四川丘陵旱地春玉米穴灌播种机配套农艺措施研究

石 恺，王小春*，陈 诚，蔡金雄，蒲 甜，张黎骅，杨文钰

（1.四川农业大学农学院，农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130；2.四川农业大学机电学院，四川 雅安 625014）

四川省是我国第三大玉米主产区-西南山地丘陵玉米区主要省份之一，其中丘陵山地占全省玉米播种面积65%以上。该区耕地类型主要为雨养旱地，全年降水主要集中在5～9月份，降雨分布不均，季节性干旱明显，冬春两季极易发生重旱、极旱[1]。为保证春玉米正常出苗，在播种前需造墒，但地面灌溉灌水定额较大[2]，冬干无水源，且播种机携带水量有限，目前该区域仍多采用人工播种，成本高、效率低，严重阻碍玉米发展。研制适宜该区域播种机械并为其配套相符农艺措施是玉米生产面临的挑战。

研究表明冬耕可疏松土壤，有利于熟化，改善土壤理化性状，为作物出苗和根系生长发育创造良好环境条件；冬耕地块通气性良好，地温高，有利于土壤好气细菌活动，利于土壤中有机质分解；将土壤中害虫、病菌及杂草根系翻至地表，可减轻农田虫害、病害和杂草滋生。地膜覆盖可改善耕层土壤水肥气热状况和作物生长微生态环境，增温保墒，促进土壤有效养分供应，显著提高玉米产量和水分利用效率[3]。冬耕栽培与覆膜措施结合，优势明显，冬耕覆膜可减少播种时灌水量，提高春玉米出苗率，较春耕不覆膜处理产量和水分利用效率分别提高30.13%和31.03%[4]。

关于穴灌播种机配套农艺技术研究主要集中在我国北方地区，研究内容以土壤理化特性、作物地上部生长和产量为主[5]，四川丘陵旱地玉米生长生态环境有别于北方，对穴灌播种机相配套保水农艺技术研究不完善，不同保水农艺技术对穴灌玉米生长影响尚不清楚。本文研制适宜四川丘陵旱地玉米区播种、施肥、穴灌一次性完成播种机，该机具经初试效果良好，通过设置田间试验，比较分析穴灌播种下春玉米水分利用效率和产量与抽水浇灌差异，研究与穴灌配套保水农艺措施对春玉米生长、产量及水分利用效率影响，为提高玉米穴灌施肥播种机使用效果、大面积推广应用和四川丘陵旱地春玉米节水高效机械化栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料及地点

试验地位于四川省仁寿县现代农业示范基地（29°59′N，104°08′E），当地海拔482 m，亚热带季风湿润气候，年均气温17.4℃，年均降雨1 009.4 mm，年均日照1 196.6 h。供试材料为川单418，本试验供试土壤为紫色湿润雏形土（典型西南丘陵区土壤）。

1.2 降雨与气温情况

玉米生育期内降雨量与气温分布见图1。

1.3 试验设计

试验采用二因素裂区试验，因素A为翻耕时期，A1：冬耕（头年12月翻耕），A2：春耕（播种前翻耕）；因素B为覆膜情况，B1：覆膜，B2：不覆膜，均由智能穴灌播种机播种，另外设置生产中常用生产方式（抽水浇灌、冬耕、不覆膜处理CK）为对照，共5个处理，每个处理3次重复，共15个小区。每小区种植3带，带长5 m，带宽2m，小区面积30m2（6m×5m），密度60000株·hm-2，采用宽窄行种植，窄行行距0.4 m，穴距0.17 m。4月7日播种，8月1日收获，播种时测定土壤底墒为16%，抽水浇灌造墒，使土壤底墒为20%±1%，通过前期试验确定穴灌量为150 mL·穴-1，穴灌耗水量：4.5 m3·hm-2，抽水浇灌耗水量：22.5 m3·hm-2，为测定不同处理对土壤水分含量影响，从播种之日开始使用雨棚15 d，遮挡雨水。底肥每公顷配施过磷酸钙600 kg（含P2O512%），氯化钾150 kg（含K2O 60%），全生育期共施纯氮240 kg·hm-2，按底肥∶穗肥=5∶5施用，其他管理同大田。

1.4 测定项目与计算方法

1.4.1 出苗率测定

在玉米全田出苗后，分别计数每个小区出苗数，计算出苗率。

1.4.2 土壤温度测定

各处理均匀选点埋入地温计，在玉米苗期观测深度10 cm地温，于上午10:00～12:00连续测定3 d，记录数据。

1.4.3 土壤水分含量测定

自播种日起，每隔5 d取耕层（0～20 cm）土样，使用烘干法测定土壤水分含量，共测定4次。

1.4.4 根系形态与生物量测定

在苗期、抽雄期、灌浆期用根钻分层（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）采集根样，将根土混合体置100目筛中，清水冲洗泥土并剔除杂质，收集玉米根系，使用爱普生Expression 10 000 xl扫描仪扫描根系，WinRHIZO根系分析系统分析扫描图片，计算根长、根直径、根表面积；采用排水法测定玉米根体积[6]，将玉米根系装于牛皮纸袋在105℃杀青1 h，80℃烘干至恒重，称取根生物量。

1.4.5 地上部生物量测定

在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期、成熟期每小区选取具有代表性样品3株，将其地上部分装于牛皮纸袋，105℃下杀青1 h，80℃下烘干置恒重后称量。

1.4.6 产量及产量构成测定

玉米成熟期，收获小区所有玉米果穗后计算该区有效穗数，根据均重法每小区选取20苞果穗研究穗部性状（穗行数、行粒数、千粒重），计算产量（产量=穗数×穗粒数×千粒重）。

1.4.7 水分利用效率计算

玉米收获后利用产量计算水分利用效率。

WUE=Y/WC，WC=P+I+ΔSWS

式中，Y-玉米产量（kg·hm-2），WC-耗水量，P-降雨量（mm），I-作物生育期总灌水量，ΔSWS为从播种至收获土壤储水量变化。

1.5 数据分析

采用Excel 2003汇总及整理试验数据，用DPS 7.05软件作统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米产量和水分利用率的影响

2.1.1 产量和产量构成因素

由表1可知，灌溉方式对玉米产量及有效穗影响显著，穴灌播种下玉米产量、有效穗较抽水浇灌播种显著提高12.16%、8.59%。在穴灌条件下，翻耕时期和覆膜对玉米产量及产量构成因素影响显著，对有效穗互作效应达显著水平，冬耕、覆膜处理产量分别较春耕和不覆膜处理显著提高10.47%和13.10%，其中A1B1处理下玉米产量最高，较A1B2、A2B1和A2B2处理分别显著提高9.99%、7.47%和25.37%。冬耕处理玉米千粒重较春耕处理显著降低2.31%，但穗粒数、有效穗显著提高8.75%、4.20%；覆膜处理穗粒数、千粒重较不覆膜处理分别显著提高6.27%、4.64%。由此可见，不同农艺措施对产量提升程度不同，穴灌播种配套冬耕与覆膜农艺措施通过提高穗粒数与有效穗，有效提高玉米产量。

2.1.2 水分利用效率

水分利用效率变化趋势与产量一致（见表1），穴灌播种灌水量仅为抽水浇灌播种1/5，但水分利用效率显著提高12.80%。在穴灌条件下，翻耕时期和覆膜情况对玉米水分利用效率影响均达显著，冬耕处理水分利用效率较春耕处理显著提高14.27%，覆膜处理水分利用效率较不覆膜处理显著提高8.72%；A1B1处理下水分利用效率最高，较A1B2、A2B1和A2B2处理分别显著提高10.00%、7.48%和25.36%。可知，在四川丘陵旱地春玉米生产中，穴灌播种配套冬耕与覆膜农艺措施可有效节省灌溉用水，显著提高产量与水分利用效率。

表1 玉米产量与水分利用效率Table 1 Maize yield and water use efficiency

2.2 不同处理对玉米生长土壤环境的影响

2.2.1 土壤水分含量

由图2可知，播种后各处理耕层土壤水分含量均呈降低趋势，主要是由于种子萌发、生长以及土壤蒸腾作用需消耗水分。翻耕时期和覆膜情况显著影响土壤水分含量，冬耕处理土壤水分含量在4个测定时期分别较春耕处理显著提高8.82%、1.46%、3.16%、4.99%；覆膜处理土壤水分含量在4个测定时期分别较不覆膜处理显著提高1.65%、5.34%、5.19%、6.46%；A1B1处理土壤水分含量降低趋势显著低于其他处理，说明冬耕与覆膜农艺措施可在玉米播种后有效保持耕层土壤水分含量。

2.2.2 地温

耕层地温变化与玉米种子萌发及出苗情况关系较大，直接影响玉米根系和幼苗生长。不同农艺措施对耕层地温影响程度不同，由图3可知，穴灌播种条件下，翻耕时期对地温影响未达显著；覆膜情况对地温影响显著，覆膜处理对地温提升幅度在冬耕与春耕下接近，冬耕下，覆膜处理地温较不覆膜处理显著提高4.6℃，春耕下，覆膜处理地温较不覆膜处理显著提高4.7℃。结合图2可知，冬耕覆膜农艺措施可有效改善玉米生长土壤环境，发挥保温提墒作用。

2.3 不同处理对玉米生长影响

2.3.1 出苗率

由图4可知，翻耕时期与覆膜情况对出苗率影响与对地温影响接近，翻耕时期对出苗率无显著影响，覆膜情况对出苗率影响达显著。冬耕条件下，覆膜处理出苗率较不覆膜处理显著提高13.56%；春耕条件下，覆膜处理出苗率较不覆膜处理提高8.11%。穴灌播种下，种子直接与水分接触，促进吸涨萌发，冬耕与覆膜农艺措施有效保持耕层水分含量并显著提高地温，出苗率显著提高。

2.3.2 根系生长

由表2可知，翻耕时期和覆膜情况显著影响玉米苗期根系形态，且对根表面积互作效应显著。春耕处理下，玉米根长、根表面积和根体积较冬耕处理分别显著提高41.72%、54.70%和52.12%，根直径差异不显著；覆膜处理较不覆膜处理根表面积、根直径和根体积分别显著提高18.89%、5.41%和32.85%，根长无显著差异。

2.3.3 玉米根系分布

由图5可以看出，翻耕时期和覆膜情况显著影响玉米根系在不同土层分布量，覆膜处理显著提高根系总量。冬耕处理下，根系在0～20 cm土层分布量占根系总量87.39%，较春耕处理提高4.49%，20～40 cm、40～60 cm 土层分布量分别占根系总量7.84%、4.77%，较春耕处理降低17.36%、5.25%；覆膜处理根系总量较不覆膜处理显著提高19.85%，覆膜处理在0～20 cm土层根系分布量较不覆膜处理提高2.36%，20～40 cm、40～60 cm土层分布量较不覆膜处理降低28.88%、19.80%。

表2 玉米苗期根系形态Table 2 Root morphology of maize seedling

2.3.4 玉米根干重

如图6所示，从苗期开始，翻耕时期和覆膜情况显著影响玉米根干重。在苗期，春耕处理根干重较冬耕处理显著提高15.72%，此后生育时期，冬耕与春耕处理根干重无显著差异；覆膜情况对根干重影响在各生育时期均达显著，覆膜处理根干重在苗期、抽雄期和灌浆期分别较不覆膜处理显著提高117.91%、19.85%和44.85%，说明覆膜处理有利于穴灌条件下玉米根干重增加。

2.3.5 地上部干物质积累

由表3可知，玉米地上部干物质积累量随生育时期推进逐渐增加。冬耕处理苗期干物质积累较春耕处理显著降低25.88%，拔节期后，冬耕处理干物质积累逐渐加快，灌浆期和成熟期较春耕处理分别显著提高4.43%和7.19%；覆膜情况对玉米各生育时期地上部干物质积累影响均达显著，覆膜处理在苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期干物质积累量分别较不覆膜处理显著提高170.40%、14.90%、15.19%、12.03%和9.83%。灌浆期至成熟期玉米干物质积累量最多，在此期间，冬耕处理干物质积累量较春耕处理显著提高11.91%，覆膜处理干物质积累量较不覆膜处理显著提高6.29%。

2.4 土壤环境与玉米生长及产量相关性分析

由表4可知，地温与出苗率、地上生物量、地下生物量、千粒重、产量呈极显著正相关；土壤水分含量与地上生物量、穗粒数、产量呈极显著正相关，与地下生物量呈显著正相关。出苗率与地下生物量、千粒重呈极显著正相关，与地上生物量、产量呈显著正相关；地上生物量与地下生物量、穗粒数、产量呈极显著正相关；地下生物量与千粒重、产量呈极显著正相关；穗粒数和有效穗分别与产量呈极显著正相关和显著正相关。结果说明，冬耕与覆膜农艺措施通过提高地温与土壤水分含量有效提高出苗率并促进地上与地下部生物量积累，改善产量构成因素，达到增产目的。

表3 玉米地上部干物质Table 3 Dry matter in the upper part of maize (g)

表4 土壤环境与玉米生长及产量相关系数Table 4 Correlation coefficient between soil environment and maize growth and yield

3 讨 论

研究表明，穴灌有效节约水资源，提高水分利用效率[7]，穴灌播种需水量仅为4～8 m3·hm-2，较喷灌、微灌和地面渠灌节水40%～90%。石文廷等指出穴灌穴播地膜覆盖玉米出苗较早，根区土壤含水量可提高4.51%，在提高水分利用效率同时可保证作物高产稳产[8]。本研究结果表明，穴灌播种较抽水浇灌播种节省灌溉用水80%，水分利用效率和产量显著提高，与胡云等研究结果一致[4]。穴灌下水分直接与种子接触形成湿土团将种子包围，为种子萌发提供充足水分，提高玉米出苗率和苗期质量，显著增加有效株数，提高产量。

不同耕作方式改变玉米生存环境，通过调控土壤水分含量、地温等环境因素，影响玉米生长和产量。冬耕田块播种时地面沉实易保墒，地温回升快，播后易出苗，但土壤紧实使苗期根系生长速度变慢，根长与根量减小，空间横向分布增加[9-10]。本研究结果表明，在穴灌条件下，冬耕处理显著提高土壤水分含量，具有明显保水功能，有效改善产量构成因素，使产量与水分利用效率显著提升，与张俊丽等研究结果一致[10]。冬耕处理地温与春耕处理差异不显著，是由本试验仅测定耕层上部地温，而冬耕对地温影响在更深土层所导致。冬耕处理下，玉米苗期地上部干物质量、根干重和根系形态指标显著下降，根系在0～20 cm土层分布量显著增加，在20～60 cm土层分布量显著减少，这是由于冬耕提高土壤容重，根系不易伸展，另外，川中丘陵区土壤耕层浅薄，质地黏重紧实刺激玉米上层根系生长[11]。拔节期后，冬耕处理物质积累速率逐渐加快，最终干物质积累量显著高于春耕处理，这是因冬耕后土壤紧实[12]，具持续保水能力，满足玉米在各生育时期水分需求。

覆膜是旱地作物常用栽培措施，地膜覆盖可阻断膜下水分向外界传输途径，改变膜下水分运动模式，抑制表层土壤水分蒸发，提高耕层地温与土壤水分含量。覆膜有利于玉米地下根系生长和在土壤中空间分布，增加根系总生物量，改善玉米生长环境和穗部性状，提高产量和水分利用效率。陈尚洪等研究发现，与不覆膜处理相比，地膜覆盖处理显著提高春玉米全生育时期干物质积累量，显著提高花后光合同化物积累量和成熟期籽粒干物质分配量[13]。本研究结果表明，在穴灌条件下，覆膜处理较不覆膜处理有效提高地温与土壤水分含量，显著提高出苗率。覆膜处理显著提高春玉米全生育时期地上部干物质积累量与根干重，穗粒数与千粒重显著增加，进而使产量与水分利用效率显著提升，土壤环境与玉米出苗率、地上、地下部生物量积累和产量呈极显著正相关，这与查丽等研究结果一致[14]。覆膜处理改善苗期根系形态，使0～20 cm土层根系分布量显著增加，因覆膜保墒作用将表层土壤含水量维持在较高水平，为根系生长提供充足水分。

4 结 论

在四川丘陵旱地地区，运用智能穴灌播种机播种较抽水浇灌播种节省80%灌溉用水，有效提高玉米产量与水分利用效率。穴灌播种下，冬耕与覆膜农艺措施通过提高春玉米苗期缺水条件下土壤含水量与地温，提高出苗率；与春耕不覆膜相比，冬耕覆膜可提高根系在耕层分布并促进植株地上、地下部分生长，改善产量构成因素，提高产量。因此，智能穴灌播种机配套冬耕与覆膜农艺措施是四川丘陵旱地地区春玉米节水高效生产值得推广技术。