河套灌区玉米不同种植密度对田间耗水及产值的影响

白杜娟 邹超煜 白岗栓 池利刚 张 俊 边利军

(1.杨凌农业高科技发展股份有限公司,陕西 杨凌 712100; 2.吉安市湿地保护中心,江西 吉安 343000; 3. 西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 4.内蒙古河套灌区水利发展中心 乌兰布和分中心,内蒙古 磴口 015200)

玉米(Zeamays)是世界也是中国的第一大粮食作物[1]。玉米耐旱耐盐碱,具有良好的环境适应性,是内蒙古河套灌区的主要农作物[2]。河套灌区光热资源丰富,拥有便利的灌溉资源,是亚洲最大的“一首制”自流灌区[3-4]。河套灌区玉米种植密度多在60 000～70 000株/hm2,产量徘徊在12 000 kg/hm2左右[5-7],如何合理利用灌溉水资源,提高单位面积产量及产值,是河套灌区亟需解决的问题。增加种植密度是提高玉米产量的简便方法[8]。增加种植密度不但能够有效提高玉米叶面积指数,减少棵间土壤水分蒸发,提高土壤水分及养分利用效率[9-13],而且能够有效提高玉米群体光能截获量,提高光合生物量[1,14];同时能够有效提高玉米有效穗数并提高籽粒产量[15-18],但增加种植密度的前提是群体的增产作用必须大于个体的减产作用[19-21],必须选用耐密性好的品种[22-23],才能缓解植株对光、热、水、肥等资源的争夺,提高玉米籽粒产量[24-28]。‘陕单609’是一个耐密植、适应性广、耐粗放管理且产量高的玉米品种[29],在陕西省各地已大面积种植[14,30],但有关‘陕单609’在河套灌区密植栽培方面的研究鲜有报道。本研究在河套灌区以‘陕单609’为试验材料,在当地常规种植密度的基础上,将种植密度分别提高25.0%、50.0%和75.0%,监测不同种植密度对土壤耗水和玉米产量及产值的影响,以期为河套地区玉米密植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验地位于内蒙古河套灌区磴口县坝楞村(40°24′32″ N,107°02′19″ E,海拔1 048.7 m),年均降水量144.5 mm,蒸发量2 397.6 mm,风速4.52 m/s,气温7.6 ℃,日照时数3 209.5 h,无霜期178 d,为中温带大陆性季风气候。试验地土壤为灌於土,耕层土壤有机质质量分数为10.43 g/kg,碱解氮176.98 mg/kg,速效磷15.64 mg/kg,速效钾158.98 mg/kg,含盐量0.97 g/kg,主要为氯化物-硫酸盐,pH 8.8,地下水位在150 cm以下。耕层土壤田间持水率23.25%,凋萎系数7.46%,总孔隙度45.12%;0—100 cm土层土壤体积质量基本一致,平均为1.50 g/cm3。灌溉水为黄河过境水,矿化度0.32 g/L,pH 8.1。试验地宽45.0 m,长60.0 m。

供试玉米品种为‘陕单609’,由西北农林科技大学选育(国审玉2016001)并提供。试验地膜为高压聚乙烯白色膜,宽70 cm,厚度8 μm(磴口县大众塑料厂生产)。

1.2 试验设计

试验是在2019和2020年试验的基础上,于2021年监测提高玉米种植密度对灌水量、田间耗水量、玉米产量及产值等的影响。

供试玉米4月25日采用宽窄行种植,地膜覆盖,其中宽行80 cm,窄行30 cm(地膜带内)。试验小区长55.0 m,宽3.3 m,每个小区有3条地膜带,每条地膜带种植2行玉米。小区与小区之间用土埂隔档,土埂底宽40 cm,高35 cm,以防灌溉水乱串。试验以当地常规种植密度6.0×104株/hm2(株距30.0 cm)为对照(CK),种植密度分别提高至7.5×104株/hm2(D1,株距24.0 cm),9.0×104株/hm2(D2,株距20.0 cm)和10.5×104株/hm2(D3,株距17.0 cm),即种植密度分别提高25.0%、50.0%和75.0%。试验重复3次,不同小区随机排列。

试验采用人工播种,每穴播种2粒,三叶期时间苗、定苗,每穴留1株。播种前施硝酸钾150.0 kg/hm2,磷酸二铵375.0 kg/hm2,拔节期随灌溉(6月20日)追施尿素75.0 kg/hm2,大喇叭口期随灌溉(7月15日)追施尿素 225.0 kg/hm2。

玉米生长期共灌溉4次,分别在拔节期(6月20日)、大喇叭口期(7月15日)、抽雄吐丝期(7月30日)和灌浆期(8月25日),畦灌。供试玉米9月25日成熟并收获。

1.3 监测项目

1.3.1土壤水分

玉米播种前、拔节期、喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期灌溉前及收获前,以10 cm土层为一层,蛇形在每个小区选取5个采样点,在地膜带的中部,用土钻分层采集0—100 cm土层土壤,烘干法(105 ℃连续烘烤24 h)测定土壤含水率,根据土壤含水率、土层厚度和土壤体积质量换算成土壤贮水量,mm[31]。

土壤含水率=(湿土质量-烘干土质量)/ 烘干土质量×100%

(1)

土壤贮水量=土壤含水率× 土壤体积质量×土层厚度×10

(2)

1.3.2灌水量

拔节期、喇叭口期、抽雄吐丝期和灌浆期用出水量为320 m3/h的津奥特ATSXOK300-100/2-140双吸式潜水泵从小区地头水渠中抽水灌溉。灌水量以田间灌溉水流锋面到达小区尾部地埂时为标准,当田间灌溉水流锋面到达小区尾部地埂时及时关泵停水,根据抽水时间计算灌水量[32]。

(3)

1.3.3降水量

试验地旁空地处设有雨量筒,监测每次的降水量,并记录降水日期。

1.3.4田间耗水量和日均耗水量

试验地平整,土壤质地均一,地下水位较深,水分渗漏、地下水补给和水分的水平运动可忽略不计,田间耗水量应为灌水量、降水量与生长期前后土壤贮水量的差值之和。日均耗水量为田间耗水量与其持续时间的比值。

田间耗水量=灌水量+降水量+ 生长期前后土壤贮水量的差值

(4)

日均耗水量=田间耗水量/持续时间

(5)

1.3.5玉米生长状况

玉米收获期每个小区随机抽查200株玉米,调查双穗率(主茎第二果穗籽粒数≥20粒的株数占调查株数的百分比)、空秆率(不结果穗或果穗籽粒数<20粒的植株占调查株数的百分比)和倒伏率(包含根倒伏、茎倒伏和茎倒折三者占调查株数的百分比);每个小区随机选择15株长势均匀、无病虫害的玉米植株,从地表处剪取整个植株,常规方法测定农艺状况和生产性状。农艺状况包含株高(地表到植株顶端)、茎粗(地上部第3节中部扁平处)、穗位(地表到最上果穗柄着生节点的高度)、秸秆生物量(叶片、茎秆、苞叶、穗轴等,不含籽粒。测定方法为每个小区选择5株,在105 ℃左右杀青30 min后,经80 ℃烘干至质量恒定后称重并折算为单位面积秸秆生物量,kg/hm2)。生产性状是将果穗从植株剥离后,自然晾晒至籽粒含水量为安全含水量(14%)后进行室内考种,常规方法测定其穗长、穗行数、行粒数、秃尖长、千粒重等,并根据种植密度计算出单位面积籽粒产量,kg/hm2。根据单位面积籽粒产量和秸秆生物量计算其经济系数。取样后的小区则用雷沃谷神RG40(4LZ-4G1)型履带式谷物联合收割机进行收获,并用星晖352秸秆粉碎打捆机捡拾秸秆并打捆。

经济系数=籽粒产量/(籽粒产量+秸秆生物量)

(6)

1.3.6生产成本

试验过程中需要的玉米种子、地膜、化肥及除草剂均以当地市场的销售价格计,其中硝酸钾6.2元/kg,磷酸二铵3.6元/kg,尿素2.8元/kg,种子30.0元/kg,地膜20.0元/kg,整地、覆膜、播种、定苗、灌溉和收获等人工费为每人150.0元/d或根据单位面积计,整地、收获及秸秆打捆等的农机费用均以当地标准支出。灌溉水费以当地灌溉收费标准每年1 800.0元/hm2计。

总投入=种子+化肥及除草剂+地膜+ 灌溉用水+农业机械+劳动力

(7)

1.3.7经济产值

河套灌区养殖业发达,玉米秸秆可成为饲料进行销售,2021年当地自然风干的秸秆打捆后价格为0.3元/kg,玉米籽粒价格2.6元/kg。

秸秆经济产值=秸秆生物量×秸秆价格

(8)

籽粒经济产值=籽粒产量×籽粒价格

(9)

总产值=秸秆经济产值+籽粒经济产值

(10)

净产值=总产值-总投入

(11)

1.3.8水分利用效率和水分生产率

水分利用效率=(秸秆生物量+籽粒产量)/ 田间耗水量

(12)

水分生产率=籽粒产量/田间耗水量

(13)

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010制作图表并经SPSS 19.0软件进行单因素方差分析,若差异显著后则用Duncan’s多重比较进行检验。

2 结果与分析

2.1 土壤水分

由图1可知,播种前不同处理0—100 cm土层土壤贮水量较高,为366.14 mm,抽雄吐丝期则降低到整个生长期的最低值,平均为239.70 mm,见图1(d)和表1。

播种至拔节期降水较多,拔节期不同处理0—40 cm土层土壤贮水量差异较大(图1(b)),其中D1显著低于CK(P<0.05),D2和D3极显著低于CK(P<0.01)且显著低于D1(P<0.05),但0—100 cm土层不同处理之间无显著差异(表1)。

大喇叭口期不同处理0—70 cm土层土壤贮水量差异较大(图1(c)),其中D1显著低于CK(P<0.05),D2和D3极显著低于CK(P<0.01),D3显著低于D1(P<0.05),D2与D1、D3无显著差异;0—100 cm土层土壤贮水量表现为D2和D3显著低于CK(P<0.05),且D3显著低于D1(P<0.05),见表1。

抽雄吐丝期不同处理0—80 cm土层土壤贮水量差异较大(图1(d)),其中D1显著低于CK(P<0.05),D2和D3极显著低于CK(P<0.01),且D3极显著低于D1(P<0.01),显著低于D2(P<0.05),D2显著低于D1(P<0.01);不同处理0—100 cm土层土壤贮水量与0—80 cm土层的差异一致(表1)。

灌浆期不同处理0—50 cm土层土壤贮水量差异较大(图1(e)),其中D1、D2和D3均极显著低于CK(P<0.01),D3显著低于D1和D2(P<0.05);0—100 cm土层土壤贮水量表现为D2和D3显著低于CK(P<0.05),与D1处于同一水平,无显著差异(表1)。

成熟期不同处理0—70 cm土层土壤贮水量差异较大(图1(f)),其中D2和D3均显著低于CK(P<0.05),均与D1无显著差异;0—100 cm土层土壤贮水量仅D3显著低于CK(P<0.05),其他处理之间无显著差异(表1)。

2.2 降水量及灌水量

由表2可知,2021年玉米全生育期降水85.9 mm,主要集中在播种至拔节期和灌浆期至成熟期,而大喇叭口期至抽雄吐丝期则无降水。灌水量以大喇叭口期至抽雄吐丝期(第2次灌溉)和抽雄吐丝期至灌浆期(第3次灌溉)较多,而灌浆期至成熟期较少。

不同处理的灌水量均随种植密度的增加而增加,其中D1在整个生育期与CK均无显著差异。D2不同时期均显著高于CK(P<0.05),拔节期至大喇叭口期、大喇叭口期至抽雄吐丝期和灌浆期至成熟期与D1无显著差异,抽雄吐丝期至灌浆期和整个生育期则极显著(P<0.01)和显著高于D1(P<0.05)。D3除灌浆期至成熟期显著高于CK(P<0.05)外,其他时期及整个生育期均极显著高于CK(P<0.01);除抽雄吐丝期至灌浆期极显著高于D1(P<0.01)外,整个生育期均显著高于D1(P<0.05);D3在整个生育期均与D2无显著差异。D1、D2和D3整个生育期的灌水量分别较CK提高了3.81%、9.72%和13.90%,其中D1与CK无显著差异,D2显著高于CK(P<0.05),D3极显著高于CK(P<0.01)(表2)。

2.3 田间耗水量及日均耗水量

由表3可知,不同处理的田间耗水量和日均耗水量均随种植密度的增加而增加,其中大喇叭口期至抽雄吐丝期最高,拔节期至大喇叭口期和大喇叭口期至抽雄吐丝期不同处理之间的差异均较大。播种至拔节期持续56 d,D1和D2的田间耗水量和日均耗水量均显著高于CK(P<0.05),D3极显著高于CK(P<0.01)且显著高于D1(P<0.05)。拔节期至大喇叭口期持续25 d,D1、D2和D3均极显著高于CK(P<0.01),D2显著高于D1(P<0.05),D3极显著高于D1(P<0.01)且显著高于D2(P<0.05)。大喇叭口期至抽雄吐丝期持续15 d,D1与CK处于同一水平,D2和D3均极显著高于CK(P<0.01),D2显著高于D1(P<0.05),D3极显著高于D1(P<0.01)。抽雄吐丝期至灌浆期持续26 d,此期阴雨天气较多,不同处理的田间耗水量和日均耗水量无显著差异。灌浆期至成熟期持续31 d,D3均显著高于CK和D1(P<0.05),其他处理之间无显著差异。玉米整个生长期持续153 d,D1的田间耗水量和日均耗水量较CK分别提高了5.23%和5.19%,均显著高于CK(P<0.05);D2和D3田间耗水量分别较CK提高了10.71%和15.42%,日均耗水量分别提高了10.71%和15.26%,均极显著高于CK(P<0.01)且显著高于D1(P<0.05)。

2.4 玉米生长状况

由表4可知,不同处理的株高和穗位均随种植密度的增加而增加,但不同处理的株高无显著差异,D2和D3的穗位均显著高于CK(P<0.05)且D3的穗位显著高于D1(P<0.05);不同处理的茎粗均随种植密度的增加而降低,D1和D2均显著低于CK(P<0.05),D3极显著低于CK(P<0.01)且显著低于D1(P<0.05);不同处理的双穗率均随种植密度的增加而降低,空秆率和倒伏率则增加,相互之间均存在极显著差异(P<0.01);D1、D2和D3的秸秆生物量分别较对照提高21.97%、41.34%和39.40%,其中D2和D3均极显著高于D1(P<0.01),D1极显著高于CK(P<0.01)。

由表5可知,不同处理的穗长、穗行数和行粒数均随种植密度的增加而降低,D2和D3的穗长和穗行数均显著低于CK(P<0.05),D3的穗长显著低于D1(P<0.05),D1和D2的行粒数均显著低于CK(P<0.05),D3的行粒数极显著低于CK、D1和D2(P<0.01);不同处理的秃尖长均随种植密度的增加而增加,之间存在极显著差异(P<0.01);不同处理的千粒重均随种植密度的增加而降低,其中D2显著低于CK和D1(P<0.05),D3极显著低于CK和D1(P<0.01)且显著低于D2(P<0.05);D1、D2和D3的籽粒产量分别较CK提高12.54%、18.47%和-0.86%,D1和D2均极显著高于D3和CK(P<0.01),且D2显著高于D1(P<0.05);不同处理的经济系数均随种植密度的增加而降低,其中D2显著低于CK(P<0.05),D3极显著低于CK和D1(P<0.01)且显著低于D2(P<0.05);D1、D2和D3的水分生产率分别较CK提高6.93%、7.01%和-14.11%,D2和D1显著高于CK(P<0.05),且D2、D1和CK均极显著高于D3(P<0.01);D1、D2和D3的水分利用效率分别较CK提高11.00%、16.39%和1.74%,D2均极显著高于D3和CK(P<0.01),D1均显著高于D3和CK(P<0.05)。

2.5 生产成本及经济产值

由表6可知,不同处理的生产成本主要为生产资料与劳动力投入。由于当地玉米种植时的化肥、除草剂、地膜、灌溉用水、农业机械和劳动力等生产成本均以单位面积计,故不同处理生产成本中除种子不同外,其他投入如化肥及除草剂、地膜、灌溉用水、农业机械和劳动力均一致。不同处理的种子投入随种植密度的增加而增加,D1、D2和D3分别较CK增加25.00%、50.00%和75.00%,相互之间存在极显著差异(P<0.01);由于种子投入的增加,D1、D2和D3的总投入较CK分别增加2.17%、4.35% 和6.52%,其中D3显著高于CK(P<0.05),但与D1和D2均无显著差异,D1、D2、CK之间无显著差异。

不同处理的籽粒产值表现为D1和D2均极显著高于D3和CK(P<0.01),且D2显著高于D1(P<0.05),D3略低于CK;秸秆产值表现为D1极显著高于CK(P<0.01);D2和D3均极显著高于D1(P<0.01);D1、D2和D3的总产值分别较CK提高13.27%、20.47%和2.67%,其中D2显著高于D1(P<0.05)且极显著高于CK和D3(P<0.01);D1、D2和的D3净产值分别较CK提高21.46%、32.12%和-0.12%,D2显著高于D1(P<0.05)且D1极显著高于CK和D3(P<0.01)(表6)。

3 讨 论

3.1 种植密度对土壤水分、灌水量和田间耗水量的影响

河套灌区为无灌溉便无农业的区域,灌溉是农业生产的首要条件[4,31-32]。通常情况下增加种植密度可减少土壤棵间蒸发,减少土壤水分消耗,但拔节后玉米叶面积系数及叶片蒸腾强度迅速增加,叶片蒸腾消耗的水分占土壤水分散失的主导地位,而棵间土壤水分蒸发减弱且所占比例越来越小[33],增加种植密度显著提高玉米叶面积系数和蒸腾耗水量[9-12],因而不同处理的土壤贮水量随种植密度的增加而降低,但灌水量、田间耗水量和日均耗水量随种植密度的增加而增加,这与樊廷录等[9]报道的玉米种植密度从6.67×104株/hm2提高到9.00×104株/hm2时土壤耗水量不再增加的结果不一致,主要是其试验地为旱地,无灌溉水源,当玉米种植密度达到一定程度时,土壤难以提供足量的水分供叶片蒸腾,因而耗水量不再增加,而本试验有灌溉条件,土壤水分不足可通过灌溉来补充,以确保玉米叶片的持续蒸腾。拔节期至灌浆期玉米生长旺盛,叶片蒸腾强烈,这一时期的田间耗水量及日均耗水量都较大,土壤贮水量较低,需要较多的灌水量,这与白岗栓等[31]、王青松等[33]、吕佳雯等[34]的研究结果基本相同。种植密度为10.5×104株/hm2的灌水量在抽雄吐丝期至灌浆期达到整个生育期的最高峰,除与该期玉米叶面积系数大、叶片蒸腾强烈等密切相关外[9-12,33],与其单位面积植株数较多和倒伏率较高导致的灌溉水流推进速率降低也密切相关[32]。抽雄吐丝期至灌浆期阴雨天较多,导致其田间耗水量及日均耗水量都较低。

3.2 种植密度对玉米生长、水分利用效率及经济产值的影响

玉米产量取决于单位面积的有效穗数、穗粒数(穗行数与行粒数)和千粒重[13,35-36],增加种植密度,是增加有效穗数和提高玉米产量的有效方法[15-18]。当种植密度超过一定范围,会加剧植株对光、热、水、肥等资源的竞争,降低群体内部通风透光,降低光合速率及缩短叶片光合期,加剧叶片衰老,影响营养物质从叶片、茎秆等营养器官向籽粒转运,使得籽粒产量占生物产量的比值减小[37-41],且当种植密超过一定范围,植株生长减弱,茎秆变细,株高和穗位均升高,单株干物质积累减少,空秆率增加,穗长变短,秃尖变长,穗行数、行粒数和千粒重降低,以有效穗数增加为基础的增产效应难以抵消穗粒数和百粒重降低的减产效应,导致单位面积经济系数降低,籽粒产量降低[14,22,30,42-44]。增加种植密度必须是群体的增产作用大于个体的减产作用[19-21],必须选用耐密性好的品种[24-28]。虽然试验地具备灌溉条件,‘陕单609’在密植状态下可取得较高的籽粒产量[29],但随着种植密度的增加,土壤水分及土壤养分均会表现不足,群体内部通风透光恶化[42-44],其中种植密度为10.5×104株/hm2的土壤水分在玉米生长的关键期,即叭口期至抽雄吐丝期处于最低水平,影响玉米正常生长,因而其生产性状低于常规种植密度(6.0×104株/hm2),而种植密度为9.0×104株/hm2的生产性状和农艺性状较好,增产效果明显,与已有研究结果基本一致[45-50]。通过提高种植密度来增加玉米产量,种植密度应控制在适当的范围内,以发挥群体的最大增产效益。

水分生产率和水分利用效率取决于单位面积的籽粒产量、生物量和田间耗水量。虽然不同处理的田间耗水量随种植密度的增加而增加,但不同种植密度的籽粒产量、茎秆生物量则随种植密度的增加呈抛物线趋势[37-44],因而种植密度为9.0×104株/hm2的水分生产率和水分利用效率最高。不同种植密度的化肥、地膜、灌溉用水、农业机械和劳动力等投入基本相同,仅种子投入有差异,但种子在总投入中所占比例较小,对生产总成本影响有限;而不同种植密度对籽粒产量和秸秆生物量影响较大,其中种植密度为9.0×104株/hm2的籽粒产量和秸秆生物量均最高,故其总产值及净产值也最高。虽然种植密度为10.5×104株/hm2时的秸秆产值较高,但其籽粒产值较低及生产成本较高,导致其净产值最低。通过增加种植密度,提高玉米产值,种植密度必须控制在适当范围内,这与苌建峰等[51]、勾玲等[52]和段民孝等[53]的报道基本一致。将玉米种植密度控制在合理的范围内,不但可增加玉米产量,还可提高单位面积玉米产值。

4 结 论

本研究通过监测河套区提高玉米种植密度对灌水量、田间耗水量、玉米产量及产值等的影响,主要结论如下:1)随着玉米种植密度的提高,0—100 cm土层的土壤贮水量降低,而灌水量、田间耗水量和日均耗水量却增加。2)随着玉米种植密度的提高,玉米的株高、穗位、空秆率、倒伏率、秸秆生物量和秃尖长均增加,茎粗、双穗率、穗长、穗行数、行粒数、千粒重和经济系数则降低,籽粒产量和秸秆生物量均表现为先升高后降低。3)随着玉米种植密度的提高,水分生产率、水分利用效率、总产值和净产值均为先升高后降低,而生产成本则缓慢增加。综上,在河套灌区‘陕单609’适宜的种植密度为9.0×104株/hm2。