不同覆膜方式对春玉米根系生长和土壤水热状况的影响

魏盛，罗上轲，程乙，张军，付敬锋，曾涛，陈杜，魏鹏程，郑迎霞，宋碧*

(1 贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2 余庆县农业农村局，贵州 余庆 564499)

春玉米是我国西南地区重要的粮食作物[1]。近年来，西南地区干旱日趋严重，春玉米播种季节温度极不稳定[2]，特殊的气候条件导致该地区长期存在玉米缺口。如何在蓄水保墒和稳定土温的前提下提高玉米单产对保障西南地区粮食安全具有重要意义。地膜覆盖栽培操作简单，覆盖后可以增温保湿，减少杂草，增加光照反射率，有利于土壤微生物生长、腐殖质转化，能改善玉米生长环境和缩短生育进程[3]，尤其在苗期能显著提高土温[4]，从而使地表水分蒸发回流作用增强，在干旱少雨的情况下能提墒保湿[5-6]。地下生长环境能显著影响根系的生长发育[7-9]，改变玉米地上部干物质积累与分配，进而提高其行粒数和产量[10-12]。目前，在我国西北、东北和华北地区均对玉米覆膜方式进行了深入的研究[13-17]，但西南地区的相关研究报道较少。尽管地膜覆盖引起的“白色污染”备受争议[14，18]，但由于西南山区特殊的气候条件和人们对玉米的现实需求，还需通过覆膜提高玉米产量[19]。本研究以贵州高海拔地区为试点，对宽膜覆盖和窄膜覆盖条件下春玉米的土壤温度、土壤含水量、根系形态指标进行测定，探究不同覆膜方式对贵州春玉米根系生长和土壤水热状况的影响，为优化贵州春玉米覆膜方式、促进高产栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019 年在贵州省威宁县(27.42°N，103.96°E)进行。当地属亚热带季风性湿润气候，平均海拔2 200 m，年均气温10.5 ℃，年均降水量950 mm。玉米生育期气象状况见表1。试验地为黄壤，土壤基本情况见表2。

表1 威宁县2010—2019 年4—10 月气象状况Table 1 Meteorological conditions of Weining from April to October during 2010—2019

表2 威宁试验点土壤基本情况Table 2 Basic situation of soil in Weining

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，设2 个不同覆膜方式处理:宽膜覆盖(A1)和窄膜覆盖(A2，当地基本生产方式)。2018 年小区面积31.2 m2(4.8 m×6.5 m)，2019 小区面积24 m2(4.8 m×5 m)，设3 次重复。A1 用宽2 m、厚0.008 mm 的白色地膜覆盖4行玉米，步骤为:挖穴—施肥—播种—盖种—盖膜；A2 用宽0.8 m、厚0.008 mm 的白色地膜覆盖2 行玉米，按当地传统盖膜方式操作。玉米品种选用盘玉5 号(2018 年)和隆瑞3869(2019 年)。

1.3 栽培管理措施

采用宽窄行直播种植，宽行0.8 m，窄行0.4 m，种植密度为67 500 株/hm2。2018 年4 月6 日播种，10 月8 日收获；2019 年4 月10 日播种，10 月9 日收获。以600 kg/hm2的复合肥(N ∶P2O5∶K2O ＝15 ∶15 ∶15)作为基肥，在拔节期和大喇叭口期分别以150 kg/hm2和225 kg/hm2的尿素进行追肥。2019年在玉米大喇叭口期用氯虫甲苯酰胺对草地贪夜蛾进行防控。其他田间管理措施与当地大田生产一致。

1.4 测定项目及方法

在苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期、乳熟期分别测定土壤温度、水分和根系相关性状。

1.4.1 土壤温度

分别于8:00、14:00、20:00(简称早、中、晚)用地温计(型号YF-303)测定株间和行间0～25 cm 土层的温度。

1.4.2 土壤水分

用便携式水分测定仪(型号HSTL-TRSC01)测定各小区株间和行间0～40 cm 土层的含水量。

1.4.3 玉米根系相关性状

各小区选择具有代表性的玉米植株2 株，以其为中心，用金属框(60 cm×50 cm×40 cm)沿四周垂直挖土取根，装入网袋洗净。采用WinRHIZO 根系分析系统测定总根表面积、总根体积、总根长、根尖数等。

1.4.4 产量及产量构成因子

成熟期各小区实收测产，记录穗数，称取各小区玉米的鲜穗质量，再将小区所有果穗按大小顺序排列，用间隔法从中抽取10 穗称取鲜质量，晾晒至安全含水量(14%)后进行考种，并折算每公顷产量。

2 结果与分析

2.1 覆膜方式对土壤温度的影响

不同覆膜方式下株间和行间0～25 cm 土层温度变化见表3，全生育期平均土温宽膜处理(A1)显著高于窄膜处理(A2)，A1 较A2 增温3.19%；各生育时期平均土温均较对照提高，表现为:苗期(6.97%)＞拔节期(4.15%)＞吐丝期(2.32%)＞大喇叭口期(1.18%)＞乳熟期(0.80%)。苗期和拔节期土温增加最显著。一天中，午间(14:00)A1 与A2温差更大，A1 的昼夜土温差在苗期和拔节期显著大于A2(高7.79%～12.63%)；A1、A2 在株行间土温变化相似，但A1、A2 的行间土温差距更大(行间平均温差1.43 ℃，株间平均温差0.31 ℃)。不同土层中，A1、A2 10～15 cm 土层的温差最大。覆膜方式、土层深度、时间和株行间差异都会影响土温，但覆膜方式与土层深度、时间、株行间的互作不显著，覆膜方式主要对苗期土温有着极显著的影响(P＜0.01)。

表3 不同覆膜处理的株间和行间0～25 cm 土层温度变化Table 3 Temperature change of 0-25 cm soil layer between plants and rows under different plastic film mulching ℃

2.2 覆膜方式对土壤含水量的影响

不同覆膜方式下土壤含水量差异显著(表4)，A1 处理5～40 cm 土层株间和行间土壤含水量显著高于A2 处理，全生育期土壤含水量A1 较A2 高5.6%。在降水较少的苗期差异极显著(P＜0.01)，该时期5～40 cm 土层土壤含水量A1 较A2 平均提高11.8%，降水较多的时期则差异不显著(拔节期仅增加0.4%)。株行间的土壤含水量均为A1 大于A2，但5～40 cm 不同深度的土层A1 增幅有差别，土层深度为5 cm 或20 cm 以下时，A1 显著或极显著高于A2；5～15 cm 土层的含水量，A1、A2 无显著差异。与窄膜相比，宽膜更能促进表面(0～5 cm)和20～40 cm 土壤含水量增加，尤其是在少雨时期。影响土壤含水量的因素中，覆膜方式、土层深度和株行间差异都会影响土壤水分，而覆膜方式与土层深度和株行间的互作不显著，但在苗期和大喇叭口期覆膜方式与土层深度的互作、拔节期覆膜方式与株行间的互作对土壤含水量的影响分别为极显著和显著，这可能与苗期、拔节期和大喇叭口期的降水量和日照情况有关。

表4 不同覆膜方式下株间和行间0～40 cm 土层含水量变化Table 4 Variation of water content in 0-40 cm soil layer between plants and rows under different film mulching methods %

续表4

2.3 不同覆膜方式对春玉米根系的影响

2.3.1 不同覆膜方式下玉米根系的形态差异

根据图1，A1 处理的总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积、平均根系直径大多都显著大于A2。两种覆膜方式下的根系生长均呈现慢快慢的规律，在拔节期到吐丝期增长最快，但A1 的增幅更大。A1 和A2 吐丝期的总根长分别是拔节期的2.4 倍、2.2 倍，分枝数为2.2 倍、1.6 倍，根尖数为2.1 倍、2.0 倍，总根体积为2.9 倍、2.2 倍，总根表面积为2.2 倍、1.9 倍，平均根系直径为1.4 倍、1.3倍。与A2 相比，A1 的根系分枝数增加了4 241(23.8%)，总根长增加了760.15 cm(17.1%)、总根体积增大5.65 cm3(18.5%)、总根表面积增大148 cm2(12.0%)、根尖数增加了1 048(13.4%)、平均根系直径增粗0.2 mm(11.7%)。

2.3.2 不同覆膜方式下根系干质量和根密度的差异

根据表5，不同时期玉米的根长密度、根质量密度和根干质量均为A1＞A2。与A2 相比，A1 的根长密度堤高了6.9%～26.8%，且大喇叭口期和抽雄吐丝期差异极显著(P＜0.01)；根质量密度提高了17.8%～44.8%，根干质量提高了18.4%～44.7%，且均为拔节期和抽雄吐丝期差异极显著(P＜0.01)，大喇叭口期则差异显著(P＜0.05)；比根长为拔节期A1 极显著小于A2(P＜0.01)，其他2 个时期则差异不显著。A1 处理拔节期到大喇叭口期根长密度的增幅(67.7%)显著大于A2(41.4%)；大喇叭口期到抽雄吐丝期的根质量密度、根干质量增幅显著大于A2，A1、A2 处理的增幅分别为89.7%、55.1%和89.7%、55.2%。

表5 不同覆膜方式下不同生育时期的玉米根系生长情况Table 5 Root growth of maize at different growth stages under different mulching methods

2.3.3 不同覆膜方式下玉米根系分布差异

根据图2，随着根系直径增加，总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积相应增加，不同覆膜方式下根系指标也逐渐产生差异(2018 年主要在2.5 mm 以上的分布出现差异，2019 年则在1 mm 以上的分布出现差异)。以2018 年为例(2019 年规律类似)，苗期A1、A2 平均根系直径集中在0.6～0.7 mm；拔节后，A1、A2 平均根系直径集中在2～3 mm，A1、A2 处理直径＞2.5 mm 的根系分别占46.7%、17.8%，拔节后直径＞2.5 mm 的根系A1 比A2 多57.1%，分布范围大5 倍。A1 比A2 的总根长增加18.0%～43.0%，分枝数多19.0%～55.0%，总根体积增大12.0%～24.0%，总根表面积增大16.0%～19.0%，根尖数多22.0%～28.0%。

图2 玉米根系形态指标的径级分布Fig.2 Distribution of root morphological indexes under different root diameter

2.4 不同覆膜方式下玉米的产量及构成因素差异

如表6 所示，与A2 相比，A1 的每公顷有效穗数提高了1.76%～2.38%，差异显著(P＜0.05)；穗粒数和千粒质量分别提高了0.26%～ 0.58%、2.88%～3.00%，但差异不显著；2018 和2019 年的产量分别提高21.3%和13.8%，差异分别达极显著(P＜0.01)和显著水平(P＜0.05)。

表6 不同覆膜方式的玉米产量性状比较Table 6 Comparison of yield characters of different film mulching methods

2.5 根系形态与产量及产量构成因素的相关性

由表7 可知，总根长、分枝数、根尖数、总根体积与有效穗数、千粒质量显著正相关，其中平均根系直径与有效穗数相关性最高(r＝0.470)，分枝数与千粒质量相关性最高(r＝0.153)；总根表面积、根系直径、根尖数和分枝数与穗粒数极显著负相关，其中根系直径与穗粒数相关性最大(r＝-0.542)；所有根系形态指标都与产量显著或极显著正相关，以分枝数与产量的相关性最高(r＝0.229)。

表7 玉米产量性状与根系形态的相关系数Table 7 Correlation coefficient between corn yield characters and root morphology of maize

3 讨论

3.1 覆膜方式对玉米土壤水热状况的影响

覆膜能调节土壤温度，使土温增高、改变昼夜温差。不同覆膜方式对土温的调节效果不同，宽膜增温效果显著高于窄膜，尤其在玉米生育前期，且在西北[20]、华北[13]、东北[21]、西南[22]均有类似表现。李尚中等[20]研究发现，在玉米苗期和灌浆期，耕层温度均为全膜＞宽膜＞窄膜＞露地，昼夜均呈现S 型增长，但全膜覆盖处理耕层的昼夜温差较低。本研究发现，宽膜处理土壤昼夜温差在苗期和拔节期显著大于窄膜，苗期和拔节期的土温也显著高于窄膜处理，且宽膜和窄膜处理的行间土温差异更大，这可能是造成宽、窄膜处理地温差异的主要原因。李玉玲等[5]、刘胜尧等[13]发现，覆膜会影响不同土层的增温效应，覆膜后可使增温效应从0～15 cm 扩大到0～25 cm。本研究发现，宽膜处理0～25 cm 土层温度比窄膜处理提高辐度更大，且10～15 cm 土层的增温效应最明显。相关研究发现，覆膜后尽管增加了地温，但6 月份由于温度超过了根系发育阈值，会造成减产[13]。本研究中未出现减产现象，这可能是由于该地区气候较适宜，有利于植株生长和产量形成，但预防午间高温仍然是地膜覆盖需要关注的问题。

玉米覆膜栽培不仅加大了土层间温度差异，还可极大地提高出苗前0～20 cm 土层的含水量，减少苗期、拔节期土壤水分消耗，降低玉米生育后期日耗水量，促进深层土壤(40 cm)水分的蒸散供给，使耕层土壤保持较高的含水量[13-14，16-17，22-24]，但不同覆膜方式对土壤水分的影响程度不同。本研究中宽膜处理土壤含水量高于窄膜，这可能是宽膜回流水分更多，提墒效果更好，储水和保水能力更强，尤其在季节性干旱时期(苗期、吐丝期等)差异显著。说明宽膜覆盖更能弥补春玉米季节性干旱时对水分的需求。此外，与窄膜相比，宽膜处理更能提高0～5 cm土层土壤的含水量，且20～40 cm 土层的含水量显著增加。

3.2 覆膜方式对玉米根系生长的影响

覆膜可调节土壤水热状况，进而影响根系生长。玉米根系生长最适宜的土温为20～24 ℃。土温变化会影响根系内源激素和抗氧化酶活性变化，土壤水分含量会影响根系保护酶、过氧化产物含量。合适的水热条件可以促进根系生长和养分吸收，不同土层的差异又影响根系分布。充分满足不同生育时期的水分与养分需求，能实现高产高效的春玉米生产目标[4，11，23，25-28]。本研究中宽膜覆盖玉米的总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积、平均根系直径均显著大于窄膜处理，这源于适宜的水热条件，但其影响机制仍需进一步研究。根系在拔节期到吐丝期快速增长，吐丝期到乳熟期仍缓慢增加。研究表明，玉米生育后期的根系形态指标和干质量均会下降[4，25]；但也有研究发现，土温对根系生长发育、生理活性和根系衰老均有影响。合适的氮素供应条件下，水培玉米的根系在花后可以无限生长[9]；适宜的水热条件在生育前期能促进玉米根系深扎、根量增多，在生育后期可增强减缓衰老的能力[30]。这可能是宽膜覆盖处理玉米乳熟期根系仍增加的原因，同时也说明宽膜覆盖处理的水热条件更能延缓根系衰老，促进根系生长。本研究中苗期根系径级差异不大，但相同径级均以宽膜处理玉米的总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积数值大。拔节期后，宽膜处理玉米的粗根数量显著多于窄膜，其根系径级范围更大，相同径级对应的根系形态指标数值也更大。前人研究也发现，覆膜对根系形态指标的径级分布有影响，但多为0.2～0.5 mm 的细根[25，27，31]。本研究对不同径级根系形态指标进行的详细分析发现，相同根系直径下，宽膜覆盖对应的总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积均大于窄膜处理。随着生长发育进程的推进，宽膜处理玉米的根系直径增加辐度更大，其平均根系直径大于窄膜处理，其他根系指标差距也相应增大，尤其在生育后期差异更明显。表明宽膜覆盖能促进不同径级根系的生长。

3.3 覆膜方式与产量的关系

李尚中等[20]研究发现，相比半膜覆盖，全膜覆盖玉米产量更高，主要是全膜覆盖处理提高了千粒质量和穗粒数。本研究中，宽膜处理玉米的产量显著高于窄膜处理，与前人研究结果相似。但本研究中宽膜处理除千粒质量增加外，有效穗数也显著增加，但穗粒数差异不显著，并且穗粒数与根系形态指标多呈显著负相关，这可能与覆膜方式和生态条件的差异有关，具体原因仍需进一步探究。相关研究和本试验均表明，玉米产量与根系形态和根量显著正相关[11，22，32-33]。本研究还对根系指标与产量构成进行了相关性分析，发现根系各形态指标均与有效穗数、千粒质量显著正相关，但与穗粒数显著负相关。

4 结论

与窄膜覆盖处理相比，宽膜覆盖春玉米苗期、拔节期土温显著提高了0.62～1.57 ℃，全生育期增温3.2%；苗期、大喇叭口期、吐丝期土壤水分含量显著提高4.8%～11.8%，全生育期提高6.2%；春玉米总根长增加17.1%，根分枝数增加23.8%，总根体积增大18.5%，总根表面积增大12.0%，根尖数增加13.4%，平均根系直径增大11.7%；总根长、分枝数、根尖数、总根体积、总根表面积在根系直径为2.5 mm以上(2018 年)或1 mm 以上(2019 年)的分布中，宽膜处理的各项根系形态指标比窄膜处理高6%～55%，产量显著增加13.8%～21.3%。