两种轮作模式下垄沟覆膜夏玉米适播密度的研究

李鹏宇，李援农，谷晓博，方 恒

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

玉米是我国第一大粮食作物，同时又是重要的饲料粮和工业原料，加强玉米生产对保障国家粮食安全意义重大[1-2]。西北地区是我国玉米主要产区之一，但是该区降水稀少，加之管理粗放，限制了玉米产量的提高[3-4]。垄沟集雨栽培结合地膜覆盖可显著提高夏玉米的水肥利用效率，进而提高夏玉米产量[5]。研究表明，气温是影响玉米生育期的主要因素，适期早播可延长玉米生育期，增加有效积温[6]；薛庆禹等[7]的研究发现早播夏玉米叶面积指数、干物质量和产量均高于晚播夏玉米。但是，玉米产量的提高不仅在于改良种植方式、充分利用灌溉及降水资源和确定合适的播期，合理密植同样关键。研究表明，适宜的种植密度不仅能提高玉米冠层光合效率，增加产量[8]，同时还能提高经济效益[9]。前人关于夏玉米种植密度的研究主要基于冬小麦-夏玉米轮作模式，但是随着北方冬天气温不断升高，油菜种植区呈现“北移西扩”趋势，北方冬油菜种植面积增加[10]，冬油菜与北方传统作物夏玉米轮作模式的可研性越来越高。冬小麦和冬油菜生育期不同，进而导致2种轮作模式下夏玉米的播种时间有所不同，并且目前国内对夏玉米适播密度的研究主要基于平作种植，针对垄沟集雨覆膜栽培夏玉米适播密度的研究较少。因此，针对2种轮作模式下垄沟集雨覆膜栽培夏玉米适播密度的研究对合理利用水、土、热资源具有重要的理论与现实意义。

本文基于田间试验，通过分析比较不同种植方式、密度和播期对夏玉米土壤水分、土壤温度、根系及地上部分生长、穗部性状及产量的影响，以期确定2种轮作模式下垄沟集雨覆膜栽培夏玉米的最适播种密度。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年5—10月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室试验站进行。该区位于108°04′E、37°17′N，属暖温带季风半湿润气候区，海拔高度521 m，全年无霜期210 d，年均日照时数2 163.8 h，年均气温13℃，年均降水量632 mm，多年平均蒸发量1 500 mm。试验田土壤为中壤土，0～40 cm耕层田间持水率为24%(质量含水率)，凋萎含水率为8.5%(质量含水率。播前取0～40 cm耕层土壤测得基本理化性质为：有机质13.2 g·kg-1,全氮0.91 g·kg-1，硝态氮69.71 mg·kg-1，速效磷25.63 mg·kg-1，速效钾130.96 mg·kg-1，pH 8.13。

1.2 试验设计

供试玉米品种为‘郑单958’；试验用塑料地膜宽60 cm，厚0.01 mm。试验用氮肥为尿素(N≥46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5≥16%)，钾肥为农业用硫酸钾(K2O≥51%)。

试验采用裂区设计。当地冬油菜收获后的第3d(5月28日)设置为第一播期(B1)，当地冬小麦收获后的第3d(6月15日)设置为第二播期(B2)；垄沟集雨覆膜处理密度设3个水平：5万株·hm-2(M1，株距40 cm)，7.5万株·hm-2(M2，株距26.7 cm)和10万株·hm-2(M3，株距20 cm)，并设平作不覆膜5万株·hm-2(CK)作为对照。试验共设2个播期(B1、B2)，每个播期4个处理(M1、M2、M3、CK)，每个处理3次重复，共24个小区，小区面积20 m-2(4 m×5 m)，各小区完全随机排列。

前茬作物收获后深翻，平整土地。其中垄沟集雨种植方式下垄宽50 cm，沟宽50 cm，垄高20 cm，玉米植于垄两侧；平作和垄沟集雨种植夏玉米行距均控制为50 cm，通过调控株距来控制种植密度。播前1 d基施氮肥180 kg·hm-2(纯N)，磷肥120 kg·hm-2(纯P2O5)，钾肥90 kg·hm-2(纯K2O)后挖沟起垄，划分小区。田间管理与当地高产田一致。第一播期于2019年5月28日播种，9月19日收获(收获后可正常播种冬油菜)，全生育期为115 d；第二播期于2019年6月15日播种，9月29日收获(收获后可正常播种冬小麦)，全生育期为107 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤储水量 采用土钻取土105℃烘干的方法，测定各处理播种、收获时0～200 cm土壤，以及播种后每30 d左右0～100 cm土壤的储水量。于每小区沟中间及平作玉米行间随机取3个测点，沿深度方向每10 cm取1个土样。并计算土壤储水量、作物耗水量和水分利用效率[11]。

1.3.2 土壤温度 用曲管地温计(插在每小区中间行的沟中间)分别于8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00测定各小区5、10、15、20、25 cm土层深度下的土壤温度，求得其平均值作为该日0～25 cm土层的平均土壤温度。自播种之日起每15 d左右测定1次。

1.3.3 根系取样及测定 于灌浆期(第一播期为8月3日，第二播期为8月17日)，在各小区随机选取夏玉米3株，去除地上部分及气生根，用直径为9 cm的根钻在距玉米根茎0 cm处，沿深度方向向下每10 cm取一个土样，共取至60 cm。将土样过筛网冲洗，剪下侧根，并将侧根分层装袋。用EPSON Perfection V700 和WinRHIZO Pro软件对根系进行扫描和分析，获得根长(cm)、根表面积(cm2)和根体积(cm3)等数据，最后将根系于75℃烘至恒重，获得不同土层的根系干质量(g)。

1.3.4 株高、茎粗、叶面积指数和地上部干质量 于灌浆期(第一播期为8月3日，第二播期为8月17日)，在各小区随机取夏玉米3株，用卷尺测定株高(cm)，游标卡尺测定茎粗(mm)。叶面积采用Montgomery(1911)法(简称蒙法)，计算公式为：单叶面积(m2)=叶长(m)×最大叶宽(m)×0.75，累加得单株总叶面积。叶面积指数(m2·m-2)=单株总叶面积(m2/株)×每平方米株数(株·m-2)。将茎、叶、果分开，放入烘箱105℃杀青30 min后于75℃烘至恒重，地上部干物质量为各器官干物质量之和。

1.3.5 产量 夏玉米成熟后，每小区取中间一行连续10株玉米，自然风干后，测定穗行数、行粒数、百粒重(g)(75℃烘至恒重)等产量性状。玉米产量换算成含有14%籽粒含水率的单位产量(kg·hm-2)。

1.3.6 收获指数 收获指数=玉米籽粒产量(kg·hm-2)/地上部干物质量(kg·hm-2)。

1.3.7 气象数据 包括日最高气温、日最低气温、日均温、日照时数、降水量等。(气象数据由西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室灌溉试验站提供)并计算有效积温[12]。

1.4 数据分析

分别采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据整理和方差分析，多重比较采用Duncan新复极差法，显著性水平为p<0.05，采用Origin 2020 b软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤储水量的影响

不同处理0～100 cm深度土层的土壤储水量动态变化见图1。结合气象数据分析可知，不同处理的土壤储水量变化受降雨影响较大。由于5—9月份出现多次较为集中的降雨，因此2个播期的土壤储水量均呈现波动性的变化。B1播前一周内有较多降水，因此初始土壤储水量高于B2。

垄沟集雨覆膜可显著提高夏玉米生育前期(0～45 d)的土壤储水量。在第15天，覆膜处理夏玉米的土壤储水量不具有显著性差异，但均显著高于CK；其中B1夏玉米苗期(15 d)M1、M2、M3平均土壤储水量较CK高30%～40%。在B1的第75天，B2的第60天和第75天，M1和CK不具有显著性差异。原因可能有两个，一是长时间降水稀少，垄沟覆膜的集雨保墒效果不明显；二是覆膜夏玉米长势良好，灌浆期叶面积指数较大，蒸腾量更大。

密度对土壤储水量的影响在夏玉米的生育的第30天后逐渐显现出来，密度越大土壤储水量越小。在2个播期的30 d(拔节期)，M1、M2和M3开始出现显著性差异。可见，在30 d前，夏玉米植株矮小，土壤水分通过植株的蒸腾散失少，不同密度处理间土壤水分差异不显著；在30 d后，夏玉米进入生长旺盛的拔节期，土壤水分通过植株蒸腾散失增加，不同密度处理间土壤储水量开始出现显著性差异。2个播期的105 d(成熟期)，M1略大于M2和M3但差异性不显著；B1的M1、M2、M3均显著大于CK；B2的M1和M2显著大于CK，B2的M3虽大于CK但差异不显著，这一时期土壤储水量的改变主要来自于降水和土壤水分的蒸发。

不同处理下夏玉米全生育期不同深度土层的平均土壤储水量差异显著(图2)。覆膜可显著提高夏玉米0～20 cm浅层土壤的土壤储水量。B1和B2夏玉米，M1、M2和M3处理0～20 cm土层土壤储水量较CK平均提高3.5%～11.4%和4.9%～10.6%。20～40 cm和40～60 cm土层深度内，M1均显著大于CK，但M2、M3和CK之间的差异性不显著。种植密度越大，土壤储水量越小，各土层土壤储水量均表现为M1>M2>M3。其中，40～60 cm土层B1和B2夏玉米M3处理土壤储水量均显著小于CK。

2.2 不同处理对土壤温度的影响

不同处理0～25 cm深度内的平均土壤温度随夏玉米生育进程的变化趋势见图3。结合气象数据分析可知，0～25 cm深度内的平均土壤温度受大气温度的影响较大。B1土壤温度先逐渐升高，后逐渐降低；B2土壤温度逐渐降低，受气温影响至90 d达到最低，后又略微升高。造成B1和B2土壤温度变化趋势不同的原因是：B1比B2早18 d播种，B1播种时大气温度较低，因此0～25 cm平均土壤温度也较低。

覆膜可显著提高夏玉米生育前期土壤温度，促进玉米种子萌发，有利于苗期及拔节期生长，进而提高玉米产量。B1和B2苗期(15 d)M1、M2、M3处理0～25 cm平均土壤温度比CK分别高1.6～2.7℃和3.0～3.6℃。B1在45 d前，B2在30 d前M1、M2、M3显著高于CK，之后各处理间的差异不显著。这主要是因为夏玉米生育中后期，覆膜处理长势更好，郁闭度更大，截获的太阳光也更多，覆膜的增温效果不明显[13]。造成B1和B2地温趋势改变时间不同的原因是，B1(早播)夏玉米苗期时间更长，郁闭度增加较B2缓慢，因此覆膜的有效增温天数也更长。

种植密度越大，土壤温度越低。B1在15 d后土壤温度表现为M1>M2>M3,其中第30d，M1比M2、M3和CK分别高1.5℃、2.7℃和5.0℃；密度对B2各处理土壤温度的影响较B1不明显。

2.3 不同处理下夏玉米灌浆期的生长特征

2.3.1 夏玉米灌浆期地上部生长特征 灌浆期是夏玉米进行生殖生长并决定产量的关键时期，现以灌浆期为例分析不同处理对夏玉米地上部生长的影响(表1)。垄沟覆膜可显著提高夏玉米灌浆期的株高、茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干质量。B1和B2夏玉米的株高、茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干质量均表现为M1>CK，且达到显著性差异。

表1 夏玉米灌浆期株高、茎粗、叶面积指数和地上部干物质量

种植密度对夏玉米的茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干质量有显著影响，但对株高的影响不显著。密度越大，夏玉米茎粗越小。B1和B2夏玉米茎粗均表现为M1>M2>M3，其中M1均显著大于M3。单株叶面积随密度的增大而减小，叶面积指数和地上部干质量随密度的增大而增大，其中B1M3处理有最大的叶面积指数和地上部干质量，分别为6.31 m2·m-2和13.7 t·hm-2。

2个播期夏玉米的株高、茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干质量有较大差异。B2各处理株高比B1平均高21～46.1cm，但茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干质量均表现为B1>B2。

2.3.2 夏玉米灌浆期根系生长特征 发达的根系不但能提高夏玉米的抗倒伏能力，而且有利于其吸收土壤中的水分和养分，进而提高夏玉米产量。不同处理对夏玉米抽雄期0～60 cm土层总根长、根表面积、根体积和总根干质量的影响见表2。B1和B2各处理夏玉米根系特征参数均显著高于CK，说明垄沟覆膜可促进夏玉米根系发育；B1和B2夏玉米根系特征参数均表现为M3>M2>M1>CK，随着种植密度的减小，根系特征参数也逐渐减小。

表2 夏玉米灌浆期0～60 cm土层的根系特征参数

B1垄沟覆膜夏玉米较B2根系更加发达。不同播期的灌浆期覆膜处理夏玉米根系特征参数均表现为B1>B2。

不同处理对夏玉米灌浆期不同深度土层侧根长占0～60 cm土层总侧根长的百分比具有显著影响(图4)。侧根长百分比随土层深度的增加而减小，B1和B2各处理0～20 cm侧根长百分比分别为51.4%～70.9%和50.1%～70.4%，均大于50%。各处理0～20 cm土层侧根长百分比均表现为M1>M2>M3>CK，且表现出显著差异；但各处理20～40 cm和40～60 cm土层侧根长百分比表现为CK>M3>M2>M1。可见覆膜使夏玉米呈现浅根化趋势，且根系主要分布于0～20 cm深度土层，并且浅根化趋势随种植密度的增大而减小。

2.4 不同处理对夏玉米产量、产量构成及水分利用效率的影响

不同处理夏玉米的产量构成见表3。夏玉米不同处理间行粒数、穗长、穗粗和百粒重有较大差异。B1和B2的行粒数、穗长、穗粗和百粒重均表现为M1>CK，且达到显著性水平。可见垄沟覆膜可显著提高夏玉米的行粒数、穗长、穗粗和百粒重。

表3 夏玉米产量构成要素

种植密度对夏玉米的行粒数、穗长、穗粗和百粒重有显著影响。B1和B2行粒数、穗长、穗粗和百粒重均表现为M1>M2>M3，除B2M1和B2M2穗粗差异不显著外，其余均达到显著性水平。可见种植密度越大，夏玉米的行粒数、穗长、穗粗和百粒重越小。

播期对夏玉米的穗长、穗粗和百粒重有显著影响。除B1CK和B2CK差异不显著外，B1和B2覆膜处理在穗长、穗粗和百粒重上均表现为B1>B2；其中B1覆膜处理百粒重较B2平均高2.7%～16.9%。

垄沟覆膜可显著降低夏玉米耗水量，提高产量、水分利用效率和收获指数(表4)。B1和B2夏玉米覆膜较未覆膜(CK)处理，产量分别提高了67.2%～81.1%和39.4%～68.3%；耗水量分别降低了1.1%～4.8%和3.3%～7.2%；水分利用效率分别提高了75.7%～82.0%和50.2%～76.0%；收获指数分别提高了3.7%～20.2%和11.2%～28.6%。

B1各处理产量表现为M3>M2>M1>CK，但M3与M2差异不显著，与M1和CK差异显著；B2各处理产量表现为M2>M3>M1>CK，其中M2与M3、M1和CK均达到显著性差异。第一播期的B1M3处理产量和水分利用效率最高，分别为12 522.5 kg·hm-2和2.62 kg·m-3；第二播期的B2M2处理产量和水分利用效率最高，分别为11 492.0 kg·hm-2和2.52 kg·m-3。B1比B2各处理产量平均提高1.26%～21.4%，水分利用效率平均提高0.7%～17.7%。

表4 夏玉米产量、耗水量、水分利用效率及收获指数

3 讨 论

3.1 垄沟覆膜对土壤环境及夏玉米生长的影响

集雨种植能显著提高小于5 mm降水的利用效率[14]，改善土壤水分状况，在中国旱区农业中应用广泛[15]。研究表明，覆膜具有增温保墒的作用，在减少无效蒸发的同时促进有效蒸腾，进而提高作物水分利用效率[16-17]。本试验表明，垄沟集雨覆膜栽培可显著提高夏玉米生育前期0～25 cm土层平均温度和0～100 cm土层内的平均土壤含水量，降低全生育期耗水量1.1%～7.2%，提高水分利用效率50.2%～82.0%。但是夏玉米生育中后期覆膜的增温效果不显著，主要是因为覆膜夏玉米郁闭度更大，阻挡了更多的太阳光，这与殷涛等[13]和闫志山等[18]的结论一致。

垄沟集雨覆膜种植通过改善土壤水热状况，进而达到促进作物生长及增产的目的。本试验表明，覆膜夏玉米具有更大株高、茎粗、单株叶面积、叶面积指数和地上部干物质量，其中覆膜较露地(CK)产量平均提高39.4%～81.1%，收获指数提高3.7%～28.6%。同时，覆膜夏玉米具有更加发达的根系，这有助于作物对土壤中水分及养分的吸收。B1和B2灌浆期覆膜处理0～60cm土层的总根长、根体积、根表面积和总根干质量均显著大于CK。分析不同土层根长占0～60 cm土层总根长的百分比可知，M1处理0～20 cm根长百分比显著大于CK，表明覆膜使夏玉米呈现浅根化趋势，这与银敏华等[19]的结论一致。

3.2 种植密度对土壤环境及夏玉米生长的影响

过低的种植密度使得光、热、水资源得不到有效利用，而过高的种植密度使夏玉米群体透光率降低，消光系数增大，空杆和倒伏增加[20-21]。因此合理密植是通过协调玉米的库源关系，从而使玉米群体获得高产的关键[22]。本试验中，随着夏玉米种植密度的增加，0～1 m深土壤含水量和0～25 cm土层的平均温度降低，全生育期耗水量和根系特征参数增加。其中，密度每增加2.5万株·hm-2，灌浆期0～60 cm土层总根长平均增加和12.7%～18.6%。覆膜夏玉米呈现浅根化趋势的原因是，覆膜使得浅层土壤储水量增加。但随着种植密度的增加，土壤水分消耗增加，浅层土壤储水量减少，因此浅根化趋势也相应减小。同时，随着种植密度的增加，夏玉米灌浆期的茎粗和单株叶面积减小，株高、叶面积指数和群体地上部干物质量增大。

适当增加种植密度能弥补单株产量的降低，从而使群体获得较高产量[23-24]。本试验中，随着种植密度的增加，行粒数、穗长、穗粗和百粒重均逐渐降低。虽然密度的增加引起了单株产量的降低，但B1覆膜夏玉米产量随种植密度的增加而增大，在10万株·hm-2时获得最高产量；而B2覆膜夏玉米产量随播种密度的增加先增大后减小，在7.5万株·hm-2时获得最高产量。

董飞等[25]在山西临汾的试验研究表明，冬小麦-夏玉米轮作模式下，沟播夏玉米在7.5万株·hm-2时产量和水分利用效率最高；宁硕瀛[26]在陕西多个试验站的研究表明，正常播(6月14日)夏玉米在7.5万株·hm-2时获得最高产量。本试验与前人的研究结果一致，冬小麦-夏玉米轮作模式下夏玉米(B2)在7.5万株·hm-2时获得最高产量为11 492 kg·hm-2。虽然本试验中B1夏玉米随着种植密度的增加产量持续上升，但是当密度由7.5万株·hm-2增加到10万株·hm2时，产量及水分利用效率的增加并不显著。因此，当B1夏玉米密度继续增加时产量是否会继续增加或下降，仍有待进一步研究。

3.3 播期对气象因子及夏玉米生长的影响

大量研究表明，播期主要通过调节玉米生育期内日照时数、有效积温及平均温度等气象因子来影响玉米的生长发育及产量[27-28]。任佰朝等[29]研究发现播期对夏玉米生理成熟所需积温无显著影响。夏玉米适宜早播，能使其茎秆变粗，干物质量积累增加，株高、穗位高降低，同时灌浆时间延长[30]；随播期推迟，夏玉米生育期缩短，最大叶面积指数和地上部最大干物质量下降，产量降低[7]。本试验中，B1夏玉米全生育期内有效积温、日照时数、日平均温度和生育期天数均高于B2，其中有效积温比B2多153.2℃。B1夏玉米灌浆期株高降低，茎秆变粗，叶面积指数和干物质量积累增加，灌浆期日平均温度较B2高1.54℃。同时，同一密度下B1覆膜夏玉米百粒重较B2平均高2.7%～17.5%，产量平均提高3.7%～21.4%。有研究表明，百粒重的降低是影响晚播夏玉米产量的重要原因，由于早播夏玉米生育期延长，同时灌浆期光热资源更加充足，从而使玉米粒重增加，产量提高[31]。

4 结 论

1)垄沟集雨覆膜栽培可显著提高夏玉米的土壤含水量30%～40%以及生育前期的浅层(0～25 cm)土壤温度1.6℃～3.6℃。同时，覆膜夏玉米灌浆期有着更加发达的根系和更大的株高、茎粗、叶面积和地上干物质等。2个播期覆膜较未覆膜(CK)产量和水分利用效率平均提高39.4%～81.1%和50.2%～82.0%。

2)不同轮作模式下，夏玉米的最适种植密度不同。冬油菜-夏玉米轮作模式下夏玉米在垄沟覆膜10万株·hm-2时获得最高产量，为12 522.5 kg·hm-2；冬小麦-夏玉米轮作模式下夏玉米在垄沟覆膜7.5万株·hm-2时获得最高产量，为11 492 kg·hm-2。由于播期的提前，冬油菜-夏玉米轮作模式下，覆膜夏玉米的生长状况和产量均优于冬小麦-夏玉米轮作，并且适宜种植密度也相应提高。