绿洲灌区玉米干物质积累与产量构成对地膜覆盖方式的响应

何小七,殷文,苟志文,樊志龙,胡发龙,范虹,柴强

(甘肃农业大学农学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070)

玉米作为粮食、经济、饲料兼用的大宗作物之一[1]，其稳产高产技术是作物生产的永久课题[2].地膜覆盖作为旱农地区玉米生产不可或缺的农艺措施，极大地促进了玉米增产增收[1-3]，但地膜的大量投入使其残留日益严重[4]，加之不易回收，人工清减成本高，清理不彻底，导致农田系统地膜富集而带来严重“白色污染”[3-4]，对农田作业、作物生产和生态环境造成严重影响[5].研发地膜减投及循环利用技术，是农业健康发展的重要课题.

玉米减量化覆膜技术已有大量研究，节约型覆膜技术如半膜双垄沟播、膜侧沟播、秸秆地膜双覆盖和地膜两年用[6-8]等均显著降低地膜的投入量.而免耕地膜两年用技术减投效果最为明显[9]，2 a一个周期的耕作覆膜，极大地减少地膜的投入和人工回收成本，对农田系统和生态环境更友好[8-9].传统覆膜种植措施能明显提升干物质积累[10-11]，并向穗部转移，使“库”容增加，籽粒产量提升[12-13].研究发现，干物质积累和产量构成因子间相互协调与籽粒形成紧密相关，是作物产量形成的基础[11,14].也有研究发现，留膜留茬种植能提高玉米穗粒数和千粒质量，而使有效穗数降低[4]，全膜覆盖、秸秆地膜双覆盖措施均可显著增加千粒质量和穗粒数，从而实现增产[6-7].免耕地膜两年用是地膜覆盖再利用和免耕技术的有机整合，现有研究多针对该覆膜方式下节水增效和产量等表现，而关于玉米干物质积累特征及产量形成深入研究较少，因此进一步探讨该区不同地膜利用技术的干物质积累进程及产量构成对今后产量形成研究具有重要的理论和实践意义.

西北干旱内陆灌区是我国玉米优良主产区之一[14]，该区玉米种植广泛采用覆膜种植，而地膜的长期大量投入导致作物生产环境和农田生态恶化[8].本研究设置不同地膜覆盖方式，深入探讨不同处理各时期玉米干物质积累变化及产量形成的机制，为实现该区玉米地膜减量化高效生产稳产提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017～2018年在甘肃农业大学武威黄羊镇“绿洲农业科研教学基地”(N 37°30′，E 103°50′)进行.该区属寒温带干旱气候区，年平均气温7.3 ℃；≥10 ℃积温约3 000 ℃；年日照时数达2 945 h，光热资源丰富，是我国典型的玉米生产区.试区蒸发量大，玉米以覆膜种植为主，地膜投入大、成本高且潜在污染日益严重[8].

1.2 试验设计

本研究以2013年布设长期定位试验为基础，采用随机区组设计，设3种地膜利用方式：传统覆膜(CM)，即传统耕作每年覆新膜；少耕覆膜(RM)，即玉米成熟收割后不翻耕，翌年人工清捡回收残膜、旋耕镇压后覆膜；免耕地膜2 a利用(NM)，即玉米收割后免耕，地膜完整度在70%左右，来年免耕硬茬播种.共3个处理，每处理3次重复，小区面积6 m×8 m=48 m2.

供试玉米(ZeamaysL)品种先玉335，膜宽140 cm，膜厚0.01 mm.种植密度82 500 株/hm2，施纯氮360 kg/hm2(按基肥∶大喇叭口期∶开花后15 d=3∶5∶2分施)，施纯磷(P2O5)180 kg/hm2.全生育期灌水5次，于苗期、大喇叭口期各灌水900 m3/hm2，拔节期、开花期和灌浆期各灌水750 m3/hm2.其他管理措施同当地玉米高产田一致.播种日期分别为2017年4月25日和2018年4月20日，收获日期分别为2017年9月17日和2018年9月23日.

1.3 测定指标和方法

植株干物质：自出苗后15 d开始，每隔15 d取一次样，苗期到抽穗期各小区每次取样10株，抽穗后每小区取样5株，先于105 ℃下杀青1～2 h，后于80 ℃下烘至恒质量，称质量.

群体生长率：CGR=(w2-w1)/(t2-t1)；w1、w2和t1、t2分别为相邻两次干物质取样时植株干质量和测定时间.采用Logistic方程通过回归分析拟合玉米地上干物质积累动态，并计算其最大群体生长率及最大生长率出现时间[15].

产量及产量构成因素：成熟期每个小区随机取20株进行考种，测定穗粒数、千粒质量.在每个小区测产区域统计有效穗数，脱粒称质量，用谷物水分仪测定含水量，然后换算成标准含水量(14%)下的单位面积产量，并结合生物产量核算收获指数.

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2019整理和汇总数据，SPSS 19.0进行统计分析(Duncan法在α=0.05水平下)和通径分析.

2 结果与分析

2.1 地膜利用方式对玉米干物质积累的影响

2.1.1 玉米干物质积累动态 地膜利用方式对玉米全生育期干物质积累有显著的调控效应(图1).2017和2018年，纵观玉米生育期，各处理前期干物质积累量差异较大，成熟期差异不显著.苗期至大喇叭口期(0～60 d)，免耕地膜2 a利用(NM)和少耕覆膜(RM)处理干物质积累量分别较传统覆膜(CM)处理低29.7%、13.1%，NM较RM低15.1%.大喇叭口期至吐丝期(60～90 d)，NM和RM干物质积累量较CM分别低36.9%、15.6%，NM较RM低18.5%.说明传统耕作每年覆新膜在早期可获得较高的干物质积累量.玉米吐丝期至灌浆期(90～120 d)，NM和RM干物质积累量分别较CM低9.4%、4.5%，灌浆期至成熟期(120～150 d)，各处理间差异不显著.说明免耕地膜2 a利用降低了玉米生育前期干物质积累量，随着生育期推进，各处理差异减小，干物质积累量受地膜利用方式影响逐渐减小.

图中的数字表示不同处理的干物质积累方差分析P值.

2.1.2 群体生长率差异 地膜利用方式对玉米吐丝期之前(0～90 d)群体生长率影响均显著(图2)，苗期至吐丝期(0～90 d)，NM和RM群体生长率平均较CM低43.0%、16.6%，NM平均较RM低21.5%，说明传统覆膜能够提高生育前期到吐丝期的群体生长率，增大干物质积累量.各处理在105 d左右生长速率达最大，且NM最高，较CM高10.5%，灌浆期-成熟期(120～150 d)，群体生长率NM和RM比CM分别高31.7%、19.0%，NM平均较RM高15.9%.因此，免耕地膜两年覆盖维持生育后期较高的群体生长率，以此获得较高的生物产量奠定基础.

图中的数字表示不同处理的干物质积累方差分析P值.

2.1.3 不同覆膜方式下Logistic方程拟合玉米干物质 如表1所列，2 a平均群体生长率和最大群体生长率NM较CM分别低3.2%、6.4%，但最大群体生长率出现天数NM和RM较CM迟7.6、3.8 d，NM较RM迟3.9 d，且差异均显著.说明地膜2 a用通过延迟最大群体生长率出现的天数，使生育后期有较高的群体生长率，从而在成熟期获得较高的干物质积累量.

表1 不同覆膜处理群体生长率的Logistic方程回归分析

2.2 玉米产量及产量构成因素对地膜覆盖方式的响应

地膜覆盖方式对玉米产量的影响年际间有差异(表2).2017年，3种处理间生物产量无显著差异，NM较RM籽粒产量降低4.1%，RM收获指数较CM高3.8%.2018年，3个处理籽粒产量、生物产量和收获指数差异不显著.2 a间，NM较CM有效穗数减少6.3%；相反，NM与RM较CM穗粒数分别增多8.6%、5.9%，千粒质量分别提高6.9%、7.6%.说明地膜2 a利用虽然有效穗数低于传统覆膜，但通过增加穗粒数和千粒质量来保证产量.

表2 不同覆膜处理玉米产量及产量构成因素

2.3 不同地膜覆盖方式下玉米产量变化

通过分析玉米产量构成因素与籽粒产量相关性和通径系数来权衡各产量构成因素对籽粒产量的贡献.玉米籽粒产量与千粒质量呈极显著正相关性，与穗粒数呈显著正相关性(表3)，说明千粒质量是影响籽粒产量的主要因素，穗粒数次之.直接通径系数表明，产量构成要素对产量贡献顺序依次为千粒质量(0.612)、有效穗数(0.357)和穗粒数(0.120).对间接通径系数分析表明，穗粒数与千粒质量相互作用影响玉米籽粒产量.由此可以得知，地膜2 a覆盖利用措施主要通过提高千粒质量维持较高的籽粒产量.

表3 各产量构成因素对籽粒产量的直接和间接效应

3 讨论

3.1 地膜利用方式对玉米干物质积累的影响

较高的干物质积累是产量形成的基础，玉米籽粒产量与干物质积累量呈正比关系[15-16]，干物质积累的多少影响产量高低水平[17-18]，本研究中免耕地膜2 a利用虽然降低了玉米生育前期干物质积累量，但成熟期各处理间干物质积累量差异不显著.主要原因是传统覆膜和少耕覆膜2种新膜处理，使玉米苗期的增温效果显著高于一膜2 a覆盖[19]，与免耕地膜2 a利用处理相比更能协同调控耕层水热条件[15,20]，所以早期传统覆膜可获得较高的干物质积累量.而在生育中后期高温季节，免耕地膜2 a利用措施可减缓传统覆膜造成玉米根区土壤高温而导致根系及叶片早衰问题[3,7]，而积累较大的玉米干物质.

干物质近90%源于叶部光合作用，而光合作用对高温极其敏感[3,20]，本研究发现，免耕地膜2 a用措施最大群体生长率较传统覆膜高6.4%，各处理生长速率最大时(105 d左右)，免耕地膜2 a用较传统覆膜处理高10.5%，这可能是由于吐丝期后(7月下旬至8月上旬)绿洲灌区正值夏季持续高温天气，而传统覆膜易造成根区土壤温度远超出玉米正常生长阈值[15]，致其根系及叶片早衰[18]，影响光合作用有机物生产，而免耕地膜2 a利用措施减缓了传统覆膜的极端高温弊端，在生殖生长期保证较高的群体生长率.

Logistic拟合曲线方程能够确切反映出作物干物质积累量的变化.通过Logistic方程分析发现小麦秸秆还田方式对后茬玉米干物质积累影响极显著[14]，也有研究通过水肥供应方面提出氮肥后移[13]、水肥耦合[21]等农艺措施优化干物质积累过程，改变干物质最大群体生长率及其出现天数，以此延长光合作用持续时间，使得作物生长后期“源”足[22]，利于高产稳产.本研究发现，免耕地膜2 a利用较传统覆膜和少耕覆膜措施最大群体生长率出现天数延迟7.5～7.7 d和3.8～3.9 d，可能是由于吐丝期后极端高温易致根系活力降低和死亡加速等，使光能捕获与转化能力变弱[20,23]，也有研究指出在生长后期提高光合能力可防止玉米早衰[10]，而此时期地膜2 a利用地表温度较低可延缓叶片及根系衰老，延迟最大群体生长率出现时间，在生育后期维持相对较高的群体生长率的时间，积累更多干物质量，保证作物产量稳定.

3.2 玉米产量及产量构成因素对地膜利用方式的响应

玉米覆膜种植能明显提升“源-库”转化力[15,20]，并促进光合产物合理地向籽粒运转而提高产量[21].本研究发现，2 a间传统覆膜和免耕地膜2 a用生物产量籽粒产量差异均不显著，主要原因是免耕地膜2 a用和少耕覆膜在休耕期减缓水资源蒸发损失[14]，休耕期水分的不被蒸散[24]，使农田中留存更多水分用于作物生长[18]，生育后期当土壤温度对光合产物积累无显著相关性时[19]，水分成为制约因素，免耕地膜2 a用和少耕覆膜处理充分利用留存水分，减缓干旱胁迫而提高作物产量.

作物高产是产量构成因素间协调发展的结果[17]，研究表明，传统覆膜种植能提高玉米穗粒数和千粒质量，而使有效穗数降低[25]，还有研究发现，全膜覆盖和秸秆地膜双覆盖措施均可显著增加千粒质量和穗粒数，从而实现增产[6-7].与本研究结果一致，即地膜2 a用处理和少耕覆膜有效穗数显著低于传统覆膜处理，穗粒数及千粒质量较传统覆膜处理高，以此保证产量稳定.

3.3 不同地膜覆盖方式下玉米产量形成差异

单位面积穗粒数、千粒质量及有效穗数是形成玉米产量的关键要素[3].有研究发现，增加玉米穗数、稳定穗粒质量，可使产量构成因子间相互协调来实现大幅增产[7,19].也有研究者发现，光合同化物向穗部转移，使穗粒数、百粒质量(“库”容)增加，提高玉米籽粒产量[18,20].本研究经相关分析发现与之略有不同，产量提高决定于千粒质量，而非单位面积穗数的增加，主要原因是传统地膜在夏季较高的土壤温度可致玉米行粒数、穗粒数减少，粒质量和产量下降[15-16].比较产量构成因素对籽粒产量贡献率，发现直接通径系数产量贡献顺序依次为千粒质量(0.612)>有效穗数(0.357)>穗粒数(0.120)，对间接通径系数分析表明穗粒数与千粒质量相互作用影响玉米籽粒产量，说明免耕地膜2 a利用在对单位面积成穗数无显著影响的情况下，通过增加玉米穗粒数和千粒质量保证稳产.

4 结论

本研究结果表明，与免耕地膜2 a利用和少耕覆膜相比，传统覆膜在早期可获得较高的干物质积累量，但成熟期各处理NM(34 383.6 kg/hm2)、RM(34 936.5 kg/hm2)、CM(35 490.0 kg/hm2)差异不显著.免耕地膜2 a利用处理维持生育后期较高群体生长率，以此得到与传统覆膜处理相近的生物量，同时协调穗粒数与粒质量弥补有效穗数减少，从而保证玉米籽粒产量稳定，进一步说明在西北绿洲灌区玉米生产中免耕地膜2 a覆盖是既可减少地膜、机械及劳动力投入又可保证玉米稳产高产的可行措施.