不同灌溉模式下夏玉米产量形成特点

吕丽华 董志强 梁双波 张经廷 张丽华 贾秀领

(农业部华北地区作物栽培科学观测实验站, 河北省农林科学院粮油作物研究所, 河北 石家庄 050035)

华北平原夏玉米产量在10 500～12 000 kg·hm-2时, 需水量在350～400 mm[1-3], 而同期河北山前平原平水年型降水量仅为277 mm, 缺水100 mm左右[2], 并且该区降水与作物需水存在一定的时空差异, 一般需要灌溉。而当前水资源供需矛盾日益紧张的情况下, 如何高效利用有限水资源，采用何种灌溉技术是一个广受关注的课题[4]。

崔远来[5]认为综合集成单项技术是新的农业科技革命的一个重要特点, 现有技术的集成, 有利于创新，有利于技术的进步。本研究组自2012年开始进行了玉米管灌和微喷灌水肥运筹、密度、播期收获期搭配等试验的对比研究, 研究集成了夏玉米管灌和微喷灌技术模式。微灌水肥一体化作为一种高效节水灌溉技术, 与传统的灌溉方式相比, 能有效控制灌水定额, 降低表层土壤容重, 抑制土壤养分下渗, 改善作物的生长环境[6-8]；还可提高叶面积指数和光合强度[9], 提高籽粒的灌浆速率[10], 从而提高籽粒产量和水分利用效率[11-12]。

目前，玉米栽培方向主要集中于单项技术的研究，包括播期[13]、密度[14]、水肥耦合[15]等方向，关于微灌水分试验主要集中于灌水量在冠层的空间分布[16-17]、微灌不同灌水量对产量形成和水分利用效率的影响等方面[18-20], 但把灌溉与其他栽培技术集成, 对微喷灌和管灌两种优化的集成模式综合分析的研究鲜有报道。本文重点分析了2个密度下微喷灌和管灌2种集成模式的产量性状以及相关生理生态指标的变化, 以期明确不同灌溉集成模式下玉米增产潜力及有关生理特性, 为玉米节水高产栽培实践提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

自2015—2016年在河北省农林科学院粮油作物研究所藁城堤上试验站进行田间试验。该区属华北太行山山前平原区(38°41′N, 116°85′E), 年均降雨量484 mm。0～20 cm土壤含全氮含量0.97 g·kg-1、有机质15.5 g·kg-1、全磷2.2 g·kg-1、有效磷19.5 mg·kg-1、碱解氮72.7 mg·kg-1、有效钾91.0 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用灌溉及施肥方式、密度、收获期再裂区设计, 灌溉方式为主区, 密度裂区，收获时间为再裂区, 3次重复, 随机排列, 小区面积8.4 m×5.9 m=49.56 m2,行距60 cm, 玉米品种为郑单958。设置2种集成灌溉模式, 微喷灌溉和管灌；设置2个种植密度, 6.3万株·hm-2和7.8万株·hm-2；设置2个收获时间, 9月25日和10月3日。冬小麦收获后, 夏玉米免耕播种, 播后灌溉, 生育期灌水量、灌水时期见表1, 降水量见表2。施肥量N∶P2O5∶K2O=12∶2.9∶5.8, 施入沃夫特水溶性复合肥720 kg·hm-2(含N 25%、P2O56%、K2O 5%)、硫酸钾100.8 kg·hm-2(含K2O 50%)。管灌处理于出苗期一次性开沟施入, 生育期间不进行追肥；微喷灌处理沃夫特复合肥于出苗期、11展叶期和吐丝期按35%、45%和20%施入, 硫酸钾出苗期和11展叶期按67%和33%施入。微喷带为并列斜5孔、孔径0.8 mm，喷射角范围45°～70°,带宽40 mm，微喷带铺设间距1.8 m；管灌模式采用PE软管灌溉, 即每个小区用2根直径为63 mm软管(软管间隔2.5 m)输送至小区中部。处理间设1.0 m宽隔离带。管灌模式灌水量以小区自然灌满为标准。2015年和2016年分别于6月18日和6月15日播种。

1.3 测定方法

叶面积指数：在拔节期、12展叶期、吐丝后5～7 d、灌浆中期和成熟期，分别选择有代表性的植株4株, 测定叶片长和宽。根据公式计算叶面积和叶面积指数(LAI)：单叶叶面积=叶宽×叶长×系数, 系数为0.5～0.75, 即未展开叶片数量为n, 则展开叶(m)系数为a=0.75, 未展开叶(m+1)系数为b=a-(0.75-0.5)/n, 未展开叶(m+2)系数为c=b-(0.75-0.5)/n,依次类推；LAI=单位土地面积内株数×单株叶面积/单位土地面积。

穗位叶SPAD：采用SPAD-502叶绿素仪于吐丝后5～7 d、灌浆中期和成熟期分别测定穗位叶SPAD值, 每个小区测定6株。

表1 2个灌溉模式灌水时期及灌水量/mm

表2 夏玉米生育期间降水量/mm

作物生长速率(CGR，g·m-2·d-1)=(W2-W1)/A(t2-t1),W1和W2分别表示时间t1和t2时单位面积的干物重,A表示土地面积[21]。

抗倒伏指数、穿刺强度：在灌浆中期每小区选取5株代表性样株, 采用YYD-1 微电脑茎秆强度测定仪测定基部2～5节长度、穿刺强度和机械强度, 同时测定植株重心高度, 记录数值。穿刺强度和机械强度单位为N。抗倒伏指数=机械强度/重心高度。

土壤含水量：于2015年7月13日和2016年8月12日取土, 测定0～120 cm土层土壤水分含量, 以20 cm为一个土壤层次。测定湿重后烘干称重。土壤含水量(%)=(湿重-干重)/干重×100。

产量及产量构成：每小区收获玉米3行(每行5.9 m), 称所有果穗总鲜重, 按平均鲜穗重从所收果穗中随机选取20穗, 风干后测定穗粒数, 脱粒, 称重, 测定千粒重和籽粒产量, 同时采用谷物水分测定仪测定含水率, 计算实际产量和千粒重 (按14%折算含水率)。

经济系数=成熟期籽粒产量/生物产量

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003处理数据,DPS 7.05统计分析软件对试验数据进行方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下玉米植株抗倒伏指数和穿刺强度

通过测定基部茎节的穿刺强度和抗倒伏指数可知(图1), 微喷灌水肥一体少量多次的施肥灌溉能明显增加茎秆的强度和韧度, 茎秆质量得到提高, 其穿刺强度和抗倒伏指数大多高于管灌。2015年结果表明, 高密度条件下微喷灌处理基部第二节抗倒伏指数显著高于管灌, 较管灌高24.3%，其他几节与管灌差异不显著。低密度下基部第二至第四节抗倒伏指数均显著高于管灌, 较管灌处理平均高11.6%。穿刺强度同样表现为低密度处理差异较明显, 基部第二至第五节微喷灌较管灌平均高20.2%,而高密度下仅基部第三节表现为微喷灌处理较高。2016年高密度条件下微喷灌处理第二和第四茎节、低密度下第二和第三茎节的抗倒伏指数显著高于管灌, 分别较管灌处理高5.9%和9.7%；穿刺强度2种灌溉方式差异较大, 高密度和低密度条件下微喷灌较管灌分别高38.0%和19.3%。

另外, 微喷灌模式高密度处理基部茎节的抗倒伏指数高于管灌低密度处理或与之相当, 2015年基部第二至第五茎节抗倒伏指数分别较管灌低密度处理高27.3%、14.9%、14.3%和11.5%, 2016年基部第二和第四茎节分别高4.9%、4.0%。说明微喷灌模式下可适当增加种植密度, 而其茎秆质量不会受到明显影响。

2.2 不同灌溉模式对玉米叶面积指数(LAI)的影响

LAI受灌溉方式影响明显(图2)。2015年高密度下除9月25日外、低密度下除9月3日和25日外, 微喷灌处理LAI均显著高于管灌, 高密度和低密度分别平均高13.8%和14.6%。2016年微喷灌LAI显著高于管灌, 高密度和低密度分别平均高23.1%和28.8%。不同生育阶段存在差异, 拔节期(2015年7月17日和2016年7月16日)微喷灌较管灌LAI增加明显, 2015年和2016年分别增加了30.2%和44.2%, 但随生育进程的推进, 微喷灌和管灌LAI差距缩小, 2015年9月25日微喷灌和管灌LAI相当, 2016年9月25日微喷灌较管灌LAI高22.1%。可见，微喷灌LAI高于管灌, 差别较大的时期主要是拔节期, 且大多随生育期的推进LAI差距缩小。

注：1—第二节；2—第三节；3—第四节；4—第五节。不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。下同。Note: 1—second node;2—third node;3—fourth node;4—fifth node. Different letters mean significant differences among treatments at P<0.05 level. The same below.图1 不同灌溉模式对玉米植株抗倒伏指数和穿刺强度的影响Fig.1 Effects of different irrigation modes on plant lodging resistance index and puncture strength

图2 不同灌溉模式对玉米LAI的影响Fig.2 Effects of different irrigation modes on LAI

2.3 不同灌溉模式对玉米穗位叶叶绿素含量(SPAD值)的影响

灌溉方式对穗位叶SPAD值的影响2年变化趋势不同。2015年高密度条件下, 8月14日至9月18日穗位叶SPAD值微喷灌与管灌相当, 但成熟期表现为管灌处理叶片SPAD值降低较快, 微喷灌穗位叶SPAD值较管灌高4.9%；低密度条件下9月3日至9月18日均表现为微喷灌穗位叶SPAD值显著低于管灌, 平均低6.0%, 但8月14日和9月25日穗位叶SPAD值差别不明显。说明微喷灌处理生育后期优势较为明显, 叶片SPAD值降低较慢, 明显缓解了叶片衰老, 使后期叶片的光合活性高于管灌。2016年趋势不同, 高密度条件下微喷灌SPAD值显著高于管灌, 较管灌平均高5.3%～5.9%, 而低密度条件下二者相当(图3)。

各时期穗位叶SPAD值平均，微喷灌模式高密度处理与管灌低密度处理相当, 尤其是2015年8月14日至9月18日较管灌低密度处理仅平均低1.6%, 而9月25日成熟期高出3.7%；2016年8月13日较管灌低密度处理高1.2%, 9月22日仅低1.0%, 差异不大。

2.4 不同灌溉模式对玉米作物生长速率(CGR)的影响

微喷灌处理CGR大多显著高于管灌处理(图4)。2015年高密度条件下微喷灌处理各生育阶段CGR均显著高于管灌, 平均高10.1%；低密度条件下除12叶展至吐丝期外,其余时期微喷灌CGR明显高于管灌, 平均高26.3%, 差别最大的时期出现在6～12展叶期, 相差28.2%。2016年CGR变化趋势稍有差异, 高密度条件下除吐丝-灌浆中期外, 其他生育阶段微喷灌CGR均显著高于管灌, 平均高9.0%；低密度下各生育阶段微喷灌CGR均高于管灌, 平均高25.6%, 差别较大的时期出现在播种～12叶期和灌浆中期～成熟期, 分别相差31.7%和39.4%。说明, 微喷灌处理CGR较高, 尤其是生育后期其植株生长较快, 干物质积累速率较快。

另外, 微喷灌模式高密度处理CGR明显高于管灌低密度处理, 2015年除12展叶～吐丝期外, 其他生育阶段CGR分别较管灌低密度处理高79.6%和29.0%；2016年4个生育阶段CGR较管灌低密度处理分别高37.7%、24.5%、25.7%和24.3%。

2.5 不同灌溉模式对土壤水分含量的影响

2015、2016年开花期灌水前均进行了土壤干旱程度调查。由图5可见, 2015年不同密度条件下管灌和微喷灌处理土壤含水量变化大致相同, 高密度条件下0～40 cm浅层土壤含水量为微喷灌显著高于管灌, 平均高5.9%, 而40～100 cm土层正好相反, 微喷灌显著低于管灌, 平均低14.9%；低密度下浅层0～20 cm土壤含水量为微喷灌显著高于管灌, 20～40 cm差别不大, 而40～100 cm则表现为微喷灌低于管灌, 平均低10.6%。2016年高密度和低密度条件下0～60 cm土壤含水量均表现为微喷灌高于管灌, 分别高12.5%和20.2%, 而60～100 cm 2种灌溉方式相当。可见, 微喷灌水肥一体主要改善了上层土壤的水分状况, 土壤含水量高于管灌, 而下层土壤水分低于管灌或与管灌相当, 可能是其在一定程度上增加了对深层土壤水的利用, 尤其在降水较少的2015年趋势更为明显。

图3 不同灌溉模式对穗位叶SPAD值的影响Fig.3 Effects of different irrigation modes on SPAD values of ear leaf

注：1—6叶～12叶；2—12叶～吐丝；3—吐丝～成熟期有；4—播种～12叶；5—吐丝～灌浆中期；6—灌浆中期～成熟。Note: 1—6 leaf～12 leaf;2—12 leaf～silking;3—silking～mature;4—sowing～12 leaf;5—silking～filling;6—filling～mature.图4 不同灌溉模式对玉米作物生长速率(CGR)的影响Fig.4 Effects of different irrigation modes on CGR

2.6 不同灌溉模式对产量及产量构成的影响

不同灌溉方式比较, 2015年微喷灌和管灌处理间产量差异不显著(表3)，但微喷灌模式低密度处理增产效果更大, 其中早收和晚收处理分别较管灌模式高5.1%和7.2%(表3)；而2016年微喷灌模式产量显著高于管灌模式(表3)，且该模式高密度处理增产效果更好, 早收和晚收处理分别较管灌模式高6.0%和10.8%, 微喷灌模式产量较高主要由于其千粒重显著较高。推迟收获期有显著的增产效果，2015年微喷灌和管灌晚收获处理较相应的早收处理平均分别增产12.6%和9.7%，且该年份灌溉方式和收获时间表现出更为明显的互作效果(表4)；2016年高密度下微喷灌和管灌晚收处理较相应的高密度早收处理分别增产6.9%和2.3%, 说明玉米收获越晚，玉米微喷灌模式的增产效应更能充分发挥, 该模式产量较高同样由于其千粒重显著较高。增加密度提高玉米产量效果显著, 总体2015年和2016年平均通过增加密度实现增产分别为11.0%和5.2%, 增产因素来自群体的增加, 穗粒数与千粒重有所下降。

采用水肥一体化灌溉技术、增加密度以及延迟收获时间对玉米有较明显的增产效果(表3)。2年数据平均, 以管灌方式下低密度早收获处理为对照, 通过水肥一体化灌溉技术可实现5.8%的增产, 在此基础上通过增加种植密度可实现4.7%的增产, 再加上推迟收获时间又可实现11.2%的增产；三种技术综合应用可实现增产23.3%。说明通过采用微喷灌+高密度+延迟收获时间的集成技术, 可充分发挥玉米的增产潜力。

3 讨 论

土壤含水量直接影响作物的生长状况[22]。李英等[23]研究表明喷灌处理玉米土壤各层水分分布较为均匀, 本研究结果2016年土壤含水量变化趋势与其研究结果一致, 但在严重干旱的2015年, 表现为微喷灌处理各土层含水量变化幅度较大；并且2015年0～40 cm土层、2016年0～60 cm土层微喷灌模式土壤含水量高于管灌模式, 而下层正好相反, 可见, 微喷灌水肥一体化技术主要改善了根系活动层土壤的水分状况, 而下层土壤水分低于管灌或与管灌相当, 一定程度增加了对深层土壤水的利用, 与白玲晓[24]研究结果一致。

注: 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: different small letters in the same column mean significant differences among treatments atP<0.05 level.

玉米要获得稳产高产就必须依靠灌溉[25-26]。灌溉可减轻由于降水时间分布不均造成的作物阶段干旱, 低量和中量灌溉可明显提高玉米产量和水分利用效率, 并且有限的灌水用在水分最敏感的时期是获得高产高效的有效途径[27]。前人研究表明, 在玉米整个生育期内, 有2次需水高峰期, 即拔节至大喇叭口期和抽雄至吐丝期[3,28]。本研究中管灌采用农民常规的一次性施肥方式, 而微喷灌采用水肥一体化三次灌水施肥(播后+大喇叭口期+吐丝期), 后者使玉米植株生长较快, LAI明显高于管灌, 尤其是生育前期和中期LAI差别较大；并且生育后期微喷灌模式叶片SPAD值降低较慢, 其叶片的光合活性高于管灌, 因此生育后期该模式仍保持较高的CGR, 增加玉米生物量,提高玉米千粒重,实现玉米增产,且收获越晚，玉米微喷灌模式的增产效应越大, 与任丽雯等[29]的研究结果一致。另外微喷灌模式高密度处理基部茎节抗倒伏指数、叶片SPAD值和CGR大多优于管灌低密度处理或与之相当, 说明微喷灌溉方式下可适当增加种植密度, 且密度的增加不会使茎秆质量、叶片SPAD值和CGR等指标变差。

表4 裂区试验产量方差分析

注：处理A-灌溉方式；处理B-密度；处理C-收获时间。Note: A-irrigation mode; B-density; C-harvest time.

本课题组经3年的研究, 形成了玉米微喷灌集成技术模式, 主体技术包括3方面(微喷灌水肥一体化技术+增加密度+延迟收获时间), 该技术模式对玉米有较明显的增产效果。以管灌低密度早收获处理为对照, 水肥一体化灌溉技术可实现5.8%的增产；采用该技术后显著提高了玉米的抗倒伏能力, 降低了高密群体玉米的倒伏风险, 使微喷灌模式下增加种植密度成为增产的另一个技术途径, 本研究通过增加种植密度又可实现4.7%的增产；另外本课题组2016年底曾对该区7村140户进行入户调查, 农户平均玉米收获时间为9月22日, 收获时间较早, 而在前两项技术的基础上再推迟收获时间至10月3日又可实现11.2%的增产；3种技术综合应用可实现增产23.3%。说明采用微喷灌+高密度+延迟收获时间的集成技术, 可充分发挥玉米的增产潜力。

4 结 论

玉米微喷灌集成技术模式包括微喷灌水肥一体化技术、增密技术和延迟收获期技术，3种技术综合应用可实现增产23.3%, 其中增加密度和延迟收获时间对产量贡献较大，紧凑型玉米品种密度可设置7.8万株·hm-2左右，收获日期可推迟至10月3日以后。该技术模式较微喷灌技术、增密技术、延迟收获期等单项技术增产优势更为明显，可充分发挥玉米的增产潜力。该模式的优点：改善了根层土壤的水分状况，使玉米生育前中期LAI较高, 生育中后期绿叶持续期较长, CGR较高；增加了高密度下茎秆强度，提高了玉米抗倒伏能力。该模式的缺点：当前该区域农民习惯的玉米收获时间为9月22日左右, 较早的收获习惯使该技术模式的推广还存在一定的难度；当前微喷灌系统配套农机设备较少，并且田间微灌系统安装、运行、保养的技术要点尚不明确，这些问题的解决是该项技术模式推广应用的前提。