覆膜对半干旱区春玉米生长及产量构成的影响

张　哲，孙占祥，张燕卿，郑家明，郝卫平，司鹏飞,3

(1.农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081；2.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所/辽宁省旱作节水工程中心，辽宁 沈阳 110161；3.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110161；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)



覆膜对半干旱区春玉米生长及产量构成的影响

张哲1,2,3，孙占祥2,3*，张燕卿3,4，郑家明2，郝卫平2，司鹏飞2,3

(1.农业部旱作节水农业重点实验室，北京 100081；2.辽宁省农业科学院耕作栽培研究所/辽宁省旱作节水工程中心，辽宁 沈阳 110161；3.沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁 沈阳 110161；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

摘 要：为促进东北半干旱区旱作农田持续增产以及秋覆膜技术的推广，以玉米郑单958为试材，在农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站的定位试验地，设置了裸地种植(B)，春季覆膜种植(SM)和秋季覆膜种植(AM) 3个处理，研究覆膜处理对玉米的生长发育特性、产量及其构成因素的影响。结果表明：覆膜处理能促进玉米的生长，提高籽粒产量，其中，AM处理优势明显，可以增加玉米株高、茎粗、叶面积指数和生物量，促进干物质积累；2014年的籽粒平均产量达14 280 kg/hm2，较SM处理和B处理分别高18.76％和14.51％，增产的原因是穗长、穗粗、粒数、百粒重均大于其他2个处理；2015年的籽粒平均产量达12 120 kg/hm2，较SM处理和B处理分别高10.79％和76.93％，增产的原因是穗长、穗粗、粒数、百粒重的显著增加；AM处理连续2年均显著提高了春玉米的降水利用效率。综合本研究结果，在半干旱地区雨养农田连续应用秋覆膜技术，即使在较为干旱的年情下仍可以实现作物的高产，该技术是提高本地区春玉米产量和农田降水利用效率的有效措施。

关 键 词：春玉米；旱作农田；覆膜处理；产量；生育期；产量构成因素

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辽宁省西部半干旱区受季风影响，降水年内分布不均，年际间波动较大，丰水年和枯水年降水量相差约3倍[1]，且因冬、春季风沙大，降水与蒸发高峰出现时间差是本区域产生春旱的主要原因[2]。要解决农田水资源不足，提高旱作水平, 高效利用自然降水，缓解作物需水与天然降水时间之间不协调的矛盾，是半干旱地区作物稳产、高产的根本途径[3–4]。

膜覆盖技术被广泛应用于旱作农业区[5]。由于半干旱地区特殊环境，不适宜适当的覆膜方式可能会造成无水可保，保墒效果不佳[6]。秋覆膜技术作为地膜覆盖栽培技术的延伸，以“秋雨春用、春墒秋保”为目标, 通过减少冬、春2季农田土壤水分的无效蒸发，实现农田水资源的跨季调控[7–8]，具有蓄秋墒、抗春旱、提地温和增强作物逆境成苗、促进增产增收等多种功效[9]。有研究指出，旱地秋覆膜可以保墒蓄水[10–12]，显著提高播前土壤贮水量[13]，增加叶面积指数，提高生物产量[14]以及水分生产效率[12]。也有部分学者认为，地膜覆盖会加剧土壤水分和养分的耗竭，后期容易出现脱水脱肥而导致减产[15–18］，不利于下茬作物的持续生产。本研究以玉米为试材，通过田间定位试验，研究覆膜种植对玉米生长及产量的影响，旨在为东北半干旱地区旱作农田秋覆膜技术应用推广提供参考依据。

1 研究区概况

辽宁西部地区属温带季风大陆性气候区，全区土地面积约3×104km2，耕地面积约6.9×105hm2，年平均气温7～8 ℃，5—9月日照时数为1 200～1 300 h，10 ℃以上积温为2 900～3 400 ℃· d，无霜期为135～165 d，年降水量300～500 mm。地势平坦，无灌溉条件。2014年和2015年试验区作物生育期内降水量(资料来源于农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站)如图1所示。2014年生育期降水量为300.6 mm；2015年生育期降水量为231.7 mm。

图1　试验地点生育期内的降水量Fig.1 Daily rainfall in growth period of experiment station

2 材料与方法

2.1 材料

供试玉米品种为郑单958，由河南省农业科学院粮食作物研究所选育；供试地膜选择来自辽宁省阜新市塑料彩印二厂生产的农用超微地膜(厚度为0.008 mm，宽度为120 cm)。

试验土壤为褐土，定位试验开始前耕作层含有机质11.61 g/kg、全氮0.64 g/kg、全磷0.66 g/kg、全钾2.46 g/kg、速效氮72.58 mg/kg、速效磷136.13 mg/kg、速效钾62.19 mg/kg，pH值6.95，容重1.36 g/cm3。

2.2 试验设计

试验于2013年秋季在农业部阜新农业环境与耕地保育科学观测实验站(辽西半干旱典型类型区)开始定位试验。采用完全随机试验设计，设春季覆膜春季施肥种植(SM)、秋季覆膜秋季施肥(AM)和裸地种植春季施肥(B) 3个处理。每个处理重复3次。每个小区面积为50 m2(5 m×10 m)。2014年4月26日播种，9月22日收获；2015年5月19日播种，9月24日收获。种植的行距为50 cm，株距为33.33 cm，种植密度为60 000 株/hm2，平作，每个处理施肥量按尿素(含N46％) 240 kg/hm2、复合肥(N、P和K比例为15∶15∶15) 300 kg/hm2一次性施入。

2.3 测定指标及方法

2.3.1 植株性状

各处理选取10株具代表性植株挂牌标记，在拔节期、抽雄期、灌浆期用米尺测定株高，用游标卡尺测量茎粗，测量部位为茎部第2节间(基部扁面)，叶面积用米尺测量每片叶子叶长和叶片最宽处宽度，叶面积为叶长与叶宽的积再乘以0.75，并计算总叶面积和叶面积指数，其中叶面积指数为单株总叶面积与单株所占土地面积的比值。

2.3.2 产量及构成因素

分别在2014、2015 年玉米收获后，每个处理随机选取10 m2样区测产，用水分仪测定水分，按14％含水率折合成公顷产量，重复3次。每个样区随机选取连续15株，按常规方法测定穗长、粒长、穗粒数、百粒重等产量构成因素。

2.3.3 个体干物质积累与群体生物产量

玉米收获后，取对应的10 m2样区的生物产量称质量，随机取连续植株5 株，称质量，于烘箱105 ℃杀青60 min，85 ℃烘至恒质量，称干质量，计算植株含水率，然后根据鲜质量和5 株含水率的平均值折算成公顷生物产量。

HI = GY / BY，式中HI 为作物收获指数；GY 为作物籽粒产量，kg/hm2；BY 为作物生物产量，kg/hm2。

2.3.4 生育期降水利用效率

生育期降水利用效率[9]按下式计算：PUE= GY / R，式中PUE 为作物生育期降水利用效率，kg/(hm2·mm)； GY 为作物籽粒(经济)产量，kg/hm2；R为作物生育期降水量，mm，由试验区内雨量器连续定位观测记录。

2.4 数据处理与分析方法

数据用Excel 2003 进行整理分析并作图；用SPSS 17.0 软件统计进行分析，采用LSD法进行单因素方差分析。

图2　不同处理下的玉米株高和茎粗Fig. 2 The plant height and stem diameter of maize under different treatments

3 结果与分析

3.1 春玉米的植株性状

3.1.1 春玉米的株高、茎粗

连续2年对生育期内不同处理玉米的株高和茎粗进行测定，结果(图2)显示，地膜覆盖促进了春玉米的生长，在2014年(图2–A)，AM处理春玉米的株高在灌浆期前(8月15日)极显著高于SM处理和B处理(P＜0.01)，而SM处理则在抽雄期前(7月19日)极显著高于B处理(P＜0.01)，到了玉米成熟期则差异不显著(P＞0.05)；在2015年(图2–B)，各处理春玉米的株高在生育期内均存在极显著差异(P＜0.01)，高矮顺序依次为AM处理、SM处理、B处理；成熟期，AM处理的株高平均较SM处理和B处理高32.76和10.16 cm。在茎粗方面，在2014年(图2–C)，AM处理在整个生育期均显著高于其他2个处理(P＜0.01)，在玉米成熟期，其平均茎粗达到38.44 mm，较SM处理和B处理分别增粗了1.678和2.706 mm，而SM处理的茎粗仅在玉米生长前期显著大于B处理，之后两者之间差异无统计学意义(P＞0.05)；在2015 年(图2–D)，2个覆膜处理在玉米整个生育期的茎粗均显著大于B处理(P＜0.01)， AM处理的茎粗始终为最粗，在拔节期前(6月30日)，AM处理和SM处理之间差异无统计学意义(P＞0.05)，到了生长中期(抽雄期和灌浆期)，AM处理的茎粗显著大于SM处理的茎粗(P＜0.01)，而到了成熟期，两者之间差异不显著(P＞0.05)。

3.1.2 春玉米干物质积累和叶面积指数

连续2年对生育期内不同处理干物质积累情况进行测定，结果(图3)显示，2014年(图3–A)，AM处理极显著的促进了春玉米的干物质积累，在整个生育期内AM处理的干物质质量均显著高于其他2个处理(P＜0.01)，到了成熟期，其干物质质量平均达529.06 g，较SM处理和B处理分别多73.4和66.2 g，而SM处理的干物质积累量在抽雄期前是显著高于B处理的(P＜0.01)，之后两者之间差异不显著(P＞0.05)；2015年(图3–B)，在整个生育期内，3个处理的干物质质量之间均存在着极显著差异(P＜0.01)，大小顺序为AM处理、SM处理、B处理，到了成熟期，AM处理的干物质积累量最大，平均达475.6 g，分别较SM处理和B处理多65.8和209.2 g。

图3　不同处理下的玉米的干物质积累量Fig. 3 Dry matter accumulation of maize under different treatments

图4　不同处理下玉米的叶面积指数Fig.4 Leaf area index accumulation of maize under different treatments

连续2年对生育期内不同处理玉米叶面积指数的测定结果(图4)显示，2年关键生育期内的叶面积指数变化存在差异，在2014年(图4–A)，虽然从数值上大小顺序依次为AM处理、SM处理、B处理，但整个生育期AM处理仅在灌浆期前显著高于B处理(0.01＜P＜0.05) ，到了生育后期差异不显著(P＞0.05)，而SM处理和B处理之间差异不显著；在2015 年(图4–B)，整个生育期内，AM处理和SM处理的叶面积指数均显著高于B处理的叶面积指数(P＜0.01)，而AM处理和SM处理的叶面积指数之间差异不显著，但从数值上看，AM处理的叶面积指数大于SM处理的叶面积指数。

3.2 春玉米的产量及收获指数

3.2.1 产量及构成因素

连续2年对不同处理的产量构成因素进行测定，从表2 可以看出，在2014年各处理的穗长、穗粗、粒数、百粒重均无显著差异(P＞0.05)，但每个处理的穗长、穗粗、粒数、百粒重的数值均为AM处理最大，产量则表现为AM处理显著高于SM处理和B处理(P＜0.01)，分别较SM处理和B处理高18.76％和14.51％，而SM处理和B处理之间差异不显著(P＞0.05)；2015年，AM处理和SM处理的穗长、穗粗、粒数、百粒重均显著大于B处理(P＜0.01)，但这2个覆膜处理之间差异不显著(P＞0.05)，3个处理的产量大小顺序依次为AM处理、SM处理、B处理(P＜0.01)，特别是AM处理的产量较SM处理和B处理分别提高了10.79％和76.93％。

表2　不同处理下的玉米产量及其构成Table 2 The maize yield and yield components of different treatments

3.2.2 群体生物产量和收获指数

连续2年通过对玉米生物产量和收获指数进行的分析表明，2014年各处理的生物产量较2015年高(图5)，在2014年，各处理春玉米生物产量表现为AM处理最大，平均生物产量达31 743.6 kg/hm2显著高于其他2个处理(P＜0.01)，分别较SM处理和B处理高16.11％和14.3％；2015年，各处理的春玉米生物产量均存在极显著差异(P＜0.01)，大小顺序依次为AM处理、SM处理、B处理，特别是AM处理，在较为干旱的年份平均生物产量达28 536 kg/hm2，较SM处理和B处理分别高16.06％和78.52％。从收获指数上看，3个处理2年的收获指数之间无显著差异(P＞0.05)。

图5　不同处理下玉米的生物产量及收获指数Fig.5 Effect of different treatments on maize biomass and harvest index of maize under different treatments

3.3 降水利用效率

从图6可以看出，2014年，AM处理显著高于SM处理和B处理(P＜0.01)，达47.5 kg/(hm2·mm)，分别较SM处理和B处理高18.76％和14.51％，而SM处理和B处理之间差异不显著(P＞0.05)；在2015年，AM处理和SM处理的降水利用率显著高于B处理(P＜0.01)，并且AM处理的降水利用效率仍为最高，为52.3 kg/(hm2·mm)，分别比SM处理和B处理高10.78％和76.93％，而SM处理也显著高于B处理，比B处理高59.7％。

图6　不同处理下玉米生育期内的降水利用效率Fig.6 The rainfall use efficiency in growth period of maize under different treatments

3 结论与讨论

地膜覆盖会影响作物形态建成，提前作物生育进程，改善了耕层及近地面的微生境，利于早期根系的生长和增加根系的活性，并促进作物的地上部生长[20–21]。本研究中，2年的玉米株高和茎粗数据差异明显：2014年，秋覆膜处理仅在灌浆期前株高优势明显，这与邹洪涛等[8]的研究结果相似；2015年，秋覆膜处理生育期内株高和茎粗始终优势明显，这可能由于2015年生育期内降水少，秋覆膜利用所贮存的水，促进了玉米的生长[7–8]；有研究证实，提前秋覆膜能保墒蓄水[10–12]，增加玉米干物质积累与分配[11]。本研究中，在2014年，秋覆膜处理显著的促进了春玉米的干物质积累，最终干物质质量达529.06 g，而春覆膜处理的干物质积累量仅在抽雄期前显著大于裸地处理，这说明春季覆膜在前期可以为玉米提供适宜的温度、水分，到了抽雄期由于外界温度的不断上升和水分放的不断增加，也促进了干物质积累，表现为与春覆膜处理差异不显著；在2015年整个生育期内，3个处理的干物质质量一直存在极显著差异，大小顺序依次为AM处理、SM处理、B处理，这可能是由于覆膜为玉米的生长提供是适宜的生长环境，秋覆膜又较春覆膜积累了更多的水分，促进了玉米干物质积累。叶面积指数是反映作物群体大小的较好的动态指标。在一定的范围内，作物的产量随叶面积指数的增大而提高。已有研究[11]指出，旱地秋覆膜可增加玉米叶面积指数，提高生物产量。本研究中，2年内叶面积指数的变化与干物质积累量基本一致，这也说明秋覆膜处理促进了玉米干物质的积累、分配和转移特性，主要表现在叶面积指数增加，生物产量提高[11]。

产量和总生物量的增加是检验农业措施的重要指标。有研究指出，旱作农田地膜覆盖显著提高玉米籽粒产量和水分养分效率[13,22–23]。2014年，秋覆膜处理显著的增加了春玉米的产量，但从产量构成上看，其穗长、穗粗、粒数、百粒重增加优势并不明显，而这一年春覆膜处理和裸地处理的产量也无显著差异；2015年，覆膜处理显著提高了春玉米的穗长、穗粗、粒数、百粒重，并且秋覆膜处理显著高于春覆膜处理，这也证实地膜覆盖技术即使在作物受干旱较为严重的情况下，仍可获得较高的产量[20]；2年春玉米生物产量与籽粒产量差异基本一致；2年数据均证明秋覆膜处理显著提高了春玉米的降水利用效率，这与刘晓伟等[24]、王勇[10]研究的结果相似。在2014年，春覆膜处理并未提高春玉米的降水利用效率，这可能是由于春覆膜虽然可抑制水分的蒸发[5–6]，但并没有更多的水分可以保存[6]，而且后期覆膜由于高温也有可能对作物生长造成一定的影响，而2015年春覆膜降水利用效率比裸地处理优势明显，说明地膜覆盖即使在作物受干旱较为严重的情况下，也可显著提高降水利用效率[20]。

综上所述，在较为干旱的年份，秋覆膜可以显著的促进春玉米生长，增加叶面积指数和干物质积累；在自然降水可以满足春玉米生长的年份，秋覆膜能在生育前期显著提高玉米的株高和茎粗，到了生育后期促生长的效果并不明显；而春覆膜对春玉米的生长仅在干旱年份下有一定的影响，越是干旱的年份，覆膜对春玉米的产量和生物量影响越大，特别是秋覆膜，在较为干旱的2014年，显著提高了春玉米的穗长、穗粗、粒数、百粒重和产量，但未提高春玉米的收获指数；秋覆膜处理连续两年均显著的提高了春玉米的降水利用效率，干旱年份更加明显。

参考文献：

[1] 黄毅，张玉龙，邹洪涛，等．辽西北旱农区的气候特点与土壤墒情调控[J]．水土保持通报，2007，27(6)：203–206．

[2] 黄毅，张玉龙，邹洪涛，等．辽西北旱地土壤水分调控[J]．水土保持研究，2009，16(4)：113–116．

[3] 山仑，陈培元．旱地农业生理生态基础[M]．北京：科学出版社，1998．

[4] 胡兴波，曹敏建，塚田利夫，等．不同耕作措施对土壤含水量及玉米出苗率的影响[J]．玉米科学，2003，11(3)：60–62．

[5] 范庆锋，张玉龙，黄毅，等．覆膜方式对辽西旱地农田土壤水热及玉米出苗率的影响[J]．沈阳农业大学学报，2012，43(4)：467–471．

[6] 刘晓伟，何宝林，郭天文，等．半干旱地区玉米覆膜方式研究[J]．玉米科学，2012，20(2)：107–110．

[7] 邹洪涛，张玉龙，黄毅，等．东北风沙半干旱区雨水资源跨时调控对玉米生长发育及产量的影响[J]．土壤通报，2008，39(4)：852–854．

[8] 邹洪涛，张玉龙，黄毅，等．辽西半干旱区秋后覆膜保墒对翌年春玉米生长发育的影响[J]．干旱地区农业研究，2005，23(3)：25–28.

[9] 马金虎，杜守宇，李海阳，等．秋覆膜抗旱节水种植技术[J]．2007(5)：80，115.

[10] 王勇．旱地玉米秋覆膜春播及增产机理研究[J]．甘肃农业科技，2001(12)：22–24.

[11] 王勇，高育峰．旱地秋覆膜玉米干物质积累分配与转移的特性研究[J]．玉米科学，2004，12(1)：76–78．

[12] 李国华．全膜双垄沟播技术不同覆膜时期水分生产效率研究[J]．中国农学通报，2009，25(18)：205–207．

[13] 王勇，宋尚有，樊廷录，等．黄土高原旱地秋覆膜及氮肥秋基春追比例对春玉米产量和品质的影响[J]．中国农业科学，2012，45(3)：460–470

[14] 王勇，高育锋．旱地秋覆膜玉米干物质积累、分配与转移的特性研究[J]．玉米科学，2004，12(1)：76–78．

[15] Li F M，Guo A H，Wei H．Effects of clear plastic film mulch on yield of spring wheat[J]．Field Crops Research，1999，63：79–86．

[16] Zaongo C G L，Wendt C W，Lascano R J，et al. Interactions of water，mulch and nitrogen on sorghum in Niger[J]．Plant and Soil，1997，197：119–126．

[17] 李凤民，鄢珣，王俊，等．地膜覆盖导致春小麦产量下降的机理[J]．中国农业科学，2001，34(3)：330–333．

[18] 王俊，李凤民，宋秋华，等．地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响[J]．应用生态学报，2003，14(2) ：205–210．

[19] 鲍士旦．土壤农化分析．北京：中国农业出版社，2000. [20] 张德奇，廖允成，贾志宽．旱区地膜覆盖技术的研究进展及发展前景[J]．干旱地区农业研究，2005，23(1)：208–213．

[21] 胡新喜，刘明月，何长征，等．覆膜方式对湖南冬种马铃薯生长与产量的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2013，39(5)：500–504.

[22] 山仑，陈国良．黄土高原旱地农业的理论与实践[M]．北京：科学出版杜，1993．

[23] 徐洪敏，朱琳，刘毅，等．黄土旱塬几种农田水分管理模式下春玉米氮素吸收及分配的差异[J]．中国农业科学，2010，43(14)：2905–2912．

[24] 刘晓伟，何宝林，郭天文，等．秋覆膜对旱地玉米土壤水分和产量的影响[J]．农学学报，2011(10)：9–15.

责任编辑：尹小红

英文编辑：梁 和

Effects of plastic mulch on growth and yield components of spring maize in semi-arid areas

Zhang Zhe1,2,3, Sun Zhanxiang2,3*, Zhang Yanqing3,4, Zheng Jiaming2, Hao Weiping2, Si Pengfei2,3
(1.Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China, Beijing 100081, China; 2.Tillage and Cultivation Research Institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences/Engineering Research Centre for Dryland and Water-Efficient Farming of Liaoning Province, Shenyang 110161, China; 3.College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 4.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract:Maize variety Zhengdan 958 was used as test materialsandthree treatments of bare land planting(B), plastic mulching in spring (SM) and plastic mulching in autumn (AM)were designed to study the effects of plastic mulch on the growth, yield and yield components of spring maize. The results showed that plastic mulch affected the growth and yield of maize. The AM treatment had obvious advantages on increase of plant height, stem diameter, leaf area index, biomass and dry matter accumulation ; The grain yield of AM treatment was 14 280 kg/hm2and 12 120 kg/hm2in 2014 and 2015, respectively, which was 14.51％ and 18.76％ higher than SM treatment and B treatment in 2014 and 10.79％ and 76.93％ in 2015. The higher yields of AM were due to its higher ears length, ears thick, grain number and grain weight. The AM treatment increased the utilization efficiency of precipitation significantly in two years. In conclusion, plastic mulch application in autumn continuously in the rainfed farmland of semi-arid areaswas optimal measure to increase springmaize yield and water use efficiency.

Keywords:spring maize; dry farmland; plastic mulching; yield; period of duration; yield component factors

中图分类号：S513.01

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)03−0231−07

收稿日期：2015–12–20 修回日期：2016–03–26

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAD09B02)；农业部旱作节水农业重点实验室基金(HZJSNY201503)；农业部公益性行业科研专项资金项目(201303125–01)；农业部公益性行业科研专项资金项目(201503105)；辽宁省科技攻关项目(2014213004)；辽宁省自然科学基金项目(2015020789)；农业部公益性行业科研专项资金项目(201103001)

作者简介：张哲(1984—)，男，辽宁开原人，助理研究员，博士研究生，主要从事旱作节水农业研究,chick409@126.com；*通信作者，孙占祥，研究员，主要从事旱作节水农业研究，sunzhanxiang@sohu.com