樊廷錄，李永平，李尚中，劉世新，王淑英，馬明生

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旱作地膜玉米密植增產(chǎn)用水效應(yīng)及土壤水分時(shí)空變化

樊廷錄1,2，李永平3，李尚中2，劉世新3，王淑英2，馬明生2

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070；2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；3寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏固原756000）

【目的】干旱缺水是黃土高原旱作農(nóng)業(yè)最大的限制因素，研究覆膜、增密和品種對(duì)旱作玉米增產(chǎn)和水分利用的影響，有助于揭示未來(lái)旱作糧食持續(xù)增產(chǎn)與水環(huán)境的關(guān)系?！痉椒ā吭囼?yàn)于2012—2015年在黃土高原丘陵溝壑區(qū)的寧夏彭陽(yáng)進(jìn)行，在全膜雙壟溝（FPRF）和半膜平鋪蓋（HPFC）2種種植方式下，選擇耐密中晚熟先玉335和吉祥1號(hào)及不耐密早熟酒單4號(hào)3個(gè)雜交種，低密度（4.5萬(wàn)株/hm2）、中密度（6.75萬(wàn)株/hm2）和高密度（9.0萬(wàn)株/hm2）3個(gè)水平，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，玉米連作定位觀測(cè)。采用烘干法監(jiān)測(cè)不同降水年型玉米生育時(shí)期0—200 cm土層土壤水分，通過(guò)Surfer軟件繪制土壤水分等值線圖，研究旱作覆膜連作玉米產(chǎn)量、水分利用效率（WUE）及土壤水分時(shí)空變化。【結(jié)果】在地膜覆蓋條件下各因素對(duì)旱作玉米產(chǎn)量和水分利用的影響達(dá)到極顯著或顯著水平，對(duì)籽粒產(chǎn)量和WUE的影響順序依次為降水年型＞密度＞覆膜方式＞品種，降水年型從干旱、正常、豐水年的變化，玉米產(chǎn)量由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，但WUE最高值并不在降水較多的年份，而在正常年型。密度由4.5 萬(wàn)株/hm2增加到6.67萬(wàn)株/hm2，耗水量、產(chǎn)量、WUE增加10.6 mm、20.0%和3.45 kg·mm-1·hm-2，但密度從6.67萬(wàn)株/hm2增加到9.0萬(wàn)株/hm2時(shí)，耗水量不再增加，而產(chǎn)量和WUE提高12.0%和2.97 kg·mm-1·hm-2；FPRF處理較HPFC處理平均增產(chǎn)15.72%，WUE提高21.09%；耐密中晚熟品種吉祥1號(hào)和先玉335較耐密性弱早熟品種酒單4號(hào)增產(chǎn)15.46%—24.45%，WUE提高13.35%—15.55%。在全膜雙壟溝種植條件下，玉米生育期內(nèi)土壤剖面水分含量始終高于半膜平覆蓋種植，尤其是玉米灌漿期0—200 cm土層多蓄積了50—90 mm的土壤水分，在嚴(yán)重伏旱年份發(fā)揮了明顯的抗旱增產(chǎn)作用。不論降雨年型如何，4年期間全膜雙壟溝播玉米產(chǎn)量增加和WUE提高并沒(méi)有多消耗土壤水分，土壤深層未形成低濕層，也未觀察到增密增產(chǎn)對(duì)土壤剖面水分循環(huán)的負(fù)效應(yīng)，而干旱年份半膜平鋪蓋形成了一個(gè)土壤水分＜8%的明顯干土層，并且隨著玉米生長(zhǎng)時(shí)間的推后干土層厚度增加、范圍擴(kuò)大。【結(jié)論】在目前地膜覆蓋和生產(chǎn)平均密度5.3萬(wàn)株/hm2基礎(chǔ)上，“全膜雙壟溝播+耐密品種+增密1.5萬(wàn)株/hm2”是年降雨450 mm以上旱作區(qū)玉米持續(xù)增產(chǎn)和水分高效利用的技術(shù)關(guān)鍵，增密增產(chǎn)不會(huì)導(dǎo)致土壤深層形成干土層。

旱作玉米；覆膜；密植增產(chǎn)；水分利用效率；土壤水分

0 引言

【研究意義】玉米已成為黃土高原旱作區(qū)糧食增產(chǎn)的主體，但受干旱缺水制約，產(chǎn)量水平一直較低，高效蓄保降水和提高水分利用效率無(wú)疑是旱作玉米長(zhǎng)期研究的重大問(wèn)題[1]，對(duì)確保糧食生產(chǎn)具有十分重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期關(guān)注旱作區(qū)農(nóng)田水分的利用[2-5]，尤以美國(guó)大平原秸稈覆蓋與少免耕[6]、印度和以色列微集水種植著稱[7]。近20年來(lái)，中國(guó)農(nóng)田壟溝覆膜集雨種植研究與應(yīng)用取得了重大突破，特別是全膜雙壟溝集雨種植實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田壟面集流、覆膜抑蒸、溝壟種植集水保水用水的一體化[8]，旱作玉米產(chǎn)量提高30%[9]。壟膜溝種在改善旱作農(nóng)田土壤水分環(huán)境和增糧節(jié)水中扮演著非常重要的角色[10]。玉米生產(chǎn)是群體條件下的生產(chǎn)，密度是影響其籽粒產(chǎn)量的重要因素之一，選擇緊湊型耐密品種來(lái)增大群體密度是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵措施[11-14]。當(dāng)玉米種植密度成等差級(jí)數(shù)增加時(shí)，穗粒數(shù)成等比級(jí)數(shù)下降[15]，粒重隨密度增加呈直線下降[16]。在充分灌溉或補(bǔ)充條件下密度與籽粒產(chǎn)量、水分利用效率呈二次曲線關(guān)系[17-20]。增加玉米密度群體蒸騰耗水增加，加劇對(duì)土壤水分消耗，增加密度提高了耗水量[21]。不論什么降水年型，密度從6.0萬(wàn)株/hm2增加到10.5萬(wàn)株/hm2時(shí)，旱作玉米生育期總耗水量差異不明顯[13]。然而，黃土高原旱作玉米持續(xù)高產(chǎn)可能引起深層土壤水分過(guò)耗和土壤干燥化[22-23]，長(zhǎng)期應(yīng)用全膜雙壟溝技術(shù)會(huì)導(dǎo)致土壤水分負(fù)平衡和作物早衰，產(chǎn)量增幅降低[24-25]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，關(guān)于旱作玉米全膜雙壟溝種植的研究集中在土壤水溫效應(yīng)與增產(chǎn)方面，增加密度與耗水量、水分利用效率的研究仍然不充分，連續(xù)多年的定位研究并不多見[26]，難以回答全膜雙壟溝平均的增產(chǎn)效應(yīng)和高強(qiáng)度用水對(duì)土壤水分盈虧的影響。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)旱作覆膜玉米連作定位試驗(yàn)，系統(tǒng)研究全膜雙壟溝種植農(nóng)田土壤水分蓄保和循環(huán)利用特征、增密高產(chǎn)與水分利用等問(wèn)題，為探明旱作農(nóng)田水分持續(xù)高效利用機(jī)理、制定玉米穩(wěn)定增產(chǎn)技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黃土丘陵溝壑區(qū)寧夏彭陽(yáng)縣白陽(yáng)鎮(zhèn)崾峴村進(jìn)行（北緯35°41′—36°17′，東經(jīng)106°32′—106°58′）。試驗(yàn)所在地海拔1 700 m，年均降水量460 mm，主要集中在7月、8月和9月，季節(jié)和年際間降水分配不均，年均蒸發(fā)量1 100 mm，年均氣溫7.4℃，≥0℃積溫2 600—3 700℃，無(wú)霜期140—160 d，屬典型溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，黃綿土，肥力中等。根據(jù)玉米生育期（4—9月）降水量與對(duì)應(yīng)期間降水分析，2012年為正常年、2013年為豐水年、2014年和2015年為干旱年（表1），其中，2015年夏秋連旱。特別是2014年5月、6月和7月降水量明顯偏少，2014年和2015年7月正值玉米授粉灌漿前期，降雨量?jī)H是多年同期平均值的31.7%和36.5%，玉米嚴(yán)重受旱；2013年7月17日、2014年9月18日一日降水分別為190和141.5 mm，形成徑流損失，利用率不高（圖1）。

表1 2012—2015年試驗(yàn)期間降水量

*（生育期降水-對(duì)應(yīng)期間多年平均降水）/對(duì)應(yīng)期間多年平均降水＞25%為豐水年、＜-25%為干旱年、-10%—10%為正常年

The difference of monthly rainfall to long-time average rainfall divided by long-time average rainfall is more then 25% for rainfall year and less than -25% for dry year and -10% to 10% for normal year

圖1 2012—2015年試驗(yàn)期間降雨變化

試驗(yàn)以覆膜方式為主處理，玉米品種為副處理，密度再裂區(qū)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。主處理P為全膜雙壟溝覆蓋（P1：full plastic ridge-furrow cover，F(xiàn)PRF）和半膜平鋪蓋（P2：half plastic-flat cover，HPFC）2種，P1大壟寬70 cm壟高10 cm、小壟寬40 cm壟高15 cm，大小壟交替排列，玉米種在小壟溝內(nèi)，P2田間地膜寬60 cm，地膜與裸地（50 cm寬）交替排列，玉米種在地膜上，地膜為0.008 mm厚度的聚乙烯薄膜；副處理H為3個(gè)玉米雜交種，吉祥1號(hào)（JX1，耐密中等中晚熟）、酒單4號(hào)（JD4，耐密性弱早熟）和先玉335（XY335，耐密性強(qiáng)中晚熟）；再裂區(qū)D為3個(gè)密度，D1、D2和D3分別為4.5、6.75、9.0萬(wàn)株/hm2，當(dāng)?shù)厣a(chǎn)平均密度5.3萬(wàn)株/hm2。試驗(yàn)處理18個(gè)，重復(fù)3次，共54個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積長(zhǎng)×寬=6.5 m×3.3 m=21.45 m2，行距55 cm，密度依株距調(diào)整。

試驗(yàn)每年4月15日播種，先玉335和吉祥1號(hào)同期收獲，2012年10月10日、2013年10月13日、2014年10月18日、2015年10月11日，酒單4號(hào)早10天收獲。每公頃施尿素525 kg（其中300 kg播前20 d撒施翻耕整地覆膜，225 kg拔節(jié)期按株追施），覆膜前每公頃基施過(guò)磷酸鈣750 kg，5—6葉期去除分蘗定苗。當(dāng)年玉米收獲后留茬留膜保墑，次年3月下旬揭膜整地重新覆膜施氮肥。田間管理同大田，玉米生長(zhǎng)期不灌溉。

1.2 土壤水分及貯水量的測(cè)定

在播前、苗期、灌漿和收獲時(shí)每20 cm為一個(gè)土層單位，用土鉆采集0—200 cm土樣，烘干法測(cè)定土壤水分。各測(cè)定時(shí)期土壤貯水量（mm）SW = h×d×w×100%，式中，h為土層深度（mm），d為土壤容重（g·cm-3），w為土壤重量含水量（%）。

1.3 耗水量及作物水分利用效率的測(cè)定

旱作農(nóng)田作物耗水量（evapotranspiration，ET）由水分平衡方程計(jì)算，ET(mm)=(SW2-SW1)+SR，式中SW1和SW2為收獲和播種時(shí)0—200 cm土壤貯水量，SR為生育期降雨量。作物水分利用效率（water use efficiency，WUE，kg·mm-1·hm-2）=Y/ET，式中，Y（yield）為含水量14%時(shí)玉米籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)?zāi)攴荩?012、2013、2014和2015年）Y（4水平）、覆膜方式P（2水平）、品種H（3水平）、密度D（3水平）為4個(gè)因素，用SAS V8.1統(tǒng)計(jì)處理軟件進(jìn)行多因素方差分析（ANVOA），利用法多重比較（a=0.05和0.01），檢驗(yàn)4個(gè)處理因素對(duì)產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率平均值的差異，并分析交互作用。

依據(jù)4個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴萦衩撞煌瑫r(shí)期0—200 cm土層剖面水分實(shí)測(cè)值，利用Surfer軟件繪制土壤水分等值線圖，揭示試驗(yàn)期間土壤剖面水分的時(shí)空變化特征。

2 結(jié)果

2.1 旱作地膜玉米籽粒產(chǎn)量的變化

連續(xù)4年玉米產(chǎn)量的綜合分析表明，降水年型（＜0.0001）、地膜覆蓋方式（＜0.0001）、品種類型（＜0.0001）和種植密度（＜0.0001）對(duì)旱作玉米產(chǎn)量（Y）的影響達(dá)到極顯著水平（表2）。在地膜覆蓋條件下，各因素對(duì)玉米產(chǎn)量的影響順序?yàn)榻邓晷停久芏龋靖材し绞剑酒贩N。隨著降水年型從干旱（2015年和2014年）、正常（2012年）、豐水（2013年）年的變化（表3），籽粒產(chǎn)量（grain yield，GY）由7.72和8.79 t·hm-2增加到11.86和11.15 t·hm-2，正常年較干旱年增產(chǎn)34.92%—53.36%，較豐水年增產(chǎn)6.38%（與2013年7月份大暴雨造成的部分倒伏有關(guān)）。密度從4.75和6.0萬(wàn)株/hm2增加到9.0萬(wàn)株/hm2，產(chǎn)量分別達(dá)到8.34、10.06和11.27 t·hm-2（表3），低密度到中密度產(chǎn)量提高20.62%，中密度到高密度產(chǎn)量提高12.03%。覆膜方式由半膜平鋪蓋到全膜雙壟溝，產(chǎn)量從9.16 t·hm-2增加到10.60 t·hm-2，提高15.72%；品種耐密性由弱（酒單4號(hào)）到中（吉祥1號(hào)）產(chǎn)量增加15.46%，由中到強(qiáng)（先玉335）增加7.79%。

表2 品種（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量（GY）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）的方差分析

*、** 、***分別表示差異達(dá)到5%、1%、0.1%顯著水平

** Significant at the 0.05、0.01 and 0.001 probability level, respectively

表3 品種（H）、密度（D）、覆膜方式（P）和年份（Y）對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量（Y）、耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）平均值的多重比較

表中同列數(shù)據(jù)后對(duì)應(yīng)的大、小寫字母分別表示在=1%和=5%水平由LSD法比較的差異顯著性

Different capital and lowercase letters in the same column indicate significant differences at=5% and 1% level by LSD, respectively

除覆膜方式×年份對(duì)產(chǎn)量的交互作用不顯著外，其余兩因素交互作用均顯著或極顯著。品種×密度×覆膜、年型×覆膜×密度及四因素交互作用對(duì)產(chǎn)量影響不顯著，而品種×密度×年份、品種×覆膜方式×年份的三因素交互作用達(dá)到顯著水平。這與年際間降水變異大有關(guān)。

2.2 旱作地膜玉米水分利用效率的變化

在地膜覆蓋前提下，與玉米籽粒產(chǎn)量變化一樣，各因素同樣極顯著地影響水分利用效率的大?。ū?），順序依然是降水年型＞密度＞覆膜方式＞品種。4個(gè)降水年型中，玉米WUE最高值并不在降水較多的年份，正常年型WUE最高（28.4 kg·mm-1·hm-2），較夏秋連旱的2015年提高51.22%、夏季干旱的2014年提高22.89%，降水較多的2013年WUE卻與2014年相當(dāng)。玉米WUE隨著密度的增加而提高，密度由低到中增加2.25萬(wàn)株/hm2時(shí)WUE提高17.35%，再由中到高增加同等數(shù)量的密度WUE提高12.73%。全膜雙壟溝較半膜平鋪種植WUE提高21.08%。隨著玉米品種耐密性的提高WUE增加，吉祥1號(hào)較酒單4號(hào)增加13.35%，先玉335較吉祥1號(hào)增加1.98%。

旱作玉米WUE除受降水年型、密度、覆膜方式、品種單一因素的顯著影響外，其兩因素、三因素、四因素的互作效應(yīng)同樣達(dá)到極顯著水平，但密度×覆膜方式×年份的互作效應(yīng)不顯著。

2.3 旱作地膜玉米田間耗水量的變化

旱作玉米地膜覆蓋種植下，各因素對(duì)田間耗水量變化的影響，同產(chǎn)量、WUE變化有相似的地方，但也有不同之處。降水年型、密度、品種對(duì)ET的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.0001），大小順序?yàn)榻邓晷停酒贩N＞密度。田間耗水量隨降水量的增加而增加，而覆膜方式對(duì)ET影響不顯著（=0.4176），全膜雙壟溝ET 426.1 mm，半膜平覆蓋434.3 mm，即旱作玉米田間耗水量（包括作物蒸騰耗水與棵間蒸發(fā)）與地膜覆蓋方式關(guān)系并不密切（表3），增加地膜覆蓋面積主要是減少了土壤水分無(wú)效蒸發(fā)損失，提高了蒸騰耗水比例，降水量多少、品種水分利用能力、群體大小是旱作玉米耗水增產(chǎn)的主要驅(qū)動(dòng)因子。然而，密度由低到中ET增加10.6 mm，達(dá)到極顯著水平，中密度與高密度之間ET差異不顯著。中晚熟耐密品種先玉335與吉祥1號(hào)之間ET無(wú)明顯差異，而較早熟耐密性弱的酒單4號(hào)ET增加18.6—23.0 mm，差異極顯著。

就各因素對(duì)ET的互作而言，降水年型、密度、覆膜方式、品種三要素之間互作效應(yīng)和四要素互作效應(yīng)，以及降水年型與品種、密度、覆膜方式二因素之間的互作效應(yīng)，均達(dá)到顯著或極顯著水平，這與年際間降水變異大有關(guān)。但品種、密度、覆膜方式二因素之間的互作效應(yīng)不顯著。

2.4 降水、密度、品種對(duì)旱作全膜雙壟溝玉米產(chǎn)量和水分效率的協(xié)同影響

旱作玉米地膜覆蓋下的單因素主效應(yīng)和多因素互作效應(yīng)分析表明，全膜雙壟溝較半膜平鋪種植以相近的田間耗水量顯著提高了產(chǎn)量和WUE，選擇耐密品種和增加密度是協(xié)同提高產(chǎn)量與WUE的關(guān)鍵。無(wú)論是正常年份、濕潤(rùn)年份還是干旱年份，全膜雙壟溝種植下3個(gè)玉米品種產(chǎn)量、WUE、耗水量均隨密度的增加而提高（圖2）（2013年先玉335高密度下ET例外），不同密度之間ET增加幅度顯著小于產(chǎn)量、WUE增幅，WUE與產(chǎn)量的變化趨勢(shì)一致，即地膜覆蓋條件下增密是旱作玉米增產(chǎn)節(jié)水農(nóng)藝措施調(diào)控的關(guān)鍵。旱作玉米產(chǎn)量和WUE與降水量有關(guān)，但與生育期降雨的季節(jié)分配更密切，2013年為豐水年，生育期降雨最多（594.1 mm），較2012年正常年增加179.3 mm，但不同密度、不同品種下的WUE值在2013年低于2012年，主要是2013年7—8月高強(qiáng)度降雨利用率低。盡管2014年生育期降雨與2012年相近（410 mm左右），但2014年是干旱年份，4月和9月降雨占生育期降雨的68.5%，而5—6月苗期、7月需水關(guān)鍵期降雨量?jī)H是多年平均值的36.3%和31.7%，導(dǎo)致產(chǎn)量和WUE明顯降低。2015年生育期降水量最少且夏秋連旱，在4個(gè)試驗(yàn)?zāi)攴葜挟a(chǎn)量和WUE均最低。

圖2 2012—2015年降水年型密度對(duì)全膜雙壟溝玉米耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

先玉335和吉祥1號(hào)耐密中晚熟，生育期較耐密性弱的酒單4號(hào)長(zhǎng)7—10 d，不論降水年型如何，隨著品種耐密性增強(qiáng)和密度增加，產(chǎn)量和WUE同步提高，品種與密度對(duì)產(chǎn)量和WUE協(xié)同作用豐水年份和正常年份大于干旱年份，但隨著降水量的減少品種與密度的協(xié)同效應(yīng)降低（圖2）。

2.5 旱作地膜玉米生育期土壤水分變化及其垂直分布

從試驗(yàn)開始的2012年4月到試驗(yàn)結(jié)束的2015年10月，通過(guò)對(duì)玉米主要生育時(shí)期0—200 cm土壤水分的測(cè)定（圖3），不論降水年型如何，旱作農(nóng)田全膜雙壟溝集雨種植（FPRF）土壤水分始終高于半膜平鋪蓋種植（HPFC）。無(wú)論全膜雙壟溝還是半膜鋪蓋，土壤中保蓄水分的多少（圖3）與季節(jié)性降水量高低基本一致（圖1），2013年豐水年保蓄的土壤水分高于2012年正常年，正常年高于2014年和2015年的干旱年。特別是試驗(yàn)進(jìn)行到2014年、2015年時(shí)，玉米整個(gè)生育期降水減少，7—8月共降雨90 mm左右，是多年同期平均降水量的47.9%，大約是2012年同期降水的50%和2013年的30%。2014年8月4日和8月20日FPRF處理土壤平均水分達(dá)到了12.50%和12.37%，較HPFC處理增加2.66和1.98個(gè)百分點(diǎn)，2015年7月30日和8月30日同樣處理的土壤水分為15.66%和13.55%，較HPFC處理增加3.49和3.39個(gè)百分點(diǎn)，即全膜雙壟溝種植在玉米灌漿期0—200 cm土層多蓄積了50—90 mm的土壤水分，在嚴(yán)重伏旱年份發(fā)揮了明顯的抗旱增產(chǎn)作用。

圖3 2012—2015年全膜雙壟溝與半膜平鋪蓋種植0-200 cm土層平均土壤水分變化

同半膜平鋪蓋相比，試驗(yàn)期間全膜雙壟溝玉米不同生育期土壤貯水量也明顯增加。2012、2013、2014、2015年早春播前0—200 cm土層貯水量FPRF處理較HPFC處理分別增加68.7、56.3、77.8和63.2 mm，苗期干旱季節(jié)分別增加66.0、103.6、78.5和95.68 mm，到玉米收獲后仍然增加47.8、64.5、74.6和58.0 mm。

經(jīng)過(guò)連續(xù)4年玉米耗水與降水補(bǔ)給的消長(zhǎng)，全膜雙壟溝集雨種植0—200 cm剖面土壤水分垂直分布發(fā)生了明顯變化（圖4）。在4年試驗(yàn)期間，F(xiàn)PRF處理0—200 cm土壤剖面水分始終高于HPFC處理，隨著土層深度的增加或玉米生育進(jìn)程的推進(jìn)，2種覆膜種植方式之間土壤水分趨勢(shì)性接近，但這種變化趨勢(shì)在不同氣候年份間不盡一致。正常年份2012年和豐水年份2013年土壤水分剖面分布特征基本相似，7、8月份降雨量是多年平均值的1—3倍，土壤水分得到恢復(fù)補(bǔ)償，到玉米灌漿后期100 cm以下兩種覆膜種植方式土壤水分趨于一致，兩年收獲時(shí)土壤水分都維持在相對(duì)較高的水平，2012年14%—15%，2013年18%—20%；但在干旱的2014年和2015年明顯不一樣，特別是2014年玉米苗期（6月4日）半膜平覆蓋0—140 cm土壤剖面水分已降低到8.31%—9.20%，全膜雙壟溝種植10.4%—14.3%，到灌漿后期（9月18日）100—180 cm土層土壤含水率全膜覆蓋和半膜覆蓋平均為12%和10.6%，特別是100—140 cm土壤水分半膜覆蓋下降到8.2%，較全膜覆蓋的11.7%低3.5個(gè)百分點(diǎn)，接近土壤萎蔫濕度，而160—200 cm土層2種覆膜方式土壤水分接近。夏秋連旱的2015年，9月15日整個(gè)剖面土壤水分全膜雙壟溝覆蓋較半膜平覆蓋平均高4.1個(gè)百分點(diǎn)，40—180 cm土層土壤水分高3.03—6.34個(gè)百分點(diǎn)。因此，無(wú)論降雨年型如何，全膜雙壟溝種植均能有效保蓄生育期降水，使土壤剖面水分高于半膜平覆蓋，干旱年份蓄水保水效果尤其明顯。

圖4 2012—2015年玉米生長(zhǎng)期間0—200 cm土層土壤水分的垂直分布

2.6 旱作地膜玉米農(nóng)田土壤水分利用恢復(fù)的時(shí)空變化特征

在2012—2015年期間，玉米生育期遇到了1個(gè)正常年份、1個(gè)豐水年份和2個(gè)干旱年份，覆膜農(nóng)田水分不僅在土壤垂直剖面空間上明顯不同，而且在試驗(yàn)期間形成了鮮明的時(shí)空差異特征。4年期間，全膜雙壟溝覆蓋與半膜平覆蓋0—200 cm土層土壤剖面水分等值線圖形成了鮮明的對(duì)照（圖5和圖6），半膜平覆蓋種植下農(nóng)田土壤剖面水分均明顯降低，特別是干旱年份（2014年和2015年）形成了土壤水分的低濕層，并且低濕層厚度加深，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。在半膜平覆蓋種植中，2012年9月中旬80—120 cm土壤水分降低到11.1%—12.5%，2013年6月上旬120—140 cm下降到11.8%—12.7%，2014年9月中旬100—140 cm土層降低到7.9%—8.7%，2015年同時(shí)期40—140 cm土層土壤水分下降到6.7%—9.5%，干旱年形成了一個(gè)土壤水分＜8%的干土層，并且隨著時(shí)間推移干土層厚度增加，范圍擴(kuò)大。因此，不同降雨年份全膜雙壟溝集雨種植產(chǎn)量的增加，并沒(méi)有多消耗土壤水分，也未在土壤深層形成水分低濕層，尚未觀察到對(duì)土壤剖面水分循環(huán)的負(fù)面影響。

圖5 2012—2015年旱作全膜雙壟溝集雨種植玉米農(nóng)田土壤水分時(shí)空分布圖

圖6 2012—2015年旱作半膜平鋪蓋種植玉米農(nóng)田土壤水分時(shí)空分布圖

從農(nóng)田水分平衡來(lái)看，4年全膜覆蓋連作玉米總耗水（1 680.2 mm）比半膜覆蓋（1 737.1 mm）減少56.9 mm，而玉米生育期間（2012年4月—2015年9月）和生產(chǎn)年度（2012年1月—2015年12月）總降水1 748 mm和1 920 mm。因此，在年均降水450 mm以上地區(qū)，連作4年的旱作玉米全膜雙壟溝播、半膜覆蓋種植降雨利用率達(dá)到87.5%和90.5%（4年總耗水/4年生產(chǎn)年度總降水），前者WUE25.38 kg×mm-1×hm-2，后者20.96 kg×mm-1×hm-2，即全膜雙壟溝集雨種植降低了土壤水分的非生產(chǎn)性消耗，將土壤蒸發(fā)耗水轉(zhuǎn)化為玉米蒸騰耗水，提高了水分利用效率。

3 討論

目前，國(guó)內(nèi)所有旱作農(nóng)田集雨種植研究中，壟膜溝種能最大限度蓄保降雨和提高作物水分利用效率的結(jié)論是毋容置疑的[8-10]，但產(chǎn)量和WUE增加幅度區(qū)域間差異很大。本研究4年連作玉米試驗(yàn)，全膜雙壟溝播較半膜平輔蓋種植平均增產(chǎn)15.72%，WUE提高4.42 kg×mm-1×hm-2，其產(chǎn)量和WUE提高幅度首先與降水直接有關(guān)，其次是種植密度和品種耐密特性。在4.5—9.0萬(wàn)株/hm2密度范圍內(nèi)，隨著密度增加，旱作覆膜玉米產(chǎn)量、耗水量、WUE同步增加，主要是增加密度提高了玉米群體葉面積和蒸騰耗水量[11]，但耗水量增加幅度遠(yuǎn)小于產(chǎn)量和WUE提高幅度，當(dāng)密度超過(guò)6.75萬(wàn)株/hm2后，耗水量卻變化較小而產(chǎn)量和WUE仍然增加，即使嚴(yán)重干旱的2014年和2015年，產(chǎn)量和WUE也是如此。在山西中部同樣降水量的旱作區(qū)，在密度6.0—10.5萬(wàn)株/hm2范圍內(nèi)，受干旱影響玉米產(chǎn)量隨密度先增加后減少，呈現(xiàn)拋物線型[13-14]，這可能與本研究密度范圍設(shè)定上限偏低有關(guān)。在旱作農(nóng)田增加玉米種植密度必然加劇種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，卻對(duì)耗水量影響不大，并且受土壤可供水量有限的影響，不同密度玉米總耗水量無(wú)差異，極差值僅4.1 mm[13]，旱作玉米合理密度應(yīng)根據(jù)土壤底墑情況及降水進(jìn)行預(yù)測(cè)。4年平均，本試驗(yàn)全膜雙壟溝與半膜平輔蓋玉米耗水量也無(wú)明顯差異，這與年降水400 mm黃土高原半干旱地區(qū)同類試驗(yàn)耗水量增加6.8%—12.1%，尤其是灌漿期耗水增加237.3%的結(jié)論不一致[27]，也有研究證實(shí)玉米耗水量在一定產(chǎn)量水平和一定地區(qū)內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值, 由葉面蒸騰量與棵間蒸發(fā)量?jī)刹糠纸M成, 栽培措施僅改變棵間蒸發(fā)量與葉面蒸騰量比例[12,28]。

作物高產(chǎn)導(dǎo)致旱作農(nóng)田土壤干層化[23]，特別是玉米全膜雙壟溝種植可能過(guò)度消耗土壤水分，技術(shù)的可持續(xù)性和密植高產(chǎn)受到質(zhì)疑[24]。本研究結(jié)果卻不然，全膜雙壟溝種植在4.5萬(wàn)株/hm2基礎(chǔ)上增加2.25萬(wàn)株/hm2玉米產(chǎn)量提高20.62%、再增加同等數(shù)量密度繼續(xù)增產(chǎn)12.03%，4個(gè)不同降水年型期間全膜雙壟溝播土壤水分始終高于半膜平覆蓋種植，增密增產(chǎn)后并沒(méi)有導(dǎo)致土壤剖面形成干土層，這與白翔斌等[26]在陜西渭北旱塬全膜雙壟溝高產(chǎn)栽培玉米整個(gè)生育期不僅沒(méi)有導(dǎo)致土壤剖面土壤水分降低，在0—200 cm土層未形成干土層的研究結(jié)論一致，但干旱年份半膜覆蓋玉米灌漿期土壤水分降低到了凋萎含水量以下，出現(xiàn)了明顯的干土層。因此，在年降水450 mm以上的半干旱區(qū)，全膜雙壟溝播增密種植不會(huì)加劇土壤剖面水分的過(guò)度消耗，反而有利于持續(xù)增產(chǎn)和土壤水分蓄保利用。

4 結(jié)論

在完全依靠有限降雨的黃土高原旱作覆膜集雨種植系統(tǒng)中，全膜雙壟溝集雨保墑種植是旱作玉米增密增產(chǎn)和提高水分利用效率的前提，選擇耐密品種是增大群體持續(xù)增產(chǎn)的關(guān)鍵。半干旱區(qū)旱作玉米全膜雙壟溝種植較半膜平鋪蓋平均增產(chǎn)15.72%和水分利用效率提高21.09%。在一定密度范圍內(nèi)，產(chǎn)量、耗水量、水分利用效率與密度同步增加，但耗水量增加幅度較小，密度超過(guò)一定值后，產(chǎn)量和水分利用效率提高并不多消耗土壤水分，增密增產(chǎn)節(jié)水效果顯著。不論降雨年型如何，全膜雙壟溝種植總能高效蓄保降水，4年期間農(nóng)田土壤剖面水分始終高于半膜平鋪蓋種植，增密高產(chǎn)后土壤深層沒(méi)有形成干土層，而干旱年份半膜平鋪蓋土壤深層形成了明顯的干土層。在目前生產(chǎn)密度5.3萬(wàn)株/hm2基礎(chǔ)上，“全膜雙壟溝+耐密品種+密度增加1.5萬(wàn)株/hm2”是旱作玉米持續(xù)增產(chǎn)和提高水分利用效率的關(guān)鍵。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Grain yield and water use efficiency and soil water changes of dryland corn with film mulching and close planting

FAN Ting-lu1,2, LI Yong-ping3, LI Shang-zhong2, LIU Shi-xin3, WANG Shu-ying2, Ma Ming-sheng2

(1Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;2Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;3Guyuan Branch of Ningxia Academy of Agriculture and Forestry, Guyuan 756000, Ningxia)

【Objective】Drought and water shortage are the main limiting factors for dryland agricultural production on Loess Plateau of China, and studies of the effects of film mulching and close planting and hybrids on dryland corn yield and water use efficiency (WUE) are of benefit to understand the relationship of future grain yield increase and water environment safety.【Method】A 4-year field experiment with three replications was conducted in Pengyang county, Ningxia, a hilly and gully region on China’s Loess Plateau, in continuous spring corn seasons from the year 2012 to 2015, and a randomized design was used with full film ridge-furrow cover (FPRF) and half film-flat cover (HPFC) , three corn hybrids of XY335 and JX1 with close planting and mid-late mature, and JD4 with spaced planting and early mature, and three plant densities of 4.5×104(Low), 6.75×104(Middle) and 9.0×104(High) plants/hm2. The area of each plot was 6.5 m′3.3 m. Soil water contents were determined at main crop stages in soil depths of a 200 cm with 20 cm depth as a soil layer. Seasonal ET amounts were calculated with growing season precipitation (precipitation received from planting to harvesting) and soil water changes. Grain yields in all plots were determined by hand-harvesting 12 m2. Soil moisture contour maps of 2012-2015 were drawn using SURFER V11 software. 【Result】Experimental factors highly affected dryland film mulched corn yield and water use, but the order of influence on grain yield and WUE was corn density ＞ film mulching pattern ＞ corn variety. With year’s type from dry years to normal and rainy years, grain yield increased from 7.72 and 8.79 t·hm-2to 11.86 to 11.15 t·hm-2, but the highest WUE value was obtained in normal year not in rainy year. When corn density increased from 4.5 ×104to 6.75 ×104plants/hm2, ETs, grain yield and WUE increased by 10.6 mm, 20.0% and 3.45 kg×mm-1×hm-2, and the density improved from 6.75×104to 9.0×104plants/hm2, ETs did not increase again and grain yield and WUE increased by 12.0% and 2.97 kg×mm-1×hm-2, respectively. Average grain yield of corn and WUE in FPRF increased by 15.72% and 21.09% compared with that in HPFC. Grain yield and WUE of JX1 and XY335 hybrids, with close planting and middle-late mature, increased by 15.46% -24.45% and 13.35% -15.55% compared with that of JD4 hybrid with low density and early mature. Whatever rainfall in the four years, profile soil water content at 0-200 cm layers during crop growing season was always higher in the FPRF than in the HPFC treatment, particularly the FPRF stored more than 50-90 mm soil water at the 0-200 layers in grain filling period, which played an important role in drought-resistance and WUE increase during serious summer drought. More importantly, the FPRF with significant corn yield increase by close planting did not deplete much soil water, yet not resulted in deep dry soil layers formation whether normal and rainy or dry year, and negative effects on soil water cycle were not observed in the FPRF. However, a dry soil layer with less than 8% of soil water was formed significantly in the HPFC treatment at deep layers in dry years, and dry soil thickness increased and it’s scope extended as corn growth. 【Conclusion】On the basis of film mulching with density of 5.3×104plants/hm2currently, the package of full ridge-furrow film mulching and close planting hybrids and density improvement of 1.5×104plants/hm2will be a key technique for sustainable grain yield increase of dryland corn and high efficient use of water in dryland area of annual rainfall over 450 mm, and the yield-increasing techniques with close planting did not cause deep dry soil layers formation.

dryland corn; film mulching; close planting and grain yield increasing; water use efficiency; soil water

2016-03-23；接受日期：2016-06-27

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2012BAD09B03，2015BAD22B0-2和2013AA102902）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503124和201303104）、甘肅省重大科技專項(xiàng)（143NKDJ018）

樊廷錄，Tel：0931-7614884；E-mail：fantinglu3394@163.com