任新茂 孫東寶 王慶鎖

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

覆膜和種植密度對(duì)旱作春玉米產(chǎn)量和蒸散量的影響

任新茂1,2孫東寶1,2王慶鎖1,2

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

為探究黃土高原旱作玉米的適宜種植密度，開展了玉米露地與覆膜6個(gè)種植密度的大田試驗(yàn)。結(jié)果表明：覆膜加速了玉米的生長和發(fā)育，表現(xiàn)在株高和葉面積指數(shù)的增加，生育期的提前，如抽穗期(即最大高度出現(xiàn)時(shí))比露地種植提前了11 d。在玉米生長的中后期，露地玉米株高具有隨密度增加而降低的趨勢(shì)，而覆膜玉米則無顯著差異。無論是覆膜還是露地種植，玉米葉面積指數(shù)都是隨種植密度的增加而提高。玉米的蒸散量隨種植密度的增加而增加，但覆膜種植降低了玉米對(duì)水分的消耗，在不同程度上緩解了因種植密度增加而導(dǎo)致的蒸散量增加與降水不足之間的矛盾。 覆膜顯著提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率，平均產(chǎn)量和水分利用效率較露地種植分別提高52.79%和60.55%。露地與覆膜種植產(chǎn)量和水分利用效率隨種植密度的增加都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但獲得最高產(chǎn)量與水分利用效率對(duì)應(yīng)的種植密度不同：露地種植在密度為52 500株/hm2(D2)時(shí)獲得最高產(chǎn)量和水分利用效率，而覆膜種植增大了單位面積土地可支撐的群體，最高產(chǎn)量和水分利用效率分別在密度為82 500株/hm2(D4)和67 500株/hm2(D3)時(shí)獲得，但D3與D4下水分利用效率無顯著差異，所以在試驗(yàn)氣候年型下，黃土高原東部露地和覆膜種植的春玉米適宜密度分別為52 500株/hm2和82 500株/hm2。

旱作春玉米； 種植密度； 覆膜； 產(chǎn)量； 農(nóng)田蒸散

引言

玉米是我國主要糧食作物之一，是當(dāng)前種植面積最大、總產(chǎn)量最高的作物，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，但隨著人口增長，作為糧食和工業(yè)原料的玉米供應(yīng)日益緊張。因此大力發(fā)展玉米生產(chǎn)對(duì)保障國家糧食安全具有重要意義[1]，其中，增加種植密度是提升玉米單產(chǎn)的措施之一[2]。在美國平均種植密度已經(jīng)由20世紀(jì)30年代的30 000株/hm2提高到現(xiàn)在的80 000株/hm2[3]。目前我國玉米平均種植密度為52 500～60 000株/hm2，遠(yuǎn)低于美國的種植密度。黃土高原是我國旱作農(nóng)業(yè)重點(diǎn)區(qū)域，玉米種植面積大，但降水時(shí)空分布不均且年際間變化較大，蒸發(fā)劇烈[4]，限制了當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)量的提高。如何可持續(xù)地提高土地生產(chǎn)力和水分利用效率，是該地區(qū)玉米生產(chǎn)面臨的重大挑戰(zhàn)。在旱作區(qū)提高玉米種植密度是增加玉米產(chǎn)量的有效途徑，但密度過高反而會(huì)因?yàn)樗窒拗茖?dǎo)致產(chǎn)量降低[5-6]。地膜覆蓋自20世紀(jì)70年代在我國春玉米生產(chǎn)中推廣應(yīng)用以來，對(duì)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)起到了巨大的推動(dòng)作用[7]。地膜覆蓋種植能提高土壤溫度，減少地表無效蒸發(fā)，增加土壤蓄水，進(jìn)而增加產(chǎn)量，提高水分利用效率[8-13]。因此，能否利用地膜覆蓋的保水效應(yīng)來彌補(bǔ)增加種植密度時(shí)因降水不足而導(dǎo)致的產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)明確覆膜種植的適宜密度，是旱作春玉米生產(chǎn)中亟需解決的問題。本文在黃土高原東部半濕潤偏旱區(qū)將種植密度與地膜覆蓋相結(jié)合，旨在為明確當(dāng)?shù)芈兜睾透材しN植下的適宜密度、提高旱地春玉米產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2015年在農(nóng)業(yè)部壽陽旱地農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行。該站位于黃土高原東部典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，地理位置113°05′E、37°51′N，海拔高度1 135 m,屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，干旱寒冷，四季分明。1981—2010年平均氣溫7.6℃，年平均降水量489.5 mm，無霜期140 d左右。2015年春玉米生育期內(nèi)(5—9月份)降水量414.8 mm，月平均最低和最高氣溫分別為11.9℃和25.2℃(圖1)。土壤為褐土、輕壤，耕作層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為22.99 g/kg，全氮質(zhì)量比為1.15 g/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量比為16.02 mg/kg，有效磷質(zhì)量比為7.7 mg/kg， 有效鉀質(zhì)量比為99.2 mg/kg， pH值為8.4。

圖1 2015年春玉米生育期內(nèi)逐日氣溫與降水量Fig.1 Distribution of air temperature and precipitation during growth period of spring maize in 2015

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米種植品種為“大豐30”。設(shè)計(jì)露地和覆膜2種種植方式，每種種植方式分別設(shè)計(jì)6個(gè)密度，即37 500、52 500、 67 500、82 500、97 500、112 500株/hm2, 分別標(biāo)記為D1、D2、D3、D4、D5和D6，共 12個(gè)處理，重復(fù) 3次, 小區(qū)面積為100 m2。種植方式為主區(qū)，密度為副區(qū)。播種時(shí)施入純氮150 kg/hm2，P2O584 kg/hm2。2015年4月27日播種，播種當(dāng)天人工覆蓋普通聚乙烯塑料薄膜，10月4日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 株高與葉面積

每個(gè)小區(qū)選取生長一致的玉米5株，掛牌標(biāo)記。六葉期開始每8～10 d用直尺測(cè)定株高和葉片長、寬，按照長、寬折算系數(shù)(展開葉為 0.75，未展葉為 0.5)的乘積計(jì)算單株葉面積。葉面積指數(shù)計(jì)算公式為

VLAI=SN/A

(1)

式中VLAI——葉面積指數(shù)S——單株葉面積N——單位面積株數(shù)A——單位土地面積

1.3.2 土壤水分

土壤水分采用德國TRIME-T3型管式土壤時(shí)域反射儀(TDR)測(cè)定。每個(gè)小區(qū)中部安裝一根測(cè)管，測(cè)管深度260 cm。土壤水分每10 d測(cè)定1次，每20 cm為1層，每層按2個(gè)方位重復(fù)測(cè)定，取平均值，人工記錄數(shù)據(jù)。降水后加測(cè)1次。

1.3.3 產(chǎn)量

成熟時(shí)每個(gè)小區(qū)全部測(cè)產(chǎn)，手工脫粒，稱質(zhì)量，隨機(jī)取300 g籽粒在105℃條件下干燥至質(zhì)量恒定，按質(zhì)量含水率為14%計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.4 蒸散量與水分利用效率

土壤貯水量W(mm)計(jì)算式為

(2)

式中θi——第i層土壤體積含水率,%hi——第i層土壤厚度，mmn——土壤層序

玉米生育期內(nèi)的蒸散量ET(mm)計(jì)算式為

ET=P+ΔW

(3)

式中P——玉米生育期內(nèi)的降水量,mmΔW——播種期與收獲期土壤貯水量之差,mm

玉米水分利用效率WUE(kg/(hm2·mm))計(jì)算式為

WUE=Y/ET

(4)

式中Y——籽粒產(chǎn)量,kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用 Microsoft Excel 2007 和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析, 利用SigmaPlot 10.0制圖, 以最小顯著差數(shù)法(LSD)完成顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜和種植密度對(duì)玉米株高的影響

覆膜種植顯著提高了玉米的株高(圖2)。7個(gè)測(cè)定時(shí)期覆膜種植(6個(gè)密度)平均株高分別比露地種植增加39.17%、30.41%、43.62%、55.35%、66.17%、45.89% 和7.75%。覆膜種植的另一個(gè)特征是玉米最大高度出現(xiàn)時(shí)間的提前。覆膜玉米的最大高度出現(xiàn)在第89天，比露地種植提前了11 d，說明覆膜使玉米生長發(fā)育進(jìn)程明顯加快，這主要取決于覆膜的“增溫效應(yīng)”[14]。 露地種植的玉米株高在中后期具有隨著種植密度增加而降低的趨勢(shì)，這可能與水分脅迫有關(guān)，而覆膜種植的玉米株高在后期無顯著差異，這說明不存在水分限制，其原因可能與保墑作用有關(guān)。在生育前期，露地種植玉米的株高具有隨種植密度增加而增高的趨勢(shì)，有的研究也得到同樣的結(jié)論[14-16]，覆膜玉米的株高隨種植密度的增加無明顯變化規(guī)律，原因有待進(jìn)一步研究。

2.2 覆膜和種植密度對(duì)玉米葉面積指數(shù)的影響

覆膜種植增加了玉米群體葉面積指數(shù)(圖3)。例如第89天覆膜較露地種植平均葉面積指數(shù)增加45%,且差異達(dá)到顯著水平。覆膜種植在播種后第89天葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，較露地種植的最大葉面積指數(shù)出現(xiàn)時(shí)間(播種后第100天)提前了10 d左右，這與XIE等[9]在春小麥上的研究結(jié)果一致。無論是覆膜種植還是露地種植，玉米的葉面積指數(shù)都是隨著種植密度的增加而提高。

2.3 覆膜和種植密度對(duì)玉米蒸散量的影響

覆膜種植減小了玉米全生育期蒸散量(圖4)。與露地種植相比，覆膜種植平均蒸散量減少了21.4 mm。覆膜較露地種植不同密度間的蒸散量極差減小31.92%，說明覆膜種植減少了玉米對(duì)土壤水分的消耗，緩和了增加種植密度對(duì)土壤水分消耗量的增加，這與多數(shù)研究一致[17-19]，但也與個(gè)別結(jié)論相反[20-22]，這可能與播種時(shí)土壤墑情及降水年型有關(guān)。露地與覆膜種植全生育期蒸散量隨種植密度增加都呈增加趨勢(shì)。

圖2 不同種植密度春玉米株高的變化Fig.2 Plant height of spring maize for different plant densities

圖3 不同種植密度下的春玉米葉面積指數(shù)Fig.3 LAI of spring maize for different plant densities

圖4 不同種植密度下的全生育期春玉米蒸散量Fig.4 Evapotranspiration of spring maize for different plant densities

覆膜對(duì)春玉米蒸散量的減少主要表現(xiàn)在拔節(jié)期之前(圖5)。露地種植播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽雄期、抽雄-成熟期的平均蒸散量為135.99、178.00、175.44 mm，而覆膜種植的平均蒸散量依次為127.69、181.81、158.54 mm，且生育期前期差異達(dá)到顯著水平。在播種-拔節(jié)期覆膜種植不同密度間蒸散量的極差為15.73 mm，較露地種植減小45.70%，這是因?yàn)榉鈮徘按河衩渍羯⒁缘乇碚舭l(fā)為主，而覆膜有效抑制了地表蒸發(fā)；生育期中期，春玉米蒸散以作物蒸騰為主，地膜覆蓋改善了土壤水溫條件，同時(shí)，降水主要集中在這個(gè)階段，植株生長旺盛，葉面積擴(kuò)展迅速，作物蒸騰劇烈，從而導(dǎo)致蒸散量增加[21]。劉戰(zhàn)東等[19]發(fā)現(xiàn)增加種植密度后蒸散量的增加主要是由出苗-拔節(jié)期蒸散量的增加所致，這與本研究結(jié)果一致。

圖5 不同種植密度下的生育階段春玉米蒸散量Fig.5 Evapotranspiration of spring maize for different plant densities at each growth stage

2.4 覆膜和種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

覆膜大大提高了玉米產(chǎn)量，種植密度從D1增至D6，覆膜較相同密度露地種植產(chǎn)量分別增加40.62%、39.07%、47.27%、67.29%、58.95%和63.53%，且差異均達(dá)到顯著水平(表1)。這主要?dú)w因于穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量的增加。無論是露地還是覆膜種植，玉米產(chǎn)量隨種植密度增加都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，但2種種植方式獲得最高產(chǎn)量的種植密度不同：露地種植在D2(52 500 株/hm2)時(shí)獲得最高產(chǎn)量,為8 466.02 kg/hm2；而覆膜種植在D4(82 500株/hm2)獲得最高產(chǎn)量,為12 778.47 kg/hm2，即覆膜種植的玉米最高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的密度較露地種植高。

2.5 覆膜和種植密度對(duì)玉米水分利用效率的影響

在覆膜種植中，由于玉米產(chǎn)量的提高和蒸散量的降低，水分利用效率得以提高(圖6)。種植密度從D1增至D6，覆膜種植水分利用效率較相同種植密度露地種植分別提高55.05%、 45.79%、 50.85%、 71.05%、64.43%和76.13%，且差異均達(dá)到顯著水平。在種植密度處理間，露地與覆膜種植水分利用效率隨種植密度變化與產(chǎn)量一致，都是先增加后降低，露地種植在D2時(shí)獲得最高水分利用效率，為18.08 kg/(hm2·mm)，覆膜種植在D3時(shí)獲得最高水分利用效率，為26.75 kg/(hm2·mm)。

表1 露地和覆膜不同密度下春玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素
Tab.1 Yield characters in un-mulching and plastic mulching fields for different plant densities

種植方式種植密度每公頃穗數(shù)穗粒數(shù)百粒質(zhì)量/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)D143381.35±2853.15f630.13±32.80a34.66±3.73a7836.55±127.38abD256252.85±2500.05e550.67±15.11a27.33±1.13b8466.02±198.65a露地D369795.15±1962.00d430.11±17.58b28.20±2.13bc8465.48±164.35aD482357.05±3026.10c386.46±8.70c24.00±1.55bc7638.59±187.56bD594766.70±2363.70b346.78±16.54d23.43±1.30bc7699.75±245.24bD6112505.70±3656.85a251.65±8.99e21.58±1.98c6109.70±256.10cD142101.07±1941.00e648.69±10.36a40.35±1.74a11020.02±352.44cD255558.35±2194.05d677.49±12.34a31.28±2.33ab11773.94±147.03bc覆膜D367162.50±3563.70c658.25±9.56ab28.20±0.95bc12467.09±275.30abD478958.95±2632.95b473.46±9.09bc30.17±1.76bc12778.47±178.74aD583319.60±4684.35b599.80±28.76c24.49±2.62bc12238.95±279.02abD6103196.10±4500.60a361.53±8.98d26.78±1.00c9991.25±296.18d

注：同列數(shù)值后不同字母表示不同處理在P<0.05水平上差異顯著。

圖6 不同密度下的春玉米水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of spring maize for different plant densities

3 結(jié)論

(1)覆膜加速了玉米的生長和發(fā)育，表現(xiàn)在株高和葉面積指數(shù)的增加，生育期的提前，如抽穗期(即最大高度出現(xiàn)時(shí))比露地種植提前了11 d。在玉米生長的中后期，露地種植玉米株高具有隨著種植密度增加而降低的趨勢(shì)，而覆膜種植玉米則無顯著差異。無論是覆膜還是露地種植，玉米葉面積指數(shù)都是隨著種植密度的增加而提高。

(2)玉米的蒸散量隨著種植密度的增加而增加，但覆膜種植降低了玉米對(duì)水分的消耗，在不同程度上緩解了因種植密度增加而導(dǎo)致蒸散量增加與降水不足之間的矛盾。

(3)覆膜顯著提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率，較露地種植分別提高52.79%和60.55%。露地與覆膜種植玉米產(chǎn)量和水分利用效率隨種植密度的增加都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，因此，在試驗(yàn)降雨年型下(年降水量458 mm),黃土高原東部露地和覆膜種植玉米的適宜密度分別為52 500 株/hm2和82 500株/hm2。

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Effects of Plastic Film Mulching and Plant Density on Yield and Evapotranspiration of Rainfed Spring Maize

REN Xinmao1,2SUN Dongbao1,2WANG Qingsuo1,2

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2.KeyLaboratoryofDrylandAgriculture,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)

Concerning the increasing of plant density is one of important ways to achieve high yield, field experiments were conducted to investigate the effects of increasing plant density and plastic film mulching on the growth and yield of spring maize, and crop evapotranspiration. The results showed that film mulching accelerated growth and development of maize. It also increased height and leaf area index of the plant at early growth stage of maize. At the late growth stage of maize, plant height of maize without film mulching was decreased with the increase of density, but no significant difference was found for plastic film mulching. Whether mulching or un-mulching, leaf area index of maize was increased with the increase of the density. Evapotranspiration increased with the increase of the density, however, film mulching reduced consumption of water and alleviated the contradiction between increase of water consumption because of the increased plant density and plant height and insufficient precipitation. Film mulching significantly increased maize yield and water use efficiency by 52.79% and 60.55% compared with un-mulching. The grain yield and the water use efficiency of un-mulching and film mulching treatments were all increased with the increase of the plant density until a plateau and then declined. The difference was that the maximum yield of un-mulching was 8 466.02 kg/hm2and it was achieved at 52 500 plants/hm2, however, the maximum yield of film mulching was 12 778.47 kg/hm2and it was achieved at 82 500 plants/hm2. As a result, the optimum planting densities on eastern Loess Plateau for film mulching and un-mulching of spring maize were 52 500 plants/hm2and 82 500 plants/hm2.

rainfed spring maize; plant density; plastic film mulching; yield; evapotranspiration

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.027

2016-05-21

2016-06-26

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD09B01)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31401344)

任新茂(1981—)，男，博士生，主要從事旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)與模型研究，E-mail： renxinmao@163.com

王慶鎖(1964—)，男，研究員，博士，主要從事旱地農(nóng)業(yè)和水環(huán)境研究，E-mail： wangqingsuo@caas.cn

S157.4； S513

A

1000-1298(2017)01-0206-06