栽培方式对旱作春玉米土壤酶活性及干物质积累和产量形成的影响

刘星华，王 琦，贾生海

(甘肃农业大学 a 工学院，b 草业学院，甘肃 兰州 730070)

栽培方式对旱作春玉米土壤酶活性及干物质积累和产量形成的影响

刘星华a，王 琦b，贾生海a

(甘肃农业大学 a 工学院，b 草业学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 研究5种不同栽培方式对土壤酶活性、春玉米生长发育及产量形成的影响，探索黄土高原地区春玉米高产、稳产和可持续发展的耕作措施。【方法】 采用大田试验，分别设置顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播、秸秆覆盖种植和无覆盖平地种植5种耕作方式，分析不同耕作方式下0-20和20-40 cm土层土壤酶(过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶)活性的变化特征，以及各生育期玉米生长发育状况、干物质积累和产量构成要素的变化。【结果】 与无覆盖平地种植相比，顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖种植方式能够显著提高田间土壤过氧化氢酶活性(0-20和20-40 cm土壤分别提高5.19%，15.74%和4.04%，9.69%)、脲酶活性(0-20和20-40 cm土壤分别提高41.94%，60.93%和3.83%，51.37%)、蔗糖酶活性(0-20和20-40 cm土壤分别提高72.39%，36.67%和68.19%，85.54%)和碱性磷酸酶活性(0-20和20-40 cm土壤分别提高34.93%，38.43%和15.44%，17.89%)；与无覆盖平地种植相比，顶凌全膜双垄沟播和顶凌全膜双垄垄播集雨栽培显著提高了乳熟期叶面积指数(分别提高了75.75%和69.09%)、增加了成熟期玉米干物质积累(分别增加了59.27%和66.09%)，显著提高了产量(分别提高了108.06%和99.03%)和水分利用效率(分别提高了119.91%和106.97%)。【结论】 本试验条件下，顶凌全膜双垄垄播是兼顾高产和可持续发展的集雨栽培技术。

春玉米；集雨栽培；土壤酶活性；干物质积累；产量

长期以来，干旱缺水成为制约以黄土高原为典型地貌的西北雨养农业区玉米产业发展的瓶颈。由于独特的地形、地貌，自然降水是西北地区玉米生长所依赖的主要水资源，因此如何提高自然降雨利用效率是旱区作物稳产、高产的根本途径[1]。春玉米旱作是该地区粮食生产的主要栽培模式，以往学者对玉米栽培技术进行了大量研究报道，使栽培技术不断改进和完善，增产机理逐步清晰。目前旱区作物采用的主要栽培方式有秸秆覆盖、半膜平播、全膜平播和垄沟集雨种植等。李倩等[2]、孔维萍等[3]和鲁向晖等[4]认为，秸秆覆盖能减少表土层蒸发，具有明显的蓄水保墒作用，并且能够显著增加土壤酶活性，同时可以降低地温的日振幅，缓和昼夜温差，但是降低了耕层5 cm剖面处地温，不利于玉米苗期生长，且对后期产量的形成和水分利用效率的提高效果不显著。高玉红等[5]认为，半膜平播栽培技术操作简单，投资较少，尽管该技术对玉米生长前期光合势、穗长、穗粗和穗行数有一定促进作用，但是就产量和水分利用效率而言优势不显著。王绍美等[6]和金胜利等[7]认为，全膜平播0-80 cm土层土壤的保墒效果较露地种植显著，且能够显著提高玉米的穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒质量、出籽率和籽粒产量，但是从经济角度而言，该技术地膜用量大、人工投入多，最终增产的效益不显著。孙玉莲等[8]认为，垄沟集雨种植能显著提高降水利用效率，特别是对无效降雨的利用，从而提高土壤贮水量，增加玉米产量。孔维萍等[9]认为，垄沟集雨种植较平作种植促进了玉米干物质积累，使叶面积指数增大，千粒质量增加，单株地上生物量增加，穗部性状较好，增产效果显著。任小龙等[10]认为，在偏旱年份垄沟集雨种植可显著提高玉米光合效率和叶片水分利用效率，增大叶片的叶绿素含量，为玉米高产提供了有利条件。但是郭满平等[11]认为，垄沟集雨种植方式只限于在年降雨量200～600 mm的干旱或半干旱地区推广应用，在年降雨量超过600 mm和低于200 mm的地区增产不明显。同时，该技术不宜在砂石地、盐碱地和超过15°的坡地推广应用，因地力瘠薄、不能拦蓄雨水径流，没有增产潜力。目前，垄沟覆盖集雨栽培技术由于集雨、高产和经济效益显著等诸多优点，逐渐发展成为旱作农业区最主要的栽培技术。因此，进一步探究集雨栽培技术下土壤酶活性变化、生物量积累过程、产量形成机理，对改进和完善集雨栽培技术，提高黄土高原旱作玉米产量具有极高的理论价值和实践意义。同时大量的研究指出，顶凌覆盖技术的优势是作物生育前期贮水，苗期与后期需水旺盛期供水[12]。

不同地区采用同一种栽培方式，玉米的增产因素、效果不一，而有关同一区域内采用不同栽培方式对玉米土壤酶活性、干物质积累及产量影响的系统研究资料相对欠缺。本研究以春玉米“酒单3号”为研究对象，以无覆盖平种为对照，分析了顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播和秸秆覆盖4种栽培方式对春玉米耕作层土壤酶活性、植株生长发育、干物质积累及产量构成的影响，旨在探索黄土高原地区春玉米高产、稳产和可持续发展的耕作措施，为旱区玉米生产的高产和可持续发展提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2014-03-10在兰州市榆中县中连川乡(104°25′E、36°02′N)进行。该试验区属半干旱区，海拔约为2 205 m，年均气温6.5 ℃，≥10 ℃有效积温1 400～1 600 ℃，平均无霜期105 d。该地区年降雨量为300～430 mm，降水少且变率大，其中7-9月份降水量占全年降水量的50%以上，为典型的黄土高原雨养农业区。春玉米为当地主要农作物，一年一熟，前茬为胡麻。试验地土壤为黑麻垆土与灰钙土，pH值为8.05，耕层土壤有机质、全氮含量分别为12.14和0.98 g/kg，碱解氮、速效磷含量分别为79.69和31.30 mg/kg，肥力偏低。试验地田间持水率为18.4%，凋萎系数为5.8%。试验区2014年玉米生育期降雨量为354.92 mm，略低于过去20年均值，同时3月和4月(播前)降雨也较少，导致播前土壤墒情差。但是顶凌沟垄覆膜技术能够有效保墒、缓解土壤干化，提升土壤耕层积温，为播种创造有利条件，也为作物后期的生长奠定了良好基础。

1.2 试验设计

试验设顶凌全膜平播种植(Flat planting with whole plastic in early spring，FWP)、顶凌全膜双垄沟播(Full mulching on double ridges and planting in furrows in early spring，FFP)、顶凌全膜双垄垄播(Full mulching on double ridges and planting in ridges in early，FRP)和秸秆覆盖种植(Flat planting with straw mulching，SCP)4个处理，以无覆盖平地种植(Without mulching planting)为对照(CK)。各处理的具体方法为：(1)顶凌全膜平播种植：在前茬作物收获后及时灭茬，深耕翻上，及时保墒，待试验区土壤解冻之前(播前1个月左右)，施入足够肥料，轻翻表层土壤，将化肥翻入地下，然后用120 cm宽的地膜覆盖，膜与膜之间不留空隙，相互重叠大约5 cm，相接处用土压实，采用等行间距播种方式。(2)顶凌全膜双垄沟播：选用120 cm宽的地膜覆膜，时间同FWP处理。膜与膜之间不留空隙，相接处用土压住地膜。每幅垄分为大小两垄，垄幅宽110 cm，大垄宽70 cm、高10 cm，小垄宽40 cm、高15 cm，在大小垄相接处播种。(3)顶凌全膜双垄垄播：覆膜时间同FWP处理，每幅垄大小相等，垄幅宽均为50 cm，高15 cm，两垄相接处形成集雨沟，选用120 cm宽的地膜，边起垄边覆膜，膜与膜之间不留空隙，相接于沟内，用土压住地膜，在垄上进行播种。(4)秸秆覆盖种植：在玉米出苗20 d后进行覆草，按4 000 kg/hm2用量均匀覆盖在试验小区内。(5)无覆盖平地种植：无地膜覆盖，平地种植。

各处理均设3次重复，按随机因子裂区排列。供试品种为“酒单3号”，试验小区有效面积为25 m2，种植密度均为5.04万株/hm2。于2014-04-16播种，10-05收获。播前对试验小区进行30 cm的翻耕处理，人工除去杂草，同时施入尿素(N含量46%)600 kg/hm2，过磷酸钙(P2O5含量12%)600 kg/hm2，源钾(K2O含量25%)300 kg/hm2。为确保顶凌全膜双垄垄播种植玉米正常出苗，覆膜处理均采用顶凌覆膜。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤酶活性 玉米播种前和收获后，在小区内长势一致的2株玉米之间用土钻取土样，取样深度为40 cm，每20 cm取样1次，然后用信封装袋、标记，静置于大气中自然风干。过氧化氢酶活性测定采用紫外分光光度法；脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；蔗糖酶活性测定采用比色法；碱性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法[13](由于试验地土壤pH平均值为8.05，因此本试验测定的磷酸酶活性为碱性磷酸酶活性)。

1.3.2 叶面积指数和干物质 分别在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、乳熟期和成熟期，随机选取10株玉米，带回室内晾干，除去根部，将各个器官从植株上剪下，用纸袋标记分装，105 ℃恒温烘箱杀青20 min，然后将温度调至80 ℃，烘干至恒质量，采用精度为0.001 g的电子秤称质量。同时，将每株玉米的所有叶片沿叶鞘与叶片连接处剪下后测量叶片的长度和最大宽度，再计算所有叶片的面积，最后取平均值。根据叶长、叶宽计算叶面积，计算公式为：

完全展开叶叶面积(cm2)=叶长(cm)×叶宽(cm)×0.75；

不完全展开叶叶面积(cm2)=叶长(cm)×叶宽(cm)×0.50；

叶面积指数(LAI)=总叶面积/土地面积。

1.3.3 产量及其构成因子 待玉米成熟后按小区单独收获，晒干、脱粒并计产，各处理的实际产量以3个重复小区产量的平均值计。同时，从各小区随机取15株玉米进行室内考种，测定穗粗、穗长、穗行数、行粒数、单穗粒数、百粒质量等指标。

1.3.4 水分利用效率 在玉米播种前及收获后用土钻取土样，每20 cm取样1次，取样深度为100 cm。样品用铝盒封装带回实验室，及时称质量(湿土和铝盒)，然后将铝盒盖揭开，放至盒底，置于已预热至105 ℃的烘箱中烘至恒质量(约8 h)，取出，盖好，移入干燥器内冷却至室温(约需20 min)，称质量(干土质量和铝盒质量)，计算土壤含水量、土壤贮水量和玉米耗水量。

根据土壤贮水量、玉米耗水量和产量计算水分利用效率。计算公式为：

土壤贮水量(mm)=土层厚度(mm)×土壤含水量×土壤容重；

耗水量(mm)=播种时土壤贮水量(mm)-收获时土壤贮水量(mm)+生育期降雨量(mm)(由于试验地无灌溉，且地下水位埋深>10 m，故耗水量公式不考虑灌溉水量和地下水分利用)；

水分利用效率(kg/(hm2·mm))=作物产量(kg/hm2)/作物耗水量(mm)。

1.4 数据处理

利用EXCEL 2010对所测试验数据进行计算，利用SPSS 19.0软件中LED多重比较进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式对土壤酶活性的影响

土壤酶常处于活化状态，其活性随土壤的性质、气候条件、农业技术措施等因素而变化[14]，反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，是土壤肥力评价的重要指标之一[15]。不同耕作方式下土壤酶活性的变化如表1所示。

表1 不同耕作方式下土壤酶活性的变化Table 1 Changes in soil enzyme activity under different farming patterns

注：*:同一土层同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，标不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

Notes:Different lowercase letters in each column of each layer indicate significant difference at the level of 0.05 LSD(P<0.05) while different uppercase letters indicate extremely significant difference at the level of 0.01 LSD(P<0.01).

从表1可以看出，秸秆覆盖和顶凌全膜双垄垄播种植方式在0-20及20-40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均高于对照，分别较对照提高了15.74%和5.19%及9.69%和4.04%，而顶凌全膜双垄沟播和顶凌全膜平播种植方式的土壤过氧化氢酶活性均低于对照。土壤脲酶活性在0-20和20-40 cm土层中表现出一致性，由高到低依次为秸秆覆盖种植>顶凌全膜双垄垄播>无覆盖平地种植(对照)>顶凌全膜双垄沟播>顶凌全膜平播；顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖种植0-20 cm土层土壤脲酶活性较对照提高41.94%和60.93%，20-40 cm土层土壤脲酶活性分别较对照提高3.83%和51.37%。0-20 cm土层，土壤蔗糖酶活性高低顺序依次为顶凌全膜双垄垄播>秸秆覆盖种植>无覆盖平地种植(对照)>顶凌全膜双垄沟播>顶凌全膜平播，其中顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖种植土壤蔗糖酶活性较对照分别提高72.39%和36.67%；20-40 cm土层蔗糖酶活性高低顺序则为秸秆覆盖种植>顶凌全膜双垄垄播>顶凌全膜双垄沟播>无覆盖平地种植(对照)>顶凌全膜平播，其中顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖种植土壤蔗糖酶活性较对照分别提高了17.69%，68.19%和85.54%。各处理土壤碱性磷酸酶活性与脲酶活性表现一致，且在顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖种植方式下，0-20 cm土层土壤碱性磷酸酶活性分别较对照提高了34.93%和38.43%，20-40 cm土层土壤碱性磷酸酶活性分别较对照提高了15.44%和17.89%。

2.2 不同耕作方式对玉米叶面积指数动态变化的影响

叶面积指数(LAI)是反映植物群体生长状况的一个重要指标，其大小直接影响作物的总生物量。由图1可以看出，覆膜种植和对照处理旱地玉米叶面积指数呈“S”型曲线变化，即从苗期到拔节期较低，拔节期之后开始逐渐快速上升，乳熟期达到最大值，随后开始呈下降趋势；而秸秆覆盖种植从苗期开始到成熟期，叶面积指数一直呈上升趋势，至成熟期达到最大值。在不同生育期各处理叶面积指数也有一定差异，抽雄期覆膜处理玉米叶面积指数显著高于对照，但与秸秆覆盖种植差异不显著。各覆膜处理在乳熟期叶面积指数达到最大，此时顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播和顶凌全膜平播种植玉米叶面积指数分别为3.06，2.94和2.72，较对照分别提高了75.75%，69.09%和56.51%；秸秆覆盖种植叶面积指数在成熟期达到最大值(2.09)，较对照提高30.27%。说明不同种植方式对玉米叶面积指数影响不同，其中以顶凌全膜双垄沟播效果最好。

2.3 不同耕作方式对玉米单株干物质积累的影响

由图2可以看出，在整个生育期内，不同耕作方式下玉米单株干物质积累均呈持续增长趋势，且均从抽雄期开始增长加快，但各个生育期内增长速率不同。玉米苗期到抽雄期，秸秆覆盖种植干物质积累量与对照无显著差异，其余种植方式均显著提高了干物质积累量，但是该时期内的增长幅度远小于后期。这是由于生育前期(苗期到大喇叭口期)，玉米生长主要以生根为主，且此时玉米叶面积较小，不能生产大量的有机物供给植株生长，所以该时期内地上干物质积累呈现缓慢增长趋势；而生育中期(大喇叭口期到抽雄期)叶面积增大，光合作用开始增强，但该时期主要以自身地上器官生长为主，因此地上干物质积累速率仍处于平缓状态。生育后期(抽雄期到成熟期)，叶面积达到整个生育期最大值，光合作用强，且各营养器官干物质向籽粒运转，该时段内果穗的干物质增加速率较快，从而提高了整个地上部分干物质的积累。至成熟期，顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜平播种植、秸秆覆盖种植玉米干物质积累分别达到412.64，395.68，380.04和321.32 g/株，较对照分别增加了66.09%，59.27%，52.97%和29.34%，这表明各种植方式均显著提高了地上干物质累积量，其中垄沟集雨栽培(顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜双垄沟播)效果要优于顶凌全膜平播种植和秸秆覆盖种植。

图1 不同耕作方式对玉米单株叶面积指数的影响Fig.1 Effect of different farming patterns on leaf area index of maize per plant

图2 不同耕作方式对玉米干物质积累的影响Fig.2 Effect of different farming patterns on dry matter accumulation of maize

2.4 不同耕作方式对玉米穗部性状的影响

玉米穗部各性状指标能够直接反映出最终收获产量的高低，且穗部性状中穗粗、穗粒质量等对产量的直接效应均为正值。由表2可以看出，顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播种植玉米果穗长度分别比对照增加43.13%，40.36%和35.92%，差异显著，而秸秆覆盖种植较对照增加10.04%，无显著差异；顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播种植玉米行粒数分别比对照增加64.88%，68.01%和56.02%，差异显著，而秸秆覆盖种植较对照增加10.00%，无显著差异；顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、秸秆覆盖玉米穗行数分别比对照增加15.70%，12.49%和10.86%，差异显著，而顶凌全膜平播种植较对照增加5.89%，无显著差异；顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播、秸秆覆盖种植玉米穗粗分别比对照增加了30.94%，26.38%，23.98%和11.03%，差异显著。可见，垄沟集雨栽培(顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜双垄沟播)方式均显著增加了穗长、穗粗、穗行数和行粒数；秸秆覆盖种植方式对穗长、穗粗和穗行数也有一定促进作用，但增加幅度小于垄沟集雨栽培。

表2 不同耕作方式对玉米穗部性状的影响Table 2 Effect of different farming patterns on ear characters of maize

注：*同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，标不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下表同。

Notes:Different lowercase letters in each column indicate significant difference at the level of 0.05 LSD(P<0.05) while different uppercase letters indicate extremely significant difference at the level of 0.01 LSD(P<0.01).The same below.

2.5 不同耕作方式对玉米产量及其构成因子的影响

产量构成因子中穗粒数和百粒质量与产量呈显著正相关关系，可以直观反映出产量的高低。由表3可以看出，顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播、顶凌全膜平播和秸秆覆盖种植玉米单位面积产量分别较对照增产108.06%，99.03%，76.50%和20.59%，差异显著。与对照相比，顶凌全膜平播、顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播和秸秆覆盖耕作方式均显著提高了穗粒数和百粒质量，而显著降低了单株成穗数。可见，各处理均降低了玉米单株成穗数，提高了穗粒数和百粒质量，其中以垄沟集雨种植模式(顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播)效果最好，顶凌全膜平播种植次之。

表3 不同耕作方式对玉米产量及其构成因子的影响Table 3 Effect of different farming patterns on yield components and actual output of maize

2.6 不同耕作方式对玉米水分利用效率的影响

从表4可以看出，覆膜处理播前土壤贮水量基本一致，且高于秸秆覆盖与对照处理，但是收获后各处理之间均存在差异，且垄沟集雨种植方式(顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播)贮水量明显高于其他处理。垄沟集雨栽培处理产量显著增加，但土壤贮水量变化不大，表明地膜覆盖减少了土壤水分蒸发，所消耗的水分大部分被作物吸收利用，不仅提高了玉米产量，而且水分利用效率也有一定幅度的增加。作物耗水量从高到低依次为：顶凌全膜平播>对照>顶凌全膜双垄垄播>顶凌全膜双垄沟播>秸秆覆盖种植，这主要是由于玉米自身生长耗水和植株腾发共同作用的结果，说明在降水较少、蒸发量大的旱作农业区，全面覆盖能够有效抑制土壤水分蒸发，能有效收集有限的降水以供给作物生长发育。作物耗水的最终目的表现在产量上，而水分利用效率体现了耗水的价值。本试验结果表明，与对照相比，各覆盖栽培技术均提高了作物水分利用效率，尤以垄沟集雨技术最为明显，提高幅度依次为：顶凌全膜双垄沟播(119.91%)>顶凌全膜双垄垄播(106.97%)>顶凌全膜平播(55.28%)>秸秆覆盖(32.85%)。

表4 不同耕作方式对玉米耗水量及水分利用效率的影响Table 4 Effect of different farming patterns on water consumption and water use efficiency of maize

3 讨论与结论

集雨栽培技术作为旱作农业节水的关键技术之一，主要通过改善土壤含水量、土壤温度、土壤养分及土壤酶活性等土壤性状来促进作物生长。而土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面扮演着重要角色[14]，对土壤中养分的转化和吸收起着举足轻重的作用，其活性的高低能够间接反映出农业耕作方式的可持续性。本研究结果表明，土壤酶活性以秸秆覆盖种植最好，其次为顶凌全膜双垄垄播，而顶凌全膜双垄沟播和顶凌全膜平播种植的土壤酶活性大多低于对照。从整体分析来看，各处理土壤酶活性大多表现为0-20 cm土层高于20-40 cm土层，而顶凌全膜双垄垄播和顶凌全膜双垄沟播由于田间起垄等农业工序，使土壤性状得到改善和重新布局，0-40 cm土壤酶活性变化幅度比其他处理小。

叶片是玉米有机物质生产的主要器官，其叶面积大小及光合作用强弱对玉米的生长发育和籽粒产量有重要影响[16]。本试验结果表明，不同耕作方式下玉米叶面积指数动态变化均呈现出“慢-快-慢”生长特征，覆膜栽培和无覆盖平地种植玉米叶面积指数在乳熟期达到最大值，而秸秆覆盖种植到成熟期才达到最大值。这可能是由于秸秆覆盖地表后阻碍了光照对地表的照射，减弱了光照强度，降低了土壤温度，从而减缓了玉米生长速率，推迟了玉米生育进程，使得秸秆覆盖种植方式下玉米叶面积指数至成熟期才达到最大值。因此，沟垄集雨栽培方式可有效促进玉米叶片生长，增大叶面积指数，导致光合产物增多，最终提高总生物量和产量。

干物质产生和积累是玉米生长发育的重要指标，也是产量形成的物质基础，在一定范围内干物质积累量与产量呈极显著正相关。同时，玉米植株95%左右的干物质积累来自光合产物，玉米获得高产的基本途径就是尽量增加干物质产量，并使之尽可能多地分配到籽粒当中[17]。不同耕作方式下玉米地上干物质积累与叶面积动态变化存在一定差异，主要表现在生育后期，该时期内尽管叶面积指数开始减小，但生物量积累总量始终呈递增趋势。本试验表明，从出苗期到成熟期玉米干物质积累量随生育期的增长而持续增加。陈远学等[18]研究发现，玉米在拔节期以前干物质积累缓慢，拔节期后迅速上升，吐丝期或灌浆期积累量达到最大值，而后呈缓慢下降的趋势，这与本试验研究结果不同，可能与供试玉米品种的差异有关。与无覆盖平地种植相比，集雨栽培技术(顶凌全膜双垄沟播、顶凌全膜双垄垄播)可明显提高玉米全生育时期的干物质积累量。

不同栽培方式对玉米穗部性状和产量构成因子均有较大影响，其中以垄沟集雨种植方式最为显著，顶凌全膜平播种植次之。垄沟集雨栽培方式显著增加了玉米的穗长、穗粗、穗行数、行粒数和百粒质量，降低了单株成穗数。同时，秸秆覆盖种植方式对穗长、穗粗和穗行数也有一定促进作用，但增加幅度小于垄沟集雨种植效果。

各种覆盖耕作方式均可显著提高玉米产量，但增产效果不同，表现为：顶凌全膜双垄沟播(108.06%)>顶凌全膜双垄垄播(99.03%)>顶凌全膜平播(76.50%)>秸秆覆盖种植(20.59%)。关于集雨栽培技术的增产机理，多数研究认为是水温效益[19-20]，且随着试验区域的不同，增产效果不一。牛芬菊等[21]2010-2011年在兰州市榆中县(半干旱区)开展的试验结果表明，垄沟集雨栽培技术能改善土壤水温，促进作物生长发育，作物产量较对照(半膜平作)显著提高(72.70%～81.18%)。刘晓伟等[11]2008-2010年在平凉市庄浪县(半湿润区)开展的试验结果表明，垄沟集雨秋季覆膜栽培技术可明显减少冬春季土壤水分的无效蒸发，显著改善玉米耕层土壤水温状况，平均产量比对照(晚春播前覆膜)提高了16.58%～33.04%。本试验结果表明，不同覆盖耕作方式均能显著提高玉米总产量、穗粒数和百粒质量，进一步验证了上述研究结论。

集雨栽培技术集覆盖抑蒸、增温保墒、膜面集雨等技术于一体，最大限度地蓄积微小降雨，减少地面蒸发，达到抗旱保墒和集水入渗的目的，满足了旱地玉米全生育期生长发育对土壤水分的需求。本试验结果表明，各覆盖栽培技术均提高了作物水分利用效率，尤以垄沟集雨技术最为明显，且以顶凌全膜双垄沟播最高(30.59 kg/(hm2·mm))，顶凌全膜双垄垄播次之(28.79 kg/(hm2·mm))，而无覆盖平地种植(对照)最低(13.91 kg/(hm2·mm))。可以看出，垄沟集雨技术通过高效利用土壤抑蒸水分和自然降水，有效地解决了自然降水与作物需水的供需错位问题，实现了降水资源的时空调配，提高了农业生态系统生产力。综上所述，集雨栽培技术最大的特点在于同步提高了玉米干物质积累速率和转运能力，极大地促进了同化物向玉米穗部转移，最终使产量显著提高，在旱作农业生产中有一定的适应性和优越性。尽管顶凌全膜双垄沟播能够显著提高玉米产量和水分利用效率，但不利于土壤酶活性的提高，而顶凌全膜双垄垄播表现出较好的优势。因此，顶凌全膜双垄垄播种植技术对当地作物的产量效应、社会和生态意义，以及对旱作农业的可持续发展具有重大的现实意义。

[1] 莫 非,周 宏,王建永,等.田间微集雨技术研究及应用 [J].农业工程学报,2013,29(8):1-17.

Mo F,Zhou H,Wang J Y,et al.Development and application of micro-field rain-harvesting technologies [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2013,29(8):1-17.(in Chinese)

[2] 李 倩,张 睿,贾志宽.玉米旱作栽培条件下不同秸秆覆盖量对土壤酶活性的影响 [J].干旱地区农业研究,2009,17(4):152-154.

Li Q,Zhang R,Jia Z K.Effect of different amount of straw mulching on soil enzyme activities in dry land [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2009,17(4):152-154.(in Chinese)

[3] 孔维萍,成自勇,张 芮,等.不同覆盖及种植方式下旱地玉米前期水热及出苗效应 [J].灌溉排水学报,2014,33(3):119-121.

Kong W P,Cheng Z Y,Zhang R,et al.Effects of different covers modes and cropping patterns on water and heat in early stage and seeding rates of maize in dry land [J].Journal of Irrigation and Drainage,2014,33(3):119-121.(in Chinese)

[4] 鲁向晖,高 鹏,王 飞,等.宁夏南部山区秸秆覆盖对春玉米水分利用及产量的影响 [J].土壤通报,2008,39(6):1248-1251.

Lu X H,Gao P,Wang F,et al.Effect of straw mulch on yield and water utilization of spring maize in the south mountainous area of Ningxia [J].Chinese Journal of Soil Science,2008,39(6):1248-1251.(in Chinese)

[5] 高玉红,牛俊义,闫志利,等.不同覆膜栽培方式对玉米干物质积累及产量的影响 [J].中国生态农业学报,2012,20(4):440-446.

Gao Y H,Niu J Y,Yan Z L,et al.Effects of different plastic-film mulching techniques on maize (ZeamaysL.) dry matter accumulation and yield [J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2012,20(4):440-446.(in Chinese)

[6] 王绍美,金胜利,王 刚.半干旱区全覆膜双垄沟播技术对玉米产量和水分利用效率的影响 [J].甘肃农业大学学报,2010,45(4):100-106.

Wang S M,Jin S L,Wang G.Effect of double ridges mulched with wide plastic film on crop yield and water use efficiency in semi-arid areas [J].Journal of Gansu Agricultural University,2010,45(4):100-106.(in Chinese)

[7] 金胜利,周丽敏,李凤民,等.黄土高原地区玉米双垄全膜覆盖沟播栽培技术土壤水温条件及其产量效应 [J].干旱地区农业研究,2010,28(2):28-33.

Jin S L,Zhou L M,Li F M,et al.Effect of double ridges mulched with wide plastic film on soil water,soil temperature and yield of corn in semiarid Loess Plateau of China [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2010,28(2):28-33.(in Chinese)

[8] 孙玉莲,边学军,黄成秀,等.全膜双垄沟播对旱区玉米田土壤水分和温度的影响 [J].中国农业气象,2014,35(5):511-515.

Sun Y L,Bian X J,Huang C X,et al.Effects of full plastic-film mulching on double ridges with furrow on soil moisture and temperature in dry-farming maize area [J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(5):511-515.(in Chinese)

[9] 孔维萍,成自勇,张 芮,等.不同覆盖及耕作方式对玉米生长和水分利用效率的影响 [J].灌溉排水学报,2014,33(4/5):103-106.

Kong W P,Cheng Z Y,Zhang R,et al.Effects of different covers and cropping patterns on maize growth,yield and water use efficiency in dryland farming [J].Journal of Irrigation and Drainage,2014,33(4/5):103-106.(in Chinese)

[10] 任小龙,贾志宽,陈小莉,等.半干旱区沟垄集雨对玉米光合特性及产量的影响 [J].作物学报,2008,34(5):838-845.

Ren X L,Jia Z K,Chen X L,et al.Effects of ridge and furrow planting for rainfall harvesting on photosynthetic characteristics and yield in corn in semi-arid regions [J].Acta Agronomica Sinica,2008,34(5):838-845.(in Chinese)

[11] 郭满平,刘生瑞,白宏鹏.不同覆膜栽培对玉米土壤水分温度及产量的影响 [J].干旱地区农业研究,2015,33(2):50-55.

Guo M P,Liu S R,Bai H P.Effects of different plastic mulching practices on soil moisture,soil temperature and yields of maize [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2015,33(2):50-55.(in Chinese)

[12] 刘晓伟,何宝林,郭天文.全膜双垄沟不同覆膜时期对玉米土壤水分和产量的影响 [J].核农学报,2012,26(3):602-609.

Liu X W,He B L,Guo T W.Effects of full mulching on double ridges with different mulching methods on soil water content and maize yield in dryland [J].Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2012,26(3):602-609.(in Chinese)

[13] 关松荫,张德生,张志明.土壤酶及其研究法 [M].北京:农业出版社,1986.

Guan S Y,Zhang D S,Zhang Z M.Soil enzyme and its study method [M].Beijing:Agricultural Press,1986.(in Chinese)

[14] 向泽宇,王长庭,宋文彪,等.草地生态系统土壤酶活性研究进展 [J].草业科学,2011,28(10):1801-1806.

Xiang Z Y,Wang C T,Song W B,et al.Advances on soil enzymatic activities in grassland ecosystem [J].Pratacultural Science,2011,28(10):1801-1806.(in Chinese)

[15] 门 倩,海江波,岳忠娜,等.化肥减量对玉米田土壤酶活性及微生物量的影响 [J]. 西北农林科技大学学报:自然科学版,2012,40(6):134-140.

Men Q,Hai J B,Yue Z N,et al.Effects on maize field soil enzyme activities and microbial biomass of chemical fertilizer reduction [J].Journal of Northwest A&F University:Natural Science Edition,2012,40(6):134-140.(in Chinese)

[16] 张德健,路战远,张向前,等.不同耕作条件下玉米光合特性的差异 [J].华北农学报,2014,29(2):161-164.

Zhang D J,Lu Z Y,Zhang X Q,et al.Effects of conservation tillage technology systems on diurnal variations of photosynthetic characteristics of maize [J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2014,29(2):161-164.(in Chinese)

[17] 马赟花,薛吉全,张仁和,等.不同高产玉米品种干物质积累转运与产量形成的研究 [J].广东农业科学,2010(3):36-40.

Ma Y H,Xue J Q,Zhang R H,et al.Relationship between dry matter accumulation and distribution to yield of different maize cultivars [J].Guangdong Agricultural Science,2010(3):36-40.(in Chinese)

[18] 陈远学,李汉邯,周 涛,等.施磷对间套作玉米叶面积指数、干物质积累分配及磷肥利用效率的影响 [J].应用生态学报,2013,24(10):2799-2806.

Chen Y X,Li H H,Zhou T,et al.Effects of phosphorus fertilization on leaf area index,biomass accumulation and allocation,and phosphorus use efficiency of intercropped maize [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(10):2799-2806.(in Chinese)

[19] 李尚中,樊廷录,王 勇,等.不同覆膜集雨种植方式对旱地玉米叶绿素荧光特性、产量和水分利用效率的影响 [J].应用生态学报,2014,25(2):458-466.

Li S Z,Fan T L,Wang Y,et al.Effects of plastic film mulching and rain harvesting modes on chlorophyll fluorescence characteristics,yield and water use efficiency of dryland maize [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2014,25(2):458-466.(in Chinese)

[20] 孙学保,杨祁峰,牛俊义,等.旱地全膜双垄沟播玉米增产效应研究 [J].作物杂志,2009(3):32-36.

Sun X B,Yang Q F,Niu J Y,et al.Effect of whole covering on double ridges an planting in catchment furrows on yield increase of dry land maize [J].Crops,2009(3):32-36.(in Chinese)

[21] 牛芬菊,张 雷,李小燕,等.旱地全膜双垄沟播玉米秸秆还田对玉米生长及产量的影响 [J].干旱地区农业研究,2014,32(3):161-166.

Niu F J,Zhang L,Li X Y,et al.Effect of stalk returning and plastic mulching on growth and yield of maize under ridge and furrow planting in dryland [J].Agricultural Research in the Arid Areas,2014,32(3):161-166.(in Chinese)

Effects of cultivation methods on soil enzyme and dry matter accumulation and yield of spring maize in dryland

LIU Xing-huaa,WANG Qib,JIA Sheng-haia

(aSchoolofEngineering,bCollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

【Objective】 This paper studied the effects of five different cultivation patterns on soil enzyme activities,and growth and yield formation of spring maize to explore cultivation measures for high and stable yield of spring maize and sustainable development in the Loess Plateau.【Method】 Field experiments with full mulching on double ridges and planting in furrows in early spring (FFP),full mulching on double ridges and planting in ridges in early spring (FRP),flat planting with whole plastic in early spring (FWP),flat planting with straw mulching (SCP) and without mulching planting were conducted to analyzed effects of different cultivation methods on changes in activities of enzymes (catalase,urease,invertase and alkaline phosphatase) in soil depths of 0-20 cm and 20-40 cm as well as growth and development status,changes in dry matter accumulation and yield components of maize at different growth periods.【Result】 Compared to without mulching planting,full mulching on double ridges and planting in ridges and flat planting with straw mulching significantly improved soil catalase activities at depths of 0-20 and 20-40 cm soil by 5.19%,15.74% and 4.04%,9.69%,increased urease activities by 41.94%,60.93% and 3.83%,51.37%,increased invertase activities by 72.39%,36.67% and 68.19%,85.54%,and increased alkaline phosphatase activities by 34.93%,38.43% and 15.44%,17.89%,respectively.At the same time,the rainfall cultivation of full mulching on double ridges and planting in furrows and full mulching on double ridges and planting in ridges significantly increased the leaf area index by 75.75% and 69.09% at the mature stage,the dry matter accumulation by 59.27% and 66.09% at mature stage,the yield by 108.06% and 99.03%,and water use efficiency by 119.91% and 106.97%,respectively.【Conclusion】 According to high-yield and sustainable agricultural development,the most appropriate treatment was the FRP.

spring maize;rain harvesting;soil enzyme;above-ground dry matter accumulation;yield

时间:2015-08-05 08:56DOI：10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.011

2015-03-27

国家自然科学基金项目(41461062，41161090)

刘星华(1990-)，男，甘肃兰州人，硕士，主要从事农业水土工程研究。E-mail:liuxinghua522@163.com

贾生海(1963-)，男，甘肃武威人，教授，主要从事农业水土工程研究。E-mail:jiash@gsau.edu.cn

S513

A

1671-9387(2015)09-0073-09

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0856.022.html