宽窄行配置一穴多株种植对膜下滴灌玉米产量和群体质量的影响

连彩云，马忠明

（1.甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，兰州 730070）

0 引 言

河西走廊是甘肃省的主要商品粮生产基地，种植业以小麦、玉米为主，自然生态类型、农业灌溉方式和社会经济发展状况在该区具有很强的代表性。随着种植结构的调整，玉米已成为河西走廊第一大粮食作物，也是种植面积最广泛的粮饲兼用作物，在保障全省粮食安全、增加农民收入等方面发挥了重要作用[1]。河西走廊属于没有灌溉就没有农业的典型干旱内陆效蒸发，灌溉水浪费超过50%，平均农田水分损失达到2 250 m3/hm2[2]。膜下滴灌是滴灌和地膜覆盖种植的高效结合技术，可有效减少深层渗漏损失和田间无效水分蒸发，和传统地面灌溉相比节水70%～80%[3]。另一方面在节水灌溉条件下，提高作物产量依靠增加种植密度来实现[4-5]，但密度过高会影响作物对光的利用，从而影响作物产量的提高[6-8]。因此，为了提高作物的产量，前人对不同的株行距的配置做了大量研究工作[9-11]。也对玉米的双株栽培和一穴多株栽培等种植方式进行了研究[12-13]。本研究以提高水肥利用效率和作物产量为目标，改变传统种植模式，通过采用玉米膜下滴灌“一穴多株”种植规格，在一定的密度下选择科学合理的宽行距和每穴的种植株数，以利于将机械化设备应用到田间操作中，减少农民的工作强度，进而实现水肥一体、作物增产、提高水肥利用效率和实现农业整体机械化的目标，为河西走廊玉米高效安全利用水肥和整体机械化提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016－2017年在甘肃省农业科学院张掖节水试验站（100°26′E，38°56′N）进行。试验区海拔1 570 m，地下水位在地表100 m以下，年降水量129 mm，蒸发量2 048 mm，年平均日照时间3 085 h，干旱指数达10.3，年均气温7 ℃，（≥0 ℃积温3 388 ℃，≥10 ℃积温2 600～3 300 ℃），光热资源丰富，水资源不足和利用率不高是制约农村经济发展的主要因素。试验区土壤质地为壤土，0～160 cm土层平均体积质量为1.43 g/cm3。其气候特征和农作制度具有典型的西北绿洲灌溉农业区的特征。试验区土壤速效氮量为128.8 mg/kg，速效磷量为19.3 mg/kg，速效钾量为148.0 mg/kg，有机质量为18.1 g/kg，pH值为8.6。2016－2017年2 a平均气温和平均降雨量的变化过程见图1。

图1 试验区2016年和2017年2 a平均气温与平均降雨量Fig.1 The average temperature and precipitation during the maize growing season in 2016 and 2017

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，在同一种植密度（9 900株/hm2），等行距（30 cm）、等株距（30 cm）下，共设 3 个处理（图 2），分别为 H1 (传统种植)：1 株/穴(宽行37 cm）、H2：2株/穴（宽行104 cm）、H3：3株/穴（宽行172 cm）。每个处理重复3次，H1处理小区面积100.5 m2（30 m×3.35 m），H2处理小区面积156 m2（30 m×5.20 m），H3处理小区面积258 m2（30 m×8.6 m）。种植模式：玉米宽窄行覆膜种植，行距30 cm，株距30 cm（与滴灌带滴头间距一致），播种深度4 cm。2 a的供试品种均为“先玉335”。2016年于4月18日播种，9月28日收获；2017年于4月23日播种，10月2日收获。

图2 一穴多株田间布置模式示意图Fig.2 Diagram of field layout under more plants per hole

灌溉与施肥：全生育期灌溉定额为3 600 m3/hm2，每个小区都有水表控制水量。于玉米拔节期灌溉头水，全生育期灌溉8次，收获前20 d停水。灌水量分别为灌溉定额的10%、10%、15%、15%、15%、15%、10%、10%。

水肥同步：各处理施肥方式、时间及氮、磷肥施用量均相同，施纯氮（N）：225 kg/hm2，施磷肥（P2O5）：120 kg/hm2。氮肥用尿素（含N量46%），磷肥用磷酸脲（含P2O5量44%）。氮肥的30%、磷酸脲的40%作基肥，播种时一次施入。每小区进口处配备施肥比例泵，追肥通过比例泵分 3次随水滴施。拔节期施N30%、施磷酸脲 60%，大喇叭口期施 N30%，吐丝期施N10%。

滴灌带的铺设：滴灌小区中每2行玉米之间铺设1条滴灌带，滴灌带敷设于膜下正中，滴头间距30 cm，流量2 L/h。

1.3 测定项目与方法

土壤水分。在春玉米播种前、拔节期、大喇叭口期、灌浆中期、成熟期用传统土钻取土，通过烘箱烘干法测定土壤质量含水率。测定部位：横向测量间距10 cm；膜内测1个点，膜外测1个点，根区测1点，测定层次为 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。

干物质及叶面积。分别于拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期，选取有代表性的植株 5 株，分别测定每一叶片的叶长、叶宽。叶面积测定之后，将鲜植株称质量然后立即放入烘箱，以 105 ℃高温杀青 30 min，再将温度调至 80 ℃烘干至恒质量。

植株样品采集与测试。玉米收获后，每区选取具有代表性的植株 5 株，分别采集籽粒和秸秆样品放入烘箱，以 105 ℃高温杀青30 min，再将温度调至80 ℃烘干至恒质量，粉碎后用于测试全氮量。植株全氮量采用 H2SO4-H2O2消煮后，用蒸馏法测定。

考种测产。玉米成熟后进行考种：每小区选取长势一致的植株样 10 株，进行玉米的考种测产。测定的主要指标有：穗长、穗粗、单穗行数、单行粒数、籽粒干质量、千粒质量及生物产量。计产：玉米成熟后，去除边行收获中间行，各区单独脱粒计产。以上指标按上述方法计算。

叶面积（cm2）=叶长（cm）×叶宽（cm）×0.75[14]；

叶面积指数=（单株叶面积（cm2）×每个小区的植株数）/小区面积（m2）；

光合势（m2/（hm2·d））=（某阶段起始叶面积（cm2/hm2×10 000）+该阶段结束叶面积（cm2/hm2×10 000））×间隔天数/2[15]；

相对生长率（g/（g·d））=（lnW2-lnW1)/（t2-t1）；

作物生长速率（g/（m2·d））=（W2-W1）/A×（t2-t1）；

水分利用效率（kg/（hm2·mm））=作物产量（kg/hm2）/作物耗水量（mm）；

氮收获指数（%）=玉米籽粒吸收氮量/植株地上部总吸氮量×100%，

式中：t1、t2为某测定时期（d）；W1、W2为t1、t2时的干物质量（g）；A为取样面积（m2）。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007和SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较（α=0.05），利用 Excel 2007软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同株数对春玉米叶面积及叶面积指数的影响

通过2016－2017年的测定可知（表1），在相同种植密度下采用1穴2株（H2）和1穴3株（H3）种植规格可以增加玉米后期绿叶的面积。2016年，拔节期1穴1株（H1）的叶面积较其他2处理（H2、H3）大；大喇叭口期1穴2株（H2）处理显著（P<0.05）高于1穴1株（H1）和1穴3株（H3）种植规格，且H1处理和H3处理之间差异不显著（P>0.05）；吐丝期叶面积呈先增大而后降低的趋势，即随着每穴种植株数的增加叶面积先增加而后减小，且处理间差异表现为不显著（P>0.05）；吐丝期后各处理之间差异达显著水平（P<0.05），呈现出H2处理>H3处理>H1处理的趋势。2017年，拔节期各处理间差异不显著（P>0.05），大喇叭口期后，各处理间差异显著（P<0.05），总体表现为 1穴 2株处理叶面积显著（P<0.05）大于其他2处理。可见，1穴2株种植由于种植规格的变化，使宽行增宽，增加了田间的通风透光，对大喇叭口期到灌浆期的叶面积有增加效应，延缓了后期叶面积的下降，有助于后期籽粒灌浆。

表1 膜下滴灌春玉米叶面积Table 1 Effects of plant number per hole on leaf area of spring maize under drip irrigation cm2

2016年和2017年各处理的叶面积指数变化相似，均从拔节期至灌浆期呈逐渐增加的趋势，灌浆期后急剧下降（图 3）。而年际间由于光照时间等气象条件不同而造成作物叶面积有一定的差异，从而使叶面积指数存在差异。拔节期至大喇叭口期，H1、H2、H3处理的叶面积指数差异不显著（P>0.05），大喇叭口期后至灌浆期，H2、H3处理叶面积指数持续增加，而H1处理在吐丝期以后开始下降，灌浆期H2处理的叶面积指数最大，H1处理的叶面积指数最小；在成熟期，H2、H3处理的叶面积指数较H1处理分别高13.8%、7.6%。由此进一步说明，1穴2株种植可延缓后期叶面积下降，和H1处理相比较，为后期的物质积累和籽粒灌浆保证了足够的光合叶面积。

2.2 不同株数对春玉米干物质积累量的影响

春玉米单株干物质积累量随每穴的种植株数不同而不同。2016－2017年的变化趋势相同。吐丝前各处理干物质积累量保持一致，吐丝期后各处理差异显著（P<0.05），H2处理显著高于H1和H3处理，H1处理与H3处理之间差异不显著（P>0.05）。可见，1穴 2株种植可以显著增加膜下滴灌春玉米各生育时期干物质积累量，并且随1穴内种植株数的增多，干物质量的增加效应减弱。

图3 不同种植株数对春玉米LAI的影响Fig.3 Effects of plant number per hole on LAI of spring maize

图4 不同种植株数对玉米干物质积累量的影响Fig.4 Effects of plant number per hole on dry matter accumulation of spring maize

2.3 不同种植株数对产量与水分生产效率（WUE）的影响

不同种植株数对产量及产量的构成因素的影响是一致的，产量及其构成要素均随单穴种植株数的增加呈先增加后减小趋势。在同一密度条件下，不同种植规格之间产量差异显著（P<0.05），H2处理的产量显著（P<0.05）高于H1、H3处理，与H1、H3处理相比较，2 a分别平均增产21.6%、24.6%。这是由于H2处理的穗粒数多于H1、H3处理，千粒质量显著（P<0.05）高于H1处理，H2与H3处理之间差异不显著（P>0.05）。由于每年的温度、光照时间、降水等气象条件不同，从而造成年际间产量及其穗粒数、千粒质量之间存在一定的差异，但差异不显著（P>0.05）。可见，1穴2株种植对产量构成要素有改善作用，进而显著提高玉米的产量。这主要是因为在相同种植密度和株距下，采用1穴2株种植时玉米宽行距大于1穴1株种植模式，这样其通风透光情况都较1穴1株好，而1穴3株种植虽然增加了玉米宽行距，但是由于1穴中种植密度增加，不利于群体生长发育，因而1穴2株种植改善了群体结构和功能，通过增加后期干物质积累，提高了粒质量，进而提高了籽粒产量。

在各处理中，H2处理WUE（34.22 kg/（hm2·mm））显著（P<0.05）高于H1、H3处理，2 a平均较H1、H3处理的WUE分别提高 25.0%、33.5%；同时 H2处理的氮素收获指数分别较 H1、H3处理高 0.2%、32.7%。年际间由于每年的温度、光照时间、降水等气象条件不同，从而使水分利用效率存在一定的差异，但差异不显著（P>0.05）。由此可见，在相同种植密度、相同株距下，采用1穴2株种植对水分和养分利用效率具有显著的提高效应。

2.4 不同株数对春玉米光合势的影响

光合势是量化作物群体光合速率的重要指标，同时也是反映作物长势与预测作物产量的重要农学参数[16]。作物生育进程中，后期保持庞大的绿色叶面积是保证作物高产的基础[17]。研究发现，各处理的光合势从拔节期至吐丝期呈直线增加趋势（图 5），吐丝期至灌浆期呈缓慢增加趋势，灌浆期到成熟期呈快速增加的趋势。2016年拔节期至吐丝期各处理的光合势基本一致；2017年拔节期至吐丝期（播种后95 d），可能由于同穴中玉米相互竞争养分的影响，使得 H2与H3处理较H1处理光合势小；吐丝期至成熟期呈现出H2、H3、H1处理依次增加的趋势，H2处理较H1、H3处理分别高4.60%～12.74%、8.97%～9.79%。年际间对光合势的影响显著，是由于每年的温度、光照时间、降水等气象条件不同，从而造成年际间叶面积存在一定的差异，进而使得各生育阶段的光合势存在差异。可见，1穴2株种植对吐丝期以后的光合势有提高效应，继续增加种植株数，由于同穴中的种植密度增加，相互之间对养分的竞争，导致该光合效应将会降低，而对吐丝期前影响不大。

表3 不同种植株数对玉米水分利用效率及氮素收获指数的影响Table 3 Effects of plant number per hole on WUE and N harvest index of spring maize

图5 不同种植株数对光合势的影响Fig.5 Photosynthetic potential of spring maize under different treatments

2.5 不同株数对春玉米相对生长率及生长速率的影响

随着生育期的推移，各处理的相对生长率逐渐降低（图6）。2016年拔节期（45 d）至吐丝期（95 d）的相对生长率差异不大；吐丝期（95 d）至灌浆期（115d）表现出1穴2株大于1穴1株和1穴3株种植；成熟期各处理相对生长率趋于一致。2017年相对生长率从大喇叭口期（75 d）直至灌浆期（115 d）1穴2株种植明显高于其他2处理。试验结果表明，1穴2株种植较传统1穴1株种植对吐丝期以后相对生长率有明显促进作用。

2016－2017年的测定结果表明（图 7），各处理作物生长速率从拔节期（45 d）到大喇叭口期（75 d）逐渐升高，且处理间保持一致。年际间存在差异是由于2017年大喇叭口期至吐丝期干物质积累量较2016年略大，导致此生育阶段的生长速率大于2016年的生长速率。2016年大喇叭口期至吐丝期H1、H3、H2处理表现出递增的趋势，吐丝期以后，H1处理快速下降，而H2处理持续增加，灌浆期以后3个处理缓慢下降。2017年大喇叭口期至吐丝期 H3、H1、H2处理呈依次增加的趋势，吐丝期以后，各处理缓慢下降。由此可见，1穴2株种植可以显著提高作物生长速率。

通过对2 a的试验结果分析表明，玉米群体通过对光合有效辐射的截获、吸收，不同株数种植显著影响玉米的光合生产能力。与传统的1穴1株相比，1穴2株和1穴3株种植使玉米后期的光合势明显提高，且1穴2株种植显著高于其他2个处理，因而灌浆中后期的作物生长速率和相对生长率均高于1穴1株。

图6 不同种植株数对玉米相对生长率的影响Fig.6 Relative growth rate of spring maize under different treatments

图7 不同种植株数对玉米生长速率的影响Fig.7 Crop growth rate of spring maize under different treatments

3 讨 论

叶片是作物进行光合作用的主要器官，叶面积指数的增加有利于光合物质生产能力的改善，促进玉米的生长发育[18]。本研究表明，在相同种植密度下，春玉米膜下滴灌1穴2株增宽行种植可提高群体叶面积指数，增加单株叶面积。大喇叭口前各处理的叶面积指数差异不显著（P>0.05），大喇叭口后 H2、H3处理叶面积指数持续增加至灌浆期，而传统1穴1株种植在吐丝期以后已开始下降，生育后期是玉米产量形成的关键期，1穴 2株种植可延缓后期叶面积下降，为后期的物质积累和籽粒灌浆保证了足够的光合叶面积，而且可提高吐丝期后干物质积累量。这与王洋等[19]研究的结果类似，王洋等研究表明宽窄行种植有利于延缓生育后期玉米叶片的衰老。

光合势反映了叶片的光合能力，绿叶面积大则光合能力强。王静静等[20]的研究结果表明，宽窄行种植方式可使叶片空间分布更合理，提高玉米的光能利用率。杨吉顺等[21]通过对种植密度和行距的配置进行研究发现，在一定的密度下采用宽窄行种植改善了群体冠层结构，提高群体的光合特性。本研究结果与这些结论相一致，本试验2 a的结果表明，1穴2株种植（宽行104 cm）对吐丝期以后的光合势有提高效应，较H1、H3处理明显提高，而且相对生长率、作物生长速率均表明为最优。说明在适宜的密度下，采用1穴2株（增加宽行）种植促进了春玉米叶片的光合同化作用，使光合同化生产能力增强，而1穴1株种植减少了群体的光合面积，1穴3株种植虽然群体光合面积增加，但因1穴中植株之间对养分的竞争，因此使得1穴1株和1穴3株种植规格的相对生长率、作物生长速率受到抑制。

邓妍等[22]的研究表明，在一定的种植密度下，宽窄行种植可提高籽粒产量达 36%。本试验结果表明，在同一密度条件下H2处理的产量显著（P<0.05）高于H1、H3处理，较H1、H3处理平均增产21.6%和24.6%，这主要是因为在相同种植密度和株距下，采用宽行种植后，增加了宽行的通风透光，使穗粒数、千粒质量高于H1、H3处理，虽然H3处理增加了宽行，通风透光能力增强，但由于同穴中株间对水分养分的竞争增强，不利于群体生长发育，从而降低了单株产量。同时还发现，1穴2株增加宽行种植WUE较传统种植提高25.0%，刘志等[23]研究了不同行距对夏玉米水分利用的影响，结果表明适宜的行距结构更有利于提高作物的水分利用效率，本试验结果与该结果一致。因此，1穴2株增加宽行种植改善了群体结构和功能，通过增加后期干物质积累，提高了粒质量，进而提高了籽粒产量和水分利用效率。

4 结 论

1）同1年内，在相同的种植密度下，1穴2株种植显著促进了膜下滴灌春玉米叶面积的增长，延缓后期叶片的衰老，有助于后期干物质的积累，提高粒质量，最终提高玉米籽粒产量；1穴2株种植下产量达12.03 t/hm2，较其他处理提高约21.6%～24.6%，WUE提高约 25%～33.5%，氮素收获指数分别提高0.2%～32.7%，显著高于其他处理（P<0.05）。

2）和H1、H3处理相比，春玉米1穴2株种植光合能力增强，光合势分别提高 4.60%～12.74%、8.97%～9.79%，相对生长率分别提高 21.15%～103.06%，吐丝后光合势显著高于H1、H3处理，因而灌浆中后期的作物生长速率和相对生长率均最高。

在适宜的密度下，1穴2株增加宽行种植规格有利于实现作物节水高产的目标。