旱地春玉米不同覆膜种植模式的增产效应*

阎旭东, 王秀领, 徐玉鹏, 王伟伟, 肖 宇, 刘振敏, 黄素芳, 岳明强



旱地春玉米不同覆膜种植模式的增产效应*

阎旭东, 王秀领, 徐玉鹏, 王伟伟, 肖 宇, 刘振敏, 黄素芳, 岳明强

(沧州市农林科学院 沧州 061001)

覆膜种植是旱地春玉米种植的重要方式, 具有显著的增产作用。但前人对旱地春玉米在不同覆膜种植方式下的水分利用、根系发育及抗倒伏等增产机理方面研究较少。于2013—2015年在河北省沧州市农林科学院前营试验站开展田间试验, 连续3年研究露地平作(CK)、平作覆膜膜下播种(FC-SUF)、平作覆膜膜侧播种(FC-FSS)、起垄覆膜膜下播种(RC-SUF)、起垄覆膜膜侧播种(RC-FSS)等5种种植模式下春玉米产量及产量构成要素、土壤水分、作物根系和抗倒伏情况。结果表明: RC-FSS、RC-SUF、FC-FSS和FC-SUF比CK 3年平均分别增产24.97%、17.75%、11.69%和8.67%, 其中起垄覆膜侧播技术(RC-FSS)增产效果最优, 其水分利用效率比CK平均提高26.27%。RC-FSS处理垄沟处0~20 cm土壤含水量比CK增幅达30.44%~47.66%, 达极显著差异; RC-FSS处理的抗倒伏性最好, 其倒伏率仅为0.9%, 抗倒伏力最大为29.4 N, 与CK差异达显著水平。在玉米整个生育期内, 0~10 cm土壤温度各覆膜处理比CK平均增加0.3~2.3 ℃, 以RC-SUF种植模式下增温最显著。成熟期RC-FSS模式下根系分布直径、根系干重明显优于RC-SUF、FC-SUF和CK, 差异均达显著水平。研究表明, 春玉米起垄覆膜侧播技术具有集雨保墒、促根壮苗、高抗倒伏、增产稳产的作用, 在春季干旱少雨的滨海平原区有广阔的应用前景。

春玉米; 旱地; 覆膜种植; 膜侧播种; 水分利用效率; 根系性状; 增产效应

环渤海低平原区春玉米(L.)种植面积占玉米总面积的20%左右, 特别是近年来, 随着节水压采政策的实施, 小麦(L.)等耗水相对较多的作物种植面积得到压减, 冬闲田面积进一步增加, 为春玉米种植提供了更大空间。然而该区域春季干旱少雨, 在玉米大喇叭口期极易形成“卡脖旱”, 造成减产, 成为春玉米生产的主要限制因子[1-2]。针对春玉米生产问题, 多位专家根据不同地区特点开展了相关研究, 孔维萍等[3]研究了黄土高原地区春玉米全膜双垄沟播种植模式, 结果表明, 其耕层(0~20 cm)土壤含水率较传统种植模式显著提高5.39%, 且显著改善了土壤水温条件, 促进玉米出苗。孙仕军等[4]、任新茂等[5]研究了东北雨养地区玉米露地与覆膜条件下不同种植密度对春玉米产量和蒸散量的影响, 表明覆膜平均产量和水分利用效率较露地种植分别提高52.79%和60.55%。高翔等[6]从表层土壤温湿度、土壤呼吸和净碳交换规律及作物生长发育规律等方面对玉米覆膜种植开展了研究, 发现与露地处理比较, 覆膜处理全生育期表层土壤含水率提高18.7%, 提高地温1.67 ℃。胥凌霄等[7]研究了晋中半干旱地区不同垄沟种植模式对土壤理化性状及水分利用效率的影响, 与露地种植相比, 大垄小沟种植模式土壤平均含水量增加1.39%, 土壤孔隙度增加4%, 蓄水保墒效果最好且有机质增幅最大。

尽管一些专家[8-18]对玉米覆膜种植、垄沟种植等技术进行了研究, 但针对环渤海低平原区自然特点的春玉米旱作种植技术研究较少。本试验以增温集雨保墒、促苗早发、苗全苗壮为突破口, 通过研究起垄、覆膜、膜下、膜侧播种等不同种植模式对雨养春玉米产量形成及水分利用效率的影响, 确立该区域春玉米最佳种植模式, 为该地区玉米节水高产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2013—2015年在位于环渤海低平原区的河北省沧州市农林科学院前营试验站进行(116º44′3″E, 38º14′23″N), 属暖温带半湿润大陆性季风气候, 是典型的一年两熟旱作农业区。该区域年总降雨量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别为480.7 mm、254.9 mm和404.2 mm。土壤为壤土, 年均温13 ℃, ≥10 ℃积温4 349 ℃。0~20 cm土层有机质含量15.4 g∙kg-1, 碱解氮含量22.3 mg∙kg-1, 速效磷含量17.9 mg∙kg-1, 速效钾含量103.0 mg∙kg-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计, 主区为耕作方式, 分别为平作覆膜(FC)和垄作覆膜(RC), 起垄方式为垄宽70 cm, 垄高15~20 cm, 垄距40 cm; 副区为播种位置, 分别为膜下播种(SUF)和膜侧播种(FSS); 另设露地平作为对照(CK), 具体见表1。所有处理均采用宽窄行播种方式, 宽行距70 cm, 窄行距40 cm, 株距24 cm, 密度75 000 株∙hm-2。小区面积为8 m×5 m=40 m2, 3次重复。

表1 试验各处理概况

试验春玉米品种为‘郑单958’。2013年5月1日播种, 8月25—30日收获; 2014年4月25日播种, 8月26—31日收获; 2015年4月30日播种, 8月29日—9月3日收获(不同处理玉米成熟时间不同)。试验地播种前底施玉米缓释肥(肥力控24-16-10, 天津市天正天农业科技有限公司)600 kg∙hm-2, 利用沧州市农林科学院研制的起垄覆膜机械播种, 对照露地平作机械播种(农哈哈2BY-4玉米播种机), 播深3~3.5 cm, 在玉米心叶期每公顷用3%辛硫磷颗粒剂3.75 kg, 加入75 kg细砂拌匀, 施入心叶中, 其他管理方式同大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量与产量构成

2013—2015年玉米成熟后, 每小区选取中间无破坏行4行, 行长3 m测产, 用水分仪测定籽粒含水量, 按14%含水率折合成产量, 重复3次。每小区随机选取连续15株, 按常规方法测定穗粒数、百粒重等产量构成因素。

1.3.2 模拟降水试验

2016年9月在田间进行模拟降雨试验。种植模式设2个处理, 分别为1): 起垄覆膜, 垄底宽70 cm, 垄高15~20 cm, 垄距40 cm, 垄上覆宽为80 cm的地膜; 2): 空白露地(对照), 不做任何处理。模拟降雨量设5个处理, 分别是0 mm、5 mm、10 mm、15 mm和20 mm。共10个处理, 每个处理1个小区, 小区宽5.5 m(5个带), 长2 m。在玉米生长至五叶期开始人工模拟降水, 每间隔24 h取土样, 用烘干法测定不同降雨量下起垄覆膜垄沟位置和空白露地0~20 cm、20~40 cm土层的土壤含水量, 以测定集雨效果。

1.3.3 根系性状

每小区选择有代表性的植株, 连续4株96 cm长, 去除地上部分后, 挖出96 cm×30 cm×60 cm的样方, 测定根系分布范围的深度和宽度, 计数侧根条数(毛细根除外), 将全部根系烘干称重。

1.3.4 土壤温度

2013—2015年测定各处理不同时间(从春玉米苗期到成熟期每隔6 d)0~10 cm土层的土壤温度, 每个处理测定5个点, 利用WET-HH2土壤水分盐分温度速测仪测定。

1.3.5 抗倒伏力

2013—2015年每年春玉米成熟期每小区选取有代表性的植株, 连续5株, 使用植物倒伏仪(型号DIK-7401,日本)在距地面80 cm处推动玉米植株,记录植株与地面呈45度夹角时所需要的力, 即为植株的抗倒伏力。

1.3.6 水分利用效率(WUE)

2013—2015年利用水分平衡法, 根据不同时段土壤含水量测定结果, 按照以下公式[19]计算农田耗水量(ET):

ET=++--±Δ(1)

式中:为时段内灌水量(mm);为时段内有效降水量(mm);为地下水通过毛管作用上移补给作物水量(mm);为地表径流量(mm);为补给地下水量(mm); Δ为时段内土壤储水变化量, 即土壤贮水消耗量。本试验在旱地进行, 灌水量为零; 试验地地势平坦, 视为地表径流为零; 地下水埋深4 m以下, 可视为地下水补给量为零; 降水入渗深度不超过2 m, 可视深层渗漏为零,、、、值可以忽略不计。农田耗水量简化为ET=±Δ。

水分利用效率(WUE)[20]:

WUE=GY/ET (2)

式中: WUE为籽粒产量水分利用效率(kg·hm-2·mm-1), GY为籽粒产量(kg·hm-2), ET为农田耗水量(mm)。

在玉米种植前及收获后用烘干法测定1 m土体土壤含水量(0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm)。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据整理, 采用SPSS 16.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对春玉米生育时期的影响

由表2可知, 玉米覆膜比露地平作出苗提前2~4 d, 相同种植模式下膜侧播种比膜下播种出苗天数延长2 d。与CK相比, 平作覆膜侧播处理(FC-FSS)对营养生长期天数无影响, 垄作覆膜侧播(RC-FSS)可以缩短营养生长期2 d, 平作膜下和垄作膜下播种(FC/RC-SUF)均缩短营养生长期3 d。在平作(FC)模式下, 膜下播种(SUF)处理玉米营养生长期天数比膜侧播种(FSS)处理缩短3 d; 而在垄作(RC)模式下, SUF处理玉米营养生长期天数比FSS处理缩短1 d; 玉米覆膜后生殖生长期比露地平作延长2~9 d, 年际间趋势表现一致, 总体上表现为FC-SUF处理延长的天数最短(2~7 d), RC-FSS延长的天数最长(7~9 d)。在FC模式下, SUF处理玉米生殖生长期天数比FSS处理延长0~3 d; 而在RC模式下, SUF处理玉米生殖生长期天数比FSS处理缩短2 d。

表2 不同种植模式对春玉米生育期的影响

2.2 不同种植模式对春玉米产量的影响

表3表明, FC-SUF、FC-FSS、RC-SUF和RC-FSS分别比对照增产8.67%、11.69%、17.75%和24.97%, 达显著水平。FC和RC模式均显著提高了春玉米产量, 分别比对照增产10.2%和21.4%; RC模式比FC模式产量平均提高11.2%, 年际间趋势一致。另外, FSS比SUF产量提高5.12%。起垄覆膜侧播种处理表现出产量最高, 技术效果最优。

产量构成因素分析表明, 4种种植模式对春玉米穗数和百粒重无显著影响, 产量差异主要表现在穗粒数的变化。综合3年平均数据, RC模式和FC模式的穗粒数分别比CK增加17.5%和10.3%, 且RC种植模式比FC种植模式的穗粒数平均增加6.56%。

表3 不同种植模式对春玉米产量及产量要素的影响

同列不同字母表示不同处理间差异显著(<0.05), *和**分别表示0.05和0.01水平差异显著, ns表示无显著差异。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 不同种植模式对春玉米水分利用效率的影响

从表4可以看出, RC处理下春玉米水分利用效率比其他种植方式提高16.45%~34.30%; 其中3年RC-FSS种植方式比CK提高34.30%、21.47%和23.04%, 且均比其他种植方式水分利用效率高。在降雨较多年份(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较少的年份(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别增加7.24%、11.83%和11.84%。RC模式与CK处理比较均达到显著差异, 说明在雨养旱作区起垄覆膜种植方式能较大幅度提高水分利用率。

表4 不同种植模式对春玉米耕层土壤水分利用效率的影响

2013—2015年玉米全生育期的降雨量分别为480.7 mm、254.9 mm和404.2 mm。同列不同字母表示不同处理间差异显著(<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 起垄膜侧种植模式的集雨效果

由表5知, 与FC处理相比, RC-FSS具有显著的集雨效果。当模拟降雨分别为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm时, RC-FSS模式垄沟处0~20 cm土层的土壤含水量分别比CK增加4.04%、5.69%、6.36%和7.22%, 增幅分别为30.44%、41.81%、43.68%和47.66%, 其差异均达极显著水平; 20~40 cm土层的土壤含水量分别比对照增加2.31%、3.40%、4.63%和5.85%, 增幅分别为16.39%、23.50%、31.24%和38.01%, 其差异达极显著水平。RC-FSS模式下0~20 cm耕层的土壤含水量增加更明显。

2.5 不同种植模式的土壤增温效果

表6表明, 各覆膜处理比CK增温0.3~2.3 ℃。在FC模式和RC模式下, SUF处理比FSS处理耕层土壤温度分别提高1.13 ℃(<0.05)和1.28 ℃(<0.05), 以RC-SUF种植模式下增温最显著。随着生育时期的推进, 覆膜的增温效果逐渐下降, 以膜下播种的降幅最大。

表5 模拟降雨量下不同起垄膜侧种植模式不同土层的土壤含水量

不同字母表示不同模拟降雨量间差异显著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05) among different simulated rainfalls.

2.6 不同种植方式对玉米根系性状的影响

玉米成熟期分别测定根系分布直径、根系长、根系干重等。结果表明, 与露地平作相比, RC-FSS种植模式下根系分布直径、根系干重、侧根条数均达到显著水平, 但与根系长度差异不明显。因此, 起垄覆膜侧播种植模式可以促进根系发育, 特别是增加了根系直径和根系干物重, 这是其增产的重要原因(表7)。

2.7 不同种植模式对玉米抗倒性的影响

表8表明, 不同覆膜种植模式比较, 膜侧播种表现出明显的抗倒伏优势, 膜下播种抗倒性较差, 对照处理抗倒伏性最差。RC-FSS处理玉米抗倒伏性最好, 其倒伏率为0.9%, 抗倒伏力最大, 为29.4 N, 该处理与RC-SUF、FC-SUF及CK间差异均达显著水平, 与FC-FSS处理差异不显著。

表6 不同种植模式在春玉米不同生育期的土壤增温效果

同列同一年份不同字母表示不同处理间差异显著(<0.05)。Different letters within the same column in the same year mean significant differences (< 0.05).

表7 不同种植模式下春玉米成熟期的根系性状

同列不同字母表示不同处理间差异显著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05).

表8 不同种植模式对春玉米倒伏率和抗倒伏力

同列不同字母表示不同处理间差异显著(<0.05)。Different letters within the same column mean significant differences (< 0.05).

3 讨论

环渤海低平原雨养旱作区, 春季地温低, 雨水少, 传统的春玉米种植方式受播种时气温、地温、墒情等因素的影响, 常出现苗不齐、苗不壮、发苗慢等现象。受5、6月干旱少雨影响, 在春玉米需水需肥关键时期大喇叭口期形成“卡脖旱”, 造成减产, 严重制约了该地区的春玉米生产[1-2]。

张晓辉[21]研究表明, 地膜覆盖技术不仅能够提高土壤温度, 减少土壤水分蒸发, 改善土壤的水热条件, 提高土壤生物活性, 抑制返盐和杂草生长等, 还能促进作物生长发育和丰产早熟。王耀林等[22]和马金虎等[23]研究证明, 利用地膜覆盖种植玉米, 增产幅度达30%~60%, 可获得较高的经济效益。因此, 地膜覆盖技术已经成为旱作农业生产中协调水热资源重要栽培措施之一[24]。本研究结果表明, 覆膜播种能提高土壤温度、水分, 改善土壤的水热条件, 对玉米株高、叶面积、干物质积累均有促进作用, 通过增加穗粒数、百粒重来提高籽粒产量, 这与前人研究结果基本一致。

此外, 本研究还明确了环渤海低平原雨养旱作区不同覆膜播种模式的技术效果, 确定了该区域采用起垄覆膜侧播的技术模式产量最高, 技术效果最优, 有效解决了玉米需水需肥关键时期大喇叭口期形成“卡脖旱”的问题。其原因主要是起垄覆膜膜侧种植模式有集雨效果, 使环渤海低平原雨养旱作区春季少量多次的无效降雨变为春玉米生长发育所需要的有效水分, 有效地改善了作物根区的土壤水分状况, 显著提高了水分利用率。采取起垄覆膜膜侧播技术, 解决了传统膜下播种技术土壤过松, 玉米生长后期遇雨易倒伏的难题, 提高了春玉米的稳产性。

4 结论

1)起垄覆膜种植模式能显著提高春玉米产量。起垄覆膜种植模式比平作覆膜种植模式增产11.37%, 其中, 起垄覆膜侧播技术比对照露地平作方式平均增产24.97%, 比起垄膜下种植平均增产13.3%。

2)起垄覆膜膜侧种植模式具有明显的集雨效果。起垄覆膜垄沟处0~20 cm土层的土壤含水量分别比对照增加30.44%、41.81%、43.68%和47.66%, 达极显著水平, 在RC-FSS模式下0~20 cm耕层的土壤含水量增加更明显。

3)覆膜种植能显著提高水分利用效率。与其他种植方式相比, 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%, 与产量的增产效果呈正相关。

4)起垄覆膜种植可有效促进根系发育, 显著降低春玉米倒伏率。与CK相比, RC-FSS种植模式下, 根系分布宽度、侧根条数和根系干重均显著增加, 同时增加了春玉米的抗倒性。起垄覆膜侧播处理的抗倒伏力最大, 为29.4 N, 倒伏率仅为0.9%。

5)根据本研究形成的起垄覆膜侧播种植模式, 具有显著的集雨保墒、促根壮苗、抗倒伏、稳产增产的作用, 可有效缓解环渤海低平原区春玉米种植中春季地温低、苗期降水少所带来的生产难题, 在该区域春玉米生产中具有广阔的应用前景。

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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).

*国家科技支撑计划项目(2013BAD05B0504)和国家重点研发计划项目(2016YFD0300305)资助

阎旭东, 主要从事旱地作物栽培技术的研究。E-mail: yxd7826@126.com

阎旭东, 王秀领, 徐玉鹏, 王伟伟, 肖宇, 刘振敏, 黄素芳, 岳明强. 旱地春玉米不同覆膜种植模式的增产效应[J]. 中国生态农业学报, 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