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垄作覆膜对旱地春玉米生长前期水分利用的影响

2019-05-31 08:50:47 《天津农业科学》 2019年4期

刘震 阎旭东 徐玉鹏 赵忠祥 王秀领

摘    要:旱作地區具有降雨少、分布不均等特点,导致春玉米生长前期易受干旱影响造成减产,通过垄作覆膜可以改善旱作地区春玉米水分利用状况,增强期抗旱能力。本试验设置垄作覆膜、起垄覆膜(未播种)、露地平作及撂荒4个种植模式处理,分别测定各处理在播种前、苗期、拔节期和大喇叭口期0~20 cm,20~40 cm,40~60 cm土壤含水量和储水量,分析春玉米地上干物质量和水分利用效率,研究垄作覆膜栽培对春玉米生长及水分利用的影响。结果表明,垄作覆膜可以改善春玉米生育前期(苗期—大喇叭口期)根系水分状况,其中覆膜处理苗期和拔节期0~40 cm及大喇叭口期20~40 cm土壤含水量和储水量均显著高于未覆膜处理(P<0.05),且垄作覆膜处理在大喇叭口期40~60 cm土壤含水量和储水量亦显著高于露地平作处理(P<0.05);与露地平作比较,播前—大喇叭口期,垄作覆膜水分利用率提高69.48%,干物质量提高27.52%。综合说明垄作覆膜栽培模式可以减少土壤水分蒸发,起到保墒作用,缓解旱作地区春玉米早期干旱现象,同时也可以提高春玉米地上部干物质量积累,为后期增产打下基础,适宜在旱作地区推广应用。

关键词:垄作覆膜; 春玉米;旱地;水分利用率

中图分类号:S513            文献标识码:A            DOI 编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2019.04.010

Effects of the Ridge Tillage and Film Mulching on Growth and Water Use of Spring Maize

LIU Zhen, YAN Xudong, XU Yupeng, ZHAO Zhongxiang, WANG Xiuling

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

Abstract: The dry farming area has the characteristics of less rainfall and uneven distribution, which leads to the reduction of yield caused by drought in the early stage of spring maize growth. The film mulching could improve the water utilization of spring maize in the dryland area and enhance the drought resistance. The experiment was conducted to study the effects of the ridge tillage and film mulching on growth and water use of spring maize, four treatments were set, including ridge tillage and film mulching, film mulching without sown, flat-planting without film mulching and abandoned farmland, soil water content and water storage capacity of three soil layers(0~20 cm, 20~40 cm and 40~60 cm) under four period (before sowing, seedling stage, jointing stage and big trumpet stage) were measured, the dry matter biomass and water use efficiency of spring maize were analyzed. The results showed that the mulching film could improve the root water condition of the spring maize in the early growth period(seedling stage- big trumpet stage), in which the soil water content and water storage capacity of the seedling stage and the jointing stage in 0~40 cm soil layer and the big trumpet stage in 20~40 cm soil layer were significant higher than no film mulching treatments (P<0.05), the soil water content and water storage capacity of big trumpet stage in 40~60 cm soil layer were also significant higher than flat-planting without film mulching treatment (P<0.05). From pre-sowing to big trumpet stage, compared with flat-planting without film mulching, the water use efficiency and the dry matter biomass in ridge tillage and film mulching increased by 69.48% and 27.52%, respectively. In general, the mode of ridge tillage and film mulching could reduce soil water evaporation, preserve the soil moisture, alleviate the early drought phenomenon of spring maize in dry farming areas, and also improve the accumulation of dry matter in aboveground, laying a foundation for later yield increase, which was suitable for the application in dry farming areas.

Key words: ridge tillage and film mulching; spring maize; dryland; water use efficiency

对旱作地区而言,水分是春玉米产量的主要限制因子,合理利用水分是提高春玉米产量的关键[1-2]。刘恩科等[3]、王罕博等[4]、李荣等[5]、白秀梅等[6]研究表明,起垄覆膜可提高耕层土壤水分,起到良好的保墒作用,促进春玉米生长,达到增产目的。起垄覆膜种植模式在不同地区对水、热的响应不同,导致其增产效果也不尽相同。王秀领等[7]研究表明,黑龙港春玉米旱作区起垄覆膜后产量可提高20.53%;李荣等[5]研究了渭北旱塬区春玉米覆膜种植模式,结果表明,同对照相比,春玉米产量可提高13%~15%;胡敏等[8]研究了内蒙古地区不同地膜对春玉米产量的影响,发现普通地膜覆盖后,春玉米产量及水分利用率可提高15.01%和22.31%。除上述起垄覆膜模式对春玉米增产效果的相关报道外,目前有关春玉米覆膜增产的机理研究也取得了一定的成效。研究发现,垄作栽培显著增加了玉米的氮素累积、分配和利用效率[9],覆膜种植后可以加快春玉米生长进程,有效提高肥料及水分利用率,同时也起到增温保墒的作用[10-11]。但由于各地区降水、光照等自然条件不同,春玉米受干旱胁迫阶段也不相同,针对抵御黑龙港地区春玉米前期干旱的相关研究及报道较少。

鉴于此,本研究立足于起垄覆膜侧播技术在黑龙港春玉米区的应用,从春玉米生长前期及水分利用等方面阐述该技术如何解决春玉米生长前期“卡脖旱”的问题,以揭示起垄覆膜侧播种植模式的增产机理,为该模式在生产中进一步推广提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验用玉米品种为河南农业科学院粮食作物研究所选育的玉米品种郑单958。

1.2 试验地概况

试验于2017年5—7月于河北省沧州市农林科学院前营试验站(116°14′3″ E,38°14′23″ N)进行。该地区年均温13 ℃,≥10 ℃积温4 349 ℃,年总降水量为400~600 mm,其中,80%降雨量集中在每年的7—9月;0~20 cm土壤有机质含量为15.4 g·kg-1,碱解氮含量为22.3 mg·kg-1,速效磷含量为17.9 mg·kg-1,速效钾含量为103.0 mg·kg-1

1.3 试验设计

试验设垄作覆膜(起垄覆膜播种)、起垄覆膜(起垄覆膜未播种)、露地平作(宽窄行播种)和撂荒4个处理。试验小区长4 m,宽5.5 m,面积共计22 m2。按照试验处理尺寸分层挖掘深坑(深度1 m),将土挖出后底部铺好塑料布,完成后按照原层次回填至坑内,浇足底墒水,试验小区上部搭盖遮雨棚,平时打开,逢雨遮盖,保证无外源水进入。起垄方式为垄宽70 cm,垄高15~20 cm,垄距40 cm,垄上覆膜,膜侧播种;平作采用宽窄行播种,宽行距70 cm,窄行距40 cm,宽行播种。播种时间为5月1日,种植密度为75 000株·hm-2,每個处理3次重复。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤含水量 采用土钻法分层测定播前(5月1日),苗期(5月13日)、拔节期(5月28日)及大喇叭口期(7月18日)0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土壤含水量。根据已测定的土壤容重(1.3  g·cm-3),计算0~60  cm土壤各土层储水量。

1.4.2 地上部干物质量 按照土壤含水量测定时期每小区选取3株有代表性且长势基本一致的的植株测定其株高,然后105  ℃杀青80  ℃烘干后测定地上部干物质量。

1.4.3 水分利用率(Water use efficiency,以下简称WUE)

WUE=Y/ETa (1)

ETa=ΔW+P+I+G-D           (2)

式中,Y为玉米产量(或地上部生物量)(kg·hm-2);ETa为耗水量(mm);ΔW为0~60 cm土壤土层储水量的变化值(mm);P为有效降雨量(mm);I为灌溉量(mm);G为地下水补给量(mm);D为深层渗透量(mm)。由于内设塑料隔层,外部搭建遮雨棚,故P、I、G和D在本试验中均视为0 mm。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和Sigmaplot 14.0进行数据整理及制图,SPSS 22.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 垄作覆膜对春玉米地上部干物质量的影响

由于起垄覆膜及撂荒处理均未种植春玉米,因此各生育期中地上部干物质量显示为0 g·株-1。从图1中可以看出,随着生育期推进,垄作覆膜及露地平作处理地上部干物质量逐步增加,且在各生育期垄作覆膜处理均高于露地平作处理,其中在苗期和大喇叭口期二者差异显著(P<0.05),说明与露地平作相比,垄作覆膜处理对春玉米地上部干物质积累起到了积极的作用。

2.2 垄作覆膜对春玉米土壤含水量的影响

由表1可知,随着生育期的推进,各处理各土层土壤含水量均呈下降趋势;随着土层深度的增加,各生育期各处理土壤含水量呈增加趋势。

播种前,同一土层各处理基础土壤含水量差异均不显著(P>0.05)。

苗期,土壤含水量较播种前在0~20 cm,20~40 cm,40~60 cm的降幅分别为2.18~5.69,0.17~3.81,0.04~0.82个百分点,说明随着土层深度的增加降幅呈减小趋势;0~20 cm,20~40 cm土壤含水量均表现为起垄覆膜>垄作覆膜>撂荒>露地平作,且覆膜处理显著高于未覆膜处理(P<0.05);40~60 cm不同处理间土壤含水量差异均不显著(P>0.05)。

拔节期,土壤含水量较苗期在0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm的降幅分别为3.03~3.87,0.26~2.01,0.15~0.72个百分点,随着土层深度的增加降幅呈减小趋势;0~20 cm土壤含水量表现为垄作覆膜>起垄覆膜>撂荒>露地平作,且覆膜处理显著高于未覆膜处理(P<0.05);20~40 cm表现为起垄覆膜>垄作覆膜>撂荒>露地平作,除前二者间差异不显著(P>0.05)外,各处理间差异均显著(P<0.05);40~60 cm不同处理土壤含水量差异均不显著(P>0.05)。

大喇叭口期,土壤含水量较拔节期在0~20 cm,20~40 cm,40~60 cm的降幅分别为1.32~3.35,0.67~2.18,0.85~4.74个百分点;0~20 cm土壤含水量在处理间差异均不显著(P>0.05),说明由于长时间无外源水补充,耕层逐步达到土壤含水量阈值下限;20~40 cm表现为起垄覆膜>垄作覆膜>撂荒>露地平作,且覆膜处理显著高于未覆膜处理(P<0.05),体现了覆膜较未覆膜在保墒方面的优势;40~60 cm土壤含水量表现为撂荒>起垄覆膜>垄作覆膜>露地平作,其中前3个处理显著高于露地平作(P<0.05),主要由于露地平作处理表层没有薄膜覆盖,同时作物生长本身需要一定的水分,在0~40 cm供给不足时只能由深层(40~60 cm)补给,故其土壤含水量显著低于其他处理。

由此可见,在播种前各土层处理间基础土壤含水量基本一致的前提下,随着生育期的推进,垄作覆膜处理在各土层的土壤含水量与露地平作间差值逐渐增大,说明覆膜处理的保墒作用明显。

2.3 垄作覆膜对土壤储水量的影响

土壤储水量是由土壤含水量计算而来,故其在不同生育时期不同处理不同土层之间的变化趋势与土壤含水量一致,详见表2。从表2中可以得出,垄作覆膜、起垄覆膜、露地平作及撂荒处理0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土壤储水量在播种前—苗期分别减少了5.64~14.74 mm、0.43~9.86 mm、0.10 ~2.11 mm,苗期—拔节期分别减少了7.84~10.03 mm、0.67~5.20 mm、0.39~1.87 mm,拔节期—大喇叭口期分别减少了3.43~9.07 mm、1.74~5.65 mm、2.19~13.24mm;播种前—大喇叭口期覆膜与未覆膜处理储水量在0~20 cm分别减少了25.75 mm和27.29 mm,20~40 cm分别减少了9.32 mm和16.90 mm,40~60 cm分别减少了4.45 mm和15.75 mm,说明覆膜较未覆膜处理减少了各土壤层的水分消耗,尤其是深层土壤的水分消耗,与未覆膜相比较,覆膜处理在各土层分别减少了5.64%,44.88%和71.78% 的水分消耗。

2.4 垄作覆膜对水分利用率的影响

由表3可知,从苗期到大喇叭期垄作覆膜、起垄覆膜、露地平作及撂荒处理土壤储水量变化值分别为44.27 mm、34.77 mm、58.83 mm和61.05 mm。由于没有外源水进入,且其他影響因素不计,故撂荒处理储水量变化值可视为土壤蒸发量,故垄作覆膜及露地平作处理、起垄覆膜处理同撂荒处理分别作为两组对照,覆膜与未覆膜土壤储水量变化值平均为-20.43 mm,说明同未覆膜相比,从玉米播种到大喇叭口期,覆膜可以减少20.43 mm的水分蒸发;垄作覆膜、起垄覆膜和露地平作处理播种前—大喇叭口期储水总量变化值同撂荒处理相比分别减少了16.78 mm、26.28 mm和2.22 mm的水分消耗;根据水分利用率公式,起垄覆膜和撂荒处理水分利用效率为0 kg·hm-2·mm-1(地上部生物量为0 kg·hm-1),垄作覆膜和露地平作处理水分利用率(WUE)分别为51.37 kg·hm-2·mm-1和30.31 kg·hm-2·mm-1,垄作覆膜较露地平作WUE提高了69.48%,地上部干物质量提高了27.52%。

3 结论与讨论

起垄覆膜可以有效改善旱作区春玉米农田水分状况。多数研究认为,覆膜可以减少土壤水分蒸发,同时可以增加地温[12-22],为玉米顺利出苗提供保障,也缓解玉米前期由于干旱胁迫造成发育不良的现象。王泽林等[11]研究表明,覆膜可以显著减少土壤水分的无效蒸发,同时可提高玉米水分利用率,同对照相比,覆盖地膜处理可平均提高水分利用率14.55 kg·hm-2·mm-1。赵冀[13]发现垄沟集雨对春玉米生育期内土壤含水量产生影响,拔节期前平均可提高0~40 cm土壤含水量约13.27%。本试验结果表明,不同处理不同生育时期土壤含水量随土壤深度增加而出现不同程度的增加,各处理各土层土壤含水量均随春玉米生育期推进呈下降趋势;在春玉米播种前—拔节期时,0~40 cm土壤含水量覆膜处理显著高于未覆膜处理(P<0.05),40~60 cm土壤含水量未受覆膜影响,拔节期—大喇叭口期时,0~20 cm土壤含水量各处理间差异不显著(P>0.05),20~40 cm土壤含水量表现为覆膜处理高于未覆膜处理,40~60 cm土壤含水量除露地平作外,其余处理间无显著差异,说明覆膜后对春玉米生长拔节期前0~40 cm土壤含水量产生保护作用,拔节期—大喇叭口期,保墒作用的土壤层次发生变化,主要为20~40 cm土壤,应该是因为试验过程中无水分补给,随着春玉米生育期的推进,其需水量逐渐增加,表层土壤水分不足以维持其正常生长发育,故调动深层土壤水分,这在露地平作处理表现得更明显,其已经调动了40~60 cm土层的水分;土壤储水量与土壤含水量趋势一致,播种前期—大喇叭口期,水分利用率提高69.48%,地上部干物质量提高了27.52%。

本研究明确了春玉米生育前期,不同栽培模式间的水分利用效果,确定了垄作覆膜栽培模式下地上部干物质量、土壤含水量及储水量均为试验各处理中最高。利用垄作覆膜栽培技术,能减少土壤水分蒸发,延缓土壤深层水分向地表补给,减少深层地下水消耗,提高水分利用效率,同时还可以增加春玉米前期地上部干物质量积累,起到有效改善春玉米植物根部水分利用状况、早期壮苗的效果,为后期玉米增产打下基础,进而解决旱作地区春玉米前期易受干旱胁迫影响后期发育的问题。但本研究仅针对春玉米早期水分运移进行了研究,在春玉米生长过程中,水分利用率还会受到例如施肥等多种因素的影响,后期垄作条件下水肥互作效应还有待于进一步验证。

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