不同覆盖方式对河北平原春玉米产量形成和水分利用的影响

徐鹏飞,杜 雄,孙小诺,高 震,边大红,崔彦宏

(1.河北农业大学 农学院,河北省作物生长调控重点实验室, 河北 保定 071001;2. 河北省保定市气象局, 河北 保定 071000)

河北平原是我国粮食的主要产区,而水资源短缺已成为区域作物生产的特征性制约因素[1-2]。为了持续提高粮食产量,长期抽取地下水灌溉业已造成了地下水位的快速下降,出现了世界面积最大、深度最深的地下漏斗区[3-6]。如果地下水的过度开采问题得不到有效缓解,将会造成地下水枯竭[7]。如何利用有限的水资源进行粮食作物的可持续生产,已成为河北省迫切需要解决的问题。在国家粮食生产总体供需平衡的前提下,周年需多次灌溉的两熟种植模式在河北省低平原地下水压采区已不再适用,在压缩小麦面积和综合考量不同作物的种植收益,恢复春玉米一熟生产已经成为区域的必然选择[8-9]。由于冬春土表裸露,冻融蒸发失水严重,春玉米生产仍需要灌溉来满足需求。因此,为了克服降水总量少和季节分布不均的问题,玉米收获后秋季较为充足的土壤水分如果保蓄至翌年春季的“秋水春用,秋贮春供”技术创新成为实现高效用水的关键。覆盖栽培作为一种有效节水的栽培技术,在农业生产中已进行了大量研究和应用[10]。农田覆盖能够有效保蓄土壤水分[11]、调节土壤温度[12]、改善土壤结构[13]、调节土壤微生物环境和提高供肥能力[14],从而促进了作物生长发育,提高了产量和水分利用效率[15]。针对玉米收获后土壤裸露水分蒸发严重的问题,通过秋季覆盖可有效降低农田非生长季的水分无效蒸发,保蓄至供翌年作物所用[16]。但在对于气温较高的华北平原地膜常规覆盖后土壤高温造成的玉米早衰减产是个需要解决的问题。因此,本研究在对地膜地表覆盖改为机械作业土下覆膜来避免土壤升温问题的前提下,比较分析农田秋季实施的不同覆盖方式对地下水压采区农田的节水效果和玉米产量形成的作用,以期探索一条以“秋水春用”为特色的提高土壤水分保蓄能力和高效利用降水的玉米生产模式,为减少地下水开采量和稳定粮食产量提供理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017年10月-2018年10月在河北省农林科学院深州旱作节水农业试验站实施。该站位于黑龙港平原区(37°54′12.50″N, 115°42′10.94″E, 海拔20 m),年平均气温12.7 ℃,地下水埋深 10 m 以下,其生态条件代表河北平原区。年均降水量约500 mm。试验地土质为黏壤质潮土,耕层土壤基础养分含量平均为有机质12.5 g/kg、碱解氮65.8 mg/kg、有效磷15.3 mg/kg、速效钾121.9 mg/kg,土壤容重1.38～1.49 g/cm3。试验地内的自动气象站逐日采集降水数据,降水量如表1所示。

表1 试验期间的降水量Tab.1 The rainfall in the field experiment period mm

1.2 试验设计

上茬玉米收获后于2017年10月10日在实施土下地膜覆盖和秸秆覆盖的处理。土下覆膜处理采用2MBXF-120型旋耕覆膜覆土机进行作业,地膜使用兰州鑫银环公司生产的厚0.01 mm的耐候地膜,覆土厚度为1～2 cm。试验分为在大口期灌水75 mm(W)和雨养旱作(R) 2种水分条件下,设置土下无孔地膜覆盖(PM)、有孔土下地膜覆盖(P0M)、玉米秸秆覆盖(SM)、常规露地(NP)等处理,3次重复,共24个小区,小区面积4 m×5 m。有孔地膜用电钻在地膜上钻孔,孔径为0.5 cm,孔距为8 cm；秸秆覆盖处理在农田旋耕镇压后,将粉碎的上茬玉米秸秆再均匀平铺在地表,覆盖量为1.1 kg/m2；常规露地对照则是农田旋耕镇压耱平地面后而无秸秆覆盖。实施处理前,整个试验田按每公顷N 375 kg,P2O5150 kg,K2O 180 kg撒施底肥,15 cm旋耕与土壤混匀,以后整个生育期内不再追肥,氮肥使用尿素,磷肥使用磷酸二铵,钾肥使用氯化钾。2018年4月28日用自走式鸭嘴单粒播种机播种,品种为先玉335,种植密度75 000株/hm2,60 cm 等行距种植。9月15日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量 收获前统计每小区并折算单位面积有效穗数。每小区收取中间未取样破坏的3行4 m长区域的果穗,随机挑选20穗进行室内考种,记录穗行数、行粒数等。收获后的全部果穗风干后脱粒,用“PM～8188”型谷物水分测定仪测定籽粒含水量,再按含水量14%折合单位面积产量。同时进行千粒质量的测定。

1.3.2 生物产量 从三叶期开始每隔10 d测定一次生物产量,每次各小区选取3株有代表性植株,将样品在烘箱中105 ℃杀青30 min,然后调至80 ℃烘干至恒质量并称质量。成熟期样株按不同器官分离烘干后分别测定,并计算不同器官所占整株的比例。

1.3.3 叶面积和光合势 在结合生物产量取样的同时测定叶面积,玉米从三叶期开始每10 d取3株玉米测定植株叶面积,叶面积：长×宽×0.75(展叶0.75,未展叶0.5)。叶面积指数=单株叶面积×单位面积株数。

光合势=((第1次测的叶面积+第2次测定的叶面积)/2)×间隔天数, 单位为(m2·d)/hm2。

1.3.4 穗花发育及籽粒败育情况 在雌穗将要吐丝但未吐出苞叶的时候,每个处理取6株长势一致的植株,数其分化的小花总数；在散粉结束时,数败育花数(花发育不健全)及未受精的花数(花丝未能抽出苞叶或花丝与籽粒连接处没有萎蔫脱落)。花败育率为花败育数(败育花数与未受精花数之和)与分化的小花总数的比值。在花后5,12 d及完熟时数败育的籽粒数及正常的籽粒数。

1.3.5 土壤水分含量和水分利用效率 分别于覆盖、玉米播种和拔节、大口、吐丝、收获等各关键生育时期,钻取0～200 cm土层土样,每10 cm为一层,烘干测土法测定土壤水分含量。

计算公式如下：土壤贮水量(mm)=土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×水质量/干土质量×10；

土壤贮水变化量(mm)=阶段初土壤含水量-阶段末土壤含水量；

生育期耗水量(mm)=当季作物播种时土壤贮水量(mm)-当季作物收获时土壤贮水量(mm)+生长期间降水量(mm)+灌水量(mm)；

非生育期耗水量(mm)=覆盖时的土壤贮水量-播种时的土壤贮水量+期间降水量(无灌水)；

全年耗水量(mm)=生育期耗水量(mm)+非生育期耗水量(mm)；

水分利用效率(kg/(mm·hm2))=籽粒产量/田间耗水量。

因本试验地点的地下水埋深在10 m以下,未出现地表水分径流丧失,因此土壤表面水分径流量及地下水补给量以0计算。

2 结果与分析

2.1 籽粒产量与水分利用效果

2.1.1 籽粒产量 由表2可知,土下地膜覆盖显著提高了穗粒数和千粒质量。雨养旱作条件下土下地膜覆盖产量较秸秆覆盖和露地处理提高了15.4%～22.2%和18.0%～24.9%,此时土下地膜覆盖产量较灌水条件下秸秆覆盖和露地处理提高了6.8%～13.2%和10.8%～17.4 %,由此可见其生育前期的蓄水保水对生育中后期的供水进而提高产量发挥了重要作用,比常规条件下进行一次灌溉的效果更为显著。雨养旱作条件下,秸秆覆盖和常规露地处理的千粒质量差异显著,但常规露地的穗粒数高于秸秆覆盖的结果,抵消了两者在产量上的差异。灌水条件下秸秆覆盖和常规露地的产量结果与雨养旱作相同。对于灌水与雨养旱作的比较,4个副处理千粒质量灌溉较雨养提高了2.9%～4.6%,穗粒数提高了3.7%～5.1%,最终产量提高6.46%～9.94%。由此可见,土下地膜覆盖可显著提高雨养旱作的玉米产量,在此基础上大口期灌水能够提高穗粒数和千粒质量,进而使产量继续增加。

2.1.2 耗水与水分利用效率 表2表明,在雨养旱作条件下,生育期内PM、P0M和SM分别比露地下少耗水70.6,67.8,36.4 mm,可见地膜有孔与否对生育期的耗水量无显著影响,而显著好于秸秆覆盖；同时因产量的提高与减少耗水的协同作用,土下地膜覆盖比露地WUE提高了41.0%～50.5%,秸秆覆盖提高了12.0%。在灌水条件下,各覆盖处理的节水效果与雨养旱作下相同,但各处理因灌水也相应增加了耗水量42.7～49.4 mm,而相同处理的水分利用效率和在灌水与雨养2种条件之间不具显著差异。除了玉米生育期内的蒸散耗水,还有非生长季的蒸发耗水,地膜覆盖还能显著降低非生育期的蒸发耗水55.7～74.8 mm,秸秆覆盖减少31.8～42.6 mm,秸秆覆盖的保水效果显著低于地膜覆盖,因而雨养下地膜覆盖可减少玉米农田周年耗水126.3～128.1 mm,WUE提高了54.6%～63.2%,秸秆覆盖减少周年耗水76.2～77.9 mm,WUE提高了18.4%～19.1%，灌水增加了周年耗水37.8～57.mm，土下地膜覆盖和秸秆覆盖比露地依然减少耗水量138.5～148.2 mm，77.9 mm，WUE提高了58.5%～66.6%，18.3%。

2.2 穗花发育及籽粒败育

各处理雌穗分化的小花总数差异不显著(表3),土下地膜覆盖有效降低了败育花数和未受精花数,从而导致正常受精小花数显著高于其他处理。雨养旱作条件下,土下地膜覆盖的败育花数和未受精花数较常规露地分别降低了20.0%～27.3%,31.0%～38.2%,较秸秆覆盖分别降低了4.3%～13.0%,20.0%～26.0%。大口期灌水可降低败育花数、未受精花数和败育籽粒数,较雨养旱作条件下降低了2.2%～10.0%,2.5%～8.1%,3.7%～9.4%,同一处理在灌水条件与雨养条件下败育籽粒数差异显著；在灌一水条件下,土下地膜覆盖籽粒败育率显著低于其他处理,较低的籽粒败育率为其提高了有效穗粒数。

表2 不同处理的玉米产量与水分利用效率Tab.2 Maize yield and its water use efficiency under different treatments

注：同列不同小写字母分别表示处理间差异显著(P<0.05)水平。表3-5同。

Note：Small letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 levels. The same as Tab.3-5.

表3 覆盖方式对玉米雌穗穗花发育及籽粒败育的影响Tab.3 Effect of mulching method on differentiation of floret and abortion grain in ear

2.3 叶面积指数和光合势

2.3.1 叶面积指数 由图1可知,不同处理叶面积指数(LAI)在吐丝期之前不断增大,到吐丝期达到峰值。雨养旱作下,PM、P0M和SM吐丝期叶面积指数分别较露地处理提高了21.5%,18.2%,10.0%,灌水条件下覆盖叶面积指数的效果与雨养相同。土下地膜覆盖、秸秆覆盖和露地等处理吐丝时灌水后较雨养旱作条件下平均提高了6.5%,4.8%,11.8 %,由此可知大口期灌水可更能提高露地种植玉米的LAI,而对覆盖下的植株叶面积指数影响较小。地膜覆盖处理叶片生长较快且生长量大,LAI高于露地。秸秆覆盖叶面积指数吐丝前高于露地,而灌水条件下露地叶面积指数和雨养旱作下玉米秸秆覆盖处理不显著。土下地膜覆盖处理吐丝后LAI到8月底一直保持较高的水平,这为春玉米积累更多的干物质提供了条件保障。

图1 不同处理对叶面积指数的影响Fig.1 The effect of different treatments on leaf area index

图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。The different small letters indicates significant difference among different treatments (P<0.05).

2.3.2 光合势 从图2可以看出,地膜覆盖吐丝前群体光合势显著高于秸秆覆盖和常规露地,相同处理群体光合势在灌水与雨养条件下不具备差异性,且吐丝-收获的群体光合势占到群体总光合势的60%左右。覆盖提高了玉米群体光合势,雨养旱作条件下,PM、P0M和SM群体总光合势分别较常规露地提高了22.6%,18.2%,8.9%。灌水条件下吐丝后同一处理群体光合势要高于雨养旱作,群体光合势较雨养旱作条件下提高2.5%～9.4%。

2.4 成熟期干物质积累与分配

由表4可知,地膜覆盖籽粒干物质积累量显著高于秸秆覆盖和露地,雨养旱作条件下土下地膜覆盖籽粒质量较常规处理提高了8.6%～10.0%,较秸秆覆盖提高了11.8%～13.2%。秸秆覆盖干物质籽粒积累量和常规露地差异不显著。在灌水条件下各处理的营养器官干物质分配与雨养旱作条件下相比较差异不显著,而籽粒干物质积累量较雨养旱作条件下显著提高6.6%～9.9%。

表4 成熟期单株干物质的分配Tab.4 Distribution of dry matter per plant at maturity

2.5 不同阶段耗水和2 m土壤贮水变化

2.5.1 不同阶段耗水量 从表5可知,各处理耗水强度基本相同,非生长季最小,随着生育进程的推进不断增大,在大口期-吐丝期达到最大值,而后又变小。非生长季常规露地耗水强度高于各覆盖处理,SM、P0M和PM非生长季土壤耗水量分别较露地平均减少37.2,67.5,61.1 mm。播种-拔节期,农田耗水仍以蒸发为主,PM和P0M耗水强度分别较NP降低了21.7%～29.2%,11.3%～26.5%,相应的减少耗水24.1～33.9 mm,12.6～30.7mm；SM处理因植株生长缓慢,耗水量低于其他处理。

拔节期-大口期,玉米迅速生长导致耗水强度大幅增加,PM、P0M和SM的耗水强度分别比NP提高18.3%～24.0%,12.8%～19.1%,5.2%～9.8%。土下地膜覆盖改善了土壤温度和水分条件,使玉米生长快、生育期提前,而较大的植株蒸腾导致了较高的耗水强度。

大口期-吐丝期,由于覆膜的减蒸保水稳墒作用,雨养下土下覆膜处理的耗水量显著低于灌水条件下的常规露地。从玉米不同生育期的田间耗水量来看,与常规露地相比,覆膜减少了玉米大口前的无效耗水量,而增加了大口后的供水量,这为后期灌浆和产量形成提供了水分来源。吐丝期-收获期,各处理耗水强度显著降低,这与多降水、少日照的气象环境降低了玉米田蒸散有关。

2.5.2 土壤贮水变化 覆盖-播种(图3-A),非生育期降雨108.6 mm,PM、P0M和SM土层贮水比露地增加了45.8,62.3,56.2 mm；露地除40 cm以上土层有42.6～51.5 mm无效耗水外,60 cm以下皆有增加,PM和P0M 0～60 cm为主要增水层,80 cm以下次之；玉米秸秆覆盖0～80 cm为主要增水层。播种-拔节期(图3-B),降雨量46.4 mm,常规露地供水层为0～120 cm,而秸秆覆盖由于生长发育缓慢,0～2 m耗水量低于其他处理。

表5 周年不同阶段的农田耗水量及耗水速率Tab.5 Field water consumption amount and ratio in different stage of a whole year

图3 春玉米田2 m土体贮水变化Fig.3 Soil water storage dynamic in different soil layers of 2 m soil body for spring maize

拔节期-大口期(图3-C),常规露地主要供水层为0～120 cm,2 m土层贮水减少量露地为30.6～32.5 mm,PM、P0M和SM耗水量较常规露地降低了37.9%～44.9%,45.1%～52.7%,35.8%～40.0%,地膜覆盖的主要供水层比常规露地浅1/2,秸秆覆盖的主要供水层为0～80 cm；从播种-大口期,常规露地平均消耗土壤水181.4 mm,PM、P0M和SM平均消耗土壤贮水为139.3,147.5,144.2 mm,说明地膜覆盖和秸秆覆盖有效降低土壤水分消耗,为春玉米中后期生长发育和产量形成提供了充分的水分蓄存。

大口期-吐丝期(图3-D),大口期灌水处理(PM-W、P0M-W、NP-W和SM-W)除80 cm以上土层有耗水外,80 cm以下则有少量增加。雨养旱作条件下土下无孔地膜覆盖、有孔土下地膜覆盖和玉米秸秆覆盖(PM-R、P0M-R和SM-R)消耗2 m土壤水86.3,82.5,76.0 mm。对于常规露地雨养(NP-R),由于大口期前对土壤水的大幅消耗,2 m土壤水供应量小于覆膜处理。这一阶段中未灌水的各处理土壤水消耗都在0～120 cm土层内。吐丝期-收获期(图3-E),由于多次的降雨,各处理0～2 m的土壤含水量较吐丝有所回升,PM、P0M和SM土壤贮水量较常规露地平均增加了45.7,52.9,21.5 mm。

3 讨论与结论

水资源是作物生产的关键性因子之一,河北平原年内降水少且季节间降水分布不均对作物的生长发育造成了极大的影响[17]。乔灵芝等[16]研究表明,秋季覆盖可以有效缓解土壤水分时间上失衡的问题,并减少水分的无效蒸发,满足生育期的水分需求,从而促进了作物生长,最终获得了较高的产量和水分利用效率。然而传统技术中地膜裸露造成土壤升温导致玉米早衰减产、土壤水分快速蒸发而不能有效节水等问题。本试验通过秋季进行土下覆盖来蓄存土壤水分的方法得以解决,使播种时土壤贮水较露地提高了45.8～62.3 mm,证明了秋覆盖可以有效提高播种时的土壤蓄水量[18]。另外,随着春玉米生育进程的推进,土壤贮水不断下降,而河北省6,7月上旬干旱少雨,在大喇叭口期易形成“卡脖旱”,造成减产[19], 针对此问题,本试验所采用的土下地膜覆盖方式通过调水、蓄水及降低水分蒸发可以满足玉米大口期的需水,而露地处理因无水可供,通过灌一水才避免了减产。

叶片是作物截获光能的载体,玉米籽粒产量的积累主要来源于光合产物,叶面积指数的高低反映着作物群体结构和生长状况。本研究表明,覆膜改善了农田的水、热条件,促进了玉米的生长,使得LAI和群体光合势一直高于露地处理。适宜的LAI和较高的群体光合势是玉米高产的重要原因,这与吕晓等[20]和杨德光等[21]的研究结果一致。但较高的LAI产生较多的蒸腾,加速了水分的消耗,而本试验采用土下的覆膜方式有效的保蓄降水并降低土面蒸发,在雨养旱作条件下使得生育期WUE较露地提高了41.0%～50.5%；此外,本研究显示覆膜处理败育花数和未受精花数较常规露地分别降低了20.0%～27.3%和31.0%～38.2%,从而提高了有效籽粒数,最终提高了产量,验证了农田水分供应情况显著影响籽粒败育结果[22]。

春玉米土下地膜覆盖处理增产效果明显,雨养条件下较常规露地提高18.0%～24.9%,秸秆覆盖产量和露地差异不显著。秋季土下地膜覆盖是地下水压采区提高降雨潜在利用效率的有效措施,通过秋季覆盖可有效降低休闲季节土壤水分蒸发,蓄存非生长季的降雨,达到秋水春用的目的。在雨养旱作条件下,土下无孔地膜覆盖、有孔土下地膜覆盖和秸秆覆盖生育期水分利用效率分别比常规露地提高了50.5%,41.0%,12.0%,而周年水分利用效率提高了63.2%,54.6%,19.1%,且地膜覆盖的主要供水层比常规露地浅1/2。土下无孔地膜覆盖和有孔土下地膜覆盖的节水效果显著好于秸秆覆盖,灌水条件下的结果与雨养旱作条件下相同。