刘 众,王宏凯,郑 琪,赵智慧,刘愈之,丁志远,李 娜

(甘肃省平凉市农业科学院,甘肃平凉 744000)

陇东属典型干旱半干旱雨养农业区,干旱缺水是农业的主要制约因素,自然降水常年保持在550 mm左右,但季节分布极不均匀,7-9月份降水占年降水量的60%,冬旱、春旱、初夏旱发生频率高,秋旱亦时常出现,对玉米生长发育及产量都会造成严重影响,因此干旱是陇东旱作区玉米高产、稳产的主要障碍因子[1]。如何高效利用有限降水资源,减少土壤水分无效损耗,大幅度提高旱地作物生产力,已成为旱地农业亟待解决的课题[2]。为此,本试验于2020-2021年度进行了地膜玉米不同覆膜方式保墒增产效果研究,旨在探明不同覆膜方式下陇东春玉米土壤水分时空变化规律,分析不同覆膜方式对玉米产量性状的影响,进而为全膜双垄沟播技术推广及其增产机理研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为‘富农1号’(甘肃农业大学繁育提供),试验用宽幅140 cm、70 cm,厚度均为 0.01 mm地膜(山西运城塑料厂生产),供试氮 肥为尿素(含N 46%,兰州石化公司生产),复合肥(15-15-15, 山东迈金农业生态肥业公司 生产)。

1.2 田间试验

试验于2020年在甘肃省平凉市农业科学院高平试验站进行。该地海拔1 320 m,塬地覆盖黑垆土,土壤pH 8.2,地力中等,肥力均匀,常年降水量550 mm,试验地前茬为冬小麦。试验共设置5种覆膜方式(表1),采用随机区组排列,3次重复。小区面积45.65 m2(8.3 m×5.5 m),每小区种植15行,株距27.5 cm,密度4 400 株/667m2,用点播器播种(图1)。施用尿素27.6 kg/667 m2、复合肥69 kg/667 m2,其中,2/3尿素、复合肥作基肥,在起垄时施入垄内(双垄方式中施入窄垄内),随后覆膜;1/3尿素在玉米拔节期追施,其他参照当地田间管理。

A.全膜双垄沟播; B.半膜垄作

表1 不同覆膜方式设计方案Table 1 Design schemes for different film mulching modes

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分含量 分别在4月17日(播期)、6月4日(苗期)、7月5日(孕穗扬花期)及8月11日(乳熟蜡熟期)14:00于每小区播种沟内随机选取1个采样点用土钻取样,用烘干法测定0～200 cm土层含水量(每20 cm为一层)。

1.3.2 玉米产量性状及产量 分别在玉米苗期(6月5日)、孕穗扬花期(7月6日)、收获期(9月12日)10:00于每小区随机选取10株玉米测定植株高度。在出苗期、收获期分别调查出苗率和植株倒伏率。收获期每小区随机选取28株,调查单株果穗数,其果穗全部收获装入网袋,待风干后随机选取10穗测定果径、果长、秃顶长、穗粒数、果穗粒质量、千粒质量。随机选取10株秸秆,测定茎粗、叶片数、叶面积(5株)等,随后标记扎捆,待风干后称量,每小区果穗单独脱粒计产。

单叶面积(cm2)=长度×最宽处宽度×0.7

1.4 数据处理与分析

采用土壤水分递减率和土壤水分总降幅来分析陇东旱塬区玉米田的土壤水分时空递变规律。

1.4.1 土壤水分递减率Dij(%)=[(p(i-1)j-pij)/p(i-1)j]×100%,式中i代表生育时期,其值依次为苗期、孕穗扬花期、乳熟蜡熟期;j代表土层,其值依次为0～20 cm至180～200 cm;Dij代表i生育时期在j土层上的土壤水分递减率;p(i-1)j指i前一生育时期在j土层上的含水量;pij指i生育时期在j土层上的含水量。

1.4.2 土壤水分总降幅Zj(%)=[(p播期j-p乳蜡熟期j)/p播期j]×100%,Zj代表j土层上的土壤水分总降幅;p播期j指播期j土层上的土壤含水量;p乳熟蜡熟期j指乳熟蜡熟期j土层上的土壤含水量。

采用Excel 2016数据分析作图、SAS 8.0和SPSS 12.0统计分析软件进行方差分析、采用LSD多重比较,P<0.05和P<0.01为显著或极显著。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式对土壤水分的影响

2.1.1 不同覆膜方式下土壤水分动态变化 不同覆膜方式播种期耕层土壤含水量最高,为 15.99%～21.26%,平均18.81% (图2-A)。良好的土壤墒情保证了春季玉米按期播种能顺利出苗,在生产上有利于抓全苗、苗齐、苗壮,为玉米丰产奠定了基础。全膜冬前、顶凌覆膜的两个处理土壤含水量分别达到21.26%、20.33%,较播前覆膜的15.99%土壤含水量增加33%和27.2%,半膜冬前、顶凌覆膜土壤含水量分别为18.41%、18.04%,低于同时期全膜覆盖,比全膜播期覆膜的分别增加15.1%和12.8%(图2)。覆膜时期对土壤水分的影响大于覆膜方式,5个处理20～40 cm土壤含水量相对其他土层处于最低。播种期覆膜(Ac)的土壤含水量最低,覆膜以后各土层水分逐渐增加,与其余4个处理比较变化不大。

A.播种期;B.苗期;C.孕穗扬花期;D.乳熟蜡熟期

由此可见,冬前、顶凌覆膜是旱作玉米蓄水保墒的有效措施且效果显著。

苗期各处理耕层(0～20 cm)土壤含水量最低,在10.42%～13.95%之间 (图2-B),这与玉米出苗大量消耗耕层水分相吻,之后玉米进入生殖生长阶段后,随植株长大,田间密闭、田间蒸腾蒸发和棵间蒸发逐渐减弱,0～20 cm土壤水分逐步得以恢复,再到乳熟期时,植株干枯,地面蒸发增大,耕层土壤含水量再次下降。各处理下,20～40 cm土壤含水量最低,其主要原因是玉米生长发育主要吸收该层土壤水分(图2)。

4种不同覆膜方式下,播期土壤含水量>苗期土壤含水量>孕穗扬花期土壤含水量>乳熟蜡熟期土壤含水量(图3-A～D),4个处理中20～40 cm土层含水量最低,40 cm以下土层含水量随土壤深度增加而逐层增加。全膜双垄沟播冬前覆膜和顶凌覆膜两个处理的土壤水分在玉米生育前期(播种至拔节期)的各个土层最高(图3-A～B)。在玉米生育中后期,根系集中分布层(0～40 cm)较高,由此可使表土层(0～20 cm)和根系集中分布层上的土壤含水量在玉米全生育期始终保持在一个较高的水平(最干旱的苗期其表土层含水量在11.78%～13.95%),能够满足玉米播种、出苗和植株正常生长发育对土壤水分的需求,玉米植株生长健壮,田间未出现旱象。全膜双垄沟播播期覆膜处理的土壤含水量基本能够保证玉米生长发育对土壤水分的需求(最干旱的苗期其表土层含水量为11.45%),玉米植株株型较好;但半覆膜各个处理的土壤水分含量相对较低(图4),在一些生育时期特别是苗期出现严重的亏缺(最干旱的苗期其表土层含水量为8.98%～ 10.42%),玉米叶片在苗期出现了不同程度的卷曲,旱象明显,影响玉米的正常生长发育。

图4 半覆膜玉米各生育时期土壤水分动态曲线(CK)Fig.4 Temporal and spatial variation law of soil moisture of half film mulching at different growth stages of maize (CK)

冬前全膜双垄、顶凌全膜双垄、播前全膜双垄 1 m土壤贮水量均显著地高于半覆膜的2个处理(图5);至大喇叭口期以后,差异逐渐变小。冬前和顶凌全膜双垄前期相对较高的土壤贮水量,满足了玉米出苗和前期生长对水分的迫切需求,可有效解决了玉米4-5月份因春旱无法播种、出苗的瓶颈[10]。

Aa.全膜双垄沟播冬前覆膜;Ab.全膜双垄沟播顶凌覆膜;Ba.半膜平铺冬前覆膜;Bb.半膜平铺顶凌覆膜

2.1.2 不同覆膜方式土壤含水量的时空递变规律 研究土壤水分时空递变规律是揭示不同覆膜方式保墒增产机理的基础,对陇东旱塬区地膜玉米覆膜方式的选择具有重要意义。

苗期100 cm以上土层,特别是60 cm以上土层的土壤水分较播期有大幅度的耗损 (图6-A),此时正值玉米营养生长发育阶段,植株矮小,田间覆盖度低,田间蒸发量大,土壤水分大量损耗。土壤水分递减率表现为:半膜顶凌覆膜>半膜冬前覆膜>播种全覆膜>顶凌全覆膜>冬前全覆膜(图6)。

A. 苗期;B.孕穗扬花期

孕穗扬花期五种覆膜方式中0～20 cm土层水分递减率均为负值,Ac和Bb的20～40 cm土层水分递减率为负值,Ba、Bb两处理0～200 cm土层水分递减率几乎均为负值,Aa、Ab、Ac 覆膜方式下160～200 cm土层水分递减率也为负值 (图6-B),这是由于相应各处理土层特别是表土层的土壤水分在孕穗扬花期较苗期则有大幅度的回补所致(降水量显著增加、蒸腾减弱)。半覆膜2个处理回补幅度较大且在0～200 cm土层上基本均呈递增,全覆膜各个处理回补幅度小且在中间土层上仍在递减。

乳熟蜡熟期各土层水分降幅自0～20 cm到20～40 cm增加到最大,40 cm以下土层降幅逐步减少,乳熟蜡熟期中间土层的土壤水分较孕穗扬花期有大幅度的耗损(图7),虽然此时期降水量较大,蒸发、蒸腾也较营养生长阶段减弱,但此时期正值玉米籽粒形成干物质合成的关键期,需要消耗大量水分。5种覆膜方式中全膜冬前覆膜和顶凌覆膜2种方式的土壤水分降幅变化较大。

图7 不同覆膜方式下玉米乳熟蜡熟期土壤水分总降幅Fig.7 Decreasing amplitude of soil moisture during milk ripening and wax ripening stages under different film mulching modes

2.2 不同覆膜方式对玉米生育期的影响

不同覆膜方式对玉米生育期影响较大,全覆膜和早覆膜均能明显加快玉米生育进度,使玉米生育时期提前,生育期缩短(表2)。其中以全膜双垄沟播冬前覆膜和顶凌覆膜处理表现最为明显,出苗期均较对照提前6 d,成熟期分别较对照提前15 d和12 d,生育期分别较对照缩短10 d和7 d。

表2 不同覆膜方式对玉米生育期的影响Table 2 Effects of different film mulching modes on growth stage of maize

2.3 不同覆膜方式对玉米产量性状的影响

2.3.1 玉米营养体主要产量性状 不同覆膜方式对玉米营养体的经济性状有较大的影响(表3)。其中玉米出苗率、株高、穗位高、叶片数、叶面积等全覆膜诸处理明显高于半覆膜诸处理;玉米茎粗以全膜双垄沟播冬前覆膜处理的最粗,半膜顶凌覆膜和半膜冬前覆膜两处理最细;玉米倒伏率(收获期,下同)以全膜双垄沟播冬前覆膜和顶凌覆膜处理最低,分别为4.7%、3.8%, 全膜双垄沟播播期覆膜处理较高,为14.5%;半膜覆盖两个处理倒伏率最高,为31.6%～48.2%。

表3 玉米生长发育主要产量性状Table 3 Major yield traits for maize growth and development

2.3.2 玉米果穗经济性状 表4表明,不同覆膜方式对玉米果穗主要经济性状亦有较大的影响。其中玉米千粒质量和穗粒重在处理间的差异性最大,以全膜双垄沟播冬前覆膜处理的最高,全膜双垄沟播顶凌覆膜和全膜双垄沟播播期覆膜处理次之,半膜冬前覆膜处理居第3位,半膜顶凌覆膜处理最低。可见,全覆膜特别是全膜双垄沟播冬前覆膜处理的高产性主要是通过提高籽粒饱满度实现的。

表4 不同覆膜方式玉米果穗主要经济性状Table 4 Main economic traits of maize ears under different film mulching modes

2.4 不同覆膜方式对玉米产量与效益的影响

2.4.1 不同覆膜方式玉米产量表现 不同覆膜方式对玉米产量影响明显(表5)。全膜覆盖的3个处理籽粒667m2产量均在900 kg以上,明显高于半膜覆盖的2个处理,地上干物质(秸秆+穗 轴+籽粒)、随籽粒产量增加而增加且呈正相关。全膜双垄沟播冬前覆膜的干物质、籽粒产量最高,分别达到1 769.06 kg/667 m2和969.02 kg/667 m2,较Bb处理分别增产24.80%、30.29%、 23.79%、22.43%;全膜双垄沟播顶凌覆膜和播期覆膜处理次之;半膜覆盖的2个处理,随覆膜时期推迟,干物质与产量依次递减,半膜顶凌覆膜的产量水平最低。

表5 不同处理玉米产量(干质量)水平Table 5 Yield(dry mass ) levels of maize under different treatments

籽粒产量方差分析结果表明,全覆膜不同处理间差异不显著,但全膜双垄沟播冬前覆膜处理的产量极显著高于半覆膜不同处理,全膜双垄沟播顶凌覆膜和全膜双垄沟播播期覆膜处理的产量极显著高于半膜顶凌覆膜。

2.4.2 不同覆膜方式玉米经济效益比较 由表6看出,全膜覆盖的3个处理667m2投入成本较半膜增加83.5元,而纯收益比半膜顶凌覆膜667m2增加165.35～307.26元。全膜双垄沟播冬前覆膜处理的经济效益最好,667m2产值、纯收益分别达到2 098.21元/667m2、1 129.01 元/667m2,较半膜顶凌覆膜增收307.26 元/667m2,产投比达2.17;全膜双垄沟播顶凌覆膜、全膜双垄沟播播期覆膜和半膜冬前覆膜处理次之,较对照667m2增收129.19～206.59元;半膜顶凌覆膜的经济效益最低。

表6 不同处理下玉米经济效益分析Table 6 Analysis of economic benefits of maize under different treatments

3 讨 论

3.1 旱作农业的发展

随着全球气候变暖,旱作农业生产的难度日益加大[3]。干旱已成为影响农业生产的重要因素[4],干旱发生的频率越来越高,春旱、伏旱、秋旱发生的范围和影响程度越来越。为了减轻干旱对农业生产造成的影响,多年来,经过农业科技工作者的辛勤探索和实践,已经找到了旱作农业发展的新路子,即从被动抗旱向主动抗旱转变[5-6]。地膜覆盖栽培通过改变作物生长微环境,有效接纳天然降水、变秋雨、冬雪为春季所用,人为改变了天然降水时空不匀的突出问题,是春播作物按期播种抓全苗的一项有效措施,为作物生长发育创造适宜的土壤环境[7-9]。

3.2 地膜与沟垄在农业生产中的应用及其效应

全膜双垄沟播技术是旱作农业发展史上一项突破性的技术措施,能够最大限度地利用小于 5 mm的无效降水,对农业生产起到了增温、集雨保墒、抑蒸富集叠加效应,增产增收作用显著[10]。地膜覆盖后阻断了土壤毛细管水分的蒸发,保证土壤耕层和根系集中分布层上的含水量在玉米全生育期处在一个较高水平;缩短了玉米的生育期,改善玉米主要经济性状,显著提高玉米籽粒饱满度[11],为陇东旱塬区玉米高产稳产奠定坚实基础;Aa的产量水平、经济收益亦是5个覆膜方式中最高的。2种覆膜方式间的籽粒产量之间未达到显著的差异水平,但全膜双垄沟播冬前覆膜方式产量和土壤水分含量均为最高。

3.3 地膜应用对土壤水分及环境的影响

土壤水分状况是影响玉米生长的重要因素,影响玉米种子发芽、根系生长,是玉米生命活动的介质和参与者[12]。玉米生长所需的水分主要来自土壤水分的吸收,特别是苗期,玉米处于营养生长阶段,植株个体小,地表裸露、田间蒸发和棵间蒸腾作用强;玉米生长发育主要消耗40 cm以上土壤水分[13]。而全膜冬前、顶凌覆膜的土壤含水量明显高于播种期覆膜,也高于半膜冬前和顶凌覆膜的二个处理,这与前人研究结果相吻合。

地膜覆盖栽培是改变局部土壤环境(水分、热量)的一种人为干预措施,能够增加作物产量[14-15]。但是长期使用地膜,增加了局部土壤温度,影响土壤微生物和动物活动,使土壤吸附固定的无效养分加速释放[11]。同时也增加了农作物可以吸收利用的有效养分,降低土壤肥力;因此生产上要通过增施肥料、平衡施肥维持土壤肥力。在陇东春玉米生产中,影响土壤水分的因素依次为,覆膜时期>覆膜方式;5个不同覆膜方式与覆膜时期下,播期土壤含水量>苗期>孕穗扬花 期>乳熟蜡熟期。如果秋季自然降水充沛,则在冬前覆膜,如果秋季降水匮乏,而冬季和早春降水较多的情况下,则顶凌覆膜能蓄积更多自然降水,为玉米春播提供充沛的土壤水分。不论全膜覆盖还是半膜覆盖,顶凌覆膜效果均优于播期覆膜[16-18]。

3.4 地膜覆盖的弊端及其应对措施

长期覆盖地膜栽培会增加土壤中残膜积累量,改变土壤理化性状[19]。残膜聚集能阻碍土壤毛细管水分运移和天然降水的渗透,对土壤容重、孔隙度和通透性均能产生不良影响;造成土壤板结,影响耕地质量提升,不利于农业生产绿色健康可持续发展。残留地膜及其产生的微塑料可能吸附土壤中重金属和有机污染物(农药、除草剂),并影响土壤微生物和土壤动物的健康生长发育,进而危害土壤生态系统健康[20]。为了减少“白色污染”,玉米收获后要尽量捡拾尽残膜,以免残膜累积引起土壤污染。全膜双垄沟播技术的增效潜力还有待进一步的挖掘[21],如适宜于陇东旱塬区的品种选择、种植密度、施肥技术等,全覆膜条件下作物病虫害发生规律与防治、膜下杂草的有效防除、全覆膜技术的高效应用等有待进一步深入 研究。

4 结 论

5种覆膜方式播种期耕层土壤含水量最高,为15.99%～21.26%,平均18.81%,良好的土壤商情保证了春季玉米按期播种能顺利出苗。Aa、Ab土壤含水量分别达到21.26%、20.33%,较Ac 15.99%增加33%和27.2%。Ba、Bb土壤含水量分别为18.41%、 18.04%,低于同时期全膜覆盖,比Ac分别增加15.1%和12.8%。覆膜时期对土壤水分的影响大于覆膜方式。

冬前、顶凌覆膜是旱作玉米蓄水保墒的有效措施,效果显著。苗期各处理耕层土壤含水量最低,在10.42%～13.95%之间,这与玉米出苗大量消耗耕层水分相吻合。5个不同覆膜方式与覆膜时期下,播期土壤含水量>苗期>孕穗扬花 期>乳熟蜡熟期,5个处理中20～40 cm土层含水量最低,土壤水分递减率表现为:半膜顶凌覆 膜>半膜冬前覆膜>播种全覆膜>顶凌全覆膜>冬前全覆膜。Aa 667m2产量969.02 kg,每667m2产值1 807.2元,每667m2纯收益1 129元,较Bb增产22.43%,每667m2增收307.3元,产投比 2.17。