垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒营养物质积累和产量的影响

李娟，崔婧婧

（唐山市农业科学研究院，河北 唐山063001）

垄沟集雨栽培技术是我国华北地区一种行之有效的高效节水农业措施，在农业生产中发挥着重要作用。该技术采用田间垄沟相邻排列、垄上覆膜进行集雨、沟内种植作物的方式，可以收集无效降雨，减少降雨产生的地表径流，还可以降低地面无效蒸发，增加作物根域以及农田土壤的含水量，延长水分利用期，显著提高作物产量和水分利用效率。同时，垄沟集雨种植可以通过改变沟和垄的宽度来调整土壤微地形和作物的田间分布，改善对降雨的收集以及植物对光能的利用，因此选择合适的垄宽对提高作物光能和水肥有效利用率十分重要。研究表明，垄沟集雨模式可以使冬小麦和夏玉米提前出苗2 d[1]；与常规耕作相比，使春玉米提早出苗期3～4 d，提前吐丝5～12 d[2]；显著影响紫花苜蓿生育进程，较对照提早返青15 d[3]。在马铃薯[4]和谷子[5]等作物上也得到了类似的研究结果。

华北地区是我国重要的糯玉米生产加工地，每年糯玉米种植面积约占全国种植总面积的1/4[6]。目前，该区域主要采取常规覆膜和普通平作的种植方式，玉米整个生育期不进行人工灌溉，虽然省时、省工，但在大喇叭口期、吐丝期、散粉期等关键生育时期易受高温、干旱为害，造成结实不良、果穗短小、品质下降，严重影响糯玉米的产量和品质[7]。因此，提高糯玉米的水肥利用效率以及产量和品质，是华北地区糯玉米生产中亟待解决的问题。垄沟集雨系统的垄宽不同，会导致作物田间分布、土壤温度和水分、田间小气候等不同，进而导致玉米植株光合速率、地上和地下生物量、水肥利用效率也不一样，最终造成糯玉米的产量和品质出现差异。但截至目前，关于玉米生产中最适垄宽的研究主要集中在垄宽对普通玉米土壤理化性质、水分利用效率和产量的影响上，而对于垄宽变化带来的糯玉米子粒营养物质积累和水分利用效率的变化研究却很少。以垄沟集雨技术为基础，在相同种植密度条件下，探讨不同垄宽对糯玉米子粒灌浆速率以及水分利用效率的影响，旨为糯玉米高效栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河北省唐山市农业科学研究院王滩镇十家子村试验基地进行。该区年平均气温11.4℃，年积温3 300～3 600℃，无霜期180 d，年降水量600 mm。玉米生长季降雨分布不均匀，主要集中在7～9月。

1.2 试验材料

玉米试材为当地主栽糯玉米品种京科糯2000。所施肥料有尿素（N含量46%）、过磷酸钙（P2O5含量12%）和氯化钾（K2O含量60%）。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计在玉米种植密度52 500株/hm2条件下，以常规平作为对照（CK），采用3种不同垄宽的垄沟集雨模式种植玉米。垄沟集雨模式种植方法为播种前起垄，垄高15 cm，垄宽设50 cm（A1）、60 cm（A2）和70 cm（A3）3个处理，垄上覆盖厚0.08 mm的塑料薄膜；沟宽60 cm，沟内种植玉米。为保证所有处理的玉米种植密度均为52 500株/hm2，在播种时，垄沟集雨模式的A1、A2和A3处理玉米分别按照株距38、32和27 cm定植；CK玉米按照行距60 cm、株距32 cm定植。小区面积15 m×10 m，完全随机区组排列，3次重复。磷钾肥全部作为基肥，在播种前整地时一次性施入；氮肥总量的40%作为基肥施入，剩余部分在大喇叭口期追施。2019年5月12日播种，9月10日收获。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 植株性状。每小区选取长势一致的植株10株，在乳熟期，用卷尺测量株高；植株营养生长停止后，测量穗位高（地面至最上部果穗着生节的高度）。收获后，参照孙桂明等[8]方法测定地上部生物量和经济产量，计算经济系数（地上部生物量/经济产量）。

1.3.2.2 子粒营养品质。糯玉米吐丝前，每处理选择长势均匀一致的植株80株进行套袋；于散粉高峰期同一天进行人工自交授粉，并做好标记。授粉后10～35 d，每5 d取5穗套袋果穗，4℃保存备用，共取样6次。剥取玉米子粒500 g，先105℃杀青20 min，后80℃烘干至恒重，样品粉碎过100目筛，测定营养品质指标。采用蒽酮比色法[9]测定粗淀粉和可溶性糖含量；采用H2SO4-H2O2-靓酚蓝比色法[10]测定N含量，计算蛋白质含量；采用残余法[11]测定脂肪含量。

1.3.2.3 土壤水分蒸发量和利用效率。分别在玉米播种前和收获后，每小区均按照“S”型五点取样法，分别采集距地表0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、140～160、160～180和180～200 cm深的土样，参照鲁如坤[12]方法测定土壤含水量和容重；采用马富亮等[13]的微型蒸发器法测定土壤水分蒸散量，即：将微型蒸发器安装在玉米株间的种植沟内，每天16：30～17：30将仪器取出称重，每个样点每天同一时间称重，相邻2 d的重量差即为当日蒸散量。蒸发器内土壤3～5 d更换1次，雨后1～2 d内更换1次。计算土壤贮水量、作物耗水量和水分利用效率：

土壤贮水量（mm）=土壤含水量（%）×土层深度（mm）×土壤容重（g/cm3）

作物耗水量（mm）=收获后土壤贮水量（mm）-播种前土壤贮水量（mm）+生育期内灌水量（mm）+生育期内降水量（mm）+作物利用的地下水量（mm）-水分蒸散量（mm）

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

整个试验期间不进行人工灌溉。试验区地下水深约12 m，因此整个作物生育期地下水利用量可视为0。

1.3.3 数据处理与分析利用Excel 2013和SPSS 13.0软件对试验数据进行统计和分析，采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米植株性状的影响

不同处理的糯玉米株高和地上部生物量顺序均为A1＞A2＞CK＞A3，穗位高顺序为A1＞CK＞A2＞A3，各处理间差异均达到了极显著水平；经济系数顺序为A2＞A3＞CK＞A1，其中A2处理与A1处理差异达到了极显著水平，但与其他2个处理差异均不显著（表1）。表明不同垄宽的垄沟集雨模式对糯玉米植株性状的影响明显不同，株高、穗位高和地上部生物量均随垄宽的增大而逐渐降低，其中A2和A3处理的经济系数提高。总体来看，A2处理效果最好，其经济系数最高，地上部生物量较高，株高适中，但穗位高较CK明显降低。

表1 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米植株性状的影响Table 1 Effect of ridge width on plant characteristics of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

2.2 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米产量及水分利用效率的影响

不同处理的糯玉米产量顺序为A2＞A3＞A1＞CK，除A1处理与CK差异不显著外，其他处理间差异均达到了极显著水平；土壤水分蒸发量顺序为A1＜A2＜A3＜CK，水分利用效率顺序为A2＞A1＞A3＞CK，各处理间差异均达到了极显著水平（表2）。表明垄沟集雨模式可以明显降低土壤水分蒸发量，有效提高水分利用效率，提高糯玉米的鲜穗产量，但不同垄宽的增产幅度差异较大，其中A2处理效果最好。该处理下，糯玉米鲜穗产量和水分利用效率均最高，且极显著＞CK，增幅分别为18.19%和56.90%；土壤水分蒸发量极显著＜CK，降幅为8.39%。

表2 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米产量及水分利用效率的影响Table 2 Effect of ridge width on yield and water use efficiency of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

2.2 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒营养物质积累的影响

2.2.1 对淀粉积累的影响随着授粉后天数的增多，不同处理的糯玉米子粒淀粉含量均呈逐渐升高趋势，其中授粉后10～25 d增速较快，而后增长趋势减缓，期间指标值始终以A3处理最高、A2处理次之（图1）；至授粉后第35天，子粒淀粉含量顺序为A3处理＞A2处理＞A1处理＞CK，各处理间差异均达到了极显著水平（表1）。表明不同垄宽的垄沟集雨模式均可以明显促进糯玉米子粒淀粉积累，其中A3处理效果最好、A2处理次之。

图1 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒淀粉含量的影响Fig.1 Effect of ridge width on starch content of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

表3 授粉后第35天糯玉米子粒的营养物质含量Table 3 Grain nutrient content of waxy maize 35 days after pollination（%）

2.2.2 对蛋白质积累的影响随着授粉后天数的增多，不同处理的糯玉米子粒蛋白质含量均呈逐渐降低趋势，期间指标值始终以A3处理最高、A2处理次之（图2）；至授粉后第35天，子粒蛋白质含量顺序为A3处理＞A2处理＞CK＞A1处理，各处理间差异均达到了极显著水平。表明不同垄宽的垄沟集雨模式对糯玉米子粒蛋白质积累的影响明显不同，A3和A2处理可以有效减缓糯玉米子粒蛋白质含量降低，其中A3处理效果更好。

图2 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒蛋白质含量的影响Fig.2 Effect of ridge width on grain protein content of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

2.2.3 对可溶性糖积累的影响随着授粉后天数的增多，不同处理的糯玉米子粒可溶性糖含量均呈逐渐降低趋势，期间指标值始终以A3处理最高、A2处理次之，平均含量分别为13.27%和12.47%（图3）；至授粉后第35天，子粒可溶性糖含量顺序为A3处理＞A2处理＞A1处理＞CK，各处理间差异均达到了极显著水平。表明不同垄宽的垄沟集雨模式均可以有效减缓糯玉米子粒可溶性糖含量降低，其中A3处理效果最好、A2处理次之。

图3 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒可溶性糖含量的影响Fig.3 Effect of ridge width on grain soluble sugar content of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

2.2.4 对脂肪积累的影响随着授粉后天数的增多，不同处理的糯玉米子粒脂肪含量均呈先增加后降低的变化，其中，授粉后第10～15天增长迅速，而后趋势减缓，至授粉后第20天指标值达到最高；之后，脂肪含量不断降低，其中授粉30 d后下降较快（图4）。至授粉后第35天，子粒脂肪含量顺序为A3处理＞A2处理＞CK＞A1处理，其中，A3处理与A2处理差异不显著，但与CK和A1处理差异均达到了显著水平；A2处理与CK差异不显著，但与A1处理差异达到了显著水平。表明不同垄宽的垄沟集雨模式对糯玉米子粒脂肪积累的影响明显不同，A3和A2处理在授粉后20 d内可以明显促进糯玉米子粒脂肪积累，授粉20 d后可以有效减缓子粒脂肪含量降低，其中A3处理效果最好。

图4 垄沟集雨模式下垄宽对糯玉米子粒脂肪含量的影响Fig.4 Effect of ridge width on grain fat content of waxy maize under ridge-furrow rainfall collection planting mode

3 结论与讨论

李青峰等[14]研究表明，集雨种植模式下垄沟宽度能够显著影响玉米的水分利用效率、生长发育进程和产量等，玉米作为青贮饲草种植时最适合的垄、沟宽度比为1∶1。本研究结果显示，与常规平作相比，采用不同垄宽的垄沟集雨模式种植糯玉米均可提高鲜穗产量和水分利用效率，其中垄宽60 cm处理的玉米鲜穗产量和水分利用效率均极显著＞垄宽50和70 cm处理，说明垄宽60 cm对于提高糯玉米产量和水分利用效率最为适宜。主要原因是70 cm宽垄增加了土壤水分蒸发量，降低了土壤水分利用效率；而50 cm窄垄不利于玉米行间通风透光，导致玉米光合效率降低，进而造成玉米减产。垄沟集雨种植模式下，采取适当的大行距、小株距，不仅有利于糯玉米子粒营养物质的积累，还有利于糯玉米株高和穗位高的降低。

本研究条件下，随着授粉后天数的增多，从授粉后第10天开始，不同处理的子粒淀粉含量均呈逐渐升高趋势，其中授粉后第10～25天增速较快，而后趋势减缓，至授粉后第35天淀粉含量达到最高；子粒蛋白质含量与可溶性糖含量的变化趋势基本一致，均随授粉后天数的增多呈逐渐降低趋势，其中在灌浆初期含量较高，授粉后第35天最低；脂肪含量随授粉后天数的增多呈先升高后降低的变化，与前人研究结果[15～20]基本一致。张春良[21]研究表明，糯玉米子粒的可溶性糖含量随授粉后天数的增多呈先升高后降低的变化，即授粉后第10～25天含量逐渐升高，第25～35天逐渐降低。而本研究中，随着授粉后天数的增多，子粒可溶性糖含量呈线性下降趋势，原因可能与测定所使用的计量单位不同有关：本研究中是以子粒可溶性糖占整个子粒的干物质量比例来计算，而前人是以子粒中的可溶性糖质量来计算。垄宽70 cm垄沟集雨模式处理的子粒淀粉、蛋白质和可溶性糖含量均极显著＞其他处理，脂肪含量也＞其他处理，说明种植密度一定的前提下，适当扩大行距、缩小株距有利于糯玉米子粒营养物质的积累，与前人研究结果[22]基本一致。