楊志超,李援農(nóng),谷曉博,陳祎彤,趙 曉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

玉米作為我國第一大糧食及加工作物，在我國糧食結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，具有巨大的增產(chǎn)潛力和消費(fèi)需求增長空間[1]。關(guān)中平原為典型的半干旱區(qū)，冬小麥-夏玉米輪作種植為該地區(qū)主要的栽培方式[2]。播期調(diào)整會影響作物生長期內(nèi)水分、光照、溫度等氣象因子，從而改變作物生長發(fā)育進(jìn)程及狀況[3]。目前除對播期單因素的研究外，圍繞玉米播期的研究主要有：一是與密度[4-5]、品種[6-8]等因素進(jìn)行結(jié)合，主要通過試驗(yàn)方式確定最優(yōu)種植組合模式；二是結(jié)合氣象因子，通過開展試驗(yàn)[9]或結(jié)合模型[10-11]等方法探究玉米種植的最適播期。但播種受到天氣、土壤、人力和機(jī)械等因素的制約，現(xiàn)實(shí)條件下難以保證作物在最適播期播種，晚播現(xiàn)象時有發(fā)生。研究表明，玉米應(yīng)適時早播，晚播會使玉米生育期縮短，加快生長發(fā)育進(jìn)程，降低產(chǎn)量[12-14]。因此，為保證玉米產(chǎn)量，需探究相關(guān)的“補(bǔ)償”措施來彌補(bǔ)晚播對其產(chǎn)生的不利影響。

壟溝集雨覆膜種植技術(shù)是通過在田間開溝起壟，在壟面上覆膜，可以使降落在壟面上的雨水匯集到溝內(nèi)，從而集中降水到植株根系所在的土層，改善作物的水分供給狀況，實(shí)現(xiàn)雨水資源的高效利用[15-17]。同時，起壟增大了地表粗糙度，使土壤能接受更多太陽輻射，地膜和其他覆蓋物也能改變土壤與大氣之間的氣體交換作用，從而提升土壤溫度[18-19]。研究表明，憑借其保水保墑、調(diào)節(jié)土壤溫度和減少氮素淋溶等多種優(yōu)勢，壟溝種植模式能促進(jìn)作物生長，同時也會提高作物對養(yǎng)分的吸收和利用[20-21]。

目前，運(yùn)用壟溝種植模式對晚播夏玉米進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难芯枯^少。本文將3種不同的壟溝種植覆蓋模式應(yīng)用于晚播夏玉米，研究不同模式對晚播夏玉米土壤水熱、生長發(fā)育、倒伏情況和籽粒產(chǎn)量的影響，通過與常規(guī)播期平作種植夏玉米各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對比評價，探尋能最大程度上彌補(bǔ)晚播造成的負(fù)面影響的夏玉米種植方式，以期為半干旱區(qū)夏玉米抵御災(zāi)害和高效生產(chǎn)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2020年6—10月在陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站試驗(yàn)基地(108°05′E，34°18′N，海拔525 m)進(jìn)行。該試驗(yàn)基地屬暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候，年平均氣溫12.9℃，全年無霜期210 d，年平均蒸發(fā)量約1 400 mm，年平均降雨量637.6 mm，降雨年內(nèi)分布不均，7、8、9月降雨量占全年60%以上。供試土壤為中壤土，其基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)13.40 g·kg-1，全氮0.74 g·kg-1，速效磷6.79 mg·kg-1，速效鉀144.76 mg·kg-1，礦質(zhì)氮10.05 mg·kg-1，平均干容重1.39 g·m-3，田間持水率和凋萎系數(shù)分別為24%和8.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，表層土壤pH值8.14。夏玉米試驗(yàn)期內(nèi)氣象狀況見圖1，期間總降雨量564.4 mm，日平均氣溫22.1℃。

圖1 夏玉米生育期內(nèi)溫度、降雨、日照和風(fēng)速Fig.1 Temperature, rainfall, sunshine and wind speed during the growing period of summer maize

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為鄭單958；試驗(yàn)用地膜為普通白色塑料地膜，厚0.01 mm；試驗(yàn)用秸稈為上茬小麥秸稈。試驗(yàn)用氮肥為尿素(N≥46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥16%)，鉀肥為農(nóng)業(yè)用硫酸鉀(K2O≥51%)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)5個處理，其中平作無覆蓋處理2個，常規(guī)播期處理(CK1)于2020年6月10日播種，晚播處理(CK2)于2020年6月21日播種，間隔11 d。壟溝種植處理壟上全部覆膜，按溝內(nèi)覆蓋方式分為溝不覆蓋(LN)、溝覆秸稈(LJ)和溝覆膜(LM)3個處理，均與平作無覆蓋晚播處理同一天(6月21日)播種。每個處理重復(fù)3次，共15個小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積36 m2(6 m×6 m)，周圍均設(shè)1 m寬保護(hù)帶。

于常規(guī)播期處理(CK1)播種前旋耕并平整土地。各處理施肥水平均為純氮(200 kg·hm-2)，P2O5

(120 kg·hm-2)，K2O(60 kg·hm-2)，全部于播種前基施，未做追肥。夏玉米種植行距60 cm，株距30 cm，壟溝種植處理壟溝寬均為60 cm，于壟兩側(cè)種植。田間管理措施與當(dāng)?shù)匾恢?，及時間苗、除草、打藥，未補(bǔ)灌。受天氣和成熟狀態(tài)影響，常規(guī)播期處理于2020年9月30日收獲，晚播處理于2020年10月11日收獲。

1.4 測定項(xiàng)目和方法

1.4.1 土壤水分 用烘干法測定各處理0～200 cm土層土壤質(zhì)量含水率。夏玉米播前、生育期內(nèi)取3次(8月11日，8月28日，9月16日)及收獲后，共5次取樣。采用土鉆取土，每20 cm取1個土樣，105℃烘干后稱重計算含水率。

1.4.2 土壤溫度 用直角式地溫計測定各處理5、10、15、20、25 cm深度處的土壤溫度，測定時間為8∶00—18∶00，每2 h測1次，每個生育期連續(xù)測定3 d。平作處理地溫計埋于行間，壟溝種植處理壟上和溝內(nèi)各埋一組，取其平均值作為該處理平均溫度。

1.4.3 夏玉米生長指標(biāo) 分別于7月12日、8月6日、8月29日和9月25日取樣，使用卷尺測定株高和葉面積，游標(biāo)卡尺測定莖粗，后于烘箱105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重后得地上部干物質(zhì)量。

1.4.4 夏玉米生育進(jìn)程 以全小區(qū)75%以上植株表現(xiàn)某生育階段特征為標(biāo)準(zhǔn)記錄各處理生育進(jìn)程。

1.4.5 夏玉米倒伏率 于8月28日測定了各處理倒伏株數(shù)，除以各小區(qū)總株數(shù)即得倒伏率。

1.4.6 夏玉米產(chǎn)量指標(biāo) 夏玉米成熟后，為排除倒伏帶來的影響，于各小區(qū)隨機(jī)選取20株未倒伏玉米，取穗風(fēng)干后測定穗長、穗粗、穗粒數(shù)和百粒重等產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)，其中百粒重取75℃烘干后折算至14%含水率數(shù)值。

1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，多重比較采用Duncan新復(fù)極差法，顯著水平α=0.05；用Origin 2017繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理夏玉米生育期內(nèi)土壤含水率

圖2為夏玉米全生育期土壤含水率，可見除播前土壤含水率較低外，生育期內(nèi)和播后各處理0～200 cm深度土壤含水率均逐漸達(dá)到并保持在18%(75%田間持水率)左右或更高，土壤水分充足，處理間無顯著差異。由圖1所示氣象數(shù)據(jù)可知，夏玉米全生育期內(nèi)降水較多，且短時強(qiáng)降雨和連陰雨天氣均有出現(xiàn)，這為土壤補(bǔ)充了充足的水分，導(dǎo)致壟溝種植方式在集雨增墑方面的優(yōu)勢未能展現(xiàn)。

圖2 不同處理0～200 cm深度土層土壤含水率Fig.2 Soil moisture content in 0～200 cm depth of different treatments

2.2 不同處理夏玉米生育期內(nèi)土壤溫度

不同處理夏玉米0～25 cm深度土壤溫度變化過程如圖3所示，可見隨著玉米的生長發(fā)育，各處理土壤溫度均逐漸下降。拔節(jié)期和抽雄期雨水多、氣溫低，因此其土壤溫度相對苗期均較低。全生育期內(nèi)，壟溝處理的土壤溫度均高于平作處理，兩者差異隨時間逐漸減小。苗期壟溝處理增溫效果最為顯著，LN、LJ、LM處理分別比CK1處理高3.0、1.7℃和4.9℃。LJ處理苗期土壤溫度相對其他兩種方式較低，說明秸稈起到了降溫作用。拔節(jié)期降溫效應(yīng)不再顯現(xiàn)，LN、LJ兩處理溫度僅相差0.1℃。而后壟溝處理的增溫效應(yīng)逐漸減弱，LM處理抽雄期和灌漿期溫度分別比CK1處理高2.1℃和1.0℃，至成熟期處理間已無顯著差異。壟溝種植增溫效果減弱原因?yàn)橹泻笃谟衩赘采w度高，減弱了陽光對表層土壤的影響?？傮w來看，壟溝種植方式在夏玉米全生育期內(nèi)提高了土壤溫度，其增溫效應(yīng)隨時間逐漸減弱。且全覆膜處理的增溫效果最顯著；秸稈處理除苗期相對起到降溫作用外，其余時間與溝不覆蓋處理未有明顯差異。

圖3 不同處理0～25 cm深度土層土壤溫度Fig.3 Soil temperature in 0～25 cm depth of different treatments

2.3 不同處理夏玉米生長指標(biāo)

各處理夏玉米生長指標(biāo)見表1。晚播處理株高與CK1處理的差異逐漸減小，在8月29日與其達(dá)到相同水平，CK1處理在7月12日和8月6日分別比CK2處理高73.6%和25.2%；晚播處理間，LM處理前期較高，7月12日與其余3個處理差異顯著。CK2和LN處理株高在前期均顯著較低，但隨時間其劣勢逐漸消失，LJ處理株高前期較低，但增長速度最快，在后期明顯高于其他處理。莖粗7月12日表現(xiàn)為CK1>LM>CK2>LN>LJ，其余時期處理間均無顯著差異。葉面積指數(shù)隨生育期變化規(guī)律與株高相似，晚播處理在8月29日達(dá)到或超過CK1處理；CK2處理全生育期內(nèi)均最低，LM處理也僅在前期較高，LN和LJ處理前期較低，但在后期較高；且LJ處理增長速度也最快，于9月25日達(dá)到最高水平。不同于以上3個指標(biāo)，晚播夏玉米地上部干物質(zhì)量前3次均顯著低于CK1處理，但到9月25日時均超過CK1處理。晚播處理間，除7月12日LM處理顯著較高，9月25日CK2處理顯著較低外，其余時間處理間差異不明顯。

表1 不同處理夏玉米生長指標(biāo)變化過程Table 1 Change process of growth index of summer maize under different treatments

綜合來看，晚播處理生長指標(biāo)均能在中后期達(dá)到或超過CK1處理水平。各處理發(fā)育特點(diǎn)為：LN處理植株較為矮壯，除株高外其余指標(biāo)劣勢不大。LJ處理苗期生長狀態(tài)較差，但中后期生長迅速，在成熟期長勢最為旺盛。相對其他處理，LM處理前期生長狀況較好，中后期植株長勢中等，整體生長曲線較為平緩。而CK2處理的各項(xiàng)指標(biāo)在各個時期均較低，其生長發(fā)育狀態(tài)明顯弱于壟溝種植處理。

2.4 不同處理夏玉米生育進(jìn)程和倒伏情況

不同處理夏玉米生育進(jìn)程和倒伏情況見表2。生育前期，晚播處理播種至出苗和抽雄時長與CK1處理相差不大；8月中下旬多強(qiáng)對流天氣，23日和24日最大風(fēng)速分別達(dá)到8.2、6.5 m·s-1，導(dǎo)致玉米發(fā)生不同程度倒伏。平作處理倒伏較嚴(yán)重，CK1處理倒伏率達(dá)到了73.1%，相對CK2處理高出263.7%；而壟溝種植處理未發(fā)生大規(guī)模倒伏，處理間倒伏率無明顯差異。9月中下旬和10月上旬連綿陰雨，阻礙了玉米成熟期脫水，除LM外其余晚播處理全生育期相對延長了7～8 d。且不同播期處理收獲時植株狀態(tài)也不同，CK1處理收獲時已經(jīng)枯黃，而晚播處理收獲時植株仍暗綠，含水率高，未至完熟狀態(tài)?？傮w來看，晚播未對夏玉米前期生育進(jìn)程造成明顯影響，但除LM處理外，其余晚播處理的成熟過程均明顯延長。常規(guī)播期平作處理倒伏嚴(yán)重，倒伏率遠(yuǎn)高于晚播平作處理；而壟溝種植處理未受明顯影響。

表2 不同處理夏玉米生育進(jìn)程和倒伏情況Table 2 Growth process and lodging of summer maize under different treatments

2.5 不同處理夏玉米產(chǎn)量及構(gòu)成

由表3分析知，晚播夏玉米的百粒重顯著降低。單從播期角度，晚播夏玉米產(chǎn)量降低，CK1相對CK2處理產(chǎn)量高5.0%；單比較種植方式，LN和LM處理均能提升夏玉米產(chǎn)量，LM相對CK2處理增產(chǎn)17.8%。結(jié)合來看，不同覆蓋方式的補(bǔ)償效果不同，LN處理產(chǎn)量與CK1處理持平，而LM處理相對CK1處理增產(chǎn)12.2%，LJ處理產(chǎn)量明顯降低，且其減產(chǎn)效果較CK2處理更顯著。除百粒重外，LN和LM處理各產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)均較高?？偨Y(jié)來看，種植方式對夏玉米產(chǎn)量的影響大于播期，壟溝種植方式達(dá)到了對晚播夏玉米產(chǎn)量的預(yù)期補(bǔ)償效應(yīng)。

表3 不同處理夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)Table 3 Yield and yield component indexes of summer maize under different treatments

3 討 論

3.1 壟溝種植模式對土壤水熱環(huán)境的影響

壟溝種植模式能改變土壤的水熱條件，進(jìn)而促進(jìn)作物生長發(fā)育。前人在眾多干旱年或水分虧缺條件下的研究中發(fā)現(xiàn)，壟溝種植模式能提高土壤含水率，集雨增墑[22-24]。但本研究試驗(yàn)期內(nèi)雨水較多，土壤含水率長期維持在高位水平，覆膜的保水增墑效果未能明顯體現(xiàn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，壟溝種植模式提升了0～25 cm土層土壤溫度，且其增溫效果在前期更顯著，并隨玉米生長逐漸減弱至消失，這與楊睿等[25]和王秀康等[26]的結(jié)果一致。但受氣象因素影響，本研究土壤溫度從苗期開始呈近似線性下降趨勢，未呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。對于溝內(nèi)不同的覆蓋材料來說，馮浩等[27]研究得出秸稈覆蓋會降低土壤表層溫度；高宇等[28]研究得出全覆膜能達(dá)到最好的增溫效果，與本研究結(jié)果一致。但本研究中秸稈降溫的幅度與作用時期與前人[29-30]的研究不一致，這也主要由氣象因素導(dǎo)致。高溫會對玉米造成傷害[31-32]，但本研究中未發(fā)生高溫干旱脅迫，因此壟溝種植的增溫效果對晚播夏玉米的生長發(fā)育起到了積極作用。

3.2 壟溝種植模式對夏玉米生長和產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)

作物的生長發(fā)育會對水分、溫度等因子做出響應(yīng)。本研究結(jié)果有兩點(diǎn)與前人一致：一是晚播平作夏玉米生長發(fā)育狀態(tài)較差[33]，但多雨導(dǎo)致常、晚播間積溫、降雨等因素相差不大，以至其生長狀態(tài)和產(chǎn)量相對常規(guī)播期平作處理降幅不大；二是壟溝種植處理促進(jìn)了夏玉米的生長發(fā)育進(jìn)而增產(chǎn)[25]，且全覆膜的促進(jìn)和增產(chǎn)作用更加顯著[34]。兩者結(jié)合后，表現(xiàn)為壟溝種植處理株高、莖粗和葉面積指數(shù)在8月中下旬達(dá)到CK1處理水平，而地上部干物質(zhì)量在成熟期達(dá)到，說明壟溝種植方式達(dá)到了良好的補(bǔ)償效果。

但本研究結(jié)果也存在幾點(diǎn)不同。首先，目前大部分研究發(fā)現(xiàn)，晚播玉米會因前期溫度較高而生長迅速、生育期縮短[13,35]。但本研究中晚播玉米生育期反而不同程度延長，原因主要在于雨水多，不具備高溫條件。第二，秸稈覆蓋處理玉米前期生長發(fā)育情況較差，這與前人[36-37]結(jié)果一致。部分研究[38]中玉米中后期會因秸稈的增墑作用而生長迅速，趕超其余處理并增產(chǎn)；而本研究中玉米中后期貪長，進(jìn)而造成減產(chǎn)，陳素英等[39]曾在冬小麥的研究中取得類似結(jié)論。

較好的生長發(fā)育狀態(tài)往往代表著較高的產(chǎn)量。劉鋒等[40]在對小麥的研究中發(fā)現(xiàn)，覆膜能使晚播冬小麥產(chǎn)量達(dá)到與適時播處理相同水平。本研究中玉米的產(chǎn)量與生長指標(biāo)規(guī)律基本一致：CK2和LJ處理相對較低，LN處理達(dá)到與CK1相同水平，LM處理超過了CK1水平。大部分研究[41-42]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋能增產(chǎn)，但實(shí)踐中也有減產(chǎn)實(shí)例，如馬忠明等[37]研究中播前秸稈覆蓋處理相對裸地減產(chǎn)3 219 kg·hm-2，減產(chǎn)幅度達(dá)32.8%；朱琳等[43]和喬靈芝等[44]研究中秸稈覆蓋處理增產(chǎn)不顯著，且后者研究中降雨也較多，與本研究情況類似。目前秸稈的具體效果至今仍存在較大爭議，實(shí)踐上還需要深入研究[45]。從產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)來看，所有晚播處理百粒重均低于常規(guī)播期平作處理，這與劉戰(zhàn)東等[46]和張寧等[47]研究結(jié)果一致；且LN和LM處理各項(xiàng)構(gòu)成指標(biāo)均較高，因而達(dá)到了良好的補(bǔ)償效果。

3.3 壟溝種植模式對夏玉米倒伏情況的影響

本研究發(fā)現(xiàn)平作種植的夏玉米倒伏更嚴(yán)重，且常規(guī)播期玉米倒伏率更高。目前關(guān)于不同播期玉米倒伏的研究較少，少數(shù)學(xué)者[48-50]研究發(fā)現(xiàn)晚播玉米倒伏率高，但他們研究中品種、種植方式、倒伏發(fā)生時期等因素均與本研究有差異；張冬梅等[50]的研究中金科玉3306品種不同播期倒伏率之間也未發(fā)現(xiàn)顯著差異。本研究中平作處理倒伏嚴(yán)重原因可能為：倒伏發(fā)生時所有處理均已灌漿，但CK1處理發(fā)育早，其穗質(zhì)量相對較高，因而植株重心相對較高[51]，易受大風(fēng)影響；而CK2處理植株因生長發(fā)育狀況較差，其莖稈抗倒伏能力也較差[52]。本研究對倒伏的研究較粗略，倒伏發(fā)生也較為隨機(jī)，后續(xù)需深入研究。

4 結(jié) 論

1)濕潤多雨條件下，壟溝種植方式主要提升了夏玉米農(nóng)田表層土壤溫度，集雨效果表現(xiàn)不明顯。覆膜的增溫效果在前期較為顯著，且全覆膜的增溫效果最好，秸稈覆蓋在前期起到了降溫作用。

2)壟溝種植夏玉米的莖粗在拔節(jié)期與CK1處理達(dá)到相同水平，而株高、葉面積指數(shù)在8月中下旬，地上部干物質(zhì)量在成熟期；同時表現(xiàn)出了較低的倒伏率。全覆膜對晚播夏玉米生長達(dá)到了最好的補(bǔ)償效應(yīng)，避免了成熟過程受陰雨影響而延長；而秸稈覆蓋不利于晚播壟溝種植夏玉米的生長發(fā)育。

3)壟溝種植方式對晚播夏玉米產(chǎn)量影響顯著，LN處理產(chǎn)量與CK1相當(dāng)，LM處理產(chǎn)量在此基礎(chǔ)上達(dá)到11 101.7 kg·hm-2，增產(chǎn)12.2%。秸稈覆蓋對生長不利使夏玉米減產(chǎn)，晚播夏玉米百粒重均明顯降低。

綜合考慮土壤水熱、夏玉米生長和產(chǎn)量，多雨條件下壟溝全覆膜為最優(yōu)的晚播夏玉米補(bǔ)償種植方式。