秸秆覆盖和水分控制条件对垄作沟灌夏玉米生长和产量的影响

傅渝亮，汪顺生，李彦彬

（华北水利水电大学水利学院，郑州450045）

0 引言

提高水分利用效率对发展节水农业至关重要，采取适宜的保护性农业技术措施，减少农田水分的非生产性水分消耗，提高水分的生产效率，有利于生产力水平的提高[1,2]。垄作沟灌模式和秸秆覆盖对节约灌溉用水和保持田间水分具有显著作用，尤其是对大规模粮食作物的种植节水效果明显[3,4]。由于垄作沟灌技术改变了田间土壤微地形，对田间水肥气热状况具有较好的调节作用。另外，由于仅在垄沟内进行灌溉，形成了有利于水分运移和入渗的良好路径，具有节水、保肥以及增产等优点。不仅减少了作物总灌水量，并且降低了灌溉用水的损耗，提高了灌溉水利用效率[5-7]。师学珍等[8]在西北地区进行了垄作沟灌水肥耦合试验，结果表明垄作沟灌能显著提高玉米穂粗、穗长和产量。王增丽等[9]研究了不同灌水量条件对垄作沟灌玉米水分利用效率和产量的影响，研究发现，灌水量越大，玉米的穗长、穗行数越大，灌水定额为500 m3/hm2时，水分利用效率和产量均达到最大值。张立勤等[10]研究发现，垄作沟灌覆膜比传统模式种植玉米的WUE和产量分别提高了4.17%～34.16%及1.63%～40.44%。而大量研究已表明，农田覆盖措施有利于改善土壤结构、保墒保肥且对作物生长具有良好的促进作用[11,12]，并在一定程度上能有效提高降雨利用率。黄彩霞等[13]研究发现覆盖条件对小麦和玉米的干物质、产量及WUE均有显著提高作用。张瑜等[14]研究发现，秸秆覆盖能有效提高土层中土壤含水率，并能促进作物增产。

大量垄作沟灌和秸秆覆盖相结合的研究表明该技术节水效果显著，在我国西北、华北等地区已获得大面积推广。但可以看到的是，不同水分控制下限条件下秸秆覆盖量对垄作沟灌夏玉米的节水效果、产量和水分利用效率方面的研究较少，基于此，为进一步获得不同覆盖条件下更佳的节水灌溉量，本文通过设置不同秸秆覆盖量、不同水分控制下限，探究垄作沟灌夏玉米生长发育、产量及WUE等方面的影响，以期为制定节水效果更为显著的夏玉米灌溉制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年6月至2018年10月在华北水利水电大学农水试验场开展。该地土壤为粉沙壤土，土壤容重为1.35 g/cm3，田间持水量（Field Capacity，FC） 为24.58%。土壤全氮（Tottal N，TN）为0.055%，有机质（Organic Matter，OM）为0.79%，速效磷（Olsen P，OP）和速效钾（Avail K，AK）含量分别为12.4 mg/kg 和102.6 mg/kg。试验设置为垄作沟灌大田试验，试验区域小区面积为20.0 m×1.1 m，沟断面为梯形，垄面宽70 cm，垄高20 cm，沟深40 cm，沟底宽20 cm。夏玉米品种为“郑单958”，种植方式为每垄双排种植，玉米株距30 cm，行距50 cm。为避免区间水分相互渗漏对试验造成干扰，小区间设置1.1 m 的保护行（垄）。试验采用随机区组排列，重复3 次，试验过程中无遮雨措施。图1 为垄作沟灌夏玉米种植示意图。降雨数据由试验场内的自动气象站获取（见表1）。按照播种后天数将垄作沟灌夏玉米全生育期划分为：播种-出苗期（0～8 d），出苗-拔节期（8～31 d），拔节-抽雄期（31～50 d），抽雄-灌浆期（50～63 d） 以及灌浆-成熟期（63～90 d）。

表1 试验期间各月降雨量 mmTab.1 Rainfall from of each months during the experiment

1.2 试验方案及试验设计

本次试验在夏玉米播种后10 d 测定各土壤水分梯度下不同秸秆覆盖量的出苗率、株高和地上干物质积累量。共设4种秸秆覆盖量，即M0：覆盖量为0（CK）、M1：覆盖量为1 500 kg/hm2、M2：4 500 kg/hm2、M3：7 500 kg/hm2，夏玉米出苗后均匀覆盖于垄上玉米行间。设4 种水分控制下限：分别为I1：55%FC、I2：60%FC、I3：70%FC和I4：80%FC。试验计划湿润层为100 cm，以烘干法在每次灌水和雨后对土壤水分进行测定。当土壤重量含水率达到水分控制下限时进行灌水，灌水定额为45 mm。试验共设置12 个处理，各试验采用随机区组排列，3次重复。各处理生育期内水分控制下限和覆盖量见表2。

表2 各处理生育期内水分控制下限和覆盖量Tab.2 Different irrigation and fertilizing amount

1.3 测定项目及方法

1.3.1 作物棵间蒸发量和土壤含水率测定

作物棵间蒸发采用微型蒸发器测定，用换土称重法测量，分别将内径为5 cm 和10 cm 的微型蒸发器放置于陇上和沟内，在每天8∶00 取土并使用精度为0.01 g 的天秤称重。土壤含水率测定采用TDR 测定，在垄、沟各取一个观测点，试验区每隔5 d 测定一次土壤含水率，灌水前后及降雨后加测，并利用下式计算夏玉米耗水量：

式中：ET为夏玉米全生育期耗水量，mm；I为夏玉米全生育期净灌水量，mm；P为夏玉米全生育期内有效降雨量，mm；ri为相应第i层的土壤干容重，g/cm3；Hi为相应第i层土壤厚度，cm；θi1、θi2为第i层土壤的含水率在时段初、末的值，%；G为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm。

由于试验地点地下水位处于5 m 以下，因此不考虑地下水补给情况，即G=0；试验单次灌水量均较小，不存在深层渗漏情况，故D=0。

1.3.2 作物生长和产量测定

各处理预先随机标定10 株待测植株，每10 d 测定一次株高和叶面积等。株高用卷尺进行测量，测量标定的10 株玉米全部叶片的长、宽。在作物成熟时，对夏玉米干物质、产量等进行测定。干物质累积量的测定：将标定10 株待测植株，剪去地下部分，将各个分器官置于105 ℃下杀青30 min，75 ℃下烘至恒重，冷却后称重；测定生物学产量、籽粒产量及产量，各处理实行单打单收，测定实际产量。

1.3.3 水分利用效率（WUE）及降水利用效率（PUE）

WUE为夏玉米产量与耗水量的比值；PUE为夏玉米产量与降水量的比值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007 分析软件处理试验数据，同时采用SPSS 11.5 软件进行统计学分析，并对相关指标用DUNCAN法进行显著性分析，显著性水平为（p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对垄作沟灌夏玉米株高的影响

图2 为不同处理对垄作沟灌夏玉米株高的影响。可以看出，从55%FC～80%FC范围内，株高表现为先增大后降低并趋于稳定的变化规律。在55%FC水分条件下，夏玉米生育初期，其株高变化并不随秸秆覆盖量的增加而出现显著差异，当生育期超过60 d 时，覆盖处理的夏玉米株高显著高于CK。在达到60%FC水分条件下，秸秆覆盖1 500 kg/hm2处理夏玉米株高与CK 差距逐渐减小，秸秆覆盖4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2株高变化差距不显著，但均显著高于1 500 kg/hm2及CK处理。当水分控制为70%FC时，不同覆盖处理间株高变化均出现一定差距，秸秆覆盖处理株高生长均显著高于CK，此时，秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时的株高最大。在80%FC水分条件下，各覆盖处理对夏玉米株高的影响趋于一致，但均略高于CK。

2.2 不同处理对垄作沟灌夏玉米叶面积的影响

图3 为各处理对垄作沟灌10 株夏玉米叶面积变化的影响。可以看到，在生育期前40 d，不同处理条件下夏玉米叶面积均呈现较为缓慢增加的趋势，相同水分条件下，秸秆覆盖能显著增大叶面积。在生育期40～80 d 时，各处理对夏玉米叶面积影响显著增大，这是由于该时期为夏玉米拔节期—抽雄期，夏玉米营养生长处于主要地位，而水分对叶片的生长促进效果显著，因此各处理叶面积随水分控制下限的增大而增大。80 d之后，各处理夏玉米叶面不在继续增大且逐渐趋于稳定或略有降低。水分为55%FC时，夏玉米叶面积随秸秆覆盖量的增大而增大，秸秆覆盖量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及7 500 kg/hm2时平均值分别较CK 提高46.58%、58.31% 及61.32%，而水分控制下限60%FC～80%FC时，秸秆覆盖量1 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2叶面积平均值分别较CK 提高 25.87%、 59.45%、 54.32%，23.23%、 52.15%、48.75%以及6.54%、31.65%、27.23%，当水分控制下限为80%FC，且以秸秆覆盖量为4 500 kg/hm2时，夏玉米叶面积达到最大，对夏玉米叶面积的促进作用最为显著，进一步提高叶片光合生产潜力。

2.3 不同处理对垄作沟灌夏玉米干物质积累量的影响

干物质积累量是影响夏玉米产量的重要因素，图4为不同秸秆覆盖量与水分耦合对10 株夏玉米干物质积累量的影响。可以看出，在生育期70 d 之前，各处理夏玉米干物质积累量增速显著，而70 d 之后增速显著降低并趋于缓和。在水分条件为55%FC时，各处理对夏玉米干物质积累量影响差异不显著，成熟期时均维持在每10株120 g左右，且均显著低于其他水分处理；水分控制下限55%FC～60%FC、70%FC以及80%FC时，夏玉米平均干物质累积量涨幅分别为1.88%、7.26%及19.65%。当水分达到较高水平时（70%FC和80%FC），不同秸秆覆盖量处理之间夏玉米的干物质积累量差异性逐渐缩小，特别是水分80%FC时秸秆覆盖量为7 500 kg/km2仅比水分70%FC时秸秆覆盖量为7 500 kg/hm2时夏玉米干物质积累量增加3.05%。60%FC水分处理条件下，在生育期70 d 之后，夏玉米干物质积累量随秸秆覆盖量的增大而增大，但随着水分控制下限的继续增大，仅有秸秆覆盖量4 500 kg/km2和7 500 kg/km2的干物质积累量处在较高水平，分别达到182.55 g 和185.29 g，显著高于秸秆覆盖量1 500 kg/km2（153.91 g）和CK（147.88 g）。说明在一定水分下限范围内，秸秆覆盖量越大，越有利于夏玉米干物质积累量的提高。相同秸秆覆盖量情况下，夏玉米干物质积累量随水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限条件下，秸秆覆盖量为7 500 kg/hm2时，夏玉米干物质的积累量最大。

不同耦合处理对垄作沟灌夏玉米干物质累积特征参数具有不同影响。由表3可知，相同水分控制下限条件下，最大干物质累积速率、干物质累积速率最大时间、干物质累积速率最大时生长量以及平均干物质累积速率均与秸秆覆盖量成显著的正相关关系，而相同秸秆覆盖量条件下，干物质累积速率最大时生长量随水分控制下限的增加而增大，但最大干物质累计速率和干物质累积速率最大时间随水分控制下限增大表现为先增大后降低变化，均于70%FC水分控制下限时达到最大。不同水分控制下限条件对最大干物质累计速率影响不显著（p＞0.05），对干物质累积速率最大时生长量影响达到显著水平（p＜0.05），而对干物质累积速率最大时间和平均干物质累积速率的影响影响达到极显著水平（p＜0.01）。不同秸秆覆盖量以及不同耦合处理对夏玉米干物质累积特征参数的影响均具有统计学意义（p＜0.01）。

表3 不同耦合处理对夏玉米干物质累积特征参数的影响Tab 3 Effect of different coupling treatments on summer maize dry matter accumulation characteristic parameters

2.4 不同耦合处理对垄作沟灌夏玉米耗水量的影响

通过表4可以看出，夏玉米各生育阶段中耗水量大小关系依次为：灌浆-成熟期（95.77 mm）＞拔节-抽雄期（76.19 mm） ＞抽雄-灌浆期（62.53 mm） ＞出苗-拔节期（58.46 mm）＞播种-出苗期（24.29 mm），水分控制下限越高，各阶段耗水量越高并达到极显著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期内耗水量平均涨幅分别为5.06%、11.45%及23.48%。

表4 各处理夏玉米不同生育阶段耗水量mmTab.4 Water consumption of different growth stages of summer maize

整体来看，水分处理和秸秆覆盖处理对夏玉米全生育期内的耗水量变化影响均达到极显著水平（p＜0.01），但水分和秸秆覆盖耦合处理对其变化影响不显著（p＞0.05）。相同水分条件下，各生育期耗水量随秸秆覆盖量的增加表现为先减少后增加的趋势，并于秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时达到最大，其平均值为313.91 mm；而相同秸秆覆盖量情况下，各生育期耗水量随水分控制下限的提高表现为先增大后降低的趋势，并于70%FC时达到最大，为333.43 mm。各生育期内耗水量最大的时期为灌浆—成熟期，这主要是由于此阶段是物质积累的关键阶段，需要大量水分以促进光合作用以及促进玉米籽粒形成，因此耗水量最大。

通过图5可以看出，夏玉米耗水量模比系数在全生育期内表现为先增加后降低再增大的趋势，呈显著的二次抛物线规律。相同水分控制下限条件下，同一生育时期的耗水量模比系数随秸秆覆盖量的增加而降低，播种—出苗期，不覆盖秸秆夏玉米耗水量的模比系数最大为19.30%，相较于不覆盖，秸秆覆盖量7 500 kg/hm2、4 500 kg/hm2以及1 500 kg/hm2模比系数减幅分别为13.38%、4.54%和4.14%。拔节—抽雄期秸秆覆盖量7 500 kg/hm2时耗水量模比系数最大为24.51%，表现出最佳的保水能力，秸秆覆盖量1 500 kg/hm2时模比系数最低为23.09%。抽雄—灌浆期夏玉米耗水量模比系数与秸秆覆盖量呈正比降低，秸秆覆盖量7 500 kg/hm2时模比系数较1 500 kg/hm2提高5.45%；灌浆—成熟期夏玉米耗水量模比系数与秸秆覆盖量呈反比上升，秸秆覆盖量7 500 kg/hm2时模比系数较1 500 kg/hm2降低3.96%。

2.5 不同耦合处理对夏玉米产量和水分利用效率的影响

夏玉米产量构成因子主要包括玉米穗长、穗粗、穗行数、穗粒数、百粒重以及籽粒产量等。根据表5可知，不同水分控制下限条件均会对夏玉米生长和产量影响因子产生一定影响，不同水分控制下限处理与夏玉米产量影响因子的关系均具有统计学意义（p＜0.01）。不同覆盖量处理对夏玉米穗长、穗粗、穗行数影响不显著（p＞0.05），而对穗粒数、百粒重以及籽粒产量影响极显著（p＜0.01）。水分下限和秸秆覆盖耦合处理对夏玉米穗长、穗行数和穗粒数影响不显著平（p＞0.05），而对穗粗、百粒重以及籽粒产量的影响均达到极显著水平（p＜0.01）。

表6 为不同水分和秸秆覆盖量耦合处理对夏玉米产量、WUE以及PUE的影响。整体来看，水分处理、秸秆覆盖处理及其耦合处理对夏玉米产量、WUE和PUE的影响均达到极显著水平（p＜0.01），随着水分控制下限的增大，WUE表现为先增加后减小的趋势，而产量和PUE随水分条件的增大而不断增大，但增加幅度逐渐减小。由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米产量、WUE和PUE平均变化幅度分别为33.42%、10.60%、-2.54%，24.13%、1.50%、-7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。不同秸秆覆盖处理对夏玉米产量、WUE和PUE的影响均达到极显著水平（p＜0.01），相同水分条件下，夏玉米产量、WUE以及PUE均随着秸秆覆盖量的增大表现为先增大后降低趋势，在秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时达到最大，平均分别为6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。相同秸秆覆盖量处理下，其产量、WUE和PUE随水分控制下限的增大表现为先增大后减小的趋势，70%FC水分处理，产量、WUE和PUE均达到最大值，分别为6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。因此可以看到，水分控制下限为70%FC处理、秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时，夏玉米的产量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3） 和PUE（5.48 kg/m3）均最高。

3 讨论与结论

水分处理和覆盖处理对夏玉米生长发育均有显著的促进作用。本研究表明，55%FC～80%FC范围内，株高表现为先增大后降低并趋于稳定的变化规律，同一水分控制处理下，秸秆覆盖为4 500 kg/hm2和7 500 kg/hm2能显著提高夏玉米株高，各覆盖处理夏玉米株高均显著高于CK。水分控制下限60%FC～80%FC时，秸秆覆盖量为4 500 kg/km2的夏玉米叶面积达到最大，对夏玉米叶面积的促进作用最为显著，这与赵引等[15]在覆膜和灌水量对玉米生长的影响中得到的结果一致。王平等[16]研究表明，随灌水量的增加，夏玉米的干物质积累量显著提高，80%的土壤含水率有利于干物质的积累。本研究发现，在一定水分下限范围内，秸秆覆盖量越大，越有利于提高夏玉米干物质积累量的提高，相同秸秆覆盖量情况下，夏玉米干物质积累量随水分控制下限的提高而增大，而相同水分控制下限条件下，秸秆覆盖量为7 500 kg/hm2时，夏玉米干物质的积累量最大。

申胜龙等[17]通过大田试验，研究了不同秸秆覆盖量对夏玉米耗水量、干物质累积量的影响，结果表明，不同秸秆覆盖量处理耗水量均大于CK，且覆盖量越大，耗水量也越大，在干旱半干旱地区垄膜沟播条件下，7 500 kg/hm2为合理的秸秆覆盖量。本研究表明，水分和秸秆覆盖处理对夏玉米耗水量影响极显著，全生育耗水量水分控制下限的增加而增大，各阶段耗水量越高并达到极显著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米全生育期内耗水量平均涨幅分别为5.06%、11.45%及23.48%。相同水分条件下，耗水量于秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时达到最大，其平均值为313.91 mm；而相同秸秆覆盖量情况下，并于70%FC时达到最大，为333.43 mm。郑媛媛等[18]研究了不同灌水和不同覆盖条件下玉米产量和水分利用的影响，结果表明土壤耗水量随着灌溉水量的增加而减少，而覆盖能降低土壤耗水量，这可能是由于试验地区气候条件和试验条件不同所导致与本文研究结果并不完全一致。

本研究表明，水分、秸秆覆盖以及其耦合处理对夏玉米产量、WUE和PUE的影响均达到极显著水平（p＜0.01），由水分控制下限55%FC到60%FC、70%FC以及80%FC，夏玉米产量、WUE和PUE平均变化幅度分别为33.42%、10.60%、 -2.54%，24.13%、 1.50%、 -7.61% 以及24.42%、7.40%、-2.58%。高天平等[19]研究了不同水分补给量对覆盖条件下玉米产量的影响，结果表明，田间持水量的75%～80%最有利于产量的提高。本研究中，相同秸秆覆盖量处理下，夏玉米的产量、WUE和PUE均于70%FC水分处理时达到最大值，平均分别为6 602.07 kg/hm2、1.98 kg/m3和5.23 kg/m3。相同水分条件下，夏玉米产量、WUE以及PUE均在秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时达到最大，平均分别为6 257.69 kg/hm2、1.97 kg/m3和5.05 kg/m3。

综合来看，水分控制下限为70%FC处理、秸秆覆盖量4 500 kg/hm2时，夏玉米的产量（6 922.54 kg/hm2）、WUE（2.09 kg/m3）和PUE（5.48 kg/m3）均最高，而且单位玉米产量的耗水系数最小，显著提升了经济效益，即I3M3 处理是本试验中的最佳处理，对于提高西北、华北等地区的高产高效的垄作种植模式秸秆覆盖措施与节水灌溉两者的耦合应用方案的制订提供参考及技术支撑。