理的表层土壤含水率已经低于凋萎系数，主要原因是此时气温较高而且玉米正处于灌浆期较为消耗水分，短期内没有降雨表层土壤中的水分就会持续蒸发。

9月22日时，土壤各土层差异均不太明显，玉米已经成熟，蒸腾作用大幅度减少。

从图3可以看出，玉米全生育时期的100cm深度的土层都没有明显的差异性，这说明在丰水年不同覆膜方式对100cm深度的土壤含水率影响较小。

2.3 不同集雨模式对玉米产量及产量性状的影响

不同集雨模式下玉米产量及产量性状见表1。由表1可知，各处理之间玉米穗粗，穗长没有明显的差异。HJ和NJ处理的穗行数显著大于CK处理，其他处理则没有明显的差异。不覆膜的NJ、CK处理的千粒重要显著小于覆膜的其他处理。这是因为不覆膜的NJ、CK处理由于出苗较晚，到达灌浆期时气温已经逐渐降低，影响了玉米的灌浆。而同一种覆膜材料下，覆秸秆的处理均大于不覆秸秆的处理。各处理的行粒数之间没有明显的差异性，但是同一覆膜材料下覆秸秆的处理要略小于不覆秸秆的处理，这可能是由于覆秸秆的处理玉米更加早熟，过早进入灌浆期。产量和千粒重方面，HJ处理产量最高，达到10614kg/hm2，显著高于CK；YL、HL、SJ、SL等处理产量也相对较高，显著高于CK，且与HJ不存在显著差异；NJ、CK处理产量最低，分别仅为5112.88kg/hm2、5644.77kg/hm2。而在液态膜和生物降解膜的材料下，覆秸秆虽然比不覆秸秆玉米籽粒更加饱满，但是籽粒数量却更少，导致产量略低于不覆秸秆的处理。这表明在丰水年的条件下，液态膜和生物降解膜覆秸秆的玉米比不覆秸秆的玉米更早的进入灌浆期，孕穗期更短。

其中垄体不覆膜沟覆秸秆的NJ处理相较于平作无任何处理的CK，产量反而降低了9.4%，影响其产量降低的主要因素是小区穗数。这是由于玉米垄沟种植模式相较于传统的平作，植株之间的距离较远，种植密度较低，不覆膜的垄沟种植模式的增产效果不能补偿种植稀疏的减产效应[14]。

由不同处理的千粒重可以看出，覆膜处理的千粒重均明显高于不覆膜处理。而覆膜处理中，覆秸秆的千粒重均高于不覆秸秆的。这表明，覆膜和覆秸秆有利于玉米在灌浆期灌浆。

2.4 不同集雨模式对玉米耗水量和水分利用效率的影响

不同集雨模式下玉米耗水特性和水分利用效率见表2。从表2可知，在覆秸秆的处理中，玉米的耗水量从大到小依次是NJ>SJ>YJ>HJ，其中不覆膜的NJ处理耗水量最大，达到411.63mm；而覆黑膜的HJ处理耗水量最小，仅为388.45mm，显著低于SL处理。从整体来看，HL处理和其他处理之间有着显著性的差异，HJ处理相较于其他处理也处于较低水平，说明普通黑膜对土壤的保水性要强于其他材料的膜。而WUE方面，HJ处理的WUE最大，为27.27kg/m3，显著高于CK；其次为HL和YL，比CK的WUE分别提高了79.83%，63.59%，差异达到显著水平；另外，YJ、SJ、SL处理WUE也显著高于CK处理。

这表明，不同处理的水分利用效率由大到小分别为：普通黑膜>液态地膜，生物降解膜>不覆膜。其中液态地膜与生物降解膜的水分利用效率无明显差异。这与胡敏[10]等的研究不符，可能是因为本实验采用的普通地膜为黑色，生物降解膜为白色。宗睿[11]和岳德成[12]的研究表明覆盖黑膜比白膜更能提高玉米的产量。

表1 不同集雨模式下玉米产量及产量性状

注：根据Duncan多重比较，同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05)。

表2 不同集雨模式下玉米耗水特性和水分利用效率

注：根据Duncan多重比较，同列数据后不同字母表示差异显著(P<0.05)。

而覆盖相同材料的膜的情况下，生物降解膜和普通黑膜覆秸秆的水分利用效率略高于不覆秸秆，液态膜覆秸秆的水分利用效率则略低于不覆秸秆。这可能是由于丰水年秸秆覆盖对产量的影响较小的原因[13]。

3 结论

本研究表明在丰水年过度提前玉米的生育时期反而会导致玉米在孕穗期持续时间较短，造成玉米籽粒减少，降低产量。

垄沟种植模式相较于普通平作种植密度更小，如果集雨效果不明显，水分利用效率还要小于普通平作。

本研究中普通黑色地膜比新型地膜更能提高玉米的水分利用效率，这可能是因为本实验采用的生物降解膜为白色，不利于玉米的生长。而黑色生物降解膜是否比白色生物降解膜更能提高玉米的水分利用效率，还有待进一步研究。

本研究在丰水年进行，全生育期不灌水没有显著影响玉米的生长，在平水年和枯水年的灌水量的确定还有待进一步研究。