閻旭東, 王秀領, 徐玉鵬, 王偉偉, 肖 宇, 劉振敏, 黃素芳, 岳明強

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旱地春玉米不同覆膜種植模式的增產效應*

閻旭東, 王秀領, 徐玉鵬, 王偉偉, 肖 宇, 劉振敏, 黃素芳, 岳明強

(滄州市農林科學院 滄州 061001)

覆膜種植是旱地春玉米種植的重要方式, 具有顯著的增產作用。但前人對旱地春玉米在不同覆膜種植方式下的水分利用、根系發(fā)育及抗倒伏等增產機理方面研究較少。于2013—2015年在河北省滄州市農林科學院前營試驗站開展田間試驗, 連續(xù)3年研究露地平作(CK)、平作覆膜膜下播種(FC-SUF)、平作覆膜膜側播種(FC-FSS)、起壟覆膜膜下播種(RC-SUF)、起壟覆膜膜側播種(RC-FSS)等5種種植模式下春玉米產量及產量構成要素、土壤水分、作物根系和抗倒伏情況。結果表明: RC-FSS、RC-SUF、FC-FSS和FC-SUF比CK 3年平均分別增產24.97%、17.75%、11.69%和8.67%, 其中起壟覆膜側播技術(RC-FSS)增產效果最優(yōu), 其水分利用效率比CK平均提高26.27%。RC-FSS處理壟溝處0~20 cm土壤含水量比CK增幅達30.44%~47.66%, 達極顯著差異; RC-FSS處理的抗倒伏性最好, 其倒伏率僅為0.9%, 抗倒伏力最大為29.4 N, 與CK差異達顯著水平。在玉米整個生育期內, 0~10 cm土壤溫度各覆膜處理比CK平均增加0.3~2.3 ℃, 以RC-SUF種植模式下增溫最顯著。成熟期RC-FSS模式下根系分布直徑、根系干重明顯優(yōu)于RC-SUF、FC-SUF和CK, 差異均達顯著水平。研究表明, 春玉米起壟覆膜側播技術具有集雨保墑、促根壯苗、高抗倒伏、增產穩(wěn)產的作用, 在春季干旱少雨的濱海平原區(qū)有廣闊的應用前景。

春玉米; 旱地; 覆膜種植; 膜側播種; 水分利用效率; 根系性狀; 增產效應

環(huán)渤海低平原區(qū)春玉米(L.)種植面積占玉米總面積的20%左右, 特別是近年來, 隨著節(jié)水壓采政策的實施, 小麥(L.)等耗水相對較多的作物種植面積得到壓減, 冬閑田面積進一步增加, 為春玉米種植提供了更大空間。然而該區(qū)域春季干旱少雨, 在玉米大喇叭口期極易形成“卡脖旱”, 造成減產, 成為春玉米生產的主要限制因子[1-2]。針對春玉米生產問題, 多位專家根據(jù)不同地區(qū)特點開展了相關研究, 孔維萍等[3]研究了黃土高原地區(qū)春玉米全膜雙壟溝播種植模式, 結果表明, 其耕層(0~20 cm)土壤含水率較傳統(tǒng)種植模式顯著提高5.39%, 且顯著改善了土壤水溫條件, 促進玉米出苗。孫仕軍等[4]、任新茂等[5]研究了東北雨養(yǎng)地區(qū)玉米露地與覆膜條件下不同種植密度對春玉米產量和蒸散量的影響, 表明覆膜平均產量和水分利用效率較露地種植分別提高52.79%和60.55%。高翔等[6]從表層土壤溫濕度、土壤呼吸和凈碳交換規(guī)律及作物生長發(fā)育規(guī)律等方面對玉米覆膜種植開展了研究, 發(fā)現(xiàn)與露地處理比較, 覆膜處理全生育期表層土壤含水率提高18.7%, 提高地溫1.67 ℃。胥凌霄等[7]研究了晉中半干旱地區(qū)不同壟溝種植模式對土壤理化性狀及水分利用效率的影響, 與露地種植相比, 大壟小溝種植模式土壤平均含水量增加1.39%, 土壤孔隙度增加4%, 蓄水保墑效果最好且有機質增幅最大。

盡管一些專家[8-18]對玉米覆膜種植、壟溝種植等技術進行了研究, 但針對環(huán)渤海低平原區(qū)自然特點的春玉米旱作種植技術研究較少。本試驗以增溫集雨保墑、促苗早發(fā)、苗全苗壯為突破口, 通過研究起壟、覆膜、膜下、膜側播種等不同種植模式對雨養(yǎng)春玉米產量形成及水分利用效率的影響, 確立該區(qū)域春玉米最佳種植模式, 為該地區(qū)玉米節(jié)水高產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2013—2015年在位于環(huán)渤海低平原區(qū)的河北省滄州市農林科學院前營試驗站進行(116o44′3″E, 38o14′23″N), 屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 是典型的一年兩熟旱作農業(yè)區(qū)。該區(qū)域年總降雨量400~600 mm, 80%集中在7—9月。2013年、2014年和2015年春玉米生育期降雨量分別為480.7 mm、254.9 mm和404.2 mm。土壤為壤土, 年均溫13 ℃, ≥10 ℃積溫4 349 ℃。0~20 cm土層有機質含量15.4 g?kg-1, 堿解氮含量22.3 mg?kg-1, 速效磷含量17.9 mg?kg-1, 速效鉀含量103.0 mg?kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計, 主區(qū)為耕作方式, 分別為平作覆膜(FC)和壟作覆膜(RC), 起壟方式為壟寬70 cm, 壟高15~20 cm, 壟距40 cm; 副區(qū)為播種位置, 分別為膜下播種(SUF)和膜側播種(FSS); 另設露地平作為對照(CK), 具體見表1。所有處理均采用寬窄行播種方式, 寬行距70 cm, 窄行距40 cm, 株距24 cm, 密度75 000 株?hm-2。小區(qū)面積為8 m×5 m=40 m2, 3次重復。

表1 試驗各處理概況

試驗春玉米品種為‘鄭單958’。2013年5月1日播種, 8月25—30日收獲; 2014年4月25日播種, 8月26—31日收獲; 2015年4月30日播種, 8月29日—9月3日收獲(不同處理玉米成熟時間不同)。試驗地播種前底施玉米緩釋肥(肥力控24-16-10, 天津市天正天農業(yè)科技有限公司)600 kg?hm-2, 利用滄州市農林科學院研制的起壟覆膜機械播種, 對照露地平作機械播種(農哈哈2BY-4玉米播種機), 播深3~3.5 cm, 在玉米心葉期每公頃用3%辛硫磷顆粒劑3.75 kg, 加入75 kg細砂拌勻, 施入心葉中, 其他管理方式同大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量與產量構成

2013—2015年玉米成熟后, 每小區(qū)選取中間無破壞行4行, 行長3 m測產, 用水分儀測定籽粒含水量, 按14%含水率折合成產量, 重復3次。每小區(qū)隨機選取連續(xù)15株, 按常規(guī)方法測定穗粒數(shù)、百粒重等產量構成因素。

1.3.2 模擬降水試驗

2016年9月在田間進行模擬降雨試驗。種植模式設2個處理, 分別為1): 起壟覆膜, 壟底寬70 cm, 壟高15~20 cm, 壟距40 cm, 壟上覆寬為80 cm的地膜; 2): 空白露地(對照), 不做任何處理。模擬降雨量設5個處理, 分別是0 mm、5 mm、10 mm、15 mm和20 mm。共10個處理, 每個處理1個小區(qū), 小區(qū)寬5.5 m(5個帶), 長2 m。在玉米生長至五葉期開始人工模擬降水, 每間隔24 h取土樣, 用烘干法測定不同降雨量下起壟覆膜壟溝位置和空白露地0~20 cm、20~40 cm土層的土壤含水量, 以測定集雨效果。

1.3.3 根系性狀

每小區(qū)選擇有代表性的植株, 連續(xù)4株96 cm長, 去除地上部分后, 挖出96 cm×30 cm×60 cm的樣方, 測定根系分布范圍的深度和寬度, 計數(shù)側根條數(shù)(毛細根除外), 將全部根系烘干稱重。

1.3.4 土壤溫度

2013—2015年測定各處理不同時間(從春玉米苗期到成熟期每隔6 d)0~10 cm土層的土壤溫度, 每個處理測定5個點, 利用WET-HH2土壤水分鹽分溫度速測儀測定。

1.3.5 抗倒伏力

2013—2015年每年春玉米成熟期每小區(qū)選取有代表性的植株, 連續(xù)5株, 使用植物倒伏儀(型號DIK-7401,日本)在距地面80 cm處推動玉米植株,記錄植株與地面呈45度夾角時所需要的力, 即為植株的抗倒伏力。

1.3.6 水分利用效率(WUE)

2013—2015年利用水分平衡法, 根據(jù)不同時段土壤含水量測定結果, 按照以下公式[19]計算農田耗水量(ET):

ET=++--±Δ(1)

式中:為時段內灌水量(mm);為時段內有效降水量(mm);為地下水通過毛管作用上移補給作物水量(mm);為地表徑流量(mm);為補給地下水量(mm); Δ為時段內土壤儲水變化量, 即土壤貯水消耗量。本試驗在旱地進行, 灌水量為零; 試驗地地勢平坦, 視為地表徑流為零; 地下水埋深4 m以下, 可視為地下水補給量為零; 降水入滲深度不超過2 m, 可視深層滲漏為零,、、、值可以忽略不計。農田耗水量簡化為ET=±Δ。

水分利用效率(WUE)[20]:

WUE=GY/ET (2)

式中: WUE為籽粒產量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1), GY為籽粒產量(kg·hm-2), ET為農田耗水量(mm)。

在玉米種植前及收獲后用烘干法測定1 m土體土壤含水量(0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理, 采用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式對春玉米生育時期的影響

由表2可知, 玉米覆膜比露地平作出苗提前2~4 d, 相同種植模式下膜側播種比膜下播種出苗天數(shù)延長2 d。與CK相比, 平作覆膜側播處理(FC-FSS)對營養(yǎng)生長期天數(shù)無影響, 壟作覆膜側播(RC-FSS)可以縮短營養(yǎng)生長期2 d, 平作膜下和壟作膜下播種(FC/RC-SUF)均縮短營養(yǎng)生長期3 d。在平作(FC)模式下, 膜下播種(SUF)處理玉米營養(yǎng)生長期天數(shù)比膜側播種(FSS)處理縮短3 d; 而在壟作(RC)模式下, SUF處理玉米營養(yǎng)生長期天數(shù)比FSS處理縮短1 d; 玉米覆膜后生殖生長期比露地平作延長2~9 d, 年際間趨勢表現(xiàn)一致, 總體上表現(xiàn)為FC-SUF處理延長的天數(shù)最短(2~7 d), RC-FSS延長的天數(shù)最長(7~9 d)。在FC模式下, SUF處理玉米生殖生長期天數(shù)比FSS處理延長0~3 d; 而在RC模式下, SUF處理玉米生殖生長期天數(shù)比FSS處理縮短2 d。

表2 不同種植模式對春玉米生育期的影響

2.2 不同種植模式對春玉米產量的影響

表3表明, FC-SUF、FC-FSS、RC-SUF和RC-FSS分別比對照增產8.67%、11.69%、17.75%和24.97%, 達顯著水平。FC和RC模式均顯著提高了春玉米產量, 分別比對照增產10.2%和21.4%; RC模式比FC模式產量平均提高11.2%, 年際間趨勢一致。另外, FSS比SUF產量提高5.12%。起壟覆膜側播種處理表現(xiàn)出產量最高, 技術效果最優(yōu)。

產量構成因素分析表明, 4種種植模式對春玉米穗數(shù)和百粒重無顯著影響, 產量差異主要表現(xiàn)在穗粒數(shù)的變化。綜合3年平均數(shù)據(jù), RC模式和FC模式的穗粒數(shù)分別比CK增加17.5%和10.3%, 且RC種植模式比FC種植模式的穗粒數(shù)平均增加6.56%。

表3 不同種植模式對春玉米產量及產量要素的影響

同列不同字母表示不同處理間差異顯著(<0.05), *和**分別表示0.05和0.01水平差異顯著, ns表示無顯著差異。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05), * and ** indicate significant differences on 0.05 and 0.01 levels, respectively. ns means no significant difference.

2.3 不同種植模式對春玉米水分利用效率的影響

從表4可以看出, RC處理下春玉米水分利用效率比其他種植方式提高16.45%~34.30%; 其中3年RC-FSS種植方式比CK提高34.30%、21.47%和23.04%, 且均比其他種植方式水分利用效率高。在降雨較多年份(2013年480.7 mm, 2015年404.2 mm)水分利用效率均在20.17~25.53 kg·hm-2·mm-1; 而在玉米生育期降雨較少的年份(2014年254.9 mm)水分利用效率均在35.18~ 40.56 kg·hm-2·mm-1, 且RC模式比FC模式下水分利用效率分別增加7.24%、11.83%和11.84%。RC模式與CK處理比較均達到顯著差異, 說明在雨養(yǎng)旱作區(qū)起壟覆膜種植方式能較大幅度提高水分利用率。

表4 不同種植模式對春玉米耕層土壤水分利用效率的影響

2013—2015年玉米全生育期的降雨量分別為480.7 mm、254.9 mm和404.2 mm。同列不同字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。The total rainfall during the whole growth period of maize in 2013, 2014 and 2015 was 480.7 mm, 254.9 mm and 404.2 mm. Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05).

2.4 起壟膜側種植模式的集雨效果

由表5知, 與FC處理相比, RC-FSS具有顯著的集雨效果。當模擬降雨分別為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm時, RC-FSS模式壟溝處0~20 cm土層的土壤含水量分別比CK增加4.04%、5.69%、6.36%和7.22%, 增幅分別為30.44%、41.81%、43.68%和47.66%, 其差異均達極顯著水平; 20~40 cm土層的土壤含水量分別比對照增加2.31%、3.40%、4.63%和5.85%, 增幅分別為16.39%、23.50%、31.24%和38.01%, 其差異達極顯著水平。RC-FSS模式下0~20 cm耕層的土壤含水量增加更明顯。

2.5 不同種植模式的土壤增溫效果

表6表明, 各覆膜處理比CK增溫0.3~2.3 ℃。在FC模式和RC模式下, SUF處理比FSS處理耕層土壤溫度分別提高1.13 ℃(<0.05)和1.28 ℃(<0.05), 以RC-SUF種植模式下增溫最顯著。隨著生育時期的推進, 覆膜的增溫效果逐漸下降, 以膜下播種的降幅最大。

表5 模擬降雨量下不同起壟膜側種植模式不同土層的土壤含水量

不同字母表示不同模擬降雨量間差異顯著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05) among different simulated rainfalls.

2.6 不同種植方式對玉米根系性狀的影響

玉米成熟期分別測定根系分布直徑、根系長、根系干重等。結果表明, 與露地平作相比, RC-FSS種植模式下根系分布直徑、根系干重、側根條數(shù)均達到顯著水平, 但與根系長度差異不明顯。因此, 起壟覆膜側播種植模式可以促進根系發(fā)育, 特別是增加了根系直徑和根系干物重, 這是其增產的重要原因(表7)。

2.7 不同種植模式對玉米抗倒性的影響

表8表明, 不同覆膜種植模式比較, 膜側播種表現(xiàn)出明顯的抗倒伏優(yōu)勢, 膜下播種抗倒性較差, 對照處理抗倒伏性最差。RC-FSS處理玉米抗倒伏性最好, 其倒伏率為0.9%, 抗倒伏力最大, 為29.4 N, 該處理與RC-SUF、FC-SUF及CK間差異均達顯著水平, 與FC-FSS處理差異不顯著。

表6 不同種植模式在春玉米不同生育期的土壤增溫效果

同列同一年份不同字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different letters within the same column in the same year mean significant differences (< 0.05).

表7 不同種植模式下春玉米成熟期的根系性狀

同列不同字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05).

表8 不同種植模式對春玉米倒伏率和抗倒伏力

同列不同字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05).

3 討論

環(huán)渤海低平原雨養(yǎng)旱作區(qū), 春季地溫低, 雨水少, 傳統(tǒng)的春玉米種植方式受播種時氣溫、地溫、墑情等因素的影響, 常出現(xiàn)苗不齊、苗不壯、發(fā)苗慢等現(xiàn)象。受5、6月干旱少雨影響, 在春玉米需水需肥關鍵時期大喇叭口期形成“卡脖旱”, 造成減產, 嚴重制約了該地區(qū)的春玉米生產[1-2]。

張曉輝[21]研究表明, 地膜覆蓋技術不僅能夠提高土壤溫度, 減少土壤水分蒸發(fā), 改善土壤的水熱條件, 提高土壤生物活性, 抑制返鹽和雜草生長等, 還能促進作物生長發(fā)育和豐產早熟。王耀林等[22]和馬金虎等[23]研究證明, 利用地膜覆蓋種植玉米, 增產幅度達30%~60%, 可獲得較高的經(jīng)濟效益。因此, 地膜覆蓋技術已經(jīng)成為旱作農業(yè)生產中協(xié)調水熱資源重要栽培措施之一[24]。本研究結果表明, 覆膜播種能提高土壤溫度、水分, 改善土壤的水熱條件, 對玉米株高、葉面積、干物質積累均有促進作用, 通過增加穗粒數(shù)、百粒重來提高籽粒產量, 這與前人研究結果基本一致。

此外, 本研究還明確了環(huán)渤海低平原雨養(yǎng)旱作區(qū)不同覆膜播種模式的技術效果, 確定了該區(qū)域采用起壟覆膜側播的技術模式產量最高, 技術效果最優(yōu), 有效解決了玉米需水需肥關鍵時期大喇叭口期形成“卡脖旱”的問題。其原因主要是起壟覆膜膜側種植模式有集雨效果, 使環(huán)渤海低平原雨養(yǎng)旱作區(qū)春季少量多次的無效降雨變?yōu)榇河衩咨L發(fā)育所需要的有效水分, 有效地改善了作物根區(qū)的土壤水分狀況, 顯著提高了水分利用率。采取起壟覆膜膜側播技術, 解決了傳統(tǒng)膜下播種技術土壤過松, 玉米生長后期遇雨易倒伏的難題, 提高了春玉米的穩(wěn)產性。

4 結論

1)起壟覆膜種植模式能顯著提高春玉米產量。起壟覆膜種植模式比平作覆膜種植模式增產11.37%, 其中, 起壟覆膜側播技術比對照露地平作方式平均增產24.97%, 比起壟膜下種植平均增產13.3%。

2)起壟覆膜膜側種植模式具有明顯的集雨效果。起壟覆膜壟溝處0~20 cm土層的土壤含水量分別比對照增加30.44%、41.81%、43.68%和47.66%, 達極顯著水平, 在RC-FSS模式下0~20 cm耕層的土壤含水量增加更明顯。

3)覆膜種植能顯著提高水分利用效率。與其他種植方式相比, RC模式下水分利用效率可提高16.45%~34.30%, 其中RC-FSS比CK平均提高26.27%, 與產量的增產效果呈正相關。

4)起壟覆膜種植可有效促進根系發(fā)育, 顯著降低春玉米倒伏率。與CK相比, RC-FSS種植模式下, 根系分布寬度、側根條數(shù)和根系干重均顯著增加, 同時增加了春玉米的抗倒性。起壟覆膜側播處理的抗倒伏力最大, 為29.4 N, 倒伏率僅為0.9%。

5)根據(jù)本研究形成的起壟覆膜側播種植模式, 具有顯著的集雨保墑、促根壯苗、抗倒伏、穩(wěn)產增產的作用, 可有效緩解環(huán)渤海低平原區(qū)春玉米種植中春季地溫低、苗期降水少所帶來的生產難題, 在該區(qū)域春玉米生產中具有廣闊的應用前景。

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Yield-increase effect of film-mulching and planting pattern on dryland spring maize*

YAN Xudong, WANG Xiuling, XU Yupeng, WANG Weiwei, XIAO Yu, LIU Zhenmin, HUANG Sufang, YUE Mingqiang

(Cangzhou Academy of Agriculture and Forestry, Cangzhou 061001, China)

Film mulching is the main mode of cultivation of spring maize in drylands. However, few studies have been conducted on the water use, root development and anti-collapse mechanisms of dry spring maize under different mulching conditions. A field research was carried out in 2013–2015 at Qianying Experimental Station of Cangzhou Academy of Agriculture and Forestry Sciences. Spring maize (Zhengdan 958) was grown for 3 years under five film-mulching and planting patterns, which were flat planting without film mulching (CK), flat film mulching and sowing under film (FC-SUF), flat film mulching and film skirting sowing (FC-FSS), film mulching on ridge and sowing under film (RC-SUF), and film mulching on ridge and film skirting sowing (RC-FSS). Yield, yield components, soil moisture, roots and lodging resistance of spring maize were investigated at different growth stages. The results showed that yields of maize under RC-FSS, RC-SUF, FC-FSS and FC-SUF increased respectively by 24.97%, 17.75%, 11.69% and 17.75% over that of CK, with RC-FSS having the highest yield. Water use efficiency (WUE) under RC-FSS increased by 26.27% compared to CK. In the 0-20 cm soil layer, soil water content was increased by 30.44%-47.66% (< 0.01) under RC-FSS compared with CK. Spring maize under RC-FSS had the maximum lodging resistance (29.4 N), which was significantly higher than that of CK (< 0.05). Film mulching increased soil temperature in the 0-10 cm soil layer to 0.3-2.3 ℃, and RC-SUF had the maximum soil temperature. RC-FSS had greater root diameter and dry weight of spring maize than RC-SUF, FC-SUF and CK (< 0.05). This study indicated that film mulching on ridge and film skirting sowing increased or maintained yield of spring maize by increasing rainwater storage and soil moisture conservation, root growth promotion and lodging resistance. It implied that it was possible to extensively apply film mulching in the coastal plain areas with drought and little rainfall in spring.

Spring maize; Dryland; Film mulching; Film skirting sowing; Water use efficiency; Root trait; Yield- increase effect

, YAN Xudong, E-mail:yxd7826@126.com

Mar. 19, 2017; accepted Jun. 20, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170236

S513

A

1671-3990(2018)01-0075-08

2017-03-19

2017-06-20

* This research was supported by the National Key Technology Research and Development Program of China (2013BAD05B0504) and the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300305).

*國家科技支撐計劃項目(2013BAD05B0504)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0300305)資助

閻旭東, 主要從事旱地作物栽培技術的研究。E-mail: yxd7826@126.com

閻旭東, 王秀領, 徐玉鵬, 王偉偉, 肖宇, 劉振敏, 黃素芳, 岳明強. 旱地春玉米不同覆膜種植模式的增產效應[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2018, 26(1): 75-82

YAN X D, WANG X L, XU Y P, WANG W W, XIAO Y, LIU Z M, HUANG S F, YUE M Q. Yield-increase effect of film-mulching and planting pattern on dryland spring maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(1): 75-82